[發明專利]等離子體增強原子吸附的化合物半導體的外延生長裝置

在審

• 申請號: 201610119138.2
• 申請日: 2016-03-02
• 公開（公告）號: CN105648523A
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發明（設計）人: 羅毅;王健;郝智彪;汪萊;韓彥軍;孫長征;熊兵;李洪濤
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C30B25/08
• 分類號: C30B25/08;C23C16/513
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 李志東

技術領域

本發明屬于半導體外延生長設備技術領域，具體涉及一種等離子體增強原 子吸附的化合物半導體的外延生長裝置。

背景技術

以GaN、SiC為代表的新型化合物半導體材料近十幾年來在國際上備受重 視，在紫外/藍光/綠光發光二極管、激光器、探測器，以及高頻高溫大功率電 子器件等方面有著重要而廣泛的應用。

為了獲得良好的器件性能，要求化合物半導體薄膜盡可能處于單晶狀態。 目前化合物半導體的外延生長方法主要有分子束外延(MBE)和金屬有機物 化學氣相外延(MOVPE)。由于MBE具有真空條件要求苛刻、生長速率慢的 缺點，目前普遍采用MOVPE進行化合物半導體外延生長的商業化生產。

在化合物半導體的MOVPE生長過程中，要求反應物以層流的方式擴散到 襯底表面，在襯底表面發生裂解、化合和遷移等反應，從而形成化合物半導體 單晶薄膜。現有的MOVPE，反應物裂解、化合、遷移所需的能量主要通過襯 底加熱的方式獲得，由于反應氣體存在較強的化學鍵，且反應物粒子在襯底表 面遷移需要一定的能量，從而要求外延過程中襯底具有極高的溫度。以 MOVPE外延生長GaN為例，反應物一般為Ga(CH₃)₃和NH₃，Ga(CH₃)₃的裂 解溫度約500℃，NH₃的裂解溫度約為700℃，再考慮GaN在襯底表面的遷移， 一般外延生長溫度接近1000℃。如果采用Ga(CH₃)₃和N₂進行外延，由于N₂化學鍵更強，裂解溫度約為1400℃，因此需要更高的生長溫度。

高溫外延雖然能實現性能良好的光電子器件，如LED，但也存在很多問 題。首先，襯底材料和尺寸受限。由于耐高溫及晶格匹配的要求，目前能用于 化合物半導體外延生長的襯底只能是少數幾種單晶襯底，比如用于生長GaN 基半導體的Al₂O₃、Si，用于生長GaAs基半導體的GaAs，用于生長SiC半導 體的SiC、Si等，這些單晶襯底成本較高、尺寸受限，很難直接進行化合物半 導體的大面積外延生長。而可用于大面積薄膜襯底的襯底，如玻璃、塑料等， 都很難再高溫條件下穩定工作。其次，由于襯底和外延薄膜的熱膨脹系數往往 存在一定的差異，外延溫度越高，半導體薄膜的應力就越大，直接影響器件的 性能。再次，一般希望外延生長對應的化學反應只在襯底表面進行，盡量減少 襯底表面以外的預反應，而在高溫條件下，很難控制反應氣體在襯底表面以外 的預反應。

針對MOVPE高溫生長帶來的問題，人們提出了等離子體增強MOVPE (PE-MOVPE)的想法，希望通過低溫等離子體預先裂解反應物，提高反應物 原子的勢能，達到降低化合物半導體外延生長的目的。產生低溫等離子體的常 用方法有：電容耦合等離子體(CCP)、電感耦合等離子體(ICP)、電子回旋 共振等離子體(ECR)。CCP反應室簡單，但等離子體密度和能量無法獨立調 節。ECR的等離子體密度高，能量轉換率高，專利CN0110142.5采用ECR裂 解反應物進行外延生長。但是ECR固有的模式跳變特性，使其難以用于大面 積的薄膜沉積。ICP可以產生與ECR可比擬的等離子體密度，同時具有較好 的等離子體均勻性，能在很大的氣壓范圍內運行，專利CN2014100534244.4 采用ICP裂解反應物進行外延生長。以上技術，在一定程度上降低了化合物半 導體MOVPE外延生長所需要的溫度，比如將GaN的外延生長溫度從約1000℃ 降低到約500℃。但是值得注意的是，以上技術都只采用等離子體活化相對難 裂解的反應物，比如對于沉積GaN，無論是專利CN1364946A的ECR還是專 利CN2014100534244的ICP，主要用來活化裂解溫度較高的N源(如NH₃， N₂)，而裂解溫度較低的Ga源(如Ga(CH₃)₃)，仍需要通過襯底加熱的方式進 行。也就是說，MOVPE的外延生長溫度仍然受限于其中一種反應物的裂解溫 度。