[發明專利]GaN微晶及其合成方法

無效

• 申請號: 201410713474.0
• 申請日: 2014-11-28
• 公開（公告）號: CN104445108A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 宋友庭;陳小龍;孫偉;甘弟;許燕萍
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: C01B21/06
• 分類號: C01B21/06;C30B1/10;C30B29/40
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙) 11391
• 代理人: 范曉斌;康正德

技術領域

本發明涉及晶體合成技術領域，特別涉及一種GaN微晶及其合成方法。

背景技術

氮化鎵(GaN)等Ⅲ-Ⅴ族半導體材料具有禁帶寬度寬、飽和電子漂移速度高、擊穿電場強、熱導率高、化學性質穩定以及抗輻射能力強的特點。在室溫下氮化鎵GaN在光電子、微電子領域均有重要的應用。在光電子方面，利用GaN制作的高亮度發光二極管(LED)在圖像顯示、信號指示、照明方面有廣泛的應用前景；而GaN基激光器可以覆蓋從紫外到可見光很寬的頻譜范圍，在光信息存儲、激光打印、激光全色顯示、大氣環境監測等領域有著巨大市場需求。在高頻、高功率電子器件方面，GaN基高電子遷移率晶體管或異質結雙極型晶體管，可應用于大容量衛星通訊、雷達和電力電子開關等。

GaN基器件的應用通常是通過在GaN襯底上外延GaN基量子阱而實現的。由于缺乏高質量GaN單晶襯底，因此目前一般采用異質外延方法制作GaN基器件。使用最多的異質襯底是Al₂O₃和SiC。但是這些襯底與GaN之間存在著較大的晶格失配和熱失配，致使外延膜中產生比較大的位錯密度，從而嚴重地影響了器件的性能。因此，發展高質量GaN單晶、實現GaN襯底的同質外延一直是人們努力的目標。

GaN單晶生長方法包括：氫化物氣相外延法(HVPE)、氨熱法、堿金屬助溶劑法、高溫高壓法和升華法，其中發展較為成熟的方法是HVPE法。目前市場上出售的2英寸GaN晶片主要是通過這種方法獲得的。HVPE法生長GaN晶體的速率比較大，但得到的GaN晶體的位錯密度比較高，一般在1×10⁶/cm²以上。目前通過氨熱法以及Na助熔劑的液相外延也可獲得2英寸GaN晶片，晶體的位錯密度相對較低(1×10⁴/cm²)。氨熱法被認為目前生長高質量GaN單晶比較有前途的一種方法，其生長GaN單晶的條件：多晶GaN為原料，另外需要酸性、中性或者堿性礦化劑(如氨基鉀等)及超臨界氨條件(壓力1000-4000atm，溫度400-600℃)。鈉助溶劑法生長GaN單晶需要在50atm的N₂壓力及750℃的溫度下進行。高溫高壓法獲得GaN單晶質量比較高，其位錯密度最低小于1×10²/cm²，但是晶體尺寸限制在1英寸以下，并且高溫高壓法(N₂氣氛)制備GaN晶體的條件十分苛刻，生長需要在1000℃以上的高溫及10000atm的N₂氣氛下完成。升華法生長GaN晶體，通常以GaN粉末作為原料，在氨氣氣氛下通過GaN粉末的升華，在襯底上沉積外延生長GaN晶體，這種方法存在GaN在襯底上二次分解的問題，目前技術上很不成熟。

其中，氨熱法及升華法生長GaN單晶均需要采用多晶GaN粉末作為原料，并通過金屬鎵與流動的氨氣反應合成多晶GaN原料，其合成溫度在900℃以上，并且合成中所采用的氣體為有毒性的氨氣，因此，利用此方法合成GaN的缺點是很明顯的。而在常壓及N₂氣氛下，僅以金屬鎵為原料，并不能直接合成GaN。因此研究低溫、常壓和N₂氣氛下合成GaN的方法是非常必要的。

已有報道在常壓及非氨氣氣氛下成功合成GaN的事例。例如，通過固相反應合成：GaI₃+Li₃N+NH₄Cl＝GaN+3LiI+NH₃+HCl，其合成溫度大于340℃，其中NH₄Cl起了很重要的作用，但是反應產物中仍然有NH₃產生。已有專利報道：以Li+Ga或者以Li₃N+Ga為原料，在N₂氣氛及高于680℃的溫度下，可以制備GaN晶體。中科院物理所曾采用Li₃N與Ga為原料，在氮氣氣氛及高于750℃的溫度下，制備了毫米級的GaN單晶。

目前，國外有報道以Li-Ga合金為原料，在流動的NH₃及較低的溫度(300-500℃)溫度下，合成了GaN微晶。但是該合成方法依然不能避免使用有毒氣體NH₃。

發明內容

本發明的目的旨在提供一種GaN微晶及其合成方法，該合成方法合成溫度低且擯棄了有毒氣體NH₃。