[发明专利]一种GaN单晶衬底的制备方法

说明书

本发明涉及半导体材料领域，具体涉及一种GaN单晶衬底的制备方法，包括以下步骤：步骤一：把C/GaN复合衬底与固体的Ga‑Na源材料一起置于高压反应釜的坩埚中，密封高压反应釜，通入高纯氮气，在室温条件下将高压反应釜加压至过渡压力；步骤二：对步骤一中加压至过渡压力的高压反应釜升温并继续加压，加压升温至生长条件，开始GaN单晶生长；步骤三：继续通入高纯氮气，GaN单晶生长达到目标厚度后，从高压反应釜中取出坩埚及晶体，即得GaN单晶衬底，本发明通过在Ga/Na熔体中插入C/GaN复合衬底，在提供GaN籽晶的同时又能提供碳元素，即有利于GaN薄膜的成核与生长，又能有效抑制GaN多晶的产生，从而提高GaN单晶的生长速率与晶体质量。

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，特别是涉及一种GaN单晶衬底的制备方法。

背景技术

以GaN材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料，在光电子/微电子领域中有着广泛的应用前景，目前，商业化的GaN单晶衬底的制备方法主要是氢化物气相外延(HVPE)方法，结合钠流法与HVPE方法是制备GaN单晶衬底的优选方法。

在钠流法制备GaN单晶中，由于氮气在熔体气液界面很容易产生GaN多晶，大量消耗熔体中的N而使得熔体中的N浓度降低，导致GaN单晶的晶体质量与生长速率与产量都受影响，通过加入C元素，与熔体中的N形成C-N键从而提高N在熔体中的溶解度，是有效减少气液界面的GaN多晶、提高GaN单晶的生长速率与产量的主要手段。但是，直接将C粉混入Ga/Na熔体中后，由于C的密度(2.26g/cm³)高于熔体密度(1.37g/cm³)，C大多沉积于熔体底部，减弱了其抑制气液界面GaN多晶产生的效果(特别是在较高压力时液面N较多的情况下)，同时，坩埚底部较多的C会引起GaN的分解而降低了GaN单晶材料的晶体质量。

文献报道(Japanese Journal of Applied Physics 56,055502(2017))采用甲烷(CH4)形成C的添加从而有效抑制液面GaN多晶与C浓度均匀性的方法，但是，甲烷是一种易爆气体，需要严格把控浓度与压力才能保障安全性，不利于工业化量产，中国发明专利CN201510302054.8提出了加入小密度的C片以调整熔体中的C浓度的方法，这种方法能有效抑制熔体气液界面的GaN多晶生成，但是，溶解后的C颗粒多数没有形成C-N键，陆续落在籽晶的表面，或沉于熔体底部，对GaN晶体的外延生长造成干扰而使晶体质量下降。

为了更好的解决上述技术问题，有必要提供一种新的GaN单晶衬底的制备方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种GaN单晶衬底的制备方法，其工艺简单，制备成本低，可进行工业化制备生产，且制得的GaN单晶的晶体质量好。

本发明采用的技术方案是：

一种GaN单晶衬底的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：把C/GaN复合衬底与固体的Ga-Na源材料一起置于高压反应釜的坩埚中，密封高压反应釜，通入高纯氮气，在室温条件下将高压反应釜加压至过渡压力；

步骤二：对步骤一中加压至过渡压力的高压反应釜升温并继续加压，加压升温至生长条件，开始GaN单晶生长；

步骤三：继续通入高纯氮气，GaN单晶达到目标厚度后，从反应釜取出坩埚及晶体，即得GaN单晶衬底。

优选的，步骤一中的过渡压力为0.5～4MPa；

步骤二中的生长条件设为温度700～1000℃及压力1～10MPa；

步骤三中，取出坩埚及晶体前需要对反应釜进行降温及排气降压。

优选的，步骤一中置于坩埚中的所述C/GaN复合衬底为若干片。