专利名称：制备iii-n 体晶和自支撑iii-n 衬底的方法以及iii-n 体晶和自支撑iii-n 衬底的制作方法
制备I I I-N体晶和自支撑I I I-N衬底的方法以及I I I-N体晶和自支撑M I-N衬底本申请是申请日为2007年5月4日、申请号为200780016871. 0、发明名称为“制备III-N体晶和自支撑III-N衬底的方法以及III-N体晶和自支撑III-N衬底”的发明专利申请的分案申请。
背景技术：
本发明涉及从气体或者气相制备III-N体晶的方法，以及制备从III-N体晶获得的自支撑III-N衬底的方法。“III-N”一词代表III-N化合物，其中，III代表选自元素周期表III族中的至少一种元素，选自Alja和In(下面有时简写成(Alja，In))，N代表氮。 III-N体晶和自支撑III-N衬底包含III-N化合物作主体材料，优选地，它们分别基本上或者完全由III-N化合物组成，可选地还与杂质一起组成。本发明进一步涉及可有利地通过这样的方法获得的III-N体晶和自支撑III-N衬底。自支撑III-N衬底特别适合作为用来制造光电和电子设备的衬底。在工业应用中，用于(Al，Ga, h)N基发光二极管或者激光二极管的组件或者器件传统地生长在异质衬底上，比如Al2O3 (蓝宝石)或者SiC。通过生长在III-N衬底，比如(Al，
衬底上，可以缓和因采用异质衬底而导致的与晶体质量有关以及与由此决定的组件或器件的寿命和效率有关的缺陷。然而，直到如今，还没有足够质量的这样的衬底可供采用。 这主要是由在传统体材料生长技术中，因在一般的生长温度下，相比III-N化合物，氮的稳态蒸气压过高所造成的困难决定的。Porowski (MRS Internet J. Nitride Semiconduct. Res. 4S1,1999,G1.3)描述了在高压下的体材料生长。这种方法提供了具有质量价值的GaN 体材料，但是，到现在为止，具有的缺点是这样只能制备表面积最大为IOOmm2的小GaN衬底。而且，这种制备方法与其它方法相比需要长的制备时间，并且由于过高的生长压力，在技术上是费力的，成本很高。另一种方法包括，在异质衬底上从气体相(gas phase)或者气相中生长III_N 材料，然后将III-N材料从异质衬底上分离。对于制备厚的III-N自支撑层，比如GaN， 已知的是比如M. Kelly 等(Jpn. J. Appl. Phys. 38 卷，1999，第 L217-L219 页)，“Large Free-Standing GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy and Laser Induced Lift-Off"，将已采用氢化物气相外延(HVPE)生长在蓝宝石(Al2O3)制的衬底上的厚GaN 层从蓝宝石衬底上分离。为此目的，该文献这样描述采用激光对淀积了 GaN的蓝宝石衬底进行辐照，结果，GaN层在与蓝宝石衬底的界面上发生局部热分解，由此从蓝宝石衬底上剥离下来。另外可供选择的分离方法包括对衬底进行湿化学刻蚀(比如GaAs的例子参看 K. Motoki 等，Jap. J. Appl. Phys. 40 卷，2001，第 L140-L143 页)、干化学刻蚀(比如 SiC 的例子，参看 Yu. Melnik 等，Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 482 卷，1998，第 269-274 页)或者机械研磨(例如蓝宝石的例子，参见H.-M. Kim等，Ma . Res. Soc. Symp. 639卷，2001，第 G6. 51. 1-G6. 51. 6页)。上述方法的缺点是，一方面，由于衬底分离技术复杂所带来的相对高成本，另一方面，主要困难是难以制备具有均勻的低缺陷密度的III-N材料。在III-N衬底上通过气相外延生长厚的III-N体晶(梨晶)，然后通过切割方法将体晶分离得到单个的III-N衬底为上述方法提供了另外一种选择。Vaudo等(US 6，596，079)描述了这种方法。HVPE被选为优选的生长方法，作为优选的梨晶长度，提到的数值是> lmm，4mm或者10mm。Vaudo等进一步特别描述了是如何通过线切割或者进一步的处理步骤，比如化学/机械抛光，反应性离子刻蚀或者光电化学刻蚀，从体晶上获得III-N 衬底。进一步的，在Vaudo等的国际专利申请(W001/68955A1)中也提到了采用上述技术制备的III-N体晶和衬底。Melnik等描述了一种生长晶体长度大于Icm的GaN-(US6，616，757)或者 AlGaN-(US 2005 0212001A1)体晶的方法。这种方法的基本步骤包括在衬底上生长(Al)GaN单晶层，去除衬底，清洗在(Al)GaN单晶层上的(Al)GaN体晶。作为优选方法，提到了一种具有特殊反应室结构的HVPE方法。进一步，Melnik等在美国专利申请 (US2005-0164044A1)和在美国专利6，936，357中描述了具有各种特性，比如尺寸，位错密度或者X射线摇摆曲线峰值半高宽的GaN-和AWaN-体晶。发明简述本发明的目的是提供一种制备III-N体晶的方法，以及提供在生长方向上和/或在与生长方向垂直的平面内分别具有优异的晶体质量及其均勻分布的III-N衬底。依据第一个方面，本发明提供一种制备III-N体晶的方法，其中，III代表选自元素周期表III族中的至少一种元素，选自Al，( 和In，其中，III-N体晶通过气相外延的方法在衬底或者模版上生长，并且，其中，生长速率是即时测量的。在本发明的第一个方面的优选实施方案中，生长速率是主动控制的。依据第二个方面，本发明提供一种制备III-N体晶的方法，其中，III代表选自元素周期表III族中的至少一种元素，选自Al，( 和In，其中，III-N体晶通过气相外延的方法在衬底或者模版上生长，并且，其中，生长速率在外延生长过程中基本上保持在至少一个恒定值。依据本发明的方法操作，能够在大部分过程中，优选基本上在整个过程中，如果希望，在将体晶生长到所希望的长度的整个过程中，基本上将生长速率保持住。依据本发明采用的“基本上恒定”一词意味着可以获得在下面将进一步详细描述的本发明的晶体质量。在一个优选的实施方案中，当用来测量生长速率的方法通过将实际生长速率与名义(所希望的)生长速率比较确定出最大10%，特别地，最大5%，尤其地，最大2%的偏差时，要进行修正或调节到实际恒定的生长速率。在进一步优选的方法中，生长速率是精确恒定的，即，处于控制精度内(标准偏差士 0.5%)。在所希望厚度的III-N体晶的整个生长过程中，可以将生长速率保持在一个预先确定的值；或者，可以将生长速率在不同的阶段保持在多个不同的预先确定的但是分别恒定的值。在本发明的第一个和第二个方面的优选实施方案中，III-N体晶的外延生长可以直接在异质衬底(foreign substrate)上，或者在同质衬底(native substrate)上进行。 在III-N体晶生长之前，可以淀积一层或者多层中间层来形成包含异质或者同质衬底的模版，中间层的组分的选择可以与III-N体晶的组分无关。淀积中间层的工艺，技术和/或设备可以自由选择。例如，中间层的生长速率可以测量，或者测量并保持恒定，或者，可以既不测量也不保持恒定。在本发明的第一和第二个方面的优选实施方案中，采用氢化物气相外延作为生长方法。
为了测量和确定生长速率，特别合适的一种方法选自如下方法·称量晶体或者晶体以及晶体夹具包括感应器的重量；·确定从生长表面上反射回来的超声波的持续或者传播时间(running time)；·确定通过照射得到的晶体阴影，例如，从侧面照射生长的晶体，并采用C⑶在生长的晶体后面对移动的阴影进行检测(投影原理)；以及 光学三角测量，S卩，确定角度，在该角度下测定从生长表面上反射回来的激光束。在本发明的第一和第二个方面的优选实施方案中，通过即时控制将生长的前平面 /表面的位置保持恒定。在本发明的第一和第二个方面的优选实施方案中，采用具有c-，a-, m-或者晶面作为生长表面/平面的III-N衬底或者模版作为衬底，III-N体晶淀积在这样选定的生长平面/表面上。在本发明的第一和第二个方面的优选实施方案中，采用具有的生长平面相对于 C-, a-, m-或者r-晶面具有0. 1-30°的斜切角度(off-angle)的III-N衬底作为衬底，在其上淀积III-N体晶。在本发明的第一和第二个方面的优选实施方案中，在衬底或者模版上淀积掺杂的 III-N体晶，衬底或者模版本身就是掺杂的III-N衬底或者模版，其中，分别采用选自硅， 碲，镁和铁中的一种元素作为掺杂剂。在本发明的第一和第二个方面的优选实施方案中，生长的III-N体晶具有圆形的或者接近圆形的平面内(in-plane)横截面，圆形横截面具有的直径彡5cm。生长的III-N 体晶的长度优选> 1mm，更优选> 1cm，特别优选> 3cm。与其它相比，本发明的特别优点是，可以用具有上述所希望尺寸的生长的III-N 体晶，以及从其上制备的单个的自支撑III-N衬底，在晶体质量，特别是在垂直于生长方向的生长平面内的晶体质量和晶体质量的均勻分布方面获得独特的性能。在本发明的第一和第二个方面的优选实施方案中，分别采用单晶形式的蓝宝石， 碳化硅，砷化镓，铝酸锂或者硅作衬底，在上面依据本发明生长III-N体晶。在特别优选的实施方案中，采用GaN衬底作为自支撑形式的或者模版形式的衬底，依据本发明生长GaN体
曰
曰曰ο在进行完依据本发明的工艺后，通过从III-N体晶上分离一个或者多个III-N衬底可以方便的制备出自支撑的III-N晶体衬底。各种合适的分离方法是熟知的，线切割是尤其合适的一种。然后，可以进行进一步的处理步骤，其中具体的例子包括研磨，抛光(化学的和/或机械的)，刻蚀(湿式的和/或干式的)，后续热处理，在气氛中进行调节(合适地至少含有氨)，以及/或者任何所希望的修整或者清洗步骤。依据本发明的另一个的方面，提供具有独特晶体质量的III-N体晶。本发明的 III-N体晶可通过上述依据本发明的方法获得。优选地，III-N体晶采用依据上面确定的本发明的第一和第二个方面的本发明的方法制备，可选地，依据上面所述的优选实施方案制备。具体地，依据本发明的III-N体晶以及相应地由其分离的单个的和自支撑的 III-N衬底的独特的、让人惊异的良好晶体质量可以采用摇摆曲线图形扫描和/或显微 Raman图形扫描(mapping)来确定。
这样，当在(i)平行于生长平面的和/或(ii)生长方向上的平面上进行本发明的III-N体晶的摇摆曲线图形扫描时，所分别测得的峰值半高宽的标准偏差为，在情形⑴ 中是5%或者更低，优选3%或者更低，在情形(ii)中是10%或者更低，优选7. 5%或者更低。标准偏差一般这样确定，在要测量的平面(i)或者(ii)上分别在大量测量点，比如100 个(或者其它位置数量)，进行摇摆曲线图形扫描测量，得到所有测量的峰值半高宽的平均值，通过常用的统计评估来确定相对于这个平均值的标准偏差。如果在情形(ii)中，在体晶生长方向上进行晶片的晶面分离是所不希望的，可以合适地按这样的方式进行首先， 从体晶上分离下大量的晶面与生长方向垂直的晶片(例如，像在通常制备晶片的过程中那样，通过相对于体晶纵向进行横向线切割)，然后，在这样分离的晶片上在大量比如100个测量点(或者另外的测量位置数量)分别进行摇摆曲线图形扫描测量，之后，确定出用这些分离晶片分别确定的峰值半高宽平均值的标准偏差。如果，与前面所述的直接测量的在生长方向上的标准偏差相比，在对比测量中，在材料的一个样品上存在偏差，那么，由于精度更高，在生长方向上的直接测量是有效的。作为另一个可供选择的或者补充的质量参数，在对本发明的III-N体晶在(i)平行于生长平面的和/或(ii)生长方向上的平面上进行显微Raman图形扫描时，所测量的E2 声子的峰值半高宽的标准偏差在情形(i)中为5%或者更低，优选3%或者更低，进一步优选2%或者更低，在情形(ii)中为10%或者更低，优选7. 5%或者更低，进一步优选5%或者更低。同样的，标准偏差一般这样确定，在要测量的平面(i)或者(ii)上分别在大量测量点，比如100个(或者其它位置数量)，进行显微Raman图形扫描测量，得到所有测量的E2 声子的峰值半高宽的平均值，通过常用的统计评估来确定相对于这个平均值的标准偏差。 在情形(ii)中，同样可以合适地这样进行首先，从体晶上分离下大量晶面与生长方向垂直的晶片(例如，像在通常制备晶片的过程中那样，通过相对于体晶的纵向进行横向线切割)，然后，分别在大量比如100个测量点(或者另外的测量位置数量)上进行所述的显微 Raman图形扫描测量，之后，确定出用这些分离晶片分别确定的氏声子的峰值半高宽平均值的标准偏差。如果，与前面所述的直接测量的在生长方向上的标准偏差相比，在用材料样品进行的对比测量中存在偏差，由于精度更高，在生长方向上的直接测量是有效的。通过从这样提供的III-N体晶上分离，可以得到具有相应的晶体质量的单个的自支撑III-N衬底。因此，在对依据本发明的自支撑III-N衬底在平行于生长平面的平面上进行摇摆曲线图形扫描时，测得的峰值半高宽的标准偏差为5%或者更低，优选3%或者更低，更优选2%或者更低。同样地，在对本发明的自支撑III-N衬底在⑴平行于生长平面的和/或(ii)生长方向上的平面上进行显微Raman图形扫描时，所测量的氏声子的峰值半高宽的标准偏差在情形(i)中为3%或者更低，优选2%或者更低，在情形(ii)中为5%或者更低，优选3% 或者更低。至于摇摆曲线图形扫描测量和显微Raman图形扫描测量，参考上面的描述。
在附图中，图1示意说明了可以应用于本发明的一种HVPE设备的截面基本结构；
图2示意说明了一种HVPE设备的截面基本结构，采用该设备可以依据本发明的一个具体实施方案通过称重模块来进行生长速率的原位测量；图3示意说明了一种HVPE设备的截面基本结构，采用该设备可以依据本发明的另一个具体实施方案通过超声发射器和探测器单元来进行生长速率的原位测量；图4示意说明了一种HVPE设备的截面基本结构，采用该设备可以依据本发明的另一个具体实施方案通过投影原理来进行生长速率的原位测量。具体实施方案描述下面，描述本发明的优选实施方案，然而，它们不能被理解成限制方式。相反，这些描述仅仅用来解释本发明，对本领域技术人员来讲，明显地，允许处于所附权利要求范围内的变动和改良。在上述引言部分中描述的现有技术方法中，例如，Vaudo等的或者Melnik等的技术方法中，没有一个提供这样的暗示，即在晶体生长过程中，对生长速率进行原位测量或控制。即使希望或者倾向于得到一个名义的生长速率，在外延生长厚的III-N层或者相应的体晶(例如，提供至少Imm的层厚或者体晶长度)所需要的过程中没有合适的控制，实际上也不能获得恒定的生长速率(至少在测量精度内)。一般的，影响大致恒定的生长速率的各种因素包括，例如小平面的形成(具有不是所希望的平面或者表面的生长平面或表面)，寄生淀积，变化的温度场(特别是在生长平面上)，起始组分的质量流速不精确(例如HCl的通入流速和/或NH3的通入流速)，起始组分的反应转变的不精确(例如，与( 源的逐渐下降的填充水平相关)，以及不能一直恒定的III-N比率。依据本发明，注意到，在气相外延工艺，特别是在HVPE中，生长速率是一个如此强烈地决定晶体质量的参数，以致于对生长速率进行原位，即在外延生长过程中，进行测量和主动控制，可以对晶体质量及其在生长方向上和/或在与生长方向垂直的平面内的均勻分布产生想象不到的显著好处。依据本发明，通过对生长速率原位进行测量和主动控制，有利地，可以确保在生长过程中将生长速率恒定在控制精度内。至少一种，甚至很多种前面所述的可能发生的会影响和削弱实际恒定的生长速率的因素，可以避免和/或减少，和/或抵消掉。结果，依据本发明，可以提供将好的晶体质量及其在生长方向上和/或在与生长方向垂直的平面内均勻分布独特结合在一起的III-N体晶以及分别从其上分离的单个的III-N衬底。依据本发明，对HVPE设备进行适当的改变，从而可以采用合适的方法实现对生长速率的原位测量。作为特别合适的方法，可以采用如下方法(i)采用称重模块，或者测压元件，或者力传感器对晶体或者对晶体加上晶体夹具和感应器一起进行称重；(ii)测量从生长表面反射回来的超声波的持续时间或者传播时间；(iii)确定通过照射所得到的晶体阴影，例如通过CXD (投影原理)；(iv)光学三角测量，即，确定角度，在该角度下测定从生长表面上反射回来的激光束，或者(ν)与晶片垂直的反射(对较厚的层适用性较低)。在这样改良的HVPE设备中，采用异质衬底或者III-N衬底作为起始的或者晶种衬底。作为可能的衬底形式所谓的模版也可以包括在内，其中，依据材料类型和淀积方法，将与III-N晶体材料无关的一层或者多层中间层材料淀积到(异质或者同质)衬底上。优选地，所采用的是制备在异质衬底上的III-N衬底或者III-N模版，例如，直径> 5cm并且晶向为(0001)取向的GaN模版。更优选衬底表面相对于精确的(0001)晶面具有轻微的取向偏离(斜切)，例如，在从大约0.3到大约0.6°的范围内。在达到生长温度之前(即在较低的温度下)，优选地，可以将气体气氛提前通入到反应室中，气体气氛包含一种或者多种气体，优选选自由氢气，氮气和氨气组成的气体，最优选包括至少一种含N气体。具体地，氨气用来稳定表面。在达到生长温度后，通过供应 III族起始原料，开始生长III-N体晶。在生长GaN体晶的情形中，这意味着，例如，将氯化氢气体流过( 源或者从其中吹过，由此产生氯化镓气体并将其通入到反应室中。除了通入 III族起始原料外，可选地，可以通入所希望的用作掺杂剂的相应的起始原料。图1示意说明了可以应用于本发明的一种HVPE设备的截面基本结构。依据一种可能的实施方案的HVPE设备20包括石英反应室21，包围在反应室21周围的多区炉22，箭头所示的供气口 23，23’，以及箭头所示的泵和排气系统M。通过装卸法兰25将固定在衬底夹具26上的模版16装入到反应室中。然后，通过泵和排气系统M，使反应室达到所希望的工艺压力，合适地处于彡IOOOmbar的范围内，例如大约950mbar。多区炉具有一区22A，用来设定衬底表面的生长温度，以及二区22B，用来设定( 阱区28的温度。将作为载气的H2 和/或队通过供气口 23，23’通入到反应室中。为了原位产生氯化镓，通过在多区炉22的 22B区设定一个合适的温度，比如大约850°C，而使( 阱中的( 气化，并与采用H2/N2载气并按合适的混气比率和合适的流速从供气口 23流入的HCl反应。原位生成的氯化镓从进气管23底部的开口流出，进入到反应室21中，在里面与NH3混和，NH3采用H2/N2作为混和载气并按合适的混气比率和合适的流速从进气管23’流入，以建立比如大约为6-7X IO3Pa 的NH3分压。从图1底部的温度分布可以清楚地看到，为了将衬底温度设定在合适的大约 950-1100°C，比如约1050°C，在多区炉22的22A区中建立的温度高于22B区中的温度。GaN 在衬底夹具上淀积。如果，不是淀积GaN层，而是淀积例如(Ga，Al，In)N层，(Ga，Al)N层或者(Ga，层，在HVPE设备20中需要提供另外的Al和/或h阱。然后，作为采用合适的载气比如H2/N2通入HCl的结果，就会产生相应的氯化铝和/或氯化铟气流进入到反应室中，这与图1中针对( 的进气管23所示的结果相似。通过HVPE方法连续进行淀积层的生长，直到得到了所希望的层厚，通过主动生长测量和生长控制，将生长速率保持恒定在预先确定的范围内的值，例如在50到700 μ m/h的范围内，优选在200到500 μ m/h的范围内。为了主动生长测量和控制，衬底夹具沈包含合适的测量器件27，例如称重模块，或者超声发射器和检测器单元，其将在下面的其它具体实施方案中分别作进一步详细的解释。由此确定的在测量精度内的生长速率值通过线四送到计算机单元或者CPU (控制器)30中。如果计算机单元或者CPU 30检测到测量的实际生长速率与预先设定的名义生长速率之间存在可检测到的偏差，其中这个可检测到的偏差超出了预先设定的不能容许的阈值，例如2%，计算机单元或者CPU(控制器)30送出信号31 来控制生长速率参数，直到测量的实际生长速率和预先设定的名义生长速率之间的偏差落在预先设定的不能容许的阈值以下。信号31对影响生长速率的一个或者多个合适的工艺参数进行合适的控制，最有效地，其控制流速参数，特别是HCl的流速和/或HCVNH3的流速比。以这种方式，可以有效获得具有优异晶体均勻性的厚度范围在例如200 μ g或以上， 优选在300到30000 μ m范围之内的厚层。
可供选择地，生长速率的控制调节可以手动进行，优选通过调节HCl的流速进行。图2-4示意说明了一种HVPE设备的截面改良结构，其中，在具体实施方案中进行的生长速率原位测量采用不同的方法进行。这些不同的测量方法如图2中所示采用称重模块，如图3中所示采用超声发射器和检测器单元，如图4中所示采用投影原理。图2所示是一种具有集成的称重模块110的垂直HVPE反应室100的示意结构。 这里，称重模块Iio位于固定的感应器夹具121和感应器120之间；衬底150固定在感应器 120上，外延层在衬底150上生长。因此，称重模块110称量感应器120加上生长的衬底150 的重量。对于HVPE反应室100，进一步分别显示有反应室壁130，HCl和载气的进气口(参见底部的中间箭头140A)，以及NH3和载气的进气口(参见底部的两个外边的箭头140B)， ( 源141，和用于排气的排气口(参见顶部的外边的箭头142)。采用称重模块同样适用于衬底平放的水平反应室，其中，在此情形中称量的也是感应器包括其上生长外延层的衬底的重量。在下面所示的实施方案中，与图2中的HVPE反应室100中的组件相同的或者相对应的组件采用相同的标注序号，因此不再对其进行描述。图3所示是一种具有集成的超声发射器和检测器(这里采用共同的标注序号210) 的垂直HVPE反应室200的示意结构。超声发射器和检测器210位于衬底250的上面。这里，通过从衬底250的生长表面250A上反射回来的超声波215的持续或者传播时间来确定层厚。这个确定的持续或者传播时间表明了外延生长的速率。同样，采用超声测量也同样适用于衬底平放的水平反应室。图4所示是一种具有集成的基于投影原理的层厚测量的垂直HVPE反应室300的示意结构。这里，采用光源350，例如可以集成在反应室壁130内或者可以独立提供的发光二极管或者激光二极管，对III-N晶体310进行侧面照射，通过合适的检测器360，比如CXD 相机，从另一面对光进行局域检测，检测器360也可以集成在反应室壁310内或者可以独立提供。这里，随着晶体长度的增加，晶体阴影移过检测器360。阴影的移动速度用来确定生长速率。为了主动控制工艺过程中的生长速率，需要利用通过选定的方法确定的生长速率。为此，对用来控制III族源气的电子质量流控制器(MFC)设定端口。在生长GaN体晶的晶体生长情形中，用MFC来控制流过( 源的HCl气流。另外，如果希望，其它气流，比如，含 N气体(例如NH3)的气流也可以采用这种方式进行调节。例如，以这种方式，可以将V-III 比率保持恒定。然后，可以进一步进行在生长温度下或者在另一个温度下的退火步骤。在一个或者多个工艺步骤之后，比如像磨圆，准直等，对生长的III-N体晶进行分割，优选的是线切割。在进一步的工艺步骤，包括比如研磨，抛光，边缘倒角，磨平或者切边 (notch)，退火以及/或者各种修整步骤后，可以获得单个化的III-N衬底。一般来讲，研磨和抛光步骤是多步工艺。由于所描述的对生长速率的即时测量和控制，生长的III-N体晶以及通过后续工艺步骤得到的III-N衬底呈现出优异的晶体质量，特别是在生长方向上以及在与生长方向垂直的平面内呈现出均勻的分布。从方法上讲，这种晶体的质量特征可以通过比如X射线衍射，例如X射线衍射曲线中对应于特定晶格平面的衍射的绝对值和/或峰值半高宽的空间分布来确定。在生长平面或表面内的晶体质量均勻性可以通过例如在平行于生长平面或表面的平面上进行的称为X 射线摇摆曲线图形扫描的方法来进行评价(在样品不同位置处记录的ω扫描)。例如，在生长沿W001]方向的情形中，可以采用W002]晶格平面的反射来进行ω扫描。通过对从相应体晶上获得的单个衬底进行W002]扫描得到的峰值半高宽的标准偏差来确定在生长方向上的晶体质量的均勻性。可供选择地，在生长方向上的晶体质量均勻性也可以通过在其表面沿着生长方向取向的平面内进行的摇摆曲线图形扫描的方法来进行评价。在生长沿wool]方向的情形中，在扫描中可以利用，例如，从m-晶面(即选自{1100}或者{(1010)，(0 I 110)，(1100)， (1010)，(0110)，(1100)})上的反射，图形扫描可以在相应的m-晶面上进行，或者在与相应的m-晶面有轻微的取向偏移的平面上进行，斜切角度在0到10°之间。确定晶体质量均勻性的第二种方法是显微Raman图形扫描。这样，例如，在平行于生长平面或者在生长方向上的平面上进行扫描得到的E2-声子的频率和峰值半高宽的标准偏差分别表明了平行于生长平面的或者在生长方向上的晶体质量的均勻性。同样，在生长方向上的体晶的晶体质量均勻性也可以优选利用从相应的体晶上获得的单个衬底的&-声子的峰值半高宽平均值的标准偏差来进行确定。
实施例将直径在50-60mm的GaN衬底装入到Aixtron LP-HVPE反应室中。该反应室经过改良，使得可以通过利用称重模块或者测压元件测量晶体包括衬底夹具和感应器的重量来即时确定生长的GaN体晶的重量。基于具有射束弯曲和压力反馈的平台式称重模块的几何形状，测压元件是 Hottinger Baldwin Me^technik GmbH (Darmstadt，德国)公司的 S2 型测压元件。输出信号经过测量放大器处理。在衬底上生长几个mm厚的GaN体晶。例如， HVPE工艺在1040°C至1075°C的温度下，在900到IOOOmbar的压力下，V/III比率大约为 50，载气组分大约为50%氢气和50%氮气的情况下进行。生长速率是220 μ m/h，并且是即时测量的，通过调节流过( 源的氯化氢气流来进行原位控制。摇摆曲线图形扫描采用具有高分辨率的商用X射线衍射仪进行，采用Cu Ka工射线束来进行操作，并具有向内准直的光学系统。对衍射仪进行优化，使由于设备造成的摇摆曲线展宽低于50%。对ω的增幅进行选择，使在峰值半高宽内至少有20个测量点。在对样品表面进行的测量中，采用W002]反射，在χ-和y_方向上的增量为大约3mm。X射线束在表面上的聚集点的横向尺寸< 3mm。测量时将离晶片边2mm的边缘部分排除在外。进行显微Raman测量采用的激光的激发波长为53211!11(倍频而146激光器)，激发功率为3mW，并且是Jobin Yvon的Llabram800HR光谱仪，其中，通过显微光学系统将激光聚焦到样品上，光束直径大约为lym。进一步采用Ne等离子体线对光谱仪进行校准。测量采用背扫描几何模式，其中，对起偏振器设置进行选择，以检测E2-声子[表面扫描z(y χ/ y)-z，_切面(slit face)扫描y(x x)_y]。当进行表面扫描时，在x_和y_方向上的增量是大约2. 5mm。离晶片边2mm的边缘部分在测量时排除在外。当在垂直于表面的晶片切面上进行扫描时，在ζ-方向上的增量是大约10 μ m。通过Lorentz线型分析确定E2-声子的峰值半高宽和频率。需要注意的，上面所描述的各个方面，优点，实施方案和实施例的特征可以按所希望的方式 进行结合。
权利要求
1.III-N体晶，其中，III表示周期表111族中的至少一种元素，选自Al、&1和h，其中，当在(i)平行于生长平面的，和/或 ( )生长方向上的平面上对所述III-N体晶进行摇摆曲线图形扫描时，分别测量的峰值半高宽的标准偏差在情形⑴中为5%或者更低，在情形(ii)中为10%或者更低，或， 其中，当在(i)平行于生长平面的，和/或 ( )生长方向上的平面上对所述III-N体晶进行显微Raman图形扫描时，测量的E2-声子的峰值半高宽的标准偏差在情形⑴中为5%或者更低，在情形(ii)中为10%或者更低。
2.根据权利要求1的III-N体晶，其中，当在 (i)平行于生长平面的，和/或( )生长方向上的平面上对所述III-N体晶进行摇摆曲线图形扫描时，分别测量的峰值半高宽的标准偏差在情形(i)中为3%或者更低，在情形(ii)中为7. 5%或者更低。
3.根据权利要求1的III-N体晶，其中，当在 (i)平行于生长平面的，和/或( )生长方向上的平面上对所述III-N体晶进行显微Raman图形扫描时，测量的E2-声子的峰值半高宽的标准偏差在情形⑴中为3%或者更低，在情形(ii)中为7. 5%或者更低。
4.根据权利要求1的III-N体晶，其中，当在 (i)平行于生长平面的，和/或( )生长方向上的平面上对所述III-N体晶进行显微Raman图形扫描时，测量的E2-声子的峰值半高宽的标准偏差在情形⑴中为2%或者更低，在情形(ii)中为5%或者更低。
5.根据权利要求1的III-N体晶，所述III-N体晶具有圆形的或者接近圆形的平面内横截面，圆形横截面的直径> 5cm。
6.根据权利要求1的III-N体晶，所述III-N体晶的长度彡1mm。
7.根据权利要求1的III-N体晶，所述III-N体晶的长度彡Icm0
8.根据权利要求1的III-N体晶，所述III-N体晶的长度彡3cm。
9.根据权利要求1的III-N体晶，其通过气相外延生长。
10.根据权利要求1的III-N体晶在分离一个或多个III-N衬底中的用途。
11.自支撑III-N衬底，其中，III表示周期表III族中的至少一种元素，选自AlWa和 In，当在平行于生长平面的平面上进行摇摆曲线图形扫描时，测量的峰值半高宽的标准偏差为5%或者更低，或，其中，当在(i)平行于生长平面的，和/或 ( )生长方向上的平面上进行显微Raman图形扫描时，测量的E2-声子的峰值半高宽的标准偏差在情形 ⑴中为3%或者更低，在情形(ii)中为5%或者更低。
12.根据权利要求11的自支撑III-N衬底，其中，当在平行于生长平面的平面上进行摇摆曲线图形扫描时，测量的峰值半高宽的标准偏差为3%或者更低。
13.根据权利要求11的自支撑III-N衬底，其中，当在 (i)平行于生长平面的，和/或( )生长方向上的平面上进行显微Raman图形扫描时，测量的E2-声子的峰值半高宽的标准偏差在情形 ⑴中为2%或者更低，在情形(ii)中为3%或者更低。
14.根据权利要求11的自支撑III-N衬底，所述自支撑III-N衬底具有圆形的或者接近圆形的平面内横截面，圆形横截面的直径> 5cm。
15.根据权利要求11的自支撑III-N衬底在制造光电和电子设备中作为衬底的用途。
全文摘要
本发明描述一种制备III-N体晶和自支撑III-衬底的方法以及III-N体晶和自支撑III-N衬底，其中，III代表选自元素周期表III族中的至少一种元素，选自Al，Ga和In，其中，III-N体晶通过气相外延在衬底上生长，并且其中生长速率是即时测量的。通过原位，即在外延生长过程中，主动测量和控制生长速率，可以将实际生长速率保持在基本恒定。由此，可以获得在生长方向上以及在与生长方向垂直的生长平面内分别具有优异晶体质量的III-N体晶以及从上面分离的单个的III-N单晶衬底。
文档编号C30B25/18GK102358955SQ20111033289
公开日2012年2月22日 申请日期2007年5月4日 优先权日2006年5月8日
发明者F·哈贝尔, G·莱比格, S·艾希勒 申请人:弗赖贝格化合物原料有限公司