CN101233265A - AlN晶体、用于生长AlN晶体的方法以及AlN晶体衬底 - Google Patents

AlN晶体、用于生长AlN晶体的方法以及AlN晶体衬底 Download PDF

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Abstract

提供大直径跨距AlN晶体、生长AlN晶体的方法以及AlN晶体衬底，该AlN晶体可应用到不同类型的半导体器件，具有良好的结晶度。该AlN晶体生长方法是这样的一种方法，其中通过气相外延在放置在提供在反应腔内的晶体生长器皿(12)内的晶体生长室(24)内部的籽晶衬底(2)上生长AlN晶体(4)，并且其特征在于：在晶体生长期间，将含碳气体提供到晶体生长室(24)的内部。

Description

AlN晶体、用于生长AlN晶体的方法以及AlN晶体衬底
技术领域
本发明涉及具有满意结晶度、能够应用到各种类型半导体器件的大直径跨距AlN晶体，涉及生长AlN晶体的方法和AlN晶体衬底。
背景技术
由于其显著的半导体性质，作为用来制造包括发光器件、电子器件和半导体传感器的各种半导体器件的材料，AlN晶体是非常有用的。为此，生长具有良好结晶度的大直径跨距AlN晶体变得至关重要。
如何生长这种AlN晶体的已经提议的实例包括各种气相生长方法，如升华、氢化物气相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)和金属有机物气相沉积(MOCVD)。从可以生长满意的结晶度和在X-射线衍射中小的半最大处全宽度以及生长速率高的角度而言，在这些方法中，特别优选使用升华。这里，“升华”意指通过升华并且之后再固化成晶体源材料来生长晶体的技术。
在升华中，由化合物半导体如GaN和SiC组成的化合物半导体衬底用作籽晶衬底。具体地，考虑到AlN和SiC籽晶呈现出与生长的AlN晶体匹配的相近的晶格，并且它们具有突出的耐热性，已经研究了在由AlN或SiC组成的籽晶衬底上的AlN晶体生长。(例如，参看非专利文献文献1和2)。
在上述的AlN晶体升华生长中，制造具有良好结晶度的大直径跨度AlN晶体已经成为主要的挑战，因为在AlN和SiC籽晶衬底和其它化合物半导体衬底上存在不生长AlN晶体的区域(在下文中称为“晶体非生长区”)。此外，尤其是在使用SiC籽晶衬底顶部的情形中，SiC籽晶升华的温度是2300℃，这种情况限制升高AlN晶体生长的温度，这已经导致AlN晶体生长率下降。
非专利参考文献1：V.Noveski，“Growth of AlN crystals on AlN/SiCseeds by AlN power sublimation in nitrogen atmosphere，”MRS Internet J.Nitride Semicond.Res.9，2(2004)
非专利文献2：Lianghong Liu，“Growth Mode and Defects inAluminum Nitride Sublimed on(0001)6H-SiC Substrates，”MRS InternetJ.Nitride Semicond.Res.6，7(2001)
发明内容
本发明要解决的问题
本发明致力于解决这些问题，并且本发明的目的是获得具有良好结晶度的、可应用到不同类型半导体器件的大直径跨距的AlN晶体、生长AlN晶体的方法、以及AlN晶体衬底。
解决问题的方式
本发明的一个方面是一种将AlN晶体生长到籽晶衬底的方法，其中籽晶衬底放置在提供在反应腔中的晶体生长器皿中的晶体生长室中，该方法的特征在于在晶体生长期间将含碳的气体提供到晶体生长室中。
在涉及本发明的AlN晶体生长方法中，可以利用SiC籽晶衬底或AlN籽晶衬底作为籽晶衬底。此外，反应腔中晶体生长期间含碳气体分压与总压力的比可以是2×10-5至0.9含端值。而且，含碳气体可以由碳和AlN源之间的反应生成。而且，作为用来生产含碳气体的碳供应源，可以利用形成晶体生长器皿的石墨。另外，含碳气体可以包括CO或CO2气体。应该理解，CO和CO2气体可以由碳和金属氧化物之间的反应制造。含碳气体也可以从反应腔外部提供。这里，外部提供的含碳气体可以包括CO或CO2气体。
本发明的另一方面是由任意上述生长方法制造的、具有1×1015atoms·cm-3至1×1020atoms·cm-3含端值的碳原子浓度、并且具有25.4mm或更大直径的AlN晶体。在涉及本发明的AlN晶体中，其直径可以达到48.8或更大。
本发明的再一个方面是通过处理上述AlN衬底获得的AlN晶体衬底。
本发明的有益效果
本发明提供具有良好结晶度的大直径跨距AlN晶体、生长AlN晶体的方法和AlN晶体衬底。
附图说明
图1是在涉及本发明的AlN晶体生长方法中使用的升华炉轮廓图的示意图。
图2是在涉及本发明的AlN晶体生长方法的一个实施例中使用的升华炉中的晶体生长器皿结构的一个实例的截面示意图。
图3是在涉及本发明的AlN晶体生长方法的另一个实施例中使用的升华炉中的晶体生长器皿结构的一个实例的截面示意图。
图4是在涉及本发明的AlN晶体生长方法的再一个实施例中使用的升华炉中的晶体生长器皿结构的一个实例的截面示意图。
图例
1：AlN源；2：籽晶衬底；3：金属氧化物；4：AlN晶体；10：升华炉；11：反应腔；11a：进气管；11b：排气管；12：晶体生长器皿；12h、13a、13b、21h：开口部分；12s：内壁；13：绝热材料；14：高频加热线圈；15：辐射温度计；21：耐高温材料；23：含碳气体生产室；24：晶体生长室。
具体实施方式
参考图1至4，涉及本发明的AlN晶体生长方法是通过气相外延将AlN晶体4生长到籽晶衬底2上，其中籽晶衬底2放置在提供于反应腔11中的晶体生长器皿12中的晶体生长室24中，该方法特征在于，在晶体生长期间将含碳气体提供到晶体生长室24的内部。将含碳气体提供在晶体生长室24的内部以消除籽晶衬底2上不生长晶体的区域，以及横跨籽晶衬底2的整个正面生长AlN晶体4，这使得能够生长具有良好结晶度的大直径跨度的AlN晶体4。
在这里，对籽晶衬底2没有特别的限制，只要它是其上可以生长AlN晶体4的衬底，但从与生长的AlN晶体4接近的晶格匹配的观点看，优选SiC籽晶衬底或AlN籽晶衬底。在这里，SiC籽晶衬底适合于生长较大直径跨度的良好结晶度的AlN晶体，因为对于比AlN籽晶衬底更大直径跨度的籽晶衬底，它们是更容易获得。此外，由于相比SiC籽晶衬底，AlN籽晶衬底与AlN晶体更接近的晶格匹配，AlN籽晶衬底适合于生长更好结晶度的AlN晶体。
涉及本发明的AlN晶体生长方法可应用到包括升华、HVPE、MBE和MOCVD的各种气相外延方法，只要该生长方法不背离本发明的目的。在下文，将升华解释为生长AlN晶体的方法的最有代表性的实例。
升华指的是这样的一种方法，其中在升华之后再次固化晶体源材料，生长晶体，并且例如参考图1使用升华炉10。升华炉10是高频加热型的垂直升华炉，并且被确保与外部通风的晶体生长器皿12设置在反应腔11中央，具有确保与外部通风的开口部分13a和13b的绝热材料13设置在晶体生长器皿12周围。而且，沿着反应腔11的外侧在中心提供用来加热晶体生长器皿12的高频加热线圈14。另外，用来向晶体生长器皿12的外部提供氮气的进气口11a和排气口11b，以及用来测量晶体生长器皿12的顶面和底面的温度的辐射温度计15，设置在反应腔11的端部。
此外，参考图2至4，由难熔金属例如Ta、W、或耐高温材料21例如包括TaC和WC的金属碳化物构成的晶体生长室24，设置在晶体生长器皿12内，并且AlN源1放置在晶体生长室24的一端，而籽晶衬底2放置在另一端。这里，对于晶体生长室24的内部，以及对于晶体生长器皿12的内部和外部，由开口部分21h、12h、13a和13b来确保通风。将在下文中说明图2至4中的差异。
参考图1至4，例如，以下面的方式，使用升华炉10生长AlN晶体。AlN源1被放置在晶体生长器皿12中的晶体生长室24的一端，且籽晶衬底2放置在另一端，在反应腔11被提供氮气的同时，通过使用高频加热线圈14升高晶体生长室24中的温度，以保持放置AlN源1的一端的温度高于放置籽晶衬底2的一端的温度，使AlN源1升华，并且AlN源1在籽晶衬底2上再次固化，来生长AlN晶体。
在涉及本发明的AlN晶体生长方法中，含碳气体分压力与反应腔11中晶体生长中气体的总压力的比优选在从2×10-5至0.9之间含端值。在含碳气体的分压力的比例低于2×10-5或超过0.9的情况下，生长的AlN晶体倾向于受形态学和多晶化的不利影响。这里，反应腔中气体中的含碳气体浓度(其等同于分压力的比)可以使用四极质谱仪来测量。
在涉及本发明的AlN晶体生长方法中使用的含碳气体没有具体限制，但是考虑到从籽晶衬底2消除晶体非生长区域以有效地生长具有良好结晶度的大直径跨距AlN晶体，该含碳气体优选包括CO气体或CO2气体，更优选，其为CO气体或CO2气体。尤其是，从上面的观点考虑，CO气体是优选的。
此外，在涉及本发明的AlN晶体生长方法中，参考图1至4，含碳气体供应源优选为形成晶体生长器皿12的石墨。具有耐高温和机械强度的石墨坩锅用作晶体生长器皿12，由AlN源1(图2)产生的AlN气体源或由金属氧化物3(图3)产生的金属氧化物气体与石墨坩埚(晶体生长器皿12)中的碳反应，以生成含碳气体。
这里，将更具体地说明将含碳气体提供到晶体生长室24内部的方式。
实施方式1
本实施方式的特征在于：参考图1和2，由形成含碳气体生产室23的内壁的石墨坩埚(晶体生长器皿12)中的碳和由放置在晶体生长室24中的AlN源1产生的AlN气体源之间的反应而制造的含碳气体，被提供到晶体生长室24的内部。
在本实施方式中，参考图2，以耐高温材料21为壁的晶体生长室24和以耐高温材料21和晶体生长器皿12为壁的含碳气体制造室23形成在晶体生长器皿12(石墨坩埚)内部。这里，空气经由开口部分21h经过晶体生长室24和含碳气体制造室23而循环；并且经由开口部分12h、13a和13b经过含碳气体制造室23和晶体生长器皿12的外部而循环。这里，为了通风经由开口部分21h，晶体生长室24与含碳气体制造室23连通；并且为了通风，经由开口部分12h、13a和13b，含碳气体制造室23与晶体生长器皿12的外部连通。
在本实施方式中，参考图1和2，在AlN源1放置在存在开口21h的晶体生长室24的一端，而籽晶衬底2放置在另一端，同时在反应腔11的内部(晶体生长器皿12的外部)提供氮气作为载气的情况下，通过加热晶体生长器皿12、含碳气体制造室23和晶体生长室24，在高温(例如，大约1700℃至2300℃的温度)气氛下，由放置在晶体生长室24中的AlN源1产生AlN气体源。该AlN气体源经由开口部分21h进入含碳气体制造室23，并且与形成含碳气体制造室23的内壁12s的晶体生长器皿12(石墨坩埚)的石墨中的碳反应，以生成含碳气体。与经由开口13a、13b、12h从晶体生长器皿12外部进入晶体生长器皿12的N2(氮)气一起，含碳气体经由开口21h提供到晶体生长室24。以这样的方式将含碳气体提供到晶体生长室24内部，使晶体生长室24中在AlN晶体生长中的含碳气体达到预定量之上。此外，改变开口21h的直径可以增加和降低提供到晶体生长室24的含碳气体的量。也就是说，随着增加开口部分21h的直径，增加提供到晶体生长室24的内部的含碳气体的量。
在晶体生长室24中，AlN源1的升华产生AlN气体源，并且AlN气体源的固化导致在籽晶衬底2上生长AlN晶体4。在该晶体生长中，提供到晶体生长室24的含碳气体消除了籽晶衬底2上的(未示出的)晶体非生长区，并且AlN晶体4跨籽晶衬底2的正面生长。结果，可以获得具有良好结晶度的大直径跨距AlN晶体。
实施方式2
本实施方式的特征在于：参考图1和3，由形成含碳气体制造室23的内壁的石墨坩埚(晶体生长器皿12)中的碳和由放置在含碳气体制造室23中的金属氧化物3产生的金属氧化物气体之间的反应而生成的CO气体和/或CO2，作为含碳气体提供到晶体生长室24的内部。
在本实施方式中，参考图3，如同实施方式1中一样，以耐高温材料21为壁的晶体生长室24，和以耐高温材料21和用晶体生长器皿12为壁的含碳气体制造室23，形成在晶体生长器皿12(石墨坩埚)内。这里，空气经由开口部分21h经过晶体生长室24和含碳气体制造室23循环，并且经由开口部分12h、13a、13b经过含碳气体制造室23和晶体生长器皿12的外部而循环。这里，为了通风，经由开口部分21h，晶体生长室24与含碳气体制造室23连通，并且为了通风，经由开口部分12h、13a和13b，含碳气体制造室23与晶体生长器皿12的外部连通。
本实施方式与实施方式1的相似之处在于：参考图1和3，AlN源1放置在存在开口部分21h的晶体生长室24的一端，并且籽晶衬底2放置在晶体生长室24的与存在开口部分21h的一端相对的一端；并且本实施方式与实施方式1的不同之处在于：金属氧化物3进一步放置在含碳气体制造室23中。这里，金属氧化物没有具体限制，只要其是与碳反应产生CO气体和/或CO2气体的金属氧化物，但是从产生CO气体和/或CO2气体而不会不利地影响AlN晶体的结晶度的角度而言，Al2O3是该金属氧化物的优选实例。
在将氮气作为载气提供给反应腔11(图3中晶体生长器皿1 2的外部)的同时，加热晶体生长器皿12、含碳气体制造室23和晶体生长室24，结果，在高温(例如，大约1700℃至2300℃的温度)气氛下，由放置在含碳气体制造室23中的金属氧化物3产生金属氧化物气体。该金属氧化物气体与形成含碳气体制造室23的内壁12s的晶体生长器皿12(石墨坩埚)的石墨中的碳反应，生成CO气体和/或CO2气体作为含碳气体。与经由开口部分13a、13b和12h从晶体生长器皿12外部进入晶体生长器皿12的N2(氮)气一起，CO气体和/或CO2气体经由开口部分21h提供到晶体生长室24。用这种方式将CO气体和/或CO2气体提供到晶体生长室24的内部，使在AlN晶体生长中在晶体生长室24中的CO气体和/或CO2气体达到预定量以上。此外，改变开口部分21h的直径可以增加和降低提供到晶体生长室24内部的CO气体和/或CO2气体的量。也就是说，加长开口部分21h的直径，增加了提供到晶体生长室24内部的CO气体和/或CO2气体的量。
在晶体生长室24中，AlN材料1的升华产生AlN气体源，AlN气体源的固化导致在籽晶衬底2上生长AlN晶体4。在该晶体生长中，提供到晶体生长室24内部的CO气体和/或CO2气体消除了籽晶衬底2上的(未示出的)晶体非生长区，并且AlN晶体4跨籽晶衬底2的正面生长。结果，可以获得具有良好结晶度的大直径跨距AlN晶体。
实施方式3
该实施方式是这样的模式，通过该实施方式，直接从反应腔11的外部，向设置在反应腔11中的晶体生长器皿中的晶体生长室24的内部，提供含碳气体。这里，为了控制提供到晶体生长间4内部的气体中的碳含量，将含碳气体与载气一起提供。作为载气，使用不与含碳气体反应的N2(氮)气和其它气体。此外，对于含碳气体没有具体限制，但是从消除籽晶衬底2上的不生长晶体的区域以有效地生长具有良好结晶度的大直径跨距AlN晶体的角度考虑，优选使用CO气体和/或CO2气体。在本实施方式中，参考图4，在晶体生长器皿12(其可以不是石墨坩埚)内形成以耐高温材料13为壁的晶体生长室24。为了通风，经由开口部分21h、12h、13a和13b，晶体生长室24与晶体生长器皿12的外部连通。
在本实施方式中，参考图1和4，在AlN源1放置在晶体生长室24的存在开口部分21h的一端，且籽晶衬底2放置在另一端的情况下，将N2气，以及CO气体或CO2气体，提供到反应腔11的内部(图3中晶体生长器皿12的外部)。提供的N2气和CO气体或CO2气体，经由开口部分13a、13b、12h和21h提供到晶体生长室24的内部。
在晶体生长室24中，AlN源1的升华产生AlN气体源，并且AlN气体源的固化导致在籽晶衬底2上生长AlN晶体4。在该晶体生长中，提供到晶体生长室24内部的CO气体或CO2气体消除了籽晶衬底2上的(未示出的)晶体非生长区，并且AlN晶体4跨籽晶衬底2的正面生长。结果，可以获得具有良好结晶度的大直径跨距AlN晶体。
实施方式4
通过实施方式1至3的生长方法制造的本实施方式的AlN晶体，其晶体中碳原子浓度为1×1015atoms·cm-3到1×1020atoms·cm-3含端值，并且直径为25.4mm或更大。使晶体中碳原子浓度在从1×1015atoms·cm-3到1×1020atoms·cm-3含端值的范围内，使得能够设计出导电性不同的大直径跨度AlN晶体，以便该AlN晶体可广泛应用到不同类型的半导体器件。从使晶体直径更大的角度考虑，本实施方式的AlN晶体直径优选为48.8mm或更大。另外，从增强结晶度的角度考虑，本实施例的AlN晶体在晶体碳原子浓度方面优选在1×1017atoms·cm-3和1×1019atoms·cm-3之间含端值。应该理解，晶体碳原子浓度可以通过二次离子质谱法(SIMS)测量。
实施方式5
本实施方式中的AlN晶体衬底是通过以实施方式3处理AlN晶体制造的。这里，该处理指的是从AlN晶体切下具有预定厚度的衬底，并且对衬底的正面进行表面处理。该表面处理方式指的是除了抛光该正面外，还移除由抛光导致的损伤层。用这种方式制造的AlN衬底可以广泛地应用到各种类型的半导体器件。
实施例
实施例1
该实施例是根据实施方式2的实例。参考图3，使用60mm内径×70mm高度的晶体生长室24和提供在60mm内径×10mm高度的含碳气体制造室23内的作为晶体生长器皿12的石墨坩埚，生长了AlN晶体。这里，晶体生长室24和含碳气体制造室23之间的开口部分21h的直径为8mm，含碳制造室23(晶体生长器皿12的部分)的开口部分12h的直径为3mm，且热绝缘材料13的开口部分13a和13b的直径为5mm。
首先，将30g的AlN源1放置到晶体生长室24的存在开口部分21h的一端(下侧)，并将50.8mm直径×0.5mm厚度的H-SiC籽晶衬底(其上生长晶体的表面是(0001)面(Si面))放置在另一端(上侧)，作为籽晶衬底2。此外，在含碳气体制造室23内，放置3g的Al2O3粉末，作为金属氧化物3。
接下来，参考图1和3，以200sccm(在0℃、1013hPa的标准条件下气体体积流动的单位(cm3/min))的流速，将N2气体提供到反应腔11的内部(晶体生长器皿12的外部)，以使反应腔11中的压力到931hPa(700Torr)，并且加热晶体生长器皿12、含碳气体制造室23和晶体生长室24，以使晶体生长器皿12下侧的温度(对应于AlN源1升华的温度)到2000℃，并且使晶体生长器皿12上侧的温度(对应于生长AlN晶体4的温度)到1900℃，然后生长AlN晶体。生长该晶体需要的时间是30小时。在晶体生长之后，将AlN晶体冷却到室温(例如，25℃)，然后将其从晶体生长室24移除。
制造的48.8mm直径×3mm厚度的AlN晶体直径大，并且是具有良好形态的单晶。该AlN单晶的结晶度也是优良的，因为在沿着其(0002)面的XRD(X-射线衍射)摇摆曲线中衍射峰的半最大处的全宽是100arcsec。而且，该AlN晶体中碳原子浓度由SIMS测量为6×1018atoms·cm-3。
实施例2
该实施例是对应于上述实施方式1的实例。参考图2，除了在含碳气体制造室23中没有放置(未示出的)金属氧化物之外，用与实施例1相同的方式生长AlN晶体。
制造的48.8mm直径×3mm厚度的AlN晶体直径大，并且是具有优选形态的单晶。该AlN单晶的结晶度也是优选的，因为在沿着其(0002)面的XRD(X-射线衍射)摇摆曲线中衍射峰的半最大处的全宽是100arcsec。而且，该AlN晶体中碳原子浓度由SIMS测量为2×1018atoms·cm-3。
实施例3
该实施例是对应于上述第一实施方式1的实例。参考图2，除了在含碳气体制造室23中没有放置(未示出的)金属氧化物之外，以及除了使用50.8mm直径×0.5mm厚度的AlN籽晶衬底(其上生长晶体的表面是(0002)面)作为籽晶衬底2之外，用与实施例1相同的方式生长AlN晶体。
制造的48.8mm直径×3mm厚度的AlN晶体直径大，并且是具有优选形态的单晶。该AlN单晶的结晶度也是优选的，因为在沿着其(0002)面的XRD(X-射线衍射)摇摆曲线中衍射峰的半最大处的全宽是50arcsec。而且，该AlN晶体中碳原子浓度由SIMS测量为5×1017atoms·cm-3。
实施例4
本实施例是对应实施方式3的实例。参考图4，使用设置在60mm内径×70mm高度的晶体生长室24中作为晶体生长器皿12的石墨坩埚，生长AlN晶体。这里，晶体生长室24的开口部分21h的直径是3mm，晶体生长器皿12的开口部分12h的直径是3mm，并且热绝缘材料13的开口部分13a和13b的直径是5mm。
首先，将30g的AlN材料放置到晶体生长室24的存在开口部分21的一端(下侧)，并将50.8mm内径×0.5mm厚度的H-SiC籽晶衬底(其上生长晶体的表面是(0001)面(Si面))放置在另一端(上侧)，作为籽晶衬底2。
接下来，参考图1和4，以200sccm的流速，将N2气体-CO气体的混合气体提供到反应器皿11的内部，以使反应腔11中的压力到931hPa(700Torr)，并且加热晶体生长器皿12和晶体生长室24，以使晶体生长器皿12下侧的温度(对应于AlN源1升华的温度)到2000℃，并且使晶体生长器皿12上侧的温度(对应于生长AlN晶体4的温度)到1900℃，然后生长AlN晶体。这里，使CO气体分压力与反应腔11中气体(对应于上述气体混合物)的总压力的比为1×10-4。在本实施例的条件下，与N2气的分压力相比，Al气体分压力非常小。结果，CO气体分压力与晶体生长室24中气体的总压力的比大约为1×10-4。生长晶体需要的时间是30小时。在晶体生长之后，将AlN晶体冷却到室温(例如，25℃)，然后将其从晶体生长室24移出。
制造的48.8mm直径×3mm厚度的AlN晶体直径大，并且是具有优选形态的单晶。该AlN单晶的结晶度也是优选的，因为在沿着其(0002)面的XRD(X-射线衍射)摇摆曲线中衍射峰的半最大处的全宽是100arcsec。而且，该AlN晶体中碳原子浓度为4×1016atoms·cm-3。
实施例5
除了使CO气体分压力与气体混合物总压力的比为0.01以使CO气体分压力与反应腔11中气体的总压力的比为0.01之外，用与实施例4相同的方式生长AlN晶体。这里，在本实施例的条件下，与N2气的分压力相比，Al气体分压力非常小。结果，CO气体分压力与晶体生长室24中气体的总压力的比大约为0.01。
制造的48.8mm直径×3mm厚度的AlN晶体直径大，并且是具有优选形态的单晶。该AlN单晶的结晶度也是优选的，因为在沿着其(0002)面的XRD(X-射线衍射)摇摆曲线中衍射峰的半最大处的全宽是100arcsec。而且，该AlN晶体中碳原子浓度为1.5×1018atoms·cm-3。
实施例6
除了使CO气体分压力与气体混合物总压力的比为0.85来使CO气体分压力与反应腔11中气体的总压力的比为0.85之外，用与实施例4相同的方式生长AlN晶体。这里，在本实施例的条件下，与N2气的分压力相比，Al气体分压力非常小。结果，CO气体分压力与晶体生长室24中气体的总压力的比大约为0.85。
制造的48.8mm直径×3mm厚度的AlN晶体直径大，并且是具有优选形态的单晶。该AlN单晶的结晶度也是优选的，因为在沿着其(0002)面的XRD(X-射线衍射)摇摆曲线中衍射峰的半最大处的全宽是100arcsec。而且，该AlN晶体中碳原子浓度为7×1019atoms·cm-3。
实施例7
除了使CO气体分压力与气体混合物总压力的比为0.95来使CO气体分压力与反应腔11中气体的总压力的比为0.95之外，用与实施例4相同的方式生长AlN晶体。这里，在本实施例的条件下，与N2气的分压力相比，Al气体分压力非常小。结果，CO气体分压力与晶体生长室24中气体的总压力的比大约为0.95。
虽然制造的48.8mm直径×3mm厚度的AlN晶体直径大，但是其形态受到了不利影响，并且发现它的多晶化。而且，该AlN晶体中碳原子浓度为3.2×1020atoms·cm-3。
实施例8
以200sccm的流速将N2气-CO2气的混合物提供到反应腔11中，以使反应腔11中的压力到931hPa(700Torr)，并且加热晶体生长器皿12和晶体生长室24(参考图4)，以使晶体生长器皿12下侧的温度(对应于AlN源1升华的温度)到2000℃，并且使晶体生长器皿12上侧的温度(对应于生长AlN晶体4的温度)到1900℃，然后生长AlN晶体。这里，使CO2气体分压力与反应腔11中气体(对应于上述气体混合物)的总压力的比为0.01。在本实施例的条件下，与N2气的分压力相比，Al气体分压力非常小。结果，CO2气体分压力与晶体生长室24中气体的总压力的比大约为0.01。生长晶体需要的时间是30小时。在晶体生长之后，将AlN晶体冷却到室温(例如，25℃)，然后将其从晶体生长室24移出。
制造的48.8mm直径×3mm厚度的AlN晶体，直径大，并且是具有良好形态的单晶。该AlN单晶的结晶度也是优良的，因为在沿着其(0002)面的XRD(X-射线衍射)摇摆曲线中衍射峰的半最大值处的全宽是100arcsec。而且，AlN晶体中碳原子浓度为5×1018atoms·cm-3。
实施例9
除了使CO2气体分压力与气体混合物总压力的比为0.95来使CO2气体分压力与反应腔11中气体的总压力的比为0.95之外，用与实施例8相同的方式生长AlN晶体。这里，在本实施例的条件下，与N2气的分压力相比，Al气体分压力非常小。结果，CO2气体分压力与晶体生长室24中气体的总压力的比大约为0.95。
虽然制造的48.8mm直径×3mm厚度的AlN晶体直径大，但是其形态受到了不利影响，并且在其中发现了多晶化。而且，该AlN晶体中碳原子浓度为5.4×1020atoms·cm-3。
比较实例1
除了既不提供CO气体也不提供CO2而仅向反应腔11提供N2气(也就是说，使得CO气体和CO2气体分压力对反应腔11中气体的总压力的比基本分别为0)之外，用与实施例7相同的方式生长AlN晶体。
在籽晶衬底2上识别出了不生长AlN晶体的区域，并且制造的AlN晶体形态受到了不利影响，并且在其中发现了多晶化。
实施例10
平行于籽晶衬底的正面切割实施例1中制造的AlN晶体，然后抛光切割的主面，蚀刻和移除由抛光导致的损伤层，以制造30mm直径×1mm厚度的AlN晶体衬底。该AlN晶体，其10μ平方范围内的主面具有50nm(500)或更小的均方根(RMS：平均面和轮廓表面之间的平方差的平均的平方根)粗糙程度，其可应用到不同类型的半导体器件。RMS是利用原子力显微镜(AFM)测量的。
实施例11
用与实施例8相同的方式，对在实施例2中制造的AlN晶体进行切割、抛光和蚀刻，以制造30mm直径×1mm厚度的AlN晶体衬底。该AlN晶体衬底，其在10-μm平方范围内主面具有50nm(500)或更小的均方根粗糙程度，其可应用到不同类型的半导体器件。
当前公开的实施例和实施方式在所有方面都应该认为是说明性的而不是限制性的。本发明的范围不是通过前文的描述提出的，而是由权利要求的范围阐明，并且意图包括与权利要求的范围等效的意义和在该范围内的所有修改。

Claims (12)

1.一种通过气相外延在放置在提供在反应腔内的晶体生长器皿内的晶体生长室内部的籽晶衬底上生长AlN晶体的方法，该AlN晶体生长方法特征在于：
在晶体生长期间，将含碳气体提供到晶体生长室的内部。
2.根据权利要求1所述的AlN晶体生长方法，特征在于：该籽晶衬底是SiC籽晶衬底或AlN籽晶衬底。
3.根据权利要求1或2所述的AlN晶体生长方法，特征在于：在晶体生长期间含碳气体的分压力与反应腔内部气体的总压力的比大于等于2×10-5且小于等于0.9。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的AlN晶体生长方法，特征在于：含碳气体是由碳和AlN源之间的反应产生的。
5.根据权利要求1至4的任一项所述的AlN晶体生长方法，其中用来制造含碳气体的碳的供应源是形成晶体生长器皿的石墨。
6.根据权利要求1至5的任一项所述的AlN晶体生长方法，其中含碳气体包括CO气体或CO2气体。
7.根据权利要求6所述的AlN晶体生长方法，特征在于：CO气体和CO2气体是由碳和金属氧化物之间的反应产生的。
8.根据权利要求1至3的任一项所述的AlN晶体生长方法，特征在于：含碳气体是从反应腔的外部提供的。
9.根据权利要求8所述的AlN晶体生长方法，其中含碳气体包括CO气体或CO2气体。
10.一种根据权利要求1至9的任一项所述的生长方法获得的AlN晶体，其中：
在整个晶体中碳原子浓度为大于等于1×1015atoms·cm-3且小于等于1×1020atoms·cm-3；且
该AlN晶体的直径为25.4mm或更大。
11.根据权利要求10所述的AlN晶体，其中直径为48.8mm或更大。
12.一种通过处理在权利要求10或11中所述的AlN晶体而获得的AlN晶体衬底。
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