一種生長(zhǎng)大尺寸氧化鎵單晶的摻雜方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種生長(zhǎng)大尺寸氧化鎵晶體的摻雜方法。其步驟：一.采用Ga2O3多晶料事先合成Ga2O3多晶錠；二.先將多晶錠切磨成圓柱形，再切割成兩個(gè)半圓柱，在其中的一個(gè)半圓柱中上開(kāi)一個(gè)凹槽；三.將開(kāi)槽的半圓柱放到銥金坩堝中心位置，取MnO2粉末放入半圓柱凹槽內(nèi)，再將另一個(gè)半圓柱覆蓋在此半圓柱上面，在銥金坩堝與圓柱形多晶料周?chē)目障吨蟹胖眯∷閴K多晶料擠壓住圓柱形多晶料，在保溫筒的上方蓋上保溫罩；四.在升溫化料后，將銥金坩堝轉(zhuǎn)動(dòng)1小時(shí)，轉(zhuǎn)速為每分鐘5轉(zhuǎn)，保證MnO2摻雜粉末與圓柱形Ga2O3多晶料和小碎塊多晶料充分融合。采用本摻雜方法成功實(shí)現(xiàn)了能夠生長(zhǎng)摻雜大尺寸的Ga2O3單晶。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種生長(zhǎng)大尺寸氧化鎵單晶的摻雜方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及晶體材料生長(zhǎng)技術(shù)，特別是涉及一種生長(zhǎng)大尺寸氧化鎵晶體的摻雜方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單斜Ga203(氧化鎵)是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料(Eg=4.9 eV)，這種材料具有良好物理化學(xué)特性，可望用于制作波長(zhǎng)更短的新型光電器件。Ga2O3材料有多種相結(jié)構(gòu)，但只有β相能在低溫至高溫穩(wěn)定存在。
[0003]國(guó)外主要是日本、德國(guó)和印度在研究β-Ga2O3單晶材料，其中日本、德國(guó)處于世界先進(jìn)水平。已實(shí)現(xiàn)2英寸β- Ga2C>3單晶制備。Ga2C>3單晶的研究單位有日本的Tohoku(東北大學(xué))、ffaseda University(早稻田大學(xué))、精密寶石有限公司，Nippon steel等。德國(guó)主要是Leibniz Institute for Crystal Growth(柏林晶體所)，印度為拉賈?拉曼拉先進(jìn)技術(shù)中心。國(guó)內(nèi)目前僅有中科院上海光機(jī)所和上海硅酸鹽研究所。在晶體尺寸，晶體質(zhì)量方面與國(guó)外還有很大差距。中科院上海光機(jī)所夏長(zhǎng)泰等2006年采用浮區(qū)法制備出Φ 7 X 20mm的β-Ga2O3單晶。另外，2013年上海硅酸鹽研究所徐軍等人于專(zhuān)利中報(bào)道了采用模法制備出2英寸i3-Ga203單晶，但是沒(méi)有配備相關(guān)圖片或者相關(guān)發(fā)表文章。
[0004]由于本征β—Ga2O3材料的導(dǎo)電性能差，制約其用作透明導(dǎo)電材料。為了改善β—Ga203材料的導(dǎo)電性能，研究人員選擇合適的摻雜元素，如5]1、3;[、(:11、]/[11、11等來(lái)改善63203的導(dǎo)電性能，但是大部分的研究工作都是基于Ga2O3薄膜開(kāi)展的。在國(guó)外，日本、德國(guó)的研究機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究機(jī)構(gòu)報(bào)道了實(shí)現(xiàn)了2英寸β- Ga2O3單晶的摻雜；國(guó)內(nèi)中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在2013年發(fā)表了利用浮區(qū)法制備摻雜Ga2O3單晶的研究工作，該種工藝的優(yōu)點(diǎn)是不需要坩禍，可采用多種不同熱源加熱，缺點(diǎn)是單晶尺寸較小，報(bào)道的最大尺寸為直徑I英寸，而且在浮區(qū)法生長(zhǎng)過(guò)程中存在排雜效應(yīng)，參雜元素Si不易進(jìn)入Ga的格位，只能在固液交界處不斷積聚，最終導(dǎo)致所生長(zhǎng)的晶體的顏色不均勻。研究表明，在Ga2O3薄膜中摻雜Mn會(huì)在價(jià)帶頂引入若干雜質(zhì)能級(jí)，使得Ga2O3的光學(xué)帶隙變窄，根據(jù)Mn摻雜含量的不同，可調(diào)節(jié)Ga2O3的帶隙，可以制備帶隙可調(diào)的紫外探測(cè)器和對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的紫外濾光片。
[0005]常用的提拉法生長(zhǎng)氧化鎵單晶，存在解理，開(kāi)裂和多晶問(wèn)題，因此，生長(zhǎng)大尺寸單晶非常困難。目前，國(guó)內(nèi)主要采用浮區(qū)法制備氧化鎵晶體及摻雜，制備的晶體最大尺寸僅為I英寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)狀況和存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種生長(zhǎng)大尺寸氧化鎵晶體的摻雜方法及裝置。即采用提拉法完成摻Mn的Ga2O3單晶的生長(zhǎng)工藝，本摻雜工藝方法與浮區(qū)法相比，能夠生長(zhǎng)摻雜大尺寸的Ga2O3單晶。氧化鎵由于熔點(diǎn)較高(1740-1820°C)，而且在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中容易產(chǎn)生孿晶、開(kāi)裂和多晶等現(xiàn)象。本摻雜方法以MnO2的形式進(jìn)行摻雜，其熔點(diǎn)為535 °C，在化料過(guò)程中先于Ga2O3多晶料熔化，為防止MnO2粉末的揮發(fā)，采取特定的放置方式。
[0007]本摻雜方法所采用的摻雜裝置是在傳統(tǒng)的單晶爐的基礎(chǔ)上添加了保溫罩，以保證爐體在軸向上具有較小的溫度梯度，從而為生長(zhǎng)大尺寸的Ga2O3單晶奠定基礎(chǔ)。其次，本摻雜方法還規(guī)定了摻質(zhì)的放置位置，最后在Ga2O3多晶料和摻質(zhì)融合后，為保證雜質(zhì)分布的均為性，設(shè)定坩禍轉(zhuǎn)速，并保持一定的時(shí)間后再停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0008]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:一種生長(zhǎng)大尺寸氧化鎵單晶的摻雜方法，其特征在于，該摻雜方法有以下步驟:
步驟一.米用Ga203多晶料事先合成的Ga203多晶徒；
步驟二.先將Ga2O3多晶錠切磨成圓柱形，再沿著中線切割成兩個(gè)半圓柱，分別為rl和r2，并在其中的一個(gè)半圓柱rl的切平面中心沿著軸線方向開(kāi)一個(gè)凹槽；
步驟三.將半圓柱rl放到保溫筒內(nèi)的銥金坩禍中心位置，取一定量的MnO2粉末放入半圓柱rl上的凹槽內(nèi)，再將另一個(gè)半圓柱r2覆蓋在半圓柱rl上面，防止MnO2粉末的揮發(fā)，形成圓柱形多晶料，在銥金坩禍與圓柱形多晶料周?chē)目障吨蟹胖眯∷閴KGa2O3多晶料擠壓住圓柱形多晶料，防止圓柱形多晶料在銥金坩禍內(nèi)滑動(dòng);在保溫筒的上方蓋上保溫罩；
步驟四.在升溫化料后，將銥金坩禍轉(zhuǎn)動(dòng)I小時(shí)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為每分鐘5轉(zhuǎn)，保證MnO2摻雜粉末與圓柱形多晶料和小碎塊Ga2O3多晶料充分融合。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:本摻雜方法所采用的摻雜裝置是在傳統(tǒng)的單晶爐的基礎(chǔ)上添加了保溫罩，以保證爐體在軸向上具有較小的溫度梯度，從而為生長(zhǎng)大尺寸的Ga2O3單晶奠定基礎(chǔ)。采用本摻雜方法成功實(shí)現(xiàn)了能夠生長(zhǎng)摻雜大尺寸的Ga2O3單晶。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是本發(fā)明生長(zhǎng)大尺寸氧化鎵單晶的摻雜方法所用的摻雜裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1中半圓柱rl的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011 ]以下結(jié)合實(shí)施方例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0012]參照?qǐng)D1和圖2，生長(zhǎng)大尺寸氧化鎵單晶的摻雜方法有以下步驟:
步驟一.米用Ga203多晶料事先合成大約200g的Ga203多晶徒。
[0013]步驟二.先將Ga2O3多晶錠切磨成圓柱形，再沿著中線切割成兩個(gè)半圓柱，分別為rl和r2，并在其中的一個(gè)半圓柱r I的切平面中心沿著軸線方向開(kāi)一個(gè)凹槽，半圓柱r I上的凹槽設(shè)為長(zhǎng)方形，槽長(zhǎng)dl為1mm，槽寬d2為5mm，槽深h為2mm(如圖2所示)。
[0014]步驟三.將半圓柱rl放到保溫筒4內(nèi)的銥金坩禍7中心位置，取一定量的MnO2粉末放入半圓柱rl上的凹槽內(nèi)，再將另一個(gè)半圓柱r2覆蓋在半圓柱rl上面，防止MnO2粉末的揮發(fā)，形成圓柱形多晶料，在銥金坩禍與圓柱形多晶料周?chē)目障吨蟹胖眯∷閴KGa2O3多晶料8擠壓住圓柱形多晶料，防止圓柱形多晶料在銥金坩禍7內(nèi)滑動(dòng)；在保溫筒4的上方蓋上保溫罩3。
[0015]步驟四.在升溫化料后，將銥金坩禍7轉(zhuǎn)動(dòng)I小時(shí)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為每分鐘5轉(zhuǎn)，保證MnO2摻雜粉末與圓柱形多晶料和小碎塊Ga2O3多晶料8充分融合。
[0016]以下參照?qǐng)D1和圖2對(duì)本摻雜方法所使用的摻雜裝置進(jìn)行說(shuō)明:構(gòu)成單晶爐I內(nèi)熱場(chǎng)的加熱線圈6和保溫筒4水平且同中心安裝;保溫筒4內(nèi)部為銥金坩禍7，保溫筒4上方設(shè)有保溫卓3。
[0017]其中保溫筒4由厚度為40-50mm的氧化鋯纖維板構(gòu)成，保溫筒4內(nèi)徑為110-130mm，保溫筒4高度為40-150mm。
[0018]銥金坩禍7為圓形坩禍，銥金坩禍7外徑為Φ 100-120mm，壁厚為2.5-6mm。銥金坩禍7 純度為99.95?99.999%。
[0019]實(shí)施例:首先，在單晶爐I內(nèi)安裝保溫筒4和加熱線圈6，保證兩者水平且同心安裝。保溫筒4由純度高于99.7%的氧化鋯纖維板制成。加熱線圈6為帶水冷的純銅線圈，純度高于99.7%ο
[0020]在進(jìn)行摻雜生長(zhǎng)之前，需按照摻雜設(shè)計(jì)方案中的具體措施準(zhǔn)備好多晶料。由兩個(gè)半圓柱構(gòu)成圓柱形多晶料，其中一個(gè)半圓柱開(kāi)有凹槽，先將要摻雜的MnO2粉末放入一個(gè)半圓柱凹槽里，再將另一個(gè)半圓柱覆蓋其上方，構(gòu)成圓柱形多晶料，并將此圓柱形多晶料放置在銥金坩禍7的中心位置。在銥金坩禍7和圓柱多晶料的空隙位置逐步添加小碎塊Ga2O3多晶料8，直至填滿(mǎn)空隙，并確保圓柱形多晶料不易產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。
[0021]裝料完成后，在保溫筒4的上方蓋上保溫罩3，目的是減小單晶爐I內(nèi)軸向和徑向溫度梯度，抑制晶體生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂、解理和多晶現(xiàn)象。
[0022]在升溫化料完成后，給一定速度的禍轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為每分鐘5轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間I小時(shí)，以保證摻雜的均勻性。
[0023]為了監(jiān)測(cè)晶體生長(zhǎng)溫度，在銥金坩禍側(cè)面設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫。通過(guò)視孔5可以實(shí)時(shí)觀測(cè)晶體生長(zhǎng)情況，視孔5的方向與水平方向呈斜向下45度角，以獲得最佳觀測(cè)角度。
[0024]籽晶桿2所用材料同樣為銥金，純度為99.999%，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中可以轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為每分鐘3轉(zhuǎn)。禍桿11的材質(zhì)為鉬，其作用是帶動(dòng)坩禍托旋轉(zhuǎn)。坩禍托10的材質(zhì)為鉬，其作用是帶動(dòng)坩禍旋轉(zhuǎn)。熱偶9采用的是鎢錸熱電偶。
[0025]采用以上實(shí)施例，成功實(shí)現(xiàn)了生長(zhǎng)摻雜2英寸(50.4±0.1mm)的氧化鎵單晶，單晶等徑長(zhǎng)度:彡1mm0經(jīng)檢測(cè)后，晶向:〈100〉± 0.5° ;晶片表面粗糙度(RaX0.5mm;導(dǎo)電類(lèi)型:N型;載流子濃度35X10 17Cnf3;載流子迀移率:彡10cmW1，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種生長(zhǎng)大尺寸氧化鎵單晶的摻雜方法，其特征在于，該摻雜方法有以下步驟: 步驟一.米用Ga203多晶料事先合成的Ga203多晶徒； 步驟二.先將Ga2O3多晶錠切磨成圓柱形，再沿著中線切割成兩個(gè)半圓柱，分別為rl和r2，并在其中的一個(gè)半圓柱rl的切平面中心沿著軸線方向開(kāi)一個(gè)凹槽； 步驟三.將半圓柱rl放到保溫筒內(nèi)的銥金坩禍中心位置，取一定量的MnO2粉末放入半圓柱rl上的凹槽內(nèi)，再將另一個(gè)半圓柱r2覆蓋在半圓柱rl上面，防止MnO2粉末的揮發(fā)，形成圓柱形多晶料，在銥金坩禍與圓柱形多晶料周?chē)目障吨蟹胖眯∷閴KGa2O3多晶料擠壓住圓柱形多晶料，防止圓柱形多晶料在銥金坩禍內(nèi)滑動(dòng);在保溫筒的上方蓋上保溫罩； 步驟四.在升溫化料后，將銥金坩禍轉(zhuǎn)動(dòng)I小時(shí)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為每分鐘5轉(zhuǎn)，保證MnO2摻雜粉末與圓柱形多晶料和小碎塊Ga2O3多晶料充分融合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生長(zhǎng)大尺寸氧化鎵單晶的摻雜方法，其特征在于，所述的半圓柱r I上的凹槽設(shè)為長(zhǎng)方形，槽長(zhǎng)dl為10mm，槽寬d2為5mm，槽深h為2mm。
【文檔編號(hào)】C30B29/16GK105970289SQ201610615250
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年8月1日
【發(fā)明人】于凱, 練小正, 楊東海, 徐永寬, 程紅娟, 張穎武, 司華青, 霍曉青, 郭文斌
【申請(qǐng)人】中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所