[發明專利]減緩鹵化物氣相外延生長系統中管壁沉積氮化鎵的方法及鹵化物氣相外延生長系統

有效

• 申請號: 202011129343.X
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112239889B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 修向前;李悅文;張榮;謝自力;陳鵬;劉斌;鄭有炓;李紅梅
• 申請（專利權）人: 國網山東省電力公司電力科學研究院;南京大學
• 主分類號: C30B29/40
• 分類號: C30B29/40;C30B25/14
• 代理公司: 江蘇斐多律師事務所 32332
• 代理人: 張佳妮

本發明公開了一種鹵化物氣相外延生長系統的氣路系統，包括第一HCl導管，Nsubgt;2/subgt;導管和NHsubgt;3/subgt;導管，第一HCl導管通到鎵舟處，還包括第二HCl導管，通到接近鎵舟區域出口處的位置。并公開了含有該氣路系統的鹵化物氣相外延生長系統，以及減緩鹵化物氣相外延生長系統中管壁沉積氮化鎵的方法。在鎵舟區域增加一路HCl到接近出口處，與低溫區反應后的GaCl混合，再進行輸運，該HCl與GaCl混合氣體通過出口處的石英管時，HCl會與管壁上預反應沉積的GaN發生腐蝕反應，減緩管壁沉積，從而不會因管內徑縮小導致生長速率和均勻性大幅下降。腐蝕反應生成產物為GaCl，也會提高輸運到襯底上方的反應物濃度，保持襯底上GaN生長的長時間高穩定速率，并且提高鎵利用率。

技術領域

本發明涉及到一種鹵化物氣相外延生長系統的氣路系統、鹵化物氣相外延生長系統以及減緩鹵化物氣相外延生長系統中管壁沉積氮化鎵的方法，屬于半導體材料技術領域。

背景技術

以GaN及InGaN、AlGaN合金材料為主的III-V族氮化物材料(又稱GaN基材料)是近幾年來國際上倍受重視的新型半導體材料。

GaN基材料的生長有很多種方法，如金屬有機物氣相外延(MOCVD)、高溫高壓合成體GaN單晶、分子束外延(MBE)、升華法以及鹵化物氣相外延(HVPE)等。由于GaN基材料本身物理性質的限制，GaN體單晶的生長具有很大的困難，尚未實用化。鹵化物氣相外延由于具有高的生長率和橫向-縱向外延比，可用于同質外延生長自支撐GaN襯底，引起廣泛地重視和研究。

由于HVPE系統內部結構、氣流輸運等的限制，大面積(2英寸)GaN基材料生長的均勻性仍需要進一步研究改進。在立式HVPE生長系統中，由于反應腔體可以設計成軸對稱的，氣體的輸運系統遠比臥式系統更容易并且更均勻，最終生長得到的材料厚度也更均勻。不斷改進立式HVPE生長系統對于GaN基材料的生長具有重要意義。在立式HVPE系統中，由于氨氣和GaCl的預反應，會堵塞管路，造成GaCl反應氣體輸運的終止，而阻礙了反應的進一步進行。本發明設計的立式HVPE系統針對上述問題提出了創新性方法，由于可以持續運行，除了基本應用外，可以專用于厘米級大尺寸GaN體單晶材料的長時間生長。

鹵化物氣相外延系統原理圖如圖1所示，圖1中為立式HVPE，氣流從上往下或者反過來設置，臥式HVPE系統原理相同，只是氣流方向為水平方式流動。所有HVPE系統均由兩個主要溫區組成，低溫區用于生成氯化鎵(GaCl)，高溫區用于氯化鎵和氨氣反應生成氮化鎵(GaN)。由于反應室中存在強腐蝕性氯化氫氣體，且反應在高溫下進行，HVPE反應室為石英管結構。

HVPE方法生長氮化鎵的基本反應如下：

GaCl+NH₃→GaN+HCl+H₂???高溫區

由于在低溫區生成氯化鎵的反應是歧化反應，通常HVPE系統需設計為熱壁反應，整個反應室內部和襯底均需保持高溫。由于各種氣體的擴散作用，環境高溫會導致氮化鎵不僅僅在襯底上生長，也會在整個反應室內壁外延，特別是在GaCl出口處石英管內壁沉積嚴重(此處GaCl濃度最高)，GaN的不斷沉積會造成管口縮小甚至阻塞，降低了襯底上方GaCl的濃度，從而影響GaN外延的生長速率、均勻性和質量。

發明內容

本發明的目的是提供一種鹵化物氣相外延生長系統的氣路系統，可有效減緩GaN在GaCl出口處石英管內壁沉積的現象。

本發明采取的技術方案為：

一種鹵化物氣相外延生長系統的氣路系統，包括第一HCl導管，N₂導管和NH₃導管，所述第一HCl導管通到鎵舟處，其特征在于：還包括第二HCl導管，通到接近GaCl出口處的位置。