一种新型氮化铝自成核生长方法与流程

本发明涉及氮化铝自成核生长领域，具体涉及一种新型氮化铝自成核生长方法。

背景技术：

AlN晶体是一种重要的宽禁带(6.2eV)半导体材料，具有高热导率(3.2W.cm^-1K^-1)、高电阻率及高表面声速(5600-6000m/s)等优异的物理性质，在激光器，大功率电子器件，光电子器件和声表面波器件中得到广泛应用。目前，物理气象传输法(PVT)是公认的制备大尺寸氮化铝单晶的有效途径，采用籽晶底是相对于自成核生长更为容易制备大单晶的方法。

通过升华法在异质衬底上生长AlN晶体的方法，使用大直径的异质衬底能够生长大尺寸的AlN晶体，然而由于衬底籽晶之间存在晶格失配和热失配；此外，氮化铝晶体c轴和a轴热膨胀系数的各向异性较大，造成晶体生长过程中内部应力较大，开裂严重。

为了获得高质量，低应力的氮化铝单晶，本专利采用自成核的方法进行生长，然而，无衬底的PVT自由成核生长氮化铝的生长方式存在扩径困难的问题，晶体成核点过多造成竞争生长，给单晶颗粒尺寸扩大带来了困难。

因此控制初期生长成核点数目，在温度升高到氮化铝c方向(0001)成核的窗口温度区前，降低籽晶盖上成核点的数量可有效的提升氮化铝晶体颗粒尺寸扩大的几率。

在不同生长阶段采用不同的升温速率，温度及压力各项重要参数可有效的控制晶体的生长形貌。在达到氮化铝C方向(0001)窗口温度2150℃之前，在籽晶盖和料源之间插入碳化硅晶片对籽晶盖进行保护。避免在1850-2150℃温度段内形成初期氮化铝成核层，当温度升到氮化铝c方向(0001)晶体生长窗口后，该碳化硅隔绝层已分解完成。

根据实践经验，当坩埚盖的径向温度梯度大于轴向梯度时，此时沿着衬底(100)方向生长的速率大于沿着轴(0001)的生长速率，等效于六方柱体下底面扩展速度高于C轴生长速度，当料源升华区和结晶区温差较大时，氮化铝晶体生长方向为C轴方面，为获得厘米级以上尺寸的单晶，需保证坩埚径向温度梯度和轴向温度梯度保持一定比例。

通过模拟计算，确定保温结构的设计，料间距，料源状态等，可以在坩埚内部获得较大的轴向及径向温度梯度。使得晶体在生长界面处径向温度梯度约等于径向温度梯度的2.5-4倍，使氮化铝晶体径向尺寸扩大。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种新型氮化铝自成核生长方法，该方法通过在料源和籽晶盖之间插入单晶片保护层的方法，避免了在达到最佳C轴(0001)晶体生长温场前，氮化铝在碳化钽籽晶盖上过早成核造成的成核点过多的现象。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种新型氮化铝自成核生长方法，所述方法包括如下步骤：

1)氮化铝自成核生长的前期升温过程采用保护层对料源和晶体生长点进行隔离，将所述保护层插在籽晶盖和料源之间，对生长界面和料源进行隔绝；

2)从1850℃-2150℃温度区间，以40℃/h的速率慢速升温到氮化铝成核窗口温度2150℃-2200℃；升温过程中，压力保持为150KPa不变；

3)使温度处于2150℃-2200℃之间，将压力降到80000-90000Pa之间,氮化铝开始成核生长，维持生长时间30h；

4)1h内将温度从2150℃-2200℃降到1500℃，同时将炉内充入氩气。

进一步，所述保护层的分解温度介于料源分解温度和氮化铝单晶生长温度之间。

进一步，所述保护层为碳化硅单晶片或多晶片或者蓝宝石单晶或多晶片。

本发明具有以下有益技术效果：

本申请实施简单，通过在料源和籽晶盖之间插入晶片保护层的方法，避免了在达到最佳C轴(0001)晶体生长温场前，氮化铝在碳化钽籽晶盖上过早成核造成的成核点过多的现象。该方案造价低，重复性高，效果明显。

附图说明

图1为本发明实施例中坩埚盖夹持结构的结构示意图；

图2为本发明实施例中单晶生长炉的结构示意图；

图中：1-单晶片隔绝层、2-碳化钽籽晶盖、3-三点支撑夹持结构、4-感应线圈、5-上保温毡、6-石英套管、7-石墨下支撑台、8-氮化铝料源、9-TaC坩埚。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

氮化铝晶体自成核生长是一种基于自发成核，自由繁衍的晶体生长手段，经过料源高温挥发后在冷区经过多晶重结晶。晶体内部应力通过晶界释放。然而，自成核存在多成核位点之间的竞争生长，使得晶体颗粒尺寸增加较为困难。在升温过程中，在达到氮化铝(0001)晶向生长窗口温度前，碳化钽籽晶盖上已经沉积了一层致密的多晶，该多晶包含较多成核位点，后续持续生长易形成晶向杂乱的多晶成核层，干扰晶体生长以及单个晶体颗粒尺寸扩大生长。

由于氮化铝从粉料分解的温度窗口(1850℃)到氮化铝体单晶的生长窗口之间有较长的温度区间，该温度范围内籽晶盖上可能形成一层致密多晶，成核位点过多，造成单个晶体颗粒生长后期扩径困难，形成大角度晶界及各类缺陷，造成较差的晶体质量。因此在氮化铝粉料开始挥发到达到(0001)晶体成核窗口温度之间，需对籽晶盖进行保护，避免初始氮化铝在碳化钽(Tac)上多晶成核。当保护层分解挥发完成时，籽晶盖表面刚好达到(0001)晶向的氮化铝单晶最佳生长温场条件，通过该方法，可将氮化铝初始成核点数量减小到原来的98％。

前期控压，使得碳化硅缓慢分解，后期采用变温变压，增大径向温度梯度及轴向温度梯度，该方法免去提拉的工艺，从而增加了工艺的稳定性和重复性。

本发明的具体方案如下：

一种新型氮化铝自成核生长方法，该方法包括如下步骤：

1)氮化铝自成核生长的前期升温过程采用保护层对料源和晶体生长点进行隔离，升温过程中该隔离层对碳化钽盖进行保护，避免升温时氮化铝料源在坩埚盖上成核影响后续晶体颗粒尺寸扩大；该晶体保护层的分解温度需介于料源分解温度和氮化铝单晶生长温度之间，保护层分解挥发，当保护层分解挥发完成时，籽晶盖表面温场条件刚好达到(0001)氮化铝单晶的最佳生长温场，该方法可得到尺寸达到厘米级高质量氮化铝单晶。采用厚度为50-100微米的碳化硅或者蓝宝石层作为保护层，该保护层通过三点支撑架固定在籽晶盖上，该保护层可为碳化硅单晶片或多晶片，将碳化硅片插在籽晶盖和料源之间，对生长界面(坩埚盖)和料源进行隔绝。避免前期升温氮化铝在碳化钽籽晶盖上成核，增加成核竞争位点，影响后期晶体成核点径向尺寸扩大。保证在氮化铝料源挥发温度到氮化铝(0001)晶向结晶窗口温度之间，碳化钽盖上近乎光洁无氮化铝成核点。

2)从1850℃-2150℃温度区间，以40℃/h的速率慢速升温到氮化铝成核窗口温度2150℃-2200℃；升温过程中，压力保持为150KPa不变；从而抑制氮化铝料源的挥发。

3)使温度处于2150℃-2200℃之间，将压力降到80000-90000Pa之间,氮化铝开始成核生长，维持生长时间30h；

4)1h内将温度从2150℃-2200℃降到1500℃，同时将炉内充入氩气(隔绝N源)，减小后期氮化铝成核所需氮源。

保护层可以选择碳化硅单晶片或多晶片或者蓝宝石单晶或多晶片。

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明：

实施例

如图1-2所示，(1)氮化铝采用纯度为99.7％的粉料，采用厚度为50-100μm的单晶片隔绝层1作为保护层，通过碳化硅对碳化钽籽晶盖2和氮化铝料源8进行隔绝。避免前期氮化铝在碳化钽籽晶盖2上成核。将单晶片隔绝层1通过三点支撑夹持结构3固定在氮化铝料源8上方。

(2)将烧结后的氮化铝料源8放在坩埚内，坩埚放置在石英套管6内，根据晶体生长模拟结果，确定料间距为90-100mm，调节TaC坩埚9相对于感应线圈4的位置，使得线圈加热感应高温位处于料源上表面。控制温度梯度为6-9℃/mm。上保温毡5为5层(下保温层也为5层)，厚度为15mm/层的石墨毡，侧面为层数10层厚度为4mm的保温石墨毡。

(4)装炉，抽真空后充入氮气20000Pa，该步骤重复两次，充分除去炉内含氧含碳等各类杂质，减小杂质对晶体质量的生长干预。

(5)从1850℃-2150℃温度区间，以40℃/h的速率慢速升温到氮化铝c(0001)成核窗口温度2150℃-2200℃。升温过程中，压力保持为150KPa,抑制氮化铝料源的挥发，在升温阶段碳化硅晶片此时开始缓慢挥发，随着温度上升，碳化硅晶片由于铝蒸汽的腐蚀以及高温的热解作用挥发速率增加。

(3)在达到氮化铝c轴成核窗口温度时，碳化硅晶片此时已经近乎完全挥发，此时碳化钽籽晶盖温度处于2150℃-2200℃之间，将压力降到80000-90000Pa之间,氮化铝料源分解速率升高，在较大的温度梯度下，氮化铝开始在碳化钽(TaC)籽晶盖上成(0001)c方向结晶成核生长，维持生长时间30h。

(4)为防止后期降温时氮化铝成核，1h内将温度从2150℃-2200℃降到1500℃，通过石墨下支撑台7调节埚位，使得碳化钽盖处位于高温位，且该处温度比料源温度高100摄氏度，同时将炉内充入氩气(隔绝额外N源供给)，阻断氮化铝后期成核，为下次生长提供多晶成核位点。

(5)以30℃/h的降温速率将温度从1500℃降温到室温，开炉，取锭，测试表征，记录生长结果，实验分析。

上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。