專利名稱：一種集成化多反應室流水作業(yè)式外延生長方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微電子與光電子器件的制備工藝，尤其涉及制備發(fā)光二極管等具有化 合物半導體異質(zhì)結的器件的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)外延工藝技術。
背景技術：
金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)是制備發(fā)光二極管(LED)、半導體激光器(LD)和 大功率電子器件的關鍵技術，特別是在制備GaN基藍綠光LED方面具有廣泛的應用前景 和市場需求。在GaN基LED薄膜生長中，一般是將三甲基鎵(Ga (CH3) 3或TMGa)，三甲基鋁 (Al (CH3) 3或TMA1)，三甲基銦(In (CH3) 3或TMIn)和氨氣(NH3)，以及摻雜元素SiH4, Cp2Mg等 同時引入反應室，反應氣體在高溫襯底上方和表面發(fā)生化學反應，生成GaN、AlN等分子沉 積在襯底表面。GaN薄膜生長的主要的化學反應方程式為Ga (CH3) 3 (g) +NH3 (g) = GaN (s) +3CH4 (g)上式中，g表示氣態(tài)，s表示固態(tài)。盡管用GaN制備LED的技術取得了巨大的進展，但仍存在大量的技術屏障有待克 服。例如由于缺少合適的同質(zhì)外延襯底，從而造成大的晶格失配；由于生長所需的高溫引 起熱對流和氣相寄生反應，從而造成生長厚度和組分的不均勻；由于N的高分解壓強使得ρ 摻雜困難；以及由于多達幾十步的生長步驟帶來復雜的操作和質(zhì)量控制困難等。這些障礙 影響了 GaN薄膜沉積的質(zhì)量，進而影響LED亮度的提高和成本的降低。到目前為止，大多數(shù)GaN基LED的生長都以藍寶石(Q-Al2O3)為晶片，首先利用 MOCVD技術，在藍寶石襯底上生長一層GaN或AlN緩沖層(多晶成核層)，解決GaN與藍寶 石之間大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異；然后用相同的方式在緩沖層上生長摻雜(Mg、Al、 In等元素)的InGaN/AlGaN異質(zhì)結，構成p-n結發(fā)光層。現(xiàn)階段常用的LED晶片大多為 InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結合金，通過改變合金的成分配比，可以改變量子躍遷的能級，從而得 到不同的發(fā)光波長。圖1示出一典型的以藍寶石為襯底的GaN基LED結構10，包括主要異質(zhì)結的典型 厚度和組分。在實際生長中，不同的層結生長需要不同的氣體組分和不同的生長溫度。典 型的GaN基藍光LED異質(zhì)結的生長步驟如下(1)首先將(0001)晶向的藍寶石晶片11送入反應室中，在H2氣氛下，將晶片加熱 到約1050°C，對表面進行高溫清洗。然后將晶片降溫到約550°C到650°C之間，通入反應氣 體TMGa和NH3,在N2/H2載氣的攜帶下進入反應室，TMGa和NH3在晶片上受熱分解出Ga原 子和N原子，在藍寶石晶片11上沉積一層GaN多晶薄膜，構成緩沖層或形核層12，厚度約 200-300 人；(2)接著將晶片升溫至1050°C，在繼續(xù)通入反應氣體TMGa和NH3的同時，通入適量 的SiH4,以其中的Si作為η型摻雜劑，生長一層相對較厚的n-GaN層13，厚度約3_4 μ m ；(3)接著將晶片溫度降至750 V到850 V之間，在繼續(xù)通入反應氣體TMGa和NH3 的同時，通入TMIn氣體，生長InGaN/GaN多量子阱結構14，其阱和壘的厚度分別約為(2-3)A/(5-8) A；(4)接著將晶片升溫至950°C，在繼續(xù)通入反應氣體TMGa和NH3的同時，通入TMAl 氣體，以及適量的Cp2Mg,以其中的Mg作為ρ型摻雜劑，生長一層很薄的P-AlGaN層15，以 構成p-n結，其厚度約為50-200 A (注此層在某些LED結構中可以省略)；(5)最后將晶片升溫至1050°C，除斷開TMAl氣體外，其余過程與步驟(4)類似。以 Mg作為ρ型摻雜劑，生長一層較厚的P-GaN接觸層16，厚度約0. 2-0. 4 μ m。由上述步驟可知，這種MOCVD系統(tǒng)的生長方式存在一些缺點1.產(chǎn)率低下從藍寶石襯底制備LED的MOCVD生長需經(jīng)歷至少4到5個不同的溫 度臺階，在每個溫度臺階需供給不同的反應氣體種類和濃度，而且上述一系列生長步驟都 是在同一個MOCVD反應腔內(nèi)完成。這種溫度和氣體的變換需要較長時間，大大降低了產(chǎn)率。2.難于獲得陡峭界面，且在不同外延層間存在交叉污染為了獲得陡峭的異質(zhì) 結(不同的組分和厚度)，這些臺階的溫度陡度和反應氣體濃度陡度都需盡可能大，這對 MOCVD反應器的溫度控制和氣流控制都提出了極高的要求。由于普通石墨托盤的較大熱慣 性，以及摻雜氣體在反應腔內(nèi)的殘留效應，形成不同外延層間的交叉污染，使得LED的異質(zhì) 結生長在傳統(tǒng)的MOCVD過程中非常困難，很容易產(chǎn)生缺陷。3.重復性、可靠性差由于生長質(zhì)量對溫度、壓強、濃度等參數(shù)的微量變化極為敏 感，使LED的質(zhì)量重復性很難得到保證?，F(xiàn)有的各種有關LED異質(zhì)結制備的發(fā)明，如中國發(fā)明專利和專利申請“一種發(fā)光 二極管及其制備方法”(申請?zhí)?00410089599. 7)、“藍寶石襯底上的多量子阱紫外LED器 件及制作方法”(申請?zhí)?00910021779. 4)、“MOCVD生長氮化物發(fā)光二極管結構外延片的 方法”(申請?zhí)?2155061. 1)等，都是在同一個MOCVD反應腔內(nèi)完成多層異質(zhì)結的制備，因 此都存在上面提到的各種困難。有必要提出一種新的外延生長方法及設備，解決上述化合 物半導體異質(zhì)結制備中存在的困難。

發(fā)明內(nèi)容
針對LED等化合物半導體多層異質(zhì)結在MOCVD反應器中生長時需經(jīng)歷多個不同的 溫度臺階，需供給不同的反應氣體種類和濃度，造成生長過程復雜和質(zhì)量控制困難，本發(fā)明 提出一種適合大規(guī)模生產(chǎn)的多反應室流水作業(yè)式外延生長系統(tǒng)和相應的生長方法，使LED 或類似的化合物半導體多層異質(zhì)結的每個外延層(多量子阱可視為一個外延層)分別在 不同的反應室中獨立生長，從而使生長過程的溫度、壓力控制和氣體輸送控制大大簡化，使 反應室中各工序完成后殘留的雜質(zhì)氣體的交叉污染大大減少，使LED的質(zhì)量和產(chǎn)率大大提 尚ο本發(fā)明采用如下的技術方案一種化合物半導體多層異質(zhì)結的外延生長方法，采用多個串聯(lián)的金屬有機化學氣 相沉積(MOCVD)反應室，每個反應室工作在相應不同外延層而獨立設定的溫度和壓力下， 輸入相應的反應氣體和/或摻雜氣體，待生長的晶片按生長順序依次進入不同的反應室生 長相應的外延層。上述生長方法通常是利用傳送托盤承載待生長的晶片，該傳送托盤可在各個MOCVD反應室中順序移動，使待生長的晶片在不同的反應室中順序傳遞，構成流水作業(yè)。上述生長方法中，為了避免不同反應室之間交叉污染，一種可選擇的方式是前后 順序的兩個相鄰反應室之間通過互鎖真空室(L0ADL0CK)聯(lián)接，晶片從一個反應室出來后 先進入互鎖真空室，在互鎖真空室內(nèi)通過惰性氣體沖洗和真空泵抽吸，清除晶片在上一道 工序中的殘留氣體，然后再進入下一個反應室，從而保證晶片在上一個反應室工序中攜帶 的殘留氣體在進入下一個反應室之前被充分排除，而不會被晶片帶入下一個反應室。另一 種可選擇的方式是，不采用復雜的互鎖真空室，而是將多個串聯(lián)的MOCVD反應室置于同一 個大的真空容器中，晶片從一個反應室出來后先在該真空容器中通過惰性氣體沖洗和真空 泵抽吸，清除上一道工序的殘留氣體，然后再進入下一個反應室。這兩種方法都是利用惰性 氣體不斷地稀釋，真空泵不斷地抽吸，排除移動晶片從上一個反應室?guī)С龅奈矚?，以防止?反應室之間氣體的互混。本發(fā)明還提供了實現(xiàn)上述外延生長方法的一種集成化多反應室流水作業(yè)式外延 生長系統(tǒng)，包括多個MOCVD反應室和將這些反應室串聯(lián)在一起的傳送機構；每個反應室分 別用于生長多層異質(zhì)結的一個外延層(多量子阱可視為一個外延層)，工作在相應不同外 延層而獨立設定的溫度和壓力下，輸入相應的反應氣體和/或摻雜氣體；傳送機構將待生 長的晶片按生長順序依次送入不同的反應室生長相應的外延層。所述傳送機構通常包括移動機構、傳送托盤和驅(qū)動機構，傳送托盤用于承載晶片， 由移動機構攜帶移動，而驅(qū)動機構驅(qū)動移動機構。為了避免不同反應室之間交叉污染，上述外延生長系統(tǒng)一種可選擇的設計是將前 后順序的兩個相鄰反應室之間通過互鎖真空室聯(lián)接，互鎖真空室用于清洗剛離開上一反應 室、待進入下一反應室的晶片。所述互鎖真空室設置有不斷通入惰性氣體的裝置和抽真空 裝置，通過惰性氣體不斷地稀釋和真空泵不斷地抽吸作用，排除晶片從上一個反應室出爐 后帶出的尾氣。另一種可選擇的設計是將這多個反應室設置在同一個大的的真空容器中，該真空 容器也設置有通入惰性氣體的裝置和抽真空裝置。晶片從一個反應室出來后先在該真空容 器中通過惰性氣體沖洗和真空泵抽吸，清除上一道工序的殘留氣體，然后再進入下一個反應室。本發(fā)明提供的外延生長方法和系統(tǒng)是一種集成化多反應室流水作業(yè)式的外延生 長方法和系統(tǒng)，用于生長發(fā)光二極管和類似的化合物半導體異質(zhì)結。該方法和系統(tǒng)中的每 個MOCVD反應室承擔一道工序(即生長異質(zhì)結的一層，但也可以包括沖洗工序)，一般反應 室的數(shù)量對應于所沉積的異質(zhì)結的層數(shù)，待生長的晶片通過傳送托盤在各個反應室之間順 序傳遞，構成流水作業(yè)的方式。每個反應室通入不同的反應氣體和/或摻雜氣體，保持不同 的恒定溫度或略有變化。每個反應室通入的反應氣體和加熱的溫度，取決于該異質(zhì)結生長 所需的氣體和溫度。本發(fā)明的外延生長方法和系統(tǒng)適用于各種化合物半導體異質(zhì)結的生長。例如，對 于從藍寶石晶片生長LED異質(zhì)結，分別在多個不同的反應室內(nèi)進行，參見圖2，從藍寶石襯 底生長LED異質(zhì)結的五道主要工序生長GaN多晶緩沖層、η型GaN層、InGaN多量子阱層、 P型AlGaN層、ρ型GaN接觸層，分別在五個不同的反應室100，200，300,400, 500內(nèi)依次進 行。每個反應室內(nèi)保持不同的溫度，通入不同的反應氣體，在傳送托盤的攜帶下，藍寶石晶片在不同的反應室中順序進出。對于從氮化鎵晶片生長LED異質(zhì)結，則可減少一個反應室 (不需生長GaN多晶緩沖層)，如圖3所示，從GaN襯底生長LED異質(zhì)結的四道主要工序生 長η型GaN層、InGaN多量子阱層、ρ型AlGaN層、ρ型GaN接觸層，分別在四個不同的反應 室600，700，800，900內(nèi)依次進行。由于GaN襯底提供了同質(zhì)外延，因此前述的緩沖層生長 反應室被省略，在GaN襯底上可以直接生長η型GaN。根據(jù)器件結構的不同要求，也可以把 HVPE系統(tǒng)或/和MBE系統(tǒng)集成化到上述流水作業(yè)式的外延生長系統(tǒng)中。


圖1是本發(fā)明實施例生長的一種典型的以藍寶石晶片為襯底的GaN基LED結構。圖2是本發(fā)明從藍寶石襯底生長LED異質(zhì)結的一種流水作業(yè)流程圖。圖3是本發(fā)明從GaN襯底(或GaN/Al203等復合襯底)生長LED的一種流水作業(yè) 流程圖。圖4示出流水作業(yè)式生長LED的兩順序聯(lián)接的反應室100和200以及二者之間的 互鎖真空室222。圖5是所有反應室包含在一個大的真空容器中的外延生長系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式下面結合圖1、圖2和圖4，進一步說明本發(fā)明用于以藍寶石晶片為襯底的LED異 質(zhì)結生長的實施。在藍寶石襯底上生長圖1所示的LED，其流水作業(yè)式制備流程如圖2所示，圖4是 其中兩個順序聯(lián)接的反應室100和200以及二者之間的互鎖真空室222結構示意圖。利用 可移動的石墨托盤102和移動機構106，使晶片在多個MOCVD反應室中順序移動，同時利用 互鎖真空室222，通過惰性氣體沖洗和真空泵抽吸，清除晶片在上一道工序中的殘留氣體， 保證不同反應室之間的氣體不互混。具體制備過程是(1)首先一次性地將多片(約10 100片)藍寶石晶片11置于可移動的石墨托 盤102上，傳送帶106攜帶石墨托盤102和藍寶石晶片11，在驅(qū)動機構110的驅(qū)動下，通過 反應室前門101進入反應室100，在加熱器104的正上方停止。將晶片加熱到約1050°C，同 時通入H2氣體，進行高溫清洗。然后通入一定比例的反應氣體TMGa和NH3，以隊/吐為載氣， 從進口噴淋頭108噴下(反應器氣體出口未示出)。TMGa和NH3在晶片上受熱分解出Ga原 子和N原子，在(0001)晶向的藍寶石晶片11上沉積一層GaN多晶薄膜(本征GaN)，構成緩 沖層或形核層12，厚度約300A。然后開啟反應室100與加載互鎖真空室222之間的的聯(lián)接 門103，使石墨托盤102攜帶晶片進入互鎖真空室222清污，利用惰性氣體105沖洗，以及真 空泵(未示出)抽吸，去掉石墨托盤102和晶片上的氣體雜質(zhì)。(2)開啟反應室200與加載互鎖真空室222之間的的聯(lián)接門201，使石墨托盤102 攜帶著晶片進入第二個反應室200，在加熱器204的正上方停止。將晶片升溫至1050°C，反 應氣體從噴淋頭208噴下。該反應室通入反應氣體TMGa、NH3和微量的SiH4,以其中的Si 作為η型摻雜劑，生長一層相對較厚的n-GaN層13，厚度約4 μ m ；(3)接著石墨托盤102攜帶著晶片通過反應室200與反應室300之間的互鎖真空 室203的聯(lián)接門，進入第三個反應室300 (附圖中未再示出，但結構與前面的反應器類似)，晶片溫度降至750°C，該反應室通入反應氣體TMGa、NH3和TMIn氣體，生長InGaN多量子阱 結構14，其厚度約為750 A;(4)接著使石墨托盤102攜帶著晶片通過反應室300與反應室400之間的互鎖真 空室的聯(lián)接門，進入第四個反應室400，晶片升溫至950°C，通入反應氣體TMGa、NH3、TMAl氣 體，以及適量的Cp2Mg，以其中的Mg作為ρ型摻雜劑，生長一層很薄的p-AlGaN層15以構成 p-n結，其厚度約為200A;(5)最后使石墨托盤102攜帶著晶片通過反應室400與反應室500之間的互鎖真 空室的聯(lián)接門，進入第五個反應室500，將晶片升溫至1050°C，除了斷開TMAl氣體外，其余 反應氣體與步驟(4)相同，以Mg作為ρ型摻雜劑，生長一層較厚的P-GaN接觸層16，厚度約 0. 4 μ m0圖5顯示了前后兩個反應室聯(lián)接的另一種實施方式，即不需要互鎖真空室，將所 有反應室置于一個大的真空容器310中，此真空容器連續(xù)通入惰性氣體312，沖洗進入每個 反應室之前的晶片，同時利用真空泵314連續(xù)地將各反應室開啟時漏出的尾氣抽吸到系統(tǒng) 外的尾氣處理裝置(未示出)，保證不同反應室之間的氣體不互混。除了不需要互鎖真空室 外，該實施方式的其余部件與圖4相同。以上通過實施例詳細描述了本發(fā)明外延生長方法及其系統(tǒng)，本領域的技術人員應 當理解，在本發(fā)明的精神和實質(zhì)范圍內(nèi)可以進行各種變換和改進，本發(fā)明的實施也不局限 于LED的制備，可以推廣于其他相關的化合物半導體異質(zhì)結的生長。本發(fā)明的保護范圍視 權利要求書而定。
權利要求
一種化合物半導體多層異質(zhì)結的外延生長方法，采用多個串聯(lián)的金屬有機化學氣相沉積反應室，每個反應室工作在相應不同外延層而獨立設定的溫度和壓力下，輸入相應的反應氣體和/或摻雜氣體，待生長的晶片按生長順序依次進入不同的反應室生長相應的外延層。
2.如權利要求1所述的外延生長方法，其特征在于，利用傳送托盤承載待生長的晶片， 該傳送托盤在各反應室中順序移動。
3.如權利要求1或2所述的外延生長方法，其特征在于，兩個相鄰反應室之間通過互鎖 真空室聯(lián)接，晶片從一個反應室出來后先進入互鎖真空室，在互鎖真空室內(nèi)通過惰性氣體 沖洗和真空泵抽吸，清除晶片在上一道工序中的殘留氣體，然后再進入下一個反應室。
4.如權利要求1或2所述的外延生長方法，其特征在于，多個串聯(lián)的反應室置于同一個 真空容器中，晶片從上一個反應室出來后，先在該真空容器中通過惰性氣體沖洗和真空泵 抽吸，清除上一道工序的殘留氣體，然后再進入下一個反應室。
5.一種化合物半導體多層異質(zhì)結的外延生長系統(tǒng)，包括多個金屬有機化學氣相沉積反 應室和將這些反應室串聯(lián)在一起的傳送機構；每個反應室分別用于生長多層異質(zhì)結的一個 外延層，工作在相應不同外延層而獨立設定的溫度和壓力下，輸入相應的反應氣體和/或 摻雜氣體；傳送機構將待生長的晶片按生長順序依次送入不同的反應室生長相應的外延 層。
6.如權利要求5所述的外延生長系統(tǒng)，其特征在于，所述傳送機構包括移動機構、傳送 托盤和驅(qū)動機構，其中，傳送托盤用于承載晶片，由移動機構攜帶移動，而驅(qū)動機構驅(qū)動移 動機構。
7.如權利要求5或6所述的外延生長系統(tǒng)，其特征在于，兩個相鄰反應室之間通過互鎖 真空室聯(lián)接，所述互鎖真空室設置有通入惰性氣體的裝置和抽真空裝置，通過惰性氣體沖 洗和真空泵抽吸，排除晶片從上一個反應室中帶出的殘留氣體。
8.如權利要求5或6所述的外延生長系統(tǒng)，其特征在于，多個反應室設置在同一個真空 容器中，該真空容器設有通入惰性氣體的裝置和抽真空裝置，晶片從一個反應室出來后，先 在該真空容器中通過惰性氣體沖洗和真空泵抽吸，清除上一道工序的殘留氣體，然后再進 入下一個反應室。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集成化多反應室流水作業(yè)式外延生長方法及系統(tǒng)，用于LED或類似化合物半導體多層異質(zhì)結的制備。該方法和系統(tǒng)采用多個串聯(lián)的MOCVD反應室，每個反應室工作在相應不同外延層而獨立設定的溫度和壓力下，輸入相應的反應氣體和/或摻雜氣體，利用傳送機構使待生長的晶片按生長順序依次進入不同的反應室生長相應的外延層，從而使生長過程的溫度、壓力控制和氣體輸入控制大為簡化，避免了不同外延層間的交叉污染，使生長質(zhì)量和產(chǎn)量大大提高，成本大大降低。
文檔編號C23C16/54GK101892467SQ20101021002
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權日2010年6月18日
發(fā)明者左然, 張國義 申請人:北京大學;左然