CN112126976B - 氢化物气相外延的镓舟结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，公开了一种氢化物气相外延的镓舟结构，包括舟体，还包括：所述舟体的顶部设置镓源入口，所述舟体内用于盛放液态镓源，所述舟体内设置反应物出口管路，所述反应物出口管路的顶端高于液态镓源的液面，所述反应物出口管路的底端穿出所述舟体的底壁；以及分气盘，所述分气盘设置在所述舟体内的底壁上，在所述分气盘的侧面设置氯化氢进口，在所述分气盘的管路的顶端设置至少一个氯化氢出口，各个所述氯化氢出口均位于液态镓源的液面的下方。该镓舟结构具有氯化氢转化率高、氯化氢与液态镓源的接触面积大以及有效地延长了氯化氢的路径的优点。

Description

氢化物气相外延的镓舟结构
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种氢化物气相外延的镓舟结构。
背景技术
HVPE(氢化物气相外延)技术与MOCVD(有机金属气相沉积)技术相比具有生长速率相对较高、源成本大幅下降等的优点，日益成为用于Ⅲ-Ⅴ族化合物气相生长的新方法。该方法已用于GaN(氮化镓)衬底的生长，并正在研究用于GaAs(砷化镓)器件的生长。该方法使氯化氢与液态镓反应生成一氯化镓，导入生长区与砷烷或氨气发生反应。以砷化镓的生成为例，发生以下反应：
Ga(l)+HCl(g)→GaCl(g)+H2(g)；
GaCl(g)+AsH3(g)→GaAs(s)+HCl(g)+H2(g)；
作为HVPE中比较关键的一个步骤，氯化氢气体流过镓舟内液体的表面，在该表面上生成一氯化镓气体，这一步骤直接决定了GaAs(砷化镓)最终的生长速度和源的利用率；此种反应方式容易引起，氯化氢与液态镓接触时间短，氯化氢未来得及反应就已流出反应腔。另外，由于液态金属在不断的消耗，造成进气口与液体源的距离在不断改变，由此，导致砷化镓生长参数变化较大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种氢化物气相外延的镓舟结构，以解决现有技术中的氯化氢气体与液态镓的接触面积小，容易造成氯化氢气体的转化效率低的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种氢化物气相外延的镓舟结构，包括舟体，还包括：所述舟体的顶部设置镓源入口，所述舟体内用于盛放液态镓源，所述舟体内设置反应物出口管路，所述反应物出口管路的顶端高于液态镓源的液面，所述反应物出口管路的底端穿出所述舟体的底壁；以及分气盘，所述分气盘设置在所述舟体内的底壁上，在所述分气盘上设置氯化氢进口，在所述分气盘的管路的顶端设置至少一个氯化氢出口，各个所述氯化氢出口均位于液态镓源的液面的下方。
其中，所述分气盘包括主管路、与所述主管路的上下两端相连通的第一分支管路。
其中，所述分气盘还包括分别与相应的所述第一分支管路相连通的第二分支管路，其中，所述第二分支管路与所述主管路呈平行式设置。
其中，所述分气盘还包括分别与相应的所述第二分支管路的上下两端相连通的第三分支管路，其中，所述第三分支管路与所述第一分支管路呈平行式设置。
其中，在各个所述第三分支管路的顶端均呈等距式构造有多个所述氯化氢出口。
其中，所述氯化氢进口为两个并分别设置在所述分气盘的侧边，其中，两个所述氯化氢进口呈相对式设置。
其中，所述分气盘的水平截面的轮廓尺寸与所述舟体的底壁的水平截面的轮廓尺寸相同。
其中，所述镓舟结构还包括设置在所述舟体的外表面的加热部件。
其中，所述加热部件包括沿所述舟体的纵向进行螺旋盘绕的金属加热丝或红外加热丝。
其中，所述镓舟结构还包括与所述氯化氢进口相连通的氯化氢进口管路，其中，在所述氯化氢进口管路上设置阀门。
(三)有益效果
本发明提供的镓舟结构，与现有技术相比，具有如下优点：
通过增设分气盘，在该分气盘的侧面设置氯化氢进口，在该分气盘的管路的顶端设置至少一个氯化氢出口，从而可以将一股氯化氢气体均匀地分散为多股，由于分气盘设置在舟体的底壁上，镓源入口设置在舟体的顶部，这样，分气盘的整体则会处于液态镓源内，分成多股的氯化氢便会直接与液态镓源发生反应，生成氯化镓和氢气，可见，本申请的分气盘的设置，有效地增大了氯化氢气体与液态镓源的接触面积和接触时间，同时，也延长了氯化氢的路径，从而有效地提高了氯化氢的转化率，减弱了反应过程中液态镓源消耗对生成氯化镓造成的影响，改善了反应环境。
附图说明
图1为本申请的实施例的氢化物气相外延的镓舟结构的整体结构示意图；
图2为图1中的A-A剖面结构示意图。
图中，1：舟体；11：镓源入口；200：液态镓源；12：反应物出口管路；121：顶端；122：底端；2：分气盘；21：氯化氢进口；22：氯化氢出口；23：主管路；24：第一分支管路；25：第二分支管路；26：第三分支管路；3：氯化氢进口管路；31：阀门。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，图中示意性地显示了该镓舟结构包括舟体1和分气盘2。
在本申请的实施例中，该舟体1的顶部设置镓源入口11，该舟体1内构造有用于盛放液态镓源200的容纳腔，该舟体1内设置反应物出口管路12，该反应物出口管路12的顶端121高于液态镓源200的液面，该反应物出口管路12的底端122穿出该舟体1的底壁。该分气盘2设置在该舟体1内的底壁上，在该分气盘2上设置氯化氢进口21，在该分气盘2的管路的顶端设置至少一个氯化氢出口22，各个氯化氢出口22均位于液态镓源200的液面的下方。具体地，通过增设分气盘2，在该分气盘2上设置氯化氢进口21，在该分气盘2的管路的顶端设置至少一个氯化氢出口22，从而可以将一股氯化氢气体均匀地分散为多股，由于分气盘2设置在舟体1的底壁上，镓源入口11设置在舟体1的顶部，这样，分气盘2的整体则会处于液态镓源200内，分成多股的氯化氢便会直接与液态镓源200发生反应，生成氯化镓和氢气，可见，本申请的分气盘2的设置，有效地增大了氯化氢气体与液态镓源200的接触面积和接触时间，同时，也延长了氯化氢的路径，从而有效地提高了氯化氢的转化率，减弱了反应过程中液态镓源200消耗对生成氯化镓造成的影响，改善了反应环境。
需要说明的是，液态镓源与氯化氢气体进行反应后，会生成氯化镓气体和氢气，由于气体的密度较小，因而，往往会位于液态镓源200的液面的上方，这样，反应后的氯化镓气体和氢气便会经该反应物出口管路12通入到舟体1的外部，以便进行下一步的反应。
还需要说明的是，当舟体1内的液态镓源200的体积不足以确保与氯化氢气体进行充分反应后，则可以通过该镓源入口11向舟体1内注入液态镓源200，从而确保液态镓源200的体积可以始终处于稳定的范围内。
在一个具体的实施例中，该舟体1的制造材质优选为陶瓷或石英。具体地，在舟体1内，当液态镓源200与氯化氢气体进行反应时，为使得氯化氢气体能够反应充分，则需要对舟体1进行加热，因而，舟体1应当具有高温耐受性。然而，陶瓷和石英均可以承受较高的温度，故，该舟体1可由陶瓷或石英等材质制造而成。
需要说明的是，舟体1的形状可为长方形、正方形或圆柱形。
该分气盘2的制造材质也同样地优选为陶瓷或石英。
还需要说明的是，该分气盘2可与该舟体1为一体式注塑成型，这样，便大大地方便了对该分气盘2的加工和制造。
如图1和图2所示，在本申请的一个优选的实施例中，该分气盘2包括主管路23、与该主管路23的上下两端相连通的第一分支管路24。需要说明的是，氯化氢气体经该氯化氢进口21通入到分气盘2内的主管路23中后，会均分为两路并分别输送到相应的第一分支管路24中。这样，便实现了对氯化氢气体体积的均分。
如图2所示，在本申请的另一个优选的实施例中，该分气盘2还包括分别与相应的该第一分支管路24相连通的第二分支管路25，其中，该第二分支管路25与该主管路23呈平行式设置。这样，位于该第一分支管路24内的氯化氢气体便可以进入到与其连通的第二分支管路25中，为接下来对氯化氢体积的均分做准备。
在本申请的另一个优选的实施例中，该分气盘2还包括分别与相应的该第二分支管路25的上下两端相连通的第三分支管路26，其中，该第三分支管路26与该第一分支管路24呈平行式设置。具体地，该第一分支管路24和第三分支管路26可为横向通道，主管路23和第二分支管路25可为纵向通道。
还需要说明的是，第一分支管路24、第二分支管路25以及第三分支管路26可以为竖直状态、水平状态或倾斜状态。
如图1和图2所示，在本申请的一个优选的实施例中，在各个该第三分支管路26的顶端均呈等距式构造有多个该氯化氢出口22。具体地，由于相邻的氯化氢出口22之间的距离较小，因而，经各个该氯化氢出口22排出的氯化氢气体的体积都几乎相同。此外，该氯化氢出口22的均匀排布，可以使得氯化氢气体与液态镓源200进行均匀地接触，同时，也可以有效地增大氯化氢气体与液态镓源200的接触面积，这样，便可以有效地提高该氯化氢气体的转化率，从而弥补了因液态镓源200的消耗造成的不利影响，达到氯化镓进行稳定输出的效果，进一步地，使得砷化镓(砷化镓是由氯化镓与砷化氢反应后得到的)的生长处于稳定环境，改善膜层的质量。
可以理解的是，各个该氯化氢出口22的口径均相等。
如图1和图2所示，在本申请的一个优选的实施例中，该氯化氢进口21为两个并分别设置在该分气盘2的侧边，其中，两个该氯化氢进口21呈相对式设置。具体地，通过使得氯化氢进口21设置在分气盘2的侧边，从而可以有效地增大氯化氢气体与液态镓源200的接触面积，提高氯化氢气体的转化率。此外，通过增设两个氯化氢进口21，并使得该两个氯化氢进口21呈相对式设置，从而可以进一步地增大氯化氢与液态镓源200的接触面积，提高氯化氢的转化率。进一步地，增加氯化镓的生成量，使其具有稳定的生长环境，最终达到降低液态镓源200的成本、达到获得高质量的外延层的目的。
需要说明的是，分气盘2中的主管路23和第二分支管路25分别相当于纵向通道和下一级纵向通道，分气盘2中的第一分支管路24和第三分支管路26分别相当于横向通道和下一级横向通道。具体地，氯化氢气体经分气盘2两侧的氯化氢进口21进入后，分别先经过纵向通道后被均分成两路，然后，分别被输送到下一级纵向通道中，各个下一级纵向通道的另一端分别与下一级横向通道相连通。这样，便实现了对氯化氢气体的输送，有效地增大了氯化氢气体与液态镓源200的接触面积，提高了氯化氢气体的转化率。
需要说明的是，每一路横向通道距离氯化氢进口21的最近距离均是相等的，最后氯化氢气体经下一级横向通道(第三分支管路26)上均布的氯化氢出口22进入到液态镓源200内。
在一个实施例中，第三分支管路26均布于舟体1内，其上的氯化氢出口22有规则地阵列分布于分气盘2的顶面。
还需要说明的是，液态镓源200也可为液态铟源。
如图2所示，在本申请的一个优选的实施例中，该分气盘2的水平截面的轮廓尺寸与该舟体1的底壁的水平截面的轮廓尺寸相同。这样，可以使得设置在第三分支管路26上的氯化氢出口22能够较好地与液态镓源200相接触，增大氯化氢气体与液态镓源200的接触面积，提高氯化氢气体的转化率，达到氯化镓的稳定输出，从而使得砷化镓的生长处于稳定环境，改善膜层质量。
在一个实施例中，该镓舟结构还包括设置在该舟体1的外表面的加热部件(图中未示出)。具体地，该加热部件的设置，可以使得液态镓源200与氯化氢气体保持在800℃～900℃的温度范围内，从而可以使得液态镓源200能够与氯化氢气体进行充分反应，提高氯化氢气体的转化率。
在另一个实施例中，该加热部件包括沿该舟体1的纵向进行螺旋盘绕的金属加热丝或红外加热丝。具体地，通过使得金属加热丝或红外加热丝沿该舟体1的纵向进行螺旋盘绕，从而可以使得舟体1的内部受热均匀，确保舟体1内的液态镓源200和氯化氢气体可以处在适合的温度范围内进行充分反应。
可以理解的是，加热部件的具体结构并不仅仅地局限于上述实施例所列举的情况，其还可以根据实际的需要进行灵活地调整，即，只要该加热部件可以起到对舟体1的内部进行加热的作用即可，对于加热部件的具体结构形式以及具体的加热方式均不做特别的限定。
如图1和图2所示，在本申请的另一个优选的实施例中，该镓舟结构还包括与该氯化氢进口21相连通的氯化氢进口管路3，其中，在该氯化氢进口管路3上设置阀门31。具体地，该氯化氢进口管路3与氯化氢进口21相连通，当舟体1内的液态镓源200的液面处于安全的范围内时，所谓的“安全范围”是指可以确保液态镓源200可以与氯化氢气体进行连续充分反应所应当具有的体积。若判断当前位于舟体1内的液态镓源200的体积处于安全的范围内，即，可以满足与氯化氢气体进行充分反应，则阀门31开启，此时氯化氢进口管路3内部的通路被打开，氯化氢气体依次经氯化氢进口管路3以及分气盘2上的氯化氢进口21而被输送到主管路23、第一分支管路24、第二分支管路25以及第三分支管路26中。可见，阀门31的设置可以灵活地控制氯化氢进口管路3内部的通断。即，当需要进行液态镓源200与氯化氢气体的反应时，则阀门31开启，反应完毕后，阀门31关闭，以及时阻断氯化氢气体的通入，避免对氯化氢气体造成浪费。
在一个具体的实施例中，阀门31优选为单向阀或截止阀。
综上所述，通过增设分气盘2，在该分气盘2的侧面设置氯化氢进口21，在该分气盘2的管路的顶端设置至少一个氯化氢出口22，从而可以将一股氯化氢气体均匀地分散为多股，由于分气盘2设置在舟体1的底壁上，镓源入口11设置在舟体1的顶部，这样，分气盘2的整体则会处于液态镓源200内，分成多股的氯化氢便会直接与液态镓源200发生反应，生成氯化镓和氢气，可见，本申请的分气盘2的设置，有效地增大了氯化氢气体与液态镓源200的接触面积和接触时间，同时，也延长了氯化氢的路径，从而有效地提高了氯化氢的转化率，减弱了反应过程中液态镓源200消耗对生成氯化镓造成的影响，改善了反应环境。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氢化物气相外延的镓舟结构，包括舟体(1)，其特征在于，还包括：
所述舟体(1)的顶部设置镓源入口(11)，所述舟体(1)内用于盛放液态镓源(200)，所述舟体(1)内设置反应物出口管路(12)，所述反应物出口管路(12)的顶端(121)高于液态镓源(200)的液面，所述反应物出口管路(12)的底端(122)穿出所述舟体(1)的底壁；以及
分气盘(2)，所述分气盘(2)设置在所述舟体(1)内的底壁上，在所述分气盘(2)上设置氯化氢进口(21)，所述氯化氢进口(21)包括两个并分别设置在所述分气盘(2)的侧边的进口；
所述分气盘(2)包括主管路(23)、与所述主管路(23)的上下两端相连通的第一分支管路(24)，以及分别与相应的所述第一分支管路(24)相连通的第二分支管路(25)，其中，所述第二分支管路(25)与所述主管路(23)呈平行式设置；
所述分气盘(2)还包括分别与相应的所述第二分支管路(25)的上下两端相连通的第三分支管路(26)，其中，所述第三分支管路(26)与所述第一分支管路(24)呈平行式设置；
在各个所述第三分支管路(26)的顶端均呈等距式构造有多个氯化氢出口(22)；各个所述氯化氢出口(22)均位于液态镓源(200)的液面的下方。
2.根据权利要求1所述的氢化物气相外延的镓舟结构，其特征在于，两个所述氯化氢进口(21)呈相对式设置。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的氢化物气相外延的镓舟结构，其特征在于，所述分气盘(2)的水平截面的轮廓尺寸与所述舟体(1)的底壁的水平截面的轮廓尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的氢化物气相外延的镓舟结构，其特征在于，所述镓舟结构还包括设置在所述舟体(1)的外表面的加热部件。
5.根据权利要求4所述的氢化物气相外延的镓舟结构，其特征在于，所述加热部件包括沿所述舟体(1)的纵向进行螺旋盘绕的金属加热丝或红外加热丝。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的氢化物气相外延的镓舟结构，其特征在于，所述镓舟结构还包括与所述氯化氢进口(21)相连通的氯化氢进口管路(3)，其中，在所述氯化氢进口管路(3)上设置阀门(31)。
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