專利名稱：一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單晶的生長方法，特別是涉及一種采用物理氣相傳輸法通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法。
背景技術(shù)：
氮化鋁(AlN)為直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度寬(6. 2eV)、擊穿場強(qiáng)高(1. 17X107V/cm)、體電阻率高(>1χ10ηΩ · cm)、電子遷移率高(IlOOcm2/ (V · S))、熱導(dǎo)率較高(3. 4ff/ (cm-K))以及所有半導(dǎo)體材料中最高的BHFM、KFM和JFM優(yōu)值指數(shù)，還具有熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕和耐輻射等優(yōu)良的物理和化學(xué)性能。氮化鋁具有所有III族氮化物晶體中最小的晶格常數(shù)，生長在AlN上的所有InAlGaN組分都處于壓應(yīng)力狀態(tài)。AlN與GaN的熱膨脹系數(shù)最為接近，集成熱膨脹系數(shù)失配在接近1000°C時(shí)近似為零。在AlN單晶襯底上很容易生長無裂紋全組分InAlGaN外延層，大幅降低位錯(cuò)和缺陷密度，極大地提高器件性能和使用壽命。因此，AlN單晶具備成為GaN基微波功率器件、高靈敏日盲型紫外探測器、深紫外發(fā)光二極管、激光二極管器件最佳襯底材料的潛力，同時(shí)可用于制作聲表面波諧振器和濾波器、太赫茲發(fā)射和接收器件、稀磁半導(dǎo)體自旋電子器件等。AlN的理論計(jì)算熔點(diǎn)為2800°C(20 Mpa壓力下)，在通常壓力條件下熔融生長晶體不現(xiàn)實(shí)。過去數(shù)十年已發(fā)展出幾種AlN晶體生長辦法，主要?dú)w為五類一、物理氣相傳輸法；
二、氫化物氣相外延生長法；三、氨化法；四、熔鹽生長法；五、鋁金屬直接氮化法。物理氣相傳輸法(PVT法，也稱升華法)現(xiàn)已成為AlN單晶生長的主流方法之一，該法有較高的生長速率(最高可達(dá)500 1000 μ m/h)和很好的晶體質(zhì)量(最好樣品的位錯(cuò)密度低于1000cm_2，搖擺曲線FWHM介于10 30 arcsec之間)。在PVT法晶體生長過程中，AlN粉末源放置在坩堝下方(溫度相對較高)，升華成氣態(tài)分子片段Al、N2，然后傳輸至坩堝上部(溫度相對較低)，在襯底或籽晶上再次結(jié) 晶。整體反應(yīng)為AlN (S)=Al (g)+l/2N2 (g),源粉處反應(yīng)正向進(jìn)行(升華)，坩堝頂部反應(yīng)逆向進(jìn)行(凝華)。AlN粉末通常在1800°C開始升華。為了在高生長速率(大于200Mm/h)下獲得高質(zhì)量的AlN晶體，需要高溫(大于2100°C)。晶體生長過程通常在石墨或鎢加熱爐中進(jìn)行(電阻或感應(yīng)加熱)，也可采用微波加熱系統(tǒng)。AlN單晶的PVT法生長極其困難。其難點(diǎn)之一就是單晶生長過程中生長模式難以控制，可能在小丘、三維島狀、二維平層狀、二維螺旋狀、一維針狀、一維枝狀等多種生長形貌間變動(dòng)，隨生長時(shí)間延長，多晶化趨勢越發(fā)嚴(yán)重，很難獲得完整的單晶。不同的生長溫度和生長壓力對AlN單晶的成核長大過程和生長形態(tài)影響巨大。溫度和壓力的輕微變化會(huì)引起AlN結(jié)晶行為的顯著變化。選擇合適的生長窗口，即合適的生長溫度和生長壓力，是AlN單晶生長首要解決的問題。其難點(diǎn)之二是生長速率過低，一般情況下只有5 15Mm/h，遠(yuǎn)低于SiC單晶、藍(lán)寶石單晶的生長速率，以至造成AlN單晶產(chǎn)品化能力低下。如何在保證一定生長速率的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)較理想的AlN單晶化生長一直是研究者的不懈追求
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了滿足物理氣相傳輸法生長AlN單晶材料時(shí)生長形貌控制和生長速率提高的雙重要求，以獲得較高質(zhì)量AlN單晶，特別提供一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法。該方法通過反復(fù)進(jìn)行溫度和氣氛壓力的改變，以實(shí)現(xiàn)晶體的生長模式反復(fù)轉(zhuǎn)變，從而以較高生長速率獲得較高質(zhì)量AlN單晶。在不同溫度和壓力條件下，AlN晶體的生長模式不同、形貌不同、生長速率不同，通過對生長溫度和壓力的調(diào)控，先使AlN晶體處于三維生長模式一段時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換到二維生長模式一段時(shí)間，以三維生長模式提高生長速率，以二維生長模式彌補(bǔ)三維模式的粗糙化，提高生長表面平坦化程度和結(jié)晶完整性，通過生長模式的調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶的生長。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法，其特征是，該方法依照下列步驟進(jìn)行
(A).裝爐、脫氣、充氮?dú)?、升溫將籽晶固定在坩堝蓋上，將坩堝蓋、坩堝、保溫套、AlN粉末進(jìn)行組裝，然后一起裝入感應(yīng)加熱單晶生長爐；先抽真空，再充氮?dú)猓缓箝_始升溫；
(B).三維模式生長用紅外高溫計(jì)實(shí)時(shí)測量坩堝蓋和坩堝下部的溫度，控制籽晶處溫度為1650 1800°C，控制爐內(nèi)壓力為400 550 mbar，恒溫恒壓生長時(shí)間為8 12小時(shí)；
(C).二維模式生長用紅外高溫計(jì)實(shí)時(shí)測量坩堝蓋和坩堝下部的溫度，控制籽晶處溫度為1700 1900°C，控制爐內(nèi)壓力為600 800 mbar，恒溫恒壓生長時(shí)間為5 10小時(shí)；
(D).順序重復(fù)(B)步驟和(C)步驟根據(jù)生長晶體長度，按照順序重復(fù)(B)步驟和(C)步驟；
(E).降溫、充氮?dú)?、出爐開始緩慢降溫，直至室溫；充氮?dú)?，直至爐內(nèi)壓力達(dá)到大氣壓；打開感應(yīng)加熱單晶生長爐，取出AlN單晶。本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果是通過采取變溫變壓生長模式調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 AlN晶體的三維島狀生長模式和二維平`層狀生長模式的結(jié)合，既利用三維島狀模式提高了生長速率，又利用二維平層狀模式保持了生長表面的平整和連續(xù)，有利于生長高質(zhì)量AlN單晶材料，也有助于解決了 AlN單晶產(chǎn)品化能力低下問題。


圖1是本發(fā)明工藝流程 圖2是本發(fā)明AlN單晶生長系統(tǒng)示意 圖3是本發(fā)明所生長AlN單晶樣品的激光拉曼光譜圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
本方法采用的坩堝3為帶有TaC涂層的高密度石墨坩堝，坩堝蓋2為帶有TaC涂層的高密度石墨蓋，保溫套4由保溫石墨硬氈和石墨軟氈加工而成。本方法采用的AlN粉末為高純AlN粉，純度在99. 9%以上，粒度在2Mm Imm之間。本方法所充氮?dú)鉃楦呒兊獨(dú)猓浼兌却笥?9. 99%。實(shí)施例參照圖1和圖2，一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法依照下列步驟進(jìn)行
步驟100 (A)，裝爐、抽真空、充氮?dú)?、升溫將AlN籽晶I (或SiC籽晶)固定在坩堝蓋2上，將坩堝蓋2、坩堝3、保溫套4、高純AlN粉末5(純度99. 99%)進(jìn)行組裝。參照圖2，先將高純AlN粉末5裝入坩堝3中，蓋上坩堝蓋2，再裝入保溫套4中，保溫套4上下預(yù)留紅外高溫計(jì)視孔，然后一起裝入感應(yīng)加熱單晶生長爐中。首先進(jìn)行抽真空，抽真空過程為先用機(jī)械泵抽真空，然后用分子泵抽真空，直至爐內(nèi)壓力降到lX10_4mbar以下。然后以500ml/min流量向爐內(nèi)充高純氮?dú)?純度99. 999%),用壓力控制器控制爐內(nèi)壓力，充氮?dú)馔瓿珊?，爐內(nèi)壓力應(yīng)在800 950mbar范圍內(nèi)。在本實(shí)施例中，爐內(nèi)壓力升到900mbar。給線圈6加電，開始升溫，緩增功率，緩慢升溫，升溫速率應(yīng)控制在2 8°C /min。在本實(shí)施例中，升溫速率控制在5°C /min。步驟110 (B)，三維模式生長用上紅外高溫計(jì)8、下紅外高溫計(jì)9分別實(shí)時(shí)監(jiān)測坩堝蓋和坩堝下部的溫度，控制籽晶I處溫度為1750°C，坩堝蓋和坩堝下部溫差應(yīng)控制在200 450°C范圍內(nèi)，在本實(shí)施例中，溫差控制在350°C。用壓力控制器控制爐內(nèi)壓力為480mbar，恒溫恒壓生長時(shí)間為10小時(shí)。步驟120 (C)，二維模式生長用上紅外高溫計(jì)8、下紅外高溫計(jì)9分別實(shí)時(shí)監(jiān)測坩堝蓋和坩堝下部的溫度，控制籽晶I處溫度為1820°C，坩堝蓋和坩堝下部溫差應(yīng)控制在200 450°C范圍內(nèi)，在本實(shí)施例中，溫差控制在350°C。用壓力控制器控制爐內(nèi)壓力為700mbar，恒溫恒壓生長時(shí)間為6小時(shí)。步驟130 (D)，順序重復(fù)(B)步驟和(C)步驟(B)步驟AlN晶體生長長度大約為I 3mm，(C)步驟AlN晶體生長長度大約為O. 12 O. 3mm。如需生長更長的AlN晶體，可按照順序(三維生長在前，二維生長在后)重復(fù)(B)步驟和(C)步驟I 4次。但當(dāng)次數(shù)多于4次時(shí)，因爐內(nèi)溫度梯度變化過大，生長模式控制能力可能變差。在本實(shí)施例中重復(fù)一次
(B)步驟和(C)步驟。步驟140 (E)，降溫、充氮?dú)?、出爐逐漸降低加熱功率，開始降溫，降溫速率控制在2°C 5°C / min范圍內(nèi)。在本實(shí)施例中，降溫速率控制在3°C / min，直至室溫；充高純氮?dú)?99. 999%)，直至爐內(nèi)壓力達(dá)到大氣壓。打開感應(yīng)加熱單晶生長爐，取出AlN單晶7。本方法使用的感應(yīng)加熱單晶生長爐是業(yè)內(nèi)公知的普通設(shè)備。生長實(shí)踐證明，在特定溫度和氮?dú)鈮毫l件下以三維生長模式生長的AlN其特征是首先多點(diǎn)成核，成核點(diǎn)逐漸發(fā)展成六方形島狀，橫向擴(kuò)展能力與縱向生長能力接近，在橫向擴(kuò)展的同時(shí)，生長方向上也快速增高，最終各孤島互連，形成完整晶體。三維生長模式下生長速率相對快速，可達(dá)100 300Mffl/h。在特定溫度和氮?dú)鈮毫l件下以二維生長模式生長的AlN其特征是成核點(diǎn)少，橫向擴(kuò)展能力遠(yuǎn)大于縱向生長能力，生長面平坦，高度差極小，晶體缺陷少，完整性好。二維生長模式下生長速率相對較慢，大約為2(T50Mffl/h。結(jié)合三維生長與二維生長，AlN單晶的總體平均生長速率可達(dá)50 lOOMm/h。利用本方法可以獲得結(jié)晶質(zhì)量良好的AlN單晶，生長表面平坦，晶體通透，無多晶和宏觀缺陷。拉曼光譜是一種強(qiáng)有力的非破壞性的高靈敏度晶體類型和應(yīng)力場的表征技術(shù)。生長后AlN單晶樣品的激光拉曼光譜如圖3所示，所測AlN單晶的拉曼譜在244、652和886 CnT1出現(xiàn)峰值，分別對應(yīng)E21模、E22模和Al (LO)模，未見到Al (TO)模、El (TO)模和El (LO)模。E21模和E22模與晶向無關(guān)，所有AlN材料中均普遍存在。其它四支模分別對應(yīng)不同的晶體取向，Al (LO)模只出現(xiàn)在AlN晶體的
方向。 El (TO)模的頻率FWHM為
7.5cm-10拉曼譜說明所生長的AlN的晶型是典型的六方纖鋅礦2H晶型，生長面為正晶向c面。譜圖中未見到雜質(zhì)相的拉曼模，說明晶體非常純凈。本發(fā)明滿足了物理氣相傳輸法生長AlN單晶材料時(shí)生長形貌控制和生長速率提高的雙重要求 。
權(quán)利要求
1.一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法，其特征是，該方法依照下列步驟進(jìn)行 (A).裝爐、脫氣、充氮?dú)狻⑸郎貙⒆丫Ч潭ㄔ谯釄迳w上，將坩堝蓋、坩堝、保溫套、AlN粉末進(jìn)行組裝，然后一起裝入感應(yīng)加熱單晶生長爐；先抽真空，再充氮?dú)?，然后開始升溫； (B).三維模式生長用紅外高溫計(jì)實(shí)時(shí)測量坩堝蓋和坩堝下部的溫度，控制籽晶處溫度為1650 1800°C，控制爐內(nèi)壓力為400 550 mbar，恒溫恒壓生長時(shí)間為8 12小時(shí)； (C). 二維模式生長用紅外高溫計(jì)實(shí)時(shí)測量坩堝蓋和坩堝下部的溫度，控制籽晶處溫度為1700 1900°C，控制爐內(nèi)壓力為600 800 mbar，恒溫恒壓生長時(shí)間為5 10小時(shí)； (D).順序重復(fù)(B)步驟和(C)步驟根據(jù)生長晶體長度，按照順序重復(fù)(B)步驟和(C)步驟； (E).降溫、充氮?dú)狻⒊鰻t開始緩慢降溫，直至室溫；充氮?dú)?，直至爐內(nèi)壓力達(dá)到大氣壓；打開感應(yīng)加熱單晶生長爐，取出AlN單晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法，其特征是，在所述(A)步驟中，抽真空過程為先用機(jī)械泵抽真空，然后用分子泵抽真空，直至爐內(nèi)壓力降到2 X lCr4mbar以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法，其特征是，在所述(A)步驟中，充氮?dú)馔瓿珊?，爐內(nèi)壓力應(yīng)在800 950mbar范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法，其特征是，在所述(A)步驟中，升溫速率應(yīng)控制在2 8°C /min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法，其特征是，在所述(B)、(C)步驟中，坩堝蓋和坩堝下部溫差應(yīng)控制在200 450°C范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法，其特征是，在所述(D)步驟中，按照順序重復(fù)(B)步驟和(C)步驟I 4次。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法，其特征是，在所述(E)步驟中，降溫速率控制在2°C 5°C / min范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法，其特征是，所述AlN粉末為高純AlN粉，純度在99. 9%以上，粒度在2Mm Imm之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法，其特征是，所述充氮?dú)鉃楦呒兊獨(dú)?，其純度大?9. 99 %。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法，其特征是，所述坩堝為帶有TaC涂層的石墨坩堝；所述坩堝蓋為帶有TaC涂層的石墨蓋。
全文摘要
本發(fā)明涉及單晶的生長方法，特別是涉及一種通過生長模式調(diào)控實(shí)現(xiàn)AlN單晶生長的方法。該方法依照下列步驟進(jìn)行(A)裝爐、脫氣、充氮?dú)?、升溫?B)三維模式生長；(C)二維模式生長；(D)順序重復(fù)(B)步驟和(C)步驟；(E)降溫、充氮?dú)狻⒊鰻t。通過采取變溫變壓生長模式調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了AlN晶體的三維島狀生長模式和二維平層狀生長模式的結(jié)合，既利用三維島狀模式提高了生長速率，又利用二維平層狀模式保持了生長表面的平整和連續(xù)，有利于生長高質(zhì)量AlN單晶材料，也有助于解決AlN單晶產(chǎn)品化能力低下問題。
文檔編號(hào)C30B29/38GK103060904SQ201310045359
公開日2013年4月24日 申請日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者齊海濤 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所