[发明专利]氮化镓晶体以及其制备方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2006年3月15日递交的申请序列号11/376,575以及2006年8月29日核准的美国专利7,098,487的部分继续申请。本申请要求上述的优先权及其权益，它们所公开的内容引入此处以作参考。

关于联邦政府所资助研发的声明

美国政府可依照合作协定(Cooperative Agreement)号70NANB9H3020具有本发明一些权利，这是美国商务部国家标准与技术研究院所(National Institute of Standards andTechnology，United States Department of Commerce)授予的。

技术领域

本发明一般涉及高品质的氮化镓单晶以及其制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)基光电子及电子器件在商业上非常重要。然而，这些器件的品质和可靠性由于很高的缺陷水平，特别是器件半导体层中的螺位错(threading dislocation)而大打折扣。这些位错可能起因于GaN基半导体层对于非GaN基质如蓝宝石或碳化硅间的晶格失配。取决于层的生长方法的细节，其它的缺陷可能起源于热膨胀失配、杂质和倾斜晶界。

缺陷的存在对于外延生长层具有有害作用，损害电子器件的性能，需要复杂费力的制作步骤来降低这些缺陷浓度和/或影响。虽然已经提出大量用于氮化镓晶体的生长方法，但截至目前该方法还有待提高。

美国专利5,637,531和6,273,948公开了用于在高温高压下生长氮化镓晶体的方法，其使用液体镓和镓基合金作为溶剂，使用熔融物上方的高压氮以保持GaN为热力学稳定相。该方法可以生长出如Porowski在″Near defect-free GaN substrates″[MRS Internet J.Nitride Semicond.Research 4S1，G1.3(1999)]中描述的位错密度约10³至10⁵cm^-2的导电GaN晶体或者位错密度约10至10⁴cm^-2的半绝缘GaN晶体。

然而，这些导电晶体具有约5×10¹⁹cm^-3的n型缺陷。认为这些缺陷包括氧杂质和氮空位。结果，晶体相对不透明，在光谱可见光部分的波长处的吸收系数(absorption coefficient)为约200cm^-1。因而，通过在这种晶体上制作的发光二极管(LED)发射的光高达一半被基质吸收。与常规的在蓝宝石或透明SiC基质上制作的异质外延LED相比，这构成大的不利。另外，在生长于熔融Ga中的名义上未掺杂的晶体中的高浓度n型缺陷导致晶格常数增加约0.01至0.02％，这会在沉积于其上的非掺杂外延GaN层中产生应变。另外，用该方法形成的非掺杂GaN基质具有相当有限的载流子迁移率约30至90cm²/V·s，其在高功率器件中可能是有限的。

生长于液体Ga中的GaN晶体的透明度和位错密度可通过添加Mg或Be至生长介质中而得到改善，但是如此生产的晶体是半绝缘的，具有电阻率约10⁵Ω-cm以上。这类晶体不适于其中使单电接触点(one electrical contact)至基质本身的垂直器件。

用于假体(pseudo-bulk)GaN或体GaN生长的最成熟技术是也称为HVPE的氢化物/卤化物气相外延(vapor phase epitaxy)。在最广泛应用的方法中：HCl与液体Ga反应而形成气相GaCl，其被转移到基质，在那里其与注入的NH₃反应形成GaN。通常，沉积是在非GaN基质如蓝宝石、硅、砷化镓或LiGaO₂上进行的。HVPE生长膜中的位错密度初始相当高，如对于异质外延GaN典型的约10¹⁰cm^-2，但GaN已生长到厚度100至300μm之后，其降低到约10⁷cm^-2的值。

HVPE可进一步降低较厚膜的缺陷水平，但是该值在整个晶片上都低于10⁴cm^-2看来是不可能的。另外，由于基质与膜之间的热膨胀失配，应变存在于HVPE晶片中。在生长后的基质和膜冷却时，该应变产生弯曲，其即使在去除原始基质后也保留。