[发明专利]在具有至少两个相互成锐角、直角或钝角的表面的晶种上氨热生长III族氮化物晶体

说明书

相关申请的交叉参考

本申请根据35U.S.C.Section119(e)要求下列共同未决且共同转让的申请的权益：

由Siddha Pimputkar、James S.Speck、Shuji Nakamura和Shin-ichiro Kawabata在2010年10月29日提交的发明名称为“AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-III NITRIDE CRYSTALS ON SEEDS WITH AT LEAST TWO SURFACES MAKING AN ACUTE OR OBTUSE ANGLE WITH EACH OTHER”，律师案卷号为30794.397-US-P1(2011-228-1)的美国临时专利申请序列号61/408,44，该申请通过引用并入本文。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及在具有至少两个相互成锐角、直角或钝角的表面的晶种上氨热生长III族氮化物晶体。

2.相关技术的描述

III-族氮化物例如氮化镓(GaN)的氨热生长，包括，在反应容器内放入含III-族原材料、III-族氮化物晶种、和含氮流体或气体，诸如氨，然后将容器密封并将容器加热至一定条件，从而使反应器在高温（23℃至1000℃之间）和高压（1atm至例如30,000atm）下。在这些温度和压力下，含氮流体变成超临界流体并通常呈现III-族氮化物物质在溶液中的溶解度提高。

III-族氮化物在含氮流体中的溶解度取决于温度、压力和流体密度等。通过在容器内产生两个不同的区域，有可能建立溶解度梯度，其中第一区域中的溶解度将高于第二区域中的溶解度。原材料然后优先置于较高溶解度的第一区域，晶种在较低溶解度的第二区域。通过在这两个区域之间建立流体运动，例如通过利用自然对流，有可能将III-族氮化物物质从较高溶解度的第一区域转移至较低溶解度的第二区域，在那里它自己然后沉积到晶种上。

目前，当利用氨热法生长III-族氮化物晶体时，可能的是沿着一个结晶方向的生长比沿着另一结晶方向慢。当生长例如GaN时可以看到的是，沿着极性c-方向{0001}的生长速度比沿着垂直、稳定、非极性方向诸如m-方向{10-10}快大约四至十倍。此外，沿着稳定、非极性方向的绝对生长速度可能相对小，在10-50μm/天的级别。为了从整块III-族氮化物晶体制备基底，期望获得最高可能的生长速度同时仍保持晶体质量。

如果期望产生具有大的非极性和/或半极性表面的基底，则期望不仅沿着c-方向而且沿着垂直的非极性方向具有快的生长速度。已经观察到，非极性a-方向{11-20}——其垂直于m-方向和c-方向——上的生长可比m-方向快高达10倍。此外，a-平面通常从实体（existence）生长出来并且多个m-平面小面（plane facet）形成，代替晶种的原始a-平面表面。

除了提高晶体的整体生长速度外，重要的是控制化学物种的吸收。除非在生长期间存在完全纯的环境——从来没有这种情况，存在于生长室中的化学物质（化学品，chemicals）将被并入生长的GaN晶体。这些化学物质可以以好的方式（例如，提高自由载流子（free carrier）浓度的掺杂剂等）或坏的方式（通过在晶体带隙内引入电子态（electronic state））降低整体载流子寿命或光学特性的杂质等）改变晶体的特性。

目前，一旦获得一定大小的晶体，在稳定状态下生长的表面通常是m-平面{10-10}和c-平面{0001}(尽管偶尔地，但也看到{10-11}或{10-1-1}平面)。沿这些平面的化学物质的吸收以晶体和环境之间的界面为主，并且，因为只有有限数量的稳定平面出现（例如m-和c-平面），在所得晶体中化学物质的吸收将以m-和c-平面上化学物质的吸收为主。

那么需要的是，制备III-氮化物基晶体的改进方法，其解决或减少了这些问题。本发明满足了该需求。

发明概述

为克服上述现有技术中的局限性，以及克服阅读和理解本说明书后将变得明显的其他局限性，本发明公开了在具有至少两个表面的起始晶种上氨热生长III-族氮化物晶体，所述至少两个表面相互成锐角、直角或钝角，即大于0度且小于180度，以便所暴露的表面一起形成凹面。

附图简述

现参考附图，在整个附图中相似的参考数字表述相应的部分：

图la示例典型晶种的典型生长。

图lb示例根据本发明的晶种的生长。

图2a示例根据本发明晶种内部如何被切去，其中晶种的切去部分也可用于生长。