[发明专利]一种用于HVPE反应炉的限域生长环及氮化物晶体生长方法

说明书

本发明公开了一种用于HVPE反应炉的限域生长环及氮化物晶体生长方法。本发明采用钨、钌和钼中的一种，或者采用钨、钌和钼中的一种的碳化物或氮化物的限域生长环，经过清洗、退火和激活使限域生长环的功能面具备化学活性；将限域生长环置于反应炉生长区中，生长过程中限域生长环对晶体侧向生长进行限制，从而阻止晶体的边缘生长，遏制生长过程中产生边缘效应，减少生长过程中产生的应力，最终实现厘米级GaN体晶生长；本发明实现方法简单，根据现有的技术水平能够容易实现，并大量推广；限域生长环能够经过热清洗后重复使用，节约了限域生长环的制作成本，经济实用；限域生长环能够根据不同HVPE反应炉生长区的不同结构进行优化设计，通用性强。

技术领域

本发明涉及氮化物晶体生长技术，具体涉及一种用于HVPE反应炉的限域生长环及氮化物晶体生长方法。

背景技术

III-V族氮化物材料具备良好的光学和电学性质，使其在高效率发光器件、光电转换器件、功率电子器件、集成电路和传感器件等领域具有极大的应用价值。近年来，氮化物晶体生长技术已成为各国高技术产业战略性发展的核心，而氢化物气相外延(HVPE)反应炉是常见的一种氮化物(GaN)晶体生长设备。近年来，基于HVPE法的GaN自支撑衬底的生长技术已经成为了制备商用GaN自支撑衬底的主流技术。为了得到厚度达到厘米级的GaN体晶，需要解决HVPE生长炉中GaN的边缘效应，即边缘由于气流场、温度、生长晶面等物理参数的突变，产生的边缘易生长多晶、边缘的生长速率高于中心区域、以及边缘的晶体晶格常数和杂质浓度均与中心不同等问题。

目前氮化镓自支撑衬底的制备，膜厚一般小于1毫米，因此边缘效应的问题不是很严重，通过降低生长速率，或使用合适深度的晶种凹槽可以缓解边缘效应带来的问题。对下一代的GaN体晶生长技术来说，为了实现厘米级厚度GaN晶体生长，边缘效应的问题已经无法通过传统方法解决，因此亟需开发出一种新式的技术解决边缘效应问题。

发明内容

针对HVPE反应炉中GaN晶体生长过程中产生的边缘效应问题，本发明提出了一种用于HVPE反应炉的限域生长环及氮化物晶体生长方法，使用限域生长环并使用特殊的处理工艺对限域生长环进行处理，并且在生长过程中将限域生长环导入HVPE反应炉的生长区，以便对晶体侧向生长进行限制，从而解决边缘效应的发生，最终实现厘米级GaN体晶生长。

本发明的一个目的在于提出一种用于晶体生长中抑制侧向生长的限域生长环。

本发明的用于晶体生长中抑制侧向生长的限域生长环，限域生长环的材料采用钨、钌和钼中的一种，或者采用钨、钌和钼中的一种的碳化物或氮化物；采用粉末冶金法、熔炼法、化学气相沉积法或热压烧结技术将限域生长环的材料形成块体材料，再通过机械加工成型形成中心具有通孔的平板，通孔的形状为圆形或多边形，或者形成多段限域段，每一段限域段为圆环或多边环的一部分，多段限域段位于同一个圆环形或多边环形上，相邻的限域段之间的距离不超过3mm，制备得到限域生长环，限域生长环的内边缘形状与氮化镓晶体生长用的一个晶种的外边缘形状一致；限域生长环上与氮化镓晶体生长用的一个晶种生长表面平行的环面为限域生长环的功能面，对限域生长环的功能面进行机械处理，使得限域生长环的表面粗糙度为0.1nm～10μm，增强限域生长环的功能面的化学催化性能；限域生长环的厚度为0.5mm～1cm；限域生长环的内径为D₁，限域生长环的外径为D₂，氮化镓晶体生长用的一个晶种的直径为d，满足D₁≤d+3mm，D₂≥d+5mm；限域生长环的材料的纯度需要高于99％。

进一步，限域生长环的内径和外径分别满足：D₁≥2mm；D₂≤d+100mm。

限域生长环的厚度大于氮化镓晶体生长用的一个晶种的厚度。

本发明的另一个目的在于提出一种限域生长环用于氮化物晶体生长方法。

本发明的限域生长环用于氮化物晶体生长方法，包括以下步骤：