CN106148913A - 一种半导体材料的化学气相沉积装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体材料的化学气相沉积装置及其半导体材料的生长方法。一种半导体材料的化学气相沉积装置，包括反应室、设置在反应室中的衬底和加热器、传输管路，所述加热器用于加热所述衬底，所述传输管路连接反应室，其特征在于：所述传输管路中设置有离化装置。其有益效果是：通过在气体传输管路中加入离化装置，使得气态源在传输管路中被离化，从而降低生长温度、提高气态源的裂解效率，并具有装置简单、安全、低成本的优势。

Description

一种半导体材料的化学气相沉积装置及其方法

技术领域

本发明涉及半导体材料制备领域，特别涉及一种半导体材料的化学气相沉积装置及其半导体材料的生长方法，可应用于半导体光电子器件和电子器件的制备。

背景技术

半导体薄膜、纳米点(量子点)或纳米线等结构的生长，是制备半导体器件的关键。化学气相沉积(包括金属有机物化学气相沉积(MOCVD或OMVPE))是最常用的生长方法之一(Journal of Applied Physics，vol.104，PP.113114，2008)。化学气相沉积的原理是：气态的源材料在高温下发生裂解，裂解的产物(如原子)在衬底上吸附和迁移，并最终结合形成半导体材料。因此，生长温度通常较高(如生长GaN材料，通常需要1000℃以上的高温)，这会提高生长成本、破坏器件结构(如高温下，原子扩散会导致异质结的界面组分渐变)。

目前，通常采用等离子辅助的方式，实现在低温下裂解(或离化)气态的源材料(如PECVD)，以降低生长温度。但是，等离子体的产生，需要采用大功率射频电源，这会危害人体健康、且装置复杂；并且，等离子体通常是安装在反应室内部，因此反应室的腔内需要放置衬底、加热装置、水冷装置以及等离子发生装置、并且还要保持良好的气密性。这会增加设备的复杂度、价格和维护成本。

因此，如何裂解(或离化)气态源，并具有装置简单、易实施、以及低成本的特点，是本发明的创研动机。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、易实施、低成本、安全性高的一种半导体材料的化学气相沉积装置。本发明的另一目的还提供了一种半导体材料的化学气相沉积方法。

本发明所提供的一种半导体材料的化学气相沉积装置，其技术方案为：

一种半导体材料的化学气相沉积装置，包括反应室、设置在反应室中的衬底和加热器、传输管路，所述加热器用于加热所述衬底，所述传输管路连接反应室，其特征在于：所述传输管路中设置有离化装置。

本发明所提供的一种半导体材料的化学气相沉积装置，还可以包括以下附属技术方案：

其中，所述离化装置是尖端放电装置，所述尖端放电装置的针尖插入到传输管路中。

其中，所述针尖与传输管路之间设置有绝缘层。

其中，所述针尖的形状是锥形、圆锥形或者尖锥阵列。

本发明还提供了一种半导体材料的化学气相沉积方法，其技术方案为：

一种半导体材料的化学气相沉积方法，其特征在于：使用加热器加热衬底，把反应气体通入到反应室，设置在传输通道中的离化装置把反应气体离化，离化后的反应气体在反应室中反应生成晶体材料。

本发明所提供的一种半导体材料的化学气相沉积方法，还可以包括以下附属技术方案为：

其中，所述传输管路包括传输管路一和传输管路二，所述离化装置设置在传输管路二中，所述离化装置的离化方法是尖端放电方法，所述尖端放电方法是在传输管路中插入针尖，通过在针尖上施加1千伏特～10万伏特的高电压，使得针尖放电，从而电离传输管路中的反应气体；所述的尖端放电方法，放电电流小于10毫安。

本发明还提供了一种GaN半导体材料的化学气相沉积方法，其技术方案为：

一种GaN半导体材料的化学气相沉积方法，其特征在于：

首先，利用加热器，将衬底的温度升高到650-750℃，并在传输管路一中通入含有三甲基镓的氮气，在传输管路二中通入氨气，所述传输管路二中设置有放电针尖；

其次，在放电针尖上施加2.8万-3.2万伏的电压，使得针尖处的氨气电离，该电离的氨气输入反应室；

最后，离化的氨气与三甲基镓在衬底上反应，生成GaN晶体材料。

本发明还提供了一种InN半导体材料的化学气相沉积方法，其技术方案为：

一种InN半导体材料的化学气相沉积方法，其特征在于：

首先，利用加热器，将衬底的温度升高到550-650℃，并在传输管路一中通入含有三甲基铟的氮气，在传输管路二中通入氨气，所述传输管路二中设置有放电针尖；

其次，在放电针尖上施加1.8万-2.2万伏特的电压，使得针尖处的氨气电离，该电离的氨气输入反应室；

最后，离化的氨气与三甲基铟在衬底上反应，生成InN晶体材料。

本发明的实施包括以下技术效果：

本发明所提供的一种半导体材料的化学气相沉积装置，具有以下优势：离化装置功率低、简易、安全；可以直接在气体传输管路上安装放电针尖，避免了在反应室腔内的高温环境下安装离化装置，具有安装简易、低成本的特点；可以灵活的对每个传输管路进行离化，从而有针对性的离化某种气态源或载气。本发明所提供的一种半导体材料的化学气相沉积方法，操作简单，安全性高，得到的半导体材料性能好。

附图说明

图1为本发明安装了离化装置的化学气相沉积装置的示意图

1、离化装置；10、针尖；11、绝缘层；20传输管路一；21传输管路二；3、反应室；4、衬底；5、加热器。

具体实施方式

下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

参见图1为本实施例安装了离化装置的化学气相沉积装置的示意图，需要指出的是图中反应室及其内部结构仅作参考，本实施例不涉及具体的反应室结构。

一种半导体材料的化学气相沉积装置，包括反应室3、设置在反应室3中的衬底和加热器5、传输管路，所述加热器5用于加热所述衬底4，所述传输管路连接反应室3，其特征在于：所述传输管路中设置有离化装置1。本实施例中通过在传输管路中设置离化装置1，使得气态源在进入反应室3之前的传输管路中被离化，从而降低生长温度、提高气态源的裂解效率，并具有装置简单、操作安全和低成本的优势。作为优选，所述离化装置1是尖端放电装置，所述尖端放电装置的针尖10插入到进入反应室3的气体传输管路中，安装位置可以靠近反应室3，以避免离化的物质重新俘获电子、并回到电中性的状态。本实施例中，所述针尖10与传输管路之间设置有绝缘层11。即针尖10与管路不直接接触，二者之间隔着绝缘层11；在不放电的状态下，针尖10与传输管路之间是电绝缘的。所述针尖10的形状是锥形、圆锥形或者尖锥阵列；本实施例优选尖锥阵列。

一种半导体材料的化学气相沉积方法，其特征在于：使用加热器5加热衬底4，把反应气体通入到反应室3，设置在传输通道中的离化装置1把反应气体离化，离化后的反应气体在反应室3中反应生成晶体。由于气体在进入反应室3之前，已经被离化，因此无需在高温反应室3内安装离化装置1，可以简化系统、便于操作。本实施例中，所述传输管路包括传输管路一20和传输管路二21，所述离化装置1设置在传输管路二21中，所述离化装置1的离化方法是尖端放电方法，所述尖端放电方法是在传输管路中插入针尖10，通过在针尖10上施加1千伏特～10万伏特的高电压，使得针尖10放电，从而电离传输管路中的反应气体；本实施例利用尖端放电，使得气态物质在传输管路中离化；所述的尖端放电方法，放电电流小于10毫安，因此放电功率小于1千瓦；与等离子体发生装置所采用的大功率射频电源相比，具有功率低、简易、安全的特点。

实施例1.生长GaN材料

首先，利用加热器5，将衬底4的温度升高到650-750℃，可以选择650℃、750℃、700℃，本实施例优选700℃，并在传输管路一20中通入含有三甲基镓(TMGa)的氮气，在传输管路二21中通入氨气(如图1)，所述传输管路二中设置有放电针尖。

其次，在放电针尖10上施加2.8万-3.2万伏的电压，可以选择2.8万、3.2万伏、3万伏，本实施例优选3万伏，使得针尖10处的氨气电离(如图1)，该电离的氨气输入反应室3。

最后，离化的氨气与三甲基镓在衬底4上反应，生成GaN晶体材料。由于氨气被离化，在较低温度下氨气可以裂解，从而降低GaN的生长温度。

实施例2.生长InN材料。

首先，利用加热器5，将衬底4的温度升高到550-650℃，可以选着650℃、550℃、600℃，本实施例优选600℃，并在传输管路一20中通入含有三甲基铟(TMIn)的氮气，在传输管路二21中通入氨气(如图1)，所述传输管路二中设置有放电针尖。

其次，在放电针尖10上施加1.8万-2.2万伏的电压，可以选择1.8万、2.2万伏、2万伏，本实施例优选2万伏，的电压，使得针尖10处的氨气电离(如图1)，该电离的氨气输入反应室3。

最后，离化的氨气与三甲基铟在衬底4上反应，生成InN晶体材料。由于氨气被离化，在较低温度下氨气可以裂解，从而降低InN的生长温度，并且避免了高温下InN分解。

综上所述，本发明提供的一种半导体材料的化学气相沉积方法，通过在气体传输管路中加入尖端放电装置，使得气态源在传输管路中被离化，从而降低生长温度、提高气态源的裂解效率，并具有装置简单、安全、低成本的优势。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种半导体材料的化学气相沉积装置，包括反应室、设置在反应室中的衬底和加热器、传输管路，所述加热器用于加热所述衬底，所述传输管路连接反应室，其特征在于：所述传输管路中设置有离化装置。

2.根据权利要求1所述的一种半导体材料的化学气相沉积装置，其特征在于：所述离化装置是尖端放电装置，所述尖端放电装置的针尖插入到传输管路中。

3.根据权利要求2所述的一种半导体材料的化学气相沉积装置，其特征在于：所述针尖与传输管路之间设置有绝缘层。

4.根据权利要求2-3任一所述的一种半导体材料的化学气相沉积装置，其特征在于：所述针尖的形状是锥形、圆锥形或者尖锥阵列。

5.一种半导体材料的化学气相沉积方法，其特征在于：使用加热器加热衬底，把反应气体通入到反应室，设置在传输通道中的离化装置把反应气体离化，离化后的反应气体在反应室中反应生成晶体材料。

6.根据权利要求5所述的一种半导体材料的化学气相沉积方法，其特征在于：所述传输管路包括传输管路一和传输管路二，所述离化装置设置在传输管路二中，所述离化装置的离化方法是尖端放电方法，所述尖端放电方法是在传输管路中插入针尖，通过在针尖上施加1千伏特～10万伏特的高电压，使得针尖放电，从而电离传输管路中的反应气体；所述的尖端放电方法，放电电流小于10毫安。

7.一种GaN半导体材料的化学气相沉积方法，其特征在于：

首先，利用加热器，将衬底的温度升高到650-750℃，并在传输管路一中通入含有三甲基镓的氮气，在传输管路二中通入氨气，所述传输管路二中设置有放电针尖；

其次，在放电针尖上施加2.8万-3.2万伏的电压，使得针尖处的氨气电离，该电离的氨气输入反应室；

最后，离化的氨气与三甲基镓在衬底上反应，生成GaN晶体材料。

8.一种InN半导体材料的化学气相沉积方法，其特征在于：

首先，利用加热器，将衬底的温度升高到550-650℃，并在传输管路一中通入含有三甲基铟的氮气，在传输管路二中通入氨气，所述传输管路二中设置有放电针尖；

其次，在放电针尖上施加1.8万-2.2万伏特的电压，使得针尖处的氨气电离，该电离的氨气输入反应室；

最后，离化的氨气与三甲基铟在衬底上反应，生成InN晶体材料。