[发明专利]低碳的III族元素氮化物晶体

说明书

技术领域

本发明涉及用于制备III族元素氮化物晶体、半导体和具有适用于紫外光学器件和紫外光学半导体装置的紫外透明性的其他组合物或装置的系统和方法。本发明还涉及所述晶体、半导体和包含该晶体的其他组合物或装置。

背景技术

由于在400nm到210nm以下的范围内的固有UV透明性，III族元素氮化物或III-氮化物晶体（尤其是具有较高Al含量的那些）适合用在紫外(UV)光学器件和UV光学半导体装置中。然而，目前III族元素氮化物晶体在中紫外和深紫外区中的光吸收并不适于开发对300nm以下的波长具有在70-90%范围内的光吸收的实用的UV光学器件和UV光学半导体装置。大多数III族元素氮化物晶体在其理论截止波长之前具有UV透明度(UV transparency)的急剧下降。对于具有高Al含量的AlGaN和AlN III-氮化物尤其如此。光吸收的升高以前归因于晶体中的氧浓度。然而，仅单独降低氧浓度的努力未在III族元素氮化物晶体中提供充分提高的300nm以下的UV透明度。其他降低UV吸收的努力包括降低晶体的厚度，然而，这些仅获得有限的成功。

典型地，制备高质量的III-氮化物晶体需要高温，尤其是具有较高Al含量的那些。通常用于制备所述晶体的两种方法是氢化物气相外延(HVPE)和物理气相传输(physical vapor transport, PVT)。使用HVPE工艺可能难以实现高温和良好的生产速率。大多数HVPE反应器使用石英壁和输送管/流动通道系统。基于石英的高温HVPE反应器遭遇到很多可能限制最高温度的问题，例如石英与氯化氢(HCl)的高温反应。在HCl存在下与石英有关的问题是公知的，且记载在Mori等的美国专利4,808,551中，其通过引用方式整体并入本文。

石英与金属卤化物的反应也是成问题的。对于基于卤化物的AlN生长，当形成一卤化铝(如AlCl、AlI或AlBr)时这是显著的。对于金属卤化物，特别是在升高的温度下的氯化物-Si相互作用使得AlN的生长成问题。例如，反应器发生结构损坏，因为基于石英的反应器受到前体和反应后气体(例如MClx和HCl)的侵蚀。这类物质(species)各自侵蚀石英中的Si且在长期暴露期间会造成该系统的灾难性故障。

此外，石英在金属卤化物存在下可能造成Si不期望地引入到所制备的晶体中。例如，在石英反应器中生成的SiCl_x进入III-氮化物反应气体混合物中，其中Si如同作为该III-氮化物半导体系统中的N型掺杂剂。此外，Si已经确定为当在高温下引入时降低III-氮化物光电子器件中的UV透明度的试剂。

美国专利申请公开号US 2008/0083970中公开了提高UV透明度的另一种尝试，其通过引用方式整体并入本文。该尝试提出使用外来(exotic)的难熔金属碳化物和氮化物。然而，在升高的温度下，这些材料会放出(outgas)基础难熔金属(base refractory metal)和/或碳的气体。此外，该材料还可能放出硼气体(outgas boron)。硼已经显示会影响AlN的生长动力学，而高温下引入AlN中的碳显示为降低III-氮化物光电子器件中的UV透明度的杂质。此外，该公开文献中公开的难熔金属涂层具有凹陷和蔓延的趋势，这会暴露下方的材料。

因此，需要在升高的温度下(例如1200℃以上)除去不希望的Si、C和B杂质的系统和方法。

发明内容

本发明涉及具有低的碳和/或硅浓度的III族元素氮化物(“III-氮化物”)晶体。在各种实施方案中，该晶体具有约2×10¹⁸原子/cm³以下的碳和/或硅浓度。此外，该晶体对于在UV电子装置等中的应用还具有提高的和足够的紫外(UV)透明度，本文公开了制备方法、制备中所用的设备和在半导体工业中的预期用途。

本发明的III-氮化物晶体可以定义为In_(w)Al_(x)Ga_(y)C_(a)Si_(b)N_(z)形式的单晶，其中1-x-w ≠y；w-z-y≠0；w+x+y-z≠0；(2≥w≥0)；(2≥x≥0)；(2≥y≥0)；(2≥z≥0)，且C和/或Si各自的浓度在2×10¹⁸原子/cm³以下。该III-氮化物晶体中其他物质的总浓度可以高于1×10¹⁷，只要这类物质不会干扰所述UV光透明度即可。在各种实施方案中，该晶体是非化学计量晶体。