使用热梯度控制的大块氮化铝单晶的生长制造技术

在各种实施方案中，在半导体晶体的形成过程中大致平行和大致垂直于生长方向的非零热梯度在生长室内例如通过在生长室外安排热屏蔽层的方式形成，其中两个热梯度(平行比垂直)的比率小于10。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2011年6月30日、申请号为201180032355.3、专利技术名称为“使用热梯度控制的大块氮化铝单晶的生长”的中国专利申请的分案申请。相关申请本申请要求于2010年6月30日提交的第61/360,142号美国临时专利申请的利益和优先权，这里通过引用将其全部内容并入本文。政府支持本专利技术是在美国政府支持在国家能源部(DOE)授予的合同号为DE-FC26-08-NT01578下做出的。美国政府对本专利技术享有某些权利。专利
在各种实施方案中，本专利技术涉及制造基于氮化物的晶体的系统和方法，特别是具有在晶体生长过程中加强控制轴向和径向热梯度特征的系统和方法。背景氮化铝(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(LEDs)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。最近的工作已表明，紫外线(UV)发光二极管在从块状AlN单晶制造出的低缺陷AlN衬底上制造时具有优异的性能。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。然而，以AlN为基础的半导体器件的商业可行性被大的、低缺陷的AlN单晶的稀缺性和高成本所限制。为了使大直径的AlN衬底更容易获得和成本更经济，以及制造它们的
设备商业可行，在高的生长速率(>0.5毫米/小时)下生长大直径(>25毫米)的AlN块状晶体并且同时保证晶体质量是所需要的。最有效的生长AlN块状单晶的方法是“升华再凝结”的方法，该方法包括升华低品质(通常为多晶)的AlN源材料，然后再凝结产生的蒸气以形成AlN单晶。第6,770,135('135专利)、7,638,346('346专利)和7,776,153('153专利)号美国专利，其整个公开的内容通过引用并入本文，其中描述了升华再凝结生长AlN的各个方面，包括加晶种和未加晶种的。虽然这些文献认识到大的轴向(即平行于基本生长方向)的热梯度对优化材料质量和生长AlN晶体的生长速率的好处，但是它们利用设计以减少径向(即垂直于基本生长方向)的热梯度的生长装置。例如，轴向热梯度的范围可以从约5℃/cm至约100℃/cm，而径向热梯度维持在一个尽可能可以忽略不计的水平。同样地，其他现有技术的生长装置利用厚绝缘以最小化或消除径向热梯度，因为最小化的径向热梯度被认为将产生平的、高品质的晶体，特别是力图生长具有大直径的晶体。在传统的晶体生长过程中径向梯度通常减到最小以防止缺陷如位错和小角度晶界的形成。为使生长的晶体表面更平坦，径向梯度也被减到最小，这样就增加了晶体中可用材料的数量(即，增加了可以从晶体切割出来的给定长度的晶体的基板的数量)。图1描述了根据上述的现有技术用来生长AlN的装置100。如图所示，坩埚105被放置在圆柱形基座115内部坩埚台110的上方。在生长过程中，基座115被转移到由周围的加热线圈(图中未示出)制造的加热区域的内部，在坩埚底部125的多晶AlN源材料120在升高温度时升华，由于底部125和顶端130之间的大的轴向热梯度，由此产生的蒸气在坩埚冷却器顶端130再凝结从而形成AlN晶体135。该装置100还以设有顶部轴向屏蔽层140和底部轴向屏蔽层145为特色，该设计和定位用于尽量减少垂直于A1N晶体135的生长方向150上的径向热梯度。如图所示，坩埚105的顶端130的温度是至少部分地比底部125低，因为装置100具有比底部轴向屏蔽层145更少的顶部轴向屏蔽层140，这样允许更多的热量在顶端130区域逸出并产生所需的轴向热梯度。顶部轴向屏蔽层140可以具有中心孔以便由高温计155测量顶端130的温度。中心孔的直径减到最小以减少热流，但足以形成实用的光学路径来由高温计155进行温度采样。另外的高温计160、165也可用来测量装置100的其它区域的温度。如上所述，以高的生长速率生长AlN单晶的能力将刺激该技术的另外
的商业应用。虽然在理论上可能通过使用更大的轴向热梯度增加Al的过度饱和来增加A1N晶体的生长速率，但是Al过度饱和的增加可能导致晶体材料质量的劣化，甚至以多晶而不是单晶的方式生长。此外，在A1N晶体生长过程中最小化或消除径向热梯度意外地倾向于对A1N晶体的质量带来有害影响，特别是当以合理的生长速率(例如，>0.5毫米/小时)试图生长大晶体(例如，直径>25毫米)时。因此，需要这样一种系统和技术，其能够以高的生长速率生长如此大的AlN晶体，同时仍旧保持A1N晶体的高材料品质。概述当前专利技术的实施方案通过在生长装置中形成和维持非零轴向和径向热梯度实现了大的、高品质的单晶半导体(例如，AlN)的高生长速率(例如，大于约0.5毫米/小时)，其中轴向热梯度与径向热梯度的比率(“热梯度比”)是大于0且小于10。(如本文所使用的，被保持的热梯度并不必然意味着它是作为时间的函数保持不变，只要它在一段时间内是非零的即可(固定的或波动的)。)生长的晶体的尺寸和质量通常受到生长单元内热场的影响。轴向热梯度是在圆柱坐标系中投影在纵向对称轴的热场大小。径向热梯度是投影在方位角方向上的热场大小。因此，在任何其它方向上的热梯度可以被描述为轴向和径向热梯度的叠加(因此也可以随着控制轴向和/或径向热梯度进行控制)。故意形成和控制径向热梯度大到足以导致热梯度比小于10违背了上述传统智慧，在上述传统智慧中径向热梯度(其可能至少部分地依赖于生长室的尺寸和形状)，即使形成(例如，无意的)，也被消除或减小到最小。在一些实施方案中，径向热梯度和轴向热梯度基本上是平衡的，并且优选地，热梯度比的范围从约1.2至约5.5。为了便于形成和控制径向热梯度，根据本专利技术的多种实施方案的晶体生长装置利用不同类型、厚度和/或热屏蔽层的安排，特别是在生长的晶体“后面”的区域(即，对应于图1中顶部轴向屏蔽层140的位置)。因此，对于以存在晶种的A1N单晶生长为特征的实施方案，一个或多个屏蔽层通常位于晶种生长表面的对面。在本专利技术的优选实施方案中使用的一个或多个屏蔽层包括或者主要由一种或多种耐火材料组成，所述耐火材料例如，钨，并且基本上是薄的，即，具有厚度小于0.5毫米，例如，从0.125毫米到0.5毫米。在一个方面，本专利技术的实施方案提供一种形成单晶氮化铝(AlN)的方法。在生长室中凝结包含或主要由铝和氮气组成的蒸气，从而形成沿着生长方向增加尺寸的A1N单晶。在形成过程中，第一(例如，轴向)非零的热梯度在生长室中基本平行于生长方向的方向上形成和保持，并且第二(例如，径向)非零的热梯度在生长室中基本垂直于生长方向的方向上形成和保持。第一热梯度和第二热梯度的比率小于10。本专利技术的实施方案可以包括以下任意多种组合中的一个或多个。固体源材料(其可包括或主要由例如多晶的AlN组成)可以在生长室中升华以形成蒸气。第二热梯度可以是大于4℃/cm和/或小于85℃/cm。第一热梯度和第二热梯度的比率可以是大于1.2。第一热梯度可以是大于5℃/cm和/或小于100℃/cm。第一热梯度和第二热梯度的比率可以是小于5.5，或甚至小于3。形成第二热梯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成单晶氮化铝(AlN)的方法，该方法包括：在生长室内冷凝包含铝和氮气的蒸气，从而形成沿生长方向尺寸增加的AlN单晶；以及在此期间，在生长室中形成和维持，(i)在基本平行于生长方向的方向上的第一非零热梯度和(ii)在基本垂直于生长方向的方向上的第二非零热梯度，其中，所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于10，其中形成所述第二热梯度包括布置多个热屏蔽层，至少两个所述热屏蔽层具有不同的厚度。

【技术特征摘要】
2010.06.30 US 61/3601421.一种形成单晶氮化铝(AlN)的方法，该方法包括：在生长室内冷凝包含铝和氮气的蒸气，从而形成沿生长方向尺寸增加的AlN单晶；以及在此期间，在生长室中形成和维持，(i)在基本平行于生长方向的方向上的第一非零热梯度和(ii)在基本垂直于生长方向的方向上的第二非零热梯度，其中，所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于10，其中形成所述第二热梯度包括布置多个热屏蔽层，至少两个所述热屏蔽层具有不同的厚度。2.根据权利要求1的方法，该方法进一步包括在生长室中升华固体源材料以形成蒸气。3.根据权利要求2的方法，其中所述固体源材料包括多晶AlN。4.根据权利要求1的方法，其中所述第二热梯度大于4℃/cm。5.根据权利要求1的方法，其中所述第二热梯度小于85℃/cm。6.根据权利要求1的方法，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率大于1.2。7.根据权利要求1的方法，其中所述第一热梯度大于5℃/cm。8.根据权利要求1的方法，其中所述第一热梯度小于100℃/cm。9.根据权利要求1的方法，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于5.5。10.根据权利要求1的方法，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于3。11.根据权利要求1的方法，其中每个热屏蔽层包含耐火材料。12.根据权利要求1的方法，其中每个热屏蔽层包含钨。13.根据权利要求1的方法，其中每个热屏蔽层设定通过它的开口。14.根据权利要求13的方法，其中所述热屏蔽层的开口彼此尺寸大致相等。15.根据权利要求13的方法，其中所述每个热屏蔽层的开口比生长室基本垂直于生长方向的尺寸小10毫米到2毫米。16.根据权利要求13的方法，其中：至少两个热屏蔽层的开口在尺寸上是不同的；并且具有第一开口的第一热屏蔽层设置在生长室的盖子和第二热屏蔽层之间，所述第二热屏蔽层具有大于所述第一开口的第二开口。17.根据权利要求1的方法，其中每个热屏蔽层的厚度为0.125毫米至0.5毫米。18.根据权利要求1的方法，其中所述生长室包括盖子。19.根据权利要求18的方法，其中所述盖子的厚度小于0.5毫米。20.根据权利要求18的方法，其中所述盖子包含钨。21.根据权利要求18的方法，其中所述至少两个热屏蔽层的厚度作为距盖子的距离的函数增加。22.根据权利要求18的方法，其中所述至少两个热屏蔽层的厚度作为距盖子的距离的函数减少。23.根据权利要求1的方法，还包括在形成AlN单晶之前在生长室内部设置晶种，所述AlN单晶在所述晶种上形成并在生长方向上从所述晶种延伸。24.根据权利要求23的方法，其中所述晶种的直径大于25毫米。25.根据权利要求1的方法，其中所述AlN单晶的生长速率大于0.5毫米/小时。26.根据权利要求1的方法，其中所述AlN单晶在生长室内部设置的晶种上形成。27.一种晶体生长系统，包括：用于通过在其中升华再凝结，沿生长方向形成单晶半导体材料的生长室；用于加热生长室的加热装置；和多个热屏蔽层，其被配置以在生长室内形成(i)在基本平行于生长方向的方向上的第一非零热梯度及(ii)在基本垂直于生长方向的方向上的第二非零热梯度，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于10，其中至少两个所述热屏蔽层具有不同的厚度。28.根据权利要求27的系统，其中每个热屏蔽层设定通过它的开口。29.根据权利要求28的系统，其中：至少两个热屏蔽层的开口在尺寸上是不同的；并且具有第一开口的第一热屏蔽层设置在生长室的盖子和第二热屏蔽层
\t之间，所述第二热屏蔽层具有大于所述第一开口的第二开口。30.根据权利要求27的系统，其中每个热屏蔽层的厚度为0.125毫米至0.5毫米。31.根据权利要求27的系统，其中每个热屏蔽层包含耐火材料。32.根据权利要求27的系统，其中每个热屏蔽层包含钨。33.根据权利要求27的系统，其中基本上等间距地设置所述热屏蔽层。34.根据权利要求27的系统，还包括，在所述生长室中设置用于单晶半导体材料在其上成核的晶种。35.根据权利要求34的系统，其中所述晶种的直径大于25毫米。36.根据权利要求34的系统，其中所述晶种包括氮化铝。37.根据权利要求27的系统，其中所述生长室包括盖子。38.根据权利要求37的系统，其中所述盖子的厚度小于0.5毫米。39.根据权利要求37的系统，其中所述盖子包含钨。40.根据权利要求37的系统，其中所述至少两个热屏蔽层的厚度作为距盖子的距离的函数增加。41.根据权利要求37的系统，其中所述至少两个热屏蔽层的厚度作为距盖子的距离的函数减少。42.一种形成单晶氮化铝(AlN)的方法，该方法包括：在生长室内冷凝包含铝和氮气的蒸气，从而形成沿生长方向尺寸增加的AlN单晶，其中生长室放置在坩埚台上和基座内部；以及在此期间，在生长室中形成和维持，(i)在基本平行于生长方向的方向上的第一非零热梯度和(ii)在基本垂直于生长方向的方向上的第二非零热梯度，其中，所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于10，其中形成所述第二热梯度包括布置多个热屏蔽层，至少一个所述热屏蔽层设置在基座外部。43.根据权利要求42的方法，该方法进一步包括：在生长室中升华固体源材料以形成蒸气。44.根据权利要求43的方法，其中所述固体源材料包括多晶AlN。45.根据权利要求42的方法，其中所述第二热梯度大于4℃/cm。46.根据权利要求42的方法，其中所述第二热梯度小于85℃/cm。47.根据权利要求42的方法，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度
\t的比率大于1.2。48.根据权利要求42的方法，其中所述第一热梯度大于5℃/cm。49.根据权利要求42的方法，其中所述第一热梯度小于100℃/cm。50.根据权利要求42的方法，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于5.5。51.根据权利要求42的方法，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于3。52.根据权利要求42的方法，其中每个热屏蔽层包含耐火材料。53.根据权利要求42的方法，其中每个热屏蔽层包含钨。54.根据权利要求42的方法，其中每个热屏蔽层设定通过它的开口。55.根据权利要求54的方法，其中所述热屏蔽层的开口彼此尺寸大致相等。56.根据权利要求54的方法，其中所述每个热屏蔽层的开口比生长室基本垂直于生长方向的尺寸小10毫米到2毫米。57.根据权利要求54的方法，其中至少两个热屏蔽层的开口在尺寸上是不同的。58.根据权利要求57的方法，其中具有第一开口的第一热屏蔽层设置在生长室的盖子和第二热屏蔽层之间，所述第二热屏蔽层具有大于所述第一开口的第二开口。59.根据权利要求42的方法，其中至少两个所述热屏蔽层具有不同的厚度。60.根据权利要求42的方法，其中每个热屏蔽层的厚度为0.125毫米至0.5毫米。61.根据权利要求42的方法，其中所述生长室包括盖子。62.根据权利要求61的方法，其中所述盖子的厚度小于0.5毫米。63.根据权利要求61的方法，其中所述盖子包含钨。64.根据权利要求42的方法，还包括在形成AlN单晶之前在生长室内部设置晶种，所述AlN单晶在所述晶种上形成并在生长方向上从所述晶种延伸。65.根据权利要求64的方法，其中所述晶种的直径大于25毫米。66.根据权利要求42的方法，其中所述AlN单晶的生长速率大于0.5毫米/小时。67.根据权利要求42的方法，其中所述AlN单晶在生长室内部设置的晶种上形成。68.一种晶体生长系统，包括：用于通过在其中升华再凝结，沿生长方向形成单晶半导体材料的生长室；用于加热生长室的加热装置；在其中设置有生长室的基座，所述基座包含用于支撑所述生长室的坩埚台；和多个热屏蔽层，其被配置以在生长室内形成(i)在基本平行于生长方向的方向上的第一非零热梯度及(ii)在基本垂直于生长方向的方向上的第二非零热梯度，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于10，其中至少一个所述热屏蔽层设置在所述基座的外部。69.根据权利要求68的系统，其中每个热屏蔽层设定通过它的开口。70.根据权利要求69的系统，其中至少两个热屏蔽层的开口在尺寸上是不同的。71.根据权利要求70的系统，其中具有第一开口的第一热屏蔽层设置在生长室的盖子和第二热屏蔽层之间，所述第二热屏蔽层具有大于所述第一开口的第二开口。72.根据权利要求68的系统，其中至少两个所述热屏蔽层具有不同的厚度。73.根据权利要求68的系统，其中每个热屏蔽层的厚度为0.125毫米至0.5毫米。74.根据权利要求68的系统，其中每个热屏蔽层包含耐火材料。75.根据权利要求68的系统，其中每个热屏蔽层包含钨。76.根据权利要求68的系统，其中基本上等间距地设置所述热屏蔽层。77.根据权利要求68的系统，还包括，在所述生长室中设置用于单晶半导体材料在其上成核的晶种。78.根据权利要求77的系统，其中所述晶种的直径大于25毫米。79.根据权利要求77的系统，其中所述晶种包括氮化铝。80.一种形成单晶氮化铝(AlN)的方法，该方法包括：在生长室内冷凝包含铝和氮气的蒸气，从而形成沿生长方向尺寸增加
\t的AlN单晶；以及在此期间，在生长室中形成和维持，(i)在基本平行于生长方向的方向上的第一非零热梯度和(ii)在基本垂直于生长方向的方向上的第二非零热梯度，其中，所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于10，其中形成所述第二热梯度包括布置多个热屏蔽层，每个热屏蔽层设定通过它的开口，并且其中所述每个热屏蔽层的开口比生长室基本垂直于生长方向的尺寸小10毫米到2毫米。81.根据权利要求80的方法，该方法进一步包括在生长室中升华固体源材料以形成蒸气。82.根据权利要求81的方法，其中所述固体源材料包括多晶AlN。83.根据权利要求80的方法，其中所述第二热梯度大于4℃/cm。84.根据权利要求80的方法，其中所述第二热梯度小于85℃/cm。85.根据权利要求80的方法，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率大于1.2。86.根据权利要求80的方法，其中所述第一热梯度大于5℃/cm。87.根据权利要求80的方法，其中所述第一热梯度小于100℃/cm。88.根据权利要求80的方法，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于5.5。89.根据权利要求80的方法，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于3。90.根据权利要求80的方法，其中每个热屏蔽层包含耐火材料。91.根据权利要求80的方法，其中每个热屏蔽层包含钨。92.根据权利要求80的方法，其中所述热屏蔽层的开口彼此尺寸大致相等。93.根据权利要求80的方法，其中至少两个热屏蔽层的开口在尺寸上是不同的。94.根据权利要求93的方法，其中具有第一开口的第一热屏蔽层设置在生长室的盖子和第二热屏蔽层之间，所述第二热屏蔽层具有大于所述第一开口的第二开口。95.根据权利要求80的方法，其中至少两个所述热屏蔽层具有不同的厚度。96.根据权利要求80的方法，其中每个热屏蔽层的厚度为0.125毫米至0.5毫米。97.根据权利要求80的方法，其中所述生长室包括盖子。98.根据权利要求97的方法，其中所述盖子的厚度小于0.5毫米。99.根据权利要求97的方法，其中所述盖子包含钨。100.根据权利要求80的方法，还包括在形成AlN单晶之前在生长室内部设置晶种，所述AlN单晶在所述晶种上形成并在生长方向上从所述晶种延伸。101.根据权利要求100的方法，其中所述晶种的直径大于25毫米。102.根据权利要求80的方法，其中所述AlN单晶的生长速率大于0.5毫米/小时。103.根据权利要求80的方法，其中所述AlN单晶在生长室内部设置的晶种上形成。104.一种晶体生长系统，包括：用于通过在其中升华再凝结，沿生长方向形成单晶半导体材料的生长室；用于加热生长室的加热装置；和多个热屏蔽层，其被配置以在生长室内形成(i)在基本平行于生长方向的方向上的第一非零热梯度及(ii)在基本垂直于生长方向的方向上的第二非零热梯度，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于10，其中每个热屏蔽层设定通过它的开口，并且其中所述每个热屏蔽层的开口比生长室基本垂直于生长方向的尺寸小10毫米到2毫米。105.根据权利要求104的系统，其中至少两个热屏蔽层的开口在尺寸上是不同的。106.根据权利要求105的系统，其中具有第一开口的第一热屏蔽层设置在生长室的盖子和第二热屏蔽层之间，所述第二热屏蔽层具有大于所述第一开口的第二开口。107.根据权利要求104的系统，其中至少两个所述热屏蔽层具有不同的厚度。108.根据权利要求104的系统，其中每个热屏蔽层的厚度为0.125毫米至0.5毫米。109.根据权利要求104的系统，其中每个热屏蔽层包含耐火材料。110.根据权利要求104的系统，其中每个热屏蔽层包含钨。111.根据权利要求104的系统，其中基本上等间距地设置所述热屏蔽层。112.根据权利要求104的系统，还包括，在所述生长室中设置用于单晶半导体材料在其上成核的晶种。113.根据权利要求112的系统，其中所述晶种的直径大于25毫米。114.根据权利要求112的系统，其中所述晶种包括氮化铝。115.一种形成单晶氮化铝(AlN)的方法，该方法包括：在生长室内冷凝包含铝和氮气的蒸气，从而形成沿生长方向尺寸增加的AlN单晶；以及在此期间，在生长室中形成和维持，(i)在基本平行于生长方向的方向上的第一非零热梯度和(ii)在基本垂直于生长方向的方向上的第二非零热梯度，其中，所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于10，其中形成所述第二热梯度包括布置多个热屏蔽层，热屏蔽层之间的间距在所述多个热屏蔽层内变化。116.根据权利要求115的方法，该方法进一步包括在生长室中升华固体源材料以形成蒸气。117.根据权利要求116的方法，其中所述固体源材料包括多晶AlN。118.根据权利要求115的方法，其中所述第二热梯度大于4℃/cm。119.根据权利要求115的方法，其中所述第二热梯度小于85℃/cm。120.根据权利要求115的方法，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率大于1.2。121.根据权利要求115的方法，其中所述第一热梯度大于5℃/cm。122.根据权利要求115的方法，其中所述第一热梯度小于100℃/cm。123.根据权利要求115的方法，其中所述第一热梯度和所述第二热梯度的比率小于...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·T·邦杜库，S·P·拉奥，S·R·吉布，L·J·斯高沃特，
申请(专利权)人：晶体公司，
类型：发明
国别省市：美国;US