[发明专利]氮化铝单晶材料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体单晶材料制备方法，具体是一种氮化铝单晶材 料制备方法。

背景技术

随着第三代半导体氮化镓(GaN)材料在光电器件领域的广泛应用推 广，极大推动超宽禁带半导体材料氮化铝(AlN)的研究和发展。自从2006 年日本NTT公司研制出第一只AlN基深紫外(波长210nm)发光二极管 (LED)，基于AlN和高Al组分AlGaN材料的短波长紫外和深紫外光电器件 成为半导体领域新的研究热点。但如采用类似GaN基光电器件利用异质衬 底(如蓝宝石、碳化硅和硅)外延制备方式，由于所需要的生长温度更高(至 少1300℃)，所承受的晶格失配、热应力及表面与界面问题将更为突出。 最理想的方式是采用AlN单晶材料作为同质衬底进行光电器件制备，这样 就能够有效消除AlN和高Al组分AlGaN基器件的大失配问题并研制出高 性能器件。因此，AlN单晶材料制备技术成为近年来半导体材料制备领域 新的研究热点。AlN单晶材料具有极其重要应用价值和非常可观经济效益。

目前，用于AlN单晶材料的常用制备工艺有三种：金属有机物化学气 相沉积(MOCVD)、卤化物气相外延(HVPE)、物理气相传输(PVT)。三种工艺 的优缺点如下：

(1)MOCVD工艺：是采用化学合成的方式，利用金属铝有机化合物(如 TMAl)作为铝源，氨气(NH3)作为氮源，在高温(1200-1600℃)蓝宝石、碳 化硅等异质衬底上进行AlN薄膜材料合成制备。其优点是：1)能够制备得 到大面积的AlN薄膜单晶材料。面积由异质衬底和生长室的大小决定，目 前最大面积可达直径6英寸；2)能够制备生长得到各种精细的失配应力调 控结构且具有非常平整的表面。这与MOCVD工艺材料生长速度较慢密切相 关。其缺点是：1)难以克服异质外延产生的应力引发的高密度位错 (109-10/cm2)、膜层弯曲及龟裂问题。面积越大膜层越厚问题越突出； 2)MOCVD工艺材料生长速度较慢(每小时几百纳米厚)。不适合制备几百微 米厚的商品化AlN单晶衬底材料。

(2)HVPE工艺：也是采用化学合成的方式，利用金属铝卤化物(如AlCl 或AlCl3)作为铝源，氨气(NH3)作为氮源，在高温(1200-1600℃)蓝宝石、 碳化硅等异质衬底上进行AlN厚膜材料合成制备。其优点是：1)也能够制 备大面积AlN单晶材料。面积也由异质衬底和生长室大小的决定，目前最 大面积尚只有直径2英寸；2)HVPE生长速度较快，能够制备得到作为衬底 使用的AlN厚膜单晶材料(几十乃至几百微米厚)，并能较好抑制穿通位错 的增值(位错密度106-7/cm2)。其缺点是：1)难以直接异质外延生长得到 表面平整且具有较高结晶质量材料。往往需要MOCVD工艺制备的AlN薄膜 单晶材料为成核结晶生长的模板。由于需要两台设备，造成材料生产成本 高；2)更难克服异质外延产生的应力造成的膜层弯曲和龟裂问题。导致难 以从异质结衬底上剥离得到完整大面积的无支撑AlN厚膜单晶材料，面积 越大膜层越厚越突出，材料成品率低不适合商品化推广。

(3)PVT工艺：是采用物理蒸发冷凝的方式将高纯AlN粉末原料高温 (1900-2400℃)物理蒸发出Al和N的气氛，再在具有一定温度梯度的籽晶 上冷凝生长AlN体单晶材料。其优点是：1)材料生长速度快(每小时几百 微米厚)。如有大尺寸AlN籽晶能够制备得到低位错密度(102-4/cm2)的可 商品化大尺寸AlN体单晶材料；2)设备建造和维护费用低。工艺成熟后非 常容易规模化生产。其缺点是：1)无籽晶制备生长易得到多晶或大晶粒材 料(晶粒尺度毫米尺度或更小)。需要借助MOCVD和HVPE两种工艺结合制 备的无支撑AlN厚膜单晶材料为籽晶来扩大长晶尺寸；2)材料生长温度非 常高(1900-2400℃)，对生长室的材料与结构以及温度梯度控制有更高要 求。尽管PVT工艺制备生长AlN体单晶的能耗与目前蓝宝石体单晶材料制 备相近，但由于其经济效益非常可观(目前每片2英寸AlN单晶片价格5 千美元以上)，其实用价值和市场前景最被看好。

发明内容

本发明的目的是针对常规MOCVD、HVPE、PVT工艺在制备氮化铝单晶 材料方面的技术不足，提供一种既实用又可降低成本的氮化铝单晶材料制 备方法。

本发明提供一种氮化铝单晶材料制备方法，其特征在于，包含如下步 骤：

步骤1：将一衬底置入金属有机物化学气相沉积-卤化物气相外延复合 工艺设备的生长室内；