Подложка для эпитаксии (варианты)

Изобретение относится к объемному монокристаллу нитрида, в частности предназначенному для использования в качестве подложки для эпитаксии, пригодной для использования в оптоэлектронике для производства оптоэлектронных полупроводниковых устройств на основе нитридов, в частности для изготовления полупроводниковых лазерных диодов и лазерных устройств. В изобретении раскрыт объемный монокристалл нитрида, который представляет собой монокристалл нитрида галлия, и его поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной с-оси гексагональной кристаллической решетки нитрида галлия, имеет площадь поверхности больше 100 мм², его толщина больше 1,0 мкм и его плотность поверхностных дислокаций в плоскости С меньше 10⁶ /см², в то время как его объем достаточен для получения, по меньшей мере, одной, пригодной для дальнейшей обработки пластины с плоскостью А или плоскостью М, имеющей площадь поверхности, по меньшей мере, 100 мм². В более общем случае изобретение раскрывает объемный монокристалл нитрида, который представляет собой монокристалл нитрида, содержащего галлий, и его поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной с-оси гексагональной кристаллической решетки нитрида, содержащего галлий, имеет площадь поверхности больше 100 мм², его толщина больше 1,0 мкм и его плотность поверхностных дислокаций меньше 10⁶ /см². Вышеуказанные объемные монокристаллы нитрида, содержащего галлий, кристаллизуются с использованием способа, включающего растворение исходного материала, содержащего галлий, в сверхкритическом растворителе и кристаллизацию нитрида галлия на поверхности затравочного кристалла, при температуре выше и/или давлении ниже, чем используют в процессе растворения. Полученные объемные монокристаллы имеют плотность дислокации менее 10⁶ /см², что говорит об их высоком качестве. 5 н. и 43 з.п. ф-лы, 20 ил.

 

Текст описания приведен в факсимильном виде.

1. Объемный монокристалл нитрида галлия в качестве подложки для эпитаксии, отличающийся тем, что его поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной с-оси гексагональной кристаллической решетки нитрида галлия, имеет площадь поверхности больше 100 мм², его толщина больше 1,0 мкм и его плотность поверхностных дислокации плоскости С меньше 10⁶ /см², в то время как его объем достаточен для получения, по меньшей мере, одной пригодной для дальнейшей обработки пластины с плоскостью А или плоскостью М, имеющей площадь поверхности, предпочтительно, по меньшей мере, 100 мм².

2. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.1, отличающийся тем, что он также содержит любой из элементов группы 1 согласно ИЮПАК, 1989.

3. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.1, отличающийся тем, что он также содержит такие элементы, как Ti, Fe, Co, Cr и Ni.

4. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит донорные и/или акцепторные и/или магнитные легирующие примеси в концентрациях от 10¹⁷ до 10²¹ /см³.

5. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.1, отличающийся тем, что он кристаллизуется на поверхности затравочного кристалла.

6. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.5, отличающийся тем, что затравочный кристалл является затравочным кристаллом нитрида галлия.

7. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.1, отличающийся тем, что значение его плотности поверхностных дислокации на стороне, завершающейся азотом, близко к 10⁴ /см², и одновременно значение полной ширины на уровне полумаксимума (ПШПМ) кривой качания рентгеновских лучей близко к 60 угловым с.

8. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.1, отличающийся тем, что выращен на затравочном кристалле, не имеющем существенного наклона оси кристалла, с использованием сверхкритического растворителя NH₃, содержащего комплексные соединения галлия.

9. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.1, отличающийся тем, что он пригоден для эпитаксиального выращивания слоев нитридного полупроводника.

10. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.8, отличающийся тем, что затравочный кристалл имеет форму плоской пластины с двумя параллельными сторонами, перпендикулярными с-оси гексагональной кристаллической решетки нитрида галлия, в то время как объемный монокристалл нитрида галлия кристаллизуется только на стороне (0010), завершающейся азотом, затравочного кристалла, при этом сторона (0001), завершающаяся галлием, блокирована для предотвращения на ней роста монокристалла нитрида галлия.

11. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.5, отличающийся тем, что затравочный кристалл представляет собой гетерозатравочный кристалл, сформированный из сапфира, карбида кремния или подобного материала, с верхним буферным слоем из нитрида, по меньшей мере, на его с-плоскости, состоящей, по существу, из нитрида галлия, и объемный монокристалл нитрида галлия кристаллизуется на буферном слое, в то время как, по меньшей мере, одна, предпочтительно, все остальные поверхности гетерозатравочного кристалла покрыты защитным маскирующим слоем.

12. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.5, отличающийся тем, что он кристаллизуется на множестве поверхностей, пригодных для поперечного роста нитрида галлия, причем эти поверхности разнесены друг от друга, и остальные поверхности затравочного кристалла покрыты защитным маскирующим слоем.

13. Объемный монокристалл нитрида галлия по пп.1 и 2, отличающийся тем, что его получают путем растворения соответствующего исходного галлий содержащего материала в сверхкритическом растворителе, а также элементов - металлов группы XIII согласно ИЮПАК, 1989 с перенасыщением сверхкритического раствора по отношению к требуемому нитриду, содержащему галлий, которое достигается с помощью градиента температуры и/или изменения давления, и кристаллизации требуемого нитрида галлия, на поверхности затравочного кристалла при температуре выше и/или давлении ниже, чем используют в процессе растворения.

14. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.8, отличающийся тем, что сверхкритический растворитель содержит NH₃ и/или его производные, и содержит ионы элементов группы I согласно ИЮПАК, 1989, по меньшей мере, ионы калия или натрия, исходный материал состоит, по существу из нитрида, содержащего галлий, и/или его предшественников, выбранных из группы, состоящей из азидов, имидов, амидо-имидов, амидов, гидридов, соединений и сплавов металлов, содержащих галлий, а также элементов - металлов из группы XIII согласно ИЮПАК, 1989, в частности, металлического галлия.

15. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.13, отличающийся тем, что в процессе его получения происходит кристаллизация нитрида галлия в автоклаве при температурах от 100 до 800°С и под давлением в диапазоне от 10 до 1000 МПа, и при молярном соотношении ионов элементов группы I согласно ИЮПАК, 1989, к остальным компонентам сверхкритического растворителя в диапазоне от 1:200 до 1:2.

16. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.14, отличающийся тем, что в качестве источника ионов элементов группы I согласно ИЮПАК, 1989 используют щелочные металлы или соединения щелочных металлов, за исключением тех, которые содержат галогены.

17. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.8, отличающийся тем, что его кристаллизацией управляют путем регулирования температуры и давления на этапе растворения и температуры и давления на этапе кристаллизации.

18. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.13, отличающийся тем, что он кристаллизуется при температуре в диапазоне от 400 до 600°С.

19. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.10, отличающийся тем, что он кристаллизуется в автоклаве с двумя разделенными зонами, зоной растворения и зоной кристаллизации, и разность температур между этими двумя зонами в ходе кристаллизации не превышает 150°С, предпочтительно, не больше, чем 100°С.

20. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.19, отличающийся тем, что он кристаллизуется в условиях управления перенасыщением сверхкритического раствора в зоне кристаллизации автоклава с двумя разделенными зонами, и при поддержании заданной разности температур между этими двумя зонами путем использования перегородки или перегородок, разделяющих эти две зоны, для управления массовым переносом между этими двумя зонами.

21. Объемный монокристалл нитрида галлия по п.19 или 20, отличающийся тем, что управление перенасыщением сверхкритического раствора в зоне кристаллизации автоклава с двумя разделенными зонами и заданной разностью температур между этими двумя зонами обеспечивают путем использования исходного материала, содержащего галлий, в виде соответствующих кристаллов нитрида, имеющих большую общую площадь поверхности, чем общая площадь поверхности используемых затравочных кристаллов.

22. Объемный монокристалл нитрида, содержащего галлий, отличающийся тем, что его поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной с-оси гексагональной кристаллической решетки нитрида, содержащего галлий, имеет площадь поверхности больше 100 мм², его толщина больше 1,0 мкм, и его плотность поверхностных дислокации меньше 10⁶ /см².

23. Объемный монокристалл нитрида по п.22, отличающийся тем, что он является практически плоским и имеет кривизну меньше 20 мкм.

24. Объемный монокристалл нитрида по п.22, отличающийся тем, что он имеет высокое значение, больше, чем 10⁵ Ом/см² удельного поверхностного сопротивления.

25. Объемный монокристалл нитрида по любому из предыдущих пп.22-24, отличающийся тем, что его толщина составляет, по меньшей мере, 100 мкм.

26. Объемный монокристалл нитрида по п.25, отличающийся тем, что его объем достаточен для получения, по меньшей мере, одной пригодной для дальнейшей обработки пластины с плоскостью А или плоскостью М, имеющей площадь поверхности, по меньшей мере, 100 мм².

27. Объемный монокристалл нитрида по любому из предыдущих пп.22-24, отличающийся тем, что он имеет площадь поверхности больше, чем 2 см², предпочтительно больше, чем 5 см², в виде плоской пластины, перпендикулярной с-оси его гексагональной кристаллической решетки.

28. Объемный монокристалл нитрида по любому из предыдущих пп.22-24, отличающийся тем, что он также содержит элементы группы I согласно ИЮПАК, 1989.

29. Объемный монокристалл нитрида по любому из предыдущих пп.22-24, отличающийся тем, что он также содержит такие элементы, как Ti, Fe, Co, Cr и Ni.

30. Объемный монокристалл нитрида по любому из предыдущих пп.22-24, отличающийся тем, что он дополнительно содержит донорные и/или акцепторные и/или магнитные легирующие примеси в концентрациях от 10¹⁷ до 10²¹ /см³.

31. Объемный монокристалл нитрида по п.22, отличающийся тем, что он кристаллизуется на поверхности затравочного кристалла.

32. Объемный монокристалл нитрида по п.31, отличающийся тем, что затравочный кристалл является затравочным кристаллом нитрида, содержащего галлий.

33. Объемный монокристалл нитрида по п.32, отличающийся тем, что затравочный кристалл имеет такой же состав, что и объемный монокристалл нитрида и является гомозатравочным кристаллом.

34. Объемный монокристалл нитрида по п.33, отличающийся тем, что, как затравочный кристалл, так и объемный монокристалл нитрида состоят, по существу, из нитрида галлия.

35. Объемный монокристалл нитрида по п.31, отличающийся тем, что затравочный кристалл представляет собой гетерозатравочный кристалл, приготовленный из сапфира, карбида кремния или подобного материала, с верхним буферным слоем из нитрида, по меньшей мере, на одной его стороне, и объемный монокристалл нитрида кристаллизуется на буферном слое, в то время как, по меньшей мере, одна, предпочтительно, все остальные поверхности гетеро-затравочного кристалла покрыты защитным маскирующим слоем.

36. Объемный монокристалл нитрида по п.35, отличающийся тем, что верхний буферный слой из нитрида и объемный монокристалл нитрида, кристаллизующийся на буферном слое, по существу, состоят из нитрида галлия.

37. Объемный монокристалл нитрида по п.31, отличающийся тем, что он кристаллизуется на множестве поверхностей, пригодных для поперечного выращивания нитрида, причем эти поверхности отделены друг от друга, и остальные поверхности затравочного кристалла покрыты защитным маскирующим слоем.

38. Объемный монокристалл нитрида по п.37, отличающийся тем, что он кристаллизуется на гомозатравочном кристалле в виде пластины с двумя параллельными плоскостями, по существу, перпендикулярными с-оси его гексагональной кристаллической решетки, и объемный монокристалл кристаллизуются на всех поверхностях затравочного кристалла.

39. Объемный монокристалл нитрида по п.38, отличающийся тем, что, затравочный кристалл и объемный монокристалл нитрида состоят, по существу, из нитрида галлия, и затравочный кристалл имеет форму плоской пластины с двумя параллельными сторонами (0001) и (0010), перпендикулярными с-оси гексагональной кристаллической решетки нитрида, содержащего галлий, в то время как два объемных монокристалла нитрида галлия кристаллизуются на обеих таких сторонах затравочного кристалла.

40. Объемный монокристалл нитрида по п.39, отличающийся тем, что он кристаллизуется на затравочном кристалле, одна из сторон (0001) или (0010) которого, перпендикулярная с-оси гексагональной кристаллической решетки нитрида, содержащего галлий, закрыта металлической пластиной, изготовленной, предпочтительно, из серебра.

41. Объемный монокристалл нитрида по п.39, отличающийся тем, что он кристаллизуется на затравочном кристалле, одна из сторон (0001) или (0010) которого, перпендикулярная с-оси гексагональной кристаллической решетки нитрида, содержащего галлий, покрыта слоем металла, предпочтительно, серебра.

42. Объемный монокристалл нитрида по п.39, отличающийся тем, что он кристаллизуется на затравочном кристалле, одна из сторон (0001) или (0010) которого, перпендикулярная с-оси гексагональной кристаллической решетки нитрида, содержащего галлий, блокирована путем установки на этой плоскости второго затравочного кристалла такого же размера, так, что у него та же сторона (0001) или (0010), обращена к соответствующей блокируемой стороне первого затравочного кристалла.

43. Объемный монокристалл нитрида по п.40, отличающийся тем, что он кристаллизуется только на стороне (0010), завершающейся азотом, затравочного кристалла.

44. Объемный монокристалл нитрида по п.43, отличающийся тем, что значение его плотности поверхностных дислокации на стороне, завершающейся азотом, близко к 10⁴ /см², и одновременно значение ПШПМ кривой качания рентгеновских лучей близко к 60 угловым секундам.

45. Объемный монокристалл нитрида, выращенный в направлении, параллельном с-оси гексагональной кристаллической решетки затравочного кристалла нитрида галлия в сверхкритическом NH₃, содержащем комплексные соединения галлия, при молярном соотношении Ga:NH₃ большем 1:50, для получения толщины, достаточной для формирования, по меньшей мере, одной, пригодной для дальнейшей обработки подложки из нитрида галлия с плоскостью А или плоскостью М.

46. Подложка для эпитаксии на основе объемного монокристалла нитрида, отличающаяся тем, что она получена из объемного монокристалла нитрида галлия по пп.1-21 или объемного монокристалла нитрида по пп.22-44 и имеет форму с-ориентированного объемного монокристалла GaN диаметром 5,08 см.

47. Подложка для эпитаксии по п.46, отличающаяся тем, что она имеет форму пластины из монокристалла нитрида, содержащего галлий, с плоскостью А или плоскостью М, имеющей площадь поверхности, пригодной для дальнейшей обработки, по меньшей мере, 100 мм².

48. Подложка для эпитаксии по п.46, отличающаяся тем, что она имеет форму пластины из монокристалла GaN с плоскостью А или плоскостью М, имеющей площадь поверхности, пригодной для дальнейшей обработки, по меньшей мере, 100 мм.