一種穩定鎵源反應器的制作方法

本發明涉及反應器技術領域，特別是涉及一種穩定鎵源反應器。

背景技術：

氫化物氣相外延(hvpe，hydridevaporphaseepitaxy)設備為化合物生長工藝設備，主要用于在高溫環境下通過如h2、hcl等氫化物氣體，使襯底表面外延生長一層如gaas、gan等的厚膜或晶體。

現有hvpe設備中，氯化氫氣體與金屬鎵進行反應的鎵源反應器主要存在以下缺陷：1、氯化氫氣體與金屬鎵的接觸時間短，氯化氫氣體未參與反應就已經流出反應區。2、反應器內的液態金屬鎵的余量的變化，引起氯化氫轉化為氯化鎵的比率變化，進而導致后續工藝中氮化鎵生成速率波動大，難以控制，尤其是在厚膜生長。3、現有鎵源反應器進氣口和出氣口在同一反應腔內增加了氯化氫氣體從進氣口進入然后直接從出氣口排出的概率。4、由于氣流波動的影響，很容易在生成的反應產物——氯化鎵氣體中夾帶有金屬鎵顆粒，這些顆粒落在生長襯底上很容易造成襯底污染，從而導致生成的晶圓片缺陷密度增大，甚至破裂。

因此，如何改進鎵源反應器，以避免上述缺陷的發生，是亟待解決的問題。

技術實現要素：

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種穩定鎵源反應器，用于解決現有技術中鎵源反應器氯化鎵生成速率難以控制的問題，同時解決了生成的氯化鎵氣體中夾帶金屬鎵顆粒而導致生成的晶圓片缺陷密度增大的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種穩定鎵源反應器，其中，所述穩定鎵源反應器至少包括：

依次疊置的至少兩層反應層；

位于相鄰兩層反應層之間的氣體通道；

位于最上層反應層的頂端的進氣管道；以及，

位于最下層反應層的底端的出氣管道。

優選地，相鄰兩個所述氣體通道相對設置在所述穩定鎵源反應器的兩側。

優選地，所述氣體通道的兩端分別伸入相鄰兩層反應層內，所述氣體通道的頂端伸入相鄰兩層反應層中位于上層的反應層內的高度為該位于上層的反應層高度的1/4～3/4。

優選地，所述氣體通道的底端伸入相鄰兩層反應層中位于下層的反應層內的高度不大于該位于下層的反應層高度的1/2。

優選地，所述出氣管道的頂端伸入所述最下層反應層內。

優選地，所述出氣管道的頂端伸入所述最下層反應層內的高度為所述最下層反應層高度的1/4～3/4。

優選地，所述出氣管道的出口處設有封端，所述封端上開設有至少一個出氣孔。

優選地，所述出氣孔的數量為1-30個。

優選地，所述出氣管道的內壁向內收縮形成一縮頸結構。

優選地，所述穩定鎵源反應器還包括：位于相鄰兩層反應層之間的支撐柱，相同兩層反應層之間的支撐柱和氣體通道相對設置在所述穩定鎵源反應器的兩側。

優選地，所述進氣管道與頂端伸入所述最上層反應層內的氣體通道相對設置在所述穩定鎵源反應器的兩側。

優選地，所述反應層的層數為2～10層，每層反應層的高度為1～10cm。

如上所述，本發明的穩定鎵源反應器，具有以下有益效果：本發明采用多層反應層疊置在一起，相鄰兩層反應層之間通過氣體通道連通，液態金屬鎵預先通過進氣管道和各氣體通道注入到各反應層中，然后通入氯化氫氣體進行反應，氯化氫氣體從進氣管道進入最上層反應層，隨后從氣體通道向下進入相鄰兩層反應層，并逐層通過所有反應層，最終生成的氯化鎵氣體從出氣管道流出，從而能夠確保氯化氫氣體充分與金屬鎵進行反應。并且，本發明中進氣管道和出氣管道在不同的反應層，大大降低了從進氣管道進入的氯化氫氣體直接從出氣管道排出的概率。并且，本發明中最下層反應層用于對生成的氯化鎵氣體進行緩沖、穩流和過濾，其內不注入金屬鎵，且出氣管道的頂端伸入最下層反應層內一定高度，可以對生成的氯化鎵氣體中夾帶的金屬鎵顆粒進行蓄留和攔阻，避免這些顆粒落在生長襯底上造成襯底污染，從而避免生成的晶圓片缺陷密度較大或破裂。

附圖說明

圖1顯示為本發明第一實施方式的穩定鎵源反應器示意圖。

圖2顯示為本發明第一實施方式的穩定鎵源反應器中氣體流向示意圖。

圖3顯示為本發明第二實施方式的穩定鎵源反應器示意圖。

圖4顯示為本發明第三實施方式的穩定鎵源反應器的一個優選方案示意圖。

圖5顯示為本發明第三實施方式的穩定鎵源反應器的另一個優選方案示意圖。

圖6顯示為本發明第三實施方式的穩定鎵源反應器的另一個優選方案中的封端示意圖。

元件標號說明

1反應層

2氣體通道

3進氣管道

4出氣管道

41縮頸結構

42封端

421出氣孔

5金屬鎵

6支撐柱

具體實施方式

以下由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點及功效。

請參閱圖1至圖2，本發明第一實施方式涉及一種穩定鎵源反應器。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，并非用以限定本發明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關系的改變或大小的調整，在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容得能涵蓋的范圍內。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施的范疇。

如圖1所示，本實施方式的穩定鎵源反應器至少包括：依次疊置的至少兩層反應層1；位于相鄰兩層反應層1之間的氣體通道2，相鄰兩個氣體通道2相對設置在穩定鎵源反應器的兩側；位于最上層反應層1的頂端的進氣管道3；以及，位于最下層反應層1的底端的出氣管道4。

在本實施方式中，反應層1為圓柱形結構的腔室，各反應層1的形狀、大小和高度可以相同，也可以不同。并且，反應層1的層數為2～10層，每層反應層1的高度為1～10cm。作為一個優選的方案，反應層1的層數為2～7層，每層反應層1的高度為2～6cm。更優地,反應層1的層數為3～6層，每層反應層1的高度為2.5～5cm。相鄰兩層反應層1通過氣體通道2連接，從而使相鄰兩層反應層1之間連通，且相鄰兩氣體通道相對位于鎵源反應器的兩側，確保氣體可以流通。

在本實施方式中，氣體通道2的頂端伸入相鄰兩層反應層1中位于上層的反應層內，且保持一定的高度h1。

需要說明的是，在本實施方式的穩定鎵源反應器進行反應之前，需要預先向其中注入液態金屬鎵5。將金屬鎵5從進氣管道3注入到最上層反應層1中，當金屬鎵5的液面高于氣體通道2伸入最上層反應層1內的頂端高度h1時，金屬鎵5從該氣體通道2流入到相鄰的下一層反應層1中，從而完成注入金屬鎵，如圖2所示。由此可見，氣體管道2還起到蓄存金屬鎵5的作用，在注入金屬鎵5時，金屬鎵5的液面與氣體通道2伸入相鄰兩層反應層1中位于上層的反應層內的頂端的高度h1平齊。因此，氣體通道2的頂端伸入相鄰兩層反應層1中位于上層的反應層內的高度h1根據每層反應層1內所需蓄存的金屬鎵5進行設置。作為一個優選方案，氣體通道2的頂端伸入相鄰兩層反應層1中位于上層的反應層內的高度h1為該位于上層的反應層1高度的1/4～3/4，更優地，氣體通道2的頂端伸入相鄰兩層反應層1中位于上層的反應層內的高度h1為該位于上層的反應層1高度的1/2～3/5。

另外，氣體通道2的底端伸入相鄰兩層反應層1中位于下層的反應層內，作為一個優選方案，氣體通道2的底端伸入相鄰兩層反應層1中位于下層的反應層內的高度h2不大于該位于下層的反應層1高度的3/4。更優地，氣體通道2的底端伸入相鄰兩層反應層1中位于下層的反應層內的高度h2不大于該位于下層的反應層1高度的1/2，更優地，氣體通道2的底端伸入相鄰兩層反應層1中位于下層的反應層內的高度h2不大于該位于下層的反應層1高度的1/4，最優地，反應層蓄滿金屬鎵5時，氣體通道2的底端不會浸入到金屬鎵5中。當然，在其他實施方式中，氣體通道2的底端伸入相鄰兩層反應層1中位于下層的反應層內的高度h2也可以等于0，即氣體通道2的底端可以與相鄰兩層反應層1中位于下層的反應層的頂端保持平齊。

另外，在整個鎵源反應器中，各個氣體通道2的長度可以一樣長，也可以不一樣長，只需要滿足上述技術特征即可，本實施方式并不對此進行限制。

請繼續參閱圖1和圖2，在本實施方式中，出氣管道4的頂端伸入最下層反應層1內，用于對生成的氯化鎵氣體進行緩沖、穩流和過濾，一般情況下，最下層反應層1內不注入金屬鎵5，且出氣管道4的頂端伸入最下層反應層內一定高度h3，可以對生成的氯化鎵氣體中夾帶的金屬鎵顆粒進行蓄留和攔阻，避免這些顆粒落在生長襯底上造成襯底污染，從而避免生成的晶圓片缺陷密度較大或破裂。作為一個優選的方案，出氣管道4的頂端伸入最下層反應層1內的高度h3為最下層反應層1高度的1/4～3/4。更優地，出氣管道4的頂端伸入最下層反應層1內的高度h3為最下層反應層1高度的1/2-3/5。

另外，出氣管道4可以位于最下層反應層1的底端的任意位置。作為一個優選方案，出氣管道4位于最下層反應層1的底端的中心位置。

請繼續參閱圖1和圖2，在本實施方式中，進氣管道3與頂端伸入最上層反應層1內的氣體通道2相對設置在穩定鎵源反應器的兩側，氯化氫氣體從進氣管道3進入，從最上層反應層1的一端流向另一端后才會從氣體通道2流向下一反應層1，這樣就使得氯化氫氣體與最上層反應層1內的金屬鎵5接觸時間增加，更利于氯化氫氣體與最上層反應層1內的金屬鎵5充分反應。

另外，進氣管道3的管道寬度小于等于出氣管道4的管道寬度。作為一個優選方案，進氣管道3的管道寬度小于出氣管道4的管道寬度。

另外，值得一提的是，在本實施方式中，進氣管道3和出氣管道4在不同的反應層1，大大降低了從進氣管道3進入的氯化氫氣體直接從出氣管道4排出的概率。

另外，本實施方式的溫度鎵源反應器應用于溫度在800℃～1200℃的具有腐蝕性氣體環境中，且在本實施方式中，反應層1采用石英材質制備而成。當然，在其他實施方式中，反應層1也可以采用除金屬材質外的其他材質，這是由于金屬鎵具有穿透性，能穿透金屬，因此反應層1應采用金屬鎵無法穿透的材質制備。.

如圖2所示，在本實施方式的穩定鎵源反應器中進行氯化氫氣體與金屬鎵的反應時，氯化氫氣體從進氣管道3進入最上層反應層1，隨后從氣體通道2向下進入相鄰兩層反應層1，并逐層通過所有反應層1，最終生成的氯化鎵氣體從出氣管道4流出。本實施方式的穩定鎵源反應器能夠確保氯化氫氣體充分與金屬鎵5進行反應，當通入氯化氫氣體(如圖2中的hcl)的數量均勻恒定時，生成的氯化鎵氣體的數量是恒定可控的，進而保證其在后續工藝中生成氮化鎵的數量和均勻性恒定可控，為生長厚膜氮化鎵提供了設備基礎，解決了現有技術中的鎵源反應器的種種弊端。

請參閱圖3，本發明的第二實施方式涉及一種穩定鎵源反應器。第二實施方式與第一實施方式大致相同，主要區別之處在于：在第一實施方式中，相鄰兩層反應層1之間的直接進行疊置。而在本發明第二實施方式中，相鄰兩層反應層1之間通過一支撐柱6進行疊置。具體地說：

本實施方式的穩定鎵源反應器還包括：位于相鄰兩層反應層1之間的支撐柱6，相同兩層反應層1之間的支撐柱6和氣體通道2相對設置在穩定鎵源反應器的兩側。如圖3所示，相鄰兩層反應層1之間，一端通過支撐柱6穩固支撐，另一端通過氣體通道2穩固連接。本實施方式的穩定鎵源反應器帶來了更靈活可變的穩定鎵源反應器設計。

由于本實施方式是在本發明第一實施方式的基礎上進行的改進，第一實施方式中提到的相關技術細節在本實施方式中依然有效，為了減少重復，這里不再贅述。相應地，本實施方式中提到的相關技術細節也可應用在第一實施方式中。

請參閱圖4和圖5，本發明第三實施方式涉及一種穩定鎵源反應器。第三實施方式與第一實施方式和第二實施方式大致相同，主要區別之處在于：在第一實施方式和第二實施方式中，出氣管道4是一根直通管道。而在本發明第四實施方式中，對出氣管道4進行了結構改進，用于防止鎵源反應器外部的氣體壓力過大，導致鎵源反應器外部的其他氣體倒灌進入鎵源反應器內，污染鎵源。具體地說：

作為一個優選方案，如圖4所示，出氣管道4的內壁向內收縮形成一縮頸結構41，反應生成的氯化鎵氣體可以從縮頸結構41處流出，縮頸結構41的最小截面面積是出氣管道4的內截面面積的1/4～3/4，更優地，縮頸結構41的最小截面面積是出氣管道4的內截面面積的2/5-3/5。

作為另一個優選方案，如圖5和圖6所示，出氣管道4的出口處設有封端42，封端42上開設有至少一個出氣孔421。其中，出氣孔421的形狀可以為圓形、方形或者其他形狀，數量也可以根據實際需要進行設計，優選地，出氣孔421的數量為1～30個，更優地，出氣孔的數量為4-16個，并且這些出氣孔421均勻地分布在封端42上，且出氣孔總面積占封端總面積的1/4～3/4，更利于生成的氯化鎵氣體勻速流出，且保障了氣流的均勻性。

由于本實施方式是在本發明第一實施方式或第二實施方式的基礎上進行的改進，第一實施方式或第二實施方式中提到的相關技術細節在本實施方式中依然有效，為了減少重復，這里不再贅述。相應地，本實施方式中提到的相關技術細節也可應用在第一實施方式或第二實施方式中。

綜上所述，本發明的穩定鎵源反應器，具有以下有益效果：本發明采用多層反應層疊置在一起，相鄰兩層反應層之間通過氣體通道連通，液態金屬鎵預先通過進氣管道和各氣體通道注入到各反應層中，然后通入氯化氫氣體進行反應，氯化氫氣體從進氣管道進入最上層反應層，隨后從氣體通道向下進入相鄰兩層反應層，并逐層通過所有反應層，最終生成的氯化鎵氣體從出氣管道流出，從而能夠確保氯化氫氣體充分與金屬鎵進行反應。并且，本發明中進氣管道和出氣管道在不同的反應層，大大降低了從進氣管道進入的氯化氫氣體直接從出氣管道排出的概率。并且，本發明中最下層反應層用于對生成的氯化鎵氣體進行緩沖、穩流和過濾，其內不注入金屬鎵，且出氣管道的頂端伸入最下層反應層內一定高度，可以對生成的氯化鎵氣體中夾帶的金屬鎵顆粒進行蓄留和攔阻，避免這些顆粒落在生長襯底上造成襯底污染，從而避免生成的晶圓片缺陷密度較大或破裂。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。