氧化镓单晶制备方法

177 编辑：中冶有色技术网来源：中国电子科技集团公司第四十六研究所

2025-01-06 15:35:10

权利要求

1.一种氧化镓单晶制备方法，其特征在于，包括：

将氧化镓籽晶切割为长方体，并将长方体氧化镓籽晶的底部加工为楔形，得到第一氧化镓籽晶;

将所述第一氧化镓籽晶依次进行退火和表面处理，得到第二氧化镓籽晶;

在进行引晶时，将所述第二氧化镓籽晶的下部下降至与熔体接触，之后依次进行提拉、放肩、等径、收尾和降温工序，得到氧化镓单晶。

2.如权利要求1所述的氧化镓单晶制备方法，其特征在于，所述楔形的下端面的面积与上端面的面积的比值范围为30%到80%;楔形的两个斜面与上端面夹角的范围为20°到60°。

3.如权利要求1所述的氧化镓单晶制备方法，其特征在于，所述将所述第二氧化镓籽晶的下部下降至与熔体接触，包括：

将所述第二氧化镓籽晶的下部下降至与熔体接触，并回熔第一预设长度。

4.如权利要求1所述的氧化镓单晶制备方法，其特征在于，所述将所述第一氧化镓籽晶依次进行退火和表面处理，得到第二氧化镓籽晶，包括：

将所述第一氧化镓籽晶平放于蓝宝石片的上方，将所述蓝宝石片和所述第一氧化镓籽晶整体放入退火炉中进行退火;

将退火完成的第一氧化镓籽晶放置于酸性溶液或者碱性溶液中进行表面腐蚀，得到所述第二氧化镓籽晶。

5.如权利要求4所述的氧化镓单晶制备方法，其特征在于，所述退火炉中的退火气氛为氩气、氮气或其他惰性气体，退火温度为1200℃到1600℃，退火时间为0.5h到5h。

6.如权利要求4所述的氧化镓单晶制备方法，其特征在于，所述酸性溶液的质量浓度为20%到80%，酸性溶液为磷酸溶液、硫酸溶液或者王水。

7.如权利要求4所述的氧化镓单晶制备方法，其特征在于，所述碱性溶液的质量浓度为20%到80%，酸性溶液为氢氧化钠或者氢氧化钾。

8.如权利要求1所述的氧化镓单晶制备方法，其特征在于，所述长方体氧化镓籽晶每个面的表面粗糙度小于等于1nm。

9.如权利要求1所述的氧化镓单晶制备方法，其特征在于，所述依次进行提拉、放肩、等径、收尾和降温工序，得到氧化镓单晶，包括：

在提拉工序时，保持恒温条件，使生长的氧化镓不缩不扩达到第二预设长度后停止提拉工序;

之后依次进行放肩、等径、收尾和降温工序，得到所述氧化镓单晶。

10.如权利要求1所述的氧化镓单晶制备方法，其特征在于，所述将氧化镓籽晶切割为长方体，并将长方体氧化镓籽晶的底部加工为楔形，得到第一氧化镓籽晶，包括：

通过激光切割机将氧化镓籽晶切割为长方体，并将长方体氧化镓籽晶的底部加工为楔形，得到第一氧化镓籽晶。

说明书

技术领域

[0001]本申请属于半导体材料技术领域，尤其涉及氧化镓单晶制备方法。

背景技术

[0002]随着氧化镓单晶尺寸的增大，氧化镓籽晶尺寸也随之增大，这就导致氧化镓籽晶遗传对晶体质量和缺陷浓度的影响更加凸显，要想得到高质量低缺陷的氧化镓单晶，首先要获得高质量的氧化镓籽晶。此外，随着氧化镓单晶尺寸增大，氧化镓原料的挥发问题越来越严重，生长4英寸氧化镓的挥发速率是生长2英寸氧化镓的10倍以上，该挥发速率会随着温度的升高继续增大，这就意味着在缩颈工艺中，挥发物附着问题会越来越严重，这些挥发物不仅影响观察，而且极有可能成为多晶成核点，大幅降低单晶率。

说明书附图(3)

图片

发明内容

[0003]本申请实施例提供了氧化镓单晶制备方法，以提高氧化镓结晶的质量、降低缺陷浓度，减少多晶的风险。

[0004]本申请是通过如下技术方案实现的：

第一方面，本申请实施例提供了一种氧化镓单晶制备方法，包括：

将氧化镓籽晶切割为长方体，并将长方体氧化镓籽晶的底部加工为楔形，得到第一氧化镓籽晶;

将第一氧化镓籽晶依次进行退火和表面处理，得到第二氧化镓籽晶;

在进行引晶时，将第二氧化镓籽晶的下部下降至与熔体接触，之后依次进行提拉、放肩、等径、收尾和降温工序，得到氧化镓单晶。

[0005]结合第一方面，在一些可能的实现方式中，楔形的下端面的面积与上端面的面积的比值范围为30%到80%;楔形的两个斜面与上端面夹角的范围为20°到60°。

[0006]结合第一方面，在一些可能的实现方式中，将第二氧化镓籽晶的下部下降至与熔体接触，包括：

将第二氧化镓籽晶的下部下降至与熔体接触，并回熔第一预设长度。

[0007]结合第一方面，在一些可能的实现方式中，将第一氧化镓籽晶依次进行退火和表面处理，得到第二氧化镓籽晶，包括：

将第一氧化镓籽晶平放于蓝宝石片的上方，将蓝宝石片和第一氧化镓籽晶整体放入退火炉中进行退火;

将退火完成的第一氧化镓籽晶放置于酸性溶液或者碱性溶液中进行表面腐蚀，得到第二氧化镓籽晶。

[0008]结合第一方面，在一些可能的实现方式中，退火炉中的退火气氛为氩气、氮气或其他惰性气体，退火温度为1200℃到1600℃，退火时间为0.5h到5h。

[0009]结合第一方面，在一些可能的实现方式中，酸性溶液的质量浓度为20%到80%，酸性溶液为磷酸溶液、硫酸溶液或者王水。

[0010]结合第一方面，在一些可能的实现方式中，碱性溶液的质量浓度为20%到80%，酸性溶液为氢氧化钠或者氢氧化钾。

[0011]结合第一方面，在一些可能的实现方式中，长方体氧化镓籽晶每个面的表面粗糙度小于等于1nm。

[0012]结合第一方面，在一些可能的实现方式中，依次进行提拉、放肩、等径、收尾和降温工序，得到氧化镓单晶，包括：

在提拉工序时，保持恒温条件，使生长的氧化镓不缩不扩达到第二预设长度后停止提拉工序;

之后依次进行放肩、等径、收尾和降温工序，得到氧化镓单晶。

[0013]结合第一方面，在一些可能的实现方式中，将氧化镓籽晶切割为长方体，并将长方体氧化镓籽晶的底部加工为楔形，得到第一氧化镓籽晶，包括：

通过激光切割机将氧化镓籽晶切割为长方体，并将长方体氧化镓籽晶的底部加工为楔形，得到第一氧化镓籽晶。

[0014]本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本申请通过将籽晶的底部加工为楔形的方式，替代了缩颈工艺减少缺陷遗传的同时，提高了单晶率，由于不需要使用缩颈工艺，本方案的适用性也更广，对于导模法、直拉法、布里奇曼等多种生长方法都可以适用;采用本方法制备的籽晶进行氧化镓单晶生长，可以将生长得到的氧化镓单晶的缺陷密度降低1~2个数量级。

[0015]应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。

附图说明

[0016]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0017]图1是本申请一实施例提供的氧化镓单晶制备方法的流程示意图;

图2是本申请一实施例提供的长方体氧化镓籽晶示意图;

图3是本申请一实施例提供的第一氧化镓籽晶示意图。

具体实施方式

[0018]以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

[0019]应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

[0020]还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

[0021]如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

[0022]另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0023]在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

[0024]氧化镓单晶是一种新型的超宽禁带半导体材料，理论击穿场强可达8MV/cm，巴利加优值是SiC、GaN的是十倍以上，并且氧化镓材料耐高温，化学性质稳定，在高压大功率电力电子器件领域极具应用优势，因为氧化镓基功率器件不仅可以耐高压而且可以拥有更高的功率转换效率和更低的导通损耗。此外，氧化镓单晶可以采用熔体法进行生长，包括导模法、直拉法、布里奇曼等，具有生长速率快、成本低的优势，适合工程化。因此，氧化镓单晶已经成为引领电子信息工程更新换代的热点材料。

[0025]氧化镓单晶的主要应用方向是高压大功率电力电子器件，这就对结晶质量和缺陷密度提出了高要求，氧化镓单晶的结晶质量和缺陷密度主要受到两方面的影响，一是籽晶遗传，二是生长工艺和热应力。目前籽晶遗传问题主要通过缩颈工艺来解决，缩颈主要是通过升高温度和提高拉速来实现，但是氧化镓原料在高温下存在比较严重的挥发分解，这就会导致籽晶表面粘附挥发物，非常容易在后续生长过程中导致多晶，所以说缩颈工艺虽然可以提高结晶质量、降低缺陷浓度，但是也增加了多晶的风险。

[0026]本申请实施例提供了一种氧化镓单晶制备方法，图1是本申请一实施例提供的氧化镓单晶制备方法的流程示意性图，参照图1，对该方法的详述如下：

步骤101，将氧化镓籽晶切割为长方体，并将长方体氧化镓籽晶的底部加工为楔形，得到第一氧化镓籽晶。

[0027]示例性的，如图2所示，长方体氧化镓籽晶每个面的表面粗糙度小于等于1nm。

[0028]在一些具体实施例中，可以在将氧化镓籽晶切割为长方体后，通过化学机械抛光使长方体氧化镓籽晶每个面的表面粗糙度小于等于1nm，利用化学机械抛光可以去除切割损伤，提高籽晶的表面质量。

[0029]示例性的，如图3所示，楔形的下端面的面积与上端面的面积的比值范围为30%到80%;楔形的两个斜面与上端面夹角的范围为20°到60°。

[0030]在一些具体实施例中，将籽晶的底部加工为楔形是为了：(1)通过控制下端面面积，保持籽晶的机械强度，保证提拉过程中不会折断。(2)减小引晶时籽晶与熔体的接触面积，减小热冲击。(3)楔形可以使籽晶中的位错等缺陷终止在斜面上，从而减少籽晶中缺陷遗传。(4)通过楔形斜面角度控制，配合引晶时等径生长工艺，使籽晶中位错等缺陷进一步排出，终止在表面。

[0031]示例性的，将氧化镓籽晶切割为长方体，并将长方体氧化镓籽晶的底部加工为楔形，得到第一氧化镓籽晶，包括：

通过激光切割机将氧化镓籽晶切割为长方体，并将长方体氧化镓籽晶的底部加工为楔形，得到第一氧化镓籽晶。

[0032]步骤102，将第一氧化镓籽晶依次进行退火和表面处理，得到第二氧化镓籽晶。

[0033]示例性的，步骤102可以包括：

将第一氧化镓籽晶平放于蓝宝石片的上方，将蓝宝石片和第一氧化镓籽晶整体放入退火炉中进行退火;

将退火完成的第一氧化镓籽晶放置于酸性溶液或者碱性溶液中进行表面腐蚀，得到第二氧化镓籽晶。

[0034]示例性的，退火炉中的退火气氛为氩气、氮气或其他惰性气体，退火温度为1200℃到1600℃，退火时间为0.5h到5h。

[0035]具体的，籽晶退火一是为了使氧化镓籽晶表面分解，去除加工损伤层，氧化镓分解温度为1200℃，二是去除加工应力，消除晶格畸变，提高籽晶质量。

[0036]示例性的，酸性溶液的质量浓度为20%到80%，酸性溶液为磷酸溶液、硫酸溶液或者王水。

[0037]示例性的，碱性溶液的质量浓度为20%到80%，酸性溶液为氢氧化钠或者氢氧化钾。

[0038]具体的，籽晶表面处理主要是因为氧化镓籽晶在加工之后会存在表面或亚表面损伤，这些损伤在生长过程中也会导致缺陷产生，通过籽晶与酸或者碱反应，将以上损伤去除，从而提高籽晶质量。籽晶表面处理不仅可以去除损伤，还可以进行籽晶筛选，腐蚀之后可以通过微分干涉显微镜观察籽晶上下端面中位错等缺陷浓度，不需要进行晶体生长就可以直观检测到缺陷数量的变化。

[0039]步骤103，在进行引晶时，将第二氧化镓籽晶的下部下降至与熔体接触，之后依次进行提拉、放肩、等径、收尾和降温工序，得到氧化镓单晶。

[0040]示例性的，将第二氧化镓籽晶的下部下降至与熔体接触，可以包括：

将第二氧化镓籽晶的下部下降至与熔体接触，并回熔第一预设长度。

[0041]示例性的，依次进行提拉、放肩、等径、收尾和降温工序，得到氧化镓单晶，包括：

在提拉工序时，保持恒温条件，使生长的氧化镓不缩不扩达到第二预设长度后停止提拉工序;

之后依次进行放肩、等径、收尾和降温工序，得到氧化镓单晶。

[0042]上述氧化镓单晶制备方法，通过将籽晶的底部加工为楔形的方式，替代了缩颈工艺减少缺陷遗传的同时，提高了单晶率，由于不需要使用缩颈工艺，本方案的适用性也更广，对于导模法、直拉法、布里奇曼等多种生长方法都可以适用;采用本方法制备的籽晶进行氧化镓单晶生长，可以将生长得到的氧化镓单晶的缺陷密度降低1~2个数量级。

[0043]为了便于方案的理解，下面示出两个具体实施例。

[0044]具体实施例一：

步骤一，籽晶加工。首先通过切割得到长方体籽晶，长度40mm，宽度5mm，厚度5mm，然后通过化学机械抛光将6个面的表面粗糙度降低至0.5nm。然后再通过切割将籽晶底部加工成楔形，下端面面积与上端面面积比值为50%，两个斜面的角度为40°，此时楔形的高度为1.56mm。

[0045]步骤二，籽晶退火。将加工完的籽晶平在平整的蓝宝石片上，然后整体放入退火炉，退火气氛为氩气，退火温度为1300℃，退火时间为2h。

[0046]步骤三，籽晶表面处理。将退火完的籽晶放置在质量浓度为40%的磷酸溶液中进行表面腐蚀，温度为110℃，时间为30min。

[0047]步骤四，腐蚀后观察上下端面位错数量(腐蚀坑的数量)分为2.2×104个和9.7×103个，数量显著降低。

[0048]步骤五，采用上述处理的籽晶进行氧化镓单晶生长，在引晶时，将籽晶缓慢下降至于熔体接触，回熔0.5mm，然后开始提拉，恒温，保持籽晶不缩不扩30mm，使籽晶中的缺陷进一步排出。这一操作与缩颈相比，最大的区别是不需要使固液界面过热，因此不会由于固液界面过热导致氧化镓原料挥发分解变严重，挥发物不会聚积在籽晶底部，可以提高单晶率，同时达到了降低缺陷密度的目的。

[0049]步骤六，经过放肩、等径、收尾、降温等工序，生长出来的氧化镓晶体位错密度为2×103cm-2，传统方式生长的晶体位错密度一般为5×104cm-2。

[0050]具体实施例二：

步骤一，籽晶加工，首先通过切割得到长方体籽晶，长度70mm，宽度10mm，厚度10mm，然后通过化学机械抛光将6个面的表面粗糙度降低至0.5nm。然后再通过切割将籽晶底部加工成楔形，下端面面积与上端面面积比值为40%，两个斜面的角度为30°，此时楔形的高度为6.5mm。

[0051]步骤二，籽晶退火，将加工完的籽晶放置在平整的蓝宝石片上，然后整体放入退火炉，退火气氛为氮气，退火温度为1500℃，退火时间为1h。

[0052]步骤三，籽晶表面处理，将退火完的籽晶放置在质量浓度为30%的氢氧化钾碱溶液中进行表面腐蚀，温度为90℃，时间为90min。

[0053]步骤四，腐蚀后观察上下端面位错数量分为8.1×104个和4.2×103个，数量显著降低。

[0054]步骤五，采用上述处理的籽晶进行氧化镓单晶生长，在引晶时，将籽晶缓慢下降至于熔体接触，回熔1.5mm，然后开始提拉，恒温，保持籽晶不缩不扩50mm。

[0055]步骤六，经过放肩、等径、收尾、降温等工序，生长出来的氧化镓晶体位错密度为4×103cm-2，传统方式生长的晶体位错密度一般为5×104cm-2。

[0056]应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

[0057]以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

说明书附图(3)