CN218115671U - 一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统。所述坩埚系统为半开放式、包括物质流通可控式结构。具体包括坩埚本体和坩埚盖，固定在坩埚盖上的籽晶，以及物质气流通道，所述物质气流通道用于所述坩埚系统与所述坩埚系统外进行物质气流交换，所述物质气流通道设置于坩埚盖与坩埚本体相接处，或者设置于坩埚盖上。通过这些物质气流通道，使得坩埚系统内的物质气流可有序外溢，籽晶生长区周围均处于饱和度值甚至负值的环境，避免了坩埚内部物质传输失去平衡，局部饱和度过高或过低的不均匀分布问题，由此可解决部件微变形或局部粘接引起物质传输不稳定、不均匀导致杂向寄生及晶体质量下降的问题。

Description

一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统

技术领域

本实用新型涉及晶体生长技术领域，具体涉及一种用于物理气相传输法生长AlN晶体的坩埚系统。

背景技术

氮化铝（AlN）作为第三代宽禁带半导体材料，具有高禁带宽度（6.2 eV）、高热导率（340 W/(m∙K)）、高击穿场强（11.7MV/cm）、良好的紫外透过率、化学和热稳定性等优异性能，可以广泛应用于制造激光二极管、光接收器、超高集成电路、微波器件、激光器、光电以及抗辐射、耐高温等器件。目前，物理气相传输法（PVT法）被证明是一种用于生长大尺寸、高质量体块AlN单晶的最合理且最有前景的方法。

物理气相传输法是一种广泛用于晶体生长的方法，尤其在AlN、碳化硅等第三代半导体晶体生长领域，现在已成为制备大尺寸氮化铝、碳化硅单晶最主流的方法。在该领域中，物理气相传输法主要通过对坩埚进行高温加热，原料在高温下升华为气相，并通过不同的热场设计，使气相传输到相对低温的生长区沉积并不断生长。除此之外，物理气相传输法还适用于对原料进行高温提纯。

大量文献及实际制备表明，物理气相传输法生长氮化铝单晶时，AlN晶体生长室内的轴向与径向稳定、均匀的物质传输对获得均匀一致且高质量的单晶晶锭至关重要。AlN晶体PVT生长所处高温达到2300℃，能选择作为坩埚系统的耐超高温材料很有限，比如石墨、钨、钽、碳化钽等。另外，AlN长晶过程中会产生主要杂质碳和氧，杂质进入晶体会产生过度的紫外吸收带，从而降低AlN衬底的紫外透过性。因此，普遍采用纯钨作为坩埚及零配件最佳材料，且钨的耐受温度高（在1个atm氮气气氛下>2400℃）。然而，高温下的钨部件会发生不同程度的不对称变形、热粘等恶性变化，比如籽晶支撑部件与坩埚侧壁局部热粘连、因热变形产生缝隙等，导致坩埚内部物质传输失去平衡，局部饱和度过高或过低的不均匀分布，甚至出现大量物质泄露，导致晶锭长不高、形态不对称、多晶寄生严重等恶劣的现象，严重影响实验与生产的品质与良率。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提出一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统，通过对顶部籽晶支撑部件和坩埚侧壁之间的结构设计，实现物质传输及其浓度分布在动态长晶过程中具备稳定、对称分布和可控的特点，有效避免长晶过程中因物质流局部堵塞或大流通而造成生产良率低甚至严重恶化长晶质量等现象，从而有效稳定长晶过程，趋于动态平衡生长，实现生产的可重复和高良率。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统。所述坩埚系统为半开放式、包括物质流通可控式结构。具体的，所述坩埚系统包括坩埚本体和与所述坩埚本体开口端匹配的坩埚盖，所述坩埚盖朝坩埚本体内一面的中心固定有籽晶，籽晶通过籽晶支撑件固定于坩埚盖上或者直接固定于坩埚盖上；所述坩埚系统还包括物质气流通道，所述物质气流通道用于所述坩埚系统与所述坩埚系统外进行物质气流交换，所述物质气流通道设置于所述坩埚盖与所述坩埚本体相接处，或者设置于所述坩埚盖上。晶体生长时，长晶原料置于所述坩埚本体的底部。

通过在坩埚系统设置所述物质气流通道，位于坩埚盖周围或者坩埚盖上的这些气流通道，使得坩埚系统内的物质气流可通过这些通道外溢，从而使得位于坩埚盖上的籽晶周围、坩埚本体上部与坩埚盖周围均处于饱和度值甚至负值的环境，避免了坩埚内部物质传输失去平衡，局部饱和度过高或过低的不均匀分布问题，由此可解决部件微变形或局部粘接引起物质传输不稳定、不均匀导致杂向寄生及晶体质量下降的问题。

在一优选实施例一中，所述物质气流通道设置于所述坩埚盖与所述坩埚本体相接处，具体通过在所述坩埚盖和坩埚本体侧壁的上沿之间设置若干隔离件，所述隔离件沿着坩埚本体侧壁的上沿均匀分布、所述隔离件两两之间形成的弧形开口即为所述物质气流通道。

进一步地，两两隔离件间形成的所述弧形开口的弧长ds满足：0.01mm＜ds＜0.2*Dc，其中Dc为坩埚本体的内径。

进一步地，所述隔离件为活动放置于坩埚盖与坩埚本体侧壁上沿之间的隔离块。

进一步地，所述隔离件为坩埚本体的侧壁一体形成，所述侧壁上沿开口呈梳齿状，其中所述梳齿部分构成所述隔离件、所述梳齿间的弧形开口即构成所述物质气流通道。

在另一优选实施例二中，所述物质气流通道设置于所述坩埚盖与所述坩埚本体相接处，由坩埚盖顶部设置一提拉装置，通过所述提拉装置将坩埚盖向上提拉，与所述坩埚本体间产生一定间距，所述间距即构成所述物质气流通道。

在另一优选实施例三中，所述物质气流通道设置于所述坩埚盖上，沿着所述籽晶外围一圈、在坩埚盖上形成若干分布均匀的通孔。所述通孔即为所述物质气流通道。

进一步地，所述通孔与所述籽晶的最短径向距离dr满足：0≤dr＜5*Rc，其中Rc为籽晶半径；在坩埚盖上形成的若干通孔的形状一致，可以为圆形、三角形、矩形、五边形，但不限于这些形状，其中所述通孔最大孔径dmax满足：0.01mm＜dmax＜0.2*Dc，其中Dc为坩埚本体的内径。

在以上任一实施例方式中，均控制所述物质气流通道的底面至籽晶生长面的轴向距离dz满足：0≤dz＜Hs，其中Hs为籽晶生长面与原料上表面的间距；其中籽晶生长面指平行于坩埚本体底面的籽晶初始表面，籽晶初始表面指籽晶长晶前的表面。通过控制物质气流通道的底面至籽晶生长面的轴向距离，有效的控制了籽晶生长面周围的晶体生长区均处于合适的生长气氛饱和度值的环境。例如在第一实施例中，隔离件两两之间形成的弧形开口为所述物质气流通道，通过控制所述物质气流通道的底面即坩埚本体侧壁的上沿至籽晶生长面的轴向距离dz，便确定了所述隔离件的高度即所述弧形开口的高度；在第二实施例中，坩埚盖向上提拉与坩埚本体间产生的间距即所述物质气流通道，控制物质气流通道的底面即所述坩埚本体侧壁的上沿至籽晶生长面的轴向距离dz，则所述间距高度即坩埚盖被提拉的高度即被确定；而在第三实施例中，物质气流通道为开在坩埚盖上的所述通孔，控制所述物质气流通道的底面至籽晶生长面的轴向距离dz，即控制坩埚盖底面到籽晶生长面的轴向距离。

进一步地，所述籽晶生长面与原料上表面的间距Hs取值范围0<Hs<H_crucible，其中H_crucible指坩埚本体的内腔高度。

本实用新型提供的一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统，其工作时，籽晶直接固定于坩埚盖或者通过支撑件固定于坩埚盖上，籽晶生长面朝向所述坩埚本体内，原料置于坩埚本体内底部；坩埚受热，原料在高温下向上升华，氮化铝单晶沉积在籽晶表面。由于在坩埚盖上或者坩埚盖周围设置了均匀分布的物质气流通道，物质流通过该通道外溢，从而使得位于坩埚盖上的晶体生长区的周围均处于饱和度值甚至负值的环境，避免了坩埚内部物质传输失去平衡、局部饱和度过高或过低的不均匀分布问题，解决一个AlN晶体PVT法生长过程中物质传输不对称性及稳定性的问题，从而避免了因部件在高温下容易微变形或局部粘接引起物质传输不稳定、不均匀导致杂向寄生及晶体质量下降的问题。

附图说明

图1为本实用新型第一种实施例的坩埚系统的结构示意图。

图2为本实用新型第一种实施例的坩埚系统中活动隔件之间构成的弧形开口即物质气流通道的示意图。

图3为本实用新型第二种实施例的坩埚系统的结构示意图。

图4为本实用新型第三种实施例的坩埚系统的结构示意图。

图5为使用本实用新型实施例1的坩埚系统外延生长的氮化铝单晶实物图。

图中，1为坩埚本体，2为氮化铝原料，3为坩埚盖，4为籽晶，7为籽晶支撑件，5为隔件，6为提拉装置，8为通孔。

具体实施方式

为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。

实施例一

参见附图1及附图2，分别为本实用新型第一种实施例的坩埚系统的结构示意图、以及两两活动隔件之间构成的弧形开口即物质气流通道的示意图。在本实用新型第一示出实施例中，可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统中，坩埚盖与坩埚本体的侧壁上沿间，放置了若干活动隔件，这些活动隔件将坩埚本体的侧壁上沿一圈分割成均匀分布的多个弧形开口间隙，每个弧形开口的弧长如附图2中ds，满足：0.01mm＜ds＜0.2*Dc，其中Dc为坩埚本体的内径，弧形开口间隙的高度与隔件的高度一致，通过控制如附图1中坩埚本体侧壁的上沿（即物质气流通道的底面）至籽晶生长面的轴向距离dz，来确定了这些活动隔件的高度即弧形开口的高度，这些弧形开口形成了坩埚本体内与坩埚本体外进行物质气流的交换通道，即所述物质气流通道。其中要求0≤dz＜Hs， Hs为籽晶生长面与原料上表面的间距；籽晶生长面指平行于坩埚本体底面的籽晶初始表面，籽晶初始表面指籽晶长晶前的表面；其中Hs小于坩埚本体的内腔高度。在本实施方式的一具体实施例中，坩埚直径80mm，弧形开口ds为10mm，源晶间距40mm，dz为8mm。

工作时，籽晶直接固定在坩埚盖上、或者通过籽晶支撑件上固定于坩埚盖上，如本实施例图1，籽晶直接固定于坩埚盖上；氮化铝原料置于坩埚本体的底部，隔件均匀的分置于坩埚本体的侧壁的上沿，坩埚盖再置于其上，坩埚盖、坩埚本体侧壁上沿以及隔件围合成多个弧形开口间隙。坩埚本体受热，氮化铝原料在高温下向上升华，氮化铝单晶沉积在籽晶表面，同时物质流通过分布在籽晶生长区周围的弧形开口间隙外溢，通过弧形开口的尺寸以及与籽晶生长面相对位置的控制，从而使得位于晶体生长区的周围均处于饱和度值甚至负值的环境，避免了坩埚本体内部物质传输失去平衡、局部饱和度过高或过低的不均匀分布问题，这样AlN晶体在PVT法生长过程中物质传输对称且稳定，从而避免了不均匀导致杂向寄生及晶体质量下降的问题。

如图5为本实施例的坩埚系统外延生长的氮化铝单晶实物图，如图该氮化铝单晶形貌证实本实施例得到的氮化铝单晶无粘接单晶、晶体边缘可观察到标准晶锭外延的台阶流形貌；证实本实施例通过弧形开口的设计，形成物质气流通道，控制晶体生长面周围的物质流饱和度，有效的获得了物质传输的对称及稳定，避免了不均匀导致杂向寄生及晶体质量下降的问题。

实施例二：

参见附图3，在本实用新型第二示出实施例中，可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统中，坩埚盖上设置有一提拉装置，通过所述提拉装置将坩埚盖向上提拉，与所述坩埚本体间产生一定间距，所述间距即构成所述物质气流通道。本实施例中通过控制坩埚本体侧壁的上沿（即物质气流通道的底面）至籽晶生长面的轴向距离dz，则所述间距高度即坩埚盖被提拉的高度即被确定，其中dz可满足的范围同实施例一一致。在本实施方式的一具体实施例中，晶体生长的初期，籽晶初始生长面与坩埚本体上沿的轴向距离dz控制为0.5mm，随AlN单晶长晶过程进行、晶体长高，新的晶体生长面与物质气流通道底面的轴向距离增大，为保证物质流通效果，在晶体生长过程中同步调整dz，即提拉使间距增大，以维持新的晶体生长面周围物质流的动态平衡。如在该具体实施例中，在AlN单晶长晶过程中，dz随着长晶时间逐渐由0.5mm增大为2mm，其中籽晶初始生长面与原料上表面的间距Hs为30mm。

实施例三：

参见附图4，在本实用新型第三示出实施例中，可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统中，物质气流通道为坩埚盖上的一圈通孔，这些通孔沿着籽晶外围一圈、在坩埚盖上均匀分布。这些通孔即构成本实用新型中的物质气流通道。如图4中所示，通孔与籽晶的最短径向距离dr，满足：0≤dr＜5*Rc，其中Rc为籽晶半径。如在本实施方式的一具体实施例中，各结构参数分别为：籽晶尺寸10mm，坩埚直径60mm，dr为15mm。在坩埚盖上形成的若干通孔的形状一致，可以为圆形、三角形、矩形、五边形，但不限于这些形状，其中所述通孔最大孔径dmax满足：0.01mm＜dmax＜0.2*Dc，其中Dc为坩埚本体的内径；如在本实施方式的一具体实施例中，通孔采用圆形，其直径为8mm。

在本实施例中，为确保晶体生长面周围的物质流通效果，需要控制晶体初始生长面与通孔的轴向距离，在本实施例中，即坩埚盖底部与晶体初始生长面的上下距离，如图4中所示的dz，其控制范围同第一、第二实施例一致。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统，其特征在于：所述坩埚系统为半开放式、物质流通可控式结构，包括坩埚本体、与所述坩埚本体开口端匹配的坩埚盖、还包括物质气流通道，所述物质气流通道用于所述坩埚系统与所述坩埚系统外进行物质气流交换，所述物质气流通道设置于所述坩埚盖与所述坩埚本体相接处，或者设置于所述坩埚盖上；所述物质气流通道为贯通所述坩埚本体内外的若干开口孔隙；

坩埚盖朝坩埚本体内一面的中心固定有籽晶，籽晶通过籽晶支撑件固定于坩埚盖上或者直接固定于坩埚盖上；坩埚系统进行晶体生长时，长晶原料置于所述坩埚本体的底部。

2.根据权利要求1所述一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统，其特征在于：所述物质气流通道设置于所述坩埚盖与所述坩埚本体相接处，通过在所述坩埚盖和坩埚本体侧壁的上沿之间设置若干隔离件，所述隔离件沿着坩埚本体侧壁的上沿均匀分布、所述隔离件两两之间形成的弧形开口即为所述物质气流通道。

3.根据权利要求2所述一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统，其特征在于：两两隔离件间形成的所述弧形开口的弧长ds满足：0.01mm＜ds＜0.2*Dc，其中Dc为坩埚本体的内径。

4.根据权利要求2所述一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统，其特征在于：所述隔离件为活动放置于坩埚盖与坩埚本体侧壁上沿之间的隔离块。

5.根据权利要求2所述一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统，其特征在于：所述隔离件为坩埚本体的侧壁一体形成，所述侧壁上沿开口呈梳齿状，其中所述梳齿部分构成所述隔离件、所述梳齿间的弧形开口即构成所述物质气流通道。

6.根据权利要求1所述一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统，其特征在于：所述物质气流通道设置于所述坩埚盖与所述坩埚本体相接处，由坩埚盖顶部设置一提拉装置，通过所述提拉装置将坩埚盖向上提拉，与所述坩埚本体间产生一定间距，所述间距即构成所述物质气流通道。

7.根据权利要求1所述一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统，其特征在于：所述物质气流通道设置于所述坩埚盖上，沿着籽晶外围一圈、在坩埚盖上形成若干分布均匀的通孔，所述通孔即为所述物质气流通道。

8.根据权利要求7所述一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统，其特征在于：所述通孔与所述籽晶的最短径向距离dr满足：0≤dr＜5*Rc，其中Rc为籽晶半径。

9.根据权利要求7所述一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统，其特征在于：所述通孔最大孔径d_max满足：0.01mm＜d_max＜0.2*Dc，其中Dc为坩埚本体的内径。

10.根据权利要求2、6或7任一项所述一种可控式物质流通的AlN长晶坩埚系统，其特征在于：所述物质气流通道的底面至籽晶生长面的轴向距离dz满足：0≤dz＜Hs，其中Hs为籽晶生长面与原料上表面的间距；其中籽晶生长面指平行于坩埚本体底面的籽晶初始表面，籽晶初始表面指籽晶长晶前的表面；

其中Hs的取值范围为0<Hs<H_crucible，其中H_crucible指坩埚本体的内腔高度。

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