CN101892467A - 一种集成化多反应室流水作业式外延生长方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成化多反应室流水作业式外延生长方法及系统，用于LED或类似化合物半导体多层异质结的制备。该方法和系统采用多个串联的MOCVD反应室，每个反应室工作在相应不同外延层而独立设定的温度和压力下，输入相应的反应气体和/或掺杂气体，利用传送机构使待生长的晶片按生长顺序依次进入不同的反应室生长相应的外延层，从而使生长过程的温度、压力控制和气体输入控制大为简化，避免了不同外延层间的交叉污染，使生长质量和产量大大提高，成本大大降低。

Description

一种集成化多反应室流水作业式外延生长方法及系统

技术领域

本发明涉及微电子与光电子器件的制备工艺，尤其涉及制备发光二极管等具有化合物半导体异质结的器件的金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延工艺技术。

背景技术

金属有机化学气相沉积(MOCVD)是制备发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)和大功率电子器件的关键技术，特别是在制备GaN基蓝绿光LED方面具有广泛的应用前景和市场需求。在GaN基LED薄膜生长中，一般是将三甲基镓(Ga(CH₃)₃或TMGa)，三甲基铝(Al(CH₃)₃或TMAl)，三甲基铟(In(CH₃)₃或TMIn)和氨气(NH₃)，以及掺杂元素SiH₄，Cp₂Mg等同时引入反应室，反应气体在高温衬底上方和表面发生化学反应，生成GaN、AlN等分子沉积在衬底表面。GaN薄膜生长的主要的化学反应方程式为：

Ga(CH₃)₃(g)+NH₃(g)＝GaN(s)+3CH₄(g)

上式中，g表示气态，s表示固态。

尽管用GaN制备LED的技术取得了巨大的进展，但仍存在大量的技术屏障有待克服。例如：由于缺少合适的同质外延衬底，从而造成大的晶格失配；由于生长所需的高温引起热对流和气相寄生反应，从而造成生长厚度和组分的不均匀；由于N的高分解压强使得p掺杂困难；以及由于多达几十步的生长步骤带来复杂的操作和质量控制困难等。这些障碍影响了GaN薄膜沉积的质量，进而影响LED亮度的提高和成本的降低。

到目前为止，大多数GaN基LED的生长都以蓝宝石(α-Al₂O₃)为晶片，首先利用MOCVD技术，在蓝宝石衬底上生长一层GaN或AlN缓冲层(多晶成核层)，解决GaN与蓝宝石之间大的晶格失配和热膨胀系数差异；然后用相同的方式在缓冲层上生长掺杂(Mg、Al、In等元素)的InGaN/AlGaN异质结，构成p-n结发光层。现阶段常用的LED晶片大多为InGaN/AlGaN双异质结合金，通过改变合金的成分配比，可以改变量子跃迁的能级，从而得到不同的发光波长。

图1示出一典型的以蓝宝石为衬底的GaN基LED结构10，包括主要异质结的典型厚度和组分。在实际生长中，不同的层结生长需要不同的气体组分和不同的生长温度。典型的GaN基蓝光LED异质结的生长步骤如下：

(1)首先将(0001)晶向的蓝宝石晶片11送入反应室中，在H₂气氛下，将晶片加热到约1050℃，对表面进行高温清洗。然后将晶片降温到约550℃到650℃之间，通入反应气体TMGa和NH₃，在N₂/H₂载气的携带下进入反应室，TMGa和NH₃在晶片上受热分解出Ga原子和N原子，在蓝宝石晶片11上沉积一层GaN多晶薄膜，构成缓冲层或形核层12，厚度约

(2)接着将晶片升温至1050℃，在继续通入反应气体TMGa和NH₃的同时，通入适量的SiH₄，以其中的Si作为n型掺杂剂，生长一层相对较厚的n-GaN层13，厚度约3-4μm；

(3)接着将晶片温度降至750℃到850℃之间，在继续通入反应气体TMGa和NH₃的同时，通入TMIn气体，生长InGaN/GaN多量子阱结构14，其阱和垒的厚度分别约为

(4)接着将晶片升温至950℃，在继续通入反应气体TMGa和NH₃的同时，通入TMAl气体，以及适量的Cp₂Mg，以其中的Mg作为p型掺杂剂，生长一层很薄的p-AlGaN层15，以构成p-n结，其厚度约为

(注：此层在某些LED结构中可以省略)；

(5)最后将晶片升温至1050℃，除断开TMAl气体外，其余过程与步骤(4)类似。以Mg作为p型掺杂剂，生长一层较厚的p-GaN接触层16，厚度约0.2-0.4μm。

由上述步骤可知，这种MOCVD系统的生长方式存在一些缺点：

1.产率低下：从蓝宝石衬底制备LED的MOCVD生长需经历至少4到5个不同的温度台阶，在每个温度台阶需供给不同的反应气体种类和浓度，而且上述一系列生长步骤都是在同一个MOCVD反应腔内完成。这种温度和气体的变换需要较长时间，大大降低了产率。

2.难于获得陡峭界面，且在不同外延层间存在交叉污染：为了获得陡峭的异质结(不同的组分和厚度)，这些台阶的温度陡度和反应气体浓度陡度都需尽可能大，这对MOCVD反应器的温度控制和气流控制都提出了极高的要求。由于普通石墨托盘的较大热惯性，以及掺杂气体在反应腔内的残留效应，形成不同外延层间的交叉污染，使得LED的异质结生长在传统的MOCVD过程中非常困难，很容易产生缺陷。

3.重复性、可靠性差：由于生长质量对温度、压强、浓度等参数的微量变化极为敏感，使LED的质量重复性很难得到保证。

现有的各种有关LED异质结制备的发明，如中国发明专利和专利申请“一种发光二极管及其制备方法”(申请号：200410089599.7)、“蓝宝石衬底上的多量子阱紫外LED器件及制作方法”(申请号：200910021779.4)、“MOCVD生长氮化物发光二极管结构外延片的方法”(申请号：02155061.1)等，都是在同一个MOCVD反应腔内完成多层异质结的制备，因此都存在上面提到的各种困难。有必要提出一种新的外延生长方法及设备，解决上述化合物半导体异质结制备中存在的困难。

发明内容

针对LED等化合物半导体多层异质结在MOCVD反应器中生长时需经历多个不同的温度台阶，需供给不同的反应气体种类和浓度，造成生长过程复杂和质量控制困难，本发明提出一种适合大规模生产的多反应室流水作业式外延生长系统和相应的生长方法，使LED或类似的化合物半导体多层异质结的每个外延层(多量子阱可视为一个外延层)分别在不同的反应室中独立生长，从而使生长过程的温度、压力控制和气体输送控制大大简化，使反应室中各工序完成后残留的杂质气体的交叉污染大大减少，使LED的质量和产率大大提高。

本发明采用如下的技术方案：

一种化合物半导体多层异质结的外延生长方法，采用多个串联的金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应室，每个反应室工作在相应不同外延层而独立设定的温度和压力下，输入相应的反应气体和/或掺杂气体，待生长的晶片按生长顺序依次进入不同的反应室生长相应的外延层。

上述生长方法通常是利用传送托盘承载待生长的晶片，该传送托盘可在各个MOCVD反应室中顺序移动，使待生长的晶片在不同的反应室中顺序传递，构成流水作业。

上述生长方法中，为了避免不同反应室之间交叉污染，一种可选择的方式是前后顺序的两个相邻反应室之间通过互锁真空室(LOADLOCK)联接，晶片从一个反应室出来后先进入互锁真空室，在互锁真空室内通过惰性气体冲洗和真空泵抽吸，清除晶片在上一道工序中的残留气体，然后再进入下一个反应室，从而保证晶片在上一个反应室工序中携带的残留气体在进入下一个反应室之前被充分排除，而不会被晶片带入下一个反应室。另一种可选择的方式是，不采用复杂的互锁真空室，而是将多个串联的MOCVD反应室置于同一个大的真空容器中，晶片从一个反应室出来后先在该真空容器中通过惰性气体冲洗和真空泵抽吸，清除上一道工序的残留气体，然后再进入下一个反应室。这两种方法都是利用惰性气体不断地稀释，真空泵不断地抽吸，排除移动晶片从上一个反应室带出的尾气，以防止各反应室之间气体的互混。

本发明还提供了实现上述外延生长方法的一种集成化多反应室流水作业式外延生长系统，包括多个MOCVD反应室和将这些反应室串联在一起的传送机构；每个反应室分别用于生长多层异质结的一个外延层(多量子阱可视为一个外延层)，工作在相应不同外延层而独立设定的温度和压力下，输入相应的反应气体和/或掺杂气体；传送机构将待生长的晶片按生长顺序依次送入不同的反应室生长相应的外延层。

所述传送机构通常包括移动机构、传送托盘和驱动机构，传送托盘用于承载晶片，由移动机构携带移动，而驱动机构驱动移动机构。

为了避免不同反应室之间交叉污染，上述外延生长系统一种可选择的设计是将前后顺序的两个相邻反应室之间通过互锁真空室联接，互锁真空室用于清洗刚离开上一反应室、待进入下一反应室的晶片。所述互锁真空室设置有不断通入惰性气体的装置和抽真空装置，通过惰性气体不断地稀释和真空泵不断地抽吸作用，排除晶片从上一个反应室出炉后带出的尾气。

另一种可选择的设计是将这多个反应室设置在同一个大的的真空容器中，该真空容器也设置有通入惰性气体的装置和抽真空装置。晶片从一个反应室出来后先在该真空容器中通过惰性气体冲洗和真空泵抽吸，清除上一道工序的残留气体，然后再进入下一个反应室。

本发明提供的外延生长方法和系统是一种集成化多反应室流水作业式的外延生长方法和系统，用于生长发光二极管和类似的化合物半导体异质结。该方法和系统中的每个MOCVD反应室承担一道工序(即生长异质结的一层，但也可以包括冲洗工序)，一般反应室的数量对应于所沉积的异质结的层数，待生长的晶片通过传送托盘在各个反应室之间顺序传递，构成流水作业的方式。每个反应室通入不同的反应气体和/或掺杂气体，保持不同的恒定温度或略有变化。每个反应室通入的反应气体和加热的温度，取决于该异质结生长所需的气体和温度。

本发明的外延生长方法和系统适用于各种化合物半导体异质结的生长。例如，对于从蓝宝石晶片生长LED异质结，分别在多个不同的反应室内进行，参见图2，从蓝宝石衬底生长LED异质结的五道主要工序：生长GaN多晶缓冲层、n型GaN层、InGaN多量子阱层、p型AlGaN层、p型GaN接触层，分别在五个不同的反应室100，200，300，400，500内依次进行。每个反应室内保持不同的温度，通入不同的反应气体，在传送托盘的携带下，蓝宝石晶片在不同的反应室中顺序进出。对于从氮化镓晶片生长LED异质结，则可减少一个反应室(不需生长GaN多晶缓冲层)，如图3所示，从GaN衬底生长LED异质结的四道主要工序：生长n型GaN层、InGaN多量子阱层、p型AlGaN层、p型GaN接触层，分别在四个不同的反应室600，700，800，900内依次进行。由于GaN衬底提供了同质外延，因此前述的缓冲层生长反应室被省略，在GaN衬底上可以直接生长n型GaN。根据器件结构的不同要求，也可以把HVPE系统或/和MBE系统集成化到上述流水作业式的外延生长系统中。

附图说明

图1是本发明实施例生长的一种典型的以蓝宝石晶片为衬底的GaN基LED结构。

图2是本发明从蓝宝石衬底生长LED异质结的一种流水作业流程图。

图3是本发明从GaN衬底(或GaN/Al₂O₃等复合衬底)生长LED的一种流水作业流程图。

图4示出流水作业式生长LED的两顺序联接的反应室100和200以及二者之间的互锁真空室222。

图5是所有反应室包含在一个大的真空容器中的外延生长系统示意图。

具体实施方式

下面结合图1、图2和图4，进一步说明本发明用于以蓝宝石晶片为衬底的LED异质结生长的实施。

在蓝宝石衬底上生长图1所示的LED，其流水作业式制备流程如图2所示，图4是其中两个顺序联接的反应室100和200以及二者之间的互锁真空室222结构示意图。利用可移动的石墨托盘102和移动机构106，使晶片在多个MOCVD反应室中顺序移动，同时利用互锁真空室222，通过惰性气体冲洗和真空泵抽吸，清除晶片在上一道工序中的残留气体，保证不同反应室之间的气体不互混。具体制备过程是：

(1)首先一次性地将多片(约10～100片)蓝宝石晶片11置于可移动的石墨托盘102上，传送带106携带石墨托盘102和蓝宝石晶片11，在驱动机构110的驱动下，通过反应室前门101进入反应室100，在加热器104的正上方停止。将晶片加热到约1050℃，同时通入H₂气体，进行高温清洗。然后通入一定比例的反应气体TMGa和NH₃，以N₂/H₂为载气，从进口喷淋头108喷下(反应器气体出口未示出)。TMGa和NH₃在晶片上受热分解出Ga原子和N原子，在(0001)晶向的蓝宝石晶片11上沉积一层GaN多晶薄膜(本征GaN)，构成缓冲层或形核层12，厚度约

然后开启反应室100与加载互锁真空室222之间的的联接门103，使石墨托盘102携带晶片进入互锁真空室222清污，利用惰性气体105冲洗，以及真空泵(未示出)抽吸，去掉石墨托盘102和晶片上的气体杂质。

(2)开启反应室200与加载互锁真空室222之间的的联接门201，使石墨托盘102携带着晶片进入第二个反应室200，在加热器204的正上方停止。将晶片升温至1050℃，反应气体从喷淋头208喷下。该反应室通入反应气体TMGa、NH₃和微量的SiH₄，以其中的Si作为n型掺杂剂，生长一层相对较厚的n-GaN层13，厚度约4μm；

(3)接着石墨托盘102携带着晶片通过反应室200与反应室300之间的互锁真空室203的联接门，进入第三个反应室300(附图中未再示出，但结构与前面的反应器类似)，晶片温度降至750℃，该反应室通入反应气体TMGa、NH₃和TMIn气体，生长InGaN多量子阱结构14，其厚度约为

(4)接着使石墨托盘102携带着晶片通过反应室300与反应室400之间的互锁真空室的联接门，进入第四个反应室400，晶片升温至950℃，通入反应气体TMGa、NH₃、TMAl气体，以及适量的Cp2Mg，以其中的Mg作为p型掺杂剂，生长一层很薄的p-AlGaN层15以构成p-n结，其厚度约为

(5)最后使石墨托盘102携带着晶片通过反应室400与反应室500之间的互锁真空室的联接门，进入第五个反应室500，将晶片升温至1050℃，除了断开TMAl气体外，其余反应气体与步骤(4)相同，以Mg作为p型掺杂剂，生长一层较厚的p-GaN接触层16，厚度约0.4μm。

图5显示了前后两个反应室联接的另一种实施方式，即不需要互锁真空室，将所有反应室置于一个大的真空容器310中，此真空容器连续通入惰性气体312，冲洗进入每个反应室之前的晶片，同时利用真空泵314连续地将各反应室开启时漏出的尾气抽吸到系统外的尾气处理装置(未示出)，保证不同反应室之间的气体不互混。除了不需要互锁真空室外，该实施方式的其余部件与图4相同。

以上通过实施例详细描述了本发明外延生长方法及其系统，本领域的技术人员应当理解，在本发明的精神和实质范围内可以进行各种变换和改进，本发明的实施也不局限于LED的制备，可以推广于其他相关的化合物半导体异质结的生长。本发明的保护范围视权利要求书而定。

Claims (8)

1.一种化合物半导体多层异质结的外延生长方法，采用多个串联的金属有机化学气相沉积反应室，每个反应室工作在相应不同外延层而独立设定的温度和压力下，输入相应的反应气体和/或掺杂气体，待生长的晶片按生长顺序依次进入不同的反应室生长相应的外延层。

2.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，利用传送托盘承载待生长的晶片，该传送托盘在各反应室中顺序移动。

3.如权利要求1或2所述的外延生长方法，其特征在于，两个相邻反应室之间通过互锁真空室联接，晶片从一个反应室出来后先进入互锁真空室，在互锁真空室内通过惰性气体冲洗和真空泵抽吸，清除晶片在上一道工序中的残留气体，然后再进入下一个反应室。

4.如权利要求1或2所述的外延生长方法，其特征在于，多个串联的反应室置于同一个真空容器中，晶片从上一个反应室出来后，先在该真空容器中通过惰性气体冲洗和真空泵抽吸，清除上一道工序的残留气体，然后再进入下一个反应室。

5.一种化合物半导体多层异质结的外延生长系统，包括多个金属有机化学气相沉积反应室和将这些反应室串联在一起的传送机构；每个反应室分别用于生长多层异质结的一个外延层，工作在相应不同外延层而独立设定的温度和压力下，输入相应的反应气体和/或掺杂气体；传送机构将待生长的晶片按生长顺序依次送入不同的反应室生长相应的外延层。

6.如权利要求5所述的外延生长系统，其特征在于，所述传送机构包括移动机构、传送托盘和驱动机构，其中，传送托盘用于承载晶片，由移动机构携带移动，而驱动机构驱动移动机构。

7.如权利要求5或6所述的外延生长系统，其特征在于，两个相邻反应室之间通过互锁真空室联接，所述互锁真空室设置有通入惰性气体的装置和抽真空装置，通过惰性气体冲洗和真空泵抽吸，排除晶片从上一个反应室中带出的残留气体。

8.如权利要求5或6所述的外延生长系统，其特征在于，多个反应室设置在同一个真空容器中，该真空容器设有通入惰性气体的装置和抽真空装置，晶片从一个反应室出来后，先在该真空容器中通过惰性气体冲洗和真空泵抽吸，清除上一道工序的残留气体，然后再进入下一个反应室。

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