阅读说明：本技术 一种制备高质量GaN单晶衬底的方法 (Method for preparing high-quality GaN single crystal substrate ) 是由 刘南柳 王�琦 姜永京 徐忱文 梁智文 张国义 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及半导体材料技术领域,具体涉及一种制备高质量GaN单晶衬底的方法,本发明通过将金属镓与金属催化剂分离,使氮气优先在金属催化剂作用下解离,不但能提高熔体中氮的含量,提高源材料的利用率与GaN单晶的生长速率,同时,也有效抑制了熔体界面GaN多晶的产生,并通过微流通道阻止杂质的间入,从而得到高质量的GaN单晶材料,是一种实现高质量GaN单晶衬底量产的有效方法。(The invention relates to the technical field of semiconductor materials, in particular to a method for preparing a high-quality GaN single crystal substrate.)

一种制备高质量GaN单晶衬底的方法

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，特别是涉及一种制备高质量GaN单晶衬底的方法。

背景技术

高质量的GaN单晶衬底材料是制备GaN基蓝绿光激光器与大功率射频微波器件的必需材料。目前制备GaN单晶衬底，一般采用HVPE技术和钠流法，HVPE技术制备的GaN单晶衬底，位错密度在6次方范围，严重影响器件的性能与工作寿命；钠流法制备的GaN单晶衬底，位错密度低至4次方，且其所需的制备温度与压力适中，是最有潜力的低成本制备GaN单晶衬底的技术。

在现有的钠流法制备GaN单晶技术中，一般将高纯鎵、金属钠与GaN模板(提供籽晶)放在一起，然后通入高纯氮气，在金属钠的催化下解离的游离态N与金属镓将在GaN模板上成核生长，得到GaN单晶，在这种情况下，通入的氮气很容易在熔体气液界面产生GaN多晶，导致GaN单晶的晶体质量与生长速率都受影响，同时，这种籽晶与外延生长源材料混在一起的方式，很容易导致熔体中的杂质间入外延单晶中，使得到的晶体发黄发黑，严重影响单晶材料的晶体质量与使用。

鉴于上述技术问题，有必要提供一款新的制备GaN单晶衬底的方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种制备高质量GaN单晶衬底的方法，其工艺简单，制备成本低，同时能有效抑制界面多晶与杂质的间入，提高GaN单晶的晶体质量，满足工业化的生产制造。

本发明采用的技术方案是：一种制备高质量GaN单晶衬底的方法，包括以下步骤：

步骤一：将GaN复合衬底与金属催化剂源材料一起置于高压反应釜内的坩埚底部，再于高压反应釜内设置一隔板，使隔板位于坩埚底部上方，将GaN粉末置于隔板上，接着密封高压反应釜，并通入高纯氮气，加热高压反应釜至预定的过渡条件；

步骤二：在过渡条件下静置一段时间，待GaN粉末在高温下分解成金属镓与氮气，氮气扩散到坩埚底部，并在金属催化剂熔体催化下解离成氮；

步骤三：向高压反应釜内继续通入高纯氮气加压至预定生长条件，使隔板上的金属镓溶液流入到坩埚底部，开始GaN单晶生长；

步骤四：GaN单晶生长达到目标厚度后，制得GaN单晶厚膜复合衬底，取出坩埚及GaN单晶厚膜复合衬底；

步骤五：去除步骤四制得的GaN单晶厚膜复合衬底的基底，即得GaN单晶衬底。

进一步地，

步骤一中的过渡条件的温度设为700～1000℃；

步骤二中的静置时间设为0.5～24h；

步骤三中的预定生长条件的温度设为700～1000℃、压力设为1～10MPa；

步骤四中，取出坩埚及GaN单晶厚膜复合衬底前，需要对高压反应釜进行降温及排气降压。

进一步地，所述GaN复合衬底为GaN薄膜与基底组成的复合材料。

进一步地，所述基底为蓝宝石、硅和碳化硅材料中的任一种。

进一步地，所述GaN复合衬底采用MOCVD、MBE、MPCVD、溅射和离子注入中的任一种或任几种工艺制成。

进一步地，所述金属催化剂为金属锂、钠、钾、钙和钡中的任一种或任几种。

进一步地，所述隔板由刚玉或铂金材料中的任一种制成。

进一步地，所述隔板表面设有微流槽，所述隔板贴近高压反应釜内壁处设有与所述微流槽相匹配的微流通道，所述微流通道用于氮气扩散及金属镓溶液流动。

进一步地，所述微流通道的直径为1nm～5μm。

进一步地，所述GaN单晶厚膜复合衬底的基底采用电化学刻蚀、化学腐蚀、激光剥离和机械去除中的任一种或任几种工艺去除。

本发明的有益效果如下：

本发明采用价格低廉的GaN粉体代替高纯金属镓源材料，能有效降低制备成本，同时，将金属镓与金属催化剂分离，使氮气优先在金属催化剂中解离，不但能提高熔体中氮的含量，提高源材料的利用率与GaN单晶的生长速率，同时，也有效抑制了熔体界面GaN多晶的产生，从而得到高质量的GaN单晶衬底材料。

附图说明

图1为本发明的制备设施的结构示意图；

图2为本发明的隔板结构示意图；

附图标记说明：1.高压反应釜、2.坩埚、3.复合衬底、4.金属催化剂、5.隔板、51.微流槽、52.微流通道、6.GaN粉末。

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

如图1～图2所示，本实施例所述的制备高质量GaN单晶衬底的方法，包括以下步骤：

步骤一：在高压反应釜1内放置坩埚2，先在坩埚2内投放GaN复合衬底3，并将金属催化剂4置于GaN复合衬底3上，将隔板5放置于高压反应釜1内，并位于坩埚2底部的上方，将GaN粉末6置于隔板5上，密封高压反应釜1，接着通入高纯氮气，加热高压反应釜至预定的过渡条件，该预定的过渡条件为温度为700～1000℃，具体地，在本实施例中，高压反应釜1的过渡温度为800℃，GaN复合衬底3由GaN薄膜与蓝宝石基底材料组成，金属催化剂4选用金属钠，在隔板5上设有微流槽51，隔板5与高压反应釜1内壁接触的地方，设有微流通道52；

步骤二：将高压反应釜1在过渡条件下，静置一段时间，具体地，在本实施例中，静置时间为10h，待GaN粉末6在高温下分解成金属镓与氮气，使氮气扩散到坩埚2底部，并在金属钠的催化下解离成氮；

步骤三：通入高纯氮气升温加压至预定的生长条件，使隔板5上的Ga溶液通过微流通道5流入到坩埚2的底部，开始GaN单晶生长，具体地，在本实施例中，GaN成核生长的温度是900℃，压力为5MPa，微流通道52的直径为1μm；

步骤四：GaN单晶达到目标厚度后，制得GaN单晶厚膜复合衬底，取出坩埚2及GaN单晶厚膜复合衬底；

步骤五：采用激光剥离工艺去除步骤四得到的GaN单晶厚膜复合衬底的蓝宝石基底，即得GaN单晶衬底。

实施例2：

步骤一：在高压反应釜1内放置坩埚2，先在坩埚2内投放GaN复合衬底3，并将金属催化剂4置于GaN复合衬底3上，将隔板5放置于高压反应釜1内，并位于坩埚2底部的上方，将GaN粉末6置于隔板5上，密封高压反应釜1，接着通入高纯氮气，加热高压反应釜至预定的过渡条件，该预定的过渡条件为温度为700～1000℃，具体地，在本实施例中，高压反应釜1的过渡温度为800℃，GaN复合衬底3由GaN薄膜与硅基底材料组成，金属催化剂4为金属锂与钙质量比为1：1的混合物，在隔板5上设有微流槽51，隔板5与高压反应釜1内壁接触的地方，设有微流通道52；

步骤二：将高压反应釜1在过渡条件下静置一段时间，具体地，在本实施例中，静置时间为5h，待GaN粉末6在高温下分解成金属镓与氮气，使氮气扩散到坩埚2底部，并在金属钠的催化下解离成氮；

步骤三：通入高纯氮气升温加压至预定的生长条件，使隔板5上的Ga溶液通过微流通道5流入到坩埚2的底部，开始GaN单晶生长，具体地，在本实施例中，GaN成核生长的温度是800℃，压力为3MPa，微流通道52的直径为3μm；

步骤四：GaN单晶达到目标厚度后，制得GaN单晶厚膜复合衬底，取出坩埚2及GaN单晶厚膜复合衬底；

步骤五：采用化学腐蚀工艺去除步骤四得到的GaN单晶厚膜复合衬底的硅基底，即得GaN单晶衬底。

在实施例1-2中，通过采用GaN粉末6在高温下分解得到生长GaN单晶材料的金属镓源材料，极大的降低了制造成本，并将金属催化剂与金属镓分离放置，预先使氮气在GaN复合衬底表面催化解离，从而有利于GaN在复合衬底表面成核生长，抑制GaN多晶的产生，有效提高了GaN单晶的生长速率，而且通过微流通道导入金属镓，同时阻挡杂质的引入，可以得到高质量的GaN单晶材料实现工业化量产。

此处需要说明的是，在实施例1-2中，隔板5可采用刚玉或铂金材料中的任一种制成的即可，在其它实施例中，也可以使用其他满足条件的惰性材料，此外，参见图2，只是具体示出了一种结构的本发明的隔板5，在其它一些实施例中，本发明的隔板5上的微流槽51也可设置为盘旋状或条纹状等。

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。