[發明專利]一種大尺寸氧化鎵單晶的生長方法及生長裝置

有效

• 申請號: 201310559528.8
• 申請日: 2013-11-12
• 公開（公告）號: CN103541008A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 唐慧麗;徐軍;錢小波;羅平;姜大朋;吳鋒;王靜雅;唐飛
• 申請（專利權）人: 上海硅酸鹽研究所中試基地;中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C30B29/16
• 分類號: C30B29/16;C30B15/36
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

技術領域

本發明涉及一種氧化鎵單晶的生長方法及生長裝置，具體說，是涉及一種大尺寸、高質量、片狀氧化鎵單晶的生長方法及生長裝置，屬于晶體生長技術領域。

背景技術

β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）單晶是一種新型寬禁帶氧化物半導體材料，具有獨特的UV透過特性；其應用范圍廣泛，不僅可用于功率元件，而且還可用于LED芯片，各種傳感器元件及攝像元件等。其中，β-Ga₂O₃單晶作為GaN的襯底材料是最被看好的用途，它結合了碳化硅的導電性和藍寶石的透光性，并且（100）晶面經過表面氮化重構后與GaN晶格零失配。β-Ga₂O₃具有以下優勢：

（1）具有導電性，利于器件的小型化、集成化，適合需大驅動電流的高功率LED；

（2）截止吸收邊波長短，可見、紫外光波段透過率達80%以上，易于將LED芯片發出的光提取到外部；

（3）（100）晶面與GaN晶格失配小，經表面氮化重構可實現完全匹配；

（4）化學性能穩定，耐強酸、強堿，機械強度高。

因此，β-Ga₂O₃單晶被視為是一種可替代藍寶石和碳化硅的理想GaN襯底材料。

最近，在國際上，β-Ga₂O₃單晶基板晶體管和β-Ga₂O₃基板上制造的LED器件取得了突破性進展。2012年，日本信息通信研究機構(NICT)和田村制作所開發出β-Ga₂O₃單晶基板的晶體管。同年，他們使用β-Ga₂O₃基板試制出300μm×300μm?LED元件，在驅動電流1200mA時的光輸出功率達170mW，熱阻為同尺寸橫向結構市售產品的1/10～1/100；與市售的300μm見方橫向結構藍光LED芯片相比，可實現5倍以上的光輸出功率。

β-Ga₂O₃單晶是一種新型透明導電襯底材料，市場應用潛力巨大。由于其熔點較高（1850℃），具有解理特性，生長過程中易分解和揮發，因此生長大尺寸（1英寸及以上）、高質量的β-Ga₂O₃單晶非常困難。目前國內主要采用浮區法制備β-Ga₂O₃單晶，晶體尺寸較小，無法滿足襯底基片的要求。而采用傳統導模法生長的β-Ga₂O₃單晶，普遍存在氣泡、生長條紋、解理開裂、多晶等問題，嚴重影響晶體質量。

最近，中國專利CN103290471A公開一種導模法生長片狀氧化鎵晶體的方法，與該專利相比，本發明具有以下優勢：生長裝置中的熱場部件采用純金屬后熱器、纖維隔層氧化鋯保溫構件和對稱視孔等，保證熱場溫度分布均勻對稱，溫度梯度更加合理，有效避免了氧化鎵晶體的解理開裂、多晶生長等關鍵問題，能夠獲得尺寸達1英寸以上的大尺寸、高質量氧化鎵單晶。

發明內容

面對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種大尺寸氧化鎵單晶的生長方法及生長裝置，以實現規模化生產高質量、低成本的氧化鎵單晶體，應用于高功率白光LED、紫外LED、LD和氧化鎵晶體管等器件。

首先本發明提供一種大尺寸氧化鎵單晶的生長方法，具體包括以下步驟：

a)在單晶爐內安裝用于加熱和保溫形成熱場的多個熱場部件，所述多個熱場部件水平且同中心地安裝；

b)將內嵌有銥金模具的帶蓋銥金坩堝放入所述熱場的中心；

c)將[010]或[001]特定取向的β-Ga₂O₃籽晶放入籽晶夾具內并捆綁固定；

d)將純度為99.99～99.999%的氧化鎵原料放入所述銥金坩堝內，蓋好銥金坩堝蓋；

e)依次開啟機械泵、擴散泵將爐腔抽真空至5.0×10^-3Pa時關閉真空設備，按照混合氣比例Ar：CO₂=9:1～8:2緩慢充至爐腔壓強為1.05～1.5MPa，所述Ar和CO₂氣體的純度為99.999%；

f)中頻感應加熱升溫至1870±5℃，恒溫0.5～1小時，使氧化鎵原料完全融化；

g)緩慢下降籽晶至籽晶距離模具頂端上方3～5mm位置進行烤籽晶，5～10分鐘后開始接種；