[发明专利]导模法生长1英寸柱状氧化镓单晶的方法

说明书

本发明涉及导模法生长1英寸柱状氧化镓单晶的方法，通过在铱金坩埚中放入高度为35mm、直径为25mm的柱状模具将生长界面控制在模具表面，避免了坩埚杂质及熔体对流的影响；并通过导模法柱状模具的边缘控制作用，生长获得了异于传统片状氧化镓单晶的1英寸柱状氧化镓单晶，结合坩埚直径调整及提拉速度优化，攻克了不完全放肩及放肩多晶等技术难点，获得了最佳坩埚与模具尺寸比及生长拉速范围，突破性的得到了1英寸高质量柱状单晶。可实现不同晶面的衬底加工需求，与传统硅基半导体产业完全融合，为后期器件的研发及产业化提供基础。

技术领域

本发明涉及一种导模法生长1英寸柱状氧化镓单晶的方法，属于晶体生长技术领域。

背景技术

半导体行业作为对国防工业发展、国家信息安全、国民经济运行有着极其重要影响的行业领域，半导体材料是制约我国半导体行业发展的基础材料。随着能源、信息、国防、轨道交通、电动汽车等领域的快速发展，传统的半导体发展已经接近其应用极限，人们对半导体功率以及光电探测器件性能提出了更高的要求，高耐压、低损耗、大功率电子器件成为功率电子产业未来发展趋势；高灵敏度、低噪声、深紫外响应将是雷达以及火灾预警的主要研究方向。因此，亟需探索和发展新型功率和光电探测半导体材料以更好满足未来产业以及军民融合发展要求。

β-Ga₂O₃晶体是一种新型的超宽禁带半导体材料，相比于SiC、GaN等第三代半导体，它具有禁带宽度更大、吸收截止边更短等优点，成为超高压功率器件和深紫外光电子器件的优选材料。除此之外，β-Ga₂O₃体块单晶与单晶硅类似可通过熔体法生长，体块单晶成本远远小于SiC及GaN。β-Ga₂O₃禁带宽度Eg＝4.8eV，是Si的四倍以上，而且高于3.3eV的SiC和3.4eV的GaN。其击穿电场强度为8MV/cm，是Si的20倍以上、SiC或GaN的两倍以上。作为功率器件低损耗指标的巴利加优值，β-Ga₂O₃是SiC的10倍、GaN的4倍，表明β-Ga₂O₃基器件耐压特性更好，导通电阻更低，有利于提高器件开关速度和降低开关损耗。而且，其吸收带位于240-280nm，为直接带隙的半导体材料，因此从可见到紫外波段高度透明，且透过率可高达80％以上，是目前所知的禁带宽度最大的透明导电氧化物，可满足新一代光电材料对短波长工作范围的要求。

美国和德国采用提拉法成功生长了2英寸β-Ga₂O₃晶体，但是生长时往往需要采用高压来抑制氧化镓的高温挥发分解，大大提高了设备对于耐高压性能的要求，且存在一定安全隐患，这对于今后的产业化中设备成本的控制，以及安全性的控制都极为不利。而且晶体生长过程中存在着生长不稳定、容易出现螺旋生长等问题。

导模法是由提拉法演变而来，具有生长速度快、原料利用率高、分凝系数接近于1的优点，可以快速的生长高质量单晶，且能通过改变模具表面形状及尺寸来获得目标尺寸晶体。目前导模法生长出的氧化镓晶体多为片状，只有主生长面可以实现特定晶面的大尺寸加工，但很难实现各个晶面的大尺寸生产，还需要通过籽晶方向的调整进行多次生长。因此，生长成本大幅提高，且效率较低，与传统硅基半导体产业融合较难。