一种HVPE三片式GaN厚膜用载盘及GaN厚膜生长方法与流程

一种hvpe三片式gan厚膜用载盘及gan厚膜生长方法
技术领域
1.本发明涉及氮化镓生长相关技术领域，具体为一种hvpe三片式gan厚膜用载盘及gan厚膜生长方法。


背景技术：

2.氮化镓(gan)作为第三代半导体的代表性材料，具有禁带宽度大、抗击穿电压高、电子饱和漂移速度高等优点，在半导体照明、电力电子、射频微波器件等领域发挥着越来越广泛的作用。氢化物气相外延(hvpe)因设备简单，生长速率快，已经成为生长氮化镓单晶常用方法。
3.在hvpe生长氮化镓单晶的过程中，因为存在边缘效应，即边缘在温度，气流及晶面生长等方面存在突变，很容易造成边缘与中心生长速率甚至是掺杂浓度的差异，进而很容易导致裂纹，影响产品良率。对于毫米级甚至厘米级的厚膜，边缘效应带来的负面影响很难通过工艺手段避免。另外，目前氮化镓单晶的生长，以单炉单片模式居多，加之大部分都是薄膜生长，对于原料的利用不足，进而造成单片氮化镓单晶衬底成本的提高。
4.鉴于以上原因，本发明开发了一种新型的三片式gan厚膜用载盘及gan厚膜生长方法，在生长氮化镓厚膜时，减小边缘效应，提升氮化镓晶体质量，提升厚膜良率；同时通过单炉多片的形式，可一次生长多个氮化镓厚膜，生长结束载盘经过烘烤清洗还可循环利用。大幅度减少氮化镓合成过程中的材料浪费，提升原料利用率。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种hvpe三片式gan厚膜用载盘及gan厚膜生长方法，解决了现有技术中gan厚膜生长成本较高的问题。
7.(二)技术方案
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种hvpe三片式gan厚膜用载盘及gan厚膜生长方法，包括石墨载盘底座和载盘盖板，所述石墨载盘底座上环形阵列设置有三个放置衬底的凸起圆形平台，载盘盖板上开设有与凸起圆形平台相适配的圆形通孔，载盘盖板盖设在石墨载盘底座上，凸起圆形平台嵌入对应圆形通孔内侧。
9.优选的，所述载盘盖板的底部开口为扣环结构。
10.优选的，所述圆形通孔的水平高度比凸起圆形平台的水平高度高5mm-2cm。
11.优选的，所述载盘盖板的主要组成成分为钽、钼或钨中的一种，或者它们其中一种的的氮化物或者碳化物。
12.优选的，所述石墨载盘底座的表面均匀涂覆有sic涂层，sic涂层的厚度范围为80-200μm。
13.优选的，所述凸起圆形平台的表面放置有晶种衬底，晶种衬底采用蓝宝石、si、sic或aln晶种衬底中的一种，晶种衬底的直径等于或略小于凸起圆形平台的直径大小。
14.一种hvpe三片式gan厚膜用载盘及gan厚膜生长方法，包括如下步骤：
15.s1)、石墨载盘底座的清洗。依次采用去离子水、乙醇或丙酮对盖板进行清洗，采用去离子水，在频率为40hz-80hz，温度为40-80℃的超声装置中清洗15-30min，再用浓度为95％的无水酒精、浓度大于99.5％的丙酮中的一种或多种的混合物，乙醇与丙酮体积比为1：3-1：1，于常温下进行清洗，清洗时间为5min-20min，主要目的是除去盖板表面的加工残留物、灰尘、油脂等杂质；
16.s2)、载盘盖板的高温氨化处理。将载盘盖板放置高温炉中，高温炉加热温度范围为1000-1300℃，压力范围为30kpa-105kpa，导入n2、h2和nh3的混合气体，n2占比为10％-50％，h2占比为20％-40％，nh3占比为20％-50％，对载盘盖板的表面分子进行激活，氨化时间为5h-15h，主要目的是对其表面，尤其是对所有圆形通孔内侧壁的分子进行活化；
17.s3)、石墨载盘底座的高温烘烤。将石墨载盘底座置入高温炉中进行烘烤处理，高温炉的加热温度范围为1000-1300℃，压力范围为30kpa-105kpa，导入n2和h2的混合气体，n2和h2比例为1：1，以除去石墨中的水氧杂质；
18.s4)、载盘的组装及放置。将载盘盖板卡在石墨载盘底座上，使得三个凸起圆形平台嵌入对应的圆形通孔内侧，放置于hvpe晶体生长炉中；
19.s5)、放置晶种。在凸起圆形平台上分别放置用于生长氮化镓厚膜的晶种，晶种的尺寸与凸起圆形平台的尺寸相同或略小于凸起圆形平台的尺寸；
20.s6)、gan厚膜的生长。由于载盘盖板的表面分子已经被整体氨化活化，因此在厚膜生长中，圆形通孔的内侧壁会对相对应区域的gan侧面进行钝化，限制其生长，由于减弱了边缘效应，因此可以一次生长出多个毫米级及厘米级厚膜，自剥离得到多个厚度为4mm-2cm的氮化镓体晶。同时由于载盘盖板的表面对gan合成的钝化作用，会减少表面氮化镓多晶的沉积；
21.s7)、载盘盖板和石墨载盘底座的高温烘烤。将生长完厚膜的载盘盖板和石墨载盘底座放入高温炉中进行烘烤处理，高温炉的加热温度范围为1000-1300℃，压力范围为30kpa-105kpa，导入n2和h2的混合气体，n2和h2比例为1：1，主要目的是去除载盘盖板及石墨载盘底座表面的氮化镓多晶沉积；
22.s8)、重复s4-s7步骤，可以实现载盘的重复循环使用。
23.(三)有益效果
24.本发明提供了一种hvpe三片式gan厚膜用载盘及gan厚膜生长方法。具备以下有益效果：
25.该hvpe三片式gan厚膜用载盘及gan厚膜生长方法，在生长氮化镓厚膜时，载盘盖板的3个圆形通孔内侧壁高温氨化处理活化后，对gan的沉积有一定的钝化作用，能有效减小厚膜生长的边缘效应，提升氮化镓厚膜晶体质量及良率；载盘盖板的表面经活化后也会对gan的沉积起到钝化作用，减少多晶的沉积，有利于载盘盖板的清洗和循环利用，同时通过单炉多片厚膜的形式，同时得到3个毫米级或者厘米级的体晶，有效避免氮化镓合成过程中的材料浪费，提升原料利用率，最终达到降低单片氮化镓单晶衬底生长成本的目的。
附图说明
26.图1为本发明装配结构示意图；
27.图2为本发明石墨载盘底座结构示意图；
28.图3为本发明载盘盖板结构示意图；
29.图4为本发明载盘盖板轴测示意图；
30.图5为本发明gan厚膜生长方法流程示意图。
31.图中：1石墨载盘底座、2凸起圆形平台、3载盘盖板、4圆形通孔。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.如图1-5所示，本发明提供一种技术方案：一种hvpe三片式gan厚膜用载盘，包括石墨载盘底座1和载盘盖板3，石墨载盘底座1上环形阵列设置有三个放置衬底的凸起圆形平台2，载盘盖板3上开设有与凸起圆形平台2相适配的圆形通孔4，载盘盖板3盖设在石墨载盘底座1上，凸起圆形平台2嵌入对应圆形通孔4内侧，载盘盖板3的底部开口为扣环结构，圆形通孔4的水平高度比凸起圆形平台2的水平高度高5mm-2cm，载盘盖板3的主要组成成分为钽、钼或钨中的一种，或者它们其中一种的的氮化物或者碳化物，石墨载盘底座1的表面均匀涂覆有sic涂层，sic涂层的厚度范围为80-200μm，凸起圆形平台2的表面放置有晶种衬底，晶种衬底采用蓝宝石、si、sic或aln晶种衬底中的一种，晶种衬底的直径等于或略小于凸起圆形平台2的直径大小。
34.一种hvpe三片式gan厚膜用载盘及gan厚膜生长方法，包括如下步骤：
35.s1)、石墨载盘底座1的清洗。依次采用去离子水、乙醇或丙酮对盖板进行清洗，采用去离子水，在频率为40hz-80hz，温度为40-80℃的超声装置中清洗15-30min，再用浓度为95％的无水酒精、浓度大于99.5％的丙酮中的一种或多种的混合物，乙醇与丙酮体积比为1：3-1：1，于常温下进行清洗，清洗时间为5min-20min，主要目的是除去盖板表面的加工残留物、灰尘、油脂等杂质；
36.s2)、载盘盖板3的高温氨化处理。将载盘盖板3放置高温炉中，高温炉加热温度范围为1000-1300℃，压力范围为30kpa-105kpa，导入n2、h2和nh3的混合气体，n2占比为10％-50％，h2占比为20％-40％，nh3占比为20％-50％，对载盘盖板3的表面分子进行激活，氨化时间为5h-15h，主要目的是对其表面，尤其是对所有圆形通孔4内侧壁的分子进行活化；
37.s3)、石墨载盘底座1的高温烘烤。将石墨载盘底座1置入高温炉中进行烘烤处理，高温炉的加热温度范围为1000-1300℃，压力范围为30kpa-105kpa，导入n2和h2的混合气体，n2和h2比例为1：1，以除去石墨中的水氧杂质；
38.s4)、载盘的组装及放置。将载盘盖板3卡在石墨载盘底座1上，使得三个凸起圆形平台2嵌入对应的圆形通孔4内侧，放置于hvpe晶体生长炉中；
39.s5)、放置晶种。在凸起圆形平台2上分别放置用于生长氮化镓厚膜的晶种，晶种的尺寸与凸起圆形平台2的尺寸相同或略小于凸起圆形平台2的尺寸；
40.s6)、gan厚膜的生长。由于载盘盖板3的表面分子已经被整体氨化活化，因此在厚膜生长中，圆形通孔4的内侧壁会对相对应区域的gan侧面进行钝化，限制其生长，由于减弱
了边缘效应，因此可以一次生长出多个毫米级及厘米级厚膜，自剥离得到多个厚度为4mm-2cm的氮化镓体晶。同时由于载盘盖板3的表面对gan合成的钝化作用，会减少表面氮化镓多晶的沉积；
41.s7)、载盘盖板3和石墨载盘底座1的高温烘烤。将生长完厚膜的载盘盖板3和石墨载盘底座1放入高温炉中进行烘烤处理，高温炉的加热温度范围为1000-1300℃，压力范围为30kpa-105kpa，导入n2和h2的混合气体，n2和h2比例为1：1，主要目的是去除载盘盖板3及石墨载盘底座1表面的氮化镓多晶沉积；
42.s8)、重复s4-s7步骤，可以实现载盘的重复循环使用。
43.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个引用结构”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
44.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种hvpe三片式gan厚膜用载盘及gan厚膜生长方法，包括石墨载盘底座和载盘盖板，其特征在于：所述石墨载盘底座上环形阵列设置有三个放置衬底的凸起圆形平台，载盘盖板上开设有与凸起圆形平台相适配的圆形通孔，载盘盖板盖设在石墨载盘底座上，凸起圆形平台嵌入对应圆形通孔内侧。2.根据权利要求1所述的一种hvpe三片式gan厚膜用载盘，其特征在于：所述载盘盖板的底部开口为扣环结构。3.根据权利要求1所述的一种hvpe三片式gan厚膜用载盘，其特征在于：所述圆形通孔的水平高度比凸起圆形平台的水平高度高5mm-2cm。4.根据权利要求1所述的一种hvpe三片式gan厚膜用载盘，其特征在于：所述载盘盖板的主要组成成分为钽、钼或钨中的一种，或者它们其中一种的的氮化物或者碳化物。5.根据权利要求1所述的一种hvpe三片式gan厚膜用载盘，其特征在于：所述石墨载盘底座的表面均匀涂覆有sic涂层，sic涂层的厚度范围为80-200μm。6.根据权利要求1所述的一种hvpe三片式gan厚膜用载盘，其特征在于：所述凸起圆形平台的表面放置有晶种衬底，晶种衬底采用蓝宝石、si、sic或aln晶种衬底中的一种，晶种衬底的直径等于或略小于凸起圆形平台的直径大小。7.根据权利要求1所述的一种hvpe三片式gan厚膜用载盘及gan厚膜生长方法，其特征在于，包括如下步骤：s1)、石墨载盘底座的清洗。采用去离子水，在频率为40hz-80hz，温度为40-80℃的超声装置中清洗15-30min，再用浓度为95％的无水酒精、浓度大于99.5％的丙酮中的一种或多种的混合物，乙醇与丙酮体积比为1：3-1：1，于常温下进行清洗，清洗时间为5min-20min；s2)、载盘盖板的高温氨化处理。将载盘盖板放置高温炉中，高温炉加热温度范围为1000-1300℃，压力范围为30kpa-105kpa，导入n2、h2和nh3的混合气体，n2占比为10％-50％，h2占比为20％-40％，nh3占比为20％-50％，对载盘盖板的表面分子进行激活，氨化时间为5h-15h；s3)、石墨载盘底座1的高温烘烤。将石墨载盘底座置入高温炉中进行烘烤处理，高温炉的加热温度范围为1000-1300℃，压力范围为30kpa-105kpa，导入n2和h2的混合气体，n2和h2比例为1：1；s4)、载盘的组装及放置。将载盘盖板卡在石墨载盘底座上，使得三个凸起圆形平台嵌入对应的圆形通孔内侧，放置于hvpe晶体生长炉中；s5)、放置晶种。在凸起圆形平台上分别放置用于生长氮化镓厚膜的晶种，晶种的尺寸与凸起圆形平台的尺寸相同或略小于凸起圆形平台的尺寸；s6)、gan厚膜的生长。由于载盘盖板的表面分子已经被整体氨化活化，因此在厚膜生长中，圆形通孔4的内侧壁会对相对应区域的gan侧面进行钝化，限制其生长，由于减弱了边缘效应，因此可以一次生长出多个毫米级及厘米级厚膜，自剥离得到多个厚度为4mm-2cm的氮化镓体晶；s7)、载盘盖板和石墨载盘底座的高温烘烤。将生长完厚膜的载盘盖板和石墨载盘底座放入高温炉中进行烘烤处理，高温炉的加热温度范围为1000-1300℃，压力范围为30kpa-105kpa，导入n2和h2的混合气体，n2和h2比例为1：1；s8)、重复s4-s7步骤，可以实现载盘的重复循环使用。

技术总结
本发明涉及氮化镓生长相关技术领域，且公开了一种HVPE三片式GaN厚膜用载盘及GaN厚膜生长方法，包括石墨载盘底座和载盘盖板，所述石墨载盘底座上环形阵列设置有三个放置衬底的凸起圆形平台，载盘盖板上开设有与凸起圆形平台相适配的圆形通孔，载盘盖板盖设在石墨载盘底座上，凸起圆形平台嵌入对应圆形通孔内侧。该HVPE三片式GaN厚膜用载盘及GaN厚膜生长方法，对GaN的沉积有一定的钝化作用，能有效减小厚膜生长的边缘效应，提升氮化镓厚膜晶体质量及良率，过单炉多片厚膜的形式，同时得到3个毫米级或者厘米级的体晶，有效避免氮化镓合成过程中的材料浪费，提升原料利用率，最终达到降低单片氮化镓单晶衬底生长成本的目的。降低单片氮化镓单晶衬底生长成本的目的。降低单片氮化镓单晶衬底生长成本的目的。


技术研发人员：王素素 方国栋 蒲小东 张海涛 庞博
受保护的技术使用者：无锡吴越半导体有限公司
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/8/16