技術領域

本發明涉及一種氮化鋁單晶生長方法。

背景技術：

氮化鋁晶體屬于第三代半導體材料，具有高的禁帶寬度（6.2eV）、高的擊穿場強、高的電子遷移率、高的體電阻率、高的熱導率、熱穩定性好、耐腐蝕、耐輻射等優良的物理和化學性能，廣泛應用于高頻、微波功率器件、紫外探測器、深紫外LED和GaN襯底材料等領域。

大量研究表明，物理氣相傳輸法（PVT）是生長大尺寸氮化鋁單晶最有效的方法。即材料在高溫區升華成氣態，在溫度梯度的驅動下，氣態擴散和運輸，在低溫區生長晶體。PVT法生長氮化鋁晶體既可以采用異質襯底形核，也可以采用同質自發形核或同質襯底形核。

一般來說，采用物理氣相傳輸法制備氮化鋁晶體時，用氮化鋁單晶作為籽晶材料同質生長可以獲得大尺寸高質量的氮化鋁單晶。然而，國內外相關的研究機構對氮化鋁晶體生長的研究仍處于探索性階段，技術很不成熟。

通常自發形核生長的氮化鋁單晶質量要高于異質形核。但是由于坩堝材料（TaC、W等）或者異質襯底材料（SiC晶片）均與氮化鋁晶體存在熱失配和晶格失配問題。因而最終得到的氮化鋁晶體總是會出現空洞、裂紋、位錯等缺陷。為了獲得高質量、大尺寸、甚至無缺陷的氮化鋁單晶，必須尋求新的工藝。如何控制PVT法生長氮化鋁晶體過程中的溫度場及壓力場參數，仍屬于較難解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種氮化鋁單晶生長方法，通過控制長晶溫度和壓力曲線，在氮化鋁燒結體表面生長高質量大尺寸的氮化鋁單晶。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種氮化鋁單晶生長方法，包括以下步驟：

（1）將氮化鋁燒結體放入坩堝中，并將所述坩堝置于密閉的爐體中，在所述爐體中設置用于為所述坩堝加熱的加熱機構、用于為所述爐體抽真空的抽真空機構、用于為所述爐體通入高純氮氣的氮氣輸入機構、用于測量所述坩堝溫度的測溫機構；

（2）通過所述氮氣輸入機構向所述爐體中通入高純氮氣至60-90Kpa，同時通過所述加熱機構在3-5小時內將所述坩堝底部加熱至1950-2050℃；

（3）通過所述加熱機構的熱場設計，使所述坩堝底部的溫度高于所述坩堝頂部的溫度；設置使得所述測溫機構包括用于測量所述坩堝頂部溫度的第一測量器、用于測量所述坩堝底部溫度的第二測量器；

（4）通過所述抽真空機構對所述爐體抽真空，使所述爐體中的氣壓降至30-50Kpa，同時通過所述加熱機構在0.5-1.5小時內將所述坩堝底部加熱至2050-2200℃；

（5）調節所述坩堝的上下位置，所述第二測量器的讀數與所述第一測量器的讀數差值為A，所述氮化鋁燒結體頂部至所述坩堝頂部的距離為B，使得：

A/B=1-3℃/mm；

（6）通過所述氮氣輸入機構向所述爐體中通入高純氮氣至40-60Kpa，同時通過所述加熱機構保持所述坩堝底部溫度為2050-2200℃，維持10-150小時；通過物理氣相傳輸法，所述氮化鋁燒結體部分升華后在所述氮化鋁燒結體表面處形成氮化鋁單晶。

優選地，在所述步驟（1）中，將氮化鋁粉末放入所述坩堝中，通過所述加熱機構將所述坩堝底部加熱至1900-1950℃，以得到所述氮化鋁燒結體。

優選地，在所述步驟（2）中，所述加熱機構在4小時內以8.5-10℃/min的升溫速率將所述坩堝底部溫度加熱至1950-2050℃。

優選地，在所述步驟（4）中，所述加熱機構在1小時內以2.5-4℃/min的升溫速率將所述坩堝底部溫度加熱至2050-2200℃。

優選地，在所述步驟（5）中，調節所述坩堝的上下位置，使得：A/B=2℃/mm。

優選地，在所述步驟（6）中，通過所述加熱機構保持所述坩堝底部溫度為2050-2200℃，維持50-100小時。

優選地，在所述步驟（6）中，所述氮化鋁燒結體升華為氣態鋁和氮氣，在所述坩堝頂部和所述氮化鋁燒結體頂部之間溫度梯度的驅動下，所述氣態鋁和所述氮氣在所述氮化鋁燒結體表面處形成所述氮化鋁單晶。

優選地，在所述步驟（6）之后，在0-50小時內以0.5-1.5℃/min的降溫速率將所述坩堝降至室溫。

優選地，所述坩堝呈圓柱形，所述坩堝由鎢材料制成，所述坩堝的高度為60-100mm，橫截面直徑為50-80mm，厚度為2-4mm。

更優選地，在所述步驟（1）中，將所述氮化鋁燒結體放入所述坩堝底部的圓心處，使所述氮化鋁燒結體和所述坩堝內壁之間的距離為5-10mm。

由于上述技術方案的運用，本發明與現有技術相比具有下列優點：本發明一種氮化鋁單晶生長方法，長晶時的溫度曲線和壓力曲線簡單可控；在氮化鋁燒結體表面進行長晶，生長得到的氮化鋁單晶體內部幾乎無缺陷；通過采用鎢材料制備坩堝，雜質引入極少；能夠得到最大尺寸為厘米級的氮化鋁單晶；長晶成本較低。

附圖說明

附圖1為本發明方法中涉及的坩堝的結構示意圖；

附圖2為本發明方法制得的氮化鋁單晶的拉曼光譜；

附圖3為掃描電鏡下的本發明方法制得的氮化鋁單晶晶體形態；

附圖4為掃描電鏡下的本發明方法制得的氮化鋁單晶的不同面交界處的表面形貌。

其中：1、坩堝蓋；2、坩堝；3、氮化鋁燒結體；4、坩堝底部；5、坩堝頂部；6、氮化鋁單晶。

具體實施方式

下面結合附圖來對本發明的技術方案作進一步的闡述。

下面是一種氮化鋁單晶生長方法的一個具體實施例，包括以下步驟：

（1）將氮化鋁粉末放入坩堝2中，并將坩堝2置于密閉的爐體中，在爐體中設置用于為坩堝2加熱的加熱機構、用于為爐體抽真空的抽真空機構、用于為爐體通入高純氮氣的氮氣輸入機構、用于測量坩堝2溫度的測溫機構；選用的氮化鋁粉末的純度至少為99.9%；選用的高純氮氣的純度至少為99.999%；

（2）對坩堝2中的氮化鋁粉末做壓實處理，通過加熱機構將坩堝底部4加熱至1900-1950℃，以得到氮化鋁燒結體3；該步驟是為了去除氮化鋁粉末中的氧雜質和碳雜質，為后續長晶提供優質的氮化鋁原料；制得的氮化鋁燒結體3形狀接近于圓柱體，對其切割后獲得高度為10-50mm的長晶原料；

（3）選取坩堝2為圓柱形（參見圖1），且坩堝2整體由鎢材料制成，在本實施例中，該坩堝2的高度為80mm，橫截面直徑為60mm，厚度為3mm；將切割后的長晶原料放入坩堝底部4的圓心處，使其與坩堝2內壁之間的距離為5-10mm，并蓋上坩堝蓋1，在本實施例中，坩堝蓋1為平頂坩堝蓋1，坩堝蓋1表面經過拋光處理，表面粗糙度約為幾個微米；

（4）通過氮氣輸入機構向爐體中通入高純氮氣至80Kpa，同時通過加熱機構在4小時內以8.5-10℃/min的升溫速率將坩堝底部4加熱至1950-2050℃；

（5）通過該加熱機構的熱場設計，使坩堝底部4的溫度高于坩堝頂部5的溫度；設置使得測溫機構包括用于測量坩堝頂部5溫度的第一測量器、用于測量坩堝底部4溫度的第二測量器；在本實施例中，該加熱機構為感應加熱線圈，調整坩堝底部4的位置使其位于感應加熱線圈的高溫點處；該第一測量器為用于照射坩堝頂部5以測溫的第一紅外高溫計，該第二測量器為用于照射坩堝底部4以測溫的第二紅外高溫計；

（6）通過抽真空機構對爐體抽真空，使爐體中的氣壓降至40Kpa，在本實施例中，該抽真空機構包括與爐體連通的用于抽低真空的機械泵、與爐體連通的用于抽高真空的分子泵；同時通過加熱機構在1小時內以2.5-4℃/min的升溫速率將坩堝底部4加熱至2050-2200℃；

（7）在爐體內設置可上下運動的運動機構，將坩堝2可拆卸的裝設于該運動機構頂部，通過該運動機構調節坩堝2的上下位置，第二測量器的讀數與第一測量器的讀數差值為A，氮化鋁燒結體3頂部至坩堝頂部5的距離為B，調節坩堝2的高度使得：A/B=2℃/mm；

（8）通過氮氣輸入機構向爐體中通入高純氮氣至40-60Kpa，同時通過加熱機構保持坩堝底部4溫度為2050-2200℃，維持50-100小時；氮化鋁燒結體3在高溫下升華為氣態鋁和氮氣，在坩堝頂部5和氮化鋁燒結體3頂部之間溫度梯度的驅動下，通過物理氣相傳輸法，氣態物質擴散和傳輸，氣態鋁和氮氣在氮化鋁燒結體3表面處形成氮化鋁單晶6。

（9）在50小時內以0.5-1.5℃/min的降溫速率將坩堝2降至室溫。

通過本發明方法制備的氮化鋁單晶6，經檢測，尺寸最大可達到厘米級，XRD衍射及拉曼圖譜分析結果表明，晶體半高寬為5.5cm^-1(參見圖2)，晶體取向非常明顯（參見圖3），符合氮化鋁六方纖鋅礦結構，SEM數據表明結晶形貌非常規整，質量高（參見圖4）。而且，晶體生長形核點位于氮化鋁燒結體3表面，不會產生由于不同材料的晶格失配造成缺陷影響后續長晶質量的問題。

上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并加以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍，凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍內。