專利名稱：一種獲取均勻?qū)拵栋雽?dǎo)體薄膜的同軸進氣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料的制備方法，具體的說是涉及一種半導(dǎo)體薄膜生長的同軸進氣方法。
背景技術(shù)：
寬帶隙半導(dǎo)體材料已成為半導(dǎo)體及光電子研究的中心之一。這類半導(dǎo)體材料主要包含兩類一類是以氮化鎵為代表的III族氮化物材料，另一類是以氧化鋅為代表的II-VI族化合物半導(dǎo)體材料。這兩類寬禁帶半導(dǎo)體材料具有一些共同的優(yōu)點，如禁帶寬度大、電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小，導(dǎo)熱性能好等特點，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件，而更重要的是他們均具有優(yōu)異的光電特性，是制作藍、綠光和紫外光的激光器件和光探測器件的優(yōu)選材料。
目前，金屬有機物氣相外延(MOCVD)，分子束外延(MBE)，氫化物氣相外延(HVPE)是制備寬帶隙半導(dǎo)體材料的主要方法，而MOCVD技術(shù)由于可以實現(xiàn)大面積、均勻性好和高速率的單晶外延材料的生長，有助于高質(zhì)量光電器件的研制，是目前生長用于光電材料高純度外延薄膜的最重要技術(shù)之一。同時，HVPE技術(shù)目前也是獲得大面積自支撐GaN襯底的主要技術(shù)之一。
相對于分子束外延技術(shù)，MOCVD及HVPE技術(shù)均是通過將金屬源(含Zn或Ga的化合物，后稱反應(yīng)物I)氣體與V族或VI族氣體(后稱反應(yīng)物II)如O2、NH3等，通過不同的管路通入反應(yīng)室。由于需要將這兩種氣體分子在抵達薄膜生長的襯底之前混合充分，以得到均勻的薄膜材料，因此人們常常將這兩種反應(yīng)物預(yù)先混合。但用于研制這類寬帶隙半導(dǎo)體材料的反應(yīng)物之間具有極強的預(yù)反應(yīng)行為，這就使反應(yīng)室的設(shè)計必須在抑制反應(yīng)物的預(yù)反應(yīng)與獲得材料生長均勻性之間獲得平衡與優(yōu)化。
目前商用的MOCVD設(shè)備采取了各種技術(shù)來解決這一問題，如Thomas Swan公司的Shower技術(shù)以及行星技術(shù)等，Nichia公司的雙層氣流技術(shù)等，但這些技術(shù)的加工難度較大，同時必須配以襯底旋轉(zhuǎn)技術(shù)，以達到高質(zhì)量的器件材料及很好的材料均勻性。這些眾多技術(shù)的集成使得設(shè)備的研制成本與加工成本很高，比較適合于各種器件的大規(guī)模生產(chǎn)。而對于許多探索性研究而言，能夠采用一種成本較低，技術(shù)難度較小的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)較均勻的半導(dǎo)體薄膜的生長，就能完全滿足研究的要求。

發(fā)明內(nèi)容
1.發(fā)明目的本發(fā)明的目的是通過采用一種成本較低、技術(shù)難度較小的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)獲取均勻?qū)拵栋雽?dǎo)體薄膜的同軸進氣方法。
2.技術(shù)方案本項發(fā)明提出采用同軸氣流進氣技術(shù)，解決了MOCVD或HVPE系統(tǒng)中寬帶隙半導(dǎo)體材料生長中存在的預(yù)反應(yīng)與材料均勻性之間的矛盾，以實現(xiàn)較均勻區(qū)間的材料生長。該核心技術(shù)為一系列同軸的石英管或石英環(huán)，以保證上述所提的反應(yīng)物I和II能均勻分布在襯底表面。采用一種成本較低，技術(shù)難度較小的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，如圖(1)所示，它由進氣管1、進氣環(huán)2、進氣環(huán)3、進氣環(huán)4、內(nèi)管5、外管8、襯底6、襯底托7和排氣口或抽真空口9等所組成。
一種獲取均勻?qū)拵栋雽?dǎo)體薄膜的同軸進氣方法，其方法步驟如下a.首先將襯底6的材料清洗后放置在襯底托7上，一并放入反應(yīng)室內(nèi)，反應(yīng)室用機械泵和分子泵從真空抽氣口9抽真空；本底真空度抽至10-3Pa；b.反應(yīng)物I由高純氣攜帶由進氣管1輸入，反應(yīng)物II由進氣環(huán)3輸入，隔離氣由進氣環(huán)2輸入，隔離氣把反應(yīng)物I和反應(yīng)物II進行隔離，壓迫氣由進氣環(huán)4輸入，壓迫氣促使反應(yīng)物I的氣流和反應(yīng)物II的氣流以及隔離氣的氣流盡可能抵達襯底表面，控制反應(yīng)室的壓力和襯底6與進氣口之間的距離D；c.襯底6由置于襯底托7下的電爐加熱，加熱到設(shè)定溫度后，反應(yīng)物I由高純氣攜帶從進氣管1進入反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)物II通過進氣環(huán)3通入反應(yīng)區(qū)，兩種反應(yīng)物接近襯底6表面時均勻混合，并吸附在處于高溫的襯底6表面發(fā)生分解反應(yīng)，從而在襯底6上生長成均勻?qū)拵栋雽?dǎo)體薄膜。
上述步驟a中所述的襯底6的材料包括藍寶石或Si、GaAs、ZnO；襯底托7為石墨或易導(dǎo)熱金屬材料。
上述步驟b中所述的反應(yīng)物I包括Zn或Ga的化合物，反應(yīng)物II包括O2或NH3，高純氣包括高純的Ar或N2。
上述步驟b中反應(yīng)物I由進氣管1輸入的氣流速度為0.1-50m/s，反應(yīng)物II由進氣環(huán)(3)輸入的氣流速度為0.1-50m/s，隔離氣由進氣環(huán)(2)輸入的氣流速度為0.1-40m/s，壓迫氣由進氣環(huán)(4)輸入，其氣流速度在0.1-60m/s。
上述步驟b中所述的控制反應(yīng)室的壓力可從低壓1Torr區(qū)到常壓760Torr區(qū)，距離D為2-6cm.
上述步驟c中所述的襯底6加熱的設(shè)定溫度為400-700℃。
在該發(fā)明中，各種氣體的速度由各自的氣體流量和石英管或石英環(huán)的截面積所決定，同時強烈依賴于反應(yīng)室的工作壓力。本項發(fā)明技術(shù)方案的以下描述中所涉及的典型數(shù)值均以工作于一個大氣壓的情況為例，其他工作壓力均應(yīng)在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化與計算。進氣管1的氣體速度必須滿足使氣體反應(yīng)物I能均勻分布在襯底表面，這要求氣體速度必須在一定范圍0.1-2m/s內(nèi)，具體數(shù)值須在進氣口與襯底距離D以及進氣管的內(nèi)徑之間進行優(yōu)化設(shè)計。由進氣環(huán)2輸入的隔離氣起將反應(yīng)物I和II在空間上隔離的作用，同時它也是反應(yīng)物I氣流的壓迫氣，它的速度數(shù)值變化范圍在0.1-1m/s的范圍內(nèi)，其速度大小必須保證(1)將反應(yīng)物I和II在到達襯底前充分隔離，降低到達襯底前的混合程度。(2)同時迫使反應(yīng)物I盡量分布在襯底表面，以提高反應(yīng)物I的利用率，提高生長速率。氣體反應(yīng)物II由進氣環(huán)3輸入，由于其進氣分布為環(huán)狀，為保證反應(yīng)物II在襯底表面的均勻性，其氣流速度必須略小于反應(yīng)物I的速度，該速度要保證該反應(yīng)物能夠更多的抵達襯底。該氣流的典型數(shù)值一般在0.1-0.5m/s范圍內(nèi)。壓迫氣由進氣環(huán)4輸入，該氣流的速度應(yīng)盡可能的大，其典型數(shù)值在0.1-2m/s范圍內(nèi)。這樣壓迫氣才能起到將反應(yīng)物II盡可能壓迫到生長的襯底表面，以提高反應(yīng)物的利用率。同時隔離氣和壓迫氣還有一個重要的作用，即盡量阻止反應(yīng)物I或II與石英管壁的接觸，以減少反應(yīng)物在反應(yīng)室內(nèi)壁的生長，防止對系統(tǒng)的沾污和對系統(tǒng)材料生長運行的重復(fù)性產(chǎn)生破壞。
在典型氣流條件下，我們采用計算機模擬技術(shù)對不同距離D的襯底反應(yīng)物濃度分布進行了計算，結(jié)果如圖2-3所示。圖2表明氣體反應(yīng)物II在襯底表面的分布濃度在D2左右時較高，說明在該位置上，反應(yīng)物II的利用效率較高。另一方面，圖3表明反應(yīng)物I的利用效率隨距離D的增加而大幅度下降，較小的距離D能使薄膜生長速率控制在較高的水平上。這樣，在標準氣流下，采用距離為D2的襯底位置，在2英寸的襯底表面可以獲得較均勻分布的高質(zhì)量薄膜材料。理論模擬表明在典型尺寸下，半導(dǎo)體薄膜的表面不均勻性為±10％，完全可以滿足半導(dǎo)體材料與簡單器件結(jié)構(gòu)的生長與研究。
如上所述，與各管路進氣速度一樣，進氣口與襯底之間的距離(圖1中距離D)也是主要的關(guān)鍵因素。一般而言，進氣口與襯底之間的距離的典型尺寸為3到5cm，在該尺寸范圍內(nèi)，反應(yīng)物在襯底表面能夠獲得較均勻的分布，又能保證這兩種反應(yīng)物在抵達襯底之前的混合程度受到控制。
在該項發(fā)明中，較高的氣流速度是本項發(fā)明的關(guān)鍵所在，因為較高的氣流速度能夠大大降低反應(yīng)物在抵達襯底之前的輸運時間，從而減小預(yù)反應(yīng)的程度。同時，輸運時間的縮短也大大有助于降低反應(yīng)物抵達襯底之前的溫度，從而也會大大抑制預(yù)反應(yīng)的強度。在本項發(fā)明中，反應(yīng)物抵達襯底的典型時間為毫秒量級以下。
與此同時，圖1中出氣口(環(huán))的速度與尺寸也是實現(xiàn)反應(yīng)物在襯底表面均勻分布和提供反應(yīng)物利用率的的較關(guān)鍵因素。如果該出氣口速度較大，將使反應(yīng)物較難抵達襯底表面而在空間短路，直接從出氣口流走，從而使反應(yīng)物的利用率大大下降，薄膜的均勻性較差。而如若出氣口速度過小，將使反應(yīng)氣流易形成渦流，從而使反應(yīng)物混合過早，加劇了預(yù)反應(yīng)，使薄膜的材料質(zhì)量大大下降。該數(shù)值的典型值0.02-0.1m/s范圍內(nèi)。
3.有益效果該發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，涉及的加工技術(shù)難度不高，成本較低，實用性強，兼容性好，適用于各種MOCVD，HVPE和各種必須考慮反應(yīng)物預(yù)反應(yīng)的反應(yīng)室的設(shè)計中，并且反應(yīng)室壓力可從低壓(1Torr)區(qū)工作到常壓(760Torr)區(qū)。特別適合于各種GaN基和ZnO基等寬帶隙結(jié)構(gòu)材料的生長與器件結(jié)構(gòu)材料的研究。
四

圖1.反應(yīng)室結(jié)構(gòu)示意2.固定氣體流量下，不同距離D采用計算機模擬的襯底表面氣體反應(yīng)物II的分布3.固定氣體流量下，不同距離D采用計算機模擬的襯底表面氣體反應(yīng)物I的分布圖附圖的標記說明1-進器官 2-隔離氣進氣環(huán) 3-反應(yīng)物I進氣環(huán) 4-壓迫氣進氣環(huán) 5-內(nèi)管 6-襯底 7-襯底托 8-反應(yīng)室外管 9-反應(yīng)室排氣口或真空抽氣口五具體實施方式
實施例1在藍寶石襯底上采用MOCVD生長ZnO薄膜的典型生長步驟與條件如下首先將藍寶石襯底6清洗后放置在襯底托7上，并裝人反應(yīng)室內(nèi)，反應(yīng)室用機械泵和分子泵從真空抽氣口9抽真空，本底真空度抽至較高真空度(10-3Pa)。然后將高純氣體(Ar)作為隔離氣通入隔離氣進氣環(huán)2(流量為50sccm，進氣流速為8m/s)和壓迫氣通入壓迫氣進氣環(huán)4(流量為100sccm，進氣流速為10m/s)由圖1中隔離氣進氣環(huán)2與壓迫氣進氣環(huán)4導(dǎo)入生長區(qū)，控制反應(yīng)室壓力為200Pa，襯底6與進氣口距離D為3cm。襯底6由置于襯底托7下的電爐加熱，當加熱到設(shè)定溫度(550℃)后，放置在鋼瓶中的液態(tài)MO源二乙基鋅(Zn(C2H5)2)由高純Ar氣攜帶(載氣流量10sccm，導(dǎo)致1進氣流速為16m/s)從圖1中1通入反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)物II O2(流量50sccm，導(dǎo)致3進氣流速為20m/s)通過進氣環(huán)3通入反應(yīng)區(qū)，兩種反應(yīng)物在接近襯底6表面時均勻混合，并吸附在處于高溫的藍寶石襯底6的表面發(fā)生分解反應(yīng)，從而在襯底6上生長成ZnO。反應(yīng)物I的通入量決定ZnO的生長速率，它除由載氣流量決定外，還可由Zn(C2H5)2源瓶溫度所控制。在該實施例中，源瓶溫度控制在0℃，導(dǎo)致ZnO的生長速度為0.2nm/s。
實施例2在藍寶石襯底上采用HVPE生長GaN薄膜的典型生長步驟與條件如下該HVPE裝置防置于一雙溫區(qū)的管式電爐中，分為兩個區(qū)域第一個區(qū)域為反應(yīng)物I合成區(qū)，此區(qū)域處于900℃高溫，金屬鎵源與通入由高純N2攜帶的HCl氣體(流量分別為140sccm和6sccm)在這里反應(yīng)生成反應(yīng)物I GaCl；第二個區(qū)域為反應(yīng)區(qū)，圖1中的結(jié)構(gòu)就位于此區(qū)域內(nèi)，該反應(yīng)區(qū)為恒溫區(qū)，溫度為1100℃，襯底與進氣口距離D為4cm。首先將藍寶石襯底片清洗后裝人反應(yīng)室，反應(yīng)室用高純N2保護高純氣體(N2)作為隔離氣(流量為500sccm，導(dǎo)致2進氣流速為0.1m/s)和壓迫氣(流量為1500sccm，導(dǎo)致4進氣流速為0.1m/s)由圖1中2與4導(dǎo)入生長區(qū)，并從9排出，9排氣流速為0.05m/s，反應(yīng)室壓力為一個大氣壓。反應(yīng)物I由高純N2氣攜帶(載氣流量140sccm，導(dǎo)致進氣環(huán)1進氣流速為0.2m/s)從圖1中反應(yīng)物I進氣環(huán)1通入反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)物II NH3(流量350sccm，導(dǎo)致進氣環(huán)3進氣流速為0.4m/s)通過進氣環(huán)3通入反應(yīng)區(qū)，兩種反應(yīng)物在接近襯底6的表面時均勻混合，并吸附在處于高溫的藍寶石襯底6的表面發(fā)生分解反應(yīng)，從而在襯底6上生長GaN。在該實施例中，反應(yīng)物I的通入量決定ZnO的生長速率，它由GaCl流量決定，導(dǎo)致GaN的生長速率為15nm/s。
權(quán)利要求
1.一種獲取均勻?qū)拵栋雽?dǎo)體薄膜的同軸進氣方法，其方法步驟如下a.首先將襯底(6)的材料清洗后放置在襯底托(7)上，一并放入反應(yīng)室內(nèi)，反應(yīng)室用機械泵和分子泵從真空抽氣口(9)抽真空，本底真空度抽至10-3Pa；b.反應(yīng)物I由高純氣攜帶從進氣管(1)輸入，反應(yīng)物II由進氣環(huán)(3)輸入，隔離氣由進氣環(huán)(2)輸入，隔離氣把反應(yīng)物I和反應(yīng)物II進行隔離，壓迫氣由進氣環(huán)(4)輸入，壓迫氣促使反應(yīng)物I的氣流和反應(yīng)物II的氣流以及隔離氣的氣流盡量抵達襯底表面，并控制反應(yīng)室的壓力和襯底(6)與進氣口的距離D；c.襯底(6)由置于襯底托(7)下的電爐加熱，加熱到設(shè)定溫度后，反應(yīng)物I由高純氣攜帶從進氣管(1)進入反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)物II通過進氣環(huán)(3)通入反應(yīng)區(qū)，兩種反應(yīng)物接近襯底(6)表面時均勻混合，并吸附在處于高溫的襯底(6)表面發(fā)生分解反應(yīng)，從而在襯底(6)上生長成均勻?qū)拵栋雽?dǎo)體薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體薄膜的同軸進氣方法，其特征在于步驟a中所述的襯底(6)的材料包括藍寶石或Si、GaAs、ZnO；襯底托(7)為石墨或易導(dǎo)熱金屬材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體薄膜的同軸進氣方法，其特征在于步驟b中所述的反應(yīng)物I包括Zn或Ga的化合物，反應(yīng)物II包括O2或NH3，高純氣包括高純的Ar或N2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體薄膜的同軸進氣方法，其特征在于步驟b中反應(yīng)物I由進氣管1輸入的氣流速度為0.1-50m/s，反應(yīng)物II由進氣環(huán)(3)輸入的氣流速度為0.1-50m/s，隔離氣由進氣環(huán)(2)輸入的氣流速度為0.1-40m/s，壓迫氣由進氣環(huán)(4)輸入，其氣流速度在0.1-60m/s。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體薄膜的同軸進氣方法，其特征在于步驟b中所述的控制反應(yīng)室的壓力可從低壓1Torr區(qū)到常壓760Torr區(qū)，距離D為2-6cm.
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體薄膜的同軸進氣方法，其特征在于步驟c中所述的襯底(6)加熱的設(shè)定溫度為400-700℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種獲取均勻?qū)拵栋雽?dǎo)體薄膜的同軸進氣方法，該方法是在由一系列同軸的石英管和石英環(huán)的反應(yīng)器中進行的。其方法步驟是(1)、將襯底6放置在襯底托7上，一并放入反應(yīng)室，并將反應(yīng)室抽真空；(2)、反應(yīng)物I由進氣管1輸入，反應(yīng)物II由進氣環(huán)3輸入，隔離氣由進氣環(huán)2輸入，壓迫氣由進氣環(huán)4輸入；(3)、將襯底加熱至設(shè)定溫度，反應(yīng)物I和反應(yīng)物II接近襯底6表面時均勻混合，并吸附在處于高溫的襯底6表面發(fā)生分解反應(yīng)，從而在襯底6上生長成均勻?qū)拵兜陌雽?dǎo)體薄膜。該方法成本低、技術(shù)難度小、實用性強、特別適用于各種GaN基和ZnO基等寬帶隙結(jié)構(gòu)材料的生長與器件結(jié)構(gòu)材料的研究。
文檔編號C30B25/14GK1681088SQ20051003773
公開日2005年10月12日 申請日期2005年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月2日
發(fā)明者顧書林, 朱順明, 葉建東, 劉松明, 張 榮, 施毅, 鄭有炓 申請人:南京大學(xué)