CN101418469A - Iii族氮化物半导体制造系统 - Google Patents

Iii族氮化物半导体制造系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种III族氮化物半导体制造系统，其中转轴转动不被中断。该III族氮化物半导体制造系统包括具有开口的反应容器；置于反应容器内部并容纳有包括至少III族金属和碱金属的熔体的坩埚；支撑坩埚并具有通过所述开口从反应容器内部延伸至反应容器外部的转轴的保持单元；覆盖转轴位于反应容器外部的部分并在所述开口处连接至反应容器的转轴盖；位于反应容器外部并调节转轴的转动驱动单元；连接至转轴盖并将包括至少氮的气体供给至转轴和转轴盖之间的间隙中的供给管，其中所述气体和所述熔体反应以生长III族氮化物半导体晶体。

Description

III族氮化物半导体制造系统
技术领域
本发明涉及III族氮化物半导体制造系统，更具体涉及基于利用碱金属的助熔方法的III族氮化物半导体制造系统。
背景技术
通常已知基于Na(钠)助熔方法的III族氮化物半导体晶体生长方法。该方法是在晶种表面上的GaN(氮化镓)晶体生长方法。该工艺是在几十个大气压下使氮与保持在约800℃下的熔融的Na和Ga反应。
在基于Na助熔方法的晶体生长方法中，为了提高晶体均匀性和晶体生长稳定性，采用诸如转动坩埚或转动晶种的方式(参见JP-A-2005-187317和JP-A-2007-254161)。为了实现坩埚或晶种的转动，在支撑坩埚或晶种的制造系统上设置有转轴。
然而，在该方法中，存在由于晶体生长期间蒸发的Na进入反应容器和转轴之间的间隙所引起的问题。第一示例性问题是液化或固化的Na中断转轴的转动。另一个示例性问题是转轴不能垂直上下移动。该缺陷使得难以从反应容器中取出坩埚或晶体。特别是在Na固化的情况下，必须加热转轴以使固化的Na熔融。
发明内容
针对以上情况做出本发明，本发明的一个目的是提供一种不中断转轴转动和移动的III族氮化物半导体制造系统。
为了实现所述目的，根据本发明的第一方面，提供一种III族氮化物半导体制造系统，其包括具有开口的反应容器；置于反应容器内部并容纳有包括至少III族金属和碱金属的熔体的坩埚；支撑坩埚并具有通过所述开口从反应容器内部延伸至反应容器外部的转轴的保持单元；覆盖转轴位于反应容器外部的部分并在所述开口处连接至反应容器的转轴盖；位于反应容器外部并调节转轴的转动驱动单元；连接至转轴盖并将包括至少氮的气体供给至转轴和转轴盖之间的间隙中的供给管，其中所述气体与所述熔体反应以生长III族氮化物半导体晶体。
根据本发明的第二方面，提供一种III族氮化物半导体制造系统，其包括具有开口的反应容器；置于反应容器内部并容纳有包括至少III族金属和碱金属的熔体的坩埚；支撑晶种并具有通过所述开口从反应容器内部延伸至反应容器外部的转轴的保持单元；覆盖转轴位于反应容器外部的部分并在所述开口处连接至反应容器的转轴盖；位于反应容器外部并调节转轴的转动驱动单元；连接至转轴盖并将包括至少氮的气体供给至转轴和转轴盖之间的间隙中的供给管，其中所述气体、所述晶种和所述熔体反应以生长III族氮化物半导体晶体。
在本发明的第一和第二方面中，尽管通常使用Na作为碱金属，但是也可以使用K(钾)。此外，诸如Mg(镁)和Ca(钙)的碱土金属或Li(锂)也可以混入。此外，含氮气体是指含有氮分子或氮化合物气体的单一气体或混合气体并且可以包括不活泼气体例如稀有气体。
此外，除了连接至转轴盖的供给管以外，还可以设置连接至反应容器的单个或多个供给管。
根据在本发明的第一或第二方面中阐明的本发明第三方面，转轴具有第一磁体并且转动驱动单元具有第二磁体，从而通过第一和第二磁体之间的磁耦合来转动和移动转轴。
根据本发明的第一或第二方面，在晶体生长期间含有至少氮的气体不断流入转轴和转轴盖之间的间隙中，从而可以防止蒸发的Na进入所述间隙。因此，转轴的转动和移动不被中断。结果，提高了晶体均匀性，从而可以制造高质量的III族氮化物半导体。此外，由于转轴的移动在晶体生长后也不中断，因此可以利于取出坩埚或III族氮化物半导体晶体。
此外，根据本发明的第三方面，转动驱动单元的构造简单，并且可以控制转轴使得反应容器的内部和外部之间的联系被转轴盖所切断。
根据在本发明的第二和第一方面中阐明的本发明第四方面，反应容器具有包括内容器和外容器的双重结构。优选地，在外容器的内部和内容器的外部安装加热器。优选地，外容器具有开口。优选地，所述开口由外容器和内容器所共有。优选地，通过包含氮的气体对外容器的内部加压。
根据本发明的第四方面，由于外容器31负责压力，而内容器32通过反应容器30内部的加热器被加热，因此实现了高效的晶体生长。
附图说明
图1示出实施方案1的III族氮化物半导体制造系统的构造。
图2示出实施方案2的III族氮化物半导体制造系统的构造。
图3示出实施方案3的III族氮化物半导体制造系统的构造。
具体实施方案
下文中，将参照附图描述本发明的具体实施方案，但是本发明不限于这些实施方案。
图1是示出实施方案1的III族氮化物半导体制造系统的构造的图。如图1所示，III族氮化物半导体制造系统由以下构件制成。反应容器10和转轴盖15通过开口彼此连接。反应容器10通过加热器12加热。在反应容器10中，放置有包含Ga和Na的混合熔体19的坩埚11。坩埚11由具有转轴13的保持单元14支撑。转轴盖15覆盖转轴13的通过所述开口暴露于反应容器10外部的部分。用于供给氮气的供给管连接至转轴盖15。用于从反应容器10中排出气体的排放管17连接至反应容器10。
反应容器10由不锈钢制成并且耐压耐热。由保持单元14支撑的坩埚11放置在反应容器10的内部。
坩埚11由BN(氮化硼)制成并且放置在反应容器10内部的托盘20上。Ga和Na的混合熔体19和晶种23容纳在坩埚11的内部。
围绕反应容器10的外侧和底部设置加热器12。反应容器10内部的温度通过加热器12来控制。
保持单元14由放置有坩埚11的托盘20和连接至托盘20并且从反应容器10的内下部穿透至反应容器10外部的转轴13构成。在转轴13的外侧远端设置有磁体21。
转轴盖15覆盖在反应容器10内的转轴13的外部，并且以对反应容器10开放的方式连接至反应容器10。反应容器10的内部和外部通过转轴盖15分隔，形成由转轴13和转轴盖15之间的间隙24与反应容器10的内部限定的连续空间。
转动驱动单元18具有设置在转轴盖15的外侧部的磁体22。转轴13可以通过转动磁体22而经由磁体21转动。此外，磁体22可以沿垂直方向上下移动。通过这种垂直运动，转轴13也可以沿垂直方向上下移动。利用上述磁体，可以在反应容器10的内部和外部被转轴盖15密封的条件下控制转轴13的转动和移动。
供给管16利用阀16v连接至转轴盖15。从供给管16通过转轴13和转轴盖15之间的间隙24向反应容器10的内部供给氮气。
排放管17利用阀17v连接至反应容器10。阀17v控制通过排放管17排放至反应容器10的外部的气体量。通过控制由供给管16和排放管17的阀16v、17v供给和排放的氮气量，控制反应容器10的内部压力。
接着，描述利用实施方案1的III族氮化物半导体制造系统制造GaN晶体。
首先，通过转动驱动单元18使转轴13垂直向上移动，使得托盘20移动到反应容器10的上部。在这种状态下，将晶种23、Ga、Na放置在坩埚11的内部，并将坩埚11放置在托盘20上。在通过转动驱动单元18使转轴13垂直向下移动从而将坩埚11移动到反应容器10的内部之后，在反应容器10上安装盖子。
接着，关闭阀16v，打开阀17v，从而排出反应容器10的气氛中的气体。此后，打开阀16v，从而通过转轴13和转轴盖15之间的间隙24向反应容器10的内部供给氮气。此外，控制阀16v、17v以使反应容器10的内部压力为50atm。
接着，通过加热器12加热反应容器10的内部。为了在晶种上晶体生长GaN，将反应容器10的内部条件保持为50atm和800℃。此外，通过由转动驱动单元18转动的转轴13，使置于托盘20上的坩埚11转动以搅拌混合熔体19。在该过程中，一直从供给管16向反应容器10的内部供给氮气。
由于在GaN晶体生长期间氮气一直通过转轴13和转轴盖15之间的间隙连续流向反应容器10的内部，因此蒸发的Na没有进入所述间隙。结果，实现了坩埚11的平稳转动并且通过转动坩埚使得混合熔体19搅拌良好。因此，获得了混合熔体19的均匀组成和GaN晶体的均匀生长。
此后，反应容器的温度下降至普通室温，结束GaN晶体的制造。接着，打开反应容器10的盖子，通过转动驱动单元18使转轴13垂直向上移动以将坩埚11和生长的GaN晶体取出。在此阶段，如上所述，由于蒸发的Na没有进入限定在转轴13和转轴盖15之间的间隙中，因此实现了转轴13的平稳向上移动，并且可以容易地从反应容器10中取出坩埚11。
如前所述，在实施方案1的III族氮化物半导体制造系统中，防止在GaN晶体的生长期间蒸发的Na进入在转轴13和转轴盖15之间限定的间隙中。因此，坩埚11的转动不被中断。该优点使得混合熔体19的组成均匀。结果，提高了晶体均匀性并且制造了高质量的III族氮化物半导体。此外，在完成晶体生长后可以容易地取出坩埚11。这意味着本发明的操作效率得到改善。
图2示出实施方案2的III族氮化物半导体制造系统的构造。在实施方案2的III族氮化物半导体制造系统中，用保持单元114替代在上述实施方案1中支撑坩埚11的保持单元14。保持单元114用于支撑晶种123。
保持单元114由转轴113和固定有晶种123的固定部20制成。转轴113通过开口从反应容器10的内上部穿透至反应容器10的外部。在转轴113的位于反应容器10外部的远端处设置磁体121。此外，转轴盖115连接至反应容器在开口处的上端。转轴盖115覆盖在反应容器10中的转轴113的外部并以对反应容器10开放的方式连接至反应容器10。反应容器10的内部和外部通过转轴盖115分隔，形成由转轴113和转轴盖115之间的间隙124与反应容器10的内部限定的连续空间。供给管116连接至转轴盖115。供给管116沿其长度方向具有阀16v。
在反应容器10上方设置转动驱动单元118用以控制转轴113的转动和移动。转动驱动单元118具有磁体122。转轴113通过转动磁体122而经由磁体121转动。此外，由于磁体122垂直上下移动，使得转轴113也垂直上下移动。
除了上述构成元件或部分以外，实施方案2的III族氮化物半导体制造系统的其它构造类似于实施方案1的III族氮化物半导体制造系统中所描述的对应元件。
以下描述利用实施方案2的III族氮化物半导体制造系统制造GaN晶体。
首先，通过转动驱动单元118使转轴113垂直向上移动，使得保持单元114向上移动。在这种状态下，将Ga和Na放置在坩埚11的内部，并将坩埚11放置在反应容器10的内部。此外，将晶种123固定至保持单元114的固定部120，然后关闭反应容器10。
接着，关闭阀16v，打开阀17v，从而排出反应容器10中的气体。此后，打开阀16v，从而通过间隙124向反应容器10的内部供给氮气。此外，控制阀16v、17v以使反应容器10的内部压力为50atm。
接着，通过加热器12加热反应容器10的内部。在此阶段，反应容器10中的条件保持为50atm和800℃。在该过程中，一直从供给管116向反应容器10的内部供给氮气。
接着，使转轴113垂直向下移动，从而通过转动驱动单元118使晶种123浸没在混合熔体19中。然后，通过转动驱动单元118转动转轴113以生长GaN晶体。
由于在GaN晶体生长期间氮气一直通过所述间隙连续流向反应容器10的内部，因此蒸发的Na没有进入所述间隙。结果，实现了晶种123的平稳转动。因此，获得了GaN晶体的均匀生长。
此后，通过转动驱动单元118使转轴113垂直向上移动，从而从混合熔体19中提取晶种123。然后，反应容器10的温度下降至普通室温，结束GaN晶体的制造。此时，如上所述，由于蒸发的Na没有进入间隙124中，因此实现了转轴113平稳的垂直向上移动，并且可以容易地从反应容器10中取出所得的GaN晶体。
如前所述，同样在实施方案2的III族氮化物半导体制造系统中，由于通过间隙124供给的氮气的连续流动防止了蒸发的Na进入间隙124中，因此保持了晶种的平稳转动。该优点使得可以获得均匀的晶体。此外，由于容易从反应容器10中取出所制造的GaN晶体，因此操作效率得到改善。
图3示出第三实施方案。在该实施方案的以下说明中，省略了与第一实施方案相同的元件的具体描述。第三实施方案的独特特征在于反应容器30的结构。反应容器30具有包括内容器和外容器的双重结构。如图3所示，外容器31包围内容器32。内容器32覆盖坩埚11和保持单元14的上部。内容器32在外容器31的内壁处固定于外容器31上并具有盖子(未示出)，经由所述盖子供给晶种23、Na、Ga和其它源材料。反应容器30的开口形成在外容器31的底部，由外容器31和内容器32共有。通过该开口，保持单元14的下部延伸至转轴盖15。在内容器32和外容器31之间的空隙中，安装有加热器12。内容器32的排放管171穿过外容器31连接至内容器32，并且内容器32的供给管161连接至转轴盖24。此外，外容器31的排放管172连接至外容器的上部，并且外容器31的供给管162连接至外容器的下部。
通过由外容器31的供给管162供给的氮气将外容器31加压至优选约5MPa。该压力分布在内容器32中，从而使得氮气溶解在混合熔体19中。对内容器32加压的另一种方法是通过内容器32的供给管161向内容器32供给氮气。利用两个供给管161和162，能够单独向内容器32和外容器31加压。因此，在该构造中，由于外容器31负责压力而内容器32通过反应容器30内的加热器被加热，因而实现了高效的晶体生长。
在图3中，虽然内容器32和外容器31共有所述开口，但是其构造并不限于图3中的型式。在其它实施方案中，可以使开口仅位于外容器处或内容器处。
虽然在实施方案中使用Na作为助熔剂，但是也可以使用诸如Li和K的碱金属和诸如Mg和Ca的碱土金属或它们的混合物。而且，虽然在实施方案中将氮气供给至反应容器的内部，但是也可以使用含有氮的化合物，例如氨。作为替代方案，可以将诸如氩的惰性气体混入供给气体中。
此外，虽然在实施方案中，设置有供给管且该管仅连接至转轴盖，但是可以设置另外的一个或多个供给管连接至反应容器。
此外，虽然在实施方案中，仅使用用于转动晶种的转轴或用于转动坩埚的转轴，但是也可以提供具有这两种转轴的III族氮化物半导体制造系统。为每个转轴设置转轴盖并从分别连接至所设置的转轴盖的供给管供给氮，从而可以制造类似于通过所述实施方案制造的III族氮化物半导体晶体。
本发明可应用于基于Na助熔法制造III族氮化物半导体。

Claims (12)

1.一种III族氮化物半导体制造系统，包括：
具有开口的反应容器；
坩埚，其放置在所述反应容器的内部并容纳有包括至少III族金属和碱金属的熔体；
保持单元，其支撑所述坩埚并具有通过所述开口从所述反应容器内部延伸至所述反应容器外部的转轴；
转轴盖，其覆盖所述转轴位于所述反应容器外部的部分并在所述开口处连接至所述反应容器；
转动驱动单元，其位于所述反应容器的外部并调节所述转轴；
供给管，其连接至所述转轴盖并将包括至少氮的气体供给到所述转轴和所述转轴盖之间的间隙中；
其中所述气体和所述熔体反应以生长III族氮化物半导体晶体。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体制造系统，其中所述转轴具有第一磁体并且所述转动驱动单元具有第二磁体，从而通过所述第一和第二磁体之间的磁耦合来转动和移动所述转轴。
3.一种III族氮化物半导体制造系统，包括：
具有开口的反应容器；
坩埚，其放置在所述反应容器的内部并容纳有包括至少III族金属和碱金属的熔体；
保持单元，其支撑晶种并具有通过所述开口从所述反应容器内部延伸至所述反应容器外部的转轴；
转轴盖，其覆盖所述转轴位于所述反应容器外部的部分并在所述开口处连接至所述反应容器；
转动驱动单元，其位于所述反应容器的外部并调节所述转轴；
供给管，其连接至所述转轴盖并将包括至少氮的气体供给到所述转轴和所述转轴盖之间的间隙中；
其中所述气体、所述晶种和所述熔体反应以生长III族氮化物半导体晶体。
4.根据权利要求3所述的III族氮化物半导体制造系统，其中所述转轴具有第一磁体并且所述转动驱动单元具有第二磁体，从而通过所述第一和第二磁体之间的磁耦合来转动和移动所述转轴。
5.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体制造系统，其中所述反应容器具有包括内容器和外容器的双重结构。
6.根据权利要求5所述的III族氮化物半导体制造系统，其中所述内容器具有所述开口。
7.根据权利要求5所述的III族氮化物半导体制造系统，其中所述外容器具有所述开口。
8.根据权利要求5所述的III族氮化物半导体制造系统，其中所述内容器和所述外容器共有所述开口。
9.根据权利要求5所述的III族氮化物半导体制造系统，其中通过包含氮的气体对所述外容器的内部空间加压。
10.根据权利要求5所述的III族氮化物半导体制造系统，还包括：
安装在所述外容器内部和所述内容器外部的加热器。
11.根据权利要求7所述的III族氮化物半导体制造系统，其中所述转轴盖连接至所述外容器的所述开口。
12.根据权利要求8所述的III族氮化物半导体制造系统，其中所述转轴盖连接至所述外容器的壁处的所述开口。
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