一种用于助溶剂法生长氮化镓晶体的生长方法

本发明涉及一种用于助溶剂法生长氮化镓晶体的生长方法，属于氮化镓生长。

背景技术：

1、氮化镓(gan)是一种重要的宽带隙半导体材料，因其具有高击穿电压、高电子迁移率和优异的结构稳定性等优点，吸引了广泛的研究和开发兴趣。在发光二极管、激光器、数据存储、新能源汽车和通信等领域具有广阔的应用前景。近几年，市场对高质量氮化镓晶体的需求不断提高。当前的生长技术中，氢化物气相外延(hvpe)是生长大尺寸氮化镓晶体的主要方法。然而，由于生长成本高、晶体位错密度大和曲率半径小，这种方法生长的氮化镓晶体未来将难以满足高性能器件的要求。助溶剂方法是生长具有低位错密度和不同取向的高质量块状氮化镓晶体的有效方法。具有相对温和的生长条件，生长温度在600~900 ℃，生长压力在3~5 mpa左右。助溶剂的添加极大增加了氮的溶解度，形成了在近热力学平衡条件下的晶体生长。

2、然而，助溶剂法生长氮化镓晶体的过程中存在一些问题，即由于生长初期氮（n）在镓（ga）熔体中的溶解度低，导致n在熔体中的传输速度慢及熔体底部n浓度低。这是影响氮化镓晶体的质量和尺寸的关键因素，也导致了生长过程的效率低下。为了解决这个问题，现有技术中所使用的方法，如温度梯度技术以及旋转和搅拌等继续，来改善n元素的传输性能。另一方面，多晶的生成对于氮化镓晶体生长是一个长期存在的问题。由于气液界面的浓度和黏度较大容易生长出大量不需要的多晶，会严重影响到外延晶体的质量和生长速度，降低其在实际应用中的有效性。尽管研究者们已经尽力去优化生长条件以减少多晶的生成，但这依然是一个待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题，提供了一种用于助溶剂法生长氮化镓晶体的生长方法，本发明既可以解决生长初期氮元素在熔体中的传输及分布问题，又可以抑制多晶的生成，促进了熔体中氮元素的均匀分布，从而改善助溶剂方法生长的氮化镓晶体的质量和尺寸。本发明的技术方案如下：

2、一种用于助溶剂法生长氮化镓晶体的生长方法，步骤为：

3、（1）将氮化镓籽晶放入反应容器，然后加入三聚氰胺(c3h6n6)；

4、（2）添加镓（ga）金属到反应容器中；

5、（3）添加助溶剂：所述助溶剂为金属钠(na)，或者所述助溶剂为金属钠(na)与其它金属li，ca，ba中至少一种的金属组合物，将助溶剂添加到反应容器中；

6、（4）制备熔体：通过加热，使助溶剂和ga溶解，获得均匀的熔体；

7、（5）晶体生长：将反应容器放入高温高压反应釜中，通入氮气或氨气，使含有三聚氰胺的混合熔体缓慢结晶，以此生长出氮化镓晶体。

8、优选的，本发明中反应容器为bn或al2o3坩埚。

9、优选的，所述步骤（1）中三聚氰胺的添加量占ga和na总计量的0.1~0.5 mol%，最优占比为0.5 mol%。

10、优选的，所述步骤（2）中的金属ga和步骤（3）中的金属na的摩尔比为ga：na=27：73；所述其它金属占ga和na总计量的0.1~10.0 mol%。

11、优选的，所述步骤（4）中加热温度为90~180 ℃。

12、优选的，所述步骤（5）中生长温度为700~900 ℃；生长压力为3~5 mpa；生长时间为50~200 h。

13、本发明相较于现有技术的有益效果：

14、本发明通过调控生长条件，选择合适的助溶剂和添加三聚氰胺，在适当的温度和压力条件下，三聚氰胺的热分解按照如下反应式进行：

15、

16、可以有效地改善氮元素在熔体中的传输性质，在生长初期可在溶体底部提供n源，同时分解生成的c也可实现对多晶生成的有效抑制，进一步提升了氮化镓晶体的质量和尺寸。因此，本发明中所提出的新添加剂将为生长优质、大尺寸的氮化镓晶体开创新的可能性，且有望在半导体生产行业中找到实际应用。

技术特征：

1.一种用于助溶剂法生长氮化镓晶体的生长方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于助溶剂法生长氮化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述反应容器为bn或al2o3坩埚。

3. 根据权利要求1所述的用于助溶剂法生长氮化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述步骤（1）中三聚氰胺的添加量占ga和na总计量的0.1~0.5 mol%。

4. 根据权利要求3所述的用于助溶剂法生长氮化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述步骤（1）中三聚氰胺的添加量占ga和na总计量的0.5 mol%。

5.根据权利要求1所述的用于助溶剂法生长氮化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述步骤（2）中的金属ga和步骤（3）中的金属na的摩尔比为ga：na=27：73。

6. 根据权利要求5所述的用于助溶剂法生长氮化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述步骤（3）中其它金属占ga和na总计量的0.1~10.0 mol%。

7. 根据权利要求1所述的用于助溶剂法生长氮化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述步骤（4）中，加热温度为90~180 ℃。

8. 根据权利要求1所述的用于助溶剂法生长氮化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述步骤（5）中，生长温度为700~900 ℃；生长压力为3~5 mpa；生长时间为50~200 h。

技术总结本发明涉及一种用于助溶剂法生长氮化镓晶体的生长方法，属于氮化镓生长技术领域。本发明采用金属钠(Na)作为助溶剂，或者使用Na与其他金属(如：锂(Li)，钙(Ca)，钡(Ba)等)的混合助溶剂与镓(Ga)金属配置形成熔体。在配置熔体的过程中，加入三聚氰胺，其在高温下可分解产生无定形碳、氮气和氨气。本发明生长方法不但能抑制多晶的生成，提高晶体生长的一致性，同时也解决了由于生长初期氮(N)在熔体中传输慢，熔体底部N浓度低的问题，从而提高氮化镓晶体的生长质量和尺寸。技术研发人员：王守志,孙德福,张雷,王本法,王国栋受保护的技术使用者：山东大学深圳研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/13