PL186905B1 - Sposób wytwarzania wysokooporowych kryształów objętościowych GaN - Google Patents

Abstract

Sposób wytwarzania wysokooporowych krysztalów objetosciowych GaN, w którym krystalizacja odbywa sie w roztworze atomowego azotu w stopionej mieszaninie metali zawierajacej gal w koncentracji nie mniejszej niz 90 at.% oraz metale grupy II ukladu okre- sowego: magnez, wapn, cynk, beryl lub kadm, w koncentracji 0,01-10 at.%, a proces pro- wadzi sie pod cisnieniem azotu 0,5-2.0 GPa i w temperaturze 1300-1700°C, znamienny tym, ze gradient temperatury jest nie wiekszy niz 10°C na centymetr. PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wysokooporowych kryształów objętościowych GaN dla potrzeb optoelektroniki.

Z francuskiego opisu zgłoszeniowego nr FR 12313976 znany jest sposób wytwarzania monokryształów azotku galu poprzez krystalizację w kąpieli płynnego galu znajdującej pod ciśnieniem azotu w zakresie od 0,1 do 2,5 GPa, przy czym proces prowadzony jest w temperaturze od 1100 do 1300°C, a jego efektem są kryształy o dobrym przewodnictwie elektrycznym.

W publikacji międzynarodowej WO 95/04845 ujawniono sposób otrzymywania domieszkowanych kryształów GaN poprzez krystalizację w roztworze atomowego azotu w stopionej mieszaninie metali zawierającej gal w ilości nie mniejszej niż 90 at.% oraz metale grupy II układu okresowego takie jak magnez, wapń, cynk, beryl lub kadm w koncentracji 0,01-10 at.%. Proces krystalizacji prowadzony jest w temperaturze 400-2000°C, pod ciśnieniem azotu do 1 GPa i w gradiencie temperatury. Powstanie kryształów GaN stanowi pierwszy etap procesu otrzymywania półprzewodnikowych struktur wielowarstwowych. W jednym z przykładów realizacji wynalazku w pierwszym etapie tygiel z ciekłym galem umieszczono pod ciśnieniem azotu równym 1 GPa, a następnie wytworzono w tyglu gradient temperatury (pomiędzy częściami o temperaturach 1410°C i 1350°C), w wyniku czego powstały kryształy GaN. W drugim etapie procesu ciśnienie obniżono o 0,1 GPa i na powstałych wcześniej kryształach narastała warstwa GaN o niskiej koncentracji wakansji azotowych. W celu domieszkowania końcowej części kryształu do roztworu dodano 10 at.% magnezu.

Żadna z cytowanych wyżej publikacji nie zawierała wskazówek dotyczących wielkości gradientu temperatury procesu.

Celem wynalazku było opracowanie sposobu otrzymywania objętościowych kryształów azotku galu o wysokiej oporności elektrycznej a jednocześnie wysokiej jakości strukturalnej. Cel ten zrealizowano poprzez określenie maksymalnego gradientu temperatury, przy którym uzyskuje się kryształy o pożądanych własnościach.

Krystalizacja sposobem według wynalazku odbywa się w roztworze atomowego azotu w stopionej mieszaninie metali zawierającej gal w koncentracji nie mniejszej niż 90 at.% oraz metale grupy II układu okresowego: magnez, wapń, cynk, beryl lub kadm, w koncentracji 0,01-10 at.%. Proces prowadzi się pod ciśnieniem azotu 0,5-2.0 GPa i w temperaturze 13001700°C. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że gradient temperatury jest nie większy niż 10°C na centymetr.

Taki gradient zapewnia niskie przesycenie w strefie wzrostu, potrzebne do otrzymania prędkości wzrostu GaN nie większej niż 0,2 mm/h, wymaganej dla stabilnego wzrostu kryształów o dużych rozmiarach. W rezultacie otrzymuje się kryształy GaN w formie heksagonalnych płytek o wysokiej oporności właściwej, równej 10⁴-10⁸ Qcm, bardzo wysokiej jakości strukturalnej i parametrach sieci zbliżonych do idealnych. Kryształy takie stanowią doskonałe podłoża do uzyskiwania nienaprężonych warstw homoepitaksjalnych.

186 905

W przykładowej realizacji wynalazku do pionowego tygla z grafitu pyrolitycznego wlano w osłonie gazu obojętnego mieszaninę metali o czystości półprzewodnikowej, zawierającą 99,5 at.% galu oraz 0,5 at.% magnezu. Tygiel umieszczono w trzystrefowym piecu grafitowym, który z kolei umieszczono wewnątrz komory wysokociśnieniowej. W komorze tej w pierwszym etapie wytworzono próżnie 10'⁵ Torr. Następnie układ wygrzewano w próżni w temperaturze 800°C w czasie 12 godzin. Po wygrzaniu układu komorę napełniono azotem o czystości 6N uzyskując wstępne ciśnienie z butli 10-15 MPa. Gaz sprężono do ciśnienia 1,5 GPa i po sprężeniu układ podgrzano do temperatury 1550°C, utrzymując stałą temperaturę wzdłuż osi tygla. Następnie temperaturę dolnego końca tygla obniżono o 30°C uzyskując gradient temperatury wzdłuż osi tygla nie większy niż 10°C/cm. Takie warunki procesu utrzymywano w czasie 120 godzin. Po 120 godzinach krystalizacji układ schłodzono z prędkością 5°Ć/min do temperatury pokojowej, po czym ciśnienie azotu obniżono do ciśnienia atmosferycznego. Po wyjęciu tygla z komory wysokociśnieniowej, podgrzano go do temperatury 50°C i wylano metal z tygla. Na dnie tygla znajdowały się kryształy GaN w formie heksagonalnych płytek o rozmiarach 68 mm. Kryształy wydobyto z tygla i poddano trawieniu w wodzie królewskiej w celu usunięcia resztek metalu. Uzyskane kryształy charakteryzowały się opornością właściwą równą 10⁶ Gem i bardzo wysoką jakością strukturalną. Szerokość połówkowa rentgenowskiej krzywej odbić dla refleksu (0004) takich kryształów wynosi 20-30 sekund kątowych, a parametry sieci a i c są bardzo jednorodne i w wynoszą odpowiednio 3,1877 A i 5,1848 A.

186 905

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób wytwarzania wysokooporowych kryształów objętościowych GaN, w którym krystalizacja odbywa się w roztworze atomowego azotu w stopionej mieszaninie metali zawierającej gal w koncentracji nie mniejszej niż 90 at.% oraz metale grupy II układu okresowego: magnez, wapń, cynk, beryl lub kadm, w koncentracji 0,01-10 at.%, a proces prowadzi się pod ciśnieniem azotu 0,5-2.0 GPa i w temperaturze 1300-1700°C, znamienny tym, że gradient temperatury jest nie większy niż 10°C na centymetr.