Процес та апарат для одержання об’ємного монокристала нітриду, що містить галій

Формула / Реферат | Подібні патенти | МПК / Мітки | Додаткова інформація | Код посилання

Номер патенту: 78705

Опубліковано: 25.04.2007

Автори: Канбара Ясуо, Двілінскі Роберт Томаш, Дорадзінскі Роман Марек, Гарчінскі Єжи, Сєжпутовскі Лєшек Пьотр

Є ще 6 сторінок.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Процес одержання кристала галієвмісного нітриду, який включає наступні стадії:

1) подають галієвмісний вихідний матеріал, компонент, що містить лужний метал, принаймні один зародок кристалізації та азотовмісний розчинник у щонайменше один контейнер;

2) переводять азотовмісний розчинник у надкритичний стан;

3) принаймні частково розчиняють галієвмісний вихідний матеріал при першій температурі і при першому тиску і

4) кристалізують галієвмісний нітрид на зародку кристалізації при другій температурі і при другому тиску, у той час як азотовмісний розчинник перебуває у надкритичному стані;

при цьому виконують принаймні один із наступних критеріїв:

а) друга температура вища за першу температуру і

б) другий тиск нижчий за перший тиск.

2. Процес за п. 1, у якому принаймні один контейнер є автоклавом.

3. Процес за п. 1, у якому галієвмісний вихідний матеріал принаймні частково розчиняють перед стадією (4).

4. Процес за п. 1, у якому галієвмісний вихідний матеріал принаймні частково розчиняють під час стадії (4).

5. Процес за п. 1, у якому процес проводять у контейнері, що має зону розчинення з першою температурою і зону кристалізації з другою температурою і при цьому друга температура вища за першу температуру.

6. Процес за п. 5, у якому різницю температур між зоною розчинення і зоною кристалізації вибирають так, щоб забезпечити конвективний транспорт у надкритичному розчині.

7. Процес за п. 6, у якому різниця температур між другою температурою і першою температурою складає щонайменше 1ºС.

8. Процес за п. 7, у якому різниця температур між другою температурою і першою температурою становить від приблизно 5ºС до приблизно 150ºС.

9. Процес за п. 1, у якому галієвмісний нітрид має загальну формулу , де і .

10. Процес за п. 9, у якому галієвмісний нітрид має загальну формулу , де і .

11. Процес за п. 9, у якому галієвмісний нітрид є нітридом галію.

12. Процес за п. 1, у якому галієвмісний нітрид додатково містить принаймні одну донорну домішку, принаймні одну акцепторну домішку, принаймні одну магнітну домішку або їх суміші.

13. Процес за п. 1, у якому галієвмісний вихідний матеріал містить принаймні одну сполуку, вибрану з групи, що складається з нітриду галію, азидів галію, імідів галію, амідо-імідів галію, гідридів галію, галій-вмісних сплавів, металічного галію і їх сумішей.

14. Процес за п. 13, у якому галієвмісний вихідний матеріал містить металічний галій і нітрид галію.

15. Процес за п. 13, у якому вихідний матеріал додатково містить вихідний матеріал алюмінію, вихідний матеріал індію або їх суміші, при цьому вихідні матеріали вибрані з групи, що складається з нітридів, азидів, імідів, амідо-імідів, гідридів, сплавів, металічного алюмінію і металічного індію.

16. Процес за п. 1, у якому компонент, що містить лужний метал, є принаймні одним металічним лужним металом або принаймні однією сіллю лужного металу.

17. Процес за п. 16, у якому лужний метал у компоненті, що містить лужний метал, є літієм, натрієм, калієм або цезієм.

18. Процес за п. 17, у якому лужний метал у компоненті, що містить лужний метал, є натрієм або калієм.

19. Процес за п.16, у якому сіль лужного металу є амідом, імідом чи азидом.

20. Процес за п. 1, у якому поверхня принаймні одного зародку кристалізації є кристалічним шаром галієвмісного нітриду.

21. Процес за п. 20, у якому галієвмісний нітрид кристалічного шару має загальну формулу , де і .

22. Процес за п. 20, у якому кристалічний шар має густину дислокацій менше 106/см2.

23. Процес за п. 1, у якому азотовмісний розчинник є аміаком, його похідною чи їх сумішами.

24. Процес за п. 1, у якому перша температура і друга температура знаходяться в діапазоні від 100ºС до 800ºС і в якому друга температура щонайменше на 1ºС вища за першу температуру.

25. Процес за п. 24, у якому перша температура і друга температура знаходяться в діапазоні від 300ºС до 600ºС.

26. Процес за п. 25, у якому перша температура і друга температура знаходяться в діапазоні від 400ºС до 550ºС.

27. Процес за п. 1, у якому перший тиск і другий тиск знаходяться в діапазоні від приблизно 1000бар (105кПа) до приблизно 10000бар (106кПа).

28. Процес за п. 27, у якому перший тиск і другий тиск знаходяться в діапазоні від приблизно 1000бар (105кПа) до приблизно 5500бар (5,5·105кПа).

29. Процес, за п. 28, у якому перший тиск і другий тиск знаходяться в діапазоні від приблизно 1500бар (1,5·105кПа) до приблизно 3000бар (3·105кПа).

30. Процес за п. 1, у якому стадію (4) виконують так, що кристалізація відбувається вибірково на зародку кристалізації.

31. Процес одержання кристала галієвмісного нітриду, який включає наступні стадії:

1) подають галієвмісний вихідний матеріал, що містить щонайменше два різних компоненти, компонент, що містить лужний метал, принаймні один зародок кристалізації та азотовмісний розчинник у контейнер, у якому є зона розчинення і зона кристалізації, при цьому галієвмісний вихідний матеріал подають в зону розчинення і принаймні один зародок кристалізації подають в зону кристалізації;

2) переводять азотовмісний розчинник у надкритичний стан;

3) частково розчиняють галієвмісний вихідний матеріал при температурі розчинення і при тиску розчинення в зоні розчинення, за рахунок чого перший компонент галієвмісного вихідного матеріалу по суті повністю розчиняється, а другий компонент галієвмісного вихідного матеріалу, а також зародок

(зародки) кристалізації залишаються, по суті, нерозчиненими і таким чином одержують ненасичений або насичений розчин відносно галієвмісного нітриду;

4) встановлюють умови у зоні кристалізації з другою температурою і другим тиском так, що одержують перенасичення відносно галієвмісного нітриду і відбувається кристалізація галієвмісного нітриду на щонайменше одному зародку кристалізації, і одночасно встановлюють умови в зоні розчинення з першою температурою і першим тиском, при яких розчиняється другий компонент галієвмісного нітриду;

при цьому друга температура вища за першу температуру.

32. Процес за п. 31, у якому перший компонент галієвмісного вихідного матеріалу є металічним галієм, а другий компонент галієвмісного вихідного матеріалу є нітридом галію.

33. Процес за п. 31, у якому кристалізацію виконують так, що вона вибірково відбувається на зародку кристалізації.

34. Процес за п. 31, у якому перша температура і перший тиск в зоні розчинення і друга температура і другий тиск в зоні кристалізації вибрані так, що концентрація галію в перенасиченому розчині залишається по суті однаковою під час кристалізації.

35. Процес за п. 31, у якому контейнер містить принаймні одну перегородку між зоною розчинення і зоною кристалізації.

36. Процес за п. 35, у якому принаймні одна перегородка має центральний отвір, периферійні отвори чи їх комбінацію.

37. Кристал галієвмісного нітриду, одержуваний за допомогою способу за будь-яким з пп.1-36.

38. Кристал галієвмісного нітриду, що має площу поверхні більше 2см2 і густину дислокацій менше 106/см2, одержуваний за допомогою способу за будь-яким з пп.1-36.

39. Кристал галієвмісного нітриду, що має повну ширину на половині висоти (FWHM) кривої коливання рентгенівського променя від площини (0002), рівну 50 дуговим секундам або менше, одержуваний за допомогою способу за будь-яким з пп.1-36.

40. Кристал галієвмісного нітриду за п. 39, у якому кристал галієвмісного нітриду має товщину щонайменше 500мкм.

41. Кристал галієвмісного нітриду за будь-яким з пп. 37-40, у якому кристал галієвмісного нітриду має загальну формулу , де і .

42. Кристал галієвмісного нітриду за будь-яким з пп. 37-40, у якому кристал галієвмісного нітриду містить лужні елементи в кількості більше 0,1млн-1.

43. Кристал галієвмісного нітриду за будь-яким з пп. 37-40, у якому кристал галієвмісного нітриду має вміст галогену близько 0,1млн-1 або менше.

44. Кристал галієвмісного нітриду за будь-яким з пп. 37-40, у якому кристал галієвмісного нітриду має об'єм більше 0,05см3.

45. Кристал галієвмісного нітриду за будь-яким з пп. 37-40, у якому кристал галієвмісного нітриду містить принаймні один елемент з групи, що містить Ті, Fe, Co, Cr і Ni.

46. Кристал галієвмісного нітриду за будь-яким з пп. 37-40, у якому кристал галієвмісного нітриду додатково містить принаймні одну донорну домішку і/або принаймні одну акцепторну домішку, і/або принаймні одну магнітну домішку в концентрації від 1017 до 1021/см3.

47. Кристал галієвмісного нітриду за будь-яким з пп. 37-40, у якому шар кристала галієвмісного нітриду додатково містить Аl і/або In і молярне відношення Ga до А1 і/або In складає більше 0,5.

48. Кристал галієвмісного нітриду за будь-яким з пп. 37-40, у якому кристал галієвмісного нітриду містить зародок кристалізації.

49. Кристал галієвмісного нітриду за будь-яким з пп. 37-40, у якому кристал галієвмісного нітриду є монокристалічним.

50. Апарат для одержання кристала галієвмісного нітриду, який складається з автоклава 1, який має внутрішній простір і містить щонайменше один апарат 4, 5 для нагрівання автоклава у щонайменше двох зонах, що мають різні температури, при цьому автоклав містить апарат, який розділяє внутрішній простір на зону розчинення 13 і зону кристалізації 14.

51. Апарат за п. 50, у якому передбачено принаймні один апарат для нагрівання автоклава в двох зонах, що мають різні температури, й ці дві зони збігаються із зоною розчинення 13 і зоною кристалізації 14.

52. Апарат за п. 50, у якому апарат, що розділяє внутрішній простір, являє собою принаймні одну перегородку 12, що має принаймні один отвір.

53. Апарат за п. 52, у якому принаймні одна перегородка 12 має центральний отвір, периферійні отвори чи їх комбінацію.

54. Апарат за п. 50, у якому зону кристалізації 14 оснащено нагрівальним пристроєм 5 для нагрівання зони кристалізації 14 до температури, що перевищує температуру зони розчинення 13.

55. Апарат за п. 50, у якому в зоні кристалізації 14 передбачено тримач 18 зародку кристалізації, а в зоні розчинення 13 передбачено тримач 19 вихідного матеріалу.

56. Апарат за п. 52, у якому перегородка (перегородки) перебуває (перебувають) у горизонтальному положенні і в якому зона розчинення 13 розташовується над вказаною горизонтальною перегородкою чи горизонтальними перегородками 12, у той час як зона кристалізації 14 розташовується під вказаною горизонтальною перегородкою чи горизонтальними перегородками 12.

57. Процес одержання кристала об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду, який виконують в автоклаві у середовищі надкритичного розчинника, що містить іони лужних металів, у якому галієвмісний вихідний матеріал для одержання вказаного кристала галієвмісного нітриду стає розчинним у вказаному надкритичному розчиннику і галієвмісний нітрид стає кристалізованим з надкритичного розчину на поверхні зародку кристалізації при температурі, вищій за температуру розчинення, і/або тиску, нижчому за тиск розчинення вихідного матеріалу в надкритичному розчиннику.

58. Процес за п. 57, у якому вказаний процес містить стадію розчинення галієвмісного вихідного матеріалу і окрему стадію транспорту надкритичного розчину в область з вищою температурою і/або нижчим тиском.

59. Процес за п. 57, у якому вказаний процес містить стадію одночасного створення щонайменше двох зон з різними температурами, при цьому галієвмісний вихідний матеріал поміщають в зону розчинення з нижчою температурою, у той час як зародок кристалізації поміщають в зону кристалізації з вищою температурою.

60. Процес за п. 59, у якому вказаною різницею температур між вказаною зоною розчинення і вказаною зоною кристалізації керують так, щоб забезпечити хімічний транспорт у надкритичному розчині.

61. Процес за п. 60, у якому вказаний хімічний транспорт у надкритичному розчині відбувається за рахунок конвекції в автоклаві.

62. Процес за п.60, у якому вказана різниця температур між зоною розчинення і зоною кристалізації більше 1ºС.

63. Процес за п.57, у якому вказаний кристал галієвмісного нітриду має загальну формулу , і .

64. Процес за п. 57, у якому вказаний кристал галієвмісного нітриду містить домішки донорного і/або акцепторного і/або магнітного типу.

65. Процес за п. 57, у якому вказаний надкритичний розчинник містить NH3 і/або його похідні.

66. Процес за п. 57, у якому вказаний надкритичний розчинник містить іони натрію і/або калію.

67. Процес за п. 57, у якому вказаний галієвмісний вихідний матеріал складається по суті з галієвмісного нітриду і/або його попередників.

68. Процес за п. 67, у якому вказані попередники вибрані з групи, що складається з азидів галію, імідів галію, амідоімідів галію, амідів галію, гідридів галію, галієвмісних сплавів і металічного галію і можливо відповідних сполук інших елементів групи XIII (відповідно до IUPAC, 1989).

69. Процес за п. 57, у якому вказаний зародок кристалізації має принаймні один кристалічний шар галієвмісного нітриду.

70. Процес за п. 57, у якому вказаний зародок кристалізації має принаймні один кристалічний шар галієвмісного нітриду з густиною дислокацій нижче 106/см2.

71. Процес за п. 57, у якому вказану кристалізацію галієвмісного нітриду проводять при температурі від 100 до 800ºС, краще від 300 до 600ºС або найкраще від 400 до 550ºС.

72. Процес за п. 57, у якому вказану кристалізацію галієвмісного нітриду проводять при тиску від 100 до 10000бар, краще від 1000 до 5500 бар або найкраще від 1500 до 3000бар.

73. Процес за п. 57, у якому вмістом іонів лужного металу в надкритичному розчиннику керують так, щоб забезпечити адекватні рівні розчинності вказаного вихідного матеріалу, а також вказаного галієвмісного вихідного матеріалу.

74. Процес за п. 57, у якому молярним співвідношенням молів вказаних іонів лужного металу до молів надкритичного розчинника керують в межах діапазону від 1:200 до 1:2, краще від 1:100 до 1:5 і найкраще від 1:20 до 1:8.

75. Апарат для одержання кристала монокристалічного галієвмісного нітриду, який складається з автоклава 1 для створення надкритичного розчинника, що містить апарат 2 для створення конвективного потоку, при цьому автоклав встановлено всередині печі або комплекту печей 4, оснащених нагрівальними пристроями 5 і/або охолоджувальними пристроями 6.

76. Апарат за п. 75, у якому піч або комплект печей 4 має зону високої температури, що збігається із зоною кристалізації 14 вказаного автоклава 1, оснащену нагрівальними пристроями 5, і зону низької температури, що збігається з зоною розчинення 13 автоклава 1, оснащену нагрівальними пристроями 5 і/або охолоджувальними пристроями 6.

77. Апарат за п. 76, у якому піч або комплект печей 4 має зону високої температури, що збігається з зоною кристалізації 14 вказаного автоклава 1, оснащену нагрівальними пристроями 5 і/або охолоджувальними пристроями 6, а також зону низької температури, що збігається з зоною розчинення 13 автоклава 1, оснащену нагрівальними пристроями 5 і/або охолоджувальними пристроями 6.

78. Апарат за п. 76, у якому вказаний апарат 2 виготовлено у вигляді горизонтальної перегородки чи горизонтальних перегородок 12, що мають центральний отвір і/або периферійні отвори, що відділяють зону кристалізації 14 від зони розчинення 13.

79. Апарат за п. 76, у якому вихідний матеріал 16 розміщено в автоклаві 1 в зоні розчинення 13, а вказаний зародок кристалізації 17 розміщено в зоні кристалізації 14, і вказаний конвективний потік між зонами 13 і 14 створюється за допомогою вказаного пристрою 2.

80. Апарат за п. 76, у якому вказана зона розчинення 13 розташована над вказаною горизонтальною перегородкою чи горизонтальними перегородками 12, у той час як вказана зона кристалізації 14 розташована під вказаною горизонтальною перегородкою чи горизонтальними перегородками 12.

81. Процес одержання кристала об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду в автоклаві, який включає стадії: 1) створюють надкритичний аміачний розчин, що містить іони лужного металу і галій у розчиненому вигляді, шляхом введення галієвмісного вихідного матеріалу в надкритичний аміачний розчин, що містить іони лужних металів, у якому розчинність галієвмісного нітриду проявляє від'ємний температурний коефіцієнт у вказаному надкритичному аміачному розчині і 2) вибірково кристалізують вказаний галієвмісний нітрид на зародку кристалізації із вказаного надкритичного аміачного розчину внаслідок від'ємного температурного коефіцієнта розчинності.

82. Процес одержання кристала об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду в автоклаві, який включає стадії: 1) створюють надкритичний аміачний розчин, що містить іони лужного металу і галій у розчиненому вигляді, шляхом введення галієвмісного вихідного матеріалу в надкритичний аміачний розчин, що містить іони лужних металів, у якому розчинність галієвмісного нітриду проявляє додатний коефіцієнт тиску у вказаному надкритичному аміачному розчині і 2) вибірково кристалізують вказаний галієвмісний нітрид на зародку кристалізації із вказаного надкритичного аміачного розчину внаслідок додатного коефіцієнта тиску розчинності.

83. Процес одержання кристала об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду в автоклаві за пп. 81 чи 82, у якому вказаний галієвмісний нітрид є GaN.

84. Процес одержання кристала об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду в автоклаві за пп. 81 чи 82, у якому вказаний іон лужного металу обирають з групи, що включає Li+, Na+ і К+.

85. Процес одержання кристала об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду в автоклаві за пп. 81 чи 82, у якому вказані іони лужних металів вводять у вигляді мінералізаторів, вибраних з лужних металів та їх сполук, таких як азиди, нітриди, аміди, амідоіміди, іміди і/або гідриди, , для утворення амоноосновного надкритичного аміачного розчину, який не містить іонів галогенів.

86. Процес одержання кристала об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду в автоклаві за пп. 81 чи 82, у якому вказаний галієвмісний нітрид розчиняють у вказаному надкритичному аміачному розчиннику у вигляді комплексних сполук галію, що містять лужні метали та NH3 і/або його похідні.

87. Процес одержання кристала об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду в автоклаві за пп. 81 чи 82, у якому вказану комплексну сполуку галію у вказаному надкритичному аміачному розчині створюють шляхом розчинення GaN і/або розчинення металічного Ga у надкритичному аміачному розчиннику.

88. Процес одержання надкритичного аміачного розчину, що містить галієвмісний нітрид, який включає стадії: 1) створюють надкритичний аміачний розчинник за допомогою регулювання температури і/або тиску в автоклаві і 2) розчинюють попередника галієвмісного нітриду у вказаному надкритичному аміачному розчиннику для утворення розчинних комплексних сполук галію при температурі, нижчій за температуру, при якій відбувається ефективне розчинення галієвмісного нітриду.

89. Процес одержання надкритичного аміачного розчину, що містить галієвмісний нітрид, за п. 88, у якому вказану стадію розчинення вказаного попередника у вказаному надкритичному аміачному розчиннику виконують при температурі від 150 до 300ºС.

90. Процес керування рекристалізацією галієвмісного нітриду у надкритичному аміачному розчині, який включає стадії: 1) одержують в автоклаві надкритичний аміачний розчин, що містить розчинні комплексні сполуки галію, одержані шляхом розчинення вихідного матеріалу галієвмісного нітриду і 2) знижують розчинність вказаного галієвмісного нітриду у надкритичному аміачному розчині шляхом підвищення температури вище температури, при якій відбувається розчинення вихідного матеріалу галієвмісного нітриду.

91. Процес керування рекристалізацією галієвмісного нітриду у надкритичному аміачному розчині за п. 90, у якому керування розчинністю вказаного галієвмісного нітриду у вказаному надкритичному аміачному розчині виконують шляхом регулювання конвективного потоку між зоною розчинення і зоною кристалізації.

92. Процес керування рекристалізацією галієвмісного нітриду у надкритичному аміачному розчині за п.90, у якому керування розчинністю вказаного галієвмісного нітриду у вказаному надкритичному аміачному розчині виконують шляхом регулювання ступеня розкриву перегородки чи перегородок між зоною розчинення і зоною кристалізації.

93. Процес керування рекристалізацією галієвмісного нітриду у надкритичному аміачному розчині, який включає стадії: 1) одержують в зоні розчинення надкритичний аміачний розчин, що містить розчинні комплексні сполуки галію, одержані шляхом розчинення вихідного матеріалу галієвмісного нітриду і 2) керують перенасиченням вказаного надкритичного аміачного розчину відносно зародку кристалізації при одночасному утриманні температури в зоні кристалізації нижче температури в зоні розчинення.

94. Процес керування рекристалізацією галієвмісного нітриду у надкритичному аміачному розчині за п.93, у якому перенасичення вказаного надкритичного розчину відносно вказаного зародку кристалізації утримують нижче рівня, при якому відбувається довільне утворення зародків галієвмісного нітриду.

95. Процес керування рекристалізацією галієвмісного нітриду у надкритичному аміачному розчині за п. 93, у якому перенасиченням вказаного надкритичного розчину відносно вказаного зародку кристалізації керують шляхом регулювання тиску і складу надкритичного аміачного розчину.

96. Процес керування рекристалізацією галієвмісного нітриду у надкритичному аміачному розчині за п. 93, у якому перенасиченням вказаного надкритичного розчину відносно вказаного зародку кристалізації керують шляхом регулювання температури кристалізації.

97. Процес керування рекристалізацією галієвмісного нітриду у надкритичному аміачному розчині за п.93, у якому перенасиченням вказаного надкритичного розчину відносно вказаного зародку кристалізації керують шляхом регулювання різниці температур між зоною розчинення і зоною кристалізації.

98. Процес керування рекристалізацією галієвмісного нітриду у надкритичному аміачному розчині за п. 93, у якому перенасиченням вказаного надкритичного розчину відносно вказаного зародку кристалізації керують шляхом регулювання швидкості хімічного транспорту.

99. Підкладинка для епітаксії, кристалізована на поверхні зародку кристалізації, зокрема підкладинка для нітридних напівпровідникових шарів, у якій підкладинка має шар об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду, що має площу поверхні більше 2см2 і густину дислокацій менше 106/см2.

100. Підкладинка для епітаксії за п. 99, у якій шар об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду має загальну формулу , де і .

101. Підкладинка для епітаксії за п. 99, у якій підкладинка містить лужні елементи в кількості більше 0,1млн-1.

102. Підкладинка для епітаксії за п. 99, у якій шар об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду має вміст галогену, що не перевищує 0,1 млн-1.

103. Підкладинка для епітаксії за п. 99, у якій шар об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду має об'єм більше 0,05см3.

104. Підкладинка для епітаксії за п. 99, у якій шар об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду має повну ширину на половині висоти (FWHM) кривої коливання рентгенівського променя від площини (0002), меншу за 600 дугових секунд.

105. Підкладинка для епітаксії за п. 99, у якій шар об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду додатково містить принаймні одну донорну домішку і/або принаймні одну акцепторну домішку в концентрації від 1017 до 1021/см3.

106. Підкладинка для епітаксії за п. 99, у якій шар об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду містить А1 і/або In і молярне відношення Ga до А1 і/або In складає більше 0,5.

107. Підкладинка для епітаксії за п. 99, у якій шар об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду кристалізовано на поверхні зародку кристалізації галієвмісного нітриду, що має густину дислокацій менше 106/см2.

108. Підкладинка для епітаксії за п. 99, у якій шар об'ємного монокристалічного галієвмісного нітриду має густину дислокацій менше 104/см2 і повну ширину на половині висоти (FWHM) кривої коливання рентгенівського променя від площини (0002) , меншу за 60 дугових секунд.

Текст

Цей винахід стосується процесу одержання кристалу галій-вмісного нітриду за допомогою амоно-основного методу, а також самого кристалу галій-вмісного нітриду. Крім того, розкрито пристрій для виконання різних способів. Оптоелектронні пристрої, що базуються на нітридах, звичайно виготовляють на підкладинках із сапфіру або карбіду кремнію, які відрізняються від осаджуваних шарів нітриду (так звана гетероепітаксія). У найчастіше використовуваному методі хімічного осадження з парів металоорганічних сполук (MOCVD), осадження GaN здійснюють з аміаку й металоорганічних сполук у газовій фазі, і швидкості наростання, що при цьому досягаються, забезпечують можливість створення об'ємного шару. Застосування буферного шару зменшує густину дислокацій, але не більше ніж до значення близько 108/см2. Запропоновано також інший метод одержання об'ємного монокристалічного нітриду галію. Цей метод полягає в епітаксіальному осадженні з використанням галогенідів у паровій фазі, який називається епітаксією галогеніду з парової фази (HPVE) ["Оптичне формування рисунку на плівках GaN", Μ.Κ. Kelly, 0. Ambacher, Appl. Phys. Lett. 69 (12) (1996) та "Виготовлення тонкоплівкових мембран світловипромінювальних діодів InGaN", W.S. Wrong, T. Sands, Appl. Phys. Lett. 75 (10) (1-999)]. Цей метод забезпечує одержання підкладинок GaN, що мають діаметр 2 дюйми (5см) . Проте їх якість є недостатньою для лазерних діодів, оскільки густина дислокацій продовжує залишатися в межах від приблизно 107 до приблизно 109/см2. Останнім часом використовують метод епітаксіального латерального верхнього вирощування (ELOG) для зменшення густини дислокацій. За цим методом, спочатку вирощують шар GaN на сапфіровій підкладинці, а потім на нього осаджують шар з SiO2 у вигляді смужок або решітки. На підготовленій таким чином підкладинці можна у свою чергу виконувати бокове вирощування GaN, що призводить до одержання густини дислокацій близько 107/см2. Вирощування об'ємних кристалів нітриду галію та інших металів групи XIII (IUPAC, 1989) є надзвичайно складним. Стандартні методи кристалізації з розплаву та методи сублімації незастосовні через розклад нітридів на метали та N2. В методі з використанням азоту під високим тиском (HNP) ["Перспективи вирощування під високим тиском кристалів нітридів III-V", S. Porovsky та ін., Inst. Phys. Conf. Series, 137, 369 (1998)] цей розклад інгібітують з використанням азоту під високим тиском. Вирощування кристалів здійснюють у розплавленому галії, тобто в рідкій фазі, що забезпечує виготовлення пластинок GaN з розмірами близько 10мм. Для того, щоб розчинність азоту в галію була достатньою, потрібні температура близько 1500°С і тиск азоту близько 15кбар. Запропоновано використання надкритичного аміаку для зниження температури і зменшення тиску під час процесу вирощування нітридів. Петерс описав амонотермічний синтез нітриду алюмінію [J. Cryst. Growth 104, 411418 (1990)]. P. Двилинський та ін. показали, зокрема, що можна одержувати тонкокристалічний нітрид галію шляхом синтезу з галію й аміаку за умови, що останній містить аміди лужних металів (KNH2 і LiNH2) . Процеси проводили при температурах аж до 550°С і при тиску 5кбар. При цьому одержували кристали з розміром близько 5мкм ["Амоно-спосіб синтезу BN, A1N та GaN і вирощування кристалів", Proc. EGW-3, 1998, MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research, http://nsr.mij.mrs.Org/3/25]. Інший спосіб з використанням надкритичного аміаку, у якому в ролі вихідного матеріалу використовують тонкокристалічний GaN разом з мінералізатором, що складається з аміду (KNH2) і галогеніду (ΚΙ), також передбачений для рекристалізації нітриду галію ["Вирощування кристалів нітриду галію у надкритичному аміаку", J.W.Kolis та ін, J. Cryst. Growth 222, 431-434 (2001)]. Процес рекристалізації, що проводиться при температурі 400°С і при тиску 3,4кбар, дозволяє одержати кристали GaN з розміром близько 5мм. Аналогічний спосіб описаний також [J.W.Kolis та ін. в Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 495, 367-373 (1998)]. Проте використання цих процесів з надкритичним аміаком не дозволяло одержати об'ємних монокристалів, оскільки у надкритичному розчині не спостерігалися процеси хімічного транспорту, зокрема, не відбувалося вирощування на затравочних кристалах. Тому існує потреба у покращеному способі одержання кристалу галій-вмісного нітриду. Термін дії оптичних напівпровідникових пристроїв залежить передусім від якості кристалу оптично активних шарів і, зокрема, від поверхневої густини дислокацій. У випадку лазерних діодів на базі GaN перевага надається зменшенню густини дислокацій в шарі підкладинки GaN до величини, меншої за 106/см2, що надзвичайно важко було реалізувати з використанням відомих способів. Тому існувала потреба в кристалах галій-вмісного нітриду, якість яких була б достатньою для їх використання як підкладинок для оптоелектроніки. Розкриття винаходу Предмет цього винаходу вказаний у формулі винаходу, що додається. Зокрема, один варіант виконання даного винаходу відноситься до процесу одержання кристалу галій-вмісного нітриду, який включає наступні стадії: 1) подачі галій-вмісного вихідного матеріалу, компонента, що містить лужний метал, принаймні одного зародку кристалізації та азот-вмісного розчинника у щонайменше один контейнер; 2) переведення азот-вмісного розчинника у надкритичний стан; 3) принаймні часткового розчинення галій-вмісного вихідного матеріалу при першій температурі і при першому тиску і 4) кристалізації галій-вмісного нітриду на зародку кристалізації при другій температурі і при другому тиску при перебуванні азот-вмісного розчинника у надкритичному стані; при цьому виконується щонайменше один із наступних критеріїв: а) друга температура вища за першу температуру і б) другий тиск нижчий за перший тиск. Згідно з другим варіантом виконання винаходу, процес одержання кристалу галій-вмісного нітриду складається з наступних стадій: 1) подачі галій-вмісного вихідного матеріалу, що містить щонайменше два різних компонента, компонента, що містить лужний метал, принаймні одного зародку кристалізації та азот-вмісного розчинника у контейнер, у якому є зона розчинення і зона кристалізації, при цьому галій-вмісний вихідний матеріал подається в зону розчинення і принаймні один зародок кристалізації подається в зону кристалізації; 2) подальшого переведення азот-вмісного розчинника у надкритичний стан; 3) подальшого часткового розчинення галій-вмісного вихідного матеріалу при температурі розчинення і при тиску розчинення в зоні розчинення, за рахунок чого перший компонент галій-вмісного вихідного матеріалу по суті повністю розчиняється, а другий компонент галій-вмісного вихідного матеріалу, а також зародок кристалізації залишаються, по суті, нерозчиненими і таким чином одержують ненасичений або насичений розчин відносно галій-вмісного нітриду; 4) подальшого встановлення умов у зоні кристалізації з другою температурою і другим тиском, так що одержують перенасичення відносно галій-вмісного нітриду і відбувається кристалізація галій-вмісного нітриду на щонайменше одному зародку кристалізації, і одночасного встановлення умов в зоні розчинення з першою температурою і першим тиском, при яких розчиняється другий компонент галій-вмісного нітриду; при цьому друга температура вища за першу температуру. Кристал галій-вмісного нітриду, що одержується за допомогою одного з цих процесів, також є предметом даного винаходу. Предметом даного винаходу є кристал галій-вмісного нітриду з площею поверхні більше 2см2 і густиною дислокацій менше 106/см2, і кристал галій-вмісного нітриду з товщиною щонайменше 200 мкм і повною шириною на половині висоти кривої качання рентгенівського променя від площини (0002), рівну 50 дуговим секундам або менше. Винахід також забезпечує створення пристрою для одержання кристалу галій-вмісного нітриду, що складається з автоклаву 1, який має внутрішній простір і містить щонайменше один пристрій 4, 5 для нагрівання автоклаву у щонайменше двох зонах, що мають різні температури, при цьому автоклав містить пристрій, який розділяє внутрішній простір на зону розчинення 13 і зону кристалізації 14. Згідно зі ще одним варіантом виконання винаходу створено спосіб одержання об'ємного монокристалічного галій-вмісного нітриду в автоклаві, який включає стадії створення надкритичного аміачного розчину, що містить галій-вмісний нітрид з іонами лужних металів, і вибіркової рекристалізації вказаного галій-вмісного нітриду на зародку кристалізації з вказаного надкритичного аміачного розчину за допомогою від'ємного температурного коефіцієнта розчинності і/або за допомогою додатного коефіцієнта тиску розчинності. Також створено спосіб керування рекристалізацією галій-вмісного нітриду у надкритичному аміачному розчині, який складається зі стадій створення в автоклаві надкритичного аміачного розчину, що містить галійвмісний нітрид у вигляді сполуки галію з іонами лужного металу та розчинник NH3, і зменшення розчинності вказаного галій-вмісного нітриду у надкритичному аміачному розчині при температурі, нижчій за температуру розчинення кристалу галій-вмісного нітриду і/або при тиску, вищому за тиск розчинення кристалу галій-вмісного нітриду. Короткий опис фігур креслень На фігурах зображено: Фіг.1 - залежність розчинності галій-вмісного нітриду у надкритичному аміачному розчині, який містить амід калію (з KNH2:NH3 = 0,07) під тиском при Τ = 400°С і Τ = 500°С; Фіг.2 - графік зміни з часом температури в автоклаві при постійному тиску у прикладі 1; Фіг.3 - графік зміни з часом тиску в автоклаві при постійній температурі в прикладі 2; Фіг.4 - графік зміни з часом температури в автоклаві при постійному об'ємі в прикладі 3; Фіг.5 - графік зміни з часом температури в автоклаві в прикладі 4; Фіг.6 - графік зміни з часом температури в автоклаві в прикладі 5; Фіг.7 - графік зміни з часом температури в автоклаві в прикладі 6; Фіг.8 - графік зміни з часом температури в автоклаві в прикладі 7; Фіг.9 - осьовий розріз автоклаву, що використовується в багатьох прикладах, встановленого в печі; Фіг.10 - пристрій, описаний у даному винаході, в ізометричній проекції; Фіг.11 - графік зміни з часом температури в автоклаві при постійному об'ємі в прикладі 8; Фіг-12 - графік зміни з часом температури в, автоклаві при постійному об'ємі в прикладі 9; Фіг.13 - графік зміни з часом температури в автоклаві при постійному об'ємі в прикладі 10; Фіг.14 - графік зміни з часом температури в автоклаві при постійному об'ємі в прикладах 11 і 12; Фіг.15 - ілюстрація постульованої теорії винаходу. Здійснення винаходу У цьому винаході використовуються наступні означення. Галій-вмісний нітрид означає нітрид галію або галію разом з іншим елементом (елементами) групи XIII (згідно з IUPAC, 1989) . Ця група сполук включає в себе (проте не обмежується ними) подвійну сполуку GaN, потрійні сполуки, такі як AlGaN, InGaN, а також AlInGaN. (Наведені формули призначені для вказання компонентів нітридів. Вони не вказують їх відносної кількості). Об'ємний монокристалічний галій-вмісний нітрид означає монокристалічну підкладинку, виготовлену з галійвмісного нітриду, з якої можуть бути утворені, наприклад, оптоелектронні пристрої, такі як світловипромінювальні діоди чи лазерні діоди за допомогою епітаксіальних методів, таких як MOCVD (хімічне осадження з парів металоорганічних сполук) і HVPE (епітаксія галогеніду з парової фази). Надкритичний розчинник означає рідину у надкритичному стані. Вона може містити також інші компоненти додатково до самого розчинника, якщо ці компоненти суттєво не впливають або не порушують функцію надкритичного розчинника. Зокрема, розчинник може містити іони лужних металів. Надкритичний розчин означає надкритичний розчин, коли він містить галій у розчиненому вигляді в результаті розчинення галій-вмісного вихідного матеріалу. Розчинення галій-вмісного вихідного матеріалу означає процес (оборотний чи необоротний), у якому вказаний вихідний матеріал поміщають у надкритичний розчинник у розчинному вигляді, можливо у вигляді комплексних сполук галію. Комплексні сполуки галію означають комплексні сполуки, в яких атом галію є координаційним центром, оточеним лігандами, такими як молекули NH3 чи їх похідні, такі як, NH2-, NH2- і т. інш. Від'ємний температурний коефіцієнт розчинності означає, що розчинність відповідної сполуки є функцією температури, що монотонно спадає, якщо всі інші параметри залишаються незмінними. Аналогічним чином, додатний температурний коефіцієнт розчинності означає, що розчинність є функцією температури, що монотонно зростає, якщо всі інші параметри залишаються незмінними. У наших дослідженнях ми показали, що розчинність галій-вмісного нітриду у надкритичних азот-вмісних розчинниках, таких як аміак, має від'ємний температурний коефіцієнт і додатний коефіцієнт тиску при температурах в діапазоні принаймні від 300 до 600°С і тисках від 1 до 5,5кбар. Перенасичення надкритичкого розчину відносно галій-вмісного нітриду означає, що концентрація галію у розчиненому вигляді у вказаному розчині вища ніж при рівновазі (тобто вища за розчинність). У випадку розчинення галій-вмісного нітриду у замкненій системі,, таке перенасичення можна забезпечити за допомогою підвищення температури і/або пониження тиску. Самодовільна кристалізація означає небажаний процес, коли зародження і ріст галій-вмісного нітриду з перенасиченого надкритичного розчину відбувається у довільному місці всередині автоклаву, за винятком поверхні зародку кристалізації, де ріст є бажаним. До самодовільної кристалізації також відноситься зародження і неорієнтований ріст на поверхні зародку кристалізації. Вибіркова кристалізація означає процес кристалізації на зародку, який відбувається без самодовільної кристалізації. Автоклав означає закритий контейнер, що має реакційну камеру, де відбувається процес за участю аміаку згідно з даним винаходом. Цей винахід забезпечує можливість одержання монокристалу галій-вмісного .нітриду великих розмірів і високої якості. Такі кристали галій-вмісного нітриду можуть мати площу поверхні більше 2см2 і густину дислокацій менше 106/см2. Можна також одержувати кристали галій-вмісного нітриду з товщиною не менше 200мкм (краще не менше 500 мкм) і повну ширину на половині висоти кривої качання рентгенівськогопроменя, рівну 50 дуговим секундам або менше. В залежності від умов кристалізації можна одержувати кристали галій-вмісного нітриду, які мають об'єм більше 0,05см3, краще більше 0,1см3, з використанням процесів, описаних у винаході. Як зазначалося вище, кристал галій-вмісного нітриду є кристалом нітриду галію або галію разом з іншим елементом (елементами) групи XIII (номери груп наводяться в усій заявці згідно з конвенцією IUPAC 1989 року). Ці сполуки можуть бути представлені формулою AlxGa1-x-yInyN, де 0£х

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Process and apparatus for obtaining of bulky nitride monocrystal, containing gallium

Автори англійською

KANBARA YASUO

Назва патенту російською

Процесс и аппарат для получения объемного монокристалла нитрида, содержащего галлий

Автори російською

Канбара Ясуо

МПК / Мітки

МПК: C30B 9/00, C30B 29/40, C30B 7/00

Мітки: нітриду, процес, монокристала, об`ємного, галій, містить, одержання, апарат

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/14-78705-proces-ta-aparat-dlya-oderzhannya-obehmnogo-monokristala-nitridu-shho-mistit-galijj.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Процес та апарат для одержання об’ємного монокристала нітриду, що містить галій</a>

Подібні патенти