[發明專利]一種用于HVPE反應爐的限域生長環及氮化物晶體生長方法

有效

• 申請號: 202110711924.2
• 申請日: 2021-06-25
• 公開（公告）號: CN113463200B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 王新強;劉強;劉放;盛博文
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C30B29/40
• 分類號: C30B29/40;C30B25/02;B23P15/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

本發明公開了一種用于HVPE反應爐的限域生長環及氮化物晶體生長方法。本發明采用鎢、釕和鉬中的一種，或者采用鎢、釕和鉬中的一種的碳化物或氮化物的限域生長環，經過清洗、退火和激活使限域生長環的功能面具備化學活性；將限域生長環置于反應爐生長區中，生長過程中限域生長環對晶體側向生長進行限制，從而阻止晶體的邊緣生長，遏制生長過程中產生邊緣效應，減少生長過程中產生的應力，最終實現厘米級GaN體晶生長；本發明實現方法簡單，根據現有的技術水平能夠容易實現，并大量推廣；限域生長環能夠經過熱清洗后重復使用，節約了限域生長環的制作成本，經濟實用；限域生長環能夠根據不同HVPE反應爐生長區的不同結構進行優化設計，通用性強。

技術領域

本發明涉及氮化物晶體生長技術，具體涉及一種用于HVPE反應爐的限域生長環及氮化物晶體生長方法。

背景技術

III-V族氮化物材料具備良好的光學和電學性質，使其在高效率發光器件、光電轉換器件、功率電子器件、集成電路和傳感器件等領域具有極大的應用價值。近年來，氮化物晶體生長技術已成為各國高技術產業戰略性發展的核心，而氫化物氣相外延(HVPE)反應爐是常見的一種氮化物(GaN)晶體生長設備。近年來，基于HVPE法的GaN自支撐襯底的生長技術已經成為了制備商用GaN自支撐襯底的主流技術。為了得到厚度達到厘米級的GaN體晶，需要解決HVPE生長爐中GaN的邊緣效應，即邊緣由于氣流場、溫度、生長晶面等物理參數的突變，產生的邊緣易生長多晶、邊緣的生長速率高于中心區域、以及邊緣的晶體晶格常數和雜質濃度均與中心不同等問題。

目前氮化鎵自支撐襯底的制備，膜厚一般小于1毫米，因此邊緣效應的問題不是很嚴重，通過降低生長速率，或使用合適深度的晶種凹槽可以緩解邊緣效應帶來的問題。對下一代的GaN體晶生長技術來說，為了實現厘米級厚度GaN晶體生長，邊緣效應的問題已經無法通過傳統方法解決，因此亟需開發出一種新式的技術解決邊緣效應問題。

發明內容

針對HVPE反應爐中GaN晶體生長過程中產生的邊緣效應問題，本發明提出了一種用于HVPE反應爐的限域生長環及氮化物晶體生長方法，使用限域生長環并使用特殊的處理工藝對限域生長環進行處理，并且在生長過程中將限域生長環導入HVPE反應爐的生長區，以便對晶體側向生長進行限制，從而解決邊緣效應的發生，最終實現厘米級GaN體晶生長。

本發明的一個目的在于提出一種用于晶體生長中抑制側向生長的限域生長環。

本發明的用于晶體生長中抑制側向生長的限域生長環，限域生長環的材料采用鎢、釕和鉬中的一種，或者采用鎢、釕和鉬中的一種的碳化物或氮化物；采用粉末冶金法、熔煉法、化學氣相沉積法或熱壓燒結技術將限域生長環的材料形成塊體材料，再通過機械加工成型形成中心具有通孔的平板，通孔的形狀為圓形或多邊形，或者形成多段限域段，每一段限域段為圓環或多邊環的一部分，多段限域段位于同一個圓環形或多邊環形上，相鄰的限域段之間的距離不超過3mm，制備得到限域生長環，限域生長環的內邊緣形狀與氮化鎵晶體生長用的一個晶種的外邊緣形狀一致；限域生長環上與氮化鎵晶體生長用的一個晶種生長表面平行的環面為限域生長環的功能面，對限域生長環的功能面進行機械處理，使得限域生長環的表面粗糙度為0.1nm～10μm，增強限域生長環的功能面的化學催化性能；限域生長環的厚度為0.5mm～1cm；限域生長環的內徑為D₁，限域生長環的外徑為D₂，氮化鎵晶體生長用的一個晶種的直徑為d，滿足D₁≤d+3mm，D₂≥d+5mm；限域生長環的材料的純度需要高于99％。

進一步，限域生長環的內徑和外徑分別滿足：D₁≥2mm；D₂≤d+100mm。

限域生長環的厚度大于氮化鎵晶體生長用的一個晶種的厚度。

本發明的另一個目的在于提出一種限域生長環用于氮化物晶體生長方法。

本發明的限域生長環用于氮化物晶體生長方法，包括以下步驟：