一種氮化物半導(dǎo)體材料氣相外延用反應(yīng)器設(shè)計(jì)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氮化物半導(dǎo)體材料氣相外延（HVPE）用反應(yīng)器設(shè)計(jì)。包括軸對(duì)稱圓柱型反應(yīng)腔體、同心圓環(huán)噴頭、加熱器、石墨舟及襯底等；石墨舟及襯底采用電阻絲或紅外光照射加熱；所述腔體底端外壁的切向設(shè)置三至六個(gè)矩形橫截面的氣體出口通道；在該出口通道與腔體內(nèi)壁之間設(shè)置一同心圓環(huán)緩沖帶；在該出口通道外圍設(shè)置一同心圓環(huán)集流通道；所述各出口通道與集流通道均貫通。本發(fā)明反應(yīng)器設(shè)計(jì)，使反應(yīng)物氣體在襯底有效生長區(qū)域形成一種微旋流，從而顯著改善外延生長厚度及其組分均勻性；因省去現(xiàn)有反應(yīng)器中的石墨舟旋轉(zhuǎn)裝置及附屬組件，既簡(jiǎn)化裝置、節(jié)能、便于維護(hù)，還去除旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定對(duì)外延生長的不利影響。
【專利說明】一種氮化物半導(dǎo)體材料氣相外延用反應(yīng)器設(shè)計(jì)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種氫化物氣相外延(HVPE)生長系統(tǒng)，如氮化物半導(dǎo)體材料的生長系統(tǒng)，特別是一種III族氮化物氣相外延用反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]II1-V族氮化物半導(dǎo)體材料是近年來國內(nèi)外半導(dǎo)體領(lǐng)域倍受重視的新型材料，主要以GaN及InGaN、AlGaN等合金材料為代表?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)III族氮化物半導(dǎo)體對(duì)于短波發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)及電子器件的發(fā)展與制造發(fā)揮著越來越重要的作用。
[0003]生長GaN材料有很多種方法:諸如金屬有機(jī)物氣相外延(MOCVD)、高溫高壓下生長GaN單晶、液相生長法、分子束外延(MBE)、升華法以及氫化物氣相外延(HVPE)等。由于GaN材料受本身物理性質(zhì)的限制，其單晶的生長難度大，所以，目前主要采用異質(zhì)外延法生長GaN。氫化物氣相外延,具有較高的生長率及橫向-縱向外延比，可用于同質(zhì)外延生長自支撐GaN襯底，因而近年來引起了廣泛的重視和研究。
[0004]現(xiàn)階段的氫化物氣相外延(HVPE)仍局限于使用小尺寸反應(yīng)器，比如一次生長3~6片2英寸的GaN晶片。傳統(tǒng)的HVPE生長系統(tǒng)通常采用臥式反應(yīng)器設(shè)計(jì)，襯底支撐板通常與水平面呈一定角度，噴頭結(jié)構(gòu)多采用圓形噴嘴，這種反應(yīng)器設(shè)計(jì)，當(dāng)襯底面積增大或有效生長區(qū)域擴(kuò)大時(shí)，反應(yīng)物在襯底表面的分布均勻性變差，導(dǎo)致GaN晶片生長厚度的均勻性差，因而不適合多片襯底或大尺寸單片襯底的材料生長。在懸掛立式或懸掛倒立式HVPE生長系統(tǒng)中，由于反應(yīng)器可以 設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱的圓柱型，其中噴頭可設(shè)計(jì)成圓管或同心圓環(huán)管結(jié)構(gòu)，所噴出氣體的流場(chǎng)及濃度比臥式系統(tǒng)容易均勻，從而材料生長質(zhì)量可得到一定程度的改善。
[0005]GaN晶片制備最重要的指標(biāo)是其生長厚度及其組分的均勻性。欲得高質(zhì)量晶片其關(guān)鍵在于反應(yīng)器的合理設(shè)計(jì)及如何營造最佳的前驅(qū)物濃度場(chǎng)與溫場(chǎng)。通常，均勻溫場(chǎng)是通過輔助加熱或紅外光照射石墨舟來實(shí)現(xiàn)，而前驅(qū)物的均勻濃度場(chǎng)(包括徑向的和周向的)是通過噴頭的巧妙設(shè)計(jì)來獲得。然而，現(xiàn)階段還沒有一種理想的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)能獲得徑向均勻的前驅(qū)物分布，而周向均勻的前驅(qū)物分布主要通過旋轉(zhuǎn)置于其凹槽內(nèi)的石墨舟來實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)有HVPE系統(tǒng)的反應(yīng)器中，石墨舟的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，比如，動(dòng)力源電機(jī)與石墨舟之間需要通過一根旋轉(zhuǎn)軸來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞使石墨舟旋轉(zhuǎn)；需要準(zhǔn)確控制旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，以保證襯底旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性；而旋轉(zhuǎn)軸與反應(yīng)器腔室底法蘭的連接機(jī)構(gòu)，既要保證旋轉(zhuǎn)軸無障礙轉(zhuǎn)動(dòng)，又要確保反應(yīng)器腔室內(nèi)的真空條件。依現(xiàn)有的反應(yīng)器系統(tǒng)，則難以做到既確保如上所述狀況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性又能營造最佳的前驅(qū)物濃度場(chǎng)。
[0006]基于上述理由，為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、方便維護(hù)、節(jié)約能耗、提高材料生長質(zhì)量，必需改進(jìn)反應(yīng)器的技術(shù)設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的主要目的是:提供一種氮化物半導(dǎo)體材料氣相外延(HVPE)用反應(yīng)器設(shè)計(jì)及方法。為此，須要對(duì)現(xiàn)有的氣相外延(HVPE)用反應(yīng)器進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。
[0008]本發(fā)明提出一種氮化物半導(dǎo)體材料氣相外延用反應(yīng)器設(shè)計(jì)及方法，其主要技術(shù)方案為:在現(xiàn)有懸掛立式或懸掛倒立式的HVPE系統(tǒng)中，省去了使石墨舟及襯底旋轉(zhuǎn)用的電機(jī)、傳動(dòng)軸及附屬組件，簡(jiǎn)化了裝備；對(duì)反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體的出口通道進(jìn)行改造，所述出口通道從腔體外壁切線方向引出，出口通道截面為矩形，出口通道數(shù)量及尺寸依反應(yīng)氣體流量而定，各通道氣體出口方向均為腔體橫截面(或石墨舟圓盤)的順時(shí)針方向或逆時(shí)針方向。這樣使反應(yīng)物氣體在襯底表面或有效生長區(qū)域形成離心式微旋流，有利于改善氮化物材料的外延生長厚度及其組分的均勻性。
[0009]具體地說，本發(fā)明氮化物材料氣相外延用反應(yīng)器，包括噴頭、腔體、石墨圓盤、加熱裝置等。反應(yīng)器噴頭與腔體結(jié)構(gòu)均采用高純度石英材質(zhì)；反應(yīng)器設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱圓柱型，噴頭為同心圓環(huán)管結(jié)構(gòu)，內(nèi)圓管長度略短于外圓環(huán)管；反應(yīng)器腔體外圍采用電阻絲加熱，并在反應(yīng)器軸向設(shè)計(jì)了幾個(gè)不同的溫區(qū)，對(duì)石墨舟及其上置襯底單獨(dú)采用電阻絲加熱或紅外光輔助加熱；反應(yīng)器腔體中的反應(yīng)氣體混合物通過腔體底端的氣體出口通道排出，該出口通道截面設(shè)計(jì)為矩形，出口通道數(shù)量及尺寸依氣體流量而定，而各個(gè)出口通道排氣方向均沿著腔體橫截面(或石墨 舟圓盤)的順時(shí)針方向或逆時(shí)針方向，使反應(yīng)物在石墨舟及襯底表面上形成離心式微旋流。為了進(jìn)一步擴(kuò)大生長材料的有效面積，在混合氣體出口與反應(yīng)器腔體內(nèi)壁之間設(shè)置一同心圓環(huán)緩沖帶，以擴(kuò)大外延生長有效面積的同時(shí)，削弱各個(gè)出口處的流體劇烈流動(dòng)對(duì)外延生長質(zhì)量的不利影響，該緩沖帶高度與各出口通道高度一致。在該反應(yīng)器出口外圍，還設(shè)置同心環(huán)型集流通道，其截面為矩形或圓形，所述集流通道僅設(shè)計(jì)一個(gè)出口，將反應(yīng)腔各排出口氣體匯集一處集中處理。
[0010]本發(fā)明提出的一種氮化物半導(dǎo)體材料氣相外延用反應(yīng)器設(shè)計(jì)及方法，省去了現(xiàn)有HVPE系統(tǒng)反應(yīng)器中的石墨舟旋轉(zhuǎn)、動(dòng)力裝置及附屬組件，不僅大大簡(jiǎn)化裝置、節(jié)約能耗、方便維護(hù)，而且，消除石墨舟旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定對(duì)襯底上生長材料的不利影響；本發(fā)明反應(yīng)器的設(shè)計(jì)使反應(yīng)物氣體在大尺寸襯底表面或大面積有效生長區(qū)域形成一種離心式微旋流，從而，顯著地改善氮化物材料的生長厚度及其組分均勻性。
[0011]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明一種氮化物半導(dǎo)體材料氣相外延用反應(yīng)器剖面圖。
[0013]圖2為本發(fā)明實(shí)施方案I中氮化物半導(dǎo)體材料氣相外延用反應(yīng)器俯視圖。
[0014]圖3為本發(fā)明實(shí)施方案2中氮化物半導(dǎo)體材料氣相外延用反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中:
3A為反應(yīng)器剖面圖；
3B為反應(yīng)器俯視圖。
[0015]圖4為本發(fā)明實(shí)施方案3中氮化物半導(dǎo)體材料氣相外延用反應(yīng)器俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例1:如圖1所示，在懸掛立式HVPE系統(tǒng)中，前驅(qū)物氣體及隔離氣體由反應(yīng)器的頂端同心圓環(huán)噴頭I注入，前驅(qū)物通道內(nèi)圓管長度略短于外圍圓管長度；噴頭I四周外圍為軸對(duì)稱圓柱型反應(yīng)器腔體2 ;該腔體外壁用電阻絲加熱器3包裹并沿軸向覆蓋至整個(gè)腔體；在噴頭I正下方放置石墨舟圓盤4，石墨舟圓盤4上表面設(shè)有多個(gè)凹槽，在凹槽內(nèi)裝載襯底晶片。通過電阻絲5單獨(dú)加熱或通過紅外光照射加熱，使石墨舟圓盤4及襯底溫度維持在1070°C。如圖2所示，反應(yīng)器中反應(yīng)后的混合氣體通過設(shè)置在腔體底端外沿的出口通道6排出，該出口通道6由腔體2外壁切線方向引出，出口通道橫截面為矩形，其數(shù)量設(shè)為四個(gè)，各出口通道排氣方向一致，均沿著腔體橫截面的逆時(shí)針或順時(shí)針切線方向，使反應(yīng)物在襯底表面有效生長區(qū)域上方形成離心式微旋流，以利于反應(yīng)生成的氮化物在襯底表面均勻沉積，最終獲得高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體晶片。
[0017]實(shí)施例2:如圖3A、3B所示，在實(shí)施例1基礎(chǔ)上對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，為進(jìn)一步擴(kuò)大可生長材料的有效區(qū)域，在混合氣體出口通道6與腔體2內(nèi)壁之間設(shè)置一同心圓環(huán)緩沖帶7，該緩沖帶7高度與各氣體出口通道6高度一致，該設(shè)計(jì)擴(kuò)大襯底可生長材料有效區(qū)域的同時(shí)，削弱各個(gè)出口處流體劇烈流動(dòng)對(duì)襯底上氮化物材料均勻生長的不利影響。
[0018]實(shí)施例3:如圖4所示，結(jié)合實(shí)施例1、2的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行了更進(jìn)一步的改進(jìn)，在反應(yīng)器反應(yīng)后的氣體出口通道6外圍設(shè)置一與軸對(duì)稱腔體同心圓環(huán)集流通道8，所述集流通道8截面為矩形或圓形，各反應(yīng)氣體出口通道6與集流通道8均貫通，而集流通道8僅設(shè)計(jì)一個(gè)出口 9，以便將各出口通道所排出氣體匯集一處集中處理。
[0019]本發(fā)明提出的氮化物半導(dǎo)體材料氣相外延用反應(yīng)器，通過對(duì)反應(yīng)后氣體出口通道采用切向排出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取代了現(xiàn)有HVPE生長系統(tǒng)中的石墨舟旋轉(zhuǎn)裝置、附屬組件及驅(qū)動(dòng)電機(jī)，不僅大大簡(jiǎn)化裝置，節(jié)約能耗，方便維護(hù)，還消除了現(xiàn)有反應(yīng)器中石墨舟旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性(其主要表現(xiàn)為在運(yùn)動(dòng)過程中的抖動(dòng)與襯底能否保持水平這兩個(gè)方面)對(duì)材料生長厚度及組分均勻性的不利影響，而更重要的是，本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)使反應(yīng)物在石墨舟及襯底表面有效生長區(qū)域形成一種離心式微旋流，使反應(yīng)生成之氮化物在襯底上均勻沉積，獲得高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體晶片，并且 ，擴(kuò)大了有效生長區(qū)域面積而利于量產(chǎn)。
[0020]以上所述均僅為本發(fā)明的幾個(gè)具體實(shí)施例，所以并不能用以限制本發(fā)明專利范圍。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)，凡在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思的前提下，所做出的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種氮化物半導(dǎo)體材料氣相外延(HVPE)用反應(yīng)器設(shè)計(jì)，其特征為:反應(yīng)器噴頭采用同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，并且所述噴頭內(nèi)圓管長度略小于外圓環(huán)管長度,噴頭正下方為石墨舟圓盤，該噴頭外圍為軸對(duì)稱圓柱型腔體結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器，所述腔體外圍用電阻絲加熱器包裹且沿軸向覆蓋至整個(gè)腔體；所述反應(yīng)器中石墨舟固定在腔體底端中央，石墨舟圓盤單獨(dú)用電阻絲加熱器加熱；所述反應(yīng)器腔體底端外圍設(shè)有反應(yīng)氣體排放通道，通道出口沿著圓柱型腔體外壁切線方向，通道數(shù)量及尺寸依反應(yīng)氣體總量而定；所述通道出口的切向設(shè)計(jì)使反應(yīng)物在石墨舟及襯底有效生長區(qū)域上方形成一種離心式微旋流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述反應(yīng)器，其特征是:其中石墨舟加熱方式還可以采用紅外光輔助加熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述反應(yīng)器，其特征在于:所述反應(yīng)氣體排放通道，其橫截面為矩形，其數(shù)量可以為2~5個(gè)不等，其各排放通道的排氣方向均沿著腔體橫截面(或石墨舟圓盤)的順時(shí)針方向或逆時(shí)針方向。
4.根據(jù)權(quán)利要I所述反應(yīng)器，其特征為:在反應(yīng)器底段出口通道與腔體內(nèi)壁之間設(shè)置一同心圓環(huán)緩沖帶，所述緩沖帶高度與各氣體出口通道高度一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述反應(yīng)器，其特征還在于:在反應(yīng)器的出口通道外圍設(shè)置一同心環(huán)型集流通道，所述各通道出口與集流通道均貫通，集流通道截面為矩形或圓形，集流通道僅設(shè)計(jì)一個(gè)出口，所排出氣體匯集一處后集中處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述反應(yīng)器，其特征還在于:該反應(yīng)器不僅應(yīng)用于懸掛立式HVPE系統(tǒng)，還可應(yīng)用于倒置支撐HV PE系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】C30B25/08GK103789823SQ201410028993
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】魏武, 劉鵬, 熊歡, 張俊業(yè), 趙紅軍, 童玉珍, 張國義 申請(qǐng)人:東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司, 北京大學(xué)