专利名称：半导体材料生长设备的独立mo源管路及应用的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及金属有机物化学气相外延MOCVD生长设备技术领域，为一种半导体 材料生长设备的独立MO源管路及应用，可用于使用具有挥发性的高纯金属有机物MO 源的所有CVD、 HVPE以及MBE等半导体材料生长设备之中。
背景技术：
在上世纪末，随着在材料质量和p型掺杂等方面的突破，GaN基半导体材料的研 究和应用获得了突破性进展，其蓝绿光发光二极管LED、激光器LD已成功实现商品化 生产[1'2]。目前，由GaN基LED所引发的白光照明在全世界范围内已成为一个焦点产 业。商业化的产品如蓝光及绿光发光二级管LED及激光二级管LD的应用说明了III一 V族元素所蕴藏的潜能。
化学气相淀积CVD就是将一种或者几种反应气体输运到生长腔，并在高温衬底表 面进行化学反应而制备薄膜的一种方法。对于III-V族半导体材料的CVD生长，其金属 元素A1、 Ga、 In是借助具有挥发性的高纯金属有机物MO源来输送到生长腔的，所有 又称之为MOCVD。输运到生长腔的MO源和另外一种V族氢化物材料反应，从而得到 要制备的III-V族半导体薄膜。对于GaN基半导体材料，早期的研究工作中有人利用联 氨(H2NHH2)作为V族源W。由于联氨属于剧毒性材料，而且和MO源的反应特别剧烈， 不容易控制，所以逐渐被氨气NH3所代替。目前，NH3已成为GaN基材料MOCVD生 长系统中的标准气体。MOCVD机台已经成为众多机台中最常被使用来制造LED的机 台。如何来设计适当的MOCVD机台为一首要的问题，而解决此问题须要考虑下列因 素l).要能克服GaN成长所须的高温；2).要能避免MOGas金属有机蒸发源与NH3在 预热区就先进行反应;3).进料流速与薄膜长成厚度均匀。 一般来说GaN的成长须要很高 的温度来打断NH3之N—H的键，另外一方面由动力学仿真也得知NH3和MO Gas会 进行反应产生没有挥发性的副产物。了解这些问题之后，要设计适当的MOCVD外延 机台的最主要前题是要先了解GaN的成长机构，并且能降低生产成本。
在GaN器件研究中，为提高器件的工作性能，通常采用AlGaN和InGaN合金材料 作为LED和LD器件结构中的有源层和阻挡层，形成能带量子阱或势垒，所涉及到合金 的Al和In组分都不高， 一般小于0.3[4，5'6'7]。但随着应用需求的发展，GaN基光电子器件研 究目标波长向深紫外及近红外两端推进，高质量高组分的AlGaN和InGaN三元合金氮化 物的需求就显得迫切起来。随着GaN材料研究在可见光范围内技术的成熟和器件的应 用，以及UV-LED、 UV-LD的发展，铝镓氮(AlGaN)基材料和短波长紫外器件的研究 逐渐成为氮化物半导体研究中的热点之一。虽然关于AlGaN的研究已经进行了很多，并 且AlGaN薄膜已经在商业化的LED和LD中得到了应用，但关于AlGaN合金的一些物理问题还有待于进一步探讨。因为AlGaN和GaN在MOCVD生长过程中的生长机制有许多不 同，其中的一个主要表现就是在生长高Al组分的AlGaN材料时，由于TMA1会和包括NH3 在内的反应物发生强烈的寄生反应[8' 91等因素，导致很多A1原子在扩散到样品表面参与 生长之前就已经消耗掉了，增加了对AlGaN的组分进行控制的难度，特别是高A1组分 AlGaN材料难以实现，给器件的研制造成了困难，另外TMA1在运输管路中的滞留会给 MOCVD系统带来沾污，影响之后的使用。
参考文献 I. Akasaki， T. Kozowa， K. hiramatsu, N. Sawaki， K. Ikeda, and Y. Ishii, Lumin"40-41, 121 (1988) H. Amano， M. Kito, K. Hiramatsu， and I. Akasaki, Jpn. J. Appl. Phys" 28(12)，L2112 (1989) M. Mizuta， S. Fujieda, Y. Matsumoto, and T. Kawamura, Jpn. J. Appl. Phys" 25(12)， L945 (1986) 0. Ambacher， J. Phys. D 31， 2653 (1998). F.Bernardini， V.Fiorentini, Phys. Rev. B 57, R9427 (1998). G. Namkoong, K-K， Lee, S. M. Madison, W. Henderson, S. E. Ralph, and W. A. Doolittle, Appl. Phys. Lett. 87， 171107 (2005). Y. Chye, T. Liu, D. Li， K， Lee， D. Ledeman, and T. H. Myers, Appl. Phys. Lett. 88， 132903 (2006). J. Hagen, R. D. Metcalfe, D. K, Wickenden, and W. Clark, J. Phys. C, 11， L143 (1978) [9] I. Akasaki， H. Amano, Y. Koide, K. Hiramatsu, and N. Sawaki， J. Crystal Growth, 98,209 (1989)
发明内容
本发明要解决的问题是在MOCVD系统中，AlGaN和GaN生长过程中的生长机 制有许多不同，其中的一个主要表现就是在生长高Al组分的AlGaN材料时，由于TMA1 会和包括NH3在内的反应物发生强烈的寄生反应等因素，导致很多Al原子在扩散到样 品表面参与生长之前就已经消耗掉了，增加了对AlGaN的组分进行控制的难度，特别 是高Al组分AlGaN材料难以实现，给器件的研制造成了困难；并且TMAl在运输管路 中的滞留会给系统和其它金属有机源带来沾污。
本发明的技术方案是半导体材料生长设备的独立MO源管路，包括III族金属源 管路和V族氮源管路、半导体材料生长的反应腔，设有3 — 5路进气管路，其中一路为 V族氮源管路， 一路为III族金属源混合管路，其余各路为独立的III族金属源管路， 各路不同的源管路同时或直接进入反应腔或混合气体腔，并直接在靠近到达反应腔时再 和其它反应源混合。本发明针对AlGaN材料的生长，将一路独立的III族金属源管路作为三甲基铝TMAl 源管路。
本发明独立MO源管路可应用于MOCVD 、 CVD、 HVPE或MBE半导体材料生长 设备之中。
至今MOCVD系统的源管路包括V族氮源III族金属源均为一路管路输入，本发 明在充分考虑到III族金属源在与任何其它气体源混和时易发生反应，会导致材料的生 长有极不良的结果。这是现有材料生长科技未公开的。
例如包括v族氮源可会与in族金属源发生寄生反应，会与v族氮源发生强烈寄
生反应的III族金属源在输运过程中对其余的具有挥发性的MO源产生沾污或副反应 等，尤其发现三甲基铝TMA1更易如此，本发明特别设计独立管路，将此类易发生副反
应的ni族金属源分开传输，并直接在靠近到达反应腔时再和其它反应源混合，消除不
良副反应对半导体材料生长的影响。
本发明通过单独设计TMA1源等易发生副反应的III族金属源管路的方法彻底解决 了此类金属源的在设备管路中的反应滞留和对其它MO源的沾污，以及在管路输运过程 中的预分解混合，特别适合于UV-LED， UV-LD的AlGaN及其相关材料生长的MOCVD 设备系统，可用于使用MO源的所有CVD、 HVPE以及MBE等半导体材料生长设备之 中。本发明在目前使用的半导体材料生长设备中尚没有使用。
图1为本发明具有独立MO源管路进气的MOCVD系统设计结构。
具体实施例方式
化学气相淀积CVD技术，是一种利用气相化学反应以生成所要求的外延薄膜的方 法。它是将含有薄膜元素化学成分的若干种气体通过内抛光不锈钢管输运到衬底表面， 并采用不同的加热方式，如电阻丝加热，射频加热，光加热等，促使发生气相反应或表 面相反应，反应生成物在衬底表面淀积而形成外延薄膜。金属有机物化学气相淀积 MOCVD技术则是将化合物半导体中的金属元素，以金属有机物MO源的形式输运到生 成表面的CVD技术。MO源通常采用三甲基镓TMGa，三甲基铝TMA1，三甲基铟TMIn 分别作为III族金属源，NH3作为V族氮源。对于in族氮化物二元合金生长，其反应机理 的化学反应可以简单的表达为
(CH3)3M(g)+M/3(g)—癒W+3C//4
根据生长时反应腔内的压强大小可以将MOCVD系统分为常压和低压MOCVD两 类，两种系统各有优缺点。常压MOCVD设备简单，易于维护。由于采用常压方式，反 应气体的流速慢，ni族源和NH3的利用率高，但流速慢也直接导致了MOCVD系统中寄 生反应突出，反应气体的热对流比较明显。低压MOCVD系统则没有常压MOCVD的以上缺点，但存在反应源利用效率不高的问题。同时，低压系统中反应气体的扩散问题变 得突出，系统的复杂程度增加，不利于维护。
由于MOCVD生长系统设计的限制，目前普遍使用的MOCVD系统中， 一般采用 两路气体管路引入反应腔， 一路为V族氮源管路， 一路为III族金属源管路，在III族 氮化物半导体MOCVD系统中，m族金属源和V族氮源通过内抛光不锈钢管路由N2
气、H2气，N2+H2混合气体或其它气体携带分别进入反应腔。这种设计对于一般的源如
TMGa， TMIn等不会引起其它不利的副作用。和其它MO源相比，TMA1会和包括NH3 在内的反应物发生强烈的寄生反应，从而导致很多Al原子在扩散到样品表面参与生长 之前就已经消耗掉了 ，增加了对AlGaN的组分进行控制的难度，特别是高Al组分AlGaN 材料难以实现，给器件的研制造成了困难。目前的M0CVD管路设计中由于TMA1和 其它有机金属源提前在运输管路中混合，这样在运输管路中就会发生寄生反应，TMA1 容易滞留在管道中会给系统管路中其它源和管路系统带来沾污。
图1为本发明独立MO源管路的MOCVD系统，包括III族金属源管路和V族氮 源管路，设有3路进气管路， 一路为V族氮源管路； 一路为普通III族金属源管路，运 输三甲基镓TMGa，三甲基铟TMIn等不会与V族氮源产生不利副作用的MO源；另外 一路，即独立M0源管路为三甲基铝TMA1源管路，各路不同的源管路同时或直接进入 反应腔或混合气体腔，三甲基铝TMA1源在输运过程中和其余的具有挥发性的金属有机 物M0源及V族氮源分开，并直接在靠近到达反应腔时再和其它反应源混合。
本发明可用于使用MO源的所有CVD、 HVPE以及MBE等半导体材料生长设备之 中，根据具体反应的要求，独立MO源管路还可输送其它I11-V族反应源，以消除可能 存在的不利副反应的影响。
权利要求
1、半导体材料生长设备的独立MO源管路，包括III族金属源管路和V族氮源管路、半导体材料生长的反应腔，其特征是设有3-5路进气管路，其中一路为V族氮源管路，一路为III族金属源混合管路，其余各路为独立的III族金属源管路，各路不同的源管路同时或直接进入反应腔或混合气体腔，并直接在靠近到达反应腔时再和其它反应源混合。
2、 根据权利要求l所述的半导体材料生长设备的独立MO源管路，其特征是一路 独立III族金属源管路为三甲基铝TMA1源管路。
3、 半导体材料生长设备的独立MO源管路应用于MOCVD 、 CVD、 HVPE或MBE半 导体材料生长设备之中。
全文摘要
半导体材料生长设备的独立MO源管路及应用，设有3-5路进气管路，其中一路为V族氮源管路，一路为III族金属源混合管路，其余各路为独立的III族金属源管路，各路不同的源管路直接在靠近到达反应腔时再和其它反应源混合。本发明通过单独设计TMAl源等易发生副反应的III族金属源管路的方法彻底解决了此类金属源的在设备管路中的反应滞留和对其它MO源的沾污，以及在管路输运过程中的预分解混合，特别适合于UV-LED，UV-LD的AlGaN及其相关材料生长的MOCVD设备系统，可用于使用MO源的所有CVD、HVPE以及MBE等半导体材料生长设备之中，本发明在目前使用的半导体材料生长设备中尚没有使用。
文档编号H01L21/00GK101314845SQ20081012420
公开日2008年12月3日 申请日期2008年7月3日 优先权日2008年7月3日
发明者修向前, 斌 刘, 荣 张, 毅 施, 弋 李, 江若琏, 谢自力, 郑有炓, 海 陆, 鹏 陈, 平 韩 申请人:南京大学