[發明專利]一種氧化鋯坩堝制備氧化鎵單晶的方法

在審

• 申請號: 202211097581.6
• 申請日: 2022-09-08
• 公開（公告）號: CN115821381A
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 唐為華;田亞文;李山
• 申請（專利權）人: 北京鎵和半導體有限公司
• 主分類號: C30B27/02
• 分類號: C30B27/02;C30B29/16
• 代理公司: 北京卓勝佰達知識產權代理有限公司 16026
• 代理人: 楊洋

本發明公開了一種氧化鎵單晶的制備方法，其特點在于使用氧化鋯作為坩堝容器，通過第一發熱體鎵金屬和第二發熱體氧化鎵鋯坩堝的共同作用使氧化鎵原料熔化，進而實現無銥金生長的氧化鎵單晶。本發明操作簡單有效，避免了貴金屬銥金的使用，極大的降低了氧化鎵單晶的制備成本，有利于氧化鎵單晶的工業化生產和科研探索。

技術領域

本發明涉及一種降低制備成本、優化晶體質量的工藝方法，尤其涉及氧化鎵單晶制備過程中銥金所占成本較大、原料揮發及銥金坩堝氧化問題的解決方案，屬于半導體材料領域。

背景技術

氧化鎵作一種超寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度約為4.9eV，其具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度快、擊穿場強高、化學性質穩定等諸多優點。

氧化鎵材料具有多種同分異構體，但是只有β相具有高溫穩定性，因此使用熔體法制備的氧化鎵單晶襯底均為β型單斜結構。目前氧化鎵在功率電子器件、日盲紫外探測器件等領域表現出了巨大的應用前景，氧化鎵單晶襯底也受到了多家科研院所及半導體企業的重點關注，因此發展氧化鎵單晶襯底制備技術有重大意義。

目前國內外制備氧化鎵單晶的常用方法有導模法、提拉法、坩堝下降法、光浮區法等。其中僅光浮區法不需要使用坩堝，依靠大功率光源及光學聚焦系統加熱原料制備晶體，但是此方法制備晶體尺寸較小，無法應對市場對襯底的要求。導模法、提拉法等均可制備2英寸及以上大尺寸氧化鎵單晶，但是目前均使用銥金坩堝作為發熱體和容器，并且需要嚴格控制氧分壓，抑制氧化鎵揮發分解的同時還要防止坩堝的氧化。特別是氧化鎵原料在高溫低氧分壓的環境下揮發分解的問題，揮發的原料凝結在熱場和晶體等表面，影響生長過程；分解生成的氧化亞鎵、鎵金屬等導致晶體中產生大量氧空位，嚴重影響晶體質量，鎵金屬與銥金坩堝及模具形成合金，損壞坩堝，造成成本急劇增加。因此，在制備氧化鎵單晶的過程中，減少或者避免銥金的使用，提高生長時氧分壓，對降低成本、提高晶體質量用重大作用，也是氧化鎵單晶制備過程中的重點和難點。

發明內容

針對目前氧化鎵單晶制備過程中，原料揮發分解和坩堝氧化對晶體質量、制備成本造成的影響，本發明旨在提供一種新的工藝方法，通過使用氧化鋯坩堝替代銥金坩堝，改變生長過程中的氣氛條件達到節約成本和投入，提高晶體質量的目的，從而更好的實現氧化鎵工業化生產。

本發明的具體原理如下：

氧化鋯作為一種無機非金屬材料，具有負的電阻溫度系數，常溫下具有良好的絕緣性，其電阻率大于1000Ω·cm，但是隨著溫度的升高，其電阻開始降低，逐漸變為導電型材料，在600℃時氧化鋯開始導電，溫度達到1000℃時氧化鋯則是良導體材料，可以作為感應加熱的發熱體進行感應發熱，故此若想使用氧化鋯作為發熱材料，必須使其溫度升高。

鎵金屬熔點在30℃左右，且在高溫下極易氧化生成氧化鎵，鑒于此種特性，可采用鎵金屬作為第一發熱體，借助電磁感應線圈使鎵金屬發熱，從而加熱坩堝及氧化鎵粉末，當坩堝溫度達到1000～1400℃時，此時氧化鋯則可作為第二發熱體。此時向爐內通入氧氣，使鎵金屬氧化，生成氧化鎵。借助鎵金屬既能加熱氧化鋯坩堝，使其達到導電需要的溫度，又能避免雜質的引入。

本發明具體方法如下：

稱取高質量氧化鎵粉末，同時稱取鎵金屬，共同置入氧化鋯坩堝中；放置好熱場和籽晶，關閉爐門，抽真空后再將爐內充入氬氣等保護氣體；打開感應發熱電源，開始升溫，并觀察熱電偶溫度，當熱電偶顯示溫度達到1000℃時，逐漸往爐內通入氧氣，逐步將鎵金屬氧化；當溫度達到氧化鎵熔點時開始進行晶體生長，緩慢將籽晶降入坩堝內浸泡籽晶30分鐘；開始引晶，以1mm/h的提拉速度，以及5rpm轉速進行晶體生長，經過引晶、縮頸、放肩、收尾等過程；逐漸降低電源功率，降溫冷卻至室溫，生長結束。

優選的，鎵金屬作為第一發熱體使用時，與氧化鎵粉末原料按比例均勻混合，置于氧化鎵鋯坩堝；其中鎵金屬與氧化鎵粉末的質量比為1:10到1:100的區間。