Ⅲ-V氮化物衬底晶块及其制造方法和用途技术

一种在天然氮化物晶种上由Ⅲ－Ⅴ族氮化物刚玉（坯料）高速气相生长形成的刚玉，由该刚玉可以得到用于制作微电子器件结构的晶片。刚玉具有微电子器件质量，例如具有大于１厘米的横向尺寸，长度大于１毫米，及上表面缺陷密度小于１０↑［７］个缺陷／ｃｍ↑［２］。以高于２０微米／小时的生长速度，通过气相晶体取向生长方法，在对应的天然Ⅲ－Ⅴ族氮化物晶种上生长Ⅲ－Ⅴ族氮化物材料，从而形成Ⅲ－Ⅴ族氮化物刚玉。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
m-v氮化物衬底晶块及其制造方法和用途本申请是2001年3月12日提交的PCT申请PCT/US01/07945，2002 年IO月23日进入中国的申请01808512.1的分案申请。专利技术中的政府权利本专利技术是在执行BMDO合同弁DNA001-95-C-0115、 DARPA合同 #DAAL01-96-C-0049和DARPA合同存DAAL01-98-C-0071时完成的。 在本专利技术中政府有一定的权利。
技术介绍
专利
本专利技术涉及m-v氮化物衬底晶块、及其制造放方法和用途，及由 此刚玉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 m-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(A1， 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。m-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m-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m-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. 0. 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°C产生小尺寸的AIN晶 体(直径3 mm， 10 mm长)。Rojo等,Material Research Socity, December, 1999 ("Preparation and Characterization of Single Crystal Aluminum Nitride Subxtmte")中报道了直径1厘米的氮化铝刚玉的生产，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。Ivantsov等，Material Research Society, December, 1999 ("通过接 种技术从熔融液中生长的GaN 20 mm直径的块")中描述了在小于2 个大气压、卯0 1000。C的温度下，通过接种技术以每小时2毫米的生 长速度从熔融液中生长形成体积为4.5立方厘米的GaN块，以提供用 于GaN均相外延的基质。Tadatomo的美国专利公开在氧化过渡层上形 成具有5 250秒的XRD FWHM及至少80微米的厚度氮化物单晶材料， 以使能够进行单晶片的蚀刻分离，但由于需要蚀刻横向通过氧化过渡 层以实现分离，因此最后的晶片具有有限的面积。由于GaN在高温下的热不稳定性及氮(N)在Ga金属中有限的 溶解性，使块GaN材料的大小受到了类似地限制。GaN上的髙的平衡 氮分压阻止其在没有极高压力设备的情况下的生长(见J. Karpinski, J. Jum and S. Poroeski, J. Crst. Growth, 66(1984)) 。 N在Ga中的溶解性低， 即在 950。C时为~10-5摩尔，阻止了 GaN成功的溶液生长(W. A. Tiller 等,Final Report, "A feasibility study on the growth of bulk G single crystal", Stanford U.， July(1980))。借助经济上不利的高压溶液生长技 术已经得到了非常小的晶体，面积小于70平方毫米，生长速度仅为20 微米/每小时。通过常规的技术制造的块GaN材料的电子特性，由于在该材料中 高的背景载体浓度而使其受到限制。通过高压溶液技术生长的的非有 意掺杂GaN膜的电子浓度大于lE19cnT3 (S. Poroski， J. Cryst. Groeth, 189/190(1998)153)，而且阻止了该材料可控制掺杂在特殊器件中的应用。由于缺少N (Al、 Ga、 In)体系大的、高质量的晶种，导致开发 了上述的非晶种技术。由于不能得到氮化物晶种，在兰宝石(见例如， D. Elwell and M. Elwell, Prog. Cryst. Growth and Charact.， 17， 53(1998)) 或SiC (见C. Wetzel， D. Volm， B. K. Mayer等，Appl. Phys. Lett" 65, 1033(1994);及C. M. Balkas， Z. Sitar， T. Zheleva等，Mat. Res. Soc. Proc. 449, 41(1997))上接种GaN生长的工作进行了一小部分。同样存在在 异质基质上对于氮化物异质外延存在晶格和TCE不匹配的问题，在异 质晶种上体相生长时，同样存在这样的问题。在体相生长过程中一冷 却到室温时氮化物就破裂使其不能使用异质晶种。已经报道(C. Wetzel， D. Volm, B.K.Mayer等，Appl. Phys. Lett., 65, 103(1994)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括Ｇａ和Ｉｎ至少之一的（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ晶块，包括同质晶种材料和在其上生长的晶块材料，在所述的晶种材料与晶块材料之间有一内层，其中，晶块具有大于晶种材料横断面的极端。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特P沃多，杰弗里S弗兰，乔治R布兰登，琼M雷德温，迈克尔A蒂施勒，
申请(专利权)人：克利公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]