III族氮化物衬底和其制造方法

摘要

本发明提供III族氮化物衬底，其具有非极性或半极性平面的第一侧和具有一个以上埋藏的金属条带的第二侧，其中所述条带垂直于III族氮化物的c轴。在金属条带上存在大于90％的堆叠缺陷。第二侧可暴露非极性或半极性平面。本发明还揭示具有非极性或半极性平面的第一侧和具有暴露的非极性或半极性平面的第二侧的III族氮化物衬底。所述衬底含有间距大于1mm的堆叠缺陷束。本发明还提供制造上文所述III族氮化物衬底的方法。

权利要求

1.一种III族氮化物衬底，其包含

(a)第一侧，其暴露III族氮化物的非极性或半极性平面；

(b)第二侧，所述第二侧与第一侧相对且含有多个埋藏于第二侧的III族氮化物中的金属条带，且其中多个条带的方向垂直于III族氮化物的c轴；

其中超过90％的III族氮化物的堆叠缺陷存在于金属的条带的区域上。

2.根据权利要求1所述的III族氮化物衬底，其进一步包含垂直于c轴且间隔大于5mm的堆叠缺陷束。

3.根据权利要求2所述的III族氮化物衬底，其中所述堆叠缺陷束的宽度介于0.05微米与1000微米之间。

4.根据权利要求2所述的III族氮化物衬底，其中所述堆叠缺陷束是线性的。

5.根据权利要求1所述的III族氮化物衬底，其中所述第二侧具有暴露的非极性或半极性平面。

6.根据权利要求5所述的III族氮化物衬底，其中所述金属条带是线性的。

7.根据权利要求1所述的III族氮化物衬底，其中所述第一侧经抛光以获得适于III族氮化物的外延生长的表面。

8.根据权利要求7所述的III族氮化物衬底，其中所述第一侧选自非极性m{10-10}平面或a{11-20}平面且错切角小于+/-5度。

9.根据权利要求7所述的III族氮化物衬底，其中所述第一侧选自半极性{11-22}、{11-

2-2}、{10-13}、{10-1-3}、{20-21}、{20-2-1}平面且错切角小于+/-5度。

10.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的III族氮化物衬底，其中所述金属是钒或含钒合金。

11.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的III族氮化物衬底，其中所述金属选自镍或含镍合金。

12.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的III族氮化物衬底，其中所述金属是银或含银合金。

13.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的III族氮化物衬底，其中所述金属条带的宽度介于0.05微米与1000微米之间。

14.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的III族氮化物衬底，其中邻近条带之间的间距大于1mm。

15.根据权利要求14所述的III族氮化物衬底，其中邻近条带之间的所述间距大于5mm。

16.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的III族氮化物衬底，其中大于90％的III族氮化物堆叠缺陷存在于金属条带区域上。

17.根据权利要求1所述的III族氮化物衬底，其中所述III族氮化物是GaN。

说明书

III族氮化物衬底和其制造方法

[0001] 相关申请案的交叉参考

[0002] 本申请案主张发明人桥本忠朗(Tadao Hashimoto)于2014年12月4日提出申请的标题为“III族氮化物衬底和其制造方法(Group III Nitride Substrates And Their Fabrication Method)”的美国专利申请案第62/087,746号(代理人案号SIXPOI-023USPRV1)的优先权，所述申请案内容的全文以引用方式并入本文中。

[0003] 本申请案涉及以下美国专利申请案：

[0004] 由藤田健二(Kenji Fujito)、桥本忠朗和中村修二(Shuji Nakamura)于2005年7月8日提出申请的标题为“使用高压釜在超临界氨中生长III族氮化物的方法(METHOD FOR GROWING GROUP III-NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA USING AN AUTOCLAVE)”的PCT实用专利申请案第US2005/024239号，代理人案号30794.0129-WO-01(2005-339-1)；

[0005] 由桥本忠朗、齐藤诚(Makoto Saito)和中村修二于2007年4月6日提出申请的标题为“在超临界氨中生长大表面积的氮化镓晶体的方法和大表面积的氮化镓晶体(METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS)”的美国实用专利申请案第11/784,339号(代理人案号30794.179-US-U1(2006-204))，其在35U.S.C.条款119(e)下主张由桥本忠朗、齐藤诚和中村修二于2006年4月7日提出申请的标题为“在超临界氨中生长大表面积的氮化镓晶体的方法和大表面积的氮化镓晶体(A METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS)”的美国临时专利申请案第60/790,310号(代理人案号30794.179-US-P1(2006-204))的权益；

[0006] 由桥本忠朗和中村修二于2007年9月19日提出申请的标题为“氮化镓块状晶体和其生长方法(GALLIUM NITRIDE BULK CRYSTALS AND THEIR GROWTH METHOD)”的美国实用专利申请案第60/973,602号，代理人案号30794.244-US-P1(2007-809-1)；

[0007] 由桥本忠朗于2007年10月25日提出申请的标题为“在超临界氨和氮的混合物中生长III族氮化物晶体的方法和其中生长的III族氮化物晶体(METHOD FOR GROWING GROUP III-NITRIDE CRYSTALS IN A MIXTURE OF SUPERCRITICAL AMMONIA AND NITROGEN,AND GROUP III-NITRIDE CRYSTALS GROWN THEREBY)”美国实用专利申请案第11/977,661号，代理人案号30794.253-US-U1(2007-774-2)；

[0008] 由桥本忠朗、爱德华利托(Edward Letts)、碇正德(Masanori Ikari)于2008年2月25日提出申请的标题为“产生III族氮化物晶片的方法和III族氮化物晶片(METHOD FOR PRODUCING GROUP III-NITRIDE WAFERS AND GROUP III-NITRIDE WAFERS)”的美国实用专利申请案第61/067,117号，代理人案号62158-30002.00或SIXPOI-003；

[0009] 由爱德华利托、桥本忠朗、碇正德于2008年6月4日提出申请的标题为“通过氨热法生长从初始III族氮化物晶种产生经改良结晶度的III族氮化物晶体的方法(METHODS FOR PRODUCING IMPROVED CRYSTALLINITY GROUP III-NITRIDE CRYSTALS FROM INITIAL GROUP III-NITRIDE SEED BY AMMONOTHERMAL GROWTH)”的美国实用专利申请案第61/058,900号，代理人案号62158-30004.00或SIXPOI-002；

[0010] 由桥本忠朗、爱德华利托、碇正德于2008年6月4日提出申请的标题为“生长III族氮化物晶体的高压容器和使用高压容器生长III族氮化物晶体的方法和III族氮化物晶体(HIGH-PRESSURE VESSEL FOR GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS AND METHOD OF GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS USING HIGH-PRESSURE VESSEL AND GROUP III NITRIDE CRYSTAL)”的美国实用专利申请案第61/058,910号，代理人案号62158-30005.00或SIXPOI-005，且颁发为美国专利第8,236,237号；

[0011] 由桥本忠朗、碇正德、爱德华利托于2008年6月12日提出申请的标题为“测试III-氮化物晶片的方法和具有测试数据的III-氮化物晶片(METHOD FOR TESTING III-NITRIDE WAFERS AND III-NITRIDE WAFERS WITH TEST DATA)”的美国实用专利申请案第61/131,917号，代理人案号62158-30006.00或SIXPOI-001；

[0012] 由桥本忠朗、碇正德、爱德华利托于2008年10月16日提出申请的标题为“用于生长III族氮化物晶体的反应器设计和生长III族氮化物晶体的方法(REACTOR DESIGN FOR GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS AND METHOD OF GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS)”的美国实用专利申请案第61/106,110号，代理人案号SIXPOI-004；

[0013] 由桥本忠朗、爱德华利托、锡拉霍夫(Sierra Hoff)于2012年8月28日提出申请的标题为“III族氮化物晶片和产生方法(GROUP III NITRIDE WAFER AND PRODUCTION METHOD)”的美国实用专利申请案第61/694,119号，代理人案号SIXPOI-015；

[0014] 由桥本忠朗、爱德华利托、锡拉霍夫于2012年9月25日提出申请的标题为“生长III族氮化物晶体的方法(METHOD OF GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS)”的美国实用专利申请案第61/705,540号，代理人案号SIXPOI-014；

[0015] 所述申请案的全文均以引用方式并入本文中，如同在下文中全文发布一般。

技术领域

[0016] 本发明涉及用于制造半导体装置的半导体材料的衬底，所述半导体装置包括光电装置(例如发光二极管(LED)和激光二极管(LD))和电子装置(例如晶体管)。更特定来说，本发明提供诸如氮化镓等III族氮化物的衬底。本发明还提供制造这些衬底的方法。

背景技术

[0017] 本文件提到若干公开案和专利，如用括号内的数字(例如[x])所指示。下文是这些公开案和专利的列表：

[0018] [1]菲利普·斯皮尔伯格(Philippe Spiberg)等人，美国专利公开案第2011/0108954A1号。

[0019] [2]R.德威林斯基(R.Dwilinski)等人，美国专利第7,132,730B2号。

[0020] [3]H.奥萨达(H.Osada)等人，美国专利公开案第2012/0034763A1号[0021] 本文件中所列示的每一参考文献的全文均以引用方式并入本文中，如同全文发布一般，且尤其关于其制造和使用III族氮化物衬底的方法的描述。

[0022] 氮化镓(GaN)和其相关III族氮化物合金是用于各种光电和电子装置(例如LED、LD、微波功率晶体管和日盲型光检测器)的关键材料。目前LED广泛用于显示器、指示器、一般照明中，且LD用于数据存储磁碟驱动器中。最近，研究者已展示，当InGaN的固溶体生长时，具有m-平面(非极性)、a-平面(非极性)、倾斜m-平面(半极性)或倾斜a-平面(半极性)的GaN显示较高铟纳入。需要较高铟含量来制造具有较长波长(例如绿色、琥珀色和甚至红色)的发光装置。

[0023] 为获得所述非极性和半极性衬底，业内存在几种方法。一种方法是使用非c-平面异质衬底(例如r平面蓝宝石、m-平面碳化硅)通过气相外延生长GaN[1]。由于这些材料的大直径(>2")晶片在市面上有售，相对较容易在所述衬底上获得大面积的非极性/半极性GaN。例如，a-平面GaN可在r平面蓝宝石上生长且m-平面GaN可在m-平面SiC上生长。类似地，一些研究者提出使用图案化c-平面蓝宝石衬底来获得非极性/半极性GaN。此方法还提供相对较大面积的非极性/半极性GaN层。然而，这些方法不可避免地引入基底平面堆叠缺陷，其平行
5 -1
于GaN的c-平面繁殖。堆叠缺陷的典型密度为10 cm ，此意味着堆叠缺陷的平均间距为0.1微米。科学家已证实，堆叠缺陷变成非辐射重组中心，因此在所述材料上制造的光学装置不具高效率。

[0024] 为获得具有较少堆叠缺陷的高质量的非极性/半极性GaN衬底，人们使GaN块状晶体沿c轴方向生长且沿所需取向(例如m-平面和半极性平面)切割晶体[2]。由于沿c轴生长不会引入堆叠缺陷，在此方法中人们可获得实际上无堆叠缺陷的晶体。然而，当从块状GaN晶体切割m-平面晶片时，切割方向垂直于c-平面，因此所切割晶片的大小受限于块状GaN晶体的厚度。此情形类似于其它非极性/半极性取向。因此，此方法通常提供长条晶片。例如，如果切割2"直径×5mm厚的块状GaN晶体以获得m-平面晶片，那么可获得的最大片为2"×5mm矩形条。尽管此条含有可忽略量的堆叠缺陷，但形状和大小并不利于商业应用。

[0025] 一种使用上文所解释的条获得大面积非极性/半极性晶片的方法是平铺(tile)这些条且在暴露的非极性/半极性表面上生长GaN以使这些条融合在一起[3]，然而，此方法的问题在于沿两个条之间的空隙生长多晶，因此晶体质量通常较差。

发明内容

[0026] 在一实例中，本发明提供III族氮化物衬底，其具有非极性或半极性平面的第一侧和与第一侧相对的具有一个以上埋藏的金属条带的第二侧，其中条带的方向垂直于III族氮化物的c轴。在金属条带上存在优选地大于80％、且更优选地大于90％的堆叠缺陷。

[0027] 在一实例中，本发明提供III族氮化物衬底，其具有非极性或半极性平面的第一侧和与第一侧相对的暴露非极性或半极性平面的第二侧。衬底具有一个以上的埋藏于衬底内部的金属条带，其中条带的方向垂直于III族氮化物的c轴。在金属条带上存在优选地大于80％、且更优选地大于90％的堆叠缺陷。

[0028] 在一实例中，本发明提供III族氮化物衬底，其具有非极性或半极性平面的第一侧和与第一侧相对的暴露非极性或半极性平面的第二侧。衬底含有堆叠缺陷束，且各束的间距大于1mm。在其它实例中，各束可间隔至少1.5mm、2.0mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm以提供可形成电子装置的大无簇区域。

[0029] 本发明还提供制造III族氮化物衬底的方法。一种所述方法包含沿c方向生长III族氮化物块状晶体，用金属覆盖III族极性c-平面，沿非极性或半极性方向切割III族氮化物块状晶体以获得多个条，将所述条固定于框架上且保持一定间距并使相同的结晶平面对准相同方向，和在超临界氨中生长III族氮化物晶体。在超临界氨中生长期间，III族氮化物晶体在氮极性c-平面上生长，且任选地在非极性/半极性平面上生长。沿c方向生长使条融合在一起以制造晶片的一个片。

附图说明

[0030] 现参照附图，其中自始至终相同参考编号代表相应部件：

[0031] 图1是III族氮化物衬底的示意性剖面图。

[0032] 在所述图中，各编号代表以下内容：

[0033] 11.III族氮化物衬底，

[0034] 11A.衬底的暴露非极性/半极性表面的第一侧，

[0035] 11B.与第一侧相对的第二侧，

[0036] 12.金属条带，

[0037] 13.堆叠缺陷束。

[0038] 图2是III族氮化物衬底的示意性剖面图。

[0039] 在所述图中，各编号代表以下内容：

[0040] 11.III族氮化物衬底，

[0041] 11A.衬底的暴露非极性/半极性表面的第一侧，

[0042] 11B.与第一侧相对的第二侧，

[0043] 13.堆叠缺陷束。

[0044] 21.堆叠缺陷束的间距

[0045] 图3A到3D是制造III族氮化物衬底的步骤的部分的实例。

[0046] 在所述图中，各编号代表以下内容：

[0047] 31.c-平面晶种，

[0048] 31A.氮极性c-平面，

[0049] 31B.III族极性c-平面，

[0050] 32.覆盖III族极性c-平面的金属，

[0051] 33.生长于氮极性c-平面上的III族氮化物块状晶体，

[0052] 34.切割线，

[0053] 35.非极性/半极性晶片条。

[0054] 图4A和4B是固定于框架上的非极性/半极性条的示意图。图4A是顶视图且图4B是侧视图。

[0055] 在所述图中，各编号代表以下内容：

[0056] 35.非极性/半极性晶片条。

[0057] 41.框架，

[0058] 42.暴露的氮极性c-平面，

[0059] 43.暴露的非极性/半极性平面。

[0060] 图5A到5E是制造III族氮化物衬底的步骤的部分的实例。这些图为侧视图。

[0061] 在所述图中，各编号代表以下内容：

[0062] 11.III族氮化物衬底，

[0063] 11A.衬底的暴露非极性/半极性表面的第一侧，

[0064] 11B.与第一侧相对的第二侧，

[0065] 12.金属条带，

[0066] 13.堆叠缺陷束。

[0067] 41.框架，

[0068] 42.暴露的氮极性c-平面，

[0069] 43.暴露的非极性/半极性平面。

[0070] 51.氮极性III族氮化物平面的生长方向，

[0071] 52.非极性/半极性III族氮化物平面的生长方向，

[0072] 53.生长后框架上的III族氮化物晶体片，

[0073] 54.从框架移除的III族氮化物晶体片，

[0074] 55.从III族氮化物晶体片获得的III族氮化物衬底。

具体实施方式

[0075] 概述

[0076] 本发明的III族氮化物衬底通常用于光电子和电子装置。对于诸如较长波长发射等特殊性质，具有非极性或半极性取向的III族氮化物衬底为优选的。典型非极性取向是m{10-10}平面和a{11-20}平面，且典型半极性取向是{11-22}、{11-2-2}、{10-13}、{10-1-3}、{20-21}和{20-2-1}平面。本发明还可提供具有其它非极性/半极性取向的衬底。

[0077] 本发明的III族氮化物衬底提供具有适于装置制造的非极性/半极性表面的大面积衬底。制造衬底的方法涉及在c-平面上生长III族氮化物块状晶体，用金属覆盖III族极性c-平面，切割III族氮化物块状晶体以获得非极性/半极性取向条，使各条再对准且维持一定间距，然后使其在超临界氨中生长。这样，晶体生长期间的多晶产生得以最小化。堆叠缺陷主要是以金属条上的束形式存在，因此提供可用于装置的较大面积。

[0078] 本发明的技术描述

[0079] 在一实例中，本发明提供新III族氮化物衬底。衬底具有非极性或半极性表面，其上可形成诸如LED和/或LD等装置。衬底具有多个具有堆叠缺陷簇(束)的区域。衬底还具有在各簇之间不含堆叠缺陷束的开放区域，且这些区域足够大以使得可在不与堆叠缺陷束交叉的情况下形成诸如LED或LD等电子装置。优选地，开放区域具有相对较少的在那些区域中的堆叠缺陷，其中例如至少80％或至少90％的堆叠缺陷集簇在开放区域外部。因此，在开放区域中制造的LED或LD可具有优于在其它方面相同但不具堆叠缺陷束的比较衬底上制造的LED或LD的效率。

[0080] 图1显示本发明的一个III族氮化物衬底(11)的示意图。第一侧(11A)暴露非极性或半极性表面，且错切角小于+/-5度。错切有时是优选的以在外延生长后获得较高晶体质量和表面平滑。错切角可沿+c方向、-c方向或垂直于c方向的方向。晶体具有与第一侧相对的第二侧(11B)，其可暴露垂直于c轴对准的金属条。如图5D中所显示，衬底可具有暴露非极性/半极性平面的第二侧。在此情形下，金属条带包埋于衬底内部。在另一实例中，可完全移除金属部分，以使得仅非极性/半极性表面在第一侧和第二侧上暴露，且金属条带不存在于衬底中，如图2中所显示。在此情形下，堆叠缺陷束保留在衬底中，且间距大于1mm或优选地大于5mm。

[0081] 本发明的衬底对于实际装置制造足够大。由于堆叠缺陷在有限区域中成束，可用于装置制造的面积对于实际应用来说也足够。第一侧上的表面用于外延生长且通常被抛光以实现即开即用(epi-ready)条件。使用常规研磨、精研和化学机械抛光(CMP)来抛光表面。第二侧可被抛光或可不被抛光。衬底可为圆形、矩形、正方形、六角形或其它形状。另外，衬底可具有一或多个取向平面以鉴别结晶取向。由于用于制造衬底的各条内部的晶格弯曲，衬底可具有平面中的晶格弯曲，其在堆叠缺陷束处中断。根据应用，衬底可为导电的(n型或p型)或半绝缘的。

[0082] 在另一实例中，本发明提供形成本发明衬底的新方法。所述方法涉及放置III族氮化物片以使得各片的快速生长边缘跨过空隙面向彼此，和在面向彼此的快速生长边缘的一者而非另一者上生长III族氮化物以用III族氮化物填充空隙。所述方法还可包含使III族氮化物继续生长以使各片合并成单个衬底，和在由合并条形成的面上生长额外III族氮化物。可个别地掩蔽片边缘以防止在一或多个边缘上生长，或可掩蔽衬底且然后将其切割成多片以提供其上不生长III族氮化物的边缘。III族氮化物可通过氨热法(例如氨碱性或氨酸性法)生长，且优选地使用这些氨热法中的任一者将各片至少合并成单个衬底。额外III族氮化物可使用氨热法(碱性或酸性)在由合并片形成的面上生长，和/或额外III族氮化物可通过快速生长方法(例如气相外延(例如HVPE、MOCVD)、MBE、助熔剂法、高压溶液生长或溅射)在所述面上生长。

[0083] 本发明还提供具有经例如金属掩蔽的边缘以防止III族氮化物在所述边缘上生长的各片。经掩蔽边缘可在氨热法、尤其氨碱性法或氨酸性法中快速生长。这些片中的多个可用于实践本发明的方法。所述片可呈从衬底切割的条形式。

[0084] 图3A到3D显示本发明衬底的一种制造方法的一部分。首先制备晶种(31)。如果使用氨热法生长在晶种上生长III族氮化物块状晶体，那么晶种(31)优选地为III族氮化物。如果使用与异质衬底(例如蓝宝石、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)或硅(Si))相容的生长方法生长III族氮化物块状晶体，那么晶种(31)可为所述异质衬底。与异质衬底相容的生长方法的实例是氢化物气相外延(HVPE)、助熔剂法或高压溶液生长。在任一情形下，晶种应适于沿c轴方向生长III族氮化物且不引入堆叠缺陷。在III族氮化物晶种的情形下，可使用c-平面GaN或c-平面AlN。在异质衬底的情形下，可使用c-平面蓝宝石、c-平面SiC、(111)平面GaAs或(111)Si。

[0085] 如果使用氨热法生长来生长III族氮化物块状晶体，那么可用金属(32)掩蔽晶种的III族极性表面，以使得III族氮化物块状晶体主要在氮极性c-平面上生长(图3B)。例如，如果在氨热法中生长GaN块状晶体，那么优选地使用单晶GaN晶种。晶种的Ga面经金属覆盖，且块状GaN晶体生长于晶种的N面。如果使用其它生长方法，那么可在块状生长后掩蔽III族极性表面。图3C中所显示的(33)是III族极性表面经金属掩蔽的III族氮化物块状晶体。块状晶体可使用氨碱性溶液形成，其中将碱性矿化剂(例如钠、锂或酰胺钠)添加到氨中。

[0086] 金属优选地在超临界氨中稳定。所述金属的实例是钒、钒合金、镍、镍合金、银或银合金。为将金属置于III族极性c-平面上，可使用真空蒸发、溅射或电镀。掩模的厚度优选地介于0.05微米到1000微米之间。如果掩模过薄，那么其将在超临界氨中不稳定。如果掩模过厚，那么衬底中堆叠缺陷的数量可能增加。为避免金属剥离，可在III族极性表面与金属掩模之间使用诸如铬等粘合金属。

[0087] 切割金属掩模在其III族极性c-平面上的III族氮化物块状晶体以获得非极性/半极性晶片条(图3D)。优选地使用多线锯，这是因为其可在一个步骤中产生许多条。切割厚度优选地为约500微米，但其可更薄或更厚。切割块状晶体后，获得许多非极性/半极性晶片条。任选地将这些晶片在暴露的非极性/半极性平面上抛光。另外，可优选地在切割之前将氮极性c-平面抛光。这些抛光步骤将暴露其上将结晶III族氮化物的平滑表面。抛光有助于防止暴露表面上的多晶生长。

[0088] 在非极性平面(例如m{10-10}平面或a{11-20}平面)的情形下，条两侧的结晶学相同。然而，如果制造错切，那么一侧具有正错切角，而另一侧具有负错切角。类似地，如果沿半极性平面(例如{11-22}、{11-2-2}、{10-13}、{10-1-3}、{20-21}、{20-2-1}平面)切割块状晶体，那么一侧变成III族极性且另一侧变成氮极性。例如，(11-22)平面条具有背侧暴露(11-2-2)平面。产生多条后，应格外小心以免混合这些取向。通过这些步骤，获得多个具有暴露的氮极性c-平面以及非极性/半极性取向的III族氮化物条。

[0089] 这些条现固定于托架(例如框架)上，如图4A和4B中所显示。图4A是顶视图且图4B是侧视图。尽管在图中未显示，但所述条优选地经机械构件(例如螺丝、夹子、板或线)固定。这是因为氨热法生长环境反应性太高而不允许使用胶水或化学键。应格外小心地对准各条以使得每一条的结晶取向充分匹配。失准角优选地小于1度，更优选地小于0.1度。在此步骤后，仅暴露非极性/半极性平面(43)和氮极性c-平面(42)以供进一步晶体生长。

[0090] 托架或框架优选地由与氨热法生长环境相容的金属(例如钒、钒合金、镍、镍合金、银或银合金)制得。或者，托架或框架可由具有上文所列示的相容性金属的适当涂层或衬里的其它材料制得。另外，框架的形状可为六角形、圆形或其它形状。托架不必具有开口，而托架可为具有诸如扣子或把手等紧固件的适当大小和形状的空白板。在此情形下，仅暴露非极性/半极性平面的一侧。

[0091] 将固定于框架上的非极性/半极性条阵列装载于氨热法生长反应器中且实施晶体生长。在使用碱金属矿化剂(例如锂、酰胺钠和/或钠)的氨热法生长中，III族氮化物晶体主要在氮极性c-平面(42)上生长。此生长方向指示为箭头(51)。III族氮化物晶体还在暴露的非极性/半极性平面(43)上生长，其生长方向指示为箭头(52)。尤其，如果暴露平面或半极性平面，那么沿箭头(52)的生长速率与沿箭头(51)的生长速率相当。在m-平面的情形下，m-平面上的生长速率为约c-平面生长速率的1/10。

[0092] 在足够生长时间后，氮极性c-平面上的生长前沿到达邻近条的金属表面。这样，条阵列形成III族氮化物晶体片(53)，如图5B中所显示。聚结前沿通常引起诸如堆叠缺陷和错位等缺点。因此，堆叠缺陷存在于金属部分上方，形成束。视需要，可在晶体生长即将结束时通过使用高压泵将In添加到反应器中于衬底的主面上形成InGaN薄层。

[0093] 然后从框架移除晶体片(图5C)。在晶体(54)适当成型后，获得非极性/半极性III族氮化物衬底(55)，如图5D中所显示。任选地研磨衬底的第二侧(背侧)且精研以暴露金属条，如图5E中所显示。如果完全移除金属条部分，那么可获得图2中所显示的非极性/半极性III族氮化物衬底。

[0094] 实例1

[0095] 制备厚度为约450微米的c-平面GaN晶种。所述晶种具有六角形形状，且平面到平面尺寸为约50mm。晶种的侧壁为m-平面。使用金刚石浆液精研来抛光氮极性c-平面。最终精研步骤使用具有0.5微米平均大小的金刚石浆液。然后，使用电子束蒸发器用银涂布Ga极性c-平面。银层的厚度为约0.1微米。将此晶种装载于氨热法反应器中以在氮极性c-平面上生长块状GaN。通过使用常规氨热法生长使GaN块状晶体在约550℃下生长。常规氨热法生长的实例揭示于美国实用专利申请案第61/058,910号中，其颁布为美国专利第8,236,237号。这些专利中的每一者的全文皆以引用方式并入本文中，如同在下文中全文发布一般。

[0096] 生长后，使厚度为约5mm的GaN块状晶体在晶种的氮极性c-平面上生长。另外，晶体的横向大小增加约500微米。然后，用多线锯切割块状晶体。由于氮极性c-平面的原样生长表面具有一定粗糙度，将晶体安装于Ga极性c-平面上。使用670微米线距，获得厚度为约500微米的m-平面GaN条。错切角在+/-5度内。m-平面GaN条具有暴露的氮极性c-平面、m-平面和a-平面。用银掩模覆盖Ga极性c-平面。各条的宽度为约5mm。

[0097] 现用蜡将m-平面GaN条安装于精研基底上。安装六个条以使得一次性精研若干片的暴露m-平面。然后，以相同方式、然后通过CMP精研各条的另一侧。由于非极性/半极性平面显示不同于Ga极性c-平面上的CMP特征，调整抛光条件以获得m-平面的适当平滑的表面。

[0098] 然后，将六个条安装于由Ni-Cr高温合金制得的银涂布的框架上。在此实例中，用银涂布框架的整个暴露表面；然而，框架可具有高达约10％的未经涂布部分，只要将GaN沉积在框架上不会扰乱条上的晶体生长即可。用夹固板和螺丝安装各条。框架具有导槽，以使得条的金属侧对准槽。这样，维持条的失准小于1度或更优选地0.1度。条的精研和CMP工艺还有助于提供均匀的条厚度，因此有助于夹固工作。各条的间距为约5mm，即氮极性c-平面到邻近条的金属之间的距离为约5mm。

[0099] 将各条安装于框架上后，将其装载到氨热法反应器中。与块状GaN生长相似，使GaN在氮极性c-平面上生长直到其到达邻近片的金属表面。在此c-平面生长期间，并未重新引入堆叠缺陷。然而，在聚结时引入堆叠缺陷。因此，大于90％的堆叠缺陷存在于金属区域上，形成束。利用此配置，堆叠缺陷束的间隔约10mm。在氮极性c-平面上生长约5mm后，沿m-平面的生长厚度为约500微米。GaN晶体片沿m方向总厚度变成约1.5mm。

[0100] 从框架移除GaN晶体片后，使晶体片成型为圆形且研磨片背侧(第二侧)以移除金属掩模，留下直径为2"且厚度为450微米的m-平面GaN衬底。然后，对衬底的第一侧进行精研和抛光。

[0101] 实例2

[0102] 沿半极性(10-1-2)平面以小于+/-4度的错切角切割实例1中的块状GaN，代替沿m-平面切割。遵循实例1中的相似步骤，制造半极性(10-1-2)GaN衬底。

[0103] 实例3

[0104] 与实例1相似，制造GaN晶体片且从框架移除。然后，通过使用线锯，将片切割成半以制造两个m-平面GaN衬底。研磨暴露金属的表面以移除金属部分，且然后对另一侧进行精研和抛光以制造两个m-平面GaN衬底。

[0105] 实例4

[0106] 在此实例中使用HVPE代替使用氨热法制造块状GaN晶体。使用c-平面蓝宝石作为晶种。在约1000℃下在其间具有适宜缓冲层的HVPE反应器中在c-平面蓝宝石上生长C-平面GaN层。HVPE生长反应器的一个实例参见美国专利第8,764,903B2号。在蓝宝石上生长约5mm厚的GaN后，将其从HVPE反应器移除。然后，通过研磨移除蓝宝石。历经约2小时移除约450微米的蓝宝石晶种。另外，利用研磨、然后通过在其上溅射银将原样生长的Ga极性c-平面的粗糙表面平面化。银的厚度为约0.5微米。对氮极性c-平面进行精研和抛光以获得即开即用表面。此后，用线锯切割在Ga极性表面上具有金属掩模的块状GaN晶体，且与实例1中的步骤相似，获得m-平面GaN衬底。

[0107] 优点和改良

[0108] 本发明的非极性/半极性III族氮化物衬底通过限制堆叠缺陷的数量和位置提供可用于装置的大面积。通过使用氮极性c-平面上的III族氮化物的氨热法生长，多个非极性/半极性条聚结且不在聚结前沿形成多晶。另外，此方案不会引入堆叠缺陷直到氮极性c-平面到达邻近条的金属。本发明的非极性/半极性III族氮化物衬底使得能够制造具有较长发射波长的发光装置和具有不同于c-平面GaN上的特征的其它装置。

[0109] 可能的修改

[0110] 尽管所述实例描述GaN晶体，但可对多种组成的其它III族氮化物合金(例如AlN、AlGaN、InN、InGaN或GaAlInN)预期本发明的相似益处。

[0111] 尽管优选实施例将氨热法生长和HVPE描述为块状生长方法，但可使用其它方法，例如助熔剂方法或高压溶液生长。

[0112] 尽管优选实施例描述非极性/半极性条的间距为5mm，但可选择其它尺寸，只要发生聚结即可。例如，如果块状晶体的厚度为约0.5mm，且间距为0.5mm，那么在聚结后，堆叠缺陷束的间距变成约1mm。同样，具有2.5mm间距的2.5mm宽的条将制造5mm的堆叠缺陷束间隔。另外，宽度和间距可为不同值，例如2mm宽的条具有5mm间距。

[0113] 尽管优选实施例描述直径为2"的衬底，但对于更大直径(例如4"、6”和更大)预期本发明的相似益处。

[0114] 尽管优选实施例描述0.1微米或0.5微米的金属厚度，但可选择其它厚度，只要金属作为稳定掩模工作即可。例如，如果使用银电镀，那么厚度为约1微米或更大。

[0115] 尽管优选实施例描述m-平面和(10-1-2)平面衬底，但对任何非极性、半极性平面(包括a{11-20}、{11-22}、{11-2-2}、{10-13}、{10-1-3}、{20-21}、{20-2-1}平面)预期本发明的相似益处。

[0116] 尽管所述实例描述研磨器来移除蓝宝石晶种，但可使用激光剥离或其它方法来移除晶种。

[0117] 下文是工艺、机器、制品和/或物质组合物的多个实例，其说明所主张本发明的某些实施例，但不限制其范畴：

[0118] 1.一种结晶III族氮化物衬底，其包含

[0119] (a)第一侧，其暴露III族氮化物的非极性或半极性平面；

[0120] (b)与第一侧相对的第二侧，其暴露III族氮化物的非极性或半极性平面；

[0121] (c)堆叠缺陷束，其垂直于c轴且间隔大于1mm。

[0122] 2.如段落1的III族氮化物衬底，其中间隔大于5mm。

[0123] 3.如段落1或段落2的III族氮化物衬底，其中堆叠缺陷束的宽度介于0.05微米与1000微米之间。

[0124] 4.如段落1-3中任一者的III族氮化物衬底，其中各束是线性的。

[0125] 5.一种III族氮化物衬底，其包含

[0126] (a)第一侧，其暴露III族氮化物的非极性或半极性平面；

[0127] (b)第二侧，其与第一侧相对且含有多个埋藏于第二侧的III族氮化物中的金属条带，且其中多个条带的方向垂直于III族氮化物的c轴。

[0128] 6.如段落5的III族氮化物衬底，其中第二侧具有暴露的非极性或半极性平面。

[0129] 7.如段落6的III族氮化物衬底，其中金属条带是线性的。

[0130] 8.如段落1到7中任一者的III族氮化物衬底，其中第一侧经抛光以获得适于III族氮化物的外延生长的表面。

[0131] 9.如段落1到8中任一者的III族氮化物衬底，其中第一侧选自非极性m{10-10}平面或a{11-20}平面且错切角小于+/-5度。

[0132] 10.如段落1到8中任一者的III族氮化物衬底，其中第一侧选自半极性{11-22}、{11-2-2}、{10-13}、{10-1-3}、{20-21}、{20-2-1}平面且错切角小于+/-5度。

[0133] 11.如段落5到10中任一者的III族氮化物衬底，其中金属是钒或含钒合金。

[0134] 12.如段落5到10中任一者的III族氮化物衬底，其中金属选自镍或含镍合金。

[0135] 13.如段落5到10中任一者的III族氮化物衬底，其中金属是银或含银合金。

[0136] 14.如段落5到13中任一者的III族氮化物衬底，其中金属条带的宽度介于0.05微米与1000微米之间。

[0137] 15.如段落5到14中任一者的III族氮化物衬底，其中邻近条带之间的间距大于1mm。

[0138] 16.如段落15的III族氮化物衬底，其中邻近条带之间的间距大于5mm。

[0139] 17.如段落5到16中任一者的III族氮化物衬底，其中大于90％的III族氮化物堆叠缺陷存在于金属条带区域上。

[0140] 18.如段落1到17中任一者的III族氮化物衬底，其中III族氮化物是GaN。

[0141] 19.多个III族氮化物条，其在每一条的第一长边缘上具有金属涂层且在每一条的第二长边缘上不具金属涂层。

[0142] 20.如段落19的多个条，其中所述第一边缘的晶体平面是III族极性c-平面且所述第二边缘是氮极性c-平面。

[0143] 21.如段落19或20的多个条，其中III族氮化物条的III族氮化物材料含有矿化剂。

[0144] 22.一种片，其包含合并在一起的段落19-21中任一者中的所述多者的第一条和第二条，其中额外III族氮化物在第一条的第二长边缘上，使得新III族氮化物接触第二条的第一长边缘上的金属涂层。

[0145] 23.一种制造非极性或半极性III族氮化物衬底的方法，其包含

[0146] (a)定位具有第一面的第一III族氮化物片与第二III族氮化物片具有一定距离，以使得各片的快速生长边缘跨越空隙面向彼此，和

[0147] (b)在面向彼此的快速生长边缘中的一者而非另一者上生长III族氮化物以用III族氮化物填充空隙。

[0148] 24.如段落23的方法，其中所述方法进一步包含使III族氮化物继续生长以使各片合并成单个衬底，和在由合并片形成的面上生长额外III族氮化物。

[0149] 25.如段落23或段落24的方法，其中第一和第二III族氮化物片是由经切割以形成所述第一和第二III族氮化物片的经掩蔽衬底形成。

[0150] 26.如段落25的方法，其中衬底在III族极性c-平面上经掩蔽。

[0151] 27.如段落25或段落26的方法，其中掩模是金属覆盖物。

[0152] 28.如段落23-27中任一者的方法，其中各片是通过氨热法形成。

[0153] 29.如段落中23-28任一者的方法，其中在快速生长边缘的一者而非另一者上生长III族氮化物的动作是通过氨热法来执行。

[0154] 30.如段落29的方法，其中氨热法是氨碱性法。

[0155] 31.如段落23-30中任一者的方法，其中第一和第二III族氮化物片是通过沿非极性或半极性平面切割III族氮化物块状晶体以获得多个III族氮化物晶体条而形成，其中块状晶体具有至少0.5mm的厚度且在块状晶体的III族极性c-平面表面上具有金属覆盖物，且其中金属覆盖物覆盖每一条的III族极性c-平面表面。

[0156] 32.如段落23-31中任一者的方法，其中使第一片和第二片对准以保持相同结晶取向面向相同方向并固定到框架且各片之间具有间距，以使得暴露至少非极性或半极性平面和氮极性c-平面。

[0157] 33.如段落23-32中任一者的方法，其中生长III族氮化物的动作是在超临界氨中执行，以使得在氮极性c-平面上的生长填充所述间距以合并各片并形成III族氮化物衬底。

[0158] 34.如段落31的方法，其中具有其金属覆盖物的III族氮化物块状晶体是通过在c-平面晶种上生长块状晶体和随后用金属覆盖物覆盖晶体的III族极性c-平面表面来形成。

[0159] 35.如段落31的方法，其中具有其金属覆盖物的III族氮化物块状晶体是通过在c-平面晶种上生长III族氮化物块状晶体来形成，所述c-平面晶种的III族极性c-平面已经金属覆盖。

[0160] 36.如段落23到35中任一者的方法，其中生长III族氮化物的动作还在暴露的非极性或半极性平面上生长III族氮化物。

[0161] 37.如段落25到36中任一者的方法，其中III族极性表面的掩模或覆盖物选自钒、含钒合金、镍、含镍合金、银或含银合金。

[0162] 38.如段落32到37中任一者的方法，其中框架是由在超临界氨中稳定且抑制III族氮化物沉积于其上的金属制得。

[0163] 39.如段落38的方法，其中框架的大于约90％的暴露表面经金属覆盖，且金属选自钒、含钒合金、镍、含镍合金、银或含银合金。

[0164] 40.如段落23到39中任一者的方法，其中氮极性c-平面在段落23的步骤(b)之前被抛光。

[0165] 41.如段落23到40中任一者的方法，其中非极性或半极性平面在步骤(b)之前被抛光。

[0166] 42.如段落25到41中任一者的方法，其进一步包含研磨步骤以移除含有掩模或金属覆盖物的片部分。

[0167] 43.如段落23到42中任一者的方法，其进一步包含切割步骤以将III族氮化物晶体衬底切割成两个或更多个非极性/半极性III族氮化物衬底。

[0168] 44.一种制造非极性/半极性III族氮化物衬底的方法，其包含

[0169] (a)在c-平面晶种上生长厚度大于0.5mm的III族氮化物块状晶体；

[0170] (b)用金属覆盖块状晶体的III族极性c-平面表面；

[0171] (c)沿非极性/半极性平面切割III族氮化物块状晶体以获得多个III族氮化物晶体条，其中金属覆盖III族极性表面；

[0172] (d)通过保持相同结晶取向面向相同方向将切割的条对准并固定于框架上且各条之间具有间距，以使得暴露至少非极性/半极性平面和氮极性c-平面；

[0173] (e)在超临界氨中生长III族氮化物，以使得在氮极性c-平面上的生长填充所述间距以形成III族氮化物晶体片。

[0174] 45.一种制造非极性/半极性III族氮化物衬底的方法，其包含

[0175] (a)制备III族氮化物的c-平面晶种，且用金属覆盖III族极性c-平面表面；

[0176] (b)在超临界氨中在晶种的氮极性c-平面上生长厚度大于0.5mm的III族氮化物块状晶体；

[0177] (c)沿非极性/半极性平面切割III族氮化物块状晶体以获得多个III族氮化物晶体条，其中金属覆盖III族极性表面；

[0178] (d)通过保持相同结晶取向面向相同方向将切割的条对准并固定于框架上且各条之间具有间距，以使得暴露至少非极性/半极性平面和氮极性c-平面；

[0179] (e)在超临界氨中生长III族氮化物，以使得在氮极性c-平面上的生长填充所述间距以形成III族氮化物晶体片。

[0180] 46.如段落44或段落45的制造非极性/半极性III族氮化物衬底的方法，其中在步骤(e)中III族氮化物还在暴露的非极性/半极性平面上生长。

[0181] 47.如段落44到46中任一者的制造非极性/半极性III族氮化物衬底的方法，其中覆盖III族极性表面的金属选自钒、含钒合金、镍、含镍合金、银或含银合金。

[0182] 48.如段落44到47中任一者的制造非极性/半极性III族氮化物衬底的方法，其中框架是由在超临界氨中稳定且抑制III族氮化物沉积于其上的金属制得。

[0183] 49.如段落44到47中任一者的制造非极性/半极性III族氮化物衬底的方法，其中框架的大于约90％的暴露表面是钒、含钒合金、镍、含镍合金、银或含银合金。

[0184] 50.如段落44到49中任一者的制造非极性/半极性III族氮化物衬底的方法，其中氮极性c-平面在步骤(d)之前被抛光。

[0185] 51.如段落44到50中任一者的制造非极性/半极性III族氮化物衬底的方法，其中非极性/半极性平面在步骤(d)之前被抛光。

[0186] 52.如段落44到51中任一者的制造非极性/半极性III族氮化物衬底的方法，其进一步包含研磨步骤以移除III族氮化物晶体片的金属部分。

[0187] 53.如段落44到51中任一者的制造非极性/半极性III族氮化物衬底的方法，其进一步包含切割步骤以将III族氮化物晶体片切割成两个或更多个非极性/半极性III族氮化物衬底。

[0188] 所属领域技术人员可认识到如本文所揭示的这些和其它实施例的变化形式，且这些变化形式也在本文所揭示本发明的范畴内。因此，权利要求书将给予宽松的诠释，此与本文所揭示新技术和原理的揭示内容一致。