[发明专利]第III主族金属氮化物晶体的高温高压生长

说明书

本申请是中国发明专利申请(申请日：2003年2月21日；申请号：03806906.7(国际申请号：PCT/US2003/005114)；发明名称：第III主族金属氮化物晶体的高温高压生长)的分案申请。

发明背景

本发明涉及第III主族金属氮化物晶体的生长。更具体地，本发明涉及通过从熔剂(flux)中再结晶(recrystallization)的第III主族金属氮化物晶体的生长。还更具体地，本发明涉及通过在高温高压条件下从溶剂或熔体中再结晶的第III主族金属氮化物晶体的生长。

过去十年内，人们对基于第III主族金属的氮化物(以下也简称为“第III主族金属氮化物”)的光电器件的兴趣相当大，其中第III主族金属氮化物即：氮化铝(以下也简称为“AlN”)、氮化镓(以下也简称为“GaN”)以及氮化铟(以下也简称为“InN”)，发光器件包括例如发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs)。这些器件的活性层(active layer)一般包含GaN、AlN和InN的固溶体，这些层一般包括n-掺杂的层、p-掺杂的层、异质结构等。由于活性层和底层和覆盖外延层内存在插入位错(threading dislocation)、空位和杂质，这些器件的性能包括发光效率、寿命和反向偏置电流，通常受到恶化。这些器件一般在晶格失配(lattice-mismatched)的基底如蓝宝石或SiC上生长，这产生了传播至活性层内的高浓度插入位错。例如，在GaN基器件的情况下，使用高质量的GaN基底将极大地降低了插入位错的浓度和均相外延活性层中的其它缺陷，并且提高了器件性能。

具有电子应用的合适质量的氮化镓单晶已经用如下方法制备：分别在10-20千巴(kbar)和1200-1500℃范围内的压力和温度下，使氮气(N₂)与镓金属反应来制备。已经用于生长GaN晶体的其它方法包括：化学气相沉积(CVD)、氢化物蒸汽相外延(hydride vapor phase epitaxy)、在镓/钠合金内结晶以及从超临界氨中再结晶。在这些条件下，生长的GaN晶体表现出了可变程度的质量，且尺寸受到限制。此外，用这些方法获得GaN晶体的生长速率通常低(约0.1毫米/小时)。

目前用于生长氮化镓晶体的方法不能以可接受的生长速率产生高质量的第III主族金属氮化物的大晶体。因此，需要一种生长第III主族金属氮化物晶体的方法，生长的晶体足够大，以用作电子器件的商业可行的基底。也需要一种生长第III主族金属氮化物晶体的方法，生长的晶体质量高且杂质和位错的浓度低。还需要一种以高生长速率生长第III主族金属氮化物晶体的方法。

发明概述

通过提供形成至少一种第III主族金属氮化物单晶的方法，即通过混合不良结晶的、非晶的或结晶的第III主族金属氮化物粉末或多晶的第III主族金属氮化物物质与合适的熔剂材料(flux material)，然后在高温高压下加工该混合物，本发明满足这些和其它的需要。如本发明所述，熔剂可理解为在接近室温(约30℃)下为固体的熔融无机盐。

因此，本发明的一个方面是提供形成至少一种第III主族金属氮化物单晶的方法。该方法包括下述步骤：将源材料提供至反应器，其中所述源材料包括至少一种选自铝、铟和镓的第III主族金属，其中所述反应器具有内室(inner chamber)，并且对于氮气是可密封的(sealable)以及是化学惰性的；将熔剂材料提供至所述反应器，其中所述熔剂材料在约30℃下是固体；密封所述反应器；将所述反应器加热至预定温度，并将预定压力施加给所述反应器，其中所述预定压力足以抑制所述第III主族金属氮化物在预定温度下分解；以及形成至少一种所述第III主族金属氮化物的单晶。

本发明的第二方面是提供将第III主族金属氮化物的源材料溶解在熔剂材料中的方法。该方法包括下述步骤：将所述源材料提供至反应器，其中所述源材料包括至少一种选自铝、铟和镓的第III主族金属，其中所述反应器具有内室，并且对于氮气是可密封的以及是化学惰性的；将熔剂材料提供至所述反应器，其中所述熔剂材料在约30℃下是固体；密封所述反应器；将所述反应器加热至预定温度，并将预定压力施加给所述反应器，其中所述预定压力足以抑制所述第III主族金属氮化物在预定温度下分解；熔融所述熔剂材料；将预定压力施加给所述反应器，其中所述预定压力足以抑制所述第III主族金属氮化物在预定温度下分解；以及将所述源材料溶解在所述熔剂材料中。