CN1881533A - 制造厚膜氮化物材料的氢化物气相外延装置 - Google Patents
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Abstract
一种制造厚膜氮化物材料的氢化物气相外延装置,包括:一竖直式石英外延生长室,该竖直式石英外延生长室为筒状;一生长室加热装置,该生长室加热装置为环形,套置安装在竖直式石英外延生长室的外围;一上盖板,该上盖板固定在竖直式石英外延生长室的上面,该上盖板的中间有一圆孔;一衬底旋转与提升装置,该衬底旋转与提升装置的前端有一杆部,该杆部的头端为衬底座,该杆部与上盖板的中间圆孔滑动配合;一金属反应源放置器,该金属反应源放置器放置在竖直式石英外延生长室中;一底盘,该底盘固定则竖直式石英外延生长室的下端,该底盘上开有多个进气孔;一氨气喷淋器,该氨气喷淋器上开有多个喷口,该氨气喷淋器用管路与底盘上的氨气进气孔连接。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域,特别指为了生长高质量、高均匀性的厚膜氮化物材料而设计制造的一种氢化物气相外延装置。
背景技术
氮化物多元系材料的光谱从1.9ev到6.2ev,可以用于带间发光,颜色覆盖从红色到紫外波长,不仅在光电子应用方面,如蓝光、绿光、紫外光发光二极管(LEDs)、短波长激光二极管(LDs),紫外探测器、布拉格反射波导等方面获得了重要的应用和发展,而且在微电子应用方面也得到了广泛的关注,可以制作高温、高频和大功率器件,如高电子迁移率晶体管(HEMTs)、异质结双极晶体管(HBTs)等。其中氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料,具有直接带隙、宽禁带,高饱和电子漂移速度、高击穿电场和高热导率,优异的物理化学稳定性等性能成为最重要的氮化物材料。尤其是近些年来发光二极管(LEDs)照明迅猛发展,氮化物系的LEDs大量应用于显示器、照明、指示灯、广告牌、交通灯等,在农业中作为加速光合成光源,在医疗中作为诊断和治疗的工具。但是目前,氮化物材料生长面临的最大的问题是缺少同质衬底,采用传统的单晶生长方法很难生长出体单晶;使用异质衬底,如蓝宝石、碳化硅等存在着缺陷密度大等失配带来的问题。而利用氢化物气相外延的方法因其生长速率高,能够实现氮化物材料的厚膜生长,可以生长出具有衬底厚度的氮化物材料,也称之为准衬底。
本发明以前有关用于厚膜氮化物制备的外延装置在生长时存在:氮化物随处沉积、生长表面反应不均匀、副反应严重,副产物NH4Cl等堵塞气路、气相耗尽等问题,导致厚膜氮化物材料生长均匀性低、质量不高、反应效率低、生长速度慢等问题。
发明内容
本发明的目的是设计一种用于生长厚膜氮化物外延材料的氢化物气相外延装置,解决生长中存在的问题及避免水平式生长装置的缺陷。该装置能够帮助实现生长高质量、高均匀性的厚膜氮化物材料,并提高反应效率和生长速度,同时也降低了生长成本。
为达到上面的目的,本发明的解决方案是提供一种制造厚膜氮化物材料的氢化物气相外延装置,其特征在于,包括:
一竖直式石英外延生长室,该竖直式石英外延生长室为筒状;
一生长室加热装置,该生长室加热装置为环形,套置安装在竖直式石英外延生长室的外围;
一上盖板,该上盖板固定在竖直式石英外延生长室的上面,该上盖板的中间有一圆孔;
一衬底旋转与提升装置,该衬底旋转与提升装置的前端有一杆部,该杆部的头端为衬底座,该杆部与上盖板的中间圆孔滑动配合;
一金属反应源放置器,该金属反应源放置器放置在竖直式石英外延生长室中;
一底盘,该底盘固定则竖直式石英外延生长室的下端,该底盘上开有多个进气孔;
一氨气喷淋器,该氨气喷淋器上开有多个喷口,该氨气喷淋器用管路与底盘上的氨气进气孔连接。
其中在竖直式石英外延生长室上的侧壁上开有一废气管道。
其中所述的生长室加热装置为多温区加热,温区数目可以为2至5个,加热方式为电阻加热或者射频感应加热,每个温区可以独立控制。
其中衬底座的底面朝向下方。
其中氨气喷淋器上的喷口为圆环式或螺旋式分布。
其中金属反应源放置器是根据生长要求,装入镓、铟、铝、铁不同金属源,用于生长氮化物材料。
其中石英外延生长室的压力为50torr到1000torr,以实现生长氮化物的要求。
实现本发明所采取的技术措施有以下几个方面:一是采用竖直式外延生长室系统,可以有效地解决衬底反应表面温度分布不均匀的问题;二是采用多温区设计,便于调节各个温区的温度,并且有利于源料的均匀混合,提高温度可控性和均匀性;三是采用衬底位于生长室上方且面朝下、源区在下的倒温度梯度生长设计,不污染生长表面,有利于高纯度高质量的氮化物生长;四是金属反应源可以根据生长需要更换不同的金属源料,用于生长不同的氮化物材料;五是可以更换不同的气体作为载气,从而改变生长条件;六是反应气体与衬底的距离实现可调,可以改变反应速度、反应的V/III比、反应气体混合程度,影响样品的反应均匀性和生长质量;七是反应气体氨气采用喷淋式设计,有利于提高反应效率和生长表面的均匀性。
附图说明
为进一步说明本发明的内容,以下结合具体实施例对本发明作一详细的描述,其中:
图1是本发明的装置结构示意图;
图2是氨气喷淋器俯视示意图。
具体实施方式
如图1所示,是本发明的装置结构示意图,包括,竖直式石英外延生长室1,该竖直式石英外延生长室1为筒状,竖直式设计能够有效地解决衬底反应表面温度分布不均匀的问题;
生长室加热装置2,该生长室加热装置2为环形,套置安装在竖直式石英外延生长室1的外围;其中所述的生长室加热装置2为多温区加热,温区数目可以为2至5个,加热方式为电阻加热或者射频感应加热,每个温区可以独立控制,采用多温区设计,便于调节各个温区的温度,并且有利于源料的均匀混合,提高温度可控性和均匀性;
上盖板3固定在竖直式石英外延生长室1的上面,采用不锈钢材质,该上盖板3的中间有一圆孔31;石英外延生长室1下端面装有不锈钢材质的底盘5,上盖板3及底盘5与石英外延生长室1采用O型橡皮圈密封;
衬底旋转与提升装置4的前端有一杆部41,该杆部41的头端为衬底座42,衬底座42的底面朝向下方,即,衬底10为生长面朝下放置;杆部41与上盖板3的中间圆孔31滑动配合;衬底旋转与提升装置4的旋转功能可由调速马达实现,提升功能可由液压气缸控制;衬底旋转可以提高衬底反应均匀性,衬底提升可以实现取放衬底操作;
底盘5上开有多个进气孔7,气体由此进入并沿管路向上输运。气体分为反应气体和载气;反应气体,包括氯化氢(HCl)、氨气(NH3)或其它气体;载气可以采用不同的气体,包括氮气(N2)、氢气(H2)、氩气(Ar)等及其混合气体;不同的气体可以改变生长条件;气体管路在生长室内的长度可以变化,因此反应气体出口与衬底距离可以调节,用于改变反应速度、反应的V/III比、反应气体混合程度,影响样品的反应均匀性和生长质量;
由于该装置采用衬底座42在石英外延生长室1上方,进气孔7位于石英外延生长室1下方,使得生长时温度为倒温度梯度分布,即生长室内温度自上而下降低,这种设计不污染生长表面,有利于高纯度、高质量的氮化物生长;
金属反应源放置器6放置在竖直式石英外延生长室1中,根据生长要求,装入镓、铟、铝、铁不同金属源,用于生长不同的氮化物材料;
氨气喷淋器8上开有多个喷口81(参阅图2),该氨气喷淋器8用管路与底盘5上的氨气进气孔7连接,氨气喷淋器8为石英圆环,圆环式设计可套于金属反应源放置器6的出口。氨气喷淋器8的俯视示意图,如图2所示,其中氨气喷淋器8上的喷口81为圆孔式或螺旋式分布,氨气沿这些小孔洞向衬底喷射,能够提高衬底表面反应均匀性;
在竖直式石英外延生长室1上的侧壁上开有一废气管道9,废气由此排走,石英外延生长室1的压力为50torr到1000torr,以实现生长氮化物的要求;
实施例
以生长GaN材料为例,本发明的生长工艺流程是:由生长室加热装置2加热石英外延生长室1;生长室加热装置2分为多温区加热;金属反应源放置器6所处区域温度850℃,衬底10温度为1050℃,载气、反应气体HCl及NH3从石英外延生长室1底部的进气孔7进入石英外延生长室1;载气运输反应气体HCl至金属反应源放置器6,HCl与金属源进行反应,生成GaCl气体;载气运输GaCl至衬底10;同时载气运输反应气体NH3经过氨气喷淋器8喷射至衬底10;GaCl与NH3在衬底10上反应生成GaN;生长时,调速马达控制衬底旋转与提升装置4旋转提高反应均匀性;生长过程中的废气由废气管道9排走。
根据以上描述,本发明可以基本解决生长氮化物厚膜材料存在的问题,为生长高质量、均匀性好的厚膜氮化物材料提供了较完善的外延生长装置。
Claims (7)
1.一种制造厚膜氮化物材料的氢化物气相外延装置,其特征在于,包括:
一竖直式石英外延生长室,该竖直式石英外延生长室为筒状;
一生长室加热装置,该生长室加热装置为环形,套置安装在竖直式石英外延生长室的外围;
一上盖板,该上盖板固定在竖直式石英外延生长室的上面,该上盖板的中间有一圆孔;
一衬底旋转与提升装置,该衬底旋转与提升装置的前端有一杆部,该杆部的头端为衬底座,该杆部与上盖板的中间圆孔滑动配合;
一金属反应源放置器,该金属反应源放置器放置在竖直式石英外延生长室中;
一底盘,该底盘固定则竖直式石英外延生长室的下端,该底盘上开有多个进气孔;
一氨气喷淋器,该氨气喷淋器上开有多个喷口,该氨气喷淋器用管路与底盘上的氨气进气孔连接。
2.根据权利要求1所述的制造厚膜氮化物材料的氢化物气相外延装置,其特征在于,其中在竖直式石英外延生长室上的侧壁上开有一废气管道。
3.根据权利要求1所述的制造厚膜氮化物材料的氢化物气相外延装置,其特征在于,其中所述的生长室加热装置为多温区加热,温区数目可以为2至5个,加热方式为电阻加热或者射频感应加热,每个温区可以独立控制。
4.根据权利要求1所述的制造厚膜氮化物材料的氢化物气相外延装置,其特征在于,其中衬底座的底面朝向下方。
5.根据权利要求1所述的制造厚膜氮化物材料的氢化物气相外延装置,其特征在于,其中氨气喷淋器上的喷口为圆环式或螺旋式分布。
6.根据权利要求1所述的制造厚膜氮化物材料的氢化物气相外延装置,其特征在于,其中金属反应源放置器是根据生长要求,装入镓、铟、铝、铁不同金属源,用于生长氮化物材料。
7.根据权利要求1所述的制造厚膜氮化物材料的氢化物气相外延装置,其特征在于,其中石英外延生长室的压力为50torr到1000torr,以实现生长氮化物的要求。
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