[发明专利]一种利用PVT法在SiC籽晶上异质生长AlN的方法

说明书

本发明公布了一种利用物理气相输运法在SiC籽晶上异质生长AlN的方法，设计包含蒸气饱和微腔的坩埚结构，微腔内部可抽真空和充气；在AlN生长初期，通过采用蒸气饱和微腔抑制初期SiC的正向分解升华并实现AlN的生长，通过留有微弱气孔的粘接剂覆盖抑制初期SiC的侧向升华，AlN多晶隔离片逐渐背升华并沉积在SiC表面；多晶隔离片升华消失后，AlN源粉处升华得到的Al原子输运至生长表面；在AlN多晶隔离片和AlN粘接剂升华之后，在SiC籽晶上的AlN层覆盖，SiC侧面的AlN粘接剂升华离开坩埚区域，使得SiC侧向升华分解，SiC籽晶层逐步消失，由此得到无SiC的AlN籽晶。采用本发明方法可制得单晶率高、杂质含量低的无裂纹的AlN籽晶。

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，尤其涉及一种利用物理气相输运法(PVT法)在SiC籽晶上异质生长AlN的方法。

背景技术

AlN(氮化铝)与高Al组分AlGaN(铝镓氮)之间的晶格失配和热失配非常小，高质量的AlN单晶作为同质或近同质外延衬底，能够显著减少外延层位错密度从而提高晶格质量，因此，目前AlN单晶已经成为外延生长AlN和AlGaN结构制作深紫外光学元件的最优衬底。同时，AlN单晶具有很多优良特性，包括高击穿场强、高热导率、高硬度、电学性能优异等，是制备高温高频等极端条件下工作的功率电子器件的重要衬底材料之一。

目前国际上成功实现AlN单晶衬底的生长方法大多是物理气相输运法(PVT法，基本原理是AlN源粉在坩埚底部高温处升华得到Al原子，在富氮气环境下，通过输运在坩埚顶部低温处结晶形成AlN晶体，具有晶体质量高、生长速率快的优点)。由于缺乏AlN籽晶，采用PVT法生长AlN单晶首先需要在SiC单晶上异质生长得到同尺寸的AlN籽晶，或者利用自发形核得到一个尺寸较小的AlN籽晶，后者需继续进行PVT同质晶体扩径得到大尺寸AlN单晶，而这种技术路线生长AlN单晶衬底非常困难。同时，前者在SiC上生长AlN的方法也存在一定技术难度，主要是SiC的分解控制较难。由于AlN的生长腔室是Al原子和氮气的气氛环境，没有SiC的生长气氛，故当温度高于1800℃，SiC在负的过饱和度下容易分解。如果SiC衬底在生长初期发生剧烈分解，其无法作为合格的平坦衬底层，同时过量的Si和C杂质也对AlN的单晶形核生长有不好的影响，容易诱导生成其它晶型或非晶结构。另一方面，在SiC上异质生长的AlN层由于降温过程中与SiC层的热失配问题，会导致AlN层的严重开裂，难以切割下来得到完整尺寸的AlN籽晶。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供一种利用物理气相输运法(PVT法)在SiC籽晶上异质生长AlN的新方法，是一种利用蒸气饱和微腔和AlN粘接剂(主要成分为AlN粉，类似AlN源粉可升华)抑制SiC初期分解升华同时促进SiC的中后期升华来制备大尺寸AlN籽晶的生长的技术，能够显著改善在SiC单晶上异质生长得到同尺寸AlN籽晶的现有方法存在的AlN籽晶的单晶率低、杂质含量高、晶体质量不佳和存在裂纹等问题。

本发明制备AlN籽晶的方法区别于现有技术的核心是：利用SiC的升华分解特性，采用蒸气饱和微腔抑制初期SiC的正向升华并同时实现AlN的生长，通过粘接剂覆盖抑制初期SiC的侧向升华(粘接剂通常留有微弱的气孔，确保微腔内部可以抽真空和充气)；在AlN多晶隔离片和AlN粘接剂升华之后的生长中期，实现AlN的继续正向生长和SiC的侧向升华分解，最终得到无SiC的AlN籽晶。

本发明提供的技术方案是：

一种利用物理气相输运法(PVT法)在SiC籽晶上异质生长AlN的方法，设计包含蒸气饱和微腔的坩埚结构，其中蒸气为Si和C及其化合物的蒸气；在AlN生长初期分别通过采用坩埚的蒸气饱和微腔和AlN粘接剂抑制SiC正向和侧向的分解升华，AlN多晶隔离片逐渐背升华并沉积在SiC表面，多晶隔离片升华消失后，AlN源粉处升华得到的Al原子可直接输运至生长表面；而后在生长中期在SiC籽晶上已有AlN层覆盖的情况下，SiC侧面的AlN粘接剂已升华离开坩埚区域，这促使SiC的侧向升华分解，SiC籽晶层逐步消失，只留下继续生长的AlN单晶层。