专利名称：气相外延工艺中的掺杂方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料领域，尤其涉及一种气相外延工艺中的掺杂方法及 其装置。背景技术：
GaN基化合物半导体材料是重要的直接带隙的宽禁带半导体材料。由于其 特有的带隙范围，优良的光、电学性质，优异的材料机械和化学性能，在蓝、 绿、紫、紫外及白光发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、紫外光探测器 和功率电子器件等光电子器件和电子器件以及特殊条件下的半导体器件等领 域中有广泛的应用前景，吸引着人们的浓厚兴趣。
然而，要想实现上述器件结构，制作出满足要求的优质PN结是必须突破 的工艺问题。而要想制作出电学性能良好的PN结，则必须首先能够制备出掺 杂浓度和均匀度都能满足PN结要求的N型和P型半导体。
以GaN为例，对与MOCVD工艺而言，N型GaN的掺杂物质一般用硅烷 (SiH4)。通过SiH4与NH3反应生成Si3N4， Si将取代晶格中Ga位，提供电子， 从而使GaN呈现出N型导电特性。这种方法已经比较成熟，已被MOCVD普 遍采用。但是MOCVD工艺的生长速度慢，如果要获得具有一定厚度的衬底， 尤其是要获得自支撑的GaN衬底，则必须选用氢化物气相外延(HVPE)工艺。 对于HVPE工艺来说，由于它采用的是热壁系统，工作温度达到1000'C以上， 而SiH4在60(TC就已经开始分解了，所以用SiH4掺杂是不可能的。
综上所述，对与HVPE系统而言，由于工作温度过高，导致一些在其他系 统中被采用的掺杂气体，例如SiH4等，无法在该系统中使用，因此也就难以 采用HVPE系统获得具有掺杂物质的半导体材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种气相外延工艺中的掺杂方法及其 装置，能够解决气相外延工艺由于生长温度过高而导致掺杂源气体分解的技术问题，采用气相外延工艺生长出具有掺杂物质的半导体衬底。
为了解决上述问题，本发明提供了一种气相外延工艺中的掺杂方法，包括如下步骤提供含有卤素元素的气体和由III族金属与掺杂元素构成的混合物;加热III族金属与掺杂元素构成的混合物；将含有卤素元素的气体通过加热后的混合物表面，以生成混有III族金属元素卤化物与掺杂元素卤化物的混合气体；将所述混合气体通入反应室，进行III-V族半导体材料的外延生长。
作为可选的技术方案，所述m族金属元素选自于Ga、 Al和In中的一种或多种，所述掺杂元素选自于硅、铁、镁和碳中的一种或多种，所述由III族金属与掺杂元素构成的混合物中，所有掺杂元素的质量之和不大于混合物总质量的1%。
作为可选的技术方案，所述含有卣素元素的气体为氯化氢。
作为可选的技术方案，进一步包括如下步骤将混合物加热到目标温度后进行保温，此步骤于将含有卤族元素的气体通过加热后的混合物表面的步骤之前实施，所述保温时间不小于10分钟。
本发明进一步提供了一种气相外延装置，包括氯化氢气体源，用于提供外延反应所需的含有卤素元素的气体；外延反应腔体，用于放置外延衬底并进行外延反应；以及反应舟，所述反应舟的进气端与含有卤素元素的气体源连通，排气端与外延反应腔体连通，从含有齒素元素的气体源释放出的气体经由反应舟流入外延反应腔体，参与外延生长；所述反应舟中放置有III族金属与掺杂元素构成的混合物。
作为可选的技术方案，所述m族金属元素选自于Ga、 Al和In中的一种或多种，所述掺杂元素选自于硅、铁、镁和碳中的一种或多种。
作为可选的技术方案，所述含有卣素元素的气体为氯化氢。
作为可选的技术方案，所述放置于反应舟中的由III族金属与掺杂元素构成的混合物中，所有掺杂元素的质量之和不大于混合物总质量的1%。
本发明还提供了一种气相外延工艺中的掺杂方法，包括如下步骤提供含有卤素元素的气体，以及分开放置的III族金属元素固形物和掺杂元素固形物；加热III族金属元素固形物与惨杂元素固形物；将含有卤素元素的气体分成两路，分别通过加热后III族金属元素固形物和掺杂元素固形物的表面；将混有 III族金属元素卤化物的气体与混有掺杂元素卤化物的气体通入反应室，进行 III-V族半导体材料的外延生长。
本发明还进一步提供了一种气相外延装置，包括含有卤素元素的气体源， 用于提供外延反应所需的氯化氢气体；外延反应腔体，用于放置外延衬底并进 行外延反应；以及两个反应舟，所述两个反应舟中的每一个反应舟的进气端都 与含有卤素元素的气体源连通，排气端都与外延反应腔体连通，从含有卤素元 素的气体源释放出的气体分成两路分别进入两个反应舟中，并进一步通过反应 舟流入外延反应腔体，参与外延生长；其特征在于，所述两个反应舟中的一个 放置有III族金属元素固形物，另一个放置有掺杂元素固形物。
作为可选的技术方案，所述两个反应舟都具有加热装置，且两个加热装置 的温度控制单元相互独立工作。
本发明的优点在于，采用由III族金属与掺杂元素构成的混合物与含有卤 族元素的气体反应以生成混合物，克服了氢化物容易分解的缺点，能够在III-V 族化合物中实现稳定的掺杂。
附图1是本发明所述气相外延工艺掺杂方法第一具体实施方式
的实施步骤 示意附图2是本发明所述气相外延工艺掺杂装置第一具体实施方式
的结构示意
附图3是本发明所述气相外延工艺掺杂方法第二具体实施方式
的实施步骤 示意附图4是本发明所述气相外延工艺掺杂装置第二具体实施方式
的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的气相外延工艺中的掺杂方法及其装置的具 体实施方式做详细说明。
首先结合附图给出本发明所述气相外延工艺中的掺杂方法以及掺杂装置
7的第一具体实施方式
。
附图1所示是本具体实施方式
所述方法的实施步骤示意图，包括步骤 S10,提供含有卤素元素的气体和由III族金属与掺杂元素构成的混合物；步骤 Sll，加热III族金属与掺杂元素构成的混合物；步骤S12，将含有卤素元素的 气体通过加热后的混合物表面；步骤S13，将所述混合气体通入反应室，进行
m-v族半导体材料的外延生长。
附图2所示是与附图1所述方法相对应的掺杂装置10的结构示意图，包 括含有卤素元素的气体源110，用于提供外延反应所需的含有卤素元素的气 体；外延反应腔体120，用于放置外延衬底121并进行外延反应；反应舟130，
所述反应舟130的进气端与含有卤素元素的气体源110连通，排气端与外延反 应腔体120连通，从含有卤素元素的气体源110释放出的含有卤素元素的气体 经由反应舟130流入外延反应腔体120，参与外延生长，所述反应舟130中放 置有III族金属与掺杂元素构成的混合物131;所述反应舟130还进一步包括加 热装置132，用于加热反应舟130之中的混合物131以增强其同含有卤素元素 的气体反应的化学活性。
本具体实施方式
中，所述含有齒素元素的气体为氯化氢。 如附图2所述的装置，并参考步骤SIO，提供含有卤素元素的气体和由III 族金属与掺杂元素构成的混合物。所述含有卤素元素的气体由含有卤素元素的 气体源110提供，所述由III族金属与掺杂元素构成的混合物置于反应舟130 之中。
所述III族金属元素选自于Ga、 Al和In中的一种或多种，所述掺杂元素 选自于硅、铁、镁和碳中的一种或多种，并且所述由III族金属与掺杂元素构 成的混合物中，所有掺杂元素的质量之和不大于混合物总质量的1%。上述的 掺杂元素比例不大于1%有利于掺杂元素在混合物中均匀分布。 继续参考步骤Sll，加热III族金属与掺杂元素构成的混合物。 所述加热混合物可以通过附图2中所示的加热装置132实现。所述加热装 置132具体可以是电阻式加热装置或者高频微波加热装置等。本步骤中加热的 温度范围是600°C~1000°C。该加热温度如果己经超过了混合物的熔点，则混合物将由固态转化为液态。
作为可选的技术方案，将混合物加热到目标温度后进行保温，此步骤于将 含有卤族元素的气体通过加热后的混合物表面的步骤之前实施，保温时间不小
于10分钟，保温有利于促进掺杂元素在混合物中均匀分布，尤其是对于加热
后转化为液态的混合物而言，该保温步骤对促进掺杂元素在液态混合物中均匀 分布的效果更为明显。
继续参考步骤S12，将含有卤素元素的气体通过加热后的混合物131的表面。
由于混合物131已经被加热，因此含有卤素元素的气体通过其表面时将和 混合物131发生反应，生成混有III族金属元素卤化物与惨杂元素卤化物的混 合气体。如前文所述，混合物131中的掺杂元素均匀分布的优点在于，此步骤 中所述混合气体中的掺杂元素是由混合物131表面的掺杂元素提供，因此掺杂 元素在混合气体中的浓度与混合物131表面的掺杂元素浓度有关。混合物131 中掺杂元素均匀分布意味着混合气体中掺杂元素的浓度始终是均匀的。
继续参考步骤S13，将所述混合气体通入反应室120，进行m-v族半导体 材料的外延生长。
III-V族半导体材料的外延生长工艺是本领域内公知技术，此处不再赘述。 众所周知，外延生长除了需要上述混合气体之外，还进一步需要其他气体，因 此反应室120中进一步通过气路140通入其他反应气体，例如氨气等，以满足 外延生长的需要。
以上具体实施方式
所提供的技术方案采用由III族金属与掺杂元素构成的 混合物与含有卤族元素的气体反应以生成混合物，克服了氢化物容易分解的缺
点，能够实现在m-v族化合物中实现稳定的掺杂。
接下来结合附图给出本发明所述气相外延工艺中的惨杂方法以及掺杂装 置的第二具体实施方式
。
附图3所示是本具体实施方式
所述方法的实施步骤示意图，包括步骤
S20，提供含有卤素元素的气体，以及分开放置的ni族金属元素固形物和掺杂
元素固形物；步骤S21,加热III族金属元素固形物与掺杂元素固形物；步骤S22，将含有卤素元素的气体分成两路，分别通过加热后m族金属元素固形物
和掺杂元素固形物的表面；步骤S23，将混有III族金属元素卤化物的气体与 混有掺杂元素卤化物的气体通入反应室，进行III-V族半导体材料的外延生长。
附图4所示是与附图3所述方法相对应的掺杂装置20的结构示意图，包 括含有卤素元素的气体源210，用于提供外延反应所需的含有卤素元素的气 体；外延反应腔体220，用于放置外延衬底221并进行外延反应；以及第一反 应舟230与第二反应舟240，所述两个反应舟230与240中的每一个反应舟的 进气端都与含有卤素元素的气体源210连通，排气端都与外延反应腔体220连 通。所述两个反应舟中，第一反应舟230中放置有III族金属元素固形物231， 另一个放置有掺杂元素固形物241 。所述两个反应舟分别具有加热装置232与 242。且作为可选的技术方案，两个加热装置的温度控制单元相互独立工作， 以有利于更好的控制惨杂浓度。如果加热温度超过了金属元素固形物231或者 掺杂元素固形物241的熔点，则固形物自然转化为液态，更有利于同含有卤素 元素的气体在表面发生反应。
上述装置中，从含有卤素元素的气体源210释放出的气体分成两路分别进 入第一反应舟230与第二反应舟240中，并进一步通过反应舟流入外延反应腔 体，参与外延生长。
所述装置20进一步包括气路250，用于通入其他反应气体，例如氨气等， 以满足外延生长的需要。
上述方法和装置的基本原理与前一具体实施方式
类似，均是采用含有卤素 的气体携带III族金属元素和掺杂元素以形成包含上述元素卤化物的混合气体， 从而克服了氢化物容易分解的缺点，能够实现在m-v族化合物中实现稳定的 掺杂。而与前一具体实施方式
不同的是，本具体实施方式
是采用两个不同的反 应舟分别放置III族金属元素固形物和掺杂元素固形物，并以含有卤素的气体 通过其表面，再将气体混合。由于III族金属元素和掺杂元素分开放置，因此 本具体实施方式
的优点在于能够在更宽的范围内控制掺杂元素的浓度。并且采 用相互独立工作的两套加热装置分别控制III族金属元素和掺杂元素的温度， 使掺杂元素的浓度更易控制。
10上述控制掺杂元素浓度的方法有很多中，例如可以通过控制掺杂元素固形 物暴露于卤素元素的气体中的表面积来控制掺杂的水平，通过将掺杂物固形物 粉碎等方法可以增加其同气体接触的表面积；也可以通过控制卤素元素的在气 体中的浓度来控制掺杂的水平，控制方法可以是采用氢气或者氮气等不与掺杂 元素反应的气体以一定的比例稀释含有卤素元素的气体中卤素的浓度；或者也 通过改变加热掺杂元素固形物的温度来控制掺杂水平。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种气相外延工艺中的掺杂方法，其特征在于，包括如下步骤提供含有卤素元素的气体和由III族金属与掺杂元素构成的混合物；加热III族金属与掺杂元素构成的混合物；将含有卤素元素的气体通过加热后的混合物表面，以生成混有III族金属元素卤化物与掺杂元素卤化物的混合气体；将所述混合气体通入反应室，进行III-V族半导体材料的外延生长。
2. 根据权利要求i所述的气相外延工艺中的掺杂方法，其特征在于，所述in族金属元素选自于Ga、 Al和In中的一种或多种，所述掺杂元素选自于硅、铁、镁和碳中的一种或多种。
3. 根据权利要求2所述的气相外延工艺中的掺杂方法，其特征在于，所述由III族金属与掺杂元素构成的混合物中，所有掺杂元素的质量之和不大于混合物总质量的1%。
4. 根据权利要求1所述的气相外延工艺中的掺杂方法，其特征在于，所述含有卤素元素的气体为氯化氢。
5. 根据权利要求1至4任意一项所述的气相外延工艺中的掺杂方法，其特征在于，进一步包括如下步骤将混合物加热到目标温度后进行保温，此步骤于将含有卤族元素的气体通过加热后的混合物表面的步骤之前实施。
6. 根据权利要求5所述的气相外延工艺中的掺杂方法，其特征在于，所述保温时间不小于10分钟。
7. —种气相外延装置，包括氯化氢气体源，用于提供外延反应所需的含有卤素元素的气体；外延反应腔体，用于放置外延衬底并进行外延反应；以及反应舟，所述反应舟的进气端与含有卤素元素的气体源连通，排气端与外延反应腔体连通，从含有卤素元素的气体源释放出的气体经由反应舟流入外延反应腔体，参与外延生长；其特征在于，所述反应舟中放置有III族金属与掺杂元素构成的混合物。
8. 根据权利要求7所述的气相外延装置，其特征在于，所述III族金属元素选自于Ga、 Al和In中的一种或多种，所述掺杂元素选自于硅、铁、镁和碳中的一种或多种。
9. 根据权利要求8所述的气相外延装置，其特征在于，所述含有卤素元素的气体为氯化氢。
10. 根据权利要求8或9所述的气相外延装置，其特征在于，所述放置于反应舟中的由III族金属与掺杂元素构成的混合物中，所有掺杂元素的质量之和不大于混合物总质量的1%。
11. 一种气相外延工艺中的掺杂方法，其特征在于，包括如下步骤提供含有卤素元素的气体，以及分开放置的III族金属元素固形物和掺杂元素固形物；加热III族金属元素固形物与掺杂元素固形物；将含有卤素元素的气体分成两路，分别通过加热后III族金属元素固形物和掺杂元素固形物的表面；将混有III族金属元素卤化物的气体与混有掺杂元素卤化物的气体通入反应室，进行III-V族半导体材料的外延生长。
12. 根据权利要求11所述的气相外延工艺中的摻杂方法，其特征在于，通过控制掺杂元素固形物暴露于卤素元素的气体中的表面积来控制惨杂的水平。
13. 根据权利要求11所述的气相外延工艺中的惨杂方法，其特征在于，通过控制卤素元素的浓度来控制掺杂的水平。
14. 根据权利要求11所述的气相外延工艺中的掺杂方法，其特征在于，加热掺杂元素固形物所达到的温度为300-900°C。
15. —种气相外延装置，包括含有卤素元素的气体源，用于提供外延反应所需的氯化氢气体；外延反应腔体，用于放置外延衬底并进行外延反应；以及两个反应舟，所述两个反应舟中的每一个反应舟的进气端都与含有卤素元素的气体源连通，排气端都与外延反应腔体连通，从含有卤素元素的气体源释放出的气体分成两路分别进入两个反应舟中，并进一步通过反应舟流入外延反应腔体，参与外延生长；其特征在于，所述两个反应舟中的一个放置有III族金属元素固形物，另一个放置有掺杂元素固形物。
16.根据权利要求15所述的气相外延装置，其特征在于，所述两个反应舟都具有加热装置，且两个加热装置的温度控制单元相互独立工作。
全文摘要
一种气相外延工艺中的掺杂方法，包括如下步骤提供含有卤素元素的气体和由III族金属与掺杂元素构成的混合物；加热III族金属与掺杂元素构成的混合物；将含有卤素元素的气体通过加热后的混合物表面，以生成混有III族金属元素卤化物与掺杂元素卤化物的混合气体；将所述混合气体通入反应室，进行III-V族半导体材料的外延生长。本发明进一步提供了另一种掺杂方法以及相应的两种掺杂装置。本发明的优点在于，采用由III族金属与掺杂元素构成的混合物与含有卤族元素的气体反应以生成混合物，克服了氢化物容易分解的缺点，能够在III-V族化合物中实现稳定的掺杂。
文档编号C30B25/02GK101665978SQ20091019642
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者任国强, 张育民, 科 徐, 王建峰 申请人:苏州纳维科技有限公司