專利名稱：金屬有機(jī)物氣相外延制備氮化物單晶薄膜的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出一種具有同軸雙管分流器的壓縮型金屬有機(jī)物氣相外延制備氮化物單晶薄膜的裝置與方法涉及一種III-V氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜的制備，并直接和以GaN為基礎(chǔ)的蘭光光發(fā)射二極管(LED)的制備技術(shù)有關(guān)。
III-V氮化物半導(dǎo)體材料包括GaN，AlN，InN及其多元合金體系，如InGaN，AlGaN等。這些氮化物在α相，均為直接帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下，InN，GaN，AlN的禁帶寬度分別為1.9eV，3.39eV，6.2eV。InGaN和AlGaN的禁帶寬度隨組份變化，可以近線性地由1.9ev變到3.39ev和由3.39eV變到6.2eV。相應(yīng)的發(fā)光波長復(fù)蓋了整個可見光到紫外波段。特別是蘭光到紫外波段光電器件的應(yīng)用，引起了人們的廣泛關(guān)注和研究。
在氮化物半導(dǎo)體材料的制備中，早期主要是以氣相外延(VPE)方法為主，近來主要是以金屬有機(jī)物氣相外延(MOVPE)和分子束外延(MBE)技術(shù)為主。目前進(jìn)展最快，取得效果最好的是MOVPE技術(shù)，在MOVPE技術(shù)中，通常是采用NH3做為N源。采用TMGa，TMALTMIn做為Ga，Al，In源。采用c-面Al2O3(0001)單晶片做為襯底，由于氮化物與Al2O3襯底之間，存在著較大的晶格失配和熱應(yīng)力失配，外延生長常采用兩步生長法。見文獻(xiàn)H.Amano，N.Sawaki，and Y.Toyoda，Appl.phys.Lett.48(5)，353(1986)和Shuji Nakamumura，Jpn.J.Appl，phys.32(10A)，L1705(1991)。即在低溫下生長一層AlN或GaN做為過度層，然后再高溫生長外延層。但是，由于NH3與三族有機(jī)源有較強(qiáng)的氣相副反應(yīng)，嚴(yán)重影響著晶體質(zhì)量和源材料的利用效率。以NH3與TMAl為例，主要?dú)庀喔狈磻?yīng)為
進(jìn)而導(dǎo)致(-NH3Al-NH-)n絡(luò)合物的形成。而這種絡(luò)合物是不能參加AlN的生成反應(yīng)的。因此必須加以抑制。但是在外延生長過程中，又要求NH3與III族有機(jī)源均勻混合，以獲得均勻的外延生長。因此，這種副反應(yīng)在技術(shù)上只能盡可能減小，而不能完全消除。另一個問題是由于NH3在流體動力學(xué)方面的特殊性而引起的。對于其它III-V化合物的MOVPE，主要的輸運(yùn)氣體是H2，反應(yīng)物氣體流量都是非常少的。流體特性基本由H2的性質(zhì)決定。在氮化物的MOVPE的過程中，NH3氣的流量非常之大，有時已接近或超過H2氣的流量。因此氣體流動性質(zhì)受NH3的影響就不可忽略。與H2相比，NH3氣的普朗特數(shù)Pr＝μC/κ＝υ/α比較高，這就意味著NH3的運(yùn)動粘度與導(dǎo)溫系數(shù)之比，或者說NH3的運(yùn)動(或速度)的擴(kuò)散率與熱(或溫度)的擴(kuò)散之比較大。所以對于局部加熱的MOVPE系統(tǒng)，在襯底上方易于產(chǎn)生大的溫度梯度，導(dǎo)致相當(dāng)大的熱浮力，妨礙了反應(yīng)物氣體與襯底表面的接觸。因此，氣相副反應(yīng)與熱浮力的存在，不但嚴(yán)重影響著氮化物晶體的質(zhì)量，也大大降低了材料的利用率。而氮化物非常低的生長速率一直是實(shí)際應(yīng)用中的一個主要問題。
為了解決這些問題，人們試驗(yàn)了許多方法，如采用聯(lián)氨，苯肼，叔丁胺等做為N源，以替代NH3或采用一些含有N-R(R可以是Ga，Al，In)鍵的有機(jī)化合物，來生長GaN等有關(guān)化合物；以及采用NH3或N2的離子裂解的方法，以期降低GaN的生長溫度。但是，這些方法，均未得到明顯的改進(jìn)。目前獲得最好結(jié)果的是日本日亞化學(xué)工業(yè)公司的Nakamura等人提出的雙流MOVPE方法，見Shuji Nakamura YasuhiroHarada，and Maayuki Seno.Appl phys.Lett.58，2021(1991)，它是在水平反應(yīng)室內(nèi)，除水平方向輸入反應(yīng)物氣體外，又在垂直襯底表面方向加一輔助氣流，以增加反應(yīng)物與襯底表面的接觸。但是，這無疑會破壞氣體的層流特性。因此，為了解決外延層的均勻性，他們采用旋轉(zhuǎn)襯底的方法加以解決，增加了設(shè)備和操作的復(fù)雜性。
本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)中所存在的問題，特別是解決氣相副反應(yīng)和熱浮力引起的有關(guān)問題，為此本發(fā)明首次提出了一種具有同軸雙管分流器的壓縮型MOVPE生長III-V氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜的裝置及方法。同軸雙管分流器的設(shè)計可以把NH3與三族有機(jī)源分別輸運(yùn)，并可方便地調(diào)整其混合點(diǎn)，使之在盡可能短的時間內(nèi)達(dá)到充分混合，隨即進(jìn)入反應(yīng)室，層流擴(kuò)展到達(dá)襯底表面。這樣既能最大限度地減少氣相副反應(yīng)，又能得到均勻的外延生長。而壓縮型MOVPE反應(yīng)室結(jié)構(gòu)能夠壓縮反應(yīng)物氣體流向襯底表面，減少熱浮力的影響，增加襯底表面反應(yīng)物的濃度。從而達(dá)到提高外延層的晶體質(zhì)量和源材料利用率的目的。這對于實(shí)際應(yīng)用有著特別重要意義。本發(fā)明可用于GaN-based蘭光LED和LD的生產(chǎn)和研究，亦可用于GaN高溫，大功率電子器件等方面的應(yīng)用研究。
本發(fā)明的內(nèi)容與技術(shù)方案為進(jìn)一步描述本發(fā)明的設(shè)計思想與方案，下面選擇最佳實(shí)施例，結(jié)合附圖加以詳細(xì)說明。
同軸雙管分流器和壓縮型MOVPE反應(yīng)室的原理圖如圖1所示。同軸雙管分流器由外管(1)，內(nèi)管(2)，A變徑接頭(3)和B變徑接頭(4)構(gòu)成。壓縮型MOVPE反應(yīng)室可分為進(jìn)氣管(7)，氣流擴(kuò)展區(qū)(8)，矩形區(qū)(9)，氣流壓縮區(qū)(10)和后部排氣區(qū)(11)。
能夠?qū)H3與III族有機(jī)源分別輸運(yùn)的MOVPE氣體輸運(yùn)系統(tǒng)(圖中略)和同軸雙管分流器的外管均采用φ1＝1/4時的不銹鋼管構(gòu)成。并在圖1中(1)所示處連接。NH3氣通過A變徑接頭(3)進(jìn)入φ2＝3mm的內(nèi)外管壁電化學(xué)拋光的不銹鋼內(nèi)管(2)，保持與TMR源的分離。A變徑接頭與(H2＋TMR)管的連接要注意保持平滑，如圖1中(5)所示，確保沒有氣體流動的死空間。不銹鋼管與石英反應(yīng)管的連接通過B變徑接頭(4)實(shí)現(xiàn)。B變徑接頭與不銹鋼管的連接采用VCR接頭，與石英管連接采用高溫密封環(huán)實(shí)現(xiàn)。NH3氣流與(H2＋TMR)氣流在內(nèi)管出氣點(diǎn)(6)處相匯，即為氣體的混合點(diǎn)。調(diào)整內(nèi)管長度，即可調(diào)整混合點(diǎn)(6)的位置。兩種氣體充分混合的速度與石英反應(yīng)管的進(jìn)氣管(7)的直徑φ3(8—12mm)，反應(yīng)管擴(kuò)展區(qū)的角度，以及實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。改變反應(yīng)室壓力和氣體流量，可以調(diào)整氣體流速。由此確定混合氣體到達(dá)襯底表面的時間。上述調(diào)整的原則是在滿足外延生長的條件下，氣體到達(dá)襯底表面時，能夠在最短的時間內(nèi)充分混合，并層流擴(kuò)展。這樣，即可以使氣相副反應(yīng)減到最小，又能保證整個襯底表面均勻生長。
氣流壓縮型MOVPE反應(yīng)室氣流擴(kuò)展區(qū)角度可以在6—30度之間選擇，矩形區(qū)寬高比在4—9之間，氣流壓縮區(qū)由反應(yīng)管上壁傾角α和下管壁上的石墨加熱器傾角θ共同構(gòu)成，如圖1中(10)處所示，恰好在襯底上方。最佳α角和最佳θ角可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)條件，配合調(diào)整。在保證層流的前提下，獲得最佳的氣流壓縮效果。
在以下實(shí)施例中，共同的實(shí)驗(yàn)條件是所有的實(shí)驗(yàn)中，均采用TMGa，TMAl，TMIn和NH3做為Ga，Al，In和N源。高純H2作為載氣。雙面拋光的Al2O3作為襯底。加熱方式為射頻加熱。溫度由插入石墨加熱器圖1(12)的熱電偶(13)監(jiān)測并由溫度控制器控制。襯底放在石墨加熱器中(14)的位置。
所有實(shí)驗(yàn)中，Al2O3襯底首先經(jīng)四氯化碳，丙酮，乙醇超聲清洗，用1HPO3∶3H2SO4混合液在160度下腐蝕10分鐘。經(jīng)去離子水沖洗后，真空脫水，在N2氣保護(hù)下裝入反應(yīng)室，外延生長前，Al2O3襯底在H2氣氛下1150℃處理10分鐘。
實(shí)施例1
c-面Al2O3(0001)襯底上生長GaN此例在α＝3。，θ＝10°的反應(yīng)室中進(jìn)行。反應(yīng)室壓力為70乇。在完成上述共同實(shí)驗(yàn)程序后，將襯底溫度降低到550℃，生長GaN過渡層，H2氣流量為1Slm，NH3流量為4Slm，TMGa流量為7.1μmole/分，GaN過渡層厚度約為25nm。然后將襯底溫度升高到1030℃，TMGa流量變?yōu)?1.9μmole/分，其余條件不變，生長時間1小時，GaN層厚度約為3.5μm。
實(shí)施例2c-面Al2O3(0001)襯底上生長InGaN在完成實(shí)施例1后，將襯底溫度降低到900℃，TMIn流量為18.8μmole/分，TMGa流量為4.8μmole/分，其余條件不變，生長時間30分鐘。InGaN的厚度約為0.5μm。
實(shí)施例3r-面Al203(0112)襯底上生長GaN此例在α＝5°，θ＝5°的反應(yīng)室中進(jìn)行。反應(yīng)室壓力為40乇。在完成上述共同實(shí)驗(yàn)程序后，將襯底溫度降低到600℃，生長AlN過渡層，H2氣流量與NH3流量均為2Slm，TMA1流量為2.6μmole/分，AlN過渡層厚度為50nm。然后將襯底溫度升高到1030C，生長GaN。TMGa流量為9.5μmole/分，生長時間1小時，厚度約為2.0μm。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果生長后的樣品經(jīng)掃描電子顯微鏡(SEM)，反射高能電子衍射(RHEED)，x-射線衍射(XRD)，光熒光(PL)譜，俄歇電子譜以及霍爾測量，檢查樣品質(zhì)量的結(jié)果均表明了本發(fā)明之優(yōu)點(diǎn)及積極的效果。
1、同軸雙管分流器在上述實(shí)驗(yàn)條件下，只要NH3氣內(nèi)管距氣流擴(kuò)展區(qū)前端1cm左右，就可以使NH3與H2氣攜帶的III族有機(jī)源達(dá)到充分混合的目的，如圖2(a)所示。而當(dāng)NH3氣內(nèi)管伸進(jìn)反應(yīng)室氣流擴(kuò)展區(qū)時，則不易達(dá)到充分混合的目的，如圖2(b)所示。這是由于外管氣流和內(nèi)管氣流同時向外擴(kuò)展，而且NH3氣流量又比較大，使得含TMR的H2氣流難于向NH3氣流區(qū)擴(kuò)展。它們的混合主要靠氣相擴(kuò)散過程來實(shí)現(xiàn)。而在圖2(a)的情況下，兩種氣體在一個很小的區(qū)域內(nèi)相遇，因此易于互相混合。隨即進(jìn)入氣流擴(kuò)展區(qū)，層流擴(kuò)展輸運(yùn)到襯底表面。在我們的實(shí)驗(yàn)條件下，氣體流速大約在2-4m/S。從氣流混合點(diǎn)到襯底表面所需時間大約為0.25-0.5S。所以在這樣短的時間內(nèi)，兩種氣流充分混合并輸運(yùn)到襯底表面，這對于抑制氣相副反應(yīng)是非常有利的。
2、壓縮型MOVPE反應(yīng)室大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在上述實(shí)驗(yàn)條件下，最佳α角在3°-6°，最佳θ角在7°-10°。當(dāng)θ角大于15°時，會在石墨加熱器前方引起強(qiáng)的渦旋迴流，α角大于7°時，會破壞層流特性，導(dǎo)致不均勻生長，當(dāng)α＝0°和θ＜5°時，常常導(dǎo)致島狀生長，慢的生長速度和差的晶體質(zhì)量。
在通常水平矩形MOVPE反應(yīng)室內(nèi)(即α＝0°，θ＜5°)，由于射頻加熱方式，反應(yīng)室內(nèi)只有石墨加熱器處被局部加熱。因此襯底表面與上管壁之間有很大的溫度差，氣體流動是由軸向強(qiáng)迫對流和豎直方向熱浮力產(chǎn)生的自由對流共同決定的混合流，如圖3(a)所示。而離開襯底表面方向的自由對流由于GaN的生長溫度高，NH3流量大，而NH3的Prandtl數(shù)和Grashof數(shù)都較大，而變的特別顯著，從而造成襯底上方存在較大的反應(yīng)物濃度梯度分布，使得GaN襯底表面反應(yīng)物濃度稀少。再加上GaN在1030C下，有很高的分解壓(N2平衡分壓約為0.8atm)，因此GaN的生長是在N2分壓不足的情況進(jìn)行的。這就導(dǎo)致GaN薄膜中形成大量的N空位，這些N空位具有負(fù)的施主能級，因此GaN薄膜常常有很高的n-型本底濃度。
而在壓縮型MOVPE反應(yīng)室內(nèi)，在適當(dāng)?shù)摩两桥cθ角的條件下，使得氣體流動如圖3(b)所示。由于α角傾斜的上管壁對氣流的壓縮和θ角改變襯底表面的法線方向，產(chǎn)生一指向襯底表面方向的氣流速度分量，抑制了熱對流的影響，從而達(dá)到增加表面反應(yīng)物濃度的作用。另外，按連續(xù)介質(zhì)流體動力學(xué)理論。對于可壓縮流體，相對速度變化與相對截面積的變化是當(dāng)流體截面積減小時，流體速度增加。許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)表明，大的氣體流速對獲得高質(zhì)量的GaN單晶薄膜是有利的。
3、本發(fā)明方法可快速生長高質(zhì)量的單晶薄膜在實(shí)施例1的條件下，在TMGa流量為11.9μmole/分時，GaN生長速率為3.5μm/小時，這相當(dāng)于我們在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，常規(guī)MOVPE反應(yīng)室內(nèi)生長速率的7倍。與Nakamura等人的雙流MOVPE系統(tǒng)相比，單位TMGa流量生長速率提高了3.6倍。
采用本發(fā)明，在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，獲得的高質(zhì)量的GaN生長表面如鏡面光亮，無生長特征，無色透明。SEM照片如圖4(a)所示。常規(guī)MOVPE反應(yīng)室優(yōu)化條件下生長的GaN表面雖然宏觀上看比較光亮，但在高倍SEM下，仍能看到生長特征，如圖4(b)的SEM像所示。這種表面形貌的改進(jìn)，是由于具有同軸雙管分流器的壓縮型MOVPE反應(yīng)室與合適的生長條件共同作用的結(jié)果。圖5是c-面Al2O3襯底上生長GaN膜的RHEED圖。其中(a)是在<2110>方向的電子衍射，(b)是在<0110>方向的電子衍射。圖6(a)是c-面Al2O3襯底上生長GaN膜的x-射線雙晶衍射圖，其中2θ角由10°到80°，只有GaN(0002)和(0004)以及Al2O3(0006)的衍射峰。這些結(jié)果表明(0001)GaN單晶薄膜生長在(0001)Al2O3的襯底上。圖7是2θ角由32°到43°的慢掃XRD。精確測定34.6°的衍射峰相當(dāng)于GaN的晶格常數(shù)為a＝b＝3.189A，c＝5.185A的(0002)面的污射，c/a＝1.6259，非常接近1.633的理論值，做為表征晶體質(zhì)量的重要參數(shù)的x-射線衍射的雙晶迴擺曲線如圖8所示。半峰全寬(FWHM)為6分。圖9是15k下的PL譜，激射光為λ＝337.1nm的N2分子激光器。在波數(shù)為28260cm-1(波長λ＝353.857nm)處在主峰為帶邊發(fā)射峰，在波數(shù)為17857cm-1(～560nm)處的寬的弱峰為與雜質(zhì)發(fā)射有關(guān)的發(fā)射帶。一般認(rèn)為是與雜質(zhì)C有關(guān)。
圖10是實(shí)施例2生長的InGaN樣品的俄歇電子譜的深度分布。由圖可見In組份在縱向分布是均勻的。圖11是InGaN樣品室溫下的PL譜，激射光源為He-Cd激光器，激射波長為325.0nm，PL峰位置在394.7nm，相當(dāng)于InxGa1-xN的x值為0.11。
圖12是實(shí)施例3在r-面Al2O3襯底上生長的GaN單晶薄膜的XRD圖。2θ在57.7°的非常強(qiáng)的衍射峰是GaN(1120)衍射。即(0112)Al2O3襯底上GaN生長面為(1120)面。圖13是該樣品在11K的PL譜，衍射光源是波長為325.0nm的He-Cd激光器，359.0nm的峰為11K下GaN的帶邊發(fā)射峰，與雜質(zhì)有關(guān)的發(fā)射峰均未出現(xiàn)。
以上諸樣品在直徑為30mm的范圍內(nèi)，厚度均勻性好于±2％。Hall測量非摻雜GaN的背景載流子濃度，最好的結(jié)果為4.9×1016cm-3，室溫Hall遷移率為303.1cm2/V.S。
這些結(jié)果充分表明，應(yīng)用本發(fā)明已經(jīng)獲得了高質(zhì)量的GaN和InGaN單晶薄膜，我們相信若進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，晶體質(zhì)量還會有所改進(jìn)和提高。
總之，本發(fā)明首次提出了具有同軸雙管分流器的壓縮型MOVPE生長GaN及有關(guān)化合物的新方法。采用這一系統(tǒng)，在40-70乇壓力下，生長了高質(zhì)量的GaN和InGaN單晶薄膜。這一系統(tǒng)亦可用來生長AlGaN，AlN和InN等其它III-V氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜及多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。生長速率比常規(guī)MOVPE系統(tǒng)提高7倍，比Nakamura等人的雙流MOVPE系統(tǒng)提高3.6倍?？梢杂脕碇苽銰aN-based蘭光LED及其它氮化物器件的應(yīng)用。有利于在應(yīng)用中降低成本，提高材料的利用效率及晶體質(zhì)量。因此有廣泛的應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)效益。


圖1同軸雙管分流器和壓縮型MOVPE反應(yīng)系統(tǒng)原理圖1-同軸雙管分流器外管及其與MOVPE氣體輸運(yùn)系統(tǒng)連接處2-內(nèi)管3-聚四氟A變徑接頭4-石英反應(yīng)管與不銹鋼系統(tǒng)B變徑接頭5-A變徑接頭位置 6-內(nèi)管出氣位置即氣流混合點(diǎn)7-石英反應(yīng)室進(jìn)氣管8-氣流擴(kuò)展區(qū)9-矩形10-氣流壓縮區(qū)11-后部排氣區(qū) 12-石墨加熱器13-熱偶管 14-襯底片圖2同軸雙管分流器輸運(yùn)系統(tǒng)的氣流混合流線圖(a)氣流混合點(diǎn)選擇合適的情況(b)氣流混合點(diǎn)選擇不當(dāng)?shù)那闆r圖3壓縮型MOVPE反應(yīng)室中生長溫度下的氣流流線及速度分量(a)常規(guī)MOVPE反應(yīng)室的情況(b)壓縮型MOVPE反應(yīng)室的情況圖4 Al2O3襯底上生長GaN表面的SEM照片(a)-同軸雙管分流器壓縮型反應(yīng)室生長的樣品(b)-常規(guī)反應(yīng)室生長的樣品圖5同軸雙管分流器壓縮型反應(yīng)室生長樣品的RHEED圖(a)-<2110>方向電子衍射(b)-<0110>方向電子衍射圖6實(shí)施例1生長GaN樣品的x-射線衍射，2θ角為10°至80°快掃圖7實(shí)施例1生長GaN樣品的x-射線衍射，2θ角為32°至43°的慢掃圖8實(shí)施例1生長GaN樣品的x-射線衍射雙晶迴擺曲線圖9實(shí)施例1生長GaN樣品的PL譜，溫度為15K，激射光源為N2分子激光器圖10實(shí)施例2生長的InGaN樣品的俄歇電子譜的縱向深度分布圖11實(shí)施例2生長的InGaN的PL譜，溫度為300K，激射光源為He-Cd激光器圖12實(shí)施例3生長的GaN的x-射線衍射13實(shí)施例3生長的GaN樣品的PL譜，溫度為11K，激射光源為He-Cd激光器
權(quán)利要求
1.一種金屬有機(jī)物氣相外延制備氮化物單晶薄膜的裝置，它包括氣體輸運(yùn)系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)及壓力和溫度控制系統(tǒng)，其特征是1)該裝置設(shè)計了同軸雙管分流器，它是由不銹鋼的內(nèi)管與外管，聚四氟A變徑接頭和不銹鋼B變徑接頭構(gòu)成的，與氣體輸運(yùn)系統(tǒng)連接，將NH3氣和H2＋TMR氣體分別引入內(nèi)管及外管里(圖1)。2)在同軸雙管分流器的后面連接反應(yīng)系統(tǒng)，它是采用壓縮型MOVPE反應(yīng)管，包括進(jìn)氣管，氣流擴(kuò)展區(qū)、矩形區(qū)、氣流壓縮區(qū)和后部排氣區(qū)，由高純石英和高純石墨加熱器構(gòu)成，該反應(yīng)管之上管壁可有傾斜角為α，其下管壁上的石墨加熱器的傾斜角為θ(圖1)，形成襯底表面上方的氣流壓縮(圖3b)。3)在同軸雙管分流器的進(jìn)口端，采用了A變徑接頭(3)同軸聯(lián)接內(nèi)管與外管，在該分流器的另一端采用了B變徑接頭(4)，且B變徑接頭(4)與不銹鋼管間的連接是用VCR接頭，而其與石英反應(yīng)管間的連接采用高溫密封環(huán)實(shí)現(xiàn)的。4)同軸雙管分流器內(nèi)管(2)的出氣點(diǎn)位置(6)即為氣體的混合點(diǎn)，該混合點(diǎn)的位置是可以通過調(diào)整內(nèi)管(2)的長度，來實(shí)現(xiàn)對兩種氣體混合點(diǎn)的調(diào)節(jié)。
2.按照權(quán)利要求1所述的金屬有機(jī)物氣相外延制備氮化物單晶薄膜的裝置，其特征在于同軸雙管分流器中的外管采用1/4時不銹鋼管，且其外管之內(nèi)壁是用電化學(xué)拋光處理的，該分流器之內(nèi)管直徑φ2＝3mm的不銹鋼管，且該內(nèi)管的內(nèi)、外管壁均用電化學(xué)拋光處理，內(nèi)、外管的連接是采用聚四氟緊密封的A變徑接頭(3)。
3.按照權(quán)利要求1所述的金屬有機(jī)物氣相外延制備氮化物單晶薄膜的裝置，其特征在于反應(yīng)系統(tǒng)為壓縮型MOVPE反應(yīng)管，其矩形區(qū)的寬高比為4—9，氣流擴(kuò)展區(qū)角度為6°—30°，石英反應(yīng)管的上壁傾斜α為3°—6°，其下管壁上的石墨加熱器之傾斜角θ為7°—10°，反應(yīng)管的進(jìn)氣管(7)的直徑φ3為8—12mm。
4.按照權(quán)利要求1所述的金屬有機(jī)物氣相外延制備氮化物單晶薄膜的裝置，其特征在于該壓縮型MOVPE反應(yīng)管中的上管壁有傾斜角α及下管壁上的石墨加熱器有傾斜角θ，且α與θ二角的頂點(diǎn)起始位置是上、下對稱的(圖1)。
5.一種使用如權(quán)利要求1所述的裝置制備氮化物單晶薄膜的方法，其特征是采用具有同軸雙管分流器的壓縮型MOVPE生長GaN及有關(guān)III-V氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜的制備新方法。
6.按照權(quán)利要求5所述的制備氮化物單晶薄膜的方法，其特征是在同軸雙管分流器中，分別引入內(nèi)管與外管的NH3氣和H2＋TMR氣，其兩種氣體的混合點(diǎn)的位置可由內(nèi)管的長度調(diào)節(jié)，而其氣體混合的工藝條件為在內(nèi)、外管的氣流范圍為1—4Slm，反應(yīng)室的壓力為40—100乇，混合點(diǎn)距氣流擴(kuò)展區(qū)前端的距離為1—2mm，來實(shí)現(xiàn)兩種氣體的均勻混合。
7.按照權(quán)利要求5所述的制備氮化物單晶薄膜的方法，其特征是反應(yīng)系統(tǒng)壓縮型的MOVPE反應(yīng)室中工藝條件是在矩形區(qū)的寬高比為4—9，擴(kuò)展區(qū)角度為6°—30°，反應(yīng)室的壓力為40—70乇，內(nèi)、外管的氣流范圍為1—4Slm，而且α、θ二角是可調(diào)節(jié)的，其最佳范圍是α角為3°—6°，θ角為7°—10°。
8.按照權(quán)利要求5、6和7所述的制備氮化物單晶薄膜的方法，其特征是GaN及有關(guān)III-V氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜的外延層生長的條件是當(dāng)采用同軸雙流壓縮型MOVPE反應(yīng)室，混合點(diǎn)距氣流擴(kuò)展區(qū)前端1cm，α＝3°，θ＝10°，反應(yīng)室的壓力為40—70乇，采用c-面或r-面Al2O3為襯底；GaN過渡層生長溫度為500—600℃AlN過渡層生長溫度為600—650℃GaN外延層生長溫度為900—1030℃InGaN外延層生長溫度為800—900℃H2氣流量為1—2SlmNH3氣流量為1—4SlmTMGa流量在生長過渡層時為5—7μmole/分，在生長外延層時為7—20μmole/分；TMA1流量在生長過渡層時為2—4μmole/分；TMIn流量在生長InGaN時為5—20μmole/分，此時TMGa流量為4—5μmole/分。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種用于生長GaN及其有關(guān)化合物單晶薄膜的裝置及方法。同軸雙管分流器把NH
文檔編號C30B29/38GK1127804SQ9510127
公開日1996年7月31日 申請日期1995年1月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月27日
發(fā)明者張國義, 童玉珍, 黨小忠, 金泗軒 申請人:北京大學(xué)