一种用于PVT的复合结构AlN籽晶及其制备与应用的制作方法

一种用于pvt的复合结构aln籽晶及其制备与应用
技术领域
1.本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及一种提高氮化铝晶体质量的方法。


背景技术：

2.半个世纪以来，第一、第二代半导体电子器件的研发与应用已趋于极限，第三代半导体因其优越的材料性能获得现代科技领域的广泛关注。氮化铝(aln) 作为第三代半导体代表材料之一，禁带宽度高达6.2ev，具有较高的击穿场强、较高的电子迁移速率及优良的导热、抗辐射性能，是发光二极管(led)、激光二极管(ld)、微波射频器件、高温/高功率电子器件的优质衬底，在半导体照明、新型移动通信、能源互联网等领域具有广泛的应用前景。
3.物理气相传输法(pvt)是生长高质量aln单晶晶锭的最理想方法。然而，缺陷控制是晶体生长过程中最难也是最核心的技术问题。在aln晶体生长过程中，裂纹、位错、气孔是最主要的存在于其中的缺陷类型，严重影响着长晶的质量。裂纹的产生是因为晶体内部的热应力大于临界值，位错主要是由分解剪切应力驱使下形成和产生增殖，而热应力的产生与籽晶交界面的热失配存在密切影响。气孔的产生主要是因为籽晶背部存在空隙气体在温梯的驱动下反窜至晶体内部，因此籽晶背面密封和固定方式非常关键。同比同质外延技术，裂纹与位错主要是通过优化籽晶周围的温度分布，降低径向温梯来优化，但该方案容易因籽晶与异质支撑材料热失配而产生较大的初始应力，从而产生大量的初始位错等缺陷。同时，径向温梯的降低会减小晶体扩径的速率，降低了长晶效率。减少晶体内部气孔的方法，可以是加强籽晶与背部支撑件的贴合程度，尽量减少之间的空隙，但不能很好的避免，翘曲度等加工精度也无法达到小于微米的级别。另外，还有通过化学粘结的方案，但会影响到晶体的纯度与品质。


技术实现要素：

4.为有效解决上述现有技术问题。本发明的技术方案拟提供一种aln籽晶及制备该籽晶的方法，使用该籽晶进行aln晶体的生长，能有效减少位错、裂纹，尤其是气孔等缺陷的形成，提高aln晶体生长的质量。
5.为实现上述发明目的，采用以下技术方案。
6.本发明提供了一种用于pvt的复合结构aln籽晶，所述复合结构aln籽晶由上至下依次为氮化铝籽晶片、背封薄膜、aln厚膜，其中所述氮化铝籽晶片双面均为抛光面，所述氮化铝籽晶片的背面(相对于pvt生长面的反面)的粗糙度小于2nm；所述背封薄膜为w、mo、ta、wc、tac、bn、金刚石中任一种材料的一层或多层组合、通过镀膜方法形成在所述氮化铝籽晶片的背面，所述所述背封薄膜厚度为20-2000nm；所述aln厚膜通过镀膜方法覆盖所述背封薄膜，所述aln厚膜的厚度为0.5-5mm。
7.本发明还提供了一种制备上述用于pvt的复合结构aln籽晶的方法，包括如下步骤：
8.1)准备所述氮化铝籽晶片，氮化铝籽晶片通过化学机械抛光进行双面抛光；
9.2)在所述氮化铝籽晶片的背面镀膜形成所述背封薄膜；
10.3)在所述背封薄膜上镀aln厚膜。
11.进一步地，步骤2)中所述背封薄膜的镀膜方法选自磁控溅射法、分子束外延法、脉冲激光沉积法、金属有机化学气相沉积法、氢化物气相沉积法、离子束蒸镀法、原子层沉积法的一种或几种组合。
12.进一步地，步骤3)中所述aln厚膜的制备方法可以是氢化物气相沉积法或物理气相传输法的一种或两种组合。
13.将上述复合结构aln籽晶应用于pvt法氮化铝晶体生长，将所述复合结构 aln籽晶固定在支撑件上，装配于晶体生长的坩埚中，完成装配后，使用物理气相传输法进行氮化铝的外延长晶。
14.进一步地，所述支撑件带有凹槽，用于搁置所述复合结构aln籽晶，所述凹槽的深度大于所述复合结构aln籽晶的总厚度，所述总厚度包括所述氮化铝籽晶片、所述背封薄膜以及所述aln厚膜三者的厚度，所述凹槽的槽沿围成的区域能搁置所述复合结构aln籽晶，且槽沿与所述复合结构aln籽晶的边沿间隙不超过5mm。这样放置籽晶，使得籽晶侧部为凹槽槽沿环绕，可保护氮化铝籽晶片和膜的侧部受到分解和升华而破坏。
15.进一步地，所述复合结构aln籽晶的背部用金属片全覆盖地且平整地与所述aln厚膜贴合，这样减少背部aln厚膜发生分解、升华而破坏。
16.本发明的有益效果如下：
17.通过在籽晶背面镀背封薄膜与aln厚膜能大幅减少气孔的产生、降低位错密度，以及消除裂纹的产生。其中的原理在于：背封薄膜能致密地密封籽晶的背部，与外部气体产生自然阻隔，气体则无法穿透致密膜层而反窜至晶体内部，从而大幅降低气孔数目。然而，pvt同质外延长晶在非常高的温度(大于2100℃) 下进行，背封薄膜本身如果没有其他材料覆盖式的致密保护，会发生分解、升华而破坏薄膜，则起不到保护籽晶的作用。因此，本发明通过在薄膜上再镀一层aln厚膜，其一为了保护背封薄膜被破坏，其二为了增加籽晶与支撑件的距离，并采用同质材料的氮化铝厚膜，可以有效缓解与支撑件的热失配(热弹性系数和热膨胀系数的差异导致)，减小籽晶表面的热应力，从而降低初始长晶的裂纹和位错的产生，且采用同质aln材料引入杂质少，晶体纯度高。综上，该技术发明能有效且大幅降低各类缺陷(裂纹、位错、气孔)的密度，提高晶体生长质量。
附图说明
18.图1为本发明实施1的复合结构aln籽晶的制备工艺及应用时在pvt坩埚中的装配示意图。
19.图2为对比例1及实施例1外延生长的氮化铝晶体表面孔洞分布图。其中(a) 对比例1方法制备的氮化铝晶体；(b)实施例1制备的氮化铝晶体。
20.图3为对比例1及实施例1外延生长的氮化铝晶体边缘腐蚀形貌图及位错密度统计。其中(a)对比例1方法制备的氮化铝晶体；(b)实施例1制备的氮化铝晶体。
具体实施方式
21.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
22.实施例1
23.首先，制备复合结构的aln籽晶，如附图1所述，主要包括步骤：选取aln 单晶片1作为氮化铝籽晶片(s1)、氮化铝籽晶片表面镀背封薄膜2(s2)、背封薄膜上面镀aln厚膜4，形成复合结构的aln籽晶(s3)。将该复合结构的aln 籽晶搁置在配件槽中(s4)，添加背部覆盖金属片(s5)，将配件槽装配在坩埚顶部进行晶体外延生长(s6)。下面结合附图1，详述本实施例的具体步骤如下：
24.1)步骤s1：准备一片双面抛光的的aln单晶片作为氮化铝籽晶片1，籽晶片直径51mm。籽晶片1厚度h0为0.5mm，双面经过化学机械抛光(cmp)处理，生长面粗糙度(ra)达到0.5nm以内，背部粗糙面达到约1nm。
25.2)步骤s2：在籽晶片1背部镀一层金属薄膜作为背封薄膜，形成籽晶组合体3。采用磁控溅射法(pvd)在籽晶片1背部镀一层致密的钨膜2，膜厚h1 为20-2000nm。为了形成籽晶背部与空腔/气体的阻隔层，阻隔与间隙中的气体接触。
26.3)步骤s3：在籽晶组合体3的钨膜2上镀aln厚膜4，获得用于aln晶体外延生长的复合结构的aln籽晶5。采用氢化物气相外延法(hvpe)在钨膜 2上镀一层aln厚膜，膜厚h2为0.5-5mm，本实施例中h2为2mm。为了避免背封薄膜2在晶体外延生长不受到分解而破坏而起不到保护籽晶片1的作用。
27.4)步骤s4：将镀膜完成的复合结构的aln籽晶5，装配至支撑件6中，本实施例中支撑件6的槽深约3mm，满足h》h0 h1 h2，其中槽直径53mm。
28.5)步骤s5：复合结构的aln籽晶5采用金属覆盖片7进行背部覆盖，覆盖片直径52.5mm，装配完成后获得晶体外延生长结构8。
29.6)步骤s6：将结构8置于装有原料10的坩埚9顶部，上部添加坩埚盖11，完成后利用物理气相传输法进行氮化铝晶体的外延生长。
30.对比例1：
31.使用aln单晶片作为氮化铝籽晶片直接进行氮化铝晶体外延生长，步骤如下：
32.(1)按照实施例1的步骤s1准备aln单晶片作为氮化铝籽晶片；
33.(2)将坩埚9顶部，上部添加坩埚盖11，完成后利用物理气相传输法进行氮化铝晶体的外延生长。直接搁置在支撑件6的凹槽中，生长面朝下，将金属覆盖片7进行氮化铝籽晶片的背部覆盖，之后安装于坩埚9顶部，上部添加坩埚盖11，完成后利用物理气相传输法进行氮化铝晶体的外延生长，生长工艺与实施例1步骤s6完全一致。
34.如图2为采用对比例1与实施例1获得外延生长的氮化铝晶锭的切片孔洞情况，对比切片为所处晶锭的相同高度，从图明显可见，实施例1(图2b)几乎无孔洞出现，表明能大幅度减少孔洞数量与尺寸。如图3为采用对比例1与实施例1的外延氮化铝晶锭的边缘腐蚀形貌图。通常，aln晶片常用碱性溶液腐蚀al极性面来表征位错数目，这里采用腐蚀工艺：180～360℃下用熔融 naoh/koh腐蚀。由于晶体缺陷部分的化学稳定性低于晶体其他部分，aln晶体al极性面在腐蚀后形成六边形凹坑形貌，通过对腐蚀坑密度的测量即可分析位错
密度。如图3所示，实施例的氮化铝晶锭的边缘的位错密度显著降低，相对对比例1，腐蚀坑度由1.07*10^7cm-2
降低至8*10^5cm-2
，有效提升了晶锭整体质量。综上，相较现有一般现有技术，本发明技术方案可缓解甚至消除外延晶锭中的孔洞，以及降低晶体位错密度，有利于获得高质量块状氮化铝单晶，提升晶锭生产良率。
35.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。