一种大尺寸高质量氮化铝单晶的生长方法
技术领域
本发明涉及单晶制备，尤其涉及一种大尺寸高质量氮化铝单晶的生长方法。
背景技术
氮化铝是非常重要的第三代宽带隙半导体材料，具有直接带隙宽（6.2eV），热导率高，热稳定性高和介电常数低（8.6）的诸多优良特性，在高温、高功率、高频器件和短波长发光二极管等方面具有巨大的应用前景。氮化铝单晶由于可以和其它III-V组氮化物如GaN、InN等形成连续固溶体，其发射光可以从近红外到紫外区域连续变化。因此，作为衬底，可以异质结的方式生长三族氮化物。高质量的氮化铝单晶衬底可以显著降低氮化物外延层中的缺陷密度，极大地提高器件效率和寿命。因此，获得高质量的氮化铝单晶具有重要的意义。
块体氮化铝单晶生长一般采用物理气相输运方法（PVT），由于目前没有大尺寸AlN单晶，因此通常使用SiC单晶作为籽晶。SiC材料与AlN材料的晶格失配约1%，热失配高于160%。因此，在使用PVT方法和SiC为籽晶的系统中，存在因热失配导致的AlN晶体开裂问题。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的是如何解决AlN晶体开裂问题是生长大尺寸、高质量AlN单晶的前提。目前已报道的解决方案大多是以发育同质籽晶的方向为主，即在AlN籽晶上生长AlN单晶。而目前市面上没有大尺寸高质量AlN籽晶售卖，因此，国内外各研究单位大多只能以籽晶扩大的方法，不断繁衍，获得大尺寸AlN晶体和籽晶，估算若想获得4英寸的衬底，需要至少十年以上。因此，试用该技术近期无法获得重要突破。因此，本发明提出一种大尺寸高质量氮化铝单晶的生长方法，即抑制AlN晶体开裂的方法。
本发明采取的技术方案是：一种大尺寸高质量氮化铝单晶的生长方法，其特征在于，所述方法有以下步骤：
（1）、使用碳化硅单晶薄膜做衬底。
（2）、使用光刻方式在SiC籽晶背面制作网状槽，槽深小于薄膜厚度。
（3）、在SiC籽晶背部采用磁控溅射工艺蒸镀一层TaC薄膜，用来保护籽晶背部SiC成分在高温条件下不挥发。
（4）、在SiC籽晶底部放置一块石墨平台用于导热。
（5）、将AlN粉源存放于坩埚上方的环形粉源腔内，腔壁开孔，使AlN挥发的气氛从粉源腔内输运至籽晶区域。
本发明所述步骤（1）中，选择碳化硅单晶薄膜厚度小于10微米。
本发明所产生的有益效果是：通过使用本方法，该厚度为微米量级的SiC单晶膜籽晶具有籽晶的功能，并且能抑制热失配时对AlN单晶的破坏。采用无籽晶固定的方式将籽晶直接放于石墨托上，并结合籽晶在坩埚底部，粉源在坩埚顶部的结构，可以实现低应力条件的AlN单晶生长。
附图说明
图1为SiC籽晶及背面网状槽栅格俯视示意图；
图2为SiC籽晶及背面网状槽栅格侧视示意图；
图3为AlN单晶生长结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
（1）购买碳化硅（SiC）单晶薄膜做衬底（其择优厚度小于10微米），并使用光刻设备（或激光切割设备）在籽晶背部做网状刻槽，槽为方格状（不限于该形状），网格宽度（刻槽间距）为毫米量级，网格深度为薄膜厚度的一半（如图1、图2所示）。
（2）采用磁控溅射法在SiC籽晶背部蒸镀一层50微米（不限于该厚度，以满足定性要求为准）厚度的TaC（碳化钽）薄膜用于保护籽晶不挥发。
（3）按图3方式安装单晶生长装置，热场满足上热下冷的温度分布方式。单晶生长装置包括内保温层1；石墨导热托2；感应线圈3；AlN粉源4；上测温孔5；上部保温层6；下测温孔7；SiC籽晶8；石墨坩埚9；外保温层10。
（4）按传统的工艺进行AlN晶体生长。降温后，SiC籽晶将沿刻槽网格大量碎裂，而AlN单晶保持完整性。
使用厚度极小的碳化硅单晶薄膜做衬底（其择优厚度小于10微米）；其二，使用激光切割设备或光刻设备，在SiC籽晶背面制作网状槽，槽深度小于薄膜厚度，如图1、图2所示。该网状刻槽的作用是当AlN单晶生长完毕，热失配导致应力上升时，促进SiC籽晶的碎裂，并起到保护AlN单晶锭不受破坏的作用。
此外，在SiC背部采用磁控溅射工艺蒸镀一层TaC（碳化钽）薄膜，用来保护籽晶背部SiC成分在高温条件下不挥发。当所生长的AlN晶体厚度达到mm以上量级时，降温过程中AlN单晶和SiC籽晶由于热失配导致的应力作用，最终会以SiC籽晶碎裂的方式进行释放，从而能保证氮化铝单晶的完整性。
在方法中，碳化硅单晶薄膜的制备技术已有报道，可使用商用销售的产品。而激光切割设备，或光刻方法也属于成熟技术（但不限制其它方法）。在氮化铝单晶生长方式也与传统不同，采用籽晶在坩埚底部的方式进行生长，生长结构见图3。其中，在SiC籽晶底部放置一块石墨平台用于导热，SiC籽晶与石墨平台之间无粘结。AlN粉源存放于坩埚上方的环形粉源腔内，腔壁开孔，可使AlN挥发的气氛从粉源腔内输运至籽晶区域。
