[发明专利]一种制备氧化镓料棒的装置及方法

说明书

本发明涉及一种制备氧化镓料棒的装置及方法，在接近常压的条件下，用气相沉积法制备纯氧化镓或特定掺杂氧化镓料棒；通过将有机的镓料与有机或无机的目标掺杂料和氧气混合，通过燃烧将目标元素掺杂的氧化镓粉末堆积在目标棒上，获得掺杂氧化镓的原料棒。由气相法制备的氧化镓料棒可以避免氧化镓料棒的污染，同时可以实现目标元素的纳米级别掺杂，在后续的晶体生长过程中，使熔体中元素的分布更加均匀分散，进而使掺杂晶体的性能更加的均一稳定。

技术领域

本发明涉及氧化镓料棒制备工艺，特别是涉及一种在接近常压的条件下，通过气相沉积制备氧化镓料棒的装置和方法。

背景技术

随着社会科技的发展，在量子信息、可再生能源、人工智能等高新技术领域需求的推动下，对半导体器件在微电子、光电子、磁电子、热电子等多功能器件技术上提出了更高的要求，目前第三代半导体技术持续发展，已经在功率器件、光探测、光显示等技术邻域广泛应用，而第四代超宽禁带半导体材料在性能方面更优，因此逐步成为国内为研究学者的研究重点。

氧化镓晶体是一种超宽禁带半导体材料，其具有禁带宽度大(Eg＝4.8～5.2eV)，吸收截止边短(～260nm)，击穿电场强度高(8MV/cm)，化学性能稳定等相较于第三代半导体材料更加优越的性能条件，因此，氧化镓特别是β-Ga₂O₃是高压、高功率器件和深紫外光电子器件的优选材料之一。目前已验证的β-Ga₂O₃场效应晶体管、肖特基二极管，在击穿场强方面已经超过SiC、GaN的理论极限，可见β-Ga₂O₃未来的应用前景是极为广阔。半导体材料在器件应用中要求材料要满足高阻、半绝缘、P、N型等各种条件，一般都是通过元素掺杂的方式实现。近年来，氧化镓材料及器件的研究与应用呈现出显著的加速发展势头，成为当前德国、日本、美国等国家的研究热点和竞争重点，国内许多科研单位也陆续开展了β-Ga₂O₃晶体的制备研究针对β-Ga₂O₃氧化镓的研究工作主要集中在大尺寸晶体获得、P/N型掺杂、衬底加工和器件开发等方面。

β-Ga₂O₃属单斜晶系，其内在的非对称结构容易导致在生长时出现孪晶、螺旋位错等缺陷，影响晶体生长过程的稳定和最终晶体的质量，而外在的如籽晶质量、金属杂质引入、成分不均形核等问题，会极大程度的诱发晶体内部缺陷的出现。因此，合理控制晶体生长过程中的各种反应条件，包括原料的处理，籽晶合适的晶向、温度场等，这些因素是合成高质量、无解理和裂纹的β- Ga₂O₃单晶的关键所在。

目前已公开的β-Ga₂O₃晶体生长，主要的方法包括直拉法、导模法、布里奇曼法、浮区法等。综上的各种方法，普遍使用4N-5N级的粉料，真空除水后通过液压或等静压的方式压制成料饼或料棒，浮区法还需要初步烧结成多晶的晶棒，绝缘或者N型掺杂的β-Ga₂O₃大多通过湿法混合或粉料物理混合等方式实现，如专利文献CN201710011291.8中为实现氧化镓晶体的N型掺杂，利用湿法混合实现Sn和In元素掺杂；专利文献CN201611153445.9中通过粉料物理混合实现Cr元素的掺杂等等，可见目前掺杂的主要方式是通过物理混合，但其在微观形态上存在局部的不均匀，而较为充分的混合要在熔体阶段实现，这就要求生长过程中需要保证长时间的保温，而长时间的保温对铱金坩埚的在氧气氛环境下是极为不利的。除此以外，氧化镓粉料在制备料棒过程中需要称重、转移、除水、烧结陶瓷化等步骤，不可避免地会接触容器、气氛等周围环境，从而引入各种杂质，影响后续生产的氧化镓晶体纯度及质量。因此，氧化镓材料需要一种新的方式来获得晶体生长前的坯料棒。

发明内容