[发明专利]一种β-氧化镓晶体及其生长方法与应用

说明书

本申请涉及宽禁带半导体结晶技术领域，具体公开了一种β‑氧化镓晶体及其生长方法与应用，一种β‑氧化镓晶体的生长方法，包括以下操作步骤：（1）于0.4‑0.6MPa惰性气体下，加热氧化镓原料，熔融；（2）下降籽晶，熔接；提拉籽晶，开始引晶；（3）引晶后，继续提拉籽晶，同时升举坩埚，坩埚的上升速率小于籽晶的提拉速率，使晶体自发放肩；放肩后，停止升举坩埚，降温，使晶体等径生长；脱模，停止提拉籽晶，冷却至23℃，即得β‑氧化镓晶体。本申请β‑氧化镓晶体的位错密度最低为0.98x104条/cm2，摇摆曲线半峰宽可达43弧秒，提高了β‑氧化镓晶体的生长质量。

技术领域

本申请涉及宽禁带半导体结晶领域，更具体地说，它涉及一种β-氧化镓晶体及其生长方法与应用。

背景技术

β-氧化镓晶体是一种可以用熔体法生长的半导体晶体，其具有禁带宽度大、热导率高、击穿场强高、饱和电子漂移速率快、化学性质稳定及成本低等优点，已被广泛应用于深紫外光电器件、高功率高电压器件等领域。

β-氧化镓晶体的生长方法起初为提拉法，提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态，让籽晶接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上；在不断提拉和旋转过程中，生长出圆柱体晶体。采用提拉法生长β-氧化镓晶体，有利于控制β-氧化镓晶体的生长条件，且生长出来的β-氧化镓晶体还具有位错密度低和光学均一性高的优点。但采用提拉法生长β-氧化镓晶体，β-氧化镓晶体的形状不易控制。为了使β-氧化镓晶体拥有更多不同的截面形状，导模法被提出。

导模法是将原料放入坩埚内的模具中加热熔化，熔体在模具的毛细作用下上升至模具顶端，在模具顶部液面上接触籽晶。通过提拉籽晶杆使籽晶杆上的籽晶上升，从而使籽晶在熔体的交界面上不断进行分子的重新排列，并随降温逐渐凝固而生长出与模具形状相同的单晶体。采用导模法生长β-氧化镓晶体，不止使β-氧化镓晶体的生长速度加快，且使晶体生长的状态较为稳定。

但是，在使用导模法生长β-氧化镓晶体的过程中，氧化镓原料在高温缺氧的生长中会发生分解而挥发，导致成品β-氧化镓晶体出现多晶，降低了β-氧化镓晶体的生长质量。

发明内容

为了提高β-氧化镓晶体的生长质量，本申请提供了一种β-氧化镓晶体及其生长方法与应用。

第一方面，本申请提供一种β-氧化镓晶体的生长方法，其采用如下技术方案：

一种β-氧化镓晶体的生长方法，其包括以下操作步骤：

(1)于0.4-0.6MPa的保护气氛条件下，加热坩埚中模具内的氧化镓原料，使氧化镓原料熔融；

(2)下降籽晶至模具上方，熔接；提拉籽晶，开始引晶；

(3)引晶后，继续提拉籽晶，同时升举坩埚，坩埚的上升速率小于籽晶的提拉速率，使晶体自发放肩；放肩后，停止升举坩埚，降温，使晶体等径生长；脱模，停止提拉籽晶，冷却至23±2℃，即得β-氧化镓晶体。

通过采用上述技术方案，β-氧化镓晶体生长所需的坩埚和模具对氧气最敏感的温度为1200-1400℃，整个生长过程在保护气氛条件下进行可防止坩埚、籽晶杆和模具被氧化，同时维持氧化镓生长环境的稳定。

申请人发现，β-氧化镓晶体在放肩和等径生长的过程中对纵向温度梯度均具有不同需求。引晶时若温度梯度较大，籽晶附近易聚集大量挥发物，挥发物易在引晶时与熔体接触而引入杂晶，导致生长出的晶体为多晶；放肩时若温度梯度较小，会导致放肩困难，则需大幅降低功率来实现放肩，但是功率降低过多易使氧化镓原料发生自发结晶而产生多晶，导致晶体生长失败。