[发明专利]在具有碱金属离子的超临界氨中氮化物单晶的晶种生长

说明书

技术领域

本发明涉及一种在一个细长的晶种或两个或更多个细长的晶种上，通 过晶种生长(seeded growth)获得更大的块状单晶的方法。

背景技术

对于光电子工业，包括含镓氮化物的XIII族元素的氮化物(IUPAC， 1989)是一类有价值的材料。

块状单晶GaN被认为是用于沉积GaN外延层的理想衬底，该单晶的 能隙可以用于制造发射蓝光的激光二极管(LD)和发光二极管(LED)。用作 用于取向生长的衬底的条件是单晶良好的晶体质量和低的表面位错密度。

尽管情报显示，每年在全世界许多工业和科学中心所进行的研究使得 制造商更接近于获得适宜质量的材料，但是仍然无法满足工业对于具有适 宜技术参数的单晶含镓氮化物的需求。

在公布WO 02/101120中，公开了从超临界含氮溶剂，优选含氨溶剂 中，采用在晶种上结晶的方法获得块状含镓氮化物的方法。这种方法可以 获得比工业用衬底的参数高的质量参数的块状含镓氮化物，所述的工业用 衬底是通过气相沉积的方法如HVPE和MOCVD或MBE而获得的，所述 的块状含镓氮化物具有比这些衬底低的表面位错密度。通过从WO 02/101120所知的方法而获得的单晶在体积上表现了很大的增加。与在全 世界许多中心的工业中所使用的材料相比较，由于从含氮溶液中结晶方法 的平衡特征，可以获得非常高的晶体质量的这样产生的单晶。从WO 02/101120所知技术的主要优势是进行从基于含氮溶剂的超临界溶液再结 晶含镓氮化物的方法的压力和温度的优选范围。

还知道含镓氮化物合成的其它方法，例如HNP，在此过程中，可以获 得非常高的晶体质量和更低的表面位错密度的氮化镓单晶。不幸的是，迄 今为止，所得的晶体令人不满意的尺寸和非规则的形状使它们丧失了用作 用于适宜于工业生产LED、LD和其它半导体结构的外延生长用衬底的材 料的资格。此外，生长参数，特别是采用非常高的压力的必要性，限制了 通过这种方法在工业规模上获得所需尺寸的晶体的可能性。

然而，在关于这个主题的文献中，对有希望的结果有记录，这些结果 是采用在氮化物气氛中，从镓熔体中生长含镓氮化物的熔剂法来获得的。 这些方法的工业吸引力来自于相对低的温度和相对低的压力的使用。

在对WO 02/101120中所公开的方法的进一步研究和开发工作的过程 中，找到了影响限制这种方法实际应用的许多因素。在该研究中的技术性 障碍正在逐步地被征服。

本研究方向之一就是为含镓单晶的生产提供晶种。本研究的目标是获 得令人满意的质量参数和更大尺寸的晶种。

在已经进行的研究期间，表明，迄今为止所采用的由其中从气相在异 种衬底上，特别是在蓝宝石上，沉积含镓氮化物的单晶层的HVPE方法所 获得的晶种，并没有提供沉积在其上的单晶的均匀生长条件。作为异种衬 底和所获得的含镓氮化物的单晶层之间晶格参数不同的结果，以及由于两 种材料的热膨胀系数不同的结果，通过HVPE方法获得的含镓氮化物，优 选氮化镓，具有破裂的晶体结构，从而除了别的以外，还导致所获得的含 镓氮化物层的晶格曲率半径小。作为晶种的单晶在含镓氮化物从超临界含 氨溶液的重结晶的过程中的使用造成了块状含镓氮化物层中的晶体缺陷 和表面位错的传播，该氮化物层沉淀于所述晶种上，并且在与晶种生长的 方向相同的方向上生长。

公布WO 03/035945指出了采用具有对横向生长敏感的表面的ELOG 结构来覆盖晶种所导致的优势，所述的横向即在与晶种的生长方向垂直的 轴的方向上。由于晶体缺陷和表面位错的随机分布，通过ELOG结构覆盖 的晶种不能以令人满意的程度消除晶体缺陷从通过HVPE方法制造的初 始衬底传播至从基于含氮溶剂的超临界溶液沉积的含镓氮化物的单晶层。 相互近邻放置的对横向生长敏感的表面由直接生长在初始衬底上的条纹 所分离。需要注意的是，鉴于成本，不能够考虑ELOG结构在晶种上的多 重和交替沉积，但是独立于成本之外，在ELOG结构上所获得的晶体的表 面位错密度为至少约10⁶/cm²。

要解决的问题