一种金属有机化合物气相沉积系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种金属有机化合物气相沉积(MOCVD)系统，包括反应室、载气源、三族源、五族源、三族源总管路、五族源总管路和尾气处理单元，其特征在于，该MOCVD系统还包括外加碳源，载气源通过管路连接该外加碳源，该外加碳源再通过管路连接三族源总管路或者直接连接反应室，并在外加碳源连接三族源总管路或者反应室的管路上设有质量流量控制器。利用该MOCVD系统可以在最佳的GaN生长条件下进行GaN外延生长，在保持GaN材料高晶体质量的同时，通过控制外加碳源流量精确调控GaN材料中C杂质浓度，实现半绝缘高阻GaN材料的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种金属有机化合物气相沉积系统
本技术属于半导体
，特别是涉及一种用于制备高阻氮化镓的金属有机化合物气相沉积(MOCVD)系统。
技术介绍
金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)，是利用金属有机化合物进行热分解反应生长薄膜的一种气相外延技术。MOCVD始于1968年Manasevit在蓝宝石上进行的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的异质外延生长，经过近半个世纪的发展，已具有控制精度高、重复性好、易于批量生产等特点，并发展成为微电子和光电子领域、包括半导体低维领域最重要的外延技术之一。MOCVD作为现代外延技术的重要组成部分，已扩展到绝缘介质、金属材料等多种材料体系中。在制备Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体时，它的源材料为包含有Ⅲ族金属元素的有机化合物(原子团一般为甲基或乙基的烷基类化合物)的饱和蒸汽和V族元素的氢化物。整个生长过程中涉及到诸多物理化学的过程，是一个较为复杂的工作系统。利用MOCVD系统可以批量外延生长GaN基功率电子器件，常被用于高频、高压和高温的工作环境中，器件的耐压和漏电特性成为了GaN基功率电子器件的最重要的指标之一。采用半绝缘高阻GaN缓冲层可以有效地隔离衬底和器件的有源区，对于减少GaN基功率电子器件的漏电具有重要作用。为了外延生长获得半绝缘高阻GaN缓冲层，提高器件性能，通常采用在GaN材料中掺入受主型杂质碳(C)的方法，来补偿GaN材料的背景n型导电，从而获得半绝缘高阻GaN。但是对于常规的MOCVD系统，只能通过C杂质内掺杂技术来实现，如[1]HadyYacoub,etal.IEEETransElectronDevices65,3192(2018)。这种技术通过改变外延GaN过程中的生长条件(如低生长温度和低生长压力等)，利用三甲基镓(TMGa)作为Ga和C元素的前驱体，在GaN材料中掺入受主型杂质C。但是这种技术需要比较极端的生长条件才能并入较高的C杂质浓度，而这种极端的生长条件会导致GaN材料晶体质量下降，同时生长条件的不稳定性也给精确控制C杂质浓度带来了极大的难度。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本技术提供了一种金属有机化合物气相沉积(MOCVD)系统，用于制备高阻氮化镓，即在现有MOCVD设备基础上，通过设备改造增加了一路外加碳源，并在GaN外延生长过程中，在反应室中通入外加碳源，通过控制特定的生长条件，来制备高质量的半绝缘高阻GaN薄膜材料。具体的，本技术的技术方案如下：一种金属有机化合物气相沉积(MOCVD)系统，包括反应室、载气源、三族源、五族源、三族源总管路、五族源总管路和尾气处理单元，其中：载气源分别与三族源和五族源通过管路连接，三族源的化合物由载气携带进入三族源总管路后再输送至反应室，五族源的化合物由载气携带进入五族源总管路后再输送至反应室；反应室产生的尾气排出到尾气处理单元进行处理，其特征在于，该MOCVD系统还包括外加碳源，载气源通过管路连接该外加碳源，该外加碳源再通过管路连接三族源总管路或者直接连接反应室；在所述外加碳源连接三族源总管路或者反应室的管路上设有质量流量控制器。本技术的MOCVD系统中，可以将外加碳源接入三族源总管路中，经由三族源总管路输运到反应室中，也可以将外加碳源直接接入反应室中；通过质量流量控制器控制外加碳源的流量。采用本技术的MOCVD系统进行高质量的半绝缘高阻GaN薄膜材料制备，包括如下步骤：(1)选择一种衬底置于反应室中，所述衬底可以是硅衬底、碳化硅衬底、金刚石衬底、蓝宝石衬底和Ⅲ-Ⅴ族化合物衬底中的任意一种；(2)通过载气以一定的流量载带反应气体进入反应室，通过三族源总管路向反应室中输送三族源化合物，同时通过五族源总管路向反应室中输送五族源化合物，反应室环境设置为高温低压条件；(3)在此过程中利用载气携带向反应室通入外加碳源，并利用质量流量控制器控制外加碳源的流量；(4)载气携带三族源、五族源和外加碳源的化合物输运至反应室后混合，在高温的衬底表面发生化学反应，并在衬底上沉积半绝缘高阻GaN薄膜，副产物排出至尾气处理单元。针对上述三族源，三族源为提供Ⅲ族金属元素的有机化合物(原子团一般为甲基或乙基的烷基类化合物)的装置，所述三族源优选为三甲基镓源。针对上述五族源，五族源为提供V族元素的氢化物的装置，所述五族源优选为氨气源。针对上述载气源，载气一般为氮气、氢气或者两者的混合气体。针对上述外加碳源，所述外加碳源为提供碳氢化合物的装置，所述碳氢化合物在高温低压的生长条件下为气态，优选为甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、丙烷等碳原子数少于等于4的碳氢化合物。本技术的MOCVD系统中，可以将外加碳源接入三族源总管路中，经由三族源总管路输运到反应室中，也可以将外加碳源直接接入反应室中。本技术采用独特地外加碳源的MOCVD系统，通过质量流量控制器控制外加碳源流量，克服了现有半绝缘高阻GaN材料中掺杂C杂质的难点，不用通过改变GaN的生长条件即可实现半绝缘高阻GaN材料中掺杂C杂质。在GaN外延过程中，可以将GaN优化在最佳的生长条件下生长，在保持GaN材料高晶体质量的同时，通过质量流量控制器调节外加碳源的流量，碳杂质浓度可以在1E17cm-3到1.5E19cm-3之间精确调控。本技术对利用MOCVD系统进行产业化生产GaN基功率电子器件有很大的实际应用价值。附图说明图1为实施例1采用的MOCVD系统示意图；图2为实施例2采用的MOCVD系统示意图；其中，1—载气源；2—五族源；3—五族源总管路；4—三族源总管路；5—三族源；6—外加碳源；7—质量流量控制器；8—反应室；9—衬底；10—尾气处理单元。具体实施方式下面结合附图，通过实施例对本技术进行详细描述。实施例1如图1所示，本实施例用于制备高阻氮化镓的MOCVD系统包括载气源1、五族源2、五族源总管路3、三族源总管路4、三族源5、外加碳源6、质量流量控制器7、反应室8和尾气处理单元10，其中：载气源1通过管路分别与五族源2、五族源总管路3、三族源5、三族源总管路4、外加碳源6连接；五族源化合物由载气携带先进入五族源总管路3，再输送至反应室8；三族源化合物由载气携带先进入三族源总管路4，再输送至反应室8；外加碳源6中的碳氢化合物由载气携带先进入三族源总管路4，再输送至反应室8；在外加碳源6至三族源总管路4的连接管路上设有质量流量控制器7。利用上述MOCVD系统制备半绝缘高阻GaN薄膜的方法包括以下步骤：(1)选择一种GaN衬底9置于反应室8中；(2)以氢气作为载气携带反应气体进入反应室8，其中五族源采用氨气，通过五族源总管路3向反应室8中输送，三族源采用三甲基镓，通过三族源总管路4向反应室8中输送，反应室8环境为温度900-1100℃，生长压力10-300mbar；(3)外加碳源6采用丙烷，载气源1输出的氢气携带丙烷，在质量流量控制器7的调控流量下进入三族源总管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属有机化合物气相沉积系统，包括反应室、载气源、三族源、五族源、三族源总管路、五族源总管路和尾气处理单元，其中：载气源分别与三族源和五族源通过管路连接，三族源的化合物由载气携带进入三族源总管路后再输送至反应室，五族源的化合物由载气携带进入五族源总管路后再输送至反应室；反应室产生的尾气排出到尾气处理单元进行处理，其特征在于，该金属有机化合物气相沉积系统还包括外加碳源，载气源通过管路连接该外加碳源，该外加碳源再通过管路连接三族源总管路或者直接连接反应室；在所述外加碳源连接三族源总管路或者反应室的管路上设有质量流量控制器。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属有机化合物气相沉积系统，包括反应室、载气源、三族源、五族源、三族源总管路、五族源总管路和尾气处理单元，其中：载气源分别与三族源和五族源通过管路连接，三族源的化合物由载气携带进入三族源总管路后再输送至反应室，五族源的化合物由载气携带进入五族源总管路后再输送至反应室；反应室产生的尾气排出到尾气处理单元进行处理，其特征在于，该金属有机化合物气相沉积系统还包括外加碳源，载气源通过管路连接该外加碳源，该外加碳源再通过管路连接三族源总管路或者直接连接反应室；在所述外加碳源连接三族源总管路或者反应室的管路上设有质量流量控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨学林，沈波，沈剑飞，刘丹烁，蔡子东，杨志坚，王新强，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：新型
国别省市：北京;11