[發明專利]一種適用于制備高In組分InGaN材料的反應裝置

在審

• 申請號: 202011200900.2
• 申請日: 2020-11-02
• 公開（公告）號: CN112376035A
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發明（設計）人: 全知覺;諸榮烽;曹盛;吳先民;何麗華;湯繪華;佟金山
• 申請（專利權）人: 南昌大學;南昌硅基半導體科技有限公司
• 主分類號: C23C16/34
• 分類號: C23C16/34;C23C16/44;C23C16/48;C23C16/458
• 代理公司: 江西省專利事務所 36100
• 代理人: 張文

本發明公開了一種適用于制備高In組分InGaN材料的反應裝置，該反應裝置包括反應腔體、樣品臺裝置、束源爐、氣體離化器、真空系統和加熱裝置，其中：加熱裝置包括襯底加熱裝置和腔體加熱裝置。本發明提供的反應裝置通過在加熱器載板上設置襯底加熱裝置和帶冷卻管道的反光杯，使得加熱光束和輻射熱量聚焦至襯底的表面，提高了加熱功率利用率，并隔絕加熱光源對腔體內的各種元器件的直接輻照，降低了元器件因溫度過高而產生損壞的風險。本發明提供的反應裝置還具有能耗低、產量大、材料質量優異等諸多優點。

技術領域

本發明涉及半導體薄膜外延生長技術領域，尤其是涉及一種適用于制備高In組分InGaN材料的反應裝置。

背景技術

氮化物材料因其優異的性能被廣泛用于發光二級管、電子器件、太陽能電池等領域。

當前常用的有機金屬化學氣相沉積方法，在制備高In組分InGaN材料時，過高的生長溫度容易導致In脫附，不利于In的并入；相對較低的生長溫度則不利于NH₃的分解，無法提供充足的N源，因此難以制備In組分高于30%的InGaN材料。另外，采用有機金屬化學氣相沉積法制備材料時所用的MOCVD設備無法達到的較高的真空環境，容易引入C、H、O等雜質，影響材料的生長質量。等離子體輔助分子束外延（RF-MBE）生長技術，通過射頻電源產生氮等離子體，能提供充足的N源，可以實現低溫條件下生長高In組分InGaN材料。然而，目前常用的RF-MBE生長裝置中，由于樣品臺只可與加熱器一起進行自旋轉，這會嚴重影響盛放的襯底數量，不利于大規模生產。原子層沉積是一種可以將物質以單原子膜形式一層一層的鍍在基底表面的方法，可在較低的溫度下生長薄膜質量優異的氮化物材料，但其不足之處也很明顯，如沉積速率極慢，無法實現量產。其他常見的材料制備裝置包括磁控濺射、氫化物氣相外延、蒸發臺等，均難以制備復雜的InGaN/GaN量子阱結構，無法達到要求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種適用于制備高In組分InGaN材料的反應裝置，該裝置能提供高真空和低溫氛圍，并解決現有技術中低產能和高In組分材料生長困難等問題。

本發明的目的是這樣實現的：

一種適用于制備高In組分InGaN材料的反應裝置，特征是：包括反應腔體、氣體離化器、束源爐、樣品臺裝置、真空系統和加熱裝置，其中：

在反應腔體內的頂部設有樣品臺裝置，樣品臺裝置包括樣品臺旋轉裝置和載片架，載片架用以盛放襯底，樣品臺旋轉裝置帶動載片架進行自轉和公轉；

在反應腔體內設有加熱裝置，加熱裝置包括加熱襯底的襯底加熱裝置和烘烤腔體的腔體加熱裝置；若干個襯底加熱裝置設置在反應腔體內的反應腔體底板上，襯底加熱裝置為聚光型輻射加熱裝置，包括加熱光源、反光杯和加熱器載板，加熱器載板的底端固定在反應腔體內的反應腔體底板上，反光杯的底端固定在加熱器載板上，呈立置狀態，反光杯與加熱器載板共同圍成一個向上開口且只有頂端可供光線出射的半封閉空間；加熱光源設置在反光杯與加熱器載板共同圍成的半封閉空間內；反光杯為雙層結構，反光杯的內表面和外表面之間設有中空的夾層，冷卻管道從加熱器載板引入至反光杯中，并纏在反光杯內、外表面的夾層之中，通過在冷卻管道中通入不同的冷卻介質來控制反光杯和加熱器載板的溫度，避免反光杯和加熱器載板對周側元器件的加熱；通過控制冷卻管道內的冷卻介質和流速能將加熱器載板和反光杯的溫度控制在0~100℃之間；在反應腔體底板的中間上方設有腔體加熱裝置，且位于氣體離化器、束源爐、襯底加熱裝置的中間，腔體加熱裝置采用熱輻射法對整個反應腔體進行加熱；

對反應腔體抽真空的真空系統包括機械泵、分子泵和低溫泵三組泵，其中：分子泵設在反應腔體外，且分子泵的輸入端設在反應腔體的中部左側壁上，以連通反應腔體，機械泵作為分子泵的前級泵，機械泵的輸入端接分子泵的輸出端；低溫泵設在反應腔體外，且低溫泵的輸入端設在反應腔體外的頂部，與反應腔體連通；真空系統配合腔體加熱裝置的腔體烘烤作用，能實現較高的本底真空；