CN107574479A - 一种多功能氢化物气相外延生长系统及应用 - Google Patents
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Abstract
一种氢化物气相外延生长系统，包括生长区和气路系统，气路系统中进气管路包括氨气管路、氧气管路和氯气管路，在生长氮化镓时使用氨气作为反应气体，在生长氧化镓时使用氧气作为反应气体；外延生长系统的生长区包括低温生长区和高温生长区，高温生长区的外侧为废气排出管路；低温生长区附近还设有Ga舟，氯气管路伸进Ga舟；该系统既用于氧化镓薄膜的生长、用于氮化镓薄膜的生长或用于氮化镓/氧化镓复合结构薄膜的生长。
Description
技术领域
本发明涉及一种改进的新型多功能氢化物气相外延生长系统及应用，既可以用于氧化镓薄膜的生长，也可以用于氮化镓薄膜的生长，或用于氮化镓/氧化镓复合结构薄膜的生长。
背景技术
以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料。GaN基材料是直接带隙宽禁带半导体材料，具有1.9—6.2eV之间连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能，在短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备等方面具有重要的应用，用于制造比如蓝、紫、紫外波段发光器件、探测器件，高温、高频、高场大功率器件，场发射器件，抗辐射器件，压电器件等。
由于GaN基材料本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化。氢化物气相外延由于具有高的生长率和横向-纵向外延比，可用于同质外延生长自支撑GaN衬底，引起广泛地重视和研究。此法的突出优点是GaN生长速率很高，一般可达几十到上千微米/小时。而外延层中位错密度与其他方法相比低1-2个数量级，一般直接HVPE外延层的位错密度达108cm-2左右。进一步研究可以更好的降低外延层中的位错密度。目前主要采用氢化物气相外延(HVPE)方法在蓝宝石衬底上直接生长GaN基材料，再加以分离，获得GaN衬底材料。
氧化镓(Ga2O3)也是一种宽禁带半导体，Eg＝4.9eV，其导电性能和发光特性长期以来一直引起人们的注意。Ga2O3是一种透明的氧化物半导体材料，在光电子器件方面有广阔的应用前景，被用作于Ga基半导体材料的绝缘层，以及紫外线滤光片。由于氧化镓单晶有透过蓝光和紫外光的性质，氧化镓单晶可用作GaN的衬底材料。光波公司和早稻田大学在2005年合作开发了导电性氧化镓单晶，其电阻率为0.02Q·cm。在氧化镓衬底上用MOCVD法生长多层氮化镓系列化合物，就可得到垂直发光的蓝光发光二极管。
氧化镓单晶一般采用CVD、水热法等方法制备，但是此类方法生长速度慢，尺寸也受到限制。也可以用类似HVPE方法外延得到，将HVPE反应生长GaN中的氨气替换为氧气，控制不同的工艺参数如温度、流量、压力等即可生长氧化镓。由于氢化物气相外延系统的突出优点，可以用于大尺寸氧化镓衬底的制备。
本发明给出了一种改进的新型多功能氢化物气相外延生长系统及应用，既可以用于氧化镓薄膜的生长，也可以用于氮化镓薄膜的生长，或用于氮化镓/氧化镓复合结构薄膜的生长。
发明内容
本发明目的是：提出一种氢化物气相外延系统及应用，生长速率高、生长的材料质量好，一般用于氮化镓衬底材料的制备。本发明提出了一种改进的氢化物气相外延系统，既可以用于氧化镓薄膜的生长，也可以用于氮化镓薄膜的生长，或用于氮化镓/氧化镓复合结构薄膜的生长。由于HVPE方法生长速率高，本发明生长系统也可以用于大尺寸氧化镓衬底材料的制备。
本发明技术方案是：一种氢化物气相外延生长系统，是改进基本的氢化物气相外延生长系统，增加相应的氧气输运管路输运氧气进入系统作为氧源，用于生长氧化镓薄膜或厚膜材料。系统包括生长区和气路系统，气路系统中进气管路包括氨气管路、氧气管路和氯气管路，在生长氮化镓时使用氨气作为反应气体，在生长氧化镓时使用氧气作为反应气体；外延生长系统的生长区包括低温生长区和高温生长区，高温生长区的外侧为废气排出管路；低温生长区附近还设有Ga舟，氯气管路伸进Ga舟；该系统既可以用于氧化镓薄膜的生长，也可以用于氮化镓薄膜的生长，或用于氮化镓/氧化镓复合结构薄膜的生长。在生长氮化镓时使用氨气作为反应气体，在生长氧化镓时使用氧气作为反应气体。该系统既可以用于氧化镓薄膜的生长，也可以用于氮化镓薄膜的生长，或用于氮化镓/氧化镓复合结构薄膜的生长。
所述的氢化物气相外延生长系统的应用，氢化物气相外延生长系统中生长氧化镓薄膜，氧化镓薄膜生长时，在低温区，生长温度为800-900℃，金属镓与氯化氢或氯气反应生成GaCl作为镓源，氧气作为氧源；在高温生长区GaCl和O2混合发生反应，得到氧化镓薄膜，高温区温度为900-1150℃；反应在常压下进行，O/Ga原子输入比为1.5-15。
所述的氢化物气相外延生长氮化镓和氧化镓复合薄膜结构的方法，氢化物气相外延生长系统中先生长氧化镓薄膜，然后再原位HVPE生长GaN薄膜；或在氢化物气相外延生长系统中先生长氮化镓薄膜，然后再继续生长Ga2O3薄膜。氮化镓和氧化镓可以互为外延衬底。
本发明应用，氧化镓薄膜材料的制备，包括下面几步：
1、衬底(蓝宝石或硅片)的清洗和处理。
2、氢化物气相外延法制备氧化镓薄膜，在低温区,金属镓与氯化氢或氯气反应生成GaCl作为镓源，温度一般为800-900℃；氧气作为氧源，在高温生长区GaCl和O2混合发生反应，得到氧化镓薄膜，高温区温度一般为900-1050℃。反应在一个大气压下进行，O2/Ga输入流量比为1.5-15。调整生长时间，可以得到不同厚度的氧化镓薄膜。
3、氧化镓薄膜生长完成后，关闭氯化氢气体，维持氧气的持续输入，调整温度在900-1000℃进行退火，时间1-5h。
4、关闭氧气，并持续通入氮气，待温度降至室温，取出样品，即可得到氧化镓薄膜。
氢化物气相外延生长系统中生长氧化镓薄膜。在低温区，温度800-900℃，金属镓与氯化氢或氯气反应生成GaCl作为镓源；氧气作为氧源，在高温生长区GaCl和O2混合发生反应，得到氧化镓薄膜，高温区温度为900-1150℃。反应在常压下进行，O/Ga输入比为1.5-15。
氢化物气相外延生长系统中先生长氧化镓薄膜，然后再原位HVPE生长GaN薄膜；或在氢化物气相外延生长系统中先生长氮化镓薄膜，然后再继续生长Ga2O3薄膜。氮化镓和氧化镓可以互为外延衬底。
HVPE方法生长氮化镓的基本反应如下：
GaCl+NH3→GaN+HCl+H2
HVPE方法生长氧化镓的基本反应如下：
GaCl+O2→Ga2O3+Cl2
本发明有益效果：给出了一种改进的新型多功能氢化物气相外延生长系统，既可以用于氧化镓薄膜的生长，也可以用于氮化镓薄膜的生长，或用于氮化镓/氧化镓复合结构薄膜的生长。
附图说明
图1为本发明氢化物气相外延设备示意图。
具体实施方式
本发明方法和工艺包括：氢化物气相外延方法制备氧化镓薄膜，氢化物气相外延方法制备氧化镓薄膜。
本发明技术实施方式之一，氧化镓薄膜材料的制备，包括下面几步：
衬底(蓝宝石或硅片)的清洗和处理。
氢化物气相外延法制备氧化镓薄膜，在低温区,金属镓与氯化氢或氯气反应生成GaCl作为镓源，温度一般为800-900℃；氧气作为氧源，在高温生长区GaCl和O2混合发生反应，得到氧化镓薄膜，高温区温度一般为900-1050℃。反应在一个大气压下进行，O2/Ga输入流量比为1.5-15。调整生长时间，可以得到不同厚度的氧化镓薄膜。
氧化镓薄膜生长完成后，关闭氯化氢气体，维持氧气的持续输入，调整温度在900-1000℃进行退火，时间1-5h。
关闭氧气，并持续通入氮气，待温度降至室温，取出样品，即可得到氧化镓薄膜。
生长区为双温区的电阻炉(管式或箱式均可)，另有气路系统，气路系统中进气管路包括主氮气管路、氨气管路(或与氮气管路套用，即同时通入氨气和氮气)、氧气管路和氯气管路(或与氮气管路套用，即同时通入氯气和氮气)，在生长氮化镓时使用氨气作为反应气体，在生长氧化镓时使用氧气作为反应气体；外延生长系统的生长区包括低温生长区和高温生长区，高温生长区的外侧为废气排出管路；低温生长区还设有Ga舟，氯气管路伸进Ga舟；该系统既可以用于氧化镓薄膜的生长，也可以用于氮化镓薄膜的生长，或用于氮化镓/氧化镓复合结构薄膜的生长。在生长氮化镓时使用氨气作为反应气体，在生长氧化镓时使用氧气作为反应气体。该系统既可以用于氧化镓薄膜的生长，也可以用于氮化镓薄膜的生长，或用于氮化镓/氧化镓复合结构薄膜的生长。进气管路上均串联有质量流量计。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种氢化物气相外延生长系统，其特征是包括生长区和气路系统，气路系统中进气管路包括氨气管路、氧气管路和氯气管路，在生长氮化镓时使用氨气作为反应气体，在生长氧化镓时使用氧气作为反应气体；外延生长系统的生长区包括低温生长区和高温生长区，高温生长区的外侧为废气排出管路；低温生长区附近还设有Ga舟，氯气管路伸进Ga舟；该系统既用于氧化镓薄膜的生长、用于氮化镓薄膜的生长或用于氮化镓/氧化镓复合结构薄膜的生长。
2.根据权利要求1所述的氢化物气相外延生长系统，其特征是生长区为双温区的电阻炉，另有气路系统，气路系统中进气管路包括主氮气管路、氨气管路、或与氮气管路套用，即同时通入氨气和氮气、氧气管路和氯气管路、氯气管路或与氮气管路套用、即同时通入氯气和氮气，在生长氮化镓时使用氨气作为反应气体，在生长氧化镓时使用氧气作为反应气体；外延生长系统的生长区包括低温生长区和高温生长区，高温生长区的外侧为废气排出管路。
3.根据权利要求1或2所述的氢化物气相外延生长系统的应用，其特征是氢化物气相外延生长系统中生长氧化镓薄膜，氧化镓薄膜生长时，在低温区，生长温度为800-900℃，金属镓与氯化氢或氯气反应生成GaCl作为镓源，氧气作为氧源；在高温生长区GaCl和O2混合发生反应，得到氧化镓薄膜，高温区温度为900-1150℃；反应在常压下进行，O/Ga原子输入比为1.5-15。
4.根据权利要求3所述的氢化物气相外延生长氮化镓和氧化镓复合薄膜结构的方法，其特征是氢化物气相外延生长系统中先生长氧化镓薄膜，然后再原位HVPE生长GaN薄膜；或在氢化物气相外延生长系统中先生长氮化镓薄膜，然后再继续生长Ga2O3薄膜。氮化镓和氧化镓可以互为外延衬底。
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