专利名称：磷化镓液相外延方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体外延材料的制备方法及其设备。
二元、三元或多元的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体薄膜晶体生长，如GaAs、GaP、GaAlAs、InGaAsP等，常常采用降温液相外延方法，所用的设备为液相外延装置，根据不同材料及其性能要求，外延层的导电类型、掺杂元素及掺杂浓度各不相同，外延层生长过程中需要不断改变掺杂元素的种类及其掺入量。掺杂剂有气相、液相及固相三种状态，气态掺杂剂如应用H2S气体掺硫、PH3气体掺磷;液态掺杂剂如用携带气体经液态PCl3或AsCl3鼓泡器的掺磷或掺砷;固态掺杂剂在副温区处使固态物质汽化，由携带气体携带至反应区进行掺杂，如使处于副温区的锌汽化，作为P型杂质掺入。
常用的液相外延装置由双温区加热炉、反应室、供气系统、排气系统以及控制系统组成。反应室用密封器和密封螺钉固定，含有石英反应管，置于石英反应管内的石英管内套，推杆，外延舟，掺杂舟。推杆呈L形，由石英板焊在石英棒端部制成，外延舟和掺杂舟置于石英管内套中，推杆推动外延舟和掺杂舟移动，使外延舟和掺杂舟位于合适的位置上。供气系统含有多种工作气体源，即不同的掺杂气体源和携带气体源，每一种工作气体源由原料气瓶、一个净化器和一个质量流量控制器构成，或者由一个高纯气瓶和一个质量流量控制器构成，通过相应的管道和考克进行组合组成供气系统，经导气管向反应区输送所需的高纯掺杂气体或携带气体。液态掺杂剂由携带气体通过装有液态掺杂源的容器供给。固态掺杂剂置于掺杂舟上，在副温区内汽化，由携带气体输送供给。排气系统与石英反应管联接，通过排气阀门、机械泵或液封鼓泡并排除反应管内的尾气。双温区加热炉提供一个温度较高的主温区和一个温度较低的副温区，放置磷化镓基片和原料镓的外延舟置于主温区，放置固态掺杂剂的掺杂舟置于副温区，主、副温区的温度、供气系统中的气体质量流量和排气系统中的排气阀门由控制系统中的电子计算机通过相应的耦合电路或控制仪分别进行控制。
常用的磷化镓液相外延方法是1、将磷化镓基片、镓溶液和磷化镓溶质分别放在可移动的外延舟内，固态掺杂剂放在掺杂舟内;
2、用降温法进行磷化镓外延晶体生长，控制主、副温区的温度;
3、将镓溶液复盖在磷化镓基片上保温;
4、降温，根据对外延层导电类型厚度、掺杂浓度，选用不同类型的掺杂剂掺杂，形成所需的磷化镓外延层晶体。
常用的磷化镓液相外延方法及装置存在以下缺陷1、由于工作气体只由一个气体通道引入反应区，气流方向单一，不易混合均匀，导致所生长的磷化镓外延层晶体掺杂物质分布不均匀，影响产品质量;
2、根据外延层导电类型和掺杂浓度多变的要求，在工艺过程中，难以同时实现多种元素掺杂，它们之间的相对掺入量也难以控制;
3、主、副温度坪区的位置和坪长不易达到稳定，在主、副温区之间常出现一个下凹的温度场，由此容易引起掺杂工艺失控，影响产品质量和成品率。
本发明的目的在于提供一种能制成高发光效率和高成品率的磷化镓液相外延方法及装置。
本发明的目的可以通过以下措施来达到-掺杂气体和携带气体通过一个位于石英反应管轴心的中心通道和一个进气口位于石英反应管端部的端口通道引入反应区，两个通道的进气口位于同一轴线上，并且朝向相反，引入的气体在反应区内膨胀和混合;
-中心通道用石英管制成，固定在密封器上，固态掺杂舟布置在中心通道内，该掺杂舟幸桓龅即盘澹粼又墼は确旁谑椅虑毙枰烫粼蛹两胁粼邮保猛饧哟盘贫粼又垩刂行耐ǖ酪贫礁蔽虑镁行耐ǖ赖男褰粼悠渌偷椒从η -处于反应区部份的中心通道外侧焊有一块与其垂直的石英板，使中心通道兼有推杆功能。
图面说明
图1为磷化镓液相外延装置的结构示意图。
图2为反应室密封装置结构示意图。
图3为固态掺杂舟的结构图。
以下结合附图进一步详述本发明的内容磷化镓液相外延装置包括双温区加热炉，反应室，供气系统，排气系统以及控制系统。如图1所示，双温区加热炉含有一个主温区加热器10A，一个副温区加热器10B和若干个热电偶19，主、副温区的温度由IBM-PC计算机40通过12位精度16通道AD/DA板41、温控耦合电路42，自动控温仪43及热电偶19进行控制，使双温炉温度坪区的位置和坪长稳定，主温区和副温区之间的温度场不出现下凹畸变。
反应室由石英反应管11、石英套管12、密封器13、通孔螺钉14、中心通道15、固态掺杂舟16、外延舟17以及端口通道18组成，外延舟17附近的区域为反应区，石英反应管11和中心通道15固定在密封器13上。中心通道15位于反应区部份其外侧焊有一块与其垂直的石英支撑板，使中心通道15兼有推杆功能，移动中心通道15时，支撑板可推动外延舟17，中心通道15内径为φ12～14mm，长度为1100～1200mm，端口通道18尺寸为φ4×900mm，掺杂舟16两端直径φ8～9mm，总长度为150～200mm。
如图2所示，密封器13包括密封座13.1，密封环13.2，法兰13.3，螺钉13.4、13.4′，反冲环13.5，端盖13.6，密封环13.7，压环13.8以及密封环13.9。密封座13.1是两个端部带有法兰的圆筒体，石英反应管11由法兰13.3和密封座13.1间的密封环13.2通过固定螺钉13.4压紧固定，反冲环13.5用聚四氟乙烯制成，置于端盖13.6的内侧，端盖13.6与密封座13.1之间设有密封环13.7，通过螺钉13.4′拧紧密封。中心通道15位于石英反应管11的轴心处，穿过布置在端盖13.6外侧的压环13.8、密封环13.9和通孔螺钉14，通孔螺钉14拧紧，中心通道15被固定，通孔螺钉14松动，中心通道15可沿轴向移动。反冲环13.5用于防止石英反应管11和石英套管12与端盖13.6之间撞击。
固态掺杂舟16置于中心通道15内，其结构如图3所示，用石英制成棒状，其一端管内装有固态掺杂剂16.1，外侧开有窗口16.2，另一端布置一个被密封的棒状导磁体16.3，一般采用软铁制成。依靠外加磁铁与导磁体16.3的相互作用，推动掺杂舟16在中心通道15内移动。
端口通道18的进口处布置在石英反应管11的端部。
供气系统包括原料气瓶30A、30B、30C、30D，净化器31A、31C、30D，质量流量控制器32A、32B、32C、32D，不锈钢阀门33A、33B、33C、33D，连接管道以及考克K1、K2组成，掺杂气体或携带气体分别装入原料气瓶30A～30D内，质量流量控制器32A～32D由IBM-PC计算机40，通过12位精度16通道AD/DA板41、气量控制耦合电路45进行控制。如制造发黄绿光的磷化镓外延材料，在外延过程中需要掺入定量的高纯NH3，则气瓶30A中的原料NH3经过净化器31A净化提纯，通过由控制系统控制的NH3质量流量控制器32A、不锈钢阀门33A，由导气管及端口通道18引入反应区。
排气系统将反应室内的尾气排除，由阀门20、机械真空泵21、鼓泡瓶22以及连接管道组成，阀门20的动作由控制系统控制。
以下结合实施例描述磷化镓液相外延生长方法制造发黄绿光的磷化镓外延材料。
中心通道15内径为φ12mm，长度为1100mm，端口通道18尺寸为φ4×900mm。
1、将磷化镓基片置于外延舟17的片位槽内，镓溶液和磷化镓溶质放在外延舟17的镓槽内;
2、采用降温法生长外延晶体，主温区10A起始温度为960℃，副温区10B温度为650℃，将外延舟17置于960℃温区内，装有掺杂剂锌的掺杂舟16置于中心通道15中，处于室温位置;
3、生长n型磷化镓外延层时，从中心通道15引入净化后的H2气和掺杂气体H2S，从端口通道18引入净化后的H2气和NH3气，保持960℃恒温60分钟后，用推杆(即中心通道15)推动含磷化镓溶质的镓溶液复盖在磷化镓基片上，主温区10A开始降温，生长n型磷化镓外延层;
4、当主温区10A降温至920℃时，关闭阀门33B，n型外延层生长完毕;
5、将处于室温的掺杂舟16用磁铁推入温度为650℃的副温区10B，以H2气携带锌蒸汽进入反应室高温区920℃，生长p型磷化镓外延层;
6、当主温区10A降温至750℃时，p型外延层生长结束。
7、排气。
按本方法制成的发黄绿光的磷化镓外延材料，发光效率可达到0.40%，成品率80%。
本方法的特征是携带气体和掺杂气体可以同时从中心通道15和端口通道18引入反应区;固态掺杂舟16预先处于室温，掺杂时用外加磁铁推动到副温区汽化，其蒸汽由携带气体携带，沿中心通道15输出到反应区;多种掺杂剂可同时从中心通道15和端口通道18引入反应区混合并掺杂。
本发明比现有技术具有以下优点1、气体可以从中心通道15和端口通道18进入反应区，使不同的气体充份混合，使外延层掺杂分布均匀。而现有技术只设有一个气体通道，反应区内掺杂剂分布不均匀。
2、对气态、液体、固态掺杂剂均可适用，并可同时使用几种掺杂剂掺杂。
3、固态掺杂舟置于室温区，不受高温热辐射影响，当固态掺杂剂参与掺杂时，才把掺杂舟推到副温区让固态掺杂剂汽化，由携带气体将蒸汽沿中心通道15输送到反应区，有效控制了固态掺杂剂掺杂量，其蒸汽分压稳定。
4、采用了12位高精度AD/DA板，温度、气体量可控范围大，精度高，适合于生长参数多变的液相外延，且重复性好。
权利要求
1.一种磷化镓液相外延方法及装置，包括双温区加热炉，反应室，供气系统，排气系统，控制系统；反应温度调节，装有外延基片、镓溶液和磷化镓溶质的可移动的外延舟，装有固态掺杂剂的可移动的掺杂舟，掺杂剂，携带气体，其特征在于--供气系统与反应区之间设有中心通道15和端口通道18；--固态掺杂舟16呈棒状，它含有一个导磁体16.3，布置在中心通道15内。
2.根据权利要求1的方法及装置，其特征在于中心通道15和端口通道18的进口处皆位于石英反应管11的轴线上，且朝向相反。
3.根据权利要求1的方法及装置，其特征在于中心通道15用石英管制成，位于石英反应管11的轴心处，其一端穿过密封器13、通孔螺钉14与导气管联接，并安装在密封器13上，另一端的外侧沿垂直方向焊有一块用于推动外延舟17的石英板。
4.根据权利要求2的方法及装置，其特征在于松动螺钉14时，中心通道15可沿轴向移动。
5.根据权利要求1的方法及装置，其特征在于所述的导磁体16.3可采用软铁制成的棒体。
6.根据权利要求1～5所述的方法及装置，其特征在于携带气体和掺杂气体可同时从中心通道15和端口通道18引入反应区，固态掺杂舟16预先处于室温，掺杂时用外加磁铁推动到副温区汽化，其蒸汽由携带气体直接输送到反应区。
7.根据权利要求6的方法及装置，其特征在于多种掺杂剂可同时从中心通道15和端口通道18引入反应区混合并掺杂。
全文摘要
一种磷化镓液相外延方法及装置，设有中心通道15和端口通道18，进入反应区的工作气体均匀混合，掺杂舟16布置在中心通道15内，处于室温状态，掺杂时用磁铁推到副温区内汽化，由携带气体直接送到反应区。
文档编号C30B19/00GK1033222SQ8810771
公开日1989年5月31日 申请日期1988年11月7日 优先权日1988年11月7日
发明者丁祖昌, 华伟民 申请人:浙江大学