[发明专利]一种氮化镓单晶生长工艺方法及装置

说明书

本发明公开了一种氮化镓单晶生长工艺方法及装置，所述方法包括以下步骤：将金属钠溶剂和氮化镓溶质放入充满氮气的第一反应空间中，在一定压强下进行加热至预设温度范围溶解成离子化中间复合物；将离子化中间复合物转移至温度范围低于预设温度范围的第二反应空间中，所述第二反应空间内充满氮气并预设有氮化镓籽晶；控制第二反应空间内的温度和氮气压强，使得离子化中间复合物在籽晶上生长配置，形成氮化镓单晶。所述装置为通过隔板分割为第一反应空间和第二反应空间的反应炉。本发明通过金属钠为溶剂、氮化镓为溶质，采用溶解‑析晶法，同时通过反应容器内部结构设计，实现氮化镓晶体的平衡型生长，有效降低位错密度，提高产率。

技术领域

本发明涉及单晶材料生长工艺领域，尤其涉及一种氮化镓单晶生长工艺方法及装置。

背景技术

氮化镓(GaN)是研制微电子和光电子器件最重要的第三代半导体材料，具有直接带隙宽(3.4eV)、化学稳定性好、热传导性能优良、击穿电压高(击穿电场≈5×10⁶V cm^-1)、介电常数低(8.9)等特点，有巨大的应用潜力。

当前GaN单晶基片生长方法主要包括氢化物气相外延法(HVPE法)、氨热法(Ammonothermal法)和Na助熔剂法(Na-Flux法)。当前方法生产的GaN基片材质高位错密度(10⁴-10⁸cm^-2)。

Na助熔剂法的最大优点在于其因其可在700-900℃和2-10MPa氮压下生长，生长条件较温和，且容易操作而倍受重视。但该方法其生长重复性差、生长存在强烈的各向异性，生长速率很慢等技术问题有待解决而且容易过饱和析晶，从而自发成核，干扰晶种的定向生长，这对于GaN大尺寸晶体生长影响巨大。

发明内容

鉴于目前氮化镓单晶基片生长方法存在的上述不足，本发明提供一种GaN单晶基片生长方法及装置，采用金属Na为溶剂、GaN化合物为溶质、采用溶解-析晶法，同时通过反应容器第一反应空间和第二反应空间的设计，及内部隔板结构设计，优化的工艺参数配置，实现GaN晶体的平衡型生长，有效降低位错密度，提高产率。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种氮化镓单晶生长工艺方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：将金属钠作为溶剂、氮化镓作为溶质，一起放入到充满氮气的第一反应空间中，在一定压强下进行加热至预设温度范围溶解成离子化中间复合物；将离子化中间复合物转移至温度范围低于预设温度范围的第二反应空间中，所述第二反应空间内充满氮气并预设有籽晶；控制第二反应空间内的温度和氮气压强，使得离子化中间复合物在籽晶上生长配置，形成氮化镓单晶。

依照本发明的一方面，所述第一反应空间内温度参数控制在800-900℃，第二反应空间内温度参数控制在650-800℃。

依照本发明的一方面，所述第一反应空间和第二反应空间的压力控制在为2-10MPa。

依照本发明的一方面，溶剂还包括矿化剂。

依照本发明的一方面，所述矿化剂为III族、碱、碱土金属及其组合。依照本发明的一方面，矿化剂占总溶剂比例为10-40％。

依照本发明的一方面，第一反应空间和第二反应空间温度可以调节并相互配合优化，使溶液填充度保持在60-100％范围。

依照本发明的一方面，一种用于氮化镓单晶生长的反应装置，其特征在于，所述反应装置包括反应炉体，所述反应炉体内设有用于氮化镓单晶生长的反应腔，所述反应腔内设有隔板并通过隔板分割为第一反应空间和第二反应空间，所述第一反应空间用于溶解氮化镓形成离子化中间复合物，所述第二反应空间内设有籽晶用于生成氮化镓单晶，所述隔板用于将离子化中间复合物从第一反应空间转移至第二反应空间。

依照本发明的一方面，所述隔板设有开口，所述开口为可调节形状和大小的开口。