CN104603328B - 生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置及其生长方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置包括入口端、第一气体分配装置、第二气体分配装置、第三气体分配装置、出口端和冷却系统。所述第一气体分配装置由所述冷却系统加以冷却，通过所述的气体分配装置，可以在出口端形成非均匀的气体环境，减少不同种类气体之间的混合，从而减少不同气体之间的预反应。同时，本发明还揭示了一种高铝组分氮基化合物半导体的生长方法。

Description

生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置及其生长 方法
【技术领域】
本发明涉及一种半导体装备及其生长技术，特别涉及一种生长20％到100％高铝含量的氮基化合物半导体的气体分配装置及其生长方法。
【背景技术】
MOCVD被广泛用来制备III/V族，II/VI族化合物半导体。在典型的MOCVD设备中，反应物通过一定比例的载气(H2或N2)输运进入反应腔，发生裂解反应沉积在衬底上。金属有机化学源的气相反应是影响沉积薄膜和其最终的光电性能的重要因素。此外，反应区域、气体温度、基板温度、气体流场和反应压力都是影响II-VI和III-V族薄膜性能的重要因素。目前MOCVD反应室的设计主要集中于更好的控制上述几个因素。反应气体混合装置的设计是MOCVD设计的一个重要方面，它对于反应气体在基板上的均匀混合起着重要作用。
目前，MOCVD的一个最主要应用领域是LED的制备。近年来，GaN基蓝光和绿光LED的成功商业化推动了LED照明的发展。在通过MOCVD制备氮基化合物半导体的过程中，主要的反应物包括：Ga、Al、In基金属有机化合物和氨气，另外还包括一些掺杂物质及载气。除了可见光LED之外，氮基化合物半导体还可以用来制备深紫外LED，高电子迁移率薄膜晶体管和其他基于硅衬底的一些光电子器件。
AlGaN为直接带隙半导体，根据Al组分的不同，它的禁带宽度可以在3.4eV到6.2eV之间调节，因此，它经常被用来作为紫外、深紫外LED和紫外探测器的有源区材料。它也可以作为有源层和衬底之间的缓冲层来抑制位错和释放应力。应用于紫外LED时，它的Al组分要高于40％。Si衬底上的LED和高迁移率薄膜晶体管，以AlGaN/GaN超晶格结构作为缓冲层，AL组分要高于70％。在常规的MOCVD反应设备中，Al的并入比较困难。外延膜中的Al组分受到气相中的Al组分，气体流速，反应压强等因素的影响。在反应中，如果反应物的混合是均匀的，那么外延膜的Al组分会随气相反应物中Al组分的变化而变化。当气相反应物中Al组分达到某一临界点时，外延膜的Al组分会达到饱和状态，此时再增加气相反应物中Al组分将不会对外延膜的Al组分产生影响，反而会增加气相反应物中的寄生反应。此外，据报道气相反应物中过高的Al含量会导致TMAl的寄生反应，导致外延薄膜中铝含量不均匀，降低外延膜材料质量。
通过增加气体流速和降低反应压强可以减少气相反应物的寄生反应，但是降低反应压强会影响到外延膜的材料性质。也可以通过将TMAl和氨气分时注入反应腔体，从而减少寄生反应，提高外延膜中的Al组分，但是这种方法会降低金属有机源的利用率，延长了反应时间。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种用于生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置及其生长方法，以解决现有技术中在生长高Al组分氮基化合物半导体过程中存在的氮基化合物半导体材料质量不高和金属有机源利用率低的问题。
本发明提供了一种生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置，包括：入口端、出口端、第一气体分配装置、第二气体分配装置和第三气体分配装置；
所述入口端包括多个气体入口，所述的多个气体入口中至少有一个气体入口与金属有机源相连，至少一个气体入口与氨气源相连和至少一个气体入口与吹扫气体源相连；
所述出口端有多个气体分配单元，所述气体分配单元中有多个用于分配金属有机源的金属有机源分配单元和多个用于分配氨气的氨气分配单元，每一所述金属有机源分配单元和每一所述氨气分配单元互相间隔分布的；
所述第一气体分配装置包括连接所述入口端的气体连接管路，所述气体连接管路将所述金属有机源和所述氨气分隔开，并将它们分别由所述入口端输运至所述金属有机源分配单元和氨气分配单元；
所述第二气体分配装置与所述出口端相连，每一个所述第二气体分配装置包括多个气体出口和气体连接管路，所述气体连接管路将反应物气体从所述的金属有机源分配单元和氨气分配单元导出到气体出口，所述气体出口将所述反应物气体垂直地导出到所述出口端；
所述第三气体分配装置包括气体源之间切换的进口、气体连接管路和气体引出喷头，所述气体源之间切换的进口在金属有机源、氨气源和吹扫气体源之间切换，所述第三气体分配装置的气体引出喷头位于所述金属有机源分配单元和所述氨气分配单元之间并突伸出所述出口端，所述气体引出喷头将气体从喷头水平引导至所述的出口端；
所述气体分配装置和外延衬底的间距可调节，用以控制外延膜中的Al含量。
优选的，所述入口端由冷却系统冷却。
优选的，所述第一气体分配装置和所述第二气体分配装置是一体的。
优选的，所述出口端的气体出口面积占所述金属有机源气体分配单元和氨气气体分配单元下表面积的5％-75％。
优选的，所述气体分配装置的材料包括石墨、镀有保护涂层的石墨、不锈钢、碳化硅和陶瓷中的一种或者多种。
优选的，所述气体出口的内径大于0.5mm小于2mm。
优选的，每一个所述第二气体分配装置最少有10个气体出口。
优选的，所述第三气体分配装置的气体引出喷头至少有一个环绕的狭缝气体出口。
优选的，所述第三气体分配装置至少有一个气体出口，每一个所述气体出口的位置都位于两个相邻所述第二气体分配装置之间。
本发明还提供一种高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，包括：
将外延衬底加热至500℃-1350℃；
通过气体分配装置，将金属有机源、氨气和载气沿着垂直于所述外延衬底的方向注入反应空间，所述气体分配装置和外延衬底的距离小于5cm；
通过气体分配装置，在所述的反应空间形成交替的、富Al金属有机源区域和富氨气区域的不均匀气态环境,所述的每一个富Al金属有机源区域和富氨气区域是交替分布的，所述的不均匀的气态环境有利于减少不同种类气体之间的混合；
通过所述外延衬底的周期性移动，将外延衬底交替暴露于所述的富Al金属有机源区域和所述的富氨气区域进行氮化物半导体的外延生长；
调节气体分配装置和所述外延衬底的间距，用以控制外延膜中的Al含量；
生长结束后，停止反应前驱物的流入。
优选的，所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，在进行氮化物半导体的外延生长后，制备的氮化物半导体中的Al组分在15％-100％之间。
优选的，所述金属有机源包括Al基金属有机源，所述Al基金属有机源的利用率大于1。
优选的，所述反应空间具有反应压力，所述反应压力在50mbar-800mbar之间。
优选的，所述的金属有机源为TMAl、TMGa、TEGa、TMIn或者它们的混合物中的一种或多种。
优选的，所述富金属有机源区域的气体流量在0.2L/min到10L/min之间。
优选的，所述富氨气区域的气体流量在0.2L/min到8L/min之间。
优选的，所述外延衬底的材料为Al2O3，Si，SiC，AlN，AlGaN，InAlGaN。
优选的，所述外延衬底平移速度小于13m/s。
优选的，所述外延衬底转动速度小于300rpm。
优选的，所述富金属有机源的区域占反应区域的15％-85％。
优选的，所述外延衬底通过所述富金属有机源区域的时间大于4ms。
优选的，所述外延衬底通过富氨气区域的时间大于4ms。
优选的，所述的每一个富Al金属有机源区域和富氨气区域是交替分布的，用以减少金属有机源和氨气之间的气相反应所生成的颗粒。
优选的，所述的富金属有机源区域和所述的富氨气区域被氮气或者惰性气体分隔开。
优选的，还包括通入与外延衬底平行的氨气气流层来降低所述氮化物半导体的Al含量。
优选的，还包括通入与外延衬底平行的金属有机源气流层来降低所述氮化物半导体的Al含量。
与现有技术相比较，本发明的生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置和生长方法中，通过所述气体分配装置，在所述的反应空间形成交替的、富Al金属有机源区域和富氨气区域的不均匀气态环境，所述的每一个富Al金属有机源区域和富氨气区域是交替分布的，所述的不均匀的气态环境有利于减少不同种类气体之间的混合，减少了气相反应物寄生反应，提高了外延膜材料的质量，并且在不降低金属有机源的利用率的情况下生长高铝组分的氮基化合物半导体。
【附图说明】
图1是所述气体分配装置的侧视示意图
图2是气体分配装置和外延衬底间距的侧视示意图
图3a是气体引出喷头第一实施例侧视图
图3b是气体引出喷头第二实施例侧视图
图3c是气体引出喷头第三实施例侧视图
图4a是一种气体分配装置的仰视图
图4b是另一种气体分配装置的仰视图
图5a是一种气体分配装置和外延衬底存在较小间距情况下，氨气在外延衬底平面质量分布的模拟结果。
图5b是一种气体分配装置和外延衬底存在较大间距情况下，氨气在外延衬底平面质量分布的模拟结果。
图6a是时刻1气体分配装置和外延衬底反应区域的侧视示意图。
图6b是时刻2气体分配装置和外延衬底反应区域的侧视示意图。
图7是所述MOCVD装置制备的AlGaN样品的XRD扫描曲线。
图8是所述MOCVD装置制备的另一AlGaN样品的XRD扫描曲线。
图9是气体分配装置和外延衬底间距不同的情况下制备AlGaN样品的Al组分。
图10是在气相反应物不同Al比例情况下制备的AlGaN样品的Al组分变化情况。
【具体实施方式】
图1是所述气体分配装置100的侧视示意图。所述气体分配装置100包括入口端110、出口端120、第一气体分配装置、第二气体分配装置和第三气体分配装置。
所述入口端110包括多个气体入口，所述多个气体入口中至少有一个气体入口101与金属有机源相连，至少一个气体入口102与氨气源相连和至少一个气体入口103与吹扫气体源相连；
所述气体入口101用于输送金属有机源至第一气体分配装置111。所述第一气体分配装置111包括连接所述入口端110的气体连接管路。所述气体连接管路将金属有机源和氨气分隔开并将它们输运至位于出口端120的第二气体分配装置121。
所述第二气体分配装置121包括一组气体出口131和气体连接管路，所述气体连接管路用于输送金属有机源到所述气体出口131，所述气体出口131可以将所述金属有机源垂直输送至反应空间。所述第一气体分配装置111和所述第二气体分配装置121可以做成一体。
所述气体入口102用于输送氨气反应物至第一气体分配装置112，所述第一气体分配装置112包括连接所述入口端110的气体连接管路，所述气体连接管路将氨气和金属有机源分隔开并将它们输运至位于气体出口端120的第二气体分配装置122。
所述第二气体分配装置122包括一组气体出口132和气体连接管路，所述气体连接管路用于输送氨气到所述气体出口132，所述气体出口132可以将氨气垂直输送至反应空间。所述第一气体分配装置112和所述第二气体分配装置122可以做成一体。
所述输送金属有机源的第二气体分配装置121由超过10个气体出口131组成。
可选的，所述输送金属有机源的第二气体分配装置121的气体出口131的总面积大于第二气体分配装置121面积的5％，小于第二气体分配装置121面积的75％。
所述输送氨气的第二气体分配装置122由10个或超过10个气体出口132组成。
所述输送氨气的第二气体分配装置122的气体出口132的总面积大于第二气体分配装置122面积的5％，小于第二气体分配装置122面积的75％。
气体出口131和132可以是圆形的、三角形的、方形的或者是其他可以被用作气体分布的形状。可选的，所述气体出口131和132的大小介于0.5mm和2mm之间，也可以大于2mm。
所述输送金属有机源的第二气体分配装置121和所述输送氨气的第二气体分配装置122是相邻的。
气体分配装置100包含至少一个气体入口103，所述气体入口103连接至第三气体分配装置113，所述气体入口103的进气可以在金属有机源、氨气源、载气源和它们的混合气体源之间切换。所述第三气体分配装置113连接至少一个气体引出喷头123上，所述气体引出喷头123水平地输送气体至反应区域201。气体引出喷头123上有一条矩形狭缝状气体出口环绕或者在气体引出喷头123一周上分布至少一个以上相互隔离的气体出口(图未示)，每个所述气体引出喷头123的气体出口在所述第二气体分配装置121和第二气体分配装置122之间，并突伸出所述出口端120。
所述气体分配装置的材料包括石墨，镀有保护涂层的石墨，不锈钢，碳化硅和陶瓷中的一种或多种。
所述入口端110可以用冷却系统130冷却，所述冷却系统也可以放在所述出口端120。
图2是气体分配装置和外延衬底间距的侧视示意图。图2示出了气体分配装置100、反应空间201和外延衬底210。所述气体分配装置100至少有一个所述第二气体分配装置121(图未示)，可以将金属有机源和载气被输送至气体分配装置100和外延衬底210之间的反应空间201，形成富金属有机源的区域141；所述气体分配装置100至少有一个所述第二气体分配装置122，可以将氨气和载气被输送至气体分配装置100和外延衬底210之间的反应空间，形成富氨气的区域142。所述富金属有机源的区域141和所述富氨气的区域142是相邻的，且每一个所述富金属有机源的区域141和所述富氨气的区域142是互相间隔的，在反应空间201形成非均匀的气体环境。
图3a是气体引出喷头123第一实施例侧视图。所述气体引出喷头123由气体分布管路301连接至第三气体分配装置113。所述气体引出喷头123包含一组独立开口302，用于输送氮气或氢气至反应空间201。所述独立开口302流出的气体，流入富金属有机源的区域141和富氨气的区域142之间，用于防止从所述气体出口131和132出来的气体直接混合。
图3b是气体引出喷头123第二实施例侧视图。所述气体引出喷头123由气体分布管路311连接至第三气体分配装置113。所述气体引出喷头123包含一条环绕的矩形狭缝状气体出口302，输送氮气或氢气至反应区域210。所述氮气或氢气从矩形狭缝开口流出，在气体引出喷头外部形成一层均匀气流层，这一均匀气流层有助于从气体出口131和132流出的气体混合。
图3c是气体引出喷头123第三实施例侧视图。所述气体引出喷头123是上述两种气体引出喷头的综合。所述第三气体分配装置113包括：输送氢气或氮气至第一层气体引出喷头1231的气体分布管路321和输送金属有机源或氨气至第二层气体引出喷头1232的气体分布管路323。所述第一层气体引出喷头1231包含一组独立开口322，用于输送氮气或氢气至反应空间201，防止从气体出口131和132流出的气体直接混合。所述第二层气体引出喷头1232包含一条环绕的矩形狭缝状开口324，用于输送氮气或金属有机源至反应区域201，从而有助于从气体出口131和132竖直流出的气体相混合。可以独立地控制气体从所述开口322和324流出。
图4a是气体分配装置100的仰视图。图4a示出了第二气体分配装置121、第二气体分配装置122和气体引出喷头123。所述第二气体分配装置121用于输送金属有机源，所述第二气体分配装置122用于输送氨气，第二气体分配装置均为扇形结构。每一个所述第二气体分配装置121和所述第二气体分配装置122均是互相间隔分布的。所述气体引出喷头123位于气体分配装置100底面的中心，可以应用于图3a到图3c中的任何一个实例或者是不限制本发明的任何结构。
所述第二气体分配装置121竖直地输送金属有机源至反应空间201，形成富金属有机源的区域141。所述富金属有机源的区域141内的金属有机源浓度高于整个反应空间201平均金属有机源浓度的1.2倍，并且所述富金属有机源的区域141的气体流量介于0.2L/min和10L/min之间。
所述第二气体分配装置122竖直地输送氨气至反应区域201，形成富氨气的区域142。所述富氨气的区域142内的氨气浓度高于反应区域201平均氨气浓度的1.2倍。
所述气体引出喷头123水平地输送金属有机源，氨气，氮气，氢气或者它们的混合气体至反应区域。在富氨气的区域142里边的氨气浓度高于整个反应空间201平均氨气浓度的1.2倍，所述富氨气的区域142的气体流量介于0.15L/min和8L/min之间，所述富金属有机源的区域141占整个反应空间201的15％到85％之间。
图5a显示了一种气体分配装置和外延衬底较小间距情况下，氨气在外延衬底平面上质量分率分布的模拟结果。
通过软件ANSYS FLUENT对氨气在基座平面上的质量分率分布进行了模拟。如图5a所示，气体分配装置100和基座210的间距比较小。在富氨气区域142，氨气的质量分率为0.9。在富金属有机源区域141，氨气的质量分率为0.3。可以看出，在富氨气区域142，反应空间201的主要反应物是氨气，在富金属有机源区域141，反应空间201的主要反应物是金属有机源。这一结果表明，金属有机源和氨气形成了非均匀混合的状态。所述富氨气的区域142里边的氨气浓度是整个反应空间201平均氨气浓度的1.5倍，所述非均匀混合的状态可以有效抑制金属有机源和氨气的预反应消耗。因此，较多的金属有机源可以到达基座210表面，从而提高外延膜中的Al含量。
图5b是气体分配装置100和外延衬底210的间距较大情况下氨气在外延衬底平面上的质量分率分布的模拟结果。在富氨气区域142，氨气的质量分率为0.8。在富金属有机源区域141，氨气的质量分率为0.5。在富氨气区域142，氨气的浓度是整个反应空间201平均浓度的1.23倍。气体分配装置100和外延衬底210的间距越大，反应物在整个反应区域201的分布越均匀。当气体分配装置100和外延衬底210的间距大于50mm时，金属有机源和氨气完全均匀混合。所以，半导体薄膜中的Al含量可以通过控制气体分配装置100和外延衬底210的间距来加以调节。
图4b是气体分配装置100另一个实施例的仰视图。图4b示出了第二气体分配装置121、第二气体分配装置122和气体引出喷头123。
所述第二气体分配装置均为扇形结构，所述第二气体分配装置121用于输送金属有机源，所述第二气体分配装置122用于输送氨气，每一个所述第二气体分配装置121和所述第二气体分配装置122均是互相间隔分布的。所述第二气体分配装置121竖直地输送金属有机源至反应空间201，形成富金属有机源的区域141。所述第二气体分配装置122竖直地输送氨气至反应空间201，形成富氨气的区域142。
所述气体引出喷头123位于所述第二气体分配装置121和122之间，并且可以是图3a到图3c中的任何一个实例或者是不限制本发明的任何结构。所述气体引出喷头123水平地将金属有机源，氨气，氮气，氢气或者这些气体的混合物输送至反应区域201，实现对从气体出口131和132竖直流出的气体的混合进行抑制或增强。
本发明公开了一种生长高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，包括：
将外延衬底加热至500℃-1350℃；
通过气体分配装置，将金属有机源、氨气和载气沿着垂直于所述外延衬底的方向注入反应空间，所述气体分配装置和外延衬底的距离小于5cm；
通过气体分配装置，在所述的反应空间形成很多交替的、富Al金属有机源区域和富氨气区域的不均匀气态环境，所述的每一个富Al金属有机源区域和富氨气区域是交替分布的，所述不均匀的气态环境有利于减少不同种类气体之间的混合；
通过所述外延衬底的周期性移动，将外延衬底交替暴露于所述的富Al金属有机源区域和所述的富氨气区域进行氮化物半导体的外延生长；
调节气体分配装置和所述外延衬底的间距，用以控制外延膜中的Al含量；
生长结束后，停止反应前驱物的流入。
所述的富金属有机源区域和所述的富氨气区域被氮气或者惰性气体分隔开。
在所述方法的一个实例中，外延衬底210加热到500℃至1350℃，所述反应空间具有反应压力，所述反应室的压力为50mbar到800mbar。金属有机源和氨气通过气体分配装置100输送至反应区域201。形成一一互相交替的、富Al金属有机源区域141和富氨气区域142。外延衬底210以1-300rpm的转速绕轴转动。外延衬底交替处于富Al金属有机源区域141和富氨气区域142，在富Al金属有机源区域外延衬底接触的主要是金属有机源，在富氨气区域外延衬底接触的主要是氨气。所述富Al金属有机源区域141气体流量在0.2L/min到10L/min之间。所述富氨气区域的气体流量在0.2L/min到8L/min之间。氨气和金属有机源在外延衬底表面反应并生成高Al含量的氮基化合物半导体薄膜。如图6a和b所示，在时刻t1，外延衬底210a处于输送金属有机源的第二气体分配装置121下面，外延衬底210b处于输送氨气的第二气体分配装置122下面。在t2-t1时间内，外延衬底210和气体分配装置100为相对运动状态。在时刻t2，外延衬底210a处于输送氨气的第二气体分配装置122下面，而外延衬底210b处于输送金属有机源的第二气体分配装置121下面。因此，外延衬底210a和210b交替处于富Al金属有机源区域141和富氨气区域142。在富金属有机源区域外延衬底接触的主要是金属有机源，在富氨气区域外延衬底接触的主要是氨气。金属有机源和氨气发生反应并在外延衬底表面形成高Al组分的氮基化合物半导体薄膜。t2-t1的值取决于外延衬底转速和气体分配装置121和122的大小。在一个实例中，这一值的大小为4ms。在另一个实例中，气体分配装置100和外延衬底相对直线运动，运动速度为13m/s。
在所述方法的一个实例中，在制备20％-100％Al组分氮基化合物半导体时，气体引出喷头123的氨气进气或者金属有机源进气是关闭的，以便形成不均匀的气体环境。外延衬底210交替处于富Al金属有机源区域141和富氨气区域142中。在富金属有机源区域外延衬底接触的主要是金属有机源，所述富金属有机源的区域占反应区域的15％-85％。在富氨气区域外延衬底接触的主要是氨气。金属有机源和氨气发生反应并在外延衬底表面形成高Al组分的氮基化合物半导体。
在所述方法的一个实例中，在制备20％-100％Al组分氮基化合物半导体时，可以打开气体引出喷头123，氮气从喷头123的独立开口流出，流入富金属有机源的区域141和富氨气的区域142之间，防止从气体出口131和132出来的气体直接混合。通过这一机制可以进一步提高氮基化合物半导体中的Al组分。
在所述方法的一个实例中，当制备0-20％Al组分的氮基化合物半导体，可以使金属有机源或者氨气从气体引出喷头123的环绕矩形狭缝状开口注入反应室，这样有利于从气体出口131和132流出气体的混合，形成均匀的气体环境，可以制备0-20％Al组分的氮基化合物半导体。
用所述的气体分配装置100和方法制备了高铝组分的半导体化合物。外延衬底210加热到500℃至1350℃，反应空间201的压力为50mbar到800mbar。图7是制备的AlGaN薄膜的XRD扫描曲线。金属有机源包括但不仅限于TMGa和TMAl。Al浓度定义为Al的摩尔量除以总的金属有机源的摩尔量。在气相反应物中，Al组分为34.4％，从XRD数据计算出在制备的AlGaN中Al组分为52.6％，在制备的AlGaN中的Al组分要比气相反应物中的Al组分含量高。Al金属有机源的利用率定义为外延膜中的Al组分除以气相反应物中的Al组分。在所制备的AlGaN中，铝金属有机源的利用率大于150％。
用所述的气体分配装置100和方法制备了另一高铝组分的半导体化合物样品。外延衬底210加热到500℃至1350℃，反应空间201的压力为50mbar到800mbar。金属有机源包括但不仅限于TMGa和TMAl。图8是制备的AlGaN薄膜的另一XRD扫描曲线。通过调节气相反应物中的Al组分，在一个样品中制备了两层不同Al组分的氮基化合物半导体。用于制备低Al组分氮基化合物半导体的气相反应物中Al组分为19％，用于制备高Al组分氮基化合物半导体的气相反应物中Al组分为48.5％。在样品的XRD扫描曲线上我们可以看到两个峰，低Al组分氮基化合物半导体的Al组分为31.5％，高Al组分氮基化合物半导体的Al组分为80.2％。两种氮基化合物半导体中的Al组分都要比对应的气相反应物中的Al组分要高。造成这一结果的原因可能是相比于Ga，Al的解吸附作用比较微弱。低Al组分和高Al组分氮基化合物半导体的Al金属有机源利用率均大于150％。
图9是气体分配装置100和外延衬底210在不同间距情况下制备AlGaN样品的Al组分变化情况。从图上我们可以看到，随着气体分配装置100和外延衬底210间距的增大，外延膜中的Al组分降低。随着气体分配装置100和外延衬底210间距的增大，金属有机源和氨气之间的混合会越来越均匀，这是由于较大的扩散距离的原因。更多的金属有机源在气相反应中消耗掉，到达外延衬底210表面的金属有机源会减少，从而降低外延膜中的Al组分。这一结果表明，氨气和金属有机源之间的非均匀混合有利于抑制寄生反应，有利于制备高Al组分的氮基化合物半导体。
图10是气相反应物中不同Al比例情况下制备的AlGaN样品的Al组分变化情况。从图中可以看到，AlGaN中的Al组分随气相反应物中Al组分的增加而增加，而且AlGaN中的Al组分始终高于气相反应物中Al组分。所述的方法除了有利于生长高Al组分AlGaN之外还可以抑制金属有机源和氨气间的气相反应，抑制外延衬底表面颗粒的形成。在利用MOCVD生长含Al的氮化物半导体时，由于气相反应形成的颗粒是一个严重的问题。当这些颗粒从气相反应物中迁移到外延膜中时，会降低产品的良率。
除了上述的几个实例，上述的方法也可以用来制备AlN，AlInN，AlInGaN和其他Al组分在20％-100％之间的氮化物外延膜。金属有机源前驱物包括但不限于：TMGa、TEGa、TMAl、TMIn或它们的混合物中的一种或多种。
上述的方法中所述外延衬底的材料为Al2O3，Si，SiC，AlN，AlGaN，InAlGaN。
以上对本发明实施例所提供的方案进行了详细解释，本发明中应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，以上的实施例说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理。对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式及应用范围上均会有所改变，在不偏离本发明宗旨的基础上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (26)

1.一种生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置，包括：入口端、出口端、第一气体分配装置、第二气体分配装置和第三气体分配装置；
所述入口端包括多个气体入口，所述的多个气体入口中至少有一个气体入口与金属有机源相连，至少一个气体入口与氨气源相连和至少一个气体入口与吹扫气体源相连；
所述出口端有多个气体分配单元，所述气体分配单元中有多个用于分配金属有机源的金属有机源分配单元和多个用于分配氨气的氨气分配单元，每一所述金属有机源分配单元和每一所述氨气分配单元互相间隔分布的；
所述第一气体分配装置包括连接所述入口端的气体连接管路，所述气体连接管路将所述金属有机源和所述氨气分隔开，并将它们分别由所述入口端输运至所述金属有机源分配单元和氨气分配单元；
所述第二气体分配装置与所述出口端相连，每一个所述第二气体分配装置包括多个气体出口和气体连接管路，所述气体连接管路将反应物气体从所述的金属有机源分配单元和氨气分配单元导出到气体出口，所述气体出口将所述反应物气体垂直地导出到所述出口端；
所述第三气体分配装置包括气体源之间切换的进口、气体连接管路和气体引出喷头，所述气体源之间切换的进口在金属有机源、氨气源和吹扫气体源之间切换，所述第三气体分配装置的气体引出喷头位于所述金属有机源分配单元和所述氨气分配单元之间并突伸出所述出口端，所述气体引出喷头将气体从喷头水平引导至所述的出口端；
所述气体分配装置和外延衬底的间距可调节，用以控制外延膜中的Al含量。
2.如权利要求1所述生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置，其特征在于，所述入口端由冷却系统冷却。
3.如权利要求1所述生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置，其特征在于，所述第一气体分配装置和所述第二气体分配装置是一体的。
4.如权利要求1所述的生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置，其特征在于，所述出口端的气体出口面积占所述金属有机源气体分配单元和氨气气体分配单元下表面积的5％-75％。
5.如权利要求4所述生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置，其特征在于，所述气体分配装置的材料包括石墨、镀有保护涂层的石墨、不锈钢、碳化硅和陶瓷中的一种或者多种。
6.如权利要求4所述生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置，其特征在于，所述气体出口的内径大于0.5mm小于2mm。
7.如权利要求1所述生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置，其特征在于，每一个所述第二气体分配装置最少有10个气体出口。
8.如权利要求3所述生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置，其特征在于，所述第三气体分配装置的气体引出喷头至少有一个环绕的狭缝气体出口。
9.如权利要求8所述的生长高铝组分氮基化合物半导体的气体分配装置，其特征在于，所述第三气体分配装置至少有一个气体出口，每一个所述气体出口的位置都位于两个相邻所述第二气体分配装置之间。
10.一种高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，包括：
将外延衬底加热至500℃-1350℃；
通过气体分配装置，将金属有机源、氨气和载气沿着垂直于所述外延衬底的方向注入反应空间，所述气体分配装置和外延衬底的距离小于5cm；
通过气体分配装置，在所述的反应空间形成交替的、富Al金属有机源区域和富氨气区域的不均匀气态环境，所述的每一个富Al金属有机源区域和富氨气区域是交替分布的，所述的不均匀的气态环境有利于减少不同种类气体之间的混合；
通过所述外延衬底的周期性移动，将外延衬底交替暴露于所述的富Al金属有机源区域和所述的富氨气区域进行氮化物半导体的外延生长；
调节气体分配装置和所述外延衬底的间距，用以控制外延膜中的Al含量；
生长结束后，停止反应前驱物的流入。
11.如权利要求10所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，在进行氮化物半导体的外延生长后，制备的氮化物半导体中的Al组分在15％-100％之间。
12.如权利要求11所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，所述金属有机源包括Al基金属有机源，所述Al基金属有机源的利用率大于1。
13.如权利要求12所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，所述反应空间具有反应压力，所述反应压力在50mbar-800mbar之间。
14.如权利要求13所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，所述的金属有机源为TMAl、TMGa、TEGa、TMIn或者它们的混合物中的一种或多种。
15.如权利要求14所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，所述富金属有机源区域的气体流量在0.2L/min到10L/min之间。
16.如权利要求15所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，所述富氨气区域的气体流量在0.2L/min到8L/min之间。
17.如权利要求10所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，所述外延衬底的材料为Al2O3，Si，SiC，AlN，AlGaN，InAlGaN。
18.如权利要求10所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，所述外延衬底平移速度小于13m/s。
19.如权利要求10所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，所述外延衬底转动速度小于300rpm。
20.如权利要求10所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，所述富金属有机源的区域占反应区域的15％-85％。
21.如权利要求20所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，所述外延衬底通过所述富金属有机源区域的时间大于4ms。
22.如权利要求20所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，所述外延衬底通过富氨气区域的时间大于4ms。
23.如权利要求10所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，所述的每一个富Al金属有机源区域和富氨气区域是交替分布的，用以减少金属有机源和氨气之间的气相反应所生成的颗粒。
24.如权利要求10所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，所述的富金属有机源区域和所述的富氨气区域被氮气或者惰性气体分隔开。
25.如权利要求10所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，还包括通入与外延衬底平行的氨气气流层来降低所述氮化物半导体的Al含量。
26.如权利要求10所述高铝组分氮基化合物半导体的生长方法，其特征在于，还包括通入与外延衬底平行的金属有机源气流层来降低所述氮化物半导体的Al含量。
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