一种hvpe的气体混合装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种HVPE的气体混合装置，包括总反应管，总反应管内从气体入口至气体出口依次设有气体注入区、原料输送区、原料混合区及基板生长区，基板生长区内设有至少一块基板，其特征在于，所述原料输送区内设有并列布置的至少2根反应管；原料混合区内设有至少2个扩散装置；总反应管内的上下两侧分别设有一个氮源供应装置，氮源供应装置的一端与氮气连通，另一端经过原料混合区后与基板生长区连通。本实用新型利用2个以上(含2个)原料扩散的HVPE混合装置，通过气体筛分方式来促进物理性的气体循环，使两种及两种以上的原料充分混合并最大限度降低原料气体损失。
【专利说明】一种HVPE的气体混合装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种气体混合装置，具体涉及一种用于氢化物气相外延的气体混口O
【背景技术】
[0002]III-V族氮化物系列化合物半导体作为能量缺口较大，热化学性稳定性较高，电子饱和速度较高等突出物性的直接跃迁半导体（Direct-gap Semiconductor),它不仅适用于短波长以及波长领域较宽的光元件，而且还广泛适用于高频大功率电子元件等多种领域。
[0003]氮化物半导体可通过分别或同时注入钾（Ga)、铟（In)、铝（Al)等原料进行沉积来生长GaN, InN, AIN, InGaN, AlGaN, InGaAlN等的薄膜，从而调节元件的band gap为O. 7?
6.2eV0
[0004]为了得到这种氮化物半导体，用到的化学气相外延设备中的一种氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy ：HVPE)是在氮化物半导体的生长过程中利用金属原料和氮气的气相移动（Vapor Transport)以及反应引起的的非平衡（Non Equilibrium)生长方法的半导体工程设备。反应管（Reactor tube)内注入III-V族气体,通过气体的热分解和化学反应在基板上形成氮化物薄膜，这个方法因为薄膜生长速度快并且价格较低而广泛适用。
[0005]但是HVPE本身很难控制反应管内的气体流向，因此用两种或两种以上原料时会常常受限。而如果因为这样而使两种或两种以上的主要原料不能充分混合的话，会形成残留物或被排出以致很难控制混合物质的生成。另外，这种残留物极有可能存在于生长层的表面并形成不必要的薄膜来阻碍基板上的结晶均匀生长。针对HVPE的氮化物系列化合物半导体的生长问题，为了能够生长两种或两种以上的原料，主要使用的是有机金属化学沉积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition ;M0CVD),但是 MOCVD 比起 HVPE 不易于厚膜的生长，所以很难制作基板，再加上其工艺价格较昂贵而很难商用化。
实用新型内容
[0006]本实用新型所要解决的是HVPE反应管内的气体流向较难控制，造成两种或两种以上原料混合困难，造成原料气体损失较大的技术问题。
[0007]为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种HVPE的气体混合装置，包括总反应管，总反应管内从气体入口至气体出口依次设有气体注入区、原料输送区、原料混合区及基板生长区，基板生长区内设有至少一块基板，其特征在于，所述原料输送区内设有并列布置的至少2根反应管；原料混合区内设有至少2个扩散装置；总反应管内的上下两侧分别设有一个氮源供应装置，氮源供应装置的一端与氮气连通，另一端经过原料混合区后与基板生长区连通。
[0008]优选地，所述原料混合区设有至少2个依次排列的扩散装置，所述扩散装置为多孔板，自原料输送区至基板生长区方向，扩散装置上孔的直径依次减小，孔的数量依次增加。
[0009]进一步地，所述原料混合区内设有3个扩散装置，相邻两个扩散装置中孔径较小的扩散装置上孔的孔径比孔径较大的扩散装置上孔的孔径小25%?30%。
[0010]进一步地，所述扩散装置为形状相同的石英板或碳化硅板。
[0011]优选地，所述原料输送区内设有3根并列布置的反应管。
[0012]氮源供应区贯通原料混合区直达基板生长区，这是为了在原料混合区避免结晶的形成而促进原料的充分混合及防止原料的损失。混合好的原料反应气体和氮源气体(NH3)反应并在基板上生长均匀的氮化物半导体(InGaN，AlGaN，InGaAlN)。扩散装置上的孔可以防止原料气体的混凝。并且，通过增强气体扩散的效果和经扩散装置而出的气体间的相互作用所引起的混合度的提升，可以使不同的原料气体有效地进行混合。
[0013]本实用新型是一种利用2个以上(含2个)原料扩散的HVPE混合装置，通过气体筛分(sieve)方式来促进物理性的气体循环，使两种及两种以上的原料充分混合并最大限度降低原料气体损失的HVPE内部装置。本实用新型可作为制作LASER、LED以及高频大功率电子元件等所需的多种波长的氮化物系列列化合物半导体结晶层的生长装置。
[0014]与现有技术相比，本实用新型的优点在于:
[0015]I)通过区分不同原料的反应管，可实现各种原料的独立反应。另外，可单独控制氯化氢气体，进而控制原料的生成；
[0016]2)利用具有扩散装置的HVPE比起目前主要用于氮化物系列化合物混合半导体生长的M0VCD，它可以以较低的价格来获得氮化物系列化合物半导体；
[0017]3)通过设置两个或两个以上其孔大小和数量以及排列互不相同的扩散装置，可以使先反应完的原料气体在到达基板生长区之前能够很好地进行混合；
[0018]4)因为原料混合区和氮源供应区一直到基板生长区都是分离开的，所以可以防止过早反应完的原料气体的损失；
[0019]5)惰性载气可抑制反应气体的逆流。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本实用新型提供的一种HVPE的气体混合装置的结构示意图；
[0021]图2a为第一扩散装置上孔的示意图；
[0022]图2b为第二扩散装置上孔的示意图；
[0023]图2c为第三扩散装置上孔的示意图。
【具体实施方式】
[0024]为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0025]实施例
[0026]如图1所示，为本实用新型提供的一种HVPE的气体混合装置的结构示意图，包括总反应管100，总反应管100内从气体入口至气体出口依次设有气体注入区130、原料输送区110、原料混合区140及基板生长区150。原料输送区110内设有并列布置的3根反应管，从上至下依次为反应管一 111、反应管二 112、反应管三113。原料混合区140内设有3个扩散装置，从左至右依次为第一扩散装置141、第二扩散装置142、第三扩散装置143。第一扩散装置141、第二扩散装置142、第三扩散装置143为用石英或碳化硅制成的多孔圆形板，图2a、2b、2c分别是第一扩散装置141、第二扩散装置142、第三扩散装置143的相同比例的局部放大图，第一扩散装置141、第二扩散装置142、第三扩散装置143上的孔径比为I: 0.7: 0.4，孔的数量是以2倍以上逐渐增加的。通过这种结构的扩散装置的布置，即不同扩散装置孔径和孔数量的变化来促使气体的混合。
[0027]基板生长区150内设有一块基板S，总反应管100内的上下两侧分别设有一个氮源供应装置120，氮源供应装置120的一端与氮气连通，另一端经过原料混合区140后与基板生长区150连通。图1中空心箭头为气体出口的方向。
[0028]本实用新型的工作工程如下:
[0029]I)在每个反应管中放置一个原料船，从上至下分别放入Ga、Al、In。然后在3根反应管内由气体注入区130分别注入少量的氯化氢(HCl)来生成GaCl、InCl、AlCl。为了输送原料气体，注入惰性载气:氮气(N2)，氢气(H2)，氩气(Ar)等。此时，在各原料供应区之间所提供的载气的控制对于原料气体的混合起着重要的作用。原料气体的反应式如下:
[0030]Ga ⑴ +HCl (g) — GaCl (g) +1/2? (g)
[0031 ] In ⑴ +HCl (g) — InCl (g) +1/2? (g)
[0032]Al ⑴ +HCl (g) — AlCl (g) +1/2? (g)；
[0033]2)继续在原料输送区110中注入惰性载气，将先行反应的原料气体(GaCl、InCl、A1C1)移送至原料混合区140 ；
[0034]3)经过原料混合区140中不同孔径的扩散装置，即进行了 3次混合；
[0035]4)氮源供应区120要贯通原料混合区140直达基板生长区150。这是为了在原料混合区140避免结晶的形成而促进原料的充分混合及防止原料的损失；
[0036]5)混合好的原料反应气体和氮源气体(NH3)反应并在基板S上生长均匀的氮化物半导体(InGaN、AlGaN, InGaAlN)。
[0037]扩散装置的孔是为了根据前面所讲的筛分方式来增强气体的扩散，孔的大小随着靠近基板生长区而逐渐变小，而这种变化是用来调整气体流量的。孔的大小和数量以及排列互不相同的各个扩散装置用来促进原料气体的充分混合。由此，对于各原料的生成较易控制，并且通过原料气体的充分混合可以使氮化物系列化合物半导体在蓝宝石基板S上均匀地生长。
[0038]反应管之间的距离跟设备整体的大小有关，如果反应管之间的距离过宽会导致设备整体的尺寸过大，所以往往在有利于载气(n2、h2)的流动并可以让载气充分起到作用的前提下以最小的间距来设计，并且各反应管之间的间距是相同的。原料输送区110的末端不可以碰到原料混合区140的扩散装置，在保证原料气体(Ga，Al，In)被输送到第一扩散装置141之前可以与载气(N2、H2)充分混合的前提下，原料输送区110与原料混合区140之间的距离是取最小值来设计的。
【权利要求】
1.一种!的气体混合装置，包括总反应管(100),总反应管(100)内从气体入口至气体出口依次设有气体注入区(130),原料输送区(110),原料混合区(140)及基板生长区(150),基板生长区(150)内设有至少一块基板(3),其特征在于，所述原料输送区(110)内设有并列布置的至少2根反应管；原料混合区(140)内设有至少2个扩散装置；总反应管(100)内的上下两侧分别设有一个氮源供应装置(120),氮源供应装置(120)的一端与氮气连通，另一端经过原料混合区(140)后与基板生长区(150)连通。
2.如权利要求1所述的的气体混合装置，其特征在于，所述原料混合区(140)设有至少2个依次排列的扩散装置，所述扩散装置为多孔板，自原料输送区(110)至基板生长区(150)方向，扩散装置上孔的直径依次减小，孔的数量依次增加。
3.如权利要求2所述的!的气体混合装置，其特征在于，所述原料混合区(140)内设有3个扩散装置，相邻两个扩散装置中孔径较小的扩散装置上孔的孔径比孔径较大的扩散装置上孔的孔径小25%?30%。
4.如权利要求2或3所述的的气体混合装置，其特征在于，所述扩散装置为形状相同的石英板或碳化硅板。
5.如权利要求1-3中任意一项所述的的气体混合装置，其特征在于，所述原料输送区内设有3根并列布置的反应管。
【文档编号】C23C16/448GK204138762SQ201420439152
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】金施耐, 许桢, 金东植 申请人:上海世山科技有限公司, 上海正帆科技有限公司