本发明涉及一种制备氮化铝单晶的方法。
背景技术：
氮化铝(aln)是第三代宽禁带半导体材料之一，具有宽带隙、高熔点、高临界击穿场强、高温热稳定性和耐化学腐蚀等优异性质。同时aln晶体作为取代蓝宝石和碳化硅用来外延生长ⅲ-n材料的最佳衬底材料，与常见的蓝宝石和sic相比，aln材料与gan的热失配更小，化学兼容性更高，热膨胀系数也相近。以aln晶体为衬底生长gan可大幅降低器件的缺陷密度，提高器件的性能。
近年来，国外各研究机构已经分别制备出不同尺寸的氮化铝晶体，但国内各研究机构成果与国外相比仍有较大差距。目前主流的制备大尺寸氮化铝单晶的方法为物理气相传输法(pvt)，但其中仍存在不少技术难点。首先是杂质污染，aln原料中氧和碳的含量较高，需要充分去除。其次是籽晶制备及粘接，籽晶制备过程中的切抛磨等手段会不可避免造成籽晶表面质量下降，造成续长晶体质量下降，寄生形核等问题。籽晶粘接时残存的气泡在续长时也会传递至晶体中，产生孔洞，严重影响晶体质量。如何解决上述问题成了制约生产大尺寸氮化铝单晶的关键。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种制备氮化铝单晶的方法，可以免除传统物理气相传输法制备氮化铝单晶中的籽晶粘接工序，通过对自发形核的氮化铝单晶进行同质续长，能够有效的制备出大尺寸、高质量的氮化铝单晶。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种制备氮化铝单晶的方法，包括以下步骤：
(1)将氮化铝原料放入第一坩埚的底部，所述第一坩埚的下部为生长区，所述第一坩埚的上部为沉积区，将所述第一坩埚放入炉体中，对所述炉体抽真空，接着向所述炉体中通入高纯氮气，保持所述炉体中的氮气气压为50-150kpa，沉积区的温度为t1，生长区的温度为t2，加热所述第一坩埚，同时对沉积区和生长区进行升温，使t2升至2000-2300℃，在此过程中保持t2＞t1，控制两者之间的温差为50-200℃；
(2)抽取所述炉体中的高纯氮气，使所述炉体中的氮气气压为10-50kpa并保压，继续对所述第一坩埚进行加热，使t2升至2100-2400℃，在此过程中保持t2＞t1，控制两者之间的温差为10-150℃，并保温一段时间；
(3)向所述炉体中通入高纯氮气，使所述炉体中的氮气气压为50-150kpa并保压，对所述第一坩埚进行降温，在此过程中保持t2＞t1，在t2下降至1000℃之前，控制两者之间的温差为50-200℃；
(4)降温结束后，取出所述第一坩埚底部的的氮化铝烧结体，在纯净气氛下，选取所述氮化铝烧结体表面合适的晶粒进行保留，将其余晶粒剔除；
(5)将氮化铝原料放入第二坩埚的底部，并将所述氮化铝烧结体固定在所述第二坩埚的中上部，使保留的所述晶粒朝下，所述氮化铝烧结体所在的区域为长晶区，所述氮化铝原料所在的区域为原料区，将所述第二坩埚放入所述炉体中，对所述炉体抽真空，接着向所述炉体中通入高纯氮气，保持所述炉体中的氮气气压为50-150kpa，长晶区的温度为t3，原料区的温度为t4，加热所述第二坩埚，同时对长晶区和原料区进行升温，在此过程中保持t3＞t4，控制两者之间的温差为10-150℃；
(6)保持所述炉体中的氮气气压为50-150kpa，继续加热所述第二坩埚，使t3升至2000-2300℃，在此过程中保持t3＞t4，控制两者之间的温差为50-200℃，并保温一段时间；
(7)保持所述炉体中的氮气气压为50-150kpa，继续加热所述第二坩埚，使t3升至2100-2400℃，使t3＜t4，控制两者之间的温差为10-150℃；
(8)抽取所述炉体中的高纯氮气，使所述炉体中的氮气气压为10-50kpa并保压，保持t3为2100-2400℃，t3＜t4，两者之间的温差为10-150℃，并保温一段时间；
(9)向所述炉体中充入高纯氮气，使所述炉体中的氮气气压为50-150kpa并保压，降低原料区的温度，保持t3为2100-2400℃，使t3＞t4，控制两者之间的温差为50-200℃；
(10)保持所述炉体中的氮气气压为50-150kpa，对所述第二坩埚进行降温，在此过程中保持t3＞t4，在t3下降至1000℃之前，控制两者之间的温差为50-200℃。
优选地，在步骤(1)和步骤(5)中，对所述炉体抽真空时，保持所述炉体中的真空度在1*10-3pa以下。
优选地，在步骤(2)中，在30-90min的时间内，使t2升至2100-2400℃，在此过程中保持t2＞t1，控制两者之间的温差为10-150℃。
优选地，在步骤(2)中，保温50-200h。
优选地，在步骤(4)中，纯净气氛中的气体为氮气或惰性气体。
优选地，在步骤(4)中，选取的所述晶粒为c向，具有六方形貌，且表面质量好。
优选地，在步骤(6)中，保温30-180min。
优选地，在步骤(8)中，保温50-200h。
优选地，在步骤(9)中，在30-90min的时间内，降低原料区的温度，保持t3为2100-2400℃，使t3＞t4，控制两者之间的温差为50-200℃。
优选地，在步骤(5)中，在所述第二坩埚内设置位于所述氮化铝原料和所述氮化铝烧结体之间的导流罩，使所述导流罩沿靠近所述氮化铝烧结体的方向向上逐渐径向收缩，将所述氮化铝烧结体放置在所述导流罩顶部。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种制备氮化铝单晶的方法，在氮化铝烧结体表面长晶来制备籽晶，保持t2＞t1，使生长速率较快，得到的籽晶晶粒尺寸更大；将杂质沉积到上部的沉积区，使杂质含量较少；通过对晶粒的选取，使晶向可控，能够选出特定晶向的晶粒；倒置并固定氮化铝烧结体，保留晶粒进行同质续长，免除了常规物理气相传输法中籽晶粘接这一困难工序；通过在升温阶段控制长晶区温度大于原料区温度，并短时保温，进一步清除掉籽晶表面污染及损伤层；在晶体生长阶段保持低压及特定温差，保证了较大传质速率及晶体生长速率；在降温阶段再次控制长晶区温度大于原料区温度，有效的抑制了后期的二次形核，提高了晶体质量，能够有效的制备出大尺寸、高质量的氮化铝单晶。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步的阐述。
上述一种制备氮化铝单晶的方法，包括以下步骤：
(1)将氮化铝原料放入第一坩埚的底部，第一坩埚的下部为生长区，第一坩埚的上部为沉积区。将第一坩埚放入炉体中，对炉体抽真空，保持炉体中的真空度在1*10-3pa以下。接着向炉体中通入高纯氮气，保持炉体中的氮气气压为50-150kpa。沉积区的温度为t1，生长区的温度为t2，加热第一坩埚，同时对沉积区和生长区进行升温，使t2升至2000-2300℃，在此过程中保持t2＞t1，控制两者之间的温差为50-200℃。在本实施例中，对炉体抽真空至真空度在5*10-4pa以下，炉体中的氮气气压为100kpa，控制t2升至2100℃，t1升至1920℃。
(2)抽取炉体中的高纯氮气，使炉体中的氮气气压为10-50kpa并保压，继续对第一坩埚进行加热，在30-90min的时间内，使t2升至2100-2400℃，在此过程中保持t2＞t1，控制两者之间的温差为10-150℃，并保温50-200h；在本实施例中，在40min内，控制t2升至2300℃，t1升至2220℃，并保温150h。
(3)向炉体中通入高纯氮气，使炉体中的氮气气压为50-150kpa并保压，对第一坩埚进行降温，在此过程中保持t2＞t1，在t2下降至1000℃之前，控制两者之间的温差为50-200℃；在本实施例中，炉体中的氮气气压为100kpa，两者之间的温差控制在180℃。
在上述四个步骤中，在升温之前，进行洗炉并抽高真空，可以去除炉体内的氧及其它杂质，保持炉体内的气氛纯净。控制t1和t2保持适当温差进行升、降温可以保证氮化铝原料中的杂质挥发至第一坩埚上部的沉积区，同时可以避免寄生形核，提高晶体质量。短时间内升温可以避免较低温度的氮化铝烧结体长出晶须。升温阶段采用较高压力可以抑制初期形核数量，有助于扩大晶体尺寸。保温阶段转为低压可以提高晶体生长速率。降温阶段采用高压可以抑制二次形核，提高晶体质量。
(4)降温结束后，取出第一坩埚底部的的氮化铝烧结体，在纯净气氛下，选取氮化铝烧结体表面合适的晶粒进行保留，将其余晶粒剔除。纯净气氛中的气体为氮气或惰性气体。选取的合适的晶粒为c向，具有六方形貌，且表面质量好。通过在纯净气氛下选取合适的晶粒，能够避免杂质污染晶粒，选取形貌较好的c向晶粒能够提高同质续长的成功率。
(5)将氮化铝原料放入第二坩埚的底部，并将氮化铝烧结体固定在第二坩埚的中上部，使保留的晶粒朝下，即朝向氮化铝原料。在本实施例中，在第二坩埚内设置位于氮化铝原料和氮化铝烧结体之间的导流罩，使导流罩沿靠近氮化铝烧结体的方向向上逐渐径向收缩，将氮化铝烧结体放置在导流罩顶部。通过这个设置，具有以下优点：将氮化铝烧结体直接放置在导流罩上，可以有效的避免氮化铝同质生长过程中籽晶粘接造成的籽晶污染、生长晶体质量差等问题；优化传质过程，将气相聚集在籽晶(晶粒)附近；提高氮化铝单晶的生长速度。
氮化铝烧结体所在的区域为长晶区，氮化铝原料所在的区域为原料区，将第二坩埚放入炉体中，对炉体抽真空，保持炉体中的真空度在1*10-3pa以下。接着向炉体中通入高纯氮气，保持炉体中的氮气气压为50-150kpa，长晶区的温度为t3，原料区的温度为t4，加热第二坩埚，同时对长晶区和原料区进行升温，在此过程中保持t3＞t4，控制两者之间的温差为10-150℃；在本实施例中，炉体中的氮气气压为100kpa，两者之间的温差为140℃。
在上述步骤中，在升温之前，进行洗炉并抽高真空，可以去除炉体内的氧及其它杂质，保持炉体内的气氛纯净。通过保持反温差升温(即t3＞t4)，可以有效避免原料中的杂质沉积到长晶区中的籽晶表面。升温阶段采用较高压力可以抑制初期形核数量，有助于扩大晶体尺寸。
(6)保持炉体中的氮气气压为50-150kpa，继续加热第二坩埚，使t3升至2000-2300℃，在此过程中保持t3＞t4，控制两者之间的温差为50-200℃，并保温30-180min；在本实施例中，保持炉体中的氮气气压为100kpa，控制t3升至2100℃，t4升至2000℃，并保温120min。
(7)保持炉体中的氮气气压为50-150kpa，继续加热第二坩埚，使t3升至2100-2400℃，使t3＜t4，控制两者之间的温差为10-150℃；在本实施例中，保持炉体中的氮气气压为100kpa，在30min内逆转温差，使t3＜t4，控制t3升至2300℃，t4升至2350℃。
(8)抽取炉体中的高纯氮气，使炉体中的氮气气压为10-50kpa并保压，保持t3为2100-2400℃，t3＜t4，两者之间的温差为10-150℃，并保温50-200h；在本实施例中，保持炉体中的氮气气压为20kpa，保持t3为2300℃，t4为2350℃，并保温100h。
在上述三个步骤中，通过较短时间的保温，可以有效去除籽晶表面损伤层，提高同质续长的晶体质量。后续控制合适的温差进行长时保温可以保证气相沉积稳定，晶体生长均匀。保温阶段转为低压可以提升晶体生长速率。
(9)向炉体中充入高纯氮气，使炉体中的氮气气压为50-150kpa并保压，在30-90min的时间内，降低原料区的温度，保持t3为2100-2400℃，使t3＞t4，控制两者之间的温差为50-200℃；在本实施例中，保持炉体中的氮气气压为100kpa，在30min内降低原料区的温度，使t3保持2300℃，t4降至2220℃。
(10)保持炉体中的氮气气压为50-150kpa，对第二坩埚进行降温，在此过程中保持t3＞t4，在t3下降至1000℃之前，控制两者之间的温差为50-200℃；在本实施例中，保持炉体中的氮气气压为100kpa，在t3下降至1000℃之前，控制两者之间的温差为180℃。
在上述两个步骤中，通过较短时间调控温差，可以避免同质续长的晶体产生寄生形核；控制反温差降温(即t3＞t4)，能够避免杂质沉积到晶体上，提高晶体的生长质量。降温阶段采用高压可以抑制二次形核，以提高晶体质量。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。