CN101377009A - 半导体材料制作装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体材料制作装置，其用于在一基底上外延生长半导体材料，该半导体材料制作装置包括一反应腔，一第一进料管以及一第二进料管，所述反应腔用于容纳所述基底，所述第一进料管以及第二进料管与反应腔相连通并分别用于向反应腔提供第一原料气体以及第二原料气体，所述第一进料管包括第一管体部及第二管体部，该第一管体部与第二管体部可拆卸地连接在一起。该半导体材料制作装置可在高产品品质的前提下，提升半导体材料生产效率。

Description

半导体材料制作装置
技术领域
本发明涉及一种半导体材料制作装置，尤其是一种适用于制作氮化物半导体的半导体材料制作装置。
背景技术
发光二极管(LED，Light Emitting Diode)以其亮度高、工作电压低、功耗小、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长等优点，从而可广泛应用于液晶显示器的背光源，可参见Chien-Chih Chen等人在文献IEEE Transactions on power electronics，Vol.22，No.3May 2007中的Sequential Color LED Backlight Driving System for LCD Panels一文。LED的制作技术通常包括卤素气相外延生长法(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)、分子束外延生长法(Molecular Beam Epitaxy，MBE)以及有机金属气相外延生长法(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy，MOVPE)等。
参见图1，现有的一种用以制作氮化镓半导体的HVPE装置包括一个反应腔80，与该反应腔80相连通的第一进料管81及第二进料管82。所述反应腔80内设置有供氮化镓(GaN)生长用的基底83。
所述第一进料管81用于向反应腔80内提供氩气(Ar)与氯化氢(HCl)的混合气体，该第一进料管81内部设置有一个用于容纳熔融金属镓(Ga)84的敞口容器85，当氩气与氯化氢的混合气体经由第一进料管81流向反应腔80时，氯化氢会先与熔融金属镓(Ga)84发生化学反应：Ga+2HCl(GaCl+H2，Ga+3HCl(GaCl3+3H，生成主要成分为氯化镓(GaCl)和三氯化镓(GaCl3)的第一原料气体。该第一原料气体继而以平行于基底83上表面830的方向从开口810流入至所述反应腔80内，并扩散到基底83的上表面830。所述第二进料管82用于向反应腔80内提供主要成分为氨气(NH3)的第二原料气体，该第二原料气体以平行于基底83上表面830的方向流入至反应腔80内后与第一原料气体中的氯化镓(GaCl)发生化学反应：3GaCl+NH3(GaN+3HCl，从而在基底83上形成氮化镓(GaN)半导体外延层86。
然而，该种HVPE反应装置的进料管材质通常为石英，所述第一进料管81在向反应腔80提供第一原料气体的过程中，该第一进料管81的位于反应腔内的开口810处会因第一原料气体中的氯化镓和第二原料气体中的氨气在该处发生反应而沉积氮化镓，从而会使开口810发生堵塞，导致第一原料气体的进气速度降低而影响氮化镓的生长速率。
参见图2，现有的另一种用以制作氮化镓半导体的HVPE装置包括一个反应腔90以及与该反应腔90相连通的第一进料管91。该反应腔90还包括一个进气口94，该第一进料管91的外侧套设有一外管92。外延生长半导体材料的过程中，从所述第一进料管91通入氯化氢气体，该氯化氢气体和第一进料管91内部的熔融金属镓93反应而生成主要成分为氯化镓(GaCl)和三氯化镓(GaCl3)的第一原料气体，该第一原料气体从第一进料管91的开口910处流出至反应腔90内并流至倾斜设置的基底表面；从所述进气口94通入氨气；所述外管92被通入一惰性气体而在第一进料管91的开口910的周围形成隔离气流，尽量避免第一原料气体与氨气在开口910处相接触而避免因二者反应造成的氮化镓沉积导致堵塞现象。然而，根据实际生产情况来看，该种设置仅能在一定程度上延缓堵塞现象的发生，待反应进行的时间较长时堵塞现象仍然会发生，进而影响氮化镓的生长速率。
现有技术中，为了保证氮化镓的生长速率不被所述第一进料管的堵塞影响，通常会在发生堵塞时将该第一进料管取出并将设置在其内的盛有熔融态金属镓的容器转移至新的进料管中，再将该新的进料管装入反应腔以进行生产。然而，在将盛有熔融态金属镓的容器转移至新的进料管的过程中，金属镓容易受到外界环境的污染，从而会影响外延生长出的氮化镓的品质。
有鉴于此，有必要提供一种能够保证高效率、高品质半导体材料生产的半导体材料制作装置。
发明内容
以下将以具体实施例说明一种半导体材料制作装置，其可具有生产效率高、产品品质高的优点。
一种半导体材料制作装置，其用于在一基底上外延生长半导体材料，该半导体材料制作装置包括一反应腔，一第一进料管以及一第二进料管，所述反应腔用于容纳所述基底，所述第一进料管以及第二进料管与反应腔相连通并分别用于向反应腔提供第一原料气体以及第二原料气体，其中，所述第一进料管包括第一管体部及第二管体部，该第一管体部与第二管体部可拆卸地连接在一起。
与现有技术相比，所述半导体材料制作装置的第一进料管包括可拆卸地连接在一起的第一管体部及第二管体部，当第二管体部的出气口处沉积有氮化镓时，可将该第二管体部单独取下以进行更换而无需更换第一管体部，其可克服现有技术中存在的技术缺陷提升生产效率及产品品质。
附图说明
图1是现有的一种半导体材料制作装置的结构示意图。
图2是现有的另一种半导体材料制作装置的结构示意图。
图3是本发明第一实施例所提供的半导体材料制作装置的结构示意图。
图4是本发明第二实施例所提供的半导体材料制作装置的结构示意图。
图5是图4所示半导体材料制作装置内部结构的右视图。
图6是采用本发明第二实施例所提供的半导体材料制作装置及采用现有的半导体材料制作装置的半导体材料生长速率与氯化氢气体流量的关系曲线图。
图7是本发明实施例所提供的第二管体部具有多个出气口的半导体材料制作装置的结构示意图。
图8是本发明所提供的具有多个第一进料管的半导体材料制作装置的结构示意图。
图9是本发明实施例所提供的第一进料管为方形管的半导体材料制作装置的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。
参见图3，本发明第一实施例所提供的半导体材料制作装置10包括：一个反应腔11，一个第一进料管12以及一个第二进料管13。
所述反应腔11可设置在高炉(图未示)内，以用于提供外延生长半导体材料的温度(例如，900~1200℃)及压力(例如，0.5~1atm)环境。所述反应腔11内设置有一个承载座110，其侧壁设置有一个第一开口112，一个第二开口114以及一个气体出口116。所述承载座110用于承载生长半导体材料用的基底20，如蓝宝石(Sapphire)。所述第一开口112、第二开口114分别用于与所述第一进料管12、第二进料管13密封连通，从而第一原料气体、第二原料气体可通过第一进料管12、第二进料管13流入反应腔11内。所述气体出口116用于排除反应腔11内的反应废气。
所述第一进料管12设置在反应腔11内，其与所述第一开口112密封连通，用于向反应腔11内提供第一原料气体。该第一进料管12的材质可为石英，其为圆形管。该第一进料管12包括第一管体部120及第二管体部122。
所述第一管体部120包括一个进气口1200，一个出气口1202以及一个原料放置区1206。所述进气口1200、出气口1202位于原料放置区1206的两侧，该进气口1200可与设置在反应腔11外部的气源(图未示)相连通，而该出气口1202与第二管体部122相连通。所述原料放置区1206用于容纳熔融态的三族金属1208，例如镓、铝、铟或其组合。来自外部气源的卤素气体，例如氯化氢气体，可从进气口1200流至原料放置区1206，并与原料放置区1206内的熔融态的三族金属1208反应以形成三族金属卤化物而作为第一原料气体，该第一原料气体从出气口1202流向第二管体部122。
所述第二管体部122包括一个进气口1220及一个出气口1222，该第二管体部122与第一管体部120可拆卸地连接在一起。本实施例中，所述第二管体122的进气口1220的口径略大于所述第一管体部120的出气口1202，从而第一管体部120的出气口1202可伸入第二管体部122的进气口1220，进而相互套接在一起。所述第一原料气体可从第一管体部120的出气口1202流出，并从该第二管体部122的进气口1220流入第二管体部122内，再从第二管体部122的出气口1222流出至反应腔11并流向基底20的上表面200。
优选的，该第一管体部120的出气口1202与第二管体部122的进气口1220相连接位置的周缘还套设有密封装置124，例如密封圈，从而密封第一管体部120与第二管体部122的连接处。
更优选的，该第一进料管12还包括固定装置126，例如螺丝或插销等，其可设置在第一管体部120与第二管体部122的连接处，以固定住所述第一管体部120与第二管体部122。
需要说明的是，第一管体部120与第二管体部122的连接并不局限于上述方式，例如：(a).所述第一管体部120与第二管体部122还可分别与一连接管(图未示)的两端相连，从而由该连接管将第一管体部120与第二管体部122连接在一起；(b).所述第一管体部120的出气口1202的口径略大于第二管体部122的进气口1220，从而第二管体部122的进气口1220可伸入第一管体部120的出气口1202而套接在一起。
另外，所述第一进料管12的材质还可为陶瓷，如热解氮化硼(Pyrolytic BoronNitride，PBN)、氮化硼(Boron Nitride，BN)等，也可为高熔点金属，如钨、钼等，还可为铝氧化物(AlxOy)等，从而可更好的避免三族金属氮化物在第一进料管12的第二管体部122的出气口1222处的沉积。
所述第二进料管13设置在反应腔11内，其与所述第二开口114密封连通，用于向反应腔11内提供第二原料气体，如氨气。该第二原料气体与第一原料气体在反应腔11内混合并反应，以在基底20的表面外延生长氮化镓。该第二进料管13可为圆形管或方形管，本实施例中该第二进料管13为方形管。
本实施例所提供的半导体材料制作装置10的第一进料管12包括可拆卸地连接在一起的第一管体部120和第二管体部122，当第二管体部120的出气口1222处沉积有氮化镓时，可将该第二管体部122单独取下以进行更换而无需更换第一管体部120，其可避免因更换第一管体部120而造成污染并影响半导体材料的品质，并可保证第一原料气体的进气速度，进而确保半导体的高生产效率。
参见图4，本发明第二实施例提供的一种半导体材料制作装置30，其与上述半导体材料制作装置10的结构大致相同。该半导体材料制作装置30也包括一个用于承载基底20的反应腔31，以及分别用于向反应腔31内提供第一、第二原料气体的一个第一进料管32及一个第二进料管33。
所述第一进料管32包括一个第一管体部320以及一个第二管体部322，所述第二管体部322包括一个出气口3222；所述第二进料管33包括一个出气口330，所述出气口3222的开口方向与出气口330的开口方向相交，从而使得分别从出气口3222及出气口330流入反应腔31的第一原料气体及第二原料气体可充分地混合在一起，其可更有效地提高半导体材料的生长速率。
优选的，出气口3222的开口方向与出气口330的开口方向垂直如图5所示)。所述第二进料管33的出气口330的开口方向垂直于纸面，而第二管体部的出气口3222的开口方向与纸面平行，也即出气口330的开口方向与出气口3222的开口方向垂直。如此设计可使出气口3222、330流出的第一、第二原料气体的气流在开口方向设计的作用下，相互垂直地分别流向基底20的上表面。参见图6，与现有的采用“平行气流”方式下半导体的生长速率(图6中虚线所示)相比，采用本实施例的“相互垂直气流”的气流方向设计，可明显提升半导体在基底20上的生长速率(图6中实线所示)，从而可进一步提高半导体的生产效率。
需要说明的是，所述第二管体部322的出气口3222的开口的数目并不局限于一个，该第二管体部322也可包括二个(如图7所示)、三个或更多个开口方向相互平行的出气口3222。另外，所述第一进料管32的数目也不局限为一个，其可为两个(如图8所示)或更多个，其中单个进料管32的各个出气口3222之间的开口方向可相互平行或相交，而多个进料管32之间的出气口3222开口方向也可相互平行或相交；所述第一进料管32也不局限于为圆形管，其还可以是方形管(如图9所示)等其他形状的管体。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，如适当变更第一管体部与第二管体部的形状或连接方式，适当变更第二管体部出气口的数目或开口方向等，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

  1. 【权利要求1】一种半导体材料制作装置，其用于在一基底上外延生长半导体材料，该半导体材料制作装置包括一反应腔，一第一进料管以及一第二进料管，所述反应腔用于容纳所述基底，所述第一进料管以及第二进料管与反应腔相连通并分别用于向所述反应腔提供第一原料气体以及第二原料气体，其特征在于：所述第一进料管包括第一管体部及第二管体部，该第一管体部与第二管体部可拆卸地连接在一起。
  2. 【权利要求2】如权利要求1所述的半导体材料制作装置，其特征在于，所述第一管体部与第二管体部相互套接在一起。
  3. 【权利要求3】如权利要求1或2所述的半导体材料制作装置，其特征在于，所述第一进料管还包括设置在第一管体部与第二管体部的连接处周缘的密封装置，用于密封该第一管体部与第二管体部的连接处。
  4. 【权利要求4】如权利要求1或2所述的半导体材料制作装置，其特征在于，所述第一进料管还包括设置在第一管体部与第二管体部的连接处的固定装置，用于固定住该第一管体部及第二管体部。
  5. 【权利要求5】如权利要求1所述的半导体材料制作装置，其特征在于，该第二管体部包括将第一原料气体从第一进料管中导入反应腔的第一出气口，所述第二进料管包括将第二原料气体从第二进料管中导入反应腔的第二出气口，该第一出气口与第二出气口的开口方向相交。
  6. 【权利要求6】如权利要求5所述的半导体材料制作装置，其特征在于，所述第一出气口与第二出气口的开口方向垂直。
  7. 【权利要求7】如权利要求5所述的半导体材料制作装置，其特征在于，所述第一出气口的数目为多个，该多个出气口的开口方向相互平行。
  8. 【权利要求8】如权利要求5所述的半导体材料制作装置，其特征在于，所述第一出气口的数目为多个，该多个出气口的开口方向相交。
  9. 【权利要求9】如权利要求1所述的半导体材料制作装置，其特征在于，所述第一进料管的材质为陶瓷、钨、钼或铝氧化物。
  10. 【权利要求10】如权利要求1所述半导体材料制作装置，其特征在于，所述第一管体部包括一进气口、一原料放置区以及一出气口，该进气口与反应腔外部相连通以用于通入卤素气体，该原料放置区用于容纳熔融态的三族金属，该出气口与第二管体部相连通，所述卤素气体进入进气口后与原料放置区的熔融态的三族金属发生反应而形成三族金属卤化物，该三族金属卤化物作为第一原料气体由出气口流入第二管体部内。
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CN107983291A (zh) * 2017-10-28 2018-05-04 株洲冶炼集团股份有限公司 一种制备无水氯化镓的装置及其方法

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