專利名稱：一種改進(jìn)氫化物氣相外延生長(zhǎng)GaN材料均勻性的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)氫化物氣相外延(HVPE)生長(zhǎng)GaN材料生長(zhǎng)均勻性的方法 和裝置。
二背景技術(shù)：
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(dǎo)體材料。GaN基材料是直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體 材料，具有1.9L2eV之間連續(xù)可變的直接帶隙，優(yōu)異的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，高飽和 電子漂移速度，高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高熱導(dǎo)率等優(yōu)越性能，在短波長(zhǎng)半導(dǎo)體光電子器件和高 頻、高壓、高溫微電子器件制備等方面具有重要的應(yīng)用，用于制造比如藍(lán)、紫、紫外 波段發(fā)光器件、探測(cè)器件，高溫、高頻、高場(chǎng)大功率器件，場(chǎng)發(fā)射器件，抗輻射器件， 壓電器件等。
GaN的生長(zhǎng)有很多種方法，如金屬有機(jī)物氣相外延(MOCVD)、高溫高壓合成 體GaN單晶、分子束外延(MBE)、升華法以及氫化物氣相外延(HVPE)等。由于 GaN本身物理性質(zhì)的限制，GaN體單晶的生長(zhǎng)具有很大的困難，尚未實(shí)用化。氫化 物氣相外延由于具有高的生長(zhǎng)率和橫向-縱向外延比，可用于同質(zhì)外延生長(zhǎng)自支撐 GaN襯底，引起廣泛地重視和研究。早期人們主要采用氫化物氣相外延(HVPE)方 法在藍(lán)寶石襯底上直接生長(zhǎng)GaN，再加以分離，獲得GaN襯底材料。此法的突出缺 點(diǎn)是GaN外延層中位錯(cuò)密度很高， 一般達(dá)101()011-2左右。目前的主要方法是采用橫 向外延、懸掛外延等方法，輔以HVPE高速率外延技術(shù)生長(zhǎng)厚膜，最后將原襯底去除， 從而獲得位錯(cuò)密度較低的自支撐GaN襯底材料。迄今為止，HVPE生長(zhǎng)得到的自支 撐GaN襯底，位錯(cuò)密度低于106cnf2，面積已經(jīng)超過lcm2。但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí) 際應(yīng)用的需求。
由于傳統(tǒng)HVPE系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、氣流輸運(yùn)等的限制，大面積(>2平方英寸)GaN 自支撐襯底的均勻性仍需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種臥式氫化物氣相外延(HVPE)生長(zhǎng)GaN材料均勻性 的方法，改進(jìn)傳統(tǒng)HVPE生長(zhǎng)設(shè)備的部件結(jié)構(gòu)，使得源氣體均勻的分布并混合，最終 改善大面積(>2英寸)GaN自支撐襯底生長(zhǎng)的均勻性。
本發(fā)明目的還在于提出了一種新的HVPE系統(tǒng)中生長(zhǎng)GaN材料更均勻的生長(zhǎng) 裝置結(jié)構(gòu)，使得氫化物氣相外延系統(tǒng)中的GaCl氣體或者NH3均勻的散布在襯底表面， 并在襯底表面和其他源氣體均勻混合，提高GaN產(chǎn)品的厚度均勻性和質(zhì)量。并且避 免了源氣體預(yù)先混合造成的預(yù)反應(yīng)，提高了源氣體的利用率和反應(yīng)器的使用壽命。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案改進(jìn)氫化物氣相外延生長(zhǎng)GaN材料均勻性的方法，在 HVPE生長(zhǎng)系統(tǒng)中，將GaCl或者NH3源氣體通過石英噴淋頭均勻的噴灑在生長(zhǎng)襯底的表面上。噴淋頭由很多均勻分布的小孔組成石英板噴淋頭，石英板噴淋頭與生長(zhǎng)襯 底平行，石英板噴淋頭尺寸略大于襯底的尺寸，以保證襯底上的源氣體濃度和流速處 處相同。在水平式HVPE系統(tǒng)中可以采用矩形(方形)或者圓形石英板噴淋頭結(jié)構(gòu)， 使得氣流分布更均勻。
改進(jìn)氫化物氣相外延生長(zhǎng)GaN材料均勻性的裝置，常規(guī)HVPE生長(zhǎng)系統(tǒng)設(shè)有一柱 型或長(zhǎng)方形生長(zhǎng)腔內(nèi)，腔內(nèi)設(shè)有生長(zhǎng)襯底、加熱器、測(cè)溫裝置以及氣體的進(jìn)氣口和排 氣口構(gòu)成，進(jìn)氣口連接到石英噴淋頭上，石英噴淋頭設(shè)在生長(zhǎng)襯底的表面上方，噴淋 頭是多均勻分布的小孔組成，即構(gòu)成石英板噴淋頭。在水平式HVPE系統(tǒng)中采用矩形 (方形)或者圓形石英板噴淋頭結(jié)構(gòu)，使氣流分布更均勻。石英板噴淋頭將GaCl或 者NH3源氣體均勻的噴灑在襯底的表面。噴淋頭設(shè)在石英板上并和襯底平行。石英 板尺寸略大于襯底的尺寸，以保證襯底上的源氣體濃度和流速處處相同。如圖l。
本發(fā)明的有益效果是通過特別的設(shè)計(jì)控制源氣體GaCl或者NH3在襯底表面 的均勻分布，從而改善襯底上方發(fā)生反應(yīng)的源氣體的分布更加均勻合適。矩形(方形) 結(jié)構(gòu)的噴淋頭設(shè)計(jì)，可以使得氣流分布的更加均勻。樣品無需旋轉(zhuǎn)。
四

圖1是本發(fā)明水平式石英噴淋頭的方形結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是圖l噴淋頭的截面示意圖
圖3是應(yīng)用新型噴淋頭結(jié)構(gòu)獲得的均勻高質(zhì)量GaN薄膜照片
五具體實(shí)施例方式
圖中箭頭是源氣的流向，石英板噴淋頭1均勻分布的多個(gè)小孔2，小孔的孔徑是 l-4mm，分布的小孔的密度3-20個(gè)/平方厘米。石英板噴淋頭設(shè)在生長(zhǎng)襯底的表面 上方并與襯底的間距一般是5-20mm。石英板噴淋頭的形狀是圓形結(jié)構(gòu)或矩形均可。
本發(fā)明技術(shù)實(shí)施可以有兩種方式1、 GaCl氣體及載氣從噴淋頭噴到襯底上方， NH3及載氣和總N2混合后水平進(jìn)入襯底上方在該處和GaCl氣體混合并發(fā)生反應(yīng)。 2、 NH3氣體及載氣從噴淋頭噴到襯底上方，GaCl氣體及載氣和總N2混合后水平進(jìn) 入襯底上方在該處和NH3氣體混合反應(yīng)。采用這兩種實(shí)施方式進(jìn)行實(shí)際生長(zhǎng)，均得 到了均勻分布的高質(zhì)量GaN樣品，如圖3所示。
權(quán)利要求
1、改進(jìn)氫化物氣相外延生長(zhǎng)GaN材料均勻性的方法，其特征是在HVPE生長(zhǎng)過程中，將GaCl或者NH3源氣體通過石英噴淋頭均勻噴灑在生長(zhǎng)襯底的表面上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)氫化物氣相外延生長(zhǎng)GaN材料均勻性的方法，其 特征是噴淋頭由均勻分布的小孔組成石英板噴淋頭，石英板噴淋頭與生長(zhǎng)襯底平行。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)氫化物氣相外延生長(zhǎng)GaN材料均勻性的方法，其 特征是石英板尺寸略大于襯底的尺寸，以保證襯底上的源氣體濃度和流速處處相同。
4、 改進(jìn)氫化物氣相外延生長(zhǎng)GaN材料均勻性的裝置，常規(guī)HVPE生長(zhǎng)系統(tǒng)設(shè)有 一柱型或長(zhǎng)方形生長(zhǎng)腔內(nèi)，腔內(nèi)設(shè)有生長(zhǎng)襯底、加熱器、測(cè)溫裝置以及氣體的進(jìn)氣口 和排氣口構(gòu)成，其特征是進(jìn)氣口連接到石英噴淋頭上，石英噴淋頭設(shè)在生長(zhǎng)襯底的表 面上方并與襯底平行，噴淋頭是多均勻分布的小孔組成石英板噴淋頭。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)氫化物氣相外延生長(zhǎng)GaN材料均勻性的裝置，其 特征是在水平式HVPE系統(tǒng)中采用矩形或者圓形石英板噴淋頭結(jié)構(gòu)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)氫化物氣相外延生長(zhǎng)GaN材料均勻性的裝置，其 特征是石英板噴淋頭尺寸略大于襯底的尺寸。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)氫化物氣相外延生長(zhǎng)GaN材料均勻性的裝置，其 特征是小孔的孔徑是l-4mm，分布的小孔的密度3-20個(gè)/平方厘米。
全文摘要
改進(jìn)氫化物氣相外延生長(zhǎng)GaN材料均勻性的方法，在HVPE生長(zhǎng)過程中，將GaCl或者NH3源氣體通過石英噴淋頭均勻噴灑在生長(zhǎng)襯底的表面上。噴淋頭由均勻分布的小孔組成石英板噴淋頭，石英板噴淋頭與生長(zhǎng)襯底平行。本發(fā)明通過特別的設(shè)計(jì)控制源氣體GaCl或者NH3在襯底表面的均勻分布，從而改善襯底上方發(fā)生反應(yīng)的源氣體的分布更加均勻合適。矩形(方形)結(jié)構(gòu)的噴淋頭設(shè)計(jì)，可以使得氣流分布的更加均勻，樣品無需旋轉(zhuǎn)。
文檔編號(hào)C30B29/40GK101281864SQ20081001910
公開日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者修向前, 榮 張, 毅 施, 朱順明, 胡立群, 謝自力, 鄭有炓, 海 陸, 平 韓, 顧書林 申請(qǐng)人:南京大學(xué)