技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氮化鋁單晶生長(zhǎng)方法。

背景技術(shù)：

氮化鋁晶體屬于第三代半導(dǎo)體材料，具有高的禁帶寬度（6.2eV）、高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高的電子遷移率、高的體電阻率、高的熱導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕、耐輻射等優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于高頻、微波功率器件、紫外探測(cè)器、深紫外LED和GaN襯底材料等領(lǐng)域。

大量研究表明，物理氣相傳輸法（PVT）是生長(zhǎng)大尺寸氮化鋁單晶最有效的方法。即材料在高溫區(qū)升華成氣態(tài)，在溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，氣態(tài)擴(kuò)散和運(yùn)輸，在低溫區(qū)生長(zhǎng)晶體。PVT法生長(zhǎng)氮化鋁晶體既可以采用異質(zhì)襯底形核，也可以采用同質(zhì)自發(fā)形核或同質(zhì)襯底形核。

一般來說，采用物理氣相傳輸法制備氮化鋁晶體時(shí)，用氮化鋁單晶作為籽晶材料同質(zhì)生長(zhǎng)可以獲得大尺寸高質(zhì)量的氮化鋁單晶。然而，國內(nèi)外相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)氮化鋁晶體生長(zhǎng)的研究仍處于探索性階段，技術(shù)很不成熟。

通常自發(fā)形核生長(zhǎng)的氮化鋁單晶質(zhì)量要高于異質(zhì)形核。但是由于坩堝材料（TaC、W等）或者異質(zhì)襯底材料（SiC晶片）均與氮化鋁晶體存在熱失配和晶格失配問題。因而最終得到的氮化鋁晶體總是會(huì)出現(xiàn)空洞、裂紋、位錯(cuò)等缺陷。為了獲得高質(zhì)量、大尺寸、甚至無缺陷的氮化鋁單晶，必須尋求新的工藝。如何控制PVT法生長(zhǎng)氮化鋁晶體過程中的溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)參數(shù)，仍屬于較難解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種氮化鋁單晶生長(zhǎng)方法，通過控制長(zhǎng)晶溫度和壓力曲線，在氮化鋁燒結(jié)體表面生長(zhǎng)高質(zhì)量大尺寸的氮化鋁單晶。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種氮化鋁單晶生長(zhǎng)方法，包括以下步驟：

（1）將氮化鋁燒結(jié)體放入坩堝中，并將所述坩堝置于密閉的爐體中，在所述爐體中設(shè)置用于為所述坩堝加熱的加熱機(jī)構(gòu)、用于為所述爐體抽真空的抽真空機(jī)構(gòu)、用于為所述爐體通入高純氮?dú)獾牡獨(dú)廨斎霗C(jī)構(gòu)、用于測(cè)量所述坩堝溫度的測(cè)溫機(jī)構(gòu)；

（2）通過所述氮?dú)廨斎霗C(jī)構(gòu)向所述爐體中通入高純氮?dú)庵?0-90Kpa，同時(shí)通過所述加熱機(jī)構(gòu)在3-5小時(shí)內(nèi)將所述坩堝底部加熱至1950-2050℃；

（3）通過所述加熱機(jī)構(gòu)的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)，使所述坩堝底部的溫度高于所述坩堝頂部的溫度；設(shè)置使得所述測(cè)溫機(jī)構(gòu)包括用于測(cè)量所述坩堝頂部溫度的第一測(cè)量器、用于測(cè)量所述坩堝底部溫度的第二測(cè)量器；

（4）通過所述抽真空機(jī)構(gòu)對(duì)所述爐體抽真空，使所述爐體中的氣壓降至30-50Kpa，同時(shí)通過所述加熱機(jī)構(gòu)在0.5-1.5小時(shí)內(nèi)將所述坩堝底部加熱至2050-2200℃；

（5）調(diào)節(jié)所述坩堝的上下位置，所述第二測(cè)量器的讀數(shù)與所述第一測(cè)量器的讀數(shù)差值為A，所述氮化鋁燒結(jié)體頂部至所述坩堝頂部的距離為B，使得：

A/B=1-3℃/mm；

（6）通過所述氮?dú)廨斎霗C(jī)構(gòu)向所述爐體中通入高純氮?dú)庵?0-60Kpa，同時(shí)通過所述加熱機(jī)構(gòu)保持所述坩堝底部溫度為2050-2200℃，維持10-150小時(shí)；通過物理氣相傳輸法，所述氮化鋁燒結(jié)體部分升華后在所述氮化鋁燒結(jié)體表面處形成氮化鋁單晶。

優(yōu)選地，在所述步驟（1）中，將氮化鋁粉末放入所述坩堝中，通過所述加熱機(jī)構(gòu)將所述坩堝底部加熱至1900-1950℃，以得到所述氮化鋁燒結(jié)體。

優(yōu)選地，在所述步驟（2）中，所述加熱機(jī)構(gòu)在4小時(shí)內(nèi)以8.5-10℃/min的升溫速率將所述坩堝底部溫度加熱至1950-2050℃。

優(yōu)選地，在所述步驟（4）中，所述加熱機(jī)構(gòu)在1小時(shí)內(nèi)以2.5-4℃/min的升溫速率將所述坩堝底部溫度加熱至2050-2200℃。

優(yōu)選地，在所述步驟（5）中，調(diào)節(jié)所述坩堝的上下位置，使得：A/B=2℃/mm。

優(yōu)選地，在所述步驟（6）中，通過所述加熱機(jī)構(gòu)保持所述坩堝底部溫度為2050-2200℃，維持50-100小時(shí)。

優(yōu)選地，在所述步驟（6）中，所述氮化鋁燒結(jié)體升華為氣態(tài)鋁和氮?dú)猓谒鲔釄屙敳亢退龅X燒結(jié)體頂部之間溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，所述氣態(tài)鋁和所述氮?dú)庠谒龅X燒結(jié)體表面處形成所述氮化鋁單晶。

優(yōu)選地，在所述步驟（6）之后，在0-50小時(shí)內(nèi)以0.5-1.5℃/min的降溫速率將所述坩堝降至室溫。

優(yōu)選地，所述坩堝呈圓柱形，所述坩堝由鎢材料制成，所述坩堝的高度為60-100mm，橫截面直徑為50-80mm，厚度為2-4mm。

更優(yōu)選地，在所述步驟（1）中，將所述氮化鋁燒結(jié)體放入所述坩堝底部的圓心處，使所述氮化鋁燒結(jié)體和所述坩堝內(nèi)壁之間的距離為5-10mm。

由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明一種氮化鋁單晶生長(zhǎng)方法，長(zhǎng)晶時(shí)的溫度曲線和壓力曲線簡(jiǎn)單可控；在氮化鋁燒結(jié)體表面進(jìn)行長(zhǎng)晶，生長(zhǎng)得到的氮化鋁單晶體內(nèi)部幾乎無缺陷；通過采用鎢材料制備坩堝，雜質(zhì)引入極少；能夠得到最大尺寸為厘米級(jí)的氮化鋁單晶；長(zhǎng)晶成本較低。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明方法中涉及的坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為本發(fā)明方法制得的氮化鋁單晶的拉曼光譜；

附圖3為掃描電鏡下的本發(fā)明方法制得的氮化鋁單晶晶體形態(tài)；

附圖4為掃描電鏡下的本發(fā)明方法制得的氮化鋁單晶的不同面交界處的表面形貌。

其中：1、坩堝蓋；2、坩堝；3、氮化鋁燒結(jié)體；4、坩堝底部；5、坩堝頂部；6、氮化鋁單晶。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的闡述。

下面是一種氮化鋁單晶生長(zhǎng)方法的一個(gè)具體實(shí)施例，包括以下步驟：

（1）將氮化鋁粉末放入坩堝2中，并將坩堝2置于密閉的爐體中，在爐體中設(shè)置用于為坩堝2加熱的加熱機(jī)構(gòu)、用于為爐體抽真空的抽真空機(jī)構(gòu)、用于為爐體通入高純氮?dú)獾牡獨(dú)廨斎霗C(jī)構(gòu)、用于測(cè)量坩堝2溫度的測(cè)溫機(jī)構(gòu)；選用的氮化鋁粉末的純度至少為99.9%；選用的高純氮?dú)獾募兌戎辽贋?9.999%；

（2）對(duì)坩堝2中的氮化鋁粉末做壓實(shí)處理，通過加熱機(jī)構(gòu)將坩堝底部4加熱至1900-1950℃，以得到氮化鋁燒結(jié)體3；該步驟是為了去除氮化鋁粉末中的氧雜質(zhì)和碳雜質(zhì)，為后續(xù)長(zhǎng)晶提供優(yōu)質(zhì)的氮化鋁原料；制得的氮化鋁燒結(jié)體3形狀接近于圓柱體，對(duì)其切割后獲得高度為10-50mm的長(zhǎng)晶原料；

（3）選取坩堝2為圓柱形（參見圖1），且坩堝2整體由鎢材料制成，在本實(shí)施例中，該坩堝2的高度為80mm，橫截面直徑為60mm，厚度為3mm；將切割后的長(zhǎng)晶原料放入坩堝底部4的圓心處，使其與坩堝2內(nèi)壁之間的距離為5-10mm，并蓋上坩堝蓋1，在本實(shí)施例中，坩堝蓋1為平頂坩堝蓋1，坩堝蓋1表面經(jīng)過拋光處理，表面粗糙度約為幾個(gè)微米；

（4）通過氮?dú)廨斎霗C(jī)構(gòu)向爐體中通入高純氮?dú)庵?0Kpa，同時(shí)通過加熱機(jī)構(gòu)在4小時(shí)內(nèi)以8.5-10℃/min的升溫速率將坩堝底部4加熱至1950-2050℃；

（5）通過該加熱機(jī)構(gòu)的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)，使坩堝底部4的溫度高于坩堝頂部5的溫度；設(shè)置使得測(cè)溫機(jī)構(gòu)包括用于測(cè)量坩堝頂部5溫度的第一測(cè)量器、用于測(cè)量坩堝底部4溫度的第二測(cè)量器；在本實(shí)施例中，該加熱機(jī)構(gòu)為感應(yīng)加熱線圈，調(diào)整坩堝底部4的位置使其位于感應(yīng)加熱線圈的高溫點(diǎn)處；該第一測(cè)量器為用于照射坩堝頂部5以測(cè)溫的第一紅外高溫計(jì)，該第二測(cè)量器為用于照射坩堝底部4以測(cè)溫的第二紅外高溫計(jì)；

（6）通過抽真空機(jī)構(gòu)對(duì)爐體抽真空，使?fàn)t體中的氣壓降至40Kpa，在本實(shí)施例中，該抽真空機(jī)構(gòu)包括與爐體連通的用于抽低真空的機(jī)械泵、與爐體連通的用于抽高真空的分子泵；同時(shí)通過加熱機(jī)構(gòu)在1小時(shí)內(nèi)以2.5-4℃/min的升溫速率將坩堝底部4加熱至2050-2200℃；

（7）在爐體內(nèi)設(shè)置可上下運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，將坩堝2可拆卸的裝設(shè)于該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)頂部，通過該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)坩堝2的上下位置，第二測(cè)量器的讀數(shù)與第一測(cè)量器的讀數(shù)差值為A，氮化鋁燒結(jié)體3頂部至坩堝頂部5的距離為B，調(diào)節(jié)坩堝2的高度使得：A/B=2℃/mm；

（8）通過氮?dú)廨斎霗C(jī)構(gòu)向爐體中通入高純氮?dú)庵?0-60Kpa，同時(shí)通過加熱機(jī)構(gòu)保持坩堝底部4溫度為2050-2200℃，維持50-100小時(shí)；氮化鋁燒結(jié)體3在高溫下升華為氣態(tài)鋁和氮?dú)?，在坩堝頂?和氮化鋁燒結(jié)體3頂部之間溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，通過物理氣相傳輸法，氣態(tài)物質(zhì)擴(kuò)散和傳輸，氣態(tài)鋁和氮?dú)庠诘X燒結(jié)體3表面處形成氮化鋁單晶6。

（9）在50小時(shí)內(nèi)以0.5-1.5℃/min的降溫速率將坩堝2降至室溫。

通過本發(fā)明方法制備的氮化鋁單晶6，經(jīng)檢測(cè)，尺寸最大可達(dá)到厘米級(jí)，XRD衍射及拉曼圖譜分析結(jié)果表明，晶體半高寬為5.5cm^-1(參見圖2)，晶體取向非常明顯（參見圖3），符合氮化鋁六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，SEM數(shù)據(jù)表明結(jié)晶形貌非常規(guī)整，質(zhì)量高（參見圖4）。而且，晶體生長(zhǎng)形核點(diǎn)位于氮化鋁燒結(jié)體3表面，不會(huì)產(chǎn)生由于不同材料的晶格失配造成缺陷影響后續(xù)長(zhǎng)晶質(zhì)量的問題。

上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。