[发明专利]一种多混气室垂直气流型MOCVD喷头装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于半导体材料生长的金属有机物化学气相沉积设备（MOCVD），尤其是涉及一种多混气室垂直气流型MOCVD喷头装置。

背景技术：

金属有机物化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）设备是以金属有机化合物为源材料的气相沉积设备，主要是用于生长Ⅲ-Ⅴ族的氮化镓、砷化镓以及Ⅱ-Ⅵ族的氧化锌等化合物半导体材料，采用MOCVD可获得非常陡峭的材料界面，在制备超晶格和量子阱等方面具有明显优势，目前MOCVD已大规模用于LED等半导体光电产业。

MOCVD的源材料通常可分为两大类：一类是Ⅲ族或Ⅱ族；另一类是Ⅴ族和Ⅵ族，以上两类源材料均以气态的形式通入喷头装置，不过在室温下这两类气体混合后很容易互相发生反应，而其中的某些预反应会对源材料的输运以及材料生长产生不利的影响，比如：生长P型GaN材料时，通常采用三甲基镓（TMGa）作为Ga源，NH₃做为N源，二茂镁（Cp₂Mg）作为掺杂源，而二茂镁和NH₃反应会生成在室温下为固态的加合物，这些加合物会吸附在气体输运管道侧壁等地方，阻碍了正常的气体输运和物质传输。对于高Al组分的氮化物材料，如AlN或者AlGaN等，在生长过程中Al源与NH₃的预反应很大，对AlN或者AlGaN质量会造成较大的不利影响；同时，Al原子与N原子成键后在外延层表面迁移较难，对AlN或者AlGaN的表面形貌和晶体质量造成很大的不利影响。

目前，几乎所有在用的生产型MOCVD均由Axitron 或Veeco公司制造，由这两个公司生产的MOCVD的共同点是将两类反应气体分开通入反应室以保证正常的气体输运（避免如二茂镁和NH₃所形成的固体加合物），然后采用精密的打孔技术（Axitron）或者高速旋转衬底、托盘（Veeco），使衬底上方气流的组分较均匀，从而保证材料生长的均匀性。然而在生长用于制备紫外器件的高铝组分的Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料时，前述两种MOCVD（Axitron和Veeco公司）反应管均不适合，很难获得高质量的AlN或者AlGaN材料，主要原因是Al源与NH₃之间强烈的预反应以及Al原子与N原子成键后在外延层表面迁移较难。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种多混气室垂直气流型MOCVD喷头装置。它可以选择性让两类反应气体在进入反应室前提前充分混合或者相互独立的进入反应室，为MOCVD的气体输运和材料生长提供了多种方式；它首先可以保证气体的正常输运，又可以大大降低甚至消除生长AlN或者AlGaN材料时Al与NH₃之间的预反应，并且使Al在一定时间内在外延层表面保持着单质状态，大大提高Al在外延层表面的迁移速率，从而特别有利于生长用于制备紫外器件的高铝组分的Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料。

一种多混气室垂直气流型MOCVD喷头装置，包括：一个由顶板、侧壁和底板构成圆柱形的封闭壳体，该封闭壳体与下面的MOCVD反应室连为一体，封闭壳体的内部被中层板分隔成两个独立且相互密封的密封腔和水冷腔，密封腔位于中层板的上方，位于中层板下方、与MOCVD反应室相邻的是水冷腔，在水冷腔两端对应的侧壁上分别安装有冷却水进水管和冷却水出水管，特征是：密封腔被竖直的隔离体分隔成两个以上独立且呈扇形的混气室，在每个混气室对应的侧壁或顶板上分别安装有一条以上用于输运反应气体的混气室进气管道；竖直的进气细孔从上向下依次贯穿中层板、通过水冷腔、贯穿底板，连通各个混气室和MOCVD反应室。

优选地，每个混气室的体积相同，且混气室的个数为偶数。

隔离体为实心的隔板或中空的隔离腔，在隔离腔的侧壁或顶板上安装有一条以上进气管道，在与隔离腔相接的中层板上分布有进气细孔。

进气细孔在中层板上均匀分布，进气细孔的主体孔径（除去镶嵌在水冷腔腔壁的部分）浸在水冷腔中。

进气细孔的出口与MOCVD反应室中的衬底的垂直距离在5mm-100mm之间。

冷却水从冷却水进水管流入水冷腔，带走由MOCVD反应室传导到底板和进气细孔的热量，然后从冷却水出水管流出，冷却水如此循环流动，可以保证整个喷头装置处于低温状态，以减少在喷头装置的内表面和管路内因发生预反应而造成的沉积。