用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置的制作方法

1.本发明涉及晶体生长中热场设计技术领域，具体涉及一种用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置。


背景技术：

2.氮化铝晶体多用做氮化物电子器件的衬底。氮化铝与氮化镓和铝镓氮合金具有紧密的晶格匹配，并且其本身也具有较高导热率和出色的介电性能。从长远发展来看，基于氮化铝及氮化镓的器件将主导着深紫外光电子的未来。因此，电子产业将会对氮化铝单晶衬底很高的需求。这些基板的商业可用性对于紫外线光子学的未来发展至关重要。与通常涉及从异质衬底上进行单个晶圆剥离工艺的“准批量”生长技术相反，用于制造氮化铝衬底的真正的批量生长工艺最终应能够显着降低生产成本。由于最近涉及氮化物的非极性和半极性晶体学取向器件的开发，使得生长大块氮化铝单晶的优势变得更加重要。
3.在制备氮化铝单晶这一领域内最大问题就是无法制备大尺寸(4英寸及以上)氮化铝晶体，这导致氮化铝晶体无法大规模商业化生产。而这一问题最根本的原因是随着晶体尺寸的增大，其生长所需的坩埚尺寸也要增大。目前，应用最广泛的用于升华法生长氮化铝晶体的坩埚材料为金属钨和碳化钽的坩埚。钨坩埚的优点在于制备过程简单，材料获取容易，节约成本。由于金属钨具有较高的导热性，使得当用它来生长氮化铝晶体时，晶体径向温差会更大。径向温差是温度梯度在晶体半径上的积分，是热应力的来源，它会导致位错倍增，并使晶体生长失败。而碳化钽材料相对钨来讲导热性能略差，会使得坩埚内部的轴向温差降低，轴向温差是保证晶体快速生长的关键，过低会导致晶体生长过于缓慢。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种生长大尺寸氮化铝晶体的复合型坩埚装置，该装置能够在保证晶体较高生长速度的前提下，降低坩埚盖底部生长的氮化铝晶体的径向温差，使得晶体内部的热应力减小，实现氮化铝晶体的稳定快速生长。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置，其特征在于：包括保温层和坩埚：
6.所述保温层内设有空腔，所述保温层上设置有与空腔连通的开口；
7.所述坩埚设置在空腔内；
8.所述坩埚包括坩埚盖和坩埚体；所述开口与坩埚盖对应设置；
9.所述坩埚盖，由高纯度合金碳化钽制成；
10.所述坩埚体，由高纯度金属钨制成。
11.作为优选方案，所述坩埚与所述保温层的内侧壁之间具有间隙。
12.进一步地，所述坩埚盖直径与坩埚体宽度相等。
13.更进一步地，所述坩埚盖厚度与所述坩埚体厚度相等。
14.更进一步地，所述坩埚盖籽晶支撑轴直径与籽晶尺寸相等。
15.更进一步地，所述坩埚盖籽晶支撑轴厚度比坩埚盖厚1/5。
16.与现有技术相比，本发明的优点及有益效果如下：
17.本发明将坩埚盖处的材料替换为碳化钽后，较低的导热率会使坩埚盖处的径向温度变得更加均匀，会使晶体生长过程中内部的热应力降低，而坩埚体采用金属钨材料，会使得坩埚内部介于籽晶与粉源之间的轴向温差保持在较高的水平上，从而使得氮化铝晶体的生长能够既稳定又快速。本发明的复合型坩埚装置适用于任何尺寸用升华法生长氮化铝晶体。
附图说明
18.图1为本发明用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置的结构示意图。
19.图2为晶体生长速度分布曲线：
20.图2中：a、传统钨坩锅生长晶体的速度分布曲线，b、传统碳化钽坩埚生长晶体的速度分布曲线，c、本实施例复合型坩埚生长晶体的速度分布曲线。
21.图3为生长晶体表面的径向温度分布曲线：
22.图3中：a、传统钨坩锅上的晶体表面的径向温度分布曲线，b、传统碳化钽坩埚上的晶体表面的径向温度分布曲线，c、本实施例复合型坩埚生长上的晶体表面的径向温度分布曲线。
23.图中：1、保温层；2、坩埚盖；3、坩埚盖籽晶支撑轴；4、氮化铝晶体；5、坩埚体。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
26.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
27.实施例1
28.本发明提出的用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置，其结构如图1所示，包括坩埚盖2；坩埚体5。整个坩埚装置置于保温层1中。坩埚装置尺寸如下：
29.d1＝d2；
30.δ1＝δ2；
31.d3＝d4；
[0032][0033]
其中，d1为坩埚盖直径，d2为坩埚体宽度，d3为坩埚盖籽晶支撑处直径，d4为籽晶尺寸，δ1为坩埚盖厚度，δ2为吸坩埚体厚度，δ3坩埚盖籽晶支撑处厚度，δ4为籽晶厚度。
[0034]
本发明中复合型坩埚装置的设计，其主要目的是保持氮化铝晶体快速稳定的生长。本发明装置中，坩埚及散热装置放于保温层内，保温层用于防止感应加热装置热量耗
散。通过感应加热装置持续供热，使得坩埚盖底部籽晶支撑处籽晶可以持续生长。
[0035]
为了加快氮化铝晶体商业化进度，晶体需快速稳定生长，这就要在保证氮化铝晶体生长速度的前提下，尽可能降低晶体的径向温差。图2、图3分别展示了传统钨坩埚(a)、碳化钽坩埚(b)与本实施例的复合型坩埚(c)生长晶体的生长速率及晶体表面的径向温度分布曲线。对比可看出，在采用本实施例的坩埚情况下晶体的生长速度会增加，同时径向温度梯度也控制在了合理的范围内，并且避免了负径向温度梯度，这有利于氮化铝晶体的商业化发展。
[0036]
本发明主要目的是优化晶体生长过程中的温度场分布，从而优化晶体生长过程。其与传统坩埚主要区别就是坩埚盖材料的替换，它的尺寸也是随着不同坩埚尺寸大小变化的，实施例1是提供的其中一种方案。而用生长速度分布图以及温度梯度分布图可以明显表现出本发明的优势。
[0037]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。


技术特征：
1.一种用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置，其特征在于：包括保温层(1)和坩埚：所述保温层(1)内设有空腔，所述保温层(1)上设置有与空腔连通的开口；所述坩埚设置在空腔内；所述坩埚包括坩埚盖(2)和坩埚体(5)；所述开口与坩埚盖(2)对应设置；所述坩埚盖(2)，由高纯度合金碳化钽制成；所述坩埚体(5)，由高纯度金属钨制成。2.根据权利要求1所述用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置，其特征在于：所述坩埚与保温层(1)的内侧壁之间具有间隙。3.根据权利要求1或2所述用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置，其特征在于：所述坩埚盖(2)直径与坩埚体(5)宽度相等。4.根据权利要求1或2所述用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置，其特征在于：所述坩埚盖(2)厚度与坩埚体(5)厚度相等。5.根据权利要求3所述用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置，其特征在于：所述坩埚盖(2)厚度与坩埚体(5)厚度相等。6.根据权利要求1或2或5所述用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置，其特征在于：所述坩埚盖中的坩埚盖籽晶支撑轴(3)直径与籽晶尺寸相等。7.根据权利要求1或2或5所述用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置，其特征在于：所述坩埚盖中的坩埚盖籽晶支撑轴(3)厚度比坩埚盖(2)厚1/5。8.根据权利要求6所述用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置，其特征在于：所述坩埚盖中的坩埚盖籽晶支撑轴(3)厚度比坩埚盖(2)厚1/5。

技术总结
用于升华法生长氮化铝晶体的复合型坩埚装置。本发明公开了一种生长氮化铝晶体的坩埚装置，包括保温层，其内具有空腔，所述保温层上设置有与所述空腔连通的开口；坩埚，其设置在所述空腔内，坩埚体采用高纯度金属钨材料，坩埚盖采用碳化钽材料。本发明装置能够在保持较高晶体生长速率的前提下，降低晶体的径向温差，从而实现氮化铝晶体的快速稳定生长。从而实现氮化铝晶体的快速稳定生长。从而实现氮化铝晶体的快速稳定生长。


技术研发人员：于越 高冰 刘博涛 唐霞 韩鹏飞 宋伯韬
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2021.06.24
技术公布日：2021/10/8