CN110616462A - 一种GaN单晶衬底的制备方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种GaN单晶衬底的制备方法
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。
优选的，所述C/GaN复合衬底采用MOCVD、MBE、MPCVD、溅射和离子注入工艺中的任一种或任几种的组合制成。
优选的，所述C/GaN复合衬底为包括C材料薄膜与GaN薄膜的多层复合材料。
优选的，所述多层复合材料中至少有一层设为多孔网状结构薄膜。
优选的，所述多层复合材料呈倾斜角度置于所述坩埚内，所述多层复合材料设为多孔网状结构薄膜的一层远离所述坩埚设置，所述多层复合材料伸出熔体液面。
优选的，所述多孔网状结构薄膜为直接调控制备或通过对完整连续性薄膜采用外加工制备。
优选的，所述外加工为激光标刻、湿法刻蚀和干法刻蚀中的任一种或任几种的组合。
本发明的有益效果如下：
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单晶的晶体质量与生长速率，从而提高了GaN单晶的产量以及源材料的利用率，从而降低生产成本，可以实现大尺寸GaN单晶衬底的产业化量产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的一种复合衬底的结构示意图；
图3为本发明的另一种复合衬底的结构示意图；
图4为本发明的又一种复合衬底的结构示意图；
附图标记说明：1.高压反应釜、2.坩埚、3.复合衬底、31.GaN材料、32.多孔网状结构C材料、33.蓝宝石材料、4.Ga/Na熔体。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1：
参见图1和图2，本实施例所述的GaN单晶衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在高压反应釜1内放置坩埚2，坩埚2内投放C/GaN复合衬底3与固体的Ga-Na源材料，C/GaN复合衬底3呈倾斜放置，与坩埚2底部成一定角度，密封高压反应釜1，通入高纯氮气，在室温下将高压反应釜1加压至预定的过渡条件，该预定的过渡条件是压力为0.5～4MPa，具体地，在本实施例中，高压反应釜1的过渡压力为3MPa，C/GaN复合衬底3由GaN材料31与多孔网状结构C材料32组成。
步骤二：对高压反应釜1升温并继续加压，加压升温至预定的生长条件，该预定的生长条件是温度为700～1000℃，压力为1～10MPa，高温高压下Ga-Na源材料融化成Ga/Na熔体4，C/GaN复合衬底3略高于Ga/Na熔体4的液面，C与氮气形成C-N键，扩散到C材料薄膜上的孔处，在GaN材料31的裸露处开始GaN晶体成核生长，具体地，在本实施例中，GaN成核生长的温度是850℃，压力为6MPa。
步骤三：继续通入高纯氮气，当GaN单晶达到目标厚度后，降温高压反应釜，排气降压，取出坩埚2及晶体，制得GaN单晶衬底。
实施例2：
参见1和图3，本实施例所述的GaN单晶衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在高压反应釜1内放置坩埚2，坩埚2内投放C/GaN复合衬底3与固体的Ga-Na源材料，C/GaN复合衬底3倾斜放置，与坩埚2底部成一定角度，密封高压反应釜1，通入高纯氮气，在室温下将高压反应釜1加压至预定的过渡条件，该预定的过渡条件是压力为0.5～4MPa，具体地，在本实施例中，高压反应釜1的过渡压力为4MPa，C/GaN复合衬底3由蓝宝石材料33、GaN材料31、以及多孔网状结构C材料32组成。
步骤二：对高压反应釜1升温并继续加压，加压升温至预定的生长条件，该预定的生长条件是温度为700～1000℃，压力为1～10MPa，高温高压下Ga-Na源材料融化成Ga/Na熔体4，C/GaN复合衬底3略高于Ga/Na熔体4的液面，C与氮气形成C-N键，扩散到C材料薄膜上的孔处，在GaN材料31的裸露处开始GaN成核生长，具体地，在本实施例中，GaN成核生长的温度是700℃，压力为9MPa。
步骤三：继续通入高纯氮气，当GaN单晶达到目标厚度后，降温反应釜，排气降压，取出坩埚2及晶体，制得GaN单晶衬底。
实施例3：
参见图1和图4，本实施例所述的GaN单晶衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在高压反应釜1内放置坩埚2，坩埚2内投放C/GaN复合衬底3与固体的Ga-Na源材料，C/GaN复合衬底3倾斜放置，与坩埚2底部成一定角度，密封高压反应釜1，通入高纯氮气，在室温下将高压反应釜1加压至预定的过渡条件，该预定的过渡条件是压力为0.5～4MPa，具体地，在本实施例中，反应釜的过渡压力为1MPa，C/GaN复合衬底3由金刚石材料与多孔网状结构GaN材料31组成。
步骤二：对高压反应釜1升温并继续加压，加压升温至预定的生长条件，该预定的生长条件是温度为700～1000℃，压力为1～10MPa，高温高压下Ga-Na源材料融化成Ga/Na熔体4，C/GaN复合衬底3略高于Ga/Na熔体4的液面，GaN薄膜上的孔处裸露的C首先与氮气形成C-N键，在GaN材料31上开始GaN成核生长，具体地，在本实施例中，GaN成核生长的温度是950℃，压力为5MPa。
步骤三：继续通入高纯氮气，当GaN单晶达到目标厚度后，降温反应釜，排气降压，取出坩埚2及晶体，制得GaN单晶衬底。
上述的实施例1-3中，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，其提供的C形成的C-N键与GaN籽晶在近距离内，所以很容易找到合适的成核位置并形成GaN岛核，从而得到高质量的GaN单晶，同时，C/Ga复合衬底的网状结构膜层面朝上，并高于熔体液面，因而能提供液面C源以抑制GaN多晶的生成，从而提高了GaN单晶的产量以及源材料的利用率，从而降低生产成本，可以实现大尺寸GaN单晶衬底的产业化量产。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种GaN单晶衬底的制备方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的一种GaN单晶衬底的制备方法，其特征在于，
步骤一中的过渡压力设定为0.5～4MPa；
步骤二中的生长条件设定温度为700～1000℃、压力为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。
3.根据权利要求1所述的一种GaN单晶衬底的制备方法，其特征在于，步骤一中置于坩埚中的所述C/GaN复合衬底为若干片。
4.根据权利要求1所述的一种GaN单晶衬底的制备方法，其特征在于，所述C/GaN复合衬底采用MOCVD、MBE、MPCVD、溅射和离子注入工艺中的任一种或任几种的结合制成。
5.根据权利要求1所述的一种GaN单晶衬底的制备方法，其特征在于，所述C/GaN复合衬底为包括C材料薄膜与GaN薄膜的多层复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种GaN单晶衬底的制备方法，其特征在于，所述多层复合材料中至少有一层设为多孔网状结构薄膜。
7.根据权利要求6所述的一种GaN单晶衬底的制备方法，其特征在于，所述多层复合材料呈倾斜角度置于所述坩埚内，所述多层复合材料设为多孔网状结构薄膜的一层远离所述坩埚设置，所述多层复合材料伸出熔体液面。
8.根据权利要求6所述的一种GaN单晶衬底的制备方法，其特征在于，所述多孔网状结构薄膜为直接调控制备或通过对完整连续性薄膜采用外加工制备。
9.根据权利要求8所述的一种GaN单晶衬底的制备方法，其特征在于，所述外加工为激光标刻、湿法刻蚀和干法刻蚀中的任一种或任几种的组合。
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