顶部籽晶熔盐法生长GaN单晶

GaN在光电子及高温、高频微电子方面有重要的实际应用价值。目前GaN基器件主要是在蓝宝石衬底上通过外延制成的，由于存在较大晶格失配和热失配，造成缺陷较多，限制了器件性能的提高，因此迫切需要发展块状GaN体单晶生长技术。目前GaN单晶制备方法有氢化物气相外延法、氨热法、气相传输法、熔盐法、熔体提拉法、高温高压法，其中较为成熟的是氢化物气相外延法，生长的晶体厚度一般在几百微米水平。本课题旨在发展一种电场辅助顶部籽晶熔盐法（TSSG）生长GaN块状单晶的关键技术，研究电场致GaN结晶过程机理；研究电场强度、N2压力、助熔剂及助熔剂比例对N在Ga液中溶解度、GaN结晶质量的影响规律；研究其它工艺参量（生长温度、温度梯度、晶体转速、生长速率、降温速率等）对GaN晶体成核、形态、结晶质量的影响，获得最佳生长工艺,生长出直径1-2英寸、厚度大于1厘米GaN单晶，制成满足GaN器件制作使用要求的合格晶片。

原来计划在中等压力（50大气压）下进行晶体生长，目的是为了抑制金属钠助熔剂的挥发，由于尝试使用金属Li、Li3N、Bi、Sn、Cu、Mn等金属做助熔剂，其常压下挥发量很小，因此改为在常压下进行GaN单晶生长。. 探索了不同种类助溶剂对GaN晶体结晶质量的影响，在使用Li、Li3N、Na、 Bi、Sn、Cu、Mn作助溶剂的实验中，发现只有Li作助溶剂在低温下（˂600℃）可以获得GaN粉晶，发展了一种在低温、常压及N2气氛下合成GaN粉晶的方法。. 研究了Li作助溶剂在低温下合成GaN的机理，对其结构和性能进行了表征。热力学计算结合实验结果表明：GaLi合金的形成在GaN合成中起到至关重要的作用，因为它使得合成GaN反应的自由能为负，反应在实验条件下可以自然发生。此外Li在氮化过程中放出的热量提高了整个系统的温度，加快了GaN的合成速度，此合成反应体现了动力学和热力学的的双重贡献。此机制也适用于Li3N和其它金属反应合成其它氮化物的情况。. 使用W坩埚合成GaN的实验中，发现在SiC籽晶上生长出规则的六方钨单晶，此方法有希望解决半绝缘SiC的欧姆接触问题。. 设计了直流电极，并对电极材料、电极的形状与厚度进行了优化；设计了单晶炉的温场，纵向温度梯度为50℃/cm，温度为上低下高，有利于GaN晶体在熔体表面的籽晶上结晶。进行了GaN单晶生长实验，研究了直流电场对GaN晶体结晶过程的作用机理，但是加电场没能实现Ga液中的GaN的合成，说明加电场对N2中氮氮三键的打开以及Ga的氮化所起的作用非常有限。. 由于六方相SiC晶体可以作为外延GaN的衬底材料，部分工作调整为SiC晶体物性与缺陷研究，并取得了一些有意义的结果。. 本项目执行期间已发表论文 1篇, 其中SCI 1 篇; 国内会议分会场特邀报告1个，已投稿1篇，正在整理撰写1篇，申请国家发明专利 1 项。培养博士生 2 名，已毕业1名。