GaN氨热生长体系中矿化剂作用下的物相关系及溶解特性研究

Due to the high qulity and low cost of Gallium Nitride, ammonothermal growth technology is considered to be a promising method for industrialization of GaN substrates. The key problem of GaN ammonothermal growth is the low solubility of GaN under usual mineralizers , and lack of in-depth understanding of the phase relations and solubility in ammonothermal system, resulting in the low crystal growth rate, even can not form a stable material transport process, and the crystals can not grow up and other issues. This project aims to key scientific problems for mineralizer selection- phase relations and solubility of GaN under ammonothermal system, Combination of the experimental method and the non-equilibrium thermodynamic coupling theory simulation, build GaN non-equilibrium phase diagram under the effect of different single mineralizers and composite mineralizers, fully understand the phase relations under the action of different mineralizers. In this research, temperature dependence of solubility of GaN in different single mineralizers system and composite mineralizers will be systematically investigated, we’ll realize the deeply understanding of the solubility of GaN in different ammonothermal system. On these bases, screen out the high-performance mineralizers which suitable for ammonothermal GaN growth with high quality and high growth rate, carry out the research that the influence of mineralization agent type, concentration, compound mineralizer ratios on growth rate, morphology, crystalline quality parameters, realize crystal growth rate greater than 100μm/day. It will give great support for the industrialization of GaN substrates.

由于生长质量高、成本低，氨热生长技术被认为是实现氮化镓体单晶产业化制备很有希望的方法。当前氨热生长的主要问题是GaN在常用矿化剂液氨溶液中溶解度低、对矿化剂作用下氨热体系中的物相关系、溶解特性及物质输运过程缺乏深入的理解，造成晶体生长速率低，限制了晶体的长大。本项目针对矿化剂选择中的关键科学问题——氨热体系中的物相关系和氮化镓溶解特性展开研究，在多种单矿化剂和复合矿化剂氨热体系中，采用实验与非平衡热力学理论计算相结合的方法，构筑体系的非平衡相图，充分理解体系中的物相关系；系统研究氮化镓溶解度随温度的变化关系，理解GaN 在不同矿化剂氨热体系中的溶解特性；在获得上述热力学和动力学数据的基础上，筛选矿化剂，系统开展新型矿化剂浓度、配比对生长速率、结晶质量、缺陷等关键生长参数作用机制的研究，实现高质量高生长速率（大于100微米/天）的氮化镓晶体生长，为氮化镓衬底的产业化制备奠定基础。

氮化镓具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，在国防、航空、5G和6G通讯、航天、光存储等领域有着重要应用前景。然而目前GaN 器件主要采用蓝宝石衬底，通过异质外延方法制作，存在较大的晶格适配和热适配，得到的GaN外延层位错密度高，限制了GaN 器件的产业化和低损耗、高性能器件的开发。如果采用GaN 自支撑衬底实现同质外延，不仅可以解决上述问题，而且可以发展垂直结构的新型器件，大幅度提高器件性能，并避开现有二步生长法相关的国际专利壁垒。高质量GaN体单晶是制作低缺陷（低损耗）、高性能GaN 基器件的最佳衬底，其制备技术成为制约GaN 器件产业发展的瓶颈。由于生长质量高、成本低，氨热生长技术被认为是实现氮化镓体单晶产业化制备很有希望的方法。当前氨热生长的主要问题是GaN在常用矿化剂液氨溶液中溶解度低、对矿化剂作用下氨热体系中的物相关系、溶解特性及物质输运过程缺乏深入的理解，造成晶体生长速率低，限制了晶体的长大。本项目针对矿化剂选择中的关键科学问题——氨热体系中的物相关系和氮化镓溶解特性展开研究，系统研究了KNH2、NaNH2、NH4Cl和NH4F及其复合矿化剂氨热体系的溶解特性，采用实验与非平衡热力学理论计算相结合的方法，构筑了体系的非平衡相图，系统研究氮化镓溶解度随温度的变化关系，理解GaN 在不同矿化剂氨热体系中的溶解特性；在获得上述热力学和动力学数据的基础上，筛选出了适于氮化镓快速生长的矿化剂，系统开展了新型矿化剂浓度、配比对生长速率、结晶质量、缺陷等关键生长参数作用机制的研究，实现了高质量极性面、非极性面和半极性面氮化镓晶体的高质量生长，其中a面生长速率达126微米/天，为氮化镓衬底的产业化制备奠定了基础。