DE112020003863T5

DE112020003863T5 - Durchmessererweiterung von aluminiumnitridkristallen

Info

Publication number: DE112020003863T5
Application number: DE112020003863.7T
Authority: DE
Inventors: Robert Bondokov; Thomas Miebach; Jianfeng Chen; Takashi Suzuki; J. Schowalter Leo
Original assignee: Crystal IS Inc
Current assignee: Crystal IS Inc
Priority date: 2019-08-15
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2022-05-19
Also published as: US20210047749A1; US20210047751A1; CN114667371A; WO2021030394A1

Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen werden Aluminiumnitrid-Einkristalle während des Wachstums rasch im Durchmesser ausgedehnt und weisen große Kristallvergrößerungsparameter auf. Die Aluminiumnitrid-Einkristalle können große Boule-Masse und -Volumen haben. Die Aluminiumnitrid-Einkristalle können aus der Dampfphase mit verstärkten radialen thermischen Gradienten gezüchtet werden, die hohe Raten der Durchmesserausdehnung ermöglichen.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/887,033 , eingereicht am 15. August 2019, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Technisches Gebiet
In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN).
Hintergrund
Aluminiumnitrid (AlN) ist ein vielversprechendes Halbleitermaterial für zahlreiche Anwendungen, z.B. für optoelektronische Bauelemente wie kurzwellige Leuchtdioden (LEDs) und Laser, dielektrische Schichten in optischen Speichermedien, elektronische Substrate und Chipträger, bei denen eine hohe Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist, und vieles mehr. Grundsätzlich können die Eigenschaften von AlN eine Lichtemission bei Wellenlängen bis hinunter zu etwa 200 Nanometern (nm) ermöglichen. Jüngste Arbeiten haben gezeigt, dass ultraviolette (UV) LEDs eine bessere Leistung aufweisen, wenn sie auf AlN-Substraten mit geringen Defekten hergestellt werden, die aus AlN-Einkristallen erhalten wurden. Es wird erwartet, dass die Verwendung von AlN-Substraten aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig niedriger elektrischer Leitfähigkeit auch Hochleistungs-Hochfrequenzgeräte aus Nitrid-Halbleitern verbessern wird. Die kommerzielle Machbarkeit von Halbleiterbauelementen auf AlN-Basis wird jedoch durch die Knappheit und die hohen Kosten von AlN-Einkristallen mit geringen Defekten eingeschränkt.
Um einkristalline AlN-Substrate leichter verfügbar und kostengünstiger zu machen und um die darauf aufgebauten Bauelemente kommerziell nutzbar zu machen, ist es wünschenswert, AlN-Bulk-Kristalle mit einer hohen Wachstumsrate (>0,5 mm/h) zu züchten und dabei die Kristallqualität zu erhalten. Die effektivste Methode zur Züchtung von AlN-Einkristallen ist die „Sublimations-Rekondensations“-Methode, bei der minderwertiges (in der Regel polykristallines) AIN-Ausgangsmaterial sublimiert und der entstehende Dampf rekondensiert wird, um das einkristalline AlN zu bilden. Die US-Patente Nr. 6,770,135 (das ’135er-Patent), 7,638,346 (das ’346er-Patent), 7,776,153 (das ’153er-Patent) und 9,028,612 (das ’612er-Patent), deren gesamte Offenbarungen durch Bezugnahme hierin eingeschlossen sind, beschreiben verschiedene Aspekte des Sublimations-Rekondensationswachstums von AlN, sowohl geimpft als auch ungeimpft.
Während AlN-Substrate Plattformen für die Herstellung von UV-Licht emittierenden Bauelementen wie LEDs und elektronischen Bauelementen wie Hochgeschwindigkeitstransistoren darstellen, ist hochwertiges kristallines AlN-Volumenmaterial oft nicht in den Mengen verfügbar, die für eine breite kommerzielle Nutzung dieser Technologien erforderlich sind. Bei der Sublimations-Rekondensations-Kristallzüchtung von AlN werden häufig hochwertige Impfkristalle mit kleinem Durchmesser als Plattform für die Züchtung längerer kristalliner AlN-Boules verwendet. Für eine kosteneffiziente Produktion von AlN-Bauteilen werden jedoch mit der Zeit AlN-Substrate mit größerem Durchmesser benötigt. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wird bei der Kristallzüchtung von AlN häufig eine „Durchmesserexpansion“ durchgeführt, d.h. eine Änderung des thermischen Feldes in der Züchtungskammer, um die Geschwindigkeit des Kristallwachstums in lateraler Richtung zu erhöhen (d.h. senkrecht zur „Wachstumsrichtung“, entlang derer die Länge des kristallinen Knäuels vom Impfkristall weg zunimmt). Herkömmliche Verfahren zur Vergrößerung des Durchmessers können den Durchmesser des wachsenden Kristalls zwar erfolgreich vergrößern, die Ausbreitungsrate ist jedoch aufgrund der nachteiligen Auswirkungen auf die Qualität des wachsenden Kristalls begrenzt. Insbesondere kann eine übermäßige Veränderung des thermischen Feldes bei herkömmlichen Verfahren zu stark defektem oder sogar polykristallinem Material führen, insbesondere an den Rändern des wachsenden Kristalls. Auch andere Defekte wie Korngrenzen mit geringem Winkel und Versetzungen, ungleichmäßige Dotierung und sogar Kristallbruch können die Folge sein. Daher können viele herkömmliche Bemühungen zur Durchmesservergrößerung verheerend und selbstzerstörerisch sein, da hochgradig defektes Randmaterial für Bauelementeanwendungen oft ungeeignet ist und aus dem kristallinen Boule entfernt werden muss.
In Anbetracht dessen besteht ein Bedarf an Kristallzüchtungstechniken, die in der Lage sind, den Durchmesser mit hoher Geschwindigkeit auszudehnen und gleichzeitig eine hohe kristalline Qualität der entstehenden AIN-Einkristalle sowie der großen AlN-Einkristalle, die durch solche Techniken ermöglicht werden, aufrechtzuerhalten.
Zusammenfassung
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden große, qualitativ hochwertige Einkristalle aus AlN durch Techniken hergestellt, die hohe Raten der Durchmesserausdehnung ohne Beeinträchtigung der kristallinen Qualität ermöglichen. Beispielhafte Wachstumstechniken nutzen radiale thermische Basisgradienten, die zumindest teilweise beispielsweise durch die Platzierung und Konfiguration der thermischen Abschirmung außerhalb der Wachstumskammer erzeugt werden. Diese radialen thermischen Gradienten und/oder die lateralen Wachstumsraten des AlN-Kristalls werden anschließend durch zusätzliche Techniken verbessert, wodurch eine schnellere Ausdehnung des Durchmessers und das Wachstum großer, hochwertiger AlN-Einkristalle ermöglicht wird. Trotz der schnelleren Ausdehnung des Kristalldurchmessers behalten AlN-Einkristalle, die in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gebildet werden, ein hohes Maß an Kristallqualität bei, selbst an den Rändern des Kristalls und selbst bei hohen Ausdehnungsraten des Durchmessers. Somit bieten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Techniken und selbst AlN-Einkristalle, die wirtschaftlicher und besser geeignet für die Massenproduktion von Substraten und Geräten sind.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfassen die Techniken zur Verbesserung des radialen Wärmegradienten in der Kristallwachstumskammer die Verwendung von Wärmeschilden, die im Inneren der Kammer und in der Nähe des wachsenden Kristalls angeordnet sind. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beeinflussen solche internen thermischen Abschirmungen das thermische Feld in der Nähe des wachsenden Kristalls und dessen laterale Wachstumsrate effektiver als externe Abschirmungen, die sich außerhalb des Wachstumstiegels selbst befinden. In verschiedenen Ausführungsformen weisen die internen thermischen Abschirmungen beispielsweise Öffnungen auf, und diese Öffnungen ermöglichen das Wachstum des Kristalls durch die Abschirmungen hindurch, während sie das thermische Feld so beeinflussen, dass eine schnelle Ausdehnung des Durchmessers möglich ist. Zusätzliche Techniken gemäß Ausführungsformen der Erfindung zur Förderung erhöhter Raten des lateralen Kristallwachstums (und damit einhergehender Durchmesserausdehnung) umfassen auch die Erhöhung des atomaren Stickstoffs in der Dampfphase, vorzugsweise konzentriert an der lateralen Kante des Kristalls (z.B. durch Verwendung eines Plasmas in der Nähe der lateralen Kante des Kristalls). Solche Techniken fördern ein verstärktes laterales Wachstum (d.h. eine rasche Durchmesserausdehnung) des AlN-Kristalls bei gleichzeitiger Erhaltung einer hohen kristallinen Qualität.
Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen und erleichtern die Züchtung von AlN-Einkristallen mit großen Kristallvergrößerungsparametern (wie nachstehend definiert), Massen und/oder Volumina, die mit herkömmlichen Kristallzüchtungstechniken bisher nicht erreicht werden konnten. AlN-Einkristalle gemäß den Ausführungsformen der Erfindung können daher als kostengünstige, qualitativ hochwertige Plattformen für die Herstellung elektronischer und optischer Geräte verwendet werden. Techniken gemäß den Ausführungsformen der Erfindung eignen sich besonders für die geimpfte Züchtung von AlN-Einkristallen aus Impfkristallen und nicht für die ungeimpfte Züchtung, die sich beispielsweise auf die spontane Keimbildung von kristallinem Material und/oder auf die Züchtung durch verjüngte Züchtungstiegel selbst stützt. Mit solchen ungeimpften Wachstumstechniken lassen sich in der Regel keine AlN-Einkristalle mit großen Kristallvergrößerungsparametern und gleichmäßig hoher kristalliner Qualität herstellen. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben AlN-Einkristalle (oder Boules), die durch gekeimtes Wachstum gebildet werden, typischerweise eine ebene Oberfläche mit der Größe und Form, die im Wesentlichen dem Impfkristall (oder dem freiliegenden Bereich des Impfkristalls) entspricht, der für das Wachstum des Kristalls verwendet wird; solche Kristallformen unterscheiden sich von denen ungekeimter Kristalle, die sich typischerweise zu viel kleineren, punktförmigen Bereichen verjüngen, da sie im Allgemeinen zunächst an einem kleinen, volumenbegrenzten Punkt keimen (z.B. die scharfe Spitze eines konischen Teils eines Kristallwachstumstiegels).
In verschiedenen Ausführungsformen ist der gesamte oder ein Teil des Impfkristalls (z.B. zumindest der freiliegende Bereich davon) im Boule integriert (d.h. ein Teil des Boule), wenn diese nach dem Wachstum aus dem Wachstumssystem entfernt wird. Das heißt, ein durch Keimwachstum gezüchtete Boule kann zumindest einen Teil des Keims selbst enthalten, und die Grenzfläche zwischen dem Keimkristall und der Kugel ist ein weiterer Beweis für das Keimwachstum. (In verschiedenen Ausführungsformen können Teile des Keims, die nicht für das Wachstum darauf freigelegt sind, während des Wachstums sublimieren und daher nach dem Wachstum nicht mehr vorhanden sein). Die Grenzfläche zwischen Keimkristall und Boule kann typischerweise durch eine oder mehrere Charakterisierungstechniken nachgewiesen werden, einschließlich optischer Inspektion (eine sichtbare Linie kann an der Grenzfläche nachweisbar sein und aus dem unterschiedlichen Einbau von Punktdefekten und/oder Verunreinigungen im Keimkristall und im Boule resultieren), Lumineszenzkontrast (z.B. kann der Keimkristall unter 254-nm-Licht dunkler oder heller erscheinen als der Boule, beispielsweise aufgrund des unterschiedlichen Einbaus von Punktdefekten und/oder Verunreinigungen) oder Messung der UV-Absorption, die zwischen dem ursprünglichen Keimkristall und dem gewachsenen Boule variieren kann.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann einkristallines AlN durch Sublimations-Rekondensation aus polykristallinem AlN-Quellmaterial hergestellt werden. Wie im '135-Patent, im '346-Patent, im '153-Patent und im '612-Patent beschrieben, wird der Sublimations-Rekondensations-Wachstumsprozess vorzugsweise unter einem steilen axialen (d.h. in Richtung des Kristallwachstums von einem Keim weg, falls ein Keim vorhanden ist, und/oder in Richtung des sublimierenden Ausgangsmaterials) Temperaturgradienten durchgeführt, während radiale Temperaturgradienten genutzt werden können, um den Durchmesser des wachsenden Kristalls zu steuern und seine kristalline Qualität zu beeinflussen. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die radialen und/oder axialen thermischen Basisgradienten innerhalb des Kristallwachstumstiegels, die zur Förderung und Steuerung des Wachstums des AlN-Materials verwendet werden, auf unterschiedliche Weise gesteuert werden. So können zum Beispiel einzelne Heizelemente, die um den Tiegel herum angeordnet sind, auf unterschiedlichen Niveaus (und damit unterschiedlichen Temperaturen) betrieben werden, um thermische Gradienten innerhalb des Tiegels herzustellen. 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 herum angeordnet wird. Wie im Patent '612 beschrieben, können Wärmeschilde auch um den Tiegel herum angeordnet werden, z.B. oberhalb und/oder unterhalb des Tiegels, und zwar in einer Vielzahl verschiedener Anordnungen, um die gewünschten thermischen Grundgradienten im Tiegel zu erzeugen. Sobald und/oder während diese thermischen Basisgradienten etabliert sind, wird zumindest der radiale thermische Gradient (d.h. der thermische Gradient senkrecht zur lateralen Wachstumsrichtung vom Impfkristall weg und parallel zum Durchmesser des wachsenden Kristalls (der sich während des gesamten oder eines Teils des Wachstumsprozesses ausdehnen kann)) durch Anwendung einer oder mehrerer Techniken verstärkt, die das laterale Wachstum des Kristalls verbessern und gleichzeitig die Kristallqualität erhalten.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen auch eine schnelle Durchmessererweiterung von AlN-Einkristallboules auf Impfkristallen beliebiger kristalliner Orientierung und Polarität sowie innerhalb einzelner Wachstumsstufen. Beispielsweise erübrigen Ausführungsformen der Erfindung die Notwendigkeit, Al-Polarität, c-Face-Keimkristalle für eine schnelle Durchmesserausdehnung zu verwenden (können aber verwendet werden), und bewahren eine hohe Kristallqualität, ohne dass mehrere verschiedene Wachstumsstufen erforderlich sind, die jeweils auf einem größeren Keimkristall initiiert werden, wie beispielsweise in der US-Patentanmeldung Serial No. 16/008,407 , eingereicht am 14. Juni 2018 (die '407-Anmeldung), deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, offenbart wird. So können in Ausführungsformen der Erfindung Impfkristalle mit c-Fläche und N-Polarität, c-Fläche und Al-Polarität, m-Fläche usw. verwendet werden. Darüber hinaus müssen Impfkristalle gemäß den Ausführungsformen der Erfindung keinen bestimmten Durchmesser oder Mindestdurchmesser haben, um ein hochwertiges Kristallwachstum mit schneller Durchmesserausdehnung zu ermöglichen. Zur Vermeidung von Zweifeln sei darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebenen Techniken gemäß den Ausführungsformen der Erfindung höhere Raten der Durchmesserausdehnung wachsender AlN-Einkristalle (und daher die Herstellung von AlN-Einkristallen mit größeren Kristallvergrößerungsparametern, wie hierin beschrieben) als die in der Anmeldung '407 beschriebenen Techniken ermöglichen, während die Kristallqualität erhalten bleibt.
Die hier beschriebenen Techniken zur Ermöglichung einer schnellen Durchmesserausdehnung können mit Techniken zur Ermöglichung einer hohen UV-Transparenz der AlN-Einkristalle, insbesondere bei tiefen UV-Wellenlängen, kombiniert werden. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Herstellung von hoch UV-transparenten AlN-Einkristallen durch Dampfphasenwachstum, Kontrolle von Verunreinigungen, Temperaturkontrolle nach dem Wachstum innerhalb des Wachstumssystems und isotherme oder quasi-isotherme Glühtechniken nach dem Wachstum ermöglicht. Das resultierende einkristalline AlN weist vorteilhafterweise einen niedrigen UV-Absorptionskoeffizienten (z.B. unter 10 cm^-1 oder sogar unter 8 cm^-1) für Wellenlängen zwischen 230 nm und 280 nm auf, oder, in verschiedenen Ausführungsformen, für Wellenlängen zwischen 210 nm und 280 nm. Das einkristalline AlN kann auch 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 von ±3 cm^-1, ±2 cm^-1 oder sogar ±1 cm^-1. Ein solches Spektrum kann die Entwicklung und verbesserte Leistung optischer Vorrichtungen (z.B. lichtemittierender Vorrichtungen wie Leuchtdioden 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 AIN-Einkristalle gemäß Ausführungsformen der Erfindung steile Flanken (d.h. „Drop-offs“) in ihren UV-Absorptionsspektren in der Nähe der Bandkante von AlN auf, z.B. für Wellenlängen zwischen etwa 210 nm und etwa 230 nm. Diese Eigenschaft trägt vorteilhaft zu der geringen UV-Absorption bei tiefen UV-Wellenlängen und zu einer gleichmäßigeren optischen Leistung der aus den AlN-Kristallen hergestellten Substrate sowie der darauf hergestellten optischen Geräte bei.
Darüber hinaus erfordern Glühtechniken gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise nicht die Beseitigung von Kohlenstoff und Sauerstoff aus dem einkristallinen AlN auf unangemessen niedrige, unpraktische Werte. Insbesondere führen Ausführungsformen der Erfindung erfolgreich zu einer geringen UV-Absorption bei tiefen UV-Wellenlängen auch für AIN-Kristalle mit Sauerstoff- und/oder Kohlenstoffkonzentrationen im Bereich von etwa 10¹⁸ cm ^-3bis etwa 10¹⁹ cm^-3. Darüber hinaus können Glühtechniken nach dem Wachstum gemäß den Ausführungsformen der Erfindung mit einer Hochgeschwindigkeitskühlung des AlN-Kristalls in der Wachstumsvorrichtung gekoppelt werden, um beispielsweise eine Rissbildung des Kristalls zu vermeiden, selbst wenn solche Kühltechniken dazu führen, dass der AlN-Kristall anfänglich hohe UV-Absorptionswerte bei bestimmten Wellenlängen aufweist.
Die jetzigen Erfinder haben festgestellt, dass das Vorhandensein von Kohlenstoffverunreinigungen zu einer hohen UV-Absorption in AIN-Kristallen führen kann. Der Einbau von Kohlenstoff führt zu UV-Absorption bei Wellenlängen um 265 nm, was die Leistung von UV-Licht emittierenden Geräten beeinträchtigen kann. Darüber hinaus führen Sauerstoffverunreinigungen (oder damit verbundene Punktdefekte) in der Regel zu einer UV-Absorption bei Wellenlängen um 310 nm. Die Kontrolle der Sauerstoffverunreinigung ist zwar für die UV-Transparenz wünschenswert, reicht aber nicht aus, um die UV-Transparenz bei vielen UV-Wellenlängen zu ermöglichen, insbesondere bei denen im tiefen UV-Bereich des optischen Spektrums. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen Techniken zur Verbesserung der UV-Absorption in AIN-Einkristallen, selbst wenn die Konzentrationen von Sauerstoff- und/oder Kohlenstoffverunreinigungen während des AlN-Herstellungsverfahrens kontrolliert wurden.
Die hohen radialen und axialen thermischen Gradienten, die während des Kristallwachstums genutzt werden, wie oben beschrieben, führen zwangsläufig dazu, dass der Kristall in einer nicht-isothermen Umgebung gebildet wird. Während die thermischen Gradienten die Bildung großer, qualitativ hochwertiger AlN-Kristalle ermöglichen, führen die Anordnungen von thermischen Abschirmungen, Isolierungen und verwandten Aspekten 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 empfehlen, den gewachsenen Kristall in der Wachstumsvorrichtung mit einer relativ langsamen Geschwindigkeit abzukühlen, um die Bildung von Punktdefekten zu kontrollieren, kann eine solche langsame Abkühlung zu Rissen im AIN-Kristall aufgrund einer Fehlanpassung der Wärmeausdehnung führen, insbesondere bei größeren AlN-Kristallen (z.B. Kristalle mit einem Durchmesser von mehr als 50 mm). Daher umfassen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Abkühlung des gezüchteten AlN-Kristalls auf annähernd Raumtemperatur (z.B. ca. 25 °C) in der Wachstumskammer mit einer hohen Abkühlungsrate (z.B. über 250 °C/Stunde, 300 °C/Stunde, 400 °C/Stunde oder sogar 500 °C/Stunde) im Widerspruch zu den herkömmlichen Erkenntnissen und trotz der damit verbundenen nachteiligen 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 Abkühlungsgeschwindigkeit, bekannt als „kontrollierte Abkühlung“). Die Abkühlung des Kristalls kann mit einer Geschwindigkeit erfolgen, die nur durch die thermische Masse des Züchtungssystems begrenzt ist, und es können Schritte unternommen werden, um die Abkühlung des Kristalls zu beschleunigen. Beispielsweise kann der AlN-Kristall nach der Züchtung aus der „heißen Zone“ des Züchtungssystems (d.h. dem Teil des Züchtungssystems, der sich direkt in der Nähe der Heizelemente oder des Ofens befindet und von diesen beheizt wird) entfernt werden und/oder es kann Gas (z.B. Stickstoffgas und/oder ein Inertgas wie Argon) in das System eingeleitet werden (z.B. mit einer höheren Durchflussrate als die während der Kristallzüchtung verwendete Durchflussrate), um die Abkühlungsrate zu erhöhen.
Nach der Bildung des AlN-Einkristalls und dem Abkühlen von der Wachstumstemperatur kann der resultierende Kristall (oder ein Teil davon, z.B. ein Wafer oder ein von einem Kristallboule abgetrenntes Substrat) in einen Hochtemperatur-Glühofen gegeben und unter isothermen oder quasi-isothermen Bedingungen geglüht werden, 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 ein Temperaturgradient in jeder Richtung innerhalb des Ofens (oder eines speziellen Heizbereichs oder einer „heißen Zone“ desselben) 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 in verschiedenen Ausführungsformen mindestens 0,05°C oder mindestens 0,1°C betragen). Das heißt, die Glühbedingungen können sich deutlich von denen unterscheiden, unter denen der AlN-Kristall anfänglich in dem Kristallwachstumstiegel und dem Wachstumssystem gezüchtet und abgekühlt wird, die vorzugsweise so konfiguriert sind, dass sie axiale und/oder radiale Wärmegradienten darin erzeugen. Beispielsweise kann der Kristall in einem widerstandsbeheizten oder hochfrequenzbeheizten Ofen geglüht werden, der für isothermes Glühen konfiguriert ist, und nicht in der Wachstumsvorrichtung, in der er ursprünglich gezüchtet wurde. Nach dem Glühen wird der geglühte Kristall langsam und kontrolliert von der Glühtemperatur abgekühlt, zumindest für einen Teil des Temperaturbereichs zwischen der Glühtemperatur und der Raumtemperatur, um die im Glühzyklus erreichte niedrige UV-Absorption zu erhalten. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Kristall während des Glühens und/oder Abkühlens an keinem Teil des Ofens befestigt oder haftet daran (z.B. anders als während der Kristallzüchtung, bei der der Kristall z.B. über einen Impfkristall am Kristallzüchtungstiegel befestigt ist).
Obwohl Ausführungsformen der Erfindung hier unter Verwendung von AlN als beispielhaftes kristallines Material, das in Übereinstimmung damit hergestellt wurde, vorgestellt wurden, können Ausführungsformen der Erfindung auch auf andere kristalline Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Zinkoxid (ZnO) angewendet werden; daher können hier alle Verweise auf AlN 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, auch wenn der Kristall, die Wachstumskammer oder das andere Objekt nicht kreisförmig ist und/oder einen unregelmäßigen Querschnitt hat.
Ein „Substrat“ oder „Wafer“ ist ein Teil einer zuvor gezüchteten kristallinen Boule mit gegenüberliegenden, im Allgemeinen parallelen Ober- und Unterseiten. Substrate haben in der Regel eine Dicke 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 Leuchtdioden, Transistoren, Leistungsbauelemente usw.) darauf verwendet werden. Nach der Bildung von Schichten und/oder Bauelementen auf einem Substrat kann das gesamte Substrat oder ein Teil davon im Rahmen der nachfolgenden Verarbeitung entfernt werden; wenn solche Strukturen vorhanden sind, können die verbleibenden „Substrate“ daher geringere Dicken als die oben genannten aufweisen. Wie hier verwendet, ist „Raumtemperatur“ 25°C.
In einem Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung einen AIN-Einkristall mit einem Durchmesser auf, der entlang mindestens eines Teils der Länge des AlN-Einkristalls von einem minimalen Durchmesser auf einen maximalen Durchmesser zunimmt. Der AIN-Einkristall hat einen Kristallvergrößerungsparameter („crystal augmentation parameter“; CAP) in mm, der größer als 20 ist. Der CAP ist definiert durch: $C A P = \frac{A_{E} - A_{S}}{L_{E}} = \frac{π}{4 \times L_{E}} (d_{E}^{2} - d_{S}^{2}) .$
A_E, in mm², ist die Querschnittsfläche des AlN-Einkristalls beim maximalen Durchmesser, d_E ist der maximale Durchmesser des AlN-Einkristalls in mm, A_s, in mm², ist die Querschnittsfläche des AIN-Einkristalls beim minimalen Durchmesser, d_s ist der minimale Durchmesser in mm, und L_E ist eine Ausdehnungslänge, in mm, des mindestens einen Abschnitts des AlN-Einkristalls, entlang der der Durchmesser vom minimalen Durchmesser zum maximalen Durchmesser zunimmt.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale in einer beliebigen Kombination enthalten. Der CAP kann größer als 40, größer als 50, größer als 90, größer als 100, größer als 250, größer als 500, größer als 750 oder größer als 1000 sein. Der CAP kann weniger als 3000, weniger als 2500, weniger als 2000 oder weniger als 1500 betragen. Das Verhältnis zwischen der Gesamtlänge des AlN-Einkristalls (in mm) und dem maximalen Durchmesser (in mm) kann zwischen etwa 0,3 und etwa 0,6 liegen. Das Verhältnis der Gesamtlänge des AlN-Einkristalls (in mm) zum maximalen Durchmesser (in mm) kann zwischen etwa 0,35 und etwa 0,55 liegen. Das Verhältnis zwischen der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm und dem maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,002 bis etwa 0,4 liegen. Das Verhältnis zwischen der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm und dem maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,002 bis etwa 0,03 liegen. Das Verhältnis zwischen der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm und dem maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,07 bis etwa 0,3 liegen. Das Verhältnis zwischen der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm und dem maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,002 bis etwa 0,02 liegen. Das Verhältnis zwischen der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm und dem maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,08 bis etwa 0,5 liegen. Das Verhältnis zwischen der Ausdehnungslänge des AIN-Einkristalls in mm und dem maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,3 liegen.
Ein erster Bereich des AlN-Einkristalls kann die Form eines Kegelstumpfes haben. Ein maximaler Durchmesser des Kegelstumpfes kann dem maximalen Durchmesser des AlN-Einkristalls entsprechen und der minimale Durchmesser des Kegelstumpfes kann dem minimalen Durchmesser des AlN-Einkristalls entsprechen. Ein zweiter Bereich des AlN-Einkristalls kann als Kuppel oder Kegel oder Kegelstumpf geformt sein, der sich von dem ersten Bereich aus erstreckt. Ein maximaler Durchmesser der Kuppel oder des Kegels oder des Kegelstumpfs kann dem maximalen Durchmesser des AIN-Einkristalls (und/oder dem maximalen Durchmesser des ersten Bereichs) entsprechen.
Ein erster Bereich des AlN-Einkristalls kann die Form eines Kegelstumpfes haben. Ein maximaler Durchmesser des Kegelstumpfes kann dem maximalen Durchmesser des AlN-Einkristalls entsprechen und der minimale Durchmesser des Kegelstumpfes kann dem minimalen Durchmesser des AlN-Einkristalls entsprechen. Ein zweiter Bereich des AlN-Einkristalls kann die Form eines Zylinders haben, der sich von dem ersten Bereich aus erstreckt und einen Durchmesser aufweist, der dem maximalen Durchmesser des AlN-Einkristalls entspricht. Ein dritter Bereich des AIN-Einkristalls kann als Kuppel oder Kegel oder Kegelstumpf geformt sein, der sich vom zweiten Bereich aus erstreckt. Ein maximaler Durchmesser der Kuppel oder des Kegels oder des Kegelstumpfs kann dem maximalen Durchmesser des AIN-Einkristalls (und/oder dem maximalen Durchmesser des ersten Bereichs und/oder dem Durchmesser des zweiten Bereichs) entsprechen.
Die Dichte der Fadenstufenversetzungen im AlN-Einkristall kann weniger als etwa 1×10⁶ cm^-2, weniger als etwa 1×10⁵ cm^-2, weniger als etwa 1×10⁴ cm^-2, weniger als etwa 1×10³ cm^-2 oder weniger als etwa 1×10² cm betragen^-2. Die Dichte der Fadenschraubenversetzungen im AlN-Einkristall kann weniger als ungefähr 1000 cm^-2, weniger als ungefähr 100 cm^-2, weniger als ungefähr 10 cm^-2 oder weniger als ungefähr 1 cm betragen^-2. Der AIN-Einkristall kann eine Röntgenbeugungskurve mit einer Halbwertsbreite von weniger als 200 arcsec, weniger als 100 arcsec, weniger als 75 arcsec, weniger als 50 arcsec oder weniger als 40 arcsec aufweisen. Die Kohlenstoffkonzentration im AIN-Einkristall kann weniger als 5×10¹⁸ cm^-3, weniger als 1×10¹⁸ cm^-3, weniger als 5×10¹⁷ cm^-3, weniger als 1×10¹⁷ cm^-3, weniger als 5×10¹⁶ cm^-3 oder weniger als 1×10¹⁶ cm betragen^-3. Die Wärmeleitfähigkeit des AIN-Einkristalls, gemessen nach der Norm E1461-13 der American Society for Testing and Materials (ASTM), kann größer als etwa 200 W/m-K, größer als etwa 250 W/m-K, größer als etwa 290 W/m-K oder größer als etwa 310 W/m-K sein.
Der AlN-Einkristall kann eine Urbach-Energie im Bereich von etwa 0,2 eV bis etwa 1,8 eV innerhalb eines Photonenenergiebereichs von 5,85 eV bis 6,0 eV aufweisen. Die Urbach-Energie E_U kann wie folgt definiert werden: $ln α = ln α_{0} + (\frac{h v}{E_{U}})$
wobei α ein Absorptionskoeffizient des AIN-Einkristalls bei einer einfallenden Photonenenergie hv ist und α₀ eine Konstante ist, die dem Absorptionskoeffizienten bei einer Photonenenergie von Null entspricht. Die Urbach-Energie des AlN-Einkristalls kann zwischen etwa 0,21 eV und etwa 1,0 eV liegen. Der AlN-Einkristall kann einen Absorptionskoeffizienten im ultravioletten Bereich (UV) von weniger als 10 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 30 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 8 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 20 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm aufweisen. 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 AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 20 cm^-1 für eine Wellenlänge von 220 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für die Wellenlänge von 220 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 15 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 15 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm^-1 bei einer Wellenlänge von 230 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für die Wellenlänge von 230 nm nicht weniger als etwa 5 cm betragen^-1.
Der Mindestdurchmesser des AlN-Einkristalls kann mindestens ungefähr 25 mm, mindestens ungefähr 50 mm, mindestens ungefähr 60 mm, mindestens ungefähr 75 mm oder mindestens ungefähr 100 mm betragen. Der maximale Durchmesser des AlN-Einkristalls kann mindestens ungefähr 25 mm, mindestens ungefähr 50 mm, mindestens ungefähr 60 mm, mindestens ungefähr 75 mm, mindestens ungefähr 100 mm, mindestens ungefähr 125 mm oder mindestens ungefähr 150 mm betragen.
In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung einen AlN-Einkristall mit einer Masse von mehr als 78 Gramm auf.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale in einer Vielzahl von Kombinationen enthalten. Die Masse kann größer sein als etwa 100 Gramm, größer als etwa 140 Gramm, größer als etwa 200 Gramm, größer als etwa 220 Gramm, größer als etwa 240 Gramm, größer als etwa 250 Gramm, größer als etwa 300 Gramm, größer als etwa 400 Gramm, größer als etwa 500 Gramm, größer als etwa 600 Gramm, größer als etwa 700 Gramm, größer als etwa 800 Gramm, größer als etwa 900 Gramm oder größer als etwa 1000 Gramm. Die Masse kann weniger als ca. 2000 Gramm, weniger als ca. 1500 Gramm oder weniger als ca. 1400 Gramm betragen. Der Mindestdurchmesser des AlN-Einkristalls kann mindestens ungefähr 25 mm, mindestens ungefähr 50 mm, mindestens ungefähr 60 mm, mindestens ungefähr 75 mm oder mindestens ungefähr 100 mm betragen. Der maximale Durchmesser des AlN-Einkristalls kann mindestens ungefähr 25 mm, mindestens ungefähr 50 mm, mindestens ungefähr 60 mm, mindestens ungefähr 75 mm, mindestens ungefähr 100 mm, mindestens ungefähr 125 mm oder mindestens ungefähr 150 mm betragen.
Die Dichte der Fadenstufenversetzungen im AlN-Einkristall kann weniger als etwa 1×10⁶ cm^-2, weniger als etwa 1×10⁵ cm^-2, weniger als etwa 1×10⁴ cm^-2, weniger als etwa 1×10³ cm^-2 oder weniger als etwa 1×10² cm betragen^-2. Die Dichte der Fadenschraubenversetzungen im AlN-Einkristall kann weniger als ungefähr 1000 cm^-2, weniger als ungefähr 100 cm^-2, weniger als ungefähr 10 cm^-2 oder weniger als ungefähr 1 cm betragen^-2. Der AIN-Einkristall kann eine Röntgenbeugungskurve mit einer Halbwertsbreite von weniger als 200 arcsec, weniger als 100 arcsec, weniger als 75 arcsec, weniger als 50 arcsec oder weniger als 40 arcsec aufweisen. Die Kohlenstoffkonzentration im AlN-Einkristall kann weniger als 5×10¹⁸ cm^-3, weniger als 1×10¹⁸ cm^-3, weniger als 5×10¹⁷ cm^-3, weniger als 1×10¹⁷ cm^-3, weniger als 5×10¹⁶ cm^-3 oder weniger als 1×10¹⁶ cm betragen^-3. Die Wärmeleitfähigkeit des AIN-Einkristalls, gemessen nach der Norm E1461-13 der American Society for Testing and Materials (ASTM), kann größer als etwa 200 W/m-K, größer als etwa 250 W/m-K, größer als etwa 290 W/m-K oder größer als etwa 310 W/m-K sein.
Der AlN-Einkristall kann eine Urbach-Energie im Bereich von etwa 0,2 eV bis etwa 1,8 eV innerhalb eines Photonenenergiebereichs von 5,85 eV bis 6,0 eV aufweisen. Die Urbach-Energie E_U kann wie folgt definiert werden: $ln α = ln α_{0} + (\frac{h v}{E_{U}})$
wobei α ein Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls bei einer einfallenden Photonenenergie hv ist und α₀ eine Konstante ist, die dem Absorptionskoeffizienten bei einer Photonenenergie von Null entspricht. Die Urbach-Energie des AlN-Einkristalls kann zwischen etwa 0,21 eV und etwa 1,0 eV liegen. Der AlN-Einkristall kann einen Absorptionskoeffizienten im ultravioletten Bereich (UV) von weniger als 10 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 30 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 8 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 20 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm aufweisen. 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 AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 20 cm^-1 für eine Wellenlänge von 220 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für die Wellenlänge von 220 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 15 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 15 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm^-1 bei einer Wellenlänge von 230 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für die Wellenlänge von 230 nm nicht weniger als etwa 5 cm betragen^-1.
Der AlN-Einkristall kann einen Durchmesser haben, der entlang mindestens eines Teils der Länge des AlN-Einkristalls von einem minimalen Durchmesser auf einen maximalen Durchmesser ansteigt. Der AlN-Einkristall kann einen Kristallvergrößerungsparameter („crystal augmentation parameter“; CAP) in mm von mehr als 20 haben. Der CAP kann definiert werden durch: $C A P = \frac{A_{E} - A_{S}}{L_{E}} = \frac{π}{4 \times L_{E}} (d_{E}^{2} - d_{S}^{2})$
wobei A_E, in mm², die Querschnittsfläche des AIN-Einkristalls beim maximalen Durchmesser ist, d_E der maximale Durchmesser des AlN-Einkristalls in mm ist, A_s, in mm², die Querschnittsfläche des AlN-Einkristalls beim minimalen Durchmesser ist, d_s der minimale Durchmesser in mm ist und L_E eine Ausdehnungslänge, in mm, des mindestens einen Teils des AIN-Einkristalls ist, entlang derer der Durchmesser vom minimalen Durchmesser zum maximalen Durchmesser zunimmt. Das Verhältnis der Gesamtlänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser des AlN-Einkristalls in mm kann im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,6 liegen. Das Verhältnis zwischen der Gesamtlänge des AlN-Einkristalls (in mm) und dem maximalen Durchmesser des AlN-Einkristalls (in mm) kann zwischen etwa 0,35 und etwa 0,55 liegen.
Der AlN-Einkristall kann einen Durchmesser haben, der entlang mindestens eines Teils der Länge des AIN-Einkristalls von einem minimalen Durchmesser auf einen maximalen Durchmesser zunimmt. Der AlN-Einkristall kann eine Ausdehnungslänge haben, die einer Länge des mindestens einen Abschnitts des AIN-Einkristalls entspricht, entlang der der Durchmesser vom minimalen Durchmesser auf den maximalen Durchmesser zunimmt. Das Verhältnis der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,002 bis etwa 0,4 liegen. Das Verhältnis der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,002 bis etwa 0,03 liegen. Das Verhältnis der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,07 bis etwa 0,3 liegen. Das Verhältnis zwischen der Ausdehnungslänge des AIN-Einkristalls in mm und dem maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,002 bis etwa 0,02 liegen. Das Verhältnis zwischen der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm und dem maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,08 bis etwa 0,5 liegen. Das Verhältnis zwischen der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm und dem maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,3 liegen.
Ein erster Bereich des AlN-Einkristalls kann die Form eines Kegelstumpfes haben. Ein zweiter Bereich des AlN-Einkristalls kann als Kuppel oder Kegel oder Kegelstumpf geformt sein, der sich von dem ersten Bereich aus erstreckt (und einen Durchmesser hat, der in einer Richtung weg von dem ersten Bereich abnimmt). Ein zweiter Bereich des AIN-Einkristalls kann als Zylinder geformt sein, der sich von dem ersten Bereich aus erstreckt und einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser hat. Ein dritter Bereich des AlN-Einkristalls ist als Kuppel oder Kegel oder Kegelstumpf geformt, der sich vom zweiten Bereich aus erstreckt (und einen Durchmesser hat, der in einer Richtung weg vom ersten und zweiten Bereich abnimmt).
In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung einen AlN-Einkristall mit einem Volumen von mehr als 24 cm³ auf.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale in einer Vielzahl von Kombinationen aufweisen. Das Volumen kann größer als etwa 30 cm³, größer als etwa 40 cm³, größer als etwa 70 cm³, größer als etwa 75 cm³, größer als etwa 80 cm³, größer als etwa 100 cm³, größer als etwa 150 cm³, größer als etwa 200 cm³, größer als etwa 250 cm³, größer als etwa 300 cm³, größer als etwa 350 cm³ oder größer als etwa 400 cm sein³. Das Volumen kann weniger als ca. 800 cm³ oder weniger als ca. 500 cm betragen³. Der Mindestdurchmesser des AIN-Einkristalls kann mindestens etwa 25 mm, mindestens etwa 50 mm, mindestens etwa 60 mm, mindestens etwa 75 mm oder mindestens etwa 100 mm betragen. Der maximale Durchmesser des AlN-Einkristalls kann mindestens ungefähr 25 mm, mindestens ungefähr 50 mm, mindestens ungefähr 60 mm, mindestens ungefähr 75 mm, mindestens ungefähr 100 mm, mindestens ungefähr 125 mm oder mindestens ungefähr 150 mm betragen.
Die Dichte der Fadenstufenversetzungen im AlN-Einkristall kann weniger als etwa 1×10⁶ cm^-2, weniger als etwa 1×10⁵ cm^-2, weniger als etwa 1×10⁴ cm^-2, weniger als etwa 1×10³ cm^-2 oder weniger als etwa 1×10² cm betragen^-2. Die Dichte der Fadenschraubenversetzungen im AlN-Einkristall kann weniger als ungefähr 1000 cm^-2, weniger als ungefähr 100 cm^-2, weniger als ungefähr 10 cm^-2 oder weniger als ungefähr 1 cm betragen^-2. Der AlN-Einkristall kann eine Röntgenbeugungskurve mit einer Halbwertsbreite von weniger als 200 arcsec, weniger als 100 arcsec, weniger als 75 arcsec, weniger als 50 arcsec oder weniger als 40 arcsec aufweisen. Die Kohlenstoffkonzentration im AlN-Einkristall kann weniger als 5×10¹⁸ cm^-3, weniger als 1×10¹⁸ cm^-3, weniger als 5×10¹⁷ cm^-3, weniger als 1×10¹⁷ cm^-3, weniger als 5×10¹⁶ cm^-3 oder weniger als 1×10¹⁶ cm betragen^-3. Die Wärmeleitfähigkeit des AIN-Einkristalls, gemessen nach der Norm E1461-13 der American Society for Testing and Materials (ASTM), kann größer als etwa 200 W/m-K, größer als etwa 250 W/m-K, größer als etwa 290 W/m-K oder größer als etwa 310 W/m-K sein.
Der AlN-Einkristall kann eine Urbach-Energie im Bereich von etwa 0,2 eV bis etwa 1,8 eV innerhalb eines Photonenenergiebereichs von 5,85 eV bis 6,0 eV aufweisen. Die Urbach-Energie E_U kann wie folgt definiert werden: $ln α = ln α_{0} + (\frac{h v}{E_{U}})$
wobei α ein Absorptionskoeffizient des AIN-Einkristalls bei einer einfallenden Photonenenergie hv ist und α₀ eine Konstante ist, die dem Absorptionskoeffizienten bei einer Photonenenergie von Null entspricht. Die Urbach-Energie des AlN-Einkristalls kann zwischen etwa 0,21 eV und etwa 1,0 eV liegen. Der AlN-Einkristall kann einen Absorptionskoeffizienten im ultravioletten Bereich (UV) von weniger als 10 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 30 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 220 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 8 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 240 nm bis 280 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 20 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 215 nm bis 220 nm aufweisen. 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 AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 20 cm^-1 für eine Wellenlänge von 220 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für die Wellenlänge von 220 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 15 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 240 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 15 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 230 nm betragen. Der AlN-Einkristall kann einen UV-Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm^-1 bei einer Wellenlänge von 230 nm aufweisen. Der UV-Absorptionskoeffizient darf für die Wellenlänge von 230 nm nicht weniger als etwa 5 cm betragen^-1.
Der AlN-Einkristall kann einen Durchmesser haben, der entlang mindestens eines Teils der Länge des AlN-Einkristalls von einem minimalen Durchmesser auf einen maximalen Durchmesser ansteigt. Der AlN-Einkristall kann einen Kristallvergrößerungsparameter („crystal augmentation parameter“; CAP) in mm von mehr als 20 haben. Der CAP kann definiert werden durch: $C A P = \frac{A_{E} - A_{S}}{L_{E}} = \frac{π}{4 \times L_{E}} (d_{E}^{2} - d_{S}^{2})$
wobei A_E, in mm², die Querschnittsfläche des AlN-Einkristalls beim maximalen Durchmesser ist, d_E der maximale Durchmesser des AlN-Einkristalls in mm ist, A_s, in mm², die Querschnittsfläche des AlN-Einkristalls beim minimalen Durchmesser ist, d_s der minimale Durchmesser in mm ist und L_E eine Ausdehnungslänge, in mm, des mindestens einen Teils des AlN-Einkristalls ist, entlang derer der Durchmesser vom minimalen Durchmesser zum maximalen Durchmesser zunimmt. Das Verhältnis der Gesamtlänge des AIN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser des AIN-Einkristalls in mm kann im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,6 liegen. Das Verhältnis zwischen der Gesamtlänge des AlN-Einkristalls (in mm) und dem maximalen Durchmesser des AlN-Einkristalls (in mm) kann zwischen etwa 0,35 und etwa 0,55 liegen.
Der AlN-Einkristall kann einen Durchmesser haben, der entlang mindestens eines Teils der Länge des AlN-Einkristalls von einem minimalen Durchmesser auf einen maximalen Durchmesser zunimmt. Der AIN-Einkristall kann eine Ausdehnungslänge haben, die einer Länge des mindestens einen Abschnitts des AIN-Einkristalls entspricht, entlang der der Durchmesser vom minimalen Durchmesser auf den maximalen Durchmesser zunimmt. Das Verhältnis der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,002 bis etwa 0,4 liegen. Das Verhältnis der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,002 bis etwa 0,03 liegen. Das Verhältnis der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,07 bis etwa 0,3 liegen. Das Verhältnis zwischen der Ausdehnungslänge des AIN-Einkristalls in mm und dem maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,002 bis etwa 0,02 liegen. Das Verhältnis zwischen der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm und dem maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,08 bis etwa 0,5 liegen. Das Verhältnis zwischen der Ausdehnungslänge des AIN-Einkristalls in mm und dem maximalen Durchmesser in mm kann im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,3 liegen.
Ein erster Bereich des AlN-Einkristalls kann die Form eines Kegelstumpfes haben. Ein zweiter Bereich des AlN-Einkristalls kann als Kuppel oder Kegel oder Kegelstumpf geformt sein, der sich von dem ersten Bereich aus erstreckt (und einen Durchmesser hat, der in einer Richtung weg von dem ersten Bereich abnimmt). Ein zweiter Bereich des AlN-Einkristalls kann als Zylinder geformt sein, der sich von dem ersten Bereich aus erstreckt und einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser hat. Ein dritter Bereich des AlN-Einkristalls ist als Kuppel oder Kegel oder Kegelstumpf geformt, der sich vom zweiten Bereich aus erstreckt (und einen Durchmesser hat, der in einer Richtung weg vom ersten und zweiten Bereich abnimmt).
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN). Ein Impfkristall mit einer Wachstumsfläche, die AlN enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht, wird in einer Wachstumskammer bereitgestellt. In der Wachstumskammer werden ein radialer Wärmegradient und ein axialer Wärmegradient erzeugt. Dampf, der Aluminium und Stickstoff enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht, wird in der Wachstumskammer kondensiert, wodurch auf der Wachstumsfläche des Impfkristalls ein AlN-Einkristall gebildet wird, der (a) in Reaktion auf den axialen thermischen Gradienten in einer Wachstumsrichtung an Länge zunimmt und (b) in Reaktion auf den radialen thermischen Gradienten in einer radialen Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Wachstumsrichtung verläuft, sich im Durchmesser ausdehnt. Während der Bildung des AlN-Einkristalls wird eine laterale Wachstumsrate des AlN-Einkristalls erhöht, um die Rate der Durchmesserausdehnung des AIN-Einkristalls zu erhöhen.
Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen in einer beliebigen Kombination umfassen. Die Herstellung des radialen Wärmegradienten und des axialen Wärmegradienten in der Wachstumskammer kann zumindest teilweise (i) das Beheizen der Wachstumskammer und (ii) die Anordnung einer Vielzahl von thermischen Abschirmungen außerhalb der Wachstumskammer umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Erhöhung der lateralen Wachstumsrate des AlN-Einkristalls kann die Anreicherung des Dampfes mit atomarem Stickstoff in der Nähe eines Randbereichs des AIN-Einkristalls beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Anreicherung des Dampfes mit atomarem Stickstoff umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus (i) dem Einleiten von Stickstoff (und/oder stickstoffhaltigem) Gas in der Nähe eines Randbereichs des AlN-Einkristalls und (ii) dem Erzeugen eines Plasmas in der Nähe des Randbereichs des AlN-Einkristalls mit dem Stickstoff (und/oder stickstoffhaltigem) Gas.
Die Erhöhung der lateralen Wachstumsrate des AlN-Einkristalls kann umfassen, im Wesentlichen darin bestehen oder darin bestehen, dass in der Wachstumskammer eine oder mehrere interne thermische Abschirmungen bereitgestellt werden, um die Wärme auf eine Kante des AlN-Einkristalls zu lenken. Mindestens eine (oder sogar alle) der inneren thermischen Abschirmungen kann im Wesentlichen parallel (z.B. ±5°, ±4°, ±3°, ±2°, ±1° oder ±0,5°) zur radialen Richtung ausgerichtet sein. Mindestens einer (oder sogar alle) der inneren Wärmeschilde kann im Wesentlichen parallel (z.B. ±5°, ±4°, ±3°, ±2°, ±1° oder ±0,5°) zur Wachstumsrichtung ausgerichtet sein. Mindestens eine (oder sogar alle) der inneren thermischen Abschirmungen kann mit einer Neigung ausgerichtet sein, die weder parallel noch senkrecht zur radialen Richtung verläuft. Mindestens eine (oder sogar alle) der inneren thermischen Abschirmungen kann ringförmig sein und eine zentrale Öffnung aufweisen, um das Wachstum des AlN-Einkristalls durch sie hindurch zu ermöglichen. Die eine oder mehreren inneren thermischen Abschirmungen können eine Vielzahl von inneren thermischen Abschirmungen umfassen, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. Die Dicken von mindestens zwei (oder sogar allen) der inneren thermischen Abschirmungen können unterschiedlich sein. Die Dichten von mindestens zwei der inneren Hitzeschilde können unterschiedlich sein. Jeder innere Hitzeschild kann ringförmig sein und eine zentrale Öffnung aufweisen. Die Größen der zentralen Öffnungen von mindestens zwei (oder sogar allen) inneren Hitzeschilden können unterschiedlich sein.
Ein einkristallines AlN-Substrat kann von dem AIN-Einkristall getrennt werden. Das einkristalline AlN-Substrat kann einen Durchmesser von mindestens 25 mm, mindestens 50 mm, mindestens 75 mm oder mindestens 100 mm haben. Eine lichtemittierende Vorrichtung kann über mindestens einem Teil des AlN-Substrats hergestellt werden. Die lichtemittierende Vorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie ultraviolettes Licht emittiert. Mindestens ein Teil des AlN-Substrats kann nach oder während der Herstellung der lichtemittierenden Vorrichtung von dieser entfernt werden.
In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN) auf. Ein Impfkristall mit einer Wachstumsfläche, die AlN enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht, wird in einer Wachstumskammer bereitgestellt. Die Wachstumskammer wird beheizt. Dampf, der Aluminium und Stickstoff enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht, wird in der Wachstumskammer während deren Erhitzung kondensiert, wodurch ein AlN-Einkristall auf der Wachstumsfläche des Impfkristalls gebildet wird. Während der Bildung des AlN-Einkristalls wird der Dampf in der Nähe eines Randbereichs des AIN-Einkristalls mit atomarem Stickstoff angereichert.
Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen in einer Vielzahl von Kombinationen umfassen. Die Anreicherung des Dampfes mit atomarem Stickstoff kann umfassen, im Wesentlichen bestehen aus oder bestehen aus (i) dem Einleiten von Stickstoff (und/oder stickstoffhaltigem Gas) in die Wachstumskammer und (ii) dem Erzeugen eines Plasmas in der Nähe des Randbereichs des AlN-Einkristalls mit dem Stickstoff (und/oder stickstoffhaltigem Gas). Ein einkristallines AlN-Substrat kann von dem AlN-Einkristall getrennt werden. Das einkristalline AlN-Substrat kann einen Durchmesser von mindestens 25 mm, mindestens 50 mm, mindestens 75 mm oder mindestens 100 mm haben. Eine lichtemittierende Vorrichtung kann über mindestens einem Teil des AlN-Substrats hergestellt werden. Die lichtemittierende Vorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie ultraviolettes Licht emittiert. Mindestens ein Teil des AlN-Substrats kann nach oder während der Herstellung der lichtemittierenden Vorrichtung von dieser entfernt werden.
In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN) auf. Ein Impfkristall mit einer Wachstumsfläche, die AlN enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht, wird in einer Wachstumskammer bereitgestellt. Die Wachstumskammer wird beheizt. Dampf, der Aluminium und Stickstoff enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht, wird in der Wachstumskammer während deren Erwärmung kondensiert, wodurch ein AlN-Einkristall auf der Wachstumsfläche des Impfkristalls gebildet wird. Der AlN-Einkristall erstreckt sich vom Keimkristall in einer axialen Richtung senkrecht zur Wachstumsfläche. Während der Bildung des AlN-Einkristalls wird die Wärme auf einen Randbereich des AlN-Einkristalls mit einer oder mehreren internen thermischen Abschirmungen gerichtet, die innerhalb der Wachstumskammer angeordnet sind.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Elemente in einer beliebigen Kombination umfassen. Eine oder mehrere oder eine Vielzahl von externen thermischen Abschirmungen können außerhalb der Wachstumskammer angeordnet sein. Während des Aufheizens der Wachstumskammer können ein oder mehrere thermische Gradienten innerhalb der Wachstumskammer erzeugt werden. Der eine oder die mehreren thermischen Gradienten können zumindest teilweise durch eine unterschiedliche Beheizung des Ofens und/oder eine unterschiedliche Isolierung außerhalb der Wachstumskammer erzeugt werden. Der eine oder die mehreren thermischen Gradienten können zumindest teilweise durch eine Konfiguration von einem oder mehreren externen thermischen Schilden, die außerhalb der Wachstumskammer angeordnet sind, erzeugt werden. Der Dampf kann in der Nähe des Randbereichs des AlN-Einkristalls mit atomarem Stickstoff angereichert werden. Die Anreicherung des Dampfes mit atomarem Stickstoff kann beinhalten, im Wesentlichen bestehen aus oder bestehen aus (i) dem Einführen von Stickstoff (und/oder stickstoffhaltigem Gas) in die Wachstumskammer und (ii) dem Erzeugen eines Plasmas in der Nähe des Randbereichs des AlN-Einkristalls mit dem Stickstoff (und/oder stickstoffhaltigem Gas).
Mindestens eine (oder sogar alle) der inneren thermischen Abschirmungen kann im Wesentlichen parallel (z.B. ±5°, ±4°, ±3°, ±2°, ±1° oder ±0,5°) zur axialen Richtung ausgerichtet sein. Mindestens eine (oder sogar alle) der inneren Wärmeabschirmungen kann im Wesentlichen senkrecht (z.B. ±5°, ±4°, ±3°, ±2°, ±1° oder ±0,5°) zur axialen Richtung ausgerichtet sein. Mindestens eine (oder sogar alle) der inneren thermischen Abschirmungen kann mit einer Neigung ausgerichtet sein, die weder parallel noch senkrecht zur axialen Richtung verläuft. Mindestens eine (oder sogar alle) der inneren thermischen Abschirmungen kann ringförmig sein und eine zentrale Öffnung aufweisen, um das Wachstum des AIN-Einkristalls durch sie hindurch zu ermöglichen. Die eine oder mehreren inneren thermischen Abschirmungen können eine Vielzahl von inneren thermischen Abschirmungen umfassen, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. Die Dicken von mindestens zwei (oder sogar allen) der inneren thermischen Abschirmungen können unterschiedlich sein. Die Dichten von mindestens zwei der inneren Hitzeschilde können unterschiedlich sein. Jeder innere Hitzeschild kann ringförmig sein und eine zentrale Öffnung aufweisen. Die Größen der zentralen Öffnungen von mindestens zwei (oder sogar allen) inneren Hitzeschilden können unterschiedlich sein.
Ein einkristallines AlN-Substrat kann von dem AlN-Einkristall getrennt werden. Das einkristalline AlN-Substrat kann einen Durchmesser von mindestens 25 mm, mindestens 50 mm, mindestens 75 mm oder mindestens 100 mm haben. Eine lichtemittierende Vorrichtung kann über mindestens einem Teil des AlN-Substrats hergestellt werden. Die lichtemittierende Vorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie ultraviolettes Licht emittiert. Mindestens ein Teil des AlN-Substrats kann nach oder während der Herstellung der lichtemittierenden Vorrichtung von dieser entfernt werden.
In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN) auf. Ein Impfkristall mit einer Wachstumsfläche, die AlN enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht, wird in einer Wachstumskammer bereitgestellt. In der Wachstumskammer ist ein interner Träger vorgesehen. Der interne Träger definiert eine Öffnung, um das Wachstum des AlN-Einkristalls durch diese hindurch zu ermöglichen. Eine oder mehrere interne thermische Abschirmungen sind innerhalb der Wachstumskammer vorgesehen. Jede innere thermische Abschirmung wird zumindest teilweise von der inneren Halterung getragen. Die Wachstumskammer wird beheizt. Dampf, der Aluminium und Stickstoff enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht, wird in der Wachstumskammer während des Erhitzens derselben kondensiert, wodurch ein AlN-Einkristall auf der Wachstumsfläche des Impfkristalls gebildet wird. Der AIN-Einkristall erstreckt sich vom Keimkristall in einer axialen Richtung senkrecht zur Wachstumsfläche.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale in einer Vielzahl von Kombinationen aufweisen. Mindestens ein Teil des inneren Trägers kann kegelstumpfförmig sein. Der Dampf kann mit atomarem Stickstoff in der Nähe des Randbereichs des AlN-Einkristalls angereichert werden. Das Anreichern des Dampfes mit atomarem Stickstoff kann umfassen, im Wesentlichen bestehen aus oder bestehen aus (i) dem Einführen von Stickstoff (und/oder stickstoffhaltigem Gas) in die Wachstumskammer und (ii) dem Erzeugen eines Plasmas in der Nähe des Randbereichs des AlN-Einkristalls mit dem Stickstoff (und/oder stickstoffhaltigem Gas).
Mindestens eine (oder sogar alle) der inneren thermischen Abschirmungen kann im Wesentlichen parallel (z.B. ±5°, ±4°, ±3°, ±2°, ±1° oder ±0,5°) zur axialen Richtung ausgerichtet sein. Mindestens eine (oder sogar alle) der inneren Wärmeabschirmungen kann im Wesentlichen senkrecht (z.B. ±5°, ±4°, ±3°, ±2°, ±1° oder ±0,5°) zur axialen Richtung ausgerichtet sein. Mindestens eine (oder sogar alle) der inneren thermischen Abschirmungen kann mit einer Neigung ausgerichtet sein, die weder parallel noch senkrecht zur axialen Richtung verläuft. Mindestens eine (oder sogar alle) der inneren thermischen Abschirmungen kann ringförmig sein und eine zentrale Öffnung aufweisen, um das Wachstum des AIN-Einkristalls durch sie hindurch zu ermöglichen. Die eine oder mehreren inneren thermischen Abschirmungen können eine Vielzahl von inneren thermischen Abschirmungen umfassen, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. Die Dicken von mindestens zwei (oder sogar allen) der inneren thermischen Abschirmungen können unterschiedlich sein. Die Dichten von mindestens zwei der inneren Hitzeschilde können unterschiedlich sein. Jeder innere Hitzeschild kann ringförmig sein und eine zentrale Öffnung aufweisen. Die Größen der zentralen Öffnungen von mindestens zwei (oder sogar allen) inneren Hitzeschilden können unterschiedlich sein.
Ein einkristallines AlN-Substrat kann von dem AIN-Einkristall getrennt werden. Das einkristalline AlN-Substrat kann einen Durchmesser von mindestens 25 mm, mindestens 50 mm, mindestens 75 mm oder mindestens 100 mm haben. Eine lichtemittierende Vorrichtung kann über mindestens einem Teil des AlN-Substrats hergestellt werden. Die lichtemittierende Vorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie ultraviolettes Licht emittiert. Mindestens ein Teil des AlN-Substrats kann nach oder während der Herstellung der lichtemittierenden Vorrichtung von dieser entfernt werden.
Ausführungsformen der Erfindung können AlN-Boules, -Wafer und/oder lichtemittierende Vorrichtungen umfassen, die nach einem der oben genannten Verfahren hergestellt oder geformt werden können.
Diese und andere Ziele sowie Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung, die hier offenbart werden, werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Zeichnungen und die Ansprüche deutlicher werden. Darüber hinaus ist es zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Permutationen existieren können. Die hier verwendeten Begriffe „ungefähr“, „etwa“ und „im Wesentlichen“ bedeuten ±10% und in einigen Ausführungsformen ±5%. Alle hier angegebenen Zahlenbereiche schließen ihre Endpunkte ein, sofern nicht anders angegeben. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet, dass andere Materialien, die zur Funktion beitragen, ausgeschlossen sind, sofern hier nicht anders definiert. Dennoch können solche anderen Materialien zusammen oder einzeln in Spurenmengen vorhanden sein.
Figurenliste
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf dieselben Teile in den verschiedenen Ansichten. Auch sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei der Schwerpunkt im Allgemeinen auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung liegt. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

ist eine schematische Darstellung eines Impfkristalls gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung;
Die - sind schematische Darstellungen von durchmessererweiterten Volumenkristallen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung;
Die und sind schematische Darstellungen von Volumenkristallen und den zugehörigen Parametern gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung;
ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für das Wachstum von einkristallinem AlN gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung;
ist eine schematische Darstellung, das Teile einer Vorrichtung für das Wachstum von einkristallinem AlN gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
ist eine schematische Darstellung von Teilen einer Vorrichtung für das Wachstum von einkristallinem AlN gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung;
ist ein Bild einer beispielhaften AIN-Einkristallboule, die gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung hergestellt wurde;
Die und zeigen die Verteilung der Boule-Masse bzw. des Volumens von AlN-Einkristall-Boules, die gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung hergestellt wurden;
ist eine schematische Darstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung, die in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung hergestellt wurde;
ist eine Draufsichtsaufnahme der lichtemittierenden Vorrichtung aus während der Emission von Licht mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 230 nm gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
Die zeigt ein vergleichendes Diagramm der UV-Absorptionskoeffizienten als Funktionen der Wellenlänge von herkömmlichem einkristallinem AlN und einkristallinem AlN, das gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung gezüchtet und geglüht wurde;
ist ein Diagramm, das zur Abschätzung der Urbach-Energien der A1N-Proben aus gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet wurde;
Die zeigt ein schematisches Diagramm verschiedener Lichtkomponenten, die zur Bestimmung von UV-Absorptionsspektren und Urbach-Energien in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden;
ist ein vergleichendes Diagramm der Emissionsintensität als Funktion der Wellenlänge für simulierte LEDs, die Licht mit einer Spitzenwellenlänge bei etwa 217 nm gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung emittieren; und
ist ein Vergleichsdiagramm der Emissionsspektren von , in dem die relativen Intensitäten der LEDs unabhängig voneinander auf denselben Wert normiert wurden, um den schmaleren Intensitätspeak der Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu zeigen.

Detaillierte Beschreibung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Herstellung hochwertiger einkristalliner AlN-Volumenkristalle (d.h. Boules und/oder Substrate), die während des Kristallwachstums eine erhebliche Durchmessererweiterung erfahren. Die 1A-1C sind schematische Darstellungen verschiedener Kristalle und zugehöriger Parameter, die für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung relevant sind. 1A zeigt einen beispielhaften Impfkristall 100 mit einem Durchmesser 102, einer Vorderfläche 104 und einer Rückfläche 106. Während der Impfkristall 100 als zylindrisch mit kreisförmigen Oberflächen dargestellt ist, ist der Impfkristall 100 nicht auf solche Formen beschränkt. So bezieht sich der Durchmesser 102 im Allgemeinen auf die größte seitliche Abmessung des Impfkristalls 100 und kann daher einer „Breite“ oder „maximalen Breite“ entsprechen, z.B. bei Impfkristallen 100 mit nicht kreisförmigen Formen. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung hat der Impfkristall 100 eine Dicke von etwa 0,1 mm bis etwa 3 mm. Typischerweise ist die Vorderfläche 104 dem einströmenden Dampf ausgesetzt, der für das Kristallwachstum verwendet wird, und der resultierende Kristall erstreckt sich von der Vorderfläche 104. Der Impfkristall 100 kann über die hintere Oberfläche 106 in der Wachstumsvorrichtung befestigt werden (siehe z.B. ). Je nach dem Verfahren der Keimbefestigung kann der Impfkristall 100 eine freiliegende Wachstumsfläche haben, die gleich oder kleiner ist als die Fläche der vorderen Oberfläche 104 (d.h., ein Teil der vorderen Oberfläche 104 kann bedeckt sein oder auf andere Weise daran gehindert werden, den einströmenden Dampf aufzunehmen). Der Begriff „Keimdurchmesser“ oder „gekeimter Durchmesser“ bezieht sich hier auf den Durchmesser der tatsächlichen Fläche des Keimkristalls 100, die für das Wachstum darauf freigelegt ist (d.h. die „Keimfläche“ oder „gekeimte Fläche“), selbst wenn diese Fläche kleiner ist als die Gesamtfläche der Frontfläche 104. Darüber hinaus kann der Keimdurchmesser oder der geimpfte Durchmesser eine andere Form haben als die eigentliche Oberfläche 104 des Impfkristalls 100, die sich z.B. aus der Maskierung oder des anderweitigen Ausschlusses eines Teils der Oberfläche 104 ergibt. Beispielsweise kann der geimpfte Durchmesser kreisförmig sein, während die eigentliche Oberfläche 104 nicht kreisförmig ist, oder umgekehrt.
ist eine schematische Darstellung eines Kristalls (oder „Kristallboule“ oder „Boule“) 108, der durch Kristallwachstum auf einem Impfkristall 100 entstanden ist (z.B. durch ein Dampfphasentransportverfahren wie die Sublimations-Rekondensation). Es ist zu beachten, dass der Kristall 108 nicht an einer punktförmigen Spitze endet, sondern eine relativ ebene Oberfläche hat, die durch die Einleitung des Wachstums auf dem Impfkristall 100 entsteht. Der Kristall 108 hat einen anfänglichen geimpften Durchmesser 110 (d.h. den Durchmesser des geimpften Bereichs des Kristalls, der dem Durchmesser des anfänglichen Impfkristalls oder eines Teils davon entsprechen kann) und kann aufgrund der Ausdehnung des Durchmessers während des Wachstums als eine geometrische Kombination aus einem Kegelstumpf 112 und einer Kuppel 114 beschrieben werden, wobei der Kegelstumpf 112 aus der Ausdehnung des Durchmessers während des Wachstums und die Kuppel 114 zumindest teilweise aus der Form des thermischen Feldes innerhalb der Wachstumskammer resultiert. Der Kegelstumpf 112 kann (muss aber nicht) z.B. rechtwinklig, kreisförmig und konisch sein. Die Kuppel 114 kann (muss aber nicht) z.B. eine kugelförmige Kappe oder ein kugelförmiges Segment sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Kuppel 114 die Form eines Kegels (z.B. mit einer abgerundeten Spitze) oder eines Kegelstumpfs (z.B. eines Kegelstumpfs, der sich in der entgegengesetzten Richtung zu dem Kegelstumpf 112 verjüngt) haben. Wie gezeigt, kann der Durchmesser (oder eine andere seitliche Abmessung) des Kristalls aufgrund der Durchmessererweiterung bis zu einem maximalen Kristalldurchmesser 116 zunehmen. Die Krümmung der Kuppel 114 kann zunehmen, wenn der während des Kristallwachstums genutzte radiale Wärmegradient zunimmt. So können Kristalle 108 mit kleinen (oder sogar im Wesentlichen nicht vorhandenen) Kuppeln 114 aus der Verwendung von kleinen radialen thermischen Gradienten während des Kristallwachstums resultieren. Das heißt, in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung kann der radiale thermische Gradient angepasst werden (z.B. während des Wachstums), um die Größe der Kuppel 114 zu verringern oder um die Kuppel 114 praktisch vollständig zu eliminieren. Da die Kristalle 108 aus Impfkristallen 100 gezüchtet werden, sind sie größer und enthalten mehr nutzbares, hochwertiges Volumen (z.B. für die Herstellung von einkristallinen AIN-Wafern) als vergleichbare Kristalle, die durch nichtgekeimtes Wachstum gezüchtet werden. (Nichtgekeimtes Wachstum beruht in der Regel auf spontaner Keimbildung, die eine übermäßige Anzahl von Defekten und/oder eine ungleichmäßige kristalline Ausrichtung zur Folge haben kann). Wie hierin offenbart, können Kristalle 108, die durch gekeimtes Wachstum hergestellt werden, auch mindestens einen Teil des Impfkristalls 100 selbst in sich tragen.
ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Kristalls 108. Wie dargestellt, hat der Kristall 108 eine Gesamtlänge 118, die sowohl den Kegelstumpf- als auch den Kuppelabschnitt des Kristalls umfasst. Die Gesamtlänge 118 umfasst sowohl eine Expansionslänge 120 (d.h. die Länge des durchmessererweiterten Volumens des Kristalls in der Wachstumsrichtung, z.B. senkrecht zur Oberfläche des Impfkristalls 100) als auch eine Kuppellänge 122. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann der Kristall 108 einen Abschnitt 124 enthalten, in dem der Durchmesser nicht erweitert ist (z.B. aufgrund einer absichtlichen Änderung des radialen Wärmegradienten und/oder einer ausreichenden Durchmessererweiterung, um die Innenwand der Wachstumsvorrichtung zu erreichen), und der Abschnitt 124 kann eine Länge 126 aufweisen, die zur Gesamtlänge 118 beiträgt. Der Abschnitt 124 kann z.B. zylindrisch sein oder eine oder mehrere flache Oberflächen haben (z.B. kann er die Form eines sechseckigen Prismas haben (z.B. mit Seiten parallel zu den m-Ebenen {1-100})). Der Abschnitt 124 kann vorhanden sein, muss aber in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt vorhanden sein. Wenn vorhanden, kann der Abschnitt 124 wie in 1C gezeigt einen Durchmesser haben, der im Wesentlichen gleich dem maximalen oder erweiterten Durchmesser 116 ist. Der Kegelstumpf 112 hat auch eine Expansionshöhe oder schräge Höhe 128, die entlang der Oberfläche des durchmessererweiterten Volumens des Kristalls gemessen wird. Aus ist leicht ersichtlich, dass die Expansionshöhe 128 und die Expansionslänge gleichwertig sind, wenn keine Durchmessererweiterung vorliegt.
1D ist eine schematische Darstellung eines anderen beispielhaften Kristalls 108, der gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Wie gezeigt, ähnelt der Kristall 108 der 1D dem Kristall 108 der 1C, mit der Ausnahme, dass der „gerade“ Teil 124 mit einem im Wesentlichen konstanten Durchmesser länger ist als die Ausdehnungslänge 120, was auf die schnelle anfängliche Ausdehnung des Kristalls zurückzuführen ist (die sich beispielsweise aus der Anwendung einer oder mehrerer der Techniken gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ergibt). Kristalle 108, wie in 1D dargestellt, können vorteilhaft ein großes kristallines Volumen aufweisen, aus dem viele Wafer mit im Wesentlichen gleichem Durchmesser hergestellt werden können.
In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen kann die Ausdehnungslänge 120 im Bereich von ungefähr 1%, 2%, 3%, 5% oder 10% bis ungefähr 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 98% der Gesamtlänge 118 liegen, während die Länge 126 im Bereich von ungefähr 0%, 0,1%, 0,2%, 0.5 %, 1 %, 2 %, 3 %, 5 % oder 10 % bis etwa 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 %, 95 % oder 98 % der Gesamtlänge 118 reichen kann, und die Kuppellänge 122 kann von etwa 0 %, 0,1 %, 0,2 %, 0.5 %, 1 %, 2 %, 3 % oder 5 % bis etwa 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 % oder 45 % der Gesamtlänge 118 betragen (während, wie in den 1C und 1D gezeigt, die Summe der Ausdehnungslänge 120, der Länge 126 und der Kuppellänge 122 gleich 100 % der Gesamtlänge 118 ist).
Die 1E und 1F sind zusätzliche schematische Darstellungen verschiedener Kristalle und zugehöriger Parameter, die für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung relevant sind. In ist schematisch dargestellt, wie Wafer aus dem Kristall 108 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung herausgeschnitten werden können. Wie gezeigt, können ein Wafer 130-1 und ein Wafer 130-2 mit einem größeren Durchmesser im Wesentlichen parallel zum Impfkristall 100 vom Kristall 108 abgetrennt werden. In anderen Ausführungsformen können Wafer aus dem Kristall 108 entlang anderer Richtungen geschnitten werden, sogar im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Impfkristalls 100. Aus dem Kristall 108 geschnittene Wafer mit einem größeren Durchmesser als dem des Impfkristalls 100 (z.B. Wafer 130-2) können anschließend als Impfkristalle für zusätzliches Wachstum von Kristallen mit größerem Durchmesser verwendet werden, beispielsweise wie in der US-Patentanmeldung Serial No. 16/008,407 offenbart, die am 14. Juni 2018 eingereicht wurde (die '407-Anmeldung), deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Von dem Teil 124 eines Kristalls 108 abgetrennte Wafer, wie in den 1C und 1D dargestellt, können im Wesentlichen denselben Durchmesser haben wie die anderen.
ist eine schematische Schnittansicht des Kristalls 108, die (schraffiert) die erweiterte Fläche 132 zeigt, d.h. die Querschnittsfläche des Kristalls 108, die über die geimpfte Fläche 110 hinausgeht und sich aus der Durchmessererweiterung ergibt. In ist auch ein beispielhafter Expansionswinkel 134 dargestellt, der dem Winkel zwischen der Normalen des Impfkristalls und der Ebene der Expansionshöhe 128 entspricht. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Expansionswinkel 134 während des gesamten Wachstums des Kristalls 108 im Wesentlichen konstant sein, muss es aber nicht. Das heißt, die Ebene der Expansionshöhe 128 muss nicht linear sein. Wenn Wafer aus dem Kristall 108 geschnitten werden, entspricht der expandierte Bereich 132 daher einem ringförmigen Bereich, der sich von der Außenkante des Wafers nach innen erstreckt, und der geimpfte Bereich entspricht einem zentralen Bereich des Wafers, der ungefähr die Größe und Form des Impfkristalls 100 hat, der zur Züchtung des Kristalls 108 verwendet wurde. So wird zumindest innerhalb des Kegelstumpfes 112 eines durchmessererweiterten Kristalls 108 ein Wafer, der von einem weiter vom Impfkristall 100 entfernten Teil der Boule abgetrennt wurde, einen größeren erweiterten Bereich 132 aufweisen als ein aus dem Boule geschnittener Wafer, der näher am Impfkristall 100 liegt, während die geimpften Bereiche beider Wafer in Größe und Form ungefähr gleich sein können. Andererseits weisen mehrere von einem Teil 124 eines Kristalls 108 abgetrennte Wafer annähernd die gleichen expandierten Bereiche 132 und annähernd die gleichen geimpften Bereiche auf.
Die Orientierung eines Wafers oder Impfkristalls kann während des Schneidens aus einer Boule oder einem anderen Kristall ausgewählt werden, z.B. durch Röntgenbeugungsmessungen und/oder eine andere Materialcharakterisierung, die eine Identifizierung der Orientierung des Kristalls ermöglicht; derartige Techniken sind dem Fachmann bekannt und können ohne unangemessenes Experimentieren durchgeführt werden. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann ein frisch geschnittener Wafer oder Keim poliert werden, um die Oberflächenrauhigkeit zu verringern und Schnittartefakte und/oder Beschädigungen zu entfernen. Die Polarität eines Wafers oder Impfkristalls kann auch bestimmt und chemisch ausgewählt werden. Beispielsweise kann die Polarität identifiziert und ausgewählt werden, indem der Wafer oder das Saatgut einer basischen oder sauren Lösung ausgesetzt wird, wodurch eine N-Polaritätsfläche aufgeraut wird, während eine Al-Polaritätsfläche glatt bleibt, wie in der Anmeldung '407 beschrieben.
zeigt eine Kristallzüchtungsvorrichtung 200, die für die Züchtung von einkristallinem AlN in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Wie dargestellt, umfasst die Vorrichtung 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 haben, z.B. zylindrisch. Während eines typischen Wachstumsprozesses wird eine AlN-Boule 220 (z.B. ein Kristall 108) durch Kondensation eines Dampfes 225 gebildet, der die elementaren Vorläufer der AlN-Boule 220, d.h. Al- und N-Atome und/oder N₂-Moleküle, enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. In typischen Ausführungsformen entsteht der Dampf 225 durch die Sublimation eines Ausgangsmaterials 230, das das oben beschriebene polykristalline AIN-Ausgangsmaterial enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus bestehen kann. Die AlN-Boule 220 kann sich auf einem Impfkristall 235 bilden und von diesem ausgehen. (Alternativ kann sich die AlN-Boule 220 auf einem Teil des Tiegels 205 selbst bilden und von diesem ausgehen.) Der Impfkristall 235 kann ein Einkristall (z.B. ein polierter Wafer) sein, der AlN enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. In verschiedenen Ausführungsformen hat der Impfkristall 235 einen Durchmesser (oder eine Breite oder eine andere seitliche Abmessung) von mindestens etwa 10 mm, mindestens etwa 25 mm, mindestens etwa 35 mm, mindestens etwa 40 mm oder sogar mindestens etwa 50 mm. In verschiedenen Ausführungsformen hat der Impfkristall 235 einen Durchmesser (oder eine Breite oder eine andere seitliche Abmessung) von etwa 50 mm oder weniger, etwa 100 mm oder weniger oder etwa 150 mm oder weniger, und/oder das daraus gewachsene einkristalline AlN hat einen Durchmesser (oder eine Breite oder eine andere seitliche Abmessung) von etwa 150 mm oder weniger. In verschiedenen Ausführungsformen ist die kristalline Orientierung (d.h. die Normale zur exponierten Ebene (z.B. c-Ebene)) 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 unpolare Richtung weisen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kristalline Ausrichtung des Impfkristalls 235 nicht mehr als etwa 30° oder nicht mehr als etwa 20° von der c-Achse entfernt sein.
Der Tiegel 205 kann ein oder mehrere feuerfeste Materialien wie Wolfram, Rhenium, Tantalkarbid und/oder Tantalnitrid enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Wie im Patent '135 und im Patent '153 beschrieben, kann der Tiegel 205 eine oder mehrere Oberflächen (z.B. Wände) aufweisen, die so konfiguriert sind, dass sie selektiv die Diffusion von Stickstoff durch sie hindurch ermöglichen und selektiv die Diffusion von Aluminium durch sie hindurch verhindern.
Wie in dargestellt, kann sich während der Bildung der AlN-Boule 220 ein polykristallines Material 240 an einer oder mehreren Stellen innerhalb des Tiegels 205 bilden, die nicht vom Impfkristall 235 bedeckt sind (muss aber nicht). Der Durchmesser (oder eine andere radiale Abmessung) der AlN-Boule 220 kann sich jedoch während der Bildung der AlN-Boule 220 ausdehnen, d.h. zunehmen, wodurch die Bereiche des polykristallinen Materials 240 (falls vorhanden) vom auftreffenden Dampf 225 verdeckt werden und ihr Wachstum wesentlich eingeschränkt oder sogar verhindert wird. Wie in gezeigt, kann sich der Durchmesser der AlN-Boule 220 so weit ausdehnen, dass er im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Tiegels 205 entspricht (oder, in Ausführungsformen, die größere Impfkristalle 235 verwenden, sogar damit beginnen) (in diesem Fall kann keine weitere seitliche Ausdehnung der AlN-Boule 220 erfolgen).
Das Wachstum der AlN-Boule 220 entlang einer Wachstumsrichtung 245 erfolgt typischerweise aufgrund eines relativ großen axialen Wärmegradienten (z.B. im Bereich von ca. 5 °C/cm bis ca. 100 °C/cm), der sich innerhalb des Tiegels 205 bildet. Eine Heizvorrichtung (in aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt), z.B. ein HF-Heizgerät, eine oder mehrere Heizspulen 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 Beginn des Wachstums können der Tiegel 205 und sein Inhalt (z.B. der Impfkristall 235 und das Ausgangsmaterial 230) für eine vorbestimmte Zeit (z.B. zwischen ca. 1 Stunde und ca. 10 Stunden) bei einer Temperatur gehalten werden, die ungefähr der gewünschten Wachstumstemperatur entspricht. In verschiedenen Ausführungsformen stabilisiert dieses Eintauchen in die Temperatur das thermische Feld innerhalb des Tiegels 205, fördert eine effektive Keimbildung auf dem Impfkristall 235 und begünstigt einen qualitativ hochwertigen Übergang von der Keimbildung zum Massenwachstum des einkristallinen AlN.
Die Vorrichtung 200 kann einen oder mehrere Sätze oberer thermischer Abschirmungen 250 und/oder einen oder mehrere Sätze unterer axialer thermischer Abschirmungen 255 aufweisen, die so angeordnet sind, dass sie den großen axialen Wärmegradienten erzeugen (indem sie z.B. das untere Ende des Tiegels 205 und das Ausgangsmaterial 230 besser gegen Wärmeverlust isolieren als das obere Ende des Tiegels 205 und die 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 im Suszeptor 215 zu überwachen. Die oberen thermischen Abschirmungen 250 und/oder die unteren thermischen Abschirmungen 255 können ein oder mehrere feuerfeste Materialien (z.B. Wolfram) enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, und sie können recht dünn sein (z.B. zwischen etwa 0,125 mm und 0,5 mm dick). Wie im Patent '612 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 Schilden, unterschiedliche Abstände zwischen den Schilden, unterschiedliche Dicken, unterschiedlich große, durch sie hindurch definierte Öffnungen, unterschiedliche Größen usw.), um eine Vielzahl unterschiedlicher axialer und radialer Wärmegradienten innerhalb des Tiegels 205 und damit das Wachstum der AlN-Boule 220 (z.B. die Wachstumsrate, der Grad der radialen Ausdehnung während des Wachstums, falls vorhanden, usw.) zu bilden.
In verschiedenen Ausführungsformen hat der Tiegel 205 einen Deckel 270 mit ausreichender Strahlungstransparenz, um zumindest eine teilweise Kontrolle des thermischen Profils innerhalb des Tiegels 205 über die Anordnung der oberen thermischen Hitzeschilde 250 zu ermöglichen. Darüber hinaus wird bei Ausführungsformen mit einem Impfkristall 235 der Impfkristall 235 typischerweise vor dem Wachstum der AlN-Boule 220 auf dem Deckel 270 befestigt. Der Deckel 270 ist typischerweise mechanisch stabil bei der Wachstumstemperatur (z.B. bis zu ca. 2300 °C) und kann im Wesentlichen die Diffusion von Al-haltigem Dampf durch ihn hindurch verhindern. Der Deckel 270 besteht im Allgemeinen aus einem oder mehreren feuerfesten Materialien (z.B. Wolfram, Rhenium und/oder Tantalnitrid) und kann relativ dünn sein (z.B. weniger als etwa 0,5 mm dick).
Wie in dargestellt, kann jede der oberen Hitzeschilde eine Öffnung 275 aufweisen, die sie durchdringt. Die Öffnung 275 entspricht normalerweise der Geometrie und/oder Symmetrie des Tiegels 205 (z.B. kann die Öffnung 275 bei einem zylindrischen Tiegel 205 im Wesentlichen kreisförmig sein). Die Größe der einzelnen Öffnungen 275 kann variieren; typischerweise liegen die Größen zwischen mindestens 10 mm und maximal etwa 5 mm (oder sogar 2 mm) weniger als der Durchmesser des Tiegels 205.
In einer Ausführungsform werden beispielsweise fünf Hitzeschilde 250 verwendet, die jeweils einen Durchmesser von 68,5 mm und eine Öffnungsgröße (Durchmesser) von 45 mm haben. Die Dicke der Hitzeschilde 250 beträgt jeweils 0,125 mm, und die Hitzeschilde 250 haben einen Abstand von etwa 7 mm zueinander. Bei einer typischen Wachstumstemperatur von 2065 °C ergibt diese Abschirmungsanordnung einen radialen Wärmegradienten (gemessen von der Mitte des Halbleiterkristalls zum inneren Rand des Tiegels) von 27 °C/cm. Natürlich ist dieser Wert nur beispielhaft, und Fachleute können die thermischen Abschirmungen so anordnen, dass sie ohne übermäßige Experimente eine Reihe unterschiedlicher radialer Wärmegradienten erreichen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen noch höhere Raten der Durchmesserausdehnung des AlN-Kristalls durch Vergrößerung des radialen Wärmegradienten, der sich aus der Anordnung der thermischen Abschirmungen 250 ergibt. (Zur Vermeidung von Zweifeln wird darauf verwiesen, dass die herein beschriebenen Techniken gemäß den Ausführungsformen der Erfindung höhere Raten der Durchmesserexpansion der wachsenden AlN Einkristalle ermöglichen, während die Kristallqualität (und daher die Herstellung von AlN Einkristallen mit größeren Kristallausdehnungparametern, als mit Techniken, die in der '612 Patent detailliert sind) erhalten bleibt). Im Allgemeinen erhöhen die Verfahren gemäß den Ausführungsformen der Erfindung den radialen Wärmegradienten durch maßgeschneiderte Erwärmung der Kanten des wachsenden Kristalls und/oder durch Veränderung des kondensierenden Dampfes, um das laterale Wachstum des Kristalls zu verbessern. Bei herkömmlichen Verfahren wird der radiale Wärmegradient häufig unterdrückt, um z.B. die Krümmung der Vorderkante des wachsenden Kristalls zu minimieren. Der konventionelle Stand der Technik neigt auch dazu, die Aufrechterhaltung einer im Wesentlichen gleichmäßigen Temperatur in radialer Richtung während des Kristallwachstums zu betonen. Ausführungsformen der Erfindung widersprechen dieser konventionellen Weisheit, um die Ausdehnung des Durchmessers weiter zu verbessern (z.B. über das hinaus, was allein durch die Anordnung externer thermischer Schilde erreicht werden kann, selbst in Kombination mit externen differenziellen Heiz- und Isolationstechniken) und gleichzeitig eine hohe kristalline Qualität des resultierenden Volumenkristalls beizubehalten.
veranschaulicht eine Technik zur Verbesserung des radialen Wärmegradienten in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung. In der Ausführungsform von sind eine oder mehrere innere Abschirmungen (oder Ablenkplatten) 300 innerhalb des Tiegels 205 in der Nähe des Randes der wachsenden AlN-Boule 220 angeordnet. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen leiten die inneren Abschirmungen 300 Wärme von den Wänden des Tiegels 205 in Richtung der Kante der AlN-Boule 220, wodurch deren Temperatur erhöht wird, und die inneren Abschirmungen 300 halten auch die Wärme in der Nähe der Kante der AlN-Boule 220 zurück. Auf diese Weise verstärken, oder erhöhen, die inneren Abschirmungen 300 den radialen Wärmegradienten innerhalb des Tiegels 205, was zu einem verstärkten seitlichen Kristallwachstum und einer größeren Durchmesserausdehnung der AlN-Boule 220 führt. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung liegt die Anzahl der im Tiegel 205 angeordneten inneren Abschirmungen 300 im Bereich von 1 bis 10 oder sogar 1 bis 15. Die gegenwärtigen Erfinder haben herausgefunden, dass die Verwendung von inneren Abschirmungen 300 innerhalb des Tiegels 205 eine schnellere Durchmesserausdehnung der AlN-Boule 220 und damit verbunden die Bildung größerer Boules mit mehr nutzbarem Volumen für die Herstellung von Substraten daraus ermöglicht, als es mit konventionellen Wachstumstechniken möglich ist, trotz der gängigen Meinung, dass zusätzliche Objekte, die innerhalb des Wachstumstiegels angeordnet sind, dazu neigen, das Kristallwachstum nachteilig zu stören und/oder als Keimzentren für fremdes, nachteiliges Wachstum von polykristallinem oder anderweitig unbrauchbarem Material zu wirken.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung umfassen die inneren Abschirmungen 300 ein oder mehrere feuerfeste Materialien (z.B. Wolfram und/oder TaC), bestehen im Wesentlichen daraus oder bestehen daraus und können recht dünn sein (z.B. zwischen etwa 0,125 mm und 0,5 mm dick). In anderen Ausführungsformen kann eine oder mehrere der thermischen Abschirmungen eine größere Dicke aufweisen, z.B. im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 3 mm. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Dichte (und der damit verbundene Einfluss auf das Wärmefeld in der Nähe der Abschirmung) einer oder mehrerer der inneren Abschirmungen 300 variieren. Zum Beispiel kann eine oder mehrere der inneren Abschirmungen 300 eine Dichte von etwa 10 % der vollen Dichte bis zu etwa 100 % der vollen Dichte aufweisen (als Beispiel beträgt die 100 %ige volle Dichte von Wolfram etwa 19,3 g/cm³). Dünne Folien aus feuerfesten Materialien mit unterschiedlichen Dichten und/oder Dicken sind im Handel erhältlich und können ohne übermäßige Experimente bereitgestellt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine innere Abschirmung mit größerer Dicke und/oder größerer Dichte mehr Wärme übertragen und somit den radialen Wärmegradienten stärker erhöhen als solche Abschirmungen mit geringerer Dicke und/oder geringerer Dichte.
Wie in 3 gezeigt, kann die äußere Begrenzung der inneren Abschirmungen 300 im Wesentlichen der Form und Größe der Innenwand des Tiegels 205 entsprechen, und die Größe der zentralen Öffnungen in den inneren Abschirmungen 300 kann variieren, um die Durchmessererweiterung (z.B. die erwartete Durchmessererweiterung) der AlN-Boule 220 aufzunehmen. Beispielsweise können die zentralen Öffnungen der inneren Abschirmungen 300 mit zunehmendem Abstand der einzelnen Abschirmungen vom Impfkristall 235 größer werden, zumindest dann, wenn die inneren Abschirmungen 300 dort positioniert sind, wo eine Durchmesserausdehnung der AlN-Boule 220 gewünscht oder erwartet wird. Darüber hinaus kann die Dichte und/oder Dicke der einzelnen inneren Abschirmungen 300 als Funktion des Abstands vom Impfkristall 235 variieren (z.B. zunehmen), zumindest wenn die inneren Abschirmungen 300 dort positioniert sind, wo es erwünscht oder zu erwarten ist, dass die AlN-Boule 220 eine Durchmesserausdehnung erfährt. Eine solche Zunahme kann den Volumenverlust der Abschirmungen 300 mit größeren zentralen Öffnungen kompensieren. In verschiedenen Ausführungsformen können an Positionen, an denen es erwünscht oder zu erwarten ist, dass die AlN-Boule 220 keine Durchmessererweiterung erfährt, die Größe der zentralen Öffnung, die Dichte und/oder die Dicke der inneren Abschirmungen 300 im Wesentlichen konstant sein.
Ebenso kann in Regionen, in denen eine schnellere Ausdehnung des Durchmessers erwünscht ist, der Abstand zwischen den Innenschilden 300 verringert werden, verglichen mit Regionen, in denen eine Ausdehnung des Durchmessers nicht erwünscht oder zu erwarten ist (z.B. in gleichem Ausmaß). Die Abstände zwischen den Innenschilden 300 können beispielsweise zwischen etwa 1 mm und etwa 50 mm oder zwischen etwa 5 mm und etwa 10 mm liegen.
Gemäß von Ausführungsformen der Erfindung können die Innenschilde 300 auf unterschiedliche Weisen im Tiegel 205 befestigt werden. Beispielsweise können die Innenschilde 300 an ihren Außenkanten von der Innenfläche des Tiegels 205 gehalten oder an ihr befestigt werden. Die inneren Abschirmungen 300 können jeweils auf einer Plattform oder einem Sockel innerhalb des Tiegels 205 ruhen (z.B. von dessen Innenwand aus), oder die inneren Abschirmungen 300 können mit ihren zentralen Öffnungen auf einem inneren Träger ruhen, der sich von der oberen Oberfläche des Tiegels in der Nähe des Impfkristalls 235 erstreckt. (Die innere Abstützung ist in 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, kann aber die äußere Form des Kristalls nachbilden und entweder mit diesem in Berührung stehen oder von ihm beabstandet sein; die inneren Kanten der inneren Abschirmungen 300 können die innere Abstützung berühren und daher von ihr abgestützt werden). Der innere Träger, der ein oder mehrere der gleichen Materialien wie die inneren Abschirmungen 300 umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen kann, kann die Form eines Kegelstumpfes haben, der an seinem oberen Ende (d.h. dem Ende in der Nähe des Impfkristalls 235) einen ersten Innendurchmesser hat, der ungefähr dem Durchmesser des Impfkristalls 235 entspricht oder sogar kleiner ist als dieser, und an seinem unteren Ende einen zweiten, größeren Innendurchmesser. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Innendurchmesser des inneren Trägers mit einer Rate zunehmen, die im Wesentlichen gleich oder größer ist als die (z.B. gewünschte oder erwartete) Ausdehnungsrate und/oder der Winkel der AlN-Boule 220. Das heißt, in Ausführungsformen der Erfindung kann die AlN-Boule 220 die innere Oberfläche der internen Unterstützung nicht berühren (zumindest nicht vollständig berühren, außer an einem oder mehreren diskreten Punkten) (d.h. die interne Unterstützung kann nicht berühren und nicht eng um die AlN-Boule 220 passen). In anderen Ausführungsformen kann der Innendurchmesser des inneren Trägers mit einer Geschwindigkeit zunehmen, die kleiner ist als der erwartete Expansionswinkel der AlN-Boule 220 (d.h. der Expansionswinkel, der sich bei Abwesenheit des inneren Trägers aufgrund der Wachstumsparameter ergeben würde), so dass der innere Träger den Expansionswinkel und die Expansionsgeschwindigkeit der AlN-Boule 220 auf gewünschte, durch die Geometrie des Trägers definierte Werte beschränken kann.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der gesamte oder ein Teil des inneren Trägers konisch sein (d.h. einen Durchmesser haben, der in einer Richtung weg vom Impfkristall 235 zunimmt), z.B. an Stellen, an denen eine Durchmessererweiterung der AlN-Boule 220 gewünscht oder erwartet wird. Beispielsweise kann der gesamte oder ein Teil des inneren Trägers die Form eines Kegelstumpfes haben, der eine obere Öffnung mit kleinerem Durchmesser aufweist, um den Impfkristall 235 aufzunehmen, und der sich aufweitet, um die im Durchmesser vergrößerte AlN-Boule 220 aufzunehmen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der gesamte oder ein Teil des inneren Trägers zylindrisch sein (d.h. einen Durchmesser haben, der als Funktion des Abstands vom Impfkristall 235 im Wesentlichen konstant ist), z.B. an Stellen, an denen es erwünscht oder zu erwarten ist, dass die AlN-Boule 220 keine Durchmessererweiterung erfährt. In einem Beispiel kann der innere Träger teilweise konisch und teilweise zylindrisch sein, was der in gezeigten Durchmesseränderung der Teile 112 und 124 des Kristalls 108 entspricht.
In sind die inneren Abschirmungen 300 so dargestellt, dass sie sich um die AlN-Boule 220 herum ungefähr parallel zur Ebene des Impfkristalls 235 (d.h. ungefähr senkrecht zur seitlichen Wachstumsrichtung) und/oder zur oberen oder unteren Oberfläche des Tiegels 205 erstrecken, aber in verschiedenen Ausführungsformen sind die inneren Abschirmungen 300 in anderen Winkeln ausgerichtet. Beispielsweise können sich eine oder mehrere der inneren Abschirmungen 300 annähernd senkrecht zur Ebene des Impfkristalls 235 oder in einem geneigten Winkel dazu erstrecken (z.B. in einem Winkel von annähernd 5° bis annähernd 85° in Bezug auf die Ebene des Impfkristalls und/oder auf die obere und/oder untere Oberfläche des Tiegels). In einem Ausführungsbeispiel können eine oder mehrere der inneren Abschirmungen 300 in einem Winkel ausgerichtet sein, der annähernd senkrecht zu der durch die Expansionshöhe der AlN-Boule 220 definierten Ebene liegt (d.h. annähernd senkrecht zur Kante des Kegelstumpfes des Kristalls) - beispielsweise können sich eine oder mehrere der inneren Abschirmungen 300 annähernd senkrecht von der geneigten Kante des inneren Trägers erstrecken. In verschiedenen Ausführungsformen können eine oder mehrere der inneren Abschirmungen 300 in Winkeln ausgerichtet sein, die sich von denen unterscheiden, in denen eine oder mehrere der anderen inneren Abschirmungen 300 ausgerichtet sind. In verschiedenen Ausführungsformen beeinflussen die inneren Abschirmungen 300 lediglich das Wärmefeld innerhalb des Tiegels 205 (z.B. erhöhen sie den radialen Wärmegradienten an einem oder mehreren Punkten und/oder Bereichen) und berühren die AlN-Boule 220 selbst während ihres Wachstums nicht.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird atmosphärisches Plasma verwendet, um die Quellendampfphase innerhalb des Tiegels 205 mit Stickstoffatomen anzureichern und diese Atome vorzugsweise an der Seitenkante des wachsenden Kristalls zu konzentrieren. Der durch den Plasmaprozess erzeugte Stickstoffüberschuss fördert ein verstärktes laterales Wachstum des AlN-Kristalls mit Raten, die über denen liegen, die durch die bloße Einführung von Stickstoffgas (oder eines stickstoffhaltigen Gases) selbst ermöglicht werden, selbst bei überatmosphärischen Wachstumsdrücken. Wie in dargestellt, kann Stickstoffgas (und/oder ein stickstoffhaltiges Gas) über eine oder mehrere Düsen 400 in den Tiegel 205 eingeleitet werden, um überschüssigen Stickstoff in der Nähe des Randes der wachsenden AlN-Boule 220 bereitzustellen. Darüber hinaus sind eine oder mehrere Plasmaelektroden 410 in der Nähe (z.B. in einem Abstand von ca. 0,3 cm bis ca. 1 cm) der Kante der AlN-Boule 220 (z.B. dort, wo die Kante während des Wachstums erwartet wird) und/oder des internen Trägers (falls vorhanden) angeordnet. Wie dargestellt, können die Elektroden 410 in einem Winkel angeordnet sein, um die Durchmessererweiterung der AlN-Boule 220 zu ermöglichen, aber in anderen Ausführungsformen können die Elektroden 410 in anderen Konfigurationen angeordnet sein (z.B. parallel zu den Tiegelwänden oder in einem Winkel und dann parallel zu den Tiegelwänden). Den Elektroden 410 kann über eine Hochfrequenzstromquelle (die in die für die Kristallzüchtung verwendete HF-Quelle integriert sein kann) Wechsel- oder Gleichstrom zugeführt werden, und an den Elektroden 410 kann durch Hochspannungsentladung ein gepulster Lichtbogen erzeugt werden. Das Stickstoffgas aus den Düsen 400 kann in der Nähe der Elektroden 410 oder durch sie hindurch strömen und in ein Plasma umgewandelt werden, das den gesamten oder einen Teil des Randes der AlN-Boule 220 umhüllt. Dieses Stickstoffplasma erhöht signifikant und bevorzugt die Menge an Stickstoff innerhalb des expandierten Teils der AlN-Boule 220, wodurch sich ihre seitliche Wachstumsrate erhöht (und somit die Durchmessererweiterung der AlN-Boule 220 verbessert).
In verschiedenen Ausführungsformen können die Elektroden 410 betrieben werden, und das resultierende Plasma gebildet, gleichmäßig während des meisten des im Wesentlichen gesamten Wachstums der AlN Boule 220. In anderen Ausführungsformen können die Elektroden 410 nur während eines, zweier oder mehrerer Intervalle während des Wachstums betrieben werden, und das Plasma kann zwischen solchen Intervallen nicht vorhanden sein. In wieder anderen Ausführungsformen kann der an die Elektroden 410 angelegte Strom ein oder mehrere Male während des Wachstums variiert werden, um die Menge des während bestimmter Punkte des Wachstumsprozesses erzeugten Plasmas zu erhöhen oder zu verringern. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit der Ausdehnung des Durchmessers der AlN-Boule 220 und die sich daraus ergebende Form durch die Anwesenheit oder Abwesenheit des Plasmas und/oder die Höhe der an die Elektroden 410 gelieferten Leistung beeinflusst werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Züchtung von AlN-Einkristallen mit Massen, Volumina und/oder Raten der Durchmesserausdehnung, die größer sind als diejenigen, die durch herkömmliche Techniken ermöglicht werden. Zum Beispiel ermöglichen Ausführungsformen der Erfindung die Bildung von AlN-Einkristallen mit großen Kristallausdehnungsparametern („crystal augmentation parameters“; CAPs), wobei der CAP in mm definiert ist als: $C A P = \frac{A_{E} - A_{S}}{L_{E}} = \frac{π}{4 \times L_{E}} (d_{E}^{2} - d_{S}^{2})$
wobei A_E die expandierte Fläche (d.h. die Querschnittsfläche des Teils des Kristalls mit dem maximalen Durchmesser 116 in den 1B und 1C) in mm ist², d_E der Expansionsdurchmesser (d.h. der maximale Durchmesser 116 in den 1B und 1C) in mm ist, A_s die geimpfte Fläche (d.h., die Querschnittsfläche des Teils des Kristalls mit dem Keimdurchmesser 110 in den 1B und 1C) in mm², d_s der Keimdurchmesser (d.h. der Keimdurchmesser 110 in den 1B und 1C, der dem minimalen Durchmesser des Kristalls entsprechen kann) in mm und L_E die Expansionslänge (d.h. die Länge 120 in den 1C und 1F) des Kristalls in mm. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung stellt der CAP-Wert ein besseres Maß für die auf die Kristalllänge normierte Durchmesserausdehnung dar als der Ausdehnungswinkel 134 (siehe , da der Ausdehnungswinkel während des Wachstums des Kristalls variieren und/oder schwer zu messen sein kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Züchtung von AlN-Einkristallen mit CAPs, die mit herkömmlichen Techniken nicht erreicht werden können, was zumindest teilweise auf die schnellere Durchmesserausdehnung während des Kristallwachstums zurückzuführen ist. Ausführungsformen der Erfindung erhalten auch eine hohe Kristallqualität, ungeachtet der schnelleren Durchmesserausdehnung während des Kristallwachstums. ist ein Foto eines beispielhaften AlN-Einkristalls 500, der gemäß den Ausführungsformen der Erfindung gezüchtet wurde. AlN-Einkristalle gemäß Ausführungsformen der Erfindung können CAP-Werte von mehr als 20, mehr als 40, mehr als 60, mehr als 80, mehr als 90, mehr als 100, mehr als 150, mehr als 500, mehr als 1000 oder sogar mehr als 1500 aufweisen (hierin sind alle CAP-Werte in mm-Einheiten angegeben, sofern nicht anders angegeben), während AlN-Kristalle, die mit herkömmlichen Verfahren hergestellt werden, und AlN-Kristalle, über die in der Literatur berichtet wird, berechnete CAP-Werte von weniger als 20 (z.B. zwischen 10 und 15 oder sogar weniger) aufweisen. Herkömmliche Wachstumstechniken, die nicht in der Lage sind, den Durchmesser schnell auszudehnen, erfordern viel längere Wachstumszeiten (und damit größere Ausdehnungslängen und kleinere CAPs), um große ausgedehnte Bereiche der resultierenden AlN-Einkristalle zu erreichen. Daher erleichtern Ausführungsformen der Erfindung die schnellere, wirtschaftlichere Herstellung von großen, hochwertigen AlN-Kristallen (z.B. einkristallinen AIN-Wafern) aus kleinen Impfkristallen. Zum Beispiel hat der Kristall 500 in einen CAP von 45, was die Überlegenheit von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegenüber herkömmlichen Techniken verdeutlicht. In Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen kann der CAP von AlN-Einkristallen nicht größer sein als etwa 1600, oder nicht größer als etwa 1700, oder nicht größer als etwa 2000.

Die folgende Tabelle 1 enthält verschiedene CAP-Werte für eine Reihe unterschiedlicher, von den Erfindern hergestellter Kristalle sowie die Verhältnisse (in %) verschiedener Dimensionsparameter für die in den 1B - 1D dargestellten Kristalle. In Tabelle 1 hatten die Kristalle #1 - #4 und #10 - #15 die Form des in 1B dargestellten Kristalls 108 (d.h. ohne „geraden“ Teil 124), während Kristall #5 die Form des in 1C dargestellten Kristalls 108 hatte (d.h. mit einem längeren Kegelstumpf 112 und entsprechender Ausdehnungslänge) und die Kristalle #6 - #9 die Form des in 1D dargestellten Kristalls 108 hatten (d.h. mit einer kurzen Ausdehnungslänge und einem längeren geraden Teil 124). Tabelle 1

Kristall #	CAP (mm)	Verhältnisse, %
Kristall #	CAP (mm)	Boule-Länge / Expandierter Durchmesser (118/116)	Ausdehnungslänge/ Gesamtlänge (120/118)	Gerade Höhe / Gesamtlänge (126/118)	Expansionslänge / Expansionsdurchmesser (120/116)
1	80	33	44	0	14.55
2	92	35	64	0	22.58
3	99	44	54	0	23.44
4	132	54	34	0	18.46
5	75	42	19	37	8.08
6	1570	38	1	18	0.38
7	1059	52	2	61	0.93
8	777	48	2	49	0.96
9	314	54	4	73	1.92
10	122	35	50	0	17.65
11	91	47	50	0	23.53
12	110	27	50	0	13.64
13	138	42	50	0	20.83
14	28	66	72	0	47.87
15	110	44	42	0	18.51

Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen auch die Herstellung von AlN-Einkristallen mit ungewöhnlich großen Massen und/oder Volumina im Vergleich zu herkömmlichen AlN-Kristallen. Beispielsweise können AlN-Einkristallboules, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezüchtet werden, eine Masse von mehr als etwa 78 g, mehr als etwa 100 g, mehr als etwa 120 g oder mehr als etwa 140 g, mehr als etwa 220 g oder sogar mehr als etwa 240 g aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Masse weniger als etwa 350 g oder weniger als etwa 300 g betragen. Wenn größere Impfkristalle verwendet werden können AlN-Einkristallboules gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezüchtet werden, die sogar noch größere Massen aufweisen, z.B. mehr als ca. 300 g, mehr als ca. 500 g, mehr als ca. 800 g, mehr als ca. 1000 g oder sogar mehr als ca. 1200 g. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Masse weniger als ca. 1500 g oder weniger als ca. 1400 g betragen. Daher umfassen beispielhafte Bereiche der Boule-Masse gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ca. 78 g - ca. 1300 g, ca. 78 g - ca. 300 g und ca. 380 g - ca. 1300 g, sind aber nicht darauf beschränkt.
Entsprechend (und unter der Annahme einer konstanten Boule-Dichte von 3,255 g/cm³ für AlN) können AlN-Einkristall-Boules, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezüchtet werden, ein Volumen von mehr als etwa 24 cm³, mehr als etwa 30 cm³, mehr als etwa 50 cm³, mehr als etwa 70 cm³, mehr als etwa 75 cm³ oder mehr als etwa 80 cm haben³. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Volumen weniger als etwa 100 cm³ oder weniger als etwa 90 cm betragen³. Wenn größere Impfkristalle verwendet werden, können die gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezüchteten AlN-Einkristall-Boules ein noch größeres Volumen aufweisen, z.B. mehr als etwa 100 cm³, mehr als etwa 200 cm³, mehr als etwa 300 cm³ oder sogar mehr als etwa 350 cm³. In Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen kann das Volumen weniger als etwa 500 cm³ oder weniger als etwa 400 cm betragen³. Beispielhafte Bereiche des Boule-Volumens gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen daher unter anderem ungefähr 24 cm³ bis ungefähr 400 cm³, ungefähr 24 cm ³ bis ungefähr 80 cm³ und ungefähr 120 cm³ bis ungefähr 400 cm³.
ist ein Diagramm, das die Verteilung der Masse (und deren Standardabweichung) von über 1200 verschiedenen AIN-Einkristallboules zeigt, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Impfkristallen mit Durchmessern von etwa 52 mm oder weniger gewachsen sind. Bei Verwendung solcher Impfkristalle reicht die Masse der Boules, wie gezeigt, von etwa 70 g bis über etwa 250 g. ist ein Diagramm, das die Verteilung (und Standardabweichung) der berechneten Boulevolumina der über 1200 verschiedenen AIN-Einkristall-Boules zeigt. Diese Volumina reichen in diesen Beispielen von etwa 20 cm³ bis etwa 80 cm³. Wie gezeigt, haben AlN-Einkristallboules, die gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezüchtet wurden, eine größere Masse und/oder ein größeres Volumen als diejenigen, die mit herkömmlichen Verfahren hergestellt wurden. Die in den 6A und 6B angegebenen Werte skalieren entsprechend, wenn größere Impfkristalle für das Wachstum gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und daher sollten die in den 6A und 6B angegebenen Werte nicht als Einschränkung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung interpretiert werden. Die vorliegenden Erfinder haben mit größeren Impfkristallen größere Massen und Volumina erreicht, wie oben beschrieben.
In verschiedenen Ausführungsformen (und wie z.B. aus Tabelle 1 ersichtlich) haben AlN-Einkristallboules, die gemäß Ausführungsformen der Erfindung gezüchtet werden, ein Verhältnis von Boulelänge (d.h. Gesamtlänge 118 in 1C und 1F) zu maximalem Durchmesser (d.h. maximaler Kristalldurchmesser 116 in 1B und 1C), von ungefähr 0.3 bis ungefähr 0.7, oder von ungefähr von 0.35 bis ungefähr 0.66. In verschiedenen Ausführungsformen haben AIN-Einkristallboules, die gemäß Ausführungsformen der Erfindung gezüchtet werden, Verhältnisse von Expansionslänge (d.h. Expansionslänge 120 in den 1C und 1F) zu maximalem Durchmesser (d.h. maximaler Kristalldurchmesser 116 in den 1B und 1C), die in einen von zwei verschiedenen Bereichen fallen, abhängig von der Schnelligkeit der Durchmesserausdehnung. Beispielsweise können AlN-Einkristallboules, die gemäß Ausführungsformen der Erfindung mit kleinen Ausdehnungslängen gezüchtet werden (z.B. wie in 1D gezeigt; z.B. Boules mit Verhältnissen der Ausdehnungslänge zur Gesamtlänge im Bereich von etwa 0,5 % bis etwa 5 % oder etwa 1 % bis etwa 4 %), Verhältnisse der Ausdehnungslänge zum maximalen Durchmesser im Bereich von etwa 0,002 bis etwa 0,02 oder von etwa 0,003 bis etwa 0,02 oder von etwa 0,003 bis etwa 0,01 aufweisen. In einem anderen Beispiel können AlN-Einkristallboules, die gemäß Ausführungsformen der Erfindung mit größeren Ausdehnungslängen gezüchtet werden (z.B. wie in den 1B und 1C gezeigt; z.B. können Boules mit Verhältnissen der Ausdehnungslänge zur Gesamtlänge im Bereich von ungefähr 15% bis ungefähr 80% oder von ungefähr 30% bis ungefähr 70%) Verhältnisse der Ausdehnungslänge zum maximalen Durchmesser im Bereich von ungefähr 0,08 bis ungefähr 0,5 oder von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,3 oder von ungefähr 0,15 bis ungefähr 0,25 aufweisen.
Die Werte beider Verhältnisse sind niedriger als die bisher im Stand der Technik erreichten und zeigen die Überlegenheit von AlN-Einkristall-Boules, die gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezüchtet wurden, im Vergleich zu denen, die mit herkömmlichen Techniken hergestellt wurden. Zum Beispiel ermöglichen Boules gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Herstellung einer größeren Anzahl von AIN-Einkristall-Wafern mit großem Durchmesser pro Gesamtlänge der Boule, d.h. das einkristalline AlN ist innerhalb des Boule vorteilhafter verteilt, zumindest vom Standpunkt der Produktion großer Wafer. Die gemäß den Ausführungsformen der Erfindung hergestellten Kristalle sind daher wirtschaftlicher und ermöglichen die Herstellung größerer Wafer im Vergleich zu herkömmlichen Kristallen und deren Herstellungsverfahren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Durchmesser des Impfkristalls von etwa 5 mm bis etwa 100 mm, von etwa 5 mm bis etwa 52 mm oder von etwa 52 mm bis etwa 100 mm reichen. Die Gesamtlänge der Boule kann von etwa 18 mm bis etwa 50 mm, etwa 18 mm bis etwa 35 mm oder etwa 30 mm bis etwa 50 mm betragen. Der maximale Kristalldurchmesser kann von ca. 17 mm bis ca. 120 mm, zwischen ca. 17 mm bis ca. 65 mm oder von ca. 65 mm und ca. 120 mm liegen. Diese Werte sind beispielhaft und sollten nicht als einschränkende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verstanden werden.
Darüber hinaus weisen einkristalline AlN-Boules, die gemäß den Ausführungsformen der Erfindung hergestellt werden, eine hohe Kristallqualität auf, ungeachtet der hohen Ausdehnungsraten des Durchmessers, die bei ihrer Herstellung verwendet werden. Beispielsweise weisen die gemäß den Ausführungsformen der Erfindung hergestellten Boules eine Dichte an Fadenstufenversetzungen von weniger als 10⁵ cm^-2 oder sogar weniger als 3×10⁴ cm^-2 auf, wie durch röntgentopographische Messungen bestätigt wird. Darüber hinaus sind diese geringen Versetzungsdichten in den peripheren, erweiterten Bereichen der Boules und in den zentralen Bereichen der Boules ungefähr gleich.
Ein oder mehrere Substrate (oder „Wafer“) können nach dem Kristallwachstum von der AlN-Boule 220 abgetrennt werden, z.B. mit einer ringförmigen Diamantsäge oder einer Drahtsäge. 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 Al-Polaritätsoberfläche oder eine N-Polaritätsoberfläche haben und können anschließend wie in US-Patent Nr. 7,037 .,38 beschrieben hergestellt werden, dessen gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. In anderen Ausführungsformen kann das Substrat innerhalb von etwa 2° einer m-Flächen- oder a-Flächen-Orientierung ausgerichtet sein (und somit eine unpolare Orientierung aufweisen) oder eine semipolare Orientierung haben, wenn die AlN-Boule 220 entlang einer anderen Richtung geschnitten wird. Die Oberflächen dieser Wafer können auch wie in U.S. Patent No. 7,037,838 beschrieben vorbereitet werden. Das Substrat kann eine annähernd kreisförmige Querschnittsfläche mit einem Durchmesser von mehr als etwa 50 mm haben. Das Substrat kann eine Dicke von mehr als etwa 100 µm, mehr als etwa 200 µm oder sogar mehr als etwa 2 mm haben. Das Substrat hat typischerweise die Eigenschaften der AlN-Boule 220, wie hier beschrieben. Nachdem das Substrat aus der AlN-Boule 220 herausgeschnitten 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, wie z.B. in den US-Patenten Nr. 8,080,833 und 9,437,430 beschrieben, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
AlN-Volumenkristalle (z.B. Boules und/oder Wafer), die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, können Ätzgrubendichtemessungen (d.h. Ätzmessungen, die Defekte wie z.B. Fadenversetzungen, die die Oberfläche des Kristalls durchschneiden, aufzeigen) im Bereich von etwa 5 × 10³ cm^-2 bis etwa 1 × 10⁴ cm^-2 aufweisen. AlN-Kristalle gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eine Dichte von Fadenstufenversetzungen im Bereich von etwa 1×10³ cm^-2 bis etwa 1×10⁴ cm^-2 und eine Dichte von Fadenschraubenversetzungen im Bereich von etwa 1 cm^-2 bis etwa 10 cm^-2 aufweisen, z.B. eine Gesamtversetzungsdichte von weniger als etwa 10⁴ cm^-2. Bei der Messung mittels Röntgenbeugung können die Röntgenbeugungs-Kurven (z.B. entlang (0002) und/oder (10-12)) von AlN-Kristallen gemäß Ausführungsformen der Erfindung Werte der Halbwertsbreite (HWB) von weniger als 50 Bogensekunden aufweisen (z.B., im Bereich von etwa 30 arcsec bis etwa 50 arcsec oder von etwa 40 arcsec bis etwa 50 arcsec) oder sogar weniger als 40 arcsec (z.B. im Bereich von etwa 20 arcsec bis etwa 40 arcsec, etwa 30 arcsec bis etwa 40 arcsec oder etwa 20 arcsec bis etwa 35 arcsec). Durch Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) gemessen können AlN-Einkristalle gemäß Ausführungsformen der Erfindung Kohlenstoffkonzentrationen von etwa 1,8×10¹⁶cm^-3 bis 5×10¹⁷ cm^-3, sowie Sauerstoffkonzentrationen von etwa 1×10¹⁷ cm^-3 bis 7,9×10¹⁷ cm^-3 aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Kohlenstoffkonzentration zwischen etwa 1,8 × 10¹⁶cm^-3 bis etwa 5 × 10¹⁶ cm^-3 liegen. Die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Einkristallen gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann größer sein als etwa 290 Watt pro Meter-Kelvin (W/m·K), gemessen nach dem Standard E1461-13 (Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method) der American Society for Testing and Materials (ASTM), dessen gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, und bereitgestellt wird von einem kommerziellen Anbieter wie NETZSCH Inc. aus Exton, Pennsylvania.
ist eine schematische Ansicht einer UV-LED 700, die auf einem AlN-Substrat in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Wie gezeigt, weist die UV-LED 700 eine Reihe von Schichten auf, die epitaktisch über einem AlN-Substrat 705 und zwei oberseitigen Metallkontakten 710, 715 aufgewachsen sind. Unmittelbar über dem Substrat befindet sich eine 500 nm dicke Schicht 720 aus undotiertem (d.h. ungewollt dotiertem) AlN, darüber eine 500 nm dicke untere Kontaktschicht 725 aus n-dotiertem (mit Si in einer Konzentration von 2 × 10¹⁸ cm^-3) Al_0.83Ga_0·17N. Über der unteren Kontaktschicht 725 befindet sich eine Mehrfach-Quantentopf („MQW“)-Schicht 730 mit fünf Sätzen eines 2 nm dicken Al_0.78Ga_0.22N-Quantentopfs und einer 6 nm dicken Al_0.85Ga_0.15N-Barriere, die alle undotiert sind. Oberhalb der MQW-Schicht 730 befindet sich eine 10 nm dicke Elektronenblockierschicht aus undotiertem Al_0.95Ga_0.05N. Über der Elektronenblockierschicht befindet sich eine undotierte, abgestufte Schicht 735, die über eine Dicke von 30 nm von Al_0.95Ga_0.05N zu GaN abgestuft ist. Schließlich befindet sich über der abgestuften Schicht 735 eine 10 nm dicke p-dotierte (mit Mg in einer Konzentration von 1×10¹⁹ cm^-3) GaN-Deckschicht 740. Die p-Metallschicht 710 wird über der Deckschicht 740 gebildet, während die n-Metallschicht 715 über der unteren Kontaktschicht 725 gebildet wird (z.B. freigelegt durch Wegätzen der darüber liegenden Struktur). ist eine Draufsicht auf die UV-LED 700 aus , die Licht bei etwa 230 nm emittiert. Vorrichtungen wie die in den und gezeigten weisen Ausgangsleistungen zwischen 20 µW und 500 µW bei Strömen von 20 mA und bei Raumtemperatur im kontinuierlichen Wellenbetrieb (CW) auf. Solche Ausgangsleistungen weisen auf externe Quantenwirkungsgrade von 0,02 % bis 0,5 % im Wellenlängenbereich von 228 nm bis 238 nm hin.
Nach der Bildung der Elektroden (z.B. Kontakte 710, 715) kann die resultierende lichtemittierende Vorrichtung elektrisch mit einem Gehäuse verbunden werden, beispielsweise wie in dem am 6. April 2015 eingereichten US-Patent Nr. 9,293,670 (das „670-Patent“) beschrieben, dessen gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Eine Linse kann auch auf dem Gerät positioniert werden, um das von dem Gerät emittierte Licht zu übertragen (und in verschiedenen Ausführungsformen zu formen). Beispielsweise 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 Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Nach dem Verpacken kann jeder verbleibende Teil des Substrats entfernt werden.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung können, falls gewünscht, verschiedene Techniken zur teilweisen oder vollständigen Entfernung des Substrats verwendet werden. Beispielsweise können Ätztechniken, wie die elektrochemischen Ätztechniken, die in der US-Patentanmeldung Serial No. 16/161,320 , die am 16. Oktober 2018 eingereicht wurde und deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, verwendet werden. In anderen Ausführungsformen können Techniken verwendet werden, wie sie in der US-Patentanmeldung Serial No. 15/977,031 , eingereicht am 11. Mai 2018, verwendet werden.
AlN-Kristalle und daraus hergestellte Wafer gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch vorteilhaft ein hohes Maß an UV-Transparenz aufweisen, selbst bei tiefen UV-Wellenlängen, wie beispielsweise in der US-Patentanmeldung Serial No. 16/444,147 beschrieben, die am 18. Juni 2019 eingereicht wurde (die '147-Anmeldung), deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Zu den Ausführungsformen der Erfindung gehören beispielsweise Techniken zur Kontrolle und Verringerung des Kohlenstoffgehalts im Ausgangsmaterial, das zum Züchten des AlN-Einkristalls verwendet wird, und zur Verbesserung der UV-Transparenz durch thermische Behandlungen, wie nachstehend beschrieben.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die polykristalline AlN-Keramik gemäß den im US-Patent Nr. 9,447,519 (das '519-Patent) beschriebenen Verfahren hergestellt werden, dessen gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, d.h. ein „Pellet-Drop“-Verfahren unter Verwendung hochreiner Al-Pellets, die in Gegenwart von Stickstoff geschmolzen werden, um polykristallines AlN-Keramikmaterial zu bilden. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Keramik in Fragmente zerbrochen, um die Entfernung eines Großteils des Kohlenstoffs aus ihr zu erleichtern. Die Keramik kann z.B. durch Anwendung mechanischer Kraft zerkleinert werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass überraschenderweise ein großer Teil des Kohlenstoffs in der polykristallinen AlN-Keramik auf kleineren Fragmenten und/oder Staub (z.B. Teilchen mit großer Gesamtoberfläche 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) geringere Kohlenstoffkonzentrationen aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen können die Fragmente der AlN-Keramik mit Hilfe eines oder mehrerer Siebe nach ihrer Größe getrennt werden, und/oder es kann Druckluft oder ein anderes Fluid (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 reduzieren. Wie zum Beispiel in der Anmeldung '147 berichtet, deren gesamte Offenlegung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, weisen die größeren Fragmente nach der Fragmentierung und Abtrennung Kohlenstoffkonzentrationen auf, die zwischen ca. 5 ppm und ca. 60 ppm liegen, mit einer durchschnittlichen Kohlenstoffkonzentration von ca. 26 ppm. In krassem Gegensatz dazu weisen das resultierende Pulver und die kleineren Fragmente Kohlenstoffkonzentrationen von ca. 108 ppm bis ca. 1800 ppm auf, mit einer durchschnittlichen Kohlenstoffkonzentration von ca. 823 ppm.
So können gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ein oder mehrere der größeren Fragmente der polykristallinen AlN-Keramik, sobald sie von den kleineren Fragmenten und dem Pulver getrennt sind, direkt als Ausgangsmaterial für die Bildung von einkristallinem AlN (wie oben beschrieben) verwendet werden. In anderen Ausführungsformen werden ein oder mehrere (typischerweise mehrere) der Fragmente gesammelt und in einen Tiegel (z.B. ein Wolfram (W)-Gefäß) zur anschließenden Wärmebehandlung gegeben. (Während in bevorzugten Ausführungsformen nur die größeren Fragmente der polykristallinen AlN-Keramik wärmebehandelt werden, umfassen Ausführungsformen der Erfindung auch die Wärmebehandlung der gesamten, nicht fragmentierten Keramik).
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die optionale nachfolgende Präparationsstufe eine Glüh- und Verdichtungsbehandlung mindestens eines Teils der polykristallinen AlN-Keramik (z.B. eines oder mehrerer größerer Fragmente davon), um hochwertiges polykristallines AIN-Ausgangsmaterial zu bilden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die AlN-Keramik (oder ein Teil davon) auf eine erste Temperatur T1 im Bereich von 1100 °C bis 2000 °C erhitzt und für einen Zeitraum 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 einen Zeitraum t2 von z.B. 3 Stunden bis 15 Stunden bei dieser Temperatur gehalten werden. Während der Wärmebehandlung wird die Keramik (oder ein Teil davon) geglüht und verdichtet, um ein polykristallines AlN-Ausgangsmaterial zu bilden, das für die anschließende Bildung von einkristallinen AIN-Volumenkristallen verwendet werden kann. Da es sich bei dem polykristallinen AIN-Ausgangsmaterial im Allgemeinen um annähernd stöchiometrisches AlN mit geringen Konzentrationen an Verunreinigungen handelt, kann es ohne weitere Aufbereitung (z.B. ohne zwischengeschaltete Sublimations-Rekondensationsschritte) zur Bildung eines AlN-Volumenkristalls verwendet werden.
Bei einer alternativen Wärmebehandlung gemäß den Ausführungsformen der Erfindung wird anstelle des ersten Glühschritts bei der Temperatur T1 eine längere Rampe auf die Temperatur T2 verwendet. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die AlN-Keramik (oder ein Teil davon) über einen Zeitraum t1 von beispielsweise 5 Stunden bis 25 Stunden auf die Temperatur T2 (z.B. eine Temperatur im Bereich von 2000°C bis 2250°C) gebracht werden. Danach kann die Keramik (oder ein Teil davon) für einen Zeitraum t2 von z.B. 3 Stunden bis 25 Stunden auf der Temperatur T2 gehalten werden. Während der Wärmebehandlung wird die Keramik (oder ein Teil davon) geglüht und verdichtet, um ein polykristallines AlN-Ausgangsmaterial zu bilden, das für die anschließende Bildung hochwertiger einkristalliner AlN-Massekristalle verwendet werden kann. Da es sich bei dem polykristallinen AIN-Ausgangsmaterial im Allgemeinen um annähernd stöchiometrisches AlN mit geringen Konzentrationen an Verunreinigungen handelt, kann es ohne weitere Aufbereitung (z.B. ohne zwischengeschaltete Sublimations-Rekondensationsschritte) zur Bildung eines AlN-Massekristalls verwendet werden.
In verschiedenen Ausführungsformen liegt die Kohlenstoffkonzentration des polykristallinen AIN-Quellmaterials, wie durch instrumentelle Gasanalyse (IGA) gemessen, im Bereich von etwa 3,0 × 10¹⁸ cm^-3 bis etwa 1,8 × 10¹⁹ cm^-3, etwa 3,8 × 10¹⁸ cm^-3 bis etwa 1,2 cm × 10¹⁹ cm-³, oder sogar von etwa 3,0 × 10¹⁸ cm^-3 bis etwa 9,0 × 10¹⁸ cm^-3. Nach der optionalen Verdichtungswärmebehandlung kann die Dichte des polykristallinen AIN-Ausgangsmaterials, gemessen durch Pyknometrie bei Raumtemperatur, ungefähr gleich der von einkristallinem AlN sein, d.h. ungefähr 3,25 g/cm³ bis 3,26 g/cm³. In verschiedenen Ausführungsformen kann die gemessene Dichte der AlN-Keramik ohne die Verdichtungswärmebehandlung niedriger sein, z.B. etwa 2,95 g/cm³ bis etwa 3,20 g/cm³. In verschiedenen Ausführungsformen hat das polykristalline AIN-Ausgangsmaterial nach der optionalen Verdichtungswärmebehandlung typischerweise eine bernsteinfarbene Farbe und besteht aus ziemlich großen Körnern (z.B. mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von etwa 0,1 mm bis etwa 5 mm).
In Bezugnahme zurück auf 2, gemäß Ausführungsformen der Erfindung können ein oder mehrere Innenteile der Kristallzüchtungsvorrichtung 200 (z.B. der Tiegel 205, der Suszeptor 215 und/oder der Tiegelständer 210) vor der Kristallzüchtung und der Bildung der AlN-Boule 220 geglüht werden, und ein solches Glühen kann vorteilhaft die Kohlenstoffkonzentration in der AlN-Boule 220 verringern. In verschiedenen Ausführungsformen können ein oder mehrere Innenteile der Kristallzüchtungsvorrichtung 200 beispielsweise 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 Kohlenstoffkonzentration in der AlN-Boule 220 durch die Einführung eines oder mehrerer Getter-Materialien in den Tiegel 205 vor und während des Wachstums der AlN-Boule 220 verringert werden. Die Getter-Materialien können als ein Teil oder die Gesamtheit einer oder mehrerer Komponenten der Kristallwachstumsvorrichtung 200 (z.B. der Tiegel 205, eine Auskleidung, die sich innerhalb des Tiegels 205 und in der Nähe einer Innenfläche oder Wand desselben befindet, der Suszeptor 215 und/oder der Tiegelständer 210) eingebracht werden, und/oder die Getter-Materialien können als diskrete Materialmassen innerhalb der Kristallwachstumsvorrichtung 200 eingebracht werden. Die Getter-Materialien können zwischen dem Ausgangsmaterial 230 und der wachsenden AlN-Boule 220 angeordnet werden, um z.B. Verunreinigungen wie Kohlenstoff aus dem zur AlN-Boule 220 (d.h. zum Impfkristall 235) strömenden Dampf zu gettern oder zu absorbieren. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Getter-Materialien stabil bei und haben Schmelzpunkte, die höher sind als die Wachstumstemperatur (z.B. höher als ungefähr 2000°C) und haben niedrige Dampfdrücke, um eine Verunreinigung der wachsenden AlN-Boule 220 mit den Getter-Materialien selbst zu verhindern. In verschiedenen Ausführungsformen hat ein Gettering-Material einen eutektischen Schmelzpunkt mit AlN, der über der Wachstumstemperatur liegt (z.B. über ca. 2000 °C). Beispiele für Gettering-Materialien gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Bor (Schmelzpunkt von etwa 2300 °C), Iridium (Schmelzpunkt von etwa 2410 °C), Niob (Schmelzpunkt von etwa 2468 °C), Molybdän (Schmelzpunkt von etwa 2617 °C), Tantal (Schmelzpunkt von etwa 2996 °C), Rhenium (Schmelzpunkt von etwa 3180 °C) und/oder Wolfram (Schmelzpunkt von etwa 3410 °C). In verschiedenen Ausführungsformen kann das Gettermaterial (oder die Komponente des Geräts 200 oder ein Teil davon) ein oder mehrere Nicht-Wolfram-Materialien mit Schmelztemperaturen von mindestens etwa 2300 °C enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
Nach dem Wachstum der AlN-Boule 220 kann die AlN-Boule 220 auf etwa Raumtemperatur abgekühlt werden, um anschließend aus der Kristallzüchtungsvorrichtung 200 entfernt zu werden. Zum Beispiel kann die AlN-Boule 220 in einem zweistufigen Prozess abgekühlt werden, wie im Patent '519 beschrieben. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die AlN-Boule 220 jedoch einfach in einer einzigen Stufe mit beliebiger Geschwindigkeit von der Wachstumstemperatur abgekühlt werden, da die unten beschriebene Wärmebehandlung den zweistufigen Prozess des '519-Patents überflüssig macht. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die AlN-Boule 220 von der Wachstumstemperatur auf etwa Raumtemperatur mit einer hohen Geschwindigkeit abgekühlt (z.B, mehr als 70 °C/Stunde, mehr als 80 °C/Stunde, mehr als 100 °C/Stunde, mehr als 150 °C/Stunde, mehr als 200 °C/Stunde, mehr als 250 °C/Stunde, mehr als 300 °C/Stunde, mehr als 400 °C/Stunde oder sogar mehr als 500 °C/Stunde abgekühlt; in verschiedenen Ausführungsformen kann die Abkühlungsrate nicht mehr als 2000 °C/Stunde, 1500 °C/Stunde oder 1000 °C betragen), ohne dass eine „kontrollierte Abkühlung“ durch Anlegen von Energie an die Heizelemente der Kristallzüchtungsvorrichtung 200 erreicht wird. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird Gas (z.B. Stickstoff und/oder ein Inertgas) in der Kristallzüchtungsvorrichtung 200 mit einer hohen Rate (z.B. einer Rate, die ungefähr gleich oder höher ist als die während der Kristallzüchtung verwendete Gasflussrate) eingeleitet, um die AlN-Boule 220 zu kühlen. Zum Beispiel kann die während des Kristallwachstums verwendete Gasströmungsrate ungefähr 4 slm oder weniger, ungefähr 3 slm oder weniger, ungefähr 2 slm oder weniger oder ungefähr 1 slm oder weniger betragen. Die während des Kristallwachstums 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 ungefähr 5 slm oder mehr, ungefähr 10 slm oder mehr, ungefähr 15 slm oder mehr, ungefähr 20 slm oder mehr oder ungefähr 25 slm oder mehr betragen. Die während der Kühlung 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) an einen Rand der heißen Zone oder über die heiße Zone bewegt werden, die durch die Heizelemente der Kristallzüchtungsvorrichtung 200 gebildet wird, um die AlN-Boule 220 schneller abzukühlen.
Vorteilhaft ist, dass die hohe Abkühlungsrate der AlN-Boule 220 die Bildung von Rissen in der AlN-Boule 220 minimiert oder eliminiert, insbesondere wenn die AlN-Boule 220 einen Durchmesser von etwa 50 mm oder mehr hat. Die hohe Abkühlungsrate kann jedoch auch zu einer nachteilig hohen UV-Absorption innerhalb der AlN-Boule 220 bei einer oder mehreren Wellenlängen (z.B. Wellenlängen um 310 nm) führen, wie in der Anmeldung '147 beschrieben. zeigt das UV-Absorptionsspektrum für eine beispielhafte AlN-Boule 220, die wie hier beschrieben schnell von der Wachstumstemperatur abgekühlt wurde. Das UV-Absorptionsspektrum einer beispielhaften AlN-Boule 220, die schnell von der Wachstumstemperatur abgekühlt wird, kann beispielsweise einen erhöhten Peak bei etwa 310 nm aufweisen, der die UV-Transparenz des Kristalls über einen breiten Wellenlängenbereich beeinträchtigt, und der UV-Absorptionskoeffizient kann über den gesamten Wellenlängenbereich von 210 nm bis 400 nm größer als 20 cm^-1 sein. Der UV-Absorptionskoeffizient kann auch größer als 30 cm^-1 über den Wellenlängenbereich von 210 nm bis 380 nm sein. Somit kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Kontrolle verschiedener Verunreinigungskonzentrationen, wie z.B. Kohlenstoff, während des Wachstums und innerhalb des resultierenden AlN-Kristalls unzureichend sein, 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 die AlN-Boule 220 oder ein Teil davon wärmebehandelt werden, um ihre UV-Transparenz, insbesondere bei tiefen UV-Wellenlängen, weiter zu verbessern. Zum Beispiel können ein oder mehrere Wafer von der AlN-Boule 220 abgetrennt werden, wie hierin beschrieben, und ein oder mehrere der Wafer können zur Verbesserung der UV-Transparenz wärmebehandelt werden. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf die Wärmebehandlung des AlN-Boule 220, aber es ist zu verstehen, dass nur ein oder mehrere Teile der Boule (z.B. ein oder mehrere Wafer) wärmebehandelt werden können, und nicht die gesamte Boule. Darüber hinaus können die hier beschriebenen Wärmebehandlungen an verschiedenen AIN-Kristallen (z.B. AIN-Einkristallen) durchgeführt werden, auch wenn diese nicht wie hier beschrieben gezüchtet und gekühlt wurden, um die UV-Absorption zu verbessern.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird die AlN-Boule 220 in einer Heizvorrichtung (z.B. einem Ofen wie einem Widerstandsofen oder einem Hochfrequenzofen) geglüht, die für eine im Wesentlichen isotherme oder quasi-isotherme Erwärmung ausgelegt 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 feuerfeste Materialien (z.B. W oder ein anderes feuerfestes Metall) mit einem Schmelzpunkt von mehr als etwa 2800 °C oder sogar mehr als etwa 3000 °C enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. In verschiedenen Ausführungsformen kann 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 einem Ausheizvorgang bei hoher Temperatur unterzogen werden, um das Vorhandensein von Verunreinigungen im Ofen zu reduzieren oder zu minimieren. Beispielsweise kann der Ofen unter Vakuum für einen Zeitraum von z.B. 0,5 bis 2 Stunden auf etwa 2600 °C erhitzt werden. Nachdem der Ofen abgekühlt ist, kann die AlN-Boule 220 in den Ofen gelegt werden, der dann mit Stickstoffgas bei einem Druck von z.B. etwa 1 bar bis etwa 2 bar gefüllt werden kann. Die AlN-Boule 220 kann „lose“ (d.h. ohne Befestigung, Anhaftung oder Fixierung) auf einer Plattform im Ofen platziert werden, die W oder ein anderes hochschmelzendes Metall enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen kann. In verschiedenen Ausführungsformen werden durch die lose Platzierung der AlN-Boule 220 Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung zwischen der AlN-Boule 220 und der Plattform reduziert oder im Wesentlichen eliminiert.
Die Temperatur im Ofen kann dann mit einer Rampenrate von z.B. etwa 1 °C/min bis etwa 50 °C/min auf die gewünschte Glühtemperatur gebracht werden. In verschiedenen Ausführungsformen liegt die Glühtemperatur zwischen etwa 2100 °C und etwa 2500 °C, z.B. etwa 2400 °C. In verschiedenen Ausführungsformen liegt die Glühtemperatur zwischen etwa 2150 °C und etwa 2400 °C. Die 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 für einen Zeitraum von z.B. etwa 0,5 Stunden bis etwa 100 Stunden, etwa 0,5 Stunden bis etwa 5 Stunden oder etwa 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 niedriger Leistung) erreicht werden. Danach kann der Ofen abgeschaltet werden, und man kann den Ofen und die AlN-Boule 220 auf Raumtemperatur abkühlen lassen. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird daher der gesamte Glühzyklus, einschließlich der Abkühlung, der AlN-Boule 220 unter im Wesentlichen isothermen oder quasi-isothermen Bedingungen durchgeführt.
Die zeigt einen grafischen Vergleich eines UV-Absorptionsspektrums 800, das einem konventionellen UV-Absorptionsspektrum aus dem Patent '519 entspricht, und eines UV-Absorptionsspektrums 810 eines AlN-Einkristalls, der in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt und getempert wurde. Wie gezeigt, weist der Kristall gemäß Ausführungsformen der Erfindung über den gesamten Wellenlängenbereich einen niedrigeren Absorptionskoeffizienten auf, und das Spektrum ist bei Wellenlängen zwischen 210 nm und 280 nm im Wesentlichen konstant (oder „flach“). Bei etwa 230 nm hat der Kristall gemäß den Ausführungsformen der Erfindung einen Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm^-1 (im dargestellten Beispiel etwa 7 cm^-1 bis 8 cm^-1), was drastisch niedriger ist als die im Patent '519 erzielten Ergebnisse. Darüber hinaus ist die Steigung des Absorptionskoeffizienten als Funktion der Wellenlänge in der Nähe der Bandkante viel steiler, wie im Folgenden näher beschrieben.
Wie oben erwähnt, umfassen und ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Herstellung von einkristallinem AlN mit einem steilen Abfall des Absorptionskoeffizienten in der Nähe der Bandkante, d.h. AlN mit einer niedrigen Urbach-Energie. Der „Urbach-Schwanz“ ist der exponentielle Teil der Absorptionskoeffizientenkurve in der Nähe der optischen Bandkante und steht im Zusammenhang mit kristalliner Unordnung und lokalisierten elektronischen Zuständen, die in die Bandlücke hineinreichen. Die spektrale Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten (α) von der Photonenenergie (hv) ist als empirische Urbach-Regel bekannt, die durch die folgende Gleichung gegeben ist: $α = α_{0} exp (\frac{h v}{E_{U}})$
(siehe Franz Urbach, „The Long-Wavelength Edge of Photographic Sensitivity and of the Electronic Absorption of Solids“, Phys. Rev. 92 (1953) 1324, dessen gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hier aufgenommen ist). α₀ ist eine Konstante, und E_U ist die Urbach-Energie, d.h. die Energie des Bandendes. Die obige Gleichung kann wie folgt umgeschrieben werden: $ln α = ln α_{0} + (\frac{h v}{E_{U}})$
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-Achsenabschnitt der Linie und entspricht somit In (α) bei einer theoretischen Photonenenergie von Null. Genauer gesagt ist die Urbach-Energie der Kehrwert der Steigung.
ist ein Diagramm zur Bestimmung der Urbach-Energie der Probe aus dem Patent '519 mit dem in dargestellten Absorptionsspektrum 800 sowie der Urbach-Energie der Probe gemäß den Ausführungsformen der Erfindung mit dem in dargestellten Absorptionsspektrum 810. Wie gezeigt, ist die Steigung der resultierenden Kurve 900 für die erfindungsgemäße Probe viel steiler (die Steigung beträgt etwa 4,7/eV) und führt zu einer Urbach-Energie von etwa 0,21 eV im Bereich der Photonenenergien von 5,85 eV bis 6,00 eV. In krassem Gegensatz dazu weist die Kurve 910, die der Probe mit dem Absorptionsspektrum 800 entspricht, eine Steigung von etwa 0,5/eV auf, was zu einer Urbach-Energie von etwa 2,0 eV führt. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung haben die Erfinder Proben mit Urbach-Energien im Bereich von ca. 0,2 eV bis ca. 1,8 eV, z.B. von ca. 0,21 eV bis ca. 1,0 eV, hergestellt, die deutlich niedriger sind als die von herkömmlichen Proben und Proben, die in der Literatur beschrieben sind.
Im Allgemeinen können UV-Absorptionsspektren (und daraus abgeleitete Urbach-Energien) durch Messung der Reflexionen des einfallenden Lichts auf einer Probe mit einem Spektrometer bestimmt werden. Beispielsweise wurden die UV-Absorptionsspektren von Proben gemäß Ausführungsformen der Erfindung mit einem Spektrometer V-670 (Klasse I) und einem X-Y-Tisch der Jasco Corporation gemessen. Die Messung von 52 Punkten pro Probe erfolgte mit einem Zwei-Achsen-Tischsteuergerät von Chuo Precision Industrial Co. Es wurden Wellenlängen von 200 nm bis 800 nm gemessen, es können jedoch auch Messungen bis zu einer Wellenlänge von 2000 nm mit diesem Aufbau 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 zur Lichtemission zurückreflektierte Licht berücksichtigt wird. Die Dicke L kann z.B. mit einem Messgerät (z.B. ACANTO-, CERTO-, METRO- oder SPECTO-Längenmessgeräten und der zugehörigen GAGE-CHEK-Auswerteelektronik, erhältlich von Heidenhain Corp. aus Schaumburg, IL) oder einem optischen System wie dem ULTRA-MAP 100B oder ULTRA-MAP C200, erhältlich von MicroSense, LLC aus Lowell, MA, gemessen werden. Die fasst diese Berechnung zusammen, und der Absorptionskoeffizient α bei einer bestimmten Wellenlänge des einfallenden Lichts λ kann daraus berechnet werden: $\frac{I_{T}}{I_{0}} = {(1 - R)}^{2} e^{- α L}$
wobei I_T die Intensität des durchgelassenen Lichts und I₀ die Intensität des einfallenden Lichts ist. Der Reflexionsgrad R kann bestimmt werden aus: $R = {(\frac{n - 1}{n + 1})}^{2}$
wobei der Brechungsindex n anhand der Dispersionsformel bestimmt werden kann: $n^{2} - 1 = 2.1399 + \frac{1.3786 λ^{2}}{λ^{2} - {0.1715}^{2}} + \frac{3.861 λ^{2}}{λ^{2} - {15.03}^{2}}$
und wobei die Dispersionsformel aus J. Pastrňák und L. Roskovcová, „Brechungsindexmessungen an AlN-Einkristallen“, Phys. Stat. Sol. 14, K5-K8 (1966), dessen gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Die verbesserten UV-Absorptionsspektren von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine verbesserte Leistung von lichtemittierenden Bauteilen (z.B. Laser und Leuchtdioden (LEDs)), die auf AlN-Substraten mit den verbesserten Spektren hergestellt werden, insbesondere bei kurzen Wellenlängen. Die zeigt ein Diagramm der Emissionsintensität von LED-Bauelementen als Funktion der Wellenlänge für simulierte LEDs, die bei etwa 217 nm emittieren. Die obere Kurve 1100 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 ermöglicht wird - in diesem Beispiel das in dargestellte UV-Absorptionsspektrum 810. Die untere Kurve 1110 entspricht der gleichen LED-Struktur, die auf einem Substrat mit dem Absorptionsspektrum 800 der ) 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 ist über den gesamten Wellenlängenbereich höher. Die zeigt ein Diagramm desselben Spektrums über einen kleineren Wellenlängenbereich, in dem die relativen Intensitäten der LEDs unabhängig voneinander auf denselben Wert normiert wurden, um die schmalere Intensitätsspitze der Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren. Diese schmalere Spitze ermöglicht eine bessere LED-Leistung. Die Simulationen für die in den und dargestellten Vorrichtungen zeigen, dass die Emissionsleistung für die Vorrichtung gemäß 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 noch größer sein. Wenn Reflektoren eingesetzt werden, um das von der Vorrichtung emittierte Licht in eine bevorzugte Richtung zu reflektieren, erhöht sich außerdem die Leistung der Vorrichtung bei jedem Durchgang durch das Substrat, den das reflektierte Licht zurücklegt. Beispielsweise kann die Verbesserung der Emissionsleistung des Bauelements, die durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird, auf das 2×(1,6)³ oder ungefähr das 8× geschätzt werden, wenn das reflektierte Licht das Substrat mit dem verbesserten Absorptionsspektrum dreimal durchquert.
Die Züchtung von Masseneinkristallen wird hier in erster Linie durch ein Verfahren beschrieben, das gemeinhin als „Sublimation“ oder „Sublimations-Rekondensation“ bezeichnet wird, wobei der Quellendampf 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 Quellendampf kann jedoch ganz oder teilweise durch die Injektion von Quellgasen oder ähnliche Techniken erzeugt werden, die manche als „Hochtemperatur-CVD“ bezeichnen. Auch werden manchmal andere Begriffe verwendet, um diese und andere Techniken zu beschreiben, die zur Züchtung von AlN-Einkristallen in Masse gemäß den Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden. Daher werden die Begriffe „Abscheidung“, „Züchtung“, „Abscheidung von Dampfspezies“ und ähnliche Begriffe hier verwendet, um allgemein die Techniken zu beschreiben, mit denen die Kristalle gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezüchtet werden können.
Die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es ist nicht beabsichtigt, durch die Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, aber es wird anerkannt, dass verschiedene Modifikationen im Rahmen der beanspruchten Erfindung möglich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62887033 [0001]
US 6770135 [0004]
US 16/008407 [0012, 0064]
US 7037 [0095]
US 7037838 [0095]
US 8080833 [0095]
US 9437430 [0095]
US 9293670 [0098]
US 8962359 [0098]
US 9935247 [0098]
US 16/161320 [0099]
US 15/977031 [0099]
US 16/444147 [0100]
US 9447519 [0101]

Claims

AlN-Einkristall mit einem Durchmesser, der entlang mindestens eines Teils der Länge des AlN-Einkristalls von einem minimalen Durchmesser auf einen maximalen Durchmesser zunimmt, wobei der AlN-Einkristall einen Kristallvergrößerungsparameter (CAP) in mm von mehr als 20 aufweist, wobei der CAP definiert ist durch: $C A P = \frac{A_{E} - A_{S}}{L_{E}} = \frac{π}{4 \times L_{E}} (d_{E}^{2} - d_{S}^{2})$
wobei A_E, in mm², die Querschnittsfläche des AlN-Einkristalls beim maximalen Durchmesser ist, d_E der maximale Durchmesser des AlN-Einkristalls in mm ist, A_s, in mm², die Querschnittsfläche des AIN-Einkristalls beim minimalen Durchmesser ist, d_s der minimale Durchmesser in mm ist und L_E eine Ausdehnungslänge, in mm, des mindestens einen Abschnitts des AlN-Einkristalls ist, entlang der der Durchmesser vom minimalen Durchmesser zum maximalen Durchmesser zunimmt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei die CAP größer als 500 ist.
AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei der CAP-Wert kleiner als 2000.
AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Gesamtlänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser in mm im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,6 liegt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser in mm im Bereich von etwa 0,002 bis etwa 0,02 liegt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser in mm im Bereich von etwa 0,08 bis etwa 0,5 liegt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei (a) ein erster Bereich des AlN-Einkristalls als Kegelstumpf geformt ist, wobei ein maximaler Durchmesser des Kegelstumpfs dem maximalen Durchmesser des AlN-Einkristalls entspricht und der minimale Durchmesser des Kegelstumpfs dem minimalen Durchmesser des AlN-Einkristalls entspricht, und (b) ein zweiter Bereich des AlN-Einkristalls als Kuppel oder Kegel geformt ist, der sich von dem ersten Bereich aus erstreckt, wobei ein maximaler Durchmesser der Kuppel oder des Kegels dem maximalen Durchmesser des AlN-Einkristalls entspricht.
AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei (a) ein erster Bereich des AlN-Einkristalls als Kegelstumpf geformt ist, wobei ein maximaler Durchmesser des Kegelstumpfs dem maximalen Durchmesser des AlN-Einkristalls entspricht und der minimale Durchmesser des Kegelstumpfs dem minimalen Durchmesser des AlN-Einkristalls entspricht, (b) ein zweiter Bereich des AlN-Einkristalls ist als ein Zylinder geformt, der sich von dem ersten Bereich aus erstreckt und einen Durchmesser aufweist, der dem maximalen Durchmesser des AlN-Einkristalls entspricht, und (c) ein dritter Bereich des AIN-Einkristalls ist als eine Kuppel oder ein Kegel geformt, der sich von dem zweiten Bereich aus erstreckt, wobei ein maximaler Durchmesser der Kuppel oder des Kegels dem maximalen Durchmesser des AIN-Einkristalls entspricht.
AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei (i) die Dichte der Fadenstufenversetzungen in dem AlN-Einkristall weniger als etwa 1 × 10⁴ cm^-2 beträgt, (ii) die Dichte der Fadenschraubenversetzungen in dem AlN-Einkristall weniger als etwa 10 cm^-2 beträgt und (iii) der AlN-Einkristall eine Röntgenbeugungskurve mit einer Halbwertsbreite von weniger als 50 arcsec aufweist.
AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei der AlN-Einkristall eine Urbach-Energie im Bereich von etwa 0,2 eV bis etwa 1,8 eV innerhalb eines Photonenenergiebereichs von 5,85 eV bis 6,0 eV aufweist, wobei die Urbach-Energie E_U definiert ist durch: $ln α = ln α_{0} + (\frac{h v}{E_{U}})$
wobei α ein Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls bei einer einfallenden Photonenenergie hv ist und α₀ eine Konstante ist, die dem Absorptionskoeffizienten bei einer Photonenenergie von Null entspricht.
AlN-Einkristall nach Anspruch 10, wobei die Urbach-Energie des AlN-Einkristalls im Bereich von etwa 0,21 eV bis etwa 1,0 eV liegt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei der AlN-Einkristall einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm aufweist.
AlN-Einkristall nach Anspruch 12, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm beträgt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei der Mindestdurchmesser des AlN-Einkristalls mindestens etwa 25 mm beträgt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 1, wobei der maximale Durchmesser des AlN-Einkristalls mindestens etwa 50 mm beträgt.
AlN-Einkristall mit einer Masse von mehr als 78 Gramm.
AlN-Einkristall nach Anspruch 16, wobei die Masse größer als etwa 240 Gramm ist.
AlN-Einkristall nach Anspruch 16, wobei die Masse weniger als etwa 1400 Gramm beträgt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 16, wobei der Mindestdurchmesser des AlN-Einkristalls mindestens etwa 25 mm beträgt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 16, wobei der maximale Durchmesser des AlN-Einkristalls mindestens etwa 50 mm beträgt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 16, wobei (i) die Dichte der Fadenstufenversetzungen in dem AlN-Einkristall weniger als etwa 1 × 10⁴ cm beträgt^-2, (ii) die Dichte der Fadenschraubenversetzungen in dem AlN-Einkristall weniger als etwa 10 cm^-2 beträgt und (iii) der AlN-Einkristall eine Röntgenbeugungskurve mit einer Halbwertsbreite von weniger als 50 arcsec aufweist.
AlN-Einkristall nach Anspruch 16, wobei der AlN-Einkristall eine Urbach-Energie im Bereich von etwa 0,2 eV bis etwa 1,8 eV innerhalb eines Photonenenergiebereichs von 5,85 eV bis 6,0 eV aufweist, wobei die Urbach-Energie E_U definiert ist durch: $ln α = ln α_{0} + (\frac{h v}{E_{U}})$
wobei α ein Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls bei einer einfallenden Photonenenergie hv ist und α₀ eine Konstante ist, die dem Absorptionskoeffizienten bei einer Photonenenergie von Null entspricht.
AlN-Einkristall nach Anspruch 22, wobei die Urbach-Energie des AlN-Einkristalls im Bereich von etwa 0,21 eV bis etwa 1,0 eV liegt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 16, wobei der AlN-Einkristall einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm aufweist.
AlN-Einkristall nach Anspruch 24, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm beträgt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 16, wobei der AlN-Einkristall einen Durchmesser aufweist, der entlang mindestens eines Teils der Länge des AlN-Einkristalls von einem minimalen Durchmesser auf einen maximalen Durchmesser zunimmt, wobei der AlN-Einkristall einen Kristallvergrößerungsparameter (CAP) in mm von mehr als 20 aufweist, wobei der CAP definiert ist durch: $C A P = \frac{A_{E} - A_{S}}{L_{E}} = \frac{π}{4 \times L_{E}} (d_{E}^{2} - d_{S}^{2})$
wobei A_E, in mm², die Querschnittsfläche des AlN-Einkristalls beim maximalen Durchmesser ist, d_E der maximale Durchmesser des AlN-Einkristalls in mm ist, A_s, in mm², die Querschnittsfläche des AIN-Einkristalls beim minimalen Durchmesser ist, d_s der minimale Durchmesser in mm ist und L_E eine Ausdehnungslänge, in mm, des mindestens einen Abschnitts des AlN-Einkristalls ist, entlang der der Durchmesser vom minimalen Durchmesser zum maximalen Durchmesser zunimmt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 16, wobei das Verhältnis der Gesamtlänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser des AlN-Einkristalls in mm im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,6 liegt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 16, wobei: der AlN-Einkristall einen Durchmesser hat, der entlang mindestens eines Teils der Länge des AlN-Einkristalls von einem minimalen Durchmesser zu einem maximalen Durchmesser zunimmt, der AlN-Einkristall eine Ausdehnungslänge aufweist, die einer Länge des mindestens einen Abschnitts des AIN-Einkristalls entspricht, entlang der der Durchmesser von dem minimalen Durchmesser auf den maximalen Durchmesser zunimmt, und ein Verhältnis der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser in mm im Bereich von etwa 0,002 bis etwa 0,02 liegt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 16, wobei: der AlN-Einkristall einen Durchmesser hat, der entlang mindestens eines Teils der Länge des AIN-Einkristalls von einem minimalen Durchmesser zu einem maximalen Durchmesser zunimmt, der AlN-Einkristall eine Ausdehnungslänge aufweist, die einer Länge des mindestens einen Abschnitts des AlN-Einkristalls entspricht, entlang der der Durchmesser von dem minimalen Durchmesser auf den maximalen Durchmesser zunimmt, und ein Verhältnis der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser in mm im Bereich von etwa 0,08 bis etwa 0,5 liegt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 16, wobei (i) ein erster Bereich des AlN-Einkristalls als Kegelstumpf geformt ist und (ii) ein zweiter Bereich des AlN-Einkristalls als Kuppel oder Kegel geformt ist, der sich von dem ersten Bereich aus erstreckt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 16, wobei (a) ein erster Bereich des AlN-Einkristalls als Kegelstumpf geformt ist, (b) ein zweiter Bereich des AlN-Einkristalls als Zylinder geformt ist, der sich von dem ersten Bereich aus erstreckt und einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser hat, und (c) ein dritter Bereich des AlN-Einkristalls als Kuppel oder Kegel geformt ist, der sich von dem zweiten Bereich aus erstreckt.
AlN-Einkristall mit einem Volumen von mehr als 24 cm³.
AlN-Einkristall nach Anspruch 32, wobei das Volumen größer als etwa 70 cm³ ist.
AlN-Einkristall nach Anspruch 32, wobei das Volumen weniger als etwa 500 cm beträgt³.
AlN-Einkristall nach Anspruch 32, wobei der Mindestdurchmesser des AlN-Einkristalls mindestens etwa 25 mm beträgt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 32, wobei der maximale Durchmesser des AlN-Einkristalls mindestens etwa 50 mm beträgt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 32, wobei (i) die Dichte der Fadenstufenversetzungen in dem AlN-Einkristall weniger als etwa 1 × 10⁴ cm^-2 beträgt, (ii) die Dichte der Fadenschraubenversetzungen in dem AlN-Einkristall weniger als etwa 10 cm^-2 beträgt und (iii) der AlN-Einkristall eine Röntgenbeugungskurve mit einer Halbwertsbreite von weniger als 50 arcsec aufweist.
AlN-Einkristall nach Anspruch 32, wobei der AlN-Einkristall eine Urbach-Energie im Bereich von etwa 0,2 eV bis etwa 1,8 eV innerhalb eines Photonenenergiebereichs von 5,85 eV bis 6,0 eV aufweist, wobei die Urbach-Energie E_U definiert ist durch: $ln α = ln α_{0} + (\frac{h v}{E_{U}})$
wobei α ein Absorptionskoeffizient des AlN-Einkristalls bei einer einfallenden Photonenenergie hv ist und α₀ eine Konstante ist, die dem Absorptionskoeffizienten bei einer Photonenenergie von Null entspricht.
AlN-Einkristall nach Anspruch 38, wobei die Urbach-Energie des AlN-Einkristalls im Bereich von etwa 0,21 eV bis etwa 1,0 eV liegt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 32, wobei der AlN-Einkristall einen Ultraviolett (UV)-Absorptionskoeffizienten von weniger als 10 cm^-1 für einen gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm aufweist.
AlN-Einkristall nach Anspruch 40, wobei der UV-Absorptionskoeffizient nicht weniger als etwa 5 cm^-1 für den gesamten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm beträgt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 32, wobei der AlN-Einkristall einen Durchmesser aufweist, der entlang mindestens eines Teils der Länge des AlN-Einkristalls von einem minimalen Durchmesser auf einen maximalen Durchmesser zunimmt, wobei der AlN-Einkristall einen Kristallvergrößerungsparameter (CAP) in mm von mehr als 20 aufweist, wobei der CAP definiert ist durch: $C A P = \frac{A_{E} - A_{S}}{L_{E}} = \frac{π}{4 \times L_{E}} (d_{E}^{2} - d_{S}^{2})$
wobei A_E, in mm², die Querschnittsfläche des AlN-Einkristalls beim maximalen Durchmesser ist, d_E der maximale Durchmesser des AlN-Einkristalls in mm ist, A_s, in mm², die Querschnittsfläche des AlN-Einkristalls beim minimalen Durchmesser ist, d_s der minimale Durchmesser in mm ist und L_E eine Ausdehnungslänge, in mm, des mindestens einen Abschnitts des AlN-Einkristalls ist, entlang der der Durchmesser vom minimalen Durchmesser zum maximalen Durchmesser zunimmt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 32, wobei das Verhältnis der Gesamtlänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser des AlN-Einkristalls in mm im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,6 liegt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 32, wobei: der AlN-Einkristall einen Durchmesser hat, der entlang mindestens eines Teils der Länge des AlN-Einkristalls von einem minimalen Durchmesser zu einem maximalen Durchmesser zunimmt, der AlN-Einkristall eine Ausdehnungslänge aufweist, die einer Länge des mindestens einen Abschnitts des AlN-Einkristalls entspricht, entlang der der Durchmesser von dem minimalen Durchmesser auf den maximalen Durchmesser zunimmt, und ein Verhältnis der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser in mm im Bereich von etwa 0,002 bis etwa 0,02 liegt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 32, wobei: der AlN-Einkristall einen Durchmesser hat, der entlang mindestens eines Teils der Länge des AlN-Einkristalls von einem minimalen Durchmesser zu einem maximalen Durchmesser zunimmt, der AlN-Einkristall eine Ausdehnungslänge aufweist, die einer Länge des mindestens einen Abschnitts des AlN-Einkristalls entspricht, entlang der der Durchmesser von dem minimalen Durchmesser auf den maximalen Durchmesser zunimmt, und ein Verhältnis der Ausdehnungslänge des AlN-Einkristalls in mm zum maximalen Durchmesser in mm im Bereich von etwa 0,08 bis etwa 0,5 liegt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 32, wobei (i) ein erster Bereich des AlN-Einkristalls als Kegelstumpf geformt ist und (ii) ein zweiter Bereich des AlN-Einkristalls als Kuppel oder Kegel geformt ist, der sich von dem ersten Bereich aus erstreckt.
AlN-Einkristall nach Anspruch 32, wobei (a) ein erster Bereich des AlN-Einkristalls als Kegelstumpf geformt ist, (b) ein zweiter Bereich des AlN-Einkristalls als Zylinder geformt ist, der sich von dem ersten Bereich aus erstreckt und einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser hat, und (c) ein dritter Bereich des AlN-Einkristalls als Kuppel oder Kegel geformt ist, der sich von dem zweiten Bereich aus erstreckt.
Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Impfkristalls mit einer AlN umfassenden Wachstumsfläche in einer Wachstumskammer; Schaffen eines radialen Wärmegradienten und eines axialen Wärmegradienten innerhalb der Wachstumskammer; Kondensieren von Dampf, der Aluminium und Stickstoff enthält, in der Wachstumskammer, wodurch auf der Wachstumsfläche des Impfkristalls ein AlN-Einkristall gebildet wird, der (a) in Reaktion auf den axialen thermischen Gradienten in einer Wachstumsrichtung in der Länge zunimmt und (b) in Reaktion auf den radialen thermischen Gradienten in einer radialen Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Wachstumsrichtung im Durchmesser expandiert; und währenddessen Erhöhen der lateralen Wachstumsrate des AlN-Einkristalls, um die Geschwindigkeit der Durchmesserausdehnung des AlN-Einkristalls zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 48, wobei das Herstellen des radialen thermischen Gradienten und des axialen thermischen Gradienten innerhalb der Wachstumskammer zumindest teilweise (i) das Erhitzen der Wachstumskammer und (ii) das Konfigurieren einer Vielzahl von thermischen Abschirmungen außerhalb der Wachstumskammer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 48, wobei das Erhöhen der lateralen Wachstumsrate des AlN-Einkristalls das Erhöhen des Dampfes mit atomarem Stickstoff in der Nähe eines Randbereichs des AlN-Einkristalls durch (i) Einleiten von Stickstoffgas in der Nähe des Randbereichs des AlN-Einkristalls und (ii) Erzeugen eines Plasmas in der Nähe des Randbereichs des AlN-Einkristalls mit dem Stickstoffgas umfasst.
Verfahren nach Anspruch 48, wobei das Erhöhen der lateralen Wachstumsrate des AlN-Einkristalls das Bereitstellen eines oder mehrerer interner thermischer Schilde innerhalb der Wachstumskammer umfasst, um Wärme auf eine Kante des AlN-Einkristalls zu lenken.
Verfahren nach Anspruch 51, bei dem mindestens eine der inneren thermischen Abschirmungen im Wesentlichen parallel zur radialen Richtung ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei mindestens eine der inneren thermischen Abschirmungen im Wesentlichen parallel zur Wachstumsrichtung ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei mindestens eine der inneren thermischen Abschirmungen ringförmig ist und darin eine zentrale Öffnung definiert, um das Wachstum des AlN-Einkristalls durch sie hindurch zu ermöglichen.
Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Impfkristalls mit einer AlN umfassenden Wachstumsfläche in einer Wachstumskammer; Beheizen der Wachstumskammer; Kondensieren von Dampf, der Aluminium und Stickstoff umfasst, innerhalb der Wachstumskammer während des Erhitzens derselben, wodurch ein AlN-Einkristall auf der Wachstumsfläche des Impfkristalls gebildet wird, wobei sich der AlN-Einkristall von dem Impfkristall in einer axialen Richtung senkrecht zu der Wachstumsfläche erstreckt; und währenddessen Leiten von Wärme zu einem Randbereich des AlN-Einkristalls mit einer oder mehreren internen thermischen Abschirmungen, die innerhalb der Wachstumskammer angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 55, wobei eine Vielzahl von externen thermischen Abschirmungen außerhalb der Wachstumskammer angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 56, das ferner umfasst, dass während des Aufheizens der Wachstumskammer ein oder mehrere thermische Gradienten innerhalb der Wachstumskammer erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 57, wobei der eine oder die mehreren thermischen Gradienten zumindest teilweise durch (i) differentielle Ofenheizung, (ii) differentielle Isolierung außerhalb der Wachstumskammer und/oder (iii) eine Konfiguration von einer oder mehreren externen thermischen Abschirmungen, die außerhalb der Wachstumskammer angeordnet sind, hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 55, umfassend ferner das Anreichern des Dampfes mit atomarem Stickstoff in der Nähe des Randbereichs des AlN-Einkristalls durch (i) Einleiten von Stickstoffgas in die Wachstumskammer und (ii) Erzeugen eines Plasmas in der Nähe des Randbereichs des AlN-Einkristalls mit dem Stickstoffgas.
Verfahren nach Anspruch 55, bei dem mindestens eine der inneren thermischen Abschirmungen im Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 55, bei dem mindestens eine der inneren thermischen Abschirmungen im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 55, wobei mindestens eine der inneren thermischen Abschirmungen ringförmig ist und darin eine zentrale Öffnung definiert, um das Wachstum des AlN-Einkristalls durch sie hindurch zu ermöglichen.
Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Impfkristalls mit einer AlN umfassenden Wachstumsfläche in einer Wachstumskammer; Bereitstellen einer Vielzahl von externen thermischen Abschirmungen in der Nähe der Wachstumskammer; Bereitstellen eines internen Trägers innerhalb der Wachstumskammer, wobei der interne Träger eine Öffnung definiert, um das Wachstum des AlN-Einkristalls durch ihn hindurch zu ermöglichen; Bereitstellen einer oder mehrerer interner thermischer Abschirmungen innerhalb der Wachstumskammer, wobei jede interne thermische Abschirmung zumindest teilweise von der internen Halterung getragen wird; Beheizen der Wachstumskammer; und Kondensieren von Dampf, der Aluminium und Stickstoff umfasst, innerhalb der Wachstumskammer während des Erhitzens derselben, wodurch ein AlN-Einkristall auf der Wachstumsfläche des Impfkristalls gebildet wird, wobei sich der AlN-Einkristall von dem Impfkristall in einer axialen Richtung senkrecht zu der Wachstumsfläche erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 63, wobei mindestens ein Teil des internen Trägers kegelstumpfförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 63, umfassend ferner das Anreichern des Dampfes mit atomarem Stickstoff in der Nähe eines Randbereichs des AlN-Einkristalls durch (i) Einleiten von Stickstoffgas in die Wachstumskammer und (ii) Erzeugen eines Plasmas in der Nähe des Randbereichs des AlN-Einkristalls mit dem Stickstoffgas.
Verfahren nach Anspruch 63, bei dem mindestens eine der inneren thermischen Abschirmungen im Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 63, bei dem mindestens eine der inneren thermischen Abschirmungen im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 63, wobei mindestens eine der inneren thermischen Abschirmungen ringförmig ist und darin eine zentrale Öffnung definiert, um das Wachstum des AlN-Einkristalls durch sie hindurch zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 48, Anspruch 55, oder Anspruch 63, umfassend ferner das Abtrennen eines einkristallinen AlN-Substrats mit einem Durchmesser von mindestens 25 mm vom AlN-Einkristall.
Verfahren nach Anspruch 136, umfassend ferner die Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung über mindestens einem Teil des AlN-Substrats, wobei die lichtemittierende Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie ultraviolettes Licht emittiert.