CN101006548A - 制备高质量化合物半导体材料的沉积技术 - Google Patents

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Abstract

通过利用特殊的氢化物气相外延沉积法可以有利地获得沉积层。在此方法中，具有延长的扩散层、均匀化隔膜、侧壁气体清除器，以及独立的气体和衬底加热器的立式生长装置结构被用于Ⅲ－Ⅴ和Ⅵ化合物半导体的沉积。气流均匀地混合通过延长的扩散层并被引导从而使其接触衬底的整个表面，以生成高质量和均匀的膜。这种气流结构的例子是衬底的位置在自气体出口的一定距离，所述距离允许延长的扩散层以及隔膜放置在使对流效应的影响降至最低并提高均匀性的自衬底上方的近距离。此对称结果使得从单晶片容易扩大到多晶片系统。此立式结构允许在不同的反应气体前驱体之间快速转换，从而可以采用时间调节生长和蚀刻法以进一步最小化沉积材料的缺陷密度。

Description

制备高质量化合物半导体材料的沉积技术
发明背景
1.发明领域
本发明涉及材料沉积。更具体地说，本发明涉及材料的氢化物气相外延(HVPE)沉积，其采用具有延长的扩散和时间调节生长过程的立式生长装置，用于IV和III-V族半导体和它们的合金的生长。
2.现有技术描述
已经发展了许多方法用于在衬底上沉积材料，如半导体材料。一种这样的方法涉及了利用前驱体气体，即一种气体，其当与衬底接触时发生改变，如发生化学反应产生沉积层。通常来说，在这些气相沉积方法中，气流和其与衬底的空间关系要被仔细控制。例如，在化学气相沉积(CVD)或氢化物气相外延(HVPE)法中最普遍采用的空间结构，如图1所示，在水平容器1的一端形成气流，衬底3放置在容器内，以及气流沿箭头2的方向形成，该方向平行于衬底3的主表面。这种水平式反应器存在许多缺陷。主要的缺陷在于难以同时获得气体利用的高效率和良好的生长均匀性。通常来说，旋转衬底的均匀性δ可以由平衡式被近似获得：
δ＝η(1-2/π)/(1-η)，这里η是气体利用的效率。
这意味着，若均匀性好于3％，则沉积效率会小于10％。对称性和相关的流动动力学使得生长过程难以控制，还使得反应器难以扩大。
在立式CVD和HVPE法中采用的如图2所示的可替换的结构，气流方向2通常垂直于衬底3的主表面。第一种结构，即水平式结构是最普遍使用的，这是因为其在前驱体气流中引入了最少的扰动。然而，当期望使由反应器内相应的轴向温度梯度引入的跨衬底的温度梯度最小化时，有时会采用后一种结构。传统的立式管HVPE反应器的缺点包括控制生长均匀性的困难，这是由于其简单的柱形管结构，以及由于难以在反应器壁和衬底之间获得受控的温度差而在反应器上产生大量的寄生沉积。
另一种具有改进的均匀性的立式生长装置的结构是如图3所示的用于在衬底的表面形成材料层的“喷头(shower head)”立式CVD工艺，其中喷头22引导气流接触衬底3，该衬底3具有衬底加热器11。此结构的特征在于：(1)衬底3的表面离喷头引导表面的平均距离小于衬底有效半径的1/4，(2)这种引导表面被界定成沿着喷头所有可利用的表面具有直径为衬底有效半径的1/10的不可压缩的虚球以及(3)当需要沉积时，至少百分之50的接触衬底的气流在其切割与衬底的周边相切并垂直于衬底表面的平面之前，最初接触衬底表面的内部点。
这种喷头结构的主要缺陷是：由于喷头和衬底接近而在反应器头和壁上产生寄生沉积，以及难于在反应器壁和衬底之间获得温度差。
可提到的现有技术有：US6176925；US6177292；US6179913；US6350666；US5980632；US6086673；US4574093；以及“晶体生长手册(Handbook of Crystal Growth)”，vol.3，由D.T.J.Hurle编著，ElsevierScience 1994。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种用于在衬底表面上形成材料层的化学气相沉积法，包括使用柱形立式氢化物气相外延(HVPE)生长反应器，其具有延长的扩散层、均匀化隔膜、独立的侧壁气体加热器和衬底加热器、柱形侧壁气体清除管道和柱形侧壁气体出口缝。
根据本发明的另一方面，提供一种用于在衬底表面上形成材料层的化学气相沉积装置，包括柱形立式氢化物气相外延(HVPE)生长反应器，其具有延长的扩散层、均匀化隔膜、独立的侧壁气体加热器和衬底加热器、柱形侧壁气体清除管道和柱形侧壁气体出口缝。
材料层可以包括III-V和VI族材料。
沉积在所述衬底的所述表面上的材料层由时间调节生长法提供，允许在用于受控的生长模式(横向或垂直)和沉积材料的原位蚀刻和退火的不同反应气体间的转换。
所述生长反应器使用方向相对的流动几何形状。
所述隔膜的直径接近衬底的有效直径。
所述生长反应器具有混合室和混合板以增强沉积均匀性。
所述延长的扩散层的长度大于所述衬底的所述有效直径。
所述生长反应器可以具有原位气体前驱体合成区域。
所述气体加热器包括多区加热系统。
所述衬底可以包括一构件，其包括选自下面一组的材料，所述组包括蓝宝石、碳化硅、硅、GaAs、涂覆GaN的蓝宝石、GaN、AlN、ZnO、NdGaO3、MgAl2O4、LiAlO2和LiGaO2。
所述生长反应器可以由石英、蓝宝石、氮化硼、氮化铝、碳化硅、涂覆碳化硅的石墨和不锈钢中的至少一种形成。
所述生长反应器中的衬底利用气体清除或发动机旋转。
这种混合板具有直径小于所述衬底的所述有效直径的1/20的洞。
这种混合板由石英、蓝宝石、氮化硼、氮化铝、碳化硅和涂覆碳化硅的石墨中的至少一种形成。
通过使用特定的立式生长装置结构和延长的扩散的气流，在系统内可以形成具有优异组分均匀性和厚度均匀性，以及沉积效率的沉积层，该系统适用于许多用途，包括迅速生产自由站立(free standing)的III-氮化物厚衬底。优点包括：不存在薄层反应器区域，提供了对主反应器结构以及其环境不敏感的外延生长；(2)缩短了混合区，具有2-4倍的改善的生长效率；(3)易于扩大到高生产量的多晶片或更大直径的衬底；(4)基于闭式循环方法循环利用气体以减少试剂气体的消耗。特别适合于这种立式生长装置的时间调节生长和蚀刻方法可以被采用以进一步将沉积材料的缺陷密度降至最低。
立式生长装置结构的主要特点是：反应室的延长的扩散层设计、均匀化的气流隔膜、侧壁气体清除以及独立的热壁气体加热器和衬底加热器。将被描述的满足这些标准的结构的例子包括一反应器结构，其具有延长的扩散层，用于输入和输出气体的方向相对的流动几何结构、均匀化隔膜、侧壁气体清除以及独立的热壁和衬底加热器(图4)；类似于图4的反应器结构，但具有内部的气体前驱体合成室(图5)；类似于图4的反应器结构，但没有反向流(图6)；具有用于均匀化输入气流的气体混合装置和具有侧壁惰性气体清除以最小化寄生生长的反应器(图8和9)；以及类似于图4的反应器，但具有改进的隔膜(图7)。
此设计的本意如下。衬底不与气流直接接触，以及在延长的扩散层内的通过扩散过程进行化学交换，具有在柱形的出口缝和反应室的底部之间形成的几乎静止的气体层。具有临界内径接近于衬底尺寸的的隔膜允许延长的扩散层来增强试剂气体使用的效率并获得良好的生长均匀性，这是由试剂的扩散输运到衬底产生的。所述隔膜还避免了热气体对流到气体出口，以及使气体出口上的寄生生长最小化，侧壁气体清除使沿着侧壁接近衬底的寄生生长最小化。
此外，底部衬底加热器允许控制衬底和反应器壁之间的温度差，这样进一步抑制反应器壁上的寄生生长。此加热器还控制沉积膜的冷却速率，从而使反应器生长石英管和衬底的应力以及裂化降到最小。
此结构的柱形对称提供了生长过程的易控性和模型化，以及易于扩大到多晶生产系统。
在优选的实施方案中，可以采用具有带孔的或石英玻璃料底板和洞的额外的混合室，所述洞的直径为衬底尺寸的1/50，以进一步增强气体混合和沉积均匀性。气流被调整以使所述室内气体所产生的压力和生长室是相适合的。另外，可采用辅助气流或发动机以在沉积过程中引起衬底旋转，这样以进一步增强沉积层的均匀性。采用这种额外混合室的实施方案，气体混合区域的尺寸和延长的区域在从单晶片扩大到多晶片系统时保持相似的尺寸。
在另一优选的实施方案中，此系统可以安装有夹持到反应器顶部的衬底，该反应器具有向上流动的输入反应气体。
利用原位干涉仪或反射率监视器，可以主动控制生长和回蚀过程。可以采用时间调节生长和回蚀技术以降低所沉积的材料的缺陷密度。
附图简述
在附图中：
图1是具有水平式几何形状气流的HVPE反应器的示意图；
图2是具有立式几何形状气流的现有技术的HVPE反应器的示意图；
图3是具有紧密喷头的CVD反应器的示意图；
图4是使用在本发明中的立式HVPE反应器的示意图；
图5是类似于图4中的立式HVPE反应器，但具有原位气体前驱体合成室的立式HVPE反应器的示意图；
图6是类似于图4中的立式HVPE反应器，除过没有气体反向流的立式HVPE反应器的示意图；
图7是类似于图4中的立式HVPE反应器，但具有改进的气体均匀化隔膜结构的立式HVPE反应器的示意图；
图8是具有带孔的或石英玻璃料混合板的立式HVPE反应器的示意图；
图9是类似于图8中的立式HVPE反应器，但具有原位气体前驱体合成室的立式HVPE反应器的示意图；
图10显示了GaCl气体分布与自用于单个2英寸晶片系统的气体出口的距离的相关性；
图11显示了GaCl气体分布与自用于七个2英寸晶片系统的气体出口的距离的相关性；
图12显示了气体出口相对于衬底的高度以及出口洞的尺寸We对沉积的GaN的均匀性和沉积效率的影响；
图13显示了隔膜的宽度Win对沉积的GaN的均匀性的影响；
图14显示了洞的尺寸对沉积的GaN的均匀性的影响；以及
图15显示了跨2英寸晶片沉积的GaN的好于1％的均匀性，与好于50％的效率。
详细说明
本发明提供的生长工艺可以被用于ITI-V氮化物化合物族，通式为InxGyAl1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，以及0≤x+y≤1，或其它合适的半导体氮化物。下面的讨论将主要突出GaN作为根据本发明制备的外延ITI-V氮化物层的实施例，但应该理解本发明并不限制于特定的氮化物的制备。
GaN的氢化物气相外延(HVPE)，还称作氯化物输运化学气相沉积是相对已充分建立的方法，其基于III族和V族元素到生长反应器的沉积区的气体输运。事实上，Maruska和Tietjen(1969)采用这种方法第一次在蓝宝石上生长出了高质量的GaN。此技术中，Cl用于输运III族物质，取代了MOCVD技术中的金属有机源。这具有明显的优势，因为相比MOCVD或MBE法(≤2μr/hr)，采用此技术可以获得高生长率(达到100μm/hr)。与基于非平衡的冷壁反应器技术的MOCVD相比，HVPE是采用了热壁反应器的基于可逆平衡的方法。典型的生长过程如下。蓝宝石、碳化硅、氧化锌或其它适宜的衬底插入进生长室的沉积区，并加热。当达到最终的生长温度时，启动NH3流。在允许NH3浓度达到稳态值的时期后，HCl流开始输运氯化镓(GaCl)，该氯化镓通过反应：2HCl(g)+2Ga(1)→2GaCl(g)+H2(g)，在800-900℃在Ga区由HCl气体与液态Ga金属反应合成。另一种合成法是通过氯气与Ga金属在约125℃反应。然后，气态GaCl从Ga区输运到沉积区以通过反应：2GaCl(g)+NH3(g)→2GaN(s)+2HCl(g)+H2(g)，在900-1200℃与NH3反应生成GaN。按照此方法沉积的GaN层的厚度，GaN可以达到800μm。HVPE生长法的另一个优势是：混合位错的相互湮没降低了厚GaN的缺陷密度。这些特征使得HVPE成为以低成本制造自由站立(free standing)的GaN和AlN衬底的理想技术。
然而，传统HVPE系统存在一些固有的问题。这些问题包括：传统HVPE反应器内的NH4Cl的寄生沉积；气体出口和靠近衬底的侧壁上的GaN的寄生沉积；差的均匀性；以及差的调整为多晶片系统。
图4到9示意性地显示了实施本发明实施例的立式反应器，其用于解决这些多种问题，以低缺陷密度、最小化的寄生生长以及提高的沉积效率和均匀性，成功实施了ITI-V氮化物例如GaN的HVPE外延层生长过程。
实施本发明实施例的立式HVPE反应器的主要设计如图4所示，其具有用于GaN膜生长的延长的扩散层。所述反应器具有柱形的生长室1，两组相对向的试剂气体流(HCL、GaCl、NH3掺杂剂气体和H2和N2气体(2、5和6)的混合物的输入流以及HCL、GaCl、NH3、H2和N2气体8的输出流)；衬底3；侧壁气体加热器4；底部衬底加热器11；均匀化隔膜9；柱形侧壁气体排除管道7；以及柱形侧壁气体出口缝10。图5显示了类似于图4的另一种立式HVPE反应器，但其具有额外的气体前驱体合成区域21。图6显示了类似于图4的反应器样式的另一个实施方案，但其具有改变的隔膜9。
外部气体加热器可以是单区域、两区域或三区域加热系统。反应器可以具有额外的前驱体合成室，用于如在图5的结构中生成气体前驱体。
主生长室1可以由石英、蓝宝石、碳化硅或涂覆碳化硅的材料形成。管组件构造成电阻加热的立式炉管。如图5所示的反应器提供了三个不同的区域，即前驱体区域21、气体混合区域12和13以及沉积区域15。这种结构，用于GaN生长反应的Ga前驱体在位于气体混合室的上游的前驱体合成区域21被原位合成，然后合成的前驱体扩散进入所述气体混合室并通过延长的扩散距离和均匀化隔膜9均匀化。电阻加热结构是两区加热器，是受到控制的从而两个室可以保持在基本上不同的温度，由此使前驱体合成和生长过程同时进行。第一区加热器为800到900℃，位于区域12之上。第二区加热器覆盖了区域12和13，具有约1000到1300℃的温度。独立的衬底加热器11允许衬底的温度以受控的方式被编程，用于最优化生长和冷却。GaN的生长温度约900到1100℃。衬底加热器11可以是电阻加热器或RF加热器。额外的气体排除或发动机使衬底3能够在生长过程中旋转以提高均匀性。
获得更高沉积效率和均匀性的其中一个标准是：衬底3保持距离远离直接接触气流2、5和6，以及在延长的扩散区域13和15内经扩散过程，发生化学交换，区域15为在柱形出口缝和反应室底部之间形成的几乎静止的气体层。
GaCl的分布是获得高度均匀沉积的主要因素，这是因为其具有小的扩散系数。气体加热器温度约860℃和衬底温度为1000℃，室的压强为1atm，每分钟4标准升的总热气流以及V/III比为10，可以从图10看到，延长的扩散层反应室允许在用于单晶片系统的衬底附近获得良好均匀性的GaCl浓度。可以从图11看出，气体混合区域12和延长的扩散区域13和15的尺寸需要增加以匹配安装的衬底的总尺寸，以便在用于七晶片系统的衬底附近获得良好均匀性的GaCl浓度。
柱形立式HVPE反应器设计可易于调整以获得高沉积效率和均匀性。通过改变区域14处的出口缝的宽度(We)，区域13和15的扩散层厚度(L1，L2)，隔膜尺寸(Win)和隔膜9的位置，可以获得气体利用的效率和生长均匀性之间的平衡。图12示出扩散层厚度和气体出口缝的直径对沉积均匀性和效率的影响。在L2＝0.5cm和We＝0.2cm的情况下，可以获得跨2英寸晶片从边缘到边缘的超过2％的沉积均匀性和约60％的沉积效率。图13显示了GaN的沉积均匀性对均匀化隔膜的直径的依赖关系。若L2＝0.5cm，We＝0.2cm以及Win＝5cm，可以获得从边缘到边缘的超过2％的沉积均匀性。
衬底加热器11允许控制衬底和反应器之间的温度差，因此抑制GaN在反应器壁上的寄生沉积，且还允许生长后控制冷却以降低沉积膜和反应器管的应力。侧壁气体排除管道7进一步降低了GaN和NH4Cl在侧壁和出口缝上的寄生沉积。
另一种用于实施本发明实施例的立式HVPE反应器的主要设计在图8显示。带孔的或石英玻璃料混合板18被包括以进一步改进沉积均匀性。所述反应器的主要部分是立式柱形反应器室1，其具有垂直的试剂气体流(输入流2、5和6)，衬底3，侧壁气体加热器4，底部衬底加热器11，延长的扩散层13和15(L1和L2)，带孔的或石英玻璃料混合板18，输入流均匀化隔膜9，柱形侧壁气体排除管道7以及侧壁气体出口缝10。图14显示了在2英寸衬底上的所沉积的GaN的表面分布图，所述衬底基于图3所示的现有技术的紧密喷头，其气体出口和衬底距离小于衬底有效半径的1/4以及带孔的洞约2cm。可以清楚地观察到非常不均匀的膜厚度变化。然而，使用根据图8的反应器，可以获得跨2英寸晶片上沉积的GaN膜的超过2％的沉积均匀性和超过50％的生长效率(图15)。
图9的反应器具有类似于图8的反应器的主要特征，但其具有上游气体前驱体合成区域21。
图8和9中的主要的柱形管可以由不锈钢形成，用于HCl和GaCl输运的气体输运管由石英、蓝宝石或碳化硅形成。用N2和/或H2稀释的GaCl通过气体入口6注入。用N2和/或H2稀释的额外的HCl通过气体入口2注入，其还用于安装原位生长监视器(干涉仪或反射分光光度计)。这额外的HCl提供进一步的手段以减少在板18的气体出口上的寄生沉积，以通过Cl导致的表面扩散机理提高沉积率，以及提供在时间调节生长过程期间选择性地回蚀沉积的GaN膜的手段。气体入口2还可以用于注入搀杂物气体如分别用于n-型和p-型掺杂的硅烷和Mg蒸汽。稀释的NH3会通过气体入口6注入压力平衡室16。NH3的低腐蚀性的特性允许使用不锈钢容器输运此气体。NH3和GaCl在混合室17内混合。外部的立式管气体加热器将外部气体前驱体保持在约350-500℃的温度(图8)，外部的立式管气体加热器将原位气体前驱体合成室保持在约800-900℃的温度(图9)。外部的立式管气体加热器还可以被设计成具有两个加热区，正好位于区域12上方的第一气体加热区具有约800-900℃的温度，以及第二加热区覆盖区域12和13，具有比生长温度高50-100℃的温度，以避免由于在上游引入额外的H2而在侧壁上形成GaN的寄生沉积。板18是可拆卸的装置，且可以由石英、蓝宝石、氮化硼或碳化硅，其具有洞，洞的直径小于衬底直径的1/20。由碳化硅或氮化硼形成的可拆卸的柱形衬垫插入物用于保护在区域12、13、14和15的不锈钢室1，侧壁排除气体对室增加了进一步的保护。隔膜9也是可拆卸的和易于调整的部件，其可由石英、蓝宝石、碳化硅、氮化铝或氮化硼形成。隔膜的位置和直径，衬底的位置、气体出口缝的位置和直径都是可调整的以根据流动速率、压力、温度和气体种类最优化生长效率和均匀性。生长过程中的衬底温度维持在约900-1200℃。图8和9示出的实施方案的另一个优势是：通过混合板18和第二气体混合区12所获得的反应气体变化的较快的转化时间。混合板的设计还允许了第二气体混合区12的尺寸从单晶片扩大到多晶片系统过程中保持不变。若没有此混合板18，那么在系统扩大过程中需要额外的长度以允许气体扩散以覆盖较大的有效衬底面积。
HVPE法中生长温度是相当高的(～1000℃)，因此生长厚GaN膜的一个主要问题是裂化和晶格缺陷，这是由于使用了异质衬底，如蓝宝石(因此，在GaN层和衬底之间晶格常数和热膨胀系数失配)。目前解决此问题采用的方法是所称的横向外延过生长(ELOG)。然而，因为这种方法需要MOCVD的GaN模板以及额外的昂贵的预生长的三个步骤(SiO2沉积、光刻术和蚀刻)，所以昂贵。在本发明的实施例中采用的生长方法被称为时间调节生长法(TIMG)。该方法基于如图4到9所示的柱形立式HVPE结构的独特特征，其允许用于可控的生长模式(controlled growthmode)(横向或垂直)和GaN的原位蚀刻的不同反应气体之间的快速转换。此方法中，反应物气体的流动依次开启(NH3和GaCl开启)和关掉(GaCl关掉，HCl开启)，分别用于生长模式或蚀刻模式。在此过程中，在最初的生长层内，大量的缺陷可以被抑制。由于垂直和横向蚀刻率的差异，在生长暂停过程中的蚀刻和退火导致GaN的表面重构以及GaN膜内的应变和应力松弛。在立式HVPE反应器内部进行的整个GaN生长过程可以施行TIMG，且不需要昂贵的技术步骤。同时，使用变薄的和机械弱化的蓝宝石衬底导致了衬底的裂化，而不是沉积的GaN外延层的裂化。
参考以下的实施例将更充分理解本发明。
实施例1
直径约2英寸的c-面方向的蓝宝石衬底装载到根据图4、6、7或8的HVPE立式反应器的衬底支撑器上。蓝宝石沉积了2μm厚的用MOCVD生长的GaN，以及蓝宝石被机械变薄和弱化。
气体加热器加热到约500℃的温度。通过所有的气体注入口将N2引入，约30分钟以清除管组件中的空气。生长室的压强维持在1atm。衬底加热到约350℃的温度。约1000sccm的NH3流被引入生长室内。含10％Cl2的N2穿过Ga气泡生成了外部GaCl气体前驱体，由尼龙制成的气体输运管道具有热丝以将尼龙管温度维持在约125℃。GaCl的转化率接近100％。随后，衬底加热到约1050℃的温度。
输送到生长室的气体被设定如下：约1000sccm的NH3流；约80sccm的CaCl流；以及N2和H2是剩余的气体。约2400sccm的N2流和约60sccm的H2流被分在气体入口2、5、6和7中。在整个生长过程维持稳定的总气流。
通过时间调节生长方法完成氮化物HVPE的生长过程。此方法中，试剂气体流依次开启(NH3和GaCl开启)和关掉(GaCl关掉，HCl开启)，分别用于生长模式或蚀刻模式。开启和关掉期间的时间分别被设定为约3分钟和1分钟。蚀刻期间的HCL流被设定为80sccm。在生成足够厚度的GaN外延层之前，持续进行GaN的生长步骤。对于在图4、6、7或8的立式反应器内设定在10到40之间的V/III的比的生长，可以获得约20μm/小时和约160μm/小时之间的生长率。生长的均匀性无需辅助的旋转，其比在2英寸晶片从边缘到边缘的好2％。
氮化物生长完成时，GaCl气体被关掉，NH3流维持在同样的水平，而H2流增加以形成稳定的总气流。以1050℃到900℃之间小于20℃/分钟以及900℃和500℃之间小于100℃/分钟的工艺步骤来控制衬底的冷却。随后，在500℃以下关掉NH3流。以500℃和室温之间小于100℃/分钟的速率继续冷却。在此时段内，气体加热器维持在约350℃的温度，衬底从室放下，缓慢地以维持小于100℃/分钟的冷却速率。
一旦衬底被冷却并从反应器移去，可以通过，如用磷酸或其它合适的蚀刻剂蚀刻，通过电化学机械抛光、采用UV激光的激光烧蚀或其它合适的方法从GaN外延层去除蓝宝石衬底。
实施例2
在图5或9所示的立式HVPE反应器的生长过程类似于实施例1，除过GaCl气体前驱体在生长室的上游内原位形成。推荐当气体和衬底被加热到500℃以上时，开启NH3。
实施例3
生长过程类似于实施例1，但时间调节生长法被改变了。生长分成蚀刻、退火、增强的横向生长和垂直生长。在此实施例中，试剂气体流蚀刻(GaCl关掉，NH3和HCl开启，具有80sccm的气流)、退火(GaCl关掉，NH3和HCl开启，具有5sccm的气流)、增强的横向生长(GaCl和NH3开启，HCl开启具有5sccm的气流，总的H2流从60 sccm增加到200sccm)以及垂直生长(GaCl和NH3开启，HCl开启具有5sccm的气流，60sccm的总H2流)。蚀刻、退火、增强的横向生长和垂直生长的时间分别被设定成1、1、3和2分钟。
实施例4
生长过程类似于实施例1，用硅烷(H2中2％)沉积的n型GaN，该硅烷以2sccm到20sccm的流通过气体入口2被注入。
实施例5
生长过程类似于实施例1，用Cp2Mg或镁蒸汽沉积的p型GaN，其以7sccm到50sccm的流通过气体入口2被注入(Cp2Mg气泡压力1000毫巴(mBar)，气泡温度25℃，载气H2)。
从以上讨论和详述的试验性的实施例可以认识到，由上述柱形立式HVPE反应器可以适于宽范围的工艺参数。因此，应该理解，由此设法所提供的保护应该被认为扩大到权利要求的主题和本发明范围内其相当的等同物。

Claims (24)

1.一种用于在衬底表面上形成材料层的化学气相沉积法，包括使用柱形立式氢化物气相外延(HVPE)生长反应器，其具有延长的扩散层、均匀化隔膜、独立的侧壁气体加热器和衬底加热器、柱形侧壁气体清除管道和柱形侧壁气体出口缝。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述材料层包括III-V和VI族材料。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中沉积在所述衬底表面上的所述材料层由时间调节生长法提供，允许在用于可控的生长模式(横向或立式)和所沉积的材料的原位蚀刻和退火的不同反应气体间的转换。
4.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述生长反应器使用方向相对的流动几何形状。
5.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述隔膜的直径接近所述衬底的有效直径。
6.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述生长反应器具有混合室和混合板以增强沉积的均匀性。
7.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述延长的扩散层的长度大于所述衬底的所述有效直径。
8.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述生长反应器具有原位气体前驱体合成区域。
9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述气体加热器包括多区加热系统。
10.如前述任一项权利要求所述的方法，  其中所述衬底包括一构件，其包括选自下面一组的材料，所述组包括蓝宝石、碳化硅、硅、GaAs、涂覆GaN的蓝宝石、GaN、AlN、ZnO、NdGaO3、MgAl2O4、LiAlO2和LiGaO2。
11.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述生长反应器由石英、蓝宝石、氮化硼、氮化铝、碳化硅、涂覆碳化硅的石墨和不锈钢中的至少一种形成。
12.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述生长反应器中的所述衬底利用气体排除或发动机旋转。
13.如权利要求6或从属于权利要求6的权利要求7-12中任一项所述的方法，其中所述混合板具有直径小于所述衬底的所述有效直径的1/20的洞。
14.如权利要求6或13或从属于权利要求6的权利要求7-12中任一项述的方法，其中所述混合板由石英、蓝宝石、氮化硼、氮化铝、碳化硅和涂覆碳化硅的石墨中的至少一种形成。
15.一种用于在衬底表面上形成材料层的化学气相沉积装置，包括柱形立式氢化物气相外延(HVPE)生长发应器，其具有延长的扩散层、均匀化隔膜、独立的侧壁气体加热器和衬底加热器、柱形侧壁气体清除管道和柱形侧壁气体出口缝。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述生长反应器使用方向相对的流动几何形状。
17.如权利要求15或16所述的装置，其中所述隔膜的直径接近所述衬底的有效直径。
18.如权利要求15-17任一项所述的装置，其中所述生长反应器具有混合室和混合板以增强沉积的均匀性。
19.如权利要求15-18任一项所述的装置，其中所述延长的扩散层的长度大于所述衬底的所述有效直径。
20.如权利要求15-19任一项所述的装置，其中所述生长反应器具有原位气体前驱体合成区域。
21.如权利要求15-20任一项所述的装置，其中所述气体加热器包括多区加热系统。
22.如权利要求15-21任一项所述的装置，其中所述生长反应器由石英、蓝宝石、氮化硼、氮化铝、碳化硅、涂覆碳化硅的石墨和不锈钢中的至少一种形成。
23.如权利要求15-22任一项所述的装置，包括用于利用气体清除或发动机来旋转所述生长器中的所述衬底的装置。
24.如权利要求18或从属于权利要求18的权利要求19-23中任一项所述的装置，其中所述混合板由石英、蓝宝石、氮化硼、氮化铝、碳化硅和涂覆碳化硅的石墨中的至少一种形成。
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