TWI684680B - 體擴散長晶法 - Google Patents

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TWI684680B TW103130697A TW103130697A TWI684680B TW I684680 B TWI684680 B TW I684680B TW 103130697 A TW103130697 A TW 103130697A TW 103130697 A TW103130697 A TW 103130697A TW I684680 B TWI684680 B TW I684680B
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    • C30B23/002—Controlling or regulating
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    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403—AIII-nitrides

Abstract

本發明概言之係關於用於生長III-V族氮化物晶體之系統及方法。具體而言，該等系統及方法包括使該等晶體之成份物質擴散穿過由該等成份物質構成之多孔體，其中該等物質自由成核以生長大型氮化物晶體。

Description

體擴散長晶法 相關申請案
本申請案主張於2013年9月4日提出申請之標題為「Bulk Diffusion Crystal Growth Process」之美國臨時申請案第61/873,729號之優先權，其全部揭示內容皆以引用方式併入本文中。
由聯邦政府贊助之研究或研發
N/A
本發明係關於可用於製作較大氮化物半導體晶體或電子及或壓電裝置之氮化物半導體晶體基板的領域。
單晶氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)及氮化鋁鎵(AlGaN)之生長由於無良好「自由成核」種晶而眾所周知地困難。截止目前沒有用以產生可用於晶種或用於電子、光學、壓電及熱釋電子裝置基板之自由成核之III-氮化物的良好方法。
使用分別由Tairov及Tsvetkov於1978年及Slack及McNelly於1976年發明之昇華方法製作碳化矽(SiC)、GaN及AlN晶體已眾所周知。在此方法中，將粉末來源放置於封閉坩堝之底部並昇華成蒸氣。將蒸氣經由溫度梯度通過封閉坩堝之空白空間傳輸至保持於較低溫度下之晶種，其中昇華之物質在所提供種晶上重結晶。
已證明此技術足以生長SiC之大型單晶，其中已容易地證實高達 6英吋之直徑。但此技術無遞送III-V族氮化物晶體(例如AlN及GaN)之相同結果的能力。已證明具有高品質之低誘導內壓之大型AlN晶體之製作極為困難。與可用材料相關之障礙已鑑別為高品質大尺寸AlN晶體之生長之主要障礙。舉例而言，需要超過2200℃之昇華溫度以達成商業上可行之AlN生長速率。於該等溫度下，鋁(Al)蒸氣與除最穩健材料外之所有材料皆具有高度反應性。無大尺寸晶種亦需要經由彎曲熱場使用熱晶粒補償。通常，彎曲熱場用於擴大AlN種晶之大小以產生至晶體中之體AlN誘導應力。此應力貫穿所產生AlN之主體轉移。直徑高達4英吋之大區域SiC晶體用於補償無大尺寸AlN晶種，但經常具有令人失望之結果。SiC上之AlN生長產生高度有序之多晶形材料，其中大晶粒在垂直於SiC晶體表面之z軸中定向，但傾斜或在x-y平面中以低角度錯配。
已進行許多嘗試以發現適於昇華生長成GaN之適宜方法。GaN昇華生長中之問題係由於於GaN昇華溫度下鎵(Ga)蒸氣之低傳輸。於典型昇華溫度下Ga之蒸氣壓力超過GaN使氮逸出而無Ga逸出。此外，氮在該等低溫下完全無活性。活性NH3可用於增強系統，但移位至較高氮分壓。因此，通常使用較低溫度。此又增加關於Ga物質之問題。於較低溫度下，Ga吸附原子之表面移動性受限且因此晶體生長速率亦受限。可藉由使用通常於封閉空間昇華中發現之極端溫度梯度達成足夠Ga流量。極端溫度梯度增加Ga傳輸且因此增加晶體生長加速，但以晶體品質為代價。即使利用最佳化傳輸方案，亦難以產生AlN及GaN生長之大型高品質晶種。出於上述原因，需要可產生可用作晶種/或用作裝置基板之「自由成核」之高品質GaN AlN及鋁GaN晶體的製程。
本發明概言之係關於用於產生大型高品質III-V族種晶之方法及 製程。儘管參照AlN及GaN進行闡述，但可產生其他III族氮化物(例如，尤其AlGaN)。本發明亦係關於藉由本文揭示之方法產生之系統、裝置、物質組合物及製品。
在一個態樣中，生長III-V族氮化物晶體之方法包含使III族或氮物質中之至少一者擴散穿過多孔體。
該方法可進一步包括使實質上單晶生長。III-V族氮化物晶體可包含氮以及至少一種Al、Ga及In之物質。在一個態樣中，III-V族氮化物晶體具有式AlxInyGa(1-x-y)N，其中0
Figure 103130697-A0202-12-0003-19
x
Figure 103130697-A0202-12-0003-20
1、0
Figure 103130697-A0202-12-0003-21
y
Figure 103130697-A0202-12-0003-22
1、x+y+(1-x-y)≠1。在另一態樣中，多孔體包含AlN、Al1Ga(1-x)N、Al1In(1-x)N(其中(0
Figure 103130697-A0202-12-0003-23
x
Figure 103130697-A0202-12-0003-24
1))、AlxInyGa(1-x-y)N或其組合中之至少一者。
多孔體可進一步包含由至少一種耐火材料(例如至少一種矽、鈮、鉭、鋯、鎢、鈦、釩、鎳、鉻、鉬、錸或鉿之碳化物)構成之填充劑。填充劑可包括至少一種Ga、In、Zr、Zn或Mg之物質或複合陶瓷材料(例如Al-TiB2、BN-TiB2或AlN-TiB2)。
在其他態樣中，多孔體係包含燒結陶瓷粉末、耐火金屬擋板、耐火金屬網格、金屬發泡體或陶瓷發泡體中之至少一者之固體多孔材料。多孔體亦可為多晶形。
參照以下說明及申請專利範圍，可更好地理解本發明之該等及其他特徵、態樣及優點。
30‧‧‧經填裝坩堝
40‧‧‧反應器
101‧‧‧裝料
102‧‧‧內部腔
103‧‧‧坩堝
105‧‧‧填料管
107‧‧‧坩堝之內壁
108‧‧‧中心軸
109‧‧‧填料管之外表面
110‧‧‧軸
111‧‧‧內部腔之內部表面
112‧‧‧厚度
140‧‧‧高溫管式爐
301‧‧‧裝料體
303‧‧‧AlN裝料體之外壁
401‧‧‧基座
403‧‧‧射頻誘導線圈
404‧‧‧熱絕緣材料
405‧‧‧反應器內部之頂部
407‧‧‧反應器內部之底部
408‧‧‧反應器內部
503‧‧‧驅動力
603‧‧‧AlN晶體
605‧‧‧AlN體/裝料體
901‧‧‧AlN粉末
902‧‧‧空間
903‧‧‧成核增強層
905‧‧‧成核減弱層
907‧‧‧生長晶體
909‧‧‧厚度
911‧‧‧填充劑
1100‧‧‧AlN裝料體之頂部部分
1101‧‧‧AlN晶體
1102‧‧‧AlN裝料體之底部部分
1103‧‧‧等溫線
1301‧‧‧m-平面AlN晶體
1303‧‧‧等溫線
1401‧‧‧製程管
1403‧‧‧阻抗加熱元件
1404‧‧‧Al2O3絕緣材料
1501‧‧‧氣體入口管
1502‧‧‧坩堝
1503‧‧‧氯化鋁
1505‧‧‧AlN裝料體
1507‧‧‧氨氣體
1509‧‧‧高溫反應器
1511‧‧‧坩堝之內部腔
1513‧‧‧內部表面/內部側壁
1601‧‧‧多孔底部表面
1603‧‧‧氨氣體
1605‧‧‧GAN晶體
1607‧‧‧裝料體
1701‧‧‧固體GaN裝料體
1800‧‧‧GaN/AlN界面裝料體
1802‧‧‧GaN粉末
1900‧‧‧部分或全通孔
圖1係根據一個實施例填裝有裝料及填料管之坩堝的剖視圖。
圖2係根據一個實施例填裝有裝料及填料管之坩堝的剖視圖。
圖3係根據一個實施例之坩堝及佈置於其中之裝料體的剖視圖。
圖4係根據一個實施例在裝料體上生長晶體之反應器的剖視圖。
圖5係根據一個實施例之裝料體中之晶體成份解離的圖解說明。
圖6係根據一個實施例在耗盡之裝料體上生長之晶體的剖視圖。
圖7係根據一個實施例上面生長有晶體之耗盡之裝料體的照片。
圖8係根據一個實施例在再裝料過程期間上面生長有晶體之耗盡之裝料體的剖視圖。
圖9係根據一個實施例在多層裝料體上生長之晶體的剖視圖。
圖10係根據一個實施例之坩堝及其中佈置有多孔第二體之裝料體的剖視圖。
圖11係根據一個實施例在裝料體上生長之c-平面小板的圖解說明。
圖12係根據一個實施例在裝料體上生長之m-平面小板的圖解說明。
圖13係根據一個實施例用於生長晶體之管式反應器的剖視圖。
圖14係根據一個實施例之坩堝及具有其中佈置有氣體供應管之多孔第二體的裝料體之剖視圖。
圖15係根據一個實施例使用具有多孔底部表面之坩堝之反應器系統的剖視圖。
圖16係根據一個實施例使用具有多孔底部表面之坩堝之反應器系統的剖視圖。
圖17係根據一個實施例之坩堝及具有再裝料第二體之裝料體的剖視圖。
圖18係根據一個實施例之坩堝及其中佈置有通孔之裝料體的剖視圖。
在圖示之各個視圖中，相應參考符號表示相應元件。圖中所用之標題不應解釋為限制申請專利範圍之範疇。
本發明概言之係關於用於產生大型高品質III-V族晶體之方法及製程。該等晶體可用於任何適宜目的，包括(但不限於)用作種晶、體 晶體、獨立晶體或適用於裝置中之晶體。儘管參照氮化鋁(AlN)及氮化鎵(GaN)進行闡述，但可產生其他III族氮化物(包括但不限於氮化鋁鎵(AlGaN))。本發明亦係關於藉由本文揭示之方法產生之系統、裝置、物質組合物及製品。
本文揭示之方法之各個實施例明確解決其他體長晶法中觀察到之多個常見問題。該等問題包括初始成核位點之數目過量、不能較佳選擇合成發生晶體成核、不能控制晶體成核發生之定向。其皆產生關於晶體生長成彼此之問題。舉例而言，若成核視野過緊密填裝或數目過多，則晶體大小將由於晶體碰撞而經截短，其中兩個或更多個晶體碰撞且生長成具有兩個或更多個不同晶粒界限之單晶。相比之下，本發明之系統及方法確保產生具有可控優先晶體學定向之更大表面積晶體。
在各個態樣中，所揭示方法係昇華及體擴散製程。舉例而言且不限於，本發明之各個實施例包括在開頂型容器或坩堝中佈置裝料之步驟。如本文所用，裝料係指包括欲生長之晶體之一或多種成份的晶體之來源。在各個態樣中，裝料包括期望晶體之至少一種成份物質、較佳金屬物質(例如AlN)。在裝料中形成腔(例如管腔)以形成中空結構。所得內部空間係晶體生長之區域。
藉由徑向加熱坩堝之外部，自坩堝之外部穿過裝料之主體形成溫度梯度。所得熱特性在裝料之外部上提供較熱之昇華區域且在裝料之內壁上提供較冷之重結晶區域。因此，擴散成為Al蒸氣遷移至發生結晶之較冷區中的傳輸機制。
在各個態樣中，壓縮AlN裝料之較熱外部(或非生長)表面提供Al及或Al及氮(N)物質，其隨後由所形成熱梯度擴散穿過裝料之逐漸變冷之內部主體。本文揭示之系統及方法可使用管狀裝料形狀，且改變與裝料中心之圓柱形及/或橢圓形偏移間距以提供溫度梯度。在一些 態樣中，裝料係板坯或具有兩個或更多個表面之任何其他二維或三維形狀。
在一個態樣中，擴散路徑長度取決於晶體之最後或初始生長速率及品質。另外，已開始研究體裝料粒徑及對Al擴散路徑長度/晶體之最終或初始生長速率及品質之依賴性。
粒徑及填裝密度影響AlN晶體之初始成核及後續生長。此係經由粒子操縱/控制來完成，例如完全裝料替換、具有不同粒徑之多重裝料層或僅一小部分層經不同粒徑AlN裝料替換之粒子層隔離。
所揭示系統及方法尤其可使用純鎂(Mg)、Al、銦(In)及Ga金屬作為氧吸收劑，由此在介於約1100℃至1950℃範圍內之溫度下自AlN裝料移除氧污染。在一些態樣中，Al可用作裝料中之Al蒸氣之補充來源。此外，Al作為裝料之一部分可具有雙重目的。首先，其作用係提供較純AlN昇華中通常發現者大之Al濃度，此乃因Al(g)超過Al(l)之蒸氣壓力較Al(g)超過AlN(s)大一個數量級。其次，其用作成核阻抑劑。顯示添加具有AlN來源之Al金屬可顯著減少初始成核位點之數目及所得AlN晶體之氧濃度。在裝料中，Al金屬係以粉末或固體來源(例如線、棒或糰粒)形式添加且在填充坩堝之前混合或呈在裝料填充坩堝時捲曲之線形式。於低於約1900℃之低溫下使用非AlN多孔體或使用AlN體時，AlCl及AlCl3亦可用作Al蒸氣之補充來源或用作Al之唯一來源。
AlN晶體之生長
現參照圖1-3，適於在高溫反應器內使用之坩堝103填充有裝料101。裝料101通常係佈置於坩堝內且形成多孔體之固體。在一個實施例中，裝料101由AlN(AlN)粉末構成。粉末裝料101之粒徑可在介於0.01微米與10mm之間之範圍內。在一個實施例中，裝料101之粒徑可均勻，或者在另一實施例中粒徑可變，使得裝料由不同大小之粒子之 分佈構成。在一個實施例中，裝料101由具有介於0.1微米至1mm範圍內之粒子之分佈的AlN粉末構成。
如圖3中所示，腔102係在裝料101中由細長結構(例如內部填料管105)形成。在一個態樣中，在添加裝料之前將填料管105定位於坩堝103內，而在另一態樣中，使用填料管以穿過先前沈積於坩堝中之裝料鑽孔。在填料管105佈置於裝料101內時，裝料經壓縮以形成在移除填料管105後將保留其結構之多孔裝料體301。在一個實施例中，沿平行於坩堝之中心軸108之軸向下線性壓縮裝料101，如通常由110指示。在另一實施例中，徑向向外壓縮裝料101。此可藉由操縱填料管105完成。在其他實施例中，裝料101可藉由線性力與徑向力之組合壓縮。壓縮裝料101所需之力之量至少部分取決於裝料之粒徑組合物且可在實施例之間變化。
舉例而言且不限於，在一個特定實施例中，在具有約3英吋之直徑之內部填料管105周圍將約1.5kg AlN粉末裝料101裝載於具有約6英吋之內徑之中空坩堝103內部。填料管105沿坩堝內之中心縱軸108定位於坩堝內，如圖2中所示。
將裝料101壓縮在坩堝103之內壁107與填料管105之外表面109之間。粉末裝料101之經壓製之量係在移除內部填料管105後至少足以使裝料保留其形狀並界定腔102。結果係具有界定內部腔102之內部表面111的裝料體301。在其他實施例中，可使用坩堝103及填料管105之直徑之其他組合以產生任何期望厚度112之裝料體。
在反應器40中放置包括裝料體301之坩堝102(下文稱作經填裝坩堝30)，如圖4中所示。在一個實施例中，反應器40係高溫誘導反應器。在其他實施例中，可使用能夠自經填裝坩堝之外部至內部產生熱梯度之任何適宜反應器。反應器40可使用任何類型之適宜加熱(包括但不限於熱阻抗、電漿加熱或微波加熱來加熱。精確佈置及反應器組 件之組態可相應地變化。
舉例而言且不限於，反應器40之一個實施例使用誘導加熱。在此實施例中，經填裝坩堝30係由位於由射頻誘導線圈403產生之射頻誘導場內之基座401加熱。基座401可由(例如)任何適宜且易受影響之材料(例如鎢(W))構成。反應器40亦包括位於反應器內部408之頂部405及底部407部分處之熱絕緣材料404，以調節反應器內部之熱場。亦藉由基座401於反應器內之定位及射頻誘導線圈403之長度(線圈-對-線圈間隙)及定位控制及或改良具有反應器40之熱場。
在加熱坩堝體30之前，可將反應器40抽空至真空壓力，回填，吹掃並再次抽空。在一個使用由AlN構成之裝料體301的實施例中，將反應器於1×10-2托下或低於1×10-2托下抽空至真空，回填氮/用氮吹掃，且隨後於1×10-2托下或低於1×10-2托下再次抽空至真空。在此實施例中，將坩堝體301在真空下加熱至約1700℃並保持約2小時。在一個態樣中，使用加熱過程以驅逐出裝料體中之不期望自然雜質(例如氧化物、碳化物及氮氧化物)。另外，使用此初始加熱以燒結AlN裝料體301。
在一個實施例中，在此初始加熱後，將反應器40回填氮至約980托之壓力。隨後經約1小時之時段使坩堝體301之溫度增加至2100℃至2450℃並使其於2100℃至2450℃下浸泡約30小時。在此浸泡時段期間，Al及N自AlN裝料體301之外壁303解離，如通常由501指示，如圖5中所示。在坩堝103內部且穿過AlN裝料體確立至少部分由橫跨AlN裝料體301之化學濃度及溫度梯度測定之驅動力503，使得解離之Al及N擴散穿過多孔AlN裝料體301進入中空內部腔102中。
在各個態樣中，熱及化學驅動力503係由內部熱場控制，如由熱絕緣材料405、基座401放置及誘導線圈403之放置及特性(例如放置、線圈長度及線圈-對-線圈間隙)所調節。驅動力503亦由裝料體301之粒 徑及裝料體壁厚度112控制。對於使用AlN裝料體30之實施例，Al及N擴散穿過AlN裝料粉末至裝料體之內部表面111，其中出現自由成核之AlN結晶603。AlN裝料體301之粒徑及填裝密度影響AlN晶體於內部表面111上之初始成核及後續生長。
舉例而言，在浸泡約30小時後，經填裝坩堝30之溫度經1小時之時段降低至低於1000℃且使其靜置並冷卻至近室溫並保持約3小時。在冷卻時段後，將反應器在低於約1×10-2托下抽空至真空並回填氮/用氮吹掃直至達成近似大氣壓力且移除經填裝坩堝30為止。
如圖6及7中所示，經填裝坩堝30現含有與加熱之前之AlN裝料體301相比具有較小壁厚度112之耗盡且結晶之AlN體605。耗盡且結晶之AlN體605亦包括在耗盡體605之內部表面111上自由成核之AlN晶體603。舉例而言且不限於，如圖7中所示，可同時產生約1至500個晶體603。所產生晶體603之直徑大小在1-30mm範圍內。在其他實施例中，可藉由改變裝料體301之組成及填裝密度及改變反應器40之操作產生較大及/或較小晶體。
在一個實施例中，經填裝坩堝30可再裝有額外AlN粉末901，如圖8中所示。如所示，可在坩堝103之內壁107與耗盡之AlN體605之外表面303之間之空間902中填裝並壓縮額外AlN粉末901。隨後將坩堝103放置於反應器40中並重複如先前所述過程。在各個實施例中，若期望，可重複再裝填耗盡之裝料體605及重新起始擴散至進一步晶體生長的過程以增加晶體大小。
可藉由裝料體301之各種組態或使用其他特徵進一步控制所生長晶體之成核。在一個實施例中，可藉由使用具有至少一個由不同於毗鄰層之粒徑之粒子構成的層的裝料體改良自AlN裝料體生長之晶體之成核。舉例而言，AlN體301可由兩個粒徑構成。在此實例中，類似於如圖9中所示之層903的單一層由大小與AlN體301之剩餘部分不同 之粒子構成。在一個態樣中，層903之粒子具有增強成核之大小，而剩餘粒子具有減弱成核之大小。AlN體301中之所有粒子之大小皆允許在增強成核層之粒子與體中之粒子之剩餘部分之間內部擴散。在此實施例中，經選擇以增強成核之粒徑係總AlN體301組合物之較低分數。舉例而言，層903之成核增強粒子可為直徑約2微米為之AlN粉末，而AlN體之剩餘部分由直徑為約100微米之粒子構成，其中100微米直徑粒子佔AlN裝料體301之總體積之約90%。在其他實施例中，成核減弱粒子之分佈不均勻，但仍形成裝料體301之大多數粒子。舉例而言，成核減弱部分之粒徑可為無規混合物或經優先選擇。
在另一實施例中，如圖9中所示，AlN體可由多個裝料層(包括交替成核增強層903及成核減弱層905)構成。在此實施例中，AlN體301中之所有粒子之大小經選擇以允許在903及905之粒子與層之間內部擴散。在此實施例中，成核增強層903為生長晶體907提供理想成核位點，而成核減弱層905之粒子擴散以提供Al及N物質之至少一部分用於晶體生長。如所示，在一個實施例中，多個裝料層903及905關於AlN 301之內部腔102水平排列。在一些實施例中，層903及905可交替且具有近似相等之厚度909，而在其他實施例中，層903及905之排列及厚度可變。另外，在一些實施例中，層之比率及層之間之整體粒子分佈可相等，而在其他實施例中，比率及整體粒子分佈可變。
在又一實施例中，不與生長晶體之成份物質反應之惰性填充劑911可佈置於裝料體301之內部表面111上或其附近以改良裝料體上生長之晶體之成核。舉例而言且不限於，惰性填充劑911可為固體鎢、鋯、鉭、鈮、鉬或可耐受反應器內之溫度而不與解離晶體成份發生化學反應之其他固體。在各個實施例中，惰性填充劑911可成型以與晶體生長在物理上相互作用或或改良晶體生長。另外，惰性填充劑911可用於增強或另一選擇為延遲裝料體301之內壁111上之成核位點處之 晶體生長。
在一個實施例中，惰性填充劑可為界定一或多個孔、孔洞或狹縫以允許氣體擴散並提供期望晶體生長位置之多孔體101。多孔體101可經定位以接觸裝料體301之內部表面111或可佈置於裝料體內且可包括可無規定位或在期望定向上排列之孔洞。另外，孔洞之大小可變或其可均勻。
在一個實施例中，如圖18所示，晶體成核可藉由界定於裝料體301中之部分或全通孔1900控制。此亦可使用鉭或鎢管1902進行以確保部分或全通孔1900在壓縮下不塌陷。在一個特定實施例中，部分或全通孔係藉由在壓縮之前將填充劑材料定位於裝料體301中形成。在另一實施例中，在裝料體301壓縮及形成後引入用以形成部分或全通孔之填充劑材料。
在各個其他實施例中，可使用擴散穿過AlN粉末之實質上/足夠多孔之裝料體1505之鋁氯化物(AlClx)生長c-平面定向之AlN晶體，該AlN粉末接觸交叉流動之氨(NH3)氣體。圖14係高溫反應器1509之一部分之部分剖視圖。如所示，將具有大小自約0.1微米至1mm變化之粒子的AlN裝料粉末裝載於中空坩堝1502內部，該中空坩堝包括或經組態以得到一或多個氣體入口管1501。在一個態樣中，坩堝1502係開放末端之坩堝，如所示。在一個實施例中，將至多1.5kg裝料粉末填裝在填料管(例如填料管105)周圍且如先前所述經壓縮。如所示，在氣體入口管1501周圍形成所形成之AlN裝料體1505。
例如，將包括AlN裝料體1505之坩堝1502放置於高溫反應器(例如誘導反應器)中。在此實例中，類似於圖13中所示之反應器40，將高溫誘導反應器抽空，回填氮/用氮吹掃且隨後如先前所述再次抽空。在一個實施例中，將坩堝1502在真空下加熱至約1700℃並保持約2小時以驅逐天然雜質並燒結AlN裝料體。將反應器1509回填氮至約 980托之壓力。隨後將坩堝1502於介於1400℃至1900℃之間之溫度下加熱並維持1小時或更長時間並使其浸泡約15小時。將氯化鋁(AlCl3)1503泵送至氣體入口管1501中以起鋁來源之作用。另外，使氨氣體1507流動穿過開放末端之坩堝1502，其中其起氮來源之作用以接觸AlN裝料體1505之內部表面1513。
在坩堝內部且橫跨AlN裝料體確立至少部分由AlCl3 1503氣體之壓力界定之驅動力503，使得驅動AlCl3氣體擴散穿過裝料體並進入坩堝1502之內部腔1511。在一個態樣中，AlCl3之擴散受AlCl3氣體與反應器之內部壓力之間之壓差控制。AlCl3擴散穿過AlN裝料體1505至內部表面1513，其中AlCl3與NH3在內部表面上反應成自由成核之AlN晶體。在另一態樣中，AlN裝料體1505之AlN粉末粒徑及填裝密度影響AlN晶體於內部側壁1513上之初始成核及後續生長。8小時後，經1小時將坩堝1502冷卻至低於1000℃並使其靜置約8小時。該時間後，將反應器抽空至小於1×10-2托，回填氮/用氮吹掃至大氣壓力，其中隨後移除坩堝1502。在此實施例中，產生約50-500個直徑介於約8mm至約15mm範圍內之晶體。
C-平面定向之AlN晶體生長
現參照圖11，可產生直徑大於1-30mm之c-平面AlN晶體1101。根據一個實施例，藉由定向裝料體內之等溫線1103以實質上平行於AlN裝料體之頂部部分1100及底部部分1102對準在AlN裝料體301之內部表面111上產生大型AlN晶體。如所示，AlN晶體之c-平面與較冷等溫線1103緊密對準。在此實施例中，可產生相對較薄(即小於2mm厚)之c-平面AlN晶體。在一個態樣中，在等溫線之間之溫度梯度足夠低(小於20℃/mm)時，與c-平面之X-Y方向上之生長相比，c-平面之z方向上之生長減慢。
在另一實施例中，可使用由AlN及鎢(W)粉末之混合物構成之裝 料體301生長大型c-平面定向之AlN晶體。在此實施例中，使用穿過多孔裝料體擴散之Al及氮在AlN/W裝料體之內部表面上可控性生長直徑大於1-30mm之c-平面AlN晶體。將具有直徑在約0.1微米至1mm範圍內之粒子的AlN粉末與具有在約0.1微米至1mm範圍內之粒子之W粉末混合。AlN及W粉末之分佈可為無規混合物或經優先定向。在一個實施例中，類似於參照圖1-4中所述，AlN/W裝料體係約0.001-95體積% W。在此實施例中，向坩堝103中添加高達2.0kg AlN/W粉末混合物以形成裝料體301。
在又一實施例中，可使用由AlN及鋁(Al)粉末之混合物構成之裝料體301生長大型c-平面定向之AlN晶體。在此實施例中，使用穿過多孔裝料體擴散之Al及氮在AlN/W裝料體之內部表面111上可控性生長直徑大於1-30mm之c-平面AlN晶體。將具有直徑在約0.1微米至1mm範圍內之粒子的AlN粉末與具有在約0.1微米至1mm範圍內之粒子之Al粉末混合。AlN及Al粉末之分佈可為無規混合物或經優先定向。在一個實施例中，類似於參照圖1-4中所述，向坩堝103中添加高達1.5kg AlN/W粉末混合物以形成裝料體301。
在各個其他實施例中，可使用圖14中所示之反應器組態以藉由使鋁氯化物(AlClx)及鎵氯化物(GaClx)擴散穿過多孔體產生c-平面定向之AlxGa(1-x)N晶體。多孔體係由AlN粉末、GaN粉末、鎂(Mg)粉末及銦(In)粉末之混合物構成，其中Mg及In之組合起雜質吸收劑之作用。如關於圖1-4先前所述，將AlN/GaN/MG/In粉末混合物填裝並壓縮至坩堝中。隨後將AlClx氣體及GaClx氣體泵送穿過氣體入口管1501以有利於AlN/GaN/MG/In裝料體之內部表面1513上之Al及Ga物質以及N物質之擴散及後續成核。
類似地，在另一實施例中，可經由使Ga及N物質擴散穿過由GaN/In粉末混合物構成之多孔裝料體而生長c-平面定向之GaN晶體， 其中In粉末起雜質吸收劑之作用。
M-平面定向之AlN晶體生長
現參照圖12，可產生直徑大於約1-15mm之m-平面AlN晶體1301。根據一個實施例，可藉由定向裝料體內之等溫線1303以足夠垂直於AlN體之頂部部分1100及底部部分1102在AlN裝料體301之內部表面111上產生大型AlN晶體。在AlN晶體之c-平面與較冷等溫線(厚(即大於5mm)且長(長於5mm))對準時，產生m-平面AlN晶體。在一個態樣中，在等溫線之間之溫度梯度足夠低(即小於20℃/mm)時，與m-平面之Z方向上之生長相比，M-平面之X-Y方向上之生長減慢。
GaN晶體之生長
在各個實施例中，本發明之系統及方法亦可用於生長GaN(GaN)晶體。在一個態樣中，以類似於關於AlN晶體先前所述之方式，藉由使Ga及氮擴散穿過GaN粉末之多孔體生長c-平面定向之GaN晶體。
在一個實施例中，粉末裝料101包含具有大小在介於約0.1微米與1mm之間之範圍內之粒子的GaN粉末。將GaN粉末裝料101裝載於坩堝103內部並在內部填料管105周圍壓縮。在一個實施例中，坩堝具有約3英吋之外徑，而內部填料管105具有近似約1.5英吋之外徑。向坩堝中添加約0.5kg GaN粉末並如先前所述壓縮以形成具有內部腔102之GaN裝料體301。在其他實施例中，可使用坩堝103及填料管105之直徑之其他組合以產生任何期望厚度112之裝料體。
在此實施例中，對於生長GaN晶體，將含有GaN裝料體301之經填裝坩堝30放置於如圖13中所示之高溫管式爐140中。將經填裝坩堝30放置於可由石英、Al2O3或任何其他適宜材料構成之製程管1401內部。隨後藉由一或多個阻抗加熱元件1403加熱經填裝坩堝30。爐140包括製程管1401周圍之適宜熱絕緣材料1404且在製程管之頂部部分405及底部部分407處進一步包括一或多個Al2O3絕緣材料1404之層以 控制製程管中之經填裝坩堝30之內部熱場及放置。
高溫管式爐140與真空系統1409連通。類似於針對AlN晶體之產生所述之反應器40，將管式爐140抽空至小於約1×10-2托之真空，回填氮，用氮吹掃，且隨後再次抽空至小於約1×10-2托之真空。將經填裝坩堝30在真空下加熱至約800℃並保持約1小時以驅逐GaN裝料體301中之天然雜質(例如，尤其氧化物、碳化物及氮氧化物)並燒結GaN裝料體。
在此初始加熱後，將反應器回填氨(NH3)或氨/氮混合物至約600托之壓力。隨後經1小時將經填裝坩堝30加熱至1000℃至1230℃並使其於1000℃至1230℃下浸泡約8小時。在此浸泡時段期間，Ga及N自GaN裝料體301之外壁303解離。在坩堝103內部確立至少部分由橫跨AlN裝料體301之化學濃度及溫度梯度控制之驅動力503。驅動力503橫穿GaN裝料體301，使得解離之Ga及N擴散穿過多孔GaN裝料體進入中空內部腔102中。熱及化學驅動力係由以下控制：由多個絕緣材料層、放置於管式爐140內部之坩堝、管式爐內部之內部絕緣材料確立之內部熱場、GaN粉末粒徑及GaN裝料體厚度。Ga及N擴散穿過粉末至裝料體之內部表面，其中出現自由成核之GaN結晶。
在此實施例中，使用氨氣體作為活性氮來源以增強反應器140內之氮分壓。在此實施例及其他實施例中，引入製程管1401中之氨氣體可為純NH3氣體，或另一選擇為，氨氣體可為一或多種載劑、摻雜劑及/或惰性氣體之混合物。
在一個態樣中，GaN粉末裝料101粒徑、GaN裝料體301之填裝密度及NH3氣體流速影響GaN晶體於內部側壁上之初始成核及後續生長。
在浸泡約8小時後，使坩堝103經約1小時之時段冷卻至低於200℃並使其靜置並恢復至近室溫並保持約3小時。將爐140抽真空至低於 1×10-2並回填氮/用氮吹掃至近似大氣壓力並移除坩堝103。
坩堝103現含有耗盡之GaN裝料體605，且具有減小外徑及在耗盡之GaN裝料體之內部表面111上自由成核之GaN晶體。在一個態樣中，一次性產生約50-200個具有介於約1mm與15mm之間之範圍內之直徑的晶體。
此時，類似於參照圖8中先前闡述之耗盡之AlN裝料體之再裝料，耗盡之GaN裝料體可再裝有GaN粉末。在坩堝103之內壁107與耗盡之GaN裝料體605之外表面303之間填裝額外裝料粉末901。隨後再次將坩堝放置至高溫管式爐140中並重複如先前所述過程。在各個實施例中，若期望，可重複再裝填耗盡之裝料體605及重新起始擴散至進一步晶體生長的過程以增加晶體大小。
GaN晶體之成核可進一步由裝料體301之各種組態或額外特徵之使用控制。類似於用於生長AlN晶體且參照圖9-10及18中先前闡述之裝料體301的改良，亦可藉由在GaN裝料體中形成不同粒徑之層及使用惰性填充劑材料控制並改良GaN晶體之成核。然而，在各個態樣中，可藉由改變穿過管式反應器140之氨之流速進一步控制及/或改良GaN晶體之成核。
另外，可藉由氨氣體接觸GaN裝料體之方向改良、控制或以其他方式影響GaN晶體之成核。在圖15及16中所示之實施例中，選擇用於生長GaN晶體1605之坩堝103可包括多孔底部表面1601，其容許氨氣體1603實質上平行於裝料體1607之內部表面進入坩堝且接觸GaN裝料體1607。在該等實施例中，多孔底部1601可包括任何容許橫跨底部表面1601足夠氨傳輸之材料。在一個實例中，底部表面1601可由GaN構成。在此態樣中，可藉由內部腔102中之氨之增加分壓進一步改良至少部分由GaN裝料體1607之溫度梯度及化學濃度界定之驅動力503。
圖16係根據一個實施例用於在具有多孔底部表面1601之坩堝103 中之固體GaN裝料體1701上生長GAN晶體1605之反應器製程管1401的剖視圖。如所示，多孔底部1601容許氨氣體1603進入坩堝101並轉移至並穿過固體裝料體1701用於在裝料體之頂部表面上生長GaN單晶1605。在此實施例中，固體GaN裝料體1701包括GaN粉末之經壓縮板坯。在一個態樣中，固體裝料體1701可藉由在坩堝中壓縮裝料粉末103而不使用管(例如填料管105)形成。所得固體裝料體1701具有大體圓盤形狀，且可經形成以具有任何期望厚度。
類似於圖15中所示之實施例，多孔底部1601可包括任何容許橫跨底部表面1601之足夠氨傳輸的材料。在一個實例中，底部表面1601可由GaN構成。在此態樣中，可藉由坩堝103之剩餘腔中氨之增加分壓進一步改良至少部分由固體GaN裝料體1701內之化學濃度及溫度梯度界定之驅動力503。
在各個其他實施例中，可使用擴散穿過Al2O3之固體多孔板1703及固體GaN裝料體1701之NH3氣體使用圖16中所示之反應器組態及本文所述之有關方法以製造c-平面定向之GaN晶體，如圖17中所示。固體GaN裝料體1701可如先前所述製得，而Al2O3之固體多孔板可藉由任何適宜方法製得。
C-平面GaN晶體生長
可使用如本文揭示之生長GaN晶體之各個實施例以產生直徑大於15mm之c-平面GaN晶體。圖11中所示及關於AlN晶體所述之c-平面晶體生長類似地適於GaN晶體。具體而言，藉由足夠平行於裝料體之頂部部分1100及底部部分1102設定內部GaN裝料體等溫線在GaN裝料體之內部表面上可控性產生晶體1101。在GaN晶體之c-平面與較冷等溫線對準時，可產生薄的(小於2mm厚)c-平面GaN晶體。因此，在等溫線1103之間之溫度梯度足夠低(即小於20℃/mm)時，與c-平面之X-Y方向上之生長相比，c-平面之z方向上之生長減慢。
在又一實施例中，可使用穿過包括GaN及AlN之混合物之實質上或足夠多孔裝料體擴散之Ga及氮生長c-平面定向之GaN晶體。在此實施例中，GaN/AlN裝料體係類似於關於圖1-4所述之方法形成。在一個態樣中，可在GaN/AlN裝料體之內部表面上可控性生長大於15mm之c-平面GaN晶體。
舉例而言且不限於，將具有在約0.1微米至1mm範圍內之不同大小之粒子的GaN粉末與約0.1微米至1mm之不同大小之AlN粉末混合。GaN及AlN粉末之分佈可為無規混合物或其可製備為特定期望分佈。以實質上類似於如先前所述之方式在坩堝中在由坩堝及填料管界定之環形腔中裝載並壓縮GaN/AlN粉末混合物，以產生類似於裝料體301之GaN/AlN裝料體。
多層晶體生長
圖17係根據一個實施例含有可用於在c-平面定向之AlN晶體頂部上生長c-平面定向之GaN晶體之耗盡之AlN裝料體605的坩堝103之剖視圖。根據關於圖1-14先前闡述之方法或過程中之任一者在耗盡之AlN裝料體605上生長AlN晶體603。
在此實施例中，耗盡之AlN裝料體605再裝有GaN粉末。在坩堝103之內壁107與耗盡之AlN體605之外表面303之間填裝GaN粉末1802。此產生含有GaN/AlN界面裝料體1800之經填裝坩堝30。將具有GaN/AlN界面體之經填裝坩堝30放置於類似於圖13中所示之爐140之高溫管式爐中。隨後藉由一或多個阻抗加熱元件1403加熱經填裝坩堝30。爐140包括製程管1401周圍之適宜熱絕緣材料1405且在製程管1401之頂部部分1405及底部部分1407處進一步包括一或多個Al2O3絕緣材料1404之層以控制製程管中之經填裝坩堝30之內部熱場及放置。
將高溫管式爐140抽空至小於約1×10-2托之真空，回填氮，用氮吹掃，且隨後再次抽空至小於約1×10-2托之真空。將經填裝坩堝30在 真空下加熱至約800℃並保持約2小時以驅逐GaN/AlN界面裝料體1800中之天然雜質(例如，尤其氧化物、碳化物及氮氧化物)並燒結GaN。其後，將爐140回填氨至980托之壓力。
隨後經1小時將經填裝坩堝30加熱至1000℃至1230℃並使其於1000℃至1230℃下浸泡約8小時。在此浸泡時段期間，Ga及N自GaN/AlN界面裝料體1800之GaN部分之外壁解離。在坩堝103內部確立至少部分由橫跨GaN/AlN界面裝料體1800之化學濃度及溫度梯度控制之驅動力503。驅動力503橫穿GaN/AlN界面體裝料體，使得解離之Ga及N擴散穿過多孔GaN/AlN界面體裝料體進入中空內部腔102中。在一個態樣中，熱及化學驅動力至少部分由內部熱場控制，該等內部熱場由絕緣材料之多層、管式爐內部之坩堝放置、管式爐140內部之內部絕緣材料、粒徑及GaN體之厚度確立。Ga及N擴散穿過GaN粉末1802至GaN/AlN界面裝料體1800之內部表面，其中在現存AlN晶體中發生GaN層之重新成核。
提供至製程管1401之氨用作活性氮來源以增強氮分壓。GaN晶體於AlN晶體上之初始成核及後續生長受GaN粉末粒徑、GaN體部分之之填裝密度及氨流速影響。
約8小時後，經1小時將坩堝冷卻至低於200℃並使其靜置約3小時。將爐140抽真空至低於1×10-2並回填氮/用氮吹掃至近似大氣壓力並移除坩堝103。
GaN/AlN界面裝料體1800現耗盡GaN部分1802且具有類似於在添加GaN粉末1802之前之耗盡之AlN裝料體605之外徑的外徑。在各個態樣中，產生約50至200個直徑在1mm至15mm範圍內之晶體。
此實例顯示如何使用穿過GaN/In粉末混合物(使用In作為雜質吸收劑)作為起始材料之實質上/足夠多孔之體擴散之Ga及氮製造c-平面定向之GaN晶體。
儘管坩堝(例如坩堝103及1502)闡述為開放末端或具有封閉底部，但本文揭示之各個實施例可經改良以與開放末端或封閉之底部坩堝一起使用。舉例而言，可將任何適宜耐熱材料定位於開放末端之坩堝(例如坩堝1502)內以支撐裝料體(例如裝料體301)。
在各個實施例中，在使用化學衍生之來源(例如氯化鋁)時，多孔裝料體(例如裝料體301或1505)不需含有氮或鋁。然而，在其他實施例中，多孔AlN發泡體可用作在晶體生長期間消耗之主要裝料體。在該等實施例中，AlN發泡體可用於鋁及氮物質之來源用於晶體之後續生長。或者，AlN發泡體可用作不可消耗之次要多孔體。舉例而言，在生長GaN晶體時，多孔AlN發泡體可用作在生長過程期間不消耗之成核中心。
在一個實施例中，製造AlN發泡體之方法包括加熱鋁發泡體直至其在氨及或氮氣氛中接近其熔融溫度為止。此可在任何環境中於任何壓力(例如大氣壓力、低壓或高壓)下實施。在另一實施例中，可在氨環境中將Al發泡體加熱至高於鋁熔點之溫度，其中壓力快速降低至大氣壓力，藉此引起發泡體鋁急驟氮化。
在各個實施例中，可以與多孔裝料體接觸之多晶形物質形式提供晶體源材料(包括但不限於Al或Ga)。舉例而言，若AlN與位於多晶形管狀結構或非AlN多孔體之內部上之經壓縮AlN裝料體，則AlN之來源可為大型多晶形管狀結構。
在明確或固有地揭示之實施例中之任一者中，可藉由在晶體生長時段期間向反應器或爐中引入摻雜劑來源摻雜生長晶體。摻雜劑來源可為固體或氣體來源。在一個態樣中，坩堝可允許氣體物質擴散至裝料體之內部中。在另一態樣中，固體摻雜劑來源可與裝料粉末混合或簡單地放置於具有經填裝坩堝之反應器或爐中。另外，可以熱方式或藉由化學分解活化固體摻雜劑來源。
本發明涵蓋彼等熟習此項技術者應瞭解，上文揭示之具體實施例之變化。本發明應不限於上述實施例，而應由以下申請專利範圍來判定。
30‧‧‧經填裝坩堝
40‧‧‧反應器
103‧‧‧坩堝
301‧‧‧裝料體
401‧‧‧基座
403‧‧‧射頻誘導線圈
404‧‧‧熱絕緣材料
405‧‧‧頂部
407‧‧‧底部
408‧‧‧反應器內部

Claims (67)

  1. 一種生長III-V族氮化物晶體之方法，其包含：使III族物質擴散穿過多孔體，其中該多孔體包含AlN、Al1Ga(1-x)N、Al1In(1-x)N，其中0
    Figure 103130697-A0305-02-0026-1
    x
    Figure 103130697-A0305-02-0026-2
    1，AlxInyGazN或其組合中之至少一者；其中該III-V族氮化物晶體包含氮及至少一種Al、Ga及In之物質；且其中該III-V族氮化物晶體具有式AlxInyGazN，其中0
    Figure 103130697-A0305-02-0026-3
    x
    Figure 103130697-A0305-02-0026-4
    1、0
    Figure 103130697-A0305-02-0026-5
    y
    Figure 103130697-A0305-02-0026-6
    1、0
    Figure 103130697-A0305-02-0026-7
    z
    Figure 103130697-A0305-02-0026-9
    1、x+y+z≠1。
  2. 如請求項1之方法，其中該III-V族氮化物晶體實質上係單晶。
  3. 如請求項2之方法，其中該單晶係在該多孔體之至少一個表面上自發生長。
  4. 如請求項2之方法，其中該AlxInyGazN之單晶係在該體外部之表面上自發生長。
  5. 如請求項1之方法，其中該等III族物質係藉由化學驅動力、濃度差或壓差中之一或多者擴散。
  6. 如請求項1之方法，其中該等III族物質之來源係該多孔體之熱分解或經由包括Al物質之氣體之化學傳輸中之至少一者。
  7. 如請求項1之方法，其中該多孔體包含填充劑。
  8. 如請求項7之方法，其中該填充劑包含至少一種耐火材料。
  9. 如請求項8之方法，其中該至少一種耐火材料包含至少一種碳化物，其係選自於矽、鈮、鉭、鋯、鎢、鈦、釩、鎳、鉻、鉬、錸或鉿之碳化物。
  10. 如請求項7之方法，其中該填充劑包含至少一種選自Ga、In、Zr、Zn或Mg之物質。
  11. 如請求項10之方法，其中該填充劑增強氧化物之移除。
  12. 如請求項7之方法，其中該填充劑包含複合陶瓷材料。
  13. 如請求項12之方法，其中該複合陶瓷材料係Al-TiB2、BN-TiB2、AlN-TiB2中之至少一者。
  14. 如請求項7之方法，其中該填充劑增加該體之孔隙率。
  15. 如請求項1之方法，其中該多孔體可呈任何形狀，其具有至少一個較佳生長表面。
  16. 如請求項1之方法，其中該多孔體具有內壁。
  17. 如請求項1之方法，其中該多孔體係管腔。
  18. 如請求項1之方法，其中該多孔體具有生長及非生長表面。
  19. 如請求項1之方法，其中該III-V族晶體之生長定向係由驅動力之方向、量值或梯度中之一或多者控制。
  20. 如請求項1之方法，其中該多孔體係經燒結陶瓷。
  21. 如請求項1之方法，其中該多孔體係固體多孔材料。
  22. 如請求項21之方法，其中該固體多孔材料包含經燒結陶瓷粉末、耐火金屬擋板、耐火金屬網格、金屬發泡體或陶瓷發泡體中之至少一者。
  23. 如請求項1之方法，其中該多孔體係多晶形。
  24. 如請求項1之方法，其進一步包含：使該III族物質擴散穿過第二多孔體，其中該第二多孔體係固體多孔材料。
  25. 如請求項1之方法，其中該多孔體不含AlN。
  26. 如請求項1之方法，其中該多孔體係經燒結陶瓷，其中該經燒結陶瓷係自粉末原位燒結。
  27. 如請求項26之方法，其中該多孔體之孔隙率係由粉末之粒徑決定。
  28. 一種生長III-V族氮化物晶體之方法，其包含：向坩堝之環形腔提供粉末，該環形腔係由該坩堝之內部表面及可移除地佈置於該坩堝中之填料管界定，且其中該粉末包含該III-V族氮化物晶體之至少一種成份物質之粒徑的分佈；壓縮該粉末以形成裝料體；移除該填料管以形成裝料體腔，該裝料體包含界定該裝料體腔之外部表面及內部表面；加熱該坩堝以燒結該裝料體，其中加熱該坩堝進一步誘發橫跨該裝料體之驅動力；及於足以使該III-V族氮化物晶體之至少一種成份物質自該裝料體之該外部表面擴散至該內部表面的溫度下浸泡該坩堝及該裝料體，其中該III-V族氮化物晶體之該至少一種成份物質在該內部表面中自由成核以使該III-V族氮化物晶體在該內部腔中生長。
  29. 一種生長III-V族氮化物晶體之系統，該系統包含：反應器；坩堝；佈置於該坩堝中之經燒結多孔體，該經燒結多孔體包含外部表面、界定內部腔之內部表面及該III-V族氮化物晶體之至少一種成份物質；其中該反應器加熱該坩堝以橫跨該經燒結多孔體形成驅動力；其中該驅動力使該III-V族氮化物晶體之該至少一種成份物質自該外部表面擴散至該內部表面；且其中該III-V族氮化物晶體之該至少一種成份物質在該內部表面中自由成核以使該III-V族氮化物晶體在該內部腔中生長。
  30. 一種生長III-V族氮化物晶體之方法，其包含： 使III族或氮物質中之至少一者擴散穿過多孔體，該多孔體包含填充劑。
  31. 如請求項30之方法，其包含使III族物質擴散穿過包含填充劑之該多孔體。
  32. 如請求項30之方法，其包含氮物質擴散穿過包含填充劑之該多孔體。
  33. 如請求項30至32中任一項之方法，其中該填充劑包含至少一種選自Ga、In、Zr、Zn或Mg之物質。
  34. 如請求項30至32中任一項之方法，其中該填充劑增強氧化物之移除。
  35. 如請求項30至32中任一項之方法，其中該填充劑包含複合陶瓷材料。
  36. 如請求項35之方法，其中該複合陶瓷材料係Al-TiB2、BN-TiB2、AlN-TiB2中之至少一者。
  37. 如請求項30至32中任一項之方法，其中該填充劑增加該體之孔隙率。
  38. 如請求項30或31之方法，其中該填充劑包含至少一種耐火材料。
  39. 如請求項38之方法，其中該至少一種耐火材料包含至少一種碳化物，其係選自於矽、鈮、鉭、鋯、鎢、鈦、釩、鎳、鉻、鉬、錸或鉿之碳化物。
  40. 一種生長III-V族氮化物晶體之方法，其包含：使III族或氮物質中之至少一者擴散穿過多晶形多孔體。
  41. 一種生長III-V族氮化物晶體之方法，其包含：使III族物質擴散穿過多孔體， 其中該多孔體包含填充劑；其中該III-V族氮化物晶體包含氮及至少一種Al、Ga及In之物質；且其中該III-V族氮化物晶體具有式AlxInyGazN，其中0
    Figure 103130697-A0305-02-0030-10
    x
    Figure 103130697-A0305-02-0030-11
    1、0
    Figure 103130697-A0305-02-0030-12
    y
    Figure 103130697-A0305-02-0030-13
    1、0
    Figure 103130697-A0305-02-0030-14
    z
    Figure 103130697-A0305-02-0030-16
    1、x+y+z≠1。
  42. 如請求項41之方法，其中該III-V族氮化物晶體實質上係單晶。
  43. 如請求項42之方法，其中該單晶係在該多孔體之至少一個表面上自發生長。
  44. 如請求項42之方法，其中該AlxInyGazN之單晶係在該體外部之表面上自發生長。
  45. 如請求項41之方法，其中該等III族物質係藉由化學驅動力、濃度差或壓差中之一或多者擴散。
  46. 如請求項41之方法，其中該等III族物質之來源係該多孔體之熱分解或經由包括Al物質之氣體之化學傳輸中之至少一者。
  47. 如請求項41之方法，其中該多孔體包含AlN、Al1Ga(1-x)N、Al1In(1-x)N，其中0
    Figure 103130697-A0305-02-0030-17
    x
    Figure 103130697-A0305-02-0030-18
    1，AlxInyGazN或其組合中之至少一者。
  48. 如請求項47之方法，其中該填充劑包含至少一種耐火材料。
  49. 如請求項48之方法，其中該至少一種耐火材料包含至少一種碳化物，其係選自於矽、鈮、鉭、鋯、鎢、鈦、釩、鎳、鉻、鉬、錸或鉿之碳化物。
  50. 如請求項47之方法，其中該填充劑包含至少一種選自Ga、In、Zr、Zn或Mg之物質。
  51. 如請求項50之方法，其中該填充劑增強氧化物之移除。
  52. 如請求項47之方法，其中該填充劑包含複合陶瓷材料。
  53. 如請求項52之方法，其中該複合陶瓷材料係Al-TiB2、BN-TiB2、AlN-TiB2中之至少一者。
  54. 如請求項47之方法，其中該填充劑增加該體之孔隙率。
  55. 如請求項41之方法，其中該多孔體可呈任何形狀，其具有至少一個較佳生長表面。
  56. 如請求項41之方法，其中該多孔體具有內壁。
  57. 如請求項41之方法，其中該多孔體係管腔。
  58. 如請求項41之方法，其中該多孔體具有生長及非生長表面。
  59. 如請求項41之方法，其中該III-V族晶體之生長定向係由驅動力之方向、量值或梯度中之一或多者控制。
  60. 如請求項41之方法，其中該多孔體係經燒結陶瓷。
  61. 如請求項41之方法，其中該多孔體係固體多孔材料。
  62. 如請求項61之方法，其中該固體多孔材料包含經燒結陶瓷粉末、耐火金屬擋板、耐火金屬網格、金屬發泡體或陶瓷發泡體中之至少一者。
  63. 如請求項41之方法，其中該多孔體係多晶形。
  64. 如請求項41之方法，其進一步包含：使該III族物質擴散穿過第二多孔體，其中該第二多孔體係固體多孔材料。
  65. 如請求項41之方法，其中該多孔體不含AlN。
  66. 如請求項41之方法，其中該多孔體係經燒結陶瓷，其中該經燒結陶瓷係自粉末原位燒結。
  67. 如請求項66之方法，其中該多孔體之孔隙率係由粉末之粒徑決定。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180127890A1 (en) * 2013-09-04 2018-05-10 Nitride Solutions, Inc. Bulk diffusion crystal growth of nitride crystal
CN107964682B (zh) * 2016-10-20 2019-05-14 中国人民大学 一种以包裹泡沫材料的方式制备单层六方氮化硼大单晶的方法
CN107964680B (zh) * 2016-10-20 2019-05-14 中国人民大学 一种制备单层六方氮化硼大单晶的方法
CN107354503B (zh) * 2017-07-12 2019-05-03 吴晨 一种晶体生长装置及其组装方法
WO2019136100A1 (en) * 2018-01-02 2019-07-11 Nitride Solutions, Inc. Bulk diffusion crystal growth of nitride crystal
CN110670135B (zh) * 2018-07-03 2021-03-05 中国科学院福建物质结构研究所 一种氮化镓单晶材料及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200512322A (en) * 2003-07-31 2005-04-01 Sicrystal Ag Method and equipment for AiN-monocrystall production with gas-pervious crucible-wall
US20110011332A1 (en) * 2001-12-24 2011-01-20 Crystal Is, Inc. Method and apparatus for producing large, single-crystals of aluminum nitride

Family Cites Families (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3024965A (en) 1957-10-08 1962-03-13 Milleron Norman Apparatus for vacuum deposition of metals
DE2338338C3 (de) 1973-07-27 1979-04-12 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen Vorrichtung zum Dotieren beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes
US4052538A (en) 1976-04-19 1977-10-04 General Motors Corporation Method of making sodium beta-alumina powder and sintered articles
US4193954A (en) * 1978-03-27 1980-03-18 Engelhard Minerals & Chemicals Corporation Beta alumina manufacture
US4762576A (en) 1982-09-29 1988-08-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Close space epitaxy process
US4650541A (en) 1984-09-12 1987-03-17 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Apparatus and method for the horizontal, crucible-free growth of silicon sheet crystals
US4895765A (en) 1985-09-30 1990-01-23 Union Carbide Corporation Titanium nitride and zirconium nitride coating compositions, coated articles and methods of manufacture
CA1329461C (en) 1987-04-14 1994-05-17 Alcan International Limited Process of producing aluminum and titanium nitrides
JPH0751478B2 (ja) 1989-11-24 1995-06-05 新技術事業団 化合物結晶のエピタキシャル成長方法
US5356579A (en) 1990-05-18 1994-10-18 E. Khashoggi Industries Methods of manufacture and use for low density hydraulically bonded cement compositions
US5096860A (en) * 1990-05-25 1992-03-17 Alcan International Limited Process for producing unagglomerated single crystals of aluminum nitride
US5633192A (en) 1991-03-18 1997-05-27 Boston University Method for epitaxially growing gallium nitride layers
DE19510318B4 (de) 1995-03-22 2004-02-19 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung epitaktischer Schichten
US5710382A (en) 1995-09-26 1998-01-20 The Dow Chemical Company Aluminum nitride, aluminum nitride containing solid solutions and aluminum nitride composites prepared by combustion synthesis and sintered bodies prepared therefrom
US6110279A (en) 1996-03-29 2000-08-29 Denso Corporation Method of producing single-crystal silicon carbide
US6066290A (en) * 1996-07-26 2000-05-23 The Pennsylvania State Research Foundation Method and apparatus for transporting green work pieces through a microwave sintering system
US6015517A (en) * 1998-04-08 2000-01-18 International Business Machines Corporation Controlled porosity for ceramic contact sheets and setter tiles
DE19841012C1 (de) 1998-09-08 2000-01-13 Fraunhofer Ges Forschung Einrichtung zum plasmaaktivierten Bedampfen im Vakuum
US6063185A (en) * 1998-10-09 2000-05-16 Cree, Inc. Production of bulk single crystals of aluminum nitride, silicon carbide and aluminum nitride: silicon carbide alloy
US20030234176A1 (en) 2000-07-17 2003-12-25 Jawad Haidar Production of carbon and carbon-based materials
US20050229856A1 (en) 2004-04-20 2005-10-20 Malik Roger J Means and method for a liquid metal evaporation source with integral level sensor and external reservoir
CN1993292B (zh) * 2004-08-20 2011-12-21 三菱化学株式会社 金属氮化物及金属氮化物的制造方法
WO2006106875A1 (ja) 2005-03-30 2006-10-12 Fukuda Crystal Laboratory ガレート単結晶及びその作成方法並びに高温用圧電素子及び高温用圧電センサー
US8361226B2 (en) * 2006-03-29 2013-01-29 Sumitomo Electric Industries, Ltd. III-nitride single-crystal growth method
US9034103B2 (en) 2006-03-30 2015-05-19 Crystal Is, Inc. Aluminum nitride bulk crystals having high transparency to ultraviolet light and methods of forming them
US8361227B2 (en) 2006-09-26 2013-01-29 Ii-Vi Incorporated Silicon carbide single crystals with low boron content
EP2016209B1 (en) 2006-05-08 2011-01-12 Freiberger Compound Materials GmbH Process for producing a iii-n bulk crystal and a free-standing iii -n substrate, and iii -n bulk crystal and free-standing iii-n substrate
US7494546B1 (en) 2006-07-14 2009-02-24 Blue Wave Semicodnuctors, Inc. Method of growing insulating, semiconducting, and conducting group III-nitride thin films and coatings, and use as radiation hard coatings for electronics and optoelectronic devices
US20080026591A1 (en) * 2006-07-28 2008-01-31 Caracal, Inc. Sintered metal components for crystal growth reactors
US7727874B2 (en) 2007-09-14 2010-06-01 Kyma Technologies, Inc. Non-polar and semi-polar GaN substrates, devices, and methods for making them
KR20100134577A (ko) 2008-03-03 2010-12-23 미쓰비시 가가꾸 가부시키가이샤 질화물 반도체 결정과 그 제조 방법
US8329565B2 (en) 2008-11-14 2012-12-11 Soitec Methods for improving the quality of structures comprising semiconductor materials
DE102008064134B4 (de) 2008-12-19 2016-07-21 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Beschichtung von Gegenständen mittels eines Niederdruckplasmas
KR20110135237A (ko) * 2010-06-10 2011-12-16 엘지디스플레이 주식회사 반도체 발광소자 및 그 제조방법
US8343449B1 (en) * 2011-06-28 2013-01-01 Nitride Solutions, Inc. Device and method for producing a tubular refractory metal compound structure
US20130000552A1 (en) 2011-06-28 2013-01-03 Nitride Solutions Inc. Device and method for producing bulk single crystals
US8399367B2 (en) * 2011-06-28 2013-03-19 Nitride Solutions, Inc. Process for high-pressure nitrogen annealing of metal nitrides
PL2761642T3 (pl) 2011-09-29 2018-03-30 Nitride Solutions Inc. Generator wiązki jonów i sposób wytwarzania kompozycji z wykorzystaniem tego generatora

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110011332A1 (en) * 2001-12-24 2011-01-20 Crystal Is, Inc. Method and apparatus for producing large, single-crystals of aluminum nitride
TW200512322A (en) * 2003-07-31 2005-04-01 Sicrystal Ag Method and equipment for AiN-monocrystall production with gas-pervious crucible-wall

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