氮化镓单晶的氨热结晶动力学及深能级缺陷的研究

High quality bulk GaN is the optimal substrate for GaN-based electronic and optoelectronic devices with extra low loss and high performance. Due to its merits like growth in equilibrium conditions, scalability and low cost, ammonothermal method, similar to the hydrothermal method, is considered as one of the most promising technologies for bulk GaN fabrication with low defects. However, color and impurity have detrimental influences on the photoelectric properties of nitrides semiconductors and how to minimize the presence is still one of huge challenges. In this project, the autoclaves with internal heating equipment are domestically developed and used to study the formation and distribution of various defects such as impurity, point defect, dislocation in bulk ammonothermal GaN, and the dependence on mineralizer composition and ratio, temperature, temperature gradients and so on. We also intend to conduct a systematic study of level position, density and spatial distribution of deep level defects such as impurity, point defect and dislocation in GaN, thus the key impurity elements and defects affecting crystal color will be be further analyzed. Then, an analysis of the dependence of defect incorporation on crystallization process and the nature of defects will be conducted for improvement of the crystal transparency. There, to achieve the GaN crystal with thickness about several millimeter , dislocations density <104cm-2 and high transparency for providing the guidance for true commercialization.

高质量GaN体单晶是制备低损耗、高性能GaN基光电子、微电子器件的理想衬底。类似于水热法，氨热法具备近热力学平衡条件生长、低成本和易规模放大等优点，是制备极低缺陷密度GaN体单晶最具潜力的技术之一。然而，氨热法制备的GaN单晶含有高浓度的杂质和缺陷导致晶体颜色，严重限制了材料优异的光电性质。晶体中杂质浓度和缺陷形成与结晶过程的控制密切相关。本项目拟采用自主研发的具有内加热功能的高压釜，系统研究深能级杂质以及点缺陷和位错等各种缺陷类型的产生、分布与生长时矿化剂组成、结晶温度、温差、压力等诸多影响因素的关系；深入研究各种缺陷类型导致的能级位置、陷阱浓度和空间分布，分析影响晶体颜色的关键性杂质元素和缺陷；进一步研究杂质与缺陷的形成过程和抑制现象，理解结晶过程的动力学控制机制，寻求提高晶体透明性的途径，获得位错密度低于104cm-2，高透明的GaN体单晶,为快速生长高质量GaN体单晶提供指导作用。

氮化镓单晶衬底是制备GaN基光电子器件（激光二极管LDs，发光二极管LED）、电力电子器件（SBD）、微电子器件HEMT等的理想衬底。目前，氮化镓单晶衬底主要通过三种方法人工制备：氢化物气相外延方法（HVPE）、氨热法（Ammothermal Growth）、助熔剂法（Na-flux）。其中，氨热法，类似于水热法，具备近热力学平衡态条件生长和封闭式生长环境等优点，在高质量、低成本、易规模放大等三个方面潜力巨大。但氨热法的工作温度、压力、超临界氨介质等对使用设备的要求远远高于水热法的要求，使氨热法生长氮化镓单晶体的研究进展缓慢。国际上波兰高压研究所和日本三菱化学采取了两种典型的技术路线，2010年以后陆续报道了2inch氨热单晶的成功制备。但是，氨热GaN晶体存在晶体颜色、杂质等缺陷，严重影响了晶体的光学透过率和电学性质。.本项目采用XNH2(X=Li、Na、K)作为矿化剂和HVPE-GaN自支撑衬底作为籽晶开展了结晶动力学和杂质颜色的工作，重点研究了不同极性面籽晶生长的表面形貌、生长速率、结晶形貌、杂质分布和晶体颜色等，通过应力调控和杂质调控等方法，取得成果如下：1）实现了高结晶质量、高生长速率的氨热GaN的籽晶生长，XRC表明氨热GaN的FWHM与籽晶的质量基本一致. 生长速率呈现各向异性V(1120)>V(2021)>V(1011)>V(0001)>V(1010),分别为125、53、41、30和4微米/天；2）实现了较透明的晶体的生长，晶体颜色从黑色、深棕色、浅黄色等逐渐得到有效控制，晶体的透明性不仅与晶体的厚度有关，但是主要的因素是晶体中缺陷和杂质导致的可见光吸收，透明性高低依次为T(2021)>T(1010)>T(1011)>T(1120)>T(0001)。SIMS和CL测试结果表明，晶体中的杂质含量主要是氧（O），氢（H），硅（Si）和碳（C）,平均浓度分别为5×1019，~1020,5×1017和3×1017（表2）。其载流子浓度在2×1019~5×1019之间。3）获得了毫米量级厚度、位错密度~1E5量级的氨热单晶衬底。总之，氨热结晶动力和晶体颜色的研究为进一步提高氨热生长速率、晶体质量提供了指导意义，为氨热法制备GaN单晶衬底的产业化提供了数据支持。