外延衬底及其制造方法技术

一种用于光电或电气器件的衬底，其包括利用气相外延生长方法生长的氮化物层，其中氮化物衬底的两个主表面基本分别由非Ｎ－极面与Ｎ－极面组成并且所述衬底的位错密度为５×１０↑［５］／ｃｍ↑［２］或更低。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于制造光电气器件如LED和LD或电气器件如MOSFET的外延衬底。
技术介绍
目前所用气相外延衬底通常包括蓝宝石、SiC、GaAs与Si，并且生长在衬底上的所得外延层仍具有不利的高位错密度109/cm2。因此，已提出将ELOG型态结构应用于衬底，其允许将位错密度减少至106/cm2，但该密度仍然过高，以至于不能确保许多电子和光电气器件，尤其是高功率半导体激光准确执行功能。此外，存在的另一问题是因为ELOG结构导致所得衬底具有的外延面的面积减小。因此，我们已提出用来获得单晶含镓氮化物的其它工艺，例如，波兰专利申请No.P-347918，其中提出一种通过从超临界含氨溶液再结晶来获得以氮化镓为代表的块状单晶氮化物的方法。使用前述超临界含氨溶液得到的块状单晶氮化镓的特征在于其低位错密度(块状GaN的例子中104/cm2)。然而，其获得低生长速率，事实上，比使用从气相生长方法的生长速率低好几倍。1)本专利技术的专利技术者已进一步从其尖端研究中发现，如果在利用从超临界含氨溶液结晶制得的块状单晶含镓氮化物的衬底表面上进行该气相生长的工艺，则可以显著降低气体或气相外延层位错密度而不需ELOG结构，并且可以保持衬底的所有主要表面为完全的Ga-极面以用于制造光电或电气器件的进一步外延工艺。这与ELOG型衬底完全不同。此外，2)本专利技术人已发现在含至少一种碱金属的超临界氨溶方法中GaN的A轴方向生长为C轴方向生长的4倍或更快，并且得到具有1英吋或更大直径的单晶氮化物衬底，其提供有良好的品质，如C轴方向垂直C平面延伸至少30μm，优选50μm或更多。这也完全不同于ELOG型衬底。根据本专利技术人的以上发现1)及2)，如果GaN层利用HVPE生长在由超临界含氨方法制造的单晶氮化物衬底上以具有厚度为100μm或更多，优选150μm或更多，并且被从单晶氮化物衬底上切片，则所得HVPE GaN具有位错密度为5×105/cm2或更低，优选105/cm2，更优选104/cm2或更低，并且该表面之一基本上由Ga-极面构成且优于任何ELOG GaN衬底。
技术实现思路
因此，本专利技术目的是提供外延衬底和基于新块状单晶氮化物衬底的制备方法。根据本专利技术第一方面，提供用于光电或电气器件的衬底，其包括利用气相外延生长来生长的氮化物层，其中氮化物衬底的两个主表面基本上分别由非N-极面与N-极面构成并且该衬底的位错密度为5×105/cm2或更低。根据本专利技术，如果可以通过使用超临界含氨溶液的方法制备衬底，则我们可以得到生长在AlxGa1-xN(其中0≤x≤1)的单晶衬底的Ga-或Al-极面上的极佳的气相外延层，并且包括层B)的所得衬底非常有用于通过气相外延生长来制造光电或电气器件。根据本专利技术的衬底的特征在于基本没有倾斜，意思是氮化物单晶的C轴基本没有倾斜，以及也基本没有晶体扭曲，意思是基本没有单晶晶格的扭曲。因此，我们的衬底没有此类畸变从而偏振光可以通过如蓝宝石的晶体，这完全不同于HVPE GaN衬底。在本专利技术中，块状单晶氮化物的层A)包括含镓氮化物和含铝氮化物并且以通式AlxGa1-xN表示，其中0≤x≤1。层A)通常被提供为AlN或GaN单晶衬底，其可以由WO02/101120及WO 02/101124所说明的超临界含氨方法制备。在本专利技术中，利用气相外延生长来生长的氮化物层B)以通式AlxGa1-x-yInyN表示，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。层B)可通过公知的MOCVD(金属有机化学气相外延)、HVPE(氢化物或卤化物气相外延)或MBE(分子束外延)方法制备在具有层A)的衬底上，并且层B)包括GaN、AlGaN、InGaN及AlGaInN化合物半导体层。在本专利技术的一个优选实施方案中，层B)可以由至少两层所组成，第一层B1)可以通过MOCVD或MBE制备在具有层A)的衬底上，第二层B2)可以通过如图7A所示的HVPE制备在第一层B1)上。根据本专利技术，如图7B所示，可以从含至少一种碱金属元素(I族，IUPAC 1989)的块状单晶氮化物层A)、通过MOCVD或MBE生长的氮化物层B1)和通过HVPE生长的含镓氮化物层B2)的组合层中的层B2)的一部分得到具有厚度为100-300μm或更厚的衬底。所得模板可以由在衬底一面的基本完全的Ga-极面面积，即超过95％，优选超过99％的Ga-极面组成。与由于某些N-极面面积位于相同表面上而导致其具有小于90％的Ga-极面面积的由ELOG方法制备的HVPE GaN衬底相比，得到具有关于位错密度和X射线摇摆曲线的FWHM的极佳品质以及完全的Ga-极面。根据本专利技术第二方面，模板型衬底可以包括在具有通过在含至少一种碱金属元素的超临界含氨溶液中结晶氮化物的层B)的晶种上制备的块状单晶氮化物层A)。在此，模板型衬底还可以包括通过气相外延生长而生长的含镓氮化物层C)，其中在N-极面及非N-极面上，如晶种层B)的Ga-极面或Al-极面上制备含至少一种碱金属元素(I族，IUPAC 1989)的块状单晶氮化物层A)以作为层A1)与层A2)，如图8A所示，以及将层C)结合在层A2)的非N-极面与层C)的N-极面处。因此，含镓氮化物层C)可以利用MOCVD、HVPE或MBE制备在层A2)的衬底上。在一个优选实施方案中，层C)可以包括至少两层，第一层C1)利用MOCVD或MBE制备在层A2)的衬底上，第二层C2)可以利用HVPE制备在第一层C1)上，如图8B所示。根据本专利技术，第一层C1)可以保护衬底A)表面不被层C2)的HVPE工艺干扰，并且也可避免碱金属从衬底A)扩散到层C2)。层C1)优选在低于其单晶的形成温度下制备。在此，如图8C所示，可以得到具有厚度为100至300μm或更厚的衬底，其是从含至少一种碱金属元素(I族，IUPAC 1989)的块状单晶氮化物层A1)、通过气相外延生长而生长的氮化物层B)、含至少一种碱金属元素(I族，IUPAC 1989)的块状单晶氮化物层A2)、通过MOCVD或MBE生长的层C1)和通过HVPE生长的含镓氮化物层C2)的组合层中的层C2)的一部分切片而得。该HVPE衬底含有氯化物且具有基本由上述Ga-极面所构成的主表面。根据本专利技术，可以得到具有位错密度为106/cm2或更低以及来自(0002)平面的X射线摇摆曲线的FWHM值小于80角秒的衬底，优选106/cm2或更低，更优选104/cm2或更低。在超临界氨溶方法中，我们已发现A轴的生长比C轴的生长快4倍或更多，并且在超临界氨溶方法中A轴生长比在相同超临界氨溶方法中的C轴生长大大降低位错密度。因此，根据本专利技术的新方面，我们可以得到如图9所示的模板型衬底，其中层A)是具有一对C平面表面与M平面的周边的具有直径为1英吋或更大的六方形衬底，其是从通过在含至少一种碱金属元素的超临界含氨溶液中A轴方向生长的块状单晶氮化物制备的衬底所制备。惊奇的是该衬底具有位错密度为104/cm2或更低。根据本专利技术的衬底的特征在于即使含镓氮化物层B)或C)和层B1)与B2)或C1)与C2)含有至少一种碱金属元素，其含量也小于由超临界含氨溶液中含至少一种碱金属元素的结晶氮化物所制备的层A)中的含量。因为碱金属的含量是由在形成层B)或C)和层B1)与B2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于光电或电气器件的衬底，其包括利用气相外延生长方法生长的氮化物层，其中氮化物衬底的两个主表面基本分别由非N-极面与N-极面组成并且所述衬底的位错密度为5×105/cm2或更低。2.根据权利要求1的用于光电或电气器件的衬底，其中所述氮化物衬底的位错密度是105/cm2或更低。3.根据权利要求1的用于光电或电气器件的衬底，其中所述氮化物衬底的位错密度是104/cm2或更低。4.根据权利要求1的用于光电或电气器件的衬底，其中利用气相外延生长方法生长的氮化物层B)由通式AlxGa1-x-yInyN表示，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。5.根据权利要求1的用于光电或电气器件的衬底，其中所述氮化物层B)由通式AlxGa1-xN表示，其中0≤x≤1。6.根据权利要求1的用于光电或电气器件的衬底，其包括厚度为100μm或更厚、优选150μm或更厚的衬底，所述衬底是从含至少一种碱金属元素(I族，IUPAC 1989)的块状单晶氮化物层A)、通过MOCVD或MBE生长的氮化物层B1)和通过HVPE生长的含镓氮化物层B2)的组合层中的层B2)的一部分所切片。7.根据权利要求1的用于光电或电气器件的衬底，其包括厚度为100μm或更厚、优选150μm或更厚的衬底，所述衬底是从含至少一种碱金属元素(I族，IUPAC 1989)的块状单晶氮化物层A1)、通过气相外延生长而生长的氮化物层B)、含至少一种碱金属元素(I族，IUPAC 1989)的块状单晶氮化物层A2)、通过MOCVD或MBE生长的氮化物层C1)和通过HVPE生长的含镓氮化物层C2)的组合层中的层C2)的一部分所切片。8.根据权利要求1的用于光电或电气器件的衬底，其中所述衬底是含有硅(Si)或氧(O)作为给体掺杂物的含镓氮化物。9.根据权利要求1的用于光电或电气器件的衬底，其中所述衬底是含有镁(Mg)或锌(Zn)作为受体掺杂物的含镓氮化物。10.根据权利要求8或9的用于光电或电气器件的衬底，其中掺杂物的浓度范围为1016/cm3-1021/cm3。11.一种制备用于光电或电气器件的衬底的工艺，其包括以下步骤(a)制备含至少一种碱金属元素(I族，IUPAC 1989)的块状单晶氮化物层A)，以通过从超临界含氨溶液中在晶种上结晶含镓或铝的氮化物来形成用做衬底的厚度；(b)通过在层A)的Al-或Ga-极面上利用气相外延生长形成氮化物层B)...

【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，
申请(专利权)人：阿莫诺公司，
类型：发明
国别省市：