[發明專利]一種生長氮化物單晶體材料的裝置及方法

在審

• 申請號: 201310498099.8
• 申請日: 2013-10-22
• 公開（公告）號: CN103526282A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 劉南柳;梁智文;陳蛟;張國義
• 申請（專利權）人: 北京大學東莞光電研究院
• 主分類號: C30B19/10
• 分類號: C30B19/10;C30B19/06;C30B29/38
• 代理公司: 東莞市冠誠知識產權代理有限公司 44272
• 代理人: 張作林

技術領域

本發明涉及半導體光電子材料領域，特別涉及一種新型的氮化物單晶體材料液相外延生長的裝置與方法。

背景技術

GaN是第三代半導體材料，由于其寬帶隙、高耐壓、高熱導等特點，在制備高功率LED/LD以及高頻高速微波探測等高端GaN基光電子器件領域具有廣闊的市場前景，已引起業界的廣泛關注。

由于GaN材料在常壓下溫度達到877℃時會分解成金屬鎵和氮氣，只有在高溫高壓下才能實現熔融（2220℃，6GPa），傳統的制備硅、砷化鎵等半導體單晶襯底的提拉法（又稱直拉法、Czochralski法或CZ法）很難生長GaN襯底材料。GaN襯底材料的缺失，迫使目前GaN基器件采用異質外延技術制備。外延材料與異質襯底間的晶格與熱應力失配導致外延層位錯密度高，影響器件的性能。因此，采用高質量的GaN自支撐襯底材料發展同質外延技術是實現高功率LED/LD、高頻高效微波功率GaN基器件的關鍵。

目前，制備GaN單晶體材料的方法主要有氫化物氣相外延技術（HVPE）、高溫高壓法（HPNS）、鈉流法（Na?Flux）和氨熱法（Ammothermal?growth）等。HVPE生長速率快、能大尺寸生長，但制備的單晶材料存在位錯密度較高（~10⁶?cm^-2）和殘余應力等問題。HPNS制備的晶體質量好（~10²?cm^-2），但生長條件苛刻（1700?℃，2?GPa）。氨熱法合成的晶體質量也不錯（~10³?cm^-2），但晶體生長速率比較慢，對實驗室設備要求比較高，不利于產業化生產。而Na?Flux生長條件適中（700~1000?℃，4~5?MPa），晶體質量較好（~10⁴?cm^-2），是目前制備GaN單晶體材料的最佳途徑。目前，Na?Flux生長GaN材料已取得了一定的進展，得到了直徑大于2英寸、厚度大于2?cm的GaN單晶體材料。但是，傳統的反應釜裝置只有一個腔室，一般把原材料和籽晶混合在一起，然后直接升溫進行單晶材料生長。這樣，在升溫加壓及生長完成后降溫過程中，原材料溶液不可避免地在未達到單晶生長條件時與晶籽表面接觸形成多晶GaN及其他中間產物，影響材料的晶體質量。同時，氣液界面產生GaN多晶而導致晶體生長速度較慢原材料的利用率低也是傳統單腔室反應釜結構不可克服的缺點。

發明內容

本發明提供了一種新型反應釜裝置及生長氮化物單晶體材料的方法，其結合了Na?Flux?生長GaN的反應條件及動力學原理，實現生長氮化物過程中晶核在晶種表面的優先生長，抑制氣液界面多晶氮化物的形成，提高氮化物單晶體材料的生長速度，改善晶體質量，有效地克服了傳統單腔室反應釜的缺點。

本發明設計的一種生長氮化物單晶體材料的裝置，該裝置為能承受高溫高壓的反應釜，所述的反應釜核心結構包括設有相互連通的晶體預生長區腔室（11）和晶體生長區腔室（12），晶體預生長區腔室（11）外側面及底面的外部設有加熱裝置（21），晶體生長區腔室（12）外側面及底面的外部設有加熱裝置（22），晶體預生長區腔室（11）與晶體生長區腔室（12）之間設有控制連通或分斷的導通控制裝置（33），晶體預生長區腔室（11）上方通過設置導通控制裝置（31），依次與含氮反應物氣體輸運管道（4）、氣體儲存罐（5）相連，晶體生長區腔室（12）上方通過設置導通控制裝置（32）依次與含氮反應物氣體輸運管道（4）、氣體儲存罐（5）相連。

作為對上述生長氮化物單晶體材料的裝置的進一步描述，所述導通控制裝置（33）的一側設有阻止未溶解的原材料或減少晶體中的雜質進入晶體生長區腔室（12）的網狀過濾器（61）。

作為對上述生長氮化物單晶體材料的裝置的進一步描述，所述的晶體生長區腔室（12）中放置有晶種模版（7）；所述晶種模版，可以是單一的藍寶石襯底、碳化硅襯底、硅襯底，或是由上述任一襯底上沉積氮化物薄膜的復合襯底或者氮化物自支撐襯底；上述襯底表面是極性c面或非極性晶面或半極性晶面。