一种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1000度左右高温环境下通过如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、现有镓源反应器较易出现氯化氢气体从进气口进入然后直接从出气口排出的现象。4、后续工艺中，从镓源反应器流出的氯化镓气体需要与镓源反应器外的氨气进行反应以生成氮化镓，此时镓源反应器流出的氯化镓气体很容易在其出口处就与氨气发生反应，从而在镓源反应器的出口处沉积氮化镓，并且随着氯化镓气体的流出，容易吹掉出口处的氮化镓，使这些氮化镓掉落在衬底上造成衬底污染，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，同时解决了衬底易受污染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，本发明提供一种镓源反应器，其中，所述镓源反应器至少包括：

反应层；

位于所述反应层顶端的第一进气管道，所述第一进气管道的底端伸入所述反应层内且设于近所述反应层的底端处；以及

位于所述反应层底端的第一出气管道，所述第一出气管道的顶端伸入所述反应层内且设于近所述反应层的顶端处。

优选地，所述镓源反应器还包括：

位于所述反应层下方的屏蔽层；

位于所述屏蔽层顶端的第二进气管道，所述第二进气管道的底端从所述反应层穿入至所述屏蔽层的顶端；以及

位于所述屏蔽层底端的第二出气管道，其中，所述第一出气管道的底端从所述屏蔽层穿出，所述第二出气管道套设于所述第一出气管道外。

优选地，所述第一出气管道和所述第二出气管道的外壁之间的最短距离为0.1～3cm。

优选地，所述第一出气管道的底端与所述第二出气管道的底端处于同一水平面上，或者所述第一出气管道的底端位于所述第二出气管道的内部。

优选地，所述第一出气管道至少包括：上总管，与所述上总管连接的至少一个下分管；其中，所述上总管和所述下分管的连接部位所述屏蔽层的底端位置。

优选地，所述下分管的数量为1-16个。

优选地，所述第一出气管道和所述第二出气管道的外壁之间的最短距离为0.5～2.5cm。

优选地，所述第一出气管道的出口处设有封端，所述封端上开设有1-30个出气孔。

优选地，所述第一出气管道的内壁向内收缩形成一缩颈结构。

优选地，所述镓源反应器还包括：位于所述反应层上方的挡板，其中，所述第一进气管道和所述第二进气管道的顶端均穿过所述挡板。

优选地，所述镓源反应器还包括：至少一个位于所述反应层和所述屏蔽层之间的支撑柱。

优选地，所述屏蔽层的高度为1～10cm。

如上所述，本发明的镓源反应器，具有以下有益效果：本发明将伸入反应层内的第一进气管道的底端设置在近反应层的底端处，同时将伸入反应层内的第一出气管道的顶端设置在近反应层的顶端处，液态金属镓预先通过第一进气管道注入到反应层中并浸没第一进气管道的底端，然后通入氯化氢气体进行反应，氯化氢气体从第一进气管道进入反应层，随后由于液态金属镓浸没第一进气管道的底端，氯化氢气体从液态金属镓内穿过并与其进行反应，使得液态金属镓内产生氯化镓小气泡，小气泡上升并穿出液态金属镓，并继续向上流动，最终生成的氯化镓气体从第一出气管道流出，从而能够确保氯化氢气体充分与金属镓进行反应。并且，本发明中由于第一进气管道的底端伸入反应层内且设于近反应层的底端处，液态金属镓浸没第一进气管道的底端，氯化氢气体势必先进入液态金属镓内，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。另外，本发明还可以增设屏蔽层，屏蔽层底端的第二出气管道套设于第一出气管道外，通过屏蔽层顶端的第二进气管道注入屏蔽气体，有效避免氯化镓气体在第一出气管道的出口处就与外界氨气发生反应而沉积氮化镓，从而避免氮化镓掉落在衬底上造成衬底污染，而最终导致生成的晶圆片缺陷密度增大，甚至破裂。

附图说明

图1显示为本发明第一实施方式的镓源反应器示意图。

图2显示为本发明第一实施方式的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镓源反应器示意图。

图4显示为本发明第二实施方式的镓源反应器中气体流向示意图。

图5显示为本发明第二实施方式的镓源反应器的一个优选方案示意图。

图6显示为本发明第二实施方式的镓源反应器的另一个优选方案示意图。

图7显示为本发明第三实施方式的镓源反应器的第一个优选方案示意图。

图8显示为本发明第三实施方式的镓源反应器的第二个优选方案示意图。

图9显示为本发明第三实施方式的镓源反应器的第二个优选方案中的封端示意图。

图10显示为本发明第三实施方式的镓源反应器的第三个优选方案示意图。

元件标号说明

1反应层

2第一进气管道

3第一出气管道

31缩颈结构

32封端

321出气孔

33上总管

34下分管

4液态金属镓

5屏蔽层

6第二进气管道

7第二出气管道

8支撑柱

9挡板

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，本实施方式的镓源反应器至少包括：反应层1；位于反应层1顶端的第一进气管道2，第一进气管道2的底端伸入反应层1内且设于近反应层1的底端处；以及位于反应层1底端的第一出气管道3，第一出气管道3的顶端伸入反应层1内且设于近反应层1的顶端处。

其中，本实施方式的镓源反应器通过第一进气管道2向反应层1内注入液态金属镓4，且液态金属镓4的注入深度超过第一进气管道2的底端。

在本实施方式中，反应层1为圆柱形结构的腔室。并且，反应层1的高度为1～100cm。作为一个优选的方案，反应层1的高度为5～50cm。更优地，反应层1的高度为13～25cm。当然，反应层1形状、大小和高度可以根据实际需要进行设置，并不以本实施方式为限制。

需要说明的是，在本实施方式的镓源反应器进行反应之前，需要预先向其中注入镓源，即液态金属镓4。将液态金属镓4从第一进气管道2注入到反应层1中，由于伸入反应层1内的第一进气管道2的底端设置在近反应层的1底端处，液态金属镓4的注入深度优选超过第一进气管道2的底端，即液态金属镓4浸没第一进气管道2的底端，从而完成注入镓源，如图2所示。

请继续参阅图1和图2，在本实施方式中，第一出气管道3的顶端伸入反应层1内且设置在近反应层1的底端处，用于对生成的氯化镓气体进行缓冲、稳流和过滤。

另外，第一出气管道3可以位于反应层1的底端的任意位置。作为一个优选方案，第一出气管道3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，由于第一进气管道2的底端伸入反应层1内且设于近反应层1的底端处，氯化氢气体从第一进气管道2进入后，先到达反应层1的底部位置，然后逐渐向上与液态金属4发生反应，这样就使得氯化氢气体与反应层1内的液态金属镓4接触时间增加，更利于氯化氢气体与反应层1内的金属镓4充分反应。

另外，第一进气管道2的管道宽度小于等于第一出气管道3的管道宽度。作为一个优选方案，第一进气管道2的管道宽度小于第一出气管道3的管道宽度。

另外，值得一提的是，在本实施方式中，由于第一进气管道2的底端伸入反应层1内且设于近反应层1的底端处，液态金属镓4浸没第一进气管道2的底端，氯化氢气体势必先进入液态金属镓4内，大大降低了从第一进气管道2进入的氯化氢气体直接从第一出气管道3排出的概率。

另外，本实施方式的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，在本实施方式的镓源反应器中进行氯化氢气体与液态金属镓4的反应时，氯化氢气体从第一进气管道2进入反应层1，随后由于液态金属镓4浸没第一进气管道2的底端，氯化氢气体从液态金属镓4内穿过并与其进行反应，使得液态金属镓4内产生氯化镓小气泡，小气泡上升并穿出液态金属镓4，并继续向上流动，最终生成的氯化镓气体从第一出气管道3流出，本实施方式的镓源反应器能够确保氯化氢气体充分与液态金属镓4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至图6，本发明的第二实施方式涉及一种镓源反应器。第二实施方式为在本发明第一实施方式的基础上进行的改进，主要改进之处在于：如图3所示，本实施方式的镓源反应器还包括：位于反应层1下方的屏蔽层5；位于屏蔽层5顶端的第二进气管道6，第二进气管道6的底端从反应层1穿入至屏蔽层6的顶端；以及位于屏蔽层6底端的第二出气管道7，其中，第一出气管道3的底端从屏蔽层5穿出，第二出气管道7套设于第一出气管道3外，第二出气管道7与第一出气管道3形成双套管结构。

在本实施方式中，第一出气管道3的底端与第二出气管道7的底端处于同一水平面上，或者第一出气管道3的底端位于第二出气管道7的内部。

在本实施方式中，第一出气管道3和第二出气管道7的外壁之间的最短距离为d＝0.1～3cm。更优的，第一出气管道3和第二出气管道7的外壁之间的最短距离为0.5～2.5cm。

在本实施方式中，屏蔽层的高度为1～10cm，优选3～7cm。

另外，在本实施方式中，第二进气管道6的底端可以与屏蔽层5的顶端平齐，也可以伸入到屏蔽层5的内部，优选地，第二进气管道6的底端与屏蔽层5的顶端平齐。同样的，第二出气管道7的顶端可以与屏蔽层5的底端平齐，也可以伸入到屏蔽层5的内部，优选伸入到屏蔽层5的内部。

如图4所示，在本实施方式的镓源反应器中进行氯化氢气体与液态金属镓4的反应时，屏蔽气体通过第二进气管道6注入屏蔽层5内，随后从第二出气管道7流出。由于第二出气管道7围绕在第一出气管道3的周围，第二出气管道7流出的屏蔽气体能够有效保护从第一出气管道3流出的氯化镓气体，避免了氯化镓气体在第一出气管道3的出口处就与外界氨气发生反应而在第一出气管道3的出口处沉积氮化镓，从而避免氮化镓掉落在衬底上造成衬底污染，而最终导致生成的晶圆片缺陷密度增大，甚至破裂。

作为本实施方式的一个优选方案，如图5所示，本实施方式的镓源反应器还包括：至少一个位于反应层1和屏蔽层5之间的支撑柱8。具体地说：屏蔽层5可以叠置在反应层1的下方，也可以间隔设置在反应层1的下方；在间隔设置时，既可以通过第一出气管道3支撑屏蔽层5和反应层1之间的间隔，也可以通过如图5所示的支撑柱8来支撑屏蔽层5和反应层1之间的间隔。

作为本实施方式的另一个优选方案，如图6所示，本实施方式的镓源反应器还包括：位于反应层1上方的挡板9，其中，第一进气管道2和第二进气管道6的顶端均穿过挡板9。具体地说，挡板9可以叠置在反应层1的上方，也可以间隔设置在反应层1的上方；在间隔设置时，通过第一进气管道2和第二进气管道6支撑。另外，挡板采用隔热材质，一方面起到隔热的作用，另一方面增加了第一进气管道2和第二进气管道6的稳定性。

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7至图10，本发明第三实施方式涉及一种镓源反应器。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，第一出气管道3是一根直通管道。而在本实施方式中，对第一出气管道3进行了结构改进。具体地说：

作为本实施方式的第一个优选方案，如图7所示，第一出气管道3的内壁向内收缩形成一缩颈结构31，反应生成的氯化镓气体可以从缩颈结构31处流出，缩颈结构31的最小截面面积是第一出气管道3的内截面面积的1/4～3/4，更优地，缩颈结构31的最小截面面积是第一出气管道3的内截面面积的2/5-3/5。缩径结构31能够有效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。

作为本实施方式的第二个优选方案，如图8和图9所示，第一出气管道3的出口处设有封端32，封端32上开设有至少一个出气孔321。其中，出气孔321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321的数量为1～30个，更优地，出气孔321的数量为4～19个，并且这些出气孔321均匀地分布在封端32上，且出气孔321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，同时能够有效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。

作为本实施方式的第三个优选方案，如图10所示，第一出气管道3至少包括：上总管33，与上总管33连接的至少一个下分管34。其中，上总管33和下分管34的连接部位最高处于反应层1内，最低处于第二出气管道7内，优选地，上总管33和下分管34的连接部位处于屏蔽层5的底端位置。下分管34的数量为1-16个，优选3～8个，这些下分管34的存在能够降低生成的氯化镓气体的流量，提高了在后续工艺中氯化镓气体和氨气混合反应的均匀性，进而提高了生成的厚膜氮化镓的质量，同时能够有效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。

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，本发明的镓源反应器，具有以下有益效果：本发明将伸入反应层内的第一进气管道的底端设置在近反应层的底端处，同时将伸入反应层内的第一出气管道的顶端设置在近反应层的顶端处，液态金属镓预先通过第一进气管道注入到反应层中并浸没第一进气管道的底端，然后通入氯化氢气体进行反应，氯化氢气体从第一进气管道进入反应层，随后由于液态金属镓浸没第一进气管道的底端，氯化氢气体从液态金属镓内穿过并与其进行反应，使得液态金属镓内产生氯化镓小气泡，小气泡上升并穿出液态金属镓，并继续向上流动，最终生成的氯化镓气体从第一出气管道流出，从而能够确保氯化氢气体充分与金属镓进行反应。并且，本发明中由于第一进气管道的底端伸入反应层内且设于近反应层的底端处，液态金属镓浸没第一进气管道的底端，氯化氢气体势必先进入液态金属镓内，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。另外，本发明还可以增设屏蔽层，屏蔽层底端的第二出气管道套设于第一出气管道外，通过屏蔽层顶端的第二进气管道注入屏蔽气体，有效避免氯化镓气体在第一出气管道的出口处就与外界氨气发生反应而沉积氮化镓，从而避免氮化镓掉落在衬底上造成衬底污染，而最终导致生成的晶圆片缺陷密度增大，甚至破裂。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。