一种通过设置温度梯度制备自支撑氧化镓体块单晶的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过设置温度梯度制备自支撑氧化镓体块单晶的方法，将籽晶固定在HVPE生长系统的衬底并置于高温生长区，籽晶与NH3出气口距离为5~20cm，控制籽晶与氨气出气口的温度梯度；升温至所需温度，通入氯化氢与Ga反应生成氯化镓，运输至高温生长区，与氨气反应外延生长GaN，温度梯度为

【技术实现步骤摘要】
一种通过设置温度梯度制备自支撑氧化镓体块单晶的方法


[0001]本专利技术属于半导体合成
，具体涉及一种通过设置温度梯度制备自支撑氧化镓体块单晶的方法。

技术介绍

[0002]氮化镓（GaN）作为第三代宽禁带半导体材料的代表，是一种直接带隙半导体材料，其禁带宽度（3.44 eV）宽、击穿电场强度高、饱和电子迁移率高、介电常数小、热导率大以及抗辐射能力强等诸多优良特点，能够大幅提高电子器件的高压、高频、高功率工作性能，被广泛应用于短波长激光器、紫外探测器以及高频大功率器件，同样在军事、新能源、电动汽车等领域应用前景巨大。除此之外，GaN能够与氮化铟（InN）和氮化铝（AlN）配合，按照不同的配比可以实现禁带宽度从0.7 eV到6.2 eV之间的调控，使其发光范围不再局限于蓝光，实现了整个可见光谱的完全覆盖。因此可以制备不同波段的LED，进而应用到白光照明和全彩显示设备等发光设备方面，同时这种LED基固态照明更加的节能、环保和高效。同时GaN对于离子辐射效应有较强的抵抗力，能够有效的提高空间飞行器中电子器件的性能，延长使用寿命；而GaN器件实现电子有效荷载的小型化，并且提供更高的功率密度和效率，进而减少空间飞行器的重量和体积。因此，GaN也是空间飞行器中电子器件的重要材料。正是由于GaN如此优异的性能，使其成为紫外探测、高频高功率器件、军事器件、太空电子器件及各类节能器件等产业的核心，近年来在国际上备受重视。
[0003]氢化物外延生产方法（HVPE）是目前制备GaN单晶衬底的主流生长技术，不需要超高温和超高压的生长条件，对生产设备的要求低，具有生长速度快，容易实现掺杂等优点。HPVE反应器主要包括两个反应区，低温区和高温反应区，低温区的温度通常为850℃，主要发生金属Ga与HCl的反应，将液相Ga金属转变成气相的GaCl，从而通过载气运输到衬底区域；高温区域温度为1040℃，GaCl与NH3反应在衬底上实现GaN单晶的生长。
[0004]为了获得较好的自支撑GaN，众多研究者开发了多种衬底预处理方法，包括的空位辅助分离、图形掩膜和二维材料涂覆层等技术，有效的提高了晶体生长的质量，同时获得了自支撑GaN单晶。但是衬底的预处理在一定程度上的确增加了生长的成本和工艺，一些方法甚至会引入部分杂质。这对于获得低成本同质衬底是不利的。
[0005]因此，亟需一种方便、简洁、易操作、低成本的方法制备自支撑的GaN体块单晶的方法。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中HVPE法制备GaN晶体表面形貌及晶体质量差的问题，本专利技术提供了一种通过设置温度梯度制备自支撑氧化镓体块单晶的方法，通过改变HVPE生长系统高温生长区的温度梯度，有效的改变了生长GaN单晶的表面形貌及晶体质量，是一种方便、简洁、
易操作、低成本的制备自支撑的GaN体块单晶的方法。
[0007]本专利技术通过以下技术方案实现：一种通过设置温度梯度制备自支撑氧化镓体块单晶的方法，包括以下步骤：（1）将籽晶固定在HVPE生长系统的衬底拖上并置于高温生长区，使籽晶与NH3出气口的距离为5~20cm，将HPVE生产系统升温至所需温度，控制籽晶与NH3出气口的温度梯度，升温过程中持续通入氮气和氨气；（2）待温度稳定后，开始通入氯化氢气体，氯化氢气体在低温反应区与Ga反应生成氯化镓，通过载气运输至高温生长区，与氨气反应，在籽晶处外延生长GaN，外延生长温度梯度为
‑
2~2℃，反应时间为1~2h；（3）反应1~2h后，停止通入氯化氢气体，调整高温生长区的温度，使籽晶与氨气出气口的退火温度梯度为
‑
3~3℃/cm，在此温度下保温1~2h，实现一次高温退火；（4）一次高温退火完成后，继续通入氯化氢气体，使GaN继续外延生长1
‑
2 h，获得一层GaN多孔结构层；（5）停止通入氯化氢气体，调整高温生长区的温度，使籽晶与氨气出气口的退火温度梯度为
‑3‑
3℃/cm，在此温度下保温1~2h，实现二次高温退火；（6）二次高温退火完成后，再次通入氯化氢气体，使GaN外延生长2~48h，关闭氯化氢气体，HVPE生长系统降低至室温。
[0008]进一步地，所述的HVPE生长系统为垂直式HVPE生长系统，原料气体自下而上运输，镓源位于低温反应区，高温生长区包括自下而上设置的第一加热区间、第二加热区间和第三加热区间，籽晶位于高温生长区的第二加热区间。
[0009]进一步地，所述的第一加热区间高度为100
‑
200mm，第二加热区间高度为200
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350mm，第三加热区间高度为100
‑
200mm。
[0010]进一步地，所述的第一加热区间温度设定为900
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1100℃，第二加热区间温度设定为1000
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1200℃，第三加热区间温度设定为900
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1200℃。
[0011]进一步地，所述的低温反应区温度设定为为700
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900℃。
[0012]进一步地，步骤（1）中升温至所需温度的时间为7h。
[0013]进一步地，所述的外延生长温度梯度和退火温度梯度不同时相等。
[0014]进一步地，所述的籽晶为MOCVD
‑
GaN/Al2O3；所述的衬底拖与可旋转籽晶杆连接。
[0015]进一步地，所述的升温过程中,持续通入高纯氮气作为氛围气体，同时通入高纯氨气。
[0016]本专利技术制备方法的反应原理：衬底在设备上部向下悬挂并且可以旋转，原料气体自下而上运输，整个生长过程在常压下进行。整个HPVE生长系统是由五组加热模块，通过电阻丝加热的方式，独立控制温度，从而使整个生长系统拥有完整可控，并且独立稳定的温度场分布，通过改变每段加热区间长度或设定不同区间温度调整温度梯度。
[0017]生长采用高纯N2作为载气；纯度为7N的金属Ga作为Ga源，并在低温反应区（设定温度为850℃）与电子级HCl气体反应获得GaCl，并被载气送达高温区，与提供N源的纯度为6N的NH3反应，获得GaN并不断在籽晶（将MOCVD生长获得的GaN作为籽晶，在该籽晶（或叫衬底）上利用HVPE方法生长GaN。
[0018]生长过程：通过质量流量控制器，持续利用氮气，将HCl气体（自下而上）运送到石英镓舟内，HCl在低温反应区镓舟内与液态镓反应，生成氯化镓：随后反应生成的氯化镓通过镓舟内的小孔，被另一路由质量流量控制器控制的氮气（自下而上）运送出镓舟，达到高温生长区；同时在在另一路，同样利用质量流量控制器控制氮气运送氨气，将石英输送管路穿透镓舟，直接运送到高温生长区，当氯化镓与氨气在衬底处刚好接触时，氯化镓与氨气发生进一步的反应。
[0019]。
[0020]生成GaN并不断外延生长，从而获得自支撑GaN单晶。通过控制高温生长区的温度梯度，从而改变生长GaN的单晶质量，进一步提高HVPE（氢化物气相外延法）生长GaN单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过设置温度梯度制备自支撑氧化镓体块单晶的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将籽晶固定在HVPE生长系统的衬底拖上并置于高温生长区，使籽晶与NH3出气口的距离为5~20cm，将HPVE生产系统升温至所需温度，控制籽晶与NH3出气口的温度梯度，升温过程中持续通入氮气和氨气；（2）待温度稳定后，开始通入氯化氢气体，氯化氢气体在低温反应区与Ga反应生成氯化镓，通过载气运输至高温生长区，与氨气反应，在籽晶处外延生长GaN，外延生长温度梯度为
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2~2℃，反应时间为1~2h；（3）反应1~2h后，停止通入氯化氢气体，调整高温生长区的温度，使籽晶与氨气出气口的退火温度梯度为
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3~3℃/cm，在此温度下保温1~2h，实现一次高温退火；（4）一次高温退火完成后，继续通入氯化氢气体，使GaN继续外延生长1
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2 h，获得一层GaN多孔结构层；（5）停止通入氯化氢气体，调整高温生长区的温度，使籽晶与氨气出气口的退火温度梯度为
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3℃/cm，在此温度下保温1~2h，实现二次高温退火；（6）二次高温退火完成后，再次通入氯化氢气体，使GaN外延生长2~48h，关闭氯化氢气体，HVPE生长系统降低至室温。2.根据权利要求1所述的自支撑氧化镓体块单晶的制备方法，其特征在于，所述的HVPE生长系统为垂直式HVPE生长系统，原料气体自下而上运输，镓源位于低温反应区，高温生长区包括自下而上设置的第一加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡海啸，张保国，邵永亮，吴拥中，郝霄鹏，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：