一种异形籽晶及高质量氮化铝晶体的制作方法

本实用新型涉及半导体技术领域，具体涉及一种提高氮化铝晶体生长质量的异形籽晶及制备高质量氮化铝晶体的方法。

背景技术：

氮化铝作为第三代宽禁带半导体材料具有高禁带宽度(6.2ev)、高热导率(340w/(m·k))、高击穿场强、良好的紫外透过率、化学和热稳定性等优点，是一种理想的紫外光电子器件材料，可广泛应用于深紫外led、紫外固化、紫外探测器等领域，具备广阔的应用前景。由于aln与gan晶体结构同属纤锌矿结构，沿c面的晶格失配率仅为2.4％，优于目前较为成熟并广泛使用的蓝宝石和sic衬底材料；另一方面，aln与gan的热膨胀系数最为接近，在1000℃高温时热膨胀系数失配接近零，因此可以避免冷却过程中外延器件结构由于热应力导致的产品良率，是外延生长gan/高铝组分algan的理想衬底材料。

大量研究表明，物理气相传输法(pvt)是生长大尺寸氮化铝单晶最有效的方法，以及使用同质/异质籽晶外延生长获取大尺寸、高质量氮化铝单晶是必选之路。然而，外延生长工艺仍有几个关键问题有待解决及优化，如：籽晶固定、初始氧杂质控制、籽晶周边寄生形核等。传统的氮化铝籽晶固定方法是使用氮化铝粘接剂进行热粘结固定籽晶。然而，粘接剂在高温下容易产生空隙导致籽晶背部升华引起空隙进入外延晶体形成孔洞等缺陷。另外的方法采用比籽晶直径稍小的环状部件搁置籽晶，该方法能解决籽晶固定的问题，但会严重引起环状部件的内孔边缘(即籽晶周边)形成高异质形核界面而产生大量多晶寄生，导致中部外延氮化铝晶体因热应力增大产生大量位错、裂纹等缺陷。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供了一种能有效提高氮化铝晶体生长质量的异形籽晶，采用如下技术方案解决了籽晶固定和生长过程中多晶寄生的问题。

一种异形籽晶，用于悬挂于籽晶架上进行氮化铝晶体的外延生长，包括底端悬挂部、中间衔接部和顶端外延部，当其悬挂于籽晶架上时，所述底端悬挂部的下表面完全覆盖籽晶架的内孔，所述顶端外延部位于籽晶架下方，并通过位于籽晶架内孔中的中间衔接部连接底端悬挂部，所述顶端外延部的顶面为氮化铝晶体生长表面。

作为优选实施方案，所述顶端外延部的最大截面面积大于或等于中间衔接部的最大截面面积。

作为进一步的优选实施方案，所述底端悬挂部最大部分的截面在籽晶架上的投影完全覆盖籽晶架内孔。

作为优选实施方案，所述顶端外延部的顶面呈圆形，且直径小于坩埚顶部内径。

作为可选实施方案，所述异形籽晶为碳化硅、蓝宝石或氮化铝、氮化镓块状衬底材料，或是外延有iii族氮化物半导体薄膜的块状衬底材料。

作为优选实施方案，所述顶端外延部的顶面为经过研磨和化学机械抛光的低粗糙度光滑表面。

本实用新型还提供了所述氮化铝晶体基于如上所述的异形籽晶，通过物理气相传输法生长制成。

本实用新型的有益技术效果如下：

本实用新型的异形籽晶，采用独特的结构设计，可平稳地悬挂于籽晶架上进行氮化铝晶体的生长，既很好地解决了籽晶的固定问题，又有效避免了长晶过程中籽晶周边的多晶寄生问题。

另外，氮化铝晶体生长过程中来自坩埚底部原料的初始氧更趋向于往相对低温区域沉积，由于本实用新型的异形籽晶的晶体生长表面相对于坩埚顶面温度更低，因此能够有效减少在籽晶其余表面的初始氧沉积。

综上所述，采用本实用新型的异形籽晶，非常有利于生长出高质量的氮化铝单晶，可用于制备高质量氮化铝晶体。

附图说明

图1为本实用新型的异形籽晶及籽晶架第一种实施例的结构示意图。

图2为本实用新型的异形籽晶及籽晶架第二种实施例的结构示意图。

图3为本实用新型的异形籽晶及籽晶架第三种实施例的结构示意图。

图4为本实用新型的异形籽晶及籽晶架第四种实施例的结构示意图。

图5为本实用新型的异形籽晶及籽晶架第五种实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型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实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。

实施例1

如图1所示，本实用新型的第一个实施例提供了一种异形籽晶，包括底端悬挂部10a、中间衔接部20a和顶端外延部30a。其中，底端悬挂部10a截面呈圆形，中间衔接部20a和顶端外延部30a为一体式设置的圆柱形，且截面直径小于底端悬挂部10a。顶端外延部30a的底面300a为氮化铝晶体生长表面，且直径小于坩埚内径。

图中还示出了与该异形籽晶匹配的籽晶架40a，其中心设置有内孔400a。安装时，顶端外延部30a自籽晶架40a的内孔400a穿出，并通过底端悬挂部10a悬挂于籽晶架40a上，此时，底端悬挂部10a的下表面100a完全覆盖籽晶架40a的内孔400a。

实施例2

如图2所示，本实用新型的第二个实施例提供了一种异形籽晶，包括底端悬挂部10b、中间衔接部20b和顶端外延部30b。其中，底端悬挂部10b、中间衔接部20和顶端外延部30b的截面均呈圆形，且三者截面直径的关系为底端悬挂部10b＞顶端外延部30b＞中间衔接部20b。

图中还示出了与该异形籽晶匹配的籽晶架40b，其中心设置有内孔400b。此实施例中，由于顶端外延部30b的截面直径大于内孔400b的直径，故籽晶架40b设置为可分开的两部分，通过在中间衔接部20b处对合加持的方式固定该异形籽晶。固定后，底端悬挂部10b的下表面100b完全覆盖籽晶架40b的内孔400b。顶端外延部30b的底面300b作为氮化铝晶体生长表面进行晶体生长。

实施例3

如图3所示，本实用新型的第三个实施例提供了一种异形籽晶，包括底端悬挂部10c、中间衔接部20c和顶端外延部30c。其中，底端悬挂部10c和顶端外延部30c的截面均呈正六边形，中间衔接部20c的截面均呈圆形，且尺寸小于顶端外延部30c的尺寸。

此实施例中，与该异形籽晶匹配的籽晶架40c，即可以如上述实施例2中设置为可拼合的两部分，也可以将内孔设置为与顶端外延部30c相匹配的正六边形内孔，从而顶端外延部30c仍然能够采用穿过内孔的方式悬挂于籽晶架40c上。如图所示，悬挂后，底端悬挂部10c的下表面完全覆盖籽晶架40b的内孔。顶端外延部30c的底面300c作为氮化铝晶体生长表面进行晶体生长。

实施例4

如图4所示，本实用新型的第四个实施例提供了一种异形籽晶，其基本结构与上述实施例2中的结构类似，包括底端悬挂部10d、中间衔接部和顶端外延部30d。区别在于，本实施例中，底端悬挂部10d还设置有3个自本体向外延伸的挂角101d，从而可以更加稳定地将该异形籽晶悬挂于籽晶架40d上。同样的，悬挂后，底端悬挂部10d的下表面完全覆盖籽晶架40d的内孔。顶端外延部30d的底面300d作为氮化铝晶体生长表面进行晶体生长。

实施例5

如图5所示，本实用新型的第五个实施例提供了一种异形籽晶，其基本结构与上述实施例2中的结构类似，包括底端悬挂部10e、中间衔接部20e和顶端外延部30e。区别在于，本实施例中，底端悬挂部10e设置为圆台形，其下表面完全覆盖籽晶架40e的内孔。同时，本实施例中，顶端外延部30e设置为倒圆台形，且其最大部分的截面(即顶面)在籽晶架40e上的投影完全覆盖籽晶架内孔。顶端外延部30e的底面300e作为氮化铝晶体生长表面进行晶体生长。

需要说明的是，上述实施例仅是为了说明本实用新型的构思而给出的一些具体实施方案，但不构成对本实用新型技术方案的限制。本领域技术人员应当能够理解，本实用新型的异形籽晶，其底端悬挂部、中间衔接部和顶端外延部的截面可设置为圆形、任意多边形或其它任意不规则形状，而不影响其技术效果的实现。

在本实用新型的上述或其它实施方案中，异形籽晶可以是碳化硅、蓝宝石或氮化铝块、氮化镓状衬底材料，也可以是外延有iii族氮化物半导体薄膜的块状衬底材料，在此不作具体限定。实际应用中，该异形籽晶也可以基于在一种衬底材料上生长另一种材料经加工制成，比如sic衬底外延获得的aln晶体、gan衬底外延获的aln晶体等。

作为优选实施方案，本实用新型的异形籽晶，其顶端外延部的顶面即氮化铝晶体生长表面为经过研磨和化学机械抛光的低粗糙度光滑表面。

实施例6

本实用新型的第六个实施例提供了一种基于本实用新型的异形籽晶制备的高质量氮化铝晶体。制备时，将本实用新型的异形籽晶悬挂于坩埚顶部，通过物理气相传输法即可外延生长出高质量的氮化铝晶体。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型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，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。