[发明专利]一种改进氢化物气相外延生长GaN材料均匀性的方法和装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种改进氢化物气相外延(HVPE)生长GaN材料均匀性的方法和装置。

二、背景技术

以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料。GaN基材料是直接带隙宽禁带半导体材料，具有1.9-6.2eV之间连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能，在短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备等方面具有重要的应用，用于制造比如蓝、紫、紫外波段发光器件、探测器件，高温、高频、高场大功率器件，场发射器件，抗辐射器件，压电器件等。在过去的几年中，GaN外延薄膜材料在生长研究和实际应用中取得巨大进展。日本日亚工业公司率先推出GaN基高亮度蓝光、绿光和白光发光二极管(LED)并实现商品化生产。日亚公司还研制出世界上第一只GaN基多量子阱蓝光激光二极管(LD)及室温连续波(CW)发射，外推寿命超过1万小时。GaN基微电子器件，特别是大功率、耐高温场效应晶体管的研制也得到很大重视，国内外公司和高校等研究机构都开展了这方面的研究工作。

GaN的生长有很多种方法，如金属有机物气相外延(MOCVD)、高温高压合成体GaN单晶、分子束外延(MBE)、升华法以及氢化物气相外延(HVPE)等。由于GaN本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化。然而，用GaN衬底进行同质外延获得III族氮化物薄膜材料却显示出了极其优越的性能，因此用低位错密度衬底进行GaN同质外延很好地改善了III族氮化物外延层质量的好办法。目前，大面积GaN衬底通常都是在异质衬底(如蓝宝石、SiC、Si等)上气相生长GaN厚膜，然后将原异质衬底分离后获得的。

氢化物气相外延由于具有高的生长率和横向-纵向外延比，可用于同质外延生长自支撑GaN衬底，引起广泛地重视和研究。早期人们主要采用氢化物气相外延(HVPE)方法在蓝宝石衬底上直接生长GaN，再加以分离，获得GaN衬底材料。此法的突出缺点是GaN外延层中位错密度很高，一般达10¹⁰cm^-2左右。目前的主要方法是采用横向外延、悬挂外延等方法，辅以HVPE高速率外延技术生长厚膜，最后将原衬底去除，从而获得位错密度较低的自支撑GaN衬底材料。迄今为止，HVPE生长得到的自支撑GaN衬底，位错密度低于10⁶cm^-2，面积已经超过1cm²。但是仍然远远不能满足实际应用的需求。

由于传统HVPE系统内部结构、气流输运等的限制，大面积(＞2英寸)GaN自支撑衬底的均匀性仍需要进一步研究改进。

本发明目的是：提供一种改进氢化物气相外延(HVPE)生长GaN材料均匀性的方法，改进传统HVPE生长设备的系统结构，改善反应器内部反应气体传输和混合的均匀性，扩大衬底表面均匀混合气体的有效面积，最终改善大面积(＞2英寸)GaN自支撑衬底生长的均匀性。

三、发明内容

改进氢化物气相外延(HVPE)生长GaN材料均匀性的方法：氢化物气相外延(HVPE)生长GaN薄膜材料电炉中，包括N₂管道和NH₃管道、设有金属镓源-HCl-N₂管道，其特征是将单路金属镓源-HCl-N₂管道分成多路金属镓源-HCl-N₂管道，并将反应物GaCl-N₂均匀输运至电炉的GaN薄膜材料的生长区。

改进氢化物气相外延(HVPE)生长GaN材料均匀性的装置：如上所述，设有多路金属镓源的HCl-N₂管道，将反应物GaCl-N₂均匀输运至电炉的GaN薄膜材料的生长区。一般为二至四路。

两路或多路镓源传输管道使内部气流分布均匀。可以看出改进后沉积的薄膜均匀性也有很大的改善。实验结果证实了我们的设计。生长的GaN薄膜面积扩大到5cm×4cm，而厚度均匀的有效薄膜面积可达到4cm×3cm。采用图3所示的三路(图3B)、四路(图3C)Ga源氢化物气相外延设计，获得的效果更好：厚度均匀的有效薄膜面积可达到约2英寸见方(5cm×5cm)。

四、附图说明

图1A是传统卧式HVPE生长系统结构示意图(侧视图)。其中，图1B是进气管路的横截面简图。图1C是系统内部气流分布简单示意图。