[发明专利]用于制备III‑N单晶的方法以及III‑N单晶

说明书

本发明涉及用于制备复合衬底(以下称为“模板”)和用于制备III-N单晶的制备方法。根据本发明的方法能够制备无裂纹的III-N单晶，所述单晶尤其适合用作晶片。III表示元素周期表第三主族中选自Al、Ga和In的至少一种元素。

III-N单晶具有重要的技术意义。大量的半导体元件和光电元件，如功率元件、高频元件、发光二极管和激光器都是以这些材料为基础。在制备这样的装置时通常在起始衬底上进行外延晶体生长，或在起始衬底上首先形成模板，然后通过另外的外延生长可以在所述模板上沉积III-N层或III-N单晶体。作为起始衬底，可以使用III-N-衬底或尤其是异质衬底。在使用异质衬底的情况下，在生长过程中由于起始衬底的和已经生长的层的热膨胀系数的差异可能导致在III-N层内部出现应变或裂纹。多达1mm的较厚的层也可以借助于部分结构化的，由WSiN、TiN或SiO₂形成的中间层生长并且然后作为独立的层剥离，所述层通常具有塑性的，凹型弯曲的c-晶格平面和表面。尤其是当在该方法中舍弃使用中间层时，在起始衬底与已经生长的III-N层之间的界面处和所述界面上可以产生成垂直的或水平的微裂纹，所述微裂纹随着时间的变化而延伸并且可能导致在冷却过程中或之后GaN-层破裂。

从Hearne等，Applied Physics Letters 74，356-358(1999)的研究已知的是，在蓝宝石衬底上沉积GaN期间形成随着生长而逐渐增强的内在拉伸应力(Stress)。原位应力监控表明，由生长产生的拉伸应力能够不可测量地通过退火或热循环松弛。此外这还意味着，在GaN-层生长结束时获得的应力在冷却和重新加热到相同的(生长-)温度之后再次达到相同的值。在Hearne等的情况下也找到遵循背景、关联性和对外在的(即由于在蓝宝石衬底与GaN-层之间产生的不同的热膨胀系 数)和内在的(即通过生长产生的)应力的可能性的解释。

在Journal of crystal Growth 289，445-449(2006)中Napierala等描述了用于制备GaN/蓝宝石模板的方法，由于可以通过调节氮化镓-雏晶的密度来控制氮化镓中的内在应力，使得薄层中的应力能够通过弯曲而释放，从而在衬底上生长无裂纹的薄GaN-层。但是在该方法中厚层不能补偿生长过程中的压力并且尽管弯曲仍然易于断裂。Richter 等(E.Richter，U.Zeimer，S.Hagedorn，M.Wagner，F.Brunner，M.Weyers，G.Traenkle，Journal of crystal Growth 312，[2010]2537)描述一种通过氢化物气相外延(HVPE)制备GaN-晶体的方法，在所述方法中通过调节氯化镓分压而可以无裂纹地生长2.6mm的GaN-层，其中获得的GaN-层在表面上具有大量的V-凹点。采用这种工艺生长的晶体具有5.8mm的厚度，然而其具有较长的裂纹。Brunner等在Journal of crystal Growth 298，202-206(2007)中指出层厚对生长中的III-N层的弯曲的影响。任选采用InGaN-顺从-层对在GaN-蓝宝石-模板上GaN和AlGaN的生长进行研究。在此表明，对于Al-摩尔份额为2.8％和7.6％的AlGaN和GaN而言，凹型弯曲在生长过程中增大，这根据观察伴随着拉伸应力的产生(参见图3)。此外当铝含量升高时凹型弯曲也增加，相应地拉伸应力也增加。此外还显示了硅掺杂的铟-锗_-氮化物层对GaN-缓冲层上的Al-摩尔份额为7.6％的AlGaN-层的生长的影响。为此一方面将Al-摩尔份额为7.6％的AlGaN-层直接生长在GaN-缓冲层上和另一方面将硅掺杂的铟-镓-氮化物层作为中间层生长在GaN-缓冲层上，其中随后将Al-摩尔份额为7.6％的AlGaN-层生长在该中间层上生长。由此表明，在GaN-缓冲层上施加硅掺杂的铟_-镓_-氮化物层导致在晶体内的压应力。在所述方法过程中GaN-缓冲层的最初的凹型弯曲在降温过程中转变成轻微的凸型弯曲，和通过在相同的方法内生长In_0.06GaN-层，所述凸型弯曲在另外的生长期间增强。在随后进行的在该In_0.06GaN-层上施加Al_0.076GaN-层时最终达到凹型弯曲，与在没有In_0.06GaN-中间层的情况下所产生的弯曲相比，所述凹型弯曲较小。