[發(fā)明專利]用于制備III?N單晶的方法以及III?N單晶

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380015539.8
• 申請(qǐng)日: 2013-03-21
• 公開（公告）號(hào): CN104364429B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: M·格林德爾;F·布儒納;E·里希特;F·哈貝爾;M·魏爾斯
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 弗賴貝格化合物原料有限公司
• 主分類號(hào): C30B25/02
• 分類號(hào): C30B25/02;C30B29/40;H01L21/02;C30B25/18
• 代理公司: 中國(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)專利商標(biāo)事務(wù)所11038
• 代理人: 柳冀

本發(fā)明涉及用于制備復(fù)合襯底(以下稱為“模板”)和用于制備III-N單晶的制備方法。根據(jù)本發(fā)明的方法能夠制備無裂紋的III-N單晶，所述單晶尤其適合用作晶片。III表示元素周期表第三主族中選自Al、Ga和In的至少一種元素。

III-N單晶具有重要的技術(shù)意義。大量的半導(dǎo)體元件和光電元件，如功率元件、高頻元件、發(fā)光二極管和激光器都是以這些材料為基礎(chǔ)。在制備這樣的裝置時(shí)通常在起始襯底上進(jìn)行外延晶體生長(zhǎng)，或在起始襯底上首先形成模板，然后通過另外的外延生長(zhǎng)可以在所述模板上沉積III-N層或III-N單晶體。作為起始襯底，可以使用III-N-襯底或尤其是異質(zhì)襯底。在使用異質(zhì)襯底的情況下，在生長(zhǎng)過程中由于起始襯底的和已經(jīng)生長(zhǎng)的層的熱膨脹系數(shù)的差異可能導(dǎo)致在III-N層內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)變或裂紋。多達(dá)1mm的較厚的層也可以借助于部分結(jié)構(gòu)化的，由WSiN、TiN或SiO₂形成的中間層生長(zhǎng)并且然后作為獨(dú)立的層剝離，所述層通常具有塑性的，凹型彎曲的c-晶格平面和表面。尤其是當(dāng)在該方法中舍棄使用中間層時(shí)，在起始襯底與已經(jīng)生長(zhǎng)的III-N層之間的界面處和所述界面上可以產(chǎn)生成垂直的或水平的微裂紋，所述微裂紋隨著時(shí)間的變化而延伸并且可能導(dǎo)致在冷卻過程中或之后GaN-層破裂。

從Hearne等，Applied Physics Letters 74，356-358(1999)的研究已知的是，在藍(lán)寶石襯底上沉積GaN期間形成隨著生長(zhǎng)而逐漸增強(qiáng)的內(nèi)在拉伸應(yīng)力(Stress)。原位應(yīng)力監(jiān)控表明，由生長(zhǎng)產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力能夠不可測(cè)量地通過退火或熱循環(huán)松弛。此外這還意味著，在GaN-層生長(zhǎng)結(jié)束時(shí)獲得的應(yīng)力在冷卻和重新加熱到相同的(生長(zhǎng)-)溫度之后再次達(dá)到相同的值。在Hearne等的情況下也找到遵循背景、關(guān)聯(lián)性和對(duì)外在的(即由于在藍(lán)寶石襯底與GaN-層之間產(chǎn)生的不同的熱膨脹系 數(shù))和內(nèi)在的(即通過生長(zhǎng)產(chǎn)生的)應(yīng)力的可能性的解釋。

在Journal of crystal Growth 289，445-449(2006)中Napierala等描述了用于制備GaN/藍(lán)寶石模板的方法，由于可以通過調(diào)節(jié)氮化鎵-雛晶的密度來控制氮化鎵中的內(nèi)在應(yīng)力，使得薄層中的應(yīng)力能夠通過彎曲而釋放，從而在襯底上生長(zhǎng)無裂紋的薄GaN-層。但是在該方法中厚層不能補(bǔ)償生長(zhǎng)過程中的壓力并且盡管彎曲仍然易于斷裂。Richter 等(E.Richter，U.Zeimer，S.Hagedorn，M.Wagner，F(xiàn).Brunner，M.Weyers，G.Traenkle，Journal of crystal Growth 312，[2010]2537)描述一種通過氫化物氣相外延(HVPE)制備GaN-晶體的方法，在所述方法中通過調(diào)節(jié)氯化鎵分壓而可以無裂紋地生長(zhǎng)2.6mm的GaN-層，其中獲得的GaN-層在表面上具有大量的V-凹點(diǎn)。采用這種工藝生長(zhǎng)的晶體具有5.8mm的厚度，然而其具有較長(zhǎng)的裂紋。Brunner等在Journal of crystal Growth 298，202-206(2007)中指出層厚對(duì)生長(zhǎng)中的III-N層的彎曲的影響。任選采用InGaN-順從-層對(duì)在GaN-藍(lán)寶石-模板上GaN和AlGaN的生長(zhǎng)進(jìn)行研究。在此表明，對(duì)于Al-摩爾份額為2.8％和7.6％的AlGaN和GaN而言，凹型彎曲在生長(zhǎng)過程中增大，這根據(jù)觀察伴隨著拉伸應(yīng)力的產(chǎn)生(參見圖3)。此外當(dāng)鋁含量升高時(shí)凹型彎曲也增加，相應(yīng)地拉伸應(yīng)力也增加。此外還顯示了硅摻雜的銦-鍺_-氮化物層對(duì)GaN-緩沖層上的Al-摩爾份額為7.6％的AlGaN-層的生長(zhǎng)的影響。為此一方面將Al-摩爾份額為7.6％的AlGaN-層直接生長(zhǎng)在GaN-緩沖層上和另一方面將硅摻雜的銦-鎵-氮化物層作為中間層生長(zhǎng)在GaN-緩沖層上，其中隨后將Al-摩爾份額為7.6％的AlGaN-層生長(zhǎng)在該中間層上生長(zhǎng)。由此表明，在GaN-緩沖層上施加硅摻雜的銦_-鎵_-氮化物層導(dǎo)致在晶體內(nèi)的壓應(yīng)力。在所述方法過程中GaN-緩沖層的最初的凹型彎曲在降溫過程中轉(zhuǎn)變成輕微的凸型彎曲，和通過在相同的方法內(nèi)生長(zhǎng)In_0.06GaN-層，所述凸型彎曲在另外的生長(zhǎng)期間增強(qiáng)。在隨后進(jìn)行的在該In_0.06GaN-層上施加Al_0.076GaN-層時(shí)最終達(dá)到凹型彎曲，與在沒有In_0.06GaN-中間層的情況下所產(chǎn)生的彎曲相比，所述凹型彎曲較小。