专利名称：一种氮化物材料外延装置的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别指为了高质量
的氮化物材料而设计的 一 种结合HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy, 氧化物气相夕卜延)禾口 MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition, 金属有机源化 学气相沉积)、生长效率高、生长成本低的氮化物材料 外延装置。
背景技术：
氮化物多元系材料的光谱从0 . 7 eV到6 . 2 eV ， 可以用于带间发光，颜色覆盖从红外到紫外波长，在 光电子应用方面，如蓝光、绿光、紫外光发光二极管 (LED)、短波长激光二极管(LD)，紫外探测器、布拉 格反射波导等方面获得了重要的应用和发展。另外氮 化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料代表之一，具 有直接带隙、宽禁带、高饱和电子漂移速度、高击穿 电场和高热导率、优异的物理化学稳定性等优异性能， 在微电子应用方面也得到了广泛的关注，可以制作高 温、高频和大功率器件，如高电子迁移率晶体管
(HEMT)、异质结双极晶体管(HBT)等。由于氮化物 材料在某些波段的发光基本不受材料缺陷的影响，近 些年来氮化物基的发光二极管照明迅猛发展，LED大量
应用于显不器、照明、指示灯、广告牌、交通灯等，
在农业中作为加速光合成光源，在医疗中作为诊断和
治疗的工具
但是由于氮化物材料的特殊性质，采用传统的单
曰 曰曰生长方法很难生长出体单晶；使用异质衬底，如蓝
宝石、碳化娃等存在着由于晶格失配和热失配带来的
外延材料缺陷密度大等的问题，这 一 结果极大的影响
了GaN系材料在微电子领域、激光器领域和紫外LED
领域等的实用化进展。在常规iii-v族化合物半导体
中降低外延层缺陷密度效果非常明显的缓冲层在GaN
系材料的生长中效果并不明显，生长2- 3微米缓冲层
并不能够显著降低缺陷密度，最近HVPE生长厚:膜:GaN
的实验表明，生长2 0微米以上的GaN可以显著降低
缺陷密度，而且随着厚度的增加，缺陷密度还将逐步
下降。常规的MBE和M0CVD等氮化物外延手段由于其
生长速率低很难应用于生长非常厚的外延层，而利用
氢化物气相外延的高生长速率和较高结晶质量可以实现氮化物材料的厚膜生长。目前有不少研究机构、大
学和公司等都在利用氢化物气相外延方法制备氮化物
白支撑衬底，但是该方法也存在着很大的问题比如设
备不成熟，工艺尚需突破等。
本发明以前有关氮化物材料外延装置存在常规
的MBE和M0CVD等氮化物外延手段具备生长很好的氮
化物微结构材料的能力，但是很难通过生长超过2 0
微米厚的缓冲层来达到降低氮化物材料的缺陷密度，
从而限制了氮化物材料在很多领域的应用。而普通的
氢化物气相外延由于其金属源置于反应管内部，导致
整个反应炉的设计复杂，使用复杂，难于精确控制，
而且生长处理的氮化物外延膜往往需要进一步的处理
才能进行二次外延生长氮化物结构材料，增加了生产
成本，降低了生产效率，使得氢化物气相外延在氮化
物器件的应用上受到很大的限制，同时这种结构的氢
化物气相外延装置很难同M0CVD直接结合来进行生产。本发明是在独立金属卤化物供应氢化物气相外延装置
上进步结合M0CVD的成熟设备来提供一种有效解决
氮化物外延生长问题的全新方案。
发明内容
本发明的目的在于，提供 一 种氮化物材料外延装
置，解决现有M0CVD和HVPE生长氮化物外延材料存在 的问题，比如MOCVD有无法方便得到高质量(AlGaln) N缓冲层，从而影响氮化物器件性能的缺点，而氢化物 气相外延炉有生长速度太快，直接成核困难，生长薄 层结构材料困难的缺点。如何解决这种矛盾，人们提 出了 MOCVD和HVPE结合的氮化物外延装置，但是由于 HVPE外延设备的不成熟，前人的方案尚不能够完全满
足高质量氮化物生产的需求。针对氮化物在微电子、
光电子等各个领域的长足进展， 一种能够实现高效率
次外延高质量氮化物结构材料的设备是巨.、'* 目U生产单
位最迫切的需求
本发明提供种氮化物材料外延装置，苴 z 、特征在
于包括-
金属有机源化学气相沉积系统，该系统員有独
的金属有机源管路和气体源管路；
一金属卤化物独立供应源，该金属卤化物独供
应源通过阀门和管路与金属有机源化学气相沉积系统
的金属有机源管路直接相连。
其中金属卤化物独立供应源包括
金属卤化物反应炉，其内部反应物为金属源；
卤化氢或者卤素气体入口， 通过质量流量计和阀门连接到金属卤化物反应炉上；
载气入，通过质量流量计和阀门连接到金属
卤化物反应炉上
气体出，通过阀门连接到金属卤化物反应炉，
同时还通过阀门直接和金属源连通。
其中金属源是In、Al、 Ga的一种或者几种或及其
混合物
金属卤化物独立供应源包括
金属卤化物鼓泡瓶，其内部物质为金属卤化物
源
载气入通过质量流量计和阀门连接到金嵐
卤化物鼓泡瓶上
气体出□，通过阀门连接到金属卤化物反应炉
上，同时还通过阀门直接和金属卤化物源连通。
中金属卤化物源是InCl3、 A1C13、 GaCl3的 一 种
或几种或及其混合物。
实现本发明所采取的技术措施主要为现有的
M0CVD设备提供独立的金属卤化物供应源，从而可以在 现有成熟MOCVD设备上实现HVPE生长方式，其优点在 于MOCVD可以有效的为HVPE提供成核层，为HVPE形 成高质量(AlGaIn) N缓冲层提供条件；HVPE方法解 决了常规MOCVD方法难以高效率得到(AlGaIn) N缓冲 层的缺点，为生长高质量氮化物结构材料提供更厚、
更好的缓冲层；在此高质量缓冲层上M0CVD可以生长 出高质量的氮化物结构材料。同时，M0CVD和HVPE的 结合也为(AlGaln)N厚膜的生长提供了更多的释放应 力，消除裂纹的选择。
本发明提供的 一 种氮化物材料外延装置，包括 MOCVD设备和在其上的独立金属卤化物供应源(反应炉 或者鼓泡瓶)。其中MOCVD为金属卤化物的HVPE生长 提供高质量成核层，独立金属卤化物供应源可以用于 外延得到高质量的(AlGaln) N缓冲层，常规的MOCVD 用于在该缓冲层上生长所需的氮化物器件结构，从而 实现高性能氮化物外延材料的 一 次性、高效率外延。
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施 例及附图对本发明作 一 详细的描述，其中
图1是本发明的设备装置图2是独立的金属卣化物反应炉；
图3是独立的金属卤化物鼓泡瓶。
具体实施例方式
请参阅图1 、图2及图3 ，本发明 一 种氮化物材
料外延装置，包括(图1所示)
一金属有机源化学气相沉积系统10 ，该系统具 有独立的金属有机源管路10 1和气体源管路i o 2 ;
—金属卤化物独立供应源1 1， 该金属卤化物独
立供应源通过阀门1 1 1和管路11 2与金属有机源
化学气相沉积系统l0的金属有机源管路101直接相连。
请参阅图2，以上所述的金属卤化物独供应源
1 1包括
金属卤化物反应炉2 0 ，其内部反应物为金属
源2 01 ;该金属源2 0 1是In、Al 、 Ga的种或者
几种或其混合物
一卤化氢或者卤素气体入口 21 ，通过质量流量
计2 11和阀门2 1 2连接到金属卤化物反应炉20
上；
一载气入□2 2 ，通过质量流量计2 21和阀门
2 0 2连接到金属卤化物反应炉20上；
气体出□2 3 ， 通过阀门20 3连接到金属卤
化物反应炉20，同时还通过阀门2 2 2直接和金属
源2 01连通
1、主 l冃参阅图3，是本发明的该金属卤化物独、,:供应源ll的另一技术方案，包括
一金属卤化物鼓泡瓶30 ，其内部物质为金属卤
化物源3 0 1;该金属卤化物源3 0 l是 InCl 3 、
A1C13、 GaCl3的 一 种或几种或其混合物；
一载气入口3 1，通过质量流量计3 1 1和阀门
30 2连接到金属卤化物鼓泡瓶3 0上；
一气体出口3 2，通过阀门3 0 3连接到金属卤
化物反应炉3 0上，同时还通过阀门3 1 2直接和金
属卤化物源3 0 1连通。
本发明的实施首先在于设计和制造一种独、,:的金
属卤化物供应源，可以通过独立的金属卤化物反应炉
提供，金属卤化物反应源可以单独作为一个源炉进行
反应，通过高纯的镓(Ga)、铟(In)、铝(Al等不
同金属源和卤族氢化物包括HC1、 HBr或者HI等或者
卤族元素如Cl2、 12等反应生成相应的金属卤化物提供
给M0CVD的外延装置以便进行氢化物气相外延如图
2是独立的金属卤化物反应炉，金属卤化物反应炉2
0，其内部反应物为金属源2 0 1，可以是In、 Al、 Ga等的一种或者几种，也可以是其混合物；卤化氢或 者卤素气体入口21，通过质量流量计21l和阀门 2 1 2连接到金属卤化物反应炉2 0上；载气入口2 2 ，通过质量流量计2 2 1和阀门2 0 2连接到金属卤化物反应炉2 0上；气体出口23，通过阀门20
3连接到金属卤化物反应炉2 0，同时也通过阀门2
22直接和载气相连。通过这样的连接方式，可以得
到GaCl、 A1C13 、Inl 3等以及其混合物，可以用于生
长GaN、 A1N、 InN等以及掺杂源或者Al InGaN多元化
合物。如果载气直接通到管路可以用于吹扫管路或者
清洗管路。
本发明的实施首先在于设计和制造一种独一 、,:的金
属卤化物供应源，也可以通过相应的金属卣化物鼓泡
瓶提供，其特征在于，镓、铟、铝等金属的卤化物经
过提纯以后利用鼓泡瓶在适当温度的恒温槽提供给
M0CVD的外延装置以便进行氢化物气相外延。图3是独 立的金属卤化物鼓泡瓶，金属卤化物鼓泡瓶3 0，其 内部物质为金属卤化物源3 0 1，可以是 InCl 3 、 A1C13、 GaCl3等的 一 种或者几种，也可以是其混合物；
载气入PI 31 ，通过质量流i计3 11和阀门30 2
连接到金属卤化物鼓泡瓶30上;气体出32， 通
过阀门3 03连接到金属卤化物反应炉30，同时也
通过阀门31 2直接和载气相连。这样同样可以使用
MOCVD的生长室得至lj GaN、 A1N、 InN以及其多元合金。 如果载气直接通到管路可以用于吹扫管路或者清洗管 路。 使用设计的独立卤化物供应源，将其连接到常规 的金属有机物化学气相沉积系统的金属有机物源管
道，可以用于在蓝宝石、硅、SiC、 LiA102或其它衬底 材料实现HVPE的生长方式，利用MOCVD生长方式实现 高质量的成核，使用HVPE生长方式生长GaN基器件结 构的高质量(AlGaln).N缓冲层，而常规的金属有机物 化学气相沉积则用来在该缓冲层上生长需要的GaN基 器件结构材料。图l是本发明的设备装置图，金属有 机源化学气禾目沉积 (Metal Organic Chemical Vapor Deposition,简称MOCVD)系统1 0 ，该系统具有独立 的金属有机源管路1 0 1和气体源如NH 3源管路1 0
2，金属卤化物独立供应源l1，该金属卤化物独立 供应源通过阀门1 1 1和管路1 1 2与 MOCVD系统1
O的金属有机源管路l 0 l直接相连。这样就可以实 现无缝的MOCVD和HVPE结合方式。氮化物材料外延装 置将在常规的金属有机物化学气相沉积系统内加入独 立金属卤化物供应源进行氢化物气相外延，常规的金 属有机物化学气相沉积可以为氢化物气相外延提供更 好的成核层和高质量的氮化物薄膜生长，从而为氢化 物气相外延生长高质量的缓冲层提供条件。氮化物材 料外延装置将在常规的金属有机物化学气相沉积系统
内加入独金属卤化物供应源进行氢化物气相外延，
常规的金属有机物化学气相沉积可以为氢化物气相外
延提供应力释放层，从而为氢化物气相外延生长低应
力甚至无应力的厚膜氮化物层提供条件。氮化物材料
外延装置将在常规的金属有机物化学气相沉积系统内
加入独金属卤化物供应源进行氢化物气相外延，氢
化物气相外延高速生长可以更好的用于进行氮化物在
图形衬底上的横向生长，为进一步提高氮化物质量和
缓解氮化物厚膜的应力提供条件。
独金属卤化物反应炉可以使用不同的材料比如
石英或者金属，可以选择合适的加热器比如电阻或者
射频感应加扭，将载有高纯金属镓(Ga)、铟'(In)、
铝(Al)等的容器放置于炉内，通入卤族氢化物如HC1、HBr或者HI甚至卤族元素如Cl2、 Br2或者12等在适当 的温度下反应生成需要的金属卤化物如GaCl、 A1C1: 或者"13等。反应气体可以直接和载气混合后进入 M0CVD中进行氮化物材料的高速生长，从而适合应用于 高质量(AlGaln) N缓冲层的高效率生长。
独立金属卤化物鼓泡瓶使用高纯的金属齒化物如 GaCl3、 AlCls或者Inl3等放置到适当的密闭容器内， 该容器通过合适的物质实施水浴温控，通过调节容器 的温度来得到合适的蒸汽压下，并通过质量流量计精
确控制气体的流量，和载气混合后进入M0CVD中进行
氮化物材料的高速生长，从而适合应用于高质量
(AlGaln) N缓冲层的高效率生长。
独立的金属卤化物供应源和M0CVD的金属有机源 气路连接在一起，可以通过在MOCVD的控制面板中加 入必要的控制元件进行控制，实现HVPE生长方式和 MOCVD生长方式的方便切换。
以生长蓝宝石上的GaN基LED材料为例，本发明 的生长工艺流程是首先是衬底的预处理，使用MOCVD 方式生长低温缓冲层，生长一定厚度的GaN缓冲层； 然后停止供应有机源，切换到独立金属卤化物供应源 实现HVPE生长方式，生长2 Opm甚至更厚的GaN，以
得到更低缺陷密度的高质量缓冲层；关闭金属卤化物 供应源，切换到MOCVD生长模式，需要时可以通过额 外的HCl管路清洗管道和喷头以便MOCVD生长的进行， 控制MOCVD生长出需要的LED器件结构。
根据以上描述，本发明在常规MOCVD中加入独立 金属卤化物供应源，从而区别于已有的MOCVD ，以及前 人的HVPE与MOCVD集成设备。采用如上具有独立金属 卤化物供应源的MOCVD可以解决现有MOCVD高效率生 长高质量(AlGaln) N缓冲层的困难和HVPE成核质量 低的问题，同时结合MOCVD的成熟设备和工艺，为一
次外延实现高质量氮化物材料的高效率生长，提供了 一条可行的解决方案。
权利要求
1.一种氮化物材料外延装置，其特征在于，包括一金属有机源化学气相沉积系统，该系统具有独立的金属有机源管路和气体源管路；一金属卤化物独立供应源，该金属卤化物独立供应源通过阀门和管路与金属有机源化学气相沉积系统的金属有机源管路直接相连。
2 .根据权利要求1所述的 一 种氮化物材料外延 装置，其特征在于，其中金属卤化物独立供应源包括一金属卤化物反应炉，其内部反应物为金属源；一卤化氢或者卤素气体入口，通过质量流量计和 阀门连接到金属卤化物反应炉上；一载气入口 ，通过质量流量计和阀门连接到金属 卤化物反应炉上；一气体出口 ，通过阀门连接到金属卤化物反应炉， 同时还通过阀门直接和金属源连通。
3 .根据权利要求2所述的 一 种氮化物材料外延 装置，其特征在于，其中金属源是In、 Al、 Ga的一种或者几种或其混合物.4根据权利要求1所述的 一 种氮化物材料外延装置,其特征在于，其金属卣化物独立供应源包括一金属卤化物鼓泡瓶，其内部物质为金属卤化讽载气入□，通过质量流量计和阀门连接到金属卤化物鼓泡瓶上；气体出□，通过阔门连接到金属卤化物反应炉上，同时还通过阀门直接和金属卤化物源连通。5根据权利要求4所述的 一 种氮化物材料外延装置，其特征在于，其中金属卤化物源是InCl3、AlCl GaCl3的 一 种或几种或其混合物。
全文摘要
本发明一种氮化物材料外延装置，其特征在于，包括一金属有机源化学气相沉积系统，该系统具有独立的金属有机源管路和气体源管路；一金属卤化物独立供应源，该金属卤化物独立供应源通过阀门和管路与金属有机源化学气相沉积系统的金属有机源管路直接相连。
文档编号C30B25/14GK101343777SQ20071011863
公开日2009年1月14日 申请日期2007年7月11日 优先权日2007年7月11日
发明者曾一平, 李晋闽, 段瑞飞, 王军喜 申请人:中国科学院半导体研究所