CN104878450A - AlN单晶衬底生产设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种AlN单晶衬底生产设备及其使用方法，其主体是一耐高温坩埚，坩埚分为两个部分：晶体生长室和原料室。晶体生长室侧壁有一氨气或氮气或二者混合气体的气管，与之相对位置有一气体出口；衬底固定于反应室的顶部；原料室底部有一载气气管，原料放置于原料室的底部；生长室和原料室之间由一带孔挡板隔开。坩埚可以由放置于其周围的加热器进行加热，也可以通过坩埚自身直接进行加热。本发明采用大尺寸廉价蓝宝石衬底作为AlN晶体生长的籽晶，解决了PVT设备籽晶昂贵的问题；此外，本设备相比于卤化物气相外延(HVPE)设备而言，生长温度更高，更接近AlN晶体的平衡生长温度，所生长的晶体质量更高。

Description

AlN单晶衬底生产设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及半导体设备制造和半导体材料技术领域，特别是涉及AlN单晶衬底的生产设备及使用方法。

背景技术

GaN，AlN以及二者的合金AlGaN是制作紫外到深紫外波段的发光二极管(LEDs)、激光二极管(LDs)、探测器以及高频、高温、大功率电子器件的优良材料。由于缺乏同质衬底，这些器件通常都在异质衬底如硅(Si)、碳化硅(SiC)或蓝宝石上制备。然而异质衬底和外延层之间存在较大的晶格失配和热失配，导致外延薄膜中存在较多的位错等缺陷，进而限制了所制备器件的性能和使用寿命。一种比较好的解决途径是采用AlN单晶作为衬底材料。AlN具有和GaN以及AlGaN相近的晶格常数和热膨胀系数，在AlN衬底上生长的GaN和AlGaN外延薄膜具有缺陷密度少、晶体质量高等优点。目前报道的在AlN衬底上制备的AlGaN基紫外LED和探测器等光电器件都具有良好的性能。

目前制备AlN单晶衬底最常用的方法有卤化物气相外延(HVPE)技术和物理气相传输(PVT)技术。对于AlN的HVPE生长设备而言，由于铝的卤化物(AlCl，AlCl3等)具有较强的腐蚀性，而且工作温度较高(通常大于1400摄氏度)，导致HVPE设备建造困难、成本较高、稳定性较差。另外HVPE方法生长AlN的生长速度较慢，通常在每小时几十微米量级。同时由于反应原理和生长温度的限制，HVPE方法的生长速度难以得到有效提升，因而HVPE方法制备AlN单晶衬底的周期太长，不利于商业化推广使用。

相对而言，PVT方法制备AlN单晶衬底生长速度较快，可以达到每小时毫米量级。但是PVT方法制备AlN单晶衬底通常采用AlN粉末作为原料，而目前市场上的AlN粉末纯度较低，含有大量的杂质，不能直接用于生长。通常生长之前都会对AlN粉末进行烧结而除去其中的杂质，增加了工艺复杂程度和生产成本，不利于AlN单晶衬底的商用化。一种解决方法是使用高纯金属Al作为源材料，然而由于金属Al和氮气会在原料表面发生反应，在表面产生的AlN会阻碍金属Al的蒸发，进而限制AlN晶体的生长。另外PVT方法的工作温度很高，通常在2200℃以上，其设备制作困难很大，常用的价格低廉的衬底材料如蓝宝石在此温度下不稳定，只能采用SiC作为衬底或者自成核生长。自成核生长的AlN通常为多晶，难以制备大尺寸的AlN单晶衬底；而SiC衬底价格昂贵，在SiC衬底上生长AlN单晶衬底成本很高，难以实现商业化应用。

总体而言，现有的制备AlN单晶衬底的方法中，HVPE设备生长速率慢，且易于被腐蚀，设备稳定性较差；而PVT设备则面临着原料纯度低，衬底价格昂贵等问题。这些问题制约着AlN单晶衬底的商业化应用，同时也制约着AlGaN基紫外-深紫外器件的发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有采用HVPE或PVT设备生长AlN单晶衬底的技术不足，提供一种既能利用廉价大尺寸的蓝宝石作为衬底，又能实现高生长速率的新型AlN单晶衬底生产设备。

为达到上述目的，本发明的技术解决方法是提供一种AlN单晶衬底生产设备，其主体是一耐高温坩埚，坩埚分为两个部分：晶体生长室和原料室。晶体生长室侧壁有一氨气或氮气或二者混合气体的气管，与之相对位置有一气体出口，衬底固定于反应室的顶部；原料室底部有一载气气管，原料放置于原料室的底部；生长室和原料室之间由一带孔挡板隔开，以避免氨气或氮气进入原料室发生反应。坩埚周围可以由一加热器进行加热，也可以通过坩埚自身直接进行加热。

所述的生产设备，其所述的坩埚，指的是能够在1600℃及以上高温下能够稳定使用的坩埚，包括钨坩埚、石墨坩埚、氮化硼坩埚、刚玉陶瓷坩埚、AlN陶瓷坩埚、钼坩埚、坦坩埚、碳化坦坩埚、氮化坦坩埚、碳化硅坩埚、铱坩埚以及由两种以上上述材料组成的坩埚。

所述的生产设备，其所述的坩埚，由挡板分为两个部分：生长室和原料室。生长室指的是发生气相反应并实现AlN晶体生长的部分；原料室指的是放置AlN晶体生长所需要的原料的部分。

所述的生产设备，其所述的原料，指的是金属Al，其纯度大于99％。

所述的生产设备，其所述的挡板，放置于坩埚生长室和原料室之间，以避免在原料室内发生气相反应。挡板具有孔状结构，以使原料室的气体可以进入生长室。

所述的生产设备，其所述的挡板，由耐高温材料组成，其材料组成包括钨、石墨、氮化硼、刚玉、AlN、钼、坦、碳化坦、氮化坦、碳化硅、铱等。

所述的生产设备，其所述的衬底，包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底或者在上述衬底上生长了20纳米-2毫米厚的AlN模板。

所述的生产设备，其所述的气体入口，位于生长室的一侧，入口外侧接一气管，以通入氨气、氮气或者二者的混合气体。

所述的生产设备，其所述的气体出口，位于生长室和气体入口相对的一侧，以使生长室内的气体可以导出，维持生长室压强的稳定。

所述的生产设备，其所述的载气，指的是将金属原料蒸发后产生的气体带入生长室而且不参于气相反应的气体，如氩气、氦气、氖气、氢气等。

所述的生产设备，其所述的载气导管，位于原料室底部，其高度高于原料表面，以防止原料倒灌。

所述的生产设备，其所述的气管，包括氨气/氮气气管和载气导管，由耐高温材料组成，这些材料包括钨、石墨、氮化硼、刚玉、AlN、钼、坦、碳化坦、氮化坦、碳化硅、铱等。

所述的生产设备，其所述的加热器，可以是坩埚本身，也可以是放置于坩埚周围的独立加热器，加热方式为高频感应加热、电阻加热或光加热。

所述的生产设备的制备AlN晶体的方法，其生长工艺如下：将衬底和原料分别放置于反应室和原料室中，通过氨气/氮气气管和载气导管通入氩气、氦气、氖气或氢气，加热反应室至1400-2200℃，然后将氨气/氮气气管中的气体切换成氨气或氮气，开始生长AlN晶体，生长完成后，将氨气/氮气气管中的气体重新切换成氩气、氦气、氖气或氢气，将样品降温取出。

本发明有益效果：

本设备采用金属Al作为AlN晶体生长的金属源，由于商用化的金属Al纯度可以做到很高，解决了PVT设备中AlN粉末纯度不高、杂质多的问题；此外，金属Al蒸气的腐蚀性比HVPE设备中的AlCl等气体腐蚀性低，可以保证设备的稳定性和寿命。

本设备可以常用氨气作为AlN晶体生长的氮源，其活性比PVT设备采用的氮气要强，可以在较低温度下与Al蒸气反应，因而本设备的晶体生长温度范围可以比PVT设备大，可以在1400-2200℃之间。如果采用较低的生长温度，比如1600℃，本设备可以采用常用的大尺寸廉价蓝宝石衬底作为AlN晶体生长的籽晶，解决了PVT设备籽晶缺乏和昂贵的问题。

本设备采用载气将Al蒸气带入生长室，生长速率可以通过载气的流量控制，其灵活性比PVT设备要强。

本设备将生长区和原料区分开，可以避免反应在原料区发生，保证了原料供应的稳定性。

本设备相比于HVPE设备而言，生长温度更高，而温度越高越接近AlN晶体的平衡生长温度，其晶体质量也越高。

相同的温度下，金属Al蒸发产生的气态Al比AlN分解的气相中气态Al气压高，因而在同样的温度下，本设备可以实现比PVT设备更高的生长温度。

本设备灵活性较强，可以选择多种生长工艺，还可以制备不同晶面的AlN单晶。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例和附图详细说明如后，其中：

图1为本发明第一实施例的示意图；

图2为本发明第二实施例的示意图；

图3为本发明第三实施例的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种制备AlN单晶衬底的生产设备。参见图1，该设备主要由一耐高温坩埚1构成，坩埚内部由一带孔挡板5所分为生长室101和原料室102。其中生长室10l一侧有N源气体气管2，对应的一侧开一孔3作为气体出口，在生长室101的顶部固定一衬底7；原料室102有一载气气管4以及金属源6。坩埚1周围设有加热器8。

在本发明的装置中，所用的N源气体可以是氨气、氮气或者二者的混合气体。所用的金属源为金属Al，其纯度大于99％。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1：

图1为第一实施例的示意图。在本实施例中，坩埚1的材料为热解氮化硼，坩埚由周围的石墨环形加热器8所加热，加热方式为高频感应加热。在坩埚1腔室内部，有一带孔氮化硼挡板5，将坩埚内部分为生长室101和原料室102。生长室101的一侧接有一N₂/NH₃气管2，气管2所用的材料为金属钨或金属钼材料；生长室101的另一侧开一圆孔3作为反应室气体出口；生长室顶部固定一蓝宝石衬底7。在原料室102的底部放有金属Al原料6，其高度低于载气气管4的末端高度；载气气管4由金属钨或金属钼材料构成，载气为惰性气体氩气。

实施例2：

图2为第二实施例的示意图。对照图1，图2的区别是没有独立于坩埚1的加热器8，而是采用坩埚1本身作为加热器。本实施例中，坩埚1的材料为电导率较高的材料，包括金属钨、金属钼、石墨、金属坦、金属铱等材料，加热方式为高频感应加热。本实施例的优点是省去了坩埚1周围的加热器8，结构更为简单；而且采取直接对坩埚1加热的方式，加热速度更快。

实施例3：

图3为第三实施例的示意图。对照图2，图3的区别是载气气管4末端的形状不同。本实施例中，载气气管4在坩埚1内部分为弯管，其开口放向向下，弯管可以是直角弯管，也可以是弧形弯管，只要气体出口方向朝下即可。本实施例的优点是载气吹向金属源6的表面，可以带走更多的源蒸气，能够获取更快的AlN晶体生长速度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种AlN单晶衬底生产设备，其主体是一耐高温坩埚，坩埚分为两个部分：晶体生长室和原料室，晶体生长室侧壁有一氨气或氮气或二者混合气体的气管，与之相对位置有一气体出口，衬底固定于反应室的顶部；原料室底部有一载气气管，原料放置于原料室的底部；生长室和原料室之间由一带孔挡板隔开，以避免氨气或氮气进入原料室发生反应，其中，衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底或者在上述衬底上生长了20纳米一2毫米厚的AlN模板。

2.如权利要求1所述的AlN单晶衬底生产设备，其特征在于，其中所述坩埚包括钨坩埚、石墨坩埚、氮化硼坩埚、刚玉陶瓷坩埚、AlN陶瓷坩埚、钼坩埚、坦坩埚、碳化坦坩埚、氮化坦坩埚、碳化硅坩埚、铱坩埚以及由两种以上上述材料组成的坩埚。

3.如权利要求1所述的AlN单晶衬底生产设备，其特征在于，其中所述生长室指的是发生气相反应并实现AlN晶体生长的部分；所述原料室指的是放置AlN晶体生长所需要的原料的部分。

4.如权利要求1所述的AlN单晶衬底生产设备，其特征在于，其中所述的挡板具有孔状结构，以使原料室的气体可以进入生长室，所述的挡板材料组成包括钨、石墨、氮化硼、刚玉、AlN、钼、坦、碳化坦、氮化坦、碳化硅或铱。

5.如权利要求1所述的AlN单晶衬底生产设备，其特征在于，其中所述的气体入口，位于生长室的一侧，入口外侧接一气管，以通入氨气、氮气或者二者的混合气体，所述的气体出口，位于生长室和气体入口相对的一侧，以使生长室内的气体可以导出，维持生长室压强的稳定。

6.如权利要求1所述的AlN单晶衬底生产设备，其特征在于，其中所述的载气为氩气、氦气、氖气或氢气。

7.如权利要求1所述的AlN单晶衬底生产设备，其特征在于，其中所述的载气导管，位于原料室底部，其高度高于原料表面，以防止原料倒灌。

8.如权利要求1所述的AlN单晶衬底生产设备，其特征在于，其中所述的气管，包括氨气/氮气气管和载气导管，由钨、石墨、氮化硼、刚玉、AlN、钼、坦、碳化坦、氮化坦、碳化硅或铱组成。

9.如权利要求1所述的AlN单晶衬底生产设备，其特征在于，其中所述坩锅的加热器，是坩埚本身，或放置于坩埚周围的独立加热器，加热方式为高频感应加热、电阻加热或光加热。

10.采用权利要求1所述的AlN单晶衬底生产设备的制备AlN晶体的方法，其特征在于，其中生长工艺如下：将衬底和原料分别放置于反应室和原料室中，通过氨气/氮气气管和载气导管通入氩气、氦气、氖气或氢气，加热反应室至1400-2200℃，然后将氨气/氮气气管中的气体切换成氨气或氮气，开始生长AlN晶体，生长完成后，氨气/氮气气管中的气体重新切换成氩气、氦气、氖气或氢气，将样品降温取出。其中，所述的原料指的是金属Al，其纯度大于99％。