[发明专利]一种同质外延生长氮化铝单晶的方法

说明书

本发明公开了一种同质外延生长氮化铝单晶的方法，将用于生长氮化铝单晶的氮化铝籽晶直接放在坩埚底部，将氮化铝原料放在坩埚中上部，倒置原料区和生长区，避免了传统籽晶粘接工艺带来的粘接剂层有气泡、籽晶表面污染等缺点。在升温阶段，控制生长区温度大于原料区温度，即T2＞T1，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，使T1＞T2，保证了较大传质速率以及晶体生长速率；在降温阶段，再次控制生长区温度大于原料区温度，即T2＞T1，有效的抑制了后期的二次形核，提高了晶体的生长质量。

技术领域

本发明涉及一种同质外延生长氮化铝单晶的方法。

背景技术

氮化铝（AlN）晶体作为第三代半导体的典型材料，具有宽带隙,高电阻率，高热导率，以及高电子漂移速率，同时也具有良好的紫外透过率，高的击穿场强。是制造高温、高频、抗辐射以及大功率器件的理想材料。此外AlN晶体也是作为外延生长GaN、AlGaN等Ⅲ族氮化物的最佳衬底材料，与常见SiC衬底、蓝宝石衬底相比，AlN与GaN的晶格失配、热失配都相对更小。目前AlN晶体的制备方法主要有物理气相传输法（PVT）、氢化物气相外延法（HVPE）、金属有机化合物气相沉积法（MOCVD）等。其中物理气相传输法（PVT）是目前生长大尺寸高质量氮化铝晶体最常用的方法，其基本过程是将氮化铝原料通过在坩埚内加热，使其分解升华，然后再低温区沉积结晶成氮化铝晶体。

法经过不断发展，现今更常采用的是以自发形核获取的晶粒经过切割、化学机械抛光后做成的晶片为籽晶进行同质外延生长。以AlN衬底进行同质外延生长可以有效制备出位错极少，应力小的高质量单晶。现有的生长方法大多是将氮化铝原料放置在坩埚底部，将氮化铝籽晶粘接在坩埚盖处，对坩埚进行加热来生长出氮化铝单晶。

这种方法对籽晶的处理要求非常高，籽晶经过处理后的表面损伤层会导致在外延生长时晶体位错增多，籽晶粘接采用的粘接剂所造成的气孔也会在外延生长时传递到生长晶体中，导致晶体出现孔隙或者裂纹，籽晶粘接不当往往是导致同质外延生长失败的主要原因，籽晶粘接的技术已经成为阻碍相关科研单位的技术壁垒。因此如何解决PVT法同质外延生长氮化铝单晶中的籽晶粘接问题成为制约下游氮化铝相关电子器件产业发展的关键因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种同质外延生长氮化铝单晶的方法，可以有效的避免氮化铝同质外延生长过程中氮化铝籽晶粘接造成的籽晶污染、生长晶体质量差等问题，能够制备出高质量大尺寸的氮化铝单晶。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种同质外延生长氮化铝单晶的方法，包括以下步骤：

（1）将氮化铝籽晶放入坩埚中，并在所述坩埚中放入氮化铝原料，氮化铝籽晶所在的区域为生长区，氮化铝原料所在的区域为原料区，原料区位于生长区的上方，将所述坩埚放入炉体中，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60-100Kpa，原料区的温度为T1，生长区的温度为T2，加热所述坩埚，同时对生长区和原料区进行升温，在此过程中保持T2＞T1；

（2）保持所述炉体中的氮气气压为60-100Kpa，加热所述坩埚，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℃；保温一段时间；

（3）保持所述炉体中的氮气气压为60-100Kpa，对生长区和原料区同时进行升温，当T2升至2100-2400℃时，此时T1＞T2，控制两者之间的温差为50-200℃；

（4）抽取所述炉体中的高纯氮气，使所述炉体中的氮气气压为30-60Kpa，保持 T2为2100-2400℃，T1＞T2，两者之间的温差为50-200℃；保温一段时间；