【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法。
技术介绍
1、氮化镓(gan)是第三代半导体的代表性材料之一，高导热性、良好的化学稳定性和强大的辐射硬化能力使其在半导体领域大放异彩。目前常用的制备方法为化学气相沉积法，利用含有镓元素的物质作为前驱体在高温低压的环境下与气体发生化学反应，通过适当的温度，气压，气体传输量，前驱体活性，沉积衬底等因素调控最终获得gan。而化学气相沉积技术根据反应条件和反应物又可分为等离子体化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积、微波等离子体化学气相沉积、激光化学气相沉积等，其中金属有机物化学气相沉积是目前使用最广泛的制备gan的化学气相沉积，该方式是使用金属有机物作为前驱体，通过氢气和氮气作为载气兼反应气体运输至反应腔，之后在高温的反应腔内进行化学反应，从而在反应腔的衬底上沉积出所需要的最终产物。但就金属有机物而言，常温下通常为液态，需要达到一定温度才能随着载气进入反应腔，这增加了设备设计成本；同时金属有机物也不是自然界存在的物质，需要经过特殊方法进行制备，在源头上提高了成本。
2、镓作为稀土元素造价高昂，其化学性质活泼难以保存。目前最常用的金属有机物化学气相沉积方法，在原料上需要使用或者制备三甲基镓作为镓源，而这一原料是自然环境下难以合成的，同时可能需要掺入其他材料来改善反应完成度。如专利《金属有机化学气相沉积生长gan基发光晶体膜的方法》(cn101736400a)所述：在所述gan晶体膜的原料配方中按比例掺入三甲基硼或三甲基铝,在生长过程中所述硼或铝以三价离子的
3、使用化学气相沉积制备的氮化镓由于衬底或结合力问题，往往又难以从基底上剥离而不破坏基础结构，(“growth of 2d gan single crystals on liquid metals”，发表在journal of the american chemical society,2018,140:16392)，提及该gan无法从衬底上剥离，而进行相关测试，因此与衬底共同进行测试，但这终究无法从基底剥离，获取完整氮化镓。
技术实现思路
1、为解决以上现有技术存在的问题，本专利技术提出一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，其致力于通过粉末作为镓源，在烧结的基础上通过设计基底模具组合获取完整氮化镓块，避免氮化镓难以从基底完整剥离。
2、本专利技术可通过以下技术方案予以实现：
3、一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，包括以下步骤：
4、1)样品制备，制备镓源；
5、2)样品装载；
6、3)洗气；
7、4)升温，通入氮气、氢气和氨气进行化学气相沉积，保温一段时间后关闭通气；
8、5)降温；
9、6)取样。
10、进一步地，所述步骤1)中样品制备用到的基底模具由可嵌套的两片石英片组成，以中间挖槽的石英片作为上层片，再以有壁石英片作为下层片，再通过微量乙醇液滴将两块石英片结合。
11、进一步地，所述步骤1)中先进行基底清洗，首先对石英片分别进行超声清洗、乙醇清理、通入氮气，高温烘干共三项步骤清洁，在烘干后，倒入0.8-1.2g氧化镓粉末，将与模具槽面积相同，厚度略高1-2cm的石英块压入，并压实，随后使用吹尘球将多余氧化镓清除，即得装有氧化镓粉末的样品与衬底。
12、进一步地，所述步骤2)包括：首先将化学气相沉积炉反应腔上部端盖盖实，所述装有氧化镓样品的衬底装入石墨保温块内，之后在石墨保温块上层再盖上一块装有导气管的石墨保温块；最后用套有石墨保温块的气路管将前面所述2块石墨保温块从反应腔下端口送入腔体；用手托住下端盖后，将腔体内抽至低压以保证下端盖可以吸附，之后固定上下端盖，完成装载。
13、进一步地，所述步骤3)中通入惰性气体进行洗气并确保腔体内没有其它气体。
14、进一步地，所述步骤4)包括：按照3-5℃/min升温速度到达1050-1200℃，之后按照通入气体流量比约为2:1:2的氮气:氢气:氨气，例：180-220sccm氮气、90-110sccm氢气、180-220sccm氨气开始进行化学气相沉积并保持2-5h，完成沉积后关闭通气。
15、进一步地，所述步骤5)中只保持60sccm的惰性气体降温。
16、进一步地，所述步骤6)中降温完成后，以与装载步骤相反的顺序取样，先从下端盖开始，最后取出上端盖收尾，其中，为了获取完整的gan，首先将上层石英片以单向力朝一个边推出，这时gan由于高温烧结而吸附于下层石英片上，由于镓源在制样时受到应力压片而结合相对紧密，通过轻微振动直接取出，最终由氧化镓粉末通过化学气相沉积获取了完整的gan。
17、有益效果
18、本专利技术从源头上使用了易于保存和造价较低的氧化镓粉末进行化学气相沉积，比常用的纯镓化学气相沉积，在原料上更易于保存，而比起金属有机物化学气相沉积的三甲基镓更加方便使用，价格更加适宜，从而达到降低制备成本的目的。
19、基本反应方程式为：
20、ga2o3+2nh3→2gan+3h2o
21、此外通过多层石英片的模具设计，比难以从衬底剥离或者与衬底共同使用的大现有技术更加容易获取完整的氮化镓，为氮化镓制备提供新途径。
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1.一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，其特征在于，所述步骤1)中样品制备用到的基底模具由可嵌套的两片石英片组成，以中间挖槽的石英片作为上层片，再以有壁石英片作为下层片，再通过微量乙醇液滴将两块石英片结合。
3.根据权利要求2所述的一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，其特征在于，所述步骤1)中先进行基底清洗，首先对石英片分别进行超声清洗、乙醇清理、通入氮气，高温烘干共三项步骤清洁，在烘干后，倒入0.8-1.2g氧化镓粉末，将与模具槽面积相同，厚度略高1-2cm的石英块压入，并压实，随后使用吹尘球将多余氧化镓清除，即得装有氧化镓粉末的样品与衬底。
4.根据权利要求3所述的一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，其特征在于，所述步骤2)包括：首先将化学气相沉积炉反应腔上部端盖盖实，所述装有氧化镓样品的衬底装入石墨保温块内，之后在石墨保温块上层再盖上一块装有导气管的石墨保温块；最后用套有石
5.根据权利要求1所述的一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，其特征在于，所述步骤3)中通入惰性气体进行洗气并确保腔体内没有其它气体。
6.根据权利要求1所述的一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，其特征在于，所述步骤4)包括：按照3-5℃/min升温速度到达1050-1200℃，之后按照通入气体流量比约为2:1:2的氮气:氢气:氨气，开始进行化学气相沉积并保持2-5h，完成沉积后关闭通气。
7.根据权利要求1所述的一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，其特征在于，所述步骤5)中只保持60sccm的惰性气体降温。
8.根据权利要求4所述的一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，其特征在于，所述步骤6)中降温完成后，以与装载步骤相反的顺序取样，先从下端盖开始，最后取出上端盖收尾，其中，为了获取完整的GaN，首先将上层石英片以单向力朝一个边推出，这时GaN由于高温烧结而吸附于下层石英片上，由于镓源在制样时受到应力压片而结合相对紧密，通过轻微振动直接取出，最终由氧化镓粉末通过化学气相沉积获取完整的GaN。
...【技术特征摘要】
1.一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，其特征在于，所述步骤1)中样品制备用到的基底模具由可嵌套的两片石英片组成，以中间挖槽的石英片作为上层片，再以有壁石英片作为下层片，再通过微量乙醇液滴将两块石英片结合。
3.根据权利要求2所述的一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，其特征在于，所述步骤1)中先进行基底清洗，首先对石英片分别进行超声清洗、乙醇清理、通入氮气，高温烘干共三项步骤清洁，在烘干后，倒入0.8-1.2g氧化镓粉末，将与模具槽面积相同，厚度略高1-2cm的石英块压入，并压实，随后使用吹尘球将多余氧化镓清除，即得装有氧化镓粉末的样品与衬底。
4.根据权利要求3所述的一种以粉末氧化镓为原料化学气相沉积制备块体氮化镓的方法，其特征在于，所述步骤2)包括：首先将化学气相沉积炉反应腔上部端盖盖实，所述装有氧化镓样品的衬底装入石墨保温块内，之后在石墨保温块上层再盖上一块装有导气管的石墨保温块；最后用套有石墨保温块的气路管将前面所述2块石墨保温块从反应腔下端口送入腔体；用手托住下端盖后，将腔体内抽至...
【专利技术属性】
技术研发人员：李爱军，贺杜炜，霍彩霞，周亚迪，季志豪，涂建新，张方舟，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：
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