[发明专利]反应器、化学气相沉积反应器以及有机金属化学气相沉积反应器

说明书

技术领域

本发明是关于一种具有多个独立热库的反应器，特别是关于一种具有多个独立热库的化学气相沉积反应器，特别是有机金属化学气相沉积反应器。

背景技术

目前III-V族半导体材料已广泛应用于发光二极管(light emitting diodes，LEDs)、激光二极管(Laser diodes，LDs)、薄膜太阳能电池(Solar cells)等半导体光电元件上。而产业界在制造红外光、可见光、紫外光等光电元件，大部份是使用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)系统，诸如氢化物气相沉积(HydrideVapor Phase Epitaxy，HVPE)、氯化物气相沉积(Chloride Vapor Phase Epitaxy，ClVPE)、有机金属化学气相沉积(Metalorganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)系统。CVD系统除了用于生长上述的III-V族光电元件外，亦应用于制备硅/硅锗元件、金属层、介电层等元件所需的薄膜结构，如二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、氮氧化硅(SiON)或多晶硅(polycrystalline silicon)，钨(tungsten，W)、钛(Ti)、铜(Cu)、铝(Al)金属层，氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)阻障层，钛酸锶钡(BaSrTiOx)高介电材料、含氟氧化硅(SiOF)低介电材料及钽酸锶铋(SrBiTaOx)铁电材料等。

前述所提及的CVD系统，最常用来制造III-V族光电元件的薄膜制备系统就属于有机金属化学气相沉积(Metalorganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)系统。就以异质结构的InGaN/GaN为例，氮化镓(GaN)与氮化铟(InN)合成氮化铟镓(InGaN)三元化合物可通过适当的固相组成调配，使得发光波长由340nm调变至1800nm，涵盖紫外光、可见光到近红外线波段。所以在常见的氮化物光电元件结构中，不同InGaN组成的双异质结构、多重量子井或量子点常被用为元件发光层或吸收层的材料，以制备蓝色、绿色、红色发光二极管、光检器及太阳能电池。近年来，由于高功率发光二极管及固态照明的发展，能够提供较高电流、发光层较厚 的InGaN双异质结构的高功率蓝、绿光发光二极管的研究已成目前产业界及学术界主要研究的重点。

然而InGaN三元化合物MOCVD的混晶成长是一个相当具挑战的薄膜成长技术。制备上述结构的反应物通常是三甲基镓(trimethylgallium，TMGa)、三甲基铟(trimethylindium，TMIn)及气体氨(ammonia，NH₃)，由于InN薄膜易于挥发及NH₃不易分解的特性，InGaN薄膜MOCVD成长会随其组成的不同，而具有显著的成长温度差异。因GaN的热稳定性较佳，为了获得较完全NH₃分解，较多的活性氮原子参与反应，通常GaN材料选择在较高的磊晶温度如950℃以上制作，以获得较佳的磊晶薄膜品质。相对而言，InN薄膜热定性极差，在真空的环境下435℃便开始分解，627℃即完全分解，上述的限制使得MOCVD的InN成长不得不在550℃至650℃较低的温度范围成长。很不幸的是，在此温度范围的NH₃分解率约在4％，仅有少数的NH₃分解，而所提供活性氮原子更低，使得InN薄膜出现大量氮空缺或铟空缺本体缺陷，品质远逊于GaN薄膜。至于三元的InGaN化合物，MOCVD的成长温度就介于GaN及InN温度之间。In含量较少的InGaN薄膜，成长温度较高，约在700-800℃左右，所成长的薄膜具有良好的光电性质。为了降低In挥发的效应，In含量较多的InGaN薄膜通常选择在550-650℃之间成长，虽然各种In组成的薄膜皆可合成，薄膜荧光光谱信号相当微弱，在In组成介于40-70％之间，甚至完全没有任何荧光信号。除了较低成长温度的影响外，我们认为NH₃的低分解率，活性氮原子供应不足，应是造成低温成长的MOCVD InGaN薄膜品质不佳的主要原因之一。

现今的CVD系统为了提升前驱反应物的分解率以降低薄膜的成长温度，发展出很多辅助性的方法，例如辅助以等离子、激光、热电阻、紫外光照射等。