块状单晶含镓氮化物及其应用制造技术

块状单晶含镓氮化物，其在晶种上沿至少基本垂直于晶种生长方向的方向生长，基本不扩展存在于晶种中的结晶缺陷，其位错密度不超过１０↑［４］／ｃｍ↑［２］并显著低于晶种的位错密度，和具有大的晶格曲率半径，优选大于１５ｍ，更优选大于３０ｍ，最优选为约７０ｍ，其显著大于晶种的晶格曲率半径。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主题是在获得氮化物半导体结构的过程中用作外延衬底的块状单晶含镓氮化物，以及通过使用助熔剂法和氨法制备块状单晶含镓氮化物的方法。含XIII族元素的氮化物(IUPAC，1989)是用于光电工业的宝贵材料。块状单晶含镓氮化物被认为是用于沉积氮化镓外延层的最佳衬底，其能隙可用于生产激光二极管(LD)和发射蓝光二极管(LED)。然而，必须满足以使其可用作外延衬底的条件是其高结晶质量和单晶的低位错密度。通过现有方法得到的块状单晶含镓氮化物尚未满足这些要求。然而，对适当质量的材料的期望需求刺激该领域中的研究和技术进步。
技术介绍
WO 02/101120的作者公开了在晶种上从含有含氮化物溶剂优选氨的超临界溶液结晶的方法。通过该方法，可以得到具有比工业用衬底更高的质量参数即位错密度比这些衬底更低的块状单晶含镓氮化物，其可通过气相沉积法得到，例如HVPE和MOCVD或MBE。通过如从WO 02/101120的公开内容得知的方法得到的单晶显示出高体积增量。由于结晶过程的平衡特性，使得相比于全世界各研究中心的工业用材料，可以从含有超临界含镓溶剂的溶液得到非常高结晶质量的单晶。WO 02/101120技术的主要优点在于可以确保适宜的压力和温度范围，其中发生含镓氮化物从基于含氮化物溶剂的超临界溶液中重结晶的过程。在WO 02/101120方法之外的其它研究和开发工作中，对于该方法的实际应用具有有限影响的大量因素得到确认并逐渐克服所遇到的阻碍，包括在技术和设备方面。一些阻碍是理想纯度原料的有限可得性、合适的结晶晶种质量、适当矿化剂的选择和单晶生长速率的控制。还已知合成含镓氮化物的其它方法，例如HNP。通过这些方法，得到具有非常高结晶质量和低位错密度的含镓单晶。不幸的是，由于由此得到的晶体具有不令人满意的尺寸和不规则的形状，目前为止，其还不能用作工业生产LED、LD和其它半导体结构中的外延衬底材料。而且，工艺参数，尤其是需要使用非常高的压力，明显限制通过这种方法在工业规模上得到所需尺寸的晶体。本文的研究显示利用助熔剂法在氮气氛下从镓熔体生长含镓氮化物所得到的有希望的结果。这些方法在工业上有吸引力，因为使用相对低的压力和温度。用于WO 02/101120公开方法的基本起始材料，即经历重结晶的原料和晶种通过根据将来自气相的单晶氮化镓层置于异质晶种尤其是蓝宝石上的HVPE法得到。由于异质晶种和所得块状单晶含镓氮化物的晶格常数差异，以及由于两种材料在热膨胀方面的差异，通过HVPE法得到的块状单晶含镓氮化物、优选氮化镓单晶具有不规则的结晶结构，其表现在例如所得块状单晶含镓氮化物的小曲率半径中。在从超临界含氨溶液重结晶单晶含镓氮化物的过程中，该单晶如结晶晶种的使用导致在该晶种上得到的单晶氮化镓层中的结晶缺陷和位错密度扩大。此外，在取向垂直于氮化镓结晶晶格c轴的晶片形式的晶种上观察到在晶种的镓端和氮端面不同的生长条件。WO 03/035945的作者公开了可以通过用具有易于横向即朝含镓氮化物晶格的a轴生长的表面的ELOG结构覆盖结晶晶种，即根据通过气相生长方法得到的外延衬底质量改善方法，来有效改善结晶晶种的质量。然而，考虑到结晶缺陷和表面位错的随机排列，在覆盖有ELOG结构的晶种上，可以在足够程度上消除主要衬底的结晶缺陷的扩展程度，所述主要衬底通过HVPE法得到，并且单晶氮化镓层从基于含氨溶剂的超临界溶液沉积其上。相互以小距离排列的易于横向生长的表面通过直接生长在主衬底上的条带分隔开。在此必须注意，不考虑ELOG结构在结晶晶种上的多重和可选沉积主要是因为高成本。
技术实现思路
本专利技术的第一目的是提供生长在晶种上的块状单晶含镓氮化物，其基本不扩展晶种中存在的结晶缺陷，并且确保来自块状单晶含镓氮化物的外延衬底具有提高的结晶性和减少的位错密度。本专利技术的第二目的是提供更长寿命的半导体结构，所述半导体结构沉积在新改善的外延衬底上。本专利技术的第三目的是提供一种通过助熔剂法和氨法制备块状单晶含镓氮化物的方法。本专利技术人意外发现可以通过根据本专利技术的制备方法实现上述目的，所述方法确保块状单晶含镓氮化物具有所需尺寸、几何参数和所需的结晶质量。结果，可以得到具有任意取向和足够高结晶质量的外延衬底。根据本专利技术，块状单晶含镓氮化物在晶种上至少沿基本垂直于晶种生长方向的方向生长，其基本不扩展晶种中存在的结晶缺陷，其特征在于，其位错密度不超过104/cm2并显著低于晶种的位错密度，和具有大曲率半径的晶格，优选大于15m，更优选大于30m，最优选为约70m，其显著大于晶种的晶格曲率半径。根据本专利技术，块状单晶含镓氮化物在晶种上至少沿基本垂直于晶种生长方向的方向生长，其基本不扩展晶种中存在的结晶缺陷，其具有优选低于40弧秒(对于Cu Kα1)的从(0002)平面的X射线摇摆曲线的FWHM并且显著低于晶种的FWHM，同时具有大曲率半径晶格的，优选大于15m，更优选大于30m，最优选为约70m，其显著大于晶种的晶格曲率半径。根据本专利技术的单晶优选掺杂有给体型和/或受体型和/或磁型掺杂剂，浓度为1017/cm3-1021/cm3，并包含n-型、p-型或补偿(半绝缘)材料。优选地，根据本专利技术的单晶在以下环境和条件下生长，其中在垂直于c轴，尤其是平行于a轴的方向上的生长速率等于或高于在平行于单晶c轴方向上的生长速率。根据本专利技术的单晶优选是氮化镓单晶。根据本专利技术，可以制备具有相形或非极性面的任意取向的晶片，其作为根据本专利技术的单晶或从该单晶中切割而得到，而切割在相对于单晶生长方向的所需方向上进行。根据本专利技术的晶片优选其表面位错密度下降，因为切割在基本平行于单晶生长方向上进行。根据本专利技术的晶片优选具有非极性表面，其适合于其它加工。根据本专利技术的晶片优选具有极性表面，其适合于其它加工。根据本专利技术，晶片可用作外延沉积半导体结构的来自含XIII族元素氮化物的衬底。本专利技术还包含外延沉积半导体结构的来自含XIII族元素氮化物的衬底，其可作为根据本专利技术的单晶得到或者是根据本专利技术的晶片，具体地，其适合用于生产需要氮化物衬底的半导体结构，所述氮化物衬底具有足够低的表面位错密度，尤其是在XIII族元素端面，还具有不小于100mm2、优选不小于450mm2的外延表面。本专利技术还包括在衬底上得到的半导体结构。由于根据本专利技术制备溶液，因而可以确保均质的块状单晶含镓氮化物尤其是氮化镓，其具有满足光电工业要求的优异的结晶参数和优异的低表面位错密度。根据本专利技术的单晶含镓氮化物具有常用尺寸、规则形状，同时具有出色的结晶性能，适合光电工业的技术要求。在本专利技术的具体优选实施例中，块状单晶含镓氮化物具有理论导电参数。得自含镓氮化物单晶的外延衬底的这一特征将可以改变激光器结构和显著提高每一衬底上这种结构的数量。同时，应该强调的是根据本专利技术的溶液在成本上也是优选的。附图说明图1示出用于通过助熔剂法生长单晶含镓氮化物的坩锅的示意图，图2示出在实施例4-9中温度随时间变化的图，图3示出用于超临界含氨溶液生长方法的高压釜和炉组的截面图，和图4示出得到根据本专利技术的单晶含镓氮化物的设备的透视图。具体实施方案在以下说明中，以下术语和定义应具有以下含义，除非另有说明。高压釜，无论其形式如何，包括封闭的反应器，其中进行前述温度和压力范围下的液相本文档来自技高网...

【技术保护点】
块状单晶含镓氮化物，其在晶种上至少沿基本垂直于晶种生长方向的方向生长，基本不扩展存在于晶种中的结晶缺陷，其位错密度不超过１０↑［４］／ｃｍ↑［２］并显著低于晶种的位错密度，和具有大的晶格曲率半径，优选大于１５ｍ，更优选大于３０ｍ，最优选为约７０ｍ，其显著大于晶种的晶格曲率半径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特德维林斯基，罗曼多拉津斯基，耶日加尔钦斯基，莱谢克西尔兹普托夫斯基，神原康雄，罗伯特库哈尔斯基，
申请(专利权)人：阿莫诺公司，
类型：发明
国别省市：PL[波兰]