AlN塊狀單晶、使用該單晶的半導(dǎo)體裝置和生產(chǎn)該單晶的方法

專利名稱：AlN塊狀單晶、使用該單晶的半導(dǎo)體裝置和生產(chǎn)該單晶的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如發(fā)光裝置、電子裝置和半導(dǎo)體傳感器的半導(dǎo)體裝置以及用于制備 AlN單晶的方法；特別是，通過升華方法制備大直徑的AlN塊狀單晶的方法。
背景技術(shù)：
由于AlN晶體具有寬能帶隙、高熱傳導(dǎo)性和高電阻，AlN晶體近些年作為諸如光學(xué) 裝置和電子裝置的多種半導(dǎo)體裝置的基板材料受到了關(guān)注。制備AlN單晶的常規(guī)方法包括升華方法，在該方法中如專利文件1所公開的，將 AlN晶體材料裝入坩堝并且升華的AlN生長為單晶。如下實(shí)施這種升華方法將單晶的材 料粉末和通過加熱與該材料反應(yīng)以分解該材料并蒸發(fā)AlN的氧化物粉末混合；將所得的混 合粉末在低于該材料的升華溫度或熔解溫度的溫度下，在氮?dú)猸h(huán)境或包含氫和碳的氮?dú)猸h(huán) 境中加熱，從而將混合的粉末分解、蒸發(fā)AlN并且利用所得的蒸發(fā)組分在基板上生長晶體。然而，通過升華方法制備AlN單晶的常規(guī)方法有如下問題。該方法需要制備由AlN 單晶組成并且具有和準(zhǔn)備生長的單晶相似的直徑的晶種。這樣的AlN單晶昂貴并且目前得 到具有大直徑(直徑在IOmm或IOmm以上)的AlN塊狀單晶是非常困難的。為了克服這個(gè)問題，采用了一種方法，在該方法中將AlN單晶生長在由不同于AlN 的材料所構(gòu)成的單晶上。這個(gè)方法公開于例如非專利文件1和2中，在該方法中通過升華 方法將AlN單晶生長在作為可替代晶種的SiC晶體上。利用該方法，可以將AlN單晶在沒 有AlN塊狀單晶作為晶種的情況下生長。然而，這個(gè)方法有如下問題。當(dāng)將單晶生長在SiC晶種上時(shí)，C面晶片由于其為 具有大直徑的晶種而一般被用作晶種，該C面晶片為目前僅市售可購的產(chǎn)品。沿C軸方向 生長的SiC單晶不可避免地包括沿C軸方向傳播的內(nèi)部缺陷。這些缺陷傳播到生長在SiC 晶種上的AlN單晶。此外，由于SiC晶體和AlN晶體的晶體常數(shù)、熱膨脹系數(shù)等的匹配性不 良，將AlN生長于SiC上的這樣的異質(zhì)外延生長會(huì)在SiC和AlN之間的交界面導(dǎo)致新的缺 陷。在裝置上使用所得的AlN單晶可能會(huì)由于AlN單晶的缺陷導(dǎo)致裝置性能的下降。近些年報(bào)道了一種技術(shù)，例如在非專利文件3中所公開的，其中生長SiC單晶使得 其晶體生長面為相對(duì)于晶種(SiC單晶)的C面具有除90°以外的任何傾斜角度的面(在 下文中，指“r面”)。利用這個(gè)技術(shù)，SiC單晶能夠沿C軸以外的方向生長，因此可以將在晶 體生長時(shí)沿C軸傳播的缺陷排出到晶體之外。因而，可以得到包含較少缺陷的SiC單晶。然而，在具有r面的SiC單晶基板上生長AlN單晶有下列問題。由于SiC和AlN之 間在組分和諸如晶格常數(shù)的物理性能值方面的差異，在SiC單晶基板的r面上生長AlN單 晶并不必然導(dǎo)致缺陷的減少。專利文件和非專利文件 專利文件1 特開平10-53495號(hào)公報(bào)非專利文件1 :V. Noveski，“MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. ”，卷 9，2，2004非專利文件2 :S. Wang, "Mater. Res. Soc. Symp. Proc. ”，卷 892，F(xiàn)F30-06，1，2006# 專禾I」i # 3 :Z. G. Herro, B. Μ. Epelbaum, Μ. Bickermann, C. Seitz, Α. Magerl, Α. ffinnacker, "Growth of 6H-SIC crystals along the
direction (6H-SIC 晶體 沿
方向的生長)"Journal of Crystal Growth 275，496 頁-503 頁，2005本發(fā)明的目的為提供具有較少缺陷和高品質(zhì)的AlN塊狀單晶，以及通過使用AlN 單晶生長于其上的合適的晶種制備該AlN塊狀單晶的方法；以及半導(dǎo)體裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明人仔細(xì)地研究了如何將利用r面作為晶體生長面的技術(shù)應(yīng)用于生 長AlN單晶。結(jié)果，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)單純地將AlN單晶生長于作為晶種的SiC單晶的特定r面 上在抑制產(chǎn)生于晶種中的缺陷傳播到AlN單晶方面是有利的。然而，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，依靠SiC 單晶的r面的選擇，由于SiC和AlN之間的匹配性較差，在SiC和AlN之間的交界面處新缺 陷的產(chǎn)生仍然成問題。本發(fā)明的發(fā)明人仔細(xì)地研究了如何克服上述問題。結(jié)果，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)下列事實(shí)。 當(dāng)AlN單晶沿除晶種C面內(nèi)方向以外的方向生長，并生長在相對(duì)于諸如SiC的充當(dāng)晶種的 六方單晶的C面以10°到80°的角度傾斜的面上時(shí)，有效地抑制了晶種中產(chǎn)生的缺陷傳 播到AlN單晶中。這樣，SiC單晶和AlN單晶之間晶格常數(shù)的微小差別(C軸+1.1%，Α 軸_1.0%)也可以抵消，因此可以有效抑制由于晶種和AlN單晶之間的交界面處較差的匹 配性而導(dǎo)致的新缺陷的產(chǎn)生。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明包括下列元素或特征(1)用于制備AlN塊狀單晶的方法，其包括通過利用升華方法在充當(dāng)晶種的六方 單晶材料表面上生長AlN單晶來提供AlN塊狀單晶的步驟，所述表面為相對(duì)于C面以10° 到80°的角度傾斜的晶面；(2)根據(jù)(1)的用于制備AlN塊狀單晶的方法，其中所述六方單晶材料為A1N、 SiC、GaN 或 ZnO ；(3)根據(jù)(2)的用于制備AlN塊狀單晶的方法，其中所述六方單晶材料為SiC單晶 并且所述SiC單晶的表面為(01-15)面；(4)根據(jù)(1)到(3)中任意一個(gè)的用于制備AlN塊狀單晶的方法，其中所提供的 AlN塊狀單晶的生長面為(10-12)面；(5)根據(jù)(1)到(4)中任意一個(gè)的用于制備AlN塊狀單晶的方法，進(jìn)一步包括通 過利用升華方法在所提供的充當(dāng)新晶種的AlN塊狀單晶表面生長AlN塊狀單晶來提供另一 AlN塊狀單晶的步驟；(6)根據(jù)(1)到(5)中任意一個(gè)方法制備的AlN塊狀單晶，并且其直徑為20mm或 20mm以上、厚度為2mm或2mm以上和缺陷密度為1. 0 X 106/cm2或1. 0 X 106/cm2以下；以及 (7)使用根據(jù)(6)的AlN塊狀單晶的半導(dǎo)體裝置。


圖1為顯示根據(jù)本發(fā)明制備AlN塊狀單晶的方法的流程圖。
圖2為顯示充當(dāng)晶種的六方單晶的慣習(xí)面的透視圖。圖3為用于根據(jù)本發(fā)明制備AlN塊狀單晶的單晶生長爐的剖視圖。符號(hào)說明 1、12 晶種(六方單晶材料)2 AlN 單晶3 AlN單晶的殘存部分4 AlN單晶的切除部分5 AlN塊狀單晶5， 第二晶種6 第二 AlN 單晶11 單晶生長爐13 支撐物14 上段加熱裝置15 原料物質(zhì)16 坩堝17 下段加熱裝置21 晶種的慣習(xí)面本發(fā)明最佳實(shí)施方案將參照附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的用于制備AlN塊狀單晶的方法。圖1為簡略地展 示根據(jù)本發(fā)明的制備方法制備AlN塊狀單晶的步驟的流程圖。根據(jù)本發(fā)明的制備方法的特點(diǎn)是使用六方單晶材料作為晶種1，選擇相對(duì)于六 方單晶材料的C面以10°到80°的角度傾斜的晶面作為表面Ia(圖1(a))，并且通過升華 方法將AlN單晶2生長在晶種1的表面Ia(圖1 (b))上。而后，將AlN單晶2切除以提供 具有較少缺陷和高品質(zhì)的AlN塊狀單晶4 (圖1(c))。在根據(jù)本發(fā)明的制備方法中，選擇表面Ia作為相對(duì)于晶種1的C面以10°到80° 的角度傾斜的面(圖1(a))。圖2顯示晶種1的慣習(xí)面。例如，前述AlN單晶2與充當(dāng)晶種1的六方SiC單晶 一起生長的情況。在該情況下，當(dāng)選擇相對(duì)于C面以10°到80° (圖2中的角α)傾斜的 面X作為表面Ia時(shí)，隨著AlN單晶生長，產(chǎn)生于晶種1 (SiC)中的缺陷消失，即使這些缺陷 已經(jīng)傳播到AlN單晶。最后，能夠得到缺陷傳播受到抑制，具有較少缺陷的AlN塊狀單晶。 當(dāng)選擇面X作為表面Ia時(shí)，晶種1 (SiC)和AlN單晶在晶種1 (SiC)和AlN單晶之間的交界 面處的匹配性良好，因此新缺陷的產(chǎn)生也能夠降低。利用選擇(0001)面作為晶體生長面并 且AlN單晶沿C軸方向生長的常規(guī)晶體生長技術(shù)，晶種1中產(chǎn)生的缺陷會(huì)沿C軸方向傳播。 在該情況下，AlN單晶生長并且缺陷沿同一 C軸方向傳播。從而，生長的AlN單晶中的缺陷 不能得到抑制。當(dāng)AlN單晶生長在晶種1的r面上，AlN在晶種1的表面上異質(zhì)外延生長。 因?yàn)檫@個(gè)原因，在交界面Ia處的匹配性較差，因此會(huì)產(chǎn)生新的缺陷?；谙铝性?qū)⒔铅料薅橄鄬?duì)于C面呈10°到80°范圍。當(dāng)作為晶種的表面 Ia的晶面相對(duì)于C面的傾斜角小于10°時(shí)，C面生長中缺陷趨于擴(kuò)散的可能性高。當(dāng)作為 晶種的表面Ia的晶面相對(duì)于C面的傾斜角大于80°時(shí)，a面生長或m面生長的生長速度極慢的可能性高。任何一種情況都不優(yōu)選。只要面X滿足傾斜角度條件，就不對(duì)相對(duì)于晶種1的C面以10°到80°傾斜的 面X做特別限制。當(dāng)將SiC單晶用作晶種時(shí)，面X的例子包括(Ol-In)面(η為1至15)、 (I-IOn)面(η為1至15)和(11-2η)面(η為1至15)。當(dāng)使用(Ol-In)面時(shí)，相對(duì)C面的 傾斜分別從80°、70°、62°、54°、48°至20°變化，同時(shí)η從1、2、3、4、5至15變化。只要晶種1為六方單晶，就不對(duì)晶種1做特別限制。晶種1優(yōu)選為Α1Ν、SiC、GaN 或ZnO單晶。當(dāng)將這些單晶之外的單晶用作晶種時(shí)，該晶種與AlN單晶之間的較差匹配性 能夠?qū)е略诰ХN和AlN單晶之間的交界面處產(chǎn)生新的缺陷。當(dāng)將SiC單晶用作晶種1時(shí)，優(yōu)選將SiC單晶的(01 -15)面作為表面Ia生長AlN 單晶2。這是因?yàn)?01-15)面相對(duì)易于傳播缺陷的C面既不平行，也不垂直，并且(01-15) 面為還在SiC單晶的自支撐晶體上出現(xiàn)的穩(wěn)定面。當(dāng)AlN單晶2生長在除(01-15)面以外 的晶面上時(shí)，有可能缺陷的產(chǎn)生不能受到充分抑制并且由于匹配性較差會(huì)產(chǎn)生新的缺陷。 SiC單晶的(01-15)面相對(duì)于C面以約48°傾斜。當(dāng)AlN單晶2生長于充當(dāng)晶種1的SiC單晶的(01-15)面上時(shí)(圖1(b))，得到 的AlN塊狀單晶的生長面為(10-12)面，其相對(duì)于SiC單晶的結(jié)晶學(xué)上的C面具有10°或 10°以下的小量傾斜。(10-12)面為在AlN單晶中自然形成的晶體生長面。將(10-12)面 作為晶體生長面，容易得到生長面平坦并且具有較少缺陷的AlN單晶。這樣，可以得到具有 較少缺陷和高品質(zhì)的AlN塊狀單晶。SiC單晶的(01-15)面和AlN單晶的(10-12)面相對(duì) 于C面分別傾斜約48°和約43°。在根據(jù)本發(fā)明的用于制備AlN塊狀單晶的方法中，生長AlN單晶2的步驟(圖 1(b))通過升華方法實(shí)施。只要生長爐為一般用于單晶生長的爐，不對(duì)用于升華方法中的生 長爐做特別限制。在從AlN單晶2上切除構(gòu)成AlN塊狀單晶的部分4的步驟(圖1(c))中，考慮到 有效地提供具有大直徑的AlN塊狀單晶5，優(yōu)選沿與AlN單晶2的生長面2a平行的晶面切 除部分4?；蛘?，可以沿其它晶面切除部分4。隨后，對(duì)AlN單晶的切除部分4的表面進(jìn)行 打磨或其它處理。結(jié)果，得到根據(jù)本發(fā)明的AlN塊狀單晶5。在根據(jù)本發(fā)明的用于制備AlN塊狀單晶的方法中，如圖1(e)所示，AlN塊狀單晶優(yōu) 選如下得到將按照上面描述的步驟(圖1(a)到(d))制備的AlN塊狀單晶5重新用作晶 種5’(第二晶種)，并且通過升華方法在晶種5’表面上生長AlN單晶6 (第二 AlN單晶)。 這樣將AlN塊狀單晶5用作新晶種5’可防止Si和C進(jìn)入AlN單晶6。此外，在該情況下， 進(jìn)行同質(zhì)外延生長，其中晶種5’和生長于其上的晶體6都為AlN單晶。為此，由于在晶種 5’和生長的晶體之間的交界面5a處的較差匹配性導(dǎo)致的新缺陷的產(chǎn)生能夠得到有效地 抑制。根據(jù)本發(fā)明的制備方法得到的AlN塊狀單晶5的尺寸可根據(jù)單晶生長爐的尺寸、 AlN單晶的用途等而變化。因?yàn)榇蠖鄶?shù)產(chǎn)生于分界面的缺陷消失并且晶體取向的變化減少， AlN塊狀單晶5優(yōu)選為直徑20mm或20mm以上并且厚度2mm或2mm以上的大單晶。在該情 況下，AlN塊狀單晶的低缺陷密度為1. OXlOfVcm2或1. 0X106/cm2以下。當(dāng)直徑小于20mm 時(shí)，AlN塊狀單晶的面積實(shí)際上不大。當(dāng)厚度小于2mm時(shí)，AlN塊狀單晶中的缺陷沒有得到 充分抑制。直徑和厚度的上限沒有特別規(guī)定，并且該上限由諸如晶體生長中使用的支撐物13大小的制備裝置的限制所決定。利用根據(jù)本發(fā)明的AlN塊狀單晶，可以得到具有高品質(zhì)的半導(dǎo)體裝置。包含根據(jù) 本發(fā)明的AlN塊狀單晶的半導(dǎo)體裝置的例子包括例如發(fā)光二極管和激光二極管的發(fā)光裝 置、功率晶體管和高頻晶體管。
實(shí)施例(實(shí)施例1)在實(shí)施例1中，使用了圖3所示的單晶生長爐。事先將市售可得的AlN粉末(平 均粒徑1. 2μπι)在氮?dú)猸h(huán)境中在約1500°C至約2000°C下進(jìn)行熱處理得到AlN聚集物，將 該AlN聚集物作為原料物質(zhì)15添加到坩堝16底部。將直徑25mm和厚度1. Omm的充當(dāng)晶 種基板12的SiC單晶放在支撐物13上，使得晶種基板12的表面(慣習(xí)面21)為(01-15) 面。將作為蓋子的鎢板(沒有圖示)置于單晶生長爐上。之后，利用排氣泵將單晶生長爐 11中的大氣氣體排出以達(dá)到1. OX 10_3帕或1.0X 10_3帕以下的壓力。然后，為促進(jìn)吸收的 氧氣從原料物質(zhì)15蒸發(fā)，將坩堝16加熱至約400°C。接著，將大氣氣體從單晶生長爐11中 排出以達(dá)到1.0X10_2帕或1.0X10_2帕以下的壓力。然后，將氮?dú)獬淙雴尉L爐11。當(dāng) 單晶生長爐11的內(nèi)部壓力達(dá)到特定的值(在該情況下為5. OX IO4帕)，再次加熱直至SiC 基板12的溫度達(dá)到1800°C至2000°C并且原料的溫度達(dá)到2000°C至2300°C。然后，AlN單 晶開始在基板12的慣習(xí)面21上生長。將該晶體生長步驟(圖1 (b))實(shí)施4天直至晶體生 長至期望的厚度(在實(shí)施例1中為IOmm)。將在SiC基板12上生長的AlN單晶2利用內(nèi) 圓切片機(jī)于從SiC基板12和AlN單晶2之間的交界面開始在AlN單晶側(cè)100 μ m的位置切 除。這樣，將AlN單晶部分4從SiC基板12上切除(圖1(c))。將切除的AlN單晶部分4 的切割面打磨以提供作為樣品的AlN單晶5(圖1 (d))。(實(shí)施例2)實(shí)施生長AlN單晶6的步驟(圖1(e))，在該步驟中將從實(shí)施例1中得到的AlN 塊狀單晶用作新的晶種5并且將該新的晶種5置于支撐物13上使得慣習(xí)面21為(01-12) 面，除此之外以與實(shí)施例1相同的方法實(shí)施實(shí)施例2。對(duì)比例(對(duì)比例1)將市售可得的SiC單晶進(jìn)行切割，所得的具有作為慣習(xí)面21的(0001)面的SiC 單晶置于支撐物13上作為晶種基板12，并且AlN單晶生長于慣習(xí)面21上，除此之外以與實(shí) 施例1中相同的方法實(shí)施對(duì)比例1。這樣，得到AlN塊狀單晶。在下文中，將描述在實(shí)施例和比較例中使用的評(píng)價(jià)方法。(評(píng)價(jià)方法)(I)AlN單晶中有無雜質(zhì)依照下列利用GDMS (輝光放電質(zhì) 譜)確定的實(shí)施例1和對(duì)比例1中的AlN單晶含 有的Si和C的濃度標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)有無雜質(zhì)。〇=Si和C均為IOOppm或IOOppm以下的情況。Δ :Si和C均為IOOppm以上和500ppm或500ppm以下的范圍內(nèi)；或者Si和C其中之一在IOOppm或IOOppm以下，而另一個(gè)為IOOppm以上和500ppm或500ppm以下的范圍內(nèi)的情況。X :Si和C均為500ppm以上；或者Si和C其中之一在500ppm或500ppm以下，而 另一個(gè)在500ppm以上的情況。(2)缺陷密度用以下方法評(píng)價(jià)缺陷密度。將打磨后的晶片用氫氧化鉀和氫氧化鈉的共熔物蝕刻 30分鐘。之后，用電子顯微鏡在5個(gè)任意的點(diǎn)計(jì)算面積100 μ mX 100 μ m范圍內(nèi)缺陷的數(shù) 量。根據(jù)下列標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)所得的5次計(jì)數(shù)的平均值。〇1.0 X 106/cm2 或 1. 0 X 106/cm2 以下Δ 1. OX 106/cm2 以上并且 1.0X 107/cm2 或 1· 0X 107/cm2 以下X :1· 0X107/cm2 以上上述各實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)結(jié)果在表1中顯示。表 權(quán)利要求
1.用于制備AlN塊狀單晶的方法，其包括通過利用升華方法在充當(dāng)晶種的六方單晶 材料的表面上生長AlN單晶來提供AlN塊狀單晶的步驟，所述表面為相對(duì)于C面以10°到 80°的角度傾斜的晶面。
2.如權(quán)利要求1所述的用于制備AlN塊狀單晶的方法，其中所述六方單晶材料為A1N、 SiC、GaN 或 ZnO。
3.如權(quán)利要求2所述的用于制備AlN塊狀單晶的方法，其中所述六方單晶為SiC基板 并且所述SiC基板的表面為(01-15)面。
4.如權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的用于制備AlN塊狀單晶的方法，其中所提 供的AlN塊狀單晶的生長面為(10-12)面。
5.如權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的用于制備AlN塊狀單晶的方法，其還包括 通過利用升華方法在所提供的充當(dāng)新晶種的AlN塊狀單晶的表面上生長AlN塊狀單晶來提 供另一 AlN塊狀單晶的步驟。
6.AlN塊狀單晶，其通過權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的方法制備，并且其直徑 為20mm或20mm以上，厚度為2mm或2mm以上，以及缺陷密度為1. OX 106/cm2或1. OX IO6/ cm2以下。
7.使用權(quán)利要求6所述的AlN塊狀單晶的半導(dǎo)體裝置。
全文摘要
本發(fā)明的目的為提供即使將不同于AlN的單晶材料充當(dāng)晶體，具有較少缺陷和高品質(zhì)AlN塊狀單晶、制備該AlN塊狀單晶的方法和半導(dǎo)體裝置。其特征為將相對(duì)于C面以10°到80°的角度傾斜的面選擇充當(dāng)晶種(1)(圖1(a))的六方單晶基板的表面(1a)并且AlN單晶(2)通過升華方法(圖1(b))生長在作為生長面(2a)的表面(1a)上。
文檔編號(hào)C30B29/38GK102046857SQ20098011907
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月28日
發(fā)明者保羅·黑曼恩, 奧克塔維安·菲利普, 永田俊郎, 阿爾博瑞特·文納克爾, 馬提亞·柏克曼恩, 鮑里斯·M·愛普鮑姆 申請(qǐng)人:克里斯塔爾-N股份公司, 埃爾朗根-紐倫堡弗里德里?！啔v山大大學(xué), 杰富意礦物股份有限公司