[发明专利]ALN的块体单晶及其生长方法

说明书

相关申请

本申请要求在2007年1月17日提交的美国临时申请No.60/880869的权益及其优先权，通过引用将其全部内容并入本文。

政府支持

政府支持

在美图政府支持下借助National Institute of Standards and Technology(NIST)授予的70NANB4H3051完成本发明。美图政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

本发明涉及单晶AlN的制备，且更特别涉及具有较低的面缺陷密度的单晶AlN的制备。

背景技术

氮化铝(AlN)很有希望作为用于多种用途的半导体材料，例如光电子器件例如短波长发光二极管(LED)和激光器、光学存储介质中的介电层、电子衬底和必需高热导率的芯片载体等。原则上，AlN的性能可允许实现低至约200纳米(nm)波长的光发射。由于高热导率和低电导率，使用AlN衬底还可望改善由氮化物半导体制成的高功率射频(rf)器件。解决各种挑战可有助于增加这样的器件的商业实用性。

例如，大直径块体AlN晶体(例如，使用在美国申请No.11/503660中所述的技术生长，通过引用将其全部内容并入本文，以下称为“’660申请”)在一些情况下可长有直径为约0.5毫米(mm)且厚度为0.1mm的六方柱形空腔缺陷。在从这些大直径晶锭切成0.5mm 厚的AlN切片中观察到了高达100cm^-2的面积浓度。在其它六方晶体例如SiC的生长中观察到相似类型的缺陷，并且将其统称为面缺陷。对于氮化物基电子器件的进一步的开发，这些缺陷可成为问题。特别地，当它们与表面相交时，它们通常导致衬底的表面粗糙化。它们还可散射光，这对于在210～4500nm的光学波长上受益于AlN衬底的透明性的许多光电子应用可成为问题。面缺陷还可降低缺陷周围的热导率，这是其中AlN的高的固有热导率是有用的高功率器件通常不希望的效应。它们还可将小角度晶界引入AlN晶体，并由此通过增加从晶片的一侧穿到另一侧(所谓的螺位错)并使表面处理品质劣化的位错的有效密度使晶体的品质劣化。因此，如果减少或消除面缺陷，那么可增加AlN衬底对于高性能、高功率光电子器件和电子器件的应用。

通常地，通过物理气相传输(PVT)生长的晶体中的面缺陷形成是由在生长晶体中被捕获并且通过晶体暴露的热梯度移动和成形的空隙所导致。在SiC晶体生长中确定的共认原因是差的籽晶固定，其中任何类型的微观空隙将通常导致面缺陷的形成(参见例如，T.A.Kuhr，E.K.Sanchez，M.Skowronski，W.M.Vetter and M.Dudley，J.Appl.Phys.89，4625(2001)(2001)；和Y.I.Khlebnikov，R.V.Drachev，C.A.Rhodes，D.I.Cherednichenko，I.I.Khlebnikov andT.S.Sudarshan，Mat.Res.Soc.Proc.Vol.640，p.H5.1.1(MRS2001)，通过引用将这两篇文章的全部内容并入本文)。特别地，差的籽晶固定可导致在籽晶和籽晶保持器之间出现空隙，或者可留下没有得到充分保护的籽晶的后表面，从而允许AlN材料从该表面升华。对于AlN晶体生长，坩锅的不规则部例如壁空隙结构或者存在空隙或可形成空隙的籽晶安装台也可能是空隙的诱因。

在图1中示意性地示出典型的面缺陷10。在一些情况下，面缺陷的形状不是完美的六边形，而是根据AlN的面空隙和c-面{0001}之间的倾斜被改变、畸变并且甚至为三角形。另外，通常存在如示意图所示的面缺陷的尾痕中的小角度晶界20，在下文讨论其起源。面缺陷具有高度h₁，并且留下向后延伸到面缺陷起源(通常为籽晶的背面) 的长度h₂的面缺陷尾痕。

图2a和图2b表示在精细机械抛光之后获得的2英寸直径、c-面(即的c-轴的取向与晶片的表面法线平行)AlN衬底的光学显微照片图像。右侧图像(图2b)表示与以截面分析仪-偏光器(AP)模式获得的左侧图像(图2a)相同的位置。面缺陷尺寸为宽度0.1～2mm并且深度达0.5mm，然而它们通常趋于更薄(～0.1mm)。但是，面缺陷的基部通常相对于整个晶体错向(通常关于c轴有较小的旋转)，因此在原始晶体和面缺陷下方的稍微错向材料之间存在边界。该边界由导致面缺陷下方的材料错向的位错所限定。面缺陷的原因