CN101415867A - 用于制造第ⅲ族氮化物基化合物半导体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

在熔剂方法中，在将源氮气供给到Na－Ga混合物之前将其充分加热。本发明提供一种用于制造第III族氮化物基化合物半导体的设备。该设备包括：反应器，该反应器保持熔融状态的第III族金属和与该第III族金属不同的金属；用于加热反应器的加热装置；用于容纳反应器和加热装置的外部容器；和用于将至少包含氮的气体从外部容器的外面供给到反应器中的进料管。进料管具有通过加热装置与反应器一起被加热的区域，其中，该区域在外部容器内部和反应器外部被加热。

Description

用于制造第Ⅲ族氮化物基化合物半导体的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于制造第III族氮化物基化合物半导体的方法和设备。本发明涉及包括将氮气供给到诸如熔融的Na-Ga混合物的熔体的表面、由此在GaN籽晶(晶种)的表面上生长GaN的所谓熔剂方法。
背景技术
在例如以下专利文件中公开了通过熔剂方法生长基于氮化镓(GaN)和其它第III族氮化物的化合物半导体的晶体的方法。在这些方法中的之一中，在约800℃的恒定温度下在熔融的钠(Na)中溶解镓(Ga)，并且镓在约100大气压(atm)的高压下与氮反应，由此在籽晶的表面上生长氮化镓(GaN)。在图4中示出用于制造第III族氮化物基化合物半导体的示例性设备9000。该设备具有可打开/可关闭的双密封容器结构，该双密封容器结构具有耐高温高压的反应器100和外部容器200。通过设置在外部容器200中的加热装置31a、31b和31c加热反应器100，由此熔化在反应器100中包含的钠(Na)和镓(Ga)。氮气进料管10和排放管11与反应器100连接。在实施氮供给和排放的同时，反应器100的内部压力通过控制器(未示出)控制为例如100atm。
[专利文件1]日本专利申请公开公报(特开)No.2001-058900
[专利文件2]日本专利申请公开公报(特开)No.2003-313099
在熔剂方法中，用于包封反应器系统的氮气还用作形成GaN的源，并且随着反应的进展被消耗。因此，优选地，在维持系统压力的同时，适当向反应器系统供给另外的氮气。但是，当另外供给的氮气没有加热到几乎等于熔融的Na-Ga混合物温度的温度时，籽晶以外的GaN晶体随机地沉积到熔剂的表面上。该现象有损厚单晶衬底的制造效率。
发明内容
设计本发明以解决上述问题。因此，本发明的目的是，通过向反应系统供给被充分加热的源氮气，有效地在熔剂方法中在籽晶上生长晶体。
因此，在本发明的第一方面中，提供一种用于制造第III族氮化物基化合物半导体的方法，该方法包括向保持在熔融状态的包含第III族金属和与该第III族金属不同的金属的熔剂供给含氮的气体，其特征在于，在含氮的气体与熔融的物质接触之前，供给到熔剂的含氮的气体被加热到几乎等于熔融物质温度的温度。当用于本文中时，术语“含氮的气体”指的是单一成分的气体或包含氮气分子和/或气态氮化合物的混合气。例如，含氮的气体可以以希望的比例包含诸如稀有气体的惰性气体。
在本发明的第二方面中，提供一种用于制造第III族氮化物基化合物半导体的设备，该设备包括：反应器，该反应器保持熔融状态的第III族金属和与该第III族金属不同的金属；用于加热反应器的加热装置；用于容纳反应器和加热装置的外部容器；和用于将至少包含氮的气体从外部容器的外部供给到反应器中的进料管，其特征在于，进料管具有通过加热装置与反应器一起被加热的区域，其中，在外部容器内部和反应器外部加热该区域。
在本发明的第三方面中，提供一种用于制造第III族氮化物基化合物半导体的设备，该设备包括：反应器，该反应器保持熔融状态的第III族金属和与该第III族金属不同的金属；用于加热反应器的第一加热装置；用于容纳反应器和第一加热装置的外部容器；和用于将至少包含氮的气体从外部容器的外部供给到反应器中的进料管，其特征在于，进料管具有通过第二加热装置与反应器一起被加热的区域，其中，在外部容器内部和反应器外部加热该区域。
在本发明的第四方面中，提供一种用于制造第III族氮化物基化合物半导体的设备，该设备包括：反应器，该反应器保持熔融状态的第III族金属和与该第III族金属不同的金属；用于加热反应器的加热装置；用于容纳反应器和加热装置的外部容器；和用于将至少包含氮的气体从外部容器的外部供给到反应器中的进料管，其特征在于，反应器在其外周边上具有与进料管连接的升温元件，该升温元件用于在将至少包含氮的气体供给到处于熔融状态的第III族金属和与该第III族金属不同的金属之前加热穿过该升温元件的所述气体。
根据本发明，在熔剂方法中使用的源氮气可在供给到反应系统之前被充分加热。具体地，根据本发明的第二方面，设置用于加热反应器的加热装置优选适于在将含氮的气体供给到反应器之前加热用于供给含氮的气体的进料管。作为替代方案，根据本发明的第三方面，优选地设置第二加热装置，用于在将含氮的气体供给到反应器之前加热用于供给含氮的气体的进料管。作为替代方案，根据本发明的第四方面，优选地，通过设置在加热装置外周边的升温元件加热含氮的气体，然后将其供给到包含在反应器中的熔融金属。在任何情况下，根据本发明，可以以简单的方式充分地加热用作源气体的含氮的气体。因此，可以籽晶上高效地进行晶体生长而不生长无用晶体。
附图说明
图1是本发明实施方案1的用于制造第III族氮化物基化合物半导体的设备1000的结构示意图。
图2是本发明实施方案2的用于制造第III族氮化物基化合物半导体的设备2000的结构示意图。
图3是本发明实施方案3的用于制造第III族氮化物基化合物半导体的设备3000的结构示意图。
图4是用于制造第III族氮化物基化合物半导体的常规设备9000的结构示意图。
具体实施方式
本发明可应用于制造第III族氮化物基化合物半导体的方法和设备，该方法和设备采用用于实施熔剂方法的反应器、加热装置以及用于容纳反应器和加热装置的外部容器。用于供给包含氮的气体的进料管可具有任意希望的形状。例如，在进料管通过加热装置与反应器一起被加热的结构中，进料管优选设置在反应器和加热装置之间的所述空间中。在另一优选的模式中，进料管以螺旋的方式设置在空间中，并具有大的长度和容量以便充分加热。在使用相对于用于加热反应器的第一加热装置独立地设置的第二加热装置来加热进料管的情况下，第二加热装置和进料管的位置不限于在反应器与第一加热装置之间的空间，而是可置于外部容器中的任意希望的位置。
实施方案1
图1是本发明实施方案1的用于制造第III族氮化物基化合物半导体的设备1000的结构示意图。如图1所示，制造设备1000具有包含耐高温高压的反应器100和外部容器200的可打开/可关闭的密封双容器结构。反应器100具有约0.1～100L的容量，外部容器200具有约1～100m3的容量。在外部容器200中设置加热装置31a、31b和31c。加热装置31a和31b设置在反应器100的侧壁附近，加热装置31c设置在反应器100的底表面之下。通过这些加热装置31a、31b和31c，反应器100被加热到例如800～900℃。通过加热，形成包含钠(Na)和镓(Ga)的熔体(熔剂，flux)。氮进料管10和排放管11与反应器100连接。在实施氮供给和排放的同时，反应器100的内部压力通过控制器(未示出)控制为例如100atm。氮进料管10具有通过在反应器100周围螺旋缠绕氮气进料管10而形成的加热部分10a。即，通过进料管10供给的氮气在足够长的时间内穿过设置在反应器100周围的螺旋加热部分10a。当氮气穿过加热部分10a时，所述部分10a被加热装置31a、31b和31c加热到与反应器100一样高的温度(约800～900℃)。加热部分10a可以与或不与反应器100的外周边直接接触。因此，可向包含在反应器100中的熔剂的表面供给充分加热的氮，结果，可以在籽晶上选择性地生长高质量的晶体而不在熔剂的表面上形成无用的晶体。
实施方案2
图2是本发明实施方案2的用于制造第III族氮化物基化合物半导体的设备2000的结构示意图。如图2所示，制造设备2000具有包含耐高温高压的反应器100和外部容器200的可打开/可关闭的密封双容器结构。在外部容器200中设置第一加热装置31a和31b以及加热部分10b和第二加热装置32。加热装置31a和31b设置在反应器100的侧壁附近。加热部分10b由氮进料管10的一部分形成，并设置在反应器100的底表面之下。用于加热所述加热部分的第二加热装置32设置在所述加热部分10b之下。通过加热装置31a和31b加热反应器100。氮进料管10通过加热部分10b作为过渡(mediation)与反应器100连接，排放管11与反应器100连接。在实施氮供给和排放的同时，反应器100的内部压力通过控制器(未示出)控制为例如100atm。氮进料管10具有加热部分10b，在将气体供给到反应器100之前该气体在加热部分10b中被加热。加热部分10b被第二加热装置32加热。加热部分10b由诸如铜的高热导率的材料形成，使得由加热装置32辐射的热有效供给到氮。例如，加热部分10b包括与氮进料管10连接的铜基支撑，氮管道10穿过该铜基支撑。氮管道10可一次穿过该支撑，或者在穿过时使得管道关于支撑的全长来回弯曲几次。在加热部分10b中，氮接收来自环境的热能。通过使用这种结构，在气体到达反应器100之前，通过氮进料管10供给的氮在加热部分10b中被加热装置32加热到几乎等于反应器100温度的温度(约800～900℃)。因此，可向包含在反应器100中的熔剂的表面供给充分加热的氮，结果，可以在籽晶上选择性地生长高质量的晶体，而在不在熔剂的表面上形成无用的晶体。
实施方案3
图3是本发明实施方案3的用于制造第III族氮化物基化合物半导体的设备3000的结构示意图。如图3所示，制造设备3000具有包含耐高温高压的反应器150和外部容器200的可打开/可关闭的密封双容器结构。在外部容器200中设置用于晶体生长的反应器150和用于加热反应器150的加热装置31a、31b和31c。加热装置31a和31b设置在反应器100的侧壁附近，加热装置31c设置在反应器100的底表面之下。在反应器150的外侧壁上，设置升温元件50，该升温元件与反应区域152连接，但是为不同于反应区域152的元件。如图3所示，升温元件50具有路径扩展结构，使得路径扩展为具有大于反应器150的高度的长度。在实施方案3中，路径折返一次。但是，显然，路径可折返两次或更多次以延长氮气路径长度。氮进料管10与设置在反应器150的外周边上的升温元件50连接。氮经过升温元件50供给到反应器150中的反应区域152。排放管11与反应器150连接。在实施氮供给和排放同时，反应器150的内部压力通过控制器(未示出)控制为例如100atm。在气体到达反应器150之前，通过氮进料管10供给的氮在升温元件50中被加热到几乎等于反应器150内部温度的温度。即，在气体到达反应器150之前，通过氮进料管10供给的氮在升温元件50中被加热装置31a、31b和31c加热到几乎等于反应器150温度的温度(约800～900℃)。因此，充分加热的氮可供给到包含在反应器150中的熔剂的表面，结果，可以在籽晶上选择性地生长高质量的晶体，而不在熔剂的表面上形成无用的晶体。
在实施例3中，升温元件50完全设置在反应器150的外侧壁上，使得路径长度为壁高的两倍(向上和向下)。但是，作为这种结构的替代方案，可以在外侧壁上设置向上和向下行进以部分覆盖反应器150的外侧壁的导管。

Claims (4)

1.一种用于制造第III族氮化物基化合物半导体的方法，所述方法包括向保持熔融状态的包含第III族金属和与所述第III族金属不同的金属的熔剂供给含氮的气体，其特征在于，在所述含氮的气体与所述熔融物质接触之前，供给到所述熔剂的所述含氮的气体被加热到几乎等于所述熔融物质温度的温度。
2.一种用于制造第III族氮化物基化合物半导体的设备，所述设备包括：反应器，所述反应器保持熔融状态的第III族金属和与所述第III族金属不同的金属；用于加热所述反应器的加热装置；用于容纳所述反应器和所述加热装置的外部容器；和用于将至少包含氮的气体从所述外部容器的外部供给到所述反应器中的进料管，其特征在于，所述进料管在所述外部容器内部具有通过所述加热装置与所述反应器一起被加热的区域，其中，在所述外部容器内部且所述反应器外部加热所述区域。
3.一种用于制造第III族氮化物基化合物半导体的设备，所述设备包括：反应器，所述反应器保持熔融状态的第III族金属和与所述第III族金属不同的金属；用于加热所述反应器的第一加热装置；用于容纳所述反应器和所述第一加热装置的外部容器；和用于将至少包含氮的气体从所述外部容器的外部供给到所述反应器中的进料管，其特征在于，所述进料管具有通过第二加热装置与所述反应器一起被加热的区域，其中，在所述外部容器内部且所述反应器外部加热所述区域。
4.一种用于制造第III族氮化物基化合物半导体的设备，所述设备包括：反应器，所述反应器保持熔融状态的第III族金属和与所述第III族金属不同的金属；用于加热所述反应器的加热装置；用于容纳所述反应器和所述加热装置的外部容器；和用于将至少包含氮的气体从所述外部容器的外部供给到所述反应器中的进料管，其特征在于，所述反应器在其外周边上具有与所述进料管连接的升温元件，所述升温元件用于在将所述至少包含氮的气体供给到处于熔融状态的第III族金属和与所述第III族金属不同的金属之前加热穿过该升温元件的所述气体。
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