[发明专利]一种提高HVPE中III-氮化物材料掺杂效率的方法和装置

说明书

一种提高HVPE中III‑氮化物材料掺杂效率的方法和装置，包括以下步骤：将衬底放置在支撑托上；将NH₃气体从氨气输送管路输送至衬底表面；HCl气体从金属源输送管路输送，同时往金属源输送管路中输入掺杂源气体与HCl气体混合并在400～1400℃的反应温度下进行反应，然后再将气体输送到填充有金属源的金属源舟中，与金属源在500～1400℃的温度下反应，最后将气体输送到衬底表面与NH₃气体反应进行III‑氮化物材料的掺杂生长。本发明实现可控高效稳定地掺杂，结构简单，成本低。

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，具体地说是一种提高HVPE中III-氮化物材料掺杂效率的方法和装置。

背景技术

由于以GaN基半导体材料为代表的III-氮化物是直接带隙（带隙宽度为0.7-6.2eV）并涵盖了紫外、可见光和红外；同时其还具有击穿电压高、电子饱和漂移速率大、热导率高和化学性质稳定等优良物理特性，因此GaN基半导体材料在光电子、光伏以及微电子功率器件等领域有着非常广阔的应用前景，已然成为世界的研究热点。

目前HVPE的外延速率可达百微米/小时，是制备GaN体单晶材料的主流技术。根据应用方向的不同，需要对其掺杂而获得N型、P型和半绝缘型等材料。但是对于易分解的掺杂源（如硅烷、SiH₃Cl、二茂铁和二茂镁等），因HVPE反应腔结构的问题导致其无法像MOCVD生长系统那样进行正常稳定的掺杂。因为MOCVD喷淋头温度低且其距离衬底很近（一般小于2cm），而HVPE设备由于需要多温区加热，采用的是高腔设计，掺杂源气体需要经过较长的石英管道才能到达衬底表面。而掺杂源气体在石英管道内的输运过程中遇到一定的温度时就会分解，从而严重降低到达衬底表面的实际掺杂源浓度，进而影响晶体中所设计的载流子浓度。以硅烷为例，其超过400℃分解后形成的Si单质会沉积在石英管内壁，且其自催化效应又会进一步加剧硅烷的分解，从而造成随着生长的进行其载流子浓度越来越低。有研究小组采用高温下比较稳定的SiH₂Cl₂进行N型掺杂，但是其在重掺阶段会降低晶体的生长速率。采用合金的方式也可以进行掺杂，但是合金源的成本太高。在HVPE中将掺杂源气体走金属源这路管道则可以有效解决掺杂效率低下的问题，同时结构简单而又不增加额外成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是种提高HVPE中III-氮化物材料掺杂效率的方法和装置，实现可控高效稳定地掺杂，结构简单，成本低。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种提高HVPE中III-氮化物材料掺杂效率的方法，包括以下步骤：

HCl气体从金属源输送管路输送，同时往金属源输送管路中输入掺杂源气体与HCl气体混合并在400～1400℃的反应温度下进行反应，然后再将气体输送到填充有金属源的金属源舟中，与金属源在500～1400℃的反应温度下反应，最后将气体输送到衬底表面与NH₃ 气体反应进行III-氮化物材料的掺杂生长。

所述金属源是单质金属Ga、Al或In，或者混合金属源。

所述掺杂源气体为硅烷、SiH₃Cl、二茂镁或二茂铁。

一种提高HVPE中III-氮化物材料掺杂效率的装置，包括：

支撑托，该支撑托上设置有衬底；

氨气输送管路，该氨气输送管路的出口端延伸至衬底上方；

金属源管路，该金属源管路的出口端延伸至衬底上方，金属源管路的进口端还与掺杂源气体管路连通，金属源管路与填充有金属源的金属源舟连通。

所述金属源舟与金属源管路的进口端正对设置，与金属源管路的出口端错位设置。

本发明具有以下有益效果：