一种氮化物半导体材料气相外延用反应器设计及方法
【专利摘要】本发明公开了一种氮化物半导体材料气相外延（HVPE）用反应器设计。包括轴对称圆柱型反应腔体、同心圆环喷头、加热器、石墨舟及衬底等；石墨舟及衬底采用电阻丝或红外光照射加热；所述腔体底端外壁的切向设置三至六个矩形横截面的气体出口通道；在该出口通道与腔体内壁之间设置一同心圆环缓冲带；在该出口通道外围设置一同心圆环集流通道；所述各出口通道与集流通道均贯通。本发明反应器设计，使反应物气体在衬底有效生长区域形成一种微旋流，从而显著改善外延生长厚度及其组分均匀性；因省去现有反应器中的石墨舟旋转装置及附属组件，既简化装置、节能、便于维护，还去除旋转运动不稳定对外延生长的不利影响。
【专利说明】一种氮化物半导体材料气相外延用反应器设计及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体【技术领域】，涉及一种氢化物气相外延(HVPE)生长系统，如氮化物半导体材料的生长系统，特别是一种III族氮化物气相外延用反应器的设计及方法。
【背景技术】
[0002]II1-V族氮化物半导体材料是近年来国内外半导体领域倍受重视的新型材料，主要以GaN及InGaN、AlGaN等合金材料为代表。现已发现III族氮化物半导体对于短波发光二极管(LED)、激光二极管(LD)及电子器件的发展与制造发挥着越来越重要的作用。
[0003]生长GaN材料有很多种方法:诸如金属有机物气相外延(MOCVD)、高温高压下生长GaN单晶、液相生长法、分子束外延(MBE)、升华法以及氢化物气相外延(HVPE)等。由于GaN材料受本身物理性质的限制，其单晶的生长难度大，所以，目前主要采用异质外延法生长GaN。氢化物气相外延,具有较高的生长率及横向-纵向外延比，可用于同质外延生长自支撑GaN衬底，因而近年来引起了广泛的重视和研究。
[0004]现阶段的氢化物气相外延(HVPE)仍局限于使用小尺寸反应器，比如一次生长3~6片2英寸的GaN晶片。传统的HVPE生长系统通常采用卧式反应器设计，衬底支撑板通常与水平面呈一定角度，喷头结构多采用圆形喷嘴，这种反应器设计，当衬底面积增大或有效生长区域扩大时，反应物在衬底表面的分布均匀性变差，导致GaN晶片生长厚度的均匀性差，因而不适合多片衬底或大尺寸单片衬底的材料生长。在悬挂立式或悬挂倒立式HVPE生长系统中，由于反应器可以 设计成轴对称的圆柱型，其中喷头可设计成圆管或同心圆环管结构，所喷出气体的流场及浓度比卧式系统容易均匀，从而材料生长质量可得到一定程度的改善。
[0005]GaN晶片制备最重要的指标是其生长厚度及其组分的均匀性。欲得高质量晶片其关键在于反应器的合理设计及如何营造最佳的前驱物浓度场与温场。通常，均匀温场是通过辅助加热或红外光照射石墨舟来实现，而前驱物的均匀浓度场(包括径向的和周向的)是通过喷头的巧妙设计来获得。然而，现阶段还没有一种理想的进气结构能获得径向均匀的前驱物分布，而周向均匀的前驱物分布主要通过旋转置于其凹槽内的石墨舟来实现。在现有HVPE系统的反应器中，石墨舟的旋转机构比较复杂，比如，动力源电机与石墨舟之间需要通过一根旋转轴来实现动力传递使石墨舟旋转；需要准确控制旋转轴的转速，以保证衬底旋转的稳定性；而旋转轴与反应器腔室底法兰的连接机构，既要保证旋转轴无障碍转动，又要确保反应器腔室内的真空条件。依现有的反应器系统，则难以做到既确保如上所述状况下的系统稳定性又能营造最佳的前驱物浓度场。
[0006]基于上述理由，为了进一步简化结构、方便维护、节约能耗、提高材料生长质量，必需改进反应器的技术设计。
【发明内容】
[0007]本发明的主要目的是:提供一种氮化物半导体材料气相外延(HVPE)用反应器设计及方法。为此，须要对现有的气相外延(HVPE)用反应器进行改进创新。
[0008]本发明提出一种氮化物半导体材料气相外延用反应器设计及方法，其主要技术方案为:在现有悬挂立式或悬挂倒立式的HVPE系统中，省去了使石墨舟及衬底旋转用的电机、传动轴及附属组件，简化了装备；对反应腔中反应气体的出口通道进行改造，所述出口通道从腔体外壁切线方向引出，出口通道截面为矩形，出口通道数量及尺寸依反应气体流量而定，各通道气体出口方向均为腔体横截面(或石墨舟圆盘)的顺时针方向或逆时针方向。这样使反应物气体在衬底表面或有效生长区域形成离心式微旋流，有利于改善氮化物材料的外延生长厚度及其组分的均匀性。
[0009]具体地说，本发明氮化物材料气相外延用反应器，包括喷头、腔体、石墨圆盘、加热装置等。反应器喷头与腔体结构均采用高纯度石英材质；反应器设计成轴对称圆柱型，喷头为同心圆环管结构，内圆管长度略短于外圆环管；反应器腔体外围采用电阻丝加热，并在反应器轴向设计了几个不同的温区，对石墨舟及其上置衬底单独采用电阻丝加热或红外光辅助加热；反应器腔体中的反应气体混合物通过腔体底端的气体出口通道排出，该出口通道截面设计为矩形，出口通道数量及尺寸依气体流量而定，而各个出口通道排气方向均沿着腔体横截面(或石墨 舟圆盘)的顺时针方向或逆时针方向，使反应物在石墨舟及衬底表面上形成离心式微旋流。为了进一步扩大生长材料的有效面积，在混合气体出口与反应器腔体内壁之间设置一同心圆环缓冲带，以扩大外延生长有效面积的同时，削弱各个出口处的流体剧烈流动对外延生长质量的不利影响，该缓冲带高度与各出口通道高度一致。在该反应器出口外围，还设置同心环型集流通道，其截面为矩形或圆形，所述集流通道仅设计一个出口，将反应腔各排出口气体汇集一处集中处理。
[0010]本发明提出的一种氮化物半导体材料气相外延用反应器设计及方法，省去了现有HVPE系统反应器中的石墨舟旋转、动力装置及附属组件，不仅大大简化装置、节约能耗、方便维护，而且，消除石墨舟旋转不稳定对衬底上生长材料的不利影响；本发明反应器的设计使反应物气体在大尺寸衬底表面或大面积有效生长区域形成一种离心式微旋流，从而，显著地改善氮化物材料的生长厚度及其组分均匀性。
[0011]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明一种氮化物半导体材料气相外延用反应器剖面图。
[0013]图2为本发明实施方案I中氮化物半导体材料气相外延用反应器俯视图。
[0014]图3为本发明实施方案2中氮化物半导体材料气相外延用反应器的结构示意图，其中:
3A为反应器剖面图；
3B为反应器俯视图。
[0015]图4为本发明实施方案3中氮化物半导体材料气相外延用反应器俯视图。
【具体实施方式】
[0016]实施例1:如图1所示，在悬挂立式HVPE系统中，前驱物气体及隔离气体由反应器的顶端同心圆环喷头I注入，前驱物通道内圆管长度略短于外围圆管长度；喷头I四周外围为轴对称圆柱型反应器腔体2 ;该腔体外壁用电阻丝加热器3包裹并沿轴向覆盖至整个腔体；在喷头I正下方放置石墨舟圆盘4，石墨舟圆盘4上表面设有多个凹槽，在凹槽内装载衬底晶片。通过电阻丝5单独加热或通过红外光照射加热，使石墨舟圆盘4及衬底温度维持在1070°C。如图2所示，反应器中反应后的混合气体通过设置在腔体底端外沿的出口通道6排出，该出口通道6由腔体2外壁切线方向引出，出口通道横截面为矩形，其数量设为四个，各出口通道排气方向一致，均沿着腔体横截面的逆时针或顺时针切线方向，使反应物在衬底表面有效生长区域上方形成离心式微旋流，以利于反应生成的氮化物在衬底表面均匀沉积，最终获得高质量氮化物半导体晶片。
[0017]实施例2:如图3A、3B所示，在实施例1基础上对反应器进行进一步改进，为进一步扩大可生长材料的有效区域，在混合气体出口通道6与腔体2内壁之间设置一同心圆环缓冲带7，该缓冲带7高度与各气体出口通道6高度一致，该设计扩大衬底可生长材料有效区域的同时，削弱各个出口处流体剧烈流动对衬底上氮化物材料均匀生长的不利影响。
[0018]实施例3:如图4所示，结合实施例1、2的优点，对反应器进行了更进一步的改进，在反应器反应后的气体出口通道6外围设置一与轴对称腔体同心圆环集流通道8，所述集流通道8截面为矩形或圆形，各反应气体出口通道6与集流通道8均贯通，而集流通道8仅设计一个出口 9，以便将各出口通道所排出气体汇集一处集中处理。
[0019]本发明提出的氮化物半导体材料气相外延用反应器，通过对反应后气体出口通道采用切向排出的结构设计，取代了现有HVPE生长系统中的石墨舟旋转装置、附属组件及驱动电机，不仅大大简化装置，节约能耗，方便维护，还消除了现有反应器中石墨舟旋转不稳定性(其主要表现为在运动过程中的抖动与衬底能否保持水平这两个方面)对材料生长厚度及组分均匀性的不利影响，而更重要的是，本设计机构使反应物在石墨舟及衬底表面有效生长区域形成一种离心式微旋流，使反应生成之氮化物在衬底上均匀沉积，获得高质量氮化物半导体晶片，并且 ，扩大了有效生长区域面积而利于量产。
[0020]以上所述均仅为本发明的几个具体实施例，所以并不能用以限制本发明专利范围。应当指出的是，对于本领域的技术，凡在不脱离本发明的构思的前提下，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种氮化物半导体材料气相外延(HVPE)用反应器设计，其特征为:反应器喷头采用同心圆环结构，并且所述喷头内圆管长度略小于外圆环管长度,喷头正下方为石墨舟圆盘，该喷头外围为轴对称圆柱型腔体结构的反应器，所述腔体外围用电阻丝加热器包裹且沿轴向覆盖至整个腔体；所述反应器中石墨舟固定在腔体底端中央，石墨舟圆盘单独用电阻丝加热器加热；所述反应器腔体底端外围设有反应气体排放通道，通道出口沿着圆柱型腔体外壁切线方向，通道数量及尺寸依反应气体总量而定；所述通道出口的切向设计使反应物在石墨舟及衬底有效生长区域上方形成一种离心式微旋流。
2.根据权利要求1所述反应器，其特征是:其中石墨舟加热方式还可以采用红外光辅助加热。
3.根据权利要求1所述反应器，其特征在于:所述反应气体排放通道，其横截面为矩形，其数量可以为2~5个不等，其各排放通道的排气方向均沿着腔体横截面(或石墨舟圆盘)的顺时针方向或逆时针方向。
4.根据权利要I所述反应器，其特征为:在反应器底段出口通道与腔体内壁之间设置一同心圆环缓冲带，所述缓冲带高度与各气体出口通道高度一致。
5.根据权利要求1所述反应器，其特征还在于:在反应器的出口通道外围设置一同心环型集流通道，所述各通道出口与集流通道均贯通，集流通道截面为矩形或圆形，集流通道仅设计一个出口，所排出气体汇集一处后集中处理。
6.根据权利要求1所述反应器，其特征还在于:该反应器不仅应用于悬挂立式HVPE系统，还可应用于倒置支撑HV PE系统。
【文档编号】C30B25/08GK103789823SQ201410028993
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】魏武, 刘鹏, 熊欢, 张俊业, 赵红军, 童玉珍, 张国义 申请人:东莞市中镓半导体科技有限公司, 北京大学