[發明專利]一種氧化鎵晶體冷坩堝生長方法

在審

• 申請號: 201980032816.3
• 申請日: 2019-10-10
• 公開（公告）號: CN112513342A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 唐慧麗;徐軍;趙衡煜;何諾天;李東振;王東海
• 申請（專利權）人: 南京同溧晶體材料研究院有限公司
• 主分類號: C30B11/00
• 分類號: C30B11/00;C30B28/06;C30B29/16
• 代理公司: 南京中律知識產權代理事務所(普通合伙) 32341
• 代理人: 沈振濤

本發明提供的一種氧化鎵晶體冷坩堝生長方法，包括以下步驟：放置β?Ga₂O₃籽晶，堆積高純Ga₂O₃形成原料堆；啟動高頻感應發生器電源，將兩根石墨棒插入原料堆中；升高石墨棒的加熱功率至石墨棒之間產生電火花，石墨棒起燃使周圍的高純Ga₂O₃圓球狀原料熔融，形成熔體；熔體在高頻感應線圈的作用下持續發熱，向熔體中投入高純Ga₂O₃圓球狀原料，使充分熔化，熔體體積進一步擴大，直至籽晶與熔體充分熔接；將水冷銅管坩堝逐漸下降，晶體自籽晶處逐步向上結晶生長；降溫退火。該方法工藝簡單，大幅降低長晶成本；采用常壓空氣氣氛生長晶體，有效解決了生長過程中的分解揮發問題，同時降低了對設備的耐壓要求。

技術領域

本發明涉及化學領域，特別涉及一種氧化鎵晶體冷坩堝生長方法。

背景技術

氧化鎵(β-Ga₂O₃)晶體是一種超寬禁帶半導體材料，具有禁帶寬度大(Eg＝4.8～5.2eV)，吸收截止邊短(～260nm)，擊穿電場強度高(8MV/cm)，化學性能穩定，適合熔體法生長等優點。因此，β-Ga₂O₃成為高壓、高功率器件和深紫外光電子器件的優選材料之一，可應用于場效應晶體管(FETs)、日盲紫外探測器、肖特基二極管、氣體傳感器等。近年來，氧化鎵材料及器件的研究與應用呈現出顯著的加速發展勢頭，成為當前德國、日本、美國等國家的研究熱點和競爭重點。2016年1月，美國海軍實驗室設立了高效氧化鎵薄膜外延項目，明確指出氧化鎵超高壓功率器件在電磁軌道炮、軍用雷達等方面的具有重大應用價值。

氧化鎵具有α、β、ε、δ和γ五種晶體結構，其中β型結構最穩定，溫度高于850℃時其它相均轉化為β相。β-Ga₂O₃為一致熔融化合物，能夠采用熔體法生長獲得β-Ga₂O₃體塊晶體。生長氧化鎵晶體的難點在于：在高溫缺氧的生長氣氛中Ga₂O₃會發生如下分解反應：

生成低價鎵的氧化物和單質鎵等產物；而鎵會與銥金形成合金，造成貴金屬損失；并且β-Ga₂O₃易產生攣晶、鑲嵌結構、解理開裂、螺位錯等缺陷。因此，獲得大尺寸、高質量β-Ga₂O₃晶體極為困難。提拉法和導模法是目前生長大尺寸氧化鎵晶體較為成功的方法。德國萊布尼茨晶體生長研究所采用提拉法成功生長出2英寸β-Ga₂O₃晶體，日本田村制作所(Tamura)和光波公司(Koha Co.,Ltd)采用導模法技術率先實現商品化2英寸β-Ga₂O₃基片，并試生長出6英寸晶體坯片。但這兩種生長方法存在不足之處：提拉法和導模法生長β-Ga₂O₃晶體均采用銥金坩堝，而鎵會對銥金坩堝內壁造成嚴重的腐蝕，銥金損耗量較大；為了抑制生長過程中Ga₂O₃的分解揮發，萊布尼茨晶體生長研究所采用7bar高壓CO₂氣氛生長晶體，這對設備的耐壓性提出了更加苛刻的要求。

發明內容

技術問題：針對現有技術的不足，本發明提出了一種氧化鎵晶體冷坩堝生長方法。

技術方案：本發明提供的一種氧化鎵晶體冷坩堝生長方法，包括以下步驟：