CN102108547B

CN102108547B - 一种多片大尺寸氢化物气相外延方法和装置

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Publication number: CN102108547B
Application number: CN 201010617286
Authority: CN
Inventors: 刘鹏; 李�燮; 陆羽; 孙永健; 张国义
Original assignee: Sino Nitride Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Sino Nitride Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: CN102108547A

Abstract

本发明提供一种采用氢化物气相外延（HVPE）技术同时在多片或大尺寸衬底上生长GaN材料的方法，同时提供可以实现该方法的装置，特别是用于提供大面积生长区域的喷口。在该装置上应用本发明提供的方法，可以一次同时生长5片以上（视恒温区范围及喷口大小而定）2英寸GaN衬底或者一片以上4英寸甚至6英寸衬底。喷头设计使得氯化镓GaCl和氨NH₃在喷口处互不混合，减少喷口处的预反应，防止管路堵塞，仅在衬底表面混合，形成均匀的混合层，提高GaN产品的厚度均匀性和质量。

Description

一种多片大尺寸氢化物气相外延方法和装置

技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，具体涉及一种采用气相源气制备化合物半导体材料的方法，特别是制备III—V族化合物半导体单晶层或者自支撑单晶衬底的方法及专用设备，尤其涉及用于大面积氢化物气相外延（HVPE）沉积的喷头设计。

背景技术

光电产业是21世纪最大、最活跃的产业之一。光电产业的发展有赖于光电材料、工艺的更新与进步。 GaN基半导体材料内、外量子效率高，具备高发光效率、高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，是目前世界上最先进的半导体材料，可制成高效蓝、绿、紫、白色发光二极管（LED）和激光器。作为新兴半导体光电产业的核心材料和基础器件， GaN衬底材料的研制和规模化生产将不仅带来 IT 行业数字化存储技术的革命、推动通讯技术的发展、彻底改变人类传统照明的历史，而且在国际上具有领先优势，对机械装备制造、新材料等相关产业产生巨大的拉动作用，产生的经济效益和社会效益显著。

近年来，国际上关于GaN基材料体系的研究方兴未艾，并取得了巨大进展。目前存在的主要问题是：器件性能的进一步提高和一些新的器件的设计制作受到了衬底材料和器件结构中外延膜质量的限制。主要原因是：缺少GaN衬底。通常 GaN基LED的外延膜主要是生长在蓝宝石衬底上。而蓝宝石衬底与GaN间存在较大的晶格失配和热应力失配，严重影响晶体质量而降低LED的发光效率。同时，蓝宝石是绝缘体且导热性能不好，导致有效发光面积减小、材料的利用率降低、大面积大功率器件中的散热问题突出。蓝宝石的硬度高，难于获得InGaN激光二极管（LD）外延层的解理面，也就不能通过解理的方法得到InGaN LD的腔面，因此GaN衬底对于GaN基激光器的制作也具有特别重要意义。基于以上原因， GaN研究的竞争转移到了高质量衬底材料研制和对器件深入研究和技术开发方面上。

目前，制备GaN衬底最广泛采用的方法就是氢化物气相外延（HVPE）法，可以达到很高的生长速率（100μm/h-1000μm/h）。但一般的HVPE反应器能提供的可以均匀生长的范围有限，所以每次生长得到的衬底数量有限，限制了GaN衬底的产量，提高了生产成本。如何扩大有效的均匀生长范围，一次可以生长更多的衬底或者生长大尺寸衬底，成了HVPE反应器设计的主要目标。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种采用氢化物气相外延（HVPE）技术同时在多片或大尺寸衬底上生长GaN材料的方法，同时提供可以实现该方法的装置，特别是用于提供大面积生长区域的喷口。在该装置上应用本发明提供的方法，可以一次同时生长5片以上（视恒温区范围及喷口大小而定）2英寸GaN衬底或者一片以上4英寸甚至6英寸衬底。喷头设计使得氯化镓GaCl和氨NH₃在喷口处互不混合，减少喷口处的预反应，防止管路堵塞，仅在衬底表面混合，形成均匀的混合层，提高GaN产品的厚度均匀性和质量。

为达上述目的，本发明的一种多片大尺寸氢化物气相外延方法，采用以下的技术方案：

一种多片大尺寸氢化物气相外延方法，用于制备半导体单晶层或者自支撑单晶衬底，所述方法如下：

以水平式氢化物气相外延炉为基础，扩大生长区域的恒温区范围，设置3段以上恒温区，核心恒温区长度大于300mm，中间的恒温区用来维持生长区域的温度，提供的恒温区面积不应小于放置衬底的托盘面积；

氯化镓GaCl和氨NH₃通过载气携带，分别由不同的管路进入石英喷头，在石英喷头内各路气体互不混合，通过各自的输运通道，由相应喷口喷出；

喷口由多组同心套环组成，每组同心套环由三层同心圆环组成，每个圆环与相应的源气通道相连，保证在喷出喷口之前氯化镓GaCl和氨NH₃不会预先混合，抑制预反应的发生，每层圆环是圆柱结构或圆锥结构，用于保证有足够的横向扩散范围；

同心套环组在喷头上的排列遵循有利于控制衬底表面氯化镓GaCl浓度分布均匀的原则，采用矩形行列式排列或三角形交错排列的方式；

每层圆环的圆锥角度介于0度（圆柱）和30度（圆锥）之间；每组三层圆环中，内层圆环和中间层圆环最大内径比介于1:1.2～1:3,中间层圆环和外层圆环最大内径比介于1:1.005～1:1.4；内层圆环长度与最大内径比大于2:1，典型地应该不超过50:1；中间层圆环长度及外层圆环长度都不超过内层圆环长度的2倍；

在喷口下方放置承载待生长衬底片的托盘，托盘距离喷口的距离介于20mm至140mm之内；从喷口喷出的氯化镓GaCl和氨NH₃在到达托盘表面处混合，每个喷口下方中心处GaCl浓度与外层圆环正下方处GaCl浓度之比介于1:0.98至1:0.65之间；托盘上每片衬底中心GaCl浓度与边缘GaCl浓度差小于10%。

本发明的一种多片大尺寸氢化物气相外延装置，采用以下的技术方案：

一种多片大尺寸氢化物气相外延装置，包含有喷头本体，喷头本体的一侧设有进气口、进气口、进气口，进气口连通喷口内层圆环，进气口连通喷口中间层圆环，喷口中间层圆环连通内层圆环与中间层圆环之间的间隙；进气口连通喷口外层圆环，喷口外层圆环连通中间层圆环与外层圆环之间的间隙。

进一步，所述喷口按矩形行列式排列或按三角形交错排列；喷口下方放置承载待生长衬底片的托盘，托盘距离喷口的距离介于20mm至140mm之内。喷口由多组同心套环组成，每组同心套环由三层同心圆环组成，每个圆环与相应的源气通道相连，每层圆环是圆柱结构或圆锥结构。每层圆环的圆锥角度介于0度（圆柱）和30度（圆锥）之间；每组三层圆环中，内层圆环和中间层圆环最大内径比介于1:1.2～1:3；中间层圆环和外层圆环最大内径比介于1:1.005～1:1.4，内层圆环长度与最大内径比大于2:1，典型地应该不超过50:1；中间层圆环长度及外层圆环长度都不超过内层圆环长度的2倍。

本发明通过采用特别设计的喷头，分别调控镓源、氮源及载气的流量，达到控制衬底表面混合物特别是GaCl的浓度均匀分布，使得衬底表面的沉积速率均匀分布，减少由于厚度不均匀产生的应力影响。同时样品无需旋转，使得设备的复杂性大大降低。

可以同时生长5片以上2英寸衬底，提高单炉产量，降低生产成本。同时满足参与化学反应的反应物所需的温度条件，减少出口拥堵的问题，延长单炉生长时间，即增加了单炉衬底的生长厚度。

附图说明

图1所示为本发明实施例喷头的剖面示意图。

图2所示为本发明实施例的喷头组件底部喷口分布图，为矩形行列式排列。

图3所示为本发明实施例的喷头组件底部喷口另一分布图，为三角形交错排列。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，解析本发明的优点与精神，藉由以下结合附图与具体实施方式对本发明的详述得到进一步的了解。

本发明的技术解决方案：以水平式氢化物气相外延炉为基础，扩大生长区域的恒温区范围，设置3段以上恒温区，中间的恒温区用来维持生长区域的温度，提供的恒温区面积不应小于放置衬底的托盘面积。GaCl和NH3通过载气携带，分别由不同的管路进入石英喷头。在石英喷头内各路气体互不混合，通过各自的输运通道，由相应喷口喷出。喷口由多组同心套环组成，每组同心套环由三层同心圆环组成，每个圆环与相应的源气通道相连，保证在喷出喷口之前氯化镓GaCl和氨NH₃不会预先混合，抑制预反应的发生。每层圆环可以是圆柱结构，也可以是圆锥结构，用于保证有足够的横向扩散范围。同心套环组在喷头上的排列遵循有利于控制衬底表面GaCl浓度分布均匀的原则，可以采用矩形行列式排列，也可以采用三角形交错排列的方式，可以理解的是遵循上述原则的排列方式不限于已经提到的两种方式，其它可能的方式也在本专利保护的范围之内。

每层圆环的圆锥角度介于0度（圆柱）和30度（圆锥）之间。每组三层圆环中，内层圆环和中间层圆环最大内径比介于1:1.2～1:3,；中间层圆环和外层圆环最大内径比介于1:1.005～1:1.4。内层圆环长度与最大内径比大于2:1，典型地应该不超过50:1；中间层圆环长度及外层圆环长度都不超过内层圆环长度的2倍。

在喷口下方放置承载待生长衬底片的托盘，托盘距离喷口的距离介于20mm至140mm之内。从喷口喷出的GaCl和NH₃在到达托盘表面处混合，每个喷口下方中心处GaCl浓度与外层圆环正下方处GaCl浓度之比介于1:0.98至1:0.65之间；托盘上每片衬底中心GaCl浓度与边缘GaCl浓度差小于10%。

本发明提供了用于氢化物气相外延（HVPE）沉积的关键组件的喷头及采用这种喷头沉积大面积均匀GaN外延膜的方法。喷头本体1的一侧设有进气口2、进气口3、进气口4，进气口2连通喷口内层圆环5，进气口3连通喷口中间层圆环6，喷口中间层圆环6连通内层圆环5与中间层圆环6之间的间隙；进气口4连通喷口外层圆环7，喷口外层圆环7连通中间层圆环6与外层圆环7之间的间隙。

附图1是根据本发明一个实施例的用于实现本发明的喷头剖面示意图，图1中包括喷头本体1，进气口2、进气口3、进气口4位于喷头本体1的一侧，分别通过载气将反应所需的氯化镓GaCl和氨NH₃通入喷头。进入喷头的各路气体互不混合，分层输运到各个喷口组件。喷口内层圆环5将进气口2导入的气体喷出；喷口中间层圆环6将进气口3导入的气体从内层圆环5和中间层圆环6之间的间隙喷出；喷口外层圆环7将进气口4导入的气体从中间层圆环6和外层圆环7之间的间隙喷出。各组喷口按照特定的方式排列，如图2所示的矩形排列或者如图3所示的三角形交错排列。喷口组的排列方式不限于已经提到两种，只要满足有利于控制衬底表面GaCl浓度分布均匀的原则的排列方式都在本专利保护的范围之内。

放置用于沉积GaN衬底的托盘位于喷口的正下方，与气体喷出方向垂直，视恒温区大小，可以放置5～17片2英寸衬底。托盘的大小比喷口组所能提供的均匀沉积层面积大，保证托盘上所有衬底都可以均匀地沉积GaN。

本发明具体采用以下特别设计：

1、水平式氢化物气相外延炉，设置至少3段以上的恒温区，核心恒温区长度大于300mm ；

2、GaCl和NH₃通过载气携带，分别由不同的管路进入石英喷头。在石英喷头内各路气体互不混合，通过各自的输运通道，由相应喷口喷出；

3、喷口由多组同心套环组成，每组同心套环由三层同心圆环组成，每个圆环与相应的源气通道相连，保证在喷出喷口之前GaCl和NH₃不会预先混合，抑制预反应的发生。每层圆环可以是圆柱结构，也可以是圆锥结构，用于保证有足够的横向扩散范围；

4、同心套环组在喷头上的排列遵循有利于控制衬底表面GaCl浓度分布均匀的原则；

5、每层圆环的圆锥角度介于0度（圆柱）和30度（圆锥）之间。每组三层圆环中，内层圆环5和中间层圆环6最大内径比介于1:1.2～1:3,；中间层圆环6和外层圆环7最大内径比介于1:1.005～1:1.4。内层圆环5长度与最大内径比大于2:1，典型地应该不超过50:1；中间层圆环6长度及外层圆环7长度都不超过内层圆环5长度的2倍；

6、在喷口下方放置承载待生长衬底片的托盘，托盘距离喷口的距离介于20mm至140mm之内。从喷口喷出的GaCl和NH₃在到达托盘表面处混合，每个喷口下方中心处GaCl浓度与外层圆环正下方处GaCl浓度之比介于1:0.98至1:0.65之间；托盘上每片衬底中心GaCl浓度与边缘GaCl浓度差小于10%。

实施例一：

水平式HVPE生长系统，缓冲层生长温度700℃，生长时间30s～300s，HCl和NH₃按照1:30的比例通入反应腔，载气为氮气或者氢气，典型流量15SLM。升温至生长温度930℃～1030℃，生长GaN厚膜，时间10h，厚度700微米以上，生长条件：HCl和NH₃比例为1:30，但流量加大，HCl流量500sccm～1500sccm，载气流量根据流场调整，保证喷口下面托盘上有均匀的GaCl及NH₃分布。

生长完成后开始将托盘从生长区域拉出，通过控制拉出的速度调节降温速率。当温度高于700℃时，降温速率控制在5℃/分钟，当温度低于700℃时，降温速率增加至40℃/分钟。

以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种多片大尺寸氢化物气相外延方法，用于制备半导体单晶层或者自支撑单晶衬底，所述方法其特征在于：

每层圆环的圆锥角度介于0度和30度之间；每组三层圆环中，内层圆环和中间层圆环最大内径比介于1:1.2～1:3,中间层圆环和外层圆环最大内径比介于1:1.005～1:1.4；内层圆环长度与最大内径比大于2:1，不超过50:1；中间层圆环长度及外层圆环长度都不超过内层圆环长度的2倍；

2.一种多片大尺寸氢化物气相外延装置，包含有：喷头本体（1），其特征在于：所述喷头本体（1）的一侧设有进气口（2）、进气口（3）、进气口（4），进气口（2）连通喷口内层圆环（5），进气口（3）连通喷口中间层圆环（6），喷口中间层圆环（6）连通内层圆环（5）与中间层圆环（6）之间的间隙；进气口（4）连通喷口外层圆环（7），喷口外层圆环（7）连通中间层圆环（6）与外层圆环（7）之间的间隙；

所述喷口由多组同心套环组成，每组同心套环由三层同心圆环组成，每个圆环与相应的源气通道相连，每层圆环是圆柱结构或圆锥结构；

所述每层圆环的圆锥角度介于0度和30度之间；每组三层圆环中，内层圆环和中间层圆环最大内径比介于1:1.2～1:3；中间层圆环和外层圆环最大内径比介于1:1.005～1:1.4，内层圆环长度与最大内径比大于2:1；中间层圆环长度及外层圆环长度都不超过内层圆环长度的2倍。

3. 根据权利要求2所述的一种多片大尺寸氢化物气相外延装置，其特征在于：所述喷口按矩形行列式排列或按三角形交错排列。

4. 根据权利要求2所述的一种多片大尺寸氢化物气相外延装置，其特征在于：所述喷口下方放置承载待生长衬底片的托盘，托盘距离喷口的距离介于20mm至140mm之内。