[发明专利]一种大尺寸氧化镓单晶的生长方法及生长装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化镓单晶的生长方法及生长装置，具体说，是涉及一种大尺寸、高质量、片状氧化镓单晶的生长方法及生长装置，属于晶体生长技术领域。

背景技术

β-氧化镓（β-Ga₂O₃）单晶是一种新型宽禁带氧化物半导体材料，具有独特的UV透过特性；其应用范围广泛，不仅可用于功率元件，而且还可用于LED芯片，各种传感器元件及摄像元件等。其中，β-Ga₂O₃单晶作为GaN的衬底材料是最被看好的用途，它结合了碳化硅的导电性和蓝宝石的透光性，并且（100）晶面经过表面氮化重构后与GaN晶格零失配。β-Ga₂O₃具有以下优势：

（1）具有导电性，利于器件的小型化、集成化，适合需大驱动电流的高功率LED；

（2）截止吸收边波长短，可见、紫外光波段透过率达80%以上，易于将LED芯片发出的光提取到外部；

（3）（100）晶面与GaN晶格失配小，经表面氮化重构可实现完全匹配；

（4）化学性能稳定，耐强酸、强碱，机械强度高。

因此，β-Ga₂O₃单晶被视为是一种可替代蓝宝石和碳化硅的理想GaN衬底材料。

最近，在国际上，β-Ga₂O₃单晶基板晶体管和β-Ga₂O₃基板上制造的LED器件取得了突破性进展。2012年，日本信息通信研究机构(NICT)和田村制作所开发出β-Ga₂O₃单晶基板的晶体管。同年，他们使用β-Ga₂O₃基板试制出300μm×300μm LED元件，在驱动电流1200mA时的光输出功率达170mW，热阻为同尺寸横向结构市售产品的1/10～1/100；与市售的300μm见方横向结构蓝光LED芯片相比，可实现5倍以上的光输出功率。

β-Ga₂O₃单晶是一种新型透明导电衬底材料，市场应用潜力巨大。由于其熔点较高（1850℃），具有解理特性，生长过程中易分解和挥发，因此生长大尺寸（1英寸及以上）、高质量的β-Ga₂O₃单晶非常困难。目前国内主要采用浮区法制备β-Ga₂O₃单晶，晶体尺寸较小，无法满足衬底基片的要求。而采用传统导模法生长的β-Ga₂O₃单晶，普遍存在气泡、生长条纹、解理开裂、多晶等问题，严重影响晶体质量。

最近，中国专利CN103290471A公开一种导模法生长片状氧化镓晶体的方法，与该专利相比，本发明具有以下优势：生长装置中的热场部件采用纯金属后热器、纤维隔层氧化锆保温构件和对称视孔等，保证热场温度分布均匀对称，温度梯度更加合理，有效避免了氧化镓晶体的解理开裂、多晶生长等关键问题，能够获得尺寸达1英寸以上的大尺寸、高质量氧化镓单晶。

发明内容

面对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大尺寸氧化镓单晶的生长方法及生长装置，以实现规模化生产高质量、低成本的氧化镓单晶体，应用于高功率白光LED、紫外LED、LD和氧化镓晶体管等器件。

首先本发明提供一种大尺寸氧化镓单晶的生长方法，具体包括以下步骤：

a)在单晶炉内安装用于加热和保温形成热场的多个热场部件，所述多个热场部件水平且同中心地安装；

b)将内嵌有铱金模具的带盖铱金坩埚放入所述热场的中心；

c)将[010]或[001]特定取向的β-Ga₂O₃籽晶放入籽晶夹具内并捆绑固定；

d)将纯度为99.99～99.999%的氧化镓原料放入所述铱金坩埚内，盖好铱金坩埚盖；

e)依次开启机械泵、扩散泵将炉腔抽真空至5.0×10^-3Pa时关闭真空设备，按照混合气比例Ar：CO₂=9:1～8:2缓慢充至炉腔压强为1.05～1.5MPa，所述Ar和CO₂气体的纯度为99.999%；

f)中频感应加热升温至1870±5℃，恒温0.5～1小时，使氧化镓原料完全融化；

g)缓慢下降籽晶至籽晶距离模具顶端上方3～5mm位置进行烤籽晶，5～10分钟后开始接种；