CN111748845B - 一种钨铼合金及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钨铼合金及其在制备氮化铝晶体中的应用。所述钨铼合金为钨铼多晶，且所述钨铼多晶的晶畴尺寸小于50μm，其中，所述钨铼合金所含的铼占15％‑35％。作为籽晶托可完全抑制气相传输法制备氮化铝晶体过程中的开裂的问题，获得的氮化铝晶体具有极高的完整性，内应力小。

Description

一种钨铼合金及其应用
技术领域
本发明涉及合金领域，具体一种钨铼合金及其制备方法和应用。
背景技术
作为紫外器件最重要的功能层，氮化铝镓(AlGaN)材料被广泛的应用于发光二极管(LED)、激光器(LD)、场效应晶体管(HEMT)等器件中。目前，AlGaN外延层选用的衬底材料为蓝宝石或硅单晶，然而，蓝宝石或硅衬底与AlGaN外延层之间存在着很大的晶格失配和热失配，导致外延层中位错密度高达108cm-2以上，高位错密度导致器件的内量子效率急剧下降，影响器件性能。氮化铝(AlN)具有与AlGaN材料最为匹配的晶格常数和热膨胀系数，因此AlN被认为是AlGaN基器件最为优异的衬底材料。此外，AlN是直接带隙半导体材料，其禁带宽度为6.2eV、击穿场强为11.7×106V·cm-1、热导率实测值为2.85W·cm-1·K-1、因此在日盲紫外探测器、深紫外发光二极管(UV-LED)、深紫外激光器(UV-LD)等器件中有极大的应用前景。
物理气相传输(PVT)法被公认为是生长氮化铝晶体最有效的方法之一，高结晶质量的AlN晶体只能在钨系统中生长，该方法晶体生长温度高达1900℃～2300℃。由于受到生长系统和生长温度的限制，目前采用钨系统并通过物理气相沉积的方法生长AlN晶体时，选取的籽晶托材料为钨金属。但钨金属的热膨胀系数与AlN差别很大，常温下，AlN晶体的热膨胀系数αa为4.2×10-6K-1、αc为5.3×10-6K-1、钨金属的热膨胀系数α为4.3×10-6K-1，对于C面AlN晶体生长来说与钨金属的常温热匹配性较好。但1900℃时AlN晶体的热膨胀系数αa为6.5×10-6K-1，钨金属的热膨胀系数α为5.1×10-6K-1，2200℃时AlN晶体的热膨胀系数αa为6.8×10-6K-1，钨金属的热膨胀系数α为5.5×10-6K-1，AlN晶体与钨金属的热失配很大，1900℃时热失配高达21％，2200℃时热失配高达19％。由于高温时AlN晶体和钨之间存在着很大的热膨胀系数的差异，因此在晶体降温过程中导致了晶体开裂，严重影响晶体的结晶质量。
鉴于上述问题，找到一种在让AlN晶体生长不开裂的籽晶托材料具有十分重要的意义。
另外基于这种籽晶托材料，设计一种让AlN晶体生长不开裂的制备方法也具有十分重要的价值。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种防止AlN晶体生长开裂的籽晶托材料。
本发明的另一目的是提供一种基于所述籽晶托材料的AlN晶体的制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明一方面提供了一种钨铼合金，所述钨铼合金为钨铼多晶，且所述钨铼多晶的晶畴尺寸小于50μm，其中，所述钨铼合金所含的铼占15％-35％。
本发明在一方面提供了一种AlN晶体的制备方法，包括如下步骤：
采用物理气相传输法在钨铼合金籽晶托上沉积AlN晶体；其中，所述钨铼合金籽晶托由所述的钨铼合金制成。
优选地，控制所述AlN晶体的生长温度为1900-2100℃时，所述钨铼合金籽晶托中铼占15％-25％。
优选地，控制所述AlN晶体的生长温度为2100-2300℃时，所述钨铼合金籽晶托中铼占25％-35％。
优选地，待所述AlN晶体生长完成后，控制降温速率小于30℃/h时，所述钨铼合金籽晶托中铼占20％-30％。
优选地，待所述AlN晶体生长完成后，控制降温速率大于30℃/h时，所述钨铼合金籽晶托中铼占24％-26％。
与现有技术相比，一方面本发明的钨铼合金的热膨胀系数与氮化铝的热膨胀系数较为接近，具有较高的契合度；另一方面，本发明的钨铼合金还可以在一定范围内调节两种金属的比例，适应不同的工艺条件，使得其性能更加契合。
本发明的AlN晶体的制备方法由于采用了所述的钨铼合金作为籽晶托，避免了AlN晶体在制备过程中的开裂，保证了产品的高质量，高良品率，具有很高的实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例所述钨铼合金的结构示意图1为钨铼合金，2为钨铼多晶；
图2为本发明实施例所述钨铼合金的相图；
图3为本发明实施例所述钨铼合金不同铼含量的籽晶托在不同温度下的热膨胀系数关系图；
图4为本发明实施例所述钨铼合金作为籽晶托生长氮化铝晶体坩埚装置示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例一方面提供了一种钨铼合金，所述钨铼合金为钨铼多晶，且所述钨铼多晶的晶畴尺寸小于50μm，其中，所述钨铼合金所含的铼占15％-35％。本发明的钨铼合金的膨胀系数与高温下氮化铝晶体的膨胀系数相近，若经过优选，则会更加接近，制备时随着氮化铝以非常相近的比例膨胀和收缩，避免了不同步导致的开裂现象。
具体的本发明实施例的钨铼合金制备时所采用的钨和铼的纯度均高于99.995％。采用高纯度的金属原料可以减少钨铼多晶的晶格缺陷，使得所述合金材料各种物理化学特性更均一，各项性能更稳定。同现有技术可以将钨铼多晶的晶畴尺寸控制在小于50μm。使得其性能更均一稳定。
本发明在一方面提供了一种AlN晶体的制备方法，包括如下步骤：
采用物理气相传输法在钨铼合金籽晶托上沉积AlN晶体；其中，所述钨铼合金籽晶托由所述的钨铼合金制成。
物理气相传输法是制备AlN晶体的常用方法，具有高效简洁的优势，但若选取的籽晶托的热膨胀系数不够匹配就会导致很容易在氮化铝晶体生长时造成开裂，本发明采用的是所述钨铼合金作为籽晶托，膨胀系数是可以通过合金比例调节的，所以最终可以做到高度契合，使得制备出来的氮化铝晶体具有极高的完整性，内应力小。
更具体的，控制所述AlN晶体的生长温度为1900-2100℃时，所述钨铼合金籽晶托中铼占15％-25％；控制所述AlN晶体的生长温度为2100-2300℃时，所述钨铼合金籽晶托中铼占25％-35％；待所述AlN晶体生长完成后，控制降温速率小于30℃/h时，所述钨铼合金籽晶托中铼占20％-30％；待所述AlN晶体生长完成后，控制降温速率大于30℃/h时，所述钨铼合金籽晶托中铼占24％-26％。
根据不同产品的需求设定不同的工艺参数，可以选取不同金属含量的钨铼合金，如果要控制所述AlN晶体的生长温度为1900-2100℃，并控制降温速率小于30℃/h，则选取相交范围的合金比例，也就是钨铼合金籽晶托中铼占20％-25％。
同理，如果要控制所述AlN晶体的生长温度为2100-2300℃，并控制降温速率小于30℃/h，则选取的钨铼合金籽晶托中铼占25％-30％；如果要控制所述AlN晶体的生长温度为1900-2100℃，并控制降温速率大于30℃/h，则选取的钨铼合金籽晶托中铼占24％-25％；如果要控制所述AlN晶体的生长温度为2100-2300℃，并控制降温速率大于30℃/h，则选取的钨铼合金籽晶托中铼占25％-26％。不同的工艺条件都会有不同比例的钨铼合金加以适应，来保证氮化铝陶瓷的稳定性。
所述AlN晶体的制备方法可以用图4所述的装置实施，1为钨铼合金籽晶托，3为氮化铝籽晶，4为氮化铝晶体，5为气体传输区、6为坩埚、7为氮化铝原料通过气相传输法让氮化铝晶体沉积在所述钨铼合金籽晶托上。
实施例1
本实施例中籽晶托为钨铼合金，其中钨铼物成分中铼占20％，晶体生长温度为1960℃，具体晶体生长坩埚装置如图4所示，晶体生长完毕后，坩埚降温速率为20℃/h。本实施例中生长的AlN晶体，其晶体未发生开裂现象，晶体(0002)面高分辨XRD摇摆曲线半峰宽为100arcsec。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是籽晶托为钨铼多晶，其余工艺相同。
与实施例1相比，本实施例中的生长的AlN晶体，其晶体未发生开裂现象，晶体(0002)面高分辨XRD摇摆曲线半峰宽为130arcsec。
实施例3
本实施例与实施例1不同的是晶体生长温度为2280℃，其余工艺相同。
与实施例1和实施例2相比，本实施例中的生长的AlN晶体，其晶体发生开裂现象。
实施例4
本实施例与实施例3不同的是籽晶托为钨铼合金，其中钨铼物成分中铼占30％，其余工艺相同。
与实施例3相比，本实施例中的生长的AlN晶体，其晶体未发生开裂现象，晶体(0002)面高分辨XRD摇摆曲线半峰宽为60arcsec。
实施例5
本实施例与实施例4不同的是籽晶托为钨铼多晶，其余工艺相同。
与实施例4相比，本实施例中的生长的AlN晶体，其晶体未发生开裂现象，晶体(0002)面高分辨XRD摇摆曲线半峰宽为80arcsec。
实施例6
本实施例与实施例5不同的是坩埚降温速率为40℃/h。。
与实施例5相比，本实施例中的生长的AlN晶体，其晶体发生开裂现象。

Claims (1)

1.一种AlN晶体的制备方法，包括如下步骤：
采用物理气相传输法在钨铼合金籽晶托上沉积AlN晶体；其中，所述钨铼合金籽晶托由钨铼合金制成，所述钨铼合金为钨铼多晶，且所述钨铼多晶的晶畴尺寸小于50μm，其中，所述钨铼合金所含的铼占15％－35％；
若控制所述AlN晶体的生长温度为1900－2100℃时，所述钨铼合金籽晶托中铼占15％－25％；
若控制所述AlN晶体的生长温度为2100－2300℃时，所述钨铼合金籽晶托中铼占25％－35％；
若待所述AlN晶体生长完成后，控制降温速率小于30℃/h时，所述钨铼合金籽晶托中铼占20％－30％；
若待所述AlN晶体生长完成后，控制降温速率大于30℃/h时，所述钨铼合金籽晶托中铼占24％－26％。
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