CN108396384B - 一种制备氮化铝晶体的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种制备氮化铝晶体的装置及方法，涉及材料制备技术领域，该装置包括：第一坩埚、第二坩埚、衬底和调温台；所述第一坩埚包括原料腔和反应腔，其中，所述反应腔的直径大于原料腔的直径，所述原料腔位于所述第一坩埚的底部，所述反应腔位于所述第一坩埚的开口处；所述衬底覆盖所述第一坩埚的开口，以使氮化铝晶体在所述反应腔升华后凝结于所述衬底上；所述调温台为中空结构，且中空部位的直径最小的一侧的置于所述衬底上，以调整所述衬底与外部空气的接触面积；所述第二坩埚包括原料腔和反应腔，其中，所述第二坩埚的原料腔位于所述第二坩埚的底部，所述第二坩埚的原料腔的直径大于所述第二坩埚的反应腔的直径。

Description

一种制备氮化铝晶体的装置和方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，尤其涉及一种制备氮化铝晶体的装置和方法。

背景技术

深紫外发光器件在杀菌消毒，净化水，生物医疗，深紫外光源等方面有广泛的应用前景，其中，氮化铝晶体具有耐高温高压性、极高的压电效应及较高的电子迁移率，在大功率电子器件等应用具有广阔的前景，是制备深紫外发光器件理想半导体材料。然而，氮化铝晶体材料制备较为困难，目前国内外对氮化铝晶体的研究上仍停留在厘米级的制备尺寸上。升华法（也称物理气相传输法）被认为最有前景的方法，其基本过程是：氮气环境和高温条件（通常>1900 ℃）下，氮化铝物料在高温区升华，然后在低温区再结晶形成晶体。然而，该方法制备的氮化铝单晶具有以下不足：（1）由于氮化铝晶体生长过程中表现出的强烈的各向异性，使得氮化铝自发成核在生长前期的成核率难以得控制。（2）扩大氮化铝晶体的尺寸，目前所用的籽晶诱导法找不到合适的籽晶，难于实施。

为解决上述问题，目前主要采用以下几种方法，一种是横向气体传输法，利用坩埚末端为圆锥形（作为选晶区）的封闭式坩埚结构来控制了成核率并生长出尺寸较大的单晶，然而，这种方法中坩埚不能重复性使用，成本较高且实验的可重复性不高，导致氮化铝晶体的质量较差。

一种是以碳化钽（TaC）为坩埚材料，并在物料上方的位置放置带孔的栅板，这样可以使栅板上为单晶生长区，坩埚的顶盖为多晶沉积区。该方法通过的数值仿真，可以得到适合晶体生长的过饱和度范围（0.25~0.3）。而实际实验中，通过此方法生长的晶体中碳杂质的含量较高，影响了晶体质量，得到大尺寸的晶体也较困难，且生长周期较长。

另外一种是三区电阻加热的倒置温场物理气相传输法控制成核，但该方法中氮化铝晶体生长的随机性较大，虽然通过在衬底上开孔，使用几何结构限制成核较好的控制了成核率，但对后期的晶体的扩径造成了困难，不利于生长出大尺寸的氮化铝单晶。

发明内容

本发明提供一种制备氮化铝晶体的装置和方法，旨在解决现有的氮化铝晶体碳杂质的含量较高，质量差，得到大尺寸的晶体困难，且生长周期较长的问题。

本发明提供的一种制备氮化铝晶体的装置，包括：第一坩埚、第二坩埚、衬底和调温台；

所述第一坩埚包括原料腔和反应腔，其中，所述反应腔的直径大于原料腔的直径，所述原料腔位于所述第一坩埚的底部，所述反应腔位于所述第一坩埚的开口处；

所述衬底覆盖所述第一坩埚的开口，以使氮化铝晶体在所述反应腔升华后凝结于所述衬底上；

所述调温台为中空结构，且中空部位的直径最小的一侧的置于所述衬底上，以调整所述衬底与外部空气的接触面积；

所述第二坩埚包括原料腔和反应腔，其中，所述第二坩埚的原料腔位于所述第二坩埚的底部，所述第二坩埚的原料腔的直径大于所述第二坩埚的反应腔的直径。

本发明提供的一种制备氮化铝晶体的方法，包括：

将氮化铝置于第一坩埚的反应腔中，并将衬底置于所述第一坩埚的顶部，将调温台的中空部位的直径最小的一侧置于所述衬底上，且调温台的中心和所述衬底的中心重合，在1~1.5个大气压的氮气气氛、升温速率为400~600℃/h升温到2250℃~2400℃，保温3.5~10小时，在衬底的中心处得到氮化铝单晶；

将氮化铝单晶作为籽晶，增加调温台的中空部位的直径，在1~1.5个大气压的氮气气氛下，以升温速率为400~600℃/h升温到1900℃~2000℃时，保温0.5~2h，继续升温至2250℃~2400℃，保温3.5~10小时，以降温速率为400~600℃/h降温到1900℃~2000℃，保温0.5~2h，得到生长后的氮化铝晶体；

将生长后的氮化铝晶体作为籽晶，并将包含籽晶的衬底置于第二坩埚上，增加调温台的中空部位的直径，以升温速率为400~600℃/h升温到1900℃~2000℃时，保温0.5~2h，继续升温至2250℃~2400℃，保温3.5~10小时，以降温速率为400~600℃/h降温到1900℃~2000℃，保温0.5~2h，得到氮化铝晶体。

本发明提供的一种制备氮化铝晶体的装置和方法，利用第一坩埚的反应腔和原料腔的结构降低成核，并采用调温台调整衬底中心的温度，从而形成氮化铝单晶，以及将形成氮化铝单晶的衬底置于第二坩埚上，并利用其反应腔和结构腔的特点来增加氮化铝单晶的生长速率，得到氮化铝晶体。该氮化铝晶体不含有杂质，质量高，且大小可控，能够得到尺寸较大的氮化铝晶体。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1和图2是本发明实施例提供的一种制备氮化铝晶体的装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的调温台的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的调温台的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的调温台的结构示意图；

图6是本发明实施例制备得到的氮化铝晶体的示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1~图2，图1~图2为本发明实施例提供的一种制备氮化铝晶体的装置的结构示意图，制备氮化铝晶体的装置包括：第一坩埚101、第二坩埚104、衬底102和调温台103；

第一坩埚101包括原料腔和反应腔，其中，反应腔的直径大于原料腔的直径，原料腔位于第一坩埚101的底部，反应腔位于第一坩埚101的开口处。

具体地，第一坩埚101的原料腔的高度为30~60mm，直径为15~45mm，第一坩埚101的反应腔的高度为50~20mm，直径为30~50mm，反应腔的直径比原料腔的直径大5~15mm，第一坩埚101的壁厚为2~5mm。

在实际制备过程中，原料腔用于存放物料，即氮化铝，此处为低温区，可以使氮化铝的升华速度降低，反应腔的直径较大，可以增加气体的质量传输区域，反应腔的体积较大可以降低成核时铝蒸汽的分压，控制过饱和度在一个较低的水平，并在提高该区域的温度的同时提高衬底102的整体温度，使衬底102的温度高于原料腔的温度，降低成核。

衬底102覆盖第一坩埚101的开口，以使氮化铝晶体在反应腔升华后凝结于衬底102上；

调温台103为中空结构，且中空部位的直径最小的一侧的置于衬底102上，以调整衬底102与外部空气的接触面积。

本发明的一个实施例，如图3所示，图3示出了本实施例中调温台的结构示意图，其中，调温台103由多层中空圆柱体构成，每层圆柱的中空直径逐层增加。其中，调温台中直径最小的圆柱的直径为1mm，直径最大的圆柱体的直径为25mm。

本发明的一个实施例，如图4所示，图4示出了本实施例中调温台的结构示意图，其中，调温台103为多层中空圆柱体，且中空部为圆锥体结构。其中，调温台中中部的圆锥体的顶部直的径为1mm，底部的直径为25mm。

本发明的一个实施例，如图5所示，图5示出了本实施例中调温台的结构示意图，其中，调温台103为多个中心开孔的板，且每个板中开孔的直径逐渐增加。其中，调温台103中多个中心开孔的板的直径的范围为1~25mm。

需要说明的是，调温台103的最大直径介于第一坩埚101的反应腔和原料腔的直径之间。

在实际应用中，调温台103所起的效果是相同的，可以调整衬底102的径向温场分布，使衬底102的温度从几何中心向边缘线性增加。衬底102的中心位置为一个极低温区，由于气体从高温向低温流动，因此气体向衬底102的中心位置流动，衬底102中心的铝蒸气分压增大；同时晶体在较低温度下成核，因此晶体成核在衬底102几何中心处，大大降低成核率，做到只长一个氮化铝单晶体。

第二坩埚104包括原料腔和反应腔，其中，第二坩埚104的原料腔位于所第二坩埚104的底部，第二坩埚104的原料腔的直径小于第二坩埚104的反应腔的直径。

具体地，第二坩埚104的原料腔的高度为30~60mm，直径为35~75mm，第二坩埚104的反应腔的高度为50~20mm，直径为30~50mm，第二坩埚104 4的壁厚我2~5mm，第二坩埚104中原料腔的直径比反应腔的直径大5~25mm。在具体制备氮化铝晶体时，将在第一坩埚101中制备得到的单晶连同衬底转移至第二坩埚中，一般情况下，原料腔的体积大使得原料腔中盛放的物料氮化铝多，可以确保原料有足够高的升华率，反应腔体积较小，可以增大铝蒸汽分压，形成一个较大的过饱和度环境来保证较大的生长速率，使反应逆行进行，得到尺寸较大的氮化铝晶体，下述为反应过程：

可选地，制备氮化铝晶体的装置还包括：坩埚盖105，坩埚盖105置于第二坩埚104的开口处。

具体地，坩埚盖105的厚度为1~3mm。坩埚盖105的直径大于或等于第二坩埚104的直径，如此，可以避免蒸汽扩散到坩埚外部，降低气体分压，造成原料的浪费。

本发明实施例提供的制备氮化铝晶体的装置，利用第一坩埚的反应腔和原料腔的结构降低成核，并采用调温台调整衬底中心的温度，从而形成氮化铝单晶，以及将形成氮化铝单晶的衬底置于第二坩埚上，并利用其反应腔和结构腔的特点来增加氮化铝单晶的生长速率，得到氮化铝晶体。该氮化铝晶体不含有杂质，质量高，且大小可控，能够得到尺寸较大的氮化铝晶体。

本发明提供一种制备氮化铝晶体的方法，该方法应用于上述制备氮化铝晶体的装置，该方法包括：

步骤一、将氮化铝置于第一坩埚的反应腔中，并将衬底置于所述第一坩埚的顶部，将调温台的中空部位的直径最小的一侧置于所述衬底上，且调温台的中心和所述衬底的中心重合，在1~1.5个大气压的氮气气氛、升温速率为400~600℃/h升温到2000℃~3000℃，保温3.5~10小时，在衬底的中心处得到氮化铝单晶；

在实际应用中，通过步骤一可以得到与调温台中空部位直径相同的氮化铝单晶，氮化铝单晶的直径可为1~10毫米，如图6所示。优选地，保温温度为2250℃~2400℃。

步骤二、将氮化铝单晶作为籽晶，增加调温台的中空部位的直径，在1~1.5个大气压的氮气气氛下，以升温速率为400~600℃/h升温到1900℃~2000℃时，保温0.5~2h，继续升温至2000℃~3000℃，保温3.5~10小时，以降温速率为400~600℃/h降温到1900℃~2000℃，保温0.5~2h，得到生长后的氮化铝晶体；

需要说明的是，步骤二可以重复多次，每次增加调温台中空部位的直径的幅度为2~6mm。通过多次重复既可以使氮化铝晶体升华，籽晶也不会发生严重的分解，确保在高温生长阶段前期有合适的过饱和度，避免氮化铝籽晶分解。此外通过降温退火，可以降低氮化铝晶体裂痕数。优选地，保温温度为2250℃~2400℃。

步骤三、将生长后的氮化铝晶体作为籽晶，并将包含籽晶的衬底置于第二坩埚上，增加调温台的中空部位的直径，以升温速率为400~600℃/h升温到1900℃~2000℃时，保温0.5~2h，继续升温至2250℃~2400℃，保温3.5~10小时，以降温速率为400~600℃/h降温到1900℃~2000℃，保温0.5~2h，得到氮化铝晶体。

一般情况下，第二坩埚中原料腔的体积大使得原料腔中盛放的物料氮化铝多，可以确保原料有足够高的升华率，反应腔体积较小，可以增大铝蒸汽分压，形成一个较大的过饱和度环境来保证较大的生长速率，使反应逆行进行，得到尺寸较大的氮化铝晶体。

可选地，步骤一之前还包括：

将氮化铝粉在氮气气氛条件下，升温至1500℃~2000℃下保温3~6h，重复2~5次，得到烧结后的氮化铝。

本发明实施例提供的制备氮化铝晶体的方法，利用第一坩埚的反应腔和原料腔的结构降低成核，并采用调温台调整衬底中心的温度，从而形成氮化铝单晶，以及将形成氮化铝单晶的衬底置于第二坩埚上，并利用其反应腔和结构腔的特点来增加氮化铝单晶的生长速率，得到氮化铝晶体。该氮化铝晶体不含有杂质，质量高，且大小可控，能够得到尺寸较大的氮化铝晶体。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种制备氮化铝晶体的方法，其特征在于，所述方法采用制备氮化铝晶体的装置，所述装置包括：第一坩埚、第二坩埚、衬底和调温台；

所述第一坩埚包括原料腔和反应腔，其中，所述反应腔的直径大于原料腔的直径，所述原料腔位于所述第一坩埚的底部，所述反应腔位于所述第一坩埚的开口处；

所述衬底覆盖所述第一坩埚的开口，以使氮化铝晶体在所述反应腔升华后凝结于所述衬底上；

所述调温台为中空结构，且中空部位的直径最小的一侧的置于所述衬底上，以调整所述衬底与外部空气的接触面积；

所述第二坩埚包括原料腔和反应腔，其中，所述第二坩埚的原料腔位于所述第二坩埚的底部，所述第二坩埚的原料腔的直径大于所述第二坩埚的反应腔的直径；

所述方法包括：

将氮化铝置于第一坩埚的反应腔中，并将衬底置于所述第一坩埚的顶部，将调温台的中空部位的直径最小的一侧置于所述衬底上，且调温台的中心和所述衬底的中心重合，在1~1.5个大气压的氮气气氛、升温速率为400~600℃/h升温到2000℃~3000℃，保温3.5~10小时，在衬底的中心处得到氮化铝单晶；

将氮化铝单晶作为籽晶，增加调温台的中空部位的直径，在1~1.5个大气压的氮气气氛下，以升温速率为400~600℃/h升温到1900℃~2000℃时，保温0.5~2h，继续升温至2000℃~3000℃，保温3.5~10小时，以降温速率为400~600℃/h降温到1900℃~2000℃，保温0.5~2h，得到生长后的氮化铝晶体；

将生长后的氮化铝晶体作为籽晶，并将包含籽晶的衬底置于第二坩埚上，增加调温台的中空部位的直径，以升温速率为400~600℃/h升温到1900℃~2000℃时，保温0.5~2h，继续升温至2000℃~3000℃，保温3.5~10小时，以降温速率为400~600℃/h降温到1900℃~2000℃，保温0.5~2h，得到氮化铝晶体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调温台由多层中空圆柱体构成，每层圆柱的中空直径逐层增加。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调温台为多层中空圆柱体，且中空部为圆锥体结构。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调温台为多个中心开孔的板，且每个板中开孔的直径逐渐增加。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一坩埚的原料腔的高度为30~60mm，直径为15~45mm，所述第一坩埚的反应腔的高度为50~20mm，直径为30~50mm。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调温台中直径最小的圆柱的直径为1mm，直径最大的圆柱体的直径为25mm。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述调温台中空部的圆锥体的顶部直的径为1mm，底部的直径为25mm。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述调温台中多个中心开孔的板的直径的范围为1~25mm。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将氮化铝置于第一坩埚的反应腔中之前，还包括：将氮化铝粉在氮气气氛条件下，升温至1500℃~2000℃下保温3~6h，重复2~5次，得到烧结后的氮化铝。

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