抑制来自氮化镓籽晶缺陷的方法及氮化镓单晶和应用与流程

1.本发明属于晶体材料制备领域。更具体地，涉及一种抑制来自氮化镓籽晶缺陷的方法及氮化镓单晶和应用。


背景技术：

2.氮化镓(gan)是一种宽带隙的半导体材料，其禁带宽度为3.4ev，具有高饱和电子漂移速度、高击穿电压的特性，是制作蓝、绿发光二极管和激光二极管的理想材料，在功率器件和电子电力器件的市场需求也有着较大的潜力。由异质外延生长的gan器件研究己取得较大成果，部分器件己经商业化，但由异质外延生长的gan缺陷密度较高，限制了其在大功率、高频率器件等方面的应用。采用高质量的gan单晶材料作为衬底进行同质外延可以有效降低外延层中的位错密度，可有效降低缺陷给器件造成的影响。目前常用的gan晶体生长方法包括氢化物气相外延(hvpe)法、氨热法、助溶剂法或高压溶液法等。hvpe法法生长速率快，易得到大尺寸晶体，但是存在成本高，位错密度高(大于105cm
‑2)，曲率半径小等缺点。氨热法结晶质量高，位错密度低，可同时在多个籽晶上生长，可开展规模化生产进而降低成本，但其生长压力较高、生长速率低。助熔剂法生长条件较温和且对生长设备的要求较低，但生长过程中容易形成多晶。高压溶液法需要较高的生长温度(1500℃以上)和极高的压力(大于1gpa)，导致较高的生长装备要求及高成本。
3.无论哪一种生长方法生长gan晶体位错密度的主要影响因素之一是所用gan籽晶，gan单晶籽晶中的位错会从生长方向上延伸到新生长的gan晶体当中。目前已有一些方法可以降低来自籽晶的缺陷影响，比如，采用在籽晶表面覆盖带有周期性孔结构的材料覆盖一部分籽晶表面。被覆盖区域无gan晶体长，未被覆盖度区域生长出的gan晶体经过侧向生长、合并形成gan单晶。由于籽晶被覆盖的部分的位错缺陷被阻断，不会延伸到新生长的gan晶体中，而且侧向生长并不会产生新的位错，所以该技术可以在一定程度上降低新生长的晶体的位错密度。然而，该方法存在如下缺点：(1)周期性孔结构的制备通常需要采用光刻等半导体工艺，成本高，效率低；(2)多孔结构是对籽晶表面无差别的覆盖，被覆盖的部分有大量的无位错的表面无法参与新晶体的生长，从而造成籽晶的浪费；(3)未被覆盖的区域仍然有大量的位错缺陷，这些缺陷仍旧会延伸到新生长的晶体当中。本发明针对以上问题，依据gan晶体位错腐蚀坑的特殊形貌，利用覆盖材料阻断位错延伸的基本原理，结合精密加工，可以达到对位错缺陷的有效抑制的同时又不影响位错缺陷之外的籽晶优质表面的利用，可以极大地提高对来自籽晶位错缺陷的抑制效率。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种新的抑制来自氮化镓籽晶缺陷的方法，主要解决的是一般的多孔图案覆盖法的成本高、籽晶无缺陷区域浪费、位错缺陷的抑制不够充分等问题。
5.本发明提供了一种抑制来自氮化镓籽晶缺陷的方法，对氮化镓籽晶进行抛光与腐蚀处理后，使籽晶表面位错位置产生位错腐蚀坑；在籽晶的上表面沉积一层覆盖材料，使覆
盖材料覆盖腐蚀坑；去除腐蚀坑外的全部覆盖材料。
6.本发明还提供了一种生长的氮化镓单晶的方法，包括以下步骤：
7.s1.将所用氮化镓籽晶表面进行光学级抛光后，采用腐蚀液对籽晶腐蚀，使籽晶表面位错位置产生位错腐蚀坑。
8.s2.采用电子束蒸镀法、磁控溅射法或真空热蒸镀法在籽晶表面沉积一层厚度不低于为0.01微米的覆盖材料。
9.s3.采用机械抛光法将步骤s2中所述除了腐蚀坑之外的籽晶表面所沉积的覆盖材料全部去除。
10.s4.以步骤s3所获得的籽晶，采用hvpe法、氨热法、助溶剂法或高压溶液法进行晶体生长获得氮化镓单晶。
11.以上述方法制备的氮化镓单晶所制备的器件也在本发明的保护范围之内。
12.同时，在不脱离本发明的实质内容、思路和精神的前提下，本领域技术人员所做的组合、替换和改进也都应在本发明的保护范围之内。
13.本发明的关键步骤为对除了位错腐蚀坑之外的籽晶表面覆盖材料的去除。位错坑内的覆盖材料由于坑具有一定深度，在抛光过程中被保留下来。覆盖材料的去除厚度必须适中，如果抛光去除厚度太薄，籽晶表面仍将被材料全部覆盖，从而无法进行后续单晶生长，如果抛光去除的厚度太大，位错腐蚀坑内和坑外的的所有覆盖材料全部去除，则失去了对位错缺陷的作用。腐蚀坑深度与位错类型、腐蚀工艺有关。
14.发明的有益效果是：
15.1)采用沉积覆盖材料和精密抛光相结合的技术，达到了的对位错缺陷的精确抑制，同时达到对无位错区域的充分利用。
16.2)第二，本发明未用到复杂的半导体图案化工艺，步骤简单，成本较低。
17.3)相对于采用未处理的籽晶生长的氮化镓单晶，采用本发明中所述方法处理过的籽晶所生长的gan晶体位错密度更低，可以将位错密度降低20～70％。
附图说明
18.图1为本发明所述抑制来自氮化镓籽晶缺陷的方法的流程示意图，此流程中所沉积的覆盖材料厚度较厚，已将位错腐蚀坑填满。
19.图2为本发明所述抑制来自氮化镓籽晶缺陷的方法的流程示意图，此流程中所沉积的覆盖材料厚度较薄，未将位错腐蚀坑填满。
20.图中附图标记的含义：(1)抛光和腐蚀出位错坑，(2)沉积覆盖材料，(3)抛光去除部分覆盖材料，(4)氨热法生长氮化镓单晶，a
‑
籽晶中的位错，b
‑
位错腐蚀坑，c
‑
覆盖材料，d
‑
留在位错腐蚀坑内的覆盖材料，e
‑
新生长出的gan单晶。
具体实施方式
21.以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
22.除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
23.本发明所述抑制来自氮化镓籽晶缺陷的方法大致步骤如下：首先将所用氮化镓籽晶表面进行抛光后，采用腐蚀液对籽晶腐蚀，使籽晶表面位错位置产生位错腐蚀坑。之后采用在籽晶表面沉积一层覆盖材料。然后采用机械抛光法将上述步骤沉积的覆盖材料部分去除，最后使用此籽晶进行氨热法生长获得氮化镓单晶。
24.本发明抑制来自氮化镓籽晶缺陷的流程示意图如附图1或图2所示。
25.具体方法操作参考以下实施例。
26.实施例1
27.本实施里流程示意图如图1所示。
28.s1.将所用氮化镓籽晶表面进行光学级抛光后，采用腐蚀液对籽晶腐蚀，使籽晶表面位错位置产生位错腐蚀坑。所用腐蚀液位熔融状态的koh/na2o2，摩尔比1:1，温度为400℃，腐蚀时间为20分钟。
29.s2.采用电子束蒸镀法在籽晶表面沉积一层厚度为2微米的银。
30.s3.采用机械抛光法将步骤s2所沉积的位错腐蚀坑之外的籽晶表面的覆盖材料全部去除。
31.s4.采用步骤s3所获得的籽晶进行氨热法生长获得氮化镓单晶。
32.相对于未处理的氮化镓籽生长的晶体，其位错密度降低70％。
33.实施例2
34.本实施里流程示意图如图2所示。
35.s1.将所用氮化镓籽晶表面进行光学级抛光后，采用腐蚀液对籽晶腐蚀，使籽晶表面位错位置产生位错腐蚀坑。所用腐蚀液位熔融状态的koh/na2o2，摩尔比1:1，温度为500℃，腐蚀时间为120分钟。
36.s2.采用磁控溅射法在籽晶表面沉积一层厚度为0.01微米的金。
37.s3.采用机械抛光法将步骤s2所沉积的位错腐蚀坑之外的籽晶表面的覆盖材料全部去除。
38.s4.采用步骤s3所获得的籽晶进行hvpe生长获得氮化镓单晶。
39.相对于未处理的氮化镓籽生长的晶体，其位错密度降低40％。
40.实施例3
41.s1.将所用氮化镓籽晶表面进行光学级抛光后，采用腐蚀液对籽晶腐蚀，使籽晶表面位错位置产生位错腐蚀坑。所用腐蚀液位熔融状态的koh/na2o2，摩尔比1:1，温度为600℃，腐蚀时间为90分钟。
42.s2.采用真空热蒸镀法在籽晶表面沉积一层厚度为1微米的铂。
43.s3.采用机械抛光法将步骤s2所沉积的位错腐蚀坑之外的籽晶表面的覆盖材料全部去除。
44.s4.采用步骤s3所获得的籽晶进行助溶剂法生长获得氮化镓单晶。
45.相对于未处理的氮化镓籽生长的晶体，其位错密度降低30％。
46.实施例4
47.s1.将所用氮化镓籽晶表面进行光学级抛光后，采用腐蚀液对籽晶腐蚀，使籽晶表面位错位置产生位错腐蚀坑。所用腐蚀液位熔融状态的koh/na2o2，摩尔比1:1，温度为550℃，腐蚀时间为120分钟。
48.s2.采用磁控溅射法在籽晶表面沉积一层厚度为0.06微米的铱。
49.s3.采用机械抛光法将步骤s2所沉积的位错腐蚀坑之外的籽晶表面的覆盖材料全部去除。
50.s4.采用步骤s3所获得的籽晶进行氨热法生长获得氮化镓单晶。
51.相对于未处理的氮化镓籽生长的晶体，其位错密度降低50％。
52.实施例5
53.s1.将所用氮化镓籽晶表面进行光学级抛光后，采用腐蚀液对籽晶腐蚀，使籽晶表面位错位置产生位错腐蚀坑。所用腐蚀液位熔融状态的koh/na2o2，摩尔比1:1，温度为550℃，腐蚀时间为100分钟。
54.s2.采用电子束蒸镀法在籽晶表面沉积一层厚度为5微米的银。
55.s3.采用机械抛光法将步骤s2所沉积的位错腐蚀坑之外的籽晶表面的覆盖材料全部去除。
56.s4.采用步骤s3所获得的籽晶进行高压溶液法生长获得氮化镓单晶。
57.相对于未处理的氮化镓籽生长的晶体，其位错密度降低30％。
58.实施例6
59.s1.将所用氮化镓籽晶表面进行光学级抛光后，采用腐蚀液对籽晶腐蚀，使籽晶表面位错位置产生位错腐蚀坑。所用腐蚀液位熔融状态的koh/na2o2，摩尔比1:1，温度为400℃，腐蚀时间为120分钟。
60.s2.采用电子束蒸镀法在籽晶表面沉积一层厚度为0.03微米的钯。
61.s3.采用机械抛光法将步骤s2所沉积的位错腐蚀坑之外的籽晶表面的覆盖材料全部去除。
62.s4.采用步骤s3所获得的籽晶进行助溶剂法生长获得氮化镓单晶。
63.相对于未处理的氮化镓籽生长的晶体，其位错密度降低50％。
64.实施例7
65.s1.将所用氮化镓籽晶表面进行光学级抛光后，采用腐蚀液对籽晶腐蚀，使籽晶表面位错位置产生位错腐蚀坑。所用腐蚀液位熔融状态的koh/na2o2，摩尔比1:1，温度为400℃，腐蚀时间为90分钟。
66.s2.采用磁控溅射法在籽晶表面沉积一层厚度为0.08微米的金银合金。
67.s3.采用机械抛光法将步骤s2所沉积的位错腐蚀坑之外的籽晶表面的覆盖材料全部去除。
68.s4.采用步骤s3所获得的籽晶进行氨热法生长获得氮化镓单晶。
69.相对于未处理的氮化镓籽生长的晶体，其位错密度降低40％。
70.实施例8
71.s1.将所用氮化镓籽晶表面进行光学级抛光后，采用腐蚀液对籽晶腐蚀，使籽晶表面位错位置产生位错腐蚀坑。所用腐蚀液位熔融状态的koh/na2o2，摩尔比1:1，温度为550℃，腐蚀时间为80分钟。
72.s2.采用磁控溅射法在籽晶表面沉积一层厚度为1.5微米的铂钯合金。
73.s3.采用机械抛光法将步骤s2所沉积的位错腐蚀坑之外的籽晶表面的覆盖材料全部去除。
74.s4.采用步骤s3所获得的籽晶进行高压溶液法生长获得氮化镓单晶。
75.相对于未处理的氮化镓籽生长的晶体，其位错密度降低55％。
76.实施例9
77.s1.将所用氮化镓籽晶表面进行光学级抛光后，采用腐蚀液对籽晶腐蚀，使籽晶表面位错位置产生位错腐蚀坑。所用腐蚀液位熔融状态的koh/na2o2，摩尔比1:1，温度为480℃，腐蚀时间为100分钟。
78.s2.采用真空热蒸镀法在籽晶表面沉积一层厚度为1.6微米的银铱合金。
79.s3.采用机械抛光法将步骤s2所沉积的位错腐蚀坑之外的籽晶表面的覆盖材料全部去除。
80.s4.采用步骤s3所获得的籽晶进行氨热法生长获得氮化镓单晶。
81.s5.采用步骤s4所获得的氮化镓单晶进行氮化镓同质外延，制备半导体激光器。