一种低位错密度AlN单晶的生长方法

技术领域

本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及一种氮化铝晶体生长方法。

背景技术

氮化铝(AlN)是直接带隙半导体，具有高硬度、高热导率、高电阻率、良好的紫外透过率，与较强的抗辐射能力。在制作高温、高频、大功率电子器件、表面声波器件等方面有着广泛应用前景。物理气相传输(PVT)生长方法被认为是目前生长高质量、大尺寸AlN体单晶最有前途的方法。目前AlN衬底已形成小规模生产，然而AlN衬底的广泛应用仍受到本身高缺陷密度(特别是位错)的限制。众多研究表明，晶体中的穿型螺位错(TSD)和穿型刃位错(TED)对器件、成品率及可靠性能影响较小，基底面位错(BPD)会引发器件漏电流增加，导致器件性能严重劣化，因此抑制AlN晶体生长过程中BPD向外延层的过渡对于提高器件性能和可靠性至关重要。

目前，在缺乏高质量AlN籽晶的情况下，采用SiC异质外延技术因与AlN外延层晶格失配严重导致大量的位错密度(＞10

发明内容

本发明目的在于提供一种低位错密度的氮化铝单晶的生长方法。

本发明通过以下技术方案实现。

一种降低位错密度的AlN单晶生长方法，包括以下步骤：

步骤1)，提供AlN衬底置于坩埚系统顶部，将高纯AlN原料置于坩埚系统底部，将坩埚系统放置高温炉内；

步骤2)，高温炉抽真空至10

步骤3)，充入纯氮气至高压P1，加热AlN衬底至T1，加热AlN原料至T2，T1略高于T2，避免水合物、颗粒杂质等沉积至衬底表面；

步骤4)，提升衬底温度至T3，维持原料温度T2不变，维持氮气压P1不变，衬底表面开始热升华，保温一段时间t1。在高氮气压和反向温度梯度下，C取向面优先热挥发掉残留在衬底表面的污染物，如表面氧化层、抛光后残留抛光剂和其他有机物等，随后开始缓慢且均匀的表面原位热解离，逐步优先形成原生的小凹面V型衬底；

步骤5)，维持衬底和原料温度不变，缓慢降低氮气压至P2，保温一段时间t2，在低氮气压下，C取向面加快解离，C面快速缩小，形成原生的大凹面V型衬底；

步骤6)，增加氮气压至P1，继续加热衬底和原料温度分别至T4、T5，T4略高于T5，避免主要的碳、氧、硅等杂质沉积至衬底表面；

步骤7)，降低衬底温度至T6，维持原料温度T5不变，T5大于T6，形成小轴向温差(T5-T6)，并恒定氮气压P1，保温一段时间t3。该步骤中采用高氮气压、小轴向温差，衬底表面形成低过饱和度，促使达到平衡态生长，Al蒸气与N蒸气在大量的R特征面上开始形核，衬底自有的穿型位错和基底面位错无法继承和滑移，在R特征面上生长的晶核具有低的位错密度，随着长晶时间增长，晶核开始合并长大，形成初始形核层；

步骤8)，在步骤7)的形核阶段结束后，已形成了稳定的高质量生长界面，降低氮气压至P3，随后提升原料温度至T7，维持衬底温度T6不变，增加外延生长速率，开始增厚长晶，保温一段时间t4，形成厚体块层；

步骤9)，长晶结束，降至室温，取出制得的AlN单晶。

进一步，所述步骤1)中，所述AlN衬底的生长面经化学机械抛光(CMP)，表面粗糙度(RMS)小于1nm；

进一步，所述步骤1)中，所述AlN衬底生长面与所述原料顶面的距离为10-100mm；

进一步，所述步骤3)中，所述高压P1为0.8-1.5bar，所述T1为1700-2100℃，所述T2为1700-2100℃，满足0

进一步，所述步骤4)中，所述T3为1800-2200℃，满足10

进一步，所述步骤5)中，所述P2为0.1-0.5bar，所述t2为1-10h；

进一步，所述步骤6)中，所述T4为2200-2300℃，所述T5为2200-2300℃，满足0

进一步，所述步骤7)中，所述T6为2150-2250℃，满足5

进一步，所述步骤8)中，所述P3为0.4-0.8bar，所述T7为2250-2350℃，满足20

本发明通过在AlN生长初期原位反转温梯工艺将籽晶生长面均匀热升华，形成具有周期性密排的原生R特征面结构的周期性密排晶粒，增加原生R面占比，减少C面比表面积，从而有效阻断C向贯穿型位错的继承和各类位错沿A向的位错滑移渠道，有效减少籽晶原生位错的继承及增殖，最终获得低位错密度的AlN单晶。在一些实施例方案中，生产出的块状AlN晶体具有至少50mm的直径尺寸，将其切片和抛光加工，经碱溶液腐蚀统计位错密度，从传统的位错密度5*10

本发明技术方案的技术效果主要体现在：

1)通过原位反转温梯工艺形成周期性排列的具有原生R面结构的生长表面，能有效降低AlN单晶生长面的成核能量，确保优先在侧部R面上结晶，阻断C向贯穿型位错的继承和各类位错沿A向的位错滑移渠道，有效湮灭籽晶内部的位错继承，以及降低继承位错的形成与增殖；

2)采用本发明的技术方案，在生长初期形成三维倾斜侧壁，使向上延伸的位错在倾斜侧壁处发生弯曲，从而阻止位错沿C方向的延伸，达到降低位错缺陷的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明各实施例的AlN长晶工艺曲线。

图2为本发明各实施例的AlN长晶结构形成过程示意图。

图3为本发明各实施例的AlN籽晶在原位反转温梯工艺后的表面结构形貌图。

图4为本发明各实施例制得的大尺寸AlN单晶晶锭。

图5为本发明各实施例制得的AlN单晶抛光片表面位错密度，其中(a)图为籽晶片的腐蚀坑分布图；(b)图为生长晶锭抛光片的腐蚀坑分布图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

此外，在不同的实施例中可能使用的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。

实施例1

参见工艺执行曲线(如图1)，结合参考AlN长晶结构形成过程示意图(图2)，具体实施步骤如下：

步骤1)，提供AlN衬底1(如图2所示)，衬底表面经化学机械抛光(CMP)，表面粗糙度(RMS)小于1nm。将AlN衬底1置于坩埚系统顶部，将高纯AlN原料置于坩埚系统底部，AlN衬底1生长面与原料顶面的距离为30mm，将坩埚系统放置高温炉内；

步骤2)，高温炉抽真空至10

步骤3)，充入纯氮气至高压P1为1bar，加热AlN衬底1至T1为1800℃，加热AlN原料至T2为1780℃，T1略高于T2；

步骤4)，提升衬底温度至T3为1850℃，维持原料温度T2不变，维持氮气压P1不变，保温一段时间t1为2h，AlN衬底1形成原生的小凹面V型如图2所示的衬底2；

步骤5)，维持衬底和原料温度不变，缓慢降低氮气压至P2为0.3bar，保温一段时间t2为5h，AlN衬底形成原生的大凹面V型衬底3(如图2所示)。

步骤6)，增加氮气压至P1，继续加热衬底和原料温度分别至T4为2230℃、T5为2220℃，T4略高于T5；

步骤7)，降低衬底温度至T6为2200℃，维持原料温度T5不变，T5大于T6，形成小轴向温差(T5-T6)为20℃，并恒定氮气压P1，开始形核长晶，保温一段时间t3为2h，形成初始形核层4(如图2所示)；

步骤8)，降低氮气压至P3为0.5bar，随后提升原料温度至T7为2250℃，维持衬底温度T6不变，开始增厚长晶，保温一段时间t4为100h，形成厚体块层5(如图2所示)。

步骤9)，长晶结束，降至室温，取出AlN晶体。

实施例2

参见工艺执行曲线(图1)，结合参考AlN长晶结构形成过程示意图(图2)，具体实施步骤如下：

步骤1)，提供AlN衬底1(如图2所示)，衬底表面经化学机械抛光(CMP)，表面粗糙度(RMS)小于1nm。将AlN衬底1置于坩埚系统顶部，将高纯AlN原料置于坩埚系统底部，AlN衬底1生长面与原料顶面的距离为50mm，将坩埚系统放置高温炉内；

步骤2)，高温炉抽真空至10

步骤3)，充入纯氮气至高压P1为1.3bar，加热AlN衬底1至T1为2000℃，加热AlN原料至T2为1980℃，T1略高于T2；

步骤4)，提升衬底温度至T3为2050℃，维持原料温度T2不变，维持氮气压P1不变，保温一段时间t1为1h，原AlN衬底1形成原生的小凹面V型如图2中的衬底2；

步骤5)，维持衬底和原料温度不变，缓慢降低氮气压至P2为0.4bar，保温一段时间t2为6h，AlN衬底形成原生的大凹面V型衬底3(如图2所示)；

步骤6)，增加氮气压至P1，继续加热衬底和原料温度分别至T4为2260℃、T5为2250℃，T4略高于T5；

步骤7)，降低AlN衬底温度至T6为2230℃，维持原料温度T5不变，T5大于T6，形成小轴向温差(T5-T6)为20℃，并恒定氮气压P1，开始形核长晶，保温一段时间t3为5h，形成初始形核层4(如图2所示)；

步骤8)，降低氮气压至P3为0.7bar，随后提升原料温度至T7为2300℃，维持衬底温度T6不变，开始增厚长晶，保温一段时间t4为200h，形成厚体块层5(如图2所示)。

步骤9)，长晶结束，降至室温，取出AlN晶体。

实施例3

参见工艺执行曲线(如图1)，结合参考AlN长晶结构形成过程示意图(图2)，具体实施步骤如下：

步骤1)，提供AlN衬底1(如图2所示)，衬底表面经化学机械抛光(CMP)，表面粗糙度(RMS)小于1nm。将AlN衬底1置于坩埚系统顶部，将高纯AlN原料置于坩埚系统底部，AlN衬底1生长面与原料顶面的距离为80mm，将坩埚系统放置高温炉内；

步骤2)，高温炉抽真空至10

步骤3)，充入纯氮气至高压P1为0.9bar，加热AlN衬底1至T1为1900℃，加热AlN原料至T2为1880℃，T1略高于T2；

步骤4)，提升衬底温度至T3为1950℃，维持原料温度T2不变，维持氮气压P1不变，保温一段时间t1为1h，AlN衬底1形成原生的小凹面V型如图2中所示的衬底2。

步骤5)，维持衬底和原料温度不变，缓慢降低氮气压至P2为0.4bar，保温一段时间t2为8h，AlN衬底形成原生的大凹面V型衬底3(如图2所示)。

步骤6)，增加氮气压至P1，继续加热衬底和原料温度分别至T4为2280℃、T5为2265℃，T4略高于T5。

步骤7)，降低衬底温度至T6为2250℃，维持原料温度T5不变，T5大于T6，形成小轴向温差(T5-T6)为15℃，并恒定氮气压P1，开始形核长晶，保温一段时间t3为4h，形成初始形核层4(如图2所示)。

步骤8)，降低氮气压至P3为0.6bar，随后提升原料温度至T7为2330℃，维持衬底温度T6不变，开始增厚长晶，保温一段时间t4为250h，形成厚体块层5(如图2所示)。

步骤9)，长晶结束，降至室温，取出AlN晶体。

应用例1

采用实施例1方案，在步骤5)完成后选择降温至室温，对AlN衬底进行光学显微镜(OM)观察，发现AlN衬底表面形成原生的大凹面V型表面(见图3)，由分布规律的六边对称V型凹面组成，顶面为自然C小平面，侧面为自然R刻面。大凹面V型表面存在一些颗粒堆叠，是因为原始AlN籽晶片内部存在颗粒合并堆叠的情况。采用实施例1方案，最终制备出直径约2英寸、无裂纹且高质量的AlN单晶锭(见图4)。将AlN单晶锭切片/研磨/抛光后，对Al面进行KOH/NaOH熔融溶液的选择性腐蚀，表面形成腐蚀坑，腐蚀坑密度(EPD)用于统计位错密度。将应用该实施例制备的AlN衬底的EPD与原始AlN籽晶片进行对比(见图5)，其中(a)图为原始AlN籽晶片的腐蚀坑分布图；(b)图为实施例1的生长晶锭抛光片的腐蚀坑分布图。原始AlN籽晶片的EPD为5×10

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。