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
背景技術:
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。"III-N"—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Al, Ga和In(下面有時簡寫成(Al, Ga, 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 電子設備的襯底。
在工業(yè)應用中,用于(A1, Ga, In) 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A1203 (藍寶石) 或者SiC。通過生長在III-N襯底,比如(A1, Ga)N襯底上,可以緩和
因采用異質(zhì)襯底而導致的與晶體質(zhì)量有關以及與由此決定的組件或器 件的壽命和效率有關的缺陷。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, Gl. 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,具有的缺點是這樣只 能制備表面積最大為100 nrn^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 上是費力的,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in-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巻,1999, 第 L217-L219頁),"Large Free—Standing GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy and Laser Induced Lift-Off",將已采用氬化物氣相外延(HVPE )生長 在藍寶石(A1203 )制的襯底上的厚GaN層從藍寶石襯底上分離。為此 目的,該文獻這樣描述釆用激光對淀積了 GaN的藍寶石襯底進行輻 照,結果,GaN層在與藍寶石襯底的界面上發(fā)生局部熱分解,由此從 藍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行濕 化學刻蝕(比如GaAs的例子參看K. Motoki等,Jap. J. Appl. Phys. 40巻,2001,第L140-L143頁)、干化學刻蝕(比如SiC的例子,參 看Yu. Melnik等,Mat. Res. Soc . Symp . Proc . 482巻,1998,第 269-274頁)或者機械研磨(例如藍寶石的例子,參見H.-M. Kim等, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 639巻,2001,第G6. 51. 1-G6, 51. 6 頁)。上述方法的缺點是, 一方面,由于襯底分離技術復雜所帶來的相 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, 4 mm或者IO mm。 Vaudo等進一步特別描述了是如何通過線切割或者進 一步的處理步驟,比如化學/機械拋光,反應性離子刻蝕或者光電化學 刻蝕,從體晶上獲得III-N村底。進一步的,在Vaudo等的國際專利 申請(WO 01/68955 Al)中也提到了采用上述技術制備的III-N體晶 和襯底。
Melnik等描述了 一種生長晶體長度大于1 cm的GaN- (US 6, 616, 757)或者AlGaN-(US 2005 0212001 Al)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 有特殊反應室結構的HVPE方法。進一步,Melnik等在美國專利申請 (US 2005-0164044 Al)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 AlGaN-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
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,Ga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,Ga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 以獲得在下面將進一步詳細描述的本發(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,要進行修正或調(diào)節(jié)到實際恒定的生長速率。在 進一步優(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)
(標準偏差士O. 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,ni-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。淀積中間層的工藝, 技術和/或設備可以自由選擇。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,釆用氫化物氣 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 t ime );
-確定通過照射得到的晶體陰影,例如,從側面照射生長的晶體, 并采用CCD在生長的晶體后面對移動的陰影進行檢測(投影原理); 以及
-光學三角測量,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。
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r-晶面作為生長表面/平面的III-N襯底或者模版作為襯 底,11I-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>5 cm。生長的III-N體晶的長度優(yōu)選^1 mm,更優(yōu) 選>1 cm,特別優(yōu)選>3 cm。
與其它相比,本發(fā)明的特別優(yōu)點是,可以用具有上述所希望尺寸 的生長的in-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ni-N體晶。在特別優(yōu)選的實施方案中,釆用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體晶。
在進行完依據(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 行進一步的處理步驟,其中具體的例子包括研磨,拋光(化學的和/ 或機械的),刻蝕(濕式的和/或干式的),后續(xù)熱處理,在氣氛中進 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體晶以及相應地由其分離的單個的 和自支撐的III-N襯底的獨特的、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,當在(i)平行于生長平面的和/或(ii)在生長方向上的平
面上進行本發(fā)明的ni-N體晶的搖擺曲線圖形掃描時,所分別測得的
峰值半高寬的標準偏差為,在情形(i)中是5%或者更低,優(yōu)選3%或 者更低,在情形(ii)中是10。/?;蛘吒?,優(yōu)選7. 5%或者更低。標準偏 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,比如IOO個(或者其它位置數(shù)量),進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準偏差。如果在情形(ii)中,在體晶生長方向 上進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行橫向線切 割),然后,在這樣分離的晶片上在大量比如IOO個測量點(或者另 外的測量位置數(shù)量)分別進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準偏差。如果,與 前面所述的直接測量的在生長方向上的標準偏差相比,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)在生長方向上的平面 上進行顯微Raman圖形掃描時,所測量的E2聲子的峰值半高寬的標準 偏差在情形(i )中為5%或者更低,優(yōu)選3%或者更低,進一步優(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,進一 步優(yōu)選5%或者更低。
同樣的,標準偏差一般這樣確定,在要測量的平面(i)或者Ui) 上分別在大量測量點,比如IOO個(或者其它位置數(shù)量),進行顯微 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準偏差。在情形 (ii)中,同樣可以合適地這樣進行首先,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行橫向線切割),然后,分別在大量比如100 個測量點(或者另外的測量位置數(shù)量)上進行所述的顯微Raman圖形 掃描測量,之后,確定出用這些分離晶片分別確定的E2聲子的峰值半 高寬平均值的標準偏差。如果,與前面所述的直接測量的在生長方向 上的標準偏差相比,在用材料樣品進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行搖擺曲線圖形掃描時,測 得的峰值半高寬的標準偏差為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(i)平行于生長平面的 和/或(ii )在生長方向上的平面上進行顯微Raman圖形掃描時,所測 量的E2聲子的峰值半高寬的標準偏差在情形(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示意說明了可以應用于本發(fā)明的一種HVPE設備的截面基本
結構;
圖2示意說明了一種HVPE設備的截面基本結構,采用該設備可 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行生長速率的原
位測量;
圖3示意說明了 一種HVPE設備的截面基本結構,釆用該設備可以 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 行生長速率的原位測量;
圖4示意說明了一種HVPE設備的截面基本結構,采用該設備可以依據(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,對本領域技術人員來 講,明顯地,允許處于所附權利要求范圍內(nèi)的變動和改良。
在上述引言部分中描述的現(xiàn)有技術方法中,例如,Vaudo等的或 者Melnik等的技術方法中,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層或者相應的體晶(例 如,提供至少lmm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HC1的通入流速和/或冊3的通入流速),起始組分的反應轉變
的不精確(例如,與Ga源的逐漸下降的填充水平相關),以及不能一
直恒定的ni-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烈地決定晶體質(zhì)量的參數(shù),以致
于對生長速率進行原位,即在外延生長過程中,進行測量和主動控制, 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
因素,可以避免和/或減少,和/或抵消掉。結果,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)均勻分布獨特結合在一起的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設備進行適當?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,可以釆用如 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器一起進行稱重;
(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CCD(投影原
理);
(iv) 光學三角測量,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
(v) 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>5 cm并且晶向為(OOOl)取向的GaN模版。更優(yōu)選襯底表面相對于精確 的(OOOl)晶面具有輕微的取向偏離(斜切),例如,在從大約O. 3到 大約0. 6°的范圍內(nèi)。
在達到生長溫度之前(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,氮氣和氨氣組成的氣體,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。在達到生長溫度后,通過供應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Ga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的起始原料。圖1示意說明了可以應用于本發(fā)明的一種HVPE設備的截面基本結 構。依據(jù)一種可能的實施方案的HVPE設備20包括石英反應室21,包 圍在反應室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)24。通過裝卸法蘭25將固定在襯底夾具26 上的模版16裝入到反應室中。然后,通過泵和排氣系統(tǒng)24,使反應 室達到所希望的工藝壓力,合適地處于< 1000 mbar的范圍內(nèi),例如 大約950 mbar。多區(qū)爐具有一區(qū)22A,用來設定襯底表面的生長溫度, 以及二區(qū)22B,用來設定Ga阱區(qū)28的溫度。將作為載氣的H2和/或 N2通過供氣口 23, 23,通入到反應室中。為了原位產(chǎn)生氯化鎵,通過 在多區(qū)爐22的22B區(qū)設定一個合適的溫度,比如大約850X:,而使Ga 阱中的Ga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HC1反應。原位生成的氯化鎵從進氣管23底部 的開口流出,進入到反應室21中,在里面與冊3混和,匪3釆用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氣管23,流入, 以建立比如大約為6-7 x l03Pa的冊3分壓。從圖1底部的溫度分布可 以清楚地看到,為了將襯底溫度設定在合適的大約950-1100X:,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, In)N層,在HVPE設備20中需要 提供另外的Al和/或In阱。然后,作為采用合適的栽氣比如H2/N2 通入HC1的結果,就會產(chǎn)生相應的氯化鋁和/或氯化銦氣流進入到反應 室中,這與圖1中針對Ga的進氣管23所示的結果相似。
通過HVPE方法連續(xù)進行淀積層的生長,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先確定 的范圍內(nèi)的值,例如在50到700 jLim/h的范圍內(nèi),優(yōu)選在200到500 jLim/h的范圍內(nèi)。為了主動生長測量和控制,襯底夾具26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一步詳細的解釋。由此確定的在 測量精度內(nèi)的生長速率值通過線29送到計算機單元或者CPU(控制器)30中。如果計算機單元或者CPU 30檢測到測量的實際生長速率與預 先設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 的偏差超出了預先設定的不能容許的閾值,例如2%,計算機單元或者 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 生長速率和預先設定的名義生長速率之間的偏差落在預先設定的不能
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)進行合適的控制,最有效地,其控制流速參數(shù),特別是HC1的流 速和/或HCl/麗3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200jng或以上,優(yōu)選在300到30000 jLim范
圍之內(nèi)的厚層。
可供選擇地,生長速率的控制調(diào)節(jié)可以手動進行,優(yōu)選通過調(diào)節(jié) HC1的流速進行。
圖2-4示意說明了一種HVPE設備的截面改良結構,其中,在具體 實施方案中進行的生長速率原位測量釆用不同的方法進行。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中所示釆用投影原理。
圖2所示是一種具有集成的稱重模塊110的垂直HVPE反應室100 的示意結構。這里,稱重模塊IIO位于固定的感應器夾具121和感應 器120之間;襯底150固定在感應器120上,外延層在襯底150上生 長。因此,稱重模塊110稱量感應器120加上生長的襯底150的重量。 對于HVPE反應室100,進一步分別顯示有反應室壁130, HC1和栽氣 的進氣口(參見底部的中間箭頭140A),以及冊3和栽氣的進氣口(參 見底部的兩個外邊的箭頭140B),Ga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'室,其中,在此情形中稱量的也是感應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反應室100 中的組件相同的或者相對應的組件采用相同的標注序號,因此不再對 其進行描述。
圖3所示是一種具有集成的超聲發(fā)射器和檢測器(這里采用共同的標注序號210)的垂直HVPE反應室200的示意結構。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 反應室300的示意結構。這里,采用光源350,例如可以集成在反應 室壁130內(nèi)或者可以獨立提供的發(fā)光二極管或者激光二極管,對III-N 晶體310進行側面照射,通過合適的檢測器360,比如CCD相機,從 另一面對光進行局域檢測,檢測器360也可以集成在反應室壁310內(nèi) 或者可以獨立提供。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)設定端口。在生長GaN體晶的晶體生長情形中,用MFC來控制 流過Ga源的HCl氣流。另外,如果希望,其它氣流,比如,含N氣體
(例如麗3)的氣流也可以釆用這種方式進行調(diào)節(jié)。例如,以這種方式,
可以將V-III比率保持恒定。
然后,可以進一步進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,準直等,對生長的
in-N體晶進行分割,優(yōu)選的是線切割。在進一步的工藝步驟,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村底。 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
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行的稱為X射線搖擺 曲線圖形掃描的方法來進行評價(在樣品不同位置處記錄的co掃描)。 例如,在生長沿[OOOl]方向的情形中,可以采用
晶格平面的反
射來進行O)掃描。
通過對從相應體晶上獲得的單個襯底進行
掃描得到的峰值
半高寬的標準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)進行的搖擺曲線圖形掃描的方法來進行 評價。在生長沿
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), (OlllO), (1100), (1010), (0110), (1100)})上的反射,圖形掃描可以在相應的m-晶面上進行, 或者在與相應的m-晶面有輕微的取向偏移的平面上進行,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行掃描得到的 E2-聲子的頻率和峰值半高寬的標準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)選利用從相應的體晶上獲得的單個襯底
的E2-聲子的峰值半高寬平均值的標準偏差來進行確定。 實施例
將直徑在50-60 mm的GaN襯底裝入到Aixtron LP-HVPE反應室中。 該反應室經(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器的重量來即時確定生長的GaN體晶的重量。 基于具有射束彎曲和壓力反饋的平臺式稱重模塊的幾何形狀,測壓元
件是Hottinger Baldwin MelUechnik 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 腿厚的GaN體晶。例如,HVPE工藝在l(MOX:至10""C的溫度下,在 900到1000 mbar的壓力下,V/III比率大約為50,栽氣組分大約為 50%氫氣和50%氮氣的情況下進行。生長速率是220)Lim/h,并且是即時 測量的,通過調(diào)節(jié)流過Ga源的氯化氫氣流來進行原位控制。
搖擺曲線圖形掃描采用具有高分辨率的商用X射線衍射儀進行, 采用Cu Kod射線束來進行操作,并具有向內(nèi)準直的光學系統(tǒng)。對衍 射儀進行優(yōu)化,使由于設備造成的搖擺曲線展寬低于50%。對(o的增 幅進行選擇,使在峰值半高寬內(nèi)至少有20個測量點。在對樣品表面進 行的測量中,釆用
反射,在x-和y-方向上的增量為大約3mm。 X射線束在表面上的聚集點的橫向尺寸《3 mm。測量時將離晶片邊2 腿的邊緣部分排除在外。
進行顯微Raman測量采用的激光的激發(fā)波長為532 nm (倍頻Nd: YAG激光器),激發(fā)功率為3mW,并且是Jobin Yvon的Llabram800HR 光譜儀,其中,通過顯微光學系統(tǒng)將激光聚焦到樣品上,光束直徑大 約為ljam。進一步釆用Ne等離子體線對光鐠儀進行校準。測量采用 背掃描幾何模式,其中,對起偏振器設置進行選擇,以檢測E2-聲子[表 面掃描z (y x/y)-z,-切面(slit face)掃描y(x x)-y]。 當進 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。當在垂直于表面的晶片切面上進行掃 描時,在z-方向上的增量是大約10 jLim。通過Lorentz線型分析確定 Ef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,實施方案和實施例 的特征可以按所希望的方式進行結合。
權利要求
1. 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,Ga和In,其中,III-N體晶通過氣相外延在襯底或者模版上生長,其中,生長速率是即時測量的。
2. 依據(jù)權利要求l的方法,其中,生長速率是主動控制的。
3. 依據(jù)權利要求1或2的方法,其中,在生長III-N體晶之前, 先淀積一層或者多層中間層,中間層組分的選擇與III-N體晶的組分 無關。
4. 依據(jù)權利要求l-3任一項的方法,其中,采用氫化物氣相外延 作為生長方法。
5. 依據(jù)權利要求l-4任一項的方法,其中,通過選自如下方法中 的方法來對生長速率進行測量或者確定 對晶體或者晶體和晶體夾具包括感應器進行稱重; 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; 確定通過照射生長晶體所得到的晶體陰影,在生長的晶體后面對移動的陰影進行檢測;以及-光學三角測量,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。
6. 依據(jù)權利要求l-6任一項的方法,其中,通過即時控制將生長 前表面的位置保持恒定。
7. 依據(jù)前述權利要求任一項的方法,其中,釆用具有c-, a-, m-或者r-晶面作生長平面的III-N襯底或者模版作為襯底,且III-N體晶淀積在這樣選定的生長平面/表面上。
8. 依據(jù)前述權利要求任一項的方法,其中,釆用生長平面或表面 相對于c-, a-, m-或者r-晶面具有0.1-30。的斜切角的III-N襯 底作為襯底,且III-N體晶淀積在這樣的襯底上。
9. 依據(jù)前述權利要求任一項的方法,其中,摻雜的III-N體晶淀 積在襯底或者模版上,襯底或模版優(yōu)選本身就是摻雜的III-N襯底或 模版,其中,分別采用選自硅,碲,鎂和鐵中的一種元素作摻雜劑。
10. —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, Ga和In,其中,III-N體晶通過 氣相外延生長在襯底或者模版上,其中,在外延生長過程中,實際的 生長速率被基本保持在至少一個恒定值。
11. 依據(jù)前述權利要求任一項的方法,其中,所生長的III-N體 晶具有圓形的或者接近圓形的平面內(nèi)橫截面,圓形截面的直徑>5 cm。
12. 依據(jù)前述權利要求任一項的方法,其中,生長的III-N體晶 的長度>1 mm。
13. 依據(jù)權利要求12的方法,其中,生長的in-N體晶的長度〉 1 cm。
14. 依據(jù)權利要求12的方法,其中,生長的III-N體晶的長度〉 3 cm。
15. 依據(jù)前述權利要求任一項的方法,其中,分別釆用單晶形式 的藍寶石,碳化硅,砷化鎵,鋁酸鋰或者硅作為襯底,III-N體晶在這樣的襯底上或者在包含這樣的襯底的模版上生長。
16. 依據(jù)前述權利要求任一項的方法,其中,采用包含GaN表面 的襯底作為自支撐形式或者模版形式的襯底,并生長GaN體晶。
17. 由依據(jù)前述權利要求任一項的方法獲得的III-N體晶。
18. III-N體晶,其中,當在 (i)平行于生長平面和/或 (iii)在生長方向上的平面上對所述III-N體晶進行搖擺曲線圖形掃描時,分別測量的 峰值半高寬的標準偏差在情形(i)中為5%或者更低,在情形(ii)中為 10%或者更低。
19. III-N體晶,其中,當在 (i) 平行于生長平面和/或 (iii)在生長方向上的平面上對所述III-N體晶進行顯微Raman圖形掃描時,測量的E2-聲子的峰值半高寬的標準偏差在情形(i)中為5%或者更低,在情形(ii) 中為10°/?;蛘吒?。
20. —種制備自支撐III-N襯底的方法,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, Ga和In,該方法包括 步驟a) 進行依據(jù)權利要求l-16任一項的方法,以及b) 分離下一個或者多個III-N襯底。
21. 依據(jù)權利要求20的方法,其中,分離步驟通過線切割進行, 并且進行進一步的處理步驟,所述步驟選自研磨,拋光,刻蝕,另外的熱處理,在氣體氛圍中進行調(diào)節(jié),以及修整步驟。
22. 由權利要求20或21的方法獲得的自支撐III-N襯底。
23. 自支撐III-N襯底,其中,當在平行于生長平面的平面上進 行搖擺曲線圖形掃描時,測量的峰值半高寬的標準偏差為5%或者更 低。
24. 自支撐III-N襯底,其中,當在 (i) 平行于生長平面和/或(iii)在生長方向上的 平面上進行顯微Raman圖形掃描時,測量的E廣聲子的峰值半高寬 的標準偏差在情形(i)中為3%或者更低,在情形(ii)中為5%或者更低。
全文摘要
本發(fā)明描述一種制備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,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C30B29/40GK101443488SQ200780016871
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月4日 優(yōu)先權日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