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DE10248964A1 - Production of aluminum nitride crystals comprises embedding an arrangement of heating elements in a highly pure aluminum nitride powder, heating in an atmosphere of nitrogen or a mixture of nitrogen and hydrogen, and further processing - Google Patents

Production of aluminum nitride crystals comprises embedding an arrangement of heating elements in a highly pure aluminum nitride powder, heating in an atmosphere of nitrogen or a mixture of nitrogen and hydrogen, and further processing Download PDF

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DE10248964A1
DE10248964A1 DE10248964A DE10248964A DE10248964A1 DE 10248964 A1 DE10248964 A1 DE 10248964A1 DE 10248964 A DE10248964 A DE 10248964A DE 10248964 A DE10248964 A DE 10248964A DE 10248964 A1 DE10248964 A1 DE 10248964A1
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DE
Germany
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aluminum nitride
heating elements
heating
ain
cavity
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DE10248964A
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German (de)
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Boris Dr.-Ing. Epelbaum
Matthias Dr. Bickermann
Albrecht Prof. Dr.Rer.Nat. Winnacker
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Bickermann Matthias Dr-Ing
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Abstract

Production of aluminum nitride crystals comprises embedding an arrangement of one or more heating elements (1) made from a heat resistant material such as Mo, W, Re, Os or their alloys in a highly pure aluminum nitride powder (2), heating the arrangement to 1900-2500degrees C in an atmosphere of nitrogen or a mixture of nitrogen and hydrogen until a hollow chamber (4) is produced around the heating elements, cooling the structure produced to room temperature, dividing into two parts, mechanically enlarging the upper part, fixing a seed plate (10) in the enlarged hollow chamber, joining both parts, and heating the structure produced to 1900-2500degrees C so that the aluminum nitride vaporizes from the layers next to the hollow chamber into the hollow chamber and is deposited onto the seed plate in the form of a grown crystal made from aluminum nitride or several such crystals.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kristallen aus Aluminiumnitrid AIN durch Sublimation und teilweiser Zersetzung von Aluminiumnitrid-Pulver. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Herstellung von Aluminiumnitrid-Volumeneinkristallen mit hoher Reinheit, die für die Anwendung in der Halbleitertechnik geeignet sind.The invention relates to a Process for the production of crystals from aluminum nitride AIN by sublimation and partial decomposition of aluminum nitride powder. In particular The invention relates to the production of aluminum nitride bulk single crystals with high purity, for those Application in semiconductor technology are suitable.

Kristalle aus Aluminiumnitrid AIN besitzen aufgrund ihrer physikalischen und elektrischen Eigenschaften Einsatzmöglichkeiten in vielen Anwendungsgebieten der Elektronik und Halbleitertechnik. AIN besitzt eine große Bandlücke von etwa 6,2 eV, eine hohe Durchbruchfeldstärke von etwa 1,5 MV/cm und eine hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa 2,85 W/m·K und ist somit sehr gut als Halbleitermaterial für Hochspannungs- und Hochleistungsbauelemente geeignet. Die Bandbreite von Oberflächenwellenfiltern aus Lithiumtantalat LiTaO3 kann durch den Einsatz des Werkstoffes AIN aufgrund dessen hoher piezoelektrischen Konstante und dessen hoher Schallgeschwindigkeit wesentlich erweitert werden. Mit AIN entsteht somit die Möglichkeit, verbesserte Frequenzfilter einzusetzen, wie sie für die Informationstechnologie benötigt werden.Due to their physical and electrical properties, crystals made of aluminum nitride AIN can be used in many areas of application in electronics and semiconductor technology. AIN has a large band gap of approximately 6.2 eV, a high breakdown field strength of approximately 1.5 MV / cm and a high thermal conductivity of approximately 2.85 W / m · K and is therefore very well suited as a semiconductor material for high-voltage and high-performance components , The range of surface wave filters made of lithium tantalate LiTaO 3 can be significantly expanded by using the material AIN due to its high piezoelectric constant and its high speed of sound. AIN thus creates the possibility of using improved frequency filters, as are required for information technology.

Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, Transparenz im sichtbaren und im nahen ultravioletten Wellenlängenbereich sowie der Möglichkeit, sowohl n- als auch p-leitendes AIN durch Dotierung herzustellen, kann AIN als vorteilhaftes Substratmaterial für Halbleiterbauelemente auf der Basis von Gruppe-III-Nitriden (Aluminiumnitrid AIN, Galliumnitrid GaN und Indiumnitrid InN sowie deren Legierungen wie z.B. GaxAl1–xN, GaxIn1–xN und AlxIn1–xN) gelten. Diese Gruppe-III-Nitride werden benutzt oder erforscht für die Herstellung von Leuchtdioden (LEDs), optischen Detektoren für den ultravioletten Wellenlängenbereich sowie blauen oder ultravioletten LASERn zur Verwendung für optische Speichermedien mit hoher Aufzeichnungsdichte wie CD (Compact Disc) und DVD (Digital Versatile Disc), in der Medizintechnik und in der Projektions- und Anzeigetechnik. Weitere Anwendungsmöglichkeiten für AIN-Kristalle mit hohem Marktpotenzial bestehen in der Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturelektronik, in der Optoelektronik sowie bei Filtern in der optischen Datenübertragung und für Funk-, Mikrowellen- und Radarfrequenzen.Due to its high thermal conductivity, transparency in the visible and near ultraviolet wavelength range and the possibility of producing both n- and p-type AIN by doping, AIN can be used as an advantageous substrate material for semiconductor components based on group III nitrides (aluminum nitride AIN, Gallium nitride GaN and indium nitride InN and their alloys such as Ga x Al 1 – x N, Ga x In 1 – x N and Al x In 1 – x N) apply. These Group III nitrides are used or researched for the manufacture of light emitting diodes (LEDs), optical detectors for the ultraviolet wavelength range and blue or ultraviolet LASERs for use in optical storage media with high recording density such as CD (Compact Disc) and DVD (Digital Versatile Disc) ), in medical technology and in projection and display technology. Other possible uses for AIN crystals with high market potential are in high-performance, high-frequency and high-temperature electronics, in optoelectronics and in filters in optical data transmission and for radio, microwave and radar frequencies.

Nach dem Stand der Technik werden Gruppe-III-Nitride auf einkristallinen Substraten zumeist aus Siliziumkarbid SiC oder Aluminiumoxid (Saphir) Al2O3 epitaktisch aufgebracht. Aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten und dem unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Substrat und Schichtmaterial sowie der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Substrates im Falle des Saphirs besitzen die aufgebrachten Schichten zumeist hohe innere Spannungen und damit eine hohe Defektdichte. Die Verwendung von AIN-Substraten kann zu einer Verbesserung der kristallinen Qualität der aufgebrachten Schichten führen. Der Unterschied in den Gitterkonstanten geeigneter kristallographischer Flächen, bezogen auf GaN als Schichtmaterial, ist im Falle des AIN deutlich geringer als derjenige bei Verwendung von SiC bzw. Al2O3. Er nimmt weiter ab, wenn an Stelle von GaN Legierungen von Gruppe-III-Nitriden mit höherem Aluminiumgehalt als Schichtmaterial eingesetzt werden.According to the prior art, group III nitrides are applied epitaxially to monocrystalline substrates, usually made of silicon carbide SiC or aluminum oxide (sapphire) Al 2 O 3 . Due to the different lattice constants and the different coefficient of thermal expansion between the substrate and the layer material and the poor thermal conductivity of the substrate in the case of sapphire, the layers applied mostly have high internal stresses and thus a high defect density. The use of AIN substrates can lead to an improvement in the crystalline quality of the applied layers. The difference in the lattice constants of suitable crystallographic surfaces, based on GaN as layer material, is significantly smaller in the case of AIN than that when using SiC or Al 2 O 3 . It continues to decrease if, instead of GaN, alloys of group III nitrides with a higher aluminum content are used as the layer material.

Unter Bezugnahme auf das wohlbekannte Herstellungsverfahren von Siliziumkarbid SiC (beschrieben durch Jan Anthony Lely, Deutsches Patent DE 1039045 ; Günther Ziegler, Deutsches Patent DE 3230727 ; Donovan L. Barrett und andere, US-amerikanisches Patent US 5968261 ) ist bekannt, dass die effektive Herstellung von Volumeneinkristallen durch Sublimation und teilweiser Zersetzung des Ausgangsmaterials (Sublimationszüchtung) erfordert, dass der Partialdampfdruck der Spezies, die sublimiert bzw. kondensiert werden sollen, im Züchtungsraum zwischen 1 mbar und 100 mbar gehalten wird, dass die Temperaturgradienten in diesem Züchtungsraum bestimmte Obergrenzen nicht überschreiten und dass der Gasfluss im Züchtungsraum moderat laminar erfolgt. Dies bedeutet, dass der Züchtungsraum auf einer Temperatur (Züchtungstemperatur) gehalten werden muss, die den zur Sublimation benötigten Partialdampfdruck erzeugt, und dass der den Züchtungsraum begrenzende Tiegel hitzebeständig, chemisch inert in Bezug auf die sublimierten Spezies bzw. das zu sublimierende Material sowie ausreichend gasdicht sein muss. Die chemische Inertheit des Tiegels ist besonders bedeutend, wenn hochreine Kristalle hergestellt werden sollen, wie sie für die Anwendung in der Halbleitertechnik benötigt werden.With reference to the well known silicon carbide SiC manufacturing process (described by Jan Anthony Lely, German Patent DE 1039045 ; Günther Ziegler, German patent DE 3230727 ; Donovan L. Barrett and others, U.S. Patent US 5968261 ) it is known that the effective production of bulk single crystals by sublimation and partial decomposition of the starting material (sublimation growth) requires that the partial vapor pressure of the species to be sublimed or condensed is kept between 1 mbar and 100 mbar in the growth space that the temperature gradients in this breeding room do not exceed certain upper limits and that the gas flow in the breeding room is moderately laminar. This means that the cultivation space must be kept at a temperature (cultivation temperature) which generates the partial vapor pressure required for sublimation, and that the crucible delimiting the cultivation space is heat-resistant, chemically inert with respect to the sublimated species or the material to be sublimated and sufficiently gas-tight have to be. The chemical inertness of the crucible is particularly important if high-purity crystals are to be produced, as are required for use in semiconductor technology.

Es ist bekannt, dass AIN erst bei Temperaturen von mehr als etwa 2000°C durch Dissoziation in gasförmiges Aluminium und gasförmigen Stickstoff einen für die Sublimation ausreichenden Partialdampfdruck besitzt. Deshalb ist es schwierig, ein geeignetes Tiegelmaterial für die Sublimationszüchtung von AIN zu finden. Dieses Problem wird ausführlich von G. A. Slack und T. F. McNelly beschrieben (G. A. Slack und T. F. McNelly, Journal of Crystal Growth, Band 34 (1976), Seiten 263 bis 279; G. A. Slack und T. F. McNelly, Journal of Crystal Growth, Band 42 (1977), Seiten 560 bis 563; G. A. Slack, Materials Research Society Symposium Proceedings, Band 512 (1998), Seiten 35 bis 40), die Wolfram W als das einzige Material beschreiben, das den bei der Sublimation von AIN entstehenden Spezies für die Dauer eines Züchtungsvorganges von etwa 100 Stunden widerstehen kann. G. A. Slack und T. F. McNelly beschreiben jedoch, dass auch Wolfram als Tiegelmaterial während der Sublimationszüchtung von AIN einer spezifischen intergranularen Erosion unterliegt, die die Gasdichtheit und die Integrität des Wolframtiegels beeinträchtigen und zum Austritt von Aluminiumdampf aus dem Tiegel führen kann. Deshalb können AlN-Einkristalle auf diesem Wege nur mit einer sehr geringen Wachstumsrate hergestellt werden.It is known that AIN has a partial vapor pressure sufficient for sublimation only at temperatures of more than about 2000 ° C. by dissociation in gaseous aluminum and gaseous nitrogen. It is therefore difficult to find a suitable crucible material for the sublimation cultivation of AIN. This problem is described in detail by GA Slack and TF McNelly (GA Slack and TF McNelly, Journal of Crystal Growth, Volume 34 (1976), pages 263 to 279; GA Slack and TF McNelly, Journal of Crystal Growth, Volume 42 (1977) , Pages 560 to 563; GA Slack, Materials Research Society Symposium Proceedings, volume 512 (1998), pages 35 to 40), which describe Wolfram W as the only material that the species formed in the sublimation of AIN for the duration of a breeding process of around 100 hours. However, GA Slack and TF McNelly describe that also tungsten as crucible material during the sublimation growth of AIN egg It is subject to specific intergranular erosion that affects the gas tightness and integrity of the tungsten crucible and can lead to the escape of aluminum vapor from the crucible. Therefore, AlN single crystals can only be produced in this way with a very low growth rate.

Es sind weiter Versuche bekannt, einen zur Sublimation von AIN geeigneten Tiegel aus den Werkstoffen Graphit, Siliziumkarbid SiC bzw. Bornitrid BN oder Kombinationen dieser Werkstoffe herzustellen und einzusetzen (beschrieben durch C. M. Balkas, Z. Sitar, T. Zheleva, L. Bergman, R. Nemanich und R. F. Davis, Journal of Crystal Growth, Band 179 (1997), Seiten 363 bis 370; R. Schlesser und Z. Sitar, Journal of Crystal Growth, Band 234 (2002) Seiten 349 bis 353; C. E. Hunter, US-amerikanisches Patent US 5858086 ; C. E. Hunter, US-amerikanisches Patent US 5972109 ; C. E. Hunter, US-amerikanisches Patent US 6296956 ). Alle diese Werkstoffe können Mischkristalle mit den bei der Sublimationszüchtung von AIN auftretenden Spezies bilden. Somit ist es nicht möglich, unter Verwendung eines Tiegels aus diesen Werkstoffen hochreine Kristalle herzustellen, wie sie für die Anwendung in der Halbleitertechnik benötigt werden. Um eine Kontaminierung des wachsenden AIN-Kristalls durch das Tiegelmaterial sowie eine Beschädigung des Tiegels zu vermeiden, wird in den oben genannten Publikationen eine Züchtungstemperatur von weniger als etwa 2000°C empfohlen, die aber nicht ausreichend ist, um AIN-Volumeneinkristalle mit einer ausreichender Wachstumsrate herzustellen.Attempts are further known to produce and use a crucible suitable for the sublimation of AIN from the materials graphite, silicon carbide SiC or boron nitride BN or combinations of these materials (described by CM Balkas, Z. Sitar, T. Zheleva, L. Bergman, R Nemanich and RF Davis, Journal of Crystal Growth, volume 179 (1997), pages 363 to 370; R. Schlesser and Z. Sitar, Journal of Crystal Growth, volume 234 (2002) pages 349 to 353; CE Hunter, US american patent US 5858086 ; CE Hunter, U.S. patent US 5972109 ; CE Hunter, U.S. patent US 6296956 ). All of these materials can form mixed crystals with the species that occur in the sublimation growth of AIN. It is therefore not possible to use these crucibles to produce high-purity crystals of the kind required for use in semiconductor technology. In order to avoid contamination of the growing AIN crystal by the crucible material and damage to the crucible, a growth temperature of less than about 2000 ° C. is recommended in the publications mentioned above, but this is not sufficient to obtain AIN bulk single crystals with a sufficient growth rate manufacture.

Mit den bekannten Verfahren ist es also nicht möglich, AIN-Kristalle mit großen Abmessungen und einer für die Halbleitertechnik ausreichenden Reinheit bzw. geeigneten Zusammensetzung effektiv herzustellen.With the known methods it is so not possible AIN crystals with large Dimensions and one for the semiconductor technology of sufficient purity or suitable composition to manufacture effectively.

Das oben beschriebene Problem wird nun erfindungsgemäß gelöst, indem die Sublimation in einem Züchtungsraum erfolgt, der von Aluminiumnitrid selbst begrenzt und abgeschlossen wird, d.h. die Züchtung von AIN-Kristallen erfolgt ohne Benutzung eines Tiegels (Behälters) aus einem anderen Material als AIN.The problem described above will now solved according to the invention by sublimation in a breeding room done, which is limited and completed by aluminum nitride itself will, i.e. the breeding AIN crystals are made without the use of a crucible (container) a material other than AIN.

Aluminiumnitrid in ausreichend hoher Reinheit ist kommerziell ausschließlich in Form eines feinen, losen Pulvers mit Korngrößen zwischen 1 μm und 50 μm verfügbar. AIN-basierte Keramik, aus der gasdichte Bauteile wie z.B. Tiegel und Röhren hergestellt werden können (F. Aldinger und andere, Deutsches Patent DE 3248103 ), enthält signifikante Mengen an Sinterhilfsmitteln wie z.B. Yttriumoxid Y2O3 und ist deshalb nicht für die Herstellung von AIN-Kristallen mit hoher Reinheit, wie sie für die Anwendung in der Halbleitertechnik benötigt werden, geeignet.Aluminum nitride of sufficiently high purity is commercially available only in the form of a fine, loose powder with grain sizes between 1 μm and 50 μm. AIN-based ceramics from which gas-tight components such as crucibles and tubes can be manufactured (F. Aldinger and others, German patent DE 3248103 ), contains significant amounts of sintering aids such as yttrium oxide Y 2 O 3 and is therefore not suitable for the production of AIN crystals with high purity, as are required for use in semiconductor technology.

Zur Erläuterung der Erfindung wird auf 1 Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.To explain the invention is on 1 Reference, in which an embodiment of an arrangement for performing the method according to the invention is illustrated schematically.

In der in 1 dargestellten Ausführungsform einer Anordnung zur Sublimationszüchtung von AIN-Einkristallen nach der Erfindung wird der Züchtungsraum von einer dichten Schicht aus reinem AIN begrenzt und abgeschlossen. Diese dichte Schicht wird gebildet, indem eine Anordnung von einem oder mehreren Heizelementen 1, bestehend aus einem hitzebeständigen Material wie z.B. Molybdän Mo, Wolfram W, Rhenium Re, Osmium Os oder deren Legierungen in hochreines AIN-PuIver 2 eingebettet wird, das sich in einem Behälter 3 befindet (1a ), und anschließend in einer Atmosphäre bestehend aus hochreinem Stickstoff N2 oder einem Gemisch aus Stickstoff N2 und Wasserstoff H2 zusammen mit dem Pulver auf eine für den Sublimationsvorgang geeignete Temperatur, die normalerweise zwischen 1900°C und 2500°C liegt, gebracht wird. Indem die Anordnung von Heizelementen geeignete radiale Temperaturgradienten im AIN-Pulver 2 erzeugt, wird ein Hohlraum 4 um die Anordnung von Heizelementen geschaffen (1b ). Die Begrenzung dieses Hohlraumes besteht aus zwei Schichten, wenngleich sich diese nicht klar voreinander abgrenzen lassen: Die äußere Schicht 5 ist praktisch dicht und bewirkt damit die Begrenzung und ausreichend gasdichte Abschließung des Hohlraumes, die innere, dem Hohlraum zugewandte Schicht 6 ist relativ porös und besitzt eine kolumnare Struktur aus Körnern, die entlang der Temperaturgradienten, d.h. in radialer Richtung ausgerichtet sind. Der Sublimationsvorgang bewirkt eine Reinigung des Ausgangsmaterials, welche vor allem im Hinblick auf die Verunreinigung des als Ausgangsmaterials eingesetzten AIN-Pulvers mit Sauerstoff bedeutsam ist. Diese Reinigung entsteht durch Rekristallisation von AIN, d.h. Kornvergröberung und Verdichtung. Eine Kontamination des Materials mit dem Behälter wird vermieden, da sich dieser bei einer relativ niedrigen Temperatur befindet, weil er vom Hohlraum und von der Anordnung von Heizelementen durch das restliche AIN-Pulver 7 getrennt ist. Dieses Pulver zwischen der den Hohlraum begrenzenden Schichten und den Wänden des Behälters zeigt keine sichtbare Veränderung, woraus sich ableiten lässt, dass hier die Temperatur 1900°C nicht überschreitet. Wenn diese Pulverschicht, die als Hitzeschild wirkt, eine ausreichende Dicke besitzt, kann der Behälter 3 aus üblichen hitzebeständigen Materialien wie Quarzglas, Aluminiumoxid-basierter Keramik oder Aluminiumnitrid-basierter Keramik aufgebaut sein.In the in 1 Embodiment shown an arrangement for sublimation growth of AIN single crystals according to the invention, the growth space is limited and closed by a dense layer of pure AIN. This dense layer is formed by an arrangement of one or more heating elements 1 , consisting of a heat-resistant material such as Molybdenum Mo, Tungsten W, Rhenium Re, Osmium Os or their alloys in high-purity AIN powder 2 is embedded in a container 3 located ( 1a ), and then in an atmosphere consisting of high-purity nitrogen N 2 or a mixture of nitrogen N 2 and hydrogen H 2 together with the powder to a temperature suitable for the sublimation process, which is normally between 1900 ° C and 2500 ° C , By arranging heating elements suitable radial temperature gradients in the AIN powder 2 creates a cavity 4 created around the arrangement of heating elements ( 1b ). The boundary of this cavity consists of two layers, although these cannot be clearly distinguished from one another: the outer layer 5 is practically tight and thus causes the confinement and sufficient gas-tight sealing of the cavity, the inner layer facing the cavity 6 is relatively porous and has a columnar structure made of grains, which are aligned along the temperature gradients, ie in the radial direction. The sublimation process brings about a purification of the starting material, which is particularly important with regard to the contamination of the AIN powder used as starting material with oxygen. This cleaning occurs through recrystallization of AIN, ie grain coarsening and compaction. Contamination of the material with the container is avoided since it is at a relatively low temperature, because of the cavity and the arrangement of heating elements by the remaining AIN powder 7 is separated. This powder between the layers delimiting the cavity and the walls of the container shows no visible change, from which it can be deduced that the temperature here does not exceed 1900 ° C. If this layer of powder, which acts as a heat shield, is of sufficient thickness, the container can 3 be constructed from conventional heat-resistant materials such as quartz glass, aluminum oxide-based ceramic or aluminum nitride-based ceramic.

Nach der Bildung eines ausreichenden Hohlraumes 4 wird der Behälter 3 mit dem innenliegenden Hohlraum auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend durch mechanische Bearbeitung wie z.B. Sägen entlang der Trennlinie 8 in zwei Teile getrennt. Im oberen Teil wird der Hohlraum durch mechanische Bearbeitung vergrößert, so dass ein Züchtungsraum 9 entsteht, und eine Keimscheibe 10 wird im Züchtungsraum angebracht und befestigt (1c ). Die Keimscheibe besteht dabei aus einem oder mehreren Keimkristallen aus AIN oder SiC, aus einer Scheibe aus einem hitzebeständigen und geeigneten Material wie z.B. Wolfram W, oder aus einer kombinierten Anordnung dieser Werkstoffe. Die so präparierten Teile werden anschließend wieder mit möglichst kleinem Spiel zusammengefügt.After the formation of an adequate cavity 4 becomes the container 3 with the internal cavity cooled to room temperature and then by mechanical processing such as sawing along the dividing line 8th separated into two parts. In the upper part, the cavity is enlarged by mechanical processing, so that a growing room 9 arises, and a germinal disc 10 is attached and fastened in the breeding room ( 1c ). The seed disk consists of one or more seed crystals made of AIN or SiC, a disk made of a heat-resistant and suitable material such as tungsten W, or a combined arrangement of these materials. The parts prepared in this way are then put together again with as little play as possible.

Im nächsten Schritt wird der Behälter mit dem innenliegenden Züchtungsraum und der Keimscheibe auf die gewünschte Züchtungstemperatur gebracht. Durch die Erzeugung geeigneter Temperaturgradienten für den Sublimationsvorgang von AIN wächst mindestens ein AIN-Volumenkristall 11 auf der Keimscheibe 10 auf und in den Züchtungsraum hinein (1 d). Die den Züchtungs- und Hohlraum begrenzende Schicht 12 dient dabei als Ausgangsmaterial für den Sublimationsprozess. Da während der Bildung des Hohlraumes die Oberfläche des Ausgangsmaterials signifikant herabgesetzt und zusätzlich gereinigt wurde, ist die Verunreinigung dieser begrenzenden Schichten mit Sauerstoff deutlich reduziert. Außerdem wird die unvermeidliche Sauerstoffaufnahme durch Oxidation der Oberfläche bei Kontakt mit der Raumluft während der mechanischen Bearbeitung und Vergrößerung des Hohlraumes vermindert.In the next step, the container with the internal growing space and the germ plate is brought to the desired growing temperature. By generating suitable temperature gradients for the sublimation process of AIN, at least one AIN bulk crystal grows 11 on the germ plate 10 on and into the breeding room ( 1 d). The layer delimiting the growth and cavity 12 serves as the starting material for the sublimation process. Since the surface of the starting material was significantly reduced and additionally cleaned during the formation of the cavity, the contamination of these delimiting layers with oxygen is significantly reduced. In addition, the inevitable oxygen absorption by oxidation of the surface upon contact with the room air during mechanical processing and enlargement of the cavity is reduced.

Es ist bekannt, dass die Verdampfung bzw. Zersetzung von Pulvern aus Gruppe-III-Nitriden durch die Anwesenheit von Sauerstoff, Kohlenstoff oder beiden Elementen unterstützt wird, und dass hierdurch der Gastransport im Züchtungssystem beschleunigt werden kann (M. Tanaka und K. Sogabe, Europäisches Patent EP 0811708 ). Jedoch führt dieses Verfahren während der Kristallzüchtung zu einer steten Desorption von Sauerstoff von der Oberfläche des wachsenden Kristalls. Dies kann zu Instabilitäten auf der Wachstumsoberfläche sowie zu unerwünschtem polykristallinem Wachstum führen. Zusätzlich können sich Sauerstoff und Kohlenstoff in den AIN-Kristall einbauen und dort die elektrischen Eigenschaften unerwünscht beeinflussen. Folglich sollte die unkontrollierte Anwesenheit von Sauerstoff bzw. Kohlenstoff während der Züchtung vermieden werden.It is known that the evaporation or decomposition of powders from group III nitrides is supported by the presence of oxygen, carbon or both elements, and that this can accelerate gas transport in the breeding system (M. Tanaka and K. Sogabe, European patent EP 0811708 ). However, this method leads to a constant desorption of oxygen from the surface of the growing crystal during crystal growth. This can lead to instabilities on the growth surface and to undesirable polycrystalline growth. In addition, oxygen and carbon can build into the AIN crystal and have an undesirable influence on the electrical properties there. As a result, the uncontrolled presence of oxygen or carbon during cultivation should be avoided.

In einer weiteren, besonders vorteilhaften Anordnung zur Durchführung der Erfindung wird anstelle einer Anordnung von Heizelementen 1 eine Anordnung von zwei oder mehr Heizelementen verwendet, die das Trennen des Behälters (1c ) ohne Zerstörung der Heizelemente ermöglichen.In a further, particularly advantageous arrangement for carrying out the invention, instead of an arrangement of heating elements 1 an arrangement of two or more heating elements used to separate the container ( 1c ) without destroying the heating elements.

In einer weiteren, besonders vorteilhaften Anordnung zur Durchführung der Erfindung wird der Behälter mit dem innenliegenden Züchtungsraum 9 und der Keimscheibe 10 (1c) in zwei Prozessschritten auf die gewünschte Züchtungstemperatur gebracht. In dem ersten Prozessschritt wird das obere Heizelement, welches der Keimscheibe am nächsten liegt, mit mehr Heizleistung versorgt als die anderen Heizelemente. Damit wird ein geeigneter Temperaturgradient im Züchtungsraum erzeugt, so dass sich die Keimscheibe 10 auf einer höheren Temperatur befindet als die begrenzenden Schichten 12 des Züchtungsraumes. Dieser Schritt dient zur Vorreinigung der Keimscheibe, da hierdurch die Scheibe bzw. die Keimkristalle von adsorbierten Verunreinigungen und eventueller Oberflächenverschmutzung befreit werden. Wenn die Oberfläche der Keimscheibe die gewünschte Sublimationstemperatur erreicht hat, wird die Heizleistung für die weiter unten liegenden Heizelemente erhöht und damit der Temperaturgradient im Züchtungsraum invertiert. Auf diese Weise werden die geeigneten Temperaturgradienten für den Sublimationsvorgang von AIN geschaffen, die nötig sind, um einen ausreichenden Materialtransport von den begrenzenden Schichten des Züchtungsraumes zur Keimscheibe zu gewährleisten, damit sich mindestens ein AIN-Volumenkristall 11 auf der Keimscheibe bilden und in den Züchtungsraum hineinwachsen kann (1d).In a further, particularly advantageous arrangement for carrying out the invention, the container with the internal growing space 9 and the germ plate 10 ( 1c ) brought to the desired cultivation temperature in two process steps. In the first process step, the upper heating element, which is closest to the germ plate, is supplied with more heating power than the other heating elements. This creates a suitable temperature gradient in the breeding room, so that the germ plate 10 is at a higher temperature than the confining layers 12 of the breeding room. This step serves to pre-clean the germinal disc, since this removes adsorbed contaminants and any surface contamination from the disc or the seed crystals. When the surface of the germinal disc has reached the desired sublimation temperature, the heating power for the heating elements located further down is increased and the temperature gradient in the growing room is thus inverted. In this way, the suitable temperature gradients for the sublimation process of AIN are created, which are necessary in order to ensure sufficient material transport from the delimiting layers of the growing area to the seed disk, so that at least one AIN bulk crystal 11 can form on the germ plate and grow into the breeding area ( 1d ).

In einer weiteren, besonders vorteilhaften Anordnung zur Durchführung der Erfindung wird anstelle des hochreinen AIN-Pulvers 2 (1a) eine Mischung von hochreinem AIN-Pulver und eine geeigneten Menge an geeigneten Verbindungen, die mindestens ein Element enthalten, das mindestens eine elektrisch aktive Störstelle in Aluminiumnitrid besitzt, wie z.B. Silizium Si, Magnesium Mg, Germanium Ge, Selen Se, Quecksilber Hg, Eisen Fe, Sauerstoff O, Kohlenstoff C, verwendet. Indem die in dieser Mischung enthaltenen Verbindungen unter Züchtungsbedingungen kontrolliert disozüeren oder abdampfen, wird ein kontrollierter Einbau von elektrisch aktiven Fremdstoffen in den wachsenden AIN-Kristall erzielt, was zu einer Dotierung und der damit verbundenen Möglichkeit der Einstellung der elektrischen Eigenschaften des wachsendenn AIN-Kristalls führt.In a further, particularly advantageous arrangement for carrying out the invention, instead of the high-purity AIN powder 2 ( 1a ) a mixture of high-purity AIN powder and a suitable amount of suitable compounds which contain at least one element which has at least one electrically active defect in aluminum nitride, such as silicon Si, magnesium Mg, germanium Ge, selenium Se, mercury Hg, iron Fe, oxygen O, carbon C used. A controlled incorporation of electrically active foreign substances into the growing AIN crystal is achieved by the compounds contained in this mixture being controlled or evaporated under growing conditions, which leads to doping and the associated possibility of adjusting the electrical properties of the growing AIN crystal ,

Die Durchführung der Erfindung kann in einem wohlbekannten Standardsystem zur Sublimationszüchtung von Hochtemperaturwerkstoffen erfolgen. Solch ein System beinhaltet eine vakuumdichte, z.B. mit Wasser gekühlten Kammer, in der sich der Behälter mit einer Anordnung von mindestens einem Heizelement, mindestens einem Kühlungskanal und weiteren Strukturen, die die Steuerung und die Kontrolle der Temperaturen und Temperaturgradienten im Hohlraum, im Züchtungsraum sowie im wachsenden Kristall ermöglichen, befindet. Diesem Aufbau kann Heizleistung über die Heizelemente sowohl durch resistive (widerstandsbasierte) Heizung als auch durch induktive Heizung zugeführt werden.The implementation of the invention can in a well known standard system for sublimation cultivation of High temperature materials are made. Such a system includes a vacuum tight, e.g. water-cooled chamber in which the container with an arrangement of at least one heating element, at least one cooling channel and other structures that control and control the Temperatures and temperature gradients in the cavity, in the growing room as well as in the growing crystal, located. This build-up can be achieved both through heating power through the heating elements resistive (resistance based) heating as well as inductive Heating supplied become.

Der Gesamtdruck in der Kammer wird von einem Regelventil, das zwischen der Kammer und einem Vakuum-Pumpensystem angebracht ist, gesteuert. Das Vakuum-Pumpensystem besteht dabei aus einer mechanischen Pumpe und einer Turbomolekularpumpe und ermöglicht es, den Systemdruck in der Kammer auf bis zu 106 mbar abzusenken. Der Gasfluss durch die Gaszuleitungen und somit auch die Zusammensetzung der Atmosphäre in der Kammer wird durch Massenfluss-Steuergeräte gesteuert und kontrolliert. Das Gaszuleitungssystem kann dabei Gase, die als Trägergas wirken wie z.B. Argon Ar, Wasserstoff H2 und Helium He, oder Gase, die zusätzlich als Materialquelle für die Sublimationszüchtung von AIN wirken, wie z.B. Stickstoff N2 und Ammoniak NH3, bereitstellen. In letzterem Fall entsteht durch thermische Zersetzung von Ammoniak NH3 aktiver atomarer Stickstoff, der mit den bei der Sublimationszüchtung gebildeten gasförmigen Al-Spezies reagieren und AIN bilden kann.The total pressure in the chamber is controlled by a control valve located between the chamber and a vacuum pump system. The vacuum pump system consists of a mechanical pump and a turbomolecular pump and enables the system pressure in the chamber to be reduced to up to 10 6 mbar. The gas flow through the gas supply lines and thus also the The composition of the atmosphere in the chamber is controlled and monitored by mass flow controllers. The gas supply system can provide gases that act as carrier gas, such as argon Ar, hydrogen H 2 and helium He, or gases that additionally act as a material source for the sublimation growth of AIN, such as nitrogen N 2 and ammonia NH 3 . In the latter case, thermal decomposition of ammonia produces NH 3 active atomic nitrogen, which can react with the gaseous Al species formed during sublimation growth and form AIN.

Es folgen weitere Anwendungsbeispiele von besonders vorteilhaften Anordnungen zur Durchführung der Erfindung.Further application examples follow of particularly advantageous arrangements for performing the Invention.

Beispiel 1:Example 1:

In der in 2 dargestellten Ausführungsform einer Anordnung zur Sublimationszüchtung von AIN-Kristallen nach der Erfindung werden zwei Heizelemente 13, 14 in der Form zylindrischer, hohler Rohre aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung W/Re in einen zylindrischen Behälter 15 mit einem abnehmbaren Deckel 16, beides aus AIN-basierter Keramik, platziert. Das restliche Volumen des Behälters wird mit reinem AIN-Pulver aufgefüllt. Der Behälter wird geschlossen und in ein Standardsystem zur Sublimationszüchtung von Hochtemperaturwerkstoffen, hier Reaktor genannt, eingebracht. Danach werden beide Heizelemente mittels induktiver Heizung auf eine Temperatur zwischen 2150°C und 2250°C unter einer Atmosphäre bestehend aus 95 Volumenprozent hochreinem Stickstoff und 5 Volumenprozent reinem Wasserstoff gebracht. Durch die Sublimation und Rekondensation des AIN-Pulvers bildet sich ein Hohlraum 17 aus, der die Heizelemente umschließt (2a). Die Oberfläche des Hohlraumes besteht aus drei Schichten. Die innere, den Heizelementen zugewandte Schicht 18 besteht aus Kristallen von nadeliger Form, wobei die Nadeln nach dem Temperaturgradienten ausgerichtet sind und zwischen den Nadeln Hohlräume verbleiben. Es schließt sich ohne scharfen Übergang eine zweite Schicht 19 an, deren spezifische Dichte nahe bei dem theoretisch für AIN ermittelten Wert liegt und die aus dicht gepackten AIN-Kristallen mit einer Ausdehnung von jeweils zwischen 0,5 mm und 2 mm und gelblicher, bräunlicher oder beiger Farbe besteht. Die äußere Schicht 20, die bis an den Behälter reicht, bleibt im Vergleich zum eingesetzten AIN-Pulver unverändert, sie besteht aus AIN-Kristallen mit Ausdehnung im Mikrometerbereich und besitzt eine weiße Farbe. Anschließend wird die Temperatur des Behälters auf Raumtemperatur abgesenkt, und der Behälter wird aus dem Reaktor entnommen.In the in 2 illustrated embodiment of an arrangement for sublimation growth of AIN crystals according to the invention, two heating elements 13 . 14 in the form of cylindrical, hollow tubes made of a tungsten-rhenium alloy W / Re in a cylindrical container 15 with a removable lid 16 , both made of AIN-based ceramic. The remaining volume of the container is filled with pure AIN powder. The container is closed and placed in a standard system for sublimation growth of high-temperature materials, here called reactor. Then both heating elements are brought to a temperature between 2150 ° C and 2250 ° C by means of inductive heating under an atmosphere consisting of 95 volume percent high-purity nitrogen and 5 volume percent pure hydrogen. A cavity is formed by the sublimation and recondensation of the AIN powder 17 enclosing the heating elements ( 2a ). The surface of the cavity consists of three layers. The inner layer facing the heating elements 18 consists of crystals of a needle-like shape, the needles being aligned with the temperature gradient and voids remaining between the needles. A second layer closes without a sharp transition 19 whose specific density is close to the value theoretically determined for AIN and which consists of densely packed AIN crystals each with an expansion of between 0.5 mm and 2 mm and yellowish, brownish or beige in color. The outer layer 20 that extends to the container remains unchanged compared to the AIN powder used, it consists of AIN crystals with dimensions in the micrometer range and has a white color. The temperature of the container is then lowered to room temperature and the container is removed from the reactor.

Danach wird der Behälter in zwei Teile 21, 22 entlang der Linie 23 getrennt, ohne die beiden Heizelemente 13, 14 zu beschädigen. In den oberen Teil 22 des Behälters wird ein Züchtungsraum 24 mittels eines hohlen Bornitrid- oder Diamantwerkzeugs geschaffen. Nach dem Trocknen der erhaltenen Tiegelteile wird ein Keimkristall 25 aus AIN oder SiC am oberen Ende des Züchtungsraumes unter Zuhilfenahme von Hilfsteilen 26 mechanisch befestigt. Diese Hilfsteile bestehen aus dichtem, hochreinen Aluminiumnitrid, welches aus der zweiten Schicht 19 aus dem Bereich des Behälters, der mittels des hohlen Bornitrid- oder Diamantwerkzeugs zur Schaffung des Züchtungsraumes herausgetrennt wurde, gewonnen wird. Anschließend werden beide Teile 21, 22 des Tiegels wieder mit einer Passgenauigkeit von weniger als 0,5 mm zusammengefügt. Der abnehmbare Deckel 16 wird durch einen Deckel 27 mit einem vertikalen Kühlkanal 28 bei ansonsten gleichen Abmessungen ersetzt, und dieser Aufbau, im folgenden weiter als Behälter bezeichnet, wird wieder in den Reaktor eingebracht (2b).After that, the container is cut in two 21 . 22 along the line 23 separately without the two heating elements 13 . 14 to damage. In the upper part 22 the container becomes a breeding room 24 created using a hollow boron nitride or diamond tool. After the crucible parts obtained have dried, a seed crystal becomes 25 made of AIN or SiC at the upper end of the breeding room with the help of auxiliary parts 26 mechanically attached. These auxiliary parts consist of dense, high-purity aluminum nitride, which consists of the second layer 19 is obtained from the area of the container which was cut out using the hollow boron nitride or diamond tool to create the growing space. Then both parts 21 . 22 of the crucible put together again with an accuracy of fit of less than 0.5 mm. The removable lid 16 is through a lid 27 with a vertical cooling channel 28 replaced with otherwise the same dimensions, and this structure, hereinafter referred to as the container, is reintroduced into the reactor ( 2 B ).

In einer Atmosphäre aus hochreinem Stickstoff wird der Behälter auf die Züchtungstemperatur, die zwischen 1900°C und 2500°C liegen kann, gebracht. Hier beginnt das Wachstum eines AIN-Kristalls 29 auf dem Keimkristall 25 aufgrund des von dem Kühlkanal erzeugten Temperaturgradienten. Bereits in einem sehr frühen Stadium während der Züchtung wird der durch die Trennung der Tiegelteile entstandene Spalt 23 mit dichtem AIN gefüllt bzw. überwachsen, so dass der Hohl- und Züchtungsraum im Behälter wieder annähernd gasdicht wird. Eine geringe Ausdiffusions- bzw. Gasaustauschrate bleibt erhalten, aber diese ist erwünscht, da sie die Gefahr des Bruches bzw. der Rissbildung der den Hohl- und Züchtungsraum begrenzenden Schichten 18, 19 beim Aufheizen sowie beim Abkühlen vermindert. Abhängig von Systemdruck, Temperatur und Temperaturgradienten im Behälter bzw. im Züchtungsraum kann die Wachstumsgeschwindigkeit des AIN-Kristalls zwischen 0,01 mm/h und 2 mm/h betragen. Nach einer Züchtungszeit, die ausreichend für die Herstellung eines AIN-Kristalls in der gewünschten Ausdehnung von üblicherweise zwischen 20 mm und 25 mm Länge ist, wird die Temperatur des Behälters auf Raumtemperatur abgesenkt, und der Behälter wird aus dem Reaktor entnommen.The container is brought to the breeding temperature, which can be between 1900 ° C and 2500 ° C, in an atmosphere of high-purity nitrogen. This is where the growth of an AIN crystal begins 29 on the seed crystal 25 due to the temperature gradient generated by the cooling channel. The gap created by the separation of the crucible parts becomes very early in the breeding process 23 filled or overgrown with dense AIN, so that the cavity and cultivation space in the container becomes almost gas-tight again. A low rate of diffusion or gas exchange is maintained, but this is desirable since it risks breaking or cracking the layers delimiting the cavity and growing space 18 . 19 reduced when heating up and cooling down. Depending on the system pressure, temperature and temperature gradients in the container or in the growing room, the growth rate of the AIN crystal can be between 0.01 mm / h and 2 mm / h. After a growing time sufficient for the production of an AIN crystal in the desired dimension, usually between 20 mm and 25 mm in length, the temperature of the container is reduced to room temperature and the container is removed from the reactor.

Schließlich wird der Behälter wiederum in zwei Teile entlang der Linie 23 getrennt, und der AIN-Kristall 29 wird mittels eines hohlen Bornitrid- oder Diamantwerkzeugs aus dem oberen Teil des Behälters herausgetrennt. Nun können alle Teile des Behälters erneut zur Sublimationszüchtung von AIN-Kristallen nach der Erfindung eingesetzt werden, wenn neues AIN-Pulver in den Hohl- und Züchtungsraum gefüllt und anschließend wie oben beschrieben sublimiert und zur Bildung eines Hohlraumes 17 rekondensiert wird, um den durch die Züchtung des AIN-Kristalls erfolgten Materialverlust auszugleichen.Finally, the container will turn into two parts along the line 23 separated, and the AIN crystal 29 is removed from the top of the container using a hollow boron nitride or diamond tool. Now all parts of the container can be used again for sublimation growth of AIN crystals according to the invention, if new AIN powder is filled into the cavity and growth space and then sublimed as described above and to form a cavity 17 is recondensed to compensate for the loss of material caused by the growth of the AIN crystal.

Beispiel 2:Example 2:

In der in 3 dargestellten Ausführungsform einer Anordnung zur Sublimationszüchtung von AIN-Kristallen nach der Erfindung werden zwei Heizelemente 30, 31 in der Form zylindrisch gewickelter, hohler Spulen (Korbspulen) aus Stangen bzw. Draht einer Wolfram-Rhenium-Legierung W/Re in einen zylindrischen Behälter 32 mit einem abnehmbaren Deckel 33, beides aus AIN-basierter Keramik, platziert. Das restliche Volumen des Behälters wird mit reinem AIN-PuIver 34 aufgefüllt. Der Behälter wird geschlossen und in ein Standardsystem zur Sublimationszüchtung von Hochtemperaturwerkstoffen, hier Reaktor genannt, eingebracht. Dabei werden die Heizelemente mittels elektrischer Durchführungen und Kontaktflächen 35 mit einem resistiven Heizsystem verbunden. Danach werden beide Heizelemente auf eine Temperatur zwischen 2150°C und 2250°C unter einer Atmosphäre bestehend aus 95 Volumenprozent hochreinem Stickstoff und 5 Volumenprozent reinem Wasserstoff gebracht. Durch die Sublimation und Rekondensation des AIN-Pulvers bildet sich in analoger Weise zu Beispiel 1 ein Hohlraum 36 aus, der die Heizelemente umschließt ( 3a). Anschließend wird die Temperatur des Behälters auf Raumtemperatur abgesenkt, und der Behälter wird unter Trennung der elektrischen Verbindungen zum resistiven Heizsystem aus dem Reaktor entnommen.In the in 3 illustrated embodiment of an arrangement for sublimation growth of AIN crystals according to the invention, two heating elements 30 . 31 in the form of cylindrical wound, hollow coils (basket coils) made of rods or wire of a tungsten-rhenium alloy W / Re in a cylindrical container 32 with a removable lid 33 , both made of AIN-based ceramic. The remaining volume of the container is made with pure AIN powder 34 refilled. The container is closed and placed in a standard system for sublimation growth of high-temperature materials, here called reactor. The heating elements are made using electrical feedthroughs and contact surfaces 35 connected to a resistive heating system. Then both heating elements are brought to a temperature between 2150 ° C and 2250 ° C under an atmosphere consisting of 95 volume percent high-purity nitrogen and 5 volume percent pure hydrogen. The sublimation and recondensation of the AIN powder forms analogously to the example 1 a cavity 36 enclosing the heating elements ( 3a ). The temperature of the container is then lowered to room temperature and the container is removed from the reactor with the electrical connections to the resistive heating system disconnected.

Danach wird der Behälter in zwei Teile 37, 38 entlang der Linie 39 getrennt, ohne die beiden Heizelemente 30, 31 zu beschädigen. In den oberen Teil 38 des Behälters wird in analoger Weise zu Beispiel 1 ein Züchtungsraum 40 geschaffen und eine Keimscheibe 41 aus AIN, SiC oder Wolfram W unter Zuhilfenahme von Hilfsteilen 42 mechanisch befestigt.After that, the container is cut in two 37 . 38 along the line 39 separately without the two heating elements 30 . 31 to damage. In the upper part 38 the container becomes analogous to example 1 a breeding room 40 created and a germinal disc 41 made of AIN, SiC or Wolfram W with the help of auxiliary parts 42 mechanically attached.

Anschließend werden, ebenfalls in analoger Weise zu Beispiel 1 beide Teile 37, 38 des Tiegels wieder zusammengefügt und der abnehmbare Deckel 33 wird durch einen Deckel 43 mit einem vertikalen Kühlkanal 44 ersetzt. Dieser Aufbau (im folgenden weiter als Behälter bezeichnet) wird wieder in den Reaktor eingebracht (3b), und die elektrischen Verbindungen der Heizelemente zum resistiven Heizsystem wiederhergestellt. In einer Atmosphäre aus hochreinem Stickstoff wird der Behälter auf folgende Weise auf die Züchtungstemperatur, die zwischen 1900°C und 2500°C liegen kann, gebracht: Erst wird das obere Heizelement 30 mit einer Heizleistung versorgt, die ausreichend ist, um die Keimscheibe auf die gewünschte Züchtungstemperatur zu bringen. Danach wird das untere Heizelement 31 mit Heizleistung versorgt, während die Heizleistung des oberen Heizelements 30 in einer Weise abgesenkt wird, so dass die Temperatur der Keimscheibe 41 konstant bleibt. Auf der Keimscheibe beginnt ein AIN-Kristall 45 zu wachsen, wenn das Temperaturfeld sich derart geändert hat, dass die Keimscheibe eine niedrigere Temperatur besitzt als die den Hohl- und Züchtungsraum begrenzenden Schichten. Abhängig von Systemdruck, Temperatur und Temperaturgradienten im Behälter bzw. im Züchtungsraum kann die Wachstumsgeschwindigkeit des AIN-Kristalls zwischen 0,01 mm/h und 2 mm/h betragen. Nach einer Züchtungszeit, die ausreichend für die Herstellung eines AIN-Kristalls in der gewünschten Ausdehnung von üblicherweise zwischen 20 mm und 25 mm Länge ist, wird die Temperatur des Behälters auf Raumtemperatur abgesenkt, und der Behälter wird aus dem Reaktor entnommen. Schließlich wird der Behälter in analoger Weise zu Beispiel 1 wiederum in zwei Teile entlang der Linie 39 getrennt, und der AIN-Kristall 45 wird mittels eines hohlen Bornitrid- oder Diamantwerkzeugs aus dem oberen Teil des Behälters herausgetrennt.Then, also in an analogous way to example 1 both parts 37 . 38 of the crucible and the removable lid 33 is through a lid 43 with a vertical cooling channel 44 replaced. This structure (hereinafter referred to as the container) is reintroduced into the reactor ( 3b ), and the electrical connections of the heating elements to the resistive heating system are restored. In an atmosphere of high-purity nitrogen, the container is brought to the cultivation temperature, which can be between 1900 ° C and 2500 ° C, as follows: First, the upper heating element 30 with a heating power that is sufficient to bring the germ plate to the desired breeding temperature. After that the lower heating element 31 supplied with heating power, while the heating power of the upper heating element 30 is lowered in such a way that the temperature of the germinal disc 41 remains constant. An AIN crystal begins on the seed disk 45 to grow when the temperature field has changed in such a way that the germ plate has a lower temperature than the layers delimiting the cavity and growth space. Depending on the system pressure, temperature and temperature gradients in the container or in the growing room, the growth rate of the AIN crystal can be between 0.01 mm / h and 2 mm / h. After a growing time sufficient for the production of an AIN crystal in the desired dimension, usually between 20 mm and 25 mm in length, the temperature of the container is reduced to room temperature and the container is removed from the reactor. Finally, the container becomes analogous to example 1 again in two parts along the line 39 separated, and the AIN crystal 45 is removed from the top of the container using a hollow boron nitride or diamond tool.

  • – G. A. Slack und T. F. McNelly, „Growth of High Purity AIN Crystals" Journal of Crystal Growth, Band 34 (1976), Seiten 263 bis 279- G. A. Slack and T. F. McNelly, "Growth of High Purity AIN Crystals "Journal of Crystal Growth, Volume 34 (1976), pages 263 to 279
  • – G. A. Slack und T. F. McNelly, „AIN Single Crystals" Journal of Crystal Growth, Band 42 (1977), Seiten 560 bis 563 - G. A. Slack and T. F. McNelly, "AIN Single Crystals "Journal of Crystal Growth, Volume 42 (1977), pages 560 to 563
  • – G. A. Slack, „Growth of AIN Single Crystals" Materials Research Society Symposium Proceedings, Band 512 (1998), Seiten 35 bis 40- G. A. Slack, "Growth of AIN Single Crystals "Materials Research Society Symposium Proceedings, Volume 512 (1998), pages 35 to 40
  • – C. M. Balkas, Z. Sitar, T. Zheleva, L. Bergman, R. Nemanich und R. F. Davis „Sublimation Growth and Characterization of Bulk Aluminum Nitride Single Crystals" Journal of Crystal Growth, Band 179 (1997), Seiten 363 bis 370- C. M. Balkas, Z. Sitar, T. Zheleva, L. Bergman, R. Nemanich and R. F. Davis “Sublimation Growth and Characterization of Bulk Aluminum Nitride Single Crystals "Journal of Crystal Growth, Vol. 179 (1997), pages 363 to 370
  • – R. Schlesser und Z. Sitar, „Growth of Bulk AIN Crystals by Vaporization of Aluminum in a Nitrogen Atmosphere" Journal of Crystal Growth, Band 234 (2002) Seiten 349 bis 353- R. Schlesser and Z. Sitar, "Growth of Bulk AIN Crystals by Vaporization of Aluminum in a Nitrogen Atmosphere "Journal of Crystal Growth, Volume 234 (2002) pages 349 to 353

Claims (6)

Ein Verfahren zur Herstellung von Kristallen aus Aluminiumnitrid AIN durch Sublimation und teilweiser Zersetzung von Aluminiumnitrid-Pulver, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Anordnung aus einem oder mehreren Heizelementen aus einem hitzebeständigen Material wie z.B. Molybdän Mo, Wolfram W, Rhenium Re, Osmium Os oder deren Legierungen in hochreines Aluminiumnitrid-Pulver eingebettet wird, b) die Anordnung aus Heizelementen in einer Atmosphäre bestehend aus hochreinem Stickstoff N2 oder einem Gemisch aus Stickstoff N2 und Wasserstoff N2 zusammen mit dem Pulver auf eine Temperatur zwischen 1900°C und 2500°C gebracht wird, bis ein Hohlraum um das Heizelement bzw. die Heizelemente herum entsteht, c) der so entstandene Aufbau mit innenliegendem Hohlraum auf Raumtemperatur abgekühlt wird, d) der Aufbau anschließend durch mechanische Bearbeitung in zwei Teile getrennt wird, e) im oberen Teil der Hohlraum durch mechanische Bearbeitung vergrößert wird, f) in diesem vergrößerten Hohlraum eine Keimscheibe angebracht und befestigt wird, g) danach die beiden Teile des Tiegels wieder zusammengefügt werden, h) der so entstandene Aufbau auf eine Temperatur zwischen 1900°C und 2500°C gebracht wird, so dass Aluminiumnitrid aus den den Hohlraum begrenzenden Schichten in den Hohlraum abdampft und sich auf der Keimscheibe in Form eines wachsenden Volumeneinkristalls aus Aluminiumnitrid oder mehrerer solcher Kristalle niederschlägt.A process for the production of crystals of aluminum nitride AIN by sublimation and partial decomposition of aluminum nitride powder, characterized in that a) an arrangement of one or more heating elements made of a heat-resistant material such as Molybdenum Mo, Tungsten W, Rhenium Re, Osmium Os or whose alloys are embedded in high-purity aluminum nitride powder, b) the arrangement of heating elements in an atmosphere consisting of high-purity nitrogen N 2 or a mixture of nitrogen N 2 and hydrogen N 2 together with the powder to a temperature between 1900 ° C and 2500 ° C is brought until a cavity is formed around the heating element or elements, c) the resulting structure with internal cavity is cooled to room temperature, d) the structure is then separated into two parts by mechanical processing, e) in the upper part the cavity is enlarged by mechanical processing, f) enlarged therein Cavity a germ plate is attached and attached g) then the two parts of the crucible are put together again, h) the resulting structure is brought to a temperature between 1900 ° C and 2500 ° C, so that aluminum nitride evaporates from the layers delimiting the cavity into the cavity and on the germ plate precipitates in the form of a growing bulk single crystal made of aluminum nitride or several such crystals. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von Heizelementen aus mindestens zwei Heizelementen gebildet wird, dergestalt, dass der Aufbau durch mechanische Bearbeitung nach Anspruch 1, Buchstabe d, ohne Zerstörung der Heizelemente getrennt werden kann.A method according to claim 1, characterized in that the arrangement of heating elements from at least two heating elements is formed in such a way that the structure by mechanical processing according to claim 1, letter d, separated without destroying the heating elements can be. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau auf eine Temperatur zwischen 1900°C und 2500°C nach Anspruch 1, Buchstabe h, gebracht wird, indem a) zuerst die Heizleistung für das der Keimscheibe am nächsten liegende Heizelement erhöht wird, dergestalt, dass sich die Keimscheibe schließlich auf einer höheren Temperatur befindet als die begrenzenden Schichten des Züchtungsraumes, und hierdurch die Keimscheibe von adsorbierten Verunreinigungen und eventueller Oberflächenverschmutzung befreit wird, b) dann die Heizleistung aller Heizelemente so eingestellt wird, dass der Temperaturgradient invertiert wird und die thermischen Bedingungen einen Materialtransport von den begrenzenden Schichten des Hohlraumes zur Keimscheibe ermöglichen.Method according to one of claims 1 and 2, characterized in that that the structure to a temperature between 1900 ° C and 2500 ° C according to claim 1, letter h, is brought by a) first the heating power for the closest to the germinal disc lying heating element increased so that the germinal disc will eventually open a higher one Temperature is as the limiting layers of the growing room, and thereby the nucleus of adsorbed contaminants and possible surface pollution is liberated b) then the heating output of all heating elements is set so that the temperature gradient is inverted and the thermal conditions limiting the transportation of materials Allow layers of the cavity to the germinal disc. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimscheibe aus einem oder mehreren Keimkristallen aus Aluminiumnitrid AIN oder Silizumkarbid SiC, aus einer Scheibe aus einem hitzebeständigen und geeigneten Material wie z.B. Wolfram W, oder aus einer kombinierten Anordnung dieser Werkstoffe besteht.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the germinal disc is made up of one or more seed crystals Aluminum nitride AIN or silicon carbide SiC, from one disc a heat-resistant and suitable material such as Tungsten W, or from a combined Arrangement of these materials exists. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des hochreinen Aluminiumnitrid-Pulvers nach Anspruch 1, Buchstabe a, eine Mischung von hochreinem Aluminiumnitrid-Pulver und Verbindungen, die mindestens ein Element enthalten, das mindestens eine elektrisch aktive Störstelle in Aluminiumnitrid besitzt, wie z.B. Silizium Si, Magnesium Mg, Germanium Ge, Selen Se, Quecksilber Hg, Eisen Fe, Sauerstoff O, Kohlenstoff C, verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that that instead of the high purity aluminum nitride powder according to claim 1, letter a, a mixture of high-purity aluminum nitride powder and compounds that contain at least one element that contains at least an electrically active fault in aluminum nitride, e.g. Silicon Si, magnesium Mg, Germanium Ge, Selenium Se, Mercury Hg, Iron Fe, Oxygen O, Carbon C, is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Hohlraums nach Anspruch 1, Buchstabe b, die Anordnung der Heizelemente in einer Atmosphäre bestehend aus einem Gemisch aus hochreinem Stickstoff N2 und reinem Wasserstoff H2 im Volumenverhältnis zwischen 9:1 und 99:1 auf Temperaturen zwischen 2150°C und 2250°C gebracht wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that for generating the cavity according to claim 1, letter b, the arrangement of the heating elements in an atmosphere consisting of a mixture of high-purity nitrogen N 2 and pure hydrogen H 2 in a volume ratio between 9: 1 and 99: 1 to temperatures between 2150 ° C and 2250 ° C.
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