专利名称：使用热梯度控制的大块氮化铝单晶的生长的制作方法
技术领域：
在各种实施方案中，本发明涉及制造基于氮化物的晶体的系统和方法，特别是具有在晶体生长过程中加 强控制轴向和径向热梯度特征的系统和方法。背景氮化铝(AlN)很有希望作为用于多种用途的半导体材料，例如光电子器件例如短波长发光二极管(LEDs)和激光器、光学存储介质中的介电层、电子衬底和必需高热导率的芯片载体等。原则上，AlN的性能可允许实现低至约200纳米(nm)波长的光发射。最近的工作已表明，紫外线(UV)发光二极管在从块状AlN单晶制造出的低缺陷AlN衬底上制造时具有优异的性能。由于高热导率和低电导率，使用AlN衬底还可望改善由氮化物半导体制成的高功率射频(RF)器件。然而，以AlN为基础的半导体器件的商业可行性被大的、低缺陷的AlN单晶的稀缺性和高成本所限制。为了使大直径的AlN衬底更容易获得和成本更经济，以及制造它们的设备商业可行，在高的生长速率(>0. 5毫米/小时)下生长大直径(>25毫米)的AlN块状晶体并且同时保证晶体质量是所需要的。最有效的生长AlN块状单晶的方法是“升华再凝结”的方法，该方法包括升华低品质(通常为多晶)的AlN源材料，然后再凝结产生的蒸气以形成AlN单晶。第 6，770，135 (’135 专利)、7，638，346 (’346 专利)和 7，776，153 (’153 专利)号美国专利，其整个公开的内容通过引用并入本文，其中描述了升华再凝结生长AlN的各个方面，包括加晶种和未加晶种的。虽然这些文献认识到大的轴向(即平行于基本生长方向)的热梯度对优化材料质量和生长AlN晶体的生长速率的好处，但是它们利用设计以减少径向(即垂直于基本生长方向)的热梯度的生长装置。例如，轴向热梯度的范围可以从约5°C /cm至约IOO0C /Cm，而径向热梯度维持在一个尽可能可以忽略不计的水平。同样地，其他现有技术的生长装置利用厚绝缘以最小化或消除径向热梯度，因为最小化的径向热梯度被认为将产生平的、高品质的晶体，特别是力图生长具有大直径的晶体。在传统的晶体生长过程中径向梯度通常减到最小以防止缺陷如位错和小角度晶界的形成。为使生长的晶体表面更平坦，径向梯度也被减到最小，这样就增加了晶体中可用材料的数量(即，增加了可以从晶体切割出来的给定长度的晶体的基板的数量)。
图1描述了根据上述的现有技术用来生长AlN的装置100。如图所示，坩埚105被放置在圆柱形基座115内部坩埚台110的上方。在生长过程中，基座115被转移到由周围的加热线圈(图中未示出)制造的加热区域的内部，在坩埚底部125的多晶AlN源材料120在升高温度时升华，由于底部125和顶端130之间的大的轴向热梯度，由此产生的蒸气在坩埚冷却器顶端130再凝结从而形成AlN晶体135。该装置100还以设有顶部轴向屏蔽层140和底部轴向屏蔽层145为特色，该设计和定位用于尽量减少垂直于AlN晶体135的生长方向150上的径向热梯度。如图所示，坩埚105的顶端130的温度是至少部分地比底部125低，因为装置100具有比底部轴向屏蔽层145更少的顶部轴向屏蔽层140，这样允许更多的热量在顶端130区域逸出并产生所需的轴向热梯度。顶部轴向屏蔽层140可以具有中心孔以便由高温计155测量顶端130的温度。中心孔的直径减到最小以减少热流，但足以形成实用的光学路径来由高温计155进行温度采样。另外的高温计160、165也可用来测量装置100的其它区域的温度。如上所述，以高的生长速率生长AlN单晶的能力将刺激该技术的另外的商业应用。虽然在理论上可能通过使用更大的轴向热梯度增加Al的过度饱和来增加AlN晶体的生长速率，但是Al过度饱和的增加可能导致晶体材料质量的劣化，甚至以多晶而不是单晶的方式生长。此外，在AlN晶体生长过程中最小化或消除径向热梯度意外地倾向于对AlN晶体的质量带来有害影响，特别是 当以合理的生长速率(例如，>0. 5毫米/小时)试图生长大晶体(例如，直径>25毫米)时。因此，需要这样一种系统和技术，其能够以高的生长速率生长如此大的AlN晶体，同时仍旧保持AlN晶体的闻材料品质。概述当前发明的实施方案通过在生长装置中形成和维持非零轴向和径向热梯度实现了大的、高品质的单晶半导体(例如，AlN)的高生长速率(例如，大于约O. 5毫米/小时)，其中轴向热梯度与径向热梯度的比率(“热梯度比”)是大于O且小于10。(如本文所使用的，被保持的热梯度并不必然意味着它是作为时间的函数保持不变，只要它在一段时间内是非零的即可(固定的或波动的)。)生长的晶体的尺寸和质量通常受到生长单元内热场的影响。轴向热梯度是在圆柱坐标系中投影在纵向对称轴的热场大小。径向热梯度是投影在方位角方向上的热场大小。因此，在任何其它方向上的热梯度可以被描述为轴向和径向热梯度的叠加(因此也可以随着控制轴向和/或径向热梯度进行控制)。故意形成和控制径向热梯度大到足以导致热梯度比小于10违背了上述传统智慧，在上述传统智慧中径向热梯度(其可能至少部分地依赖于生长室的尺寸和形状)，即使形成(例如，无意的)，也被消除或减小到最小。在一些实施方案中，径向热梯度和轴向热梯度基本上是平衡的，并且优选地，热梯度比的范围从约1. 2至约5. 5。为了便于形成和控制径向热梯度，根据本发明的多种实施方案的晶体生长装置利用不同类型、厚度和/或热屏蔽层的安排，特别是在生长的晶体“后面”的区域(即，对应于图1中顶部轴向屏蔽层140的位置)。因此，对于以存在晶种的AlN单晶生长为特征的实施方案，一个或多个屏蔽层通常位于晶种生长表面的对面。在本发明的优选实施方案中使用的一个或多个屏蔽层包括或者主要由一种或多种耐火材料组成，所述耐火材料例如，钨，并且基本上是薄的，即，具有厚度小于O. 5毫米，例如，从O. 125毫米到O. 5晕米。在一个方面，本发明的实施方案提供一种形成单晶氮化铝(AlN)的方法。在生长室中凝结包含或主要由铝和氮气组成的蒸气，从而形成沿着生长方向增加尺寸的AlN单晶。在形成过程中，第一(例如，轴向)非零的热梯度在生长室中基本平行于生长方向的方向上形成和保持，并且第二 (例如，径向)非零的热梯度在生长室中基本垂直于生长方向的方向上形成和保持。第一热梯度和第二热梯度的比率小于10。本发明的实施方案可以包括以下任意多种组合中的一个或多个。固体源材料(其可包括或主要由例如多晶的AlN组成)可以在生长室中升华以形成蒸气。第二热梯度可以是大于4°C/cm和/或小于85°C/cm。第一热梯度和第二热梯度的比率可以是大于1. 2。第一热梯度可以是大于5°C /cm和/或小于100°C /cm。第一热梯度和第二热梯度的比率可以是小于5. 5,或甚至小于3。形成第二热梯度可包括或主要由在生长室外面安排多个热屏蔽层。每个热屏蔽层可包括或主要由耐火材料，例如，钨组成。每个热屏蔽层可设定通过它的开口。热屏蔽层的开口可以基本上彼此尺寸相同。每个热屏蔽层的开口可以比生长室基本垂直于生长方向的尺寸小约10毫米到约2毫米。至少两个热屏蔽层的开口可以具有不同的尺寸。具有第一开口的第一热屏蔽层可以被布置在生长室和第二热屏蔽层之间，第二热屏蔽层具有大于第一开口的第二开口。至少两个热屏蔽层可以具有不同的厚度。每一个热屏蔽层的厚度范围可以从约O. 125毫米至约O. 5毫米。生长室可以包括盖子，所述盖子设置在AlN单晶和至少一个(或者甚至是全部)的热屏蔽层之间。盖的厚度可以是小于约O. 5毫米。该盖子可包括或主要由钨组成。晶种可以在形成AlN单晶之前放置在生长室中，AlN单晶可以在晶种上形成，并且由此在生长方向上延伸。晶种的直径可以是大于约25毫米。AlN单晶的生长速率可以大于约0.5毫米/小时。AlN单晶可以在放置在生长室内的晶种上形成。另一方面，本发明的实施方案以晶体生长系统为特征，所述晶体生长系统包括或主要由以下组成通过升华再凝结沿生长方向形成单晶半导体材料的生长室，用于加热生长室的加热装置，和多个热屏蔽层用于在生长室内形成(i)在基本平行于生长方向上的第一非零热梯度及(ii)在基本垂直于生长方向上的第二非零热梯度。第一热梯度和第二热梯度的比率小于10。本发明的实施方案可以包括以下任意的多种组合中的一个或多个。每个热屏蔽层可设定通过它的开口。至少两个热屏蔽层的开口可以具有不同的尺寸。具有第一开口的第一热屏蔽层可以被布置在生长室和第二热屏蔽层之间，第二热屏蔽层具有大于第一开口的第二开口。至少两个热屏蔽层可以具有不同的厚度。每个热屏蔽层的厚度范围可以从约O. 125毫米至约O. 5毫米。每个热屏蔽层可以包括或主要由耐火材料，例如，钨组成。热屏蔽层可以以彼此之间基本相等的间距布置。用于使单晶半导体材料在其上成核的晶种可以设置在生长室内。晶种的直径可以是大于约25毫米，和/或晶种可以包含或主要由氮化铝组成。第一热梯度和第二热梯度的比率可以是小于5. 5，或甚至小于3。第一热梯度和第二热梯度的比率可以是大于1. 2。本发明的这些技术方案，连同优点和特征，通过参考以下的说明书、附图和权利要求将变得更加显而易见。此外，应当理解的是，本文所描述的各种实施方案的特征不是互斥的，它们可以存在于各种各样的组合和排列中。除非另有说明，“径向”一般是指基本垂直于主要晶体生长方向和/或晶体的长轴和/或晶体生长装置的方向。耐火材料一般是指在温度高于约500°C时物理和化学稳定的材料。如本文所用，术语“基本上”指±10%，并且，在一些实施方案中，±5%。术语“主要由……组成”指排除其他对功能有贡献的材料， 除非本文另有所指。然而，这些其他材料可能以微量共同地或单独地存在。附图的简要i兑明在附图中，相同的附图标记在不同视图中通常指代相同的部件。此外，附图并不一定按比例，相反通常着重于说明本发明的原理。在下面的描述中，参照以下附图描述本发明的各个实施方案，其中图1为根据现有技术其中径向热梯度被最小化或消除的晶体生长装置的横截面示意图；图2为根据本发明的各种实施方案其中产生和/或控制径向热梯度的晶体生长装置的横截面示意图；图3A和3B为根据本发明的各种实施方案的附图2的具有交替设置的顶部热屏蔽层的晶体生长装置部分的横截面示意图；图4是一个表,表中列出了根据本发明的各种实施方案生长半导体晶体如AlN的过程的各个步骤。详述图2示出了按照本发明的各种实施方案适合于生长单晶半导体材料(例如，A1N、AlxGa1^xN,BxAl1^xN和/或BxGayAU)的晶体生长装置200。如图所示，装置200包括位于在基座215内的坩埚架210顶部上的坩埚205。坩埚205和基座215可以具有任何适当的几何形状，例如，圆柱形。在一个典型的生长过程中，半导体晶体220通过冷凝蒸气225形成，蒸气225包含或主要由半导体晶体220的元素和/或化合物的前体组成。例如，对于包含或主要由AlN组成的半导 体晶体220，蒸气225可以包含或主要由Al和N原子和/或N2分子组成。在优选的实施方案中，从源材料230升华产生的蒸气225，其可以包括或主要由与半导体晶体220相同的材料组成，仅为多晶形式。源材料230可以是基本上未掺杂或掺杂有一种或多种掺杂物，使用掺杂的源材料230通常会导致在半导体晶体220中混入存在于源材料230中的掺杂物。半导体晶体220可以在晶种235上形成和延伸。(或者，半导体晶体220可以以附图1中所示的方式在坩埚205自身的一部分上成核并延伸。)晶种235可以是单晶(例如，一种抛光的晶片)，包括或主要由与半导体晶体220相同的材料或者可以是不同的材料组成。坩埚205可以包括或主要由一种或多种耐火材料，如钨、铼和/或氮化钽组成。如在’ 135专利和’ 153专利中描述的，坩埚205可具有一个或多个表面(例如，壁)，所述表面配置成选择性地允许氮由此扩散，并选择性地防止铝由此扩散。如在图2中所示，在半导体晶体220的形成过程中，多晶材料240可以在未被晶种235覆盖的坩埚205内的一个或多个位置形成。然而，在半导体晶体220的形成过程中，半导体晶体220的直径(或其他的径向尺寸)可以扩大，即增加，从而封闭多晶材料240的区域避免与蒸气225碰撞并且基本上限制或甚至消除它们的生长。正如在图2中所示，半导体晶体220的直径可以扩大到(或者甚至在利用更大的晶种235的实施方案中企图)与坩埚205的内直径大致相等(在这种情况下，没有半导体晶体220进一步的侧向膨胀会发生)。沿生长方向245的半导体晶体220进行的生长通常归因于坩埚205内形成的相对大的轴向热梯度(例如，范围从约5°C /厘米到约100°C /厘米)。加热装置(为清楚起见，图2中未示出)，例如，RF加热器，一个或多个加热线圈，和/或其它加热元件或熔炉，将基座215 (并因此坩埚205)加热到升高的温度下，通常温度介于约1800°C到约2300°C之间。装置200以一组或多组顶部热屏蔽层250，以及一组或多组底部轴向热屏蔽层255为特点，布置所述顶部热屏蔽层250和底部轴向热屏蔽层255以制造出大的轴向热梯度(通过，例如，相比坩埚205的顶端和生长的半导体晶体220更好的绝缘坩埚205底端和源材料230以避免热量损失)。在生长过程中，基座215 (并因此坩埚205)可以被转移到由加热装置经由驱动机构260制造成的加热区域中，用以维持生长的半导体晶体220表面附近的轴向热梯度。一个或多个高温计265 (或其他特性设备和/或传感器)可被用来监测在基座215内的一个或多个位置的温度。顶部热屏蔽层250和/或底部热屏蔽层255可以包括或由一种或多种耐火材料(例如，钨)组成，优选相当薄的(例如，从约O. 125毫米至O. 5毫米厚)。如上文所述，从源材料230和/或蒸气225的最大质量转移(及因此半导体晶体220的生长速率)通常通过最大化坩埚205内的轴向热梯度来实现(即，最大化源材料230和生长的晶体220之间的温度差以使生长的晶体220具有更大的过度饱和)。在优选的实施方案中，晶体质量的劣化的开始(例如，增加的位错密度，晶粒边界的形成，和/或多晶的生长)设置在给定的生长温度下过度饱和的近似上限。对于典型的生长温度(例如，在约2125°C到约2275°C之间)，该轴向温度梯度的上限一般是约100°C /厘米(虽然该最大值可能至少部分取决于生长室的尺寸和/或形状，因此对于某些系统可能更大)。但是，寄生成核(在晶种235上，或在其它位置)的可能性随着半导体晶体220的横截面积的增加(和/或较大面积的晶种235)而增加。每一个寄生成核事件可能会导致额外的生长中心的形成并导致晶粒或亚晶粒的形成(并因此带来低品质和/或多晶的材料)。最小化寄生成核的概率优选通过提供在基本垂直于生长方向245的方向上的非零径向热梯度来实现，所述非零径向热梯度促进横向生长。如前面所提到的，径向热梯度的形成也能够在高生长速率下生长大的、高品质的晶体。根据本发明的各种实施方案，也安排顶部热屏蔽层250以在坩埚205内以形成非零的径向热梯度。径向热梯度优选大于4°C /厘米，例如，在4°C /厘米到85°C /厘米之间(虽然，如上所述相对于轴向热梯度，这些值可能依赖于坩埚的具体尺寸和/或形状)。在优选的实施方案中，轴向和径向的温度梯度是平衡的。当梯度值在它们的上限内时(详见下文)，径向和轴向热梯度是平衡的。优选地，在坩埚205内的任何给定点，轴向和径向梯度之间的比率(热梯度比)小于10、小于5. 5，或甚至小于3。热梯度比也优选大于1. 2，例如，范围从1. 2到5. 5。径向温度梯度的最大值(即上限)是生长温度的函数，并优选被半导体晶体220中破裂和/或增加的位错密度(和/或晶界形成)的开始所定义。在生长温度下，位错阵列，或甚至晶界可能在升高的径向热梯度下形成。这种缺陷通常表现出中心对称的图案。径向热梯度的最小值(即下限)优选通过在垂直于生长方向245上完全没有半导体晶体220的横向生长来规定。如上所述，在半导体晶体220横向扩展到坩埚205的内部尺寸后，扩展一般会停止。然而，为了保持高的结晶质量，本发明的优选实施方案中保持非零的径向热梯度(其可以不同于半导体晶体220的膨胀过程中的径向热梯度)，甚至在半导体晶体200的横向膨胀已经停止以后。非零的正的(如本文所定义)径向热梯度一般会导致半导体晶体220在生长过程中具有凸的表面(例如，附图2中所示)。半导体晶体220的横向生长促进了生长中心的合并，并且优选只从一个生长中心开始并进行生长。即使在这样的情况下，优选存在一些非零的径向梯度以防止另外的生长中心的形成。对于生长具有直径约两英寸的半导体晶体的平衡的轴向和径向热梯度的例子列在下面的表中。
权利要求
1.一种形成单晶氮化铝(AlN)的方法，该方法包括 在生长室内冷凝包含铝和氮气的蒸气，从而形成沿生长方向尺寸增加的AlN单晶；以及 在此期间，在生长室中形成和维持，(i)在基本平行于生长方向的方向上第一非零热梯度和(ii )在基本垂直于生长方向的方向上第二非零热梯度， 其中，所述的第一热梯度和第二热梯度的比率小于10。
2.根据权利要求1的方法，该方法进一步包括在生长室中升华固体源材料以形成蒸气。
3.根据权利要求2的方法，其中所述固体源材料包括多晶A1N。
4.根据权利要求1的方法，其中所述第二热梯度大于4°C/cm。
5.根据权利要求1的方法，其中所述第二热梯度小于85°C/cm。
6.根据权利要求1的方法，其中所述第一热梯度和第二热梯度的比大于1.2。
7.根据权利要求1的方法，其中所述第一热梯度大于5°C/cm。
8.根据权利要求1的方法，其中所述第一热梯度小于100°C/cmο
9.根据权利要求1的方法，其中所述的第一热梯度和第二热梯度的比小于5.5。
10.根据权利要求1的方法，其中所述的第一热梯度和第二热梯度的比小于3。
11.根据权利要求1的方法，其中形成所述第二热梯度包括在生长室外布置多个热屏蔽层。
12.根据权利要求11的方法，其中每个热屏蔽层包含耐火材料。
13.根据权利要求11的方法，其中每个热屏蔽层包含钨。
14.根据权利要求11的方法，其中每个热屏蔽层设定通过它的的开口。
15.根据权利要求14的方法，其中所述热屏蔽层的开口彼此尺寸大致相等。
16.根据权利要求14的方法，其中所述每个热屏蔽层的开口比生长室基本垂直于生长方向的尺寸小约10毫米到约2毫米。
17.根据权利要求14的方法，其中至少两个热屏蔽层的开口在尺寸上是不同的。
18.根据权利要求17的方法，其中具有第一开口的第一热屏蔽层设置在生长室和第二热屏蔽层之间，所述第二热屏蔽层具有大于所述第一开口的第二开口。
19.根据权利要求11的方法，其中至少两个热屏蔽层具有不同的厚度。
20.根据权利要求11的方法，其中每个热屏蔽层的厚度范围从约O.125毫米至约O. 5毫米。
21.根据权利要求11的方法，其中所述生长室包括设置在AlN单晶和至少一个热屏蔽层之间的盖子。
22.根据权利要求21的方法，其中所述的盖子的厚度小于约O.5毫米。
23.根据权利要求21的方法，其中所述盖子包含钨。
24.根据权利要求1的方法，还包括在AlN单晶形成之前在生长室内部设置晶种，AlN单晶在生长方向上从晶种上形成和延伸。
25.根据权利要求24的方法，其中所述的晶种的直径大于约25毫米。
26.根据权利要求1的方法，其中所述AlN单晶的生长速率大于约O.5毫米/小时。
27.根据权利要求1的方法，其中所述AlN单晶在生长室内部设置的晶种上形成。
28.一种晶体生长系统，包括 用于通过在其中升华再凝结沿生长方向来形成单晶半导体材料的生长室； 用于加热生长室的加热装置；和 多个热屏蔽层用于在生长室内形成(i)在基本平行于生长方向的方向上的第一非零热梯度及(ii)在基本垂直于生长方向的方向上的第二非零热梯度， 其中所述第一热梯度和第二热梯度的比率小于10。
29.根据权利要求28的系统，其中每个热屏蔽层设定通过它的开口。
30.根据权利要求29的系统，其中至少两个热屏蔽层的开口在尺寸上是不同的。
31.根据权利要求30的系统，其中具有第一开口的第一热屏蔽层设置在生长室和第二热屏蔽层之间，所述第二热屏蔽层具有大于所述第一开口的第二开口。
32.根据权利要求28的系统，其中至少两个热屏蔽层具有不同的厚度。
33.根据权利要求28的系统，其中每个热屏蔽层的厚度范围从约O.125毫米至约O. 5毫米。
34.根据权利要求28的系统，其中每个热屏蔽层包含耐火材料。
35.根据权利要求28的系统，其中每个热屏蔽层包含钨。
36.根据权利要求28的系统，其中设置所述热屏蔽层彼此之间具有基本相同的间距。
37.根据权利要求28的系统，还包括，设置在生长室中用于单晶半导体材料在其上成核的晶种。
38.根据权利要求37的系统，其中所述晶种的直径大于约25毫米。
39.根据权利要求37的系统，其中所述晶种包括氮化铝。
全文摘要
在各种实施方案中，在半导体晶体的形成过程中大致平行和大致垂直于生长方向的非零热梯度在生长室内例如通过在生长室外安排热屏蔽层的方式形成，其中两个热梯度(平行比垂直)的比率小于10。
文档编号C30B23/00GK103038400SQ201180032355
公开日2013年4月10日 申请日期2011年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者R·T·邦杜库, S·P·拉奥, S·R·吉布, L·J·斯高沃特 申请人:晶体公司