降低晶体缺陷密度的方法技术

一种在高压高温（ＨＰ／ＨＴ）下消除非金刚石晶体中缺陷或应变的方法，从提供含缺陷晶体和压力介质开始，将晶体和压力介质放置在高压小容器中，再置于高压设备中，在足够高压高温的反应条件下处理到足以消除其单晶体中一种或多种缺陷或解除应变的时间。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请是分案申请，其母案是申请日为2003年6月27日、申请号为03147893.X、专利技术名称为“”的申请专利
本专利技术一般涉及晶体，更具体地说，涉及通过高压高温(HP/HT)退火工艺愈合(修复；healing)其中空隙(voids)、微米级缩孔(micro-pipes)、纳米级缩孔(nano-pipes)、位错、间隙(缝隙；interstitial)、晶体空位(vancancies)及应变缺陷。
技术介绍
单晶体可用于各种各样的应用场合，包括，例如，电子和光电器件，激光器和光学器件。在这些应用中的晶体性能经常受限于晶体的材料品质，尤其受限于缺陷密度。重要缺陷类型包括空隙、微米级缩孔、纳米级缩孔、位错、间隙、空位。缺陷也会引起晶体应变，应变又易于降低在这些晶体的切割晶片上生长的外延层及电子器件的品质及性能，缩短寿命。减少或消除晶体生长过程中的这些缺陷是十分困难的，因此变换方法会是很有用的。在非晶体材料中，如玻璃、塑料和金属也会存在缺陷，这些缺陷也会降低它们的光学、机械、电子或外观特性。对于碳化硅(SiC)，在电子器件上应用的大面积单晶片，市场可供应的有几种多晶型(polytypes)(6H，4H，15R)。然而，这些晶片典型地含位错密度为104-106cm-2，含微缩孔密度为10-100cm-2。在半绝缘的SiC中，缺陷密度往往比N-型SiC中的高，适用于高频器件。微缩孔和位错与器件损坏及性能减退现象密切相关。SiC基的器件之所以未能从许多小规模市场合并为高功率大规模应用领域，原因就在于基片缺陷导致器件的不可靠性。美国专利公告No.2002 0059901A1公开了一种SiC晶体的生长方法，其微缩孔密度在10cm-2以下。但是，申请人尚不知任何目前可使微缩孔密度达到1cm-2以下或SiC晶体直径至少25mm、至少50mm、至少75mm或甚至至少100mm而又完全无微缩孔的SiC晶体的有效生长方法。在现有技术中有几份参考文献公开了覆盖(covering over)SiC中微缩孔或充填近表面微缩孔的方法。例如，美国专利US 5,679,153公开了一种覆盖晶片中已有微缩孔的液态外延方法。美国专利US6,214,108和6,217,842；和美国专利公告No.2002 0069818A1公开了对含微缩孔SiC晶片提供涂层和进行热处理，封闭最大75微米或更大的微缩孔的几种方法。然而，这些方法需要对单块SiC晶片逐片地涂敷，操作费用高。另外，他们也没有提供其直径至少25mm、至少50mm、至少75mm，或至少100mm而又整个体积内无微缩孔和微空隙的SiC晶体。对于氮化镓，基片品质普遍较低，因为它们一般是在非GaN基片例如蓝宝石或SiC上通过异相外延方法制备的。由于晶格和热膨胀失配，这样形成的GaN存在螺旋位错(threading dislocations)密度在约5×105和1010cm-2之间的问题。GaN也易于随在Ga和N位二者上原有缺陷如晶体空位缺陷的基本密度而增长。在温度750℃以上分解为Ga+N2排除了GaN采用单纯高温退火的可能。砷化镓和磷化铟晶片的基片品质大大高于SiC或GaN的，但缺陷密度(位错、空位)仍然很高，对由其制造的电子器件性能产生有害影响。生长工艺已很成熟，对其明显巨大的改进不太可能。砷或磷的汽化排除了采用会形成晶体缺陷甚至镓或铟滴的单纯高温退火的可能。Banholzer等在公开专利申请No.WO 0213958中公开了一种用高温高压退火来增大合成金刚石韧度的方法。但这里没有关于减少空隙、微米级缩孔、纳米级缩孔、位错、空位的密度的具体内容。Anthony等在公开专利申请No.WO 0213958和Vagarali等在美国专利申请No.20010031237 A1中公开了用高温高压退火方法来改善天然金刚石颜色。这些处理方法改变了点缺陷(空位，间隙，取代的杂质)的性质、密度和分布，但是这些作者没有提供任何关于减少空隙、微米级缩孔、纳米级缩孔、或位错的密度的内容。Webb等在J.Mater.Res.，Vol10，No.7，p.1700(1996)中，提出在1200℃-1700℃和50-60千巴下对合成I型金刚石晶体退火，引起聚集氮分离和金属聚集，和修复了金刚石晶格位错。有一些参考文献公开了在气压设备中对晶体退火。美国专利US 6,329,215描述了以在0.1和2GPa间的高氮压压力介质对GaN、AlN和InN进行退火，需用非常专门和危险的气压设备。这里使用高氮压是为了阻止高温分解，而不是为了消除缺陷。Porowski等所述的退火条件足以使点缺陷退火并引起原子扩散，但却表明没有减少螺旋位错、微米级缩孔或纳米级缩孔或空隙。美国专利US 6,447,600公开了一种在惰性气体中压力最高到0.3GPa时，对Si、GaAs、InP、ZnS和ZnSe的退火方法。然而，已表明没有使螺旋位错、微米级缩孔或纳米级缩孔及空隙减少，而且在硅中的晶体空位能聚集成为空隙。日本专利公告JP 10114533A2和JP 02124729A2公开了在0.2GPa的最大压力下在气压设备中对玻璃进行退火。然而，本领域需要愈合SiC、GaN和类似晶体中的缺陷，以改善由其制造的电子和光电器件的性能。对于晶体非线性光学应用的场合，不理想光散射将减少，激光损伤阈值增大。对于压电和张驰震荡器铁电晶体的情况，退火将会提高击穿场强(breakdown field)、效率和寿命。在本领域同样也需要愈合非晶质玻璃、塑料和金属的缺陷。
技术实现思路
本专利技术涉及一种，其步骤包括(i)提供至少一种含缺陷的晶体；(ii)提供一种适合的压力介质；(iii)在高压小容器(cell)中放置至少一种晶体和压力介质；(iv)在高压力设备中放置该小容器；(v)在高温高压下处理该小容器；且(vi)从该小容器中取出(removing)至少一种晶体。在高压高温下消除缺陷和/或完成退火，和解除应变。本专利技术还涉及在改良晶体上构成电子器件，例如，通过外延半导体层的沉积、形成图案和金属化。附图简述附图说明图1是6H-SiC圆片高抛光表面在依据本专利技术退火前的光学显微图片；和图2是同样6H-SiC圆片高抛光表面在1250℃和5.5GPa下退火30分钟后的光学显微图片。专利技术的优选实施方式本专利技术中，在高压高温下使晶体缺陷消失和/或完成退火，并消除应变。适合按照本专利技术处理的晶体包括，例如，单晶体和单晶集合(聚集)体、梨晶(boule crystals)、电子晶片、金属干扰带(windows)、激光棒(laser rods)、传感器等。下述是本专利技术方法中的要素/变量晶体、压力介质、高压设备、和退火工艺变量，包括压力、温度及时间的变量。在本专利技术方法的一组实施方案中，可能最好控制冷却条件和压力释放过程，使形成的新缺陷最小。在本专利技术的一组实施方案中，非金刚石晶体是以下一种或多种材料a)直接跃(direct bandgap)迁半导体材料；b)宽跃迁(widebandgap)半导体材料；c)闪烁器材料；d)非线性光学材料；e)激光材料；f)张驰震荡器铁电性材料；g)压电材料；h)间接跃迁(indirectbandgap)半导体材料。本专利技术的非金刚石晶体的实例包括6H-SiC、4H-SiC、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消除非金刚石晶体中的一种或多种缺陷和／或解除其应变的方法，该方法包括：ａ）将至少一种含缺陷和或应变的晶体放在压力介质中，该压力介质包含所述反应条件下的超临界流体；ｂ）将该晶体和压力介质放置在一高压小容器中；ｃ）在 高压设备中在足够高压高温的反应条件下处理该小容器，达到足以消除材料中一种或多种缺陷或解除材料应变的时间。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：MP德埃维林，SD阿图尔，LB罗兰德，SS瓦加拉利，JW卢塞克，TR安托尼，LM莱文森，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]