高质量第III族金属氮化物晶种及其制备方法技术

公开了具有局部近似线性阵列的穿线位错图案的高质量氨热第第III族金属氮化物晶体、制造高质量氨热第III族金属氮化物晶体的方法以及使用这种晶体的方法。这些晶体可用于晶种本体晶体生长，并可用作发光二极管、激光二极管、晶体管、光电检测器、太阳能电池和用于氢气产生装置的光电化学水分解的衬底。产生装置的光电化学水分解的衬底。产生装置的光电化学水分解的衬底。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高质量第III族金属氮化物晶种及其制备方法

技术介绍


[0001]本公开一般而言涉及用于处理用于制造第III族金属氮化物衬底(包括含镓氮化物衬底)的材料的技术。更具体地，本公开的实施方式包括用于使用处理技术的组合来生长大面积衬底的技术。本公开可应用于生长GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN和AlInGaN等的晶体以制造主体或图案化衬底。这种主体或图案化衬底可用于多种应用，包括光电器件、激光器、发光二极管、太阳能电池、光电化学水分解、氢气产生、光电检测器、集成电路、功率二极管、晶体管等。
[0002]相关技术描述
[0003]基于氮化镓(GaN)的光电器件和电子器件具有巨大的商业重要性。然而，这些器件的质量和可靠性受到高缺陷水平的影响，特别是器件的半导体层中的穿线位错(threading dislocation)、晶界和应变。穿线位错可能由GaN基半导体层与非GaN衬底(诸如蓝宝石或碳化硅)的晶格失配引起。晶界可能由外延过生长层的合并前沿引起。其他缺陷可能由热膨胀失配、杂质和倾斜边界引起，具体取决于层生长的细节。
[0004]缺陷的存在对随后生长的外延层具有有害影响。这种影响包括损害电子器件性能。为了克服这些缺陷，已经提出了需要复杂、繁琐的制造工艺来减少缺陷的集中和/或影响的技术。虽然已经提出了大量用于氮化镓晶体的常规生长方法，但是仍然存在局限性。也就是说，常规方法仍然值得改进以节约成本并提高效率。
[0005]在缺陷水平明显低于异质外延GaN层的大面积氮化镓晶体的生长中已经取得了进展。然而，用于生长大面积GaN衬底的大多数技术都涉及在非GaN衬底诸如蓝宝石、硅或GaAs上沉积GaN，这以适中的成本提供了在大直径方面的商业可用性的益处。这种方法通常在厚晶锭表面上产生平均浓度为105‑
107cm
‑2的穿线位错，以及显著的弯曲、应力和应变。此外，应变导致晶体曲率半径通常为约1至10米，并且由这些晶锭制备的50mm或100mm晶片的直径上的晶体错切变化在0.1至1度或更大的范围内。对于许多应用来说，减少穿线位错的浓度和错切变化是期望的。当将晶锭切成晶片时，弯曲、应力和应变会导致低产率，使晶片在下游处理过程中容易破裂，并且还可能对器件的可靠性和寿命产生负面影响。错切变化会导致在外延层生长过程中对各种物质的可变吸收。例如，对铟的可变吸收会导致晶片上LED或激光器件结构的发射波长发送变化，这要求器件制造商测量每个单独器件的输出并相应地进行分箱，从而提高成本。还发现错切变化会降低功率器件(诸如二极管和晶体管)的可靠性和寿命。弯曲、应力和应变的另一个结果是，在m
‑
平面和半极性方向上的生长过程中，即使通过近平衡技术诸如氨热生长，也可能会产生显著浓度的堆垛层错。此外，由于裂纹、多个结晶域等的形成，c
‑
平面生长的质量可能不令人满意。目前制造大于4英寸的衬底的能力非常有限，生产具有非极性或半极性结晶取向的大面积GaN衬底的能力也是如此。
[0006]与氢化物气相外延(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)相比，氨热晶体生长作为制造GaN晶锭的方法具有许多优点。然而，氨热GaN晶体生长处理的性能可能显著地取决
于晶种的尺寸和质量。通过常规HVPE方法制造的晶种可能会遭受与新生长的氨热材料相关的晶格失配以及上述许多限制，并且大面积氨热生长的晶体不能广泛获得。
[0007]至少由于上述问题，需要一种具有较低缺陷密度并通过改进晶体生长工艺的技术形成的衬底。

技术实现思路

[0008]根据本公开，提供了与用于处理用于制造镓基衬底的材料的技术相关的其他技术。更具体地，本公开的实施方式包括用于使用处理技术的组合来生长大面积衬底的技术。仅以举例的方式，本公开可应用于生长GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN和AlInGaN等的晶体以制造主体或图案化衬底。这种主体或图案化衬底可用于多种应用，包括光电器件、激光器、发光二极管、太阳能电池、光电化学水分解和氢气产生、光电检测器、集成电路和晶体管等。
[0009]本公开的实施方式包括一种用于形成自支撑第III族金属氮化物晶体的方法，包括将处理衬底联接到模板，其中所述模板包括模板衬底和第III族金属氮化物层，所述模板衬底具有第一表面，所述第一表面上设置有所述第III族金属氮化物层，并且所述模板衬底包含蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、锗、硅锗合金、MgAl2O4尖晶石、ZnO、ZrB2、BP、InP、AlON、ScAlMgO4、YFeZnO4、MgO、Fe2NiO4、LiGa5O8、Na2MoO4、Na2WO4、In2CdO4、铝酸锂(LiAlO2)、LiGaO2、Ca8La2(PO4)6O2、氮化镓(GaN)或氮化铝(AlN)中的一种，所述处理衬底是多晶的，并且具有在第一方向上的热膨胀系数，在室温和约700摄氏度之间，所述第一方向上的热膨胀系数等于所述第III族金属氮化物层在所述第一方向上的所述热膨胀系数，在约15％内，所述处理衬底包含与所述第III族金属氮化物层基本上相同的组成，并且所述第一方向平行于所述第一表面；以及去除所述模板衬底以形成第III族金属氮化物复合衬底，其中所述第III族金属氮化物复合衬底具有包括所述第III族金属氮化物层的至少一部分的暴露表面。
[0010]本公开的实施方式还可以包括一种用于形成自支撑第III族金属氮化物晶体的方法，包括将处理衬底联接到模板，其中所述模板包括模板衬底和第III族金属氮化物层，其中所述第III族金属氮化物层设置在所述模板衬底的第一表面上方，并且所述处理衬底是多晶的，并且在室温和约700摄氏度之间具有在所述第III族金属氮化物层的
±
15％内的第一方向上的热膨胀系数，并且包含与所述第III族金属氮化物层基本上相同的组成，其中所述第一方向平行于所述第一表面；去除所述模板衬底以形成第III族金属氮化物复合衬底，其中所述第III族金属氮化物复合衬底具有包括孤立的生长中心区域的图案的暴露表面，每个孤立的生长中心区域包括所述第III族金属氮化物层的至少一部分；以及从所述孤立的生长中心区域的所述图案竖直和横向地生长第III族金属氮化物结晶材料，以形成本体生长第III族金属氮化物层，其中在两个或更多个相邻生长中心之间生长的所述第III族金属氮化物结晶材料的部分合并。
[0011]通过参考说明书和附图可以实现对本公开的性质和优点的进一步理解。
附图说明
[0012]为了可以详细地理解本公开的上述特征的方式，可以通过参考实施方式来对以上简要概述的本公开进行更具体的描述，其中一些实施方式在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出示例性实施方式，并且因此不应被视为限制其范围，并且可以允许其他等效实
施方式。
[0013]图1A和图1B是示出根据本公开的实施方式的形成具有晶片接合层的模板衬底和处理衬底的方法的简化截面图。
[0014]图2A和图2B是示出根据本公开的实施方式的形成处理衬底的方法的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于形成自支撑第III族金属氮化物晶体的方法，所述方法包括：将处理衬底联接到模板，其中所述模板包括模板衬底和第III族金属氮化物层，所述模板衬底具有第一表面，所述第一表面上设置有所述第III族金属氮化物层，并且所述模板衬底包含蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、锗、硅
‑
锗合金、MgAl2O4尖晶石、ZnO、ZrB2、BP、InP、AlON、ScAlMgO4、YFeZnO4、MgO、Fe2NiO4、LiGa5O8、Na2MoO4、Na2WO4、In2CdO4、铝酸锂(LiAlO2)、LiGaO2、Ca8La2(PO4)6O2、氮化镓(GaN)或氮化铝(AlN)中的一种，所述处理衬底是多晶的，并且具有在第一方向上的热膨胀系数，在室温和约700摄氏度之间，所述第一方向上的热膨胀系数等于第III族金属氮化物层在所述第一方向上的热膨胀系数，在约15％内，所述处理衬底包含与所述第III族金属氮化物层基本上相同的组成，并且所述第一方向平行于所述第一表面；以及去除所述模板衬底以形成第III族金属氮化物复合衬底，其中所述第III族金属氮化物复合衬底具有包括第III族金属氮化物层的至少一部分的暴露表面。2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述处理衬底联接到模板还包括将模板结合到处理衬底或在所述模板上形成处理衬底。3.根据权利要求2所述的方法，还包括在所述模板上形成所述处理衬底之前在所述第III族金属氮化物层上沉积保护层。4.根据权利要求1所述的方法，还包括：对所述第III族金属氮化物复合衬底进行本体晶体生长工艺，以形成本体生长的第III族金属氮化物层；以及将所述本体生长的第III族金属氮化物层与所述处理衬底分离以形成自支撑第III族金属氮化物晶锭，其中所述自支撑第III族金属氮化物晶锭具有第一表面和第二表面，并且所述第二表面在所述本体生长的第III族金属氮化物层与所述处理衬底分离的过程中形成。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述本体晶体生长工艺包括氨热生长工艺。6.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二表面的特征在于在(0 0 0
±
1)c
‑
平面的5度内的结晶取向。7.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二表面的特征在于，在{10
‑
10}m
‑
平面的5度内的结晶取向，或在选自如下平面的5度内的半极性取向：{60
‑6±
1}、{50
‑5±
1}、{40
‑4±
1}、{30
‑3±
1}、{50
‑5±
2}、{70
‑7±
3}、{20
‑2±
1}、{30
‑3±
2}、{40
‑4±
3}、{50
‑5±
4}、{10
‑1±
1}、{1 0
ꢀ‑1ꢀ±
2}、{1 0
ꢀ‑1ꢀ±
3}、{2 1
ꢀ‑3ꢀ±
1}和{3 0
ꢀ‑3ꢀ±
4}的半极性取向。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述处理衬底包括多晶第III族金属氮化物，并形成在所述第III族金属氮化物层上。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述暴露表面包括孤立的生长中心区域的图案，每个孤立的生长中心区域包括所述第III族金属氮化物层的至少一部分，并且孤立的生长中心区域的图案包括最小尺寸介于1微米和100微米之间的生长中心，并且其特征在于至少一个间距尺寸介于5微米和5毫米之间，并且
所述方法还包括：从孤立的生长中心区域的图案竖直和横向地生长第III族金属氮化物结晶材料，以形成具有暴露的本体生长表面的本体生长的第III族金属氮化物层，其中在两个或更多个相邻生长中心之间生长的第III族金属氮化物结晶材料的部分合并。10.根据权利要求9所述的方法，还包括：将本体生长的第III族金属氮化物层与处理衬底分离以形成具有第二表面的自支撑第III族金属氮化物晶锭，其中所述第二表面在...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克，
申请(专利权)人：SLT科技公司，
类型：发明
国别省市：