CN101319402A - GaN晶体的生长方法及GaN晶体衬底 - Google Patents

GaN晶体的生长方法及GaN晶体衬底 Download PDF

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Abstract

GaN晶体的生长方法及GaN晶体衬底。在此公开一种制造GaN晶体的方法，其涉及在GaN籽晶衬底上生长GaN晶体。该方法包括以下步骤：制备GaN籽晶衬底，该GaN籽晶衬底包括第一掺杂剂以使GaN籽晶衬底的热膨胀系数变得大于GaN晶体的热膨胀系数；以及在该GaN籽晶衬底上生长GaN晶体至少1mm的厚度。因此，可以提供一种制造GaN晶体的方法以及一种GaN晶体衬底，该方法可以抑制裂纹的产生并生长厚的GaN晶体。

Description

GaN晶体的生长方法及GaN晶体衬底
技术领域
本发明涉及一种GaN晶体的生长方法及GaN晶体衬底，该GaN晶体衬底方便地用于半导体器件如发光元件、电子元件和半导体传感器的衬底等。
背景技术
对于半导体器件如发光元件、电子元件和半导体传感器的衬底，GaN晶体衬底是极其有用的。为了有效地制造这种GaN晶体衬底，需要生长大厚度的GaN晶体。
当在与GaN晶体化学成分不同的类型的衬底(例如，蓝宝石衬底、SiC衬底等)上生长GaN晶体时(这种生长称为异质生长)，不同类型的衬底和GaN晶体之间的晶格常数的失配将引起GaN晶体的较高的位错密度，从而减小结晶度。此外，为了减小位错密度和提高待生长的GaN晶体的结晶度，需要复杂的步骤，如形成缓冲层、形成掩模层等。因此有效地生长GaN晶体是困难的。
当在与GaN晶体的化学成分相同的类型的GaN衬底上生长GaN晶体时(这种生长称为同质生长)，存在GaN晶体中可能产生裂纹的问题。特别在同质生长的GaN晶体的厚度是1mm或更大的情况下，裂纹的产生是引人注目的。
日本专利特开号2005-200250(下面，称为专利文献1)公开了一种生长质量均匀并具有高结晶度的氮化物半导体晶体的方法，当在氮化物半导体衬底上生长氮化物半导体晶体时，通过用相隔预定距离的覆盖物围绕生长中的晶体的生长面边缘部分和侧面部分，以防止在生长晶体的生长面和侧面的边缘区域部分地发生的异常生长。但是，即使通过专利文献1中公开的方法也难以抑制GaN晶体的生长过程中裂纹的产生。
发明内容
考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种可以抑制裂纹的产生并生长厚的GaN晶体的GaN晶体的生长方法，以及一种GaN晶体衬底。
本发明涉及在GaN籽晶衬底上生长GaN晶体的方法。GaN晶体的生长方法包括以下步骤：制备GaN籽晶衬底，该GaN籽晶衬底包括第一掺杂剂以使GaN籽晶衬底的热膨胀系数变得大于GaN晶体的热膨胀系数；以及在GaN籽晶衬底上生长GaN晶体至至少1mm的厚度。该第一掺杂剂可以包括选自In、P、Al、As、Sb、O和Si的至少一种类型的元素。该第一掺杂剂的浓度可以设为至少5×1015cm-3且不超过5×1019cm-3。
在本发明的GaN晶体的生长方法中生长GaN晶体的步骤中，可以向GaN晶体中添加第二掺杂剂，以使GaN籽晶衬底的热膨胀系数变得大于GaN晶体的热膨胀系数。该第二掺杂剂可以包括选自In、P、Al、As、Sb、O和Si的至少一种类型的元素。第一和第二掺杂剂可以包括相同类型的元素。
本发明还涉及通过处理由上述生长方法获得的GaN晶体而获得的GaN晶体衬底。
根据本发明，可以提供一种GaN晶体的生长方法和GaN籽晶衬底，该生长方法可以抑制裂纹的产生并生长厚的GaN晶体。
从下面本发明的详细说明，同时结合附图，本发明的上述及其他目的、特点、方面和优点将变得更明显。
附图说明
图1A是本发明中采用的GaN籽晶衬底的实施例的示意性俯视图。
图1B是沿图1A的线IB-IB的示意性剖视图。
图2A是根据本发明的GaN晶体的生长方法的实施方案的示意性俯视图。
图2B是沿图2A的线IIB-IIB的示意性剖视图。
图3是本发明的GaN籽晶衬底和GaN晶体的生长设备的实施例的示意图。
图4A是表示本发明中采用的GaN籽晶衬底的生长方法中采用的底层衬底和晶体生长抑制材料的实施例的示意性俯视图。
图4B是沿图4A的线IVB-IVB的示意性剖视图。
图5是表示本发明中采用的GaN籽晶的生长方法的实施例的示意性剖视图。
图6A是表示本发明中采用的GaN籽晶衬底的另一实施例的示意性俯视图。
图6B是沿图6A的线VIB-VIB的示意性剖视图。
图7A是表示根据本发明的GaN晶体的生长方法的另一个实施方案的示意性俯视图。
图7B是沿图7A的线VIIB-VIIB的示意性剖视图。
图8A是表示本发明中采用的GaN籽晶衬底的生长方法中采用的底层衬底和多晶材料的实施例的示意性俯视图。
图8B是沿图8A的线VIIIB-VIIIB的示意性剖视图。
图9是表示本发明中采用的GaN籽晶的生长方法的另一个实施例的示意性剖视图。
图10A是表示本发明中采用的GaN籽晶衬底的生长方法中采用的底层衬底和多晶材料的另一个实施例的示意性俯视图。
图10B是沿图10A的线XB-XB的示意性剖视图。
图11是表示本发明中采用的GaN籽晶的生长方法的再一个实施例的示意性剖视图。
图12A是表示本发明中采用的GaN籽晶衬底的生长方法中采用的底层衬底的实施例的示意性俯视图。
图12B是沿图12A的线XIIB-XIIB的示意性剖视图。
图13是表示本发明中采用的GaN籽晶的生长方法的又一个实施例的示意性剖视图。
图14和15是表示根据本发明的GaN晶体的生长方法的另一个实施方案的示意性剖视图。
具体实施方式
第一实施方案
参考图1A、1B、2A和2B，本发明的GaN晶体的生长方法的实施方案涉及在GaN籽晶衬底10p上生长GaN晶体20的方法。该方法包括制备GaN籽晶衬底10p的步骤，该GaN籽晶衬底10p包括第一掺杂剂以使GaN籽晶衬底10p的热膨胀系数变得大于GaN晶体20的热膨胀系数(图1A和1B)，以及在GaN籽晶衬底10p上生长GaN晶体20至至少1mm厚度的步骤(图2A和2B)。
根据本实施方案的GaN晶体的生长方法，通过在GaN籽晶衬底10p中包括第一掺杂剂，GaN籽晶衬底10p的热膨胀系数变得大于GaN晶体20的热膨胀系数。因此，在GaN晶体20的生长之后的冷却工序中，GaN籽晶衬底10p的收缩量将变得大于GaN晶体20的收缩量，从而在GaN晶体20上引起压缩应力。因此，抑制了裂纹的产生。
GaN籽晶衬底10p中的第一掺杂剂没有特别限制，只要GaN籽晶衬底10p的热膨胀系数变得大于GaN晶体20的热膨胀系数。但是，考虑到热膨胀系数的大幅增加，选自由In、P、Al、As、Sb、O和Si构成的组的至少一种类型的元素是优选的。由这种掺杂剂和Ga或N(氮)形成的复晶体(compound crystal)具有大于GaN晶体的热膨胀系数。例如，GaN晶体的热膨胀系数是3.17×10-6℃-1；而InN晶体的热膨胀系数是3.80×10-6℃-1；GaP晶体的热膨胀系数是4.65×10-6℃-1，AlN晶体的热膨胀系数是5.27×10-6℃-1；Si3N4晶体的热膨胀系数是3.20×10-6℃-1；GaAs晶体的热膨胀系数是5.73×10-6℃-1；GaSb晶体的热膨胀系数是7.75×10-6℃-1；以及Ga2O3晶体的热膨胀系数是4.60×10-6℃-1。
GaN籽晶衬底10p中的第一掺杂剂的浓度，尽管没有特别限于，但是优选为至少5×1015cm-3且不超过5×1019cm-3。如果该掺杂剂的浓度低于5×1015cm-3，那么增加GaN籽晶衬底的热膨胀系数的效果降低。如果该浓度高于5×1019cm-3，那么由于由掺杂剂引起的固溶体硬化，GaN籽晶衬底将变得易碎。在本文中，该掺杂剂的浓度更优选是至少1×1017cm-3且不超过3×1019cm-3。
为了便于比较热膨胀系数的级别，在此使用的所有对GaN籽晶衬底10p和GaN晶体20的每一个的热膨胀系数的参照，对应于相对于没有添加掺杂剂的GaN晶体的热膨胀系数的增加量(下面，称为“增加的热膨胀系数”；低于0的增加量的值，即意味减小)。
由于GaN晶体的密度是3.04g·cm-3，所以其1cm3体积中包括的Ga原子和N原子的数目均是2.19×1022。使用A晶体(GaN晶体的所有Ga原子或N原子用A原子的掺杂剂代替的晶体；下面相同)的热膨胀系数λA，以及GaN晶体的热膨胀系数λGaN，通过以下公式(1)，计算用作掺杂剂的Xcm-3的A原子添加到GaN晶体时含A的GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A)。
ΔλGaN(A)＝(λA-λGaN)×X/(2.19×1022)    (1)
例如，在用作掺杂剂的Xcm-3的A原子添加到GaN籽晶衬底中以及掺杂剂没有添加到GaN晶体中的情况下，由于GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A)是0，通过以下公式(2)，计算GaN籽晶衬底的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A)相对于GaN晶体的热膨胀系数ΔλGaN的差值Δλ。
Δλ＝(ΔλGaN(A)-ΔλGaN)＝ΔλGaN(A)    (2)
在本实施方案的GaN晶体的生长方法中生长GaN晶体的步骤中，可以向GaN晶体中添加第二掺杂剂，以使GaN籽晶衬底的热膨胀系数变得大于GaN晶体的热膨胀系数。在抑制裂纹产生的同时，可以生长具有通过添加各种掺杂剂而最新增加的物理性能的GaN晶体。
考虑到热膨胀系数的大幅增加以及相对于GaN籽晶衬底的热膨胀系数的方便调整，GaN晶体20中的第二掺杂剂，尽管没有特别限于，但是优选是选自由In、P、Al、As、Sb、O和Si构成的组的至少一种类型的元素。从防止不同类型的掺杂剂混合到GaN晶体中的观点，上述第一和第二掺杂剂优选包括相同类型的元素。
在X1cm-3的A1原子作为第一掺杂剂被添加到GaN籽晶衬底和X2cm-3的A2原子作为第二掺杂剂被添加到GaN晶体的情况下，通过以下公式(3)，使用A1晶体(GaN晶体的所有Ga原子或N原子用A1原子的掺杂剂代替的晶体；下面相同)的热膨胀系数λA1和GaN晶体的热膨胀系数λGaN，计算GaN籽晶衬底的增加的热膨胀系数λGaN(A1)。
ΔλGaN(A1)＝(λA1-λGaN)×/X1(2.19×1022)    (3)
通过以下公式(4)，使用A2晶体(GaN晶体的所有Ga原子或N原子用A2原子的掺杂剂代替的晶体；下面相同)的热膨胀系数λA2和GaN晶体的热膨胀系数λGaN，计算GaN晶体的增加的热膨胀系数/λGaN(A2)。
ΔλGaN(A2)＝(λA2-λGaN)×/X2(2.19×1022)    (4)
通过以下公式(5)，计算GaN籽晶衬底的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)相对于GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)的差值Δλ。
Δλ＝ΔλGaN(A1)-ΔλGaN(A2)    (5)
在本实施方案的GaN晶体的生长方法中，制备GaN籽晶衬底，该GaN籽晶衬底包括第一掺杂剂，以使GaN籽晶衬底的热膨胀系数变得大于GaN晶体的热膨胀系数(例如，掺杂剂包括选自由In、P、Al、As、Sb、O和Si构成的组的至少一种类型的元素)，作为一个实例，如下面所述。
包括第一掺杂剂的GaN籽晶10的生长方法采用，但是没有特别限于，气相沉积如HVPE(氢化物气相处延)、MOC(金属有机氯化物气相处延)和MOVPE(金属有机气相处延)，以及液相沉积方法如高压熔融法、助熔剂法(flux method)等。考虑到在获得厚晶体中的高晶体生长率和良好的效率，优选采用HVPE方法。
通过采用HVPE方法和MOC方法，使用图3所示的晶体生长设备50，可以生长包括选自由In、P、Al、As、Sb、O和Si构成的组的至少一种类型的元素作为第一掺杂剂的GaN籽晶10。
参考图3，HVPE中使用的晶体生长设备50包括用于在晶体生长容器51中放置衬底100的基座55、引入HCl气体4和载体气体的HCl气体引入导管51a、引入NH3气体6和载体气体的NH3气体引入导管51b、引入掺杂剂气体7的掺杂剂气体引入导管51c、用于存储与HCl气体4反应以产生Ga氯化物(氯化镓)所需要的Ga 3的Ga舟53以及反应之后排出气体的排气管51d。在晶体生长容器51的外周边布置加热晶体生长容器51的加热器57。
定义为衬底100的底层衬底90被加热到至少900℃且不超过1200℃的温度，Ga舟53被加热到至少600℃且不超过1200℃的温度，经由HCl气体引入导管51a引入HCl气体4和载体气体，经由NH3气体引入导管51b引入NH3气体6和载体气体，以及经由掺杂剂气体引入导管51c引入适于作为掺杂剂气体7的有机金属气体和HCl气体的混合气体到晶体生长容器51中。HCl气体4在Ga舟3中与Ga 3起反应以作为Ga氯化物气体5(例如，GaCl气体和/或GaCl3气体)引入到晶体生长容器51中。当采用不同类型的衬底时，尽管没有限制，但是对于底层衬底90，优选采用具有与生长后的GaN晶体低失配的晶格常数的GaAs衬底、SiC衬底、蓝宝石衬底等。
在有机金属气体和HCl气体的混合气体用于掺杂剂气体7的情况下，有机金属气体与HCl气体起反应以作为金属氯化物气体引入到晶体生长容器51中。对于载体气体，优选采用不与Ga氯化物气体、NH3气体和掺杂剂气体如H2气体、N2气体等起反应的气体。Ga氯化物气体的分压优选是至少1.01kPa(0.01atm)且不超过10.1kPa(0.1atm)。NH3气体的分压优选是至少10.1kPa(0.1atm)且不超过60.8kPa(0.6atm)。包括载体气体的总压力优选是至少53.69kPa(0.53atm)且不超过105.35kPa(1.04atm)。
通过上述引入到晶体生长容器51中的Ga氯化物气体5、NH3气体6和掺杂剂气体7的反应，在底层衬底90上生长包括选自由In、P、Al、As、Sb、O和Si构成的组的至少一种类型元素作为第一搀杂剂的GaN籽晶10。
通过下述示例性方法，掺杂剂可以添加到GaN籽晶10中。为了掺杂In，适于作为掺杂剂气体7的TMI(三甲基铟)气体和HCl气体的混合气体被引入到掺杂剂气体引入导管51c中，以在导管中引起TMI气体和HCl气体之间的反应。产生的In氯化物气体(例如，InCl气体和/或InCl3气体)与Ga氯化物气体5和NH3气体6起反应。因此，实现了In掺杂。
对于掺杂Al，适于作为掺杂剂气体7的TMA(三甲基铝)气体和HCl气体的混合气体被引入到掺杂剂气体引入导管51c中，以在导管中引起TMA气体和HCl气体之间的反应。产生的Al氯化物气体(例如，AlCl3气体)与Ga氯化物气体5和NH3气体6起反应。因此，实现了Al掺杂。
对于掺杂P，有机金属气体和HCl的混合气体未被引入到掺杂剂气体引入导管51c中作为掺杂剂气体7。GaP与Ga舟53中的Ga 3混合，以及该GaP与经由HCl气体引入导管51a引入的HCl气体4起反应，以产生磷氯化物气体(例如，PCl3气体)。产生的磷氯化物气体与Ga氯化物气体5和NH3气体6起反应。因此，实现了P掺杂。
对于掺杂As，有机金属气体和HCl的混合气体未被引入到掺杂剂气体引入导管51c中作为掺杂剂气体7。GaAs与Ga舟53中的Ga 3混合，以及该GaAs与经由HCl气体引入导管51a引入的HCl气体4起反应，以产生砷氯化物气体(例如，AsCl3气体)。产生的砷氯化物气体与Ga氯化物气体5和NH3气体6起反应。因此，实现了As掺杂。
对于掺杂Sb，有机金属气体和HCl的混合气体未被引入到掺杂剂气体引入导管51c中作为掺杂剂气体7。GaSb与Ga舟53中的Ga 3混合，以及该GaSb与经由HCl气体引入导管51a引入的HCl气体4起反应，以产生锑氯化物气体(例如，SbCl3气体)。产生的锑氯化物气体与Ga氯化物气体5和NH3气体6起反应。因此，实现了Sb掺杂。
对于掺杂O，适于作为掺杂剂气体7的O2气体经由掺杂剂气体引入导管51c被引入到晶体生长容器51中，以引起与Ga氯化物气体5和NH3气体6的反应。因此，实现了O掺杂。
对于掺杂Si，适于作为掺杂剂气体7的包括Si的气体如SiH2气体、SiCl2H2气体或SiCl4，经由掺杂剂气体引入导管51c被引入到晶体生长容器51中，以引起与Ga氯化物气体5和NH3气体6的反应。因此，实现了Si掺杂。
参考图4A、4B和5，如下所述，优选获得GaN籽晶衬底。使用化学成分与GaN不同的不同类型的衬底作为底层衬底90，布置晶体生长抑制材料92与底层衬底90的外圆周面90r接触(参考图4A和4B)。在底层衬底90上生长GaN籽晶10。平行于底层衬底90的主表面90s，切割GaN籽晶10(参考图5)。考虑到与生长后的GaN衬底的晶格常数的低失配，用于底层衬底90的不同类型的衬底优选是，但不特别限于蓝宝石衬底、SiC衬底、GaAs衬底等。晶体生长抑制材料92包括，尽管不特别限于，BN、SiO2、Si3N4、W(钨)等。通过布置晶体生长抑制材料与底层衬底的外圆周面接触，可以抑制在底层上生长的GaN籽晶的外圆周处部分地生长多晶。可以生长高结晶度的GaN籽晶，而不产生裂纹。
参考图5，在平行于底层衬底90的主表面90s的平面10sp和10tp处切割如上所述获得的GaN籽晶10。因此获得具有主表面10s和10t的GaN籽晶衬底10p。GaN籽晶10的切割方法可以通过，但是不特别限于，线状锯、内径锯片、外径锯片或通过放电处理来进行。考虑到处理中的机械强度，GaN籽晶衬底10p的厚度，尽管没有特别限于，但是优选是至少300μm。上述获得的GaN籽晶衬底10p的表面用酸性溶剂、碱性溶剂、有机溶剂和水的至少一种漂洗。
参考图2A和2B，本实施方案的GaN晶体的生长方法优选包括，于在GaN籽晶衬底10p上生长GaN晶体20至至少1mm厚度的步骤之前，去除位于GaN籽晶衬底10p表面的加工-影响层(work-affected layer)(未示出)的步骤。通过上述切割处理位于GaN籽晶衬底10p表面的加工-影响层优选被完全去除，因为它将引起GaN籽晶衬底10p上生长的GaN晶体20的许多位错。
去除该加工-影响层的步骤可以通过使用HCl或Cl2气体干法蚀刻GaN籽晶衬底的表面来进行。该去除也可以通过使用磷酸、硫酸、KOH、NaOH等湿法蚀刻GaN籽晶衬底的表面来实现。此外，该去除可以通过研磨和/或抛光GaN籽晶衬底的表面来实现。
去除该加工-影响层的工序优选在氮气或氢气气氛中进行，在被加热到至少700℃且不超过1200℃的GaN籽晶衬底和HCl气体之间建立接触。具体地说，参考图3，布置适于作为衬底100的图1A和1B所示的GaN籽晶衬底10p。GaN籽晶衬底10p的温度被设为至少700℃且不超过1200℃，使用例如NH3气体引入导管51b或掺杂剂气体引入导管51c将HCl气体连同适于作为载体气体的N2气体引入到GaN籽晶衬底10p上。
N2气体被用作载体气体的原因是将晶体生长容器51中的气氛设置为氮气气氛。通过使用氮气气氛中的HCl气体的GaN籽晶衬底上的加工-影响层去除步骤，可以获得在表面具有10μm或更低表面粗糙度的平坦的GaN籽晶衬底。HCl气体的分压优选是至少0.304kPa(0.003atm)且不超过11.12kPa(0.11atm)。包括N2气体或H2气体的总压力优选是至少53.69kPa(0.53atm)且不超过105.35kPa(1.04atm)。如果HCl气体的分压低于0.304kPa(0.003atm)，那么去除该加工-影响层需要的时间变得较长，导致更高的成本。如果该分压高于11.12kPa，那么GaN籽晶衬底的表面将***糙，由于它可能变为生长中的GaN中的缺陷的原因，因此不优选。
如果H2气体被用作载体气体，那么氮原子从GaN籽晶衬底中的滴落将增加，从而引起Ga的滴落。结果，衬底表面的平面度将退化。因此，N2气体比H2气体更优选作为载体气体。考虑到防止氮原子从GaN籽晶衬底中的滴落，可以在至少0.304kPa(0.003atm)且不超过11.14kPa(0.11atm)的分压下混合NH3气体。
下面将参考图2A和2B描述在本实施方案的GaN晶体的生长方法中在GaN籽晶衬底10p上生长GaN晶体20至至少1mm厚度的步骤。GaN晶体20的生长方法优选采用，但是不特别限于，气相沉积如HVPE、MOC和MOVPE以及液相沉积方法如高压熔融法、助熔剂法等。考虑到获得厚晶体中的高晶体生长速率和良好的效率，优选采用HVPE方法。
如下所述，在GaN籽晶衬底10p上可以生长至少1mm厚度的GaN晶体20。参考图2A、2B和3，在晶体生长设备50的晶体生长容器51中的基座55上放置适于作为衬底100的GaN籽晶衬底10p。GaN籽晶衬底10p被加热到至少900℃且不超过1200℃，引入Ga氯化物气体5以及NH3气体6，以引起反应，将惰性气体如H2气体或N2气体用于载体气体。Ga氯化物气体的分压优选是至少1.01kPa(0.01atm)且不超过6.08kPa(0.06atm)。NH3气体的分压优选是至少10.1kPa(0.1atm)且不超过60.8kPa(0.6atm)。晶体生长容器51中的气体总压力优选是至少53.69kPa(0.53atm)且不超过105.35kPa(1.04atm)。
作为第二掺杂剂，选自由In、P、Al、As、Sb、O和Si构成的组的至少一种类型的元素可以被添加到GaN晶体20中。GaN晶体生长方法、生长条件、掺杂剂添加方法和添加条件类似于GaN籽晶的生长的上述那些方法和条件。考虑到抑制GaN晶体20中的裂纹，优选添加第一和第二掺杂剂，以使GaN籽晶衬底10p的热膨胀系数变得大于GaN晶体20的热膨胀系数，即，GaN籽晶衬底的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)大于GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)。
第二实施方案
本发明的GaN晶体的生长方法的另一实施方案涉及在GaN籽晶衬底10p上生长GaN晶体20的方法，参考图6A、6B、7A和7B。该方法包括制备在外圆周具有多晶区10b的GaN籽晶衬底10p的步骤(参考图6A和6B)，以及在GaN籽晶衬底10p上生长在圆周处具有多晶区20b的GaN晶体20至至少1mm的厚度的步骤(参考图7A和7B)。
通过本实施方案的GaN晶体的生长方法，在GaN籽晶衬底10p的多晶区10b上生长多晶结构的GaN晶体(GaN晶体的多晶区20b)，以及在GaN籽晶衬底10p的单晶区10a(整个GaN籽晶衬底10p中除了外圆周多晶区20b之外的区域)上生长单晶结构的GaN晶体(GaN晶体的单晶区20a)。
参考图6A和6B，作为以C-平面(例如，(0001)平面)为主表面10s的GaN籽晶衬底10p的侧面的A-平面(例如，11-20)平面)或M-平面(例如，(1-100)平面)，对应于多晶区10b。因此，GaN晶体20的多晶区20b完全围绕GaN籽晶衬底10p的外圆周生长，如图7A和7B所示。因此，在GaN籽晶衬底10p的侧面的某一个区域将不会局部地生长GaN晶体20。在GaN籽晶衬底10p的C-平面和A-或M-平面之间界面的某一个区域将不会以集中的方式施加应力。
参考图7A和7B中的GaN晶体20，在C-平面(例如，(0001)平面)和A-平面(例如，(11-20)平面)或M-平面(例如，(1-100)平面)之间的界面产生的应力被位于外圆周侧的多晶区20b减轻，使得裂纹的产生受到抑制，C-平面是GaN晶体20的生长面，A-平面或M-平面是GaN晶体20的侧面。
参考图6A和6B，可以认为，位于GaN籽晶衬底10p的外圆周侧面的多晶区10b，即具有多条晶界的区域，用作相对于GaN籽晶衬底10p的处理、加工等过程中外部地施加的冲击的缓冲材料，以抑制裂纹产生。
GaN晶体的生长方法优选采用，但是不特别限于，气相沉积如HVPE、MOC和MOVPE以及液相沉积方法如高压熔融法、助熔剂法等。考虑到获得厚晶体中的高晶体生长速率和良好的效率，优选采用HVPE方法。
参考图6A和6B，本实施方案的GaN晶体的生长方法中采用的GaN籽晶衬底10p包括外圆周区域内的多晶区10b和中心区域内的单晶区10a。位于GaN籽晶衬底10p的外圆周的多晶区10b的宽度W1优选是至少0.03mm且不超过10mm。如果多晶区10b的该宽度W1小于0.03mm，那么在GaN晶体的生长过程中多晶区将被蚀刻，而引起单晶区的局部暴露，这可能导致裂纹的产生。如果该宽度大于10mm，那么对于多晶区的生长，将消耗更多材料，这将引起单晶区的生长速率的减小。GaN籽晶衬底10p的多晶区10b的宽度W1优选是均匀的，并且最大宽度W1max与最小宽度W1min的比率W1max/W1min不超过5倍，优选不超过2倍，更优选不超过1.4倍。由此，GaN籽晶衬底10p中的应力将变得均匀。多晶区10b的该宽度W1可以通过之后将描述的外圆周上的加工来调整。
尽管没有限制，GaN籽晶衬底10p的中心区域处的单晶区10a的直径D1优选是至少25mm，更优选是至少50mm。如果该直径D1小于25mm，那么获得的GaN单晶将变得更小。
生长在GaN籽晶衬底上的GaN晶体的厚度优选是至少1mm，更优选是至少2mm。如果GaN晶体的厚度低于1mm，由于通过切割获得的衬底数目较小，如果执行切割，那么制造成本将变得更高。至少1mm厚度的GaN晶体是有利的，因为，由于通过切割获得的衬底数目增加，由于较厚的晶体膜的制造成本和由于切割的加工成本的增加可以被获得的大数目衬底的优点吸收。
参考图7A和7B，通过调整GaN晶体20的生长条件，GaN晶体20的多晶区20b的宽度W2可以被设置成等于或不同于GaN籽晶衬底10p的多晶区10b的宽度W1，以及GaN晶体20的单晶区20a的直径D2可以被设置成等于或不同于GaN籽晶衬底10p的单晶区10a的直径D1。
在GaN籽晶衬底10p的多晶区10b和GaN晶体20的多晶区20b中可以设置孔(未示出)。这些多晶区10b和20b中的孔的优点在于在GaN晶体的C-平面和A-或M-平面之间的界面处产生的应力或者在处理、加工等过程中外部施加的冲击可以被进一步减轻，以进一步抑制裂纹的产生。
通过任意方法可以获得在外圆周处具有多晶区的GaN籽晶衬底10p，只要该方法不违反本发明的目的。下面将描述示例性方法。
参考图8A、8B和9，如下所述可以获得具有主表面10s和10t的GaN籽晶衬底10p。使用化学成分与GaN不同的不同类型的衬底作为底层衬底90，布置多晶材料91与底层衬底90的外圆周面90r接触(参考图8A和8B)。在底层衬底90和多晶材料91上生长在外圆周具有多晶区10b的GaN籽晶10。在平行于底层衬底90的主表面90s的平面10sp和10tp处切割GaN籽晶10(参考图9)。作为选择，在GaN籽晶10的生长之后可以处理GaN籽晶10的外圆周，以调整多晶区10b的宽度W1。在平行于底层衬底90的主表面90s的平面10sp和10tp处切割多晶区10b的宽度W1经过调整的GaN籽晶10(参考图9)。因此，可以获得GaN籽晶衬底10p。
参考图10A、10B和11，如下所述可以获得具有主表面10s和10t的GaN籽晶衬底10p。使用化学成分与GaN不同的不同类型衬底作为底层衬底90，在底层衬底90下面布置具有比底层衬底90的外圆周面90r更大直径的外圆周面91r的多晶材料91，以使多晶材料91的外圆周面91r位于比底层衬底90的外圆周面90r更外侧(参考图10A和10B)。在底层衬底90和多晶材料91上生长在外圆周具有多晶区10b的GaN籽晶10。在平行于底层衬底90的主表面90s的平面10sp和10tp处切割GaN籽晶10(参考图11)。作为选择，在GaN籽晶10的生长之后可以处理GaN籽晶10的外圆周，以调整多晶区10b的宽度W1。在平行于底层衬底90的主表面90s的平面10sp和10tp处切割多晶区10b的宽度W1经过调整的GaN籽晶10(参考图11)。因此，可以获得GaN籽晶衬底10p。
考虑到与生长中的GaN晶体的晶格常数的低失配，用作底层衬底90的不同类型衬底为，但是不特别限于，蓝宝石衬底、SiC衬底、GaAs衬底等。对于多晶材料91，没有特别限制，只要它提升GaN籽晶10的多晶化，优选采用氧化铝、富铝红柱石、固体碳等。通过在底层衬底90和多晶材料91上生长GaN籽晶10，在底层衬底90上形成单晶区10a，并且在多晶材料91上形成多晶区10b。因此，生长出在外圆周具有多晶区10b的GaN籽晶10。
参考图12A、12B和13，如下所述获得具有主表面10s和10t的GaN籽晶衬底10p。使用化学成分与GaN不同的不同类型的衬底作为底层衬底90，在底层衬底90的外圆周形成加工-影响层90t(参考图12A和12B)。在形成加工-影响层90t的底层衬底90上生长GaN籽晶10，GaN籽晶10在外圆周具有多晶区10b。通过在平行于底层衬底90的主表面90s的平面10sp和10tp处切割，获得该衬底(参考图13)。作为选择，在GaN籽晶10的生长之后可以处理GaN籽晶10的外圆周，以调整多晶区10b的宽度W1。在平行于底层衬底90的主表面90s的平面10sp和10tp处切割多晶区10b的宽度W1经过调整的GaN籽晶10(参考图13)。因此，可以获得GaN籽晶衬底10p。
在底层衬底90的外圆周上生长多晶区的方法没有特别限制。除了在底层衬底90的外圆周形成加工-影响层90t之外，底层衬底90可以这样形成，即，使得底层区域90的外圆周的表面具有不引起GaN单晶生长的平面方向。
关于图9、11和13所示的GaN籽晶10的生长，可以在底层衬底90上涂敷缓冲层、掩模层等(未示出)之后生长GaN籽晶10。
GaN籽晶10的生长方法采用，但是不特别限于，气相方法如HVPE、MOC和MOVPE。通过调整GaN籽晶10的生长条件，GaN籽晶10的多晶区10b的宽度W1可以被设置成等于或不同于多晶材料91的宽度W0，以及GaN籽晶10的单晶区10a的直径D1可以被设置成等于或不同于底层衬底90的直径D0。
通过采用HVPE方法和MOC方法，使用图3所示的晶体生长设备50，可以生长包括选自由In、P、Al、As、Sb、O和Si构成的组的至少一种类型的元素作为第一掺杂剂的的GaN籽晶10。
参考图3，晶体生长设备50包括用于在晶体生长容器51中放置衬底100的基座55、引入HCl气体4和载体气体的HCl气体引入导管51a、引入NH3气体6和载体气体的NH3气体引入导管51b、引入掺杂剂气体7的掺杂剂气体引入导管51c、用于存储引起与HCl气体4反应需要的Ga 3以产生Ga氯化物(氯化镓)的Ga舟53以及反应之后排出气体的排气管51d。在晶体生长容器51的外周边布置加热晶体生长容器51的加热器57。
参考图3、4A和4B，如下面具体所述，可以生长包括选自由In、P、Al、As、Sb、O和Si构成的组的至少一种类型的元素作为掺杂剂的GaN籽晶10。首先，在晶体生长设备51中的基座55上放置在外圆周附着多晶材料91的底层衬底90。
底层衬底90和多晶材料91被加热到至少900℃且不超过1200℃的温度，并且Ga舟53被加热到至少600℃且不超过1200℃的温度，经由HCl气体引入导管51a引入HCl气体4和载体气体，经由NH3气体引入导管51b引入NH3气体6和载体气体，以及经由掺杂剂气体引入导管51c引入适于作为掺杂剂气体7的有机金属气体和HCl气体的混合气体到晶体生长容器51中。HCl气体4在Ga舟3中与Ga 3反应以作为Ga氯化物气体5(例如，GaCl气体和/或GaCl3气体)引入到晶体生长容器51中。
在有机金属气体和HCl气体的混合气体用于掺杂剂气体7的情况下，有机金属气体与HCl气体起反应以作为金属氯化物气体引入到晶体生长容器51中。对于载体气体，优选采用不与Ga氯化物气体、NH3气体和掺杂剂气体起反应的气体如H2气体、N2气体等。Ga氯化物气体的分压优选是至少1.01kPa(0.01atm)且不超过10.1kPa(0.1atm)。NH3气体的分压优选是至少10.1kPa(0.1atm)且不超过60.8kPa(0.6atm)。包括载体气体的总压力优选是至少53.69kPa(0.53atm)且不超过105.35kPa(1.04atm)。
通过如上所述引入到晶体生长容器51中的Ga氯化物气体5、NH3气体6和掺杂剂气体7的反应，在底层衬底90和多晶材料91上生长包括选自由In、P、Al、As、Sb、O和Si构成的组的至少一种类型的元素作为掺杂剂的GaN籽晶10。
通过下述示例性方法，可以向GaN籽晶10中添加掺杂剂。对于掺杂In，适于作为掺杂剂气体7的TMI(三甲基铟)气体和HCl气体的混合气体被引入到掺杂剂气体引入导管51c中，以引起导管中的TMI气体和HCl气体之间的反应。产生的In氯化物气体(例如，InCl气体和/或InCl3气体)与Ga氯化物气体5和NH3气体6起反应。因此，实现了In掺杂。
对于掺杂Al，适于作为掺杂剂气体7的TMA(三甲基铝)气体和HCl气体的混合气体被引入到掺杂剂气体引入导管51c中，以引起导管中的TMA气体和HCl气体之间的反应。产生的Al氯化物气体(例如，AlCl3气体)与Ga氯化物气体5和NH3气体6起反应。因此，实现了Al掺杂。
对于掺杂P，有机金属气体和HCl的混合气体未被引入到掺杂剂气体引入导管51c中作为掺杂剂气体7。GaP与Ga舟53中的Ga 3混合，以及该GaP与经由HCl气体引入导管51a引入的HCl气体4起反应，以产生氯化磷气体(例如，PCl3气体)。产生的氯化磷气体与Ga氯化物气体5和NH3气体6起反应。因此，实现了P掺杂。
对于掺杂As，有机金属气体和HCl的混合气体未被引入到掺杂剂气体引入导管51c中作为掺杂剂气体7。GaAs与Ga舟53中的Ga 3混合，以及该GaAs与经由HCl气体引入导管51a引入的HCl气体4起反应，以产生氯化砷气体(例如，AsCl3气体)。产生的氯化砷气体与Ga氯化物气体5和NH3气体6起反应。因此，实现了As掺杂。
对于掺杂Sb，有机金属气体和HCl的混合气体未被引入到掺杂剂气体引入导管51c作为掺杂剂气体7。GaSb与Ga舟53中的Ga 3混合，以及该GaSb与经由HCl气体引入导管51a引入的HCl气体4起反应，以产生氯化锑气体(例如，SbCl3气体)。产生的氯化锑气体与Ga氯化物气体5和NH3气体6起反应。因此，实现了Sb掺杂。
对于掺杂O，适于作为掺杂剂气体7的O2气体经由掺杂剂气体引入导管51c引入到晶体生长容器51中，以引起Ga氯化物气体5和NH3气体6之间的反应。对于掺杂Si，适于作为掺杂剂气体7的SiH2气体经由掺杂剂气体引入导管51c引入到晶体生长容器51中，以引起Ga氯化物气体5和NH3气体6之间的反应。因此，实现了Si掺杂。
此外，可以通过经由掺杂剂气体引入导管51c引入适于作为掺杂剂气体7的包括Si的气体如SiH2气体、SiCl2H2气体和SiCl4气体到晶体生长容器51中，以引起Ga氯化物气体5和NH3气体6之间的反应，实现Si掺杂。
如上所述获得的在外圆周具有多晶区10b的GaN籽晶10具有通过下面所述的外圆周处理方法调整的多晶区10b的宽度W1。对于该外圆周处理方法，尽管没有限制，但是优选引用三种方法，即，利用砂轮研磨外圆周的多晶区的***研磨法、挖空GaN籽晶以便多晶区的宽度获得预定宽度的晶体挖空方法以及通过放电研磨外圆周的多晶区的放电处理方法。
参考图9、11以及13，在平行于底层衬底90的主表面90s的平面10sp和10tp处切割多晶区10b的宽度W1经过调整的GaN籽晶10。因此，可以获得具有主表面10s和10t的GaN籽晶衬底10p。GaN籽晶10的切割方法可以通过，但是不特别限于，线状锯、内径锯片、外径锯片或通过放电处理来进行。考虑到处理中的机械强度，GaN籽晶衬底10p的厚度，尽管没有特别限于，但是优选为至少300μm。上述获得的GaN籽晶衬底10p的表面用酸性溶剂、碱性溶剂、有机溶剂和水的至少一种漂洗。
参考图7A和7B，本实施方案的GaN晶体的生长方法优选包括于在GaN籽晶衬底10p上生长在圆周处具有多晶区20b的GaN晶体20至至少1mm厚度的步骤之前，去除位于GaN籽晶衬底10p表面的加工-影响层(未示出)的步骤。优选完全去除通过上述切割处理位于GaN籽晶衬底10p的表面的加工-影响层，因为它将会引起在GaN籽晶衬底10p上生长的GaN晶体20的许多位错。
该去除加工-影响层的步骤可以通过使用HCl或Cl2气体干法蚀刻GaN籽晶衬底的表面来进行。该去除也可以通过使用磷酸、硫酸、KOH、NaOH等湿法蚀刻GaN籽晶衬底的表面来实现。此外，该去除还可以通过研磨和/或抛光GaN籽晶衬底的表面来实现。
优选在氮气或氢气气氛中进行去除加工-影响层的工序，在被加热到至少700℃且不超过1200℃的GaN籽晶衬底和HCl气体之间建立接触。具体地说，参考图3，布置适于作为衬底100的图6A和6B所示的GaN籽晶衬底10p。GaN籽晶衬底10p的温度被设为至少700℃且不超过1200℃，使用例如NH3气体引入导管51b或掺杂剂气体引入导管51c，将HCl气体连同适于作为载体气体的N2气体引入到GaN籽晶衬底10p上。
N2气体被用作载体气体的原因是将晶体生长容器51中的气氛设置为氮气气氛。通过利用氮气气氛中的HCl气体的GaN籽晶衬底上的加工-影响层去除步骤，可以获得表面上具有10μm或更低的表面粗糙度Ra的平坦的GaN籽晶衬底。HCl气体的分压优选是至少0.304kPa(0.003atm)且不超过11.12kPa(0.11atm)。包括N2气体或H2气体的总压力优选是至少53.69kPa(0.53atm)且不超过105.35kPa(1.04atm)。如果HCl气体的分压低于0.304kPa(0.003atm)，那么去除加工-影响层需要的时间变得较长，导致更高的成本。如果该分压高于11.12kPa，那么GaN籽晶衬底的表面将***糙，由于它可能变为生长中的GaN的缺陷的原因，因此不优选。
如果H2气体被用作载体气体，那么氮原子从GaN籽晶衬底中的滴落将增加，从而引起Ga的滴落。结果，衬底表面的平面度将退化。因此，N2气体比H2气体更优选作为载体气体。考虑到防止氮原子从GaN籽晶衬底中的滴落，可以在至少0.304kPa(0.003atm)且不超过11.14kPa(0.11atm)的分压下混合NH3气体。
下面将参考图7A和7B描述在本实施方案的GaN晶体的生长方法中，在周边具有多晶区10b的GaN籽晶衬底10p上生长在周边具有多晶区20b的GaN晶体20至至少1mm厚度的步骤。GaN晶体20的生长方法优选采用，但是没有特别限于，气相沉积如HVPE、MOC和MOVPE以及液相沉积方法如高压熔融法、助熔剂法等。考虑到获得厚晶体中的高晶体生长速率和良好的效率，优选采用HVPE方法。
如下所述，在GaN籽晶衬底10p上可以生长至少1mm厚度的在周边具有多晶区20b的GaN晶体20。参考图3，在晶体生长设备50的晶体生长容器51中的基座55上放置适于作为衬底100的在周边具有多晶区10b的GaN籽晶衬底10p。GaN籽晶衬底10p被加热到至少900℃且不超过1200℃，使用惰性气体如H2气体或N2气体作为载体气体引入Ga氯化物气体5以及NH3气体6。Ga氯化物气体的分压优选是至少1.01kPa(0.01atm)且不超过6.08kPa(0.06atm)。NH3气体的分压优选是至少10.1kPa(0.1atm)且不超过60.8kPa(0.6atm)。晶体生长容器51中的气体总压力优选是至少53.69kPa(0.53atm)且不超过105.35kPa(1.04atm)。
作为第二掺杂剂，可以向GaN晶体20中添加选自由In、P、Al、As、Sb、O和Si构成的组的至少一种类型的元素。GaN晶体生长方法、生长条件、掺杂剂添加方法和添加条件类似于GaN籽晶的生长的上述那些方法和条件。考虑到抑制GaN晶体中的裂纹，优选添加第一和第二掺杂剂，以使GaN籽晶衬底10p的热膨胀系数变得大于GaN晶体20的热膨胀系数，即，GaN籽晶衬底的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)变得大于GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)。
通过调整GaN晶体20的生长条件，GaN晶体20的多晶区20b的宽度W2可以被设置成等于或不同于GaN籽晶衬底10p的多晶区10b的宽度W1，以及GaN晶体20的单晶区20a的直径D2可以被设置成等于或不同于GaN籽晶衬底10p的单晶区10a的直径D1。
第三实施方案
根据本发明的GaN晶体的生长方法的再一实施方案包括以下步骤，分别处理GaN晶体20和GaN籽晶衬底10p的外圆周，以调整多晶区20b和10b的宽度W2和W1，参考图7B，以及在多晶区10b的宽度W1经过调整的GaN籽晶衬底10p上生长第二GaN晶体30至至少1mm的厚度，该GaN晶体30在外圆周具有宽度W3的多晶区30b，参考图14，由此分离多晶区20b的宽度W2经过调整的GaN晶体20。具体地说，图7B中所示的GaN晶体20的生长中采用的GaN籽晶衬底10p被重复地用作涉及图14中生长第二GaN晶体30的GaN籽晶衬底10p。因此，可以提高GaN晶体的生长效率。
通过处理GaN晶体20和GaN籽晶衬底10p的外圆周分别调整多晶区20b和10b的宽度W2和W1的方法，可以通过采用类似于第二实施方案的方法来进行。从GaN籽晶衬底10p上分离GaN晶体20可以通过类似于第一和第二实施方案的切割方法来实现。GaN晶体20从其上分离的GaN籽晶10的加工-影响层的去除可以通过类似于第一和第二实施方案的方法进行。通过调整第二GaN晶体30的生长条件，第二GaN晶体30的多晶区30b的宽度W3可以被设置成等于或不同于GaN籽晶衬底10p的宽度W1，以及第二GaN晶体30的单晶区30a的直径D3可以被设置成等于或不同于GaN籽晶衬底10p的单晶区10a的直径D1。第一掺杂剂和第二掺杂剂分别可以被应用于GaN籽晶衬底10p和第二GaN晶体30，以使GaN籽晶衬底10p的热膨胀系数变得大于第二GaN晶体30的热膨胀系数。
第四实施方案
根据本发明的GaN晶体的生长方法的又一实施方案包括下述步骤。参考图7B，处理GaN晶体20和GaN籽晶衬底10p的外圆周以调整多晶区20b和10b的宽度W2和W1。制备通过在平行于GaN籽晶衬底10p的主表面10s的平面20sp和20tp处切割多晶区20b的宽度W2经过调整的GaN晶体20获得的具有主表面20s和20t的GaN晶体衬底20p，作为第二GaN籽晶衬底。参考图15，在第二籽晶衬底(GaN晶体衬底20p)上生长在外圆周具有宽度W4的多晶区40b的第三GaN晶体40至至少1mm的厚度。
具体地说，在平行于GaN籽晶衬底10p的主表面10s的平面20sp和20tp处切割通过第一实施方案的生长方法获得的GaN晶体20。使用具有主表面20s和20t的GaN晶体衬底20p作为第二GaN籽晶衬底，生长第三GaN晶体40。因此，可以进一步提高GaN晶体的生长效率。
通过处理GaN晶体20和GaN籽晶衬底10p的外圆周调整多晶区20b和10b的宽度W2和W1的方法类似于参考第二实施方案描述的方法。从GaN晶体20切割GaN晶体衬底20p可以通过类似于第一和第二实施方案的方法来实现。此外，GaN晶体衬底20p的加工-影响层的去除可以通过类似于第一和第二实施方案的方法进行。通过调整第三GaN晶体40的生长条件，第三GaN晶体40的多晶区40b的宽度W4可以被设置成等于或不同于GaN晶体衬底20p的宽度W2，以及第二GaN晶体40的单晶区40a的直径D4可以被设置成等于或不同于GaN晶体衬底20p的单晶区20a的直径D2。第一和第二掺杂剂可以被分别添加到GaN晶体衬底20p和第三GaN晶体40中，以使GaN晶体衬底20p的热膨胀系数变得大于第三GaN晶体40的热膨胀系数。
第五实施方案
本发明的GaN晶体衬底的实施方案对应于根据第一和第二实施方案的生长方法通过处理GaN晶体20获得的GaN晶体衬底20p、30p和40p(参考图2A、2B、7A和7B)，根据第三实施方案的生长方法的第二GaN晶体30(参考图14)，或者根据第四实施方案的生长方法的第三GaN晶体40(参考图15)。具体地说，通过在平行于GaN籽晶衬底10p的主表面10s的平面20sp和20tp处切割GaN晶体20，获得具有主表面20s和20t的GaN晶体衬底20p，如图2A、2B、7A和7B所示。通过在平行于GaN籽晶衬底10p的主表面10s的平面30sp和30tp处切割图14所示的GaN晶体30，获得具有主表面30s和30t的GaN晶体衬底30p。通过在平行于GaN晶体衬底20p的主表面20s的平面40sp和40tp处切割图15所示的GaN晶体40，获得具有主表面40s和40t的GaN晶体衬底40p。
本发明的GaN籽晶10和GaN晶体20、30和40中的某些单晶区10a、20a、30a和40a可以包括<0001>方向与相邻晶体相反的晶体。
[实施例]
实施例1-12、比较例1
1.GaN籽晶衬底的制备
参考图3、8A、8B和9，布置适于作为底层衬底90的直径D0为50.8mm的SiC衬底，以及布置适于作为晶体生长抑制材料92的宽度W0为5mm的SiO2材料与在晶体生长设备50的晶体生长容器51中的基座55上构成衬底100的底层衬底90的外圆周面90r接触。然后，将底层90和晶体生长抑制材料92加热到1000℃。在使用H2气体作为载体气体的总压力为101.3kPa(1atm)的氢气氛下，将Ga氯化物气体5(分压：2.03kPa(0.02atm))和NH3气体6(分压：30.4kPa(0.3atm))引入到晶体生长容器51中，以生长GaN籽晶(籽晶A)。在实现掺杂的情况下，如下所述，进一步引入掺杂剂气体7，以生长GaN籽晶(籽晶B-H)。
以类似于第一实施方案的方式添加用于GaN籽晶的各种掺杂剂。参考图3，对于掺杂In(籽晶B)和Al(籽晶C)，引入分别适于作为掺杂剂气体7的TMI气体和HCl气体的混合气体以及TMA气体和HCl气体的混合气体。对于掺杂P(籽晶D)，As(籽晶E)和Sb(籽晶F)，GaP、GaAs和GaSb的粉末分别与Ga3混合。对于掺杂O(籽晶G)和Si(籽晶H)，引入分别适于作为掺杂剂气体7的O2气体和SiH2气体。采用的GaP、GaAs和GaSb的粉末具有0.5μm及更低的平均粒径。
尽管在底层衬底90上生长单晶GaN籽晶10，但是直径为约0.1μm至1mm的GaN颗粒部分地附着到其周边(未示出)。
使用镊子或锉刀小心地去除附着到GaN籽晶10的外圆周上的GaN颗粒(未示出)。然后，在平行于底层衬底90的主表面90s的平面10sp和10tp处切割晶体。该表面用盐酸(酸)，KOH、NaOH(碱)和乙醇(有机溶剂)漂洗。获得七个GaN籽晶衬底10p，每个具有350μm的厚度和38mm的直径。评价所获得的GaN籽晶衬底10p中的裂纹的产生。籽晶衬底Ap(由籽晶A获得的衬底，下面相同)的裂纹产生率是43％，籽晶衬底Bp(由籽晶B获得的衬底，下面相同)的裂纹产生率是57％，籽晶衬底Cp(由籽晶C获得的衬底，下面相同)的裂纹产生率是57％，籽晶衬底Dp(由籽晶D获得的衬底，下面相同)的裂纹产生率是71％，籽晶衬底Ep(由籽晶E获得的衬底，下面相同)的裂纹产生率是57％，籽晶衬底Fp(由籽晶F获得的衬底，下面相同)的裂纹产生率是57％，籽晶衬底Gp(由籽晶G获得的衬底，下面相同)的裂纹产生率是43％，以及籽晶衬底Hp(由籽晶H获得的衬底，下面相同)的裂纹产生率是57％，在表1中示出了该结果。在此使用的裂纹产生率(单位：％)指在获得的GaN晶体衬底数目So当中具有至少一条长度为至少50μm的裂纹的GaN晶体衬底数目Sc的百分比。
裂纹产生率(％)＝100×Sc/So    (6)
裂纹通过微分干涉显微镜来测量。
每个获得的GaN籽晶衬底10p的掺杂剂浓度通过SIMS(二次离子质谱)分析。对于籽晶衬底Ap，In、P、Al、As、Sb、O和Si掺杂剂的浓度都至多为1×1016cm-3。对于籽晶衬底Bp，In浓度是2.4×1018cm-3。对于籽晶衬底Cp，Al浓度是5.3×1017cm-3。对于籽晶衬底Dp，P浓度是1.4×1018cm-3。对于籽晶衬底Ep，As浓度是7.5×1016cm-3。对于籽晶衬底Fp，Sb浓度是3.7×1016cm-3。对于籽晶衬底Gp，O浓度是7.2×1018cm-3。对于籽晶衬底Hp，Si浓度是4.3×1018cm-3。
使用公式(3)计算每个获得的GaN籽晶衬底10p的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)。具体地，籽晶衬底Ap的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)是0℃-1，籽晶衬底Bp的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)是6.9×10-11℃-1，籽晶衬底Cp的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)是5.1×10-11℃-1，籽晶衬底Dp的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)是9.5×10-11℃-1，籽晶衬底Ep的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)是8.8×10-12℃-1，籽晶衬底Fp的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)是7.7×10-12℃-1。籽晶衬底Gp的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)是4.7×10-10℃-1，以及籽晶衬底Hp的增加的热膨胀系数是5.9×10-12℃-1。在表1中示出了该结果。
表1
Figure A20081010954600291
2.GaN籽晶衬底的表面处的加工-影响层的去除
将参考图3描述比较例1。在晶体生长设备50的晶体生长容器51中的基座55上放置适于作为衬底100的在外圆周未附着多晶的直径D0为38mm的籽晶衬底Ap(GaN籽晶衬底10p)，并加热到950℃。在使用N2气体作为载体气体的总压力为101.3kPa(1atm)的氮气氛下，引入HCl气体(分压：70.9kPa(0.7atm))以从表面去除加工-影响层。借助于阴极发光(CL)，通过观察GaN籽晶衬底的表面，确认该加工-影响层的去除。用类似于比较例1的方式，从每个衬底(实施例1-12)的表面除去加工-影响层，假定采用籽晶衬底Bp-Hp作为GaN籽晶衬底，代替籽晶衬底Ap。
3.GaN晶体的生长
对于比较例1，参考图3，在晶体生长设备50的晶体生长容器51中的基座55上放置适于作为衬底100的从表面除去了的加工-影响层的直径为38mm的籽晶衬底Ap(GaN籽晶衬底10p)，并加热到1000℃。在使用H2气体作为载体气体的总压力为101.3kPa(1atm)的氢气氛下，引入Ga氯化物气体5(分压：3.04kPa(0.03atm))和NH3气体6(分压：13.7kPa(0.135atm))，以生长GaN晶体(比较例1)。关于晶体生长条件，晶体生长速率是100μm/hr。通过进行晶体生长100小时，获得约10mm厚度的GaN晶体。约0.2μm至1mm的多晶GaN部分地附着到获得的GaN晶体的外圆周上。以类似于上面描述的方式，使GaN晶体经受附着到外圆周上的晶体的去除、切割和漂洗的处理。获得七个厚度均为350μm的GaN晶体衬底。GaN晶体衬底的裂纹产生率是86％。由公式(4)得出，比较例1中获得的GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)是0。由公式(5)得出，籽晶衬底Ap(GaN籽晶衬底10p)的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)相对于GaN晶体20的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)的差值Δλ是0。在表2中示出了该结果。
用类似于比较例1的方式生长各个GaN晶体，对于GaN籽晶衬底，假定采用籽晶衬底Bp(实施例1)、籽晶衬底Cp(实施例2)、籽晶衬底Dp(实施例3)、籽晶衬底Ep(实施例4)、籽晶衬底Fp(实施例5)、籽晶衬底Gp(实施例6)和籽晶衬底Hp(实施例7)代替籽晶衬底Ap(比较例1)。与比较例1相同，所有实施例1-7的晶体生长速率都是100μm/hr。通过进行晶体生长100小时，获得厚度为约10mm的GaN晶体。约0.2μm至1mm的多晶GaN部分地附着到获得的GaN晶体的外圆周。以类似于上面描述的方式，使GaN晶体经受附着到外圆周上的晶体的去除、切割和漂洗的处理。获得七个厚度均为350μm的GaN晶体衬底。对于实施例1-5和7，GaN晶体衬底的裂纹产生率是29％，以及对于实施例6，裂纹产生率是14％。
由于实施例1-7中获得的每个GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)是0，所以由公式(5)计算每个GaN籽晶衬底的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)与每个GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)的差值Δλ，对于实施例1，该差值Δλ是6.9×10-11℃-1，对于实施例2，该差值Δλ是5.1×10-11℃-1，对于实施例3，该差值Δλ是9.5×10-11℃-1，对于实施例4，该差值Δλ是8.8×10-12℃-1，对于实施例5，该差值Δλ是7.7×10-12℃-1，对于实施例6，该差值Δλ是4.7×10-10℃-1，以及对于实施例7，该差值Δλ是5.9×10-12℃-1。在表2中示出了该结果。
此外，对于实施例8-12，在类似于比较例1的生长条件下在各种类型的GaN籽晶衬底上生长添加有各种掺杂剂的GaN晶体。在实施例8中，在籽晶衬底Ep上生长掺杂有2.0×1016cm-3的As的GaN晶体。在实施例9中，在籽晶衬底Gp上生长掺杂有4.5×1018cm-3的O的GaN晶体。在实施例10中，在籽晶衬底Hp上生长掺杂有2.0×1018cm-3的Si的GaN晶体。在实施例11中，在籽晶衬底Ep上生长掺杂有7.5×1016cm-3的O的GaN晶体。在实施例12中，在籽晶衬底Gp上生长掺杂有7.2×1018cm-3的Si的GaN晶体。每个实施例的GaN晶体中的每一类型的掺杂剂的浓度如表3所示。
与比较例1相同，对于所有实施例8-12，晶体生长速率是100μm/hr。通过进行晶体生长100小时，获得约10mm厚度的GaN晶体。约0.2μm至1mm的多晶GaN部分地附着到获得的GaN晶体的外圆周。以类似于上面描述的方式，使GaN晶体经受附着到外圆周上的晶体的去除、切割和漂洗的处理。获得七个厚度均为350μm的GaN晶体衬底。
对于实施例8和10，由公式(6)计算在GaN晶体衬底处的裂纹产生率是43％，以及对于实施例9、11和12，裂纹产生率是29％。此外，由公式(4)计算实施例8-12获得的每个GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)为2.3×10-12℃-1(实施例8)，2.9×10-10℃-1(实施例9)，2.7×10-12℃-1(实施例10)，4.9×10-12℃-1(实施例11)，以及9.9×10-12℃-1(实施例12)。因此，由公式(5)计算每个GaN籽晶衬底的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)相对于每个GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)的差值Δλ，对于实施例8，该差值Δλ为6.5×10-12℃-1，对于实施例9，该差值Δλ为1.8×10-10℃-1，对于实施例10，该差值Δλ为3.2×10-12℃-1，对于实施例11，该差值Δλ为3.9×10-12℃-1，对于实施例12，该差值Δλ为4.6×10-10℃-1。在表3中示出了该结果。
表2
Figure A20081010954600321
表3
Figure A20081010954600331
参考表2，由比较例1和实施例1-7应当理解，通过在添加有第一掺杂剂的GaN籽晶衬底上生长GaN晶体，可以生长抑制裂纹产生的厚GaN晶体，添加第一掺杂剂使得GaN籽晶衬底的热膨胀系数大于GaN晶体的热膨胀系数。参考表2和3，由比较例1和实施例8-12明显看出，通过在添加有第一掺杂剂的GaN籽晶衬底上生长添加有第二掺杂剂的GaN晶体，可以生长抑制裂纹产生的厚GaN晶体，添加第一掺杂剂使得GaN籽晶衬底的热膨胀系数大于GaN晶体的热膨胀系数。
实施例13-22
1.GaN籽晶衬底的制备
参考图3、8A、8B和9，布置适于作为底层衬底90的直径为50.8mm的GaAs衬底，以及布置适于作为多晶材料91的宽度Wo为10mm的圆柱形固体碳材料与构成在晶体生长设备50的晶体生长容器51中的基座55上的衬底100的GaAs衬底的外圆周面90r接触。然后，底层90和多晶材料91被加热到1000℃。在使用H2气体作为载体气体的总压力为101.3kPa(1.0atm)的氢气氛下，向晶体生长容器51中引入Ga氯化物气体5(分压：2.03kPa(0.02atm))和NH3气体6(分压：30.4kPa(0.3atm))，以生长GaN籽晶10(籽晶I)。如下面所述，在实现掺杂的情况下，进一步引入掺杂剂气体7，以生长GaN籽晶(籽晶J-M)。
以类似于第一实施方案的方式添加GaN籽晶的每种掺杂剂。对于掺杂As(籽晶J)，GaAs的粉末与Ga 5混合。对于掺杂Al(籽晶K)，引入适于作为掺杂剂气体7的TMA气体和HCl气体的混合气体。对于掺杂O(籽晶L)和Si(籽晶M)，引入分别适于作为掺杂剂气体7的02气体和SiH4气体。采用的GaAs的粉末具有0.5μm及更低的平均粒径。
参考图3、10A、10B和11，在晶体生长设备50的晶体生长容器51中的基座55上布置适于作为底层衬底90的直径为50.8mm的GaAs衬底，以及适于作为多晶材料91的外圆周面91r的直径大于GaAs衬底的外圆周面90r的直径为70.8mm的固体碳材料，构成衬底100。将固体碳材料布置在GaAs衬底下面并这样设置，即从衬底的外周边凸出的该固体碳材料的宽度W0是10mm。然后，在类似于籽晶L的条件下生长GaN籽晶(籽晶N)，同时在GaAs衬底(底层衬底90)和固体碳材料(多晶材料91)上引入O2气体作为掺杂剂气体。在表4中示出了该结果。
参考图3、12A、12B和13，在晶体生长设备50的晶体生长容器51中的基座55上布置适于作为底层90的具有宽度W0为10mm的加工-影响层的直径为50.8mm的GaAs衬底，构成衬底100。该GaAs衬底可以通过使用嵌入有粒径为10μm的SiC磨粒的砂轮在直径为52mm的GaAs衬底的外圆周上加工来获得。然后，在类似于籽晶L的条件下生长GaN籽晶(籽晶O)，同时在具有加工-影响层的GaAs衬底(底层衬底90)上引入O2气体作为掺杂剂气体。在表4中示出了该结果。
在GaN籽晶10的生长之后，通过在GaN籽晶10的外圆周上加工，调整多晶区10b的宽度W1。在平行于底层衬底90的主表面90s的平面10sp和10tp处切割多晶区10b的宽度W1经过调整的GaN籽晶10(参考图11)。
参考图9、11和13，在底层衬底90(加工-影响层90t除外)上形成单晶区10a，以及通过上述晶体生长，在多晶材料91或加工-影响层90t上形成多晶区10b。因此，生长在外圆周具有宽度W1为10mm的多晶区10b的GaN籽晶10。
参考图9、11和13，使该GaN籽晶10经受第一实施方案中所述的三种外圆周处理方法的任意一种，然后在平行于底层衬底90的主表面90s的平面10sp和10tp处切割。该表面用盐酸(酸)，KOH、NaOH(碱)，及乙醇(有机溶剂)漂洗。因此，获得厚度为1000μm的GaN籽晶衬底10p，该GaN籽晶衬底10p包括在外圆周的宽度为1mm的多晶区和直径D1为50mm的单晶区10a。在将籽晶A-H与籽晶I-O比较时，应当理解，尽管采用具有相同直径50.8mm的底层衬底，但是由籽晶I-O(直径50mm)比由籽晶A-H(直径38mm)得到尺寸更大的单晶区10a的直径D1。这是因为在籽晶A-H中采用晶体生长抑制材料92，防止多晶的形成。
下面阐述三种外圆周处理方法的处理条件。在圆柱形研磨方法中，嵌有尺寸为20μm的金刚石磨粒的金刚石杯轮用作磨石。工作台前进速率是0.5-1mm/分钟；加工转速是10±2rpm，以及晶体夹持压力是490kPa(5kgf/cm2)。在衬底挖空方法中，嵌有粒径为15μm的金刚石磨粒的金刚石电解沉积的钻孔器被用作钻孔机。使用可溶解的冷却剂，在固定器上通过蜡固定该晶体。磨石转速是5000-8000rpm，以及加工速率是0.5-30mm/分钟。在放电方法中，导线直径是20mm，导线材料是黄铜，导线张力是7N，平均加工电压是40v，以及加工速率是1.0至2.0mm/分钟。
对于籽晶衬底Ip(由籽晶I获得的衬底，下面相同)，每个获得的GaN籽晶衬底10p的所有In、P、AJ、As、Sb、O和Si掺杂剂浓度都至多为1×1016cm-3。对于籽晶衬底Jp(由籽晶J获得的衬底，下面相同)，As浓度是7.5×1016cm-3。对于籽晶衬底Kp(由籽晶K获得的衬底，下面相同)，Al浓度是5.3×1017cm-3。对于籽晶衬底Lp(由籽晶L获得的衬底，下面相同)，O浓度是7.2×1018cm-3。对于籽晶衬底Mp(由籽晶M获得的衬底，下面相同)，Si浓度是4.3×1018cm-3。对于籽晶衬底Np(由籽晶N获得的衬底，下面相同)，O浓度是7.2×1018cm-3。对于籽晶衬底Op(由籽晶O获得的衬底，下面相同)，O浓度是7.2×1018cm-3。
使用公式(3)计算每个获得的GaN籽晶衬底10p的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)。对于籽晶衬底Ip，增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)是0℃-1，对于籽晶衬底Jp，增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)是8.8×10-12℃-1，对于籽晶衬底Kp，增加的热膨胀系数是5.1×10-12℃-1，对于籽晶衬底Lp，增加的热膨胀系数是4.7×10-11℃-1，对于籽晶衬底Mp，增加的热膨胀系数是5.9×10-12℃-1，对于籽晶衬底Np，增加的热膨胀系数是4.7×10-10℃-1，以及对于籽晶衬底Op，增加的热膨胀系数是4.7×10-10℃-1。在表4中示出了该结果。
表4
Figure A20081010954600371
2.在GaN籽晶衬底表面处的加工-影响层的去除
参考图3，在晶体生长设备50的晶体生长容器51中的基座55上放置适于作为衬底100的具有直径D1为50mm的单晶区10a和宽度W1为1mm的多晶区10b的GaN籽晶衬底10p，并加热到950℃。在使用H2气体作为载体气体的总压力为101.3kPa(1atm)的氢气氛下，将HCl气体(分压：70.9kPa(0.7atm))引入到晶体生长容器51中，以从GaN籽晶衬底的表面去除加工-影响层。
3.GaN晶体的生长
对于实施例13，参考图3，在晶体生长设备50的晶体生长容器51中的基座55上放置适于作为衬底100的具有直径为50mm的单晶区10a和宽度W1为1mm的多晶区10b的籽晶衬底Ip(GaN籽晶衬底10p)，并加热到1000℃。在使用H2气体作为载体气体的总压力为101.3kPa(1.0atm)的氢气氛下，引入Ga氯化物气体5(分压：3.04kPa(0.03atm))和NH3气体6(分压：13.7kPa(0.135atm))，以生长GaN晶体。关于晶体生长条件，晶体生长速率是100μm/小时。通过进行晶体生长100小时，获得厚度为约10mm的GaN晶体。
参考图7A和7B，这种GaN晶体20具有分别在GaN籽晶衬底10p的单晶区10a和多晶区10b上生长的单晶区20a和多晶区20b。在GaN晶体20中，单晶区20a具有50mm的直径，以及多晶区20b具有1mm的宽度。以类似于上面描述的方式，使GaN晶体经受去除附着到外圆周上的晶体、切割和漂洗的处理。获得七个厚度均为350μm的GaN晶体衬底。GaN晶体衬底的裂纹产生率是29％，该裂纹产生率是低的。
由公式(4)得出，实施例13中获得的GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)是0。由公式(5)得出，籽晶衬底Ap(GaN籽晶衬底10p)的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)相对于GaN晶体20的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)的差值Δλ是0。在表5中示出了该结果。
以类似于实施例13的方式生长各个GaN晶体，对于GaN籽晶衬底，假定采用籽晶衬底Jp(实施例14)、籽晶衬底Kp(实施例15)、籽晶衬底Lp(实施例16)、籽晶衬底Mp(实施例17)、籽晶衬底Jp(实施例18)、籽晶衬底Kp(实施例19)、籽晶衬底Lp(实施例20)、籽晶衬底Np(实施例21)和籽晶衬底Op(实施例22)代替籽晶衬底Ip(实施例13)。此外，添加的掺杂剂是2.0×1016cm-3的As(实施例14)，8.0×1016cm-3的Al(实施例15)，4.5×1018cm-3的O(实施例16)，2.0×1018cm-3的Si(实施例17)，7.5×1016cm-3的O(实施例18)，5.3×1017cm-3的P(实施例19)，7.2×1018cm-3的Si(实施例20)，7.2×1018cm-3的Si(实施例21)，以及7.2×1018cm-3的Si(实施例22)。
以类似于上面描述的方式，使GaN晶体经受去除附着到外圆周上的晶体、切割和漂洗的处理。获得七个厚度均为350μm的GaN晶体衬底。对于实施例14、15、17和19-22，GaN晶体衬底的裂纹产生率是14％，对于实施例16和18，裂纹产生率是0％。
此外，由公式(4)计算出实施例14-22中获得的每个GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)为2.3×10-12℃-1(实施例14)，7.7×10-12℃-1(实施例15)，2.9×10-10℃-1(实施例16)，2.7×10-12℃-1(实施例17)，4.9×10-12℃-1(实施例18)，3.6×10-11℃-1(实施例19)，9.9×10-12℃-1(实施例20)，9.9×10-12℃-1(实施例21)，以及9.9×10-11℃-1(实施例22)。因此，由公式(5)计算出每个GaN籽晶衬底的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)与每个GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)的差值Δλ，对于实施例14，该差值Δλ为6.5×10-12℃-1，对于实施例15，该差值Δλ是4.3×10-11℃-1，对于实施例16，该差值Δλ是1.8×10-10℃-1，对于实施例17，该差值Δλ是3.2×10-12℃-1，对于实施例18，该差值Δλ是3.9×10-12℃-1，对于实施例19，该差值Δλ是1.5×10-11℃-1，对于实施例20，该差值Δλ是4.6×10-10℃-1，对于实施例21，该差值Δλ是4.6×10-10℃-1，以及对于实施例22，该差值Δλ是4.6×10-10℃-1。在表5中示出了该结果。
表5
参考表1和5，由比较例1和实施例13应当理解，通过在外圆周具有多晶区的GaN籽晶衬底上生长GaN晶体，可以生长抑制裂纹产生的厚GaN晶体。此外，参考表5，由实施例13-22应当理解，通过在外圆周区具有多晶区的GaN籽晶衬底上生长添加有第二掺杂剂的GaN晶体，可以生长进一步抑制裂纹产生的厚GaN晶体，并且该GaN籽晶衬底添加有第一掺杂剂，以使GaN籽晶衬底的热膨胀系数大于GaN晶体的热膨胀系数。
实施例23-28
1.GaN籽晶衬底的制备
通过类似于实施例20的外圆周处理方法加工实施例20中采用的GaN籽晶10的外圆周，以调整多晶区的宽度W1，该GaN籽晶10包含浓度为7.2×1018cm-3的O掺杂剂，并且包括直径D1为50mm的单晶区和在外圆周的宽度W1为10mm的多晶区10b。在平行于底层衬底90的主表面90s的平面10sp和10tp处切割晶体。该表面用盐酸(酸)，KOH、NaOH(碱)和乙醇(有机溶剂)漂洗。因此，获得在外圆周包括各种宽度W1的多晶区的厚度为1000μm的GaN籽晶衬底10p。宽度W1是0.03mm(实施例23)，0.05mm(实施例24)，0.1mm(实施例25)，1.0mm(实施例20A)，2.0mm(实施例26)，5.0mm(实施例27)以及10.0mm(实施例28)。
2.加工-影响层从GaN籽晶衬底的表面上的去除
以类似于实施例20的方式，去除GaN籽晶衬底10p的加工-影响层。
3.GaN晶体的生长
以类似于实施例20的方式，在GaN籽晶衬底10p上生长GaN晶体，以获得厚度为约10mm的GaN晶体，假定Si的施加量是4.3×1018cm-3。以类似于上面描述的方式，使GaN晶体经受去除附着到外圆周上的晶体、切割和漂洗的处理。获得七个厚度均为350μm的GaN晶体衬底。对于实施例23、24和28，GaN晶体衬底的裂纹产生率是29％，对于实施例25和20A，裂纹产生率是14％，对于实施例26和27，裂纹产生率是0％。由公式(4)计算出实施例23-28中获得的每个GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)为5.9。因此，由公式(5)计算出每个GaN籽晶衬底的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)相对于每个GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)的差值Δλ为4.6×10-10℃-1。在表6中示出了该结果。
表6
Figure A20081010954600411
参考表6，由实施例20和23-28应当理解，通过在外圆周具有宽度W1为至少0.03mm且不超过10mm的多晶区的GaN籽晶衬底上生长GaN晶体，GaN晶体的裂纹产生率被减小至29％和更低。此外，通过在外圆周具有宽度W1为至少0.1mm且不超过5mm的多晶区的GaN籽晶衬底上生长GaN晶体，GaN晶体的裂纹产生率被减小至14％和更低。
实施例29-33
制备O掺杂剂浓度和增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)分别如下的GaN籽晶衬底，5.2×1015cm-3和3.4×10-13℃-1(实施例29)，9.0×1016cm-3和5.9×10-12℃-1(实施例30)，6.0×1017cm-3和3.9×10-11℃-1)(实施例31)，3.0×1019cm-3和2.0×10-9℃-1(实施例32)，5.5×1019cm-3和3.6×10-9℃-1(实施例33)，并且该GaN籽晶衬底包括直径为50mm的单晶区和邻近于外圆周的宽度W1为1mm的多晶区。
在从GaN籽晶衬底的表面上去除加工-影响层之后，在其上生长添加有2.0×1015cm-3(实施例29)、6.0×1016cm-3(实施例30)、3.0×1017cm-3(实施例31)、6.0×1018cm-3(实施例32)以及8.0×1018cm-3(实施例33)的Si掺杂剂的GaN晶体，以获得厚度为约10mm的GaN晶体。对于实施例29-32，GaN晶体的裂纹产生率是14％，对于实施例33，裂纹产生率是29％。
此外，由公式(4)计算出实施例29-33中获得的每个GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)为1.3×10-13℃-1(实施例29)，3.9×10-13℃-1(实施例30)，2.0×10-11℃-1(实施例31)，3.9×10-10℃-1(实施例32)以及5.2×10-10℃-1(实施例33)。因此，由公式(5)计算出每个GaN籽晶衬底的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A1)相对于每个GaN晶体的增加的热膨胀系数ΔλGaN(A2)的差值Δλ为2.1×10-13℃-1(实施例29)，2.0×10-12℃-1(实施例30)，2.0×10-11℃-1(实施例31)，1.6×10-9℃-1(实施例32)以及3.1×10-9℃-1(实施例33)。在表7中示出了该结果。
表7
Figure A20081010954600431
参考表7，由实施例29-33应当理解，通过在掺杂剂浓度是至少5×1015cm-3且不超过3×1019cm-3的GaN籽晶衬底上生长GaN晶体，显著地减小GaN晶体的裂纹产生率。
尽管已经详细描述和图示了本发明，但是应当清楚地理解，这些描述和图示仅仅是作为图例和实施例，而不是用来限制，本发明的范围仅仅由所附的权利要求书的术语解释。

Claims (8)

1.一种GaN晶体的生长方法，其用于在GaN籽晶衬底上生长GaN晶体，该方法包括以下步骤：
制备所述GaN籽晶衬底，所述GaN籽晶衬底包括第一掺杂剂以使所述GaN籽晶衬底的热膨胀系数变得大于所述GaN晶体的热膨胀系数，以及
在所述GaN籽晶衬底上生长所述GaN晶体至至少1mm的厚度。
2.根据权利要求1的GaN晶体的生长方法，其中所述第一掺杂剂包括选自In、P、Al、As、Sb、O和Si的至少一种类型的元素。
3.根据权利要求2的GaN晶体的生长方法，其中所述第一掺杂剂具有至少5×1015cm-3且不超过5×1019cm-3的浓度。
4.根据权利要求1的GaN晶体的生长方法，其中，在所述的生长所述GaN晶体的步骤中，向所述GaN晶体中添加第二掺杂剂以使所述GaN籽晶衬底的热膨胀系数变得大于所述GaN晶体的热膨胀系数。
5.根据权利要求4的GaN晶体的生长方法，其中所述第二掺杂剂包括选自In、P、Al、As、Sb、O和Si的至少一种类型的元素。
6.根据权利要求5的GaN晶体的生长方法，其中所述第一和第二掺杂剂包括相同类型的元素。
7.根据权利要求1-6中任一项的GaN晶体的生长方法，其中所述GaN籽晶衬底是通过下列步骤获得的：使用化学成分不同于GaN的化学成分的衬底作为底层衬底，布置晶体生长抑制材料与所述底层衬底的外圆周面接触，在所述底层衬底上生长GaN籽晶，以及平行于所述底层衬底的主表面切割所述GaN籽晶。
8.一种通过处理由权利要求1的生长方法获得的所述GaN晶体而获得的GaN晶体衬底。
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