[发明专利]一种改进HVPE传输气流均匀性的装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种改进氢化物气相外延(HVPE)生长半导体材料如GaN材料的生长进气气流均匀性的方法和装置。

二、背景技术

以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料。GaN基材料是直接带隙宽禁带半导体材料，具有1.9—6.2eV之间连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能，在短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备等方面具有重要的应用，用于制造比如蓝、紫、紫外波段发光器件、探测器件，高温、高频、高场大功率器件，场发射器件，抗辐射器件，压电器件等。

GaN的生长有很多种方法，如金属有机物气相外延(MOCVD)、高温高压合成体GaN单晶、分子束外延(MBE)、升华法以及氢化物气相外延(HVPE)等。由于GaN本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化。氢化物气相外延由于具有高的生长率和横向-纵向外延比，可用于同质外延生长自支撑GaN衬底，引起广泛地重视和研究。早期人们主要采用氢化物气相外延(HVPE)方法在蓝宝石衬底上直接生长GaN，再加以分离，获得GaN衬底材料。此法的突出缺点是GaN外延层中位错密度很高，一般达10¹⁰cm^-2左右。目前的主要方法是采用横向外延、悬挂外延等方法，辅以HVPE高速率外延技术生长厚膜，最后将原衬底去除，从而获得位错密度较低的自支撑GaN衬底材料。迄今为止，HVPE生长得到的自支撑GaN衬底，位错密度低于10⁶cm^-2，面积已经超过1cm²。但是仍然远远不能满足实际应用的需求。

由于传统HVPE系统内部结构、气流输运等的限制，大面积(>2英寸)GaN自支撑衬底的均匀性仍需要进一步研究改进。在立式多片型HVPE生长系统中，由于反应腔体直径大长度较长，从一端进入的反应气体品种多，为了保证生长的样品厚度分布均匀，就必须保证输入的各种气体在到达衬底表面时，形成一个均匀的圆环形分布。本申请人已经申请过采用多根气路传输管道进行生长气体的传输以改进均匀性，但仍有改进的必要。

三、发明内容

本发明目的是；提出一种改进的氢化物气相外延(HVPE)生长GaN材料进气气流均匀性的方法，改进立式HVPE生长设备的系统结构，使得源气体均匀的分布并混合，最终改善大面积材料(>2英寸)如GaN自支撑衬底生长的均匀性。

本发明目的还在于：提出一种新的HVPE系统源气体气流进气结构，使得立式氢化物气相外延系统中的所有各种不同的气体都均匀的到达并环形散布在衬底表面，在衬底表面和其他源气体均匀混合，提高GaN产品的厚度均匀性和质量。

本发明的技术解决方案：改进HVPE传输气流均匀性的方法和装置，在立式HVPE生长系统中，生长室反应腔上方设有一个匀气环，匀气环设有连通的气路进口和气路出口构成，其中气路出口设有4-30个，在圆环上均匀分布，匀气环气路进口接有源气体输气终端。本发明匀气环将所有源气体分别通过一种特别设计的匀气环结构从进气端均匀的进入或吹入反应室。匀气环的结构是保证当进气口只有一个的时候，仍然使得一端进气，但是经过出气口后气体均匀分布在反应腔。匀气环使得设备的设计加工更合理更容易。

本发明的改进还在于：匀气环气路进口至每个气路出口的气体传输管路路径相同。匀气环的基本原理是：一端进气，气体经过相同的气体传输管路结构和路径，分多路从不同的出口均匀喷出。在立式HVPE系统中可以采用多路气体呈环形进入并沿着轴向输运，使得气流分布更均匀，如图1。

本发明的有益效果是：通过匀气环设计降低生长系统的复杂程度，并提高进气的均匀性。从而使材料的生长均匀性更好，并可以生长大面积的材料(>2英寸GaN自支撑衬底)。

四、附图说明

图1为本发明4个出口匀气环的结构示意图(平面示意图)。

图2为本发明8个出口匀气环的结构示意图(平面示意图)

图3为本发明16个出口匀气环的结构示意图(平面示意图)

五、具体实施方式

本发明技术实施可以有两种方式：

1、匀气环放置在生长室内部。由一根进气管进入匀气环，出气口沿着轴做径向分布。

2、匀气环放置在生长室外部，通过多个出气口和反应室内部相连。该方式可以减少匀气环可能对系统造成的污染。