CN114108097B - 一种改善氮化镓晶体生长均匀性装置与生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改善氮化镓晶体生长均匀性装置与生长方法，在氢化物气相外延生长氮化镓晶体装置中，通常衬底被固定在石墨托上，氯化镓与氨气在氮气载气作用下从低温区流向高温区的衬底面，进行结晶生长。生长区的气相饱和度受氮气载气流量、生长区装置的结构等影响导致生长的氮化镓晶体厚度明显不均匀。本发明采用带有石墨镂空围栏的石墨托，可以减小气相的涡旋流动速度，增大气相饱和度及其均匀性，并且在氯化镓的进气口增加半侧喇叭形开口，氨气进气口增加全喇叭形开口，可以降低气流速度并增加衬底表面气相的均匀性。本发明结构简单，增加了衬底上气相饱和度和均匀性，提高了氮化镓晶体生长效率，生长的氮化镓晶体表面更为平整且厚度均匀。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种改善氮化镓晶体生长均匀性装置与生长方法。
背景技术
氮化镓作为第三代宽带隙半导体材料的重要代表，是当前半导体材料及器件领域的研究前沿与热点，其在光学、电子学方面有重要应用，广泛应用于微电子器件、光电子器件和高频微波器件制备。
虽然氮化镓具有较强的应用前景，表现出优越的器件性能，但是氮化镓晶体的制备却一直是业界的难题。因为没有合适的同质氮化镓单晶衬底，所以没有人采用气相外延的方法来制备氮化镓材料。二十世纪中期，Maruska 和 Tietjen 两位科学家首次采用氢化物气相外延方法在蓝宝石衬底上生长出了厘米尺度的氮化镓外延层。使用氢化物气相外延方法制备氮化镓一般由III族元素的氯化物与V族元素的氢化物在衬底上实现。其中氯化物通常是由氯化氢气体流过液态III族元素而反应得到。蓝宝石、碳化硅等是常用的外延生长氮化镓的衬底材料，因为它们不会与氨气发生反应。但是这种异质外延生长存在的最大问题是异质衬底和氮化镓之间存在较大的热失配和晶格失配，这就使得在生长氮化镓过程中，生长的氮化镓晶体厚度越大弯曲度越大，不仅难以得到厚度均匀的氮化镓晶体，而且常常出现外延晶体从衬底上脱离的情况，这对于氮化镓材料的加工和应用是非常不利的。加之氮化镓材料的硬度和脆性都较大，晶体加工过程中很容易开裂破碎，很难制备大尺寸的合格氮化镓晶体材料。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明提供一种改善氮化镓晶体生长均匀性装置与生长方法，通过在常规氢化物气相外延生长系统中采用粘有衬底的带围栏石墨托、带有半侧喇叭形开口的氯化镓进气口和全喇叭形开口的氨气进气口设计，其中石墨托的围栏为多孔镂空设计，石墨托的直径与衬底直径相关，大于衬底直径2mm到10mm。选择合适衬底固定于带围栏的石墨托上， 放入生长腔体内固定支架上，将金属稼放入稼舟，设置好氮化镓晶体生长工艺参数，即可实现氮化镓晶体的均匀性生长。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种改善氮化镓晶体生长均匀性装置，包含下述结构：
粘有衬底的带围栏石墨托装置，所述装置包含带围栏石墨托和衬底材料，衬底材料粘接在石墨托底部；
带有半侧喇叭形开口的氯化镓进气口，氯化镓由氯化氢气体流过镓舟合成得到；
全喇叭形开口的氨气进气口。
进一步的，所述结构1）中，所述石墨托的围栏为镂空设计，石墨托的直径与衬底直径相关，大于衬底直径2mm到10mm；
进一步的，所述结构1）中，所述带围栏石墨托的围栏高度1cm到5cm，石墨托围栏的镂空图形包括但不限于圆孔形，方形，椭圆形，三角形；
进一步的，所述结构2）中，所述氯化镓进气口为半侧喇叭形开口，喇叭形开口半侧位于远离衬底中心端，喇叭形开口端指向石墨托围栏最低处或石墨围栏内测，开口方向偏离水平方向30°到60°；
进一步的，所述结构3）中，所述氨气进气口为全喇叭形开口，喇叭形开口端距离衬底2cm到10cm，开口方向偏离水平方向30°到60°。
一种改善氮化镓晶体生长均匀性的生长方法，包括下述步骤：
步骤一，选择合适衬底固定于带围栏的石墨托上， 放入生长腔体内固定支架上；
步骤二，金属稼放入稼舟，设置好氮化镓晶体生长工艺参数；
步骤三，开始晶体生长，生长到设定时间停止，关闭所有气体流量开关，完成一次氮化镓晶体生长。
有益效果：本发明的有益效果如下：
本发明提供一种改善氮化镓晶体生长均匀性装置与生长方法，通过在常规氢化物气相外延生长系统中采用粘有衬底的带围栏石墨托、带有半侧喇叭形开口的氯化镓进气口和全喇叭形开口的氨气进气口设计，其中石墨托的围栏为多孔镂空设计，石墨托的直径与衬底直径相关，大于衬底直径2mm到10mm。选择合适衬底固定于带围栏的石墨托上， 放入生长腔体内固定支架上，将金属稼放入稼舟，设置好氮化镓晶体生长工艺参数，即可实现氮化镓晶体的均匀性生长。本发明结构简单，改善了氮化镓晶体生长的均匀性，为氮化镓晶体材料的加工带来便利，节约了加工成本，促进了氮化镓材料的快速应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。其中，1、带围栏石墨托，2、异质衬底材料，3、半侧喇叭形开口的氯化镓进气口，4、全喇叭形开口的氨气进气口
实施方式
为了使本专业领域人员更好地理解本发明的技术方案，下面我们将结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例为示例性的，仅仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种改善氮化镓晶体生长均匀性装置与生长方法，针对衬底表面生长区域的问题，采用带有石墨镂空围栏的石墨托，可以减小气相的涡旋流动速度，增大气相饱和度及其均匀性，并且在氯化镓的进气口增加半侧喇叭形开口，氨气进气口增加全喇叭形开口，可以降低气流速度并增加衬底表面气相的均匀性。增加了衬底上气相饱和度和均匀性，提高了氮化镓晶体生长效率，生长的氮化镓晶体表面更为平整且厚度均匀。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种改善氮化镓晶体生长均匀性装置，包含下述结构：
结构1）粘有衬底的带围栏石墨托装置。所述装置包含带围栏石墨托1和异质衬底材料2，衬底材料粘接在石墨托底部；
结构2）带有半侧喇叭形开口的氯化镓进气口3。氯化镓由氯化氢气体流过镓舟合成得到；结构3）全喇叭形开口的氨气进气口4；
所述的结构1）中，所述石墨托的围栏为镂空设计，石墨托的直径与衬底直径相关，大于衬底直径3mm。
所述的结构1）中，所述带围栏石墨托的围栏高度3cm，石墨托围栏的镂空图形为圆孔形。
所述的结构2）中，所述氯化镓进气口为半侧喇叭形开口，喇叭形开口半侧位于远离衬底中心端，喇叭形开口端指向石墨托围栏最低处或石墨围栏内测，开口方向偏离水平方向45°。
所述的结构3）中，所述氨气进气口为全喇叭形开口，喇叭形开口端距离衬底4cm，开口方向偏离水平方向30°。
一种改善氮化镓晶体生长均匀性的生长方法，包括下述步骤：
步骤一，选择3英寸蓝宝石衬底固定于带围栏的石墨托上， 放入生长腔体内固定支架上；
步骤二，金属稼放入稼舟，设置好氮化镓晶体生长工艺参数；
步骤三，开始晶体生长，生长到设定时间停止，关闭所有气体流量开关，完成一次氮化镓晶体生长。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“具体实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、材料、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，描述的具体特征、材料、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。
尽管给出和描述了本发明的实施例，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围有权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.一种改善氮化镓晶体生长均匀性装置，其特征在于：所述改善氮化镓晶体生长均匀性的装置为在常规氢化物气相外延生长系统中采用粘有衬底的带围栏石墨托、带有半侧喇叭形开口的氯化镓进气口和全喇叭形开口的氨气进气口，石墨托的围栏为镂空设计，减小气相的涡旋流动速度，增大气相饱和度及其均匀性，石墨托的直径与衬底直径相关，大于衬底直径2mm到10mm；
带围栏石墨托的围栏高度1cm到5cm，石墨托围栏的镂空图形包括圆孔形，方形，椭圆形，三角形；
氯化镓进气口为半侧喇叭形开口，喇叭形开口半侧位于远离衬底中心端，喇叭形开口端指向石墨托围栏最低处或石墨围栏内侧，开口方向偏离水平方向30°到60°；
氨气进气口为全喇叭形开口，喇叭形开口端距离衬底2cm到10cm，开口方向偏离水平方向30°到60°。
2.一种改善氮化镓晶体生长均匀性的生长方法，其特征在于：所述方法基于权利要求1所述的氮化镓晶体生长均匀性装置，所述的生长方法包括下述步骤：
步骤1，选择合适衬底固定于带围栏的石墨托上， 放入生长腔体内固定支架上；
步骤2，金属稼放入稼舟，设置好氮化镓晶体生长工艺参数；
步骤3，开始晶体生长，生长到设定时间停止，关闭所有气体流量开关，完成一次氮化镓晶体生长。
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