本發(fā)明涉及半導體器件，尤其涉及一種n型低阻β-ga2o3單晶的原位退火方法。

背景技術：

1、β-氧化鎵(β-ga2o3)單晶是一種新型寬禁帶氧化物半導體材料，擁有4.8ev的禁帶寬度，是迄今為止唯一可采用熔體法生長的超寬禁帶半導體晶體材料，其優(yōu)異的性能使其非常適用于高耐壓大功率半導體器件，是未來高電壓、大功率、低損耗電力電子器件的重要材料，是新一代化合物半導體材料，為未來器件的發(fā)展開拓了思路，應用前景廣闊，有望推動信息領域進一步發(fā)展。

2、氧化鎵基功率半導體器件一般要求低阻氧化鎵襯底，但是，低阻氧化鎵單晶的電學性能受生長氣氛影響明顯。采用常規(guī)方法直接生長的低阻摻雜單晶，在其生長氛圍直接降溫取出后，施主原子的電活性難以被全部激活，晶體的電學性能需要進行二次退火之后才能達到使用要求，這不僅增加了氧化鎵單晶到襯底的加工周期，也增加了單晶襯底的生產(chǎn)成本。因此，有必要提供一種新的低阻β-ga2o3單晶的原位退火工藝，以簡化單晶襯底的生產(chǎn)工序，降低單晶襯底的生產(chǎn)成本，并提高低阻β-ga2o3單晶產(chǎn)品的合格率。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有制備低阻β-ga2o3單晶的方法存在的需要進行二次退火，加工周期長，生產(chǎn)成本高的問題，本發(fā)明提供一種n型低阻β-ga2o3單晶的原位退火方法，該方法通過在β-ga2o3單晶生長爐的上保溫結構內(nèi)選定特定的板狀區(qū)域作為退火區(qū)域，將生長結束的β-ga2o3單晶降溫后直接提拉至退火區(qū)域內(nèi)，并通過控制退火氣氛，實現(xiàn)了β-ga2o3單晶的原位退火，不但有效提高了β-ga2o3單晶的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，還有效改善了β-ga2o3單晶電阻率的均勻度，降低了開裂風險，提高了產(chǎn)品合格率，在β-ga2o3單晶制備領域具有較高的推廣應用價值。

2、為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明實施例采用了如下的技術方案：

3、一種n型低阻β-ga2o3單晶的原位退火方法，所述方法包括以下步驟：

4、s1、進行低阻β-ga2o3單晶的生長；

5、s2、將生長完成的β-ga2o3單晶提拉至模具之上，進行降溫，降至第一預設溫度并保溫第一預設時間后，將單晶向上提拉至上保溫結構內(nèi)，降溫至第二預設溫度并保溫第二預設時間；

6、其中，所述上保溫結構為內(nèi)部設有貫通式方形空腔的氧化鋯圓柱體，所述方形空腔的中心軸與圓柱體的中心軸重合；所述方形空腔的厚度為13mm~16mm，長度為120mm~150mm，高度為150mm~160mm；

7、s3、將生長爐內(nèi)的氣氛等壓置換為氮氣，于第二預設溫度繼續(xù)保溫第三預設時間，然后以100℃/h~200℃/h的速率降至單晶中心溫度為800℃~850℃，保溫1h~2h，再以200℃/h~300℃/h的速率降至單晶中心溫度為500℃~550℃，保溫1h~2h，最后以200℃/h~300℃/h降至室溫，取出晶體，完成退火。

8、相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供的n型低阻β-ga2o3單晶的原位退火方法，通過在上保溫結構內(nèi)設定特定板狀區(qū)域作為退火區(qū)域，且通過控制退火氣氛和特定的降溫程序，使施主原子有效激活，同時，也讓β-ga2o3單晶的電阻率更加均勻，使電阻率均勻度由原來不退火的8.1%降至4.8%，同時，由于特定板狀區(qū)域可使β-ga2o3單晶整體區(qū)域的溫度更均勻，降低了晶體內(nèi)應力，降低了開裂風險，提高了產(chǎn)品的合格率。通過本發(fā)明提供的n型低阻β-ga2o3單晶的原位退火方法，不但有效減少了β-ga2o3單晶的生產(chǎn)工序，提高了生產(chǎn)效率，降低了低阻氧化鎵的生產(chǎn)成本和能耗，還有改善了制備的低阻氧化鎵的電學性能，可以實現(xiàn)高成品率、低應力和高電學性能的氧化鎵單晶生長，應用前景廣闊。

9、本發(fā)明提供的n型低阻β-ga2o3單晶的退火方法，僅需通過對上保溫結構的進行簡單改進，以及控制退火氣氛和退火程序，即可實現(xiàn)在低阻氧化鎵的原位退火，從而可簡化低阻氧化鎵的生產(chǎn)工序，提高低阻氧化鎵的產(chǎn)品合格率，對于增加低阻氧化鎵的市場競爭力具有十分重要的意義。

10、作為本發(fā)明的一種具體實施方式，上保溫結構空腔的橫截面可為長方形、正方形或平行四邊形，只要尺寸和空腔位置的設定滿足本發(fā)明的限定，均可達到基本相當?shù)募夹g效果。優(yōu)選空腔的橫截面可為長方形。

11、進一步地，s2中，以10mm/h~15mm/h的速率將β-ga2o3單晶提拉至模具之上。

12、作為本發(fā)明的一種具體實施方式，以10mm/h~15mm/h的速率將β-ga2o3單晶提拉至模具之上5mm~10mm處。

13、進一步地，s2中，所述第一預設溫度為1400℃~1500℃，降溫速率為100℃/h~200℃/h，所述第一預設時間為0.5h~1h。

14、進一步地，s2中，以10mm/h~15mm/h的速率將β-ga2o3單晶提拉至上保溫結構內(nèi)。

15、進一步地，s2中，所述第二預設溫度為1000℃~1100℃，降溫速率為100℃/h~200℃/h，所述第一預設時間為1h~2h。

16、進一步地，s2中，所述氧化鋯圓柱體的下表面與模具口的垂直距離為20mm~40mm。

17、進一步地，s3中，所述第三預設時間為24h~48h。

18、需要說明的是，s3中，等壓置換生長爐內(nèi)的氣氛時，需要控制氧化鎵晶體中心溫度波動在±10℃范圍內(nèi)。

19、需要說明的是，本發(fā)明提供的n型低阻β-ga2o3單晶的退火方法適用于尺寸≤4英寸的氧化鎵單晶進行原位退火。

20、進一步地，s101、將模具放入坩堝中，加入氧化鎵原料和摻雜原料，然后將坩堝放入單晶生長爐內(nèi)，抽真空，充入二氧化碳；

21、s102、以200℃/h~300℃/h的速率升溫至氧化鎵原料熔化，保溫，將籽晶放入模具中心，籽晶熔化5mm~15mm后，以10mm/h~25mmm/h的速率向上提拉籽晶，同時，以3℃/h~15℃/h的速率降溫，使晶體生長進入放肩階段；

22、s103、放肩階段結束后，進行等徑階段，保持10mm/h~30mm/h的拉速和10℃/h~20℃/h的降溫速率，直至晶體生長結束。

23、需要說明的是，將模具放入坩堝底部中心位置后，采用酒精在80℃~90℃超聲清洗半小時，晾干后備用。

24、需要說明的是，氧化鎵原料和摻雜原料的純度均≥99.9%。

25、作為本發(fā)明的一種具體實施方式，氧化鎵原料的加入量為500g~1000g。

26、進一步地，所述摻雜原料為iv族元素化合物，其中，氧化鎵中ga與摻雜原料中的iv族元素的摩爾比為（200~4000）:1。

27、作為本發(fā)明的一種具體實施方式，所述摻雜原料可選用sno2、sio2、geo2或上述元素的其它價態(tài)化合物。

28、進一步地，s101中，抽真空至3pa以下，充入二氧化碳至0.12mpa~0.17mpa。

29、進一步地，s102中，所述保溫的時間為4h~6h。

30、采用上述步驟經(jīng)過引晶、放肩、等徑等生長階段，可生長出高質量、高電阻率均勻、尺寸≤4英寸的低阻氧化鎵單晶。

31、本發(fā)明提供的n型低阻β-ga2o3單晶的退火方法具有如下有益效果：

32、（1）本發(fā)明可實現(xiàn)對低阻氧化鎵單晶的原位退火，使施主原子有效激活，退火后氧化鎵單晶的載流子濃度明顯提高，從而滿足功率器件對襯底載流子濃度的需求。

33、（2）采用本發(fā)明提供的退火方法，可避免二次退火，減少能耗25%以上，節(jié)約時間30%以上，有效降低了低阻氧化鎵單晶襯底的成本。

34、（3）采用本發(fā)明提供的退火方法，可以盡可能的減小氧化鎵晶體內(nèi)應力，晶體在加工過程中不易開裂，使加工成品率從30%提升至60%；

35、（4）采用本發(fā)明提供的退火方法，提高電阻率均勻度，電阻率均勻度由原來的8.1%降低至4.8%，更有利于其在功率器件、光電器件和傳感器等半導體器件領域的應用，可以實現(xiàn)高效低成本的低阻氧化鎵單晶的批量生產(chǎn)。