[发明专利]一种大温差晶体生长炉及制备高质量氮化铝单晶的方法

权利要求书

1.一种大温差晶体生长炉，其特征在于，包括：坩埚托台，放置于坩埚托台上的坩埚，用于加热坩埚底部的加热器，用于冷却坩埚顶部的伸入式水冷壁，以及围绕坩埚布置的坩埚保温部件；其中，所述伸入式水冷壁自炉体水冷壁向下延伸并靠近坩埚顶部，所述坩埚保温部件用于阻隔所述伸入式水冷壁与加热器之间的热传输，以及对坩埚进行保温，所述坩埚托台为可移动式坩埚托台，用于托举坩埚在竖直方向上下移动并精确控制坩埚的轴向位置；还包括上下温度监控仪，用于监测所述坩埚上下表面中心处的温度。

2.如权利要求1所述的大温差晶体生长炉，其特征在于，所述伸入式水冷壁包括伸入部，连接伸入部与炉体水冷壁的连接部，以及用于驱动伸入部在竖直方向上下移动的驱动部；其中，所述连接部为可变形连接部。

3.如权利要求1所述的大温差晶体生长炉，其特征在于，所述加热器的结构为编织网或板式结构，加热方式为感应加热或电阻加热，加热形式为底部加热、侧部加热或组合式加热形式。

4.如权利要求1所述的大温差晶体生长炉，其特征在于，所述坩埚保温部件由耐高温的金属材料或陶瓷材料制成，其热导率小于10W/(m·K)，耐受温度大于1500℃。

5.如权利要求4所述的大温差晶体生长炉，其特征在于，所述坩埚保温部件套装于所述坩埚侧部，并与坩埚外侧壁形成间距，所述间距小于坩埚半径。

6.如权利要求1或4或5所述的大温差晶体生长炉，其特征在于，所述坩埚保温部件阻隔所述伸入式水冷壁与加热器之间的热传输，使得坩埚顶部与底部之间形成大于300℃的温差。

7.一种制备高质量氮化铝单晶的方法，基于如权利要求1-6任一项所述的大温差晶体生长炉进行氮化铝单晶制备，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，在坩埚底部装配氮化铝原料，在坩埚顶部装配衬底，通过可移动式坩埚托台将坩埚移至高埚位；

步骤二，通过加热器升温并通入高纯氮气，所述坩埚内部形成大温差分布，使得所述衬底处温度小于1800℃，所述原料处温度大于1900℃，且两处位置之间的温差大于300℃，所述衬底表面形成可控的低速沉积速率，并保温一段时间，形成高质量初始层；

步骤三，通过所述可移动式坩埚托台将所述坩埚移至低埚位，所述衬底处的温度随埚位下降而上升，进而所述衬底处的沉积速率大幅提升而形成高速c向生长，保温一段时间；

步骤四，降温，取出制备的氮化铝单晶锭。

8.如权利要求7所述的制备高质量氮化铝单晶的方法，其特征在于，步骤二中，所述低速沉积速率小于20μm/h。

9.如权利要求7所述的制备高质量氮化铝单晶的方法，其特征在于，步骤一中，所述衬底包括但不限于蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氮化铝、氮化钪、氮化硼块状晶体材料，或是外延有III族氮化物半导体薄膜的模板材料，或钨、钽、钼、碳化钽金属材料。

10.如权利要求7-9任一项所述的制备高质量氮化铝单晶的方法，其特征在于，所述高埚位和低埚位的位置参数基于数值模拟仿真技术计算温度场、传质场、生长速率参数后获取，并基于实际制备经验参数确定；制备过程中，通过选取不同的埚位参数和升降温调控控制不同生长速率进行长晶。