[发明专利]III－V氮化物衬底晶块及其制造方法和用途

说明书

本申请是2001年3月12日提交的PCT申请PCT/US01/07945，2002 年10月23日进入中国的申请01808512.1的分案申请。

发明中的政府权利

本发明是在执行BMDO合同#DNA001-95-C-0115、DARPA合同 #DAAL01-96-C-0049和DARPA合同#DAAL01-98-C-0071时完成的。 在本发明中政府有一定的权利。

发明背景

发明领域

本发明涉及III-V氮化物衬底晶块、及其制造放方法和用途，及由 此晶锭得到的晶片和在该晶片上和/或制造的微电子器件和器件前体结 构。

相关领域描述

由于目前缺少用于氮化物晶体取向生长层连续沉积的高质量的 III-V氮化物基质，因而限制了其性能，并减慢了短波光电子器件、高 功率和高频率电子器件所需和希望的发展速度。

例如，例在异质衬底如兰宝石上，氮化物晶体取向生长层的异质 外延生长的常用方法，对于最后材料的质量和器件功能是有害的，原 因如下：

(1)器件层与基质之间的晶格不匹配导致器件中高密集的性能降 低的缺陷；

(2)器件层与基质之间的扩张热系数不匹配导致器件层中应变、 断裂和应变缓和的缺陷；

(3)电绝缘基质需要横向的器件几何学，而横向的器件几何学阻 止了电流通过器件(对于在导电的基质上例如SiC上生长的器件而言， 其中在器件层与基质材料之间仍有电压屏障，但是该问题可被减轻， 但不能被消除)；

(4)由于基质决定的横向器件几何学，使对于p-型器件层大面积 的电接触更加困难；

(5)由于热绝缘基质例如兰宝石的热传导性低而限制了来自器件 的热量分散；

(6)异质基质的电特征不容易被修饰而用于具体的器件应用中， 例如用于反向发光二极管(LED)或激光二极管(LD)p-掺杂的基质， 或用于电子器件的半绝缘基质；

(7)在晶体取向生长膜和异质基质之间的非对应可裂面，使在异 质基质上(Al，Ga，In)N的可裂性复杂化；及

(8)在晶体取向生长膜和器件层中，不易得到除c-平面外的晶体 取向，因此不能得到改进的用于另外方向的材料和/或器件特征。

III-V氮化物的几个基本的特征阻碍了通过常规的体相生长技术制 造天然氮化物衬底晶块的努力。而且，在温和的温度下在这些混合物 上的氮气平衡气相压力极高。III-V氮化物在低于其熔融温度时便开始 分解，使常规体相生长技术极其困难。另外III-V氮化物在酸、碱和其 他无机化合物中的溶解性低。这些材料的特征的组合使制造氮化物基 质变得困难。

尽管如此，通过如下技术对III-V氮化物基质的生长进行了尝试： 升华和溶液生长技术(见例如G.A.Slank and T.F.McNelly，J.Cryst. Growth，34，263(1974)；J.O.Huml，G.S.Layne，美国专利3607014；P. Chen，Final Report，Contract NASW-4981，(1995)；及P.M.Dryburgh， The Ninth International Conf.On Cryst.Growth，ICCG-9(1989)，)以及蒸 法/反应技术(见J.Pastrnak and L.Roskovcova，Phys.Stat.Sol.，7，331， (1964))。Slack和MckNelly(G.A.Slack and T.F.McNelly，J.Cryst. Growth，34，263(1974))使用升华技术在2250℃产生小尺寸的AIN晶 体(直径3mm，10mm长)。Rojo等，Material Research Socity，December， 1999(“Preparation and Characterization of Single Crystal Aluminum Nitride Subxtrate”)中报道了直径1厘米的氮化铝晶锭的生产，及a-面和 c-面单晶AIN基质的制备，并用化学机械抛光达到原子级光滑表面， 以通过OMVPE沉积AIN和AlGaN晶体取向生长层。