一種用于氣相外延生長半導體單晶材料的反應器的制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種用于氣相外延生長半導體單晶材料的反應器，本發明提供的反應器由擋板、進氣管道、倒梯形圓臺、出氣孔、含金屬前驅物輸出管道、以及外壁組成；通過設置擋板將反應器分為上層空間和下層空間，通過在進氣管道頂部設置開口，從而預留部分鹵化物氣體或者鹵素氣體在反應器的上層空間，使之與從下層空間逃逸到上層空間的金屬源蒸汽反應，從而有效防止金屬源混入到反應前驅物中，極大地提高了外延生長的晶體質量與產品良率；同時，通過設置進氣管道的內側壁開口、擋板、倒梯形圓臺和出氣孔，通過改變鹵化物或鹵素氣體的流動方向及流程，增加了鹵化物或鹵素氣體在下層空間的滯留時間，提高了與金屬源的接觸機會，使得鹵化物或鹵素氣體轉化為含金屬前驅物的效率對金屬源液面的高度不再敏感，從而實現轉化效率的穩定，實現外延生長速率與晶體質量的穩定可控，有利于氮化物單晶材料的規模化生產。
【專利說明】
一種用于氣相外延生長半導體單晶材料的反應器
技術領域
[0001]本發明涉及半導體材料設備領域，更具體地說，涉及一種用于氣相外延生長半導體單晶材料的反應器。
【背景技術】
[0002]III族氮化物半導體材料(例如GaN，AlN)及其化合物具有禁帶寬度大、高熱導、耐高壓和耐腐蝕等優異性能，在高溫、高頻、高功率電子器件及高亮度大功率LED/LD方面有著巨大的應用前景。化學氣相沉積法(CVD，包括MOCVD和HVPE)是目前外延生長III族氮化物半導體材料的主要方法。尤其是氫化物氣相外延(HVPE)技術，由于生長速率快、工藝簡單，已經成為單晶GaN材料生長的主流方法。在HVPE技術中鹵化物氣體或者鹵素氣體(例如HCl或者Cl2)與III族金屬源(例如金屬鎵)在反應器內反應生成含金屬前驅物(例如GaCl)，之后被載氣輸運到襯底表面和氨氣反應生成氮化物半導體材料。
[0003]現階段HVPE系統中的反應器結構普遍存在外延生長速度隨著金屬源的消耗而逐漸變慢、從而導致工藝的重復可靠性差的問題，具體表現為器皿內液態金屬源的量不同時(表現為液態金屬源的液面高度不同)，在相同的工藝條件下得到的生長厚度和厚度的均勻性都會有顯著差別。其根本原因是現階段HVPE系統的反應器結構不能保證當金屬源液面處于不同高度時鹵化物氣體或者鹵素氣體轉化為含金屬前驅物的概率基本一致，從而不能保證流場的一致。由此導致用HVPE技術生長的III族氮化物單晶材料的一致性較差、合格率偏低，嚴重阻礙HVPE技術用于大規模的生產。同時，少量未轉化的金屬源蒸汽會隨著載氣輸運到生長區域或襯底表面，形成多晶而干擾晶體生長，使外延晶體中出現微裂紋或晶格畸變，極大降低了晶體生長的質量與產品良率。
【發明內容】
[0004]本發明提供一種用于氫化物氣相外延(HVPE)晶體生長工藝中鹵化物或者鹵素氣體與金屬源反應的反應器。
[0005]本發明提供的反應器包括:擋板101，上層空間102，下層空間103，進氣管道104，外側壁開口 105，內側壁開口 106，倒梯形圓臺107，第一出氣孔201，第二出氣孔112，輸出管道111以及反應器外壁108。
[0006]所述擋板101，將反應器分為上層空間102和下層空間103 ;下層空間的底部稍微傾斜，以便液態金屬源易向下段中心集聚；
[0007]所述進氣管道104，是從上層空間一直延伸到下層空間的底部，其上端和外部HVPE系統的鹵化物氣體源或者鹵素氣體源及載氣源相連通；所述載氣可以是氫氣、氮氣或是氫氣和氮氣的混合氣體；所述鹵化物氣體為HCl、HBr、HI中的一種，所述鹵素氣體為Cl2、Br2, 12中的一種，用來可清洗反應器內部；進氣管道數目及其內徑的大小可以依據工藝的需求來決定，可以是一條或多條；
[0008]所述外側壁開口 105，位于進氣管道104上段與反應器上層空間102的上段相鄰處，其開口朝向反應器外壁，其形狀可以是但不限于半圓形、正方形；
[0009]所述內側壁開口 106，位于下層空間103中(即進氣管道104下段)，其開口朝向倒梯形圓臺107，其形狀為豎直縫隙狀；
[0010]所述倒梯形圓臺107，位于反應器中央，在擋板和下層空間底部之間，為中心旋轉對稱的倒梯形圓臺，圓臺的上圓面的直徑要比下圓面的直徑大，以確保圓臺的母線和金屬源液面的夾角小于90度；
[0011]所述金屬源113，是通過進氣管道104被注入到下層空間103，在其下段中心集聚；所述金屬源可以是鎵、銦、鋁，或者基于特殊應用需求所選擇的特殊金屬；
[0012]所述第一出氣孔201，設在擋板101上；鹵化物氣體或鹵素氣體、金屬源反應后載氣和含金屬前驅物，通過第一出氣孔流進上層空間102，之后通過第二出氣孔112，流入位于倒梯形圓臺中心的輸出管道111的上端入口，從其下端出口流出反應器后到達襯底表面；第一出氣孔201數量可以是一個或者多個，其形狀可以是但不限于圓形、正方形、菱形。
[0013]本發明所述的反應器外壁的形狀，依據和外部HVPE系統連接或者空間排布的需要，可以設計成所需要的形狀，如圓柱體、正方體、長方體。
[0014]本發明所述的反應器的材料，可以用各種耐高溫及抗鹵化物或鹵素氣體腐蝕的材料，比如高純石英；反應器的體積、上層空間和下層空間的體積比可以依據工藝的要求來決定。
[0015]本發明所述的反應器，其工作溫度，在800K到1400K之間。
[0016]本發明提供的反應器，因在進氣管道下層空間內側壁設有縫隙開口、以及倒梯形的對稱圓臺，延長了鹵化物或鹵素氣體在反應器下層空間內的滯留時間，從而確保無論金屬源液面處于什么高度，鹵化物或鹵素氣體基本上轉化為含金屬前驅物，確保轉化率的穩定，從而確保外延生長速度的穩定。同時，本發明還在進氣管道頂部設有外側壁開口，從而分流出部分鹵化物或鹵素氣體，使之與被載氣帶出來的鎵蒸汽(金屬源蒸汽)反應，提高晶體生長的質量。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明一個實施例的反應器結構的立體圖。
[0018]圖2為本發明一個實施例的反應器結構的透視俯視圖。
[0019]圖3為本發明一個實施例的反應器結構的剖面圖(X方向)。
[0020]圖4為本發明一個實施例的反應器結構的剖面圖(y方向)。
[0021]圖中標注說明:
[0022]100:反應器，101:擋板，102:[反應器]上層空間，103:[反應器]下層空間，104:進氣管道，105:[進氣管道頂部的]外側壁開口，106:[進氣管道的]內側壁開口，107:倒梯形圓臺，108:反應器外壁，109:鹵化物氣體，110:含金屬前驅物氣體，111:[含金屬前驅物氣體]輸出管道，112:第二出氣孔，113:金屬源，201:第一出氣孔。
【具體實施方式】
[0023]為了使本發明的目的、技術方案、設備特征及優點更加清楚明白，以下主要結合圖
3、圖4，對本發明作進一步的詳細說明。應當理解，此處描述的實施例較為具體，并不限制本發明的權利要求范圍。
[0024]實施例1
[0025]本發明提供的用于氣相外延的反應器100(如圖2、圖3、圖4所示)包括:擋板101、進氣管道104、倒梯形圓臺107、第一出氣孔201、第二出氣孔112、含金屬前驅物輸出管道111，以及反應器外壁108 ；
[0026]擋板101把反應器分為上層空間102和下層空間103 ;在擋板101上設有對稱分布的兩個圓形第一出氣孔201 ;鹵化物氣體或者鹵素氣體與金屬源反應生成含金屬前驅物110，通過出氣孔201流進上層空間102 ;兩個進氣管道104從上層空間102 —直延伸到下層空間103的底部。進氣管道104內徑的大小可以依據工藝的需求來決定；進氣管道104和外部氣源相連接，金屬源113通過進氣管道104被注入到下層空間103，因下層空間103的底面稍微向下傾斜以利于液態金屬源易向其下段中心集聚；鹵化物或鹵素氣體109通過進氣管道104進入下層空間103和金屬源113化學反應，生成氣態含金屬前驅物110 ;進氣管道104上段與上層空間102上段相鄰段設有其開口朝向反應器外壁的外側壁開口 105 ;進氣管道104下段與下層空間103相鄰段，設有其開口朝向倒梯形圓臺107的豎直縫隙狀內側壁開口 106 ;鹵化物氣體或鹵素氣體從外部氣源達到進氣管道后，其中一小部分氣體，從進氣管道頂部的外側壁開口 105進入反應器100的上層空間102，用來與被載氣帶出來的鎵蒸汽(金屬源蒸汽)反應，生成含金屬前驅物源氣體110后，通過第二出氣孔112進入含金屬前驅物輸運管道111，最后達到襯底表面與氨氣反應生成氮化物單晶材料；而其中大部分氣體，進入到下層空間與金屬鎵113化學反應，生成含金屬前驅物源氣體110，從進氣管道的內側壁開口 106溢出，先通過第一出氣孔201，后通過第二出氣孔112，進入含金屬前驅物輸運管道111，最后達到襯底表面與氨氣反應生成氮化物單晶材料；
[0027]在擋板101和下層空間103底部之間，有中心旋轉對稱的倒梯形圓臺107，其上圓面的直徑大于下圓面的直徑，以確保倒梯形圓臺107的母線和金屬源液面的夾角小于90度(最佳角度為65度到75度之間)，這樣一來，從內側壁開口 106流出的未反應的鹵化物或鹵素氣體，會被倒梯形圓臺107的斜表面反射返回到金屬源液面，可以有效延長鹵化物氣體或鹵素氣體在下層空間的滯留時間，從而提高其與金屬源的反應生產含金屬前驅物源氣體的轉化率；
[0028]含金屬前驅物氣體輸出管道111，位于倒梯形圓臺107的中心，載氣和含金屬前驅物氣體110，則從輸出管道111上段入口流入，從其下段出口流出到達襯底表面；
[0029]在本實施例中，載氣可以是氫氣、氮氣或者是氫氣和氮氣的混合氣體。
[0030]本發明提供用于氣相外延的反應器有如下優點:
[0031]1、通過設置進氣管道的內側壁開口、擋板、倒梯形圓臺和第一出氣孔，有效改變鹵化物或鹵素氣體的流動方向及流程，增加了鹵化物或鹵素氣體和金屬源液面接觸的機會，大大降低了鹵化物或鹵素氣體轉化為含金屬前驅物的轉化效率對金屬源液面的高度敏感性，從而實現轉化效率的穩定，有利于規模化生產；
[0032]2、在進氣管道頂部設置外側壁開口，以預留部分鹵化物氣體或鹵素氣體在上層空間，與從下層空間逃逸到上層空間的金屬源反應，從而有效防止金屬源蒸氣混入到反應前驅物中，極大地提高了外延生長的晶體質量與產品良率；
[0033]3、在對反應器進行清洗時，通過從進氣管道104通入鹵化物或鹵素氣體，從外側壁開口 105流出的鹵化物或鹵素氣體可以清洗上層空間102，從內側壁開口 106流出的鹵化物或鹵素氣體可以清洗下層空間103，從而有利于反應器的清洗，由于外側壁開口 105朝向外壁，使清洗效果更佳。
【主權項】
1.一種用于氣相外延生長半導體單晶材料的反應器，其特征在于:所述反應器包括:擋板(101)，上層空間(102)，下層空間(103)(在其底部放置液態金屬源(113))，進氣管道(104)，外側壁開口(105)，內側壁開口(106)，倒梯形圓臺(107)，第一出氣孔(201)，第二出氣孔(112)，輸出管道(111)以及反應器外壁(108)。2.根據權利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導體單晶材料的反應器，其特征在于:所述進氣管道(104)，是從上層空間一直延伸到下層空間的底部，其上端和外部HVPE系統的齒化物氣體源或者齒素氣體源及載氣源相連通；所述載氣可以是氫氣、氮氣或是氫氣和氮氣的混合氣體；所述鹵化物氣體為HCl、HBr、HI中的一種，所述鹵素氣體為Cl2、Br2, I2中的一種，均可用來清洗反應器內部。3.根據權利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導體單晶材料的反應器，其特征在于:所述外側壁開口(105)，位于進氣管道(104)上段與反應器上層空間(102)的上段相鄰處，其開口朝向反應器外壁，其形狀可以是但不限于半圓形、正方形；所述內側壁開口(106)，位于下層空間(103)中(即進氣管道(104)下段)，其開口朝向倒梯形圓臺(107)，其形狀為豎直縫隙狀。4.根據權利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導體單晶材料的反應器，其特征在于:所述倒梯形圓臺(107)，位于反應器中央，在擋板和下層空間底部之間，為中心旋轉對稱的倒梯形圓臺，圓臺的上圓面的直徑要比下圓面的直徑大，以確保圓臺的母線和金屬源液面的夾角小于90度。5.根據權利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導體單晶材料的反應器，其特征在于:所述液態金屬源(113)，是通過進氣管道(104)被注入到下層空間(103)，在其下段中心集聚；所述金屬源可以是鎵、鋁、銦或者基于特殊應用需求所選擇的特殊金屬。6.根據權利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導體單晶材料的反應器，其特征在于:所述第一出氣孔(201)，設在擋板(101)上；鹵化物氣體或鹵素氣體、金屬源反應后載氣和含金屬前驅物，通過第一出氣孔流進上層空間(102)，之后通過第二出氣孔(112)，流入輸出管道(111)的上端入口，從其下端出口流出反應器后到達襯底表面；第一出氣孔數量可以是一個或者多個，其形狀可以是但不限于圓形、正方形、菱形。7.根據權利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導體單晶材料的反應器，其特征在于:所述反應器的外壁的形狀，依據和外部HVPE系統連接或空間排布的需要，可以設計成所需要的形狀，如圓柱體、正方體、長方體。8.根據權利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導體單晶材料的反應器，其特征在于:所述反應器的材料，可以用各種耐高溫及抗鹵化物或鹵素氣體腐蝕的材料，比如高純石英。9.根據權利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導體單晶材料的反應器，其特征在于:所述反應器的工作溫度，在800K到1400K之間。
【文檔編號】C30B25/08GK105986314SQ201510060950
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月5日
【發明人】何進密, 劉南柳, 李文輝, 張國義
【申請人】東莞市中鎵半導體科技有限公司