大尺寸GaN体单晶Na助熔剂-坩埚下降法的生长及性能研究

Homoepitaxy by using high-quality GaN single crystal as substrates is crucial to take full advantage of GaN devices. The lack of high-quality GaN single crystal substrate has become the bottleneck of further development of GaN-based devices at present. In this study, an innovative crystal growth technology is put forward. The Na flux-Bridgman method will be used to grow GaN bulk single crystal. The fundamental studies will be done, such as how to improve the solubility of N in the high temperature solution containing Ga, the GaN solute mass transfer rate and the effects of these conditions on the crystal growth rate. The GaN crystal nucleation will be controlled by the identification of growth habit, combining with the geometry eliminate in spontaneous nucleation or applying crystal seeds. It is expected to improve the crystal growth rate and quality. The phase structure, morphology, defects and properties of as grown GaN single crystals will be also characterized. The advantages of the Bridgman method is introduced into the flux method, which help to solve the issues of polycrystalline and small crystal size by using simple Na flux method and realize directional crystal growth.Through in-depth study on the basis conditions of GaN bulk single crystal growth in this new technology, the foundation for the growth of large-size GaN bulk single crystals will be laid. Research and development of high-quality GaN bulk single crystal growth technology will provide the material basis for the development of the LED industry in Jiangxi Province, and even the GaN semiconductor devices in China, resulting in significant social and economic benefits.

以高质量GaN体单晶基片为衬底实现GaN的同质外延生长，是发挥GaN半导体器件优异性能的关键。而该基片的缺乏已成为当前制约GaN器件发展的瓶颈。本项目应用一种创新的GaN单晶生长技术，采用Na助熔剂-坩埚下降法生长GaN体单晶，研究如何有效提高N在含Ga溶液中的溶解度、GaN溶质传质速度及它们对晶体生长速度的影响等基本规律；通过生长习性标识和生长速度测定，结合强化自发成核中的几何淘汰或引入晶种，控制GaN的成核并促成体单晶的生长，以提高单晶生长速率和质量，并对GaN体单晶的结构、形貌、缺陷及性能进行表征。将坩埚下降法优点引入到助熔剂法中，有利于解决单纯Na助熔剂法生长GaN单晶过程中易产生多晶而导致晶体尺寸偏小的关键问题，实现晶体定向生长，为大尺寸GaN体单晶生长奠定基础。高质量GaN体单晶生长技术的研发将为我省LED产业，乃至我国GaN半导体器件的研制提供材料基础，产生明显社会经济效益。

GaN一直是光电领域的研究热点，随着5G时代到来及电池快充技术兴起，GaN再次引起研究者的聚焦。以高质量GaN体单晶基片为衬底实现GaN的同质外延生长，是发挥GaN半导体器件优异性能的关键。而该基片的缺乏已成为制约GaN发光器件、射频器件和电力电子器件进一步发展的瓶颈。大尺寸高质量GaN体单晶生长一直是公认的世界难题。本项目验证了Na助熔剂-坩埚下降法可以用来生长大尺寸高质量GaN单晶。此外，进一步理清了GaN晶体生长的影响因素及其晶体生长行为：.（1）发现降温过程对GaN晶体生长的影响，GaN晶体产率不但和降温速率（生长时间）有关，而且和生长温度也有关。随着降温速率的降低，GaN晶体由漏斗状生长变为具有胞状结构的不稳定生长，最后变为平衡形生长。（2）发现GaN晶体在不同助熔剂下生长行为不同。在Ga和Na原料中加入Ca可增加GaN晶体的透明性，且有助于GaN晶体(10-10)面的形成，即有助于[0001]方向生长，从而得到柱状晶体。而在Ga和Na原料中加入Li可抑制GaN晶体[0001]方向的生长，有助于GaN垂直c面的生长，得到片状晶体。Ga和Na原料中同时加入Ca和Li，则可以综合Ca和Li各自的特点，有利于得到柱状且透明的GaN晶体。（3）发现压力对GaN晶体的产率、总体形貌、生长丘等都有较大影响。（4）为获得更稳定的生长条件，对原有GaN晶体生长设备进行了升级改造。调整并升级了GaN晶体生长设备中温度控制及升降系统；设计并制作了能实现一定温度梯度、并适合大尺寸GaN晶体生长的单晶生长的加热炉，优化了加热炉保温材料及结构，从而能进一步提高生长温度。加大炉腔尺寸，设计制作了尺寸达60mm的锥形氮化硼（PBN）坩埚，从而能进一步增加原料及生长时间，这些措施可以为后续生长大尺寸GaN晶体及相应的定向生长打下坚实基础。（5）此外，采用第一性原理方法，对GaN掺杂方面进行了研究。这些第一性原理计算的结果对我们今后GaN的掺杂实验研究指明了方向。