[发明专利]一种光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置及实现方法

说明书

本发明公开了一种光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置及实现方法。本发明采用光束传输光路，对光束聚焦、分束、扩束准直和位置调节的操作，并对MOCVD系统加设入光窗口、出光窗口和惰性气体传输管道，使得光束通过入光窗口进入至反应腔中，光束产生与一种或多种反应剂分子振动模式能量相匹配的光场，引起反应剂分子对光场能量的共振吸收，产生的活性反应源输运到位于加热盘的衬底表面，实现材料的外延生长；并通过选择惰性气体的传输方向为平行方向或垂直流向衬底表面，使得携带反应剂分子的载气平行或垂直流向衬底表面，控制流畅和温场的耦合区域，实现四种不同的耦合方式，从四种耦合方式中选择一种耦合方式满足外延生长需求。

技术领域

本发明涉及半导体材料气相外延技术，具体涉及一种光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置及其实现方法。

背景技术

金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)适用于化合物半导体异质结和低维结构的外延生长，而且易于实现大尺寸衬底上的规模化生产，是制备半导体光电子和微电子器件的重要方法，推动了半导体材料和器件制造技术的飞速发展。

在MOCVD外延生长过程中，氢气、氮气等载气携带金属有机化合物(三甲基镓TMGa、三甲基铝TMAl、三甲基铟TMIn、二茂镁Cp₂Mg等)和氢化物(氨气NH₃、硅烷SiH₄等)等反应剂并输运至反应室内，反应剂在气相中部分形成加合物。随着气体流向加热的衬底表面，反应剂和加合物逐步发生热分解，热分解后含活性反应源的反应产物吸附在衬底表面并在表面迁移，最终经过表面反应过程并入晶格形成外延层。通过加合物的中间过程逐步热分解的途径会增加外延过程中晶格缺陷和杂质的并入，加合物甚至会进一步在气相中成核形成多聚物，降低反应剂的利用效率。

提高反应剂的分解效率是实现高效MOCVD外延过程的重要途径。以铟镓氮(InGaN)材料的MOCVD外延生长过程为例，在InGaN材料的生长温度范围内，常用的氢化物源NH₃的热分解效率极低，InGaN材料的外延生长受到有效氮源分压的限制，导致In组分的并入效率不足和材料外延质量的恶化。利用光子能量与分子振动模式的相互耦合，将能量匹配的光场作用于反应剂分子引起其对光场能量的共振吸收，从而加快反应剂分子的裂解速率，为半导体材料的MOCVD外延生长提供充足的活性反应源。光辅助MOCVD技术不仅可以提高反应剂的利用效率，还可以改变传统MOCVD的外延生长模式。

MOCVD外延过程中，特别是用于大规模生产的MOCVD装置中的质量输运过程和化学反应过程十分复杂，光场的存在将进一步增加MOCVD中化学反应动力学的复杂程度。处于激发态的反应剂分子或裂解后的活性反应产物的寿命很短，必须将其快速输运到衬底表面才能发挥激光辅助外延生长的作用，同时活性反应源在输运过程中会加快气相中的寄生反应。现阶段，亟需解决光场和流场的均匀性问题，提高外延层质量以满足光电子器件的研制需求。

发明内容

为了克服以上现有技术的不足，本发明提出了一种光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置及其实现方法。

本发明的一个目的在于提出一种光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置。

MOCVD系统为内部中空且密闭的反应腔，在反应腔内的底部设置加热盘，用于生长材料的衬底位于加热盘上；在反应腔外设置有多个独立的反应剂容器，针对不同的生长材料，各个反应剂容器内分别盛放相应的反应剂；每一个反应剂容器分别相应的对应一根独立的气体输送管道，各个反应剂容器分别通过多根独立的气体输送管道连接至反应腔内，在各根气体输送管道上分别设置阀门和流量计控制气体输送。

本发明的光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置包括：光源、光束传输系统、MOCVD系统和吸光材料；其中，