专利名称：氮化铝单晶材料制备方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体单晶材料制备方法，具体是一种氮化铝单晶材料制备方法。
背景技术：
随着第三代半导体氮化镓(GaN)材料在光电器件领域的广泛应用推广，极大推动超宽禁带半导体材料氮化铝(AlN)的研究和发展。自从2006年日本NTT公司研制出第一只AlN基深紫外(波长210nm)发光二极管(LED)，基于AlN和高Al组分AlGaN材料的短波长紫外和深紫外光电器件成为半导体领域新的研究热点。但如采用类似GaN基光电器件利用异质衬底(如蓝宝石、碳化硅和硅)外延制备方式，由于所需要的生长温度更高(至 少1300°C )，所承受的晶格失配、热应力及表面与界面问题将更为突出。最理想的方式是采用AlN单晶材料作为同质衬底进行光电器件制备，这样就能够有效消除AlN和高Al组分AlGaN基器件的大失配问题并研制出高性能器件。因此，AlN单晶材料制备技术成为近年来半导体材料制备领域新的研究热点。AlN单晶材料具有极其重要应用价值和非常可观经济效益。目前，用于AlN单晶材料的常用制备工艺有三种金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、卤化物气相外延(HVPE)、物理气相传输(PVT)。三种工艺的优缺点如下(I)MOCVD工艺是采用化学合成的方式，利用金属铝有机化合物(如TMA1)作为铝源，氨气(NH3)作为氮源，在高温(1200-1600°C )蓝宝石、碳化硅等异质衬底上进行AlN薄膜材料合成制备。其优点是1)能够制备得到大面积的AlN薄膜单晶材料。面积由异质衬底和生长室的大小决定，目前最大面积可达直径6英寸；2)能够制备生长得到各种精细的失配应力调控结构且具有非常平整的表面。这与MOCVD工艺材料生长速度较慢密切相关。其缺点是1)难以克服异质外延产生的应力引发的高密度位错(109-10/cm2)、膜层弯 曲及龟裂问题。面积越大膜层越厚问题越突出；2)MOCVD工艺材料生长速度较慢(每小时几百纳米厚)。不适合制备几百微米厚的商品化AlN单晶衬底材料。(2)HVPE工艺也是采用化学合成的方式，利用金属铝卤化物(如AlCl或A1C13)作为铝源，氨气(NH3)作为氮源，在高温(1200-1600°C)蓝宝石、碳化硅等异质衬底上进行AlN厚膜材料合成制备。其优点是1)也能够制备大面积AlN单晶材料。面积也由异质衬底和生长室大小的决定，目前最大面积尚只有直径2英寸；2)HVPE生长速度较快，能够制备得到作为衬底使用的AlN厚膜单晶材料(几十乃至几百微米厚)，并能较好抑制穿通位错的增值(位错密度106-7/cm2)。其缺点是1)难以直接异质外延生长得到表面平整且具有较高结晶质量材料。往往需要MOCVD工艺制备的AlN薄膜单晶材料为成核结晶生长的模板。由于需要两台设备，造成材料生产成本高；2)更难克服异质外延产生的应力造成的膜层弯曲和龟裂问题。导致难以从异质结衬底上剥离得到完整大面积的无支撑AlN厚膜单晶材料，面积越大膜层越厚越突出，材料成品率低不适合商品化推广。(3) PVT工艺是采用物理蒸发冷凝的方式将高纯AlN粉末原料高温(1900-2400°C )物理蒸发出Al和N的气氛，再在具有一定温度梯度的籽晶上冷凝生长AlN体单晶材料。其优点是1)材料生长速度快(每小时几百微米厚)。如有大尺寸AlN籽晶能够制备得到低位错密度(102-4/cm2)的可商品化大尺寸AlN体单晶材料；2)设备建造和维护费用低。工艺成熟后非常容易规模化生产。其缺点是1)无籽晶制备生长易得到多晶或大晶粒材料(晶粒尺度毫米尺度或更小)。需要借助MOCVD和HVPE两种工艺结合制备的无支撑AlN厚膜单晶材料为籽晶来扩大长晶尺寸；2)材料生长温度非常高(1900-240(TC )，对生长室的材料与结构以及温度梯度控制有更高要求。尽管PVT工艺制备生长AlN体单晶的能耗与目前蓝宝石体单晶材料制备相近，但由于其经济效益非常可观(目前每片2英寸AlN单晶片价格5千美元以上)，其实用价值和市场前景最被看好。
发明内容
本发明的目的是针对常规MOCVD、HVPE, PVT工艺在制备氮化铝单晶材料方面的技术不足，提供一种既实用又可降低成本的氮化铝单晶材料制备方法。
本发明提供一种氮化铝单晶材料制备方法，其特征在于，包含如下步骤步骤I :将一衬底置入金属有机物化学气相沉积-卤化物气相外延复合工艺设备的生长室内；步骤2 :采用金属有机物化学气相沉积工艺，在衬底上制备一 III族氮化物成核层；步骤3 :将衬底加热温度升温，采用金属有机物化学气相沉积工艺，在III族氮化物成核层上制备一 III族氮化物结晶层；步骤4 :改变衬底的加热温度，采用金属有机物化学气相沉积工艺，在III族氮化物结晶层上制备一应力协变层；步骤5 :采用金属有机物化学气相沉积工艺，改变衬底的加热温度，在应力协变层上制备一 III族氮化物自分解解耦合层；步骤6 :采用金属有机物化学气相沉积工艺，改变衬底的加热温度，在III族氮化物自分解解耦合层上制备一第一 III族氮化物模板层；步骤7 :将衬底的加热温度升温，III族氮化物自分解解耦合层中的铟组分随温度升高析出，并在应力协变层和第一 III族氮化物模板层之间形成多孔疏松结构；步骤8 :采用金属有机物化学气相沉积工艺，将衬底加热温度升温，在第一 III族氮化物模板层上制备一第二 III族氮化物模板层；步骤9 :将衬底加热温度升温，采用卤化物气相外延工艺，在第二 III族氮化物模板层上制备一氮化铝厚膜单晶材料层；步骤10 :将衬底加热温度以5至50°C /分钟的降温速率降到室温，实现氮化铝厚膜单晶材料从衬底上自剥离，并从金属有机物化学气相沉积-卤化物气相外延复合工艺设备生长室内取出厚膜单晶材料层；步骤11 :将氮化铝厚膜单晶材料层作为籽晶置入物理气相传输设备的体单晶材料生长室内的钨坩埚的上方，将高纯氮化铝粉末作为原料置入物理气相传输设备的体单晶材料生长室内的钨坩埚内；步骤12 :将物理气相传输设备体单晶材料生长室内的加热温度升温到1900至2400°C，通过上下加热温区的温度梯度调控，保持钨坩埚上方的氮化铝厚膜单晶材料的籽晶温区低于钨坩埚内部氮化铝粉末原料温区30至100°C，采用物理气相传输工艺，以厚膜单晶材料层为籽晶制备生长氮化铝体单晶材料；步骤13 :将物理气相传输设备的体单晶材料生长室加热温度降到室温取出氮化铝体单晶材料，经切、磨、抛光制备得到氮化铝单晶片衬底材料。本发明利用将MOCVD和HVPE两种工艺集成在同一反应室的M0CVD-HVPE复合工艺，通过设计制备具有合适晶格常数和热膨胀系数的过渡金属IVB族氮化物应力协变层克服异质外延产生的应力造成膜层弯曲和龟裂问题，特别是将热膨胀系数比异质单晶衬底和氮化铝都大的过渡金属IVB族氮化物应力协变层与包含铟组分的III族氮化物自分解解耦合层结合，可实现所制备的氮化铝厚膜单晶材料从异质单晶衬底上完整自剥离，进而为后续PVT工艺扩大氮化铝体单晶生长尺寸提供大面积籽晶。本发明能为研制生产紫外和深紫外半导体光电器件提供低成本大尺寸氮化铝单晶片衬底材料，具有非常好的实用价值和市场推广前景。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中图I是采用M0CVD-HVPE复合工艺制备氮化铝厚膜单晶材料结构示意图。
具体实施例方式请参阅图I所示，本发明提供一种氮化铝单晶材料制备方法，其特征在于，包含如下步骤步骤I :将一衬底I置入金属有机物化学气相沉积-卤化物气相外延复合工艺设备的生长室内，所述的衬底I为闻溶点异质单晶衬底，其溶点闻于130CTC并与氣化招有良好晶格匹配关系的蓝宝石、碳化硅或氮化镓材料；步骤2 :采用金属有机物化学气相沉积工艺，在衬底I上制备一 III族氮化物成核层2，所述的III族氮化物成核层2为GaN、AlN或AlGaN材料，制备温度为300至700°C，厚度为5至500nm ；步骤3 :将衬底I加热温度升温，采用金属有机物化学气相沉积工艺，在III族氮化物成核层2上制备一 III族氮化物结晶层3，所述的III族氮化物结晶层3为GaN、AlN或AlGaN材料，衬底I的加热温度升至900至1200°C，III族氮化物结晶层3的厚度为10至IOOOnm ；步骤4 :改变衬底I的加热温度，采用金属有机物化学气相沉积工艺，在III族氮化物结晶层3上制备一应力协变层4，用于协调后续氮化物模板层或氮化铝厚膜材料制备过程中产生的晶格失配应力和热应力。所述的应力协变层4是过渡金属IVB族氮化物应力协变层，其材料为TiN、ZrN, HfN, TiZrN, TiHfN, ZrHfN或TiZrHfN,其热膨胀系数要高于高熔点单晶衬底I和氮化铝，改变衬底I的加热温度为低温300至700°C，应力协变层4的厚度为10至IOOOnm ；步骤5 :采用金属有机物化学气相沉积工艺，改变衬底I的加热温度，在应力协变层4上制备一 III族氮化物自分解解耦合层5，用于辅助应力协变层4协调后续氮化物模板层或氮化铝厚膜材料制备过程中产生的晶格失配应力和热应力，并在材料生长结束降温过程与应力协变层4共同作用促使氮化铝厚膜从衬底I上自剥离。所述的III族氮化物自分解解耦合层5的材料为InxGai_xN、InxAVxN或InxAIyGa1^yN,其铟组分x为O. 05至O. 9，制备时改变衬底I的加热温度至300至700°C，III族氮化物自分解解耦合层5的厚度为5至 500nm ；步骤6 :采用金属有机物化学气相沉积工艺，改变衬底I的加热温度，在III族氮化物自分解解耦合层5上制备一 III族氮化物模板层6，所述的第一 III族氮化物模板层6的材料为GaN、AlN或AlGaN，制备时改变衬底的加热温度至300至700°C，第一 III族氮化物模板层6厚度为5至500nm ；步骤7 :将衬底I的加热温度升温，III族氮化物自分解解耦合层5中的铟组分随温度升高析出，并在应力协变层4和第一 III族氮化物低温模板层6之间形成多孔疏松结构；
步骤8 :采用金属有机物化学气相沉积工艺，将衬底I加热温度升温，在第一 III族氮化物模板层6上制备一第二 III族氮化物模板层7，所述的第二 III族氮化物高温模板层7的材料为GaN、AlN或AlGaN，升温后衬底加热温度为900至1200°C，第二 III族氮化物高温模板层7厚度为200至2000nm ；步骤9 :将衬底I加热温度升温，采用齒化物气相外延工艺，在第二 III族氮化物模板层7上制备一氮化铝厚膜单晶材料层8 ；步骤10 :将衬底I加热温度以5至50°C /分钟的降温速率降到室温。由于应力协变层4的热膨胀系数相比衬底I和氮化铝都大，降温过程产生的热应力将先转移到应力协变层4中释放，因其上面是III族氮化物的多孔疏松结构，二者共同作用，就实现了氮化铝厚膜单晶材料8在力协变层4与多孔疏松结构的结合部从衬底I上完整自剥离。从金属有机物化学气相沉积-齒化物气相外延复合工艺设备生长室内取出无支撑氮化铝厚膜单晶材料层8 ；步骤11 :将氮化铝厚膜单晶材料层8作为籽晶置入物理气相传输设备的体单晶材料生长室内的钨坩埚的上方，将高纯氮化铝粉末作为原料置入物理气相传输设备的体单晶材料生长室内的钨坩埚内；步骤12 :将物理气相传输设备体单晶材料生长室内的加热温度升温到1900至2400°C，通过上下加热温区的温度梯度调控，保持钨坩埚上方的氮化铝厚膜单晶材料的籽晶温区低于钨坩埚内部氮化铝粉末原料温区30至100°C，采用物理气相传输工艺，以氮化铝厚膜单晶材料层8为籽晶制备生长氮化铝体单晶材料；步骤13 :将物理气相传输设备的体单晶材料生长室加热温度降到室温取出氮化铝体单晶材料，经切、磨、抛光制备得到氮化铝单晶片衬底材料。上述半导体单晶材料制备方法能为研制生产紫外和深紫外半导体光电器件提供低成本大尺寸低位错密度氮化铝单晶片衬底材料。本发明的一种氮化铝单晶材料制备方法，相比现有常规氮化铝单晶材料方法。具有如下特点和有益效果(I)采用M0CVD-HVPE复合工艺，通过设计制备具有合适晶格常数和热膨胀系数的过渡金属IVB族氮化物应力协变层克服异质外延产生的应力造的成膜层弯曲和龟裂问题，特别是将热膨胀系数比异质单晶衬底和氮化铝都大的过渡金属IVB族氮化物应力协变层与包含铟组分的III族氮化物自分解解耦合层升温分解形成的多孔疏松结构相结合，可实现所制备的氮化铝厚膜单晶材料从异质单晶衬底上完整自剥离进而得到无支撑的氮化铝厚月吴单晶材料；(2)利用M0CVD-HVPE复合工艺制备的大面积无支撑氮化铝厚膜单晶材料为籽晶，能够扩大PVT工艺高温生长氮化铝体单晶材料的尺寸和提高材料生长质量，进而为后续大尺寸氮化铝体单晶材料PVT工艺规模化制备生产奠定基础。(3)将MOCVD、HVPE、PVT三种工艺的技术优点有机结合，不仅极大降低氮化铝单晶材料制备生产成本，还易于规模化生产。下面介绍制备上述氮化铝单晶材料制备方法。应该理解，以下描述的制备方法仅为制备本发明氮化铝单晶材料的具体实例。本领域的技术人员可以在本发明指导下根据需 要及其他因素作出改变。实施例I :采用蓝宝石(a_A1203)材料作为异质单晶衬底制备氮化铝(AlN)厚膜单晶材料和氮化铝(AlN)体单晶材料的工艺流程如下步骤I :将直径2英寸的a-Al203单晶衬底材料I置入M0CVD-HVPE复合工艺设备的生长室内；步骤2 :采用金MOCVD工艺，以550°C的衬底加热温度，在蓝宝石单晶衬底材料上低温制备一 30nm厚GaN低温成核层2 ；步骤3 :将衬底加热温度升至1050°C，采用MOCVD工艺，在GaN低温成核层2上高温制备一 500nm厚GaN闻温结晶层3 ；步骤4 :将衬底加热温度降至600°C，采用MOCVD工艺，在GaN高温结晶层3上低温制备一 50nm厚TiN应力协变层4 ；步骤5 :采用MOCVD工艺，以600°C的衬底加热温度，在TiN应力协变层4上低温制备一 30nm厚铟组分X = O. 15的Inai5Gaa85N自分解解耦合层5 ；步骤6 :采用MOCVD工艺，以600°C的衬底加热温度，在In。. 15GaQ.85N自分解解耦合层5上低温制备一 IOOnm厚的GaN低温模板层6 ；步骤7 :将衬底加热温度以10 °C /分钟的升温速率缓慢升温至1050 °C高温，In0.15Ga0.85N自分解解耦合层5中的铟组分随温度升高析出，并在TiN热应力协变层4和GaN低温模板层6之间形成GaN的多孔疏松结构；步骤8 :采用MOCVD工艺，以1050°C的衬底加热温度，在GaN低温模板层6上制备一厚IOOOnm的GaN高温模板层7 ；步骤9 :将衬底加热温度升至1350°C，采用HVPE工艺，在GaN高温模板层7上高温制备一 100 μ π!厚AlN厚膜单晶材料8 ；步骤10 :将衬底加热温度以30°C /分钟的降温速率降到室温，实现AlN厚膜单晶材料8从a-Al203衬底I上自剥离，并从M0CVD-HVPE复合工艺设备生长室内取出无支撑AlN厚膜单晶材料8。步骤11 :将AlN厚膜单晶材料8作为籽晶置入PVT设备的体单晶材料生长室内的钨坩埚的上方，将高纯AlN粉末作为原料置入PVT设备的体单晶材料生长室内的钨坩埚内；步骤12 :将PVT设备体单晶材料生长室内的加热温度加热到2350°C，通过上下加热温区的温度梯度调控，保持钨坩埚上方的AlN厚膜单晶材料的籽晶温区低于钨坩埚内部AlN粉末原料温区70°C，采用PVT工艺，以AlN厚膜单晶材料为籽晶高温制备生长IOmm厚AlN体单晶材料；步骤13 :将PVT设备的体单晶材料生长室加热温度降到室温取出AlN体单晶材料，经切、磨、抛光制备得到AlN单晶片衬底材料。实施例2采用碳化硅(6H_SiC)材料作为异质单晶衬底制备氮化铝(AlN)厚膜单晶材料和AlN体单晶材料的工艺流程如下 步骤I :将直径2英寸300微米厚6H_SiC单晶衬底材料I置入M0CVD-HVPE复合工艺设备的生长室内；步骤2 :采用MOCVD工艺，以650°C的衬底加热温度，在6H_SiC单晶衬底材料上低温制备一 20nm厚AlN低温成核层2 ；步骤3 :将衬底加热温度升至1300°C，采用MOCVD工艺在AlN低温成核层2上高温制备一 300nm厚AlN闻温结晶层3 ；步骤4 :将衬底加热温度降至650°C，采用MOCVD工艺，在AlN高温结晶层3上低温制备一 50nm厚HfN应力协变层4 ；步骤5 :采用MOCVD工艺，以650°C的衬底加热温度，在HfN应力协变层4上低温制备一 20nm厚铟组分X = O. 25的Ina25Ala75N自分解解耦合层5 ；步骤6 :采用MOCVD工艺，以650°C的衬底加热温度，在Ina25Ala75N自分解解耦合层5上低温制备一 50nm厚的AlGaN低温模板层6 ；步骤7 :将衬底加热温度以15°C /分钟的升温速率缓慢升温至1300°C高温，In0.25A10.75N自分解解耦合层5中的铟组分随温度升高析出，并在HfN应力协变层4和AlGaN低温模板层6之间形成AlN的多孔疏松结构；步骤8 :采用MOCVD工艺，以1300°C的衬底加热温度，在AlGaN低温模板层6上制备一厚1500nm的AlN高温模板层7 ；步骤9 :将衬底加热温度升至1450°C，采用HVPE工艺在AlN高温模板层7上高温制备一 200 μ m厚AlN厚膜单晶材料8 ；步骤10 :将衬底加热温度以50°C /分钟的降温速率降到室温，实现AlN厚膜单晶材料8从6H-SiC衬底I上自剥离，并从M0CVD-HVPE复合工艺设备生长室内取出无支撑AlN厚膜单晶材料8。步骤11 :将AlN厚膜单晶材料8作为籽晶置入PVT设备的体单晶材料生长室内的钨坩埚的上方，将高纯AlN粉末作为原料置入PVT设备的体单晶材料生长室内的钨坩埚内；步骤12 :将PVT设备体单晶材料生长室内的加热温度加热到2300°C，通过上下加热温区的温度梯度调控，保持钨坩埚上方的AlN厚膜单晶材料的籽晶温区低于钨坩埚内部AlN粉末原料温区60°C，采用PVT工艺，以AlN厚膜单晶材料为籽晶高温制备生长20mm厚AlN体单晶材料；步骤13 :将PVT设备的体单晶材料生长室加热温度降到室温取出AlN体单晶材料，经切、磨、抛光制备得到AlN单晶片衬底材料。实施例3采用氮化镓(GaN)材料作为异质单晶衬底制备氮化铝厚膜单晶材料和氮化铝体单晶材料的工艺流程如下步骤I :将直径2英寸200微米厚的GaN单晶衬底材料I置入M0CVD-HVPE气相外延复合工艺设备的生长室内；步骤2 :采用MOCVD工艺，以550°C的衬底加热温度，GaN单晶衬底材料I上低温制备一 50nm厚ZrN应力协变层4 ；
步骤5 :采用MOCVD工艺，以550°C的衬底加热温度，在ZrN热应力协变层4上低温制备一 30nm厚In组分x = O. 3的Ina3Gaa7N自分解解稱合层5 ；步骤6 :采用MOCVD工艺，以550°C的衬底加热温度，在1%3Ga0.7N自分解解耦合层5上低温制备一 50nm厚GaN低温模板层6 ；步骤7 :将衬底加热温度以20°C /分钟的升温速率缓慢升温至1100°C高温，In。. 3Ga0.7N自分解解耦合层5中的In组分随温度升高析出，并在ZrN应力协变层4和GaN低温模板层6之间形成GaN的多孔疏松结构；步骤8 :采用MOCVD工艺，以1100°C的衬底加热温度，在GaN低温模板层6上制备一厚500nm的GaN高温模板层7 ；步骤9 :将衬底加热温度升至1500°C，采用HVPE工艺，在GaN高温模板层7上高温制备一 300 μ m厚AlN厚膜单晶材料8 ；步骤10 :将衬底加热温度以25°C /分钟的降温速率降到室温，实现AlN厚膜单晶材料8从GaN衬底I上自剥离，并从M0CVD-HVPE复合工艺设备生长室内取出无支撑AlN厚膜单晶材料8。步骤11 :将AlN厚膜单晶材料8作为籽晶置入PVT设备的体单晶材料生长室内的钨坩埚的上方，将高纯AlN粉末作为原料置入PVT设备的体单晶材料生长室内的钨坩埚内；步骤12 :将PVT设备体单晶材料生长室内的加热温度加热到2250°C，通过上下加热温区的温度梯度调控，保持钨坩埚上方的AlN厚膜单晶材料的籽晶温区低于钨坩埚内部AlN粉末原料温区50°C，采用PVT工艺，以AlN厚膜单晶材料为籽晶高温制备生长30mm厚AlN体单晶材料；步骤13 :将PVT设备的体单晶材料生长室加热温度降到室温取出AlN体单晶材料，经切、磨、抛光制备得到AlN单晶片衬底材料。最后应说明的是，以上示例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出示例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种氮化铝单晶材料制备方法，其特征在于，包含如下步骤 步骤I:将一衬底置入金属有机物化学气相沉积-齒化物气相外延复合工艺设备的生长室内； 步骤2 :采用金属有机物化学气相沉积工艺，在衬底上制备一 III族氮化物成核层；步骤3 :将衬底加热温度升温，采用金属有机物化学气相沉积工艺，在III族氮化物成核层上制备一 III族氮化物结晶层； 步骤4 :改变衬底的加热温度，采用金属有机物化学气相沉积工艺，在III族氮化物结晶层上制备一应力协变层； 步骤5 :采用金属有机物化学气相沉积工艺，改变衬底的加热温度，在应力协变层上制备一 III族氮化物自分解解耦合层； 步骤6 :采用金属有机物化学气相沉积工艺，改变衬底的加热温度，在III族氮化物自分解解耦合层上制备一第一 III族氮化物模板层； 步骤7 :将衬底的加热温度升温，III族氮化物自分解解耦合层中的铟组分随温度升高析出，并在应力协变层和第一 III族氮化物模板层之间形成多孔疏松结构； 步骤8 :采用金属有机物化学气相沉积工艺，将衬底加热温度升温，在第一 III族氮化物模板层上制备一第二 III族氮化物模板层； 步骤9 :将衬底加热温度升温，采用卤化物气相外延工艺，在第二 III族氮化物模板层上制备一氮化铝厚膜单晶材料层； 步骤10 :将衬底加热温度以5至50°C /分钟的降温速率降到室温，实现氮化铝厚膜单晶材料从衬底上自剥离，并从金属有机物化学气相沉积-卤化物气相外延复合工艺设备生长室内取出厚膜单晶材料层； 步骤11 :将氮化铝厚膜单晶材料层作为籽晶置入物理气相传输设备的体单晶材料生长室内的钨坩埚的上方，将高纯氮化铝粉末作为原料置入物理气相传输设备的体单晶材料生长室内的钨坩埚内； 步骤12 :将物理气相传输设备体单晶材料生长室内的加热温度升温到1900至2400°C，通过上下加热温区的温度梯度调控，保持钨坩埚上方的氮化铝厚膜单晶材料的籽晶温区低于钨坩埚内部氮化铝粉末原料温区30至100°C，采用物理气相传输工艺，以厚膜单晶材料层为籽晶制备生长氮化铝体单晶材料； 步骤13 :将物理气相传输设备的体单晶材料生长室加热温度降到室温取出氮化铝体单晶材料，经切、磨、抛光制备得到氮化铝单晶片衬底材料。
2.根据权利要求I所述的氮化铝单晶材料制备方法，其中步骤I中所述的衬底为高熔点异质单晶衬底，其熔点高于1300°C并与氮化铝有良好晶格匹配关系的蓝宝石、碳化硅或氮化镓材料。
3.根据权利要求I所述的氮化铝单晶材料制备方法，其中步骤2中所述的III族氮化物成核层为GaN、AlN或AlGaN材料，制备过程衬底加热温度为300至700°C，厚度为5至500nmo
4.根据权利要求I所述的氮化铝单晶材料制备方法，其中步骤3中所述的III族氮化物结晶层为GaN、AlN或AlGaN材料，衬底的加热温度升至900至1200°C，III族氮化物结晶层的厚度为10至lOOOnm。
5.根据权利要求I所述的氮化铝单晶材料制备方法，其中步骤4中所述的应力协变层是过渡金属IVB族氮化物应力协变层，其材料为TiN、ZrN, HfN, TiZrN, TiHfN, ZrHfN或TiZrHfN,其热膨胀系数高于高熔点单晶衬底和氮化铝，改变衬底的加热温度为300至700°C，应力协变层的厚度为10至lOOOnm。
6.根据权利要求I所述的氮化铝单晶材料制备方法，其中步骤5中所述的III族氮化物自分解解耦合层的材料为InxGai_xN、InxAVxN或InxAlyGai_x_yN，其铟组分x为O. 05至O. 9，制备时改变衬底的加热温度至300至700°C，III族氮化物自分解解耦合层的厚度为5至500nmo
7.根据权利要求I所述的氮化铝单晶材料制备方法，其中步骤6中所述的第一III族氮化物模板层的材料为GaN、AlN或AlGaN，制备时改变衬底的加热温度至300至700°C，第一 III族氮化物模板层厚度为5至500nm。
8.根据权利要求I所述的氮化铝单晶材料制备方法，其中步骤8中所述的第二III族氮化物模板层的材料为GaN、AlN或AlGaN，衬底加热温度升温至900至1200°C，第二 III族氮化物模板层厚度为200至2000nm。
全文摘要
一种氮化铝单晶材料制备方法，包含在衬底上制备一III族氮化物成核层；在III族氮化物成核层上制备一III族氮化物结晶层；在III族氮化物结晶层上制备一应力协变层；在应力协变层上制备一III族氮化物自分解解耦合层；在III族氮化物自分解解耦合层上制备一第一III族氮化物模板层；在第一III族氮化物模板层上制备一第二III族氮化物模板层；在第二III族氮化物模板层上制备一氮化铝厚膜单晶材料层；通过中间工艺制备得到氮化铝单晶片衬底材料。本发明能为研制生产紫外和深紫外半导体光电器件提供低成本大尺寸氮化铝单晶片衬底材料，具有非常好的实用价值和市场推广前景。
文档编号C30B25/16GK102828251SQ20121033265
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者杨少延, 魏鸿源, 焦春美, 刘祥林 申请人:中国科学院半导体研究所