專利名稱：制備iii-n 體晶和自支撐iii-n 襯底的方法以及iii-n 體晶和自支撐iii-n 襯底的制作方法
制備I I I-N體晶和自支撐I I I-N襯底的方法以及I I I-N體晶和自支撐M I-N襯底本申請是申請日為2007年5月4日、申請?zhí)枮?00780016871. 0、發(fā)明名稱為“制備III-N體晶和自支撐III-N襯底的方法以及III-N體晶和自支撐III-N襯底”的發(fā)明專利申請的分案申請。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及從氣體或者氣相制備III-N體晶的方法，以及制備從III-N體晶獲得的自支撐III-N襯底的方法?！癐II-N”一詞代表III-N化合物，其中，III代表選自元素周期表III族中的至少一種元素，選自Alja和In(下面有時簡寫成(Alja，In))，N代表氮。 III-N體晶和自支撐III-N襯底包含III-N化合物作主體材料，優(yōu)選地，它們分別基本上或者完全由III-N化合物組成，可選地還與雜質(zhì)一起組成。本發(fā)明進(jìn)一步涉及可有利地通過這樣的方法獲得的III-N體晶和自支撐III-N襯底。自支撐III-N襯底特別適合作為用來制造光電和電子設(shè)備的襯底。在工業(yè)應(yīng)用中，用于(Al，Ga, h)N基發(fā)光二極管或者激光二極管的組件或者器件傳統(tǒng)地生長在異質(zhì)襯底上，比如Al2O3 (藍(lán)寶石)或者SiC。通過生長在III-N襯底，比如(Al，
襯底上，可以緩和因采用異質(zhì)襯底而導(dǎo)致的與晶體質(zhì)量有關(guān)以及與由此決定的組件或器件的壽命和效率有關(guān)的缺陷。然而，直到如今，還沒有足夠質(zhì)量的這樣的襯底可供采用。 這主要是由在傳統(tǒng)體材料生長技術(shù)中，因在一般的生長溫度下，相比III-N化合物，氮的穩(wěn)態(tài)蒸氣壓過高所造成的困難決定的。Porowski (MRS Internet J. Nitride Semiconduct. Res. 4S1,1999,G1.3)描述了在高壓下的體材料生長。這種方法提供了具有質(zhì)量價值的GaN 體材料，但是，到現(xiàn)在為止，具有的缺點(diǎn)是這樣只能制備表面積最大為IOOmm2的小GaN襯底。而且，這種制備方法與其它方法相比需要長的制備時間，并且由于過高的生長壓力，在技術(shù)上是費(fèi)力的，成本很高。另一種方法包括，在異質(zhì)襯底上從氣體相(gas phase)或者氣相中生長III_N 材料，然后將III-N材料從異質(zhì)襯底上分離。對于制備厚的III-N自支撐層，比如GaN， 已知的是比如M. Kelly 等(Jpn. J. Appl. Phys. 38 卷，1999，第 L217-L219 頁)，“Large Free-Standing GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy and Laser Induced Lift-Off"，將已采用氫化物氣相外延(HVPE)生長在藍(lán)寶石(Al2O3)制的襯底上的厚GaN 層從藍(lán)寶石襯底上分離。為此目的，該文獻(xiàn)這樣描述采用激光對淀積了 GaN的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行輻照，結(jié)果，GaN層在與藍(lán)寶石襯底的界面上發(fā)生局部熱分解，由此從藍(lán)寶石襯底上剝離下來。另外可供選擇的分離方法包括對襯底進(jìn)行濕化學(xué)刻蝕(比如GaAs的例子參看 K. Motoki 等，Jap. J. Appl. Phys. 40 卷，2001，第 L140-L143 頁)、干化學(xué)刻蝕(比如 SiC 的例子，參看 Yu. Melnik 等，Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 482 卷，1998，第 269-274 頁)或者機(jī)械研磨(例如藍(lán)寶石的例子，參見H.-M. Kim等，Ma . Res. Soc. Symp. 639卷，2001，第 G6. 51. 1-G6. 51. 6頁)。上述方法的缺點(diǎn)是，一方面，由于襯底分離技術(shù)復(fù)雜所帶來的相對高成本，另一方面，主要困難是難以制備具有均勻的低缺陷密度的III-N材料。在III-N襯底上通過氣相外延生長厚的III-N體晶(梨晶)，然后通過切割方法將體晶分離得到單個的III-N襯底為上述方法提供了另外一種選擇。Vaudo等(US 6，596，079)描述了這種方法。HVPE被選為優(yōu)選的生長方法，作為優(yōu)選的梨晶長度，提到的數(shù)值是> lmm，4mm或者10mm。Vaudo等進(jìn)一步特別描述了是如何通過線切割或者進(jìn)一步的處理步驟，比如化學(xué)/機(jī)械拋光，反應(yīng)性離子刻蝕或者光電化學(xué)刻蝕，從體晶上獲得III-N 襯底。進(jìn)一步的，在Vaudo等的國際專利申請(W001/68955A1)中也提到了采用上述技術(shù)制備的III-N體晶和襯底。Melnik等描述了一種生長晶體長度大于Icm的GaN-(US6，616，757)或者 AlGaN-(US 2005 0212001A1)體晶的方法。這種方法的基本步驟包括在襯底上生長(Al)GaN單晶層，去除襯底，清洗在(Al)GaN單晶層上的(Al)GaN體晶。作為優(yōu)選方法，提到了一種具有特殊反應(yīng)室結(jié)構(gòu)的HVPE方法。進(jìn)一步，Melnik等在美國專利申請 (US2005-0164044A1)和在美國專利6，936，357中描述了具有各種特性，比如尺寸，位錯密度或者X射線搖擺曲線峰值半高寬的GaN-和AWaN-體晶。發(fā)明簡述本發(fā)明的目的是提供一種制備III-N體晶的方法，以及提供在生長方向上和/或在與生長方向垂直的平面內(nèi)分別具有優(yōu)異的晶體質(zhì)量及其均勻分布的III-N襯底。依據(jù)第一個方面，本發(fā)明提供一種制備III-N體晶的方法，其中，III代表選自元素周期表III族中的至少一種元素，選自Al，( 和In，其中，III-N體晶通過氣相外延的方法在襯底或者模版上生長，并且，其中，生長速率是即時測量的。在本發(fā)明的第一個方面的優(yōu)選實施方案中，生長速率是主動控制的。依據(jù)第二個方面，本發(fā)明提供一種制備III-N體晶的方法，其中，III代表選自元素周期表III族中的至少一種元素，選自Al，( 和In，其中，III-N體晶通過氣相外延的方法在襯底或者模版上生長，并且，其中，生長速率在外延生長過程中基本上保持在至少一個恒定值。依據(jù)本發(fā)明的方法操作，能夠在大部分過程中，優(yōu)選基本上在整個過程中，如果希望，在將體晶生長到所希望的長度的整個過程中，基本上將生長速率保持住。依據(jù)本發(fā)明采用的“基本上恒定”一詞意味著可以獲得在下面將進(jìn)一步詳細(xì)描述的本發(fā)明的晶體質(zhì)量。在一個優(yōu)選的實施方案中，當(dāng)用來測量生長速率的方法通過將實際生長速率與名義(所希望的)生長速率比較確定出最大10%，特別地，最大5%，尤其地，最大2%的偏差時，要進(jìn)行修正或調(diào)節(jié)到實際恒定的生長速率。在進(jìn)一步優(yōu)選的方法中，生長速率是精確恒定的，即，處于控制精度內(nèi)(標(biāo)準(zhǔn)偏差士 0.5%)。在所希望厚度的III-N體晶的整個生長過程中，可以將生長速率保持在一個預(yù)先確定的值；或者，可以將生長速率在不同的階段保持在多個不同的預(yù)先確定的但是分別恒定的值。在本發(fā)明的第一個和第二個方面的優(yōu)選實施方案中，III-N體晶的外延生長可以直接在異質(zhì)襯底(foreign substrate)上，或者在同質(zhì)襯底(native substrate)上進(jìn)行。 在III-N體晶生長之前，可以淀積一層或者多層中間層來形成包含異質(zhì)或者同質(zhì)襯底的模版，中間層的組分的選擇可以與III-N體晶的組分無關(guān)。淀積中間層的工藝，技術(shù)和/或設(shè)備可以自由選擇。例如，中間層的生長速率可以測量，或者測量并保持恒定，或者，可以既不測量也不保持恒定。在本發(fā)明的第一和第二個方面的優(yōu)選實施方案中，采用氫化物氣相外延作為生長方法。
為了測量和確定生長速率，特別合適的一種方法選自如下方法·稱量晶體或者晶體以及晶體夾具包括感應(yīng)器的重量；·確定從生長表面上反射回來的超聲波的持續(xù)或者傳播時間(running time)；·確定通過照射得到的晶體陰影，例如，從側(cè)面照射生長的晶體，并采用C⑶在生長的晶體后面對移動的陰影進(jìn)行檢測(投影原理)；以及 光學(xué)三角測量，S卩，確定角度，在該角度下測定從生長表面上反射回來的激光束。在本發(fā)明的第一和第二個方面的優(yōu)選實施方案中，通過即時控制將生長的前平面 /表面的位置保持恒定。在本發(fā)明的第一和第二個方面的優(yōu)選實施方案中，采用具有c-，a-, m-或者晶面作為生長表面/平面的III-N襯底或者模版作為襯底，III-N體晶淀積在這樣選定的生長平面/表面上。在本發(fā)明的第一和第二個方面的優(yōu)選實施方案中，采用具有的生長平面相對于 C-, a-, m-或者r-晶面具有0. 1-30°的斜切角度(off-angle)的III-N襯底作為襯底，在其上淀積III-N體晶。在本發(fā)明的第一和第二個方面的優(yōu)選實施方案中，在襯底或者模版上淀積摻雜的 III-N體晶，襯底或者模版本身就是摻雜的III-N襯底或者模版，其中，分別采用選自硅， 碲，鎂和鐵中的一種元素作為摻雜劑。在本發(fā)明的第一和第二個方面的優(yōu)選實施方案中，生長的III-N體晶具有圓形的或者接近圓形的平面內(nèi)(in-plane)橫截面，圓形橫截面具有的直徑彡5cm。生長的III-N 體晶的長度優(yōu)選> 1mm，更優(yōu)選> 1cm，特別優(yōu)選> 3cm。與其它相比，本發(fā)明的特別優(yōu)點(diǎn)是，可以用具有上述所希望尺寸的生長的III-N 體晶，以及從其上制備的單個的自支撐III-N襯底，在晶體質(zhì)量，特別是在垂直于生長方向的生長平面內(nèi)的晶體質(zhì)量和晶體質(zhì)量的均勻分布方面獲得獨(dú)特的性能。在本發(fā)明的第一和第二個方面的優(yōu)選實施方案中，分別采用單晶形式的藍(lán)寶石， 碳化硅，砷化鎵，鋁酸鋰或者硅作襯底，在上面依據(jù)本發(fā)明生長III-N體晶。在特別優(yōu)選的實施方案中，采用GaN襯底作為自支撐形式的或者模版形式的襯底，依據(jù)本發(fā)明生長GaN體
曰
曰曰ο在進(jìn)行完依據(jù)本發(fā)明的工藝后，通過從III-N體晶上分離一個或者多個III-N襯底可以方便的制備出自支撐的III-N晶體襯底。各種合適的分離方法是熟知的，線切割是尤其合適的一種。然后，可以進(jìn)行進(jìn)一步的處理步驟，其中具體的例子包括研磨，拋光(化學(xué)的和/或機(jī)械的)，刻蝕(濕式的和/或干式的)，后續(xù)熱處理，在氣氛中進(jìn)行調(diào)節(jié)(合適地至少含有氨)，以及/或者任何所希望的修整或者清洗步驟。依據(jù)本發(fā)明的另一個的方面，提供具有獨(dú)特晶體質(zhì)量的III-N體晶。本發(fā)明的 III-N體晶可通過上述依據(jù)本發(fā)明的方法獲得。優(yōu)選地，III-N體晶采用依據(jù)上面確定的本發(fā)明的第一和第二個方面的本發(fā)明的方法制備，可選地，依據(jù)上面所述的優(yōu)選實施方案制備。具體地，依據(jù)本發(fā)明的III-N體晶以及相應(yīng)地由其分離的單個的和自支撐的 III-N襯底的獨(dú)特的、讓人驚異的良好晶體質(zhì)量可以采用搖擺曲線圖形掃描和/或顯微 Raman圖形掃描(mapping)來確定。
這樣，當(dāng)在(i)平行于生長平面的和/或(ii)生長方向上的平面上進(jìn)行本發(fā)明的III-N體晶的搖擺曲線圖形掃描時，所分別測得的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差為，在情形⑴ 中是5%或者更低，優(yōu)選3%或者更低，在情形(ii)中是10%或者更低，優(yōu)選7. 5%或者更低。標(biāo)準(zhǔn)偏差一般這樣確定，在要測量的平面(i)或者(ii)上分別在大量測量點(diǎn)，比如100 個(或者其它位置數(shù)量)，進(jìn)行搖擺曲線圖形掃描測量，得到所有測量的峰值半高寬的平均值，通過常用的統(tǒng)計評估來確定相對于這個平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。如果在情形(ii)中，在體晶生長方向上進(jìn)行晶片的晶面分離是所不希望的，可以合適地按這樣的方式進(jìn)行首先， 從體晶上分離下大量的晶面與生長方向垂直的晶片(例如，像在通常制備晶片的過程中那樣，通過相對于體晶縱向進(jìn)行橫向線切割)，然后，在這樣分離的晶片上在大量比如100個測量點(diǎn)(或者另外的測量位置數(shù)量)分別進(jìn)行搖擺曲線圖形掃描測量，之后，確定出用這些分離晶片分別確定的峰值半高寬平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。如果，與前面所述的直接測量的在生長方向上的標(biāo)準(zhǔn)偏差相比，在對比測量中，在材料的一個樣品上存在偏差，那么，由于精度更高，在生長方向上的直接測量是有效的。作為另一個可供選擇的或者補(bǔ)充的質(zhì)量參數(shù)，在對本發(fā)明的III-N體晶在(i)平行于生長平面的和/或(ii)生長方向上的平面上進(jìn)行顯微Raman圖形掃描時，所測量的E2 聲子的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差在情形(i)中為5%或者更低，優(yōu)選3%或者更低，進(jìn)一步優(yōu)選2%或者更低，在情形(ii)中為10%或者更低，優(yōu)選7. 5%或者更低，進(jìn)一步優(yōu)選5%或者更低。同樣的，標(biāo)準(zhǔn)偏差一般這樣確定，在要測量的平面(i)或者(ii)上分別在大量測量點(diǎn)，比如100個(或者其它位置數(shù)量)，進(jìn)行顯微Raman圖形掃描測量，得到所有測量的E2 聲子的峰值半高寬的平均值，通過常用的統(tǒng)計評估來確定相對于這個平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 在情形(ii)中，同樣可以合適地這樣進(jìn)行首先，從體晶上分離下大量晶面與生長方向垂直的晶片(例如，像在通常制備晶片的過程中那樣，通過相對于體晶的縱向進(jìn)行橫向線切割)，然后，分別在大量比如100個測量點(diǎn)(或者另外的測量位置數(shù)量)上進(jìn)行所述的顯微 Raman圖形掃描測量，之后，確定出用這些分離晶片分別確定的氏聲子的峰值半高寬平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。如果，與前面所述的直接測量的在生長方向上的標(biāo)準(zhǔn)偏差相比，在用材料樣品進(jìn)行的對比測量中存在偏差，由于精度更高，在生長方向上的直接測量是有效的。通過從這樣提供的III-N體晶上分離，可以得到具有相應(yīng)的晶體質(zhì)量的單個的自支撐III-N襯底。因此，在對依據(jù)本發(fā)明的自支撐III-N襯底在平行于生長平面的平面上進(jìn)行搖擺曲線圖形掃描時，測得的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差為5%或者更低，優(yōu)選3%或者更低，更優(yōu)選2%或者更低。同樣地，在對本發(fā)明的自支撐III-N襯底在⑴平行于生長平面的和/或(ii)生長方向上的平面上進(jìn)行顯微Raman圖形掃描時，所測量的氏聲子的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差在情形(i)中為3%或者更低，優(yōu)選2%或者更低，在情形(ii)中為5%或者更低，優(yōu)選3% 或者更低。至于搖擺曲線圖形掃描測量和顯微Raman圖形掃描測量，參考上面的描述。


在附圖中，圖1示意說明了可以應(yīng)用于本發(fā)明的一種HVPE設(shè)備的截面基本結(jié)構(gòu)；
圖2示意說明了一種HVPE設(shè)備的截面基本結(jié)構(gòu)，采用該設(shè)備可以依據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方案通過稱重模塊來進(jìn)行生長速率的原位測量；圖3示意說明了一種HVPE設(shè)備的截面基本結(jié)構(gòu)，采用該設(shè)備可以依據(jù)本發(fā)明的另一個具體實施方案通過超聲發(fā)射器和探測器單元來進(jìn)行生長速率的原位測量；圖4示意說明了一種HVPE設(shè)備的截面基本結(jié)構(gòu)，采用該設(shè)備可以依據(jù)本發(fā)明的另一個具體實施方案通過投影原理來進(jìn)行生長速率的原位測量。具體實施方案描述下面，描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，然而，它們不能被理解成限制方式。相反，這些描述僅僅用來解釋本發(fā)明，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，明顯地，允許處于所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的變動和改良。在上述引言部分中描述的現(xiàn)有技術(shù)方法中，例如，Vaudo等的或者M(jìn)elnik等的技術(shù)方法中，沒有一個提供這樣的暗示，即在晶體生長過程中，對生長速率進(jìn)行原位測量或控制。即使希望或者傾向于得到一個名義的生長速率，在外延生長厚的III-N層或者相應(yīng)的體晶(例如，提供至少Imm的層厚或者體晶長度)所需要的過程中沒有合適的控制，實際上也不能獲得恒定的生長速率(至少在測量精度內(nèi))。一般的，影響大致恒定的生長速率的各種因素包括，例如小平面的形成(具有不是所希望的平面或者表面的生長平面或表面)，寄生淀積，變化的溫度場(特別是在生長平面上)，起始組分的質(zhì)量流速不精確(例如HCl的通入流速和/或NH3的通入流速)，起始組分的反應(yīng)轉(zhuǎn)變的不精確(例如，與( 源的逐漸下降的填充水平相關(guān))，以及不能一直恒定的III-N比率。依據(jù)本發(fā)明，注意到，在氣相外延工藝，特別是在HVPE中，生長速率是一個如此強(qiáng)烈地決定晶體質(zhì)量的參數(shù)，以致于對生長速率進(jìn)行原位，即在外延生長過程中，進(jìn)行測量和主動控制，可以對晶體質(zhì)量及其在生長方向上和/或在與生長方向垂直的平面內(nèi)的均勻分布產(chǎn)生想象不到的顯著好處。依據(jù)本發(fā)明，通過對生長速率原位進(jìn)行測量和主動控制，有利地，可以確保在生長過程中將生長速率恒定在控制精度內(nèi)。至少一種，甚至很多種前面所述的可能發(fā)生的會影響和削弱實際恒定的生長速率的因素，可以避免和/或減少，和/或抵消掉。結(jié)果，依據(jù)本發(fā)明，可以提供將好的晶體質(zhì)量及其在生長方向上和/或在與生長方向垂直的平面內(nèi)均勻分布獨(dú)特結(jié)合在一起的III-N體晶以及分別從其上分離的單個的III-N襯底。依據(jù)本發(fā)明，對HVPE設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖?，從而可以采用合適的方法實現(xiàn)對生長速率的原位測量。作為特別合適的方法，可以采用如下方法(i)采用稱重模塊，或者測壓元件，或者力傳感器對晶體或者對晶體加上晶體夾具和感應(yīng)器一起進(jìn)行稱重；(ii)測量從生長表面反射回來的超聲波的持續(xù)時間或者傳播時間；(iii)確定通過照射所得到的晶體陰影，例如通過CXD (投影原理)；(iv)光學(xué)三角測量，即，確定角度，在該角度下測定從生長表面上反射回來的激光束，或者(ν)與晶片垂直的反射(對較厚的層適用性較低)。在這樣改良的HVPE設(shè)備中，采用異質(zhì)襯底或者III-N襯底作為起始的或者晶種襯底。作為可能的襯底形式所謂的模版也可以包括在內(nèi)，其中，依據(jù)材料類型和淀積方法，將與III-N晶體材料無關(guān)的一層或者多層中間層材料淀積到(異質(zhì)或者同質(zhì))襯底上。優(yōu)選地，所采用的是制備在異質(zhì)襯底上的III-N襯底或者III-N模版，例如，直徑> 5cm并且晶向為(0001)取向的GaN模版。更優(yōu)選襯底表面相對于精確的(0001)晶面具有輕微的取向偏離(斜切)，例如，在從大約0.3到大約0.6°的范圍內(nèi)。在達(dá)到生長溫度之前(即在較低的溫度下)，優(yōu)選地，可以將氣體氣氛提前通入到反應(yīng)室中，氣體氣氛包含一種或者多種氣體，優(yōu)選選自由氫氣，氮?dú)夂桶睔饨M成的氣體，最優(yōu)選包括至少一種含N氣體。具體地，氨氣用來穩(wěn)定表面。在達(dá)到生長溫度后，通過供應(yīng) III族起始原料，開始生長III-N體晶。在生長GaN體晶的情形中，這意味著，例如，將氯化氫氣體流過( 源或者從其中吹過，由此產(chǎn)生氯化鎵氣體并將其通入到反應(yīng)室中。除了通入 III族起始原料外，可選地，可以通入所希望的用作摻雜劑的相應(yīng)的起始原料。圖1示意說明了可以應(yīng)用于本發(fā)明的一種HVPE設(shè)備的截面基本結(jié)構(gòu)。依據(jù)一種可能的實施方案的HVPE設(shè)備20包括石英反應(yīng)室21，包圍在反應(yīng)室21周圍的多區(qū)爐22，箭頭所示的供氣口 23，23’，以及箭頭所示的泵和排氣系統(tǒng)M。通過裝卸法蘭25將固定在襯底夾具26上的模版16裝入到反應(yīng)室中。然后，通過泵和排氣系統(tǒng)M，使反應(yīng)室達(dá)到所希望的工藝壓力，合適地處于彡IOOOmbar的范圍內(nèi)，例如大約950mbar。多區(qū)爐具有一區(qū)22A，用來設(shè)定襯底表面的生長溫度，以及二區(qū)22B，用來設(shè)定( 阱區(qū)28的溫度。將作為載氣的H2 和/或隊通過供氣口 23，23’通入到反應(yīng)室中。為了原位產(chǎn)生氯化鎵，通過在多區(qū)爐22的 22B區(qū)設(shè)定一個合適的溫度，比如大約850°C，而使( 阱中的( 氣化，并與采用H2/N2載氣并按合適的混氣比率和合適的流速從供氣口 23流入的HCl反應(yīng)。原位生成的氯化鎵從進(jìn)氣管23底部的開口流出，進(jìn)入到反應(yīng)室21中，在里面與NH3混和，NH3采用H2/N2作為混和載氣并按合適的混氣比率和合適的流速從進(jìn)氣管23’流入，以建立比如大約為6-7X IO3Pa 的NH3分壓。從圖1底部的溫度分布可以清楚地看到，為了將襯底溫度設(shè)定在合適的大約 950-1100°C，比如約1050°C，在多區(qū)爐22的22A區(qū)中建立的溫度高于22B區(qū)中的溫度。GaN 在襯底夾具上淀積。如果，不是淀積GaN層，而是淀積例如(Ga，Al，In)N層，(Ga，Al)N層或者(Ga，層，在HVPE設(shè)備20中需要提供另外的Al和/或h阱。然后，作為采用合適的載氣比如H2/N2通入HCl的結(jié)果，就會產(chǎn)生相應(yīng)的氯化鋁和/或氯化銦氣流進(jìn)入到反應(yīng)室中，這與圖1中針對( 的進(jìn)氣管23所示的結(jié)果相似。通過HVPE方法連續(xù)進(jìn)行淀積層的生長，直到得到了所希望的層厚，通過主動生長測量和生長控制，將生長速率保持恒定在預(yù)先確定的范圍內(nèi)的值，例如在50到700 μ m/h的范圍內(nèi)，優(yōu)選在200到500 μ m/h的范圍內(nèi)。為了主動生長測量和控制，襯底夾具沈包含合適的測量器件27，例如稱重模塊，或者超聲發(fā)射器和檢測器單元，其將在下面的其它具體實施方案中分別作進(jìn)一步詳細(xì)的解釋。由此確定的在測量精度內(nèi)的生長速率值通過線四送到計算機(jī)單元或者CPU (控制器)30中。如果計算機(jī)單元或者CPU 30檢測到測量的實際生長速率與預(yù)先設(shè)定的名義生長速率之間存在可檢測到的偏差，其中這個可檢測到的偏差超出了預(yù)先設(shè)定的不能容許的閾值，例如2%，計算機(jī)單元或者CPU(控制器)30送出信號31 來控制生長速率參數(shù)，直到測量的實際生長速率和預(yù)先設(shè)定的名義生長速率之間的偏差落在預(yù)先設(shè)定的不能容許的閾值以下。信號31對影響生長速率的一個或者多個合適的工藝參數(shù)進(jìn)行合適的控制，最有效地，其控制流速參數(shù)，特別是HCl的流速和/或HCVNH3的流速比。以這種方式，可以有效獲得具有優(yōu)異晶體均勻性的厚度范圍在例如200 μ g或以上， 優(yōu)選在300到30000 μ m范圍之內(nèi)的厚層。
可供選擇地，生長速率的控制調(diào)節(jié)可以手動進(jìn)行，優(yōu)選通過調(diào)節(jié)HCl的流速進(jìn)行。圖2-4示意說明了一種HVPE設(shè)備的截面改良結(jié)構(gòu)，其中，在具體實施方案中進(jìn)行的生長速率原位測量采用不同的方法進(jìn)行。這些不同的測量方法如圖2中所示采用稱重模塊，如圖3中所示采用超聲發(fā)射器和檢測器單元，如圖4中所示采用投影原理。圖2所示是一種具有集成的稱重模塊110的垂直HVPE反應(yīng)室100的示意結(jié)構(gòu)。 這里，稱重模塊Iio位于固定的感應(yīng)器夾具121和感應(yīng)器120之間；襯底150固定在感應(yīng)器 120上，外延層在襯底150上生長。因此，稱重模塊110稱量感應(yīng)器120加上生長的襯底150 的重量。對于HVPE反應(yīng)室100，進(jìn)一步分別顯示有反應(yīng)室壁130，HCl和載氣的進(jìn)氣口(參見底部的中間箭頭140A)，以及NH3和載氣的進(jìn)氣口(參見底部的兩個外邊的箭頭140B)， ( 源141，和用于排氣的排氣口(參見頂部的外邊的箭頭142)。采用稱重模塊同樣適用于襯底平放的水平反應(yīng)室，其中，在此情形中稱量的也是感應(yīng)器包括其上生長外延層的襯底的重量。在下面所示的實施方案中，與圖2中的HVPE反應(yīng)室100中的組件相同的或者相對應(yīng)的組件采用相同的標(biāo)注序號，因此不再對其進(jìn)行描述。圖3所示是一種具有集成的超聲發(fā)射器和檢測器(這里采用共同的標(biāo)注序號210) 的垂直HVPE反應(yīng)室200的示意結(jié)構(gòu)。超聲發(fā)射器和檢測器210位于襯底250的上面。這里，通過從襯底250的生長表面250A上反射回來的超聲波215的持續(xù)或者傳播時間來確定層厚。這個確定的持續(xù)或者傳播時間表明了外延生長的速率。同樣，采用超聲測量也同樣適用于襯底平放的水平反應(yīng)室。圖4所示是一種具有集成的基于投影原理的層厚測量的垂直HVPE反應(yīng)室300的示意結(jié)構(gòu)。這里，采用光源350，例如可以集成在反應(yīng)室壁130內(nèi)或者可以獨(dú)立提供的發(fā)光二極管或者激光二極管，對III-N晶體310進(jìn)行側(cè)面照射，通過合適的檢測器360，比如CXD 相機(jī)，從另一面對光進(jìn)行局域檢測，檢測器360也可以集成在反應(yīng)室壁310內(nèi)或者可以獨(dú)立提供。這里，隨著晶體長度的增加，晶體陰影移過檢測器360。陰影的移動速度用來確定生長速率。為了主動控制工藝過程中的生長速率，需要利用通過選定的方法確定的生長速率。為此，對用來控制III族源氣的電子質(zhì)量流控制器(MFC)設(shè)定端口。在生長GaN體晶的晶體生長情形中，用MFC來控制流過( 源的HCl氣流。另外，如果希望，其它氣流，比如，含 N氣體(例如NH3)的氣流也可以采用這種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，以這種方式，可以將V-III 比率保持恒定。然后，可以進(jìn)一步進(jìn)行在生長溫度下或者在另一個溫度下的退火步驟。在一個或者多個工藝步驟之后，比如像磨圓，準(zhǔn)直等，對生長的III-N體晶進(jìn)行分割，優(yōu)選的是線切割。在進(jìn)一步的工藝步驟，包括比如研磨，拋光，邊緣倒角，磨平或者切邊 (notch)，退火以及/或者各種修整步驟后，可以獲得單個化的III-N襯底。一般來講，研磨和拋光步驟是多步工藝。由于所描述的對生長速率的即時測量和控制，生長的III-N體晶以及通過后續(xù)工藝步驟得到的III-N襯底呈現(xiàn)出優(yōu)異的晶體質(zhì)量，特別是在生長方向上以及在與生長方向垂直的平面內(nèi)呈現(xiàn)出均勻的分布。從方法上講，這種晶體的質(zhì)量特征可以通過比如X射線衍射，例如X射線衍射曲線中對應(yīng)于特定晶格平面的衍射的絕對值和/或峰值半高寬的空間分布來確定。在生長平面或表面內(nèi)的晶體質(zhì)量均勻性可以通過例如在平行于生長平面或表面的平面上進(jìn)行的稱為X 射線搖擺曲線圖形掃描的方法來進(jìn)行評價(在樣品不同位置處記錄的ω掃描)。例如，在生長沿W001]方向的情形中，可以采用W002]晶格平面的反射來進(jìn)行ω掃描。通過對從相應(yīng)體晶上獲得的單個襯底進(jìn)行W002]掃描得到的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差來確定在生長方向上的晶體質(zhì)量的均勻性。可供選擇地，在生長方向上的晶體質(zhì)量均勻性也可以通過在其表面沿著生長方向取向的平面內(nèi)進(jìn)行的搖擺曲線圖形掃描的方法來進(jìn)行評價。在生長沿wool]方向的情形中，在掃描中可以利用，例如，從m-晶面(即選自{1100}或者{(1010)，(0 I 110)，(1100)， (1010)，(0110)，(1100)})上的反射，圖形掃描可以在相應(yīng)的m-晶面上進(jìn)行，或者在與相應(yīng)的m-晶面有輕微的取向偏移的平面上進(jìn)行，斜切角度在0到10°之間。確定晶體質(zhì)量均勻性的第二種方法是顯微Raman圖形掃描。這樣，例如，在平行于生長平面或者在生長方向上的平面上進(jìn)行掃描得到的E2-聲子的頻率和峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別表明了平行于生長平面的或者在生長方向上的晶體質(zhì)量的均勻性。同樣，在生長方向上的體晶的晶體質(zhì)量均勻性也可以優(yōu)選利用從相應(yīng)的體晶上獲得的單個襯底的&-聲子的峰值半高寬平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差來進(jìn)行確定。
實施例將直徑在50-60mm的GaN襯底裝入到Aixtron LP-HVPE反應(yīng)室中。該反應(yīng)室經(jīng)過改良，使得可以通過利用稱重模塊或者測壓元件測量晶體包括襯底夾具和感應(yīng)器的重量來即時確定生長的GaN體晶的重量?；诰哂猩涫鴱澢蛪毫Ψ答伒钠脚_式稱重模塊的幾何形狀，測壓元件是 Hottinger Baldwin Me^technik GmbH (Darmstadt，德國)公司的 S2 型測壓元件。輸出信號經(jīng)過測量放大器處理。在襯底上生長幾個mm厚的GaN體晶。例如， HVPE工藝在1040°C至1075°C的溫度下，在900到IOOOmbar的壓力下，V/III比率大約為 50，載氣組分大約為50%氫氣和50%氮?dú)獾那闆r下進(jìn)行。生長速率是220 μ m/h，并且是即時測量的，通過調(diào)節(jié)流過( 源的氯化氫氣流來進(jìn)行原位控制。搖擺曲線圖形掃描采用具有高分辨率的商用X射線衍射儀進(jìn)行，采用Cu Ka工射線束來進(jìn)行操作，并具有向內(nèi)準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)。對衍射儀進(jìn)行優(yōu)化，使由于設(shè)備造成的搖擺曲線展寬低于50%。對ω的增幅進(jìn)行選擇，使在峰值半高寬內(nèi)至少有20個測量點(diǎn)。在對樣品表面進(jìn)行的測量中，采用W002]反射，在χ-和y_方向上的增量為大約3mm。X射線束在表面上的聚集點(diǎn)的橫向尺寸< 3mm。測量時將離晶片邊2mm的邊緣部分排除在外。進(jìn)行顯微Raman測量采用的激光的激發(fā)波長為53211!11(倍頻而146激光器)，激發(fā)功率為3mW，并且是Jobin Yvon的Llabram800HR光譜儀，其中，通過顯微光學(xué)系統(tǒng)將激光聚焦到樣品上，光束直徑大約為lym。進(jìn)一步采用Ne等離子體線對光譜儀進(jìn)行校準(zhǔn)。測量采用背掃描幾何模式，其中，對起偏振器設(shè)置進(jìn)行選擇，以檢測E2-聲子[表面掃描z(y χ/ y)-z，_切面(slit face)掃描y(x x)_y]。當(dāng)進(jìn)行表面掃描時，在x_和y_方向上的增量是大約2. 5mm。離晶片邊2mm的邊緣部分在測量時排除在外。當(dāng)在垂直于表面的晶片切面上進(jìn)行掃描時，在ζ-方向上的增量是大約10 μ m。通過Lorentz線型分析確定E2-聲子的峰值半高寬和頻率。需要注意的，上面所描述的各個方面，優(yōu)點(diǎn)，實施方案和實施例的特征可以按所希望的方式 進(jìn)行結(jié)合。
權(quán)利要求
1.III-N體晶，其中，III表示周期表111族中的至少一種元素，選自Al、&1和h，其中，當(dāng)在(i)平行于生長平面的，和/或 ( )生長方向上的平面上對所述III-N體晶進(jìn)行搖擺曲線圖形掃描時，分別測量的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差在情形⑴中為5%或者更低，在情形(ii)中為10%或者更低，或， 其中，當(dāng)在(i)平行于生長平面的，和/或 ( )生長方向上的平面上對所述III-N體晶進(jìn)行顯微Raman圖形掃描時，測量的E2-聲子的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差在情形⑴中為5%或者更低，在情形(ii)中為10%或者更低。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的III-N體晶，其中，當(dāng)在 (i)平行于生長平面的，和/或( )生長方向上的平面上對所述III-N體晶進(jìn)行搖擺曲線圖形掃描時，分別測量的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差在情形(i)中為3%或者更低，在情形(ii)中為7. 5%或者更低。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的III-N體晶，其中，當(dāng)在 (i)平行于生長平面的，和/或( )生長方向上的平面上對所述III-N體晶進(jìn)行顯微Raman圖形掃描時，測量的E2-聲子的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差在情形⑴中為3%或者更低，在情形(ii)中為7. 5%或者更低。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的III-N體晶，其中，當(dāng)在 (i)平行于生長平面的，和/或( )生長方向上的平面上對所述III-N體晶進(jìn)行顯微Raman圖形掃描時，測量的E2-聲子的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差在情形⑴中為2%或者更低，在情形(ii)中為5%或者更低。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的III-N體晶，所述III-N體晶具有圓形的或者接近圓形的平面內(nèi)橫截面，圓形橫截面的直徑> 5cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的III-N體晶，所述III-N體晶的長度彡1mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的III-N體晶，所述III-N體晶的長度彡Icm0
8.根據(jù)權(quán)利要求1的III-N體晶，所述III-N體晶的長度彡3cm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的III-N體晶，其通過氣相外延生長。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的III-N體晶在分離一個或多個III-N襯底中的用途。
11.自支撐III-N襯底，其中，III表示周期表III族中的至少一種元素，選自AlWa和 In，當(dāng)在平行于生長平面的平面上進(jìn)行搖擺曲線圖形掃描時，測量的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差為5%或者更低，或，其中，當(dāng)在(i)平行于生長平面的，和/或 ( )生長方向上的平面上進(jìn)行顯微Raman圖形掃描時，測量的E2-聲子的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差在情形 ⑴中為3%或者更低，在情形(ii)中為5%或者更低。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的自支撐III-N襯底，其中，當(dāng)在平行于生長平面的平面上進(jìn)行搖擺曲線圖形掃描時，測量的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差為3%或者更低。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的自支撐III-N襯底，其中，當(dāng)在 (i)平行于生長平面的，和/或( )生長方向上的平面上進(jìn)行顯微Raman圖形掃描時，測量的E2-聲子的峰值半高寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差在情形 ⑴中為2%或者更低，在情形(ii)中為3%或者更低。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的自支撐III-N襯底，所述自支撐III-N襯底具有圓形的或者接近圓形的平面內(nèi)橫截面，圓形橫截面的直徑> 5cm。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的自支撐III-N襯底在制造光電和電子設(shè)備中作為襯底的用途。
全文摘要
本發(fā)明描述一種制備III-N體晶和自支撐III-襯底的方法以及III-N體晶和自支撐III-N襯底，其中，III代表選自元素周期表III族中的至少一種元素，選自Al，Ga和In，其中，III-N體晶通過氣相外延在襯底上生長，并且其中生長速率是即時測量的。通過原位，即在外延生長過程中，主動測量和控制生長速率，可以將實際生長速率保持在基本恒定。由此，可以獲得在生長方向上以及在與生長方向垂直的生長平面內(nèi)分別具有優(yōu)異晶體質(zhì)量的III-N體晶以及從上面分離的單個的III-N單晶襯底。
文檔編號C30B25/18GK102358955SQ20111033289
公開日2012年2月22日 申請日期2007年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月8日
發(fā)明者F·哈貝爾, G·萊比格, S·艾希勒 申請人:弗賴貝格化合物原料有限公司