CN103361729A

CN103361729A - 一种制备p型氮化铝晶体的方法

Info

Publication number: CN103361729A
Application number: CN2012101153679A
Authority: CN
Inventors: 武红磊; 郑瑞生; 闫征; 郑伟; 李萌萌
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2032-04-10
Also published as: CN103361729B

Abstract

本发明属于晶体制备领域，特别涉及一种制备P型氮化铝晶体的方法。本发明提供一种制备P型氮化铝晶体的方法，该方法以碳和硅(其中，碳为受主，硅为施主)作为共掺杂元素，采用独特的工艺，可以实现高空穴浓度P型氮化铝晶体的制备。该方法包括以下两个步骤：(一)、原料的预烧结：选择合适的掺杂剂并与氮化铝原料混合，在保护气氛和一定的温度下，进行烧结成形，并降低其它杂质的含量；(二)、晶体的制备：使用经过预烧结的原料，以碳化硅和氮化铝晶片作衬底，在保护气氛和一定的温度下，通过升华方式来制备P型氮化铝晶体。

Description

一种制备P型氮化铝晶体的方法

技术领域

本发明属于晶体制备领域，特别涉及一种制备P型氮化铝晶体的方法。

背景技术

氮化铝(AlN)晶体是第三代半导体材料的典型代表之一，具有直接宽带隙(6.2eV)、高击穿场强(1.8×10⁶V·cm^-1)、高热导率(3.4W·cm^-1·K^-1)、高化学和热稳定性等优良的性质。氮化铝晶体是制作高效率紫外或深紫外波段的发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的理想材料，可广泛应用于化工、农业、医疗、国防等领域，具有重要的科学研究价值和难以估量的巨大经济效益。实现氮化铝晶体高载流子浓度的N型和P型掺杂，是发展氮化铝基LED和LD固态紫外光电器件的关键。目前，高浓度N型氮化铝晶体已制备出，而高浓度P型氮化铝晶体的制备则未能实现。这已经成为限制氮化铝基光电器件发展的技术瓶颈。

Be、Mg等II族元素，是目前III族氮化物(如：氮化镓)最常用的P型掺杂剂，但是，它们在氮化铝晶体中具有较高的形成能和电离能，无法实现氮化铝的有效P型掺杂。施主-受主共掺杂技术，是目前许多研究者认为是制备P型氮化铝晶体的最有效的途径之一。研究者们提出了碳氧共掺、镁氧共掺的制备方法，但是没有获得理想的结果。因此，亟需发展一种能够结合氮化铝晶体本身特点的方法，来实现高浓度P型氮化铝晶体的制备。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种制备P型氮化铝晶体的方法，该方法以碳和硅(其中，碳为受主，硅为施主)作为共掺杂元素，采用独特的工艺，以实现高浓度P型氮化铝晶体的制备，为发展新型的半导体紫外光电器件提供了保障。

本发明的实施包括：

(1)原料的预烧结

首先，将氮化铝粉料与掺杂剂(碳化硅，石墨和硅的混合物，石墨和碳化硅的混合物，或石墨和氮化硅的混合物)进行充分均匀的混合，其中，加入的掺杂剂质量占原料总质量0.1％至10％；然后，在氮气或氮气与惰性气体的混合气体的氛围内，参考气压范围为0.2～5个大气压，升温至1700～1950℃，烧结一段时间后，降至室温，完成原料的预烧结。预烧结后，氮化铝和掺杂剂形成有固定形状且较为致密多晶陶瓷，与烧结前的原料相比较，体积减小。同时，由于高温下的升华作用，原料中氧等其它杂质的含量也大幅度降低。

(2)晶体的制备

使用预烧结后的原料，并用碳化硅或氮化铝晶片作为衬底，在保护气体(氮气或氮气与惰性气体的混合气体)的氛围下，0.4～10个大气压的气压范围内，升高温度(坩埚底部的温度)至1850～2150℃，保温一段时间后，再降至室温，制备过程完成，在衬底上获得P型氮化铝晶体。其中，在进入保温前的升温阶段，确保衬底的温度比坩埚底部的高5～100℃，而进入保温阶段后，改变生长装置的温度场分布，确保衬底温度比坩埚底部的低10～150℃。

本发明充分利用氮化铝晶体本身的生长特性，选取合适的掺杂剂，具有生长工艺简单、操作性强等优点，具体表现为：生长工艺相对较为简单，对仪器设备的要求不高。本发明为制备高空穴浓度的P型氮化铝晶体提供了有效、可行的方法。

附图说明

图1是本发明实施例中所使用生长装置的剖面示意图

图2是本发明实施例中原料预烧结阶段生长装置内坩埚系统的剖面示意图

图3是本发明实施例中晶体制备阶段生长装置内坩埚系统的剖面示意图

具体实施方式

本发明提供一种制备P型氮化铝晶体的方法。下面举一用本发明制备P型氮化铝晶体的实施例，对本发明进一步说明。

实施例

使用如图1所示的生长装置，该装置包括顶部测温装置(1)、中频感应加热线圈(2)、保温材料(3)、钨坩埚(4)、支撑架(5)、底部测温装置(6)。

第一步，对原料进行预烧结。首先，将20克的氮化铝粉(纯度为99.5％，平均颗粒度为10μm)与0.1克的石墨粉(纯度为99.9％，平均颗粒度为30μm)和0.2碳化硅粉(纯度为99.9％，平均颗粒度为20μm)充分均匀混合；然后，在模具内通过16吨液压机将混合粉末压制成圆柱体；随后，把圆柱状的原料(7)放入钨坩埚(4)内，如图2所示，并放入到生长装置中；将生长装置抽真空至10^-3Pa，再充氮气(纯度为99.999％)至0.8个大气压；利用中频感应加热，缓慢升温至1850℃(坩埚底部的测量温度)，并保温4个小时；最后，缓慢降至室温，结束预烧结过程。预烧结过程完成后，原料变成多晶态陶瓷。原料的直径和高度与预烧结前相比，均略有收缩。

第二步，进行晶体的制备。将预烧结后的原料(8)放置至钨坩埚(4)内，采用碳化硅单晶片作为衬底，并将碳化硅衬底(9)安置于坩埚顶部，如图3所示；随后，将坩埚放置生长设备中；然后，将生长装置抽真空至10^-3Pa，再充氮气(纯度为99.999％)至1个大气压；利用中频感应缓慢升温至1950℃(坩埚底部的测量温度)，这个升温过程中，通过移动支撑架来调整坩埚上下位置的方式，保证衬底的温度比坩埚底部的温度高50℃；随后，保温8个小时，该保温过程中，再次调整坩埚上下位置，使衬底的温度比坩埚底部的温度低60℃；最后，缓慢降至室温，制备过程结束，在碳化硅衬底上，得到厚度在2mm左右的P型氮化铝晶体。

Claims

1.一种制备P型氮化铝晶体的方法，包括以下步骤：(1)在保护气体氛围和一定的温度下，对氮化铝与掺杂剂均匀混合的原料进行烧结成形处理；(2)在保护气体氛围和合适的生长温度下，通过升华方式在衬底上制备P型氮化铝晶体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，使用的掺杂剂可以是碳化硅，石墨与硅的混合物，石墨与碳化硅的混合物或石墨与氮化硅的混合物。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，加入的掺杂剂质量占原料总质量的比例在0.1％至10％之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，使用的保护性气体是氮气或氮气与惰性气体混合气体。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，气氛气压为0.2～5个大气压。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，烧结温度为1700～1950℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，使用的气体为氮气或氮气与惰性气体混合气体。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，气氛气压为0.4～10个大气压。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，生长温度(即坩埚底部的测量温度)为1850～2150℃，

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，使用衬底是碳化硅晶片或氮化铝晶片。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，在生长过程中的升温阶段，衬底温度比坩埚底部温度高5～100℃，保温阶段，衬底温度比坩埚底部温度低10～150℃。