DE112019003108T5 - Tief-uv-transparente aluminiumnitrid-kristalle und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

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Abstract

In verschiedenen Ausführungen weisen einkristalline Aluminiumnitrid-Boules und -Substrate niedrige Urbach-Energien und/oder Absorptionskoeffizienten bei tiefultravioletten Wellenlängen auf. Das einkristalline Aluminiumnitrid kann als Plattform für die Herstellung von lichtemittierenden Vorrichtungen wie Leuchtdioden und Lasern dienen. Das einkristalline Aluminiumnitrid kann aus der Dampfphase mit einem kontrollierten Gehalt an Verunreinigungen wie z.B. Kohlenstoff gebildet werden. Das einkristalline Aluminiumnitrid kann durch quasi-isothermes Glühen und kontrolliertes Abkühlen wärmebehandelt werden, um seinen Ultraviolett-Absorptionskoeffizienten und/oder seine Urbach-Energie zu verbessern.

Description

  • Verwandte Anmeldungen
  • Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/686,883 , eingereicht am 19. Juni 2018, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeschlossen ist.
  • Technisches Gebiet
  • In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (A1N).
  • Hintergrund
  • Aluminiumnitrid (A1N) ist ein vielversprechendes Halbleitermaterial für zahlreiche Anwendungen, z.B. für optoelektronische Vorrichtungen wie kurzwellige Leuchtdioden (LEDs) und Laser, dielektrische Schichten in optischen Speichermedien, elektronische Substrate und Chipträger, bei denen eine hohe Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist, und viele andere. Im Prinzip können die Eigenschaften von A1N eine Lichtemission bei Wellenlängen bis hinunter zu etwa 200 Nanometern (nm) ermöglichen. Kürzliche Arbeiten haben gezeigt, dass ultraviolette (UV) LEDs eine überlegene Leistung aufweisen, wenn sie auf fehlerarmen A1N-Substraten produziert wurden, die aus A1N-Volumeneinkristallen hergestellt werden. Es wird auch erwartet, dass die Verwendung von A1N-Substraten aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit die Leistung von Hochfrequenz (HF)-Geräten aus Nitridhalbleitern verbessern wird. Die kommerzielle Machbarkeit von A1N-basierten Halbleiterbauelementen ist jedoch durch die Knappheit und die hohen Kosten von defektarmen AlN-Einkristallen begrenzt.
  • Um einkristalline AlN-Substrate leichter verfügbar und kostengünstiger zu machen und um die darauf gebauten Bauelemente kommerziell machbar zu machen, ist es wünschenswert, AIN-Volumenkristalle mit einer hohen Wachstumsrate (>0,5 mm/h) zu züchten und dabei die Kristallqualität zu erhalten. Die effektivste Methode zur Züchtung von A1N-Volumeneinkristallen in großen Mengen ist die „Sublimations-Rekondensations“-Methode, die die Sublimation von A1N-Quellmaterial minderer Qualität (typischerweise polykristallin) und die Rekondensation des resultierenden Dampfes zur Bildung des einkristallinen A1N beinhaltet. Die U.S.-Patente Nr. 6.770.135 (das '135-Patent), 7.638.346 (das '346-Patent), 7.776.153 (das '153-Patent) und 9.028.612 (das '612-Patent), deren gesamte Offenbarungen durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind, beschreiben verschiedene Aspekte des Sublimations-Rekondensationswachstums von A1N, sowohl geimpft als auch ungeimpft.
  • Obwohl AlN-Substrate Plattformen für die Herstellung von UV-Licht emittierenden Bauelementen wie LEDs ermöglichen, ist ihre Leistung in solchen Anwendungen oft durch ihre Transparenz für UV-Licht (d.h. „UV-Transparenz“) oder deren Fehlen begrenzt. AlN-Substrate mit hoher UV-Transparenz sind oft schwierig herzustellen, da die UV-Transparenz durch Verunreinigungen und/oder Punktdefekte, die während des AIN-Wachstumsprozesses eingebracht werden, beeinträchtigt wird. Solche Fragen wurden in begrenztem Umfang durch Techniken behandelt, die in den U.S. Patenten Nr. 8.012.257, 9.034.103 und 9.447.519 offenbart sind, wobei die vollständige Offenbarung jedes dieser Patente hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Insbesondere offenbaren diese Patente Techniken zur Kontrolle der Einführung von Sauerstoffverunreinigungen während der Vorbereitung von polykristallinem A1N-Quellmaterial und des Sublimations-Rekondensationswachstums von einkristallinem A1N. Es wurde zwar berichtet, dass solche Techniken die Herstellung von A1N-Volumenkristallen mit niedrigem Absorptionskoeffizienten und damit hoher UV-Transparenz ermöglichen, aber die Erfinder haben festgestellt, dass solche Techniken die UV-Transparenz bei tiefen UV-Wellenlängen, d.h. bei Wellenlängen im Bereich von etwa 210 nm bis etwa 280 nm, nicht ausreichend berücksichtigen. In diesem Zusammenhang wird in diesen Patenten die Verwendung von Kohlenstoff als Dotierstoffspezies in einkristallinem A1N in Betracht gezogen, und Kohlenstoff wurde in jüngerer Zeit als eine Verunreinigung anerkannt, die ein hohes Maß an UV-Absorption verursacht, insbesondere bei Wellenlängen um 265 nm.
  • Beispielsweise zeigt des US-Patents Nr. 9,447,519 (das '519-Patent), hier als wiedergegeben, ein Absorptionsspektrum eines A1N-Kristalls, der unter Verwendung der im '519-Patent beschriebenen Sauerstoffsteuerungstechniken und kontrollierten Nachwachstumskühlung hergestellt wurde. Dieser A1N-Kristall hatte einen Absorptionskoeffizienten unter etwa 10 cm-1 für den Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 350 nm. Wie jedoch zeigt, stieg der Absorptionskoeffizient des AIN-Kristalls auf Werte weit über 10 cm-1 für Wellenlängen unter etwa 300 nm, und der Anstieg des Absorptionskoeffizienten nahe der Bandkante war relativ sanft oder allmählich, was zu einem ungleichmäßigen Absorptionsverhalten bei niedrigen Wellenlängen nahe der Bandkante führte.
  • Darüber hinaus werden zwar Sauerstoff und Kohlenstoff als Verunreinigungen erkannt, die zur schädlichen UV-Absorption in A1N beitragen, es gibt aber praktische Grenzen für die Menge solcher Verunreinigungen, die aus einkristallinem A1N eliminiert werden können.
  • In Anbetracht des Vorstehenden besteht ein Bedarf an AlN-Einkristallen mit niedrigen UV-Absorptionskoeffizienten bei tiefen UV-Wellenlängen sowie an Techniken zur Herstellung solcher Kristalle.
  • Zusammenfassung
  • In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Herstellung hoch UV-durchlässiger Einkristalle aus A1N durch Dampfphasenwachstum, Verunreinigungskontrolle, Temperaturkontrolle nach dem Wachstum innerhalb des Wachstumssystems und isotherme oder quasi-isotherme Glühtechniken nach dem Wachstum ermöglicht. Das resultierende einkristalline A1N weist vorteilhaft einen niedrigen UV-Absorptionskoeffizienten (z.B. unter 10 cm-1 oder sogar unter 8 cm-1) für Wellenlängen zwischen 230 nm und 280 nm oder, in verschiedenen Ausführungsformen, für Wellenlängen zwischen 210 nm und 280 nm auf. Das einkristalline A1N kann auch wünschenswerterweise ein im wesentlichen „flaches“ UV-Absorptionsspektrum für Wellenlängen zwischen 210 nm und 280 nm aufweisen, z.B. einen UV-Absorptionskoeffizienten, der innerhalb dieses Wellenlängenbereichs (oder eines Teils davon) im wesentlichen konstant ist, z.B. konstant innerhalb ±3 cm-1, ±2 cm-1 oder sogar ±1 cm-1. Ein solches Spektrum kann die Konstruktion und verbesserte Leistung optischer Vorrichtungen (z.B. lichtemittierende Vorrichtungen wie lichtemittierende Dioden und Laser) erleichtern, da die optische Leistung des AlN-Einkristallsubstrats für solche Vorrichtungen im Wesentlichen konstante optische Eigenschaften über den tiefen UV-Wellenlängenbereich aufweist.
  • Darüber hinaus weisen AlN-Einkristalle nach erfindungsgemäßen Ausführungsformen in ihren UV-Absorptionsspektren nahe der Bandkante von A1N steile Flanken (d.h. „drop-offs“) auf, z.B. für Wellenlängen zwischen ca. 210 nm und ca. 230 nm. Diese Eigenschaft trägt vorteilhaft zu der niedrigen UV-Absorption bei tiefen UV-Wellenlängen bei und trägt zu einer gleichmäßigeren optischen Leistung von Substraten, die aus den A1N-Kristallen hergestellt werden, sowie von darauf hergestellten optischen Vorrichtungen bei.
  • Darüber hinaus erfordern Glühtechniken in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise nicht die Eliminierung von Kohlenstoff und Sauerstoff aus dem einkristallinen A1N auf unangemessen niedrige, unpraktische Werte. Insbesondere führen Ausführungsformen der Erfindung selbst bei AlN-Kristallen mit Sauerstoff- und/oder Kohlenstoffkonzentrationen im Bereich von ca. 1018 cm-3 bis ca. 1019 cm-3 erfolgreich zu einer niedrigen UV-Absorption bei tiefen UV-Wellenlängen. Darüber hinaus können erfindungsgemäße Glühtechniken nach dem Wachstum mit einer Kühlung des AlN-Kristalls mit hoher Rate in der Wachstumsvorrichtung gekoppelt werden, um z.B. ein Reißen des Kristalls zu vermeiden, selbst wenn solche Kühltechniken dazu führen, dass der AlN-Kristall anfangs bei bestimmten Wellenlängen eine hohe UV-Absorption aufweist.
  • Wie bereits erwähnt, kann das Vorhandensein von Kohlenstoffverunreinigungen zu einem hohen Grad an UV-Absorption in AlN-Kristallen führen. Der Einbau von Kohlenstoff führt zu UV-Absorption bei Wellenlängen um 265 nm, was die Leistung von UV-Licht emittierenden Geräten beeinträchtigen kann. (Im Patent '519 wurde die Kontrolle der Kohlenstoffeinlagerung nicht ausdrücklich in Betracht gezogen, da Kohlenstoff sowohl als möglicher Dotierstoff als auch als Tiegelmaterial für die AlN-Herstellung vorgeschlagen wurde). Darüber hinaus führen Sauerstoffverunreinigungen (oder verwandte Punktdefekte) typischerweise zur UV-Absorption bei Wellenlängen um 310 nm. Daher ist zwar eine Kontrolle der Sauerstoffverunreinigung für die UV-Transparenz wünschenswert, aber sie reicht nicht aus, um die UV-Transparenz bei vielen UV-Wellenlängen zu ermöglichen, insbesondere bei denen im tiefen UV-Bereich des optischen Spektrums. Zu den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gehören Techniken zur Verbesserung der UV-Absorption in AlN-Einkristallen, selbst wenn die Sauerstoff- und/oder Kohlenstoffverunreinigungskonzentrationen während des A1N-Herstellungsprozesses kontrolliert wurden.
  • In Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann einkristallines A1N durch Sublimationsrekondensation aus polykristallinem A1N-Quellmaterial hergestellt werden, das Sauerstoff- und/oder Kohlenstoffkonzentrationen im Bereich von ca. 1018 cm-3 bis ca. 1019 cm-3 oder sogar ca. 1018 cm-3 oder weniger aufweisen kann. Wie im '135-Patent, '346-Patent, '153-Patent und '612-Patent beschrieben, wird der Sublimations-Rekondensations-Wachstumsprozess unter einem steilen axialen (d.h. in Richtung des Kristallwachstums weg von einem Impfkristall, falls ein Impfkristall vorhanden ist) Temperaturgradienten durchgeführt, während radiale Temperaturgradienten zur Steuerung des Durchmessers des wachsenden Kristalls und zur Beeinflussung seiner kristallinen Qualität genutzt werden können. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die radialen und/oder axialen Temperaturgradienten innerhalb des Kristallwachstumstiegels, der zur Förderung und Kontrolle des Wachstums des A1N-Materials verwendet wird, auf verschiedene Weise kontrolliert werden. Zum Beispiel können einzelne Heizelemente, die um den Tiegel herum angeordnet sind, auf verschiedenen Niveaus (und damit auf verschiedenen Temperaturen) betrieben werden, um Wärmegradienten innerhalb des Tiegels zu erzeugen. Zusätzlich oder stattdessen kann die thermische Isolierung selektiv um den Tiegel herum angeordnet werden, so dass eine dünnere und/oder weniger isolierende Isolierung um Bereiche mit höherer gewünschter Temperatur positioniert wird. Wie im Patent '612 ausführlich beschrieben, können Wärmeschirme auch um den Tiegel herum, z.B. oberhalb und/oder unterhalb des Tiegels, in einer Vielzahl verschiedener Anordnungen angeordnet werden, um gewünschte Wärmegradienten innerhalb des Tiegels zu erzeugen.
  • Die hohen radialen und axialen Wärmegradienten, die während des Kristallwachstums genutzt werden, führen zwangsläufig dazu, dass der Kristall in einer nicht isothermen Umgebung gebildet wird. Während die thermischen Gradienten die Bildung großer, hochwertiger A1N-Kristalle ermöglichen, führen die Anordnungen von thermischen Abschirmungen, Isolierung und verwandte Aspekte des Wachstumssystems, die für die Bildung der thermischen Gradienten während des Kristallwachstums verantwortlich sind, zwangsläufig auch zu thermischen Gradienten im Wachstumssystem während der Abkühlung des Kristalls nach dem Kristallwachstum. Während verschiedene Referenzen, einschließlich das '519-Patent, eine relativ langsame Abkühlung des Kristalls im Wachstumsapparat empfehlen, um die Bildung von Punktdefekten zu kontrollieren, kann eine solche langsame Abkühlung zu einer Rissbildung des A1N-Kristalls aufgrund einer Unausgeglichenheit der Wärmeausdehnung führen, insbesondere bei größeren A1N-Kristallen (z.B. Kristalle mit einem Durchmesser von mehr als etwa 50 mm). Zu den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gehört daher die Abkühlung des A1N-Kristalls in der Wachstumskammer auf etwa Raumtemperatur (z.B. etwa 25 °C) mit einer hohen Abkühlgeschwindigkeit (z.B. über 250 °C/Stunde, 300 °C/Stunde, 400 °C/Stunde oder sogar 500 °C/Stunde) im Widerspruch zur herkömmlichen Weisheit und trotz gleichzeitiger schädlicher Auswirkungen auf die UV-Transparenz des Kristalls. Die Abkühlung von der Wachstumstemperatur kann auch ohne zusätzliche Wärmezufuhr durch die Heizelemente des Wachstumssystems erfolgen (z.B. zur Verringerung der Abkühlrate, bekannt als „kontrollierte Abkühlung“). Die Abkühlung des Kristalls kann mit einer Geschwindigkeit durchgeführt werden, die z.B. nur durch die thermische Masse des Wachstumssystems begrenzt ist, und es können Schritte unternommen werden, um die Abkühlung des Kristalls zu beschleunigen. Zum Beispiel kann der AlN-Kristall nach dem Wachstum von der „heißen Zone“ des Wachstumssystems (d.h. dem Teil des Wachstumssystems, der sich direkt in der Nähe der Heizelemente oder des Ofens befindet und von diesen erwärmt wird) wegbewegt werden, und/oder es kann Gas (z.B. Stickstoffgas und/oder ein Inertgas wie Argon) innerhalb des Systems strömen (z.B. mit einer Strömungsrate, die höher ist als jede während der Kristallzüchtung verwendete Strömungsrate), um die Abkühlungsrate zu erhöhen.
  • Nach der Bildung des AlN-Einkristalls und Abkühlung von der Wachstumstemperatur wird der resultierende Kristall (oder ein Teil davon, z.B. ein Wafer oder Substrat, das von einer kristallinen Boule getrennt ist) in einen Hochtemperatur-Glühofen gelegt und unter isothermen oder quasi-isothermen Bedingungen geglüht, um eine im wesentlichen gleichmäßige Erwärmung des gesamten Kristalls zu gewährleisten. (Wie hier verwendet, entsprechen „quasi-isotherme“ Bedingungen innerhalb eines Ofens der Temperatur innerhalb des Ofens (oder eines speziellen Heizbereichs oder einer „heißen Zone“ davon), die innerhalb von ±5°C, ±2°C, ±1°C oder sogar ±0.5°C konstant ist, und/oder einem Temperaturgradienten in beliebiger Richtung innerhalb des Ofens (oder eines speziellen Heizbereichs oder einer „heißen Zone“ desselben), der weniger als 5°C/cm, weniger als 2°C/cm, weniger als 1°C/cm oder sogar weniger als 0,5°C/cm beträgt; solche Temperaturgradienten können mindestens 0,05°C oder in verschiedenen Ausführungsformen mindestens 0,1°C betragen). Das heißt, die Glühbedingungen sind vorzugsweise ganz anders als die, unter denen der AlN-Kristall anfänglich innerhalb des Kristallwachstumstiegels und des Kristallzüchtungssystems gezüchtet und abgekühlt wird, die wünschenswerterweise so konfiguriert sind, dass sie axiale und/oder radiale Temperaturgradienten darin erzeugen. Beispielsweise kann der Kristall in einem widerstandsbeheizten oder HF-beheizten Ofen geglüht werden, der für isothermes Glühen konfiguriert ist, und nicht in dem Wachstumsapparat, in dem er ursprünglich gezüchtet wurde. Nach dem Glühen wird der geglühte Kristall langsam und kontrollierbar von der Glühtemperatur abgekühlt, zumindest über einen Teil des Temperaturbereichs zwischen Glühtemperatur und Raumtemperatur, um die geringe UV-Absorption, die innerhalb des Glühzyklus erreicht wurde, aufrechtzuerhalten. In verschiedenen Ausführungsformen wird der Kristall während des Glühens und/oder Abkühlens an keinem Teil des Ofens befestigt oder angebracht (z.B. im Gegensatz zum Kristallwachstum, während dem der Kristall z.B. über einen Impfkristall am Kristallwachstumstiegel befestigt ist).
  • Obwohl hier Ausführungsformen der Erfindung unter Verwendung von A1N als beispielhaftes kristallines Material vorgestellt wurden, das in Übereinstimmung damit hergestellt wurde, können Ausführungsformen der Erfindung auch auf andere kristalline Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Zinkoxid (ZnO) angewendet werden; daher können hier alle Verweise auf A1N in anderen Ausführungsformen durch SiC oder ZnO ersetzt werden. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Durchmesser“ auf eine seitliche Abmessung (z.B. die größte seitliche Abmessung) eines Kristalls, einer Wachstumskammer oder eines anderen Objekts, selbst wenn der Kristall, die Wachstumskammer oder das andere Objekt nicht kreisförmig und/oder im Querschnitt unregelmäßig ist.
  • Wie hier verwendet, ist ein „Substrat“ oder ein „Wafer“ ein Teil einer zuvor gezüchteten kristallinen Boule mit oben und unten gegenüberliegenden, im Allgemeinen parallelen Oberflächen. Boules (und allgemein „Einkristalle“ oder „Volumne-Kristalle“, wie hierin bezeichnet) sind dreidimensionale Volumen-Kristalle (im Gegensatz zu z.B. Pulverpartikeln oder nadelartigen, nadelförmigen Kristalliten). Substrate haben typischerweise Dicken zwischen 200 µm und 1 mm und können als Plattformen für das epitaktische Wachstum von Halbleiterschichten und die Herstellung von Halbleiterbauelementen (z.B. lichtemittierende Bauelemente wie Laser und lichtemittierende Dioden, Transistoren, Leistungsbauelemente usw.) darauf verwendet werden. Wie hier verwendet, beträgt die „Raumtemperatur“ 25°C.
  • In einem Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung einen A1N-Einkristall mit einer Urbach-Energie im Bereich von etwa 0,2 eV bis etwa 1,8 eV innerhalb eines einfallenden Photonenenergiebereichs von 5,85 eV bis 6,0 eV auf. Die Urbach Energie EU ist definiert durch In In  α = In  α 0 + ( h v E U )
    Figure DE112019003108T5_0001
    ist ein Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls bei einer einfallenden Photonenenergie hv, und α0 ist eine Konstante, die dem Absorptionskoeffizienten bei der Photonenenergie Null entspricht.
  • Die Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Elemente in einer Vielzahl von Kombinationen enthalten. Die Urbach-Energie kann im Bereich von etwa 0,21 eV bis etwa 1,0 eV liegen. Der A1N-Einkristall kann ein Substrat mit einem Durchmesser von mindestens etwa 25 mm sein. Der Durchmesser kann mindestens etwa 50 mm betragen. Der Durchmesser kann mindestens ca. 60 mm, mindestens ca. 65 mm, mindestens ca. 70 mm, mindestens ca. 75 mm, mindestens ca. 80 mm, mindestens ca. 85 mm, mindestens ca. 90 mm, mindestens ca. 95 mm oder mindestens ca. 100 mm betragen. Der Durchmesser darf nicht größer als ungefähr 150 mm, nicht größer als ungefähr 125 mm, nicht größer als ungefähr 110 mm oder nicht größer als ungefähr 100 mm sein.
  • Die Wärmeleitfähigkeit des AlN-Einkristalls kann bei Raumtemperatur ca. 250 W/m·K oder mehr, ca. 270 W/m·K oder mehr, ca. 290 W/m·K oder mehr, ca. 300 W/m·K oder mehr oder ca. 320 W/m·K oder mehr betragen. Die Wärmeleitfähigkeit des AlN-Einkristalls kann bei Raumtemperatur ca. 400 W/m·K oder weniger, ca. 350 W/m·K oder weniger oder ca. 300 W/m·K oder weniger betragen. Der AlN-Einkristall kann ein Substrat sein. Die kristalline Orientierung des A1N-Substrats kann im wesentlichen parallel zu einer c-Achse verlaufen. Eine kristalline Orientierung des A1N-Substrats kann in einem Winkel von mindestens ungefähr 10° relativ zu einer c-Achse, mindestens ungefähr 12° relativ zu einer c-Achse, mindestens ungefähr 15° relativ zu einer c-Achse oder mindestens ungefähr 20° relativ zu einer c-Achse angeordnet sein. Eine kristalline Orientierung des A1N-Substrats darf höchstens um etwa 30° in Bezug auf eine c-Achse, höchstens um etwa 25° in Bezug auf eine c-Achse, höchstens um etwa 20° in Bezug auf eine c-Achse oder höchstens um etwa 15° in Bezug auf eine c-Achse abgewinkelt sein.
  • Die Dichte von Fadenstufenversetzungen im AlN-Einkristall kann weniger als 5 × 105 cm-2, weniger als 1 × 105 cm-2, weniger als 5 × 104 cm-2, weniger als 1 × 104 cm-2, weniger als 5 × 103 cm-2 oder weniger als 1 × 103 cm-2 betragen. Die Dichte der Fadenstufenversetzungen im AlN-Einkristall kann mehr als 10 cm-2, mehr als 100 cm-2, mehr als 500 cm-2 oder mehr als 1000 cm-2 betragen. Die Dichte der Fadenschraubenversetzungen im AlN-Einkristall kann weniger als 100 cm-2, weniger als 50 cm-2, weniger als 10 cm-2, weniger als 5 cm-2 oder weniger als 1 cm-2 betragen. Die Dichte der Fadenschraubenversetzungen im AlN-Einkristall kann mehr als 0,1 cm-2, mehr als 0,5 cm-2, mehr als 1 cm-2, mehr als 2 cm-2 oder mehr als 5 cm-2 betragen.
  • Die Siliziumkonzentration des AlN-Einkristalls kann weniger als 1 × 1019 cm-3, weniger als 5 × 1018 cm-3, weniger als 1 × 1018 cm-3, weniger als 5 × 1017 cm-3, weniger als 3 × 1017 cm-3, weniger als 1 × 1017 cm-3, weniger als 5 × 1016 cm-3 oder weniger als 1 × 1016 cm-3 betragen. Die Siliziumkonzentration des AlN-Einkristalls kann mehr als 1 × 1014 cm-3, mehr als 5 × 10 14 cm-3, mehr als 1 × 1015 cm-3, mehr als 5 × 1015 cm-3, mehr als 1 × 1016 cm-3, mehr als 5 × 1016 cm-3 oder mehr als 1 × 1017 cm-3 betragen. Die Sauerstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann weniger als 1 × 1019 cm-3, weniger als 5 × 1018 cm-3, weniger als 1 × 1018 cm-3, weniger als 5 × 1017 cm-3, weniger als 3 × 1017 cm-3, weniger als 1 × 1017 cm-3, weniger als 5 × 1016 cm-3 oder weniger als 1 × 1016 cm-3 betragen. Die Sauerstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann mehr als 1 × 1014 cm-3, mehr als 5 × 10 14 cm-3, mehr als 1 × 1015 cm-3, mehr als 5 × 1015 cm-3, mehr als 1 × 1016 cm-3, mehr als 5 × 1016 cm-3 oder mehr als 1 × 1017 cm-3 betragen. Die Kohlenstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann weniger als 1 × 1019 cm-3, weniger als 5 × 1018 cm-3, weniger als 1 × 1018 cm-3, weniger als 5 × 1017 cm-3, weniger als 3 × 1017 cm-3, weniger als 1 × 1017 cm-3, weniger als 5 × 1016 cm-3 oder weniger als 1 × 1016 cm-3 betragen. Die Kohlenstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann mehr als 1 × 1014 cm-3, mehr als 5 × 10 14 cm-3, mehr als 1 × 1015 cm-3, mehr als 5 × 1015 cm-3, mehr als 1 × 1016 cm-3, mehr als 5 × 1016 cm-3 oder mehr als 1 × 1017 cm-3 betragen. Das Verhältnis der Kohlenstoffkonzentration des AlN-Einkristalls zur Sauerstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann weniger als 1, weniger als 0,9, weniger als 0,8, weniger als 0,7, weniger als 0,6, weniger als 0,5, weniger als 0,4 oder weniger als 0,3 betragen. Das Verhältnis der Kohlenstoffkonzentration des AlN-Einkristalls zur Sauerstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann mehr als 0,1, mehr als 0,2, mehr als 0,3 oder mehr als 0,4 betragen.
  • Ein Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm (d.h. für jede Wellenlänge im Bereich von 220 nm bis 280 nm) weniger als 10 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm nicht weniger als etwa 5 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf innerhalb von ±2 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm konstant sein. Der UV-Absorptionskoeffizient darf innerhalb von ±1 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm konstant sein. Der UV-Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm weniger als 30 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm nicht weniger als etwa 5 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm weniger als 8 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm weniger als 20 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient kann für eine Wellenlänge von 220 nm weniger als 15 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 10 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm weniger als 15 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient kann für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm weniger als 15 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für eine Wellenlänge von 230 nm weniger als 10 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm nicht weniger als etwa 5 cm-1 betragen. Eine lichtemittierende Vorrichtung kann auf oder über dem AlN-Einkristall angeordnet sein. Die lichtemittierende Vorrichtung kann eine lichtemittierende Diode und/oder einen Laser enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einer solchen bestehen. Die lichtemittierende Vorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie ultraviolettes Licht emittiert.
  • In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung einen AlN-Einkristall mit einem Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm auf.
  • Die Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Elemente in einer Vielzahl von Kombinationen enthalten. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm nicht weniger als etwa 5 cm-1 betragen. Der AlN-Einkristall kann ein Substrat mit einem Durchmesser von mindestens etwa 25 mm sein. Der Durchmesser kann mindestens etwa 50 mm betragen. Der Durchmesser kann mindestens annähernd 60 mm, mindestens annähernd 65 mm, mindestens annähernd 70 mm, mindestens annähernd 75 mm, mindestens annähernd 80 mm, mindestens annähernd 85 mm, mindestens annähernd 90 mm, mindestens annähernd 95 mm oder mindestens annähernd 100 mm betragen. Der Durchmesser darf nicht größer als ungefähr 150 mm, nicht größer als ungefähr 125 mm, nicht größer als ungefähr 110 mm oder nicht größer als ungefähr 100 mm sein.
  • Die Wärmeleitfähigkeit des AlN-Einkristalls kann bei Raumtemperatur ca. 250 W/m·K oder mehr, ca. 270 W/m·K oder mehr, ca. 290 W/m·K oder mehr, ca. 300 W/m·K oder mehr oder ca. 320 W/m·K oder mehr betragen. Die Wärmeleitfähigkeit des AlN-Einkristalls kann bei Raumtemperatur ca. 400 W/m·K oder weniger, ca. 350 W/m·K oder weniger oder ca. 300 W/m·K oder weniger betragen. Der AlN-Einkristall kann ein Substrat sein. Die kristalline Orientierung des A1N-Substrats kann im wesentlichen parallel zu einer c-Achse verlaufen. Eine kristalline Orientierung des A1N-Substrats kann in einem Winkel von mindestens ungefähr 10° relativ zu einer c-Achse, mindestens ungefähr 12° relativ zu einer c-Achse, mindestens ungefähr 15° relativ zu einer c-Achse oder mindestens ungefähr 20° relativ zu einer c-Achse angeordnet sein. Eine kristalline Orientierung des A1N-Substrats darf höchstens um etwa 30° in Bezug auf eine c-Achse, höchstens um etwa 25° in Bezug auf eine c-Achse, höchstens um etwa 20° in Bezug auf eine c-Achse oder höchstens um etwa 15° in Bezug auf eine c-Achse abgewinkelt sein.
  • Die Dichte von Fadenstufenversetzungen im AlN-Einkristall kann weniger als 5 × 105 cm-2, weniger als 1 × 105 cm-2, weniger als 5 × 104 cm-2, weniger als 1 × 104 cm-2, weniger als 5 × 103 cm-2 oder weniger als 1 × 103 cm-2 betragen. Die Dichte der Fadenstufenversetzungen im AlN-Einkristall kann mehr als 10 cm-2, mehr als 100 cm-2, mehr als 500 cm-2 oder mehr als 1000 cm-2 betragen. Die Dichte der Fadenschraubenversetzungen im AlN-Einkristall kann weniger als 100 cm-2, weniger als 50 cm-2, weniger als 10 cm-2, weniger als 5 cm-2 oder weniger als 1 cm-2 betragen. Die Dichte der Fadenschraubenversetzungen im AlN-Einkristall kann mehr als 0,1 cm-2, mehr als 0,5 cm-2, mehr als 1 cm-2, mehr als 2 cm-2 oder mehr als 5 cm-2 betragen.
  • Die Siliziumkonzentration des AlN-Einkristalls kann weniger als 1 × 1019 cm-3, weniger als 5 × 1018 cm-3, weniger als 1 × 1018 cm-3, weniger als 5 × 1017 cm-3, weniger als 3 × 1017 cm-3, weniger als 1 × 1017 cm-3, weniger als 5 × 1016 cm-3 oder weniger als 1 × 1016 cm-3 betragen. Die Siliziumkonzentration des AlN-Einkristalls kann mehr als 1 × 1014 cm-3, mehr als 5 × 10 14 cm-3, mehr als 1 × 1015 cm-3, mehr als 5 × 1015 cm-3, mehr als 1 × 1016 cm-3, mehr als 5 × 1016 cm-3 oder mehr als 1 × 1017 cm-3 betragen. Die Sauerstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann weniger als 1 × 1019 cm-3, weniger als 5 × 1018 cm-3, weniger als 1 × 1018 cm-3, weniger als 5 × 1017 cm-3, weniger als 3 × 1017 cm-3, weniger als 1 × 1017 cm-3, weniger als 5 × 1016 cm-3 oder weniger als 1 × 1016 cm-3 betragen. Die Sauerstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann mehr als 1 × 1014 cm-3, mehr als 5 × 10 14 cm-3, mehr als 1 × 1015 cm-3, mehr als 5 × 1015 cm-3, mehr als 1 × 1016 cm-3, mehr als 5 × 1016 cm-3 oder mehr als 1 × 1017 cm-3 betragen. Die Kohlenstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann weniger als 1 × 1019 cm-3, weniger als 5 × 1018 cm-3, weniger als 1 × 1018 cm-3, weniger als 5 × 1017 cm-3, weniger als 3 × 1017 cm-3, weniger als 1 × 1017 cm-3, weniger als 5 × 1016 cm-3 oder weniger als 1 × 1016 cm-3 betragen. Die Kohlenstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann mehr als 1 × 1014 cm-3, mehr als 5 × 10 14 cm-3, mehr als 1 × 1015 cm-3, mehr als 5 × 1015 cm-3, mehr als 1 × 1016 cm-3, mehr als 5 × 1016 cm-3 oder mehr als 1 × 1017 cm-3 betragen. Das Verhältnis der Kohlenstoffkonzentration des AlN-Einkristalls zur Sauerstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann weniger als 1, weniger als 0,9, weniger als 0,8, weniger als 0,7, weniger als 0,6, weniger als 0,5, weniger als 0,4 oder weniger als 0,3 betragen. Das Verhältnis der Kohlenstoffkonzentration des AlN-Einkristalls zur Sauerstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann mehr als 0,1, mehr als 0,2, mehr als 0,3 oder mehr als 0,4 betragen.
  • Der UV-Absorptionskoeffizient kann innerhalb von ±2 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm konstant sein. Der UV-Absorptionskoeffizient kann innerhalb von ±1 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm konstant sein. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 218 nm weniger als 30 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm weniger als 8 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 218 nm weniger als 20 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf bei einer Wellenlänge von 218 nm weniger als 15 cm-1 betragen. Eine lichtemittierende Vorrichtung kann auf oder über dem AlN-Einkristall angeordnet sein. Die lichtemittierende Vorrichtung kann eine lichtemittierende Diode und/oder einen Laser enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einer solchen bestehen. Die lichtemittierende Vorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie ultraviolettes Licht emittiert.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein AlN-Einkristall mit einem Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 30 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm.
  • Die Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Elemente in einer Vielzahl von Kombinationen enthalten. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm nicht weniger als etwa 5 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm nicht weniger als etwa 10 cm-1 betragen. Der AlN-Einkristall kann ein Substrat mit einem Durchmesser von mindestens etwa 25 mm sein. Der Durchmesser kann mindestens etwa 50 mm betragen. Der Durchmesser kann mindestens annähernd 60 mm, mindestens annähernd 65 mm, mindestens annähernd 70 mm, mindestens annähernd 75 mm, mindestens annähernd 80 mm, mindestens annähernd 85 mm, mindestens annähernd 90 mm, mindestens annähernd 95 mm oder mindestens annähernd 100 mm betragen. Der Durchmesser darf nicht größer als ungefähr 150 mm, nicht größer als ungefähr 125 mm, nicht größer als ungefähr 110 mm oder nicht größer als ungefähr 100 mm sein.
  • Die Wärmeleitfähigkeit des AlN-Einkristalls kann bei Raumtemperatur ca. 250 W/m·K oder mehr, ca. 270 W/m·K oder mehr, ca. 290 W/m·K oder mehr, ca. 300 W/m·K oder mehr oder ca. 320 W/m·K oder mehr betragen. Die Wärmeleitfähigkeit des AlN-Einkristalls kann bei Raumtemperatur ca. 400 W/m·K oder weniger, ca. 350 W/m·K oder weniger oder ca. 300 W/m·K oder weniger betragen. Der AlN-Einkristall kann ein Substrat sein. Die kristalline Orientierung des A1N-Substrats kann im wesentlichen parallel zu einer c-Achse verlaufen. Eine kristalline Orientierung des A1N-Substrats kann in einem Winkel von mindestens ungefähr 10° relativ zu einer c-Achse, mindestens ungefähr 12° relativ zu einer c-Achse, mindestens ungefähr 15° relativ zu einer c-Achse oder mindestens ungefähr 20° relativ zu einer c-Achse angeordnet sein. Eine kristalline Orientierung des A1N-Substrats darf höchstens um etwa 30° in Bezug auf eine c-Achse, höchstens um etwa 25° in Bezug auf eine c-Achse, höchstens um etwa 20° in Bezug auf eine c-Achse oder höchstens um etwa 15° in Bezug auf eine c-Achse abgewinkelt sein.
  • Die Dichte von Fadenstufenversetzungen im AlN-Einkristall kann weniger als 5 × 105 cm-2, weniger als 1 × 105 cm-2, weniger als 5 × 104 cm-2, weniger als 1 × 104 cm-2, weniger als 5 × 103 cm-2 oder weniger als 1 × 103 cm-2 betragen. Die Dichte der Fadenstufenversetzungen im AlN-Einkristall kann mehr als 10 cm-2, mehr als 100 cm-2, mehr als 500 cm-2 oder mehr als 1000 cm-2 betragen. Die Dichte der Fadenschraubenversetzungen im AlN-Einkristall kann weniger als 100 cm-2, weniger als 50 cm-2, weniger als 10 cm-2, weniger als 5 cm-2 oder weniger als 1 cm-2 betragen. Die Dichte der Fadenschraubenversetzungen im AlN-Einkristall kann mehr als 0,1 cm-2, mehr als 0,5 cm-2, mehr als 1 cm-2, mehr als 2 cm-2 oder mehr als 5 cm-2 betragen.
  • Die Siliziumkonzentration des AlN-Einkristalls kann weniger als 1 × 1019 cm-3, weniger als 5 × 1018 cm-3, weniger als 1 × 1018 cm-3, weniger als 5 × 1017 cm-3, weniger als 3 × 1017 cm-3, weniger als 1 × 1017 cm-3, weniger als 5 × 1016 cm-3 oder weniger als 1 × 1016 cm-3 betragen. Die Siliziumkonzentration des AlN-Einkristalls kann mehr als 1 × 1014 cm-3, mehr als 5 × 1014 cm-3 mehr als 1 × 1015 cm-3, mehr als 5 × 1015 cm-3, mehr als 1 × 1016 cm-3, mehr als 5 × 1016 cm-3 oder mehr als 1 × 1017 cm-3 betragen. Die Sauerstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann weniger als 1 × 1019 cm-3, weniger als 5 × 1018 cm-3, weniger als 1 × 1018 cm-3, weniger als 5 × 1017 cm-3, weniger als 3 × 1017 cm-3, weniger als 1 × 1017 cm-3, weniger als 5 × 1016 cm-3 oder weniger als 1 × 1016 cm-3 betragen. Die Sauerstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann mehr als 1 × 1014 cm-3, mehr als 5 × 1014 cm-3, mehr als 1 × 1015 cm-3, mehr als 5 × 1015 cm-3, mehr als 1 × 1016 cm-3, mehr als 5 × 1016 cm-3 oder mehr als 1 × 1017 cm-3 betragen. Die Kohlenstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann weniger als 1 × 1019 cm-3, weniger als 5 × 1018 cm-3, weniger als 1 × 1018 cm-3, weniger als 5 × 1017 cm-3, weniger als 3 × 1017 cm-3, weniger als 1 × 1017 cm-3, weniger als 5 × 1016 cm-3 oder weniger als 1 × 1016 cm-3 betragen. Die Kohlenstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann mehr als 1 × 1014 cm-3, mehr als 5 × 10 14 cm-3, mehr als 1 × 1015 cm-3, mehr als 5 × 1015 cm-3, mehr als 1 × 1016 cm-3, mehr als 5 × 1016 cm-3 oder mehr als 1 × 1017 cm-3 betragen. Das Verhältnis der Kohlenstoffkonzentration des AlN-Einkristalls zur Sauerstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann weniger als 1, weniger als 0,9, weniger als 0,8, weniger als 0,7, weniger als 0,6, weniger als 0,5, weniger als 0,4 oder weniger als 0,3 betragen. Das Verhältnis der Kohlenstoffkonzentration des AlN-Einkristalls zur Sauerstoffkonzentration des AlN-Einkristalls kann mehr als 0,1, mehr als 0,2, mehr als 0,3 oder mehr als 0,4 betragen.
  • Der UV-Absorptionskoeffizient kann für den gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm weniger als 8 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm weniger als 20 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf bei einer Wellenlänge von 220 nm weniger als 20 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm weniger als 15 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm weniger als 15 cm-1 betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf bei einer Wellenlänge von 230 nm weniger als 10 cm-1 betragen. Eine lichtemittierende Vorrichtung kann auf oder über dem AlN-Einkristall angeordnet sein. Die lichtemittierende Vorrichtung kann eine lichtemittierende Diode und/oder einen Laser enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einer solchen bestehen. Die lichtemittierende Vorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie ultraviolettes Licht emittiert.
  • In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung eine lichtemittierende Diode (LED) auf, die eine lichtemittierende Vorrichtungsstruktur umfasst, die über einem einkristallinen A1N-Substrat angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass sie ultraviolettes (UV) Licht mit einer Wellenlänge (d.h. einer Primärwellenlänge und/oder Wellenlänge der größten Emissionsintensität) im Bereich von 228 nm bis 238 nm emittiert und eine externe Quanteneffizienz im Bereich von 0,02 % bis 0,5 % aufweist.
  • Die Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Elemente in einer Vielzahl von Kombinationen enthalten. Das A1N-Substrat kann eine Urbach Energie im Bereich von etwa 0,2 eV bis etwa 1,8 eV innerhalb eines einfallenden Photonenenergiebereichs von 5,85 eV bis 6,0 eV haben. Die Urbach-Energie EU kann definiert werden durch: In In  α = In  α 0 + ( h v E U )
    Figure DE112019003108T5_0002
    ein Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls bei einer einfallenden Photonenenergie hv ist und α0 eine Konstante ist, die dem Absorptionskoeffizienten bei Photonenenergie Null entspricht. Die Urbach Energie des A1N-Substrats kann im Bereich von etwa 0,21 eV bis etwa 1,0 eV liegen. Das AlN-Substrat kann einen Ultraviolett- (UV) Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient kann nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient kann innerhalb von ±2 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm konstant sein. Der UV-Absorptionskoeffizient kann innerhalb von ±1 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm konstant sein. Das AlN-Substrat kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 30 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient kann für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm nicht weniger als etwa 5 cm-1 betragen. Das AlN-Substrat kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 8 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient kann nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm betragen. Das AlN-Substrat kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 20 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient kann nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm betragen. Der UV-Absorptionskoeffizient kann nicht weniger als etwa 10 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm betragen. Das AlN-Substrat kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 20 cm-1 für eine Wellenlänge von 220 nm haben. Der UV-Absorptionskoeffizient kann nicht weniger als etwa 5 cm-1 für die Wellenlänge von 220 nm betragen. Das AlN-Substrat kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 15 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient kann nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm betragen. Das AlN-Substrat darf einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 15 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient kann nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm betragen. Das AlN-Substrat kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm-1 für eine Wellenlänge von 230 nm haben. Der UV-Absorptionskoeffizient kann für den gesamten Wellenlängenbereich von 230 nm nicht weniger als etwa 5 cm-1 betragen.
  • Die Wärmeleitfähigkeit des A1N-Substrats kann bei Raumtemperatur ca. 250 W/m·K oder mehr, ca. 270 W/m·K oder mehr, ca. 290 W/m·K oder mehr, ca. 300 W/m·K oder mehr oder ca. 320 W/m·K oder mehr betragen. Die Wärmeleitfähigkeit des A1N-Substrats kann bei Raumtemperatur ca. 400 W/m·K oder weniger, ca. 350 W/m·K oder weniger oder ca. 300 W/m·K oder weniger betragen. Die kristalline Orientierung des A1N-Substrats kann im wesentlichen parallel zu einer c-Achse verlaufen. Eine kristalline Orientierung des A1N-Substrats kann in einem Winkel von mindestens ungefähr 10° relativ zu einer c-Achse, mindestens ungefähr 12° relativ zu einer c-Achse, mindestens ungefähr 15° relativ zu einer c-Achse oder mindestens ungefähr 20° relativ zu einer c-Achse angeordnet sein. Eine kristalline Orientierung des A1N-Substrats darf höchstens um etwa 30° in Bezug auf eine c-Achse, höchstens um etwa 25° in Bezug auf eine c-Achse, höchstens um etwa 20° in Bezug auf eine c-Achse oder höchstens um etwa 15° in Bezug auf eine c-Achse abgewinkelt sein.
  • Die Dichte von Fadenstufenversetzungen im AlN-Substrat kann weniger als 5 × 105 cm-2, weniger als 1 × 105 cm-2, weniger als 5 × 104 cm-2, weniger als 1 × 104 cm-2, weniger als 5 × 103 cm-2 oder weniger als 1 × 103 cm-2 betragen. Die Dichte der Fadenstufenversetzungen im A1N-Substrat kann mehr als 10 cm-2, mehr als 100 cm-2, mehr als 500 cm-2 oder mehr als 1000 cm-2 betragen. Die Dichte von Fadenschraubenversetzungen im A1N-Substrat kann weniger als 100 cm-2, weniger als 50 cm-2, weniger als 10 cm-2, weniger als 5 cm-2 oder weniger als 1 cm-2 betragen. Die Dichte von Fadenschraubenversetzungen im AlN-Substrat kann mehr als 0,1 cm-2, mehr als 0,5 cm-2, mehr als 1 cm-2, mehr als 2 cm-2 oder mehr als 5 cm-2 betragen.
  • Die Siliziumkonzentration des A1N-Substrats kann weniger als 1 × 1019 cm-3, weniger als 5 × 1018 cm-3, weniger als 1 × 1018 cm-3, weniger als 5 × 1017 cm-3, weniger als 3 × 1017 cm-3, weniger als 1 × 1017 cm-3, weniger als 5 × 1016 cm-3 oder weniger als 1 × 1016 cm-3 betragen. Die Siliziumkonzentration des A1N-Substrats kann mehr als 1 × 1014 cm-3, mehr als 5 × 10 14 cm-3, mehr als 1 × 1015 cm-3, mehr als 5 × 1015 cm-3, mehr als 1 × 1016 cm-3, mehr als 5 × 1016 cm-3 oder mehr als 1 × 1017 cm-3 betragen. Die Sauerstoffkonzentration des A1N-Substrats kann weniger als 1 × 1019 cm-3, weniger als 5 × 1011 cm-3, weniger als 1 × 1018 cm-3, weniger als 5 × 1017 cm-3, weniger als 3 × 1017 cm-3, weniger als 1 × 1017 cm-3, weniger als 5 × 1016 cm-3 oder weniger als 1 × 1016 cm-3 betragen. Die Sauerstoffkonzentration des A1N-Substrats kann mehr als 1 × 1014 cm-3, mehr als 5 × 1014 cm-3, mehr als 1 × 1015 cm-3, mehr als 5 × 1015 cm-3, mehr als 1 × 1016 cm-3, mehr als 5 × 1016 cm-3 oder mehr als 1 × 1017 cm-3 betragen. Die Kohlenstoffkonzentration des A1N-Substrats kann weniger als 1 × 1019 cm-3, weniger als 5 × 1018 cm-3, weniger als 1 × 1018 cm-3, weniger als 5 × 1017 cm-3, weniger als 3 × 1017 cm-3, weniger als 1 × 1017 cm-3, weniger als 5 × 1016 cm-3 oder weniger als 1 × 1016 cm-3 betragen. Die Kohlenstoffkonzentration des A1N-Substrats kann mehr als 1 × 1014 cm-3, mehr als 5 × 10 14 cm-3, mehr als 1 × 1015 cm-3, mehr als 5 × 1015 cm-3, mehr als 1 × 1016 cm-3, mehr als 5 × 1016 cm-3 oder mehr als 1 × 1017 cm-3 betragen. Das Verhältnis der Kohlenstoffkonzentration des AlN-Substrats zur Sauerstoffkonzentration des A1N-Substrats kann weniger als 1, weniger als 0,9, weniger als 0,8, weniger als 0,7, weniger als 0,6, weniger als 0,5, weniger als 0,4 oder weniger als 0,3 betragen. Das Verhältnis der Kohlenstoffkonzentration des AlN-Substrats zur Sauerstoffkonzentration des A1N-Substrats kann mehr als 0,1, mehr als 0,2, mehr als 0,3 oder mehr als 0,4 betragen.
  • In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung eine polykristalline AIN-Keramik mit (i) einer Breite von mindestens etwa 0,5 cm und höchstens etwa 2 cm und (ii) einer Kohlenstoffkonzentration von höchstens etwa 60 ppm auf.
  • Die Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Elemente in einer Vielzahl von Kombinationen enthalten. Die Kohlenstoffkonzentration kann mindestens etwa 5 ppm betragen. Die Kohlenstoffkonzentration kann zwischen etwa 5 ppm und etwa 26 ppm liegen. Die polykristalline A1N-Keramik kann eine Sauerstoffkonzentration von weniger als 100 ppm aufweisen. Die polykristalline A1N-Keramik kann weniger als 0,1% überschüssiges Al enthalten. Die durch Pyknometrie bei Raumtemperatur gemessene Dichte der polykristallinen AIN-Keramik kann im Bereich von etwa 3,25 g/cm3 bis etwa 3,26 g/cm3 liegen. Eine Dichte der polykristallinen AIN-Keramik, pyknometrisch bei Raumtemperatur gemessen, kann zwischen etwa 2,95 g/cm3 und etwa 3,20 g/cm3 liegen.
  • In einem Aspekt weisen die Ausführungsformen der Erfindung eine Methode zur Verbesserung der Ultraviolett- (UV-) Transparenz eines einkristallinen A1N-Volumenkristalls auf. Der A1N-Volumenkristall wird in einer Heizkammer angeordnet. Gas (z.B. Stickstoffgas) wird innerhalb der Heizkammer bei einem Druck von etwa 1 bar bis etwa 2 bar bereitgestellt. Eine Temperatur innerhalb der Heizkammer wird mit einer Stufenrate im Bereich von ca. 1°C/min bis ca. 50°C/min auf eine Glühtemperatur gebracht. Die Glühtemperatur reicht von etwa 2100°C bis etwa 2500°C. Der AlN-Volumenkristall wird bei der Glühtemperatur über einen Zeitraum von ca. 0,5 bis ca. 5 Stunden geglüht. Nach dem Glühen wird der AlN-Volumenkristall über einen Kühlzyklus abgekühlt. Der Kühlzyklus umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus (i) dem Abkühlen des AlN-Volumenkristalls von der Glühtemperatur auf eine erste Temperatur im Bereich von 800°C bis 1250°C über einen Zeitraum von 10 Stunden bis 100 Stunden und (ii) danach dem Abkühlen des AIN-Volumenkristalls auf etwa Raumtemperatur.
  • Die Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Elemente in einer Vielzahl von Kombinationen enthalten. Bevor der AlN-Volumenkristall in der Heizkammer angeordnet wird, kann die Sauerstoffkonzentration im AlN-Volumenkristall zwischen etwa 1 × 1011 cm-3 und etwa 1 × 1011 cm-3 und/oder die Kohlenstoffkonzentration im AlN-Volumenkristall zwischen etwa 1 × 1018 cm-3 und etwa 1 × 1019 cm-3 liegen. Das Innere der Heizkammer kann ein oder mehrere hochschmelzende Metalle enthalten, im Wesentlichen aus einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen bestehen oder aus diesen bestehen. Das Innere der Heizkammer kann W enthalten, im Wesentlichen aus W bestehen oder aus W bestehen. Vor dem Einbringen des AIN-Volumenkristalls in die Heizkammer kann das Innere der Heizkammer unter einem Druck von weniger als 1 bar auf eine Temperatur von nicht weniger als 2600°C erhitzt werden. Das Innere der Heizkammer kann für eine Zeit zwischen etwa 0,5 Stunden und etwa 2 Stunden erhitzt werden. Die Heizkammer kann einen Widerstandsofen oder einen Hochfrequenzofen umfassen, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen.
  • Der AlN-Volumenkristall kann bei der Glühtemperatur zumindest quasi-isotherm geglüht werden. Bevor der AlN-Volumenkristall in der Heizkammer angeordnet wird, kann der AlN-Volumenkristall in einer anderen Kristallzüchtungskammer als der Heizkammer gezüchtet werden. Ein einkristallines AIN-Substrat mit einem Durchmesser von mindestens 25 mm kann vom AlN-Volumenkristall getrennt werden. Eine lichtemittierende Vorrichtung kann über mindestens einen Teil des AlN-Substrats hergestellt werden. Die lichtemittierende Vorrichtung kann eine lichtemittierende Diode und/oder einen Laser enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die lichtemittierende Vorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie ultraviolettes Licht emittiert. Der AlN-Volumenkristall kann ein einkristallines AlN-Substrat mit einem Durchmesser von mindestens 25 mm enthalten, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen. Eine lichtemittierende Vorrichtung kann über mindestens einen Teil des AlN-Substrats hergestellt werden. Die lichtemittierende Vorrichtung kann eine lichtemittierende Diode und/oder einen Laser enthalten, im wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die lichtemittierende Vorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie ultraviolettes Licht emittiert.
  • Ausführungsformen der Erfindung können AlN-Boules, Substrate und/oder lichtemittierende Vorrichtungen umfassen, die in Übereinstimmung mit einer der oben genannten Methoden geformt oder formbar sind.
  • In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN) auf. Es wird eine polykristalline AlN-Volumenkeramik bereitgestellt. Mindestens ein Teil der AIN-Keramik wird in einen ersten Tiegel gegeben. Mindestens ein Teil der AlN-Keramik wird im ersten Tiegel geglüht und/oder verdichtet, wodurch eine polykristalline AlN-Quelle gebildet wird. Das Glühen und/oder Verdichten umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus (i) dem Erhitzen des mindestens einen Teils der AIN-Keramik bei einer ersten Temperatur im Bereich von 1100°C bis 2000°C für ein erstes Mal im Bereich von 2 Stunden bis 25 Stunden und (ii) danach dem Erhitzen des mindestens einen Teils der AIN-Keramik bei einer zweiten Temperatur im Bereich von 1900°C bis 2250°C für ein zweites Mal im Bereich von 3 Stunden bis 15 Stunden, wobei die zweite Temperatur höher als die erste Temperatur ist, oder (i) Erhitzen des mindestens einen Teils der AIN-Keramik während einer Temperaturstufe auf eine dritte Temperatur im Bereich von 1900°C bis 2250°C über ein drittes Mal im Bereich von 5 Stunden bis 25 Stunden, und (ii) danach Erhitzen des mindestens einen Teils der AIN-Keramik auf eine vierte Temperatur im Bereich von 1900°C bis 2250°C über ein viertes Mal im Bereich von 3 Stunden bis 25 Stunden. Die AlN-Quelle wird auf etwa Raumtemperatur abgekühlt. Ein zweiter Tiegel, der die AlN-Quelle und einen Impfkristall enthält, wird in einem Ofen angeordnet. Der Impfkristall kann einkristallines AlN enthalten, im Wesentlichen aus AlN bestehen oder aus diesem bestehen. Der zweite Tiegel wird mit dem Ofen auf eine Wachstumstemperatur von mindestens 2000°C erhitzt. Der zweite Tiegel wird während einer Wachstumszeit auf der Wachstumstemperatur gehalten. Die Wachstumszeit kann zwischen 1 Stunde und 10 Stunden betragen. Nach der Wachstumszeit, während sich der zweite Tiegel auf der Wachstumstemperatur befindet, (i) wird Dampf, der Aluminium und Stickstoff enthält, im wesentlichen aus Aluminium und Stickstoff besteht oder aus diesen besteht, auf dem Impfkristall kondensiert, wodurch eine einkristalline AIN-Boule gebildet wird, die sich vom Impfkristall aus erstreckt, und (ii) der zweite Tiegel wird relativ zum Ofen bewegt. Eine Wachstumsrate der AlN-Boule kann ungefähr gleich einer Rate der Relativbewegung zwischen dem zweiten Tiegel und dem Ofen sein. Danach wird die AlN-Boule auf etwa Raumtemperatur abgekühlt.
  • Die Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Elemente in einer Vielzahl von Kombinationen enthalten. Vor dem Glühen und/oder Verdichten kann zumindest ein Teil der AIN-Keramik (i) weniger als etwa 1% Al im Überschuss und/oder (ii) eine Sauerstoffkonzentration von weniger als 2 × 1019 cm-3 aufweisen. Die erste Temperatur kann im Bereich von 1100°C bis 1900°C liegen. Die zweite Temperatur kann im Bereich von 2000°C bis 2250°C liegen. Die dritte Temperatur kann im Bereich von 2000°C bis 2250°C liegen. Die vierte Temperatur kann im Bereich von 2000°C bis 2250°C liegen.
  • Die Wachstumstemperatur kann etwa 2300°C oder weniger, etwa 2200°C oder weniger oder etwa 2100°C oder weniger betragen. Der Durchmesser von mindestens einem Teil (oder sogar der Gesamtheit) der AIN-Boule kann mindestens etwa 25 mm, mindestens etwa 35 mm, mindestens etwa 50 mm, mindestens etwa 75 mm oder mindestens etwa 100 mm betragen. Der Durchmesser mindestens eines Teils (oder sogar der Gesamtheit) der AIN-Boule kann höchstens ca. 150 mm, höchstens ca. 125 mm, höchstens ca. 100 mm oder höchstens ca. 75 mm betragen. Der Durchmesser mindestens eines Teils (oder sogar der Gesamtheit) der AIN-Boule darf etwa 50 mm betragen.
  • Bevor zumindest ein Teil der AIN-Keramik in den ersten Tiegel eingebracht wird, kann die AIN-Keramik in Fragmente zersplittert werden. Als mindestens ein Teil der AIN-Keramik können ein oder mehrere Fragmente ausgewählt werden. Ein oder mehrere (oder sogar jedes) der Fragmente können eine Breite (oder Durchmesser oder Länge oder andere Abmessungen) von mehr als etwa 0,1 cm, mehr als etwa 0,2 cm, mehr als etwa 0,3 cm, mehr als etwa 0,4 cm, mehr als etwa 0,5 cm, mehr als etwa 0,7 cm oder mehr als etwa 1 cm haben. Eines oder mehrere (oder sogar jedes einzelne) der Fragmente kann eine Breite (oder Durchmesser oder Länge oder eine andere Abmessung) von weniger als etwa 5 cm, weniger als etwa 4 cm, weniger als etwa 3 cm, weniger als etwa 2 cm, weniger als etwa 1,5 cm oder weniger als etwa 1 cm haben. Eine kristalline Orientierung des Impfkristalls kann im Wesentlichen parallel zu einer c-Achse sein. Der erste Tiegel und der zweite Tiegel können derselbe Tiegel sein. Der erste Tiegel und der zweite Tiegel können unterschiedliche Tiegel sein.
  • Die Wachstumsrate kann mindestens 0,1 mm/Stunde, mindestens 0,2 mm/Stunde, mindestens 0,3 mm/Stunde, mindestens 0,4 mm/Stunde, mindestens 0,5 mm/Stunde, mindestens 0,7 mm/Stunde oder mindestens 1 mm/Stunde betragen. Die Wachstumsrate darf höchstens 3 mm/Stunde, höchstens 2,5 mm/Stunde, höchstens 2 mm/Stunde, höchstens 1,5 mm/Stunde oder höchstens 1 mm/Stunde betragen. Die Wachstumszeit kann mindestens ca. 2 Stunden, mindestens ca. 3 Stunden, mindestens ca. 4 Stunden, mindestens ca. 5 Stunden, mindestens ca. 8 Stunden oder mindestens ca. 10 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann höchstens ca. 20 Stunden, höchstens ca. 18 Stunden, höchstens ca. 17 Stunden, höchstens ca. 16 Stunden oder höchstens ca. 15 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann etwa 5 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann etwa 5 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann ca. 5-10 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann ca. 1-5 Stunden betragen. Der Durchmesser des Impfkristalls kann ca. 25 mm oder größer, ca. 30 mm oder größer, ca. 35 mm oder größer, ca. 40 mm oder größer, ca. 45 mm oder größer oder ca. 50 mm oder größer sein. Der Durchmesser des Impfkristalls kann ca. 150 mm oder kleiner, ca. 100 mm oder kleiner, ca. 75 mm oder kleiner oder ca. 50 mm oder kleiner sein.
  • Die AlN-Boule kann in Scheiben geschnitten werden, um ein einkristallines AlN-Substrat mit einem Durchmesser von mindestens 25 mm, mindestens 30 mm, mindestens 35 mm, mindestens 40 mm, mindestens 45 mm oder mindestens 50 mm zu bilden. Der Durchmesser des einkristallinen AIN-Substrats kann etwa 150 mm oder kleiner, etwa 100 mm oder kleiner, etwa 75 mm oder kleiner oder etwa 50 mm oder kleiner sein. Der Durchmesser des einkristallinen AIN-Substrats kann ca. 50 mm betragen. Eine lichtemittierende Vorrichtung kann über mindestens einen Teil des AlN-Substrats hergestellt werden. Die lichtemittierende Vorrichtung kann so konfiguriert werden, dass sie ultraviolettes Licht emittiert. Nach der Herstellung mindestens eines Teils der lichtemittierenden Vorrichtung (z.B. der gesamten oder eines Teils einer epitaxialen lichtemittierenden Schichtstruktur) kann mindestens ein Teil (oder sogar das gesamte) des AlN-Substrats von der lichtemittierenden Vorrichtung entfernt werden. Die lichtemittierende Vorrichtung kann eine lichtemittierende Diode und/oder einen Laser enthalten, im Wesentlichen aus einer solchen bestehen oder aus einer solchen bestehen.
  • Zumindest ein Teil der AIN-Boule kann behandelt werden, nachdem die AlN-Boule auf etwa Raumtemperatur abgekühlt ist. Mindestens ein Teil der AIN-Boule kann in einer anderen Heizkammer als dem ersten und zweiten Tiegel angeordnet werden. Gas (z.B. Stickstoffgas) kann in der Heizkammer bei einem Druck von etwa 0,5 bar bis etwa 2 bar bereitgestellt werden. Die Temperatur in der Heizkammer kann mit einer Stufenrate von etwa 1°C/min bis etwa 50°C/min auf eine Glühtemperatur erhöht werden. Die Glühtemperatur kann im Bereich von etwa 2100°C bis etwa 2500°C liegen. Mindestens ein Teil der AIN-Boule kann bei der Glühtemperatur über einen Zeitraum von etwa 0,5 bis etwa 100 Stunden geglüht werden. Danach kann zumindest ein Teil der AlN-Boule über einen Kühlzyklus abgekühlt werden. Der Kühlzyklus kann umfassen, im Wesentlichen bestehen aus oder bestehen aus (i) dem Abkühlen des mindestens einen Teils der AIN-Boule von der Glühtemperatur auf eine fünfte Temperatur im Bereich von 800°C bis 1250°C über einen Zeitraum von 10 Stunden bis 100 Stunden und (ii) danach dem Abkühlen des mindestens einen Teils der AIN-Boule auf etwa Raumtemperatur bestehen. Gas (z.B. Stickstoffgas) kann innerhalb der Heizkammer bei einem Druck im Bereich von etwa 1 bar bis etwa 2 bar bereitgestellt werden. Der mindestens eine Teil der AIN-Boule kann über einen Zeitraum von etwa 0,5 bis etwa 5 Stunden geglüht werden. Während des Kühlzyklus kann zumindest ein Teil der AIN-Boule über einen Zeitraum von 10 bis 20 Stunden von der Glühtemperatur auf die fünfte Temperatur abgekühlt werden. Bevor der mindestens eine Teil der AIN-Boule in die Heizkammer entsorgt wird, können ein oder mehrere AlN-Substrate von der AlN-Boule getrennt werden, und der mindestens eine Teil der AIN-Boule kann mindestens eines (oder mindestens einen Teil von mindestens einem) der AlN-Substrate enthalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen. Der mindestens eine Teil der AlN-Boule kann die AlN-Boule (mit oder ohne Impfkristall) enthalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Bevor der mindestens eine Teil der AlN-Boule in der Heizkammer angeordnet wird, kann die Sauerstoffkonzentration des mindestens einen Teils der AIN-Boule im Bereich von etwa 1 × 1018 cm-3 bis etwa 1 × 1019 cm3 und/oder die Kohlenstoffkonzentration des mindestens einen Teils der AIN-Boule im Bereich von etwa 1 × 1018 cm-3 bis etwa 1 × 1019 cm-3 liegen. Bevor der mindestens eine Teil der AlN-Boule in der Heizkammer angeordnet wird, kann die Sauerstoffkonzentration des mindestens einen Teils der AIN-Boule im Bereich von etwa 1 × 1017 cm-3 bis etwa 1 × 1011 cm3 und/oder die Kohlenstoffkonzentration des mindestens einen Teils der AIN-Boule im Bereich von etwa 1 × 1017 cm-3 bis etwa 1 × 1019 cm-3 liegen. Das Innere der Heizkammer kann ein oder mehrere Refrakärmetalle enthalten, im Wesentlichen aus einem oder mehreren Refraktärmetallen bestehen oder aus diesen bestehen. Das Innere der Heizkammer kann W enthalten, im Wesentlichen aus W bestehen oder aus W bestehen. Vor dem Einbringen zumindest eines Teils der AIN-Boule in die Heizkammer kann das Innere der Heizkammer unter einem Druck von weniger als 1 bar auf eine Temperatur von nicht weniger als 2600°C erhitzt werden. Das Innere der Heizkammer kann für eine Zeit zwischen etwa 0,5 Stunden und etwa 2 Stunden erhitzt werden. Die Heizkammer kann einen Widerstandsofen oder einen Hochfrequenzofen umfassen, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen. Zumindest ein Teil der AIN-Boule kann bei der Glühtemperatur zumindest quasi-isotherm geglüht werden.
  • Ausführungsformen der Erfindung können AlN-Boules, Substrate und/oder lichtemittierende Vorrichtungen umfassen, die in Übereinstimmung mit einer der oben genannten Methoden geformt oder formbar sind.
  • In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN) auf. Es wird eine polykristalline AlN-Volumenkeramik bereitgestellt. Mindestens ein Teil der AIN-Keramik wird in einen Kristallwachstumstiegel gegeben. Ein Impfkristall wird in den Kristallwachstumstiegel eingebracht. Der Impfkristall kann einkristallines AlN enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Kristallwachstumstiegel wird in einen Ofen eingebracht. Der Kristallwachstumstiegel wird mit dem Ofen auf eine Wachstumstemperatur von mindestens 2000°C erhitzt. Der Kristallwachstumstiegel wird während einer Wachstumszeit auf der Wachstumstemperatur gehalten. Die Wachstumszeit kann zwischen 1 Stunde und 10 Stunden betragen. Nach der Wachstumszeit, während sich der Kristallwachstumstiegel auf der Wachstumstemperatur befindet, (i) wird Dampf, der Aluminium und Stickstoff enthält, im wesentlichen aus Aluminium und Stickstoff besteht oder aus diesen besteht, auf dem Impfkristall kondensiert, wodurch eine einkristalline AIN-Boule gebildet wird, die sich vom Impfkristall aus erstreckt, und (ii) der Kristallwachstumstiegel wird relativ zum Ofen bewegt. Eine Wachstumsrate der AlN-Boule kann ungefähr gleich einer Rate der Relativbewegung zwischen dem Kristallwachstumstiegel und dem Ofen sein. Danach wird die AlN-Boule auf etwa Raumtemperatur abgekühlt. Nachdem die AlN-Boule auf etwa Raumtemperatur abgekühlt ist, wird mindestens ein Teil der AIN-Boule in einer vom Kristallwachstumstiegel verschiedenen Heizkammer angeordnet. Gas (z.B. Stickstoffgas) wird innerhalb der Heizkammer bei einem Druck von etwa 0,5 bar bis etwa 2 bar bereitgestellt. Eine Temperatur innerhalb der Heizkammer wird mit einer Stufenrate im Bereich von ca. 1°C/min bis ca. 50°C/min auf eine Glühtemperatur gebracht. Die Glühtemperatur reicht von etwa 2100°C bis etwa 2500°C. Mindestens ein Teil der AlN-Boule wird bei der Glühtemperatur über einen Zeitraum von etwa 0,5 bis etwa 100 Stunden geglüht. Danach wird der mindestens eine Teil der AlN-Boule über einen Kühlzyklus abgekühlt. Der Kühlzyklus umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus (i) dem Abkühlen des mindestens einen Teils der AlN-Boule von der Glühtemperatur auf eine Zwischentemperatur im Bereich von 800°C bis 1250°C über einen Zeitraum von 10 Stunden bis 100 Stunden und (ii) danach dem Abkühlen des mindestens einen Teils der AlN-Boule auf ungefähr Raumtemperatur.
  • Die Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Elemente in einer Vielzahl von Kombinationen enthalten. Die Wachstumstemperatur kann etwa 2300°C oder weniger, etwa 2200°C oder weniger oder etwa 2100°C oder weniger betragen. Der Durchmesser von mindestens einem Teil (oder sogar der Gesamtheit) der AlN-Boule kann mindestens etwa 25 mm, mindestens etwa 35 mm, mindestens etwa 50 mm, mindestens etwa 75 mm oder mindestens etwa 100 mm betragen. Der Durchmesser mindestens eines Teils (oder sogar der Gesamtheit) des AlN-Boule kann höchstens ca. 150 mm, höchstens ca. 125 mm, höchstens ca. 100 mm oder höchstens ca. 75 mm betragen. Der Durchmesser mindestens eines Teils (oder sogar der Gesamtheit) der AIN-Boule darf etwa 50 mm betragen.
  • Bevor zumindest ein Teil der AIN-Keramik in den ersten Tiegel eingebracht wird, kann die AlN-Keramik in Fragmente zersplittert werden. Als mindestens ein Teil der AIN-Keramik können ein oder mehrere Fragmente ausgewählt werden. Ein oder mehrere (oder sogar jedes) der Fragmente können eine Breite (oder Durchmesser oder Länge oder andere Abmessungen) von mehr als etwa 0,1 cm, mehr als etwa 0,2 cm, mehr als etwa 0,3 cm, mehr als etwa 0,4 cm, mehr als etwa 0,5 cm, mehr als etwa 0,7 cm oder mehr als etwa 1 cm haben. Eines oder mehrere (oder sogar jedes einzelne) der Fragmente kann eine Breite (oder Durchmesser oder Länge oder eine andere Abmessung) von weniger als etwa 5 cm, weniger als etwa 4 cm, weniger als etwa 3 cm, weniger als etwa 2 cm, weniger als etwa 1,5 cm oder weniger als etwa 1 cm haben. Eine kristalline Orientierung des Impfkristalls kann im Wesentlichen parallel zu einer c-Achse sein.
  • Die Wachstumsrate kann mindestens 0,1 mm/Stunde, mindestens 0,2 mm/Stunde, mindestens 0,3 mm/Stunde, mindestens 0,4 mm/Stunde, mindestens 0,5 mm/Stunde, mindestens 0,7 mm/Stunde oder mindestens 1 mm/Stunde betragen. Die Wachstumsrate darf höchstens 3 mm/Stunde, höchstens 2,5 mm/Stunde, höchstens 2 mm/Stunde, höchstens 1,5 mm/Stunde oder höchstens 1 mm/Stunde betragen. Die Wachstumszeit kann mindestens ca. 2 Stunden, mindestens ca. 3 Stunden, mindestens ca. 4 Stunden, mindestens ca. 5 Stunden, mindestens ca. 8 Stunden oder mindestens ca. 10 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann höchstens ca. 20 Stunden, höchstens ca. 18 Stunden, höchstens ca. 17 Stunden, höchstens ca. 16 Stunden oder höchstens ca. 15 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann etwa 5 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann etwa 5 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann ca. 5-10 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann ca. 1-5 Stunden betragen. Der Durchmesser des Impfkristalls kann ca. 25 mm oder größer, ca. 30 mm oder größer, ca. 35 mm oder größer, ca. 40 mm oder größer, ca. 45 mm oder größer oder ca. 50 mm oder größer sein. Der Durchmesser des Impfkristalls kann ca. 150 mm oder kleiner, ca. 100 mm oder kleiner, ca. 75 mm oder kleiner oder ca. 50 mm oder kleiner sein.
  • Die AlN-Boule kann in Scheiben geschnitten werden, um ein einkristallines AlN-Substrat mit einem Durchmesser von mindestens 25 mm, mindestens 30 mm, mindestens 35 mm, mindestens 40 mm, mindestens 45 mm oder mindestens 50 mm zu bilden. Der Durchmesser des einkristallinen AIN-Substrats kann etwa 150 mm oder kleiner, etwa 100 mm oder kleiner, etwa 75 mm oder kleiner oder etwa 50 mm oder kleiner sein. Der Durchmesser des einkristallinen AIN-Substrats kann ca. 50 mm betragen. Eine lichtemittierende Vorrichtung kann über mindestens einen Teil des AlN-Substrats hergestellt werden. Die lichtemittierende Vorrichtung kann so konfiguriert werden, dass sie ultraviolettes Licht emittiert. Nach der Herstellung mindestens eines Teils der lichtemittierenden Vorrichtung (z.B. der gesamten oder eines Teils einer epitaxialen lichtemittierenden Schichtstruktur) kann mindestens ein Teil (oder sogar die Gesamtheit) des AlN-Substrats von der lichtemittierenden Vorrichtung entfernt werden. Die lichtemittierende Vorrichtung kann eine lichtemittierende Diode und/oder einen Laser enthalten, im Wesentlichen aus einer solchen bestehen oder aus einer solchen bestehen.
  • Gas (z.B. Stickstoffgas) kann innerhalb der Heizkammer bei einem Druck von ca. 1 bar bis ca. 2 bar bereitgestellt werden. Mindestens ein Teil der AlN-Boule kann über einen Zeitraum von ca. 0,5 bis ca. 5 Stunden geglüht werden. Während des Kühlzyklus kann zumindest ein Teil der AlN-Boule über einen Zeitraum von 10 bis 20 Stunden von der Glühtemperatur auf die Zwischentemperatur abgekühlt werden. Bevor der mindestens eine Teil der AlN-Boule in die Heizkammer eingebracht wird, können ein oder mehrere AlN-Substrate von der AlN-Boule getrennt werden, und der mindestens eine Teil der AlN-Boule kann mindestens eines (oder mindestens einen Teil von mindestens einem) der AlN-Substrate enthalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen. Der mindestens eine Teil der AlN-Boule kann die AlN-Boule (mit oder ohne Impfkristall) enthalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen.
  • Das Innere der Heizkammer kann ein oder mehrere Refraktärmetalle enthalten, im Wesentlichen aus einem oder mehreren Refraktärmetallen bestehen oder aus diesen bestehen. Das Innere der Heizkammer kann W enthalten, im Wesentlichen aus W bestehen oder aus W bestehen. Vor der Anordnung von mindestens einem Teil der AlN-Boule in der Heizkammer kann das Innere der Heizkammer unter einem Druck von weniger als 1 bar auf eine Temperatur von nicht weniger als 2600°C erhitzt werden. Das Innere der Heizkammer kann für eine Zeit zwischen etwa 0,5 Stunden und etwa 2 Stunden erhitzt werden. Die Heizkammer kann einen Widerstandsofen oder einen Hochfrequenzofen umfassen, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen. Zumindest ein Teil der AlN-Boule kann bei der Glühtemperatur zumindest quasi-isotherm (d.h. isotherm oder quasi-isotherm) geglüht werden.
  • Ausführungsformen der Erfindung können AlN-Boules, Substrate und/oder lichtemittierende Vorrichtungen umfassen, die in Übereinstimmung mit einer der oben genannten Methoden geformt oder formbar sind.
  • In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN) auf. Es wird eine polykristalline AlN-Volumenkeramik bereitgestellt. Die polykristalline AlN-Volumenkeramik wird in Fragmente zerlegt. Ein oder mehrere Fragmente mit einer Breite von jeweils mehr als etwa 0,5 cm und weniger als etwa 2 cm werden als AlN-Quellmaterial ausgewählt. Das AlN-Quellmaterial wird in einen Kristallwachstumstiegel gegeben. Ein Impfkristall wird in den Kristallzüchtungstiegel eingebracht. Der Impfkristall kann einkristallines AlN enthalten, im Wesentlichen aus AlN bestehen oder aus diesem bestehen. Der Kristallwachstumstiegel wird in einen Ofen eingebracht. Der Kristallwachstumstiegel wird mit dem Ofen auf eine Wachstumstemperatur von mindestens 2000°C erhitzt. Der Kristallwachstumstiegel wird während einer Wachstumszeit auf der Wachstumstemperatur gehalten. Die Wachstumszeit kann zwischen 1 Stunde und 10 Stunden betragen. Nach der Wachstumszeit, während sich der Kristallwachstumstiegel auf der Wachstumstemperatur befindet, (i) wird Dampf, der Aluminium und Stickstoff enthält, im wesentlichen aus Aluminium und Stickstoff besteht oder aus diesen besteht, auf dem Impfkristall kondensiert, wodurch eine einkristalline AlN-Boule gebildet wird, die sich vom Impfkristall aus erstreckt, und (ii) der Kristallwachstumstiegel wird relativ zum Ofen bewegt. Eine Wachstumsrate der AlN-Boule kann ungefähr gleich einer Rate der Relativbewegung zwischen dem Kristallwachstumstiegel und dem Ofen sein. Danach wird die AlN-Boule auf etwa Raumtemperatur abgekühlt.
  • Die Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Elemente in einer Vielzahl von Kombinationen enthalten. Die Bereitstellung der polykristallinen AlN-Volumenkeramik kann umfassen, im wesentlichen bestehen aus oder bestehen aus: (a) Bereitstellen eines Pellets, das Al enthält, im wesentlichen aus Al besteht oder aus Al innerhalb eines Reaktionstiegels besteht, (b) Umsetzen des Pellets bei einer Reaktionstemperatur und einem Reaktionsdruck mit Stickstoff und Wiederholen der Schritte (a) und (b) zur Bildung der polykristallinen AlN-Volumenkeramik in der Masse. Es darf keine Sublimations-Rekondensationsbehandlung der polykristallinen AlN-Volumenkeramik oder des AIN-Ausgangsmaterials durchgeführt werden, bevor das AIN-Ausgangsmaterial in den Kristallwachstumstiegel gegeben wird. Wenn die polykristalline AlN-Volumenkeramik nach Schritt (c) ungefähr Raumtemperatur erreicht, kann die polykristalline AlN-Volumenkeramik in der Masse (i) weniger als ungefähr 1% Überschuss Al und/oder (ii) eine Sauerstoffkonzentration von weniger als ungefähr 100 ppm aufweisen. Die Reaktionstemperatur kann im Bereich von etwa 1600 °C bis etwa 2200 °C liegen. Die Reaktionstemperatur kann im Bereich von etwa 1900 °C bis etwa 2200 °C liegen. Der Reaktionsdruck kann im Bereich von etwa 1 bar bis etwa 60 bar liegen. Das Pellet kann in einer Atmosphäre zur Reaktion gebracht werden, die (i) Stickstoffgas enthält, im wesentlichen aus diesem besteht oder aus diesem besteht und/oder (ii) im wesentlichen frei von Wasserstoff ist. Die polykristalline AlN-Volumenkeramik kann eine Kohlenstoffkonzentration im Bereich von etwa 100 ppm bis etwa 300 ppm aufweisen. Das AlN-Quellmaterial kann eine Kohlenstoffkonzentration im Bereich von etwa 5 ppm bis etwa 60 ppm aufweisen. Das AlN-Quellmaterial kann eine Kohlenstoffkonzentration im Bereich von ca. 5 ppm bis ca. 26 ppm aufweisen.
  • Die Wachstumstemperatur kann etwa 2300°C oder weniger, etwa 2200°C oder weniger oder etwa 2100°C oder weniger betragen. Der Durchmesser von mindestens einem Teil (oder sogar der Gesamtheit) der AlN-Boule kann mindestens etwa 25 mm, mindestens etwa 35 mm, mindestens etwa 50 mm, mindestens etwa 75 mm oder mindestens etwa 100 mm betragen. Der Durchmesser mindestens eines Teils (oder sogar der Gesamtheit) der AlN-Boule kann höchstens ca. 150 mm, höchstens ca. 125 mm, höchstens ca. 100 mm oder höchstens ca. 75 mm betragen. Der Durchmesser mindestens eines Teils (oder sogar der Gesamtheit) der AlN-Boule kann etwa 50 mm betragen.
  • Eine kristalline Orientierung des Impfkristalls kann im Wesentlichen parallel zu einer c-Achse verlaufen. Die Wachstumsrate kann mindestens 0,1 mm/Stunde, mindestens 0,2 mm/Stunde, mindestens 0,3 mm/Stunde, mindestens 0,4 mm/Stunde, mindestens 0,5 mm/Stunde, mindestens 0,7 mm/Stunde oder mindestens 1 mm/Stunde betragen. Die Wachstumsrate darf höchstens 3 mm/Stunde, höchstens 2,5 mm/Stunde, höchstens 2 mm/Stunde, höchstens 1,5 mm/Stunde oder höchstens 1 mm/Stunde betragen. Die Wachstumszeit kann mindestens ca. 2 Stunden, mindestens ca. 3 Stunden, mindestens ca. 4 Stunden, mindestens ca. 5 Stunden, mindestens ca. 8 Stunden oder mindestens ca. 10 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann höchstens ca. 20 Stunden, höchstens ca. 18 Stunden, höchstens ca. 17 Stunden, höchstens ca. 16 Stunden oder höchstens ca. 15 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann etwa 5 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann etwa 5 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann ca. 5-10 Stunden betragen. Die Wachstumszeit kann ca. 1-5 Stunden betragen. Der Durchmesser des Impfkristalls kann ca. 25 mm oder größer, ca. 30 mm oder größer, ca. 35 mm oder größer, ca. 40 mm oder größer, ca. 45 mm oder größer oder ca. 50 mm oder größer sein. Der Durchmesser des Impfkristalls kann ca. 150 mm oder kleiner, ca. 100 mm oder kleiner, ca. 75 mm oder kleiner oder ca. 50 mm oder kleiner sein.
  • Die AlN-Boule kann in Scheiben geschnitten werden, um ein einkristallines AlN-Substrat mit einem Durchmesser von mindestens 25 mm, mindestens 30 mm, mindestens 35 mm, mindestens 40 mm, mindestens 45 mm oder mindestens 50 mm zu bilden. Der Durchmesser des einkristallinen AIN-Substrats kann etwa 150 mm oder kleiner, etwa 100 mm oder kleiner, etwa 75 mm oder kleiner oder etwa 50 mm oder kleiner sein. Der Durchmesser des einkristallinen AIN-Substrats kann ca. 50 mm betragen. Eine lichtemittierende Vorrichtung kann über mindestens einen Teil des AlN-Substrats hergestellt werden. Die lichtemittierende Vorrichtung kann so konfiguriert werden, dass sie ultraviolettes Licht emittiert. Nach der Herstellung mindestens eines Teils der lichtemittierenden Vorrichtung (z.B. der gesamten oder eines Teils einer epitaxialen lichtemittierenden Schichtstruktur) kann mindestens ein Teil (oder sogar die Gesamtheit) des AlN-Substrats von der lichtemittierenden Vorrichtung entfernt werden. Die lichtemittierende Vorrichtung kann eine lichtemittierende Diode und/oder einen Laser enthalten, im Wesentlichen aus einer solchen bestehen oder aus einer solchen bestehen.
  • Zumindest ein Teil der AlN-Boule kann behandelt werden, nachdem die AlN-Boule auf etwa Raumtemperatur abgekühlt ist. Mindestens ein Teil der AlN-Boule kann in einer anderen Heizkammer als dem Kristallwachstumstiegel angeordnet werden. Gas (z.B. Stickstoffgas) kann in der Heizkammer bei einem Druck von etwa 0,5 bar bis etwa 2 bar bereitgestellt werden. Die Temperatur in der Heizkammer kann mit einer Stufenrate von etwa 1°C/min bis etwa 50°C/min auf eine Glühtemperatur erhöht werden. Die Glühtemperatur kann im Bereich von etwa 2100°C bis etwa 2500°C liegen. Mindestens ein Teil der AlN-Boule kann bei der Glühtemperatur über einen Zeitraum von etwa 0,5 bis etwa 100 Stunden geglüht werden. Danach kann zumindest ein Teil der AlN-Boule über einen Kühlzyklus abgekühlt werden. Der Kühlzyklus kann umfassen, im Wesentlichen bestehen aus oder bestehen aus (i) dem Abkühlen des mindestens einen Teils der AlN-Boule von der Glühtemperatur auf eine Zwischentemperatur im Bereich von 800°C bis 1250°C über einen Zeitraum von 10 Stunden bis 100 Stunden und (ii) danach dem Abkühlen des mindestens einen Teils der AlN-Boule auf ungefähr Raumtemperatur. Gas (z.B. Stickstoffgas) kann innerhalb der Heizkammer bei einem Druck im Bereich von etwa 1 bar bis etwa 2 bar bereitgestellt werden. Der mindestens eine Teil der AlN-Boule kann über einen Zeitraum von etwa 0,5 bis etwa 5 Stunden geglüht werden. Während des Kühlzyklus kann zumindest ein Teil der AlN-Boule über einen Zeitraum von 10 bis 20 Stunden von der Glühtemperatur auf die Zwischentemperatur abgekühlt werden. Bevor der mindestens eine Teil der AlN-Boule in die Heizkammer eingebracht wird, können ein oder mehrere AlN-Substrate von der AlN-Boule getrennt werden, und der mindestens eine Teil der AlN-Boule kann mindestens eines (oder mindestens einen Teil von mindestens einem) der AlN-Substrate enthalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen. Der mindestens eine Teil der AlN-Boule kann die AlN-Boule (mit oder ohne Impfkristall) enthalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Das Innere der Heizkammer kann ein oder mehrere Refraktärmetalle enthalten, im Wesentlichen aus einem oder mehreren Refraktärmetallen bestehen oder aus diesen bestehen. Das Innere der Heizkammer kann W enthalten, im Wesentlichen aus W bestehen oder aus W bestehen. Bevor zumindest ein Teil der AlN-Boule in der Heizkammer angeordnet wird, kann das Innere der Heizkammer unter einem Druck von weniger als 1 bar auf eine Temperatur von nicht weniger als 2600°C erhitzt werden. Das Innere der Heizkammer kann für eine Zeit zwischen etwa 0,5 Stunden und etwa 2 Stunden erhitzt werden. Die Heizkammer kann einen Widerstandsofen oder einen Hochfrequenzofen umfassen, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen. Zumindest ein Teil der AlN-Boule kann bei der Glühtemperatur zumindest quasi-isotherm geglüht werden.
  • Ausführungsformen der Erfindung können AlN-Boules, Substrate und/oder lichtemittierende Vorrichtungen umfassen, die in Übereinstimmung mit einer der oben genannten Methoden geformt oder formbar sind.
  • Diese und andere Gegenstände, zusammen mit den Vorteilen und Merkmalen der hier offengelegten vorliegenden Erfindung, werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die begleitenden Zeichnungen und die Ansprüche verdeutlicht. Ferner ist zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Permutationen vorliegen können. Wie hier verwendet, bedeuten die Begriffe „ungefähr“, „ca.“ und „im wesentlichen“ ±10%, und in einigen Ausführungsformen ±5%. Alle hier angegebenen Zahlenbereiche sind, sofern nicht anders angegeben, einschließlich ihrer Endpunkte. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet den Ausschluss anderer Materialien, die zur Funktion beitragen, sofern hier nicht anders definiert. Nichtsdestotrotz können solche anderen Materialien zusammen oder einzeln in Spurenmengen vorhanden sein.
  • Figurenliste
  • In den Zeichnungen beziehen sich die Referenzzeichen in den verschiedenen Ansichten im Allgemeinen auf die gleichen Teile. Auch sind die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu, vielmehr liegt der Schwerpunkt im Allgemeinen auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben:
    • ist ein Diagramm des UV-Absorptionskoeffizienten als Funktion der Wellenlänge für einkristallines AlN, das unter Verwendung konventioneller Wachstumstechniken hergestellt wurde;
    • Die - sind schematische Darstellungen eines Reaktors, der zur Bildung eines polykristallinen keramischen Ausgangsmaterials entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird;
    • Die und sind schematische Darstellungen eines Tiegels, der für die Bildung von polykristallinem keramischem Ausgangsmaterial in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird;
    • ist eine grafische Darstellung der Kohlenstoffkonzentration verschiedener Anteile polykristalliner AIN-Keramik, die entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung hergestellt und fragmentiert wurden;
    • Die und sind Diagramme von beispielhaften Wärmebehandlungen für die optionale Verdichtung von polykristallinem Ausgangsmaterial in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Züchtung von einkristallinem AlN nach verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • ist ein Diagramm des UV-Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Wellenlänge für einkristallines AlN, das entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung schnell von der Wachstumstemperatur abgekühlt wird;
    • ist eine Vergleichsgraphik der UV-Absorptionskoeffizienten als Funktion der Wellenlänge von konventionellem einkristallinem AlN und einkristallinem AlN, das entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung gezüchtet und geglüht wurde;
    • ist ein Diagramm, das zur Schätzung der Urbach-Energien der AIN-Proben von in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird;
    • ist eine schematische Darstellung verschiedener Lichtkomponenten, die zur Bestimmung von UV-Absorptionsspektren und Urbach-Energien in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden;
    • ist ein Vergleichsdiagramm der Emissionsintensität als Funktion der Wellenlänge für simulierte LEDs, die Licht mit einer Spitzenwellenlänge bei etwa 217 nm entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung aussenden;
    • ist eine Vergleichsgrafik der Emissionsspektren von , in der die relativen Intensitäten der LEDs unabhängig voneinander auf den gleichen Wert normiert wurden, um die schmalere Intensitätsspitze der Vorrichtung in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
    • Bei den und handelt es sich um schematische Querschnitte von lichtemittierenden Vorrichtungen in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • Bei den und handelt es sich um schematische Querschnitte lichtemittierender Vorrichtungen nach der Entfernung des Substrats in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • ist eine schematische Darstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung, die in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung hergestellt wurde; und
    • ist eine Draufsichtaufnahme der lichtemittierenden Vorrichtung der während der Emission von Licht mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 230 nm entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Herstellung von hochwertigen einkristallinen AlN-Volumenkristallen (d.h. Boules und/oder Substrate), die selbst bei tiefen UV-Wellenlängen hoch UV-durchlässig sind. In verschiedenen Ausführungsformen beginnt die Herstellung solcher AlN-Volumenkristalle mit der Herstellung von hochstöchiometrischem polykristallinem AlN-Quellmaterial, das in einem Dampftransportwachstumsprozess (z.B. Sublimations-Rekondensation) zur Bildung der AlN-Volumenkristalle verwendet werden kann. Das AlN-Quellmaterial hat auch einen relativ niedrigen Sauerstoffgehalt, z.B. Konzentrationen von ca. 100 ppm bis ca. 400 ppm. Beispielsweise kann polykristallines AlN-Quellmaterial in Übereinstimmung mit den im Patent '519 beschriebenen Techniken hergestellt werden, in dem polykristallines AIN-Keramikmaterial mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 100 ppm oder weniger berichtet wird und das einen hohen Grad an Stöchiometrie aufweist, d.h. einen Überschuss an Al von weniger als etwa 0,1%. AlN-Quellmaterial kann auch in Übereinstimmung mit Techniken gebildet werden, die in C. Hartmann, et al., „Preparation of deep UV transparent AlN substrates with high structural perfection for optoelectronic devices“, CrystEngComm, 2016, 19, 3488-3497 („die Hartmann-Referenz“), beschrieben werden, in der eine polykristalline AlN-Quelle beschrieben wird, die durch mehrfache Sublimations-Rekristallisationsschritte hergestellt wird und die 100 ppm - 140 ppm Restsauerstoff aufweist.
  • Während die resultierende polykristalline AIN-Keramik vorteilhafterhafte niedrige Sauerstoffkonzentrationen enthalten kann, weisen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine zusätzliche Präparation auf, die die Konzentrationen anderer Verunreinigungen wie z.B. Kohlenstoff reduziert oder minimiert. Kohlenstoff ist typischerweise schwer aus AlN zu entfernen. So wird beispielsweise berichtet, dass selbst AlN-Pulver der E-Klasse, das von der Tokuyama Corporation aus Tokio, Japan, im Handel erhältlich ist, typischerweise eine Kohlenstoffkonzentration von 200 ppm aufweist. In verschiedenen Ausführungen kann die polykristalline AlN-Keramik in Übereinstimmung mit den im Patent '519 beschriebenen Techniken hergestellt werden, d.h. einer „Pellet-Tropfen“-Technik unter Verwendung hochreiner Al-Pellets. Bezogen auf die kann z.B. ein Reaktor 100 zur Herstellung einer polykristallinen AIN-Keramik 195 verwendet werden, die hochreines AlN enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Der Reaktor 100 kann ein Reaktionsgefäß 110 enthalten, das aus doppelwandigem Edelstahl gefertigt und wassergekühlt sein kann. Der Reaktionsbehälter 110 kann einen maximalen Gasinnendruck von etwa 45 Pfund pro Quadratzoll (psi) erreichen und kann z.B. mit einer Turbopumpe 111 (unterstützt durch eine mechanische Pumpe 112) auf etwa 10-7 Torr evakuiert werden. Ein Zuführmechanismus 120 ist mit der Oberseite des Reaktionsgefäßes 110 verbunden und kann mit den gleichen Gasen und Drücken wie das Reaktionsgefäß 110 evakuiert und unter Druck gesetzt werden. Der Zuführmechanismus 120 kann durch ein Absperrventil 122 vom Reaktionsgefäß 110 getrennt werden. Pellets (die undotiertes Al hoher Reinheit (z.B. fünf Neunen) einschließen und annähernd zylindrisch geformt sein können, im wesentlichen aus diesem oder aus diesem bestehen), die aus dem Zuführmechanismus 120 freigesetzt werden, werden durch einen oberen Trichter 132 und einen unteren Trichter 134 in einen Tiegel 130 geleitet.
  • In verschiedenen Ausführungsformen enthält der Tiegel 130 einen Bodenstopfen 136 und eine Folienhülle 137, besteht im Wesentlichen aus einem solchen oder besteht aus einem solchen. Der Bodenstopfen 136 kann annähernd zylindrisch sein, z.B. mit einem Durchmesser von etwa 2 Zoll und einer Höhe von etwa 0,5 Zoll. Der untere Stopfen 136 kann Wolfram (W) oder ein anderes Material mit hohem Schmelzpunkt, das gegenüber AlN inert ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus diesem bestehen. Die Folienumhüllung 137 wird um den unteren Stopfen 136 gewickelt und bildet einen oben offenen Zylinder, der unten durch den unteren Stopfen 136 verschlossen wird. Die Folienumhüllung 137 kann W oder ein anderes Material mit hohem Schmelzpunkt, das gegenüber AlN inert ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, und kann eine Dicke von etwa 0,001 Zoll haben. In einer Ausführung kann die Folienumhüllung 137 mehrfach um den unteren Stopfen 136 gewickelt werden, z.B. wird ein dreilagiger Folienumhüllung 137 gebildet, indem W-Folie dreimal um den unteren Stopfen 137 gewickelt wird. Die Folienumhüllung 137 kann durch Draht 138 an Ort und Stelle gehalten werden. Der Draht 138 kann eine Wolfram-Rhenium-Legierung (z.B. 25% Rhenium) enthalten, im wesentlichen aus dieser bestehen oder aus dieser bestehen und eine Dicke von ungefähr 0,01 Zoll haben.
  • Wie gezeigt, wird der Tiegel 130 innerhalb einer Reaktionszone 140 und auf einem Tiegelständer 142 angeordnet. Sowohl die Reaktionszone 140 als auch der Tiegelständer 142 können W enthalten, im wesentlichen aus W bestehen oder aus W bestehen. Der untere Trichter 134 ist über der oberen Öffnung des Tiegels 130 angeordnet und kann W enthalten, im wesentlichen aus W bestehen oder aus W bestehen. Der untere Trichter 134 ist so geformt, daß er Pellets vom Zuführmechanismus 120 und der obere Trichter 132 in den Tiegel 130 leitet.
  • Reaktor 100 enthält eine induktive Heizspule 150, die um die Isolierung 160 gewickelt ist. Die Isolierung 160 kann Aluminiumoxidblasen, die von Zircar Ceramics, Inc. aus Florida, New York, erhältlich sind und in einem Quarzhalter gehalten werden, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Bei der Induktionsheizspule 150 kann es sich um ein induktives Heizsystem mit 10 kHz und 20 Kilowatt handeln, das von Mesta Electronics, Inc. aus N. Huntingdon, Pennsylvania, erhältlich ist und auf Temperaturen von bis zu etwa 2300 °C erwärmt werden kann. Ein optisches Pyrometer Port 162 ermöglicht die Messung der Temperatur innerhalb der Reaktionszone, die durch die induktive Heizspule 150 durch Pyrometrie definiert ist. Gas aus einer Reihe von Gasbehältern, die repräsentativ bei 168 angezeigt werden, strömt von einem unteren Einlass 170 und/oder einem oberen Einlass 172 in den Reaktor 100. Das Gas kann Stickstoff oder Formiergas enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen und wird durch einen Gasfilter 174 gefiltert, der den Gehalt an Verunreinigungen wie Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlenwasserstoffen auf weniger als 10 ppb reduziert. Ein Vertikalantrieb 180 wird verwendet, um den Tiegel 130 in die und aus der heißen Zone zu bewegen, die durch die induktive Heizspule 150 erzeugt wird. Eine konventionelle Kontrollstation 190 umfasst elektronische Steuerungen und Stromversorgungen für alle mit dem Reaktor 100 verbundenen Komponenten.
  • Um die polykristalline Keramik 195 zu bilden, werden die Pellets gereinigt, um sie für die Beschickung des Zuführmechanismus 120 vorzubereiten. Zuerst werden die Pellets gesiebt (mit oder ohne Wasser), um ungewöhnlich geformte Pellets oder kleine Späne zu entfernen. In verschiedenen Ausführungen kann ein verfeinertes Reinigungsverfahren eingesetzt werden, um die Kohlenstoffmenge auf den Pellets zu reduzieren. Al-Halbleiterpellets sind im Handel erhältlich und weisen beim Bezug typischerweise Kohlenstoffkonzentrationen zwischen 25 ppm und etwa 40 ppm nach Gewicht auf, die durch die Instrumentelle Gasanalyse (IGA) gemessen wurden (z.B. bei einem Anbieter wie EAG Laboratories in Liverpool, New York). Die Pellets können mit Ultraschall in Isopropylalkohol (IPA) gereinigt werden (z.B. für einen Zeitraum von ca. 20 Minuten), in Salzsäure (HCl) geätzt werden (z.B. für einen Zeitraum von ca. 7 Minuten) und mehrmals (z.B. dreimal) in destilliertem Wasser gespült werden. Nach einer weiteren Ultraschallreinigung in IPA (z.B. über einen Zeitraum von ca. 20 Minuten) werden die Pellets in eine Mischung (z.B. eine 50 %-50 %ige Lösung, bezogen auf das Volumen) aus HF und HNO3 (z.B. über einen Zeitraum von ca. 2 Minuten) bei Raumtemperatur eingetaucht. Abschließend werden die Pellets in destilliertem Wasser und mehrfach in IPA gespült, woraufhin sie in einer inerten oder Stickstoffatmosphäre gelagert werden können, bevor sie in den Zuführmechanismus 120 geladen werden. Nach der Reinigung können die Pellets einen durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt von etwa 5 Gewichts-ppm, gemessen durch IGA, aufweisen.
  • Der Tiegel 130 wird in den Reaktor 100 geladen, und die Pellets werden in den Zuführmechanismus 120 geladen. Die Reaktionskammer 110 und der Zuführmechanismus 120 werden z.B. auf einen Druck von weniger als ca. 5 × 10-5 Torr evakuiert und mit Formiergas auf einen Druck von ca. 6 psi aufgefüllt. Entweder Stickstoff (N2)-Gas oder Formiergas strömt vom unteren Einlass 170 und/oder oberen Einlass 172 mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,25 lpm in die Reaktionskammer 110. Der Gasstrom liefert eine ausreichende Menge Stickstoff in der Reaktionskammer 110, um das/die Pellet(s) in AlN umzuwandeln (wie unten beschrieben). Die Induktionsheizspule 150 kann den Tiegel 130 auf etwa 1900 - 2200 °C erwärmen, obwohl auch höhere Temperaturen verwendet werden können. In einer Ausführungsform erwärmt die induktive Heizspule 150 den Tiegel 130 auf etwa 2000 - 2050 °C. Es hat sich herausgestellt, dass Temperaturen in diesem Bereich ausreichen, um die Pellets vollständig zu stöchiometrischem AlN (das weniger als ca. 1 % nicht reagiertes Al enthält) zu reagieren und Verunreinigungen mit höherem Dampfdruck zu entfernen, die in polykristalliner Keramik 130 eingeschlossen sein können und optische Absorptionen erzeugen. Die Temperatur am Tiegel 130 kann durch Pyrometrie über den optischen Pyrometeranschluss 162 gemessen werden. Sobald der Tiegel 130 die gewünschte Temperatur erreicht hat, werden die Temperatur und die Gasströmungsbedingungen innerhalb des Reaktors 100 für einen Vorglühzyklus (z.B. ca. 3 Stunden) konstant gehalten. Das Vorglühen reinigt den Tiegel 130 und andere Teile des Reaktors 100 von Verunreinigungen, z.B. Oxiden, bevor die Al-Pellets eingebracht werden.
  • Dann wird ein Reaktionszyklus durchgeführt, um die polykristalline Keramik 195 zu bilden. Die Pellets werden vom Zufuhrmechanismus 120 durch den oberen Trichter 132 und den unteren Trichter 134 in den Tiegel 130 fallen gelassen. Die Pellets können jeweils etwa 0,23 Gramm wiegen und können mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 alle 90 Sekunden fallen gelassen werden. Der Zuführmechanismus 120 kann einen optischen Zähler enthalten, der die tatsächlichen Pellettropfen zählt, und kann den Zuführmechanismus 120 so schalten, dass er im Falle eines Ladefehlers ein weiteres Pellet fallen lässt. Die Pellets landen auf dem unteren Stopfen 136 (oder dem bereits darauf hergestellten Teil der polykristallinen Keramik 195), schmelzen und reagieren mit dem Stickstoffgas zu polykristalliner Keramik 195. Jedes nachfolgende Pellet, das aus dem Zuführmechanismus 120 fällt, reagiert und vergrößert die Größe und das Volumen der polykristallinen Keramik 195. In einer Ausführung reagiert im Wesentlichen das gesamte Pellet unter Bildung der polykristallinen Keramik 195. Nachdem eine gewünschte Anzahl von Pellets zur Bildung der polykristallinen Keramik 195 reagiert hat, werden die Reaktionsgasströmungsgeschwindigkeit und -temperatur für einen Zeitraum (z.B. etwa 1 Stunde) aufrechterhalten, um sicherzustellen, dass die Reaktion abgeschlossen ist.
  • Nach dem Reaktionszyklus kann der Tiegel 130 (und die polykristalline Keramik 195) bei positivem Stickstoffdruck auf etwa Raumtemperatur abgekühlt werden (z.B. über einen Zeitraum von etwa 1 Stunde). Die so geformte polykristalline Keramik 195 enthält hochreines AlN, besteht im Wesentlichen daraus oder besteht daraus. In einer Ausführungsform beträgt die Sauerstoffkonzentration (und/oder die Konzentration anderer Verunreinigungen wie Bor oder Übergangsmetalle) der polykristallinen Keramik 195 weniger als etwa 400 ppm nach Gewicht und kann sogar weniger als etwa 100 ppm betragen. In verschiedenen Ausführungen reicht die Sauerstoffkonzentration von polykristalliner Keramik 195, gemessen durch instrumentelle Gasanalyse (IGA), von etwa 5,3 × 1019 cm-3 bis etwa 6,1 × 1019 cm-3. In verschiedenen Ausführungen liegt die durch IGA gemessene Kohlenstoffkonzentration von polykristallinem Keramik 195 zwischen etwa 230 ppm und etwa 280 ppm.
  • Die polykristalline Keramik 195 enthält, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus AlN, das annähernd stöchiometrisch ist, d.h. AlN, das weniger als annähernd 1 % Al im Überschuss, weniger als annähernd 0,5 % Al im Überschuss oder sogar weniger als annähernd 0,1 % Al im Überschuss enthält. Nach der Bildung kann polykristalline Keramik 195 in einer inerten Atmosphäre gelagert werden, um ihre Verwendung zur Herstellung von hochwertigem polykristallinem AlN-Quellmaterial vorzubereiten.
  • Wie oben erwähnt, weisen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine zusätzliche Präparation der polykristallinen AIN-Keramik auf, die die Konzentrationen von Verunreinigungen wie Kohlenstoff reduziert oder minimiert. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Keramik in Fragmente zerbrochen, um die Entfernung eines Großteils des Kohlenstoffs daraus zu erleichtern. Die Keramik kann z.B. durch Anwendung von mechanischer Kraft fragmentiert werden. Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass überraschenderweise ein Großteil des in der polykristallinen AlN-Keramik vorhandenen Kohlenstoffs auf kleineren Fragmenten und/oder Staub (z.B. Teilchen mit großer aggregierter Oberfläche und/oder mit Durchmessern von weniger als etwa 2 mm) verbleibt, die aus dem Fragmentierungsprozess resultieren, während größere Fragmente (z.B. solche mit Breiten, Durchmessern oder anderen seitlichen Abmessungen im Bereich von 0,5 cm bis 2 cm) kleinere Kohlenstoffkonzentrationen aufweisen. In verschiedenen Ausführungen können die Fragmente der AIN-Keramik mit einem oder mehreren Sieben auf der Grundlage der Größe getrennt werden, und/oder es kann Druckluft oder eine andere Flüssigkeit (z.B. Stickstoff oder ein Inertgas wie Argon) auf die Fragmente aufgebracht werden, um die Menge an Staub oder anderen Partikeln darauf zu minimieren oder zu verringern.
  • Wie in dargestellt, weisen die größeren Fragmente (oder „Klumpen“, wie in dargestellt) in verschiedenen Ausführungsformen nach der Fragmentierung und Trennung Kohlenstoffkonzentrationen auf, die zwischen etwa 5 ppm und etwa 60 ppm liegen, mit einer durchschnittlichen Kohlenstoffkonzentration von etwa 26 ppm. Im deutlichem Gegensatz dazu weisen das resultierende Pulver und die kleineren Fragmente Kohlenstoffkonzentrationen auf, die von etwa 108 ppm bis etwa 1800 ppm reichen, mit einer durchschnittlichen Kohlenstoffkonzentration von etwa 823 ppm. zeigt Daten von 16 verschiedenen Gruppen von Fragmenten und Pulver, die aus der Fragmentierung verschiedener polykristalliner AIN-Keramiken resultieren.
  • In Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der größeren Fragmente der polykristallinen AlN-Keramik, einmal von den kleineren Fragmenten und dem Pulver getrennt, direkt als Ausgangsmaterial für die Bildung von einkristallinem AlN verwendet werden (wie unten beschrieben). Bei anderen Ausführungen werden ein oder mehrere (typischerweise mehrere) der Fragmente gesammelt und zur anschließenden Wärmebehandlung in einen Tiegel (z.B. ein Wolfram-(W)-Gefäß) gegeben. (Während in bevorzugten Ausführungsformen nur die größeren Fragmente der polykristallinen AIN-Keramik wärmebehandelt werden, umfassen erfindungsgemäße Ausführungsformen die Wärmebehandlung der gesamten, unfragmentierten Keramik).
  • Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet die optionale nachfolgende Präparationsstufe eine Glüh- und Verdichtungsbehandlung mindestens eines Teils der polykristallinen Keramik 195 (z.B. ein oder mehrere größere Fragmente der Keramik 195) zu hochwertigem polykristallinem AlN-Quellmaterial. Wie in dargestellt, kann die AlN-Keramik (oder ein Teil davon) in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung auf eine erste Temperatur T1 im Bereich von 1100°C bis 2000°C erhitzt und für eine Zeitspanne t1 von beispielsweise 2 Stunden bis 25 Stunden auf der Temperatur T1 gehalten werden. Danach kann die Keramik (oder ein Teil davon) auf eine höhere zweite Temperatur T2 (z.B. eine Temperatur im Bereich von 2000°C bis 2250°C) erhitzt und für eine Zeitspanne t2 von z.B. 3 Stunden bis 15 Stunden auf der Temperatur T2 gehalten werden. Während der Wärmebehandlung wird die Keramik (oder ein Teil davon) geglüht und verdichtet, um ein polykristallines AlN-Quellmaterial zu bilden, das bei der nachfolgenden Bildung von einkristallinen AlN-Volumenkristallen verwendet werden kann. Da das polykristalline AlN-Quellmaterial im Allgemeinen annähernd stöchiometrisches AlN mit geringen Konzentrationen an Verunreinigungen ist, kann es ohne weitere Vorbereitung (z.B. ohne zwischengeschaltete Sublimations- und Kondensationsschritte) zur Bildung eines AlN-Volumenkristalls verwendet werden.
  • zeigt schematisch eine Alternative zur in dargestellten Wärmebehandlung, bei der anstelle des ersten Glühschritts bei der Temperatur T1 eine längere Stufe auf die Temperatur T2 verwendet wird. Wie in Bild 1I dargestellt, kann die AlN-Keramik (oder ein Teil davon) in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung auf die Temperatur T2 (z.B. eine Temperatur im Bereich von 2000°C bis 2250°C) über einen Zeitraum t1 von z.B. 5 Stunden bis 25 Stunden stufenförmig auf die Temperatur T2 gebracht werden. Danach kann die Keramik (oder ein Teil davon) auf der Temperatur T2 über einen Zeitraum t2 von z.B. 3 Stunden bis 25 Stunden gehalten werden. Während der Wärmebehandlung wird die Keramik (oder ein Teil davon) geglüht und verdichtet, um ein polykristallines AlN-Quellmaterial zu bilden, das bei der anschließenden Bildung von hochwertigen einkristallinen AlN-Volumenkristallen verwendet werden kann. Da das polykristalline AlN-Quellmaterial im Allgemeinen annähernd stöchiometrisches AlN mit geringen Konzentrationen an Verunreinigungen ist, kann es ohne weitere Vorbereitung (z.B. ohne zwischengeschaltete Sublimations-Rekondensationsschritte) zur Bildung eines AlN-Volumenkristalls verwendet werden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen reicht die Kohlenstoffkonzentration des polykristallinen AlN-Quellmaterials, wie sie durch die instrumentelle Gasanalyse (IGA) gemessen wird, von etwa 3,0 × 1018 cm-3 bis etwa 1,8 × 1019 cm3, von etwa 3,8 × 1018 cm-3 bis etwa 1,2 × 1019 cm3 oder sogar von etwa 3,0 × 1018 cm-3 bis etwa 9,0 × 10 18 cm-3. Nach der optionalen Verdichtungswärmebehandlung kann die durch Pyknometrie bei Raumtemperatur gemessene Dichte des polykristallinen AlN-Quellmaterials etwa gleich der von einkristallinem AlN sein, d.h. etwa 3,25 g/cm3 bis 3,26 g/cm3. In verschiedenen Ausführungsformen kann die gemessene Dichte der AIN-Keramik ohne Verdichtungswärmebehandlung niedriger sein, z.B. etwa 2,95 g/cm3 bis etwa 3,20 g/cm3. In verschiedenen Ausführungen hat das polykristalline AlN-Quellmaterial nach der optionalen Verdichtungswärmebehandlung typischerweise eine bernsteinfarbene Farbe und besteht aus ziemlich großen Körnern (z.B. durchschnittlicher Korndurchmesser im Bereich von ca. 0,1 mm bis ca. 5 mm).
  • zeigt eine Kristallzüchtungsanlage 200, die für die Züchtung von einkristallinem AlN nach verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Wie gezeigt, enthält die Apparatur 200 einen Tiegel 205, der oben auf einem Tiegelständer 210 in einem Suszeptor 215 angeordnet ist. Sowohl der Tiegel 205 als auch der Suszeptor 215 können jede geeignete geometrische Form, z.B. zylindrisch, haben. Während eines typischen Wachstumsprozesses wird eine AlN-Boule 220 durch Kondensation eines Dampfes 225 gebildet, der die elementaren Vorläufer der AIN-Boule 220, d.h. Al- und N-Atome und/oder N2-Moleküle, enthält oder im Wesentlichen aus diesen besteht. In typischen Ausführungsformen entsteht der Dampf 225 durch Sublimation eines Ausgangsmaterials 230, das das oben beschriebene polykristalline AIN-Quellmaterial enthalten kann, im Wesentlichen aus diesem besteht oder aus diesem besteht. Die AlN-Boule 220 kann sich auf einem Impfkristall 235 bilden und sich von diesem aus erstrecken. (Alternativ kann sich die AlN-Boule 220 auf einem Teil des Tiegels 205 selbst bilden und sich von diesem aus erstrecken). Der Impfkristall 235 kann ein Einkristall (z.B. ein polierter Wafer) sein, der AlN enthält, im Wesentlichen aus AlN besteht oder daraus besteht. In verschiedenen Ausführungsformen hat der Impfkristall 235 einen Durchmesser (oder eine Breite oder eine andere seitliche Abmessung) von mindestens ungefähr 10 mm, mindestens ungefähr 25 mm, mindestens ungefähr 35 mm oder sogar mindestens ungefähr 50 mm. In verschiedenen Ausführungsformen hat der Impfkristall 235 einen Durchmesser (oder eine Breite oder eine andere seitliche Abmessung) von ungefähr 150 mm oder weniger, und der daraus gezüchtete Einkristall AlN hat einen Durchmesser (oder eine Breite oder eine andere seitliche Abmessung) von ungefähr 150 mm oder weniger. In verschiedenen Ausführungsformen ist die kristalline Orientierung des Impfkristalls 235 im Wesentlichen parallel zur c-Achse. In anderen Ausführungsformen ist die kristalline Orientierung des Impfkristalls 235 mindestens etwa 5° oder sogar mindestens etwa 10° von der c-Achse entfernt; die Orientierung des Impfkristalls 235 kann in eine nichtpolare Richtung weisen.
  • Der Tiegel 205 kann ein oder mehrere Refraktärmaterialien wie Wolfram, Rhenium und/oder Tantalnitrid enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Wie im '135-Patent und im '153-Patent beschrieben, kann der Tiegel 205 eine oder mehrere Oberflächen (z.B. Wände) haben, die so konfiguriert sind, dass sie selektiv die Diffusion von Stickstoff durch sie hindurch erlauben und selektiv die Diffusion von Aluminium durch sie hindurch verhindern.
  • Entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung können ein oder mehrere innere Teile der Kristallwachstumsapparatur 200 (z.B. der Tiegel 205, der Suszeptor 215 und/oder der Tiegelständer 210) vor dem Kristallwachstum und der Bildung der AIN-Boule 220 geglüht werden, wobei ein solches Glühen die Kohlenstoffkonzentration (und/oder die Sauerstoffkonzentration) in der AlN-Boule 220 vorteilhafterweise verringern kann. In verschiedenen Ausführungsformen können ein oder mehrere innere Teile der Kristallwachstumsapparatur 200 z.B. bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1000°C bis etwa 1800°C über einen Zeitraum von etwa 5 Stunden bis etwa 50 Stunden geglüht werden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die Konzentration von Sauerstoff und/oder Kohlenstoff innerhalb der AlN-Boule 220 durch die Einführung eines oder mehrerer Gettermaterialien im Tiegel 205 vor und während des Wachstums der AlN-Boule 220 verringert werden. Die Gettermaterialien können als ein Teil oder die Gesamtheit einer oder mehrerer Komponenten der Kristallzüchtungsvorrichtung 200 eingeführt werden (z.B. der Tiegel 205, eine Auskleidung, die sich innerhalb des Tiegels 205 und in der Nähe einer inneren Oberfläche oder Wand davon befindet, der Suszeptor 215 und/oder der Tiegelständer 210), und/oder die Gettermaterialien können als diskrete Materialmassen in die Kristallzüchtungsvorrichtung 200 eingeführt werden. Die Gettermaterialien können zwischen dem Ausgangsmaterial 230 und der wachsenden AlN-Boule 220 angeordnet werden, um z.B. Verunreinigungen wie Kohlenstoff und/oder Sauerstoff aus dem zur AlN-Boule 220 (d.h. zum Impfkristall 235) strömenden Dampf zu gettern oder zu absorbieren. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Gettermaterialien stabil und haben Schmelzpunkte, die höher als die Wachstumstemperatur sind (z.B. höher als etwa 2000°C), und weisen niedrige Dampfdrücke auf, um eine Kontamination der wachsenden AlN-Boule 220 mit den Gettermaterialien selbst zu verhindern. In verschiedenen Ausführungsformen hat ein Gettermaterial einen eutektischen Schmelzpunkt mit AlN, der höher ist als die Wachstumstemperatur (z.B. höher als etwa 2000°C). Beispiele für Gettermaterialien in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Bor (Schmelzpunkt von ungefähr 2300°C), Iridium (Schmelzpunkt von ungefähr 2410°C), Niob (Schmelzpunkt von ungefähr 2468°C), Molybdän (Schmelzpunkt von ungefähr 2617°C), Tantal (Schmelzpunkt von ungefähr 2996°C), Rhenium (Schmelzpunkt von ungefähr 3180°C) und/oder Wolfram (Schmelzpunkt von ungefähr 3410°C). In verschiedenen Ausführungsformen kann das Gettermaterial (oder das Bauteil der Apparatur 200 oder ein Teil davon) ein oder mehrere Nicht-Wolframmaterialien mit Schmelztemperaturen von mindestens etwa 2300°C enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus diesen bestehen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann TaC-Material als Gettermaterial verwendet werden, um die Sauerstoffkonzentration im AlN-Einkristall zu reduzieren; TaC kann Al2O in der Kristallwachstumsapparatur 200 vorteilhaft in CO-Gas umwandeln, das bei der Wachstumstemperatur für die AlN-Boule 220 stabil ist, wie in der Hartmann-Referenz beschrieben. In verschiedenen Ausführungsformen kann Wolfram (z.B. eine oder mehrere W-Platten) als Gettermaterial verwendet werden, um die Kohlenstoffkonzentration im AlN-Boule 220 zu reduzieren, wie in der Hartmann-Referenz beschrieben. Wie in der Hartmann-Referenz beschrieben, reduzierten die in der Kristallwachstumsapparatur 200 verwendeten TaC- und W-Materialien die Sauerstoff- und Kohlenstoffkonzentration innerhalb des resultierenden AlN-Kristalls auf etwa 7 × 1011 cm-3 bzw. 1,5-2 × 1018 cm-3; der resultierende UV-Absorptionskoeffizient bei 265 nm betrug 14 cm-1, und der Abfall des UV-Absorptionskoeffizienten von der AlN-Bandkante war allmählich. Während also die in der Hartmann-Referenz beschriebenen Techniken vorteilhaft sein können, um die Kontamination und die daraus resultierende UV-Absorption auf mäßige Werte zu reduzieren, scheint der Einsatz solcher Techniken allein nicht ausreichend zu sein, um die UV-Absorption des AlN-Boule 220 auf Werte unter 10 cm-1 mit einem steilen Abfall von der AlN-Bandkante zu reduzieren.
  • Wie in dargestellt, kann sich während der Bildung der AIN-Boule 220 an einer oder mehreren Stellen innerhalb des Tiegels 205, die nicht vom Impfkristall 235 bedeckt sind, ein polykristallines Material 240 bilden. Der Durchmesser (oder eine andere radiale Abmessung) des AlN-Boule 220 kann sich jedoch während der Bildung des AlN-Boule 220 ausdehnen, d.h. sich vergrößern, wodurch die Bereiche des polykristallinen Materials 240 vom auftreffenden Dampf 225 eingeschlossen werden und ihr Wachstum wesentlich eingeschränkt oder sogar eliminiert wird. Wie in dargestellt, kann sich der Durchmesser der AlN-Boule 220 ausdehnen (oder sogar beginnen, bei Ausführungsformen mit größeren Impfkristallen 235), bis er im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Tiegels 205 ist (in diesem Fall kann keine weitere seitliche Ausdehnung der AIN-Boule 220 auftreten). Die Länge der AlN-Boule 220 hängt von einem oder mehreren Faktoren ab, wie der Seite des Tiegels 205, der Menge des im Tiegel 205 vorhandenen polykristallinen Ausgangsmaterials und/oder der Wachstumszeit. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Länge der AlN-Boule 200 mindestens 0,5 cm, mindestens 1 cm, mindestens 2 cm, mindestens 5 cm, mindestens 10 cm, mindestens 20 cm oder mindestens 50 cm betragen.
  • Das Wachstum des AlN-Boule 220 entlang einer Wachstumsrichtung 245 verläuft typischerweise aufgrund eines relativ großen axialen Temperaturgradienten (z.B. im Bereich von ca. 5 °C/cm bis ca. 100 °C/cm), der sich innerhalb des Tiegels 205 bildet. Eine Heizvorrichtung (zur Verdeutlichung nicht in dargestellt), z.B. eine HF-Heizvorrichtung, eine oder mehrere Heizwendeln und/oder andere Heizelemente oder Öfen, erhitzt den Suszeptor 215 (und damit den Tiegel 205) auf eine erhöhte Temperatur, die typischerweise zwischen etwa 1800 °C und etwa 2300 °C liegt. Vor dem Beginn des Wachstums können der Tiegel 205 und sein Inhalt (d.h. Impfkristall 235, falls vorhanden, und Ausgangsmaterial 230) für eine vorbestimmte Wachstumszeit (z.B. zwischen etwa 1 Stunde und etwa 10 Stunden) auf einer Temperatur gehalten werden, die ungefähr gleich der gewünschten Wachstumstemperatur ist. In verschiedenen Ausführungsformen stabilisiert dieses Glühen bei der Temperatur das thermische Feld innerhalb des Tiegels 205, fördert die effektive Keimbildung auf dem Impfkristall 235 und begünstigt einen qualitativ hochwertigen Übergang von der Keimbildung zum Volumenwachstum des einkristallinen AlN.
  • Die Apparatur 200 kann mit einem oder mehreren Sätzen oberer Hitzeschilde 250 und/oder einem oder mehreren Sätzen unterer axialer Hitzeschilde 255 ausgestattet sein, die so angeordnet sind, dass sie den großen axialen Wärmegradienten erzeugen (z.B. durch bessere Isolierung des unteren Endes des Tiegels 205 und des Ausgangsmaterials 230 gegen Wärmeverlust als das obere Ende des Tiegels 205 und das wachsende AlN-Boule 220). Während des Wachstumsprozesses kann der Suszeptor 215 (und damit der Tiegel 205) innerhalb der von der Heizvorrichtung erzeugten Heizzone über einen Antriebsmechanismus 260 verschoben werden, um den axialen Wärmegradienten nahe der Oberfläche der wachsenden AlN-Boule 220 aufrechtzuerhalten. Ein oder mehrere Pyrometer 265 (oder andere Charakterisierungsgeräte und/oder Sensoren) können verwendet werden, um die Temperatur an einer oder mehreren Stellen innerhalb des Suszeptors 215 zu überwachen. Die oberen Hitzeschilde 250 und/oder die unteren Hitzeschilde 255 können ein oder mehrere Refraktärmaterialien (z.B. Wolfram) enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen und können recht dünn sein (z.B. zwischen etwa 0,125 mm und 0,5 mm dick). Wie im '612-Patent ausführlich beschrieben, können die oberen Hitzeschilde 250 und/oder die unteren Hitzeschilde 255 in verschiedenen Konfigurationen angeordnet sein und/oder verschiedene Eigenschaften aufweisen (d.h. unterschiedliche Anzahl von Abschirmungen, unterschiedliche Abstände zwischen den Abschirmungen, unterschiedliche Dicken, unterschiedlich große Öffnungen, die durch sie hindurch definiert sind, unterschiedliche Größen usw.), um eine Vielzahl unterschiedlicher axialer und radialer Wärmegradienten innerhalb des Tiegels 205 und damit das Wachstum des AlN-Boule 220 zu bilden (z.B. die Wachstumsrate, den Grad der radialen Ausdehnung während des Wachstums, falls vorhanden, usw.).
  • Der Tiegel 205 hat in verschiedenen Ausführungen einen Deckel 270 mit ausreichender Strahlungstransparenz, um durch die Anordnung der oberen Hitzeschilde 250 das thermische Profil innerhalb des Tiegels 205 zumindest teilweise steuern zu können. Darüber hinaus wird bei Ausführungen mit einem Impfkristall 235 der Impfkristall 235 typischerweise vor dem Wachstum der AIN-Boule 220 auf den Deckel 270 montiert. Der Deckel 270 ist typischerweise bei der Wachstumstemperatur (z.B. bis etwa 2300 °C) mechanisch stabil und kann die Diffusion von Al-haltigem Dampf durch ihn hindurch im Wesentlichen verhindern. Der Deckel 270 enthält im Allgemeinen ein oder mehrere feuerfeste Materialien (z.B. Wolfram, Rhenium und/oder Tantalnitrid), besteht im Wesentlichen aus diesen oder besteht aus diesen und kann ziemlich dünn sein (z.B. weniger als etwa 0,5 mm dick).
  • Wie in dargestellt, hat jeder der oberen Hitzeschilde in der Regel eine hindurchgehende Öffnung 275. Die Öffnung 275 gibt normalerweise die Geometrie und/oder Symmetrie des Tiegels 205 wieder (z.B. kann die Öffnung 275 für einen zylindrischen Tiegel 205 im Wesentlichen kreisförmig sein). Die Größe jeder Öffnung 275 kann variiert werden; typischerweise reichen die Größe(n) von einem Minimum von 10 mm bis zu einem Maximum von etwa 5 mm (oder sogar 2 mm) weniger als der Durchmesser des Tiegels 205.
  • Beispielsweise werden in einer Ausführungsform fünf Hitzeschilde 250 mit einem Durchmesser von 68,5 mm und einer Öffnungsgröße (Durchmesser) von 45 mm verwendet. Die Dicke jedes der Hitzeschilde 250 beträgt 0,125 mm, und die Hitzeschilde 250 haben einen Abstand von etwa 7 mm voneinander. Bei einer typischen Wachstumstemperatur von 2065 °C ergibt diese Schildanordnung einen radialen Temperaturgradienten (gemessen von der Mitte des Halbleiterkristalls zum inneren Rand des Tiegels) von 27 °C/cm.
  • Wie in dargestellt, können die oberen Hitzeschilde 250 Öffnungen 275 aufweisen, die größer sind als die in den unteren Hitzeschilden 255 vorhandenen Öffnungen, und/oder die oberen Hitzeschilde 250 können mit einem oder mehreren Abständen zwischen den Schilden gestapelt werden, die größer sind als die zwischen den verschiedenen unteren Hitzeschilden 255. Die Abstände können zwischen etwa 1 mm und etwa 20 mm oder sogar zwischen etwa 7 mm und etwa 20 mm liegen. Wie ebenfalls dargestellt, können die Öffnungen 275 in den oberen Hitzeschilden 250 alle im Wesentlichen gleich groß sein. Abhängig von den gewünschten Wachstumsbedingungen (z.B. Druck, Temperatur, Tiegelabmessungen, Abstand zwischen dem Impfkristall und dem Ausgangsmaterial usw.) können die Anzahl der oberen Hitzeschilde 250, der Abstand zwischen den Schilden 250 und/oder die Größe der Öffnungen 275 variiert werden, um den gewünschten radialen Wärmegradienten zu bilden. Der radiale Wärmegradient kann sogar während des Wachstums der AIN-Boule 220 in Echtzeit variiert werden (z.B. über die Steuerung der Energiezufuhr und der resultierenden Temperatur aller oder eines oder mehrerer Teile des Ofens oder seiner Heizelemente), z.B. als Reaktion auf Rückkopplungen, die auf der Bestimmung des radialen Wärmegradienten während des Wachstums basieren. Beispielsweise kann der radiale Wärmegradient auf der Grundlage der Temperaturen des Deckels 270 und einer oder mehrerer Seiten des Tiegels 215 bestimmt werden (z.B. gemessen mit Pyrometern 265, wie in dargestellt).
  • In ähnlicher Weise kann, obwohl jeder der oberen Hitzeschilde 250 eine Dicke von weniger als 0,5 mm haben kann, die Dicke eines oder mehrerer der Schilde 250 in Bezug auf die anderen variiert werden. Zum Beispiel können eine oder mehrere obere Wärmeabschirmungen 250 eine Dicke von etwa 0,25 mm haben, während eine oder mehrere andere eine Dicke von etwa 0,125 mm haben. Die Dicke der oberen Hitzeschilde 250 kann sogar in Abhängigkeit von der Entfernung vom Deckel 270 variiert werden (d.h. entweder zunehmen oder abnehmen). Solche Wärmeabschirmungen 250 mit unterschiedlichen Dicken können zur Einstellung des Wärmefeldes über und innerhalb des Tiegels 215 verwendet werden. Zum Beispiel kann ein dickerer Schild verwendet werden, um mehr Strahlungswärmefluss zu blockieren, hat aber typischerweise eine höhere thermische Wirkung bei Temperaturen, bei denen der Wärmefluss von der Wärmeleitfähigkeit dominiert wird (niedrigere Temperaturen, z.B. < 1500° - 1800°). Daher kann der resultierende radiale Wärmegradient in Abhängigkeit von der Wachstumstemperatur variieren, selbst bei gleicher Anordnung der gleichen oberen Wärmeschilde 250.
  • Nach dem Wachstum der AlN-Boule 220 kann die AlN-Boule 220 zur späteren Entnahme aus der Kristallwachstumsapparatur 200 auf etwa Raumtemperatur abgekühlt werden. Zum Beispiel kann die AlN-Boule 220 in einem zweistufigen Verfahren, wie im Patent '519 beschrieben, abgekühlt werden. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die AlN-Boule 220 jedoch einfach in einer einzigen Stufe mit einer beliebigen Geschwindigkeit von der Wachstumstemperatur heruntergekühlt werden, da die unten beschriebene Wärmebehandlung die Notwendigkeit des zweistufigen Verfahrens des '519-Patents überflüssig macht. Tatsächlich wird in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die AlN-Boule 220 mit hoher Geschwindigkeit von der Wachstumstemperatur auf etwa Raumtemperatur abgekühlt (z.B. größer als 70°C/Stunde, größer als 80°C/Stunde, größer als 100°C/Stunde, größer als 150°C/Stunde, größer als 200°C/Stunde, größer als 250°C/Stunde, größer als 300°C/Stunde, größer als 400°C/Stunde oder sogar größer als 500°C/Stunde; in verschiedenen Ausführungsformen darf die Abkühlgeschwindigkeit nicht mehr als 2000°C/Stunde, 1500°C/Stunde oder 1000°C betragen), ohne dass eine „kontrollierte Abkühlung“ durch Leistungszufuhr zu den Heizelementen der Kristallwachstumsapparatur 200 erreicht wird. In verschiedenen Ausführungen der Erfindung wird Gas (z.B. Stickstoff und/oder ein Inertgas) mit einer hohen Geschwindigkeit (z.B. eine Geschwindigkeit, die ungefähr gleich oder höher ist als die während der Kristallzüchtung verwendete Gasdurchflussrate) in die Kristallwachstumsapparatur 200 geleitet, um die AlN-Boule 220 zu kühlen. Die während der Kristallzüchtung verwendete Gasströmungsrate kann z.B. ungefähr 4 slm oder weniger, ungefähr 3 slm oder weniger, ungefähr 2 slm oder weniger oder ungefähr 1 slm oder weniger betragen. Die während der Kristallzüchtung verwendete Gasdurchflussrate kann etwa 0,1 slm oder mehr, etwa 0,5 slm oder mehr, etwa 1 slm oder mehr oder etwa 2 slm oder mehr betragen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die während der Kühlung verwendete Gasdurchflussrate etwa 5 slm oder mehr, etwa 10 slm oder mehr, etwa 15 slm oder mehr, etwa 20 slm oder mehr oder etwa 25 slm oder mehr betragen. Die während des Kühlens verwendete Gasdurchflussrate kann etwa 30 slm oder weniger, etwa 25 slm oder weniger, etwa 20 slm oder weniger, etwa 15 slm oder weniger oder etwa 10 slm oder weniger betragen. Darüber hinaus kann in Ausführungsformen der Erfindung der Tiegel 205 (und damit die AlN-Boule 220 darin) zum schnelleren Abkühlen der AlN-Boule 220 an einen Rand der durch die Heizelemente der Kristallwachstumsapparatur 200 gebildeten heißen Zone oder über die heiße Zone bewegt werden.
  • Die Hochgeschwindigkeitskühlung von AlN-Boule 220 minimiert oder eliminiert vorteilhaft die Rissbildung innerhalb des AlN-Boule 220, insbesondere wenn das AlN-Boule 220 einen Durchmesser von ca. 50 mm oder größer hat. Die hohe Abkühlgeschwindigkeit kann jedoch auch zu einer schädlich hohen UV-Absorption innerhalb der AIN-Boule 220 bei einer oder mehreren Wellenlängen (z.B. Wellenlängen um ca. 310 nm) führen. zeigt das UV-Absorptionsspektrum für eine beispielhafte AlN-Boule 220, die schnell von der hier beschriebenen Wachstumstemperatur abgekühlt wurde. Wie gezeigt, weist das Spektrum einen erhöhten Peak bei etwa 310 nm auf, der die UV-Transparenz des Kristalls über einen weiten Wellenlängenbereich beeinträchtigt, und der UV-Absorptionskoeffizient ist über den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 400 nm größer als 20 cm-1. Der UV-Absorptionskoeffizient ist ebenfalls größer als 30 cm-1 über den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 380 nm. Die Kontrolle verschiedener Verunreinigungskonzentrationen (z.B. Kohlenstoff und/oder Sauerstoff) während des Wachstums des AIN-Kristalls und innerhalb des entstandenen AlN-Kristalls reicht also nach verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht aus, um niedrige UV-Absorptionskoeffizienten zu erreichen, insbesondere bei tiefen UV-Wellenlängen (z.B. zwischen 210 nm und 280 nm, zwischen 230 nm und 280 nm oder zwischen 210 nm und 250 nm).
  • Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur kann das AlN-Boule 220 oder ein Teil davon wärmebehandelt werden, um seine UV-Transparenz weiter zu verbessern, insbesondere bei tiefen UV-Wellenlängen. Zum Beispiel können ein oder mehrere Substrate (oder „Wafer“) von der AlN-Boule 220 getrennt werden, wie weiter unten beschrieben, und eines oder mehrere der Substrate können zur Verbesserung der UV-Transparenz wärmebehandelt werden. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Wärmebehandlung der AlN-Boule 220, aber es sollte verstanden werden, dass nur ein oder mehrere Teile der Boule (z.B. ein oder mehrere Substrate) wärmebehandelt werden dürfen, nicht die gesamte Boule. Darüber hinaus können die hier beschriebenen Wärmebehandlungen an verschiedenen AlN-Kristallen (z.B. AlN-Einkristallen) durchgeführt werden, auch wenn sie nicht wie hier beschrieben zunächst gezüchtet und abgekühlt wurden, um die UV-Absorption zu verbessern.
  • In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird die AlN-Boule 220 in einer Heizvorrichtung (z.B. in einem Ofen wie einem Widerstandsofen oder einem Hochfrequenzofen) geglüht, die für eine im Wesentlichen isotherme oder quasiisotherme Erwärmung konfiguriert ist. Das Innere des Ofens (zumindest in der beheizten oder „heißen“ Zone) sowie jegliche Hardware (z.B. eine Plattform oder ein anderer Träger) innerhalb des Ofens kann ein oder mehrere Refraktärmaterialien (z.B. W oder ein anderes Refraktärmetall) mit einem Schmelzpunkt über etwa 2800°C oder sogar über etwa 3000°C enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. In verschiedenen Ausführungsformen können das Innere des Ofens (zumindest in der beheizten oder „heißen“ Zone) und die Hardware (z.B. eine Plattform oder ein anderer Träger) innerhalb des Ofens frei von Kohlenstoff, kohlenstoffbasierten oder kohlenstoffhaltigen Materialien, Graphit, Quarz, Aluminiumoxid und/oder Molybdän sein. Bevor die AlN-Boule 220 in den Ofen eingebracht wird, kann der Ofen bei hoher Temperatur ausgeheizt werden, um das Vorhandensein von Verunreinigungen im Ofen zu reduzieren oder zu minimieren. Der Ofen kann z.B. unter Vakuum für einen Zeitraum von z.B. ca. 0,5 Stunden bis ca. 2 Stunden auf ca. 2600°C aufgeheizt werden. Nachdem der Ofen abgekühlt ist, kann die AlN-Boule 220 in den Ofen eingebracht werden, der dann mit Stickstoffgas bei einem Druck von z.B. ca. 1 bar bis ca. 2 bar gefüllt werden kann. Die AlN-Boule 220 kann „lose“ (d.h. nicht angehängt, angeklebt oder befestigt) auf einer Plattform innerhalb des Ofens platziert werden, die W oder ein anderes Refraktärmetall enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen kann oder daraus bestehen kann. In verschiedenen Ausführungsformen reduziert oder eliminiert die lose Platzierung des AlN-Boule 220 Spannungen aufgrund einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen dem AIN-Boule 220 und der Plattform.
  • Die Temperatur innerhalb des Ofens kann dann mit einer Stufenrate von z.B. ca. 1°C/min bis ca. 50°C/min auf die gewünschte Glühtemperatur hochgefahren werden. In verschiedenen Ausführungsformen liegt die Glühtemperatur zwischen ca. 2100°C und ca. 2500°C, z.B. ca. 2400°C. In verschiedenen Ausführungen liegt die Glühtemperatur zwischen etwa 2150 °C und etwa 2400 °C. Die Glühtemperatur liegt zwischen etwa 2150 °C und etwa 2400 °C. Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass niedrigere Glühtemperaturen (z.B. etwa 2000°C) im Allgemeinen nicht ausreichen, um die UV-Transparenz der AlN-Boule 220 bei tiefen UV-Wellenlängen auf das gewünschte Niveau zu verbessern. Sobald die gewünschte Glühtemperatur erreicht ist, wird die AlN-Boule 220 bei dieser Temperatur über einen Zeitraum von z.B. ca. 0,5 Stunden bis ca. 100 Stunden, ca. 0,5 Stunden bis ca. 5 Stunden oder ca. 1 Stunde geglüht. Nach dem Glühen wird die Temperatur des Ofens langsam auf eine Zwischentemperatur (z.B. zwischen ca. 800°C und ca. 1200°C, z.B. ca. 1000°C) mit einer Geschwindigkeit zwischen ca. 60°C/Stunde und ca. 120°C/Stunde heruntergefahren. Beispielsweise kann der Ofen von einer beispielhaften Glühtemperatur von 2200°C auf 1000°C über einen Zeitraum von 15 Stunden abgekühlt werden. Eine solche langsame Abkühlung kann durch kontrollierte Wärmezufuhr mit dem Ofen (z.B. bei niedrigen Leistungsstufen) erreicht werden. Danach kann der Ofen abgeschaltet werden, und der Ofen und die AlN-Boule 220 können auf Raumtemperatur abkühlen. So wird in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung der gesamte Glühzyklus einschließlich der Abkühlung der AlN-Boule 220 unter im Wesentlichen isothermen oder quasi-isothermen Bedingungen durchgeführt.
  • Wie oben erwähnt, können ein oder mehrere Substrate (oder „Wafer“) aus der AlN-Boule 220 z.B. mit einer Diamant-Ringsäge oder einer Drahtsäge nach (oder, in einigen Ausführungsformen, vor) dem Glühen abgetrennt werden. In einer Ausführungsform kann die kristalline Orientierung eines so gebildeten Substrats innerhalb von etwa 2° (oder sogar innerhalb von etwa 1° oder innerhalb von etwa 0,5°) der (0001)-Fläche (d.h. der c-Fläche) liegen. Solche c-Flächen-Wafer können eine Oberfläche mit Al-Polarität oder eine Oberfläche mit N-Polarität haben und können anschließend wie im U.S.-Patent Nr. 7.037.838 beschrieben vorbereitet werden, wobei dessen gesamte Offenlegung hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen wird. In anderen Ausführungsformen kann das Substrat innerhalb von etwa 2° einer m-Flächen- oder a-Flächen-Orientierung orientiert sein (und somit eine nichtpolare Orientierung haben) oder eine semipolare Orientierung haben, wenn die AlN-Boule 220 in einer anderen Richtung geschnitten wird. Die Oberflächen dieser Wafer können auch wie im U.S.-Patent Nr. 7.037.838 beschrieben vorbereitet werden. Das Substrat kann eine ungefähr kreisförmige Querschnittsfläche mit einem Durchmesser von mehr als etwa 50 mm haben. Das Substrat kann eine Dicke von mehr als ca. 100 µm, mehr als ca. 200 µm oder sogar mehr als ca. 2 mm haben. Das Substrat hat typischerweise die Eigenschaften der AlN-Boule 220, wie hier beschrieben. Nachdem das Substrat aus der AlN-Boule 220 geschnitten wurde, können eine oder mehrere epitaktische Halbleiterschichten und/oder eine oder mehrere lichtemittierende Vorrichtungen, z.B. UV-emittierende Leuchtdioden oder Laser, über dem Substrat hergestellt werden, z.B. wie in den U.S. Patenten Nr. 8.080.833 und 9.437.430 beschrieben, deren vollständige Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • ist ein grafischer Vergleich eines UV-Absorptionsspektrums 300, das dem UV-Absorptionsspektrum aus dem '519-Patent in entspricht, und eines UV-Absorptionsspektrums 310 eines AlN-Einkristalls, der gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt und geglüht wurde. Wie gezeigt, weist der erfindungsgemäße Kristall über den gesamten Wellenlängenbereich einen niedrigeren Absorptionskoeffizienten auf, und das Spektrum ist für Wellenlängen zwischen 210 nm und 280 nm im Wesentlichen konstant (oder „flach“). Bei etwa 230 nm hat der erfindungsgemäße Kristall einen Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm-1 (im abgebildeten Beispiel etwa 7 cm-1 - 8 cm-1), was dramatisch unter den Ergebnissen des Patents '519 oder der Hartmann-Referenz liegt. Darüber hinaus ist die Steigung des Absorptionskoeffizienten als Funktion der Wellenlänge in der Nähe der Bandkante viel steiler, wie weiter unten näher beschrieben wird.
  • Wie bereits erwähnt, beinhalten und ermöglichen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Herstellung von einkristallinem AlN mit einem steilen Abfall des Absorptionskoeffizienten nahe der Bandkante, d.h. AlN mit einer niedrigen Urbach-Energie. Der „Urbach-Schwanz“ ist der exponentielle Teil der Absorptionskoeffizientenkurve nahe der optischen Bandkante und hängt mit kristalliner Unordnung und lokalisierten elektronischen Zuständen zusammen, die sich in die Bandlücke erstrecken. Die spektrale Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten (α) und der Photonenenergie (hv) ist als empirische Urbach-Regel bekannt, die durch die folgende Gleichung gegeben ist: α = α 0 exp ( h v E U )
    Figure DE112019003108T5_0003
    (siehe Franz Urbach, „The Long-Wavelength Edge of Photographic Sensitivity and of the Electronic Absorption of Solids“, Phys. Rev. 92 (1953) 1324, dessen gesamte Offenlegung hier durch Bezugnahme aufgenommen wird). α0 ist eine Konstante, und EU ist die Urbach-Energie, d.h. die Energie des Bandschweifes. Die obige Gleichung kann wie folgt umgeschrieben werden: In  α = In  α 0 + ( h v E U )
    Figure DE112019003108T5_0004
    und die Urbach-Energie kann aus der Steigung der Linie bestimmt werden, wenn In (α) als Funktion der einfallenden Photonenenergie hv aufgetragen wird; in einer solchen Darstellung ist In (α0) der y-Schnittpunkt der Linie und entspricht somit In (α) bei einer theoretischen Null-Photonenenergie. Konkret ist die Urbach-Energie der Kehrwert der Steigung.
  • ist ein Diagramm, das zur Bestimmung der Urbach Energie der Probe aus dem Patent '519 mit dem in dargestellten Absorptionsspektrum (und damit dem in dargestellten Absorptionsspektrum 300) sowie der Urbach Energie der Probe in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung mit dem in dargestellten Absorptionsspektrum 310 verwendet wird. Wie gezeigt, ist die Steigung der resultierenden Kurve 400 für die erfindungsgemäße Probe viel steiler (die Steigung beträgt etwa 4,7/eV) und ergibt eine Urbach Energie von etwa 0,21 eV im Bereich der Photonenenergien von 5,85 eV bis 6,00 eV. Im krassen Gegensatz dazu weist die Kurve 410, die der Probe aus entspricht, eine Steigung von ca. 0,5/eV auf, was zu einer Urbach Energie von ca. 2,0 eV führt. In Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung haben die vorliegenden Erfinder Proben mit Urbach Energien im Bereich von etwa 0,2 eV bis etwa 1,8 eV hergestellt, z.B. von etwa 0,21 eV bis etwa 1,0 eV, die deutlich niedriger sind als die in der Literatur berichteten konventionellen Proben und Muster.
  • Im Allgemeinen können UV-Absorptionsspektren (und davon abgeleitete Urbach-Energien) durch Messung der Reflexionen von einfallendem Licht an einer Probe mit einem Spektrometer bestimmt werden. Beispielsweise wurden die UV-Absorptionsspektren von Proben entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung mit einem V-670 (Klasse I) Spektrometer und X-Y-Tisch von Jasco Corporation gemessen. 52 Punkte pro Probe wurden mit einem Zwei-Achsen-Tisch-Controller von Chuo Precision Industrial Co., Ltd. gemessen. Es wurden Wellenlängen von 200 nm bis 800 nm gemessen, aber mit diesem Aufbau können Messungen bis zu Wellenlängen von 2000 nm durchgeführt werden. Das Absorptionsspektrum einer Probe mit einer Dicke L wird auf der Grundlage des auf die Probe einfallenden Lichts und des von der Probe durchgelassenen Lichts geschätzt, wobei das von beiden Oberflächen der Probe in Richtung der Lichtemission zurückreflektierte Licht berücksichtigt wird. Die Dicke L kann z.B. mit einem Messgerät (z.B. mit den Längenmessgeräten ACANTO, CERTO, METRO oder SPECTO und der zugehörigen GAGE-CHEK-Auswerteelektronik, erhältlich bei Heidenhain Corp. in Schaumburg, IL) oder mit einem optischen System wie dem ULTRA-MAP 100B oder ULTRA-MAP C200, erhältlich bei MicroSense, LLC in Lowell, MA, gemessen werden. fasst diese Berechnung zusammen, und der Absorptionskoeffizient α bei einer bestimmten Wellenlänge des einfallenden Lichts λ kann berechnet werden durch: I T I 0 = ( 1 − R ) 2 e − a L
    Figure DE112019003108T5_0005
    wobei IT die Intensität des durchgelassenen Lichts und I0 die Intensität des einfallenden Lichts ist. Der Reflexionsgrad R kann bestimmt werden aus: R = ( n − 1 n + 1 ) 2
    Figure DE112019003108T5_0006
    wobei der Brechungsindex n aus der Dispersionsformel bestimmt werden kann: n 2 − 1 = 2. + 1399 + 1.3786 λ 2 λ 2 − 0.1715 2 + 3.861 λ 2 λ 2 − 15.03 2
    Figure DE112019003108T5_0007
    und wo die Dispersionsformel von J. Pastrňák und L. Roskovcovä, „Refraction index measurements on AlN single crystals“, Phys. Stat. Sol. 14, K5-K8 (1966) entnommen ist, deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Herstellung rissfreier AlN-Volumeneinkristalle mit großen Durchmessern (z.B. im Durchmesserbereich von ca. 25 mm bis ca. 150 mm oder sogar ca. 50 mm bis ca. 150 mm) und einer Vielzahl von vorteilhaften Eigenschaften sowie hoher UV-Transparenz (insbesondere bei tiefen UV-Wellenlängen). So können z.B. AlN-Volumenkristalle (z.B. Boules und/oder Wafer), die nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, Ätzgrubendichtemessungen (d.h. Ätzmessungen, die Defekte wie z.B. die Oberfläche des Kristalls kreuzende Fadenversetzungen aufzeigen) im Bereich von etwa 5 × 101 cm2 bis etwa 1 × 104 cm2 aufweisen. AlN-Kristalle, die den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entsprechen, können eine Dichte der Fadenstufenversetzungen im Bereich von etwa 1 × 103 cm2 bis etwa 1 × 104 cm2 und eine Dichte der Fadenschraubenversetzungen im Bereich von etwa 1 cm2 bis etwa 10 cm2 aufweisen, z.B. eine Gesamtdichte der Fadenversetzungen von weniger als etwa 104 cm2. Bei der Messung mittels Röntgenbeugung können Röntgen-Beugungskurven (z.B. entlang (0002) und/oder (10-12)) von AIN-Kristallen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung Werte der Halbwertsbreite (HWB) von weniger als 50 Bogensekunden (z.B. im Bereich von etwa 30 Bogensekunden bis etwa 50 Bogensekunden oder von etwa 40 Bogensekunden bis etwa 50 Bogensekunden) aufweisen. Durch Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) gemessen, können AlN-Einkristalle entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung Kohlenstoffkonzentrationen von etwa 1,8 × 1016 cm3 - 5 × 1017 cm3 sowie Sauerstoffkonzentrationen von etwa 1 × 10 17 cm3 - 7,9 × 1017 cm3 aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Kohlenstoffkonzentration zwischen etwa 1,8 × 1016 cm3 und etwa 5 × 1016 cm3 liegen. Die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Einkristallen kann in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der Erfindung größer als etwa 290 Watt pro Meter-Kelvin (W/m-K) sein, gemessen nach der Norm E1461-13 (Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method) der American Society for Testing and Materials (ASTM), deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin eingeschlossen ist und die von einem kommerziellen Anbieter wie NETZSCH Inc. aus Exton, Pennsylvania, zur Verfügung gestellt wird.
  • Die verbesserten UV-Absorptionsspektren der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine verbesserte Leistung von lichtemittierenden Bauelementen (z.B. Laser und lichtemittierende Dioden (LED)), die auf AlN-Substraten mit den verbesserten Spektren, insbesondere bei kurzen Wellenlängen, hergestellt werden. ist ein Diagramm der Emissionsintensität einer LED-Vorrichtung als Funktion der Wellenlänge für simulierte LEDs, die bei etwa 217 nm emittieren. Die obere Kurve 600 ist die Emissionsintensität als Funktion der Wellenlänge für eine LED, die auf einem Substrat mit dem verbesserten Absorptionsspektrum hergestellt wurde, das durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung - in diesem Beispiel das in dargestellte UV-Absorptionsspektrum 310 - ermöglicht wird. Die untere Kurve 610 entspricht der gleichen LED-Struktur, die auf einem Substrat mit dem Absorptionsspektrum von (d.h. dem UV-Absorptionsspektrum 300 von hergestellt wurde. Wie in dargestellt, ist die Emissionsintensität, die durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird, bei der Spitzenemissionswellenlänge von etwa 217 nm fast um den Faktor zwei erhöht und über den gesamten Wellenlängenbereich höher. ist ein Diagramm der gleichen Spektren über einen kleineren Wellenlängenbereich, in dem die relativen Intensitäten der LEDs unabhängig voneinander auf den gleichen Wert normiert wurden, um die schmalere Intensitätsspitze der Vorrichtung in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Diese schmalere Spitze ermöglicht eine überlegene LED-Leistung. Die Simulationen für die in den und dargestellten Bauelemente deuten darauf hin, dass die Emissionsleistung für das Bauelement entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung bei der in den Simulationen verwendeten Substratdicke von 0,55 mm um mindestens das 1,6-fache erhöht wird. Aufgrund der verbesserten UV-Absorption wird dieser Vorteil bei größeren Substratdicken größer sein. Wenn Reflektoren verwendet werden, um von der Vorrichtung emittiertes Licht in eine bevorzugte Richtung zu reflektieren, erhöht sich die Leistung der Vorrichtung außerdem bei jedem Durchgang des reflektierten Lichts durch das Substrat. Zum Beispiel kann die Verbesserung der Vorrichtungsemissionsleistung, die durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird, näherungsweise 2 × (1,6)3 betragen, oder ungefähr 8x, wenn das reflektierte Licht das Substrat mit dem verbesserten Absorptionsspektrum dreimal durchquert.
  • zeigt schematisch die Struktur einer lichtemittierenden Vorrichtung 800 in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die lichtemittierenden Vorrichtungsstrukturen 800 nach Ausführungsformen der Erfindung können z.B. lichtemittierende Dioden oder Laser einschließen, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. Wie gezeigt, enthält die Vorrichtungsstruktur 800 ein Substrat 805, das in verschiedenen Ausführungsformen Aluminiumnitrid, z.B. einkristallines Aluminiumnitrid, enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. In verschiedenen Ausführungsformen ist das Substrat 805 ein einkristallines Substrat, das nach seiner Bildung von einkristallinem AlN getrennt wird, das in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der Erfindung gezüchtet wurde. In verschiedenen Ausführungsformen ist das Substrat 805 in Abhängigkeit von der/den Wellenlänge(n), die von der Bauelementestruktur 800 emittiert wird, möglicherweise nicht für alle von der Bauelementestruktur 800 emittierte Strahlung (z.B. UV-Strahlung) durchlässig (zumindest nicht vollständig durchlässig). Das Substrat 805 kann so fehlgeschnitten sein, dass der Winkel zwischen seiner c-Achse und seiner Oberflächennormalen zwischen etwa 0° und etwa 4° liegt. In verschiedenen Ausführungsformen beträgt die Fehlausrichtung der Oberfläche des Substrats 805 weniger als etwa 0,3°, z.B. bei Substraten 805, die nicht absichtlich oder kontrollierbar falsch geschnitten werden. In anderen Ausführungsformen ist die Fehlausrichtung der Oberfläche von Substrat 805 größer als etwa 0,3°, z.B. bei Substraten 805, die absichtlich und kontrolliert falsch geschnitten werden. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Richtung des Fehlschnitts zur a-Achse hin.
  • Die Oberfläche des Substrats 805 kann eine Polarität der Gruppe III (z.B. Al-) aufweisen und kann z.B. durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiert werden. Die RMS-Oberflächenrauhigkeit des Substrats 805 kann für einen Bereich von 10 µm × 10 µm weniger als etwa 0,5 nm betragen. In einigen Ausführungsformen sind Stufen auf atomarer Ebene auf der Oberfläche nachweisbar, wenn sie mit einem Rasterkraftmikroskop untersucht werden. Die Fadenversetzungsdichte des Substrats 805 kann z.B. mit Hilfe von Ätzgrubendichtemessungen nach einer 5-minütigen eutektischen KOH-NaOH-Ätzung bei 450 °C gemessen werden. In verschiedenen Ausführungsformen beträgt die Fadenversetzungsdichte weniger als etwa 2 × 103 cm-2. In einigen Ausführungen hat das Substrat 805 eine noch geringere Fadenversetzungsdichte. Substrat 805 kann mit einer homoepitaktischen Schicht (nicht abgebildet) überzogen sein, die dotiertes oder undotiertes AlN enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht.
  • Die verschiedenen Schichten der Bauelementstruktur 800, die auf dem Substrat 805 angeordnet sind, können durch eine Vielzahl verschiedener Techniken gebildet werden, z.B. durch epitaktische Wachstumstechniken wie chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder metallorganische CVD (MOCVD).
  • In Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung kann eine optionale Trennschicht 810 über dem Substrat 805 angeordnet werden, um ein späteres Entfernen des gesamten oder eines Teils des Substrats 805 vom Rest der Vorrichtungsstruktur 800 zu erleichtern, z.B. wie in der am 11. Mai 2018 eingereichten U.S. Patent Application Serial No. 15/977,031 (die '031-Patentanmeldung) beschrieben, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin enthalten ist. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Trennschicht 810 im Wesentlichen an das Substrat 805 gitterangepasst. Die Minimierung der Gitterfehlanpassung zwischen der Trennschicht 810 und dem Substrat 805 reduziert oder eliminiert vorteilhaft z.B. die Riss- und/oder Defekteinbringung in der Trennschicht 810 und die Inselbildung (d.h. dreidimensionales Wachstum) während des Wachstums der Trennschicht 810. (Wie hier verwendet, hat eine Schicht, die „im Wesentlichen gitterangepasst“ an ein Substrat oder eine andere Schicht ist, einen unverspannten Gitterparameter, der ausreichend nahe an dem des Substrats oder der anderen Schicht liegt, um ein epitaktisches Wachstum der Schicht darüber zu ermöglichen, so dass die Schicht annähernd gitterrelaxiert oder ohne signifikante Spannungsrelaxation tensil- oder kompressiv verspannt ist (z.B, weniger als 20% Relaxation oder sogar weniger als 10% Relaxation), und/oder um epitaktisches Wachstum der Schicht ohne Einführung von Rissen und/oder Defekten (z.B. Versetzungen) bei Dichten zu ermöglichen, die die im darunterliegenden Substrat oder in der darunterliegenden Schicht gegebenenfalls vorhandenen Dichten übersteigen). In verschiedenen Ausführungsformen beträgt die Gitterfehlanpassung zwischen der Trennschicht 810 und dem Substrat 805 weniger als ±5%, weniger als ±3%, weniger als ±2%, weniger als ±1%, weniger als ±0,5%, weniger als ±0,2% oder weniger als ±0,1%. In verschiedenen Ausführungsformen kann es bevorzugt sein, die Gitterfehlanpassung zu verringern, wenn die Trennschicht 810 tensil beansprucht wird (d.h. der unverspannte, immanente, in der Ebene liegende Gitterabstand der Trennschicht 810 ist kleiner als der des Substrats 805), um Spannungsabbaurisse in der Trennschicht 810 zu minimieren oder zu beseitigen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Gitterfehlanpassung zum Substrat 805 größer sein, wenn die Trennschicht 810 unter Druck beansprucht wird, kann aber eine Funktion der Dicke der Trennschicht 810 sein. Beispielsweise können unter Druck beanspruchte Trennschichten 810, die eine zu große Gitterfehlanpassung zum Substrat 805 und eine zu große Dicke aufweisen, während des Schichtwachstums Inseln bilden. So kann in verschiedenen Ausführungen eine Trennschicht 810 mit einer kompressiven Gitterfehlanpassung mit dem Substrat 805 von etwa 3% eine Dicke von nicht mehr als etwa 10 nm aufweisen. Bei Schichten mit geringerer Gitterfehlanpassung kann die Dicke größer sein.
  • In verschiedenen Ausführungsformen enthält die Trennschicht 810 AlN oder AlGaN, die mit einer oder mehreren Verunreinigungen dotiert sind, die innerhalb der Trennschicht 810 eine Absorptionsbande für eine Wellenlänge von Licht bilden, die vom Substrat 805 selbst nicht stark absorbiert wird, oder besteht im Wesentlichen daraus oder besteht daraus. Beispielsweise kann die Trennschicht 810 mit Sauerstoff dotiertes AlN, das eine Absorptionsbande bei etwa 310 nm aufweist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Da ein AlN-Substrat 805 Licht mit Wellenlängen von mehr als etwa 300 nm nicht stark absorbiert, kann die innere Absorption von Licht und die gleichzeitige lokale Erwärmung der Trennschicht 810 zur Entfernung des Substrats 805 von der Vorrichtungsstruktur 800 verwendet werden. In verschiedenen Ausführungen kann die Trennschicht 810 mit Sauerstoff (O) und/oder einem oder mehreren anderen Dotierstoffen, z.B. Kohlenstoff (C), Eisen (Fe), Mangan (Mn) oder Gadolinium (Gd), dotiert sein. Solche Dotierstoffe können (z.B. als zusätzliche gasförmige Spezies) während des epitaktischen Wachstums der Trennschicht 810 eingebracht werden. In anderen Ausführungsformen kann ein Teil oder die Gesamtheit des Dotierstoffs nach epitaktischem Wachstum mindestens eines Teils der Trennschicht 810 durch Techniken wie Ionenimplantation oder Dotierstoffdiffusion (z.B. aus einer festen oder gasförmigen Quelle) eingebracht werden. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können einer oder mehrere der Dotierstoffe in die Trennschicht 810 in einer Konzentration von mindestens z.B. etwa 1017 cm-3, mindestens etwa 1018 cm-3 oder sogar mindestens 1019 cm-3 eingebracht und/oder darin vorhanden sein. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können einer oder mehrere der Dotierstoffe in die Trennschicht 810 in einer Konzentration von höchstens z.B. etwa 1020 cm-3 oder höchstens etwa 1021 cm-3 eingebracht und/oder darin vorhanden sein.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann eine Trennschicht 810, die mit Sauerstoff dotiertes AlN enthält, im Wesentlichen aus diesem besteht oder aus diesem besteht, eine Absorptionsbande bei einer Wellenlänge von etwa 310 nm aufweisen, und eine Trennschicht 810, die mit Kohlenstoff dotiertes AlN enthält, im Wesentlichen aus diesem besteht oder aus diesem besteht, eine Absorptionsbande bei einer Wellenlänge von etwa 265 nm aufweisen. In solchen Ausführungsformen kann Strahlung zur Substrattrennung beispielsweise über einen KrF-Laser (Emissionswellenlänge von etwa 248 nm) oder einen XeCl-Laser (Emissionswellenlänge von etwa 308 nm) aufgebracht werden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann die Trennschicht 810 einen anderen Halbleiter als AlN (z.B. AlGaN) und einen oder mehrere Dotierstoffe, die eine oder mehrere Absorptionsbanden für Licht bilden, das vom Substrat 805 nicht stark absorbiert wird, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Trennschicht 810 eine Nitridlegierung enthaltend eines oder mehrere von Bor, Aluminium, Gallium und/oder Indium beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Trennschicht 810 kann sogar Siliciumcarbid oder ein Metallnitrid (wobei das Metall z.B. eines oder mehrere der Metalle Sc, Y, La, Ti oder Ta ist) enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Zum Beispiel kann eine Trennschicht 810, die Siliciumcarbid enthält, im Wesentlichen aus diesem besteht oder aus diesem besteht, eine Absorptionsbande bei einer Wellenlänge von ungefähr 376 nm aufweisen, und eine Trennschicht 810, die Titannitrid enthält, im Wesentlichen aus diesem besteht oder aus diesem besteht, kann eine Absorptionsbande bei einer Wellenlänge von ungefähr 365 nm aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Trennschicht 810 im Wesentlichen gitterangepasst an das Substrat 805.
  • In verschiedenen Ausführungsformen können mehrere Trennschichten 810 innerhalb der Vorrichtungsstruktur 300 vorhanden sein, und jede Trennschicht 810 kann eine oder mehrere Absorptionsbanden aufweisen, die sich von einer oder allen Absorptionsbanden in der/den anderen Trennschicht(en) 810 unterscheiden. Zum Beispiel können mehrere Trennschichten 810 einschließend, im Wesentlichen bestehend aus oder bestehend aus AlN oder AlGaN gebildet werden (z.B. epitaktisch gewachsen), wobei jede Trennschicht 810 mit einem anderen der oben genannten Dotierstoffe dotiert ist. In verschiedenen Ausführungsformen können eine oder mehrere Trennschichten 810 gegenüber dem Substrat 805 tensil beansprucht werden und/oder eine oder mehrere Trennschichten 810 gegenüber dem Substrat 805 auf Druck beansprucht werden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist die Trennschicht 810 innerhalb der Vorrichtungsstruktur 800 nicht vorhanden. Wie hier ausführlich beschrieben, können Substrate 805, die gemäß den Ausführungsformen der Erfindung hergestellt wurden, vorteilhaft niedrige UV-Absorptionskoeffizienten aufweisen, insbesondere bei tiefen UV-Wellenlängen. Daher kann die Entfernung des gesamten oder eines Teils des Substrats 805 unnötig sein, damit die Vorrichtungsstruktur 800 (insbesondere z.B. Vorrichtungsstruktur 800, die so konfiguriert sind, dass sie Licht im tiefen UV-Wellenlängenbereich emittieren) eine überraschend hohe Leistung und Effizienz aufweist.
  • Die Vorrichtungsstruktur 800 enthält auch eine aktive lichtemittierende Struktur 815, die über der Trennschicht 810 angeordnet ist, wenn die Trennschicht 810 vorhanden ist, wie in dargestellt. Zum Beispiel kann die aktive Struktur 815 eine untere Kontaktschicht 820 enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen ist die untere Kontaktschicht 820 n-dotiert, z.B. dotiert mit einer Verunreinigung wie P, As, Sb, C, H, F, O, Mg und/oder Si. Die untere Kontaktschicht 820 kann z.B. AlN oder AlxGa1-xN enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. In einer Ausführungsform ist eine optionale abgestufte Pufferschicht (nicht abgebildet) über dem Substrat 805 und unter der unteren Kontaktschicht 820 angeordnet (und in verschiedenen Ausführungsformen unter der Trennschicht 810, wenn die Trennschicht 810 vorhanden ist). Die abgestufte Pufferschicht kann ein oder mehrere Halbleitermaterialien, z.B. AlxGa1-xN, enthalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. In verschiedenen Ausführungsformen hat die abgestufte Pufferschicht an der unteren Grenzfläche der abgestuften Pufferschicht eine Zusammensetzung, die ungefähr gleich der des Substrats 805 ist, um zweidimensionales Wachstum zu fördern und schädliche Inselbildung zu vermeiden (eine solche Inselbildung kann zu unerwünschter elastischer Zugentlastung und/oder Oberflächenaufrauhung in der abgestuften Pufferschicht und den nachfolgend gewachsenen Schichten führen). Die Zusammensetzung der abgestuften Pufferschicht an einer Grenzfläche mit der unteren Kontaktschicht 820 (oder der Trennschicht 810, falls vorhanden) kann so gewählt werden, dass sie nahe bei (z.B. ungefähr gleich) der des gewünschten aktiven Bereichs der Vorrichtung liegt (z.B. die AlxGa1-xN-Konzentration, die zu der gewünschten Wellenlängenemission der lichtemittierenden Vorrichtung führt). In einer Ausführungsform enthält die abgestufte Pufferschicht dotiertes oder undotiertes AlxGa1-xN, abgestuft von einer Al-Konzentration x von ungefähr 100% bis zu einer Al-Konzentration x, die von ungefähr 60% bis ungefähr 85% reicht, besteht im Wesentlichen daraus oder besteht daraus.
  • Die untere Kontaktschicht 820 kann eine Dicke aufweisen, die ausreicht, um nach der Vorrichtungsherstellung eine Stromstauung zu verhindern und/oder während des Ätzens zur Herstellung von Kontakten anzuhalten. Zum Beispiel kann die Dicke der unteren Kontaktschicht 820 im Bereich von etwa 100 nm bis etwa 500 nm oder von etwa 100 nm bis etwa 2 µm liegen. Wenn eine untere Kontaktschicht 820 verwendet wird, kann die endgültige lichtemittierende Vorrichtung mit Rückseitenkontakten hergestellt werden. In verschiedenen Ausführungen hat die untere Kontaktschicht 820 eine hohe elektrische Leitfähigkeit selbst bei geringer Dicke aufgrund der geringen Defektdichte, die bei pseudomorphen Schichten erhalten bleibt. Ein pseudomorpher Film, wie er hier verwendet wird, ist ein Film, bei dem die Verspannung parallel zur Grenzfläche zwischen dem Film und einer darunterliegenden Schicht oder einem Substrat in etwa der Verspannung entspricht, die erforderlich ist, um das Gitter im Film so zu verzerren, dass es dem des Substrats entspricht (oder eine relaxierte, d.h. im Wesentlichen unverspannten Schicht über dem Substrat und unter dem pseudomorphen Film). Somit ist die parallele Verspannung in einem pseudomorphen Film nahezu oder ungefähr gleich der Differenz der Gitterparameter zwischen einem unverspannten Substrat parallel zur Grenzfläche und einer unverspannten epitaktischen Schicht parallel zur Grenzfläche.
  • Die aktive Struktur 815 ist für die Emission von Licht als Reaktion auf eine angelegte Spannung konfiguriert. Daher kann die aktive Struktur 815 eine Mehrfach-Quantentopf („MQW“)-Schicht 825 enthalten, die über der unteren Kontaktschicht 820 angeordnet ist. In verschiedenen Ausführungsformen ist die MQW-Schicht 825 direkt auf der unteren Kontaktschicht 820 angeordnet. In anderen Ausführungsformen kann zwischen der unteren Kontaktschicht 820 und der MQW-Schicht 825 eine optionale Schicht (z.B. eine undotierte Schicht, die ein undotiertes Halbleitermaterial wie AlGaN enthält, im Wesentlichen aus diesem besteht oder aus diesem besteht) angeordnet sein. Die MQW-Schicht 825 kann mit der gleichen Dotierungspolarität wie die untere Kontaktschicht 820 dotiert werden, z.B. n-dotiert. Die MQW-Schicht 825 kann einen oder mehrere Quantentöpfe enthalten, die durch Barrieren getrennt (oder auf beiden Seiten von Barrieren umgeben) sind, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Zum Beispiel kann jede Periode der MQW-Schicht 825 einen AlxGa1-xN-Quantentopf und eine AlyGa1-yN-Barriere aufweisen, wobei x von y verschieden ist. Typischerweise ist y größer als 0,4 für lichtemittierende Vorrichtungen, die Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 300 nm emittieren, und kann größer als 0,7 für kurzwellige Emitter sein. Bei Vorrichtungen, die für die Emission bei Wellenlängen von weniger als 250 nm ausgelegt sind, kann y sogar größer als 0,9 sein. Der Wert von x bestimmt zumindest teilweise die Emissionswellenlänge der Vorrichtung. Bei Emissionswellenlängen von mehr als 280 nm kann x bis zu 0,2 betragen. Bei Wellenlängen zwischen 250 nm und 280 nm kann x zwischen 0,2 und 0,7 variieren. Bei Wellenlängen kürzer als 250 nm kann x größer als 0,6 sein. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Unterschied zwischen x und y groß genug, um einen guten Einschluss der Elektronen und Löcher im aktiven Bereich zu erreichen, wodurch ein hohes Verhältnis von strahlender Rekombination zu nicht strahlender Rekombination ermöglicht wird. In einer Ausführungsform beträgt die Differenz zwischen x und y ungefähr 0,25, d.h. x ist ungefähr 0,5 und y ist ungefähr 0,75. Die MQW-Schicht 825 kann eine Vielzahl solcher Perioden enthalten und eine Gesamtdicke im Bereich von 20 nm bis 100 nm oder weniger als etwa 50 nm aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist die aktive lichtemittierende Struktur 815 so konfiguriert, dass sie (z.B. mit einer MQW-Schicht 825, deren Schichtzusammensetzung(en) so gewählt ist (sind), dass sie ultraviolettes Licht emittiert (emittieren).
  • In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Elektronenblockierschicht 830 über der MQW-Schicht 825 angeordnet werden. Die Elektronenblockierschicht 830 weist typischerweise eine breitere Bandlücke auf als eine Bandlücke innerhalb der MQW-Schicht 825 (z.B. eine Bandlücke der darin befindlichen Sperrschichten). In verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenblockierschicht 830 z.B. AlxGa1-xN enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, und die Elektronenblockierschicht 830 kann dotiert sein. Beispielsweise kann die Elektronenblockierschicht 830 mit der gleichen Dotierungspolarität dotiert sein wie die untere Kontaktschicht 820 und/oder die MQW-Schicht 825 (z.B. n-dotiert). In verschiedenen Ausführungsformen ist der Wert von x in der elektronenblockierenden Schicht 830 größer als der Wert des Al-Molanteils in den in der MQW-Schicht 825 verwendeten Sperrschichten. Bei längerwelligen Bauelementen mit Emissionswellenlängen über 300 nm kann x so niedrig wie 0,4 und bei kürzeren Wellenlängen größer als 0,7 sein. Bei Vorrichtungen, die für die Emission bei Wellenlängen von weniger als 250 nm ausgelegt sind, kann x sogar größer als 0,9 sein. Die Elektronenblockierschicht 830 kann eine Dicke haben, die beispielsweise zwischen etwa 10 nm und etwa 50 nm oder sogar zwischen etwa 10 nm und etwa 30 nm liegen kann. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist die Elektronenblockierschicht 830 ausreichend dünn (z.B. Dicke weniger als etwa 30 nm oder weniger als etwa 20 nm), um das Tunneln von Ladungsträgern (z.B. Löcher) durch die Elektronenblockierschicht 830 zu erleichtern. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird die Elektronenblockierschicht 830 in der Vorrichtungstruktur 800 weggelassen.
  • Wie in dargestellt, kann die Vorrichtungsstruktur 800 auch eine abgestufte Schicht 835 enthalten, die über der Elektronenblockierschicht 830 angeordnet ist (oder über der MQW-Schicht 825 in Ausführungsformen, in denen die Elektronenblockierschicht 830 weggelassen wird), und eine Deckschicht (oder „obere Kontaktschicht“) 840 kann über der abgestuften Schicht 835 angeordnet sein. Die Deckschicht 840 kann mit einer Dotierungspolarität dotiert sein, die der der unteren Kontaktschicht 820 entgegengesetzt ist, z.B. p-Typ, dotiert mit einem oder mehreren Dotierstoffen wie Mg, Be und/oder Zn. In anderen Ausführungsformen kann die Deckschicht 840 undotiert sein, da Träger (z.B. Löcher) von einer Elektrode in ein zweidimensionales Trägergas injiziert werden können, das an der Grenzfläche zwischen der Deckschicht 840 und der abgestuften Schicht 835 angeordnet ist. (Während in den hier beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen die Deckschicht 840 p-dotiert und die untere Kontaktschicht 820 n-dotiert ist, fallen Ausführungsformen, in denen die Dotierungspolaritäten dieser Schichten geschaltet werden, in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung; in solchen Ausführungsformen kann die Elektronenblockierschicht 830, falls vorhanden, als „Lochblockierschicht“ im Sinne der Fachwelt angesehen werden). Die Deckschicht 840 kann z.B. eine Dicke von etwa 1 nm bis etwa 100 nm oder von etwa 1 nm bis etwa 50 nm oder von etwa 1 nm bis etwa 20 nm haben. In verschiedenen Ausführungen enthält die Deckschicht 840 AlxGa1-xN, besteht im Wesentlichen daraus oder besteht daraus, und in verschiedenen Ausführungen kann die Aluminiumkonzentration x im Bereich von 0 (d.h. reines GaN) bis etwa 0,2 liegen.
  • Die Gerätestruktur 800 kann auch einen oder mehrere Metallkontakte enthalten, um den elektrischen Kontakt mit dem Gerät zu erleichtern. Zum Beispiel kann ein Metallkontakt eine Elektrodenschicht 845 enthalten oder im Wesentlichen aus einer Elektrodenschicht 845 bestehen, die über oder auf der Deckschicht 840 angeordnet ist. Die Zusammensetzung und/oder Form der Elektrodenschicht 845 sind nicht besonders begrenzt, solange sie die Injektion von Trägern (z.B. Löcher) in die Deckschicht 840 ermöglichen. In Ausführungsformen, in denen Löcher in eine p-dotierte Halbleiter-Deckschicht 840 auf Nitridbasis injiziert werden, kann die Elektrodenschicht 845 ein oder mehrere Metalle mit großen Austrittsarbeitsfunktionen, z.B. Ni, Au, Pt, Ag, Rh und/oder Pd, Legierungen oder Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Metalle oder Elektrodenmaterialien auf Oxidbasis und/oder transparente Elektrodenmaterialien wie Indiumzinnoxid (ITO) enthalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. In Ausführungsformen, bei denen Elektronen in eine n-dotierte Halbleiter-Deckschicht 840 auf Nitridbasis injiziert werden, kann die Elektrodenschicht 845 ein oder mehrere Metalle, z.B. Ti, Al, Au, Pt, Ni und/oder V, Legierungen oder Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Metalle oder Elektrodenmaterialien auf Oxidbasis und/oder transparente Elektrodenmaterialien wie Indiumzinnoxid (ITO) enthalten, im Wesentlichen aus einem oder mehreren dieser Metalle bestehen oder aus diesen bestehen. Elektrodenschichten 845 nach Ausführungsformen der Erfindung sind nicht auf diese Materialien beschränkt. Die Dicke der Elektrodenschicht 845 kann z.B. zwischen ca. 10 nm und ca. 100 nm, oder zwischen ca. 10 nm und ca. 50 nm, oder zwischen ca. 10 nm und ca. 30 nm, oder zwischen ca. 25 nm und ca. 40 nm liegen. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Elektrodenschicht 845 nach dem Entfernen des gesamten oder eines Teils des Substrats 805 gebildet.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann eine zweite Elektrodenschicht 850 in elektrischem Kontakt mit (und in verschiedenen Ausführungsformen in direktem mechanischen Kontakt mit) der unteren Kontaktschicht 820 gebildet werden, selbst wenn das Substrat 805 nicht entfernt wird, wie in dargestellt; eine solche Elektrodenschicht 850 kann als „untere Elektrodenschicht“ betrachtet werden. So kann z.B. ein Teil der aktiven Struktur 815 z.B. durch konventionelle Photolithographie und Nass- und/oder Trockenätzen entfernt werden, um zumindest einen Teil der unteren Kontaktschicht 820 freizulegen. Die zweite Elektrodenschicht 850 kann dann auf der unteren Kontaktschicht abgeschieden werden. Die Zusammensetzung und/oder Form der unteren Elektrodenschicht 850 sind nicht besonders begrenzt, solange sie die Injektion von Ladungsträgern (z.B. Elektronen) in die untere Kontaktschicht 820 ermöglicht. In Ausführungsformen, bei denen Elektronen in eine n-dotierte Halbleiterbodenkontaktschicht 820 auf Nitridbasis injiziert werden, kann die untere Elektrodenschicht 850 ein oder mehrere Metalle, wie z.B. Ti, Al, Au, Pt, Ni und/oder V, Legierungen oder Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Metalle oder Elektrodenmaterialien auf Oxidbasis und/oder transparente Elektrodenmaterialien wie Indiumzinnoxid (ITO) enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. In Ausführungsformen, bei denen Löcher in eine p-dotierte Halbleiterbodenkontaktschicht 820 auf Nitridbasis eingespritzt werden, kann die untere Elektrodenschicht 850 ein oder mehrere Metalle mit großen Austrittsarbeit, z.B. Ni, Au, Pt, Ag, Rh und/oder Pd, Legierungen oder Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Metalle oder Elektrodenmaterialien auf Oxidbasis und/oder transparente Elektrodenmaterialien wie Indiumzinnoxid (ITO) enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem oder mehreren Metallen bestehen. Die unteren Elektrodenschichten 850 entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung sind nicht auf diese Materialien beschränkt. Die Dicke der unteren Elektrodenschicht 850 kann z.B. zwischen etwa 10 nm und etwa 100 nm oder zwischen etwa 10 nm und etwa 50 nm oder zwischen etwa 10 nm und etwa 30 nm oder zwischen etwa 25 nm und etwa 40 nm liegen.
  • Wie oben erwähnt, weisen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine abgestufte Schicht 835 auf, die zwischen der Deckschicht 840 und der Elektronenblockierschicht 830 (oder die MQW-Schicht 815 in Ausführungsformen, in denen die Elektronenblockierschicht 830 weggelassen wird) angeordnet ist. Die abgestufte Schicht 835 enthält typischerweise einen Nitrid-Halbleiter, z.B. eine Mischung oder Legierung von Ga, In und/oder Al mit N, oder besteht im Wesentlichen daraus oder besteht daraus. Der Zusammensetzungsgradient innerhalb der abgestuften Schicht 835 kann im Wesentlichen kontinuierlich oder gestuft sein, und die Abstufungsrate innerhalb der abgestuften Schicht 835 kann im Wesentlichen konstant sein oder sich innerhalb der Dicke der abgestuften Schicht 835 ein- oder mehrmals ändern. Die abgestufte Schicht 835 kann undotiert sein. In anderen Ausführungen ist die abgestufte Schicht 835 n-Typ oder p-Typ mit einem oder mehreren Dotierstoffen dotiert, z.B. C, H, F, O, Mg, Be, Zn und/oder Si. Die Dicke der Gradientenschicht 835 kann z.B. zwischen ca. 5 nm und ca. 100 nm, zwischen ca. 10 nm und ca. 50 nm oder zwischen ca. 20 nm und ca. 40 nm liegen. In verschiedenen Ausführungen kann der epitaktische Wachstumsprozess, der zur Bildung der verschiedenen Schichten der Vorrichtungsstruktur 800 verwendet wird, zwischen dem Wachstum der gradierten Schicht 835 und der darunterliegenden Schicht und/oder der darüber liegenden Schicht vorübergehend unterbrochen werden. In verschiedenen Ausführungen wird die gradierte Schicht 835 pseudomorphisch auf eine oder mehrere der darunterliegenden Schichten und/oder auf das Substrat 805 verspannt.
  • So können eine oder mehrere (oder sogar alle) Schichten der Vorrichtungsstruktur 800, die über dem Substrat 805 gebildet sind, in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung pseudomorph verspannt sein, ähnlich wie die Vorrichtungsschichten, die im U.S. Patent Nr. 9,437,430 , eingereicht am 25. Januar 2008, U.S. Patent Nr. 8,080,833 , eingereicht am 21. April 2010, und U.S. Patent Nr. 9,299,880 , eingereicht am 13. März 2014 beschrieben sind, wobei deren vollständige Offenbarungen hierin durch Bezugnahme eingeschlossen sind. Wie hierin näher beschrieben, in verschiedenen Ausführungsformen können eine oder mehrere Schichten der Vorrichtungsstruktur 800 pseudomorph sein und eine Dicke aufweisen, die größer ist als ihre (z.B. nach der Maxwell-Blakeslee-Theorie) vorhergesagte kritische Dicke. Darüber hinaus kann die kollektive Schichtstruktur der Vorrichtungsstruktur 800 eine Gesamtdicke aufweisen, die größer ist als die vorhergesagte kritische Dicke für die Schichten, die zusammen betrachtet werden (d.h. bei einer mehrschichtigen Struktur hat die gesamte Struktur eine vorhergesagte kritische Dicke, selbst wenn jede einzelne Schicht kleiner wäre als die vorhergesagte kritische Dicke für sich allein betrachtet). In anderen Ausführungsformen sind eine oder mehrere Schichten der Vorrichtungsstruktur 800 pseudomorph verspannt und die Deckschicht 840 ist teilweise oder im Wesentlichen vollständig relaxiert. Zum Beispiel kann die Gitterfehlanpassung zwischen der Deckschicht 840 und dem Substrat 805 und/oder der MQW-Schicht 835 größer als etwa 1%, größer als etwa 2% oder sogar größer als etwa 3% sein. In einer beispielhaften Ausführung enthält die Deckschicht 840 undotiertes oder dotiertes GaN, besteht im Wesentlichen aus diesem oder besteht aus diesem, das Substrat 805 enthält undotiertes oder undotiertes einkristallines AlN, besteht im Wesentlichen aus diesem oder besteht aus diesem, und die MQW-Schicht 825 enthält mehrere Al0,55Ga0,45N-Quantentöpfe, die mit Al0,75Ga0,25N-Sperrschichten verschachtelt sind, besteht im Wesentlichen aus diesen oder besteht aus diesen, und die Deckschicht 840 ist um etwa 2,4% gitterfehlanpasst. Die Deckschicht 840 kann im wesentlichen relaxiert sein, d.h. sie kann einen Gitterparameter haben, der ungefähr gleich ihrer theoretischen unverspannten Gitterkonstante ist. Eine teilweise oder im Wesentlichen relaxierte Deckschicht 840 kann verspannungsentlastende Versetzungen mit Segmenten enthalten, die sich auf die Oberfläche der Deckschicht 840 durchziehen (solche Versetzungen können als „Fadenversetzungen“ bezeichnet werden). Die Fadenversetzungsdichte einer relaxierten Deckschicht 840 kann z.B. um eine, zwei oder drei Größenordnungen oder sogar noch mehr größer sein als die des Substrats 805 und/oder der unter der Deckschicht 840 liegenden Schichten.
  • In Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Anwendung von Licht (z.B. Laserlicht) und/oder Wärme genutzt werden, um das gesamte Substrat 805 oder einen Teil davon wie in der Patentanmeldung '031 beschrieben von der restlichen Vorrichtungsstruktur 800 zu trennen. Vor einer solchen Substrattrennung kann die Vorrichtungsstruktur 800 an einem Handhabungs-Wafer (nicht abgebildet) befestigt werden, z.B. durch Wafer-Bonding oder durch ein Klebematerial. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Vorrichtungsstruktur 800 durch Verwendung eines Zwischenmaterials wie z.B. Photoresist (z.B. SU-8), Glasfritte, ein organisches Material wie Benzocyclobuten (BCB) usw. mit dem Handhabungs-Wafer verbunden werden. Wafer-Bonding-Techniken, einschließlich reversibler Techniken (d.h. Techniken, bei denen der Handhabungs-Wafer nach dem Bonding und Bearbeiten einfach entfernt wird), sind den Fachleuten bekannt und können ohne unangemessene Experimente durchgeführt werden. Der Handhabungs-Wafer kann zumindest im Wesentlichen transparent für Licht sein, das von der aktiven Struktur 815 emittiert wird, und/oder für Licht, das zur Trennung des Substrats 805 verwendet wird (z.B. durch Absorption innerhalb der Trennschicht 810). Der Handhabungs-Wafer kann ein oder mehrere Halbleitermaterialien, z.B. Saphir, Quarz usw., enthalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. Zur Substrattrennung kann Wärme und/oder Licht mit einer Wellenlänge, die einer Absorptionsbande innerhalb der Trennschicht 810 entspricht (z.B. etwa 310 nm für sauerstoffdotiertes AlN), in die Vorrichtungsstruktur 800 emittiert werden (z.B. von unterhalb des Substrats 805 und/oder von einer oder mehreren Seiten der Verbundstruktur). (Wie hier verwendet, ist eine Wellenlänge, die einer Absorptionsbande „entspricht“, ausreichend nahe an der Absorptionsbande, so dass eine Lichtmenge, die ausreicht, um zumindest eine teilweise Freisetzung eines darunterliegenden Substrats und/oder einer darunterliegenden Schicht zu bewirken, innerhalb der Schicht mit der Absorptionsbande absorbierbar ist). In verschiedenen Ausführungsformen besteht das Licht hauptsächlich aus einer oder enthält eine Wellenlänge, die innerhalb von ±20 nm, innerhalb von ±10 nm, innerhalb von ±5 nm, innerhalb von ±2 nm oder innerhalb von ±1 nm der Wellenlänge einer Absorptionsbande innerhalb der Freigabeschicht 810 liegt. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Freisetzungsschicht 810 mehr als eine Absorptionsbande aufweisen (z. B. aufgrund der Einführung von zwei oder mehr verschiedenen Dotierstoffen), und das Licht kann hauptsächlich aus einer oder mehreren Wellenlängen bestehen oder eine oder mehrere Wellenlängen enthalten, die innerhalb von ±20 nm, innerhalb von ±10 nm, innerhalb von ±5 nm, innerhalb von ±2 nm oder innerhalb von ±1 nm der Wellenlänge einer oder mehrerer der Absorptionsbanden innerhalb der Freisetzungsschicht 810 liegen. Die Absorption des Lichts und/oder der Wärme innerhalb der Trennschicht 810 führt zu einer lokalen Erwärmung innerhalb der Trennschicht 810, die für Trennschichten 810 mit geringerer Wärmeleitfähigkeit vergrößert werden kann. Die lokale Erwärmung führt zu Rissbildung und anschließendem Bruch innerhalb der Trennschicht 810 und/oder an der Grenzfläche zwischen der Trennschicht 810 und dem Substrat 805, wodurch das Substrat 805 (oder zumindest ein Teil davon) von der Vorrichtungsstruktur 800 entfernt wird. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann das Licht mit einer Fluenz im Bereich von z.B. ca. 500 mJ/cm2 bis ca. 1000 mJ/cm2 aufgebracht werden. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann das Licht als ein oder mehrere Pulse aufgebracht werden. Solche Impulse können eine Dauer von z.B. etwa 10 ms bis etwa 100 ms haben.
  • In verschiedenen Ausführungsformen bleibt beim Entfernen des Substrats 805 mindestens ein Teil der Trennschicht 810 an der Vorrichtungsstruktur 800 haften. Nach dem Entfernen des Substrats 805 kann jeder verbleibende Teil der Trennschicht 810 entfernt werden (z.B. durch selektives Ätzen oder Schleifen und/oder Polieren). Ein metallischer Kontakt kann in Kontakt mit der unteren Kontaktschicht 820 gebildet werden, und die Vorrichtungsstruktur 800 kann zur Emission von Licht ohne Absorption desselben durch das Substrat 805 verwendet werden. Der Metallkontakt kann auf der „unteren“ Oberfläche der unteren Kontaktschicht 820 (d.h. der Oberfläche der unteren Kontaktschicht 820 gegenüber der oberen Kontaktschicht) gebildet werden, oder ein Teil der Struktur kann weggeätzt werden, so dass der Metallkontakt auf einer so freigelegten „oberen“ Oberfläche der unteren Kontaktschicht (d.h. der Oberfläche der unteren Kontaktschicht 820 gegenüber der vorhergehenden Stelle des Substrats 805) gebildet werden kann. In verschiedenen Ausführungsformen wird jeder Handhabungs-Wafer, der im Substrat-Trennprozess verwendet wird, von der Vorrichtungsstruktur 800 entfernt, während in anderen Ausführungsformen der Handhabungs-Wafer an der Bausteinstruktur 800 befestigt bleibt.
  • Wie bereits erwähnt, können nach der vollständigen oder teilweisen Entfernung des Substrats 805 elektrische Kontakte zu der unteren Kontaktschicht 820 und der Deckschicht 840 hergestellt werden, so dass die Vorrichtungsstruktur 800 mit Strom versorgt werden kann, was zu einer Lichtemission von dort führt. Die und zeigen verschiedene Vorrichtungsstrukturen 900 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen, in denen eine untere Elektrodenschicht 910 unter der neu freigelegten unteren Kontaktschicht 820 nach Entfernung des Substrats 805 ( und auf einem Teil der unteren Kontaktschicht 820 nach Entfernung des Substrats 805 und Maskierung und Entfernung eines Teils der aktiven Struktur 815 ( gebildet wird. Die Zusammensetzung und/oder Form der unteren Elektrodenschicht 910 ist nicht besonders begrenzt, solange sie die Injektion von Ladungsträgern (z.B. Elektronen) in die untere Kontaktschicht 820 ermöglicht. In Ausführungsformen, bei denen Elektronen in eine n-dotierte Halbleiterbodenkontaktschicht 820 auf Nitridbasis injiziert werden, kann die untere Elektrodenschicht 910 ein oder mehrere Metalle, wie z.B. Ti, Al, Au, Pt, Ni und/oder V, Legierungen oder Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Metalle oder Elektrodenmaterialien auf Oxidbasis und/oder transparente Elektrodenmaterialien wie Indiumzinnoxid (ITO) enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. In Ausführungsformen, bei denen Löcher in eine p-dotierte Halbleiterbodenkontaktschicht 820 auf Nitridbasis injiziert werden, kann die untere Elektrodenschicht 910 ein oder mehrere Metalle mit großen Austrittsarbeitsfunktionen, z.B. Ni, Au, Pt, Ag, Rh und/oder Pd, Legierungen oder Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Metalle oder Elektrodenmaterialien auf Oxidbasis und/oder transparente Elektrodenmaterialien wie Indiumzinnoxid (ITO) enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die unteren Elektrodenschichten 910 entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung sind nicht auf diese Materialien beschränkt. Die Dicke der unteren Elektrodenschicht 910 kann z.B. zwischen etwa 10 nm und etwa 100 nm oder zwischen etwa 10 nm und etwa 50 nm oder zwischen etwa 10 nm und etwa 30 nm oder zwischen etwa 25 nm und etwa 40 nm liegen.
  • Nach Bildung der Elektroden 845 und/oder 910 kann die so entstandene lichtemittierende Vorrichtung elektrisch mit einem Gehäuse verbunden werden, z.B. wie in dem am 6. April 2015 eingereichten U.S. Patent Nr. 9,293,670 (das '670-Patent) beschrieben, dessen gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Auf der Vorrichtung kann auch eine Linse positioniert werden, um das von der Vorrichtung emittierte Licht zu übertragen (und, in verschiedenen Ausführungsformen, zu formen). Zum Beispiel kann eine starre Linse über der Vorrichtung angeordnet werden, wie im Patent '670 oder im US-Patent Nr. 8.962.359 , eingereicht am 19. Juli 2012, oder im US-Patent Nr. 9.935.247 , eingereicht am 23. Juli 2015, beschrieben, deren gesamte Offenbarungen durch Bezugnahme hierin eingeschlossen sind. Nach dem Verpacken kann jeder Handhabungs-Wafer, der auf der aktiven Struktur 815 verbleibt, entfernt werden.
  • In Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der Erfindung können auf Wunsch auch andere Techniken zur teilweisen oder vollständigen Entfernung des Substrats eingesetzt werden. Zum Beispiel können Ätztechniken, wie die elektrochemischen Ätztechniken, die in der am 16. Oktober 2018 eingereichten U.S. Patentanmeldung Serial No. 16/161,320 beschrieben sind und deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin eingeschlossen ist, verwendet werden.
  • ist eine schematische Darstellung einer UV-LED 1000, die auf einem AlN-Substrat in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Wie gezeigt, weist die UV LED 1000 einen Satz von Schichten auf, die epitaktisch über dem AlN-Substrat 805 aufgewachsen sind, sowie zwei oberseitige Metallkontakte 845, 850. Konkret befindet sich unmittelbar über dem Substrat eine 500 nm dicke Schicht 1010 aus undotiertem (d.h. unbeabsichtigt dotiertem) AlN, darüber eine untere Kontaktschicht 820 aus n-dotiertem (mit Si in einer Konzentration von 2×1018 cm-3) Al0,83Ga0,17N, welche eine Dicke von 500 nm aufweist. Über der unteren Kontaktschicht 820 befindet sich eine MQW-Schicht 825 mit fünf Sätzen eines 2 nm dicken Al0,78Ga0,22N-Quantentopfes und einer 6 nm dicken Al0,85Ga0,15N-Barriere, die alle undotiert sind. Über der MQW-Schicht 825 befindet sich eine 10 nm dicke Elektronensperrschicht 830, die aus undotiertem Al0,95Ga0,05N besteht. Über der Elektronenblockierschicht 830 befindet sich eine undotierte gradierte Schicht 835, die von Al0,95Ga0,05N bis GaN über eine Dicke von 30 nm abgestuft ist. Über der gradierten Schicht 835 befindet sich schließlich eine 10 nm dicke p-dotierte (mit Mg in einer Konzentration von 1 × 1019 cm-3) GaN-Deckschicht 840. Die p-Metallschicht 845 wird über der Deckschicht 840 gebildet, während die n-Metallschicht 850 über der unteren Kontaktschicht 850 gebildet wird (die durch Wegätzen der darüberliegenden Struktur, wie oben beschrieben, freigelegt wird). ist eine Draufsicht-Aufnahme der UV-LED 1000 aus bei Emission von Licht bei etwa 230 nm. Vorrichtungen wie die in den und dargestellten zeigten Ausgangsleistungen zwischen 20 µW und 500 µW bei Strömen von 20 mA und bei Raumtemperatur im kontinuierlichen Wellenbetrieb (CW-Betrieb). Diese Ausgangsleistungen weisen auf externe Quantenwirkungsgrade von 0,02% bis 0,5% im Wellenlängenbereich von 228 nm bis 238 nm hin.
  • Die Züchtung von Volumeneinkristallen wurde hier in erster Linie als eine Technik beschrieben, die allgemein als „Sublimations-“ oder „Sublimations-Rekondensationstechnik“ bezeichnet wird, bei der der Quelldampf zumindest teilweise erzeugt wird, wenn zur Herstellung von AlN kristalline Feststoffe aus AlN oder andere Feststoffe oder Flüssigkeiten, die AlN, Al oder N enthalten, bevorzugt sublimieren. Der Quelldampf kann jedoch ganz oder teilweise durch die Injektion von Quellgasen oder ähnliche Techniken erreicht werden, die einige als „Hochtemperatur-CVD“ bezeichnen würden. Manchmal werden auch andere Begriffe verwendet, um diese und andere Techniken zu beschreiben, die zur Züchtung von AlN-Volumeneinkristallen in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden. Daher werden hier die Begriffe „Abscheidung“, „Züchtung“, „Abscheidung von Dampfspezies“ und ähnliche Begriffe verwendet, um allgemein jene Techniken zu bezeichnen, mit denen der Kristall gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung gezüchtet werden kann.
  • Die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es ist nicht beabsichtigt, bei der Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, aber es wird anerkannt, dass im Rahmen der beanspruchten Erfindung verschiedene Modifikationen möglich sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62686883 [0001]
    • US 6770135 [0004]
    • US 9447519 [0006]
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    • US 8080833 [0106, 0130]
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    • US 9299880 [0130]
    • US 9293670 [0134]
    • US 8962359 [0134]
    • US 9935247 [0134]
    • US 16161320 [0135]

Claims (180)

  1. AlN-Einkristall mit einer Urbach Energie im Bereich von etwa 0,2 eV bis etwa 1,8 eV innerhalb eines einfallenden Photonenenergiebereichs von 5,85 eV bis 6,0 eV, wobei die Urbach Energie EU definiert ist durch In  α = In  α 0 + ( h v E U )
    Figure DE112019003108T5_0008
    wobei α ein Absorptionskoeffizient des AIN-Einkristalls bei einer einfallenden Photonenenergie hv ist, und α0 eine Konstante ist, die dem Absorptionskoeffizienten bei der Photonenenergie Null entspricht.
  2. AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei die Urbach-Energie im Bereich von etwa 0,21 eV bis etwa 1,0 eV liegt.
  3. AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei der AlN-Einkristall ein Substrat mit einem Durchmesser von mindestens etwa 25 mm ist.
  4. AlN-Einkristall nach Anspruch 3, wobei der Durchmesser mindestens etwa 50 mm beträgt.
  5. AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei der Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizient des AIN-Einkristalls für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm weniger als 10 cm-1 beträgt.
  6. AlN-Einkristall nach Anspruch 5, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm beträgt.
  7. AlN-Einkristall nach Anspruch 5, wobei der UV-Absorptionskoeffizient innerhalb von ±2 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm konstant ist.
  8. AlN-Einkristall nach Anspruch 5, wobei der UV-Absorptionskoeffizient innerhalb von ±1 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm konstant ist.
  9. AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei der Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls für einen gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm weniger als 30 cm-1 beträgt.
  10. AlN-Einkristall nach Anspruch 9, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm beträgt.
  11. AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei der Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls für einen gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm weniger als 8 cm-1 beträgt.
  12. AlN-Einkristall nach Anspruch 11, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm beträgt.
  13. AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei der Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls für einen gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm weniger als 20 cm-1 beträgt.
  14. AlN-Einkristall nach Anspruch 13, wobei der UV-Absorptionskoeffizient bei einer Wellenlänge von 220 nm weniger als 15 cm-1 beträgt.
  15. AlN-Einkristall nach Anspruch 13, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm beträgt.
  16. AlN-Einkristall nach Anspruch 13, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 10 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm beträgt.
  17. AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei der Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizient des AIN-Einkristalls für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm weniger als 15 cm-1 beträgt.
  18. AlN-Einkristall nach Anspruch 17, wobei der UV-Absorptionskoeffizient bei einer Wellenlänge von 230 nm weniger als 10 cm-1 beträgt.
  19. AlN-Einkristall nach Anspruch 17, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm beträgt.
  20. AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei der Ultraviolett-(UV)-Absorptionskoeffizient des AIN-Einkristalls für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm weniger als 15 cm-1 beträgt.
  21. AlN-Einkristall nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine darüber angeordnete lichtemittierende Vorrichtung.
  22. AlN-Einkristall nach Anspruch 21, wobei die lichtemittierende Vorrichtung (i) eine Leuchtdiode oder einen Laser umfasst und (ii) so konfiguriert ist, dass sie ultraviolettes Licht emittiert.
  23. AlN-Einkristall mit einem Ultraviolett-(UV) Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm.
  24. AlN-Einkristall nach Anspruch 23, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm beträgt.
  25. AlN-Einkristall nach Anspruch 23, wobei der AlN-Einkristall ein Substrat mit einem Durchmesser von mindestens etwa 25 mm ist.
  26. AlN-Einkristall nach Anspruch 25, wobei der Durchmesser mindestens etwa 50 mm beträgt.
  27. AlN-Einkristall nach Anspruch 23, wobei der UV-Absorptionskoeffizient innerhalb von ±2 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm konstant ist.
  28. AlN-Einkristall nach Anspruch 23, wobei der UV-Absorptionskoeffizient innerhalb von ±1 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm konstant ist.
  29. AlN-Einkristall nach Anspruch 23, wobei der UV-Absorptionskoeffizient für einen gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 218 nm weniger als 30 cm-1 beträgt.
  30. AlN-Einkristall nach Anspruch 23, wobei der UV-Absorptionskoeffizient weniger als 8 cm-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm beträgt.
  31. AlN-Einkristall nach Anspruch 23, wobei der UV-Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls für einen gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 218 nm weniger als 20 cm-1 beträgt.
  32. AlN-Einkristall nach Anspruch 31, wobei der UV-Absorptionskoeffizient bei einer Wellenlänge von 218 nm weniger als 15 cm-1 beträgt.
  33. AlN-Einkristall nach Anspruch 23, weiterhin umfassend eine darauf angeordnete lichtemittierende Vorrichtung.
  34. AlN-Einkristall nach Anspruch 33, wobei die lichtemittierende Vorrichtung (i) eine Leuchtdiode oder einen Laser umfasst und (ii) so konfiguriert ist, dass sie UV-Licht emittiert.
  35. AlN-Einkristall mit einem Ultraviolett-(UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 30 cm-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm.
  36. AlN-Einkristall nach Anspruch 35, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm beträgt.
  37. AlN-Einkristall nach Anspruch 35, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 10 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm beträgt.
  38. AlN-Einkristall nach Anspruch 35, wobei der AlN-Einkristall ein Substrat mit einem Durchmesser von mindestens etwa 25 mm ist.
  39. AlN-Einkristall nach Anspruch 38, wobei der Durchmesser mindestens etwa 50 mm beträgt.
  40. AlN-Einkristall nach Anspruch 35, wobei der UV-Absorptionskoeffizient für einen gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm weniger als 8 cm-1 beträgt.
  41. AlN-Einkristall nach Anspruch 35, wobei der UV-Absorptionskoeffizient in einem gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm weniger als 20 cm-1 beträgt.
  42. AlN-Einkristall nach Anspruch 35, wobei der UV-Absorptionskoeffizient bei einer Wellenlänge von 220 nm weniger als 20 cm-1 beträgt.
  43. AlN-Einkristall nach Anspruch 35, wobei der UV-Absorptionskoeffizient in einem gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm weniger als 15 cm-1 beträgt.
  44. AlN-Einkristall nach Anspruch 35, wobei der UV-Absorptionskoeffizient für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm weniger als 15 cm-1 beträgt.
  45. AlN-Einkristall nach Anspruch 35, wobei der UV-Absorptionskoeffizient bei einer Wellenlänge von 230 nm weniger als 10 cm-1 beträgt.
  46. AlN-Einkristall nach Anspruch 35, weiterhin umfassend eine darauf angeordnete lichtemittierende Vorrichtung.
  47. AlN-Einkristall nach Anspruch 46, wobei die lichtemittierende Vorrichtung (i) eine Leuchtdiode oder einen Laser umfasst und (ii) so konfiguriert ist, dass sie UV-Licht emittiert.
  48. Lichtemittierende Diode (LED) mit einer lichtemittierenden Vorrichtungsstruktur, die über einem einkristallinen AlN-Substrat angeordnet und so konfiguriert ist, dass sie ultraviolettes (UV) Licht bei einer Wellenlänge im Bereich von 228 nm bis 238 nm emittiert, und die eine externe Quanteneffizienz im Bereich von 0,02 % bis 0,5 % aufweist.
  49. LED nach Anspruch 48, wobei das AlN-Substrat eine Urbach Energie im Bereich von etwa 0,2 eV bis etwa 1,8 eV innerhalb eines einfallenden Photonenenergiebereichs von 5,85 eV bis 6,0 eV hat, wobei die Urbach Energie EU definiert ist durch In  α = In  α 0 + ( h v E U )
    Figure DE112019003108T5_0009
    wobei α ein Absorptionskoeffizient des AIN-Einkristalls bei einer einfallenden Photonenenergie hv ist, und α0 eine Konstante ist, die dem Absorptionskoeffizienten bei der Photonenenergie Null entspricht.
  50. LED nach Anspruch 49, wobei die Urbach-Energie des AlN-Substrats im Bereich von etwa 0,21 eV bis etwa 1,0 eV liegt.
  51. LED nach Anspruch 48, wobei das AlN-Substrat einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm aufweist.
  52. LED nach Anspruch 51, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm beträgt.
  53. LED nach Anspruch 51, wobei der UV-Absorptionskoeffizient innerhalb von ±2 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm konstant ist.
  54. LED nach Anspruch 51, wobei der UV-Absorptionskoeffizient innerhalb von ±1 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm konstant ist.
  55. LED nach Anspruch 48, wobei das AlN-Substrat einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 30 cm-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm aufweist.
  56. Die LED nach Anspruch 55, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm beträgt.
  57. LED nach Anspruch 48, wobei das AlN-Substrat einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 8 cm-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm aufweist.
  58. LED nach Anspruch 57, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm beträgt.
  59. LED nach Anspruch 48, wobei das AlN-Substrat einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 20 cm-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm aufweist.
  60. LED nach Anspruch 59, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm beträgt.
  61. LED nach Anspruch 59, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 10 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm beträgt.
  62. LED nach Anspruch 48, wobei das AlN-Substrat einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 20 cm-1 für eine Wellenlänge von 220 nm aufweist.
  63. LED nach Anspruch 62, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für die Wellenlänge von 220 nm beträgt.
  64. LED nach Anspruch 48, wobei das AlN-Substrat einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 15 cm-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm aufweist.
  65. LED nach Anspruch 64, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm beträgt.
  66. LED nach Anspruch 48, wobei das AlN-Substrat einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 15 cm-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm aufweist.
  67. LED nach Anspruch 66, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm beträgt.
  68. LED nach Anspruch 48, wobei das AlN-Substrat einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm-1 für eine Wellenlänge von 230 nm aufweist.
  69. LED nach Anspruch 68, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm-1 für die Wellenlänge von 230 nm beträgt.
  70. Polykristalline AlN-Keramik mit (i) einer Breite von mindestens etwa 0,5 cm und höchstens etwa 2 cm und (ii) einer Kohlenstoffkonzentration von höchstens etwa 60 ppm.
  71. Polykristalline AlN-Keramik nach Anspruch 70, wobei die Kohlenstoffkonzentration mindestens etwa 5 ppm beträgt.
  72. Polykristalline AlN-Keramik nach Anspruch 70, wobei die Kohlenstoffkonzentration zwischen etwa 5 ppm und etwa 26 ppm liegt.
  73. Polykristalline AlN-Keramik nach Anspruch 70, wobei die polykristalline AlN-Keramik eine Sauerstoffkonzentration von weniger als 100 ppm aufweist.
  74. Polykristalline AlN-Keramik nach Anspruch 70, wobei die polykristalline AlN-Keramik weniger als 0,1% überschüssiges Al enthält.
  75. Polykristallines AlN-Keramik nach Anspruch 70, wobei eine Dichte des polykristallinen AlN-Keramikmaterials, gemessen durch Pyknometrie bei Raumtemperatur, im Bereich von etwa 3,25 g/cm3 bis etwa 3,26 g/cm3 liegt.
  76. Polykristallines AlN-Keramik nach Anspruch 70, wobei die Dichte der polykristallinen AlN-Keramik, gemessen durch Pyknometrie bei Raumtemperatur, im Bereich von etwa 2,95 g/cm3 bis etwa 3,20 g/cm3 liegt.
  77. Verfahren zur Verbesserung der Ultraviolett-(UV-)Transparenz eines einkristallinen AlN-Volumenkristalls, wobei das Verfahren umfasst: Einbringen des AlN-Volumenkristalls in eine Heizkammer; Bereitstellen von Stickstoffgas innerhalb der Heizkammer bei einem Druck von etwa 1 bar bis etwa 2 bar; stufenförmiges Erhöhen einer Temperatur innerhalb der Heizkammer auf eine Glühtemperatur mit einer Stufenrate im Bereich von etwa 1°C/min bis etwa 50°C/min, wobei die Glühtemperatur im Bereich von etwa 2100°C bis etwa 2500°C liegt; Glühen des AlN-Volumenkristalls bei der Glühtemperatur über einen Zeitraum von etwa 0,5 Stunden bis etwa 5 Stunden; und danach, Abkühlen des AlN-Volumenkristalls über einen Kühlkreislauf umfassend: Abkühlen des AlN- Volumenkristalls von der Glühtemperatur auf eine erste Temperatur im Bereich von 800°C bis 1250°C über einen Zeitraum von 10 bis 100 Stunden; und danach, Abkühlen des AlN-Volumenkristalls auf etwa Raumtemperatur.
  78. Verfahren nach Anspruch 77, wobei, bevor der AlN-Volumenkristall in der Heizkammer angeordnet wird, eine Sauerstoffkonzentration innerhalb des AlN-Volumenkristalls im Bereich zwischen etwa 1 × 1018 cm-3 und etwa 1 × 1019 cm-3 und eine Kohlenstoffkonzentration innerhalb des AlN-Volumenkristalls im Bereich zwischen etwa 1 × 1018 cm-3 und etwa 1 × 1019 cm-3 liegt.
  79. Verfahren nach Anspruch 77, wobei ein Innenraum der Heizkammer ein oder mehrere Refraktärmetalle enthält.
  80. Verfahren nach Anspruch 77, wobei ein Innenraum der Heizkammer W umfasst.
  81. Verfahren nach Anspruch 77, weiterhin umfassend, vor dem Einbringen des AlN-Volumenkristalls in der Heizkammer, Erhitzen eines Innenraums der Heizkammer auf eine Temperatur von nicht weniger als 2600°C unter einem Druck von weniger als 1 bar.
  82. Verfahren nach Anspruch 81, wobei das Innere der Heizkammer für eine Zeit zwischen etwa 0,5 Stunden und etwa 2 Stunden erhitzt wird.
  83. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die Heizkammer einen Widerstandsofen oder einen Hochfrequenzofen umfasst.
  84. Verfahren nach Anspruch 77, wobei der AlN-Volumenkristall bei der Glühtemperatur zumindest quasi-isotherm geglüht wird.
  85. Verfahren nach Anspruch 77, wobei, bevor der AlN-Volumenkristall in der Heizkammer eingebracht wird, der AlN-Volumenkristall in einer von der Heizkammer verschiedenen Kristallwachstumskammer gezüchtet wird.
  86. Verfahren nach Anspruch 77, weiterhin umfassend das Abtrennen eines einkristallinen AlN-Substrats mit einem Durchmesser von mindestens 25 mm vom AlN-Volumenkristall.
  87. Verfahren nach Anspruch 86 weiterhin umfassend die Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung über mindestens einen Teil des AlN-Substrats.
  88. Verfahren nach Anspruch 87, wobei die lichtemittierende Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie ultraviolettes Licht emittiert.
  89. Verfahren nach Anspruch 77, wobei der AlN-Volumenkristall ein einkristallines AlN-Substrat mit einem Durchmesser von mindestens 25 mm umfasst.
  90. Verfahren nach Anspruch 89 weiterhin umfassend die Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung über mindestens einen Teil des AlN-Substrats.
  91. Verfahren nach Anspruch 90, wobei die lichtemittierende Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie ultraviolettes Licht emittiert.
  92. Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer polykristallinen AlN-Volumenkeramik; Einbringen mindestens eines Teils der AlN-Keramik in einen ersten Tiegel; Glühen des mindestens einen Teils der AlN-Keramik im ersten Tiegel, wodurch eine polykristalline AlN-Quelle gebildet wird, wobei das Glühen umfasst: (i) Erhitzen des mindestens einen Teils der AlN-Keramik bei einer ersten Temperatur im Bereich von 1100°C bis 2000°C für ein erstes Mal im Bereich von 2 Stunden bis 25 Stunden und (ii) danach, Erhitzen des mindestens einen Teils der AlN-Keramik bei einer zweiten Temperatur im Bereich von 1900°C bis 2250°C für ein zweites Mal im Bereich von 3 Stunden bis 15 Stunden, wobei die zweite Temperatur höher als die erste Temperatur ist, oder (i) Erhitzen des mindestens einen Teils der AlN-Keramik während einer Temperaturstufe auf eine dritte Temperatur im Bereich von 1900°C bis 2250°C für ein drittes Mal im Bereich von 5 Stunden bis 25 Stunden und (ii) danach, Erhitzen des mindestens einen Teils der AlN-Keramik auf eine vierte Temperatur im Bereich von 1900°C bis 2250°C über ein viertes Mal im Bereich von 3 Stunden bis 25 Stunden; Kühlen der AlN-Quelle auf etwa Raumtemperatur; Anordnen eines zweiten Tiegels in einem Ofen, der die AlN-Quelle und einen Impfkristall aus einkristallinem AlN enthält; Erhitzen des zweiten Tiegels mit dem Ofen auf eine Wachstumstemperatur von mindestens 2000°C; Halten des zweiten Tiegels bei der Wachstumstemperatur während einer Glühzeit von 1 Stunde bis 10 Stunden; nach der Glühzeit, während sich der zweite Tiegel auf der Wachstumstemperatur befindet, (i) Kondensieren von Dampf, der Aluminium und Stickstoff enthält, auf dem Impfkristall, wodurch eine einkristalline AlN-Boule gebildet wird, die sich vom Impfkristall aus erstreckt, und (ii) Bewegen des zweiten Tiegels relativ zum Ofen, wobei eine Wachstumsrate der AlN-Boule ungefähr gleich einer Rate der Relativbewegung zwischen dem zweiten Tiegel und dem Ofen ist; und danach, Abkühlen der AlN-Boule auf etwa Raumtemperatur.
  93. Verfahren nach Anspruch 92, wobei, vor dem Glühen, der mindestens eine Teil der AlN-Keramik (i) weniger als etwa 1% Al im Überschuss und (ii) eine Sauerstoffkonzentration von weniger als 2 × 1019 cm-3 aufweist.
  94. Verfahren nach Anspruch 92, wobei die erste Temperatur im Bereich von 1100°C bis 1900°C liegt.
  95. Verfahren nach Anspruch 92, wobei die zweite Temperatur im Bereich von 2000°C bis 2250°C liegt.
  96. Verfahren nach Anspruch 92, wobei die dritte Temperatur im Bereich von 2000°C bis 2250°C liegt.
  97. Verfahren nach Anspruch 92, wobei die vierte Temperatur im Bereich von 2000°C bis 2250°C liegt.
  98. Verfahren nach Anspruch 92, wobei die Wachstumstemperatur etwa 2300°C oder weniger beträgt.
  99. Verfahren nach Anspruch 92, wobei der Durchmesser des AlN-Boule mindestens etwa 25 mm beträgt.
  100. Verfahren nach Anspruch 92, wobei ein Durchmesser der AlN-Boule mindestens etwa 50 mm beträgt.
  101. Verfahren nach Anspruch 92, weiterhin umfassend, vor dem Einbringen des mindestens einen Teils der AlN-Keramik in den ersten Tiegel, (i) Fragmentieren der AlN-Keramik in Fragmente und (ii) Auswählen eines oder mehrerer Fragmente mit jeweils einer Breite von mehr als etwa 0,5 cm und weniger als etwa 2 cm als den mindestens einen Teil der AlN-Keramik.
  102. Verfahren nach Anspruch 92, wobei eine kristalline Orientierung des Impfkristalls im Wesentlichen parallel zu einer c-Achse ist.
  103. Verfahren nach Anspruch 92, wobei der erste Tiegel und der zweite Tiegel derselbe Tiegel sind.
  104. Verfahren nach Anspruch 92, wobei der erste Tiegel und der zweite Tiegel unterschiedliche Tiegel sind.
  105. Verfahren nach Anspruch 92, wobei die Wachstumsrate mindestens 0,5 mm/Stunde beträgt.
  106. Verfahren nach Anspruch 92, wobei die Glühzeit etwa 5 Stunden beträgt.
  107. Verfahren nach Anspruch 92, wobei der Durchmesser des Impfkristalls etwa 25 mm oder größer ist.
  108. Verfahren nach Anspruch 92 weiterhin umfassend das Abtrennen eines einkristallinen AlN-Substrats mit einem Durchmesser von mindestens 25 mm von der AlN-Boule.
  109. Verfahren nach Anspruch 108 weiterhin umfassend die Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung über mindestens einen Teil des AlN-Substrats.
  110. Verfahren nach Anspruch 109, wobei die lichtemittierende Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie ultraviolettes Licht emittiert.
  111. Verfahren nach Anspruch 92 weiterhin umfassend, nach dem Abkühlen der AlN-Boule auf ungefähr Raumtemperatur: Einbringen mindestens einen Teils der AlN-Boule in eine Heizkammer, die vom ersten und zweiten Tiegel verschieden ist; Bereitstellen von Stickstoffgas innerhalb der Heizkammer bei einem Druck von etwa 0,5 bar bis etwa 2 bar; stufenförmiges Erhöhen einer Temperatur innerhalb der Heizkammer auf eine Glühtemperatur mit einer Stufenrate im Bereich von etwa 1°C/min bis etwa 50°C/min, wobei die Glühtemperatur im Bereich von etwa 2100°C bis etwa 2500°C liegt; Glühen des mindestens einen Teils der AlN-Boule bei der Glühtemperatur über einen Zeitraum von etwa 0,5 bis etwa 100 Stunden; und danach, Abkühlen des zumindest eines Teils der AlN-Boule über einen Kühlkreislauf umfassend: Abkühlen des mindestens eines Teils der AlN-Boule von der Glühtemperatur auf eine fünfte Temperatur im Bereich von 800°C bis 1250°C über einen Zeitraum von 10 Stunden bis 100 Stunden; und danach, Abkühlen des zumindest einen Teils der AlN-Boule auf etwa Raumtemperatur.
  112. Verfahren nach Anspruch 111, wobei Stickstoffgas innerhalb der Heizkammer bei einem Druck im Bereich von etwa 1 bar bis etwa 2 bar bereitgestellt wird.
  113. Verfahren nach Anspruch 111, wobei der mindestens eine Teil der AlN-Boule über einen Zeitraum von etwa 0,5 Stunden bis etwa 5 Stunden geglüht wird.
  114. Verfahren nach Anspruch 111, wobei, während des Kühlzyklus, der mindestens eine Teil der AlN-Boule von der Glühtemperatur auf die fünfte Temperatur über einen Zeitraum von 10 bis 20 Stunden abgekühlt wird.
  115. Verfahren nach Anspruch 111, weiterhin umfassend, vor dem Einbringen des mindestens einen Teils der AlN-Boule in die Heizkammer, Abtrennen eines oder mehrerer AlN-Substrate von der AlN-Boule, wobei der mindestens eine Teil der AlN-Boule das eine oder die mehreren AlN-Substrate umfasst.
  116. Verfahren nach Anspruch 111, wobei der mindestens eine Teil der AlN-Boule die AlN-Boule umfasst.
  117. Verfahren nach Anspruch 111, wobei, bevor der mindestens eine Teil der AlN-Boule in der Heizkammer eingebracht wird, die Sauerstoffkonzentration des mindestens einen Teils der AlN-Boule im Bereich von etwa 1 × 1018 cm-3 bis etwa 1 × 1019 cm-3 und die Kohlenstoffkonzentration des mindestens einen Teils der AlN-Boule im Bereich von etwa 1 × 1018 cm-3 bis etwa 1 × 1019 cm-3 liegt.
  118. Verfahren nach Anspruch 111, wobei, bevor der mindestens eine Teil der AlN-Boule in der Heizkammer eingebracht wird, die Sauerstoffkonzentration des mindestens einen Teils der AlN-Boule im Bereich von etwa 1 × 1017 cm-3 bis etwa 1 × 1019 cm-3 und die Kohlenstoffkonzentration des mindestens einen Teils der AlN-Boule im Bereich von etwa 1 × 1017 cm-3 bis etwa 1 × 1019 cm-3 liegt.
  119. Verfahren nach Anspruch 111, wobei ein Innenraum der Heizkammer ein oder mehrere Refraktärmetalle enthält.
  120. Verfahren nach Anspruch 111, wobei ein Innenraum der Heizkammer W umfasst.
  121. Verfahren nach Anspruch 111, weiterhin umfassend, vor dem Einbringen des mindestens einen Teils der AlN-Boule in die Heizkammer, Erhitzen eines Innenraums der Heizkammer auf eine Temperatur von nicht weniger als 2600°C unter einem Druck von weniger als 1 bar.
  122. Verfahren nach Anspruch 121, wobei das Innere der Heizkammer für eine Zeitspanne zwischen etwa 0,5 Stunden und etwa 2 Stunden erhitzt wird.
  123. Verfahren nach Anspruch 111, wobei die Heizkammer einen Widerstandsofen oder einen Hochfrequenzofen umfasst.
  124. Verfahren nach Anspruch 111, wobei der zumindest eine Teil des AlN-Boule bei der Glühtemperatur zumindest quasi-isotherm geglüht wird.
  125. Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer polykristallinen AlN-Volumenkeramik; Einbringen mindestens eines Teils der AlN-Keramik in einen Kristallwachstumstiegel; Einbringen eines Impfkristalls, der einkristallines AlN enthält, in den Kristallwachstumstiegel; Einbringen des Kristallwachstumstiegels in einen Ofen; Erhitzen des Kristallwachstumstiegels mit dem Ofen auf eine Wachstumstemperatur von mindestens 2000°C; Halten des Kristallwachstumstiegels bei der Wachstumstemperatur während einer Glühzeit von 1 Stunde bis 10 Stunden; nach der Glühzeit, während sich der Kristallwachstumstiegel auf der Wachstumstemperatur befindet, (i) Kondensieren von Dampf, der Aluminium und Stickstoff enthält, auf dem Impfkristall, wodurch eine einkristalline AlN-Boule gebildet wird, die sich vom Impfkristall erstreckt, und (ii) Bewegen des Kristallwachstumstiegels relativ zum Ofen, wobei eine Wachstumsrate der AlN-Boule ungefähr gleich einer Rate der Relativbewegung zwischen dem Kristallwachstumstiegel und dem Ofen ist; danach, Abkühlen der AlN-Boule auf etwa Raumtemperatur; nachdem die AlN-Boule auf etwa Raumtemperatur abgekühlt ist, Einbringen des mindestens einen Teils der AlN-Boule in eine vom Kristallwachstumstiegel verschiedene Heizkammer; Bereitstellen von Stickstoffgas innerhalb der Heizkammer bei einem Druck von etwa 0,5 bar bis etwa 2 bar; Stufenförmiges Erhöhen einer Temperatur innerhalb der Heizkammer auf eine Glühtemperatur mit einer Stufenrate im Bereich von etwa 1°C/min bis etwa 50°C/min, wobei die Glühtemperatur im Bereich von etwa 2100°C bis etwa 2500°C liegt; Glühen von mindestens einem Teil der AlN-Boule bei der Glühtemperatur über einen Zeitraum von etwa 0,5 bis etwa 100 Stunden; und danach, Abkühlen des zumindest einen Teils der AlN-Boule über einen Kühlkreislauf umfassend: Abkühlen des mindestens einen Teils der AlN-Boule von der Glühtemperatur auf eine Zwischentemperatur im Bereich von 800°C bis 1250°C über eine Zeitspanne von 10 bis 100 Stunden; und danach, Abkühlen des zumindest einen Teils der AlN-Boule auf etwa Raumtemperatur.
  126. Verfahren nach Anspruch 125, wobei die Wachstumstemperatur etwa 2300°C oder weniger beträgt.
  127. Verfahren nach Anspruch 125, wobei ein Durchmesser der AlN-Boule mindestens etwa 25 mm beträgt.
  128. Verfahren nach Anspruch 125, wobei ein Durchmesser der AlN-Boule mindestens etwa 50 mm beträgt.
  129. Verfahren nach Anspruch 125, weiterhin umfassend, vor dem Einbringen des mindestens einen Teils der AlN-Keramik in den Kristallwachstumstiegel (i) Fragmentieren der AlN-Keramik in Fragmente und (ii) Auswählen eines oder mehrerer Fragmente als den mindestens einen Teil der AlN-Keramik mit jeweils einer Breite von mehr als etwa 0,5 cm und weniger als etwa 2 cm.
  130. Verfahren nach Anspruch 125, wobei eine kristalline Orientierung des Impfkristalls im Wesentlichen parallel zu einer c-Achse ist.
  131. Verfahren nach Anspruch 125, wobei die Wachstumsrate mindestens 0,5 mm/Stunde beträgt.
  132. Verfahren nach Anspruch 125, wobei die Glühzeit etwa 5 Stunden beträgt.
  133. Verfahren nach Anspruch 125, wobei ein Durchmesser des Impfkristalls etwa 25 mm oder größer ist.
  134. Verfahren nach Anspruch 125, weiterhin umfassend das Abtrennen von dem mindestens einen Teil der AlN-Boule eines einkristallinen AlN-Substrats mit einem Durchmesser von mindestens 25 mm.
  135. Verfahren nach Anspruch 134 weiterhin umfassend die Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung über mindestens einen Teil des AlN-Substrats.
  136. Verfahren nach Anspruch 135, wobei die lichtemittierende Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie ultraviolettes Licht emittiert.
  137. Verfahren nach Anspruch 125, wobei Stickstoffgas innerhalb der Heizkammer bei einem Druck im Bereich von etwa 1 bar bis etwa 2 bar bereitgestellt wird.
  138. Verfahren nach Anspruch 125, wobei der mindestens eine Teil der AlN-Boule über einen Zeitraum von etwa 0,5 Stunden bis etwa 5 Stunden geglüht wird.
  139. Verfahren nach Anspruch 125, wobei, während des Kühlzyklus, der mindestens eine Teil der AlN-Boule von der Glühtemperatur auf die Zwischentemperatur über einen Zeitraum von 10 bis 20 Stunden abgekühlt wird.
  140. Verfahren nach Anspruch 125, weiterhin umfassend, vor dem Einbringen des mindestens einen Teils der AlN-Boule in die Heizkammer, Abtrennen eines oder mehrerer AlN-Substrate von der AlN-Boule, wobei der mindestens eine Teil der AlN-Boule das eine oder die mehreren AlN-Substrate umfasst.
  141. Verfahren nach Anspruch 125, wobei der zumindest eine Teil der AlN-Boule die AlN-Boule umfasst.
  142. Verfahren nach Anspruch 125, wobei ein Innenraum der Heizkammer ein oder mehrere Refraktärmetalle enthält.
  143. Verfahren nach Anspruch 125, wobei ein Innenraum der Heizkammer W umfasst.
  144. Verfahren nach Anspruch 125, weiterhin umfassend, vor dem Einbringen des mindestens einen Teils der AlN-Boule innerhalb der Heizkammer, Erwärmen eines Innenraums der Heizkammer auf eine Temperatur von nicht weniger als 2600°C unter einem Druck von weniger als 1 bar.
  145. Verfahren nach Anspruch 144, wobei das Innere der Heizkammer für eine Zeit zwischen etwa 0,5 Stunden und etwa 2 Stunden erhitzt wird.
  146. Verfahren nach Anspruch 125, wobei die Heizkammer einen Widerstandsofen oder einen Hochfrequenzofen umfasst.
  147. Verfahren nach Anspruch 125, wobei der zumindest eine Teil der AlN-Boule bei der Glühtemperatur zumindest quasi-isotherm geglüht wird.
  148. Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer polykristallinen AlN-Volumenkeramik; Fragmentieren der polykristallinen AlN-Volumenkeramik in Fragmente; Auswählen eines oder mehrerer Fragmente mit einer Breite von jeweils mehr als etwa 0,5 cm und weniger als etwa 2 cm als AlN-Quellmaterial; Einbringen des AlN-Quellmaterials in einen Kristallwachstumstiegel; Einbringen eines Impfkristalls, der einkristallines AlN enthält, in den Kristallwachstumstiegel; Einbringen des Kristallwachstumstiegels in einen Ofen; Erhitzen des Kristallwachstumstiegels mit dem Ofen auf eine Wachstumstemperatur von mindestens 2000°C; Halten des Kristallwachstumstiegels bei der Wachstumstemperatur während einer Glühzeit von 1 Stunde bis 10 Stunden; nach der Glühzeit, während sich der Kristallwachstumstiegel bei der Wachstumstemperatur befindet, (i) Kondensieren von Dampf, der Aluminium und Stickstoff enthält, auf dem Impfkristall, wodurch eine einkristalline AlN-Boule gebildet wird, die sich vom Impfkristall erstreckt, und (ii) Bewegen des Kristallwachstumstiegels relativ zum Ofen, wobei eine Wachstumsrate der AlN-Boule ungefähr gleich einer Rate der Relativbewegung zwischen dem Kristallwachstumstiegel und dem Ofen ist; danach, Abkühlen der AlN-Boule auf etwa Raumtemperatur.
  149. Verfahren nach Anspruch 148, wobei die Bereitstellung der polykristallinen AlN-Volumenkeramik umfasst: (a) Bereitstellen eines Al enthaltenden Pellets in einem Reaktionstiegel; (b) Reagieren des Pellets bei einer Reaktionstemperatur und einem Reaktionsdruck mit Stickstoff; und (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b) zur Bildung der polykristallinen AlN-Volumenkeramik.
  150. Verfahren nach Anspruch 149, wobei keine Sublimations-Rekondensationsbehandlung an der polykristallinen AlN-Volumenkeramik oder dem AlN-Ausgangsmaterial durchgeführt wird, bevor das AlN-Ausgangsmaterial in den Kristallwachstumstiegel gegeben wird.
  151. Verfahren nach Anspruch 149, wobei, wenn die polykristalline AlN-Volumenkeramik nach Schritt (c) annähernd Raumtemperatur erreicht, die polykristalline AlN-Volumenkeramik (i) weniger als annähernd 1% überschüssiges Al und (ii) eine Sauerstoffkonzentration von weniger als annähernd 100 ppm aufweist.
  152. Verfahren nach Anspruch 149, wobei die Reaktionstemperatur im Bereich von etwa 1600 °C bis etwa 2200 °C liegt.
  153. Verfahren nach Anspruch 149, wobei die Reaktionstemperatur im Bereich von etwa 1900 °C bis etwa 2200 °C liegt.
  154. Verfahren nach Anspruch 149, wobei der Reaktionsdruck im Bereich von etwa 1 bar bis etwa 60 bar liegt.
  155. Verfahren nach Anspruch 149, wobei das Pellet in einer Atmosphäre umgesetzt wird, die (i) Stickstoffgas enthält und (ii) im Wesentlichen frei von Wasserstoff ist.
  156. Verfahren nach Anspruch 148, wobei die polykristalline AlN-Volumenkeramik eine Kohlenstoffkonzentration im Bereich von etwa 100 ppm bis etwa 300 ppm aufweist.
  157. Verfahren nach Anspruch 148, wobei das AlN-Quellmaterial eine Kohlenstoffkonzentration im Bereich von etwa 5 ppm bis etwa 60 ppm aufweist.
  158. Verfahren nach Anspruch 148, wobei das AlN-Quellmaterial eine Kohlenstoffkonzentration im Bereich von etwa 5 ppm bis etwa 26 ppm aufweist.
  159. Verfahren nach Anspruch 148, wobei die Wachstumstemperatur etwa 2300°C oder weniger beträgt.
  160. Verfahren nach Anspruch 148, wobei der Durchmesser der AlN-Boule mindestens etwa 25 mm beträgt.
  161. Verfahren nach Anspruch 148, wobei ein Durchmesser der AlN-Boule mindestens etwa 50 mm beträgt.
  162. Verfahren nach Anspruch 148, wobei eine kristalline Orientierung des Impfkristalls im Wesentlichen parallel zu einer c-Achse ist.
  163. Verfahren nach Anspruch 148, wobei die Wachstumsrate mindestens 0,5 mm/Stunde beträgt.
  164. Verfahren nach Anspruch 148, wobei die Glühzeit etwa 5 Stunden beträgt.
  165. Verfahren nach Anspruch 148, wobei ein Durchmesser des Impfkristalls etwa 25 mm oder größer ist.
  166. Verfahren nach Anspruch 148, weiterhin umfassend das Abtrennen eines einkristallinen AlN-Substrats mit einem Durchmesser von mindestens 25 mm von der AlN-Boule.
  167. Verfahren nach Anspruch 166, weiterhin umfassend die Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung über mindestens einem Teil des AlN-Substrats.
  168. Verfahren nach Anspruch 167, wobei die lichtemittierende Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie ultraviolettes Licht emittiert.
  169. Verfahren nach Anspruch 148, weiterhin umfassend, nach dem Abkühlen der AlN-Boule auf annähernd Raumtemperatur: Einbringen mindestens einen Teils der AlN-Boule in eine Heizkammer, die sich von dem Kristallwachstumstiegel unterscheidet; Bereitstellen von Stickstoffgas innerhalb der Heizkammer bei einem Druck von etwa 0,5 bar bis etwa 2 bar; Stufenförmiges Erhöhen einer Temperatur innerhalb der Heizkammer auf eine Glühtemperatur mit einer Stufenrate im Bereich von etwa 1°C/min bis etwa 50°C/min, wobei die Glühtemperatur im Bereich von etwa 2100°C bis etwa 2500°C liegt; Glühen des mindestens einen Teils der AlN-Boule bei der Glühtemperatur über einen Zeitraum von etwa 0,5 bis etwa 100 Stunden; und danach, Abkühlen des zumindest eines Teils der AlN-Boule durch einen Kühlkreislauf umfassend: Abkühlen des mindestens einen Teils der AlN-Boule von der Glühtemperatur auf eine Zwischentemperatur im Bereich von 800°C bis 1250°C über eine Zeitspanne von 10 bis 100 Stunden; und danach, Abkühlen zumindest des einen Teils der AlN-Boule auf etwa Raumtemperatur.
  170. Verfahren nach Anspruch 169, wobei Stickstoffgas innerhalb der Heizkammer bei einem Druck im Bereich von etwa 1 bar bis etwa 2 bar bereitgestellt wird.
  171. Verfahren nach Anspruch 169, bei dem der mindestens eine Teil der AlN-Boule über einen Zeitraum von etwa 0,5 Stunden bis etwa 5 Stunden geglüht wird.
  172. Verfahren nach Anspruch 169, wobei, während des Kühlzyklus, der mindestens eine Teil der AlN-Boule von der Glühtemperatur auf die Zwischentemperatur über einen Zeitraum von 10 bis 20 Stunden abgekühlt wird.
  173. Verfahren nach Anspruch 169, weiterhin umfassend, vor dem Einbringen von mindestens einem Teil der AlN-Boule in der Heizkammer, Abtrennen eines oder mehrerer AlN-Substrate von der AlN-Boule, wobei der mindestens eine Teil der AlN-Boule das eine oder die mehreren AlN-Substrate umfasst.
  174. Verfahren nach Anspruch 169, wobei zumindest ein Teil der AlN-Boule die AlN-Boule umfasst.
  175. Verfahren nach Anspruch 169, wobei ein Innenraum der Heizkammer ein oder mehrere Refraktärmetalle umfasst.
  176. Verfahren nach Anspruch 169, wobei ein Innenraum der Heizkammer W umfasst.
  177. Verfahren nach Anspruch 169, weiterhin umfassend, vor dem Einbringen von mindestens einem Teil der AlN-Boule in der Heizkammer, Erhitzen eines Innenraums der Heizkammer auf eine Temperatur von nicht weniger als 2600°C unter einem Druck von weniger als 1 bar.
  178. Verfahren nach Anspruch 177, wobei das Innere der Heizkammer für eine Zeit zwischen etwa 0,5 Stunden und etwa 2 Stunden erhitzt wird.
  179. Verfahren nach Anspruch 169, wobei die Heizkammer einen Widerstandsofen oder einen Hochfrequenzofen umfasst.
  180. Verfahren nach Anspruch 169, wobei der zumindest eine Teil der AlN-Boule bei der Glühtemperatur zumindest quasi-isotherm geglüht wird.
DE112019003108.2T 2018-06-19 2019-06-18 Verfahren zur Verbesserung der Ultraviolett-(UV-)Transparenz eines einkristallinen AlN-Volumenkristalls, einkristalliner AlN Volumenkristall mit verbesserter Ultraviolett-(UV)-Transparenz, Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN), einkristallines Aluminiumnitrid (AlN), AlN-Einkristall, Verwendung eines AlN-Einkristalls für die Herstellung einer lichtemittierende Diode (LED) und polykristalline AlN-Keramik Active DE112019003108B4 (de)

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