[发明专利]高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置

说明书

本发明公开了一种高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置，是一种用氧化物气相外延法(Oxide Vapor Phase Epitaxy，OVPE)生长氮化镓的装置。本发明的装置加装活性碳网或者还原纯铁网是用来降低生长区的水分压；加装压力顺序阀是用来保压控流；GaN基底处用涡流局部加热，这样便于外部控温。

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置。

背景技术

作为第三代半导体材料的代表，氮化物宽禁带半导体在紫外/蓝光/绿光发光二极管、激光器、光电探测器等半导体器件方面有着广泛的市场应用前景。同时，其也是应用于高击穿电压、大功率、高频、抗辐射和高温器件等领域——如氮化镓基高电子迁移率晶体管和功率电子器件——的核心基础材料。

GaN由于具有比硅更大的带隙和更高的击穿场等优异的电学性能，是一种很有吸引力的半导体材料，可应用于高性能光电器件或者电子功率器件。然而，由于目前同质单晶GaN衬底的尺寸、产能和生产成本的限制，现在大多数GaN基器件都是在异质衬底(如Si、SiC和蓝宝石等)上制备的，这样生产的GaN会有较高的位错密度等结构性问题，会严重影响GaN基器件性能的发挥。为了制备高质量单晶GaN衬底，必须开发出能实现高速率和长期生长的GaN晶体生长技术。目前人们开发了各种生产单晶GaN方法，如氢化物气相外延(HydrideVapor Phase Epitaixy，HVPE)，氨热生长，和钠流法等。其中，HVPE是目前最成熟的批量生长GaN技术，它提供了甚至高达1870μmh^-1的GaN生长速度。但由于生长过程中会产生NH₄Cl等固体物质，导致生长出GaN单晶难以形成大尺寸，且位错密度大，晶体质量不高等问题。

氧化物气相外延(Oxide Vapor Phase Epitaxy，OVPE)生长GaN是用H₂O(g)氧化Ga(l)生成Ga₂O(g)，Ga₂O(g)再与NH₃(g)反应生成单晶GaN(s)。这种方法的优点之一是它是无HCl的，因此不产生固体副产物，如NH₄Cl，从而有利于块状GaN晶体的长期生长。与典型的HVPE法生长的GaN晶体(电阻率为8.5×10^-3Ω·cm)相比，OVPE法生长的GaN晶体具有极低的电阻率(7.75×10^-4Ω·cm)。此外，据报道，OVPE法生长的GaN晶体的螺纹位错密度为10⁴cm^-2，生长厚度小于500μm，而种子衬底的螺纹位错密度为10⁶cm^-2。OVPE方法在制造低电阻率并且低螺纹位错密度的GaN晶体方面具有巨大的潜力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置。

为实现上述目的，本发明提供一种高倍率外延生长GaN的氧化物气相外延法装置，其特征在于：包括生长区、源区、活性碳网或还原铁网、气源和加热装置，还包括：

保温层：所述保温层位于整个反应容器的外部；保温层内壁均匀缠绕着加热电阻丝，内壁在两个正对源区和生长区的地方设有两个温度传感器，内壁电阻丝通过外接电源达到加热源区和生长区的目的；两个温度传感器监测两区的温度将其控制在合适的温度范围内；

两个分别位于源区和生长区之间、生长区之后的压力控制阀：当源区和生长区内的气压增大到2个大气压时，压力控制阀将会打开，使反应所需气体通入源区和生长区，而反应产生的少量废气则排出装置，所述废气包括Ga₂O、H₂O、H2、N₂和NH₃；两个控制阀保证源区和生长区的气压稳定在2个大气压，有利于加速反应的进行，同时也避免了装置气压过大发生危险；