[发明专利]气相外延工艺中的掺杂方法及其装置

说明书

【技术领域】

本发明涉及半导体材料领域，尤其涉及一种气相外延工艺中的掺杂方法及其装置。

【背景技术】

GaN基化合物半导体材料是重要的直接带隙的宽禁带半导体材料。由于其特有的带隙范围，优良的光、电学性质，优异的材料机械和化学性能，在蓝、绿、紫、紫外及白光发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、紫外光探测器和功率电子器件等光电子器件和电子器件以及特殊条件下的半导体器件等领域中有广泛的应用前景，吸引着人们的浓厚兴趣。

然而，要想实现上述器件结构，制作出满足要求的优质PN结是必须突破的工艺问题。而要想制作出电学性能良好的PN结，则必须首先能够制备出掺杂浓度和均匀度都能满足PN结要求的N型和P型半导体。

以GaN为例，对与MOCVD工艺而言，N型GaN的掺杂物质一般用硅烷(SiH₄)。通过SiH₄与NH₃反应生成Si₃N₄，Si将取代晶格中Ga位，提供电子，从而使GaN呈现出N型导电特性。这种方法已经比较成熟，已被MOCVD普遍采用。但是MOCVD工艺的生长速度慢，如果要获得具有一定厚度的衬底，尤其是要获得自支撑的GaN衬底，则必须选用氢化物气相外延(HVPE)工艺。对于HVPE工艺来说，由于它采用的是热壁系统，工作温度达到1000℃以上，而SiH₄在600℃就已经开始分解了，所以用SiH₄掺杂是不可能的。

综上所述，对与HVPE系统而言，由于工作温度过高，导致一些在其他系统中被采用的掺杂气体，例如SiH₄等，无法在该系统中使用，因此也就难以采用HVPE系统获得具有掺杂物质的半导体材料。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是，提供一种气相外延工艺中的掺杂方法及其装置，能够解决气相外延工艺由于生长温度过高而导致掺杂源气体分解的技术问题，采用气相外延工艺生长出具有掺杂物质的半导体衬底。

为了解决上述问题，本发明提供了一种气相外延工艺中的掺杂方法，包括如下步骤：提供含有卤素元素的气体和由III族金属与掺杂元素构成的混合物；加热III族金属与掺杂元素构成的混合物；将含有卤素元素的气体通过加热后的混合物表面，以生成混有III族金属元素卤化物与掺杂元素卤化物的混合气体；将所述混合气体通入反应室，进行III-V族半导体材料的外延生长。

作为可选的技术方案，所述III族金属元素选自于Ga、Al和In中的一种或多种，所述掺杂元素选自于硅、铁、镁和碳中的一种或多种，所述由III族金属与掺杂元素构成的混合物中，所有掺杂元素的质量之和不大于混合物总质量的1％。

作为可选的技术方案，所述含有卤素元素的气体为氯化氢。

作为可选的技术方案，进一步包括如下步骤：将混合物加热到目标温度后进行保温，此步骤于将含有卤族元素的气体通过加热后的混合物表面的步骤之前实施，所述保温时间不小于10分钟。

本发明进一步提供了一种气相外延装置，包括：氯化氢气体源，用于提供外延反应所需的含有卤素元素的气体；外延反应腔体，用于放置外延衬底并进行外延反应；以及反应舟，所述反应舟的进气端与含有卤素元素的气体源连通，排气端与外延反应腔体连通，从含有卤素元素的气体源释放出的气体经由反应舟流入外延反应腔体，参与外延生长；所述反应舟中放置有III族金属与掺杂元素构成的混合物。

作为可选的技术方案，所述III族金属元素选自于Ga、Al和In中的一种或多种，所述掺杂元素选自于硅、铁、镁和碳中的一种或多种。

作为可选的技术方案，所述含有卤素元素的气体为氯化氢。

作为可选的技术方案，所述放置于反应舟中的由III族金属与掺杂元素构成的混合物中，所有掺杂元素的质量之和不大于混合物总质量的1％。

本发明还提供了一种气相外延工艺中的掺杂方法，包括如下步骤：提供含有卤素元素的气体，以及分开放置的III族金属元素固形物和掺杂元素固形物；加热III族金属元素固形物与掺杂元素固形物；将含有卤素元素的气体分成两路，分别通过加热后III族金属元素固形物和掺杂元素固形物的表面；将混有III族金属元素卤化物的气体与混有掺杂元素卤化物的气体通入反应室，进行III-V族半导体材料的外延生长。