專利名稱：一種改進(jìn)hvpe傳輸氣流均勻性的裝置的制作方法
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)半導(dǎo)體材料如GaN材料的生 長(zhǎng)進(jìn)氣氣流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(lái)國(guó)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1.9—6.2eV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() 11—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106cm—2，面積已經(jīng)超過(guò)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英寸)GaN自 支撐襯底的均勻性仍需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。在立式多片型HVPE生長(zhǎng)系統(tǒng)中，由于反 應(yīng)腔體直徑大長(zhǎng)度較長(zhǎng)，從一端進(jìn)入的反應(yīng)氣體品種多，為了保證生長(zhǎng)的樣品厚度分 布均勻，就必須保證輸入的各種氣體在到達(dá)襯底表面時(shí)，形成一個(gè)均勻的圓環(huán)形分布。 本申請(qǐng)人已經(jīng)申請(qǐng)過(guò)采用多根氣路傳輸管道進(jìn)行生長(zhǎng)氣體的傳輸以改進(jìn)均勻性，但仍 有改進(jìn)的必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種改進(jìn)的氫化物氣相外延(HVPE)生長(zhǎng)GaN材料進(jìn)氣 氣流均勻性的方法，改進(jìn)立式HVPE生長(zhǎng)設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得源氣體均勻的分布并 混合，最終改善大面積材料(>2英寸)如GaN自支撐襯底生長(zhǎng)的均勻性。
本發(fā)明目的還在于提出一種新的HVPE系統(tǒng)源氣體氣流進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，使得立式氫化物氣相外延系統(tǒng)中的所有各種不同的氣體都均勻的到達(dá)并環(huán)形散布在襯底表面，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。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案改進(jìn)HVPE傳輸氣流均勻性的方法和裝置，在立式HVPE 生長(zhǎng)系統(tǒng)中，生長(zhǎng)室反應(yīng)腔上方設(shè)有一個(gè)勻氣環(huán)，勻氣環(huán)設(shè)有連通的氣路進(jìn)口和氣路 出口構(gòu)成，其中氣路出口設(shè)有4-30個(gè)，在圓環(huán)上均勻分布，勻氣環(huán)氣路進(jìn)口接有源 氣體輸氣終端。本發(fā)明勻氣環(huán)將所有源氣體分別通過(guò)一種特別設(shè)計(jì)的勻氣環(huán)結(jié)構(gòu)從進(jìn) 氣端均勻的進(jìn)入或吹入反應(yīng)室。勻氣環(huán)的結(jié)構(gòu)是保證當(dāng)進(jìn)氣口只有一個(gè)的時(shí)候，仍然 使得一端進(jìn)氣，但是經(jīng)過(guò)出氣口后氣體均勻分布在反應(yīng)腔。勻氣環(huán)使得設(shè)備的設(shè)計(jì)加 工更合理更容易。
本發(fā)明的改進(jìn)還在于勻氣環(huán)氣路進(jìn)口至每個(gè)氣路出口的氣體傳輸管路路徑相 同。勻氣環(huán)的基本原理是 一端進(jìn)氣，氣體經(jīng)過(guò)相同的氣體傳輸管路結(jié)構(gòu)和路徑，分
多路從不同的出口均勻噴出。在立式HVPE系統(tǒng)中可以采用多路氣體呈環(huán)形進(jìn)入并沿
著軸向輸運(yùn)，使得氣流分布更均勻，如圖l。
本發(fā)明的有益效果是通過(guò)勻氣環(huán)設(shè)計(jì)降低生長(zhǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并提高進(jìn)氣
的均勻性。從而使材料的生長(zhǎng)均勻性更好，并可以生長(zhǎng)大面積的材料(>2英寸GaN 自支撐襯底〉。
四

圖l為本發(fā)明4個(gè)出口勻氣環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖(平面示意圖)。 圖2為本發(fā)明8個(gè)出口勻氣環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖(平面示意圖) 圖3為本發(fā)明16個(gè)出口勻氣環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖(平面示意圖)
五具體實(shí)施方式
本發(fā)明技術(shù)實(shí)施可以有兩種方式
1、 勻氣環(huán)放置在生長(zhǎng)室內(nèi)部。由一根進(jìn)氣管進(jìn)入勻氣環(huán)，出氣口沿著軸做徑 向分布。
2、 勻氣環(huán)放置在生長(zhǎng)室外部，通過(guò)多個(gè)出氣口和反應(yīng)室內(nèi)部相連。該方式可 以減少勻氣環(huán)可能對(duì)系統(tǒng)造成的污染。
采用這種勻氣環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際生長(zhǎng)，得到了均勻分布的高質(zhì)量材料生長(zhǎng)。采用本 發(fā)明改進(jìn)的勻氣環(huán)最終能得到大面積材料(>2英寸GaN自支撐襯底)，其生長(zhǎng)的均勻 性得到保證。
如圖1所示，勻氣環(huán)出口的多少跟反應(yīng)腔的直徑和出口氣流流經(jīng)的路程長(zhǎng)短有 關(guān)，可以根據(jù)需要設(shè)置出口的數(shù)目。圖中分別給出4、 8、 16個(gè)出口，勻氣環(huán)氣路進(jìn) 口 (進(jìn)口端)l至每個(gè)氣路出口2的氣體傳輸管路3路徑相同。勻氣環(huán)實(shí)際加工時(shí)也 可以是是立體圓柱狀結(jié)構(gòu)，可有效減少所占用的空間。在圓環(huán)上均勻分布，勻氣環(huán)氣 路進(jìn)口l接有源氣體輸氣終端。
氣路進(jìn)口 1、氣路出口2和氣體傳輸管路3均可以采用金屬材料制備。
權(quán)利要求
1、改進(jìn)HVPE傳輸氣流均勻性的裝置，其特征是在立式HVPE生長(zhǎng)系統(tǒng)中，生長(zhǎng)室反應(yīng)腔上方設(shè)有一個(gè)勻氣環(huán)，勻氣環(huán)設(shè)有連通的氣路進(jìn)口和氣路出口構(gòu)成，其中氣路出口設(shè)有4-30個(gè)，在圓環(huán)上均勻分布，勻氣環(huán)氣路進(jìn)口接有源氣體輸氣終端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)HVPE傳輸氣流均勻性的裝置，其特征是勻氣環(huán) 氣路進(jìn)口至每個(gè)氣路出口的氣體傳輸管路路徑相同。
全文摘要
改進(jìn)HVPE傳輸氣流均勻性的裝置，在立式HVPE生長(zhǎng)系統(tǒng)中，生長(zhǎng)室反應(yīng)腔上方設(shè)有一個(gè)勻氣環(huán)，勻氣環(huán)設(shè)有連通的氣路進(jìn)口和氣路出口構(gòu)成，其中氣路出口設(shè)有4-30個(gè)，在圓環(huán)上均勻分布，勻氣環(huán)氣路進(jìn)口接有源氣體輸氣終端。尤其是勻氣環(huán)氣路進(jìn)口至每個(gè)氣路出口的氣體傳輸管路路徑相同。
文檔編號(hào)C01B21/00GK101475150SQ200810235278
公開(kāi)日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3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(shū)林 申請(qǐng)人:南京大學(xué)