一种适用于制备高In组分InGaN材料的反应装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种适用于制备高In组分InGaN材料的反应装置，该反应装置包括反应腔体、样品台装置、束源炉、气体离化器、真空系统和加热装置，其中：加热装置包括衬底加热装置和腔体加热装置。本实用新型专利技术提供的反应装置通过在加热器载板上设置衬底加热装置和带冷却管道的反光杯，使得加热光束和辐射热量聚焦至衬底的表面，提高了加热功率利用率，并隔绝加热光源对腔体内的各种元器件的直接辐照，降低了元器件因温度过高而产生损坏的风险。本实用新型专利技术提供的反应装置还具有能耗低、产量大、材料质量优异等诸多优点。材料质量优异等诸多优点。材料质量优异等诸多优点。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于制备高In组分InGaN材料的反应装置


[0001]本技术涉及半导体薄膜外延生长
，尤其是涉及一种适用于制备高In组分InGaN材料的反应装置。

技术介绍

[0002]氮化物材料因其优异的性能被广泛用于发光二极管、电子器件、太阳能电池等领域。
[0003]当前常用的有机金属化学气相沉积方法，在制备高In组分InGaN材料时，过高的生长温度容易导致In脱附，不利于In的并入；相对较低的生长温度则不利于NH3的分解，无法提供充足的N源，因此难以制备In组分高于30%的InGaN材料。另外，采用有机金属化学气相沉积法制备材料时所用的MOCVD设备无法达到的较高的真空环境，容易引入C、H、O等杂质，影响材料的生长质量。等离子体辅助分子束外延（RF
‑
MBE）生长技术，通过射频电源产生氮等离子体，能提供充足的N源，可以实现低温条件下生长高In组分InGaN材料。然而，目前常用的RF
‑
MBE生长装置中，由于样品台只可与加热器一起进行自旋转，这会严重影响盛放的衬底数量，不利于大规模生产。原子层沉积是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法，可在较低的温度下生长薄膜质量优异的氮化物材料，但其不足之处也很明显，如沉积速率极慢，无法实现量产。其他常见的材料制备装置包括磁控溅射、氢化物气相外延、蒸发台等，均难以制备复杂的InGaN/GaN量子阱结构，无法达到要求。

技术实现思路

[0004]本技术的目的在于提供一种适用于制备高In组分InGaN材料的反应装置，该装置能提供高真空和低温氛围，并解决现有技术中低产能和高In组分材料生长困难等问题。
[0005]本技术的目的是这样实现的：
[0006]一种适用于制备高In组分InGaN材料的反应装置，特征是：包括反应腔体、气体离化器、束源炉、样品台装置、真空系统和加热装置，其中：
[0007]在反应腔体内的顶部设有样品台装置，样品台装置包括样品台旋转装置和载片架，载片架用以盛放衬底，样品台旋转装置带动载片架进行自转和公转；
[0008]在反应腔体内设有加热装置，加热装置包括加热衬底的衬底加热装置和烘烤腔体的腔体加热装置；若干个衬底加热装置设置在反应腔体内的反应腔体底板上，衬底加热装置为聚光型辐射加热装置，包括加热光源、反光杯和加热器载板，加热器载板的底端固定在反应腔体内的反应腔体底板上，反光杯的底端固定在加热器载板上，呈立置状态，反光杯与加热器载板共同围成一个向上开口且只有顶端可供光线出射的半封闭空间；加热光源设置在反光杯与加热器载板共同围成的半封闭空间内；反光杯为双层结构，反光杯的内表面和外表面之间设有中空的夹层，冷却管道从加热器载板引入至反光杯中，并缠在反光杯内、外表面的夹层之中，通过在冷却管道中通入不同的冷却介质来控制反光杯和加热器载板的温
度，避免反光杯和加热器载板对周侧元器件的加热；通过控制冷却管道内的冷却介质和流速能将加热器载板和反光杯的温度控制在0~100℃之间；在反应腔体底板的中间上方设有腔体加热装置，且位于气体离化器、束源炉、衬底加热装置的中间，腔体加热装置采用热辐射法对整个反应腔体进行加热；
[0009]对反应腔体抽真空的真空系统包括机械泵、分子泵和低温泵三组泵，其中：分子泵设在反应腔体外，且分子泵的输入端设在反应腔体的中部左侧壁上，以连通反应腔体，机械泵作为分子泵的前级泵，机械泵的输入端接分子泵的输出端；低温泵设在反应腔体外，且低温泵的输入端设在反应腔体外的顶部，与反应腔体连通；真空系统配合腔体加热装置的腔体烘烤作用，能实现较高的本底真空；
[0010]若干个束源炉和若干个气体离化器竖直地放置在反应腔体底板上，且气体离化器、束源炉和衬底加热装置均位于载片架旋转形成的圆弧线的正下方。
[0011]载片架能盛放衬底的数量为1~7个，载片架的数量为1~9个，载片架的放置位置均位于一同心圆的圆弧线上，且旋转时也沿着这一圆弧线进行公转。
[0012]气体离化器数量为1~4个，用于提供生长所需的阴离子。
[0013]束源炉数量为1~6个，用于提供生长所需的阳离子。
[0014]衬底加热装置的数量为3~12个，衬底加热装置均匀地设在反应腔体底板上，且在每个衬底加热装置的左右两侧分别放置气体离化器或束源炉。
[0015]反光杯的内表面为抛物线形。
[0016]加热光源位于反光杯内表面的抛物线形焦点处，反光杯能将加热光源产生的加热光束和辐射热量聚焦至衬底处，避免对反应腔体的整体加热。
[0017]加热光源为红外线石英辐射灯或卤素灯。
[0018]配合腔体加热装置的反应腔体烘烤作用，真空系统能将本底真空抽至1
×
10
‑6Pa以下。
[0019]本技术以高纯金属单质作为金属源，通过束源炉提供蒸发的方式获得金属阳离子，采用气体离化器提供高频感应的方式离化氨气或氮气获得氮离子，最终在低气压且衬底温度低于300℃下进行InGaN材料的生长，能制备In组分高于30%的InGaN材料。
[0020]本技术提供的适用于制备高In组分InGaN材料的装置的工作温度较低，工作过程中的能耗远低于传统的MOCVD装置，且通过设置带冷却管道的反光杯，使得加热光源所产生的光束和辐射热量聚焦至载片架处，进一步地提高了加热光源的加热功率的利用率；与此同时，设有冷却管道的反光杯能够充当冷屏并隔绝加热光源对反应腔体内各种元器件的直接辐照，降低了元器件因温度过高而产生损坏的风险。此外，本技术可同时维持多个载片架上衬底的温度且实现载片架的旋转，能在保证材料生长的前提下，有效地提高产能。
[0021]本技术能够产生以下效果：
[0022]1、能在低温和高真空的氛围下进行高In组分InGaN材料生长，有利于避免C、H、O等杂质元素引起的材料生长质量问题；
[0023]2、通过设置两个加热装置，能够更大限度地达到节能和保护反应腔体内的其他元器件的目的；
[0024]3、相比于RF
‑
MBE，单次可放置衬底数量多，产量大；
[0025]4、能耗低、材料质量优异。
附图说明
[0026]图1为本技术的示意图；
[0027]图2为反应腔体底板与束源炉、气体离化器、衬底加热装置的俯视示意图；
[0028]图3为本技术的衬底加热装置示意图；
[0029]其中：1
‑
反应腔体、11
‑
反应腔体底板、2
‑
气体离化器、3
‑
束源炉、4
‑
样品台装置、41
‑
样品台旋转装置、42
‑
载片架、5
‑
衬底加热装置、51
‑
加热光源、52
‑
加热器载板、53
‑
反光杯、531
‑
冷却管道、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于制备高In组分InGaN材料的反应装置，其特征在于：包括反应腔体、气体离化器、束源炉、样品台装置、真空系统和加热装置，其中：在反应腔体内的顶部设有样品台装置，样品台装置包括样品台旋转装置和载片架，载片架用以盛放衬底，样品台旋转装置带动载片架进行旋转；在反应腔体内设有加热装置，加热装置包括加热衬底的衬底加热装置和烘烤腔体的腔体加热装置；若干个衬底加热装置设置在反应腔体内的反应腔体底板上，衬底加热装置为聚光型辐射加热装置，包括加热光源、反光杯和加热器载板，加热器载板的底端固定在反应腔体内的反应腔体底板上，反光杯固定在加热器载板上，呈立置状态，反光杯与加热器载板共同围成一个向上开口且只有顶端可供光线出射的半封闭空间；加热光源设置在反光杯与加热器载板共同围成的半封闭空间内；反光杯为双层结构，反光杯的内表面和外表面之间设有中空的夹层，冷却管道从加热器载板引入至反光杯中，并缠在反光杯内、外表面的夹层之中，通过在冷却管道中通入不同的冷却介质来控制反光杯和加热器载板的温度，避免反光杯和加热器载板对周侧元器件的加热；通过控制冷却管道内的冷却介质和流速能将加热器载板和反光杯的温度控制在0~100℃之间；在反应腔体底板的中间上方设有腔体加热装置，且位于气体离化器、束源炉、衬底加热装置的中间，腔体加热装置采用热辐射法对整个反应腔体进行加热；对反应腔体抽真空的真空系统包括机械泵、分子泵和低温泵三组泵，其中：分子泵设在反应腔体外，且分子泵的输入端设在反应腔体的中部左侧壁上，以连通反应腔体，机械泵作为分子泵的前级泵，机械泵的输入端接...

【专利技术属性】
技术研发人员：全知觉，诸荣烽，曹盛，吴先民，何丽华，汤绘华，佟金山，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：新型
国别省市：