一种添加辅助气氛的氮化铝PVT生长方法技术

本发明专利技术公开了一种添加辅助气氛的氮化铝PVT生长方法。在氮化铝PVT生长过程中添加高纯氢气或高纯氨气，高纯氢气占充入气体总量的0.1%‑30%；高纯氨气占总占充入气体总量的0.1%‑20%。添加一定比例的高纯氢气或高纯氨气，作为氮化铝PVT生长的辅助气体，在1800℃以上高温生成AlH等气体分子将加速氮化铝PVT生长过程。通入辅助气体后，在工艺上将允许使用更低的生长温度进行氮化铝PVT生长。由于添加的高纯氢气或高纯氨气可适当调低生长温度30‑150℃，从而使得氮化铝更适合c面生长并得到低本征缺陷的晶体。本方法可有效提高氮化铝生长速度，降低氮化铝晶体生长温度，降低氮化铝晶体内的本征缺陷密度。

【技术实现步骤摘要】
一种添加辅助气氛的氮化铝PVT生长方法
本专利技术涉及氮化铝PVT（物理气相传输）晶体生长技术，特别是涉及一种添加辅助气氛的氮化铝PVT生长方法。
技术介绍
氮化铝作为直接带隙半导体材料，具有超宽的禁带宽度(6.2eV)、极高的击穿场强（11.7×106V•cm-1）、极高的热导率（实测值2.85W•cm-1•K-1）、优良的热稳定性和耐腐蚀性、良好的光学性质和力学性质，适宜作为射频（微波功率）器件、大功率器件以及超短波光电子器件。氮化铝材料具有热激发弱、直接带隙、吸收边（200nm）在深紫外波段的特点。在作为AlGaN基和GaN基外延材料的衬底时，还具有其他衬底无法比拟的优势，氮化铝与AlGaN属同族材料，晶格失配小，两者之间的晶格失配最大为2.4％。氮化铝与AlGaN的热膨胀系数最为接近，在器件制备的生长和冷却过程中，可以避免外延结构的开裂，大幅度降低为错密度（2个数量级以上）。此外，氮化铝可与GaN形成连续固溶体AlxGa1-xN，禁带宽度在3.39~6.2，且连续可调，可发射365~200nm波长的紫外光。作为下一代半导体材料，氮化铝材料以其优异的性能，将在光电子和微电子领域具有十分重要的应用，在未来卫星、太空探测、核反应堆等辐射环境中具有巨大的应用前景。物理气象传输（PVT）法被公认为是生长氮化铝晶体最有效的方法之一。通过第一性原理计算可知，AlN晶体（0001）面生长温度低于（11-20）和（10-10）面，实际上AlN晶体的（0001）面生长温度在2100℃至2250℃，生长速率在50~100um/h，并且难以扩晶。整个晶体生长过程中，设AlN晶体生长过程可能包括下列化学反应过程：Alg↔Alad（1）Alad+N2(g)↔AlNad+Nad（2）Alad+Nad↔AlNad（3）Nad+Nad↔N2(g)（4）AlNad+n(AlNc)↔(n+1)AlNc，(1≤n≤6)（5）首先，AlN正气中的Al蒸汽吸附在籽晶（0001）晶面如反应式（4）所示，然后N2分子与吸附的Al元素反应，生成AlN吸附基团和N吸附基团如反应式（5）所示，然后N吸附原子与Al吸附原子反应生成进一步AlN吸附基团，同时二个N吸附原子也可以相互结合生成N2分子，最后AlN吸附基团与晶体表面的活性位点n(AlNc)反应，结晶生成AlN晶体。在晶体生长的整个反应过程中，各个时间发生均有各自的时常，如表1所示。表1氮化铝铝面生长各事件发生速率表事件事件速率(s−1)Alad的扩散1.90×107Nad的扩散5.10×107Nad越过势磊1.90×107Nad越过台阶1.90×107AlNad的扩散1.51×108反应式（1）中Alg的吸附：Alg⇒Alad1.08×101反应式(1):Alad生成：Alg⇐Alad1.33×10−1反应式(2):Alad+N2=AlNad+Nad2.63×106反应式(3):Alad+Nad=AlNad7.00×107反应式(4):Nad+Nad=N2(g)1.02×108反应式(5):AlNad⇒AlNc(m=1)1个近邻基团1.84×10−2反应式(5):AlNad⇒AlNc(m=2)2个近邻基团1.36×105反应式(5):AlNad⇒AlNc(m=3)3个近邻基团2.64×107反应式(5):AlNad⇒AlNc(m=4)4个近邻基团3.68×108反应式(5):AlNad⇒AlNc(m=5)5个近邻基团1.79×109由上面的列表可知氮化铝的生长限制主要在铝原子的吸附过程是生长过程的限制步。由此可见加速铝吸附速率将极大地提高c面氮化铝生长速率。而高温生长氮化铝晶体的氮空位本征缺陷是造成深紫外性能降低的重要原因，降低氮空位本征缺陷也就成为氮化铝PVT生长必须解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种添加辅助气氛的氮化铝PVT生长方法。在系统中加入氢气或氨气则可以在高温情况产生AlH气态分子，而AlH极易吸附于氮化铝表面上，这样就可以在相同的温度下极大的增加氮化铝生长速率。高温快速生长或适当降低生长温度来得到低本征缺陷的高质量晶体。本专利技术采取的技术方案是：在氮化铝PVT生长过程中添加高纯氢气或高纯氨气以提高氮化铝的生长速率。本专利技术所述添加的高纯氢气占总气氛比率选择范围是0.1%至30%，高纯氨气占总气氛比率选择范围是0.1%至20%。本专利技术所述添加高纯氢气或高纯氨气后，晶体生长温度选择范围是1950-2100摄氏度，以降低生长后的氮化铝晶体本征缺陷。本专利技术采用的高纯氢气或高纯氨气的纯度均为99.9999%以上。本专利技术所产生的有益效果是：由于添加的高纯氢气或高纯氨气并且适当调低生长温度30-150摄氏度，从而使得氮化铝更适合c面生长并得到低本征缺陷的晶体。使用本专利技术进行籽晶氮化铝晶体生长，可有效提高氮化铝生长速度，降低氮化铝晶体生长温度，降低氮化铝晶体内的本征缺陷密度。具体实施方式实施例1：采用钨加热系统生长炉，钨坩埚，源料区温度2030℃，籽晶生长区温度2000℃。生长气压0.7Bar，生长时间10小时，添加氢气占气体总量的5%。生长晶体厚度为0.6mm（在不添加氢气，其他工艺条件相同时的晶体生长厚度约为0.2mm），通过添加氢气得到了较快的生长速度，且晶体直径扩展了0.2mm，吸收边（230nm）小于一般条件下PVT生长时的260-270nm。实施例2：采用钨加热系统生长炉，钨坩埚，源料区温度2120℃，籽晶生长区温度2080℃。生长气压0.7Bar，生长时间10小时，添加氨气占气体总量的5%。生长晶体厚度为2.0mm（在不添加氨气，其他工艺条件相同时的晶体生长厚度约为0.8-1.0mm)，通过添加氨气得到了较快的生长速度，且晶体直径扩展了1.5mm。在氮化铝PVT生长过程中添加一定比例的高纯氢气或高纯氨气，作为氮化铝PVT生长的辅助气体，在1800摄氏度以上高温生成AlH等气体组份将加速氮化铝PVT生长过程。通入辅助气体后，在工艺上将允许使用更低的生长温度进行氮化铝PVT生长。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种添加辅助气氛的氮化铝PVT生长方法，其特征在于：在氮化铝PVT生长过程中添加高纯氢气或高纯氨气以提高氮化铝的生长速率。

【技术特征摘要】
1.一种添加辅助气氛的氮化铝PVT生长方法，其特征在于：在氮化铝PVT生长过程中添加高纯氢气或高纯氨气以提高氮化铝的生长速率。2.根据权利要求1所述的一种添加辅助气氛的氮化铝PVT生长方法，其特征在于：添加的高纯氢气占总气氛比率选择范围是0.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：史月增，金雷，程红娟，赖占平，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十六研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12