專利名稱:一種通過生長模式調控實現(xiàn)AlN單晶生長的方法
技術領域:
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控實現(xiàn)AlN單晶生長的方法。
背景技術:
氮化鋁(AlN)為直接帶隙半導體材料,具有禁帶寬度寬(6. 2eV)、擊穿場強高(1. 17X107V/cm)、體電阻率高(>1χ10ηΩ · cm)、電子遷移率高(IlOOcm2/ (V · S))、熱導率較高(3. 4ff/ (cm-K))以及所有半導體材料中最高的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、稀磁半導體自旋電子器件等。AlN的理論計算熔點為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。過去數(shù)十年已發(fā)展出幾種AlN晶體生長辦法,主要歸為五類一、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500 1000 μ m/h)和很好的晶體質量(最好樣品的位錯密度低于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 晶。整體反應為AlN (S)=Al (g)+l/2N2 (g),源粉處反應正向進行(升華),坩堝頂部反應逆向進行(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行(電阻或感應加熱),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,隨生長時間延長,多晶化趨勢越發(fā)嚴重,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引起AlN結晶行為的顯著變化。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。其難點之二是生長速率過低,一般情況下只有5 15Mm/h,遠低于SiC單晶、藍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上實現(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單晶材料時生長形貌控制和生長速率提高的雙重要求,以獲得較高質量AlN單晶,特別提供一種通過生長模式調控實現(xiàn)AlN單晶生長的方法。該方法通過反復進行溫度和氣氛壓力的改變,以實現(xiàn)晶體的生長模式反復轉變,從而以較高生長速率獲得較高質量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控,先使AlN晶體處于三維生長模式一段時間,然后轉換到二維生長模式一段時間,以三維生長模式提高生長速率,以二維生長模式彌補三維模式的粗糙化,提高生長表面平坦化程度和結晶完整性,通過生長模式的調控實現(xiàn)AlN單晶的生長。為了達到上述目的,本發(fā)明采取的技術方案是一種通過生長模式調控實現(xiàn)AlN單晶生長的方法,其特征是,該方法依照下列步驟進行
(A).裝爐、脫氣、充氮氣、升溫將籽晶固定在坩堝蓋上,將坩堝蓋、坩堝、保溫套、AlN粉末進行組裝,然后一起裝入感應加熱單晶生長爐;先抽真空,再充氮氣,然后開始升溫;
(B).三維模式生長用紅外高溫計實時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,恒溫恒壓生長時間為8 12小時;
(C).二維模式生長用紅外高溫計實時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,恒溫恒壓生長時間為5 10小時;
(D).順序重復(B)步驟和(C)步驟根據(jù)生長晶體長度,按照順序重復(B)步驟和(C)步驟;
(E).降溫、充氮氣、出爐開始緩慢降溫,直至室溫;充氮氣,直至爐內(nèi)壓力達到大氣壓;打開感應加熱單晶生長爐,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控技術實現(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。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明
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。本方法所充氮氣為高純氮氣,其純度大于99. 99%。實施例參照圖1和圖2,一種通過生長模式調控實現(xiàn)AlN單晶生長的方法依照下列步驟進行
步驟100 (A),裝爐、抽真空、充氮氣、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上下預留紅外高溫計視孔,然后一起裝入感應加熱單晶生長爐中。首先進行抽真空,抽真空過程為先用機械泵抽真空,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)充高純氮氣(純度99. 999%),用壓力控制器控制爐內(nèi)壓力,充氮氣完成后,爐內(nèi)壓力應在800 950mbar范圍內(nèi)。在本實施例中,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,升溫速率應控制在2 8°C /min。在本實施例中,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8、下紅外高溫計9分別實時監(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控制在200 450°C范圍內(nèi),在本實施例中,溫差控制在350°C。用壓力控制器控制爐內(nèi)壓力為480mbar,恒溫恒壓生長時間為10小時。步驟120 (C),二維模式生長用上紅外高溫計8、下紅外高溫計9分別實時監(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控制在200 450°C范圍內(nèi),在本實施例中,溫差控制在350°C。用壓力控制器控制爐內(nèi)壓力為700mbar,恒溫恒壓生長時間為6小時。步驟130 (D),順序重復(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(B)步驟和(C)步驟I 4次。但當次數(shù)多于4次時,因爐內(nèi)溫度梯度變化過大,生長模式控制能力可能變差。在本實施例中重復一次
(B)步驟和(C)步驟。步驟140 (E),降溫、充氮氣、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)。在本實施例中,降溫速率控制在3°C / min,直至室溫;充高純氮氣(99. 999%),直至爐內(nèi)壓力達到大氣壓。打開感應加熱單晶生長爐,取出AlN單晶7。本方法使用的感應加熱單晶生長爐是業(yè)內(nèi)公知的普通設備。生長實踐證明,在特定溫度和氮氣壓力條件下以三維生長模式生長的AlN其特征是首先多點成核,成核點逐漸發(fā)展成六方形島狀,橫向擴展能力與縱向生長能力接近,在橫向擴展的同時,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100 300Mffl/h。在特定溫度和氮氣壓力條件下以二維生長模式生長的AlN其特征是成核點少,橫向擴展能力遠大于縱向生長能力,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。結合三維生長與二維生長,AlN單晶的總體平均生長速率可達50 lOOMm/h。利用本方法可以獲得結晶質量良好的AlN單晶,生長表面平坦,晶體通透,無多晶和宏觀缺陷。拉曼光譜是一種強有力的非破壞性的高靈敏度晶體類型和應力場的表征技術。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,所有AlN材料中均普遍存在。其它四支模分別對應不同的晶體取向,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單晶材料時生長形貌控制和生長速率提高的雙重要求 。
權利要求
1.一種通過生長模式調控實現(xiàn)AlN單晶生長的方法,其特征是,該方法依照下列步驟進行 (A).裝爐、脫氣、充氮氣、升溫將籽晶固定在坩堝蓋上,將坩堝蓋、坩堝、保溫套、AlN粉末進行組裝,然后一起裝入感應加熱單晶生長爐;先抽真空,再充氮氣,然后開始升溫; (B).三維模式生長用紅外高溫計實時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,恒溫恒壓生長時間為8 12小時; (C). 二維模式生長用紅外高溫計實時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,恒溫恒壓生長時間為5 10小時; (D).順序重復(B)步驟和(C)步驟根據(jù)生長晶體長度,按照順序重復(B)步驟和(C)步驟; (E).降溫、充氮氣、出爐開始緩慢降溫,直至室溫;充氮氣,直至爐內(nèi)壓力達到大氣壓;打開感應加熱單晶生長爐,取出AlN單晶。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種通過生長模式調控實現(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)權利要求1所述的一種通過生長模式調控實現(xiàn)AlN單晶生長的方法,其特征是,在所述(A)步驟中,充氮氣完成后,爐內(nèi)壓力應在800 950mbar范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種通過生長模式調控實現(xiàn)AlN單晶生長的方法,其特征是,在所述(A)步驟中,升溫速率應控制在2 8°C /min。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種通過生長模式調控實現(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控制在200 450°C范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種通過生長模式調控實現(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(B)步驟和(C)步驟I 4次。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種通過生長模式調控實現(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)權利要求1所述的一種通過生長模式調控實現(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)權利要求1所述的一種通過生長模式調控實現(xiàn)AlN單晶生長的方法,其特征是,所述充氮氣為高純氮氣,其純度大于99. 99 %。
10.根據(jù)權利要求1所述的一種通過生長模式調控實現(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控實現(xiàn)AlN單晶生長的方法。該方法依照下列步驟進行(A)裝爐、脫氣、充氮氣、升溫;(B)三維模式生長;(C)二維模式生長;(D)順序重復(B)步驟和(C)步驟;(E)降溫、充氮氣、出爐。通過采取變溫變壓生長模式調控技術實現(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:中國電子科技集團公司第四十六研究所