一种稳定镓源反应器的制作方法

本发明涉及反应器技术领域，特别是涉及一种稳定镓源反应器。

背景技术：

氢化物气相外延(hvpe，hydridevaporphaseepitaxy)设备为化合物生长工艺设备，主要用于在高温环境下通过如h2、hcl等氢化物气体，使衬底表面外延生长一层如gaas、gan等的厚膜或晶体。

现有hvpe设备中，氯化氢气体与金属镓进行反应的镓源反应器主要存在以下缺陷：1、氯化氢气体与金属镓的接触时间短，氯化氢气体未参与反应就已经流出反应区。2、反应器内的液态金属镓的余量的变化，引起氯化氢转化为氯化镓的比率变化，进而导致后续工艺中氮化镓生成速率波动大，难以控制，尤其是在厚膜生长。3、现有镓源反应器进气口和出气口在同一反应腔内增加了氯化氢气体从进气口进入然后直接从出气口排出的概率。4、由于气流波动的影响，很容易在生成的反应产物——氯化镓气体中夹带有金属镓颗粒，这些颗粒落在生长衬底上很容易造成衬底污染，从而导致生成的晶圆片缺陷密度增大，甚至破裂。

因此，如何改进镓源反应器，以避免上述缺陷的发生，是亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种稳定镓源反应器，用于解决现有技术中镓源反应器氯化镓生成速率难以控制的问题，同时解决了生成的氯化镓气体中夹带金属镓颗粒而导致生成的晶圆片缺陷密度增大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种稳定镓源反应器，其中，所述稳定镓源反应器至少包括：

依次叠置的至少两层反应层；

位于相邻两层反应层之间的气体通道；

位于最上层反应层的顶端的进气管道；以及，

位于最下层反应层的底端的出气管道。

优选地，相邻两个所述气体通道相对设置在所述稳定镓源反应器的两侧。

优选地，所述气体通道的两端分别伸入相邻两层反应层内，所述气体通道的顶端伸入相邻两层反应层中位于上层的反应层内的高度为该位于上层的反应层高度的1/4～3/4。

优选地，所述气体通道的底端伸入相邻两层反应层中位于下层的反应层内的高度不大于该位于下层的反应层高度的1/2。

优选地，所述出气管道的顶端伸入所述最下层反应层内。

优选地，所述出气管道的顶端伸入所述最下层反应层内的高度为所述最下层反应层高度的1/4～3/4。

优选地，所述出气管道的出口处设有封端，所述封端上开设有至少一个出气孔。

优选地，所述出气孔的数量为1-30个。

优选地，所述出气管道的内壁向内收缩形成一缩颈结构。

优选地，所述稳定镓源反应器还包括：位于相邻两层反应层之间的支撑柱，相同两层反应层之间的支撑柱和气体通道相对设置在所述稳定镓源反应器的两侧。

优选地，所述进气管道与顶端伸入所述最上层反应层内的气体通道相对设置在所述稳定镓源反应器的两侧。

优选地，所述反应层的层数为2～10层，每层反应层的高度为1～10cm。

如上所述，本发明的稳定镓源反应器，具有以下有益效果：本发明采用多层反应层叠置在一起，相邻两层反应层之间通过气体通道连通，液态金属镓预先通过进气管道和各气体通道注入到各反应层中，然后通入氯化氢气体进行反应，氯化氢气体从进气管道进入最上层反应层，随后从气体通道向下进入相邻两层反应层，并逐层通过所有反应层，最终生成的氯化镓气体从出气管道流出，从而能够确保氯化氢气体充分与金属镓进行反应。并且，本发明中进气管道和出气管道在不同的反应层，大大降低了从进气管道进入的氯化氢气体直接从出气管道排出的概率。并且，本发明中最下层反应层用于对生成的氯化镓气体进行缓冲、稳流和过滤，其内不注入金属镓，且出气管道的顶端伸入最下层反应层内一定高度，可以对生成的氯化镓气体中夹带的金属镓颗粒进行蓄留和拦阻，避免这些颗粒落在生长衬底上造成衬底污染，从而避免生成的晶圆片缺陷密度较大或破裂。

附图说明

图1显示为本发明第一实施方式的稳定镓源反应器示意图。

图2显示为本发明第一实施方式的稳定镓源反应器中气体流向示意图。

图3显示为本发明第二实施方式的稳定镓源反应器示意图。

图4显示为本发明第三实施方式的稳定镓源反应器的一个优选方案示意图。

图5显示为本发明第三实施方式的稳定镓源反应器的另一个优选方案示意图。

图6显示为本发明第三实施方式的稳定镓源反应器的另一个优选方案中的封端示意图。

元件标号说明

1反应层

2气体通道

3进气管道

4出气管道

41缩颈结构

42封端

421出气孔

5金属镓

6支撑柱

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图2，本发明第一实施方式涉及一种稳定镓源反应器。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本实施方式的稳定镓源反应器至少包括：依次叠置的至少两层反应层1；位于相邻两层反应层1之间的气体通道2，相邻两个气体通道2相对设置在稳定镓源反应器的两侧；位于最上层反应层1的顶端的进气管道3；以及，位于最下层反应层1的底端的出气管道4。

在本实施方式中，反应层1为圆柱形结构的腔室，各反应层1的形状、大小和高度可以相同，也可以不同。并且，反应层1的层数为2～10层，每层反应层1的高度为1～10cm。作为一个优选的方案，反应层1的层数为2～7层，每层反应层1的高度为2～6cm。更优地,反应层1的层数为3～6层，每层反应层1的高度为2.5～5cm。相邻两层反应层1通过气体通道2连接，从而使相邻两层反应层1之间连通，且相邻两气体通道相对位于镓源反应器的两侧，确保气体可以流通。

在本实施方式中，气体通道2的顶端伸入相邻两层反应层1中位于上层的反应层内，且保持一定的高度h1。

需要说明的是，在本实施方式的稳定镓源反应器进行反应之前，需要预先向其中注入液态金属镓5。将金属镓5从进气管道3注入到最上层反应层1中，当金属镓5的液面高于气体通道2伸入最上层反应层1内的顶端高度h1时，金属镓5从该气体通道2流入到相邻的下一层反应层1中，从而完成注入金属镓，如图2所示。由此可见，气体管道2还起到蓄存金属镓5的作用，在注入金属镓5时，金属镓5的液面与气体通道2伸入相邻两层反应层1中位于上层的反应层内的顶端的高度h1平齐。因此，气体通道2的顶端伸入相邻两层反应层1中位于上层的反应层内的高度h1根据每层反应层1内所需蓄存的金属镓5进行设置。作为一个优选方案，气体通道2的顶端伸入相邻两层反应层1中位于上层的反应层内的高度h1为该位于上层的反应层1高度的1/4～3/4，更优地，气体通道2的顶端伸入相邻两层反应层1中位于上层的反应层内的高度h1为该位于上层的反应层1高度的1/2～3/5。

另外，气体通道2的底端伸入相邻两层反应层1中位于下层的反应层内，作为一个优选方案，气体通道2的底端伸入相邻两层反应层1中位于下层的反应层内的高度h2不大于该位于下层的反应层1高度的3/4。更优地，气体通道2的底端伸入相邻两层反应层1中位于下层的反应层内的高度h2不大于该位于下层的反应层1高度的1/2，更优地，气体通道2的底端伸入相邻两层反应层1中位于下层的反应层内的高度h2不大于该位于下层的反应层1高度的1/4，最优地，反应层蓄满金属镓5时，气体通道2的底端不会浸入到金属镓5中。当然，在其他实施方式中，气体通道2的底端伸入相邻两层反应层1中位于下层的反应层内的高度h2也可以等于0，即气体通道2的底端可以与相邻两层反应层1中位于下层的反应层的顶端保持平齐。

另外，在整个镓源反应器中，各个气体通道2的长度可以一样长，也可以不一样长，只需要满足上述技术特征即可，本实施方式并不对此进行限制。

请继续参阅图1和图2，在本实施方式中，出气管道4的顶端伸入最下层反应层1内，用于对生成的氯化镓气体进行缓冲、稳流和过滤，一般情况下，最下层反应层1内不注入金属镓5，且出气管道4的顶端伸入最下层反应层内一定高度h3，可以对生成的氯化镓气体中夹带的金属镓颗粒进行蓄留和拦阻，避免这些颗粒落在生长衬底上造成衬底污染，从而避免生成的晶圆片缺陷密度较大或破裂。作为一个优选的方案，出气管道4的顶端伸入最下层反应层1内的高度h3为最下层反应层1高度的1/4～3/4。更优地，出气管道4的顶端伸入最下层反应层1内的高度h3为最下层反应层1高度的1/2-3/5。

另外，出气管道4可以位于最下层反应层1的底端的任意位置。作为一个优选方案，出气管道4位于最下层反应层1的底端的中心位置。

请继续参阅图1和图2，在本实施方式中，进气管道3与顶端伸入最上层反应层1内的气体通道2相对设置在稳定镓源反应器的两侧，氯化氢气体从进气管道3进入，从最上层反应层1的一端流向另一端后才会从气体通道2流向下一反应层1，这样就使得氯化氢气体与最上层反应层1内的金属镓5接触时间增加，更利于氯化氢气体与最上层反应层1内的金属镓5充分反应。

另外，进气管道3的管道宽度小于等于出气管道4的管道宽度。作为一个优选方案，进气管道3的管道宽度小于出气管道4的管道宽度。

另外，值得一提的是，在本实施方式中，进气管道3和出气管道4在不同的反应层1，大大降低了从进气管道3进入的氯化氢气体直接从出气管道4排出的概率。

另外，本实施方式的温度镓源反应器应用于温度在800℃～1200℃的具有腐蚀性气体环境中，且在本实施方式中，反应层1采用石英材质制备而成。当然，在其他实施方式中，反应层1也可以采用除金属材质外的其他材质，这是由于金属镓具有穿透性，能穿透金属，因此反应层1应采用金属镓无法穿透的材质制备。.

如图2所示，在本实施方式的稳定镓源反应器中进行氯化氢气体与金属镓的反应时，氯化氢气体从进气管道3进入最上层反应层1，随后从气体通道2向下进入相邻两层反应层1，并逐层通过所有反应层1，最终生成的氯化镓气体从出气管道4流出。本实施方式的稳定镓源反应器能够确保氯化氢气体充分与金属镓5进行反应，当通入氯化氢气体(如图2中的hcl)的数量均匀恒定时，生成的氯化镓气体的数量是恒定可控的，进而保证其在后续工艺中生成氮化镓的数量和均匀性恒定可控，为生长厚膜氮化镓提供了设备基础，解决了现有技术中的镓源反应器的种种弊端。

请参阅图3，本发明的第二实施方式涉及一种稳定镓源反应器。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，相邻两层反应层1之间的直接进行叠置。而在本发明第二实施方式中，相邻两层反应层1之间通过一支撑柱6进行叠置。具体地说：

本实施方式的稳定镓源反应器还包括：位于相邻两层反应层1之间的支撑柱6，相同两层反应层1之间的支撑柱6和气体通道2相对设置在稳定镓源反应器的两侧。如图3所示，相邻两层反应层1之间，一端通过支撑柱6稳固支撑，另一端通过气体通道2稳固连接。本实施方式的稳定镓源反应器带来了更灵活可变的稳定镓源反应器设计。

由于本实施方式是在本发明第一实施方式的基础上进行的改进，第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

请参阅图4和图5，本发明第三实施方式涉及一种稳定镓源反应器。第三实施方式与第一实施方式和第二实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式和第二实施方式中，出气管道4是一根直通管道。而在本发明第四实施方式中，对出气管道4进行了结构改进，用于防止镓源反应器外部的气体压力过大，导致镓源反应器外部的其他气体倒灌进入镓源反应器内，污染镓源。具体地说：

作为一个优选方案，如图4所示，出气管道4的内壁向内收缩形成一缩颈结构41，反应生成的氯化镓气体可以从缩颈结构41处流出，缩颈结构41的最小截面面积是出气管道4的内截面面积的1/4～3/4，更优地，缩颈结构41的最小截面面积是出气管道4的内截面面积的2/5-3/5。

作为另一个优选方案，如图5和图6所示，出气管道4的出口处设有封端42，封端42上开设有至少一个出气孔421。其中，出气孔421的形状可以为圆形、方形或者其他形状，数量也可以根据实际需要进行设计，优选地，出气孔421的数量为1～30个，更优地，出气孔的数量为4-16个，并且这些出气孔421均匀地分布在封端42上，且出气孔总面积占封端总面积的1/4～3/4，更利于生成的氯化镓气体匀速流出，且保障了气流的均匀性。

由于本实施方式是在本发明第一实施方式或第二实施方式的基础上进行的改进，第一实施方式或第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式或第二实施方式中。

综上所述，本发明的稳定镓源反应器，具有以下有益效果：本发明采用多层反应层叠置在一起，相邻两层反应层之间通过气体通道连通，液态金属镓预先通过进气管道和各气体通道注入到各反应层中，然后通入氯化氢气体进行反应，氯化氢气体从进气管道进入最上层反应层，随后从气体通道向下进入相邻两层反应层，并逐层通过所有反应层，最终生成的氯化镓气体从出气管道流出，从而能够确保氯化氢气体充分与金属镓进行反应。并且，本发明中进气管道和出气管道在不同的反应层，大大降低了从进气管道进入的氯化氢气体直接从出气管道排出的概率。并且，本发明中最下层反应层用于对生成的氯化镓气体进行缓冲、稳流和过滤，其内不注入金属镓，且出气管道的顶端伸入最下层反应层内一定高度，可以对生成的氯化镓气体中夹带的金属镓颗粒进行蓄留和拦阻，避免这些颗粒落在生长衬底上造成衬底污染，从而避免生成的晶圆片缺陷密度较大或破裂。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。