一种采用气相传输制备氮化铝晶体的方法技术

本发明专利技术属于晶体生长技术领域，具体为一种采用气相传输制备氮化铝晶体的方法，包括以下步骤：首先将氮化铝原料固定于坩埚内壁四周，使其围成一晶体生长腔，将氮化铝籽晶固定于坩埚内晶体生长腔中间位置；将已装配好氮化铝原料和氮化铝籽晶的坩埚放入加热炉中，切换加热炉中的生长气氛为纯氮气氛围，升温至坩埚内达到预设温度，并调节至所述籽晶周围形成由所述原料至所述籽晶方向温度由高到低的小温梯，进行氮化铝单晶晶体生长，并保温一段时间，降温至室温，打开坩埚，得到所述的氮化铝晶体。使用本发明专利技术原料进行氮化铝晶体生长，可抑制晶体中碳占氮位和氮空位点缺陷的产生，获得的氮化铝晶体在深紫外波段具有很高的透过率。晶体在深紫外波段具有很高的透过率。晶体在深紫外波段具有很高的透过率。

【技术实现步骤摘要】
一种采用气相传输制备氮化铝晶体的方法


[0001]本专利技术属于晶体生长
，具体为一种采用气相传输制备氮化铝晶体的方法。

技术介绍

[0002]深紫外光电子器件，如发光二极管(UVC
‑
LED)、深紫外激光器(UVC
‑
LD)、日盲紫外探测器等器件，在水消毒、空气净化、食品安全、生物医疗、导弹告警/预警等领域具有广泛的应用。作为上述器件的功能层材料，目前氮化铝镓(AlGaN)材料外延生长采用蓝宝石作为衬底材料，尽管蓝宝石在深紫外波段具有较高的透过率，但受到晶格失配和热失配的限制，很难实现高质量AlGaN外延层的生长，严重限制了深紫外光学器件的发展和性能的提升。作为重要的超宽禁带半导体材料材料之一，氮化铝的禁带宽度为6.2eV、折射系数约为2.2，理论上其透过截止边可达210nm，并且在210～800nm波段理论透过率可达78％，满足深紫外可透的衬底要求。此外，氮化铝与AlGaN具有最为匹配的晶格常数和热膨胀系数，尤其是高铝组分Al
x
Ga1‑
x
N(1≥x≥0.8)只能在氮化铝上制备获得，并且氮化铝单晶衬底上制备的AlGaN位错密度比蓝宝石衬底上制备的AlGaN位错密度低1000倍以上，因此氮化铝单晶衬底被认为是AlGaN基深紫外光电子器件最为优异的衬底材料。
[0003]物理气相传输(PVT)法是制备大尺寸氮化铝晶体(尺寸≥2英寸，厚度≥15mm)唯一的方法，该方法中晶体生长温度高达2150℃～2300℃。目前，PVT法生长的氮化铝晶体在作为深紫外光电子器件的衬底材料仍面临着一些问题，其中，最为显著的问题为氮化铝在265nm(4.7eV)具有强烈的吸收峰，该吸收峰源于氮化铝晶体中非故意性掺杂而引入的点缺陷。Ram
ó
n Collazo等在《应用物理通讯》(Applied Physics Letters)的2012年第100期第191914页公开的《AlN大尺寸晶体中265nm吸收带的起源》(On the origin of the 265nm absorption band in AlN bulk crystals)一文中所述，当氮化铝晶体中碳/氧杂质浓度高于1018cm
‑3时，CN0和CN
‑1之间的电子跃迁是265nm吸收峰的起源，即点缺陷CN导致了265nm吸收峰。此外，Lei Jin等在《材料快报》(Scripta Materialia)的2021年第190期第91
‑
96页公开的《无色AlN大尺寸晶体的光学性质：本征缺陷诱导紫外吸收的研究》(Optical property in colorless AlN bulk crystals:investigation of native defect
‑
induced UV absorption)一文中所述，当氮化铝晶体中碳/氧杂质浓度为2～5
×
10
17
cm
‑3时，氮空位(V
N
)是265nm吸收峰的起源，并随着氮空位浓度的降低，265nm吸收峰的吸收系数也降低。基于上述两文所述，氮化铝在深紫外波段265nm吸收峰源于两种点缺陷类型，分别为C
N
和V
N
，两种点缺陷产生的原因在于：
[0004](1)点缺陷C
N
起源：氮化铝原料中含有碳杂质元素，随着氮化铝原料的升华与传输，碳杂质元素也输运到氮化铝晶体的生长表面，以C
N
的缺陷形式生长进入晶体中，导致氮化铝在深紫外波段265nm的吸收峰；
[0005](2)点缺陷V
N
起源：一方面氮化铝原料中氮元素与铝元素的原子比小于1:1，生华后的氮化铝蒸气中氮基元与铝基元的原子比也小于1:1，另一方面氮化铝晶体生长温度高
达2150℃～2300℃，如此高温度下的氮化铝蒸气中的氮基元相互作用生成氮气，进一步降低蒸气中氮基元与铝基元的原子比，因此氮化铝晶体生长环境为富铝环境(缺氮环境)，晶体中产生大量V
N
，这导致氮化铝V
N
在深紫外波段265nm的吸收峰。

技术实现思路

[0006]鉴于上述问题，针对深紫外波段高透过率氮化铝晶体对高纯的富氮氮化铝原料的需求，即氮化铝原料一方面含有极低的C、O等杂质元素，另一方面氮元素与铝元素的原子比大于1:1，本专利技术适用于物理气相传输制备深紫外波段高透过率氮化铝晶体的原料为富氮氮化铝，氮元素与铝元素的原子数量比值为1.05～1.30，纯度≥99.99％，杂质元素碳、氧的含量均小于2
×
1017cm
‑
3，用于物理气相传输法氮化铝晶体生长。
[0007]本专利技术的目的可通过以下技术方案实现：
[0008]一种采用气相传输制备氮化铝晶体的方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一、将氮化铝原料固定于坩埚内壁四周，使其围成一晶体生长腔；
[0010]步骤二、将氮化铝籽晶固定于坩埚内晶体生长腔中间位置；
[0011]步骤三、将已装配好氮化铝原料和氮化铝籽晶的坩埚放入加热炉中，切换加热炉中的生长气氛为纯氮气氛围，升温至坩埚内达到预设温度，并调节至所述籽晶周围形成由所述原料至所述籽晶方向温度由高到低的小温梯，进行氮化铝单晶晶体生长，并保温一段时间；所述小温梯在轴向和径向上的温梯≤10K/cm,并在籽晶周围形成铝气压的低过饱和度；
[0012]步骤四、氮化铝单晶生长完毕，降温至室温，打开坩埚，得到所述的氮化铝晶体。
[0013]该原料为富氮氮化铝，氮元素与铝元素的原子数量比值为1.05～1.30，纯度≥99.99％，杂质元素碳、硅、氧的含量均小于2
×
10
17
cm
‑3，用于物理气相传输法氮化铝晶体生长。
[0014]优选的，所述氮化铝原料为粉料、烧结陶瓷料、晶化态多孔料或晶体块状料中的一种或及多种。
[0015]优选的，所述氮化铝晶体中氮元素与铝元素的原子数量比值为1.05～1.30，纯度≥99.99％，且杂质元素碳、硅、氧的含量均小于2
×
10
17
cm
‑3。
[0016]优选的，所述氮化铝原料由氮化铝单晶或多晶组成，粒径为0.5mm～5mm。
[0017]优选的，所述氮化铝原料可采用纯度≥97.5％的氮化铝粉，在钨系统高温炉中，通过2200～2300℃高温烧结5～20小时，获得纯度≥99.99％氮化铝，并采用氮离子源在对氮化铝进行离子注入，获得氮化铝原料。
[0018]优选的，所述氮化铝原料可通过铝金属氨化法制备获得。
[0019]优选的，所述氮化铝原料制备可通过微波辅助铝金属氮化法制备获得。
[0020]优选的，所述氮化铝晶体物理气相传输生长中，生长温度为2150～2200℃时，采用富氮氮化铝原料的氮元素与铝元素的原本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用气相传输制备氮化铝晶体的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将氮化铝原料固定于坩埚内壁四周，使其围成一晶体生长腔；步骤二、将氮化铝籽晶固定于坩埚内晶体生长腔中间位置；步骤三、将已装配好氮化铝原料和氮化铝籽晶的坩埚放入加热炉中，切换加热炉中的生长气氛为纯氮气氛围，升温至坩埚内达到预设温度，并调节至所述籽晶周围形成由所述原料至所述籽晶方向温度由高到低的小温梯，进行氮化铝单晶晶体生长，并保温一段时间；所述小温梯在轴向和径向上的温梯≤10K/cm,并在籽晶周围形成Al气压的低过饱和度；步骤四、氮化铝单晶生长完毕，降温至室温，打开坩埚，得到所述的氮化铝晶体。2.根据权利要求1所述的一种采用气相传输制备氮化铝晶体的方法，其特征在于，所述氮化铝原料为粉料、烧结陶瓷料、多晶化态多孔料或晶体块状料中的一种或及多种。3.根据权利要求1所述的一种采用气相传输制备氮化铝晶体的方法，其特征在于，所述氮化铝晶体中氮元素与铝元素的原子数量比值为1.05～1.30，纯度≥99.99％，且杂质元素碳、硅、氧的含量均小于2
×
10
17
cm
‑3。4.根据权利要求1或2所述的一种采用气相传输...

【专利技术属性】
技术研发人员：金雷，武红磊，覃佐燕，李文良，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：