[发明专利]等离子体辅助的外延生长装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜生长设备技术领域，具体涉及一种等离子体辅助的外延生长装置及等离子体辅助的外延生长方法。

背景技术

以GaN、AlN、InN及其合金为代表的氮化物半导体广泛地应用于紫外、蓝、白光固态照明，蓝、绿光激光器和高功率电子器件。氮化物半导体可采用不同的方法生长，包括分子束外延（MBE）和金属有机物化学气相外延（MOVPE）。其中，MOVPE是目前商业化外延生长氮化物半导体的主要方法。

然而，现有的MOVPE都需要在较高的温度条件下生长氮化物，比如GaN外延生长温度约1000℃。只能采用耐高温的单晶衬底，如Al₂O₃、Si等，外延生长尺寸受限。更为严重的是，不同金属的氮化物半导体的所需生长温度不同，如GaN生长温度约1000℃，InGaN约700℃，而AlN甚至超过1200℃，对外延不同成分的氮化物造成极大的困难。

MOVPE外延生长氮化物，普遍采用有机金属（MO）源和氮源（如NH₃、N₂）反应沉积而成。较高的生长温度，主要是用于反应物的裂解及其在衬底表面的迁移。以MOVPE外延生长GaN为例，反应物一般为Ga(CH₃)₃和NH₃，Ga(CH₃)₃的裂解温度约500℃，NH₃的裂解温度约为700℃，再考虑GaN在衬底表面的迁移，一般外延生长温度接近1000℃。如果采用Ga(CH₃)₃和N₂进行外延，由于N₂化学键更强，需要更高的生长温度。

针对MOVPE高温生长带来的问题，本发明提出一种等离子体辅助MOVPE（PA-MOVPE）的想法，希望通过低温等离子体预先裂解反应物，提高反应物原子的势能，达到降低化合物半导体外延生长温度的目的。

反应物气体产生等离子体后，正离子、亚稳态原子分子以及中性原子均能用来生成化合物半导体，但其中的正离子以及高能的中性粒子会对衬底造成轰击，从而影响化合物半导体的结晶特性。以PAMOVPE生长GaN为例，反应气体采用Ga(CH₃)₃和N₂，氮等离子体中包含氮离子、氮原子、氮分子，原则上都可以参与GaN的生成，但氮离子以及高能中性粒子（如氮原子、氮分子）会对衬底造成轰击、Ga去吸附、GaN分解和点缺陷等问题。因此，为了提高低温外延生长的化合物半导体的结晶质量，必须设法降低到达衬底处的正离子密度以及高能的中性粒子密度，同时使低能活性粒子能尽量多的到达衬底参与反应。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述外延温度高、难以适合不同氮化物半导体外延生长的技术问题。

为此，本发明的一个目的在于提出一种外延温度低、适合于多种氮化物半导体的外延生长装置。

本发明的另一个目的在于提出一种外延温度低、适合于多种氮化物半导体的化合物半导体的低温外延生长方法。

为实现上述目的，本发明实施例的一种等离子体辅助的外延生长装置，可以包括：真空反应室；样品台，所述样品台位于真空反应室的底部；等离子体激发单元，所述等离子体激发单元位于所述真空反应室的顶部；第一进气口，用于向所述真空反应室通入第一气态反应源；第二进气口，用于向所述真空反应室通入第二气态反应源；气流调节兼离子控制装置，位于所述第一进气口和所述样品台之间，用于调节通入所述真空反应室的气态反应源的流场及等离子体分布，包括相互隔离的第一气体通道群和第二气体通道群，所述第一气体通道群用于控制所述第一气态反应源的流场，所述第二气体通道群用于控制所述第二气态反应源的流场，其中，所述等离子体激发单元用于激发第一气态反应源电离分解，所述样品台可加热将所述第二气态反应源热裂解。

根据上述本发明实施例的一种等离子体辅助的外延生长装置，具有生长温度低、适用于多种氮化物半导体生长的优点。