[发明专利]一种氧化镓晶体冷坩埚生长方法

说明书

本发明提供的一种氧化镓晶体冷坩埚生长方法，包括以下步骤：放置β‑Ga₂O₃籽晶，堆积高纯Ga₂O₃形成原料堆；启动高频感应发生器电源，将两根石墨棒插入原料堆中；升高石墨棒的加热功率至石墨棒之间产生电火花，石墨棒起燃使周围的高纯Ga₂O₃圆球状原料熔融，形成熔体；熔体在高频感应线圈的作用下持续发热，向熔体中投入高纯Ga₂O₃圆球状原料，使充分熔化，熔体体积进一步扩大，直至籽晶与熔体充分熔接；将水冷铜管坩埚逐渐下降，晶体自籽晶处逐步向上结晶生长；降温退火。该方法工艺简单，大幅降低长晶成本；采用常压空气气氛生长晶体，有效解决了生长过程中的分解挥发问题，同时降低了对设备的耐压要求。

技术领域

本发明涉及化学领域，特别涉及一种氧化镓晶体冷坩埚生长方法。

背景技术

氧化镓(β-Ga₂O₃)晶体是一种超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大(Eg＝4.8～5.2eV)，吸收截止边短(～260nm)，击穿电场强度高(8MV/cm)，化学性能稳定，适合熔体法生长等优点。因此，β-Ga₂O₃成为高压、高功率器件和深紫外光电子器件的优选材料之一，可应用于场效应晶体管(FETs)、日盲紫外探测器、肖特基二极管、气体传感器等。近年来，氧化镓材料及器件的研究与应用呈现出显著的加速发展势头，成为当前德国、日本、美国等国家的研究热点和竞争重点。2016年1月，美国海军实验室设立了高效氧化镓薄膜外延项目，明确指出氧化镓超高压功率器件在电磁轨道炮、军用雷达等方面的具有重大应用价值。

氧化镓具有α、β、ε、δ和γ五种晶体结构，其中β型结构最稳定，温度高于850℃时其它相均转化为β相。β-Ga₂O₃为一致熔融化合物，能够采用熔体法生长获得β-Ga₂O₃体块晶体。生长氧化镓晶体的难点在于：在高温缺氧的生长气氛中Ga₂O₃会发生如下分解反应：

生成低价镓的氧化物和单质镓等产物；而镓会与铱金形成合金，造成贵金属损失；并且β-Ga₂O₃易产生挛晶、镶嵌结构、解理开裂、螺位错等缺陷。因此，获得大尺寸、高质量β-Ga₂O₃晶体极为困难。提拉法和导模法是目前生长大尺寸氧化镓晶体较为成功的方法。德国莱布尼茨晶体生长研究所采用提拉法成功生长出2英寸β-Ga₂O₃晶体，日本田村制作所(Tamura)和光波公司(Koha Co.,Ltd)采用导模法技术率先实现商品化2英寸β-Ga₂O₃基片，并试生长出6英寸晶体坯片。但这两种生长方法存在不足之处：提拉法和导模法生长β-Ga₂O₃晶体均采用铱金坩埚，而镓会对铱金坩埚内壁造成严重的腐蚀，铱金损耗量较大；为了抑制生长过程中Ga₂O₃的分解挥发，莱布尼茨晶体生长研究所采用7bar高压CO₂气氛生长晶体，这对设备的耐压性提出了更加苛刻的要求。

发明内容

技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出了一种氧化镓晶体冷坩埚生长方法。

技术方案：本发明提供的一种氧化镓晶体冷坩埚生长方法，包括以下步骤：