一种β-氧化镓晶体及其生长方法与应用技术

本申请涉及宽禁带半导体结晶技术领域，具体公开了一种β

【技术实现步骤摘要】
一种
β
‑
氧化镓晶体及其生长方法与应用


[0001]本申请涉及宽禁带半导体结晶领域，更具体地说，它涉及一种β
‑
氧化镓晶体及其生长方法与应用。

技术介绍

[0002]β
‑
氧化镓晶体是一种可以用熔体法生长的半导体晶体，其具有禁带宽度大、热导率高、击穿场强高、饱和电子漂移速率快、化学性质稳定及成本低等优点，已被广泛应用于深紫外光电器件、高功率高电压器件等领域。
[0003]β
‑
氧化镓晶体的生长方法起初为提拉法，提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态，让籽晶接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上；在不断提拉和旋转过程中，生长出圆柱体晶体。采用提拉法生长β
‑
氧化镓晶体，有利于控制β
‑
氧化镓晶体的生长条件，且生长出来的β
‑
氧化镓晶体还具有位错密度低和光学均一性高的优点。但采用提拉法生长β
‑
氧化镓晶体，β
‑
氧化镓晶体的形状不易控制。为了使β
‑
氧化镓晶体拥有更多不同的截面形状，导模法被提出。
[0004]导模法是将原料放入坩埚内的模具中加热熔化，熔体在模具的毛细作用下上升至模具顶端，在模具顶部液面上接触籽晶。通过提拉籽晶杆使籽晶杆上的籽晶上升，从而使籽晶在熔体的交界面上不断进行分子的重新排列，并随降温逐渐凝固而生长出与模具形状相同的单晶体。采用导模法生长β
‑
氧化镓晶体，不止使β
‑
氧化镓晶体的生长速度加快，且使晶体生长的状态较为稳定。
[0005]但是，在使用导模法生长β
‑
氧化镓晶体的过程中，氧化镓原料在高温缺氧的生长中会发生分解而挥发，导致成品β
‑
氧化镓晶体出现多晶，降低了β
‑
氧化镓晶体的生长质量。

技术实现思路

[0006]为了提高β
‑
氧化镓晶体的生长质量，本申请提供了一种β
‑
氧化镓晶体及其生长方法与应用。
[0007]第一方面，本申请提供一种β
‑
氧化镓晶体的生长方法，其采用如下技术方案：一种β
‑
氧化镓晶体的生长方法，其包括以下操作步骤：(1)于0.4
‑
0.6MPa的保护气氛条件下，加热坩埚中模具内的氧化镓原料，使氧化镓原料熔融；(2)下降籽晶至模具上方，熔接；提拉籽晶，开始引晶；(3)引晶后，继续提拉籽晶，同时升举坩埚，坩埚的上升速率小于籽晶的提拉速率，使晶体自发放肩；放肩后，停止升举坩埚，降温，使晶体等径生长；脱模，停止提拉籽晶，冷却至23
±
2℃，即得β
‑
氧化镓晶体。
[0008]通过采用上述技术方案，β
‑
氧化镓晶体生长所需的坩埚和模具对氧气最敏感的温度为1200
‑
1400℃，整个生长过程在保护气氛条件下进行可防止坩埚、籽晶杆和模具被氧
化，同时维持氧化镓生长环境的稳定。
[0009]申请人发现，β
‑
氧化镓晶体在放肩和等径生长的过程中对纵向温度梯度均具有不同需求。引晶时若温度梯度较大，籽晶附近易聚集大量挥发物，挥发物易在引晶时与熔体接触而引入杂晶，导致生长出的晶体为多晶；放肩时若温度梯度较小，会导致放肩困难，则需大幅降低功率来实现放肩，但是功率降低过多易使氧化镓原料发生自发结晶而产生多晶，导致晶体生长失败。
[0010]本申请中，引晶时坩埚位置相对温场较低，这时β
‑
氧化镓晶体处的纵向温度梯度较小，在引晶后，通过利用β
‑
氧化镓晶体生长时的温场环境，升举坩埚，使纵向温度梯度变小，可避免引入杂晶，生长得到的β
‑
氧化镓晶体的摇摆曲线半峰宽为50弧秒，晶体质量较优，提高了β
‑
氧化镓晶体的生长质量。在放肩后停止升举坩埚，使等径生长过程中的纵向温度梯度变大，可避免多晶的产生，提高β
‑
氧化镓晶体的生长质量。另外，控制坩埚的上升速率小于籽晶的提拉速率，保证β
‑
氧化镓晶体正常生长。
[0011]作为优选：步骤(1)所述保护气氛为惰性气体。优选的，惰性气体可以选用氩气、氦气、氖气、氙气中的任一种或多种，保护气氛也可以为二氧化碳、氩气、氦气、氖气、氙气中的任一种或多种。
[0012]通过采用上述技术方案，惰性气体，作为保护气氛加入，其在高温条件下不溶于液态金属中，可保护坩埚、籽晶杆和模具等生产设备不被氧化。
[0013]作为优选：步骤(1)中，所述保护气氛为氧气和惰性气体的混合物，所述氧气与惰性气体的压力配比为1：(19
‑
99)。
[0014]通过采用上述技术方案，保护气氛由氧气和惰性气体混合而成，添加氧气可增加气氛中的氧分压，抑制氧化镓原料的挥发和分解，提高氧化镓原料的利用率。通过调整氧气和惰性气体之间的压力配比，使氧气在适当的分压范围内，防止因氧气过多而氧化坩埚、籽晶杆等生产设备。
[0015]作为优选：步骤(2)中所述籽晶的提拉速率为6
‑
15mm/h。
[0016]籽晶的提拉速率是β
‑
氧化镓晶体生长中的关键技术之一，提拉速率过大会造成晶格断裂，提拉速率不稳定可导致晶体中产生大量严重的生长条纹。本申请中，控制籽晶的提拉速率为6
‑
15mm/h，可提高β
‑
氧化镓晶体的内在质量。
[0017]作为优选：步骤(3)中所述坩埚的上升速率为0.4
‑
0.6mm/h。
[0018]通过采用上述技术方案，调节坩埚的上升速率，可避免因坩埚上升速度过快导致纵向温度梯度变化过大，从而提高晶体的生长质量。
[0019]作为优选：步骤(3)中，停止升举坩埚后，以1
‑
50℃/h的速率进行降温，使晶体等径生长。进一步的停止升举坩埚后，可以1℃/h、1
‑
10℃/h、10℃/h、10
‑
20℃/h、20℃/h、20
‑
30℃/h、30℃/h、30
‑
40℃/h、40℃/h、40
‑
50℃/h、50℃/h，更优选30℃/h。
[0020]通过采用上述技术方案，控制等径生长前的降温速率，有利于使析出的氧化镓溶质不断在晶体上生长，完成后期的等径生长。同时，还可使氧化镓熔融物始终处在亚稳态区内并维持适宜的过饱和度，从而使晶体在等径生长时能够不断持续稳定的生成。
[0021]作为优选：步骤(3)中，脱模并停止提拉籽晶后，以1000℃为临界点采用先慢后快的方式进行降温。
[0022]作为优选：当温度≥1000℃时，以80<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种β
‑
氧化镓晶体的生长方法，其特征在于，其包括以下操作步骤：（1）于0.4
‑
0.6MPa的保护气氛条件下，加热坩埚中模具内的氧化镓原料，使氧化镓原料熔融；（2）下降籽晶至模具上方，熔接；提拉籽晶，开始引晶；（3）引晶后，继续提拉籽晶，同时升举坩埚，坩埚的上升速率小于籽晶的提拉速率，使晶体自发放肩；放肩后，停止升举坩埚，降温，使晶体等径生长；脱模，停止提拉籽晶，冷却至23
±
2℃，即得β
‑
氧化镓晶体。2.根据权利要求1所述的β
‑
氧化镓晶体的生长方法，其特征在于：步骤（1）中，所述保护气氛为惰性气体。3.根据权利要求1所述的β
‑
氧化镓晶体的生长方法，其特征在于：步骤（1）中，所述保护气氛为氧气和惰性气体的混合物，所述氧气与惰性气体的压力配比为1：（19
‑
99）。4.根据权利要求1所述的β
‑
氧化镓晶体的生长方法，其特征在于：步骤（2）中，所述籽晶的提拉速率为6
‑
15 mm/h。5.根据权利要求1所述的β
‑
氧化镓晶体的生长方法，其特征在于：步骤（3）中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡开朋，吕进，陈政委，赵德刚，吴忠亮，
申请(专利权)人：北京铭镓半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：