CN101307485B - 用于半导体材料气相淀积生长系统的氮源离化方法和装置 - Google Patents
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Abstract
用于半导体材料气相淀积生长系统的氮源离化方法，在CVD、MOCVD、HVPE以及MBE等半导体材料生长系统中采用外加射频场的方式对氮源进行离化。采用高频电流加到电容或电感线圈的电极上，通过平行电容板间或电感线圈对其包围的气路进行高频电场的施加；加速电子，离化气体分子，从而产生等离子体。装置包括金属法兰(1)、冷却水管路(2)、石英外罩(3)、石英整流罩(5)、金属盖(6)、平等板电容器(7)、热电偶(8)、石墨(9)、抽气孔(10)、射频匹配器(11)、射频功率源(12)、进气口的(13)构成，金属法兰(1)和金属盖(6)装在石英外罩(3)的两端，在包围进气口(13)气路上或生长平台的气路上设有电容或电感耦合元件。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种用于气相淀积生长方法和系统，如CVD、MOCVD、HVPE以及MBE等半导体材料生长系统的新型氮源离化方法和装置。
二、背景技术
以GaN为代表的III-V族化合物半导体材料，具有极其优良的光学、电学、热力学特性：禁带宽度宽(314eV)，能在波长370nm处有效发光，通过掺杂，可以产生红色直至紫色的可见光；电导率和热导率高；硬度高(接近蓝宝石)；分解温度高(1000℃以上)；化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)。[张荣，杨凯，秦林洪等，MOCVD生长的GaN膜性质研究，半导体学报，1997，18(2)：91；章其鳞，孙文红，刘燕飞等，GaN材料生长研究，半导体情报，1997，34(5)：6]。
由于上述特性，该系列材料在高温大功率微电子器件、蓝绿和紫色发光器件、信息显示存储和读取、耐磨光学仪器、L ED产业等领域有着广阔的应用前景。AlN与GaN，属宽禁带的III-V族化合物半导体，是一种重要的紫外材料，加上它具有高的热导率、低的热膨胀系数、和压电效应等其他重要的物理性质而在电学、光学等领域有着广泛的应用前景。AlGaN紫外探测器具有带隙连续可调，高的量子效率、适当的带宽、快的响应速度等特性和探测器芯片微型化，已经引起了人们的极大兴趣。因此GaN基III族化合物半导体制备和器件开发已经成为世界范围的研究热点。[TokunagaH.，Tan H.，Arai T.，et al，Performance of multiwafer reactor GaN MOCVD System，J.Crystal Growth，2000，221：616；毛祥军，杨志坚，李景等，用MOCVD在ZnO/Al2O3衬底上生长GaN及其特性，半导体学报，1999，20(8)：639]。
在III族氮化物半导体之中，InN材料具有最小的电子有效质量，最大的电子迁移率，最高峰值和饱和漂移速率以及最小的直接带隙。[Yasushi Nanishi，Yoshiki Saito andTomohiro Yamaguchi，Jpn.J.Appl.Phys.42，2549(2003)；Fu-Hsiang Yang，Jih-ShengHwang，Ying-Jay Yang，Kuei-Hsien Chen and Jih-Hsiang Wang，Jpn.J.Appl.Phys.41，L1321(2002)]。这些显著的特性使得InN材料在高速电子器件和全色显示器件领域具有潜在的应用前景。InN的发光波长达到了1.24um-1.8um，这使得III-V族氮化物所覆盖的波长范围得到更大的拓展并进入到传统的光通讯波段。光通讯波段器件制备可选用的材料得到更大的丰富，更为重要的是III-V族氮化物器件进入光通讯领域将以其独特的优良性质为光通讯器件的发展带来革命性变化。但是，对InN材料的特性我们还知之甚少，其原因之一就是到目前为止还不能得到高质量的InN材料。由于InN材料高温(大于600℃)时会分解，要得到好的InN材料必须解决低温生长与氮源氨气或氮气的低温离化分解问题。[Masataka Higashiwaki and Toshiaki Matsui，Jpn.J.Appl.Phys.41，L540(2002)；Takashi Matsuoka，Masashi Nakao，Hiroshi Okamoto，Hiroshi Harima and Eiji Kurimoto，Jpn.J.Appl.Phys.42，2288(2003)]。
GaN等(包括其它含N半导体)材料的外延生长方法主要有气相外延(HV PE)、分子束外延(GSMBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD：Metalorganic ChemicalVapor Phase Epitaxy)三种[曹传宝，朱鹤孙，氮化镓薄膜及其研究进展，材料研究学报，2000，14(增刊)：1]。其中，MOCVD是当今最先进、最重要的GaN材料和器件大批量制备技术之一，其基本原理是将气态的金属有机物三甲基镓(TM Ga)稀释于输运气流中注入反应室内，在被加热的高温基座上的载片表面，TMGa和NH3发生反应，沉积形成厚度从几纳米到几微米的晶体定向生长层薄膜。MOCVD以其可控性好，可以大批量生产等优势成为化合物半导体材料生长的首选。[10]金属有机化合物化学气相沉积，是一项制备高质量的半导体薄片晶体的新技术，已经成为当前世界各国都在大力发展的一种高新半导体材料制备技术，具有很高的应用价值及广阔的应用前景。它是当今世界上生产半导体光电器件和微波器件材料的主要手段，如激光器、探测器、发光二极管、高效太阳能电池、光电阴极等，是光电子等产业不可缺少的设备。目前，作为材料生长用MOCVD系统大多从国外成套进口，且价格昂贵，研究领域、生产等方面受到极大的限制，研发具有自主知识产权的MOCVD系统具有十分重要的战略意义[James J.Coleman，Metalorganic chemical vapour deposition foroptoelectronic devices[C]，Preceedings of the IEEE，1997，85(11)]。
本发明涉及一种用于CVD、MOCVD、HVPE以及MBE等半导体材料生长系统的新型氮源离化装置，在CVD、MOCVD等氮化物半导体生长设备的源进气口安装射频电源的平行板电容、圆柱形电容或电感线圈。该射频电容或电感线圈可在室温条件下用于离化分解不易被热分解的氮源，如氮化物半导体材料生长过程中作为氮源之一的氮气分解；需要低温生长的半导体材料的氨气分解等。使用该装置可以获得分解率更大的氮离子，从而获得更好的材料生长质量。
三、发明内容
本发明的目的：为解决III族氮化物半导体材料生长过程中氮源离化率不高，提高氮气或氨气分子分解效率，以及某些特定的半导材料必须低温生长和氮源需要高温离化分解的矛盾，本发明提出一种可用于CVD、MOCVD、HVPE以及MBE等半导体材料生长系统的新型氮源离化(电离或等离子化)方法和装置，采用外加射频场的方式离化氮气或氨气。
本发明技术解决方案是：用于半导体材料气相淀积生长(CVD、MOCVD等)系统的氮源离化方法，用于CVD、MOCVD、HVPE以及MBE等半导体材料生长系统采用外加射频场的方式对氮源进行离化。具体解决方案是采用外加射频场的方式离化氮气或氨气，
在CVD、MOCVD等氮化物半导体生长设备的源进气口安装射频电源的电容(平行板电容或圆柱形电容)或电感线圈。采用射频放电模式为电容或电感耦合式，即经由功率匹配器，把高频电流加到两块平行平板、柱状电容或电感线圈的电极上，通过平行电容板间、柱状电容或电感线圈对其包围的气路进行高频电场的施加；加速电子，离化气体分子，从而在平行板、柱状电容或电感线圈中产生等离子体。
用于半导体材料气相淀积生长(CVD、MOCVD等)系统的氮源离化装置：在氮化物半导体材料生长设备的源进气口安装射频电源和耦合的电容或电感，电容为平行板电容或圆柱形电容。具体而言，包括金属法兰、冷却水管路、石英外罩3、石英整流罩5、金属盖6、平等板电容器7、热电偶8、石墨9、抽气孔10、射频匹配器11、射频功率源12、进气口的13构成，金属法兰1和金属盖6装在石英外罩3的两端，石英外罩3上还装有抽气孔10，石英外罩内设有石墨9生长台和热电偶8，金属盖6上设有进气口的13，另在包围进气口13气路上或生长平台的气路上设有电容或电感耦合元件，耦合式元件是电容或电感，典型的是平行板电容器7或平板电容器，设射频匹配器11和射频功率源12；将射频功率源12输出连接至射频匹配器11后再接电容或电感耦合元件，也可以同时电容和电感耦合元件，在包围进气口13气路上设有电容并在生长平台的气路上设有电感耦合元件，电感耦合元件旁侧设有冷却水管路2。
本发明的改进还包括：石英外罩3内设有石英整流罩5、尤其是设置长方形石英整流罩和基座，反应气体通过金属法兰上的进气口输入石英整流罩。
本发明射频电容器和电感在室温条件下用于离化分解不易被热分解的氮源，如氮化物半导体材料生长过程中作为氮源之一的氮气分解；需要低温生长的半导体材料的氨气分解等。使用该装置可以获得分解率更大的氮离子，从而获得更好的材料生长质量。
采用射频放电模式为电容耦合式，即经由功率匹配器，把高频电流加到两块平行平板，柱状电容或电感线圈电极上，通过平行电容板间、柱状电容或电感线圈的电场加速电子，离化气体分子，从而在平行板、柱状电容或电感线圈中产生等离子体。该射频电容或电感可在室温条件下用于离化分解不易被热分解的氮源，如氮化物半导体材料生长过程中作为氮源之一的氮气分解；需要低温生长的半导体材料的氨气分解等。使用该装置可以获得分解率更大的氮离子，从而获得更好的材料生长质量。
本发明由三部分构成，具体结构见图1所示。首先设计解决的关键是用于离化分解氮气或其它氮化物源的电容或电感线圈，其形状和安装结构，要求电容和/或电感线圈的设计既不影响材料生长系统设计也不影响导线的引出；其次是电容或电感线圈的导线，要求导线的引出还必须保证系统的真空度要求和具有一定的射频屏蔽功能；最后是用于离化的射频电源的选择，要求频率和功率的选择既要保证氮源的离化分解要求，也要保证功率和频率不至于影响整个系统的其它电器运行。我们设计的半导体材料生长系统的新型氮源离化装置见图2所示。
本发明的机理是：在用CVD、MOCVD、HVPE以及MBE等半导体材料生长系统生长III族氮化物半导体材料时往往用氮气或氨气作为氮源，氮气和氨气都需要在高温下才能分解成氮离子，同时在一般的1000℃的温度生长材料时这些氮源往往离解不充分。而对于一般需要低温生长的氮化物半导体材料，氮源的分解就成了一个问题。本发明用于离化分解不易被热分解的氮源，如氮化物半导体材料生长过程中作为氮源之一的氮气分解；需要低温生长的半导体材料的氨气分解等。使用该装置可以获得分解率更大的氮离子，从而获得更好的材料生长质量。
本发明的有益效果是：带水冷的不锈钢法兰和圆柱形石英反应管，保证MOCVD反应腔的密封性能和加热功能。采用外加射频场的方式离化氮气或氨气，根据具体设备结构设计解决用于离化分解氮气或其它氮化物源的电容器或电感器，采用射频放电模式为电容或电感耦合式，即经由功率匹配器，把高频电流加到两块平行平板，柱状电容或电感线圈的电极上，通过平行电容板间、柱状电容间或电感线圈内的电场加速电子，离化气体分子，从而在平行板，柱状电容或电感线圈中产生等离子体。其形状和安装结构，要求电容器或电感器的设计既不影响材料生长系统设计也不影响导线的引出；同时，导线的引出还必须保证系统的真空度要求和具有一定的射频屏蔽功能；最后是用于离化的射频电源的选择，要求频率和功率的选择既要保证氮源的离化分解要求，也要保证功率和频率不至于影响整个系统的其它电器运行。设计的射频电容器或电感器可在室温条件下用于离化分解不易被热分解的氮源，如氮化物半导体材料生长过程中作为氮源之一的氮气分解；需要低温生长的半导体材料的氨气分解等。使用该装置可以获得分解率更大的氮离子，本发明方法和装置用于生长GaN基氮化物半导体材料，在相同条件下进行对比(开启或闭合外加射频场对氮源进行离化)，外加射频场对氮源进行离化的生长效率有明显提高，获得明显更好的材料生长质量。
本发明设计的新型氮源离化装置可用于CVD、MOCVD、HVPE以及MBE等半导体材料生长系统中。
四、附图说明
图1为本发明的一种可用于CVD、MOCVD、HVPE以及MBE等半导体材料生长系统的新型氮源离化装置设计图。该装置由离化电容器、密封导线和射频电源组成。
五、具体实施方式
本发明用于半导体材料气相淀积生长(CVD、MOCVD等)系统的氮源离化方法，用于CVD、MOCVD、HVPE以及MBE等半导体材料生长系统采用外加射频场的方式对氮源进行离化。加射频场功率源的频率一般为5-100MHz，最大输出功率为1000W。并可以根据半导体生长系统的氮源进气结构和源气体流量大小设计的射频感应电容或电感线圈及施加的功率。
本发明装置：包括金属法兰1、冷却水管路2、石英外罩3、石英整流罩5、金属盖6、平等板电容器7、热电偶8、石墨9、抽气孔1O、射频匹配器11、射频功率源12、进气口的13构成，金属法兰1和金属盖6装在石英外罩3的两端，石英外罩3上还装有抽气孔10，石英外罩内设有石墨9生长台和热电偶8，金属盖6上设有进气口的13，另在包围进气口13气路上或生长平台的气路上设有电容或电感耦合元件，耦合式元件是电容或电感，典型的是平行板电容器7或平板电容器，设射频匹配器11和射频功率源12；将射频功率源12输出连接至射频匹配器11后再接电容或电感耦合元件，也可以同时电容和电感耦合元件，在包围进气口13气路上设有电容并在生长平台的气路上设有电感耦合元件，电感耦合元件旁侧设有冷却水管路2。
本发明的改进还包括：石英外罩3内设有石英整流罩5、尤其是设置长方形石英整流罩和基座，反应气体通过金属法兰上的进气口输入石英整流罩，基座设有放置衬底的斜面，所述斜面设置在石英整流罩内，斜面最低端与石英整流罩下端面平齐，石英整流罩及基座斜面的设置符合MOCVD化学气相反应的流体动力学理想模型。石英整流罩在基座斜面之前设有阶梯式气流通道结构，即石英整流罩的上端面通过一个下降斜面使整流罩高度降低，所述阶梯式气流通道与基座斜面的距离与基座的长度相等。
本发明涉及一种用于CVD、MOCVD、HVPE以及MBE等半导体材料生长系统的新型氮源离化装置。为提高氨气分子分解效率，在CVD、MOCVD等氮化物半导体生长设备的源进气口安装射频电源的平行板电容器或圆柱形电容器。采用外加射频场的方式离化氨气，射频放电模式为电容耦合式，即经由功率匹配器，把高频电流加到两块平行平板电极上，通过平行电容板间的电场加速电子，离化气体分子，从而在平行板中产生等离子体。该射频电容器可在室温条件下用于离化分解不易被热分解的氮源，如氮化物半导体材料生长过程中作为氮源之一的氮气分解；需要低温生长的半导体材料的氨气分解等。使用该装置可以获得分解率更大的氮离子，从而获得更好的材料生长质量。具体实施方式包括以下几步：
1、首先根据半导体生长系统的氮源进气结构和源气体流量大小设计不同电容板大小、间距；电感线圈直径等的射频感应电容或电感线圈。
2、采用外加射频场的方式离化氮源的氮气或氨气，射频放电模式可以采用电容耦合式或电感耦合式，即经由功率匹配器，把高频电流加到两块平行平板或电感电极上，通过平行电容板间的电场加速电子，或感应线圈离化气体分子，从而产生离子体。
3、电源输入输出反应腔采用O圈密封。
4、电源的大小根据生长系统要求。我们设计的典型的感应系统包括：SY型射频功率源、SP-II型射频匹配器系统以及平行板电容器三部分，其中SY型射频功率源和SP-II型射频匹配器由中国科学院微电子中心提供，功率源的频率为13.56MHz，最大输出功率为500W。具体设计图见图1所示。
为提高氮气或氨气分子分解效率，在CVD、MOCVD等氮化物半导体生长设备的源进气口安装射频电源的平行板电容、圆柱形电容或电感，采用外加射频场的方式离化氮气或氨气，射频放电模式为电容耦合或电感耦合式，即经由功率匹配器，把高频电流加到两块平行平板，圆柱电容或电感电极上，通过平行电容板间或电感的电场加速电子，离化气体分子，从而在平行板或电感中产生等离子体。该射频电容器可在室温条件下用于离化分解不易被热分解的氮源，如氮化物半导体材料生长过程中作为氮源之一的氮气分解；需要低温生长的半导体材料的氨气分解等。使用该装置可以获得分解率更大的氮离子，从而获得更好的生长质量。本发明MOCVD系统设计的半导体材料生长系统的新型氮源离化装置。MOCVD的氮源在射频电源离化下产生的辉光放电现象。
Claims (1)
1.半导体材料气相淀积生长系统的氮源离化装置，其特征是包括金属法兰(1)、冷却水管路(2)、石英外罩(3)、石英整流罩(5)、金属盖(6)、平行板电容器(7)、热电偶(8)、石墨(9)、抽气孔(10)、射频匹配器(11)、射频功率源(12)、进气口(13)构成，金属法兰(1)和金属盖(6)装在石英外罩(3)的两端，石英外罩(3)上还装有抽气孔(10)，石英外罩内设有石墨(9)生长台和热电偶(8)；在石英外罩(3)内设有长方形石英整流罩(5)，反应气体通过金属法兰(1)上的进气口(13)输入石英整流罩，石墨生长台设有放置衬底的斜面，所述斜面设置在石英整流罩内，斜面最低端与石英整流罩下端面平齐；在包围进气口(13)气路上设有电容并在生长平台的气路上设有电感耦合元件，电感耦合元件旁侧设有冷却水管路(2)；设有射频匹配器(11)和射频功率源(12)；将射频功率源(12)输出连接至射频匹配器(11)后再接电容或电感耦合元件。
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