[发明专利]改善的半绝缘III族金属氮化物及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本发明申请要求2010年3月11日提交的题为“ImprovedSemi-Insulating Group III Metal Nitride and Method of Making”的美国专利申请No.61/313,112的优先权。

技术领域

本发明一般性涉及用于生长晶体的材料的处理。更具体而言，本发明提供了一种通过氨碱或氨酸技术获得半绝缘含镓氮化物晶体的方法。本发明提供适合于合成多晶氮化物材料以及其他晶体和材料的方法。这类晶体和材料包括但不限于用于制备块体或图案化衬底的GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN和AlInGaN。这类块状或图案化衬底可用于各种应用，包括光电子器件、激光器、发光二极管、太阳能电池、光电化学水裂解和制氢、光检测器、集成电路和晶体管。

背景技术

含氮化镓的结晶材料用作制造常规光电子器件如蓝光发光二极管和激光器的衬底。这类光电子器件一般在组成不同于沉积的氮化物层的蓝宝石或碳化硅衬底上制造。在常规的金属-有机化学气相沉积(MOCVD)方法中，GaN的沉积自气相的氨和有机金属化合物进行。虽然是成功的，但获得的常规生长速率使其难以提供GaN材料的块体层。此外，位错密度也高，使得光电子器件的性能较差。

含有块体氮化镓的品质衬底可市售获得，但是，在大多数情况下，这些衬底是导电的。在一些情况下，期望电绝缘或半绝缘的衬底。另外，块体氮化镓衬底一般昂贵，并且直径为2英寸以上的衬底只可能在c-面取向上获得。

数个作者公开了添加过渡金属深受体掺杂剂例如Mn、Fe、Co、Ni、Cu等以补偿氮化镓中的供体物质，并且赋予氮化镓的半绝缘特性。例如，Monemar和Lagerstedt[J.Appl.Phys.50，6480(1979)]将Fe或Cr添加到通过氢化物气相外延(HYPE)生长的GaN并获得高电阻晶体。Heikman等人[Appl.Phys.Lea.81，439(2002)]将Fe引入由有机金属化学气相沉积(MOCVD)生长的GaN膜，并且类似地获得半绝缘特性。一般地，这些作者不能获得高品质、自立的块体GaN晶片。

授予Porowski等人的美国专利No.6,273,948描述了制造高电阻GaN块体晶体的方法，所述方法在约0.5-2.0GPa的高压和1300-1700摄氏度的高温下从镓和II族金属如铍和钙的熔融混合物中原子氮的溶液进行结晶。获得10⁴～10⁸欧姆-厘米(ohm-cm)的电阻。该方法获得的晶体尺寸为约1cm，而大部分商业电子应用需要至少约2英寸(＞5cm)直径的衬底尺寸。

授予Vaudo等人的美国专利No.7,170,095描述了一种用于掺杂相对高结晶质量的自立GaN晶体的改进HYPE方法。然而，HYPE技术一般产生相对高成本的块体GaN晶体。授予D’Evelyn等人的美国专利No.7,078,731教导了例如通过用Fe或Co掺杂来合成半绝缘GaN晶体的氨热方法。然而，Fe-掺杂和Co-掺杂的GaN晶体分别是红色/琥珀色或者黑色的，而不是透明和无色的。

需要低成本制造透明、无色和高结晶品质的半绝缘氮化物材料的方法。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种含氮化镓晶体，包括：长度大于约5毫米的结晶衬底元件；基本为纤锌矿结构，该结构的特征在于基本不含其他晶体结构，所述其他结构与所述基本纤锌矿结构的体积相比小于约1体积％；大于约10¹⁵cm^-3的Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、F和Cl至少之一的杂质浓度；和电阻大于约10⁷Ω-cm。

根据本发明的另一方面，提供一种含有结晶衬底元件的含氮化镓的晶体，其具有：基本为纤锌矿结构，该结构的特征在于基本不含其他晶体结构，所述其他结构与所述基本纤锌矿结构的体积相比小于约1体积％；大于约10¹⁵cm^-3的Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、F和Cl至少之一的杂质浓度；和电阻大于约10⁷Ω-cm。