[发明专利]一种可控反应物均匀分布的双通道喷口结构

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料生长设备技术领域，具体为一种氢化物气相外延(HVPE)生长Ⅲ-Ⅴ族半导体材料(薄膜或厚膜)用的可控反应物均匀分布的双通道喷口结构。 

背景技术

随着Ⅲ-Ⅴ族膜材料在制造与开发各种半导体器件中的地位日益显著，其在新型半导体材料行业中也备受关注。然而，半导体薄膜或厚膜的制备广泛采用气相外延(VPE)技术，其中的氢化物气相外延(HVPE)技术，因生长速度快、生产成本低等特点，常被用于III族氮化物半导体材料生长，尤其是氮化镓(GaN)厚膜的生长。 

在传统的HVPE生长系统中，使用加热的液态金属镓(Ga)与氯化氢(HCl)气体在高温下反应生成金属氯化物作为三族气体，再由该金属氯化物气体和非金属材料的氢化物气体(如NH₃)反应生成半导体材料晶体(如GaN)，通常情况下，所述反应气体中NH₃始终保持充足量，即反应腔体中NH₃分布均匀，生成产物的厚度均匀性及质量主要取决于金属氯化物的分布。而目前的垂直结构HVPE设备通常采用同心圆环结构喷头，即金属氯化物生成后从位于中心位置的圆柱喷口喷出，其缺陷在于所述喷口位于整个喷头的中心位置，容易造成金属氯化物在待生长衬底的上方呈中心浓度高边缘浓度低的分布，即金属氯化物的分布均匀性不可控。并且随着市场需求的增多，HVPE系统必定需要提高产量，随着衬底数量及其面积的进一步增大，传统的喷口结构更加难以保证反应物均匀性，导致GaN生长厚度不均匀。例如，在传统同心圆环结构喷头下，由于金属氯化物的分布中心浓度高边缘浓度低，致使GaN生长厚度沿衬底径向向外呈递减趋势，即衬底中心生长得厚，边缘生长得薄。 

发明专利CN201310542018X，公开了一种前驱物流场控制棒，通过在前驱物GaCl通道中心添加一个具有不同控制端的控制棒，对前驱物GaCl流场进行干预，期望改善衬底上方前驱物的均匀性，但实验研究发现：通过引入控制棒后，GaCl前驱物均匀性有一定程度的改善，但是在喷头壁面发生了副反应沉积物，影响着 晶体生长质量。因此，对于满足较大有效衬底面积区域上GaN晶片高质量的生长，仍难以克服前驱物(如GaCl)在衬底上方分布不均匀的难题(此专利CN201310542018X中前驱物即为反应物)。 

为了改善反应物在衬底上方径向分布的均匀性，有必要改进喷头尤其是金属氯化物的出气喷口结构。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的是：提供一种双通道喷口结构，主要用来控制反应物气体流动趋势及分布，所述双通道喷口结构可使反应物(GaCl)流场在衬底上方附近的径向分布更加均匀，有利于衬底上氮化镓生长厚度均匀。 

为达到上述目的，可通过以下技术方案来实现：目前HVPE生长系统中常采用圆柱对称的悬挂立式或倒立式反应器，GaCl通道位于喷头的中心位置，呈圆柱形。本发明在传统圆柱形GaCl通道的基础上再设置另外气体控制通道，避免反应物GaCl在传统圆柱形单通道下呈单波峰分布的特性，改善GaCl在衬底上方径向分布的均匀性。 

具体地说，本发明一种可控反应物均匀分布的双通道喷口结构，其特征在于，包含第一通道、第二通道；所述两通道同轴心，第二通道位于第一通道的中心；所述第一通道通入气体为气相沉积反应反应物气体，如GaCl；所述第二通道通入气体可以是N₂也可以是GaCl与N₂的混合气体；所述各气体的流量比例可以任意调节；所述反应气体喷出该喷口后可以与其他反应气体(如NH₃)相结合生成产物。 

所述第一通道，其特征在于，其为等直径或变直径圆柱形通道。优选的，其外套筒可由两段组成，上段为圆筒状，下段为裙体扩展段，下段顶端与上段底端相连处直径相等；优选的，所述第一通道，其外套筒还可由四段构成，从上至下依次为第一圆筒、过渡段、第二圆筒、裙体扩展段，各段横截面逐段扩大，段与段相连处直径相等。所述第二通道，其特征在于，该通道位于第一通道的中心位置，呈圆柱形，其外套筒圆管长度比第一通道长度稍短；第二通道还可由两段组成，上段为圆柱形，下段为圆台形或倒圆台形，两段相连处直径相等。 

以上所述两种第一通道结构与三种第二通道结构，依据材料生长工艺及具体需要，可以交叉搭配实用。 

本发明提出的一种可控反应物均匀分布的双通道喷口结构，能改善反应物(如GaCl)在衬底上方附近径向分布的均匀性，可满足较大面积上GaN晶体材料的均匀生长之需求。