[实用新型]温度场可控的氮化铝晶体生长装置及工艺

说明书

技术领域

本实用新型属于晶体制备领域，特别涉及一种氮化铝晶体的生长装置及对应的工艺。

背景技术

作为新型的第三代半导体材料的典型代表之一，氮化铝晶体具有直接带隙、宽禁带宽度(6.2电子伏特)以及极为优良的光、电、声、机械性质的优点，具有极其广阔的应用前景和难以估量的巨大经济效益。几十年的探索研究已证明，通过高温气相生长是目前制备氮化铝晶体最常用也是最成功的方法。该生长过程即为，氮化铝物料高温下分解升华，然后在低温区再结晶形成氮化铝晶体的过程。需要特别注意的是，该方法制备氮化铝晶体过程中，生长温度较高(超过2000℃)，同时，生长区域的温度分布对晶体的生长速率、形态及结晶质量都有决定性的影响。因此，要求生长装置在生长区域既满足够的高温，又能较为精确地控制温度场。感应加热生长装置有加热快、能耗小等优点，已成为生长碳化硅、蓝宝石等高温晶体材料的主要生长设备。但现有研究表明：感应加热炉主要是通过坩埚的上下移动来改变与线圈的相对位置来调整生长区的温度场的方式，很难满足氮化铝晶体制备所要求的苛刻温度场条件；同时，现有改进后的氮化铝晶体生长设备虽然在一定程度上提高了温度场的调节能力，但还未能达到该晶体生长所需要温度场的精确控制要求。因此，积极发展温度场精确可控的氮化铝晶体生长装置及相应的生长工艺，对于制备大尺寸、高质量氮化铝晶体极为重要。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供了温度场可控的氮化铝晶体生长装置及工艺，以满足制备大尺寸、高质量氮化铝晶体的需要。

本实用新型的实施包括：

一.温度场可控的氮化铝晶体生长装置。

实现上述目的的技术方案是一种升华法制备氮化铝晶体的生长装置，由加热器、保温层、红外测温仪(5)、坩埚(6)和坩埚支架(7)组成，其中，加热器包括顶加热器(3)、中加热器(4)和底加热器(8)，保温层包括顶保温层(1)、侧保温层(2)和底保温层(9)，各加热器和保温层之间均相互独立，可以保证出料、安装及更换的灵活性。

上述技术方案中，各加热器的材料均为金属钨，顶加热器(3)和底加热器(8)采用棒状或蚊香盘状的圆盘结构，中加热器(4)采用网状或瓦状的圆筒形结构，三者同轴，且在竖直方向前两者的位置可伸入中加热器(4)内，也可在其外。

上述技术方案中，顶保温层(1)、侧保温层(2)和底保温层(9)均采用金属全反射热屏蔽的方式，其中，靠近坩埚的里面几层均采用金属材料钨，外层可采用金属材料钼或钽，可以达到良好的保温效果，同时在一定程度上降低材料成本及加工难度。

上述技术方案中，坩埚支架(7)由下部的钨杆和顶端的钨盘组成，其中，钨杆贯穿通过底加热器(8)，钨盘为实心或中央有镂空图案的圆板，实现底部加热器的有效加热。

上述技术方案中，三个红外测温仪(5)的测温位置分别对应于坩埚(6)的外径顶部、中部、底部，同时，并与加热器的功率控制装置相连，实现对生长区域的精确温度监控。

上述技术方案中，可采用上或下出料方式，其中，上出料时，生长装置的顶部电极与外电源采用软线缆相连，且顶保温层(1)随升降系统一起提升出料，下出料时，生长装置的底部电极与外电源采用软线缆相连，且底保温层(9)、坩埚支架(7)和坩埚(6)随升降系统一起下降出料，保证系统的稳定性及取放料的方便性。

二.相关的生长工艺。

实现上述目的的技术方案，包括如下步骤：a)0.5～5大气压的高纯氮气环境中，由室温升至2100℃～2350℃的升温阶段；b)生长温度维持在2100～2350℃的保温阶段；c)由生长温度降至室温的降温阶段。

上述技术方案中，步骤a)的升温阶段，温度升至高于1600℃后，坩埚(6)中部温度比顶部温度低5℃～80℃。

上述技术方案中，步骤b)的保温阶段，坩埚(6)中部温度比顶部温度高5℃～80℃，坩埚(6)中部温度与底部温度低0℃～50℃。

上述技术方案中，步骤c)的降温阶段，温度降至1600℃之前，坩埚(6)中部温度比顶部温度低5℃～80℃。

上述技术方案中，根据红外测温仪(5)返回的坩埚(6)顶部、中部及底部的温度信号，通过顶加热器(3)、中加热器(4)和底加热器(8)的加热功率进行自动温控编程调节或手动调节，控制生长区域的温度场条件。

综上所述，该生长装置具有温度场控制精确、操作性强等优点，由此发展的相应生长工艺符合氮化铝晶体的结晶特性。本实用新型为制备大尺寸、高品质的氮化铝单晶体提供合适的生长装置及有效、可行的工艺。