CN101281864B - 改进氢化物气相外延生长GaN材料均匀性的装置 - Google Patents
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Abstract
改进氢化物气相外延生长GaN材料均匀性的方法，在HVPE生长过程中，将GaCl或者NH3源气体通过石英喷淋头均匀喷洒在生长衬底的表面上。喷淋头由均匀分布的小孔组成石英板喷淋头，石英板喷淋头与生长衬底平行。本发明通过特别的设计控制源气体GaCl或者NH3在衬底表面的均匀分布，从而改善衬底上方发生反应的源气体的分布更加均匀合适。矩形(方形)结构的喷淋头设计，可以使得气流分布的更加均匀，样品无需旋转。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种改进氢化物气相外延(HVPE)生长GaN材料生长均匀性的方法和装置。
二、技术背景
以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料。GaN基材料是直接带隙宽禁带半导体材料，具有1.9-6.2eV之间连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能，在短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备等方面具有重要的应用，用于制造比如蓝、紫、紫外波段发光器件、探测器件，高温、高频、高场大功率器件，场发射器件，抗辐射器件，压电器件等。
GaN的生长有很多种方法，如金属有机物气相外延(MOCVD)、高温高压合成体GaN单晶、分子束外延(MBE)、升华法以及氢化物气相外延(HVPE)等。由于GaN本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化。氢化物气相外延由于具有高的生长率和横向-纵向外延比，可用于同质外延生长自支撑GaN衬底，引起广泛地重视和研究。早期人们主要采用氢化物气相外延(HVPE)方法在蓝宝石衬底上直接生长GaN，再加以分离，获得GaN衬底材料。此法的突出缺点是GaN外延层中位错密度很高，一般达1010cm-2左右。目前的主要方法是采用横向外延、悬挂外延等方法，辅以HVPE高速率外延技术生长厚膜，最后将原衬底去除，从而获得位错密度较低的自支撑GaN衬底材料。迄今为止，HVPE生长得到的自支撑GaN衬底，位错密度低于106cm-2，面积已经超过1cm2。但是仍然远远不能满足实际应用的需求。
由于传统HVPE系统内部结构、气流输运等的限制，大面积(＞2平方英寸)GaN自支撑衬底的均匀性仍需要进一步研究改进。
三、发明内容
本发明目的是：提出一种卧式氢化物气相外延(HVPE)生长GaN材料均匀性的方法，改进传统HVPE生长设备的部件结构，使得源气体均匀的分布并混合，最终改善大面积(＞2英寸)GaN自支撑衬底生长的均匀性。
本发明目的还在于：提出了一种新的HVPE系统中生长GaN材料更均匀的生长装置结构，使得氢化物气相外延系统中的GaCl气体或者NH3均匀的散布在衬底表面，并在衬底表面和其他源气体均匀混合，提高GaN产品的厚度均匀性和质量。并且避免了源气体预先混合造成的预反应，提高了源气体的利用率和反应器的使用寿命。
本发明的技术解决方案：改进氢化物气相外延生长GaN材料均匀性的方法，在HVPE生长系统中，将GaCl或者NH3源气体通过石英喷淋头均匀的喷洒在生长衬底的表面上。喷淋头由很多均匀分布的小孔组成石英板喷淋头，石英板喷淋头与生长衬底平行，石英板喷淋头尺寸略大于衬底的尺寸，以保证衬底上的源气体浓度和流速处处相同。在水平式HVPE系统中可以采用矩形(方形)或者圆形石英板喷淋头结构，使得气流分布更均匀。
改进氢化物气相外延生长GaN材料均匀性的装置，常规HVPE生长系统设有一柱型或长方形生长腔内，腔内设有生长衬底、加热器、测温装置以及气体的进气口和排气口构成，进气口连接到石英喷淋头上，石英喷淋头设在生长衬底的表面上方，喷淋头是多均匀分布的小孔组成，即构成石英板喷淋头。在水平式HVPE系统中采用矩形(方形)或者圆形石英板喷淋头结构，使气流分布更均匀。石英板喷淋头将GaCl或者NH3源气体均匀的喷洒在衬底的表面。喷淋头设在石英板上并和衬底平行。石英板尺寸略大于衬底的尺寸，以保证衬底上的源气体浓度和流速处处相同。如图1。
本发明的有益效果是：通过特别的设计控制源气体GaCl或者NH3在衬底表面的均匀分布，从而改善衬底上方发生反应的源气体的分布更加均匀合适。矩形(方形)结构的喷淋头设计，可以使得气流分布的更加均匀。样品无需旋转。
四、附图说明
图1是本发明水平式石英喷淋头的方形结构示意图。
图2是图1喷淋头的截面示意图
图3是应用新型喷淋头结构获得的均匀高质量GaN薄膜照片
五、具体实施方式
图中箭头是源气的流向，石英板喷淋头1均匀分布的多个小孔2，小孔的孔径是1-4mm，分布的小孔的密度：3-20个/平方厘米。石英板喷淋头设在生长衬底的表面上方并与衬底的间距一般是5-20mm。石英板喷淋头的形状是圆形结构或矩形均可。
本发明技术实施可以有两种方式：1、GaCl气体及载气从喷淋头喷到衬底上方，NH3及载气和总N2混合后水平进入衬底上方在该处和GaCl气体混合并发生反应。2、NH3气体及载气从喷淋头喷到衬底上方，GaCl气体及载气和总N2混合后水平进入衬底上方在该处和NH3气体混合反应。采用这两种实施方式进行实际生长，均得到了均匀分布的高质量GaN样品，如图3所示。
Claims (1)
1.改进氢化物气相外延生长GaN材料均匀性的装置，包括一柱型或长方形生长腔，生长腔内设有生长衬底、加热器、测温装置以及气体的进气口和排气口，其特征是设有石英喷淋头，进气口连接到石英喷淋头上，石英喷淋头设在生长衬底的表面上方并与衬底平行，喷淋头设有多个均匀分布的小孔；所述石英喷淋头的尺寸略大于衬底的尺寸；石英喷淋头上小孔的孔径为1-4mm，分布的小孔的密度：3-20个/平方厘米。
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