CN113564697B - 一种利用PVT法在SiC籽晶上异质生长AlN的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种利用物理气相输运法在SiC籽晶上异质生长AlN的方法，设计包含蒸气饱和微腔的坩埚结构，微腔内部可抽真空和充气；在AlN生长初期，通过采用蒸气饱和微腔抑制初期SiC的正向分解升华并实现AlN的生长，通过留有微弱气孔的粘接剂覆盖抑制初期SiC的侧向升华，AlN多晶隔离片逐渐背升华并沉积在SiC表面；多晶隔离片升华消失后，AlN源粉处升华得到的Al原子输运至生长表面；在AlN多晶隔离片和AlN粘接剂升华之后，在SiC籽晶上的AlN层覆盖，SiC侧面的AlN粘接剂升华离开坩埚区域，使得SiC侧向升华分解，SiC籽晶层逐步消失，由此得到无SiC的AlN籽晶。采用本发明方法可制得单晶率高、杂质含量低的无裂纹的AlN籽晶。

Description

一种利用PVT法在SiC籽晶上异质生长AlN的方法

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，尤其涉及一种利用物理气相输运法(PVT法)在SiC籽晶上异质生长AlN的方法。

背景技术

AlN(氮化铝)与高Al组分AlGaN(铝镓氮)之间的晶格失配和热失配非常小，高质量的AlN单晶作为同质或近同质外延衬底，能够显著减少外延层位错密度从而提高晶格质量，因此，目前AlN单晶已经成为外延生长AlN和AlGaN结构制作深紫外光学元件的最优衬底。同时，AlN单晶具有很多优良特性，包括高击穿场强、高热导率、高硬度、电学性能优异等，是制备高温高频等极端条件下工作的功率电子器件的重要衬底材料之一。

目前国际上成功实现AlN单晶衬底的生长方法大多是物理气相输运法(PVT法，基本原理是AlN源粉在坩埚底部高温处升华得到Al原子，在富氮气环境下，通过输运在坩埚顶部低温处结晶形成AlN晶体，具有晶体质量高、生长速率快的优点)。由于缺乏AlN籽晶，采用PVT法生长AlN单晶首先需要在SiC单晶上异质生长得到同尺寸的AlN籽晶，或者利用自发形核得到一个尺寸较小的AlN籽晶，后者需继续进行PVT同质晶体扩径得到大尺寸AlN单晶，而这种技术路线生长AlN单晶衬底非常困难。同时，前者在SiC上生长AlN的方法也存在一定技术难度，主要是SiC的分解控制较难。由于AlN的生长腔室是Al原子和氮气的气氛环境，没有SiC的生长气氛，故当温度高于1800℃，SiC在负的过饱和度下容易分解。如果SiC衬底在生长初期发生剧烈分解，其无法作为合格的平坦衬底层，同时过量的Si和C杂质也对AlN的单晶形核生长有不好的影响，容易诱导生成其它晶型或非晶结构。另一方面，在SiC上异质生长的AlN层由于降温过程中与SiC层的热失配问题，会导致AlN层的严重开裂，难以切割下来得到完整尺寸的AlN籽晶。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供一种利用物理气相输运法(PVT法)在SiC籽晶上异质生长AlN的新方法，是一种利用蒸气饱和微腔和AlN粘接剂(主要成分为AlN粉，类似AlN源粉可升华)抑制SiC初期分解升华同时促进SiC的中后期升华来制备大尺寸AlN籽晶的生长的技术，能够显著改善在SiC单晶上异质生长得到同尺寸AlN籽晶的现有方法存在的AlN籽晶的单晶率低、杂质含量高、晶体质量不佳和存在裂纹等问题。

本发明制备AlN籽晶的方法区别于现有技术的核心是：利用SiC的升华分解特性，采用蒸气饱和微腔抑制初期SiC的正向升华并同时实现AlN的生长，通过粘接剂覆盖抑制初期SiC的侧向升华(粘接剂通常留有微弱的气孔，确保微腔内部可以抽真空和充气)；在AlN多晶隔离片和AlN粘接剂升华之后的生长中期，实现AlN的继续正向生长和SiC的侧向升华分解，最终得到无SiC的AlN籽晶。

本发明提供的技术方案是：

一种利用物理气相输运法(PVT法)在SiC籽晶上异质生长AlN的方法，设计包含蒸气饱和微腔的坩埚结构，其中蒸气为Si和C及其化合物的蒸气；在AlN生长初期分别通过采用坩埚的蒸气饱和微腔和AlN粘接剂抑制SiC正向和侧向的分解升华，AlN多晶隔离片逐渐背升华并沉积在SiC表面，多晶隔离片升华消失后，AlN源粉处升华得到的Al原子可直接输运至生长表面；而后在生长中期在SiC籽晶上已有AlN层覆盖的情况下，SiC侧面的AlN粘接剂已升华离开坩埚区域，这促使SiC的侧向升华分解，SiC籽晶层逐步消失，只留下继续生长的AlN单晶层。

本发明用于在SiC上生长AlN籽晶的包含蒸气饱和微腔的坩埚结构包括：坩埚主体、生长气氛、AlN源粉、碳化钽籽晶托、金属环、SiC籽晶、AlN粘接剂、AlN多晶隔离片；将SiC籽晶置于籽晶托表面中央，在籽晶周边均匀涂上粘接剂，用环压住籽晶周边和粘接剂，再将AlN多晶隔离片边缘粘接于环，籽晶托、籽晶、环、隔离片四者同心，金属环、SiC籽晶、AlN多晶隔离片共同围成SiC蒸气饱和微腔。

本发明方法具体包括如下步骤：

1)SiC籽晶固定，包括如下过程：

清洗单面抛光的籽晶托、双面抛光的SiC籽晶和环；

将籽晶置于籽晶托抛光面，确保贴合完好；

取适量AlN粘接剂均匀涂于籽晶周边，粘接剂留有微弱的气孔，确保坩埚的蒸气饱和微腔内部可以抽真空和充气；

再将环放置在籽晶上，压住籽晶边缘和粘接剂，使得籽晶托、籽晶和环同心，环的材料为钨；

等待粘接剂固化；通过该粘接剂即可抑制SiC侧面分解升华；

2)AlN多晶隔离片固定，设计包含蒸气饱和微腔的坩埚结构：

对AlN多晶锭进行切割和研磨抛光，得到与SiC籽晶大小接近的AlN多晶隔离片；

采用AlN粘接剂将AlN多晶隔离片的边缘与已放置好的环进行粘接，同样保持同心，使得由SiC籽晶、环和AlN多晶片形成了微腔，即蒸气饱和微腔；

将该蒸气饱和微腔结构盖于内部装有源粉的圆筒形坩埚主体顶部开口处，形成完整的坩埚，再将该坩埚放入PVT晶体生长炉内，坩埚外侧可为感应式加热器或电阻式加热器；

3)升温过程：

对生长炉炉体抽高真空后(压力为小于10^-3Pa)，开启加热器对坩埚进行升温(升温速率为1-100℃/min)至1500-1700℃，在此过程中向炉体中通入高纯氮气或一定比例(范围为0.1-0.9)的高纯氮气/高纯氩气的混合气体，形成环境气氛，并使炉体压强(400-700Torr)保持稳定；

4)晶体生长阶段：

将坩埚温度继续升高并稳定到设定值，1800-2200℃，生长时间一般可为10-100小时；

6)降温过程：

生长完成之后，选择合适的降温速率(1-100℃/min)进行降温；

7)开炉取样：

开炉取出坩埚，小心取下籽晶托、环和晶体的组合，得到无SiC层的AlN籽晶。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种利用物理气相输运法(PVT法)在SiC籽晶上异质生长AlN的方法，是一种制备大尺寸高质量无裂纹AlN籽晶的技术手段。其优点是：第一，通过减少SiC的正向升华，保证了SiC表面的平整度，同时减少了气氛中的Si、C杂质含量，更有利于AlN的形核生长，最终得到单晶率高、杂质含量低的AlN籽晶，AlN多晶隔离片的背升华和消失不会影响AlN单晶的后续生长；第二，在生长中后期SiC籽晶层逐渐升华消失，从而使得降温过程中AlN不会因热失配而开裂，于是可得到无裂纹的AlN籽晶。

附图说明

图1是本发明包含蒸气饱和微腔的坩埚基本结构；

其中，1为坩埚主体，材料为钨，提供生长反应的腔室；2为高纯AlN源粉，用于提供生长原料Al原子；3为生长气氛，是高纯氮气或氮气氩气混合气氛；4为碳化钽籽晶托；5为金属环，材料为钨；6为SiC籽晶，4H或6H晶型；7为AlN粘接剂，固化用于保护SiC籽晶侧面；8为AlN多晶隔离片，粘接于金属环上；5、6、8共同形成蒸气饱和微腔9，其主要气氛与3基本相同，在生长初期含有一定量的Si和C及其化合物。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种利用物理气相输运法(PVT法)在SiC籽晶上异质生长AlN的方法，在生长初期通过蒸气饱和微腔和AlN粘接剂抑制SiC正向和侧向的分解升华，AlN多晶隔离片逐渐背升华并沉积在SiC表面，其消失后AlN源粉处升华得到的Al原子可直接输运至生长表面；而后在生长中期在SiC籽晶上已有AlN层覆盖的情况下，SiC侧面的AlN粘接剂已升华离开坩埚，这促使SiC的侧向升华分解，SiC籽晶层逐步消失，只留下继续生长的AlN单晶层。图1是本发明实施例用于AlN籽晶在SiC上生长的包含蒸气饱和微腔的坩埚基本结构，包括：坩埚主体、生长气氛、生长原料Al原子、碳化钽籽晶托、金属环、SiC籽晶、AlN粘接剂、AlN多晶隔离片；将SiC籽晶置于籽晶托表面中央，在籽晶周边均匀涂上粘接剂，用环压住籽晶周边和粘接剂，再将AlN多晶隔离片边缘粘接于环，籽晶托、籽晶、环、隔离片四者同心，故金属环、SiC籽晶、AlN多晶隔离片共同围成SiC蒸气饱和微腔。

该结构充分利用了SiC单晶的升华分解特性和其作为籽晶对AlN单晶的外延效果，对此结构来说，PVT生长的具体工艺是多样的。

实施例一 一步法生长

1)SiC籽晶固定：

清洗单面抛光的籽晶托、双面抛光的SiC籽晶和环，将籽晶置于籽晶托抛光面确保贴合完好，取适量AlN粘接剂均匀涂于籽晶周边，再于籽晶上放置环压住籽晶边缘和粘接剂，保证籽晶托、籽晶和环同心，等粘接剂固化，其可抑制SiC侧面分解升华；

2)AlN多晶隔离片固定：

AlN多晶锭经切割和研磨抛光得到与SiC籽晶大小接近的AlN多晶片，用粘接剂将其边缘与已放置好的环进行粘接，同样保持同心，于是由SiC籽晶、环和AlN多晶片形成了微腔；

3)升温过程：

对炉体抽高真空后(<10^-3Pa)，开启加热器进行升温(升温速率1-100℃/min)，在此过程中于1500℃向炉体中通入高纯氮气或一定比例(范围为0.1-0.9)的高纯氮气/高纯氩气的混合气体，形成环境气氛，并使腔体总压强(400-700Torr)保持稳定；

4)晶体生长阶段(一步法)：

将温度升高并稳定到设定值，2000-2200℃，在此温区中AlN多晶片的背升华很快，SiC籽晶迅速被AlN覆盖，微腔消失，AlN继续生长，SiC籽晶也很快进入侧向升华分解阶段，生长时间一般可为10-100小时；

6)降温过程：

生长完成之后，选择合适的降温速率(1-100℃/min)进行降温；

7)开炉取样：

开炉取出坩埚，小心取下籽晶托、环和晶体的组合，得到无SiC层的AlN籽晶。

实施例二两步法生长

1)SiC籽晶固定：

清洗单面抛光的籽晶托、双面抛光的SiC籽晶和环，将籽晶置于籽晶托抛光面确保贴合完好，取适量AlN粘接剂均匀涂于籽晶周边，再于籽晶上放置环压住籽晶边缘和粘接剂，保证籽晶托、籽晶和环同心，等粘接剂固化，其可抑制SiC侧面分解升华；

2)AlN多晶隔离片固定：

AlN多晶锭经切割和研磨抛光得到与SiC籽晶大小接近的AlN多晶片，用粘接剂将其边缘与已放置好的环进行粘接，同样保持同心，于是由SiC籽晶、环和AlN多晶片形成了微腔；

3)升温过程：

对炉体抽高真空后(<10^-3Pa)，开启加热器进行升温(升温速率1-100℃/min)，在此过程中于1500℃向炉体中通入高纯氮气或一定比例(范围为0.1-0.9)的高纯氮气/高纯氩气的混合气体，形成环境气氛，并使腔体总压强(400-700Torr)保持稳定；

4)晶体生长阶段(两步法)：

第一步将温度升高并稳定到设定值，1800-2000℃，在此温区中AlN多晶片的背升华较慢，SiC上的AlN缓慢生长，微腔逐渐消失，生长时间一般可为1-10小时；第二步将温度进一步升高至2000-2200℃，在此温区中AlN可以更快的速率生长，且结晶质量更好，生长时间一般可为10-100小时；

6)降温过程：

生长完成之后，选择合适的降温速率(1-100℃/min)进行降温；

7)开炉取样：

开炉取出坩埚，小心取下籽晶托、环和晶体的组合，得到无SiC层的AlN籽晶。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种利用物理气相输运法在SiC籽晶上异质生长AlN的方法，其特征是：

设计包含蒸气饱和微腔的坩埚结构，其中蒸气为Si和C及其化合物的蒸气；微腔内部可抽真空和充气；在AlN生长初期，通过采用蒸气饱和微腔抑制初期SiC的正向分解升华并同时实现AlN的生长，通过留有微弱气孔的粘接剂覆盖抑制初期SiC的侧向升华，AlN多晶隔离片逐渐背升华并沉积在SiC表面；多晶隔离片升华消失后，AlN源粉处升华得到的Al原子可直接输运至生长表面；在AlN多晶隔离片和AlN粘接剂升华之后的生长中期，在SiC籽晶上已有AlN层覆盖，SiC侧面的AlN粘接剂升华离开坩埚区域，使得SiC侧向升华分解，SiC籽晶层逐步消失，只留下继续生长的AlN单晶层，由此得到无SiC的AlN籽晶；

用于在SiC上生长AlN籽晶的包含蒸气饱和微腔的坩埚结构包括：坩埚主体、生长气氛、AlN源粉、碳化钽籽晶托、环、SiC籽晶、AlN粘接剂、AlN多晶隔离片；将SiC籽晶置于籽晶托表面中央，在籽晶周边均匀涂上粘接剂，用环压住籽晶周边和粘接剂，再将AlN多晶隔离片边缘粘接于环，籽晶托、籽晶、环、隔离片四者同心，由此环、SiC籽晶、AlN多晶隔离片共同围成SiC蒸气饱和微腔；

所述方法具体包括如下步骤：

1) SiC籽晶固定：利用单面抛光的籽晶托、双面抛光的SiC籽晶和环；将AlN粘接剂均匀涂于籽晶周边，使得籽晶托、籽晶和环同心；等待粘接剂固化即固定SiC籽晶；包括如下过程：

清洗单面抛光的籽晶托、双面抛光的SiC籽晶和环；

将籽晶置于籽晶托抛光面，确保贴合完好；

将AlN粘接剂均匀涂于籽晶周边，粘接剂留有微弱的气孔，确保坩埚的蒸气饱和微腔内部可被抽真空和充气；

再将环放置在籽晶上，压住籽晶边缘和粘接剂，使得籽晶托、籽晶和环同心；环的材料为钨；

等待粘接剂固化；

通过该粘接剂即可抑制SiC侧面分解升华；

2)AlN多晶隔离片固定：包括如下过程：

对AlN多晶锭进行切割和研磨抛光，得到与SiC籽晶大小接近的AlN多晶隔离片；

采用AlN粘接剂将AlN多晶隔离片的边缘与已放置好的环进行粘接，保持同心，使得由SiC籽晶、环和AlN多晶片形成微腔，即蒸气饱和微腔；

将该蒸气饱和微腔结构盖于内部装有源粉的圆筒形坩埚主体顶部开口处，形成完整的坩埚，再将该坩埚放入PVT晶体生长炉内；

3) 升温过程：

对生长炉炉体抽高真空使得压力为小于10^-3 Pa，对坩埚进行升温至1500-1700℃，在过程中向炉体中通入高纯氮气或高纯氮气/高纯氩气的混合气体，形成环境气氛，并使炉体压强保持稳定；

4) 晶体生长阶段：

将坩埚温度继续升高并稳定到温度值1800-2200℃，生长时间为10-100小时；

6) 降温过程：生长完成之后，进行降温；

7) 开炉取样，即可从炉体中得到无SiC层的AlN籽晶。

2.如权利要求1所述利用物理气相输运法在SiC籽晶上异质生长AlN的方法，其特征是，步骤2) AlN多晶隔离片固定，

坩埚外侧采用的加热器可为感应式加热器或电阻式加热器。

3.如权利要求1所述利用物理气相输运法在SiC籽晶上异质生长AlN的方法，其特征是，步骤3) 升温过程中，升温速率为1-100℃/min；高纯氮气/高纯氩气的混合气体的比例范围为0.1-0.9；炉体压强为400-700 Torr。

4.如权利要求1所述利用物理气相输运法在SiC籽晶上异质生长AlN的方法，其特征是，步骤6)降温过程中，降温速率为1-100℃/min。

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