[发明专利]等离子体焰流生长大尺寸氮化铝晶体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于电子和光电子产业的高温半导体单晶材料的制备，尤其是生长氮化铝晶体材料的制备方法。氮化铝晶体材料在全固态白光照明、杀菌和消毒器件、生物工艺学和制药学使用的紧凑分析设备、生物制剂探测系统、隐蔽通讯中的紧凑紫外光源以及高密度数据存储使用的短波长激光器等诸多领域具有广泛的应用前景，此外，它作为制作氮化物半导体器件、高功率射频器件、毫米波器件以及微波器件的衬底材料，也极有前景。

背景技术

国际上对氮化铝单晶体生长技术的研究可以从Kohn等人于1956年首先在实验室制备出氮化铝晶须追溯起。自G.A.Slack和T.F.McNelly(“Growth of High Purity AlNCrystals”，J.Cryst.Growth 34，263(1976)和“AlN Single Crystals”，J.Cryst.Growth 42，560(1977))用升华再结晶法生长出块状氮化铝材料，引起人们对氮化铝晶体的普遍关注和研究兴趣以来，在四十多年的氮化铝晶体生长历史中，各国研究者几乎尝试了所有可能的研究方法，包括升华结晶法(又称物理气相输运法)、气相法(如金属有机化学气相沉积法、分子束外延法、氢化物气相外延法、铝蒸气相法等)、熔体法和氨热法等。

升华结晶法(“Report on the growth of bulk aluminum nitride and subsequentsubstrate preparation”，J.Cryst.Growth，231(2001)317-321和“Growth of AlN bulkcrystals by sublimation sandwich method”，Mater.Sci.Forum，433-436(2003)979-982)被认为是目前生长大尺寸氮化铝晶体最有前途的方法，但尚存在很多问题未得到解决，譬如原料持续输送和生长晶体坩埚寿命短等很多问题；氢化物气相外延法(“Growth of thick AlN layers by hydride vapor-phase epitaxy”，J.Cryst.Growth，281(2005)62-67)生长了尺寸为30×30毫米的晶片(Wafer)，但由于衬底温度较低，因而缺陷密度非常大；其他如金属有机化学气相沉积法、分子束外延法、铝蒸气相法、熔体法、氨热法等几种氮化铝晶体生长方法，从生长机制上看由于存在很强的各向异性生长趋势(2100℃以下的低温区)，故很难实现大尺寸晶体的生长。

经过对氮化铝晶体生长历史和现状的仔细分析和研究，我们认识到：由于氮化铝需要在2200℃温度附近才能形成优质结晶，而在此温度时氮化铝已经有升华现象，因此采用气相法(包括升华结晶法，亦称物理气相输运法)是生长氮化铝晶体唯一有效的途径，液相方法或其他方法几乎不可能、也无法生长出大尺寸的氮化铝晶体。而在气相法生长方法中，升华结晶法目前是生长氮化铝单晶体的最好方法。国内外数十年的实验研究也证明了这些结论。然而我们看到，美国研究学者在四十年中尽管耗费了巨资，但迄今为止最好结果仅仅为生长出直径约12毫米的单晶体。该结果报道于二至三年前，近两年来尚未见明显进展。更不必说这种实验室水平研究成果还无法实现产业化生产，也无法满足各个应用领域对氮化铝晶体在数量上的需求。面临以上困境的根本原因在于氮化铝晶体的升华结晶法本身在原理上存在一定的局限性，具体表现为：①升华结晶法采用的是一个物料封闭或半封闭系统，生长过程中很难实现物料的持续输送，晶体无法继续长大；②系统中的原料在经历数个温度波动周期后，会出现原料失去活性的现象，导致粉料结块，整个系统升华速率变小；③晶体生长速率难以控制，特别是在晶体生长初期。原理上晶体生长速度可以通过对生长室的升华区和结晶区的温度及温度梯度等参数进行调控而得到控制，但实际上对高温区域温度的精确测量和控制是很难操作的；④升华法氮化铝晶体生长需要坩埚，但在高温下分解产生的铝蒸气会使坩埚受到严重的破坏。筛选适合的坩埚材料和提高坩埚使用寿命是长期以来难以解决的难题。

面对升华结晶法在实现大尺寸氮化铝晶体生长上的困难，有必要从改变生长原理和方法上寻找出路，进行突破。

发明内容