CN113604872B - 高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置，是一种用氧化物气相外延法(Oxide Vapor Phase Epitaxy，OVPE)生长氮化镓的装置。本发明的装置加装活性碳网或者还原纯铁网是用来降低生长区的水分压；加装压力顺序阀是用来保压控流；GaN基底处用涡流局部加热，这样便于外部控温。

Description

高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置。
背景技术
作为第三代半导体材料的代表，氮化物宽禁带半导体在紫外/蓝光/绿光发光二极管、激光器、光电探测器等半导体器件方面有着广泛的市场应用前景。同时，其也是应用于高击穿电压、大功率、高频、抗辐射和高温器件等领域——如氮化镓基高电子迁移率晶体管和功率电子器件——的核心基础材料。
GaN由于具有比硅更大的带隙和更高的击穿场等优异的电学性能，是一种很有吸引力的半导体材料，可应用于高性能光电器件或者电子功率器件。然而，由于目前同质单晶GaN衬底的尺寸、产能和生产成本的限制，现在大多数GaN基器件都是在异质衬底(如Si、SiC和蓝宝石等)上制备的，这样生产的GaN会有较高的位错密度等结构性问题，会严重影响GaN基器件性能的发挥。为了制备高质量单晶GaN衬底，必须开发出能实现高速率和长期生长的GaN晶体生长技术。目前人们开发了各种生产单晶GaN方法，如氢化物气相外延(HydrideVapor Phase Epitaixy，HVPE)，氨热生长，和钠流法等。其中，HVPE是目前最成熟的批量生长GaN技术，它提供了甚至高达1870μmh-1的GaN生长速度。但由于生长过程中会产生NH4Cl等固体物质，导致生长出GaN单晶难以形成大尺寸，且位错密度大，晶体质量不高等问题。
氧化物气相外延(Oxide Vapor Phase Epitaxy，OVPE)生长GaN是用H2O(g)氧化Ga(l)生成Ga2O(g)，Ga2O(g)再与NH3(g)反应生成单晶GaN(s)。这种方法的优点之一是它是无HCl的，因此不产生固体副产物，如NH4Cl，从而有利于块状GaN晶体的长期生长。与典型的HVPE法生长的GaN晶体(电阻率为8.5×10-3Ω·cm)相比，OVPE法生长的GaN晶体具有极低的电阻率(7.75×10-4Ω·cm)。此外，据报道，OVPE法生长的GaN晶体的螺纹位错密度为104cm-2，生长厚度小于500μm，而种子衬底的螺纹位错密度为106cm-2。OVPE方法在制造低电阻率并且低螺纹位错密度的GaN晶体方面具有巨大的潜力。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置。
为实现上述目的，本发明提供一种高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置，其特征在于：包括生长区、源区、活性碳网或还原铁网、气源和加热装置，还包括：
保温层：所述保温层位于整个反应容器的外部；保温层内壁均匀缠绕着加热电阻丝，内壁在两个正对源区和生长区的地方设有两个温度传感器，内壁电阻丝通过外接电源达到加热源区和生长区的目的；两个温度传感器监测两区的温度将其控制在合适的温度范围内；
两个分别位于源区和生长区之间、生长区之后的压力控制阀：当源区和生长区内的气压增大到2个大气压时，压力控制阀将会打开，使反应所需气体通入源区和生长区，而反应产生的少量废气则排出装置，所述废气包括Ga2O、H2O、H2、N2和NH3；两个控制阀保证源区和生长区的气压稳定在2个大气压，有利于加速反应的进行，同时也避免了装置气压过大发生危险；
涡电流加热装置：所述涡电流加热装置安装在生长区的内底部，GaN晶圆制成的基底安装在涡电流加热板上；通过外接涡电流使涡电流极板产生涡流发热维持GaN基底的温度在1250℃；
所述活性碳网或还原铁网安装在生长区内靠近连接源区和生长区的压力控制阀的地方，达到降低通入生长区GaN基底处的水分压的目的。
作为优选方案，所述保温层用于包裹整个反应容器外围的石英管，并外接电源和温度控制回路。
进一步地，所述位于源区和生长区之间的压力控制阀安装在连接生长区和源区之间的通道上用于控制源区压力；所述位于生长区之后的压力控制阀用于控制生长区压力。
更进一步地，所述涡电流加热装置安装在生长区内底部，用于加热GaN基底。
更进一步地，所述活性碳网或还原铁网安装在生长区内靠近源区和生长区之间的压力控制阀的地方，用于降低生长区的水分压。
本发明所提出的装置设计方案如下：
设计方法一：是在生长区GaN基底前加上一层活性碳网：这种碳网要求具有很好的活性，且碳网不能有碳粉尘或离散的碳颗粒。在生长区入口的平均温度为1100℃下，C(s)和H2O(g)反应生成CO(g)和H2(g)，从而降低GaN基底附近的水分压。反应方程式为：
C(s)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)
由于碳网能承受高温，用固态碳网代替含碳气体避免了含碳气体分解产生碳颗粒沉积在GaN晶体表面从而影响生成的单晶GaN的纯度，且反应方程式中产物为气体，便于分离出来。
设计方法二：是在生长区加还原纯铁网：利用铁在高温下与水蒸气的反应达到上述目的。还原纯铁网的要求是铁网具有合适的厚度，并且铁网的表面为多孔粗糙状，保证铁与水蒸气能够进行充分的反应。其反应方程式为：
3Fe(s)+4H2O(g)→Fe3O4(s)+4H2(g)
还原铁与水蒸气产生的Fe3O4(s)不会作为新的氧化剂与Ga2O反应生成Ga2O3(s)，同时也可以通过铁还原由于过量H2O(g)与少量Ga(l)生成的Ga2O3(s)，这样可以避免固态Ga2O3成为单晶GaN的杂质。而且铁网相对于碳网来说不易产生粉尘或离散颗粒。
本发明的原理如下：
本发明是在氧化物气相外延法(Oxide Vapor Phase Epitaxy，OVPE)制作高纯度GaN晶体的装置的的基础上，在其生长区的入口处加上一层活性碳网或者还原纯铁网，使其与水蒸气反应从而达到降低生长区水分压，提高晶体的生长速度和晶体质量并且抑制多晶生成的方法。影响GaN多晶生长的因素主要是存在于GaN基底上的Ga(l)，所以通过OVPE法消除液态Ga，从而抑制多晶形成，提高单晶质量。具体方法是在源区通过H2O(g)与Ga(l)反应生成Ga2O(g)与H2(g)，Ga2O(g)再在生长区GaN基底上面与NH3(g)反应生成高纯度的单晶GaN固体。源区的水蒸气含量越高，流量越大，抑制多晶生成的效果越好，但与此同时，水分压太高会降低生长区单晶GaN的生长速率，所以目前任务是降低生长区的水分压。
本发明的优点及有益效果如下：
本装置通过加装两个压力顺序阀实现对装置内部反应气压的控制，使反应的气压稳定，反应速率可控；本装置采用活性碳网或者还原纯铁网实现降低装置生长区内的水分压的目的，并且这对于GaN基底上再生长GaN的过程不会产生杂质，并且由于降低了水分压，GaN的生长速率会显著提升。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图中：1.压力顺序阀，2.活性碳网或者还原纯铁网，3.GaN基底，4.涡流加热器，5.涡流电源，6.压力顺序阀，7.隔热层。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明结构以及其实现的功能，下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示的高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置。本装置由两部分组成：源区和生长区，这两部分密封在一个石英管内，石英管的外部包裹着隔热层，隔热层与石英管之间缠绕着加热电阻丝。石英管左端接进气管，源区分为上下两部分，由石英薄壁隔开，上部分通入NH3、N2、H2O、H2，下部分放置盛液体Ga的石英器皿并通入N2、H2O、H2。在源区的下半部分与生长区的连接处装有压力顺序阀。生长区内靠近源区处放有活性碳网或者还原纯铁网，右侧有小型圆形凸台，凸台上装有GaN晶圆片作为基底，凸台内装有涡流加热器。石英管右侧外部正对凸台内涡流加热器处装有涡流电源，在石英管右侧底部接有出气管道，管道上装有压力顺序阀。
本装置的工作过程如下：
1、通入H2(g)和N2(g)作为保护气体排出装置内的空气，利用加热缠绕在反应容器上的电阻丝将装置的温度升高并稳定到1100℃左右，再通入利用超纯水鼓泡法制得的水蒸气到源区的下半部分与Ga(l)反应生成所需的反应物——Ga2O(g)。连接源区与生长区的压力顺序阀1可以保证气压在不超过一定压强时不被打开，这样可以让源区的反应在更高的压力下进行，并且保证反应更加充分。
2、等到压力顺序阀1打开，源区上半部分再通入NH3(g)和N2(g)，与下半部分的反应物一同通过活性碳网或者还原纯铁网，除去气体中的部分水蒸气。生长区GaN基底处的涡流加热器将GaN基底温度加热到1250℃左右，然后开始进行生成单晶GaN反应。压力顺序阀6同样作为生长区的控压装置保证反应的快速充分进行。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置，其特征在于：包括生长区、源区、活性碳网或还原铁网、气源和加热装置，还包括：
保温层：所述保温层位于整个反应容器的外部；保温层内壁均匀缠绕着加热电阻丝，内壁在两个正对源区和生长区的地方设有两个温度传感器，内壁电阻丝通过外接电源达到加热源区和生长区的目的；两个温度传感器监测两区的温度将其控制在合适的温度范围内；
两个分别位于源区和生长区之间、生长区之后的压力控制阀：当源区和生长区内的气压增大到2个大气压时，压力控制阀将会打开，使反应所需气体通入源区和生长区，而反应产生的少量废气则排出装置，所述废气包括Ga2O、H2O、H2、N2和NH3；两个控制阀保证源区和生长区的气压稳定在2个大气压，有利于加速反应的进行，同时也避免了装置气压过大发生危险；
涡电流加热装置：所述涡电流加热装置安装在生长区的内底部，GaN晶圆制成的基底安装在涡电流加热板上；通过外接涡电流使涡电流极板产生涡流发热维持GaN基底的温度在1250℃；
所述活性碳网或还原铁网安装在生长区内靠近连接源区和生长区的压力控制阀的地方，达到降低通入生长区GaN基底处的水分压的目的。
2.根据权利要求1所述的高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置，其特征在于：所述保温层用于包裹整个反应容器外围的石英管，并外接电源和温度控制回路。
3.根据权利要求1或2所述的高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置，其特征在于：所述位于源区和生长区之间的压力控制阀安装在连接生长区和源区之间的通道上用于控制源区压力；所述位于生长区之后的压力控制阀用于控制生长区压力。
4.根据权利要求1或2所述的高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置，其特征在于：所述涡电流加热装置安装在生长区内底部，用于加热GaN基底。
5.根据权利要求3所述的高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置，其特征在于：所述涡电流加热装置安装在生长区内底部，用于加热GaN基底。
6.根据权利要求1或2或5所述的高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置，其特征在于：所述活性碳网或还原铁网安装在生长区内靠近源区和生长区之间的压力控制阀的地方，用于降低生长区的水分压。
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