[发明专利]空间调制原子层化学气相淀积外延生长的装置及方法无效
申请号: | 200710178282.4 | 申请日: | 2007-11-28 |
公开(公告)号: | CN101445955A | 公开(公告)日: | 2009-06-03 |
发明(设计)人: | 朱建军;杨辉;王怀兵 | 申请(专利权)人: | 中国科学院半导体研究所 |
主分类号: | C30B25/02 | 分类号: | C30B25/02 |
代理公司: | 中科专利商标代理有限责任公司 | 代理人: | 汤保平 |
地址: | 100083北*** | 国省代码: | 北京;11 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 空间 调制 原子 化学 气相淀积 外延 生长 装置 方法 | ||
技术领域
本发明涉及一种空间调制原子层化学气相淀积外延生长方法,具体涉及一种通过特殊设计的进气装置把各种不同种类的原料气在空间上相互隔离开,然后通过转动或者平移等方法使外延材料的衬底相继通过不同种类原料气所覆盖的空间的“空间调制”方法实现的、能够避免原料气之间发生寄生反应、原料气利用效率高、生长速率高的制备半导体外延材料(尤其是三族氮化物材料,包括AlN、GaN和InN以及它们的合金化合物)的原子层化学气相淀积外延生长方法。
背景技术
化学气相沉积技术(Chemical Vapor phaseDeposition简称CVD)是一种重要的半导体材料外延生长沉积技术,其原理是将要沉积的金属或非金属的挥发性化合物在加热的衬底上分解或还原,从而在衬底的表面上析出金属、金属以及化合物半导体等。CVD的研制和生产是应低维半导体器件结构材料外延生长的需要而发展起来的。它主要通过把挥发性的化合物与其它组分的源(主要是氢化物)输送入反应室进行混合并发生气相化学反应和表面反应的途径在衬底上生长固体薄膜材料。
分子束外延(Molecular Beam Epitaxy简称MBE)是在真空蒸发的基础上发展起来的制备极薄的单层或多层单晶薄膜的技术。MBE的原理是在超高真空条件下,构成晶体的各个组分和掺杂原子(分子)以一定的热运动速度、按一定的比例喷射到热的衬底表面上进行晶体外延生长。MBE的特点是生长速度慢(近似1微米/小时)、生长温度低。利用MBE方法可随意改变外延层的组份和掺杂,不仅可以在原子尺度范围内精确地控制外延薄膜的厚度,还可以在原子尺度范围内控制异质结界面平整度和掺杂分布。MBE的最大的优势在于它有多种在位检测手段,可以在生长的过程中原位研究外延表面的生长过程,而且可以做高能电子衍射、低能电子衍射、四极质谱等各种表面分析。
原子层外延(Atomic Layer Epitaxy简称ALE)和迁移增强外延(Migration Enhanced Epitaxy简称MEE)两种技术是MBE的衍生技术。这两种外延方法的原理都是把参与外延生长的原子(分子)束交替地向衬底脉冲投射,在两个脉冲之间有(或者没有)一定的时间间隔,使外延能够严格地按单原子层或单分子层的生长规律一层接一层地生长。因此,ALE和MEE法更容易控制外延材料表面的平整度。
金属有机化学汽相淀积(Metal organic chemicalvapor phase deposition,MOCVD)是在CVD的基础上发展起来的一种新型汽相外延生长技术。它采用III族、II族元素的有机化合物和V族元素的氢化物等作为晶体生长原料,以热分解反应方式在衬底上进行汽相外延,生长各种III-V族、II-VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄膜层单晶材料。一般的MOCVD设备都由源供给系统、气体输运和流量控制系统、反应室及温度控制系统、尾气处理和安全防护及毒气报警系统构成。与常规的CVD相比,MOCVD具有一系列优点。比如适用范围广泛,几乎可以生长所有化合物及合金半导体;非常适合于生长各种异质结构材料;可以生长超薄外延层,并能获得很陡的界面结构;生长易于控制;可以生长纯度很高的材料;外延层大面积均匀性良好;可以进行大规模生产。
与MBE相比,MOCVD不仅具有MBE所能进行的超薄层、陡界面外延生长的能力,而且还具有设备简单、操作方便、便于大规模生产等特点,因而比MBE具有更大的实用价值。
MOCVD的发展趋势是通过改变源气体的供给方式或基片的悬浮与转动,来实现大面积、大批量、高均匀性和陡峭的过渡界面层的计算机控制生产。
1968年,美国洛克威尔公司的H.M.Manasevit等年首先提出了一种制备化合物半导体薄层单晶膜的方法,即MOCVD方法。MOCVD已有近30年的应用历史,其性能已经得到不断改进和完善。MOCVD近年来取得的最大进步是运用流体力学的原理实现生长过程中的基片旋转,从而大大改进了生长的均匀性。主要是参照了卤化物、氢化物汽相外延技术的研究成果,将外延生长控制在质量输运条件下来进行,控制气流为层流,保持稳定的边界层。为此采用了高流速、低压、基座旋转等技术,并对反应室和基座的结构进行了改进。
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