氮化铝单晶生长中籽晶或衬底的固定装置的制作方法

本实用新型涉及物理气相传输法生长氮化铝单晶技术领域，特别涉及一种氮化铝单晶生长中籽晶或衬底的固定装置。

背景技术：

第三代半导体材料氮化铝（AlN）禁带宽度为6.2eV，在紫外/深紫外发光波段具有独特优势，是紫外LED最佳衬底材料之一。同时，因其较高的击穿场强、较高的饱和电子漂移速率以及不错的导热、导电、抗辐射能力，AlN也可满足高温/高频/高功率电子器件的设计要求，在电子、印刷、生物、医疗、通讯、探测、环保等领域具有巨大的应用潜力。

几乎难溶于任何液体，且熔点在2800℃以上，无法通过传统的溶液法、熔体法获得。利用AlN粉源材料在1800℃以上发生升华的特点，可以通过物理气相传输法获得AlN体材料。此方法以粉源表面与生长界面之间的温度梯度为驱动力，使氮蒸汽与铝蒸汽从高温区传输至低温区，在过饱和状态下结晶得到AlN单晶。

籽晶诱导是得到大尺寸AlN单晶的有效方法，其中籽晶固定是关键环节。籽晶粘结是目前广泛采用的籽晶固定方法，然而通过此方法得到的晶体，其尺寸和质量受粘结材料、粘结平整度、粘结杂质、粘结气泡等因素影响明显，极大地增加了单晶生长的困难度，籽晶固定成为AlN同质外延生长的重要限制环节。

目前多采用在坩埚盖底部粘结籽晶的方法进行AlN同质或异质外延生长。

首先，此种方法只能同时在籽晶的一面进行长晶，长晶效率较低。

其次，在正向温度梯度条件下，坩埚盖底部往往具有相对较低的温度，AlN分解产生的气相物质在此区域的迁移能力下降，容易在籽晶表面发生二次形核形成AlN多晶。此外，粉源/烧结体内含有的氧元素及坩埚内的氧气分子在氮气条件下易与AlN反应生成Al₂O₃、Al₃O₃N等化合物，在达到AlN升华温度之前，这些物质会率先向上传输，在籽晶表面形成一定厚度的白色陶瓷层，阻碍外延生长。陶瓷层表面具有较高的形核密度，容易诱导AlN多晶的形成。二次形核现象和陶瓷层的形成均会导致籽晶诱导生长氮化铝单晶失败。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种氮化铝单晶生长中籽晶或衬底的固定装置，能够同时在籽晶或衬底的两面进行长晶，长晶效率较高；使籽晶或衬底从低温区往高温区靠近，氮化铝粉源分解产生的气相物质在高温区具有很好的迁移能力，有利于同质/异质外延生长进一步扩大晶体尺寸；同时，在合适的温度和温度梯度条件下，籽晶表面可完全避免白色陶瓷层的形成，有利于发挥籽晶的单晶诱导作用。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种氮化铝单晶生长中籽晶或衬底的固定装置，设于长晶设备中，所述长晶设备用于通过物理气相传输法生长氮化铝单晶，所述长晶设备包括用于放置氮化铝粉源的坩埚、用于为所述坩埚加热的加热机构、用于为所述坩埚隔热的隔热机构、用于微调所述坩埚位置的调整机构、用于测量所述坩埚底部温度和顶部温度的测温机构，所述固定装置包括可拆卸的设于所述坩埚中部的生长平台、用于固定所述生长平台的固定组件，所述籽晶或所述衬底固定在所述生长平台上；

所述生长平台具有第一形态和第二形态；

当所述生长平台为所述第一形态时，所述生长平台和所述坩埚内壁之间设有用于作为氮化铝气相传输通道的第一间隙；

当所述生长平台为所述第二形态时，所述生长平台中开设有用于作为氮化铝气相传输通道的第二间隙。

优选地，当所述生长平台为所述第一形态时，所述衬底即为所述生长平台。

优选地，当所述生长平台为所述第二形态时，所述籽晶放置在所述生长平台上。

优选地，所述生长平台包括实心平台、空心平台、网格平台或卡扣平台等。

优选地，所述固定组件为一端连接在所述生长平台上的连接杆，所述连接杆的另一端连接在所述坩埚的顶部。

优选地，所述生长平台与所述氮化铝粉源之间的距离为1-20mm。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型一种氮化铝单晶生长中籽晶或衬底的固定装置，在氮化铝粉源与坩埚顶盖之间设置可拆卸的生长平台，使籽晶或衬底材料通过自身重力或机械方式加以固定，通过设置第一间隙和第二间隙，能够同时在籽晶或衬底的两面进行长晶，长晶效率较高，有效的解决了籽晶固定问题，避免了籽晶粘结带来的各种不利因素，为氮化铝同质外延生长提供有利条件；使籽晶或衬底从低温区往高温区靠近，氮化铝粉源分解产生的气相物质在高温区具有很好的迁移能力，有利于同质/异质外延生长进一步扩大晶体尺寸；同时，在合适的温度和温度梯度条件下，籽晶表面可完全避免白色陶瓷层的形成，有利于发挥籽晶的单晶诱导作用，实验证明，该方法得到的氮化铝单晶具有极高的单晶质量，且具有较高的晶体生长速率。

附图说明

附图1为本实用新型装置的结构示意图；

附图2为生长平台的结构示意图一；

附图3为生长平台的结构示意图二；

附图4为生长平台的结构示意图三。

其中：1、氮化铝粉源；2、坩埚；3、加热机构；4、隔热机构；5、测温机构；6、生长平台；7、固定杆；8、感应加热线圈。

具体实施方式

下面结合附图来对本实用新型的技术方案作进一步的阐述。

参见图1所示，上述一种氮化铝单晶生长中籽晶或衬底的固定装置，设于长晶设备中。

该长晶设备用于通过物理气相传输法生长氮化铝单晶，该长晶设备包括用于放置氮化铝粉源1的坩埚2、用于为坩埚2加热的加热机构3、用于为坩埚2隔热的隔热机构4、用于微调坩埚2位置的调整机构、用于测量坩埚2底部温度和顶部温度的测温机构5，在本实施例中，通过感应加热线圈8为加热机构3感应加热，隔热机构4则设于加热机构3和感应加热线圈8之间。该氮化铝粉源1也可以是氮化铝烧结体。

该固定装置包括可拆卸的设于坩埚2中部的生长平台6、用于固定该生长平台6的固定组件，该籽晶或该衬底固定在该生长平台6上。在本实施例中，该生长平台6沿水平面分布。该固定组件为一端连接在生长平台6上的连接杆，该连接杆的另一端连接在坩埚2的顶部。该连接杆有多条，多条连接杆间隔均匀的环设于生长平台6和坩埚2顶部之间。

该生长平台6具有第一形态和第二形态：

当生长平台6为第一形态时，生长平台6和坩埚2内壁之间设有用于作为氮化铝气相传输通道的第一间隙。例如实心矩形、实心圆形、实心三角形或其他形状等。

当生长平台6为第二形态时，生长平台6中开设有用于作为氮化铝气相传输通道的第二间隙。例如空心矩形、环形、空心三角形或其他形状等。

该生长平台6包括实心平台、空心平台（如附图3所示）、网格平台（如附图2所示）或卡扣平台（如附图4所示）等。

当生长平台6为第一形态时，该衬底即为该生长平台6。通过连接杆固定在坩埚2中部，衬底的上下两个表面均为氮化铝单晶的生长界面。

当生长平台6为第二形态时，籽晶放置在该生长平台6上。籽晶不完全填满该第二间隙，以留出氮化铝气相传输通道。籽晶的上下两个表面均为氮化铝单晶的生长界面。

通过设置第一间隙和第二间隙，能够同时在籽晶或衬底的两面进行长晶，长晶效率较高，有效的解决了籽晶固定问题，避免了籽晶粘结带来的各种不利因素，为氮化铝同质外延生长提供有利条件。

在本实施例中，生长平台6与氮化铝粉源1之间的距离在1-20mm之间。

通过将长晶位置从坩埚2顶盖处移动到坩埚2中部，使籽晶或衬底从低温区往高温区靠近，氮化铝粉源1分解产生的气相物质在高温区具有很好的迁移能力，有利于同质/异质外延生长进一步扩大晶体尺寸；同时，在合适的温度和温度梯度条件下，籽晶表面可完全避免白色陶瓷层的形成，有利于发挥籽晶的单晶诱导作用，实验证明，该方法得到的氮化铝单晶具有极高的单晶质量，且具有较高的晶体生长速率。

在本实施例中，籽晶是依靠自身重力放置在生长平台6上的；而衬底是依靠机械固定的方式固定在坩埚内2的；避免了传统装置中通过粘接的方式固定籽晶或衬底所导致的氮化铝单晶生长质量受粘接材料、粘接平整度、粘接杂质、粘接气泡等因素影响的问题。

该籽晶为氮化铝单晶材料或碳化硅单晶材料等；该衬底为钨衬底材料或碳化钽衬底材料等。

坩埚2为高纯钨材料，其内部所有的零件材料为高纯钨材料或钨铼合金材料。

下面通过三个实施例简述长晶过程：

实施例一：

将氮化铝粉源1装入坩埚2内，通过固定杆7将高纯钨丝网固定在氮化铝粉源1上方10mm处，封闭坩埚盖，并将坩埚2置于长晶设备中；

调节气压到100kPa，快速升温至1800℃并缓慢升温至2200℃；

调节气压到50kPa，并根据测温机构5反馈的数据，启动调整机构调节坩埚2的高度，使其中的温度梯度达到10℃/cm；

保温80小时；

调节气压到100kPa，缓慢降温至室温，打开坩埚盖并从高纯钨丝网上收集氮化铝晶体。

实施例二：

将氮化铝粉源1装入坩埚2内，将氮化铝籽晶放置在呈空心圆环形状的生长平台6上，通过固定杆7将其固定在氮化铝粉源1上方5mm处，封闭坩埚盖，并将坩埚2置于长晶设备内；

调节气压到120kPa，快速升温至1800℃并缓慢升温至2200℃；

调节气压到80kPa，并根据测温机构5反馈的数据，启动调整机构调节坩埚2的高度，使其中的温度梯度达到20℃/cm；

保温100小时；

调节气压到120kPa，缓慢降温至室温，打开坩埚盖并从氮化铝籽晶上收集氮化铝晶体。

实施例三：

将氮化铝粉源1装入坩埚2内，将碳化硅衬底安装在呈卡扣结构的生长平台6上，通过固定杆7将其固定在氮化铝粉源1上方20mm处，封闭坩埚盖，并将坩埚2置于长晶设备内；

调节气压到80kPa，快速升温至1800℃并缓慢升温至1850℃；

调节气压到30kPa，并根据测温机构5反馈的数据，启动调整机构调节坩埚2的高度，使其中的温度梯度达到5℃/cm；

保温60小时；

调节气压到80kPa，缓慢降温至室温，打开坩埚盖并从碳化硅衬底上收集氮化铝晶体。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。