本发明专利技术提出一种等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，包括：真空反应腔；样品台，可旋转，位于真空反应腔的底部；等离子体激发单元，位于真空反应腔的顶部；隔板，将真空室沿垂直方向分成两个腔室；第一气路和第二气路，用于向两个腔室分别通入第一类气态反应源和第二类气态反应源；其中，等离子体激发单元用于激发第一气态类反应源和第二类气态反应源电离分解，隔板防止两类气态反应源在衬底以外的表面发生预反应，旋转样品台形成外延生长所需要的层流，并让样品表面交替吸附第一类、第二类气态反应源分解形成的原子。本发明专利技术的外延生长装置具有生长温度不受限于气态反应源分解温度、适合于大面积廉价衬底的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体外延生长设备
，具体涉及一种等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置。
技术介绍
以GaN、SiC为代表的新型化合物半导体材料近十几年来在国际上备受重视，在紫外/蓝光/绿光发光二极管、激光器、探测器，以及高频高温大功率电子器件等方面有着重要而广泛的应用。为了获得良好的器件性能，要求化合物半导体薄膜尽可能处于单晶状态。目前化合物半导体的外延生长方法主要有分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相外延(MOVPE)。由于MBE具有真空条件要求苛刻、生长速率慢的缺点，目前普遍采用MOVPE进行化合物半导体外延生长的商业化生产。在化合物半导体的MOVPE生长过程中，要求反应物以层流的方式扩散到衬底表面，在衬底表面发生裂解、化合和迁移等反应，从而形成化合物半导体单晶薄膜。现有的MOVPE，反应物裂解、化合、迁移所需的能量主要通过衬底加热的方式获得，由于反应气体存在较强的化学键，且反应物粒子在衬底表面迁移需要一定的能量，从而要求外延过程中衬底具有极高的温度。以MOVPE外延生长GaN为例，反应物一般为Ga(CH3)3和NH3，Ga(CH3)3的裂解温度约500℃，NH3的裂解温度约为700℃，再考虑GaN在衬底表面的迁移，一般外延生长温度接近1000℃。如果采用Ga(CH3)3和N2进行外延，由于N2化学键更强，裂解温度约为1400℃，因此需要更高的生长温度。高温外延虽然能实现性能良好的光电子器件，如LED，但也存在很多问题。首先，衬底材料和尺寸受限。由于耐高温及晶格匹配的要求，目前能用于化合物半导体外延生长的衬底只能是少数几种单晶衬底，比如用于生长GaN基半导体的Al2O3、Si，用于生长GaAs基半导体的GaAs，用于生长SiC半导体的SiC、Si等，这些单晶衬底成本较高、尺寸受限，很难直接进行化合物半导体的大面积外延生长。而可用于大面积薄膜衬底的衬底，如玻璃、塑料等，都很难再高温条件下稳定工作。其次，由于衬底和外延薄膜的热膨胀系数往往存在一定的差异，外延温度越高，半导体薄膜的应力就越大，直接影响器件的性能。再次，一般希望外延生长对应的化学反应只在衬底表面进行，尽量减少衬底表面以外的预反应，而在高温条件下，很难控制反应气体在衬底表面以外的预反应。针对MOVPE高温生长带来的问题，人们提出了等离子体增强MOVPE(PE-MOVPE)的想法，希望通过低温等离子体预先裂解反应物，提高反应物原子的势能，达到降低化合物半导体外延生长的目的。产生低温等离子体的常用方法有：电容耦合等离子体(CCP)、电感耦合等离子体(ICP)、电子回旋共振等离子体(ECR)。CCP反应室简单，但等离子体密度和能量无法独立调节。ECR的等离子体密度高，能量转换率高，专利CN0110142.5采用ECR裂解反应物进行外延生长。但是ECR固有的模式跳变特性，使其难以用于大面积的薄膜沉积。ICP可以产生与ECR可比拟的等离子体密度，同时具有较好的等离子体均匀性，能在很大的气压范围内运行，专利CN2014100534244.4采用ICP裂解反应物进行外延生长。以上技术，在一定程度上降低了化合物半导体MOVPE外延生长所需要的温度，比如将GaN的外延生长温度从约1000℃降低到约500℃。但是值得注意的是，以上技术都只采用等离子体活化相对难裂解的反应物，比如对于沉积GaN，无论是专利CN1364946A的ECR还是专利CN2014100534244的ICP，主要用来活化裂解温度较高的N源(如NH3，N2)，而裂解温度较低的Ga源(如Ga(CH3)3)，仍需要通过衬底加热的方式进行。也就是说，MOVPE的外延生长温度仍然受限于其中一种反应物的裂解温度。另外，反应物气体产生等离子体后，正离子、亚稳态原子分子以及中性原子均能用来生成化合物半导体，但其中的等离子以及高能的中性粒子会对衬底造成轰击，从而影响化合物半导体的结晶特性。以PEMOVPE生长GaN为例，反应气体采用Ga(CH3)3和N2，氮等离子体中包含氮离子、氮原子、氮分子，原则上都可以参与GaN的生成，但氮离子以及高能中性粒子(如氮原子、氮分子)会对衬底造成轰击、Ga去吸附、GaN分解和点缺陷等问题。因此，为了提高低温外延生长的化合物半导体的结晶质量，必须设法降低到达衬底处的离子密度以及高能的中性粒子密度，同时使低能活性粒子能尽量多的到达衬底参与反应。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决上述技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置。为了实现上述目的，本专利技术的实施例公开了一种等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，包括：真空反应腔；样品台，所述样品台可旋转，位于所述真空反应腔的底部；等离子激发单元，所述等离子激发单元位于所述真空反应腔的顶部；真空隔板，所述的真空隔板位于所述等离子体激发单元和所述样品台之间，将所述真空反应腔沿垂直方向分隔为第一类气态反应源吸附区和第二类气态反应源吸附区；具有第一进气口的第一气路，用于向所述第一类气态反应源吸附区通入第一类气态反应源；具有第二进气口的第二气路，用于向所述第二类气态反应源吸附区通入第二类气态反应源；其中，所述等离子体激发单元用于激发所述第一气态反应源和第二气态反应源电离分解；所述真空隔板用于防止所述第一类气态反应源和所述第二类气态反应源在衬底表面以外的空间发生预反应；所述样品台旋转形成外延生长所需要的层流，并让样品表面交替吸附第一类、第二类气态反应源分解形成的原子。根据本专利技术实施例的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，反应物完全由等离子体裂解、生长温度不再受限于反应物裂解温度。另外，根据本专利技术上述实施例的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，所述真空隔板中空、形成具有第三进气口的第三气路，所述第三气路用于通入隔离气体以防止所述第一类气态反应源和所述第二类气态反应源在衬底表面以外的空间发生预反应。进一步地，还包括：离子过滤器，设置在所述等离子激发单元和所述样品台之间，将所述的真空室分隔成等离子放电区和等离子体下游区，所述离子过滤器用于吸收等离子体源激发放电产生的气体的活性离子，而让活性中性粒子通过。进一步地，所述离子过滤器为水平设置在所述真空反应腔内的、具有多个滤孔的金属板，所述金属板上加载有直流偏压。...
【技术保护点】
一种等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，包括：真空反应腔；样品台，所述样品台可旋转，位于所述真空反应腔的底部；等离子激发单元，所述等离子激发单元位于所述真空反应腔的顶部；真空隔板，所述的真空隔板位于所述等离子体激发单元和所述样品台之间，将所述真空反应腔沿垂直方向分隔为第一类气态反应源吸附区和第二类气态反应源吸附区；具有第一进气口的第一气路，用于向所述第一类气态反应源吸附区通入第一类气态反应源；具有第二进气口的第二气路，用于向所述第二类气态反应源吸附区通入第二类气态反应源；其中，所述等离子体激发单元用于激发所述第一气态反应源和第二气态反应源电离分解；所述真空隔板用于防止所述第一类气态反应源和所述第二类气态反应源在衬底表面以外的空间发生预反应；所述样品台旋转形成外延生长所需要的层流，并让样品表面交替吸附第一类、第二类气态反应源分解形成的原子。
【技术特征摘要】
1.一种等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，其特征
在于，包括：
真空反应腔；
样品台，所述样品台可旋转，位于所述真空反应腔的底部；
等离子激发单元，所述等离子激发单元位于所述真空反应腔的顶部；
真空隔板，所述的真空隔板位于所述等离子体激发单元和所述样品台之间，
将所述真空反应腔沿垂直方向分隔为第一类气态反应源吸附区和第二类气态
反应源吸附区；
具有第一进气口的第一气路，用于向所述第一类气态反应源吸附区通入第
一类气态反应源；
具有第二进气口的第二气路，用于向所述第二类气态反应源吸附区通入第
二类气态反应源；
其中，所述等离子体激发单元用于激发所述第一气态反应源和第二气态反
应源电离分解；所述真空隔板用于防止所述第一类气态反应源和所述第二类气
态反应源在衬底表面以外的空间发生预反应；所述样品台旋转形成外延生长所
需要的层流，并让样品表面交替吸附第一类、第二类气态反应源分解形成的原
子。
2.根据权利要求1所属的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延
生长装置，其特征在于，所述真空隔板中空、形成具有第三进气口的第三气路，
所述第三气路用于通入隔离气体以防止所述第一类气态反应源和所述第二类
气态反应源在衬底表面以外的空间发生预反应。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的
外延生长装置，其特征在于，还包括：
离子过滤器，设置在所述等离子激发单元和所述样品台之间，将所述的真
空反应腔分隔成等离子放电区和等...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗毅，王健，郝智彪，汪莱，韩彦军，孙长征，熊兵，李洪涛，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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