[发明专利]等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置

说明书

技术领域

本发明属于半导体外延生长设备技术领域，具体涉及一种等离子体增强原 子吸附的化合物半导体的外延生长装置。

背景技术

以GaN、SiC为代表的新型化合物半导体材料近十几年来在国际上备受重 视，在紫外/蓝光/绿光发光二极管、激光器、探测器，以及高频高温大功率电 子器件等方面有着重要而广泛的应用。

为了获得良好的器件性能，要求化合物半导体薄膜尽可能处于单晶状态。 目前化合物半导体的外延生长方法主要有分子束外延(MBE)和金属有机物 化学气相外延(MOVPE)。由于MBE具有真空条件要求苛刻、生长速率慢的 缺点，目前普遍采用MOVPE进行化合物半导体外延生长的商业化生产。

在化合物半导体的MOVPE生长过程中，要求反应物以层流的方式扩散到 衬底表面，在衬底表面发生裂解、化合和迁移等反应，从而形成化合物半导体 单晶薄膜。现有的MOVPE，反应物裂解、化合、迁移所需的能量主要通过衬 底加热的方式获得，由于反应气体存在较强的化学键，且反应物粒子在衬底表 面迁移需要一定的能量，从而要求外延过程中衬底具有极高的温度。以 MOVPE外延生长GaN为例，反应物一般为Ga(CH₃)₃和NH₃，Ga(CH₃)₃的裂 解温度约500℃，NH₃的裂解温度约为700℃，再考虑GaN在衬底表面的迁移， 一般外延生长温度接近1000℃。如果采用Ga(CH₃)₃和N₂进行外延，由于N₂化学键更强，裂解温度约为1400℃，因此需要更高的生长温度。

高温外延虽然能实现性能良好的光电子器件，如LED，但也存在很多问 题。首先，衬底材料和尺寸受限。由于耐高温及晶格匹配的要求，目前能用于 化合物半导体外延生长的衬底只能是少数几种单晶衬底，比如用于生长GaN 基半导体的Al₂O₃、Si，用于生长GaAs基半导体的GaAs，用于生长SiC半导 体的SiC、Si等，这些单晶衬底成本较高、尺寸受限，很难直接进行化合物半 导体的大面积外延生长。而可用于大面积薄膜衬底的衬底，如玻璃、塑料等， 都很难再高温条件下稳定工作。其次，由于衬底和外延薄膜的热膨胀系数往往 存在一定的差异，外延温度越高，半导体薄膜的应力就越大，直接影响器件的 性能。再次，一般希望外延生长对应的化学反应只在衬底表面进行，尽量减少 衬底表面以外的预反应，而在高温条件下，很难控制反应气体在衬底表面以外 的预反应。

针对MOVPE高温生长带来的问题，人们提出了等离子体增强MOVPE (PE-MOVPE)的想法，希望通过低温等离子体预先裂解反应物，提高反应物 原子的势能，达到降低化合物半导体外延生长的目的。产生低温等离子体的常 用方法有：电容耦合等离子体(CCP)、电感耦合等离子体(ICP)、电子回旋 共振等离子体(ECR)。CCP反应室简单，但等离子体密度和能量无法独立调 节。ECR的等离子体密度高，能量转换率高，专利CN0110142.5采用ECR裂 解反应物进行外延生长。但是ECR固有的模式跳变特性，使其难以用于大面 积的薄膜沉积。ICP可以产生与ECR可比拟的等离子体密度，同时具有较好 的等离子体均匀性，能在很大的气压范围内运行，专利CN2014100534244.4 采用ICP裂解反应物进行外延生长。以上技术，在一定程度上降低了化合物半 导体MOVPE外延生长所需要的温度，比如将GaN的外延生长温度从约1000℃ 降低到约500℃。但是值得注意的是，以上技术都只采用等离子体活化相对难 裂解的反应物，比如对于沉积GaN，无论是专利CN1364946A的ECR还是专 利CN2014100534244的ICP，主要用来活化裂解温度较高的N源(如NH₃， N₂)，而裂解温度较低的Ga源(如Ga(CH₃)₃)，仍需要通过衬底加热的方式进 行。也就是说，MOVPE的外延生长温度仍然受限于其中一种反应物的裂解温 度。