[發明專利]氧化鎵單晶制備中抑制原料分解和銥金坩堝氧化的方法

在審

• 申請號: 202111460474.0
• 申請日: 2021-12-02
• 公開（公告）號: CN114086249A
• 公開（公告）日: 2022-02-25
• 發明（設計）人: 唐為華;李山
• 申請（專利權）人: 北京鎵和半導體有限公司
• 主分類號: C30B27/00
• 分類號: C30B27/00;C30B27/02;C30B29/16
• 代理公司: 北京清誠知識產權代理有限公司 11691
• 代理人: 喻穎

一種氧化鎵單晶制備中抑制原料分解和銥金坩堝氧化的方法。所述方法包括：在控制溫度條件下生長氧化鎵晶體，且將氧化鎵的生長溫度劃分成至少兩個的溫度區間，對每一個溫度區間設置不同的生長氣氛。本發明的方法將氧化鎵單晶制備過程中的溫度細分為多個區間，通過不同溫區氣氛比例的精確控制，達到抑制原料分解揮發和銥金坩堝氧化揮發的目的，從而降低設備損耗，提高單晶質量，降低生產成本。本發明操作簡單有效，成本低廉，有利于氧化鎵單晶的工業化生產和科研探索。

技術領域

本發明涉及半導體材料領域，具體涉及一種氧化鎵單晶的制備方法，尤其涉及一種在氧化鎵單晶制備過程中抑制原料分解和揮發、抑制銥金坩堝氧化和揮發的方法。

背景技術

氧化鎵是一種直接帶隙寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度約為4.9eV，它具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度快、熱導率高、擊穿場強高、化學性質穩定等諸多優點。Ga₂O₃材料有多種同分異構體，只有β相具有高溫穩定性，因此以熱熔法制備的氧化鎵單晶都是β單斜結構?；谘趸壴诠β孰娮悠骷凸怆娮悠骷I域的巨大應用前景，氧化鎵晶體的生長成為當下氧化鎵產業化的基礎。我國針對氧化鎵材料的研究起步較晚，與日本、德國和美國等還存在巨大差距。目前，日本田村制造所已經利用導模法制備了6英寸的氧化鎵單晶，實現了產業化量產和產品銷售。而我國才剛剛突破2～4英寸氧化鎵單晶生長技術，且還未量產推廣。為了抓住寬禁帶半導體發展的歷史機遇，實現我國在半導體集成光電子技術的彎道超車，發展大尺寸高質量的氧化鎵單晶材料的生產制備工藝迫在眉睫。

氧化鎵單晶制備常用的方法有導模法、提拉法、坩堝下降法以及光浮區法等。其中光浮區法不需要使用坩堝，也不需要控制特殊生長氣氛，但是制備的晶體尺寸較小，無法應對大尺寸襯底的要求；導模法、提拉法、坩堝下降法都可以制備2英寸及以上的大尺寸氧化鎵單晶，但均需要使用銥金坩堝并控制其生長氣氛。特別是氧化鎵原料在高溫下溶液發生揮發和分解，揮發的原料蒸汽會在溫場和晶體表面凝結形成針狀、片狀晶體，影響稱重信號造成提升過程紊亂；分解過程生成氧氣和鎵單質金屬，氧氣致使單晶產生大量氧空位而晶體質量下降，鎵金屬與銥金坩堝及模具反應形成低熔點合金，損壞設備。在現有技術的生長氧化鎵單晶過程中，通常采用生長前充入氬氣或氮氣作為保護氣氛保護坩堝，同時利用二氧化碳或者氧氣來抑制氧化鎵的揮發，但是效果較差，并不能充分解決上述技術問題。

因此，如何抑制氧化鎵的揮發和分解、減低銥金坩堝的氧化損耗成為氧化鎵單晶生長過程中的主要技術障礙。

發明內容

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種在氧化鎵單晶制備過程中抑制原料分解和揮發、抑制銥金坩堝氧化和揮發的方法，以期至少部分地解決上述技術問題。

為了實現上述目的，本發明提供了一種生長氧化鎵晶體的方法，包括如下步驟：

在控制溫度條件下生長氧化鎵晶體，且將氧化鎵的生長溫度劃分成至少兩個的溫度區間，對每一個溫度區間設置不同的生長氣氛。

本發明還提供了一種在氧化鎵晶體生長過程中抑制原料分解和揮發/抑制坩堝氧化的方法，包括如下步驟：

在生長氧化鎵晶體的過程中，將氧化鎵的生長溫度劃分成至少兩個的溫度區間，對每一個溫度區間設置不同的生長氣氛。

作為優選，所述生長氣氛為氬氣或/和氮氣構成的惰性保護氣氛，或者由氧氣或/和二氧化碳構成的氧化氣氛，或者是兩類氣氛的混合。

作為優選，氧分壓占比根據制備尺寸的需求進行調整；

作為優選，生長2英寸氧化鎵單晶時，氧分壓占比選為5％～10％；生長4英寸氧化鎵單晶時，氧分壓占比選為15％～25％；

作為優選，氧分壓占比最大為50％。

作為優選，在生長溫度低于1000℃時，生長氣氛為惰性保護氣氛；和/或