專利名稱：一種改進氫化物氣相外延生長GaN材料均勻性的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種改進氫化物氣相外延(HVPE)生長GaN材料生長均勻性的方法 和裝置。
二背景技術：
以GaN及InGaN、 AlGaN合金材料為主的III-V族氮化物材料(又稱GaN基材料) 是近幾年來國際上倍受重視的新型半導體材料。GaN基材料是直接帶隙寬禁帶半導體 材料，具有1.9L2eV之間連續可變的直接帶隙，優異的物理、化學穩定性，高飽和 電子漂移速度，高擊穿場強和高熱導率等優越性能，在短波長半導體光電子器件和高 頻、高壓、高溫微電子器件制備等方面具有重要的應用，用于制造比如藍、紫、紫外 波段發光器件、探測器件，高溫、高頻、高場大功率器件，場發射器件，抗輻射器件， 壓電器件等。
GaN的生長有很多種方法，如金屬有機物氣相外延(MOCVD)、高溫高壓合成 體GaN單晶、分子束外延(MBE)、升華法以及氫化物氣相外延(HVPE)等。由于 GaN本身物理性質的限制，GaN體單晶的生長具有很大的困難，尚未實用化。氫化 物氣相外延由于具有高的生長率和橫向-縱向外延比，可用于同質外延生長自支撐 GaN襯底，引起廣泛地重視和研究。早期人們主要采用氫化物氣相外延(HVPE)方 法在藍寶石襯底上直接生長GaN，再加以分離，獲得GaN襯底材料。此法的突出缺 點是GaN外延層中位錯密度很高， 一般達101()011-2左右。目前的主要方法是采用橫 向外延、懸掛外延等方法，輔以HVPE高速率外延技術生長厚膜，最后將原襯底去除， 從而獲得位錯密度較低的自支撐GaN襯底材料。迄今為止，HVPE生長得到的自支 撐GaN襯底，位錯密度低于106cnf2，面積已經超過lcm2。但是仍然遠遠不能滿足實 際應用的需求。
由于傳統HVPE系統內部結構、氣流輸運等的限制，大面積(>2平方英寸)GaN 自支撐襯底的均勻性仍需要進一步研究改進。
發明內容
本發明目的是提出一種臥式氫化物氣相外延(HVPE)生長GaN材料均勻性 的方法，改進傳統HVPE生長設備的部件結構，使得源氣體均勻的分布并混合，最終 改善大面積(>2英寸)GaN自支撐襯底生長的均勻性。
本發明目的還在于提出了一種新的HVPE系統中生長GaN材料更均勻的生長 裝置結構，使得氫化物氣相外延系統中的GaCl氣體或者NH3均勻的散布在襯底表面， 并在襯底表面和其他源氣體均勻混合，提高GaN產品的厚度均勻性和質量。并且避 免了源氣體預先混合造成的預反應，提高了源氣體的利用率和反應器的使用壽命。
本發明的技術解決方案改進氫化物氣相外延生長GaN材料均勻性的方法，在 HVPE生長系統中，將GaCl或者NH3源氣體通過石英噴淋頭均勻的噴灑在生長襯底的表面上。噴淋頭由很多均勻分布的小孔組成石英板噴淋頭，石英板噴淋頭與生長襯 底平行，石英板噴淋頭尺寸略大于襯底的尺寸，以保證襯底上的源氣體濃度和流速處 處相同。在水平式HVPE系統中可以采用矩形(方形)或者圓形石英板噴淋頭結構， 使得氣流分布更均勻。
改進氫化物氣相外延生長GaN材料均勻性的裝置，常規HVPE生長系統設有一柱 型或長方形生長腔內，腔內設有生長襯底、加熱器、測溫裝置以及氣體的進氣口和排 氣口構成，進氣口連接到石英噴淋頭上，石英噴淋頭設在生長襯底的表面上方，噴淋 頭是多均勻分布的小孔組成，即構成石英板噴淋頭。在水平式HVPE系統中采用矩形 (方形)或者圓形石英板噴淋頭結構，使氣流分布更均勻。石英板噴淋頭將GaCl或 者NH3源氣體均勻的噴灑在襯底的表面。噴淋頭設在石英板上并和襯底平行。石英 板尺寸略大于襯底的尺寸，以保證襯底上的源氣體濃度和流速處處相同。如圖l。
本發明的有益效果是通過特別的設計控制源氣體GaCl或者NH3在襯底表面 的均勻分布，從而改善襯底上方發生反應的源氣體的分布更加均勻合適。矩形(方形) 結構的噴淋頭設計，可以使得氣流分布的更加均勻。樣品無需旋轉。
四
圖1是本發明水平式石英噴淋頭的方形結構示意圖。 圖2是圖l噴淋頭的截面示意圖
圖3是應用新型噴淋頭結構獲得的均勻高質量GaN薄膜照片
五具體實施例方式
圖中箭頭是源氣的流向，石英板噴淋頭1均勻分布的多個小孔2，小孔的孔徑是 l-4mm，分布的小孔的密度3-20個/平方厘米。石英板噴淋頭設在生長襯底的表面 上方并與襯底的間距一般是5-20mm。石英板噴淋頭的形狀是圓形結構或矩形均可。
本發明技術實施可以有兩種方式1、 GaCl氣體及載氣從噴淋頭噴到襯底上方， NH3及載氣和總N2混合后水平進入襯底上方在該處和GaCl氣體混合并發生反應。 2、 NH3氣體及載氣從噴淋頭噴到襯底上方，GaCl氣體及載氣和總N2混合后水平進 入襯底上方在該處和NH3氣體混合反應。采用這兩種實施方式進行實際生長，均得 到了均勻分布的高質量GaN樣品，如圖3所示。
權利要求
1、改進氫化物氣相外延生長GaN材料均勻性的方法，其特征是在HVPE生長過程中，將GaCl或者NH3源氣體通過石英噴淋頭均勻噴灑在生長襯底的表面上。
2、 根據權利要求1所述的改進氫化物氣相外延生長GaN材料均勻性的方法，其 特征是噴淋頭由均勻分布的小孔組成石英板噴淋頭，石英板噴淋頭與生長襯底平行。
3、 根據權利要求1所述的改進氫化物氣相外延生長GaN材料均勻性的方法，其 特征是石英板尺寸略大于襯底的尺寸，以保證襯底上的源氣體濃度和流速處處相同。
4、 改進氫化物氣相外延生長GaN材料均勻性的裝置，常規HVPE生長系統設有 一柱型或長方形生長腔內，腔內設有生長襯底、加熱器、測溫裝置以及氣體的進氣口 和排氣口構成，其特征是進氣口連接到石英噴淋頭上，石英噴淋頭設在生長襯底的表 面上方并與襯底平行，噴淋頭是多均勻分布的小孔組成石英板噴淋頭。
5、 根據權利要求1所述的改進氫化物氣相外延生長GaN材料均勻性的裝置，其 特征是在水平式HVPE系統中采用矩形或者圓形石英板噴淋頭結構。
6、 根據權利要求1所述的改進氫化物氣相外延生長GaN材料均勻性的裝置，其 特征是石英板噴淋頭尺寸略大于襯底的尺寸。
7、 根據權利要求1所述的改進氫化物氣相外延生長GaN材料均勻性的裝置，其 特征是小孔的孔徑是l-4mm，分布的小孔的密度3-20個/平方厘米。
全文摘要
改進氫化物氣相外延生長GaN材料均勻性的方法，在HVPE生長過程中，將GaCl或者NH3源氣體通過石英噴淋頭均勻噴灑在生長襯底的表面上。噴淋頭由均勻分布的小孔組成石英板噴淋頭，石英板噴淋頭與生長襯底平行。本發明通過特別的設計控制源氣體GaCl或者NH3在襯底表面的均勻分布，從而改善襯底上方發生反應的源氣體的分布更加均勻合適。矩形(方形)結構的噴淋頭設計，可以使得氣流分布的更加均勻，樣品無需旋轉。
文檔編號C30B29/40GK101281864SQ20081001910
公開日2008年10月8日 申請日期2008年1月11日 優先權日2008年1月11日
發明者修向前, 榮 張, 毅 施, 朱順明, 胡立群, 謝自力, 鄭有炓, 海 陸, 平 韓, 顧書林 申請人:南京大學