CN1060233C - 生长具有原子层单位平整度和界面突变的化合物半导体层的气相生长设备和方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种可用来大批量生长具有原子层单位平整度和界面突变的化合物半导体层的气相生长设备和方法。生长室(1)有一个圆柱部分(1b)和一个封闭圆柱部分(1b)进气端的端板(1a)。端板(1a)上分别有一个阳、阴离子材料供气口(2)、(3)而排气装置位于圆柱部分(1b)的出气侧。在圆柱部分(1b)中有一个带有衬底固定表面(20)的衬底支架(5)。气体分离元件(6)使圆柱部分(1b)分开各材料气体独立的供于其中。驱动装置(7)使衬底支架(5)绕圆柱部分(1b)的中心线旋转,于是阳离子材料和阴离子材料气体交替地供向衬底(4)的表面。
Description
本发明涉及到一种用来生长化合物半导体材料的气相生长设备和气相生长方法,确切地说是一种用来在衬底上可控性良好地生长用于光发射器件和高频器件的化合物半导体层的气相生长设备和气相生长方法。
用来生产多种器件的金属有机气相外延方法(以下称之为MOVPE)是公知的一种化合物半导体材料生长方法。为了改善器件的性能,人们认为生产工艺中需要达到原子层数量级的可控性,因而提出了原子层外延(以下称之为ALE)生长方法。
图13示意地示出了一种用MOVPE或ALE方法生长GaAs的气相生长设备。此设备有一个接近圆柱状的反应管101、一个用来向反应管101供应Ga材料气体三甲基镓(TMG)的供料管102、一个用来向反应管101供应As材料气体砷烷的供料管103、以及一个用来向反应管101供应驱气用的氢气的供料管108。供料管102、103和108穿入反应管101的端表面101a,并沿反应管101的圆柱部分101b轴向的大约中央部位开口。沿反应管101的轴向的大致中央处提供了一个衬底架105,而衬底架105用从反应管101另一端面101c伸出的长臂107来支持。无论在MOVPE方法还是在ALE方法情况下,GaAs衬底104都安放在衬底架105上,而TMG和砷烷分法情况下,GaAs衬底104都安放在衬底架105上,而TMG和砷烷分别经由供料管102和103来供应,从而在GaAs衬底104上生长出GaAS。未经反应的气体等等经由圆柱部分101b另一端面101c侧面上的排气管110被排出。MOVPE法同ALE法之间的主要区别在于供气的时刻不同。MOVPE法中TMG和砷烷是同时供应的。
与此相反,ALE法中气体供应时刻是用开关控制阀(未示出)的方法来交替地供应TMG和砷烷的。而且ALE法中,在TMG和砷烷供应周期之间有一如图14A、14B和14C所示的氢气驱气周期,用以防止TMG和砷烷相互混合。在氢气驱气期间,氢气经由供料管108送入反应管101,从而驱赶反应管101内部的气体。
ALE法的特征是利用下列现象:在TMG供应期间,当TMG或其分解物覆盖GaAs衬底104表面的比值变成1之后,就抑制了进一步的沉积(由适当选取诸如衬底温度之类的生长条件而达到的所谓自限制机理)。在TMG供应期间之后的砷烷供应期间内,在GaAs衬底104上就形成了一个GaAs单原子层。重复形成单原子层就可获得具有原子层单位平整度的生长层。当形成异质界面时,界面的突变性可控制在原子层单位的范围内。制造各种器件时所要求的半导体层的厚度在几十到几μm的范围内,相当于几十到几万个原子层。因此,在试图用ALE法来生长各种器件的半导体层时,对于每一生长层,材料气体的交替供应需要重复几十到几万次。然而,由于气体供应周期间的转换是由开关控制阀来执行的,就要求极频繁地开关控制阀。因此,倘若考虑到控制阀的寿命,则采用ALE法生产(特别是大规模生产)器件是不现实的。
本发明的目的是提供一种可将阳离子材料气体(如TMG)和阴离子材料气体(如砷烷)交替地供应到衬底上而无须执行控制阀如此频繁开关的气相生长设备和气相生长方法,从而可大批量生长具有原子层单位平整度和界面突变性的化合物半导体层。
为了达到上述目的,本发明提供了一种气相生长设备,借助于交替地供应阳离子材料气体和阴离子材料气体并使之反应,用以在生长室中保持于规定温度的衬底表面上生长化合物半导体层,其中的生长室有一个沿进气侧到出气侧的方向延伸的圆柱部分以及一个封闭圆柱部分进气端的端板,端板在其特定部位有一个向圆柱部分供应阳离子材料气体的供气口和一个向圆柱部分供应阴离子材料气体的供气口,还包含用来从圆柱部分的出气侧排出其中的气体的排气装置、一个位于圆柱部分的进气侧和出气侧之间并带有一个衬底固定表面的衬底支架、借助于使从材料供气口到衬底支架表面延伸的气流路径分开的方法使各材料气体独立地供向衬底固定表面而形成多个材料供气区域的气体分离装置、以及用来使衬底固定表面上放有衬底的衬底支架绕圆柱部分的中心线旋转的驱动装置。
根据本发明的气相生长设备。化合物半导体层的生长方式如下:衬底安置在衬底支架的衬底固定表面的特定部位,衬底被保持在适于生长的特定温度下。在上述条件下,从位于生长室端板处的材料气体供气口向圆柱部分供应阳离子材料气体和阴离子材料气体。供入的各种材料气体由气体分离装置彼此分离开来,并从材料气体供气口到达衬底支架的衬底固定表面而不互相混合。因而在衬底支架表面上形成各材料气体独立地供于其上的多个材料气体供气区域。此时使衬底支架绕圆柱部分的中心线旋转。因此,阳离子材料气体和阴离子材料气体被交替地供向置于衬底固定表面上的衬底表面上。用上述方法,化合物半导体层就在衬底表面上以原子层为单位生长起来。未被反应的气体等由出气侧的排气装置排出。各材料气体的气流路径就这样由气体分离装置彼此分离开来,从而阳离子材料气体和阴离子材料气体就可借助于旋转衬底支架而交替地供向衬底的表面。因此,同常规情况不同,为了转换供气周期就不需频繁地开关控制阀,这就消除了对控制阀寿命受损的担忧。这就可大批量地生长具有原子层单位平整度和界面突变性的化合物半导体层。
根据一个实施例的气相生长设备,衬底架的衬底固定表面垂直于圆柱部分的中心线,为圆形结构,且衬底固定表面的中心位于圆柱部分的中心线上。
在上述设备中,对于衬底架的整个圆周,衬底架同圆柱部分的内壁之间隙恒定。因而对衬底架的整个圆周来说,排气的阻力相同。因此,即使衬底架旋转,对各材料气体的流速也没有影响。因此可生长可控性良好的化合物半导体层。
根据一个实施例的气相生长设备,气体分离装置至少由一个隔板组成,此隔板所在的平面包括了圆柱部分的中心线且从多个材料气体供气口之间通过。
利用上述结构,各材料气体的气流路径就简单有效地彼此分离开来。
根据一个实施例的气相生长设备,各隔板从圆柱部分的中心线径向延伸到圆柱部分的内壁,且彼此相交一定的角度,此角度根据材料气体供向衬底的时间长度来确定。
在这种情况下,借助于增加衬底支架的转速(恒定速度),使形成化合物半导体层所需的材料气体供气周期都定于必需的最小长度。因此可增加产率。而且,由于要求驱动装置以恒定速率旋转衬底架,故可简化旋转控制。
根据一个实施例的气相生长设备,在端板处各材料气体供气口之间提供了一个分离气体供气口,用来供应具有在衬底表面上对生长反应没有贡献的特性的分离气体。气体分离装置包含由从分离气体供气口延伸到衬底固定表面的层状分离气流。
此时在圆柱部分内不用提供任何额外的元件就可将各材料气体的气流路径彼此分隔开来,从而可简化维修。
根据一个实施例的气相生长设备,衬底支架的衬底固定表面的结构相当于中心线同圆柱部分中心线重合的截头锥体的外侧面。
此时比之衬底固定表面同圆柱部分中心线垂直的情况,可增大衬底固定表面的面积。当采用上述设计时,可在衬底固定表面上放置大量衬底,从而可提高产率。
根据一个实施例的气相生长设备,衬底支架的衬底固定表面的结构相当于中心线同圆柱部分中心线重合的棱柱形管的内侧面。
利用上述结构,比之衬底固定表面垂直于圆柱部分中心线的情况,可增大衬底固定表面的面积。当采用上述结构时,可在衬底固定表面上安置大量衬底,从而可提高产率。
本发明提供了一种气相生长方法,它包含下列步骤:把衬底固定在衬底支架的衬底固定表面上,此衬底支架位于生长室圆柱部分进气侧到出气侧之间,生长室则带有沿进气侧到出气侧方向延伸的圆柱部分以及一个封闭圆柱部分进气端的端板;将衬底保持在特定的温度下;形成各材料气体供气区域,其中,借助于从进气侧经由多个材料气体供气口将阳离子材料气体和阴离子材料气体供入圆柱部分,同时借助于气体分离装置防止各材料气体在圆柱部分内相互混合并将材料气体排出圆柱部分之外,从而使各材料气体独立地供向衬底固定表面的各相应部位;以及使衬底支架绕圆柱部分的中心线旋转。
根据一个实施例的气相生长方法,气体分离装置至少由一个位于包括圆柱部分中心线且从多个材料供气口之间通过的平面内的隔板组成,当衬底通过隔板所在的平面时,提高衬底支架的转速,而当衬底位于各材料供气区域时,降低或暂时停止衬底支架的转速。
利用上述设计,可基本消除阳离子材料气体供向衬底一部分表面而阴离子材料气体供向衬底的其余部分表面这样的过渡期,从而可得到具有极好的界面突变性的原子层生长。
根据一个实施例的气相生长方法,衬底支架绕圆柱部分中心线旋转的速率根据多个材料气体供向衬底的时间长度而改变。例如,当衬底通过要求短时间供气的材料气体供气区时,衬底支架的转速被增加。当衬底通过要求长时间供气的材料气体供气区时,则降低衬底支架的转速。利用上述设计,用以形成化合物半导体层的材料气体供气周期被设定为必需的最小长度。因此增大了产率。
根据一个实施例的气相生长方法,准备了二种或更多种的至少一个阳离子材料气体和阴离子材料气体,且此二种或更多种的材料气体经由不同的材料气体供气口被供入圆柱部分,从而在衬底支架转一圈时生长二个或更多个原子层。
此时就生长成具有各种组分的化合物半导体层。
从下列的详细描述和附图(仅以说明的方式给出,对本发明并不起限制作用),可更充分地理解本发明,在这些附图中;
图1示意地示出了根据本发明第一实施例的气相生长设备的结构;
图2A是一平面图,解释了利用图1所示的气相生长设备所执行的气相生长方法;
图2B和2C解释了图2A气相生长方法;
图3A和3B平面图解释了经修改的图2A气相生长方法;
图3C和3D解释了图3A和3B的气相生长方法;图4示出了根据本发明第二实施例的气相生长设备的结构;
图5A平面图解释了利用图4所示气相生长设备所执行的气相生长方法;
图5B、5C和5D解释了图5A的气相生长方法;
图6示出了根据本发明第三实施例的气相生长设备的结构;
图7A平面图解释了利用图6所示气相生长设备所执行的气相生长方法;
图7B、7C和7D解释了图7A的气相生长方法;
图8A平面图解释了利用图4所示气相生长设备所执行的另一个气相生长方法;
图8B、8C、8D、8E、8F和8G解释了图8A的气相生长方法;
图9A平面图解释了利用图6所示气相生长设备经修改后所执行的气相生长方法;
图9B、9C、9D和9E解释了图9A的气相生长方法;
图10A平面图解释了利用图6所示气相生长设备所执行的另一个气相生长方法;
图10B、10C和10D解释了图10A的气相生长方法;
图11示出了根据本发明第四最佳实施例的气相生长设备的结构;
图12示出了根据本发明第五最佳实施例的气相生长设备的结构;
图13示出了常规气相生长设备;以及
图14A、14B和14C解释了利用常规气相生长设备所执行的气相生长方法。
参照附图基于几个实施例来详细描述本发明的气相生长设备和气相生长方法。
图1示出了根据本发明第一实施例的气相生长设备的结构。气相生长设备有一个近似圆柱形的生长室1。生长室1有一个沿垂直方向延伸的圆柱部分1b、一个用作封闭圆柱部分1b进气端的端板的盖部1a,以及一个用来封闭圆柱部分1b出气端的底部1c。在盖部1a处对称于盖部1a中心的位置上有一个用来向生长室1供应阳离子材料气体的供气口2和一个向生长室1供应阴离子材料气体的供气口3。生长室1的下面有一个垂直的圆柱形支持管9,其直径小于圆柱部分1b,它支持着生长室1。生长室1通过底部1c中心处的开口,用支持管9连接,而支持管9同其周面上的排气管10连接。留在生长室1圆柱部分1b中的气体被用作排气装置的真空泵(未示出)经由支持管9和排气管10排出。在支持管9内有用作驱动装置的一个驱动轴7和一个驱动马达(未绘出)。
在圆柱部分1b的大约中间处,有一个盘状衬底支架5水平地即垂直于圆柱部分的中心线放置。衬底支架5的上表面20面对盖部1a上的材料供气口2和3,用作衬底固定表面,在生长时其上置有衬底4。衬底支架5的中心位于圆柱部分1b的中心线上,衬底支架5的外径定为小于圆柱部分1b的内径尺寸。因此,对整个周边可使衬底支架5同圆柱部分1b内壁之间的间隙恒定。因而对整个衬底支架5的周边来说,在生长时可得到恒定的排气阻力。即使旋转衬底支架5,也不会影响各材料气体的流速。因此用下述方法可以良好可控地在衬底4上生长化合物半导体层。
衬底支架5由从下部支持管9中的驱动马达伸出的驱动轴7支持。驱动轴7的轴心同圆柱部分1b的中心线重合,驱动轴7的顶端连接于衬底支架5下表面的中央。在生长阶段,由驱动马达经由驱动轴7使衬底支架5绕圆柱部分中心线旋转。衬底支架5中有一内建加热器(来示出)用来电加热,从而在生长时使衬底固定表面20的整个表面均匀地保持在特定的温度下。
在圆柱部分1b内,有一个用作气体分离装置的隔板6。隔板6所在的平面包括有圆柱部分1b的中心线且从材料供气口2和3之间通过,从而使圆柱部分1b的内部分隔为二个分别对应于材料供气口2和3的区域。隔板6被做成同盖板1a、圆柱部分1b和底部1c的内壁相接触。在上述平面与衬底支架5和驱动轴7相交的部位,隔板6沿元件5和7的形状切除一部分,使元件5和7可以无摩擦地转动。隔板6在生长时使从材料供气口2和3到衬底固定表面20的材料气体气流路径彼此分隔开来,从而形成二个各材料气体独立供向衬底固定表面20的材料供气区。由于隔板6只是一块板,故材料气体的气流路径可简单而有效地彼此分离开来。
利用上述的气相生长设备,在GaAs衬底4上可生长GaAs化合物半导体层。
衬底4置于衬底支架5的衬底固定表面20的中心与边缘之间处。由衬底支架5的内建加热器将衬底保持在指定的温度(400-550℃)下。在上述的条件下,通过材料供气口2和3将用作阳离子材料气体的三甲基镓(TMG)和用作阴离子材料气体的砷烷供入圆柱部分1b。需要指出的是,TMG的流量定为20 SCCM,砷烷的流量定为200 SCCM,且TMG和砷烷各由流量为5 SLM的氢气加速。同时,用真空泵经由出气侧的支持管9和排气管10,排出圆柱部分1b中的气体,从而在生长室1内部达到20乇的压力。结果在圆柱部分1b中就产生高速气流。
经由材料供气口2和3供入圆柱部分1b的TMG和砷烷被隔板6彼此分隔,再到达衬底支架5的衬底固定表面20而不相互混合。于是,如图2A所示,在衬底固定表面20上就形成了TMG和砷烷独立地供于其上的二个材料供气区(一个TMG供气区和一个砷烷供气区)21和22。在上述情况下,衬底支架5借助于驱动马达而绕圆柱部分的中心线旋转。因此,TMG和砷烷以图2B和2C所示的方式而交替地供向置于衬底固定表面20上的衬底4的表面。换言之,形成了一个由TMG供气和砷烷供气二个周期组成的供气循环。设衬底支架的转速为每分钟6转(恒定速率),则GaAs衬底4同TMG和砷烷各接触5秒。通过上述工序,每转一圈可在衬底4表面上生长一个GaAs单原子层(厚度约为2.8)。
如上所述,此气相生长设备中由于各材料气体的气流路径被隔板6彼此分隔开来,借助于旋转衬底支架5就可将阳离子材料气体和阴离子材料气体交替地供向衬底4的表面。同常规方法不同,上述设计免除了为材料气供给周期之间转换而频繁开关控制阀的要求,从而消除了对控制阀损坏的担忧。而且利用此气相生长设备执行原子层生长时的控制因素是生长室压力、衬底温度、气体流量以及衬底支架的旋转速率,这些因素都很易控制。
因此,可以大批量地生长具有原子层单位平整度和界面突变性的化合物半导体层。利用上述设计,可生产具有极好平整度和界面突变性的光发射器件和高频器件。
而且,由于圆柱部分1b内的气体被真空泵快速地排出,在圆柱部分1b内就不会产生对流。再者,由于衬底支架5和圆柱部分1b内壁之间的间隙在整个周边都做成恒定,即使当衬底支架5旋转时,也不会对TMG和砷烷的流速产生影响。因此,如上所述,可以良好可控地在衬底4上生长GaAs层。
要指出的是,当用三甲基铝(TMA)来取代TMG用作阴离子材料气体时,在转一圈中可生长二个原子层(厚度约为5.7)。
而且,虽然衬底支架5的旋转速率定为恒定值,但本发明不限于此。例如,也可以在衬底4刚好通过隔板6下方时,使衬底支架5的转速升高,而在衬底4位于隔板6正下方之外的位置时,使衬底支架5的转速降低或暂时停止转动。利用上述设计,可基本消除TMG供向衬底4的部分表面而砷烷供向其余部分表面这样的过渡期。因此,可得到界面突变性极好的原子层生长。
如所知,在GaAs衬底4上形成一个TMG单原子沉积层需要数秒的时间。但通过同砷烷的反应,在短于上述的时同内就足以生长GaAs单原子层。在上述情况下,被认为砷烷供气周期定得比所需的长。
因此,如图3A所示,可根据TMG和砷烷各自供向衬底4的时间长度来改变衬底支架5的转速。例如,把衬底4通过砷烷供气区22时的转速设定得大于衬底4通过TMG供气区21时的转速。利用上述设计,可如图3C所示那样,把形成GaAs层的TMG供气周期和砷烷供气周期各自都定为必需的最短时间。因而可提高产率。
而且,用图3B所示方法,可以使衬底支架5的转速恒定,使隔板6′从中心线径向伸至圆柱部分1b的内壁成一确定的角度,并根据TMG和砷烷各自供向衬底4的时间长度来确定角度。此时,借助于增加衬底支架5的转速(恒定速率)的设定值,形成GaAs层的TMG供气周期和砷烷供气周期可用图3C和3D所示的方式各自设定为必需的最小长度。因此,可提高产率。而且,由于衬底支架可以恒速旋转,旋转的控制就可容易地执行。
图4示出了根据本发明第二实施例的气相生长设备的结构。要指出的是,与图1所示元件相同者用相同的参考号表示,此处不再描述。
本气相生长设备采用了一种具有对衬底4表面上的生长反应不作贡献的特性的分离气体来取代图1所示气相生长设备中的隔板6。详细地说,在生长室1的有一些通过材料供气口2和3之间排成直线的分离气体供气口8、8和8,用来供应分离气体。在生长期间,形成从分离气体供气口8、8和8延伸至衬底固定表面20的层状分离气体流。
利用上述气相生长设备,以同前述实施例相同的方式在GaAs衬底4上生长了化合物半导体GaAs层。三甲基镓(TMG)用作阳离子材料气体,砷烷用作阴离子材料气体,而氢气用作分离分体。生长条件同前一实施例相同,即衬底温度为400-550℃、生长室1内压力为20乇、TMG流量为20 SCCM、砷烷流量为200 SCCM、而且TMG和砷烷被流量为5 SLM的氢气加速。分离用的氢气在各进气口的流量定为10 SLM。衬底支架5的转速为每分钟6转(恒定速率)。
通过材料供气口2和3供入圆柱部分1b的TMG和砷烷被层状氢气流彼此分隔开来,然后到达衬底支架5的衬底固定表面20而不相互混合。因此,如图5A所示,在衬底固定表面20上的TMG供气区31和砷烷供气区32被由氢气形成的分离区33彼此分隔开来。在上述情况下,衬底支架5绕图4所示圆柱部分1b的中心线而旋转。因此,如图5B、5C和5D所示,形成了一个由一个TMG供气周期、一个氢气分离周期、一个砷烷供气周期以及一个氢气分离周期总共四个周期所组成的供气循环。利用上述的设计,在每转一圈的时间内,可在衬底4的表面上生长一个GaAs单原子层。
在此气相生长设备中,在圆柱部分1b内不用提供任何额外的元件就可将各材料气体气流路径彼此分离开来,致使获得可简化设备维护的优点。
要指出的是分离气体不限于氢气,只要求气体具有对衬底表面上的生长反应不作贡献的特性。例如,当采用诸如氩气或氦气之类的惰性气体时,也能产生同样的效果。
图8A-8G示出了一个利用图4所示气相生长设备在蓝宝石衬底4A和4B上生长化合物半导体GaN层的例子。三甲基镓用作阳离子材料气体,氨用作阴离子材料气体,而氢气用作分离气体。
如图8A所示,衬底4A和4B置于衬底支架5的衬底固定表面20的中心和边缘之间与中心对称的地方,衬底温度保持500℃。TMG和氨经由图4所示的材料供气口2和3被供入圆柱部分1b。TMG的流量定为20 SCCM,并利用流量为5 SLM的氢气来执行加速。氨气的流量定为5 SLM。要指出的是,此时不流通分离气体。生长室1内部的压力借助于调整真空泵的排气量而定为760乇。衬底支架5的旋转速率定为每分钟2000转左右。由于不流通分离气体,TMG同氨气在衬底4A和4B上相互混合,从而以正常MOVPE模式生长一个GaN缓冲层。衬底支架5的转速之所以被提高到每分钟2000转这样的高值,是为了确保生长层厚度的均匀性。
接着在GaN缓冲层上生长GaN原子层。详细地说,将衬底温度提高并保持在800-1000℃范围内。在TMG和氨气流速保持不变的情况下,使氢气在各进气口以10 SLM的流量流经分离气体供气口8、8和8。借助于调节真空泵的排气量,使生长室1中的压力定为200乇。然后将衬底支架5的转速定为每分钟10转左右。
经由材料供气口2和3供入圆柱部分1b的TMG和氨被层状氢气流彼此分隔开来,然后到达衬底支架5的衬底固定表面20而不彼此混合。因此,以图8A所示的方式,在衬底固定表面20上由氢气形成的分离区53把TMG供气区51和氨供气区52彼此分隔开来。在上述情况下,衬底支架5绕图4所示的圆柱部分的中心线旋转。因此,如图8B-8D所示,对于衬底4A就形成了一个由一个TMG供气周期、一个氢气分离周期、一个氨供气周期以及一个氢气分离周期总共4个周期组成的供气循环。换言之,如图8E-8G所示,对于衬底4B,形成了一个由一个氨供气周期、一个氢气分离周期、一个TMG供气周期以及一个氢气分离周期总共4个周期组成的供气循但在衬底4A和4B上都以原子层的模式生长了GaN层。实际上,在每一圈转动中可以生长一个GaN单原子层(厚度约为2.6)。
要指出的是,衬底的数目当然不限于2,只要衬底固定表面20上装得下,任何数目的衬底都可以。
图6示出了根据本发明第三实施例的气相生长设备的结构。要指出的是,与图1和图4所示相同的那些元件都标以相同的参考号而且此处不再加以描述。
此气相生长设备同时采用隔板6A和6B以及分离气体来作为分离装置。详细地说,在生长室1的盖部1a处,提供了一个排成直线通过材料供气口2和3之间的分离气体供气口8和8,用来供应分离气体。另一方面,在圆柱部分1b内部提供了隔板6A和6B。隔板6A和6B在圆柱部分1b的中心线彼此相交,从而把圆柱部分1b的内部分成对应于材料供气口2和3以及分离气体供气口8和8的四个区域。隔板6A和6B间的交角根据各材料气体供向衬底4的时间长度来设定。在生长期间,隔板6A和6B使从材料供气口2和3以及分离气体供气口8和8延伸到衬底固定表面20的各个材料气体和氢气的气流路径分隔开来。由于隔板6A和6B以及分离气体被同时使用,各材料气体的气流路径可更可靠地彼此分隔开来。
在GaAs衬底4上来生长一个化合物半导体硒化锌层。一组二乙基锌(DEZ)用作阳离子材料气体,一组硒化氢用作阴离子材料气体,而二组氢用作分离气体。生长条件为衬底温度200-300℃、生长室内部压力10乇、DEZ流量10 SCCM、硒化氢流量200 SCCM、而且用流量各为3 SLM的氢气将DEE和硒化氢加速。分离用的氢气的流量在各进气口为5 SLM。衬底支架5的转速为每分钟10转(恒的流量在各进气口为5 SLM。衬底支架5的转速为每分钟10转(恒定速率)。
如图6和7A所示,经由材料供气口2和3以及分离气体供气口8和8供入到圆柱部分1b的DEZ、硒化氢和二组氢气,被隔板6A和6B彼此分隔开来,然后到达衬底支架5的衬底固定表面20而不相互混合。在此例中,如图7A所示,在衬底固定表面20上沿周边方向相继形成了一个DEZ供气区41、一个氢分离区42、一个硒化氢供气区43以及一个氢分离区44。在上述情况下,衬底支架5绕图6所示的圆柱部分中心线旋转。因此,如图7B、7C和7D所示,形成了一个由一个DEZ供气周期、一个氢分离周期、一个硒化氢供气周期以及一个氢分离周期总共四个周期组成的供气循环。利用上述设计,在每一圈旋转中,可在衬底4的表面上生长一个硒化锌单原子层(厚度约为2.8)。
要指出的是,隔板的数目不限于2。可使用三个或三个以上的隔板使其彼此在圆柱部分1b的中心线以规定的角度相交。当采用上述设计时,借助于对隔板所分隔的每个区域提供一个材料气体或分离气体的供气系统,就可以增加材料气体和分离气体的供气系统的数目。因此,各种类型的化合物半导体层都可以在衬底上生长。
图9A、9B、9C、9D和9E示出了利用隔板数目增为3而其它部件相似于图3所示情况的气相生长设备,在GaAs衬底上生长化合物半导体Ga0.5In0.5P层的一个例子。
此处所用的气相生长设备以图9A所示的方式同时采用了隔板6A、6B和6C作为气体分离装置以及二组氢气作为分离气体。隔板6A、6B和6C在图6所示的圆柱部分中心线处彼此以规定的角度相交。隔板6A、6B和6C彼此相交的角度根据材料气体供向衬底4的时间长度来设定。使用了三种四组材料气体。详细地说,一组TMG和一组三甲基铟(TMI)用作阳离子材料气体。使用二组磷烷作为阴离子材料气体。生长条件为衬底温度300-500℃、生长室1内部压力为20乇、TMG流量为10 SCCM、TMI流量为10 SCCM、磷烷流量在每区为100 SCCM、而且用流量各为3 SLM的氢气对TMG、TMI和磷烷进行加速。分离用的氢气的流量为3 SLM。衬底支架5的转速为每分钟3转(恒定速率)。
经由材料供气口供入圆柱部分1b的TMG、TMI、二组磷烷以及二组氢气被隔板6A、6B和6C彼此分隔开来,然后到达衬底支架5的衬底固定表面20而不彼此混合。在此例中,以图9A所示的方式,在衬底固定表面20上沿周边方向相继形成了一个TMG供气区61、一个磷烷供气区62、一个氢分离区63、一个TMI供气区64、一个磷烷供气区65以及一个氢分离区66。在上述情况下,衬底支架绕图6所示圆柱部分的中心线旋转。因此以图9B、9C、9D和9E所示的方式形成了一个由一个TMG供气周期、一个磷烷供气周期、一个氢气分离周期、一个TMI供气周期、一个磷烷供气周期以及一个氢气分离周期总共6个周期组成的供气循环。
利用上述设计,在每一圈转动中可在衬底4的表面上生长一对(GaP)1(InP)1的超晶格结构(厚度约为5.6)。上述超晶格结构的叠层形成了Ga0.5In0.5P层。
图10A、10B、10C和10D示出了利用图6所示气相生长设备在GaAs衬底4上生长化合物半导体Ga0.5In0.5P层的一个例子。
以图10A所示的方法,采用TMG和TMI(称之为(TMG+TMI))作为要同时供入一组的阳离子材料气体,而一组磷烷用作阴离子材料气体。采用二组氢气作为分离气体。生长条件为衬底温度300-500℃、生长室1内部压力20乇、TMG流量5 SCCM、TMI流量10 SCCM、磷烷流量200 SCCM、且用流量各为3 SLM的氢气加速TMG、TMI和磷烷。分离用的氢气的流量为3 SLM。衬底支架5的转速为每分钟3转(恒定速率)。
在此例子中,在衬底固定表面20上沿周边方向相继形成了一个(TMG+TMI)供气区71、一个氢分离区72、一个磷烷供气区73以及一个氢分离区74。在上述情况下,衬底支架5绕图6所示圆柱部分1b的中心线旋转。因此,如图10B、10C和10D所示,形成了一个由一个(TMG+TMI)供气周期、一个氢分离周期、一个磷烷供气周期以及一个氢分离周期总共四个周期所组成的供气循环。
利用上述设计,在每一圈转动中,可在衬底4的表面上生长一个Ga0.5In0.5P单原子层(厚度约为2.8)。
虽然在前述各个例子中,衬底上生长的化合物半导体层都有一个一种类型的组分,但借助于改变生长工艺过程中的材料气体的类型,化合物半导体可以有各种类型的组分。而且,为了使要生长的化合物半导体层有一定的导电率,可以使用含有杂质元素的材料气体。
虽然在上述各例中采用有机金属化合物作为阳离子材料气体,但也可以使用不是有机金属化合物的材料气体,例如卤族化合物。
虽然在图1、4和6所示的各个气相生长设备中,生长室1都有沿垂直方向延伸的圆柱部分1b,但本发明不限于此。使圆柱部分沿水平方向放置并沿水平方向通以材料气体和分离气体,这也是可以的。
衬底支架5可以是圆柱部分1b绕有线圈的高频加热型而不是内建加热器型。
图11示出了根据本发明第四最佳实施例的气相生长设备的结构。要指出的是,与图1所示相同的元件标以相同的参考号,且此处不再加以描述。
在这一气相生长设备中,在圆柱部分1b大约中间的部位提供了一个中心线同圆柱部分1b的中心线重合的截头圆锥形的衬底支架15。衬底支架15的外侧面30具有棱锥结构(带有多角形的横截面)而不是圆锥结构。外侧面30的相邻脊线之间的每个分段的小表面都有一定的平整度以便可以将衬底4附于其上并在生长期间用作其上置有衬底4的衬底固定表面。在这种衬底支架15情况下,比之水平放置衬底固定表面的情况,可扩大衬底固定表面30的面积。因此可在衬底固定表面30上放置许多衬底4、4、…,从而改进产率。
在本例子中,衬底支架15的下边缘为圆形,其外径定得比圆柱部分1b的内径小。衬底支架15的中心线同圆柱部分1b的中心线重合,因此下边缘同圆柱部分内壁之间的间隙在整个周边都恒定。因而对于衬底支架15的整个周边,排气阻力都相同。即使旋转衬底支架15,也不影响各材料气体的流速。因此,可在衬底4上可控制良好地生长化合物半导体层。
而且,在圆柱部分1b内提供了沿衬底支架15和驱动轴7的形状切去了一部的隔板1b作为气体分离装置。隔板所在的平面包有圆柱部分1b的中心线并从材料供气口2和3之间通过,从而把圆柱部分1b的内部分隔成分别对应于材料供气口2和3的二个区域。由于各材料气体的气流路径被隔板1b彼此分隔开来,借助于旋转衬底支架15就可使阳离子材料气体和阴离子材料气体交替地供向衬底4的表面。因此可以大批量地生长具有原子层单位平整度和界面突变性的化合物半导体层。利用上述设计、可以生产具有极好的平整度和界面突变性的光发射器件和高频器件。
图12示出了根据本发明第五最佳实施例的气相生长设备的结构。要指出的是,同图1所示相同的元件标以相同的参考号且此处不再加以描述。
在此气相生长设备中,在圆柱部分1b内提供了一个中心线同圆柱部分1b中心线相重合的近于圆柱形的衬底支架25。衬底支架25由从下部的支持管9中的驱动马达伸出来的驱动轴7和从驱动轴7的周边伸向衬底支架25的下端的臂元件(未绘出)来支持。衬底支架25的内表面40为棱锥形状(有一个多角形的横截面)而不是圆柱结构。在内表面40的相邻谷线之间的分段小表面具有一定平整度以便衬底4可以贴于其上并在生长期间用作其上安置衬底4的衬底固定表面。在衬底支架25的情况下,比之衬底固定表面水平放置的情况,可增大衬底固定表面40的面积。因此可在衬底固定表面40上放置许多衬底4、4、…,从而改进产率。
此时,衬底支架25具有近似圆柱形的结构。因此,即使生长期间衬底支架25旋转,对各材料气体的流速也没有影响。因而可在衬底4上可控性良好地生长化合物半导体层。
而且,在圆柱部分1b内提供了一个具有近似T形形状的隔板2b作为气体分离装置。隔板26所在的平面包含有圆柱部分1b的中心线并从材料供气口2和3之间通过,从而把圆柱部分1b的内部分隔成分别对应于材料供气口2和3的二个区域。由于材料气体的气流路径被隔板26彼此分隔开来,借助于旋转衬底支架25就可使阳离子材料气体和阴离子材料气体交替地供向衬底4的表面。因此,可大批量地生长具有原子层单位平整度和界面突变性的化合物半导体层。利用上述设计,可生产具有极好的平整度和界面突变性的光发射器件和高频器件。
如从上述描述中可见,在本发明的气相生长设备中,各材料气体的气流路径被气体分离装置彼此分隔开来,因而借助于旋转衬底支架,可将阳离子材料气体和阴离子材料气体交替地供向衬底的表面。利用上述设计,与常规情况不同,就不必为了材料气供给周期之间的转换而频繁地开关控制阀,从而消除了对控制阀损害的担忧。而且可以大批量地生长具有原子层单位平整度和界面突变性的化合物半导体层。
根据一个实施例的气相生长设备,衬底支架的衬底固定表面垂直于圆柱部分的中心线并具有圆形结构,且衬底固定表面的中心处于圆柱部分的中心线上。利用上述设计,对衬底支架的整个周边,使衬底支架同圆柱部分内壁之间的间隙做到恒定。因此,对衬底支架的整个周边,排气的阻力也恒定。因而,即使旋转衬底支架,也不影响各材料气体的流速,而且可以可控性良好地生长化合物半导体层。
根据一个实施例的气相生长设备,气体分离装置至少由一个位于包含圆柱部分中心线并从多个材料供气口之间通过的平面内的隔板组成。利用上述设计,可以简单而有效地把各材料气体的气流路径彼此分隔开来。
根据一个实施例的气相生长设备,各隔板从圆柱部分的中心线径向延伸到圆柱部分的内壁并彼此以规定的角度相交,而此角度根据各材料气体供向衬底的时间长度来设定。因此,借助于提高衬底支架旋转速率(恒定速率)的设定值,可以将用来形成化合物半导体层的各材料供气周期设定为必需的最小时间长度。因而可提高产率。而且,由于只要求驱动装置以恒定的速率来旋转衬底支架,故旋转控制可简单地执行。
根据一个实施例的气相生长设备,在端板处多个材料供气口之间提供了一个用来供应具有对衬底表面上的生长反应不作贡献的特性的分离气体的分离气体供气口。气体分离装置由一个从分离气体供气口延伸到衬底固定表面的层状分离气体流所组成。因此,在圆柱部分内不用提供任何额外的元件就可以把各材料气体的气流路径彼此分隔开来,从而可简化维护。
根据一个实施例的气相生长设备,衬底支架的衬底固定表面有一个相当于中心线同圆柱部分中心线重合的截头棱锥的外侧面的结构。利用上述的设计,比之衬底固定表面垂直于圆柱部分中心线的情况,可以扩大衬底固定表面的面积。因此在衬底固定表面上可放置许多衬底,从而提高了产率。
根据一个实施例的气相生长设备,衬底支架的衬底固定表面有一个相当于中心线同圆柱部分中心线重合的棱柱形管的内侧表面的结构。利用上述设计,比之衬底固定表面垂直于圆柱部分中心线的情况,可增大衬底固定表面的面积。因此,在衬底固定表面上可安置许多衬底,从而提高产率。
本发明还提供了一种气相生长方法,它包含下列步骤:将衬底固定在生长室圆柱部分进、出气侧之间的衬底支架的衬底固定表面上,此生长室有沿进气口到出气口方向延伸的圆柱部分和一个封闭圆柱部分进气端的端板;将衬底保持在规定的温度下;借助于经由多个材料供气口将阳离子材料气体和阴离子材料气体从进气侧供入圆柱部分,同时用气体分离装置防止各材料气体在圆柱部分内相互混合,并将材料气体排出圆柱部分,从而形成各材料气体独立供向衬底固定表面相应部分的各材料供气区;以及使衬底支架绕圆柱部分的中心线旋转。
根据本发明的气相生长方法,借助于旋转衬底支架同时用分离装置防止各材料气体混合,可以将阳离子材料气体和阴离子材料气体交替地供向衬底的表面,而且可大批量地生长具有原子层单位平整度和界面突变性的化合物半导体层。而且,上述设计还免去了频繁开关控制阀的必要。
根据一个实施例的气相生长方法,当衬底通过隔板所在的平面时,衬底支架的转速被提高,而当衬底位于各材料供气区时,衬底支架的转速被降低或暂时停止转动。利用上述设计,可基本消除阳离子材料气体供向一部分衬底表面而阴离子材料气体供向衬底表面的其余部分这样的过渡期。因此,可得到具有极好界面突变性的原子层生长。
根据一个实施例的气相生长方法,衬底支架绕圆柱部分中心线旋转的速率根据各材料气体供向衬底的时间长度来改变。例如,当衬底通过要求供气时间短的材料气体供气区时,衬底支架的转速被提高。当衬底通过要求供气时间长的材料气体供气区时,衬底支架的转速被降低。利用上述设计,用来形成化合物半导体层的各材料供气周期可设定为必需的最小长度。因此可提高产率。
根据一个实施例的气相生长方法,准备了二种或更多种至少一种阳离子材料气体和阴离子材料气体,并通过不同的材料供气口将二种或更多种的材料气体供入圆柱部分,从而在衬底支架转一圈时,生长二个或更多个原子层。因此,可生长具有各种类型组分的化合物半导体层。
本发明业已描述完毕,但显然可做各种改变。此类改变不能被认为偏离了本发明的构思与范围,而正如本领域熟练人员清楚的那样,所有这些修改都被认为包括在下列权利要求的范围之内。
Claims (4)
1.一种借助于交替供应阳离子材料气体和阴离子材料气体并使这些气体进行反应而在生长室(1)中保持在规定温度下的衬底(4)的表面上生长化合物半导体层的气相生长设备,其中:
生长室(1)有一个沿进气侧到出气侧方向延伸的圆柱部分(1b)和一个封闭圆柱部分(1b)进气端部的端板(1a),
端板(1a)在其规定部位有一用来向圆柱部分(1b)供应阳离子材料气体的材料供气口(2)和一个用来向圆柱部分(1b)供应阴离子材料气体的材料供气口(3),而且还包含。
用来从圆柱部分(1b)的出气侧排出圆柱部分(1b)内的气体的排气装置(10),
一个位于圆柱部分(1b)进、出气侧之间并带有一个衬底固定表面(20,30,40)的衬底支架(5,15,25),
形成多个材料供气区的气体分离装置(6,16,26),通过将从供气口(2,3)延伸到衬底固定表面(20)的材料气体气流路径分离开来使各材料气体独立地供向衬底固定表面(20),以及
用来使衬底固定表面(20)上置有衬底(4)的衬底支架(5,15,25)绕圆柱部分(1b)的中心线旋转的驱动装置;
气体分离装置至少包含一个位于包有圆柱部分(1b)的中心线并从多个材料供气口(2,3)之间通过的平面内的隔板(6,6′,6A,6B,16,26),以及
其中的各个隔板(6A,6B)从圆柱部分(1b)的中心线径向延伸到圆柱部分(1b)的内壁并且以规定的角度相互相交,而且
此角度根据材料气体供向衬底(4)的时间长度来设定。
2.一种气相生长方法,它包含下列步骤:
将衬底(4)固定在位于生长室(1)圆柱部分(1b)进出气侧之间的衬底支架(5,15,25)的衬底固定表面(20,30,40)上,该生长室(1)有沿进气侧到出气侧方向延伸的圆柱部分(1b)和一个封闭圆柱部分(1b)的进气端部的端板(1a),
将衬底保持在规定的温度下,
借助于经由多个材料供气口(2,3)从进气侧向圆柱部分(1b)供应阳离子材料气体和阴离子材料气体而同时用气体分离装置(6,16,26)防止各材料气体在圆柱部分(1b)内相互混合并将材料气体排出圆柱部分(1b),来形成各材料气体独立地供向衬底固定表面(20,30,40)的相应部位的多个材料供气区,以及
使衬底支架(5,15,25)绕圆柱部分(1b)的中心线以可变速度旋转。
其中,衬底温度为200℃-1000℃,压力10-200乇,采用Ⅲ族元素材料,Ⅴ族元素材料,Ⅱ族元素材料以及Ⅵ族元素材料作为阳极材料和阴极材料。
3.权利要求2所述的气相生长方法,其中的气体分离装置(6)至少由一个位于包有圆柱部分(1b)的中心线并从多个材料供气口(2,3)之间通过的平面内的隔板(6)所组成,而且
当衬底(4)通过隔板所在的平面时,衬底架(5)的转速被提高,而当衬底(4)位于各个材料供气区时,衬底支架(5)的转速被降低或暂时停止转动。
4.权利要求2所述的气相生长方法,其中衬底支架(5)绕圆柱部分(1b)中心线转动的速率根据各材料气体供向衬底(4)的时间长度而改变。
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