[发明专利]一种可控前驱物通道

说明书

技术领域

本发明涉及一种在气相沉积生长室中用于控制前驱物的通道及方法。

背景技术

近几年来，Ⅲ-Ⅴ族薄膜材料成为国际上倍受关注的新型半导体材料，在制造与开发各种半导体器件中尤为重要，例如发光二级管（LEDs）、激光二级管（LDs）、晶体管和集成电路的电子器件。以氮化镓为代表的Ⅲ-Ⅴ族薄膜材料相比于传统的半导体材料，具有带隙宽、化学性质稳定、耐高温、耐腐蚀，GaN基器件具有抗辐射、高频和大功率的特点。其在汽车、航空、医疗、军事及普通照明方面的应用前景十分广泛。因此，Ⅲ-Ⅴ族薄膜材料的研究和开发已成为半导体领域的一个热点。

目前，主要采用HVPE(Hydride vapor phase epitaxy，氢化物气相外延法)沉积方法制备Ⅲ-Ⅴ族薄膜，在HVPE生长系统中，卤化物与Ⅲ族金属反应生成前驱物之一诸如Ⅲ族卤化物，该前驱物随后与另一前驱物诸如含氮气体反应生成Ⅲ族氮化物。

在HVPE生长系统中，影响Ⅲ族氮化物的沉积效率与质量的直接或间接因素有很多，诸如温度、压强、流场、喷头结构、进排气方式等。而前驱物流场分布是决定Ⅲ族氮化物的沉积效率与质量的最直接因素，结构却往往决定流场的运动趋势。因此，喷头设计好坏直接影响整个生长系统性能的发挥。在传统水平卧式HVPE系统中，衬底支撑板通常与水平面呈一定角度，喷头结构通常为一个以上水平或竖直方向或介于两者之间的圆形喷嘴；随着研究的不断深入，出现了悬挂立式HVPE 系统和倒置支持HVPE系统，在该两种系统中，衬底通常置于水平的衬底支撑板上，对于小面积（<3片）衬底材料生长，前驱物进气喷头设计常为圆形或是同心圆环结构，前驱物进气方向垂直衬底表面；对于较大面积（>3片或大尺寸）衬底材料生长，前驱物进气结构通常是将至少一个圆形或同心圆环形喷头集成于一块挡板之上，形成气体分配板。对于圆形喷嘴，其前驱物通道为圆柱型流道；对于同心圆环形喷头结构，其前驱物通道为圆环型流道。无论是圆形喷嘴或是圆环行喷头结构，共同存在的问题是：在该喷头结构下，前驱物在衬底表面流场径向分布皆不均匀，比如，同心圆环喷头下的径向流场特点为圆环中间区域高、两侧低；圆形喷头下的径向流场特征为圆心处高、外围低，呈正态分布；所述二种均不利于衬底材料均匀地生长。

为了进一步提高前驱物流场在衬底径向分布的均匀性，并最终实现Ⅲ族氮化物高效率、高质量地沉积，需要对前驱物通道中的流场进行干预。因此，存在改进前驱物进气通道的技术需求。

发明内容

本发明提出一种气相沉积生长室中用于控制前驱物流场的可控通道，主要用于改善前驱物流场在衬底表面径向分布均匀性，以便在大面积衬底的材料生长中，衬底上Ⅲ族氮化物生长厚度一致化。

所述前驱物之一可由HCl与液态金属Ga合成，如GaCl。

所述前驱物也可为含氮气体，如NH3。

所述Ⅲ族氮化物可由前驱物Ⅲ族卤化物与另一前驱物含氮气体反应生成，如GaN。

为了达到所述目的，本发明公开一种前驱物流场可控通道，置于悬挂立式HVPE系统或倒置支撑HVPE系统中，它由前驱物气体进口、通道外壁、通道中心控制棒和顶端固定端组成。具体地说，所述前驱物气体进气口，位于通道顶部固定端与通道外壁顶端之间，前驱物气体由通道顶部外围径向进入；所述前驱物通道外壁至少由两段组成，上段为等直径圆筒状，下段为裙体扩展段，其裙体高度与扩展角度依据衬底尺寸大小而定；所述控制棒位于通道中心，该控制棒分为上、下两段，所述控制棒的上段为圆柱体，其顶端中心位置设有内螺纹套孔，与螺柱的外螺纹吻合固定控制棒，所述控制棒的下段为圆锥，它与上段圆柱体同轴，其底圆直径与圆柱体直径相等，该圆锥高度为底圆直径的1~2倍，圆锥角度变化范围为15°～45°。所述顶端固定端由固定壁和螺柱的顶端构成，所述螺柱为双头螺柱，其一端固定于前驱物通道顶部固定壁，其身段带外螺纹与控制棒内螺纹进行螺柱连接。

根据衬料生长对前驱物流场的需要，可以更替具有不同形状控制端的控制棒，除了圆锥还可选择，如圆柱、圆台或倒圆台中的一种，也可以选择适合面积及相应工艺需要的裙体高度及扩展角度，以便形成最佳的前驱物可控通道及最佳化前驱物流场。

本发明一种前驱物流场可控通道，还可置于倒置支撑HVPE系统中, 所述倒置支撑HVPE系统，即衬底位于系统的上部，衬底表面朝下，前驱物气体通过生长系统底端输入。