CN109112634B - 制备氮化铝晶体的坩埚设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备氮化铝晶体的坩埚设备与方法，坩埚设备包括第一坩埚、第二坩埚及连接管，其中，第一坩埚的内部与第二坩埚的内部通过连接管连通，第一坩埚用于盛放氮化铝源，第二坩埚用于盛放镓源，且连接管在第一坩埚内部的延伸长度大于所述第一坩埚中盛放的氮化铝源的厚度。相较于现有技术而言，本发明第二坩埚内的镓源生成的镓蒸汽可以进入到第一坩埚的反应腔内，由于镓蒸汽能够改变氮化铝晶体的结晶特性，有助于控制氮化铝晶体的成核与扩径生长，因此，在制备氮化铝晶体的过程中，通过向第一坩埚的反应腔内掺杂镓蒸汽，不仅可以有效的降低氮化铝晶体的成核密度，还可以扩大氮化铝晶体的尺寸，从而得到大尺寸的氮化铝体单晶。

Description

制备氮化铝晶体的坩埚设备及方法

技术领域

本发明涉及晶体制备领域，尤其涉及一种制备氮化铝晶体的坩埚设备及方法。

背景技术

深紫外发光器件在杀菌消毒、水的净化、生物医疗、深紫外光源等方面有广泛的应用前景，而氮化铝晶体是制备深紫外发光器件理想的半导体材料。同时，由于氮化铝晶体具有耐高温高压、极高的压电效应及高的电子迁移率等特性，使得它在制备大功率电子器件等方面的应用也受到了极高的期望和广泛的关注。然而，氮化铝晶体材料制备困难重重，目前国内外对氮化铝晶体的研究仍停留在厘米级的制备尺寸上。

目前升华法(也称物理气相传输法)制备氮化铝晶体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。而目前使用此方法生长氮化铝单晶的难点有：(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，在生长前期的成核密度较大，难以形成单晶体；(2)目前所用的籽晶诱导法找不到合适的籽晶，且难以扩大氮化铝晶体的尺寸。即目前还无法制备出大尺寸的氮化铝体单晶。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种制备氮化铝晶体的坩埚设备及方法，旨在解决现有技术中难以制备出大尺寸的氮化铝体单晶的技术问题。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种制备氮化铝晶体的坩埚设备，该坩埚设备包括第一坩埚、第二坩埚及连接管，所述第一坩埚的内部与所述第二坩埚的内部通过所述连接管连通；

所述第一坩埚用于盛放氮化铝源，所述第二坩埚用于盛放镓源，且所述连接管在所述第一坩埚内部的延伸长度大于所述第一坩埚中盛放的氮化铝源的厚度。

可选的，所述坩埚设备还包括第一加热器、第二加热器及第三加热器，所述第一加热器位于所述第一坩埚的坩埚顶面，所述第二加热器位于所述第一坩埚的坩埚底面，所述第三加热器位于所述第一坩埚的坩埚侧壁。

可选的，所述坩埚设备还包括第一屏蔽层、第二屏蔽层、第三屏蔽层及外壳壳体，所述第一屏蔽层位于所述第一加热器与所述外壳壳体的内壁之间，所述第二屏蔽层位于所述第二加热器与所述内壁之间，所述第三屏蔽层位于所述第三加热器与所述内壁之间。

可选的，所述坩埚设备还包括坩埚支架与坩埚托盘，所述坩埚托盘设置于所述坩埚支架上；

所述坩埚底面放置于所述坩埚托盘的上表面，所述第二加热器位于所述坩埚托盘的下表面，所述第二坩埚设置于所述第二屏蔽层的内部。

可选的，所述连接管为钨管，所述第二坩埚包括坩埚体与坩埚盖，所述坩埚盖与所述坩埚底部中均设置有圆形孔，所述圆形孔的直径等于所述连接管的外径；

所述钨管的第一端穿过所述坩埚盖中的圆形孔，第二端穿过所述坩埚底部中的圆形孔，且所述第二端在所述第一坩埚内部的延伸长度大于所述第一坩埚中盛放的氮化铝源的厚度。

可选的，所述坩埚体的开口处设置有预设角度的倒角，所述坩埚盖为上大下小的圆台形柱体，所述坩埚盖上表面的直径等于所述坩埚体的外径，所述坩埚盖下表面的直径等于所述坩埚体的内径。

可选的，所述第一坩埚与所述第二坩埚的制备材料中均包括金属钨，所述第一屏蔽层、所述第二屏蔽层及所述第三屏蔽层均为金属钨或金属钼。

为实现上述目的，本发明第二方面提供一种利用坩埚设备制备氮化铝晶体的方法，该坩埚设备为本发明第一方面提供的坩埚设备，上述方法包括：

在所述坩埚设备的第一坩埚中加入氮化铝源、在第二坩埚中加入镓源之后，将所述坩埚设备放置于生长室中；

调节所述生长室内的气压至0.6～2个大气压，并调节所述生长室内的氮气含量至预设的含量阈值；

控制所述坩埚设备的第一加热器、第二加热器及第三加热器的功率，以200℃/小时～400℃/小时的升温速率将所述第一坩埚内的温度调节至1900℃～2050℃，以135℃/小时～280℃/小时的升温速率将所述第二坩埚内的温度调节至1300℃～1450℃，并保温0.5～2小时；

控制所述第二加热器与所述第三加热器的功率，以150℃/小时～250℃/小时的升温速率将所述第一坩埚内的温度调节至2050℃～2350℃，并保温1～2个小时；

控制所述第一加热器的功率，使所述第一坩埚内顶部至中部的温场呈正梯度分布，以及控制所述第二加热器的功率，使所述第二坩埚内的温度低于1300℃，保温3～10个小时；

控制所述第三加热器的功率，以100℃/小时～300℃/小时的降温速率将所述第一坩埚内的温度调节至1800℃～2000℃，保温0.5～2小时；

降低所述坩埚设备的整体温度，得到氮化铝晶体。

可选的，所述氮化铝源包括氮化铝粉末、氮化铝烧结体及氮化铝与金属铝的混合料中的任意一种，所述镓源包括氮化镓粉末、金属镓、氮化镓烧结体及金属镓与氮化镓粉末的混合料中的任意一种。

可选的，所述镓源占所述坩埚设备总源料的质量百分比为0.1％～2％。

本发明实施例所提供的制备氮化铝晶体的坩埚设备，相较于现有技术而言，包括盛放氮化铝源的第一坩埚与盛放镓源的第二坩埚，其中，第一坩埚的内部与第二坩埚的内部通过连接管连通，且连接管在第一坩埚内部的延伸长度大于第一坩埚中盛放的氮化铝源的厚度，从而使得第二坩埚内的镓源生成的镓蒸汽能够进入到第一坩埚的反应腔内，由于镓蒸汽能够改变氮化铝晶体的结晶特性，有助于控制氮化铝晶体的成核与扩径生长，因此，在制备氮化铝晶体的过程中，通过向第一坩埚的反应腔内掺杂镓蒸汽，不仅可以有效的降低氮化铝晶体的成核密度，还可以扩大氮化铝晶体的尺寸，得到大尺寸的氮化铝体单晶。

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，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中制备氮化铝晶体的坩埚设备的切面示意图；

图2为本发明实施例中制备氮化铝晶体的坩埚设备的另一切面示意图；

图3为本发明实施例中第二坩埚20的切面示意图。

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1为本发明实施例中制备氮化铝晶体的坩埚设备的切面示意图，本发明实施例中，上述坩埚设备包括第一坩埚10、第二坩埚20及连接管50，第一坩埚10的内部与第二坩埚20的内部通过连接管50连通；第一坩埚10用于盛放氮化铝源，第二坩埚20用于盛放镓源，且连接管50在第一坩埚10内部的延伸长度大于第一坩埚20中盛放的氮化铝源的厚度。

其中，在制备氮化铝晶体的过程中，当同时加热第一坩埚10与第二坩埚20时，第二坩埚内便会生成镓蒸汽，该镓蒸汽通过连接管50即可进入到第一坩埚内的反应腔中，之后便会与第一坩埚10中生成的铝蒸汽掺杂在一起，从而有助于在氮化铝晶体的生长过程中，控制氮化铝晶体的成核密度，并同时扩大氮化铝晶体的尺寸，得到大尺寸的氮化铝体单晶。

本发明实施例所提供的制备氮化铝晶体的坩埚设备，相较于现有技术而言，包括盛放氮化铝源的第一坩埚与盛放镓源的第二坩埚，其中，第一坩埚的内部与第二坩埚的内部通过连接管连通，且连接管在第一坩埚内部的延伸长度大于第一坩埚中盛放的氮化铝源的厚度，从而使得第二坩埚内的镓源生成的镓蒸汽能够进入到第一坩埚的反应腔内，由于镓蒸汽能够改变氮化铝晶体的结晶特性，有助于控制氮化铝晶体的成核与扩径生长，因此，在制备氮化铝晶体的过程中，通过向第一坩埚的反应腔内掺杂镓蒸汽，不仅可以有效的降低氮化铝晶体的成核密度，还可以扩大氮化铝晶体的尺寸，得到大尺寸的氮化铝体单晶。

进一步的，参照图2，图2为本发明实施例中制备氮化铝晶体的坩埚设备的另一切面示意图，在本发明实施例中，坩埚设备还包括第一加热器11、第二加热器12及第三加热器13，第一加热器11位于第一坩埚10的坩埚顶面，第二加热器12位于第一坩埚10的坩埚底面，第三加热器13位于第一坩埚10的坩埚侧壁。

其中，上述第一加热器11、第二加热器12及第三加热器13均可以采用电阻加热器。

进一步地，上述坩埚设备还包括第一屏蔽层31、第二屏蔽层32、第三屏蔽层33及外壳壳体40，第一屏蔽层31位于第一加热器11与外壳壳体40的内壁之间，第二屏蔽层位32于第二加热器12与上述内壁之间，第三屏蔽层33位于第三加热器13与上述内壁之间。

其中，第一屏蔽层31、第二屏蔽层32及第三屏蔽层33均可以采用金属钨或金属钼。

进一步地，上述连接管50可以采用钨管，以防引入其它杂质，可选的，该钨管的外直径为5毫米，内直径为3毫米。

进一步地，上述坩埚设备还包括坩埚支架61与坩埚托盘62，坩埚托盘62设置于坩埚支架61上；

第一坩埚10的坩埚底面放置于坩埚托盘62的上表面，第二加热器12位于坩埚托盘62的下表面，第二坩埚20设置于第二屏蔽层32的内部。

其中，第二屏蔽层32由10～18层屏蔽材料叠加而成，各屏蔽材料的厚度为0.5～1毫米，第二坩埚20放置在第二屏蔽层32第6～8层(由上向下数)之间。

进一步地，参照图3，图3为本发明实施例中第二坩埚20的切面示意图，本发明实施例中，第二坩埚20包括坩埚体21与坩埚盖22，坩埚盖22与第一坩埚10的坩埚底部中均设置有圆形孔，该圆形孔的直径等于连接管50的外径。此外，上述坩埚托盘62中也设置有圆形孔，该圆形孔的直径等于连接管50的外径。

其中，坩埚盖22中所设置的圆形孔位于坩埚盖22的圆心处，第一坩埚10的坩埚底部中所设置的圆形孔位于坩埚底部的圆心处，坩埚托盘62中所设置的圆形孔位于坩埚托盘62的圆心处，且坩埚盖22、第一坩埚10的坩埚底部及坩埚托盘62的圆心均位于同一直线上。

其中，连接管50的第一端穿过坩埚盖22中的圆形孔，第二端穿过第一坩埚10的坩埚底部中的圆形孔，且第二端在第一坩埚10内部的延伸长度大于第一坩埚10中盛放的氮化铝源的厚度。其中，连接管50的第一端还穿过坩埚托盘62中的圆形孔，连接管50与坩埚托盘62不接触。

其中，坩埚体21的开口处设置有预设角度(如30°～60°)的倒角，坩埚盖22为上大下小的圆台形柱体，坩埚盖22上表面的直径等于坩埚体21的外径，坩埚盖22下表面的直径等于坩埚体21的内径。具体的，坩埚体21的开口处设置的倒角的角度，与坩埚盖22上表面的直径与坩埚盖斜边之间的夹角相同。

其中，第一坩埚与所述第二坩埚的制备材料中均由金属钨制成，从而不易引起碳掺杂。

本发明实施例所提供的制备氮化铝晶体的坩埚设备，在制备氮化铝晶体的过程中，通过向第一坩埚中掺杂镓蒸汽，不仅可以有效的降低氮化铝晶体的成核密度，还可以扩大氮化铝晶体的尺寸，制备出大尺寸的氮化铝体单晶。

进一步的，本发明实施例或者还提供一种利用坩埚设备制备氮化铝晶体的方法，其中，该坩埚设备即为上述实施例中描述的坩埚设备，该方法主要包括生长气氛构成(保证镓蒸汽与其他各气相成分均匀混合)阶段、晶体成核扩径阶段、晶体轴向生长阶段(断镓源供给)与降温退火阶段，具体的，包括以下步骤：

a、在所述坩埚设备的第一坩埚中加入氮化铝源、在第二坩埚中加入镓源之后，将所述坩埚设备放置于生长室中。

其中，氮化铝源包括氮化铝粉末、氮化铝烧结体及氮化铝与金属铝的混合料中的任意一种，镓源包括氮化镓粉末、金属镓、氮化镓烧结体及金属镓与氮化镓粉末的混合料中的任意一种。

另外，镓源占坩埚设备总源料的质量百分比为0.1％～2％。

b、调节所述生长室内的气压至0.6～2个大气压，并调节所述生长室内的氮气含量至预设的含量阈值。

其中，调节生长室内的气体环境为高纯氮气环境，如将生长室内的氮气含量调节至99.999％。

c、控制所述坩埚设备的第一加热器、第二加热器及第三加热器的功率，以200℃/小时～400℃/小时的升温速率将所述第一坩埚内的温度调节至1900℃～2050℃，以135℃/小时～280℃/小时的升温速率将所述第二坩埚内的温度调节至1300℃～1450℃，并保温0.5～2小时。

此时，即为氮化铝晶体构建出合适的生长环境。

d、控制所述第二加热器与所述第三加热器的功率，以150℃/小时～250℃/小时的升温速率将所述第一坩埚内的温度调节至2050℃～2350℃，并保温1～2个小时。

其中，此步骤用于保证充足的镓蒸汽均匀分布在生长气氛中，实现氮化铝晶体的成核及扩径生长。

e、控制所述第一加热器的功率，使所述第一坩埚内顶部至中部的温场呈正梯度分布，以及控制所述第二加热器的功率，使所述第二坩埚内的温度低于1300℃，保温3～10个小时。

其中，使第二坩埚内的温度低于1300℃，以切断镓源供给，保证后期生长的晶体较纯净，保温3～10个小时可使氮化铝晶体轴向生长。

f、控制所述第三加热器的功率，以100℃/小时～300℃/小时的降温速率将所述第一坩埚内的温度调节至1800℃～2000℃，保温0.5～2小时。

g、降低所述坩埚设备的整体温度，得到氮化铝晶体。

本发明实施例所提供的制备氮化铝晶体的发放，相较于现有技术而言，在制备氮化铝晶体的过程中，向氮化铝源中掺杂镓蒸汽，不仅可以有效的降低氮化铝晶体的成核密度，还可以扩大氮化铝晶体的尺寸，制备出大尺寸的氮化铝体单晶。同时，上述制备方法过程简单，操作方便，可重复性高，且坩埚装置可重复使用，能够有效的降低制备成本。

需要说明的是，对于前述的实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的一种制备氮化铝晶体的坩埚设备及方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种制备氮化铝晶体的坩埚设备，其特征在于，所述坩埚设备包括第一坩埚、第二坩埚及连接管，所述第一坩埚的内部与所述第二坩埚的内部通过所述连接管连通；

所述第一坩埚用于盛放氮化铝源，所述第二坩埚用于盛放镓源，且所述连接管在所述第一坩埚内部的延伸长度大于所述第一坩埚中盛放的氮化铝源的厚度；

所述坩埚设备还包括第一加热器、第二加热器及第三加热器，所述第一加热器位于所述第一坩埚的坩埚顶面，所述第二加热器位于所述第一坩埚的坩埚底面，所述第三加热器位于所述第一坩埚的坩埚侧壁；

所述坩埚设备还包括第一屏蔽层、第二屏蔽层、第三屏蔽层及外壳壳体，所述第一屏蔽层位于所述第一加热器与所述外壳壳体的内壁之间，所述第二屏蔽层位于所述第二加热器与所述内壁之间，所述第三屏蔽层位于所述第三加热器与所述内壁之间；

所述坩埚设备还包括坩埚支架与坩埚托盘，所述坩埚托盘设置于所述坩埚支架上；

所述坩埚底面放置于所述坩埚托盘的上表面，所述第二加热器位于所述坩埚托盘的下表面，所述第二坩埚设置于所述第二屏蔽层的内部；

所述连接管为钨管，所述第二坩埚包括坩埚体与坩埚盖，所述坩埚盖与所述第一坩埚底部中均设置有圆形孔，所述圆形孔的直径等于所述连接管的外径；

所述钨管的第一端穿过所述坩埚盖中的圆形孔，第二端穿过所述第一坩埚底部中的圆形孔。

2.如权利要求1所述的坩埚设备，其特征在于，所述第二坩埚的开口处设置有预设角度的倒角，所述第二坩埚的坩埚盖为上大下小的圆台形柱体，所述第二坩埚的坩埚盖上表面的直径等于所述第二坩埚的坩埚体外径，所述第二坩埚的坩埚盖下表面的直径等于所述第二坩埚的坩埚体内径。

3.如权利要求1至2任意一项所述的坩埚设备，其特征在于，所述第一坩埚与所述第二坩埚的制备材料中均包括金属钨，所述第一屏蔽层、所述第二屏蔽层及所述第三屏蔽层均为金属钨或金属钼。

4.一种利用坩埚设备制备氮化铝晶体的方法，所述坩埚设备为权利要求1

至3任意一项所述的坩埚设备，其特征在于，所述方法包括：

在所述坩埚设备的第一坩埚中加入氮化铝源、在第二坩埚中加入镓源之后，将所述坩埚设备放置于生长室中；

调节所述生长室内的气压至0.6～2个大气压，并调节所述生长室内的氮气含量至预设的含量阈值；

控制所述坩埚设备的第一加热器、第二加热器及第三加热器的功率，以

200℃/小时～400℃/小时的升温速率将所述第一坩埚内的温度调节至

1900℃～2050℃，以135℃/小时～280℃/小时的升温速率将所述第二坩埚内的温度调节至1300℃～1450℃，并保温0.5～2小时；

控制所述第二加热器与所述第三加热器的功率，以150℃/小时～250℃/小时的升温速率将所述第一坩埚内的温度调节至2050℃～2350℃，并保温1～2个小时；

控制所述第一加热器的功率，使所述第一坩埚内顶部至中部的温场呈正梯度分布，以及控制所述第二加热器的功率，使所述第二坩埚内的温度低于1300℃，保温3～10个小时；

控制所述第三加热器的功率，以100℃/小时～300℃/小时的降温速率将所述第一坩埚内的温度调节至1800℃～2000℃，保温0.5～2小时；

降低所述坩埚设备的整体温度，得到氮化铝晶体。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氮化铝源包括氮化铝粉末、氮化铝烧结体及氮化铝与金属铝的混合料中的任意一种，所述镓源包括氮化镓粉末、金属镓、氮化镓烧结体及金属镓与氮化镓粉末的混合料中的任意一种。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述镓源占所述坩埚设备总原料的质量百分比为0.1％～2％。

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