CN101343777A - 一种氮化物材料外延装置 - Google Patents

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王军喜
曾一平
李晋闽
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Abstract

本发明一种氮化物材料外延装置，其特征在于，包括：一金属有机源化学气相沉积系统，该系统具有独立的金属有机源管路和气体源管路；一金属卤化物独立供应源，该金属卤化物独立供应源通过阀门和管路与金属有机源化学气相沉积系统的金属有机源管路直接相连。

Description

一种氮化物材料外延装置
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别指为了高质量的氮化物材料而设计的一种结合HVPE(Hydride VaporPhase Epitaxy，氢化物气相外延)和MOCVD(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition，金属有机源化学气相沉积)、生长效率高、生长成本低的氮化物材料外延装置。
背景技术
氮化物多元系材料的光谱从0.7eV到6.2eV，可以用于带间发光，颜色覆盖从红外到紫外波长，在光电子应用方面，如蓝光、绿光、紫外光发光二极管(LED)、短波长激光二极管(LD)，紫外探测器、布拉格反射波导等方面获得了重要的应用和发展。另外氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料代表之一，具有直接带隙、宽禁带、高饱和电子漂移速度、高击穿电场和高热导率、优异的物理化学稳定性等优异性能，在微电子应用方面也得到了广泛的关注，可以制作高温、高频和大功率器件，如高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结双极晶体管(HBT)等。由于氮化物材料在某些波段的发光基本不受材料缺陷的影响，近些年来氮化物基的发光二极管照明迅猛发展，LED大量应用于显示器、照明、指示灯、广告牌、交通灯等，在农业中作为加速光合成光源，在医疗中作为诊断和治疗的工具。
但是由于氮化物材料的特殊性质，采用传统的单晶生长方法很难生长出体单晶；使用异质衬底，如蓝宝石、碳化硅等存在着由于晶格失配和热失配带来的外延材料缺陷密度大等的问题，这一结果极大的影响了GaN系材料在微电子领域、激光器领域和紫外LED领域等的实用化进展。在常规III-V族化合物半导体中降低外延层缺陷密度效果非常明显的缓冲层在GaN系材料的生长中效果并不明显，生长2-3微米缓冲层并不能够显著降低缺陷密度，最近HVPE生长厚膜GaN的实验表明，生长20微米以上的GaN可以显著降低缺陷密度，而且随着厚度的增加，缺陷密度还将逐步下降。常规的MBE和MOCVD等氮化物外延手段由于其生长速率低很难应用于生长非常厚的外延层，而利用氢化物气相外延的高生长速率和较高结晶质量可以实现氮化物材料的厚膜生长。目前有不少研究机构、大学和公司等都在利用氢化物气相外延方法制备氮化物自支撑衬底，但是该方法也存在着很大的问题比如设备不成熟，工艺尚需突破等。
本发明以前有关氮化物材料外延装置存在：常规的MBE和MOCVD等氮化物外延手段具备生长很好的氮化物微结构材料的能力，但是很难通过生长超过20微米厚的缓冲层来达到降低氮化物材料的缺陷密度，从而限制了氮化物材料在很多领域的应用。而普通的氢化物气相外延由于其金属源置于反应管内部，导致整个反应炉的设计复杂，使用复杂，难于精确控制，而且生长处理的氮化物外延膜往往需要进一步的处理才能进行二次外延生长氮化物结构材料，增加了生产成本，降低了生产效率，使得氢化物气相外延在氮化物器件的应用上受到很大的限制，同时这种结构的氢化物气相外延装置很难同MOCVD直接结合来进行生产。本发明是在独立金属卤化物供应氢化物气相外延装置上进一步结合MOCVD的成熟设备来提供一种有效解决氮化物外延生长问题的全新方案。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种氮化物材料外延装置，解决现有MOCVD和HVPE生长氮化物外延材料存在的问题，比如MOCVD有无法方便得到高质量(AlGaIn)N缓冲层，从而影响氮化物器件性能的缺点，而氢化物气相外延炉有生长速度太快，直接成核困难，生长薄层结构材料困难的缺点。如何解决这种矛盾，人们提出了MOCVD和HVPE结合的氮化物外延装置，但是由于HVPE外延设备的不成熟，前人的方案尚不能够完全满足高质量氮化物生产的需求。针对氮化物在微电子、光电子等各个领域的长足进展，一种能够实现高效率一次外延高质量氮化物结构材料的设备是目前生产单位最迫切的需求。
本发明提供一种氮化物材料外延装置，其特征在于，包括：
一金属有机源化学气相沉积系统，该系统具有独立的金属有机源管路和气体源管路；
一金属卤化物独立供应源，该金属卤化物独立供应源通过阀门和管路与金属有机源化学气相沉积系统的金属有机源管路直接相连。
其中金属卤化物独立供应源包括：
一金属卤化物反应炉，其内部反应物为金属源；
一卤化氢或者卤素气体入口，通过质量流量计和阀门连接到金属卤化物反应炉上；
一载气入口，通过质量流量计和阀门连接到金属卤化物反应炉上；
一气体出口，通过阀门连接到金属卤化物反应炉，同时还通过阀门直接和金属源连通。
其中金属源是In、Al、Ga的一种或者几种或及其混合物。
其金属卤化物独立供应源包括：
一金属卤化物鼓泡瓶，其内部物质为金属卤化物源；
一载气入口，通过质量流量计和阀门连接到金属卤化物鼓泡瓶上；
一气体出口，通过阀门连接到金属卤化物反应炉上，同时还通过阀门直接和金属卤化物源连通。
其中金属卤化物源是InCl3、AlCl3、GaCl3的一种或几种或及其混合物。
实现本发明所采取的技术措施主要为现有的MOCVD设备提供独立的金属卤化物供应源，从而可以在现有成熟MOCVD设备上实现HVPE生长方式，其优点在于：MOCVD可以有效的为HVPE提供成核层，为HVPE形成高质量(AlGaIn)N缓冲层提供条件；HVPE方法解决了常规MOCVD方法难以高效率得到(AlGaIn)N缓冲层的缺点，为生长高质量氮化物结构材料提供更厚、更好的缓冲层；在此高质量缓冲层上MOCVD可以生长出高质量的氮化物结构材料。同时，MOCVD和HVPE的结合也为(AlGaIn)N厚膜的生长提供了更多的释放应力，消除裂纹的选择。
本发明提供的一种氮化物材料外延装置，包括MOCVD设备和在其上的独立金属卤化物供应源(反应炉或者鼓泡瓶)。其中MOCVD为金属卤化物的HVPE生长提供高质量成核层，独立金属卤化物供应源可以用于外延得到高质量的(AlGaIn)N缓冲层，常规的MOCVD用于在该缓冲层上生长所需的氮化物器件结构，从而实现高性能氮化物外延材料的一次性、高效率外延。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施例及附图对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明的设备装置图；
图2是独立的金属卤化物反应炉；
图3是独立的金属卤化物鼓泡瓶。
具体实施方式
请参阅图1、图2及图3，本发明一种氮化物材料外延装置，包括(图1所示)：
一金属有机源化学气相沉积系统10，该系统具有独立的金属有机源管路101和气体源管路102；
一金属卤化物独立供应源11，该金属卤化物独立供应源通过阀门111和管路112与金属有机源化学气相沉积系统10的金属有机源管路101直接相连。
请参阅图2，以上所述的金属卤化物独立供应源11包括：
一金属卤化物反应炉20，其内部反应物为金属源201；该金属源201是In、Al、Ga的一种或者几种或其混合物；
一卤化氢或者卤素气体入口21，通过质量流量计211和阀门212连接到金属卤化物反应炉20上；
一载气入口22，通过质量流量计221和阀门202连接到金属卤化物反应炉20上；
一气体出口23，通过阀门203连接到金属卤化物反应炉20，同时还通过阀门222直接和金属源201连通。
请参阅图3，是本发明的该金属卤化物独立供应源11的另一技术方案，包括：
一金属卤化物鼓泡瓶30，其内部物质为金属卤化物源301；该金属卤化物源301是InCl3、AlCl3、GaCl3的一种或几种或其混合物；
一载气入口31，通过质量流量计311和阀门302连接到金属卤化物鼓泡瓶30上；
一气体出口32，通过阀门303连接到金属卤化物反应炉30上，同时还通过阀门312直接和金属卤化物源301连通。
本发明的实施首先在于设计和制造一种独立的金属卤化物供应源，可以通过独立的金属卤化物反应炉提供，金属卤化物反应源可以单独作为一个源炉进行反应，通过高纯的镓(Ga)、铟(In)、铝(Al)等不同金属源和卤族氢化物包括HCl、HBr或者HI等或者卤族元素如Cl2、I2等反应生成相应的金属卤化物提供给MOCVD的外延装置以便进行氢化物气相外延。如图2是独立的金属卤化物反应炉，金属卤化物反应炉20，其内部反应物为金属源201，可以是In、Al、Ga等的一种或者几种，也可以是其混合物；卤化氢或者卤素气体入口21，通过质量流量计211和阀门212连接到金属卤化物反应炉20上；载气入口22，通过质量流量计221和阀门202连接到金属卤化物反应炉20上；气体出口23，通过阀门203连接到金属卤化物反应炉20，同时也通过阀门222直接和载气相连。通过这样的连接方式，可以得到GaCl、AlCl3、InI3等以及其混合物，可以用于生长GaN、AlN、InN等以及掺杂源或者AlInGaN多元化合物。如果载气直接通到管路可以用于吹扫管路或者清洗管路。
本发明的实施首先在于设计和制造一种独立的金属卤化物供应源，也可以通过相应的金属卤化物鼓泡瓶提供，其特征在于，镓、铟、铝等金属的卤化物经过提纯以后利用鼓泡瓶在适当温度的恒温槽提供给MOCVD的外延装置以便进行氢化物气相外延。图3是独立的金属卤化物鼓泡瓶，金属卤化物鼓泡瓶30，其内部物质为金属卤化物源301，可以是InCl3、AlCl3、GaCl3等的一种或者几种，也可以是其混合物；载气入口31，通过质量流量计311和阀门302连接到金属卤化物鼓泡瓶30上；气体出口32，通过阀门303连接到金属卤化物反应炉30，同时也通过阀门312直接和载气相连。这样同样可以使用MOCVD的生长室得到GaN、AlN、InN以及其多元合金。如果载气直接通到管路可以用于吹扫管路或者清洗管路。
使用设计的独立卤化物供应源，将其连接到常规的金属有机物化学气相沉积系统的金属有机物源管道，可以用于在蓝宝石、硅、SiC、LiAlO2或其它衬底材料实现HVPE的生长方式，利用MOCVD生长方式实现高质量的成核，使用HVPE生长方式生长GaN基器件结构的高质量(AlGaIn)N缓冲层，而常规的金属有机物化学气相沉积则用来在该缓冲层上生长需要的GaN基器件结构材料。图1是本发明的设备装置图，金属有机源化学气相沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD)系统10，该系统具有独立的金属有机源管路101和气体源如NH3源管路102，金属卤化物独立供应源11，该金属卤化物独立供应源通过阀门111和管路112与MOCVD系统10的金属有机源管路101直接相连。这样就可以实现无缝的MOCVD和HVPE结合方式。氮化物材料外延装置将在常规的金属有机物化学气相沉积系统内加入独立金属卤化物供应源进行氢化物气相外延，常规的金属有机物化学气相沉积可以为氢化物气相外延提供更好的成核层和高质量的氮化物薄膜生长，从而为氢化物气相外延生长高质量的缓冲层提供条件。氮化物材料外延装置将在常规的金属有机物化学气相沉积系统内加入独立金属卤化物供应源进行氢化物气相外延，常规的金属有机物化学气相沉积可以为氢化物气相外延提供应力释放层，从而为氢化物气相外延生长低应力甚至无应力的厚膜氮化物层提供条件。氮化物材料外延装置将在常规的金属有机物化学气相沉积系统内加入独立金属卤化物供应源进行氢化物气相外延，氢化物气相外延高速生长可以更好的用于进行氮化物在图形衬底上的横向生长，为进一步提高氮化物质量和缓解氮化物厚膜的应力提供条件。
独立金属卤化物反应炉可以使用不同的材料比如石英或者金属，可以选择合适的加热器比如电阻或者射频感应加热，将载有高纯金属镓(Ga)、铟(In)、铝(Al)等的容器放置于炉内，通入卤族氢化物如HCl、HBr或者HI甚至卤族元素如Cl2、Br2或者I2等在适当的温度下反应生成需要的金属卤化物如GaCl、AlCl3或者InI3等。反应气体可以直接和载气混合后进入MOCVD中进行氮化物材料的高速生长，从而适合应用于高质量(AlGaIn)N缓冲层的高效率生长。
独立金属卤化物鼓泡瓶使用高纯的金属卤化物如GaCl3、AlCl3或者InI3等放置到适当的密闭容器内，该容器通过合适的物质实施水浴温控，通过调节容器的温度来得到合适的蒸汽压下，并通过质量流量计精确控制气体的流量，和载气混合后进MOCVD中进行氮化物材料的高速生长，从而适合应用于高质量(AlGaIn)N缓冲层的高效率生长。
独立的金属卤化物供应源和MOCVD的金属有机源气路连接在一起，可以通过在MOCVD的控制面板中加入必要的控制元件进行控制，实现HVPE生长方式和MOCVD生长方式的方便切换。
以生长蓝宝石上的GaN基LED材料为例，本发明的生长工艺流程是：首先是衬底的预处理，使用MOCVD方式生长低温缓冲层，生长一定厚度的GaN缓冲层；然后停止供应有机源，切换到独立金属卤化物供应源实现HVPE生长方式，生长20μm甚至更厚的GaN，以得到更低缺陷密度的高质量缓冲层；关闭金属卤化物供应源，切换到MOCVD生长模式，需要时可以通过额外的HCl管路清洗管道和喷头以便MOCVD生长的进行，控制MOCVD生长出需要的LED器件结构。
根据以上描述，本发明在常规MOCVD中加入独立金属卤化物供应源，从而区别于已有的MOCVD，以及前人的HVPE与MOCVD集成设备。采用如上具有独立金属卤化物供应源的MOCVD可以解决现有MOCVD高效率生长高质量(AlGaIn)N缓冲层的困难和HVPE成核质量低的问题，同时结合MOCVD的成熟设备和工艺，为一次外延实现高质量氮化物材料的高效率生长，提供了一条可行的解决方案。

Claims (5)

1.一种氮化物材料外延装置，其特征在于，包括：
一金属有机源化学气相沉积系统，该系统具有独立的金属有机源管路和气体源管路；
一金属卤化物独立供应源，该金属卤化物独立供应源通过阀门和管路与金属有机源化学气相沉积系统的金属有机源管路直接相连。
2.根据权利要求1所述的一种氮化物材料外延装置，其特征在于，其中金属卤化物独立供应源包括：
一金属卤化物反应炉，其内部反应物为金属源；
一卤化氢或者卤素气体入口，通过质量流量计和阀门连接到金属卤化物反应炉上；
一载气入口，通过质量流量计和阀门连接到金属卤化物反应炉上；
一气体出口，通过阀门连接到金属卤化物反应炉，同时还通过阀门直接和金属源连通。
3.根据权利要求2所述的一种氮化物材料外延装置，其特征在于，其中金属源是In、Al、Ga的一种或者几种或其混合物。
4.根据权利要求1所述的一种氮化物材料外延装置，其特征在于，其金属卤化物独立供应源包括：
一金属卤化物鼓泡瓶，其内部物质为金属卤化物源；
一载气入口，通过质量流量计和阀门连接到金属卤化物鼓泡瓶上；
一气体出口，通过阀门连接到金属卤化物反应炉上，同时还通过阀门直接和金属卤化物源连通。
5.根据权利要求4所述的一种氮化物材料外延装置，其特征在于，其中金属卤化物源是InCl3、AlCl3、GaCl3的一种或几种或其混合物。
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