氮化镓晶体和晶片制造技术

披露了一种氮化镓晶体。该晶体具有至少一个晶粒，该晶粒的至少一个尺寸大于２．７５ｍｍ，具有小于约１０↑［４］ｃｍ↑［－２］的位错密度，且基本不含倾斜晶界。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及高质量的氮化镓单晶及其制造方法。
技术介绍
氮化镓(GaN)基光电器件和电子器件具有极大的商业意义。然而，由于 极高的缺陷水平，特别是这些器件的半导体层中的螺位错(threading dislocation),使这些器件的质量和可靠性受到了损害。这些位错可能源于 GaN基半导体层与非GaN衬底如蓝宝石或碳化硅的晶格失配。其它缺陷可 能源于热膨胀失配、杂质和倾斜晶界(tiltboundary),这取决于层生长方法的 细节。缺陷的存在对外延生长层具有有害作用，进而损害电子器件的性能和 可靠性，且需要复杂、繁重的制造步骤来降低缺陷的浓度和/或影响。尽管 已提出大量氮化镓晶体的生长方法，但现有的方法仍待改进。美国专利No. 5,637，531和6,273,948披露了在高温高压下生长氮化镓晶 体的方法，该方法使用液态镓和镓基合金作为溶剂并在熔体上方采用高的 氮气压力以使GaN保持为热力学稳定的相。如Porowski, "Near defect-free GaN substrates" 中所述，该方法能够生长位错密度为约103至105 cn^的导电GaN晶体或位 错密度为约10至10、m々的半绝缘GaN晶体。然而，导电晶体含有高浓度的n型缺陷(数量级达5 x l019cm-3)。认为 这些缺陷包括氧杂质和氮空位。因而，晶体相对不透明，对于光谱中可见 部分的波长具有约200cm"的吸收系数。因此，在这种晶体上制造的发光二 极管(LED)所发出的光，最多有一半被村底吸收。与在蓝宝石或透明SiC衬 底上制造的常规异质外延LED相比，这构成明显的劣势。此外，在熔融Ga 中生长的名义上无掺杂的晶体中的高浓度n型缺陷导致晶格常数增大约 0.01-0.02%,进而产生晶格失配并在沉积于其上的无掺杂外延GaN层中造 成应变。另外，通过该方法形成的无掺杂GaN衬底具有相当低的载流子迁 移率(约30-90 cm2/V's)，这可能对高功率器件的性能造成不良影响。可通过在生长培养基(growth medium)中添加Mg或Be，改善在液态Ga 中生长的GaN晶体的透明度和位错密度，但由此制得的晶体是半绝缘的， 具有大于约1()SQ.cm的电阻率。这种晶体不适合衬底本身用于电接触的垂 直器件。这种衬底还具有一些其它的缺点，包括(i)高浓度的Mg和O原 子(各自约为1019 cm-3) ， 它们可能在高温工艺过程中扩散到器件结构中；以及(ii)相对较差的导热 性。例如，掺杂剂可扩散到设计进行二维电子气传输的高电子迁移率晶体 管(HEMT)中的无掺杂GaN緩沖层中，进而降低载流子迁移率。另外，点缺 陷的存在使体GaN衬底中的声子散射并降低导热性，这不利于GaN基 HEMT达到理论性能水平。Porowski等人的方法最终但极为重要的局限性在于似乎无法规模化， 即无法制造直径达50 mm 及以上的GaN晶棒和晶片。该方法通常产生大量 直径为约10 mm及厚度为0.1-0.2 mm的小片晶体，长时间生长也无法产生 质量相当的较大晶体。目前通过该方法生长的最大晶体直径为约20 mm。 由于该方法产生小片晶体而不是厚的晶棒，因而无法获得常规晶片制造技 术(切割，抛光)所带来的规模经济效益，衬底将保持极为昂贵的价格。最成熟的伪体(pseudo-bulk)或体GaN生长技术为氢化物/卣化物气相外 延，也称作HVPE。在最为广泛应用的方法中，HCl与液态Ga反应，形成 气相GaCl,将气相GaCl送至衬底，在衬底处气相GaCl与注入的NHs反应， 形成GaN。通常，沉积在非GaN衬底如蓝宝石、硅、砷化镓或LiGa02上进行。在通过HVPE生长的膜中，位错密度最初非常高，对于GaN的异质 外延通常达到10"cm々的数量级，但在生长出100-300 pm厚的GaN之后降 至约10、111-2。例如，Vaudo等人教导了一种制造位错密度小 于10、rn^的GaN晶片或晶棒的方法。HVPE可能能够进一步降低较厚的膜中的缺陷水平，但使整个晶片的 缺陷水平小于104(^-2似乎不可能。已充分证实，在非GaN衬底上(或在本 身在非GaN衬底上生长的GaN衬底上)生长的GaN的位错密度随着GaN层 变厚而减小。即使GaN晶片从厚的HVPE生长晶棒上切下并用作其它生长 的种晶，可预料到残留的位错和晶粒或倾斜晶界仍无限持续存在。Vaudo等 人报导了在HVPE厚膜的晶粒中小于 10、mJ的位错密度，然而，可预料到晶粒之间的位错密度(大多可能主要包 括刃位错)将明显更高。另外，由于衬底和膜之间的热膨胀失配，在HVPE 晶片中存在应变。在生长之后衬底和膜冷却时，这种应变造成弯曲。应变 和弯曲的至少 一部分在除去原始衬底之后仍然保留。可预料到出现在衬底 中的螺位错、应变和弯曲也会出现在沉积于该衬底形成光电或电子器件的 外延层中。Melnik等人披露了在SiC衬底上HVPE生长GaN 的方法。这些专利技术人报导了采用在热酸中进行湿化学腐蚀来测量缺陷密度。 Melnik等人报导了 ，从1 cm厚的晶棒上切下的晶片具有10-100 cm-2的蚀坑 密度，从5 mm、 7 mm或9 mm厚的晶棒上切下的晶片具有10-1000 cm-2或 100-10,000 cm^的蚀坑密度。很可能Melnik等人报导的蚀坑密度事实上大 大低估了这些材料中的位错密度。Melnik等人的生长方法在一些细节上不 同(例如使用SiC.衬底)，但总体上与大多数其它研究组采用的方法极为相像。 基于图9，对于约5至10mm厚的GaN层，可预料到105-106cm々的位错密 度，与Melnik等人报导的10-10,000 cm—2的EPD值相对。尽管与图1的数 据10倍的偏差可能落在试验与试验之间以及研究组与研究组之间的观测变 化范围内，但104 (10 cn^与105 cm勺的倍数是完全不可信的。此外，已充 分证实，GaN中的蚀坑密度可能大大低估了位错密度，特别通过Melnik所 用类型的酸处理测量时，例如相差10倍或以上。另外，Vaudo等人和Melnik等人通过HVPE生长的那类厚膜包含倾斜 晶界，与使用单个种晶无关。通过HVPE生长的GaN厚膜的这种性质已有多位作者报导。倾斜晶界遍布于整个GaN晶棒持续存在，而与其厚度无关。 例如，对于在包含倾斜晶界的GaN种晶上生长的GaN同样如此，因为倾斜 晶界源于衬底如SiC或蓝宝石上的异质外延膜。其它广泛应用的生长大面积、低位错密度GaN的方法具有下述各种称 谓外延横向过度生长(ELO或ELOG)、横向外延过度生长(LEO)、选择区 域生长(SAG)、通过具有倒棱锥凹坑的外延生长的位错消除(DEEP)，等等。 在该方法的所有变体中，异质外延GaN生长均开始于衬底上的一维或二维 阵列位置，这些位置被掩膜、沟槽等隔开。生长位置的周期或间距为3 iam 至100pm，典型地约10nm至20iim。单个的GaN微晶生长并随后聚结。 外延生长接着在聚结的GaN材料之上继续进行，形成厚膜或"晶棒"。通常， 在聚结的GaN材料上形成的GaN厚层通过HVPE来沉积。ELO法能够显著降低位错密度，特别是掩膜上方区域中的位错密度， 通常降至约105-10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化镓晶体，该晶体具有厚度ｗ，其中　该晶体包括至少一个晶粒，其中所述至少一个晶粒具有限定垂直于厚度ｗ的晶面的尺寸ｘ和ｙ且至少一个尺寸ｘ或ｙ大于２．７５ｍｍ，具有小于约１０↑［４］ｃｍ↑［－２］的位错密度，且基本不含倾斜晶界。

【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：马克P德维林，朴东实，史蒂文F勒布厄夫，拉里B罗兰，克里斯蒂J纳兰，洪慧聪，斯蒂芬D阿瑟，彼得M桑德维克，
申请(专利权)人：莫门蒂夫性能材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]