[发明专利]一种适用于GaN材料外延产业化的托舟

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料外延设备，更具体地，涉及一种采用氢化物气相外延（HVPE）方法外延氮化镓（GaN）材料的设备配件。

背景技术

以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料得到了广泛应用，具有宽禁带，高击穿电压、高电子迁移率、化学性质稳定等特点，非常适合制作抗辐射、高频率、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝光、绿光和紫外光电子器件。最近日本LED大厂丰田合成以氮化镓(GaN)为基板材料制作LED取得成功，其发光亮度是同样大小蓝宝石为基板的LED的3倍。

目前氮化镓（GaN）材料外延主要有以下两种方法：

一种是化学气相沉积（CVD）法：CVD技术外延氮化镓（GaN）材料时，薄膜成份易控，均匀性，重复性好，但是外延速率非常慢，每小时外延厚度为几微米到十几微米，化学气相沉积（CVD）技术生长速度慢，设备复杂，成本高，用于氮化镓（GaN）材料的产业化生产不合算。

另一种是氢化物气相外延（HVPE）法。其设备简单，成本低，外延速度快，每小时外延厚度可达几十甚至几百微米，在氮化镓（GaN）薄膜和厚膜外延过程中都具有优势，最有可能实现批量生产。HVPE技术外延速度快，设备简单，成本低，但HVPE设备在外延过程中副产物生成快，设备反应室石英部件容易发生故障，维护频率高，设备连续工作性差，阻碍氮化镓（GaN）材料的产业化生产的实现。但，外延速度快带来一个新问题：副产物的生产速率很快，为了提高HVPE外延的晶体质量，99%的HVPE设备都选用了石英材料做反应室壁，当反应室壁上副产物达到一定厚度，加上温度变化，由于热胀系数不一样导致反应室壁出现裂纹甚至破碎，系统无法正常工作，需要停机进行维护。尤其在氮化镓（GaN）厚膜外延（多用于制作自支撑衬底）过程中，仅几炉或十几炉外延，反应室壁就会出较厚的副产物，并容易导致壁破裂，系统就要维护，其维护周期短，设备利用率低。因此，采用目前HVPE设备若不加改进是难以实现氮化镓（GaN）材料外延产业化的。目前氮化镓（GaN）材料外延不足在于副产物污染和损坏系统，系统维护频率高，设备利用率不高；托舟（放置衬底的载体）的清理难度大的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决由于氮化镓（GaN）半导体材料外延过程中副产物生成过快，导致系统维护频率高，设备利用率低，生产效率低，难以实现GaN材料外延的产业化问题。

本发明设计出一种新结构的托舟，凭借其特殊结构配以流畅控制技术，在氮化镓（GaN）半导体材料外延的过程中，使绝大部分副产物沉积在托舟内部，很少沉积污染其他部位(托舟与尾气管路除外)。在生产过程中，通过简便地轮流替换备用的本发明托舟，系统在不间断工作的情况下，清洗被换下的污染的托舟，从而大幅降低系统维护频率，显著提高生产效率。

其发明结构特征在于：

一种适用于GaN材料外延产业化的托舟，包含有托舟，托舟四周设计有高低不同凸起的侧壁，材料外延时，将反应前驱物定向喷射在其内侧壁，反应物被喷洒在侧壁内侧，侧壁阻止反应物和反应生成物扩散或过渡到系统其它部分，托舟底部设有数层可拆开的分层结构，托舟底部的衬底层上设有复数用于放置衬底的衬底槽，托舟轮换离机清洗却不间断材料生长；托舟的衬底层下的流道层设置带有隔壁的流道，托舟设计有数个尾气出口，尾气出口连接对应的尾气管道。

在其中一些实施例中，所述托舟应用于HVPE设备、CVD设备或其他材料生长设备，托舟的分层结构层数可以是1～20层。

在其中一些实施例中，所述托舟的各层之间的流道，可以每层都设置，也可以只设置在放衬底片的层与其下一层之间，托舟的尾气出口个数可以是1～20个；侧壁数可以是四个，也可以是一个（圆形或者椭圆形）、两个（两个弧形相交）、三个、四个、五个……N个（自然数）。

在其中一些实施例中，所述托舟四边各有一个侧壁，其中相对两个侧壁高于比邻另外两个相对侧壁，两个相对较低的侧壁高度低于反应物喷洒头喷口高度，以便在连续外延时，不用移动喷洒头就可以实现托舟的更换，两个相对较低的侧壁有利于反应物的喷洒和托舟的移动；外延时，喷洒头可以直接对准托舟侧壁内，将反应物直接喷向托舟内部。