[发明专利]低杂质浓度半绝缘GaN单晶及其制备方法与应用

权利要求书

1.一种低杂质浓度半绝缘GaN单晶，其特征在于所述半绝缘GaN单晶中掺杂有深受主杂质以及浅施主元素和/或浅受主元素，所述深受主杂质的掺杂浓度低于1e17cm^-3，所述浅施主元素和/或浅受主元素的总掺杂浓度小于或等于深受主杂质掺杂浓度的1/2。

2.根据权利要求1所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶，其特征在于，其中深受主杂质的掺杂浓度为所述浅施主元素和/或浅受主元素的总掺杂浓度的5倍以上。

3.根据权利要求1所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶，其特征在于，其中因包含所述浅施主元素和/或浅受主元素在内的非故意掺杂的背底杂质引起的载流子浓度低于1e16cm^-3。

4.根据权利要求1所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶，其特征在于，其中深受主杂质的掺杂浓度低于3e16cm^-3。

5.根据权利要求1所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶，其特征在于所述浅施主元素和/或浅受主元素的激活能小于0.3eV，而所述深受主杂质的能级距离带隙边缘大于0.3eV。

6.根据权利要求5所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶，其特征在于所述深受主杂质包含包括Fe、C、Cr、Mn中的任意一种或两种以上的组合，优选为Fe。

7.根据权利要求5所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶，其特征在于所述浅施主元素包括Si和/或O，所述浅受主元素包括Be和/或Mg。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶，其特征在于所述半绝缘GaN单晶于室温下的电阻率在1e6ohm-cm以上。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶，其特征在于所述半绝缘GaN单晶对于波长为380nm～1000nm的光线的光学透过率大于60％。

10.根据权利要求9所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶，其特征在于，在所述半绝缘GaN单晶对波长为380nm～1000nm的光线的光学透过率曲线中不存在任何其它吸收峰，而仅有带边吸收。

11.根据权利要求1-7、10中任一项所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶，其特征在于：

所述半绝缘GaN单晶具有自支撑结构，且厚度大于100μm；

或者，所述半绝缘GaN单晶形成于异质衬底上，且其中半绝缘GaN单晶的厚度大于15μm，所述异质衬底包括硅、蓝宝石或碳化硅衬底。

12.如权利要求1-11中任一项所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶的制备方法，其特征在于包括：在生长GaN单晶的过程中，控制其中非故意掺杂的背底杂质的浓度使因非故意掺杂的背底杂质引起的载流子浓度低于1e16cm^-3，以及掺入浓度低于1e17cm^-3的深受主杂质，从而形成半绝缘GaN单晶。

13.根据权利要求12所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶的制备方法，其特征在于包括：采用氢化物气相外延法生长GaN单晶。

14.根据权利要求12或13所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶的制备方法，其特征在于包括采用下列方式中的任一种或两种以上的组合而降低外延生长气氛中的非故意掺杂的背底杂质浓度：

采用高纯源，其中高纯气体源的纯度在6N以上，优选在7N以上，高纯Ga源的纯度在6N以上，高纯Fe源的纯度在4N以上；

采用纯度在5N以上的高纯石英件加工反应器；

提高载气中H₂的含量至50V/V％～100V/V％；

降低反应压力至0.01～0.8atm；

提高生长温度至1040～1100℃。

15.根据权利要求14所述的低杂质浓度半绝缘GaN单晶的制备方法，其特征在于包括：通过多级纯化过滤的方式而提高源气体的纯度而实现高纯源；和/或，通过在生长前于1040℃以上的高温下使用H₂烘烤去除金属源表面的氧化物而实现高纯源；和/或，通过在生长前于1040℃以上的高温下使用HCl气体腐蚀去除金属源表面的氧化物而实现高纯源。