[發明專利]一種半導體生長設備獨立的金屬源系統

有效

• 申請號: 201010617807.1
• 申請日: 2010-12-31
• 公開（公告）號: CN102127808A
• 公開（公告）日: 2011-07-20
• 發明（設計）人: 李燮;劉鵬;陸羽;趙紅軍;袁志鵬;孫永健;張國義
• 申請（專利權）人: 東莞市中鎵半導體科技有限公司
• 主分類號: C30B25/14
• 分類號: C30B25/14;C30B29/40
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 譚一兵

技術領域

本發明涉及金屬有機物化學氣相淀積(MOCVD)以及氫化物氣相外延(HVPE)生長設備技術領域，具體涉及一種獨立的源氣體制備、輸運系統，可用于生長氮化鎵基(GaN、AlGaN、InGaN以及四元合金材料)材料。

背景技術

氮化鎵基材料(GaN、AlGaN、InGaN以及四元合金材料)具有寬的直接帶隙、高的熱導率、化學穩定性好等性質，廣泛地應用于微電子器件和光電子器件，如用于照明或背光源的半導體發光二極管(LED)，用于信息存儲和激光打印的藍紫光激光器(LD)以及紫外(UV)探測器和高頻高功率的晶體管等，對氮化鎵基器件的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點。

目前氮化鎵基半導體器件發展的最大障礙是缺少高質量的同質襯底，現有的氮化鎵基半導體發光二極管和激光器大多是在藍寶石襯底上制備的，由于晶格失配和熱膨脹系數不同，造成器件中存在開裂、翹曲以及位錯密度較高等問題，嚴重地影響了器件的性能和壽命，因此制備高質量的氮化鎵(GaN)同質襯底是目前亟待解決的問題。制備GaN材料的方法有很多，比如氫化物氣相外延HVPE、金屬有機物化學氣相淀積MOCVD、分子束外延MBE、升華法以及高溫高壓法，但是這些方法都存在一定的缺點，不能達到商業化的要求。目前主流的方法是在異質襯底(藍寶石、氧化鋅或者碳化硅)上通過氣相外延獲得GaN厚膜，再利用激光剝離或者化學機械拋光等手段出去異質襯底，從而得到GaN的單晶材料。

對于GaN基材料生長設備，比如常規的HVPE系統結構中，將金屬源材料(如Ga、In或者Al)內置于反應腔體內，在一定溫度下(850℃左右)利用金屬與氯化氫(HCl)反應得到金屬的氯化物作為反應的前驅體，這種結構設計會造成反應室的結構復雜，并且難于實現對溫場、流場的精確控制。本發明提供外置的金屬源氣體制備系統，源氣體的外置可以改進傳統生長設備如HVPE系統，簡化反應室結構，得到均勻的溫場分布和平緩的氣體流場。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的缺點，提供一種氮化鎵基材料(GaN、AlGaN、InGaN以及四元合金材料)生長所需要的金屬源氣體，在本發明中利用金屬的三氯化物(GaCl₃、InCl₃或者AlCl₃)作為源材料，通過載氣攜帶一定量的金屬三氯化物在高溫下與足量氫氣反應得到反應所需的源氣體(GaCl、InCl或者AlCl)。

為達上述目的，本發明的一種半導體生長設備獨立的金屬源系統，采用以下的技術方案：

一種半導體生長設備獨立的金屬源系統，由氣體輸運系統和兩級加熱爐構成，其特征在于，所述系統工藝方法包括如下步驟：

①、預熱氣體管道(A氣路、B氣路)以及石英腔，典型參數是A加熱帶溫度：80～600℃，B加熱帶溫度：500～1000℃，C加熱帶溫度：500～1000℃，一級石英腔加熱絲溫度：80～600℃，二級石英腔加熱絲溫度：500～1000℃，用此典型溫度預熱30分鐘；

②、將一定量金屬的氯化物如三氯化鎵(GaCl₃)放置于一級石英器皿中，加熱一級石英器皿至一定溫度(80～600℃)，使其中的氯化物(如GaCl₃)處于熔融狀態；

③、打開連接到A氣路的氮氣和氫氣，打開氣動閥，使其進入一級石英腔作為載氣，典型的流量是氮氣：0～1000sccm、氫氣：0～1000sccm，以氫氣、氮氣、惰性氣體或者三者的混合氣體作為載氣，壓力控制器用來穩定石英腔內氣體壓力位設定值，典型的壓力設置為：500～1500Torr，保持一級石英器皿恒溫恒壓，一定的溫度下熔融的氯化物(如GaCl₃)具有固定的飽和蒸汽壓，載氣的流量與所攜帶出的GaCl₃流量存在一個確定的比例關系，打開連接至B氣路的氮氣和氫氣，此路氣體作為補足載氣，用于平衡反應室內的氣流，B氣路的氣體典型流量是氮氣：0～5000sccm、氫氣：0～5000sccm，調節載氣的流量即可獲得需要的GaCl₃流量，以氫氣、氮氣、惰性氣體或者三者的混合氣體作為載氣，載氣通過熔融的GaCl₃后帶出一定量的GaCl₃氣體；