一種激光輔助低溫生長氮化物材料的方法與裝備的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氮化物氣相沉積技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及在激光輔助作用下在襯底表面上沉積 氮化物如氮化嫁（GaN)、氮化侶嫁（AlGaN)、氮化侶（AlN)或氮化銅（InN)等氮化物薄膜的 方法與裝備，主要特征在于可W實(shí)現(xiàn)薄膜的低溫沉積工藝和大量減少氮源消耗（如氨氣N& 的使用）。
【背景技術(shù)】
[0002] 在氮化物中，第III族氮化物半導(dǎo)體，如GaN、AlGaN、AlN或InN等寬禁帶半導(dǎo)體材 料是制備藍(lán)光到紫外光波段的半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED)、半導(dǎo)體激光器（LD)等光電器件的 首選材料。由于III族氮化物基材料具有電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)熱性能好、 化學(xué)和熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于制造高性能光電子器件、大功率電子器件W及 高頻設(shè)備。
[0003] 高質(zhì)量的晶態(tài)氮化物薄膜是決定氮化物器件性能及可靠性的關(guān)鍵。然而，目前 高質(zhì)量晶態(tài)氮化物薄膜生長技術(shù)均需高溫環(huán)境。例如，化學(xué)氣相沉積法（MOCVD)需要 在950-110(TC環(huán)境下進(jìn)行；基于氨氣作為氮源的高真空下分子束外延技術(shù)（MB巧需要在 800°C左右的環(huán)境下進(jìn)行；同樣基于氨氣氮源的真空中氨化物氣相外延技術(shù)（HVP巧也需要 約750°C的環(huán)境溫度。雖然高的環(huán)境溫度有利于加快前驅(qū)體的化學(xué)分解和吸附原子的表面 擴(kuò)散過程，但同時也給襯底材料帶來一系列不良反應(yīng)（如氮化物膜的雙軸應(yīng)力、GaN膜層 中氮元素缺失和氮化物熱分解等）。雙軸應(yīng)力的產(chǎn)生是由于氮化物膜層和襯底材料（如 藍(lán)寶石或娃）間的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)相差較大（如GaN薄膜和藍(lán)寶石襯底間晶格常 數(shù)相差16%，而熱膨脹系數(shù)相差25% )，因此容易造成襯底損傷，甚至導(dǎo)致襯底的形變甚至 開裂，不利于平坦、無裂紋的高質(zhì)量氮化物薄膜的生長，使得后期制造氮化物基發(fā)光二極管 (L?。┖桶雽?dǎo)體激光器（LD)時易產(chǎn)生發(fā)光效率和穩(wěn)定性下降等問題。為了減少氮化物薄 膜上的熱應(yīng)力，常常會使用與氮化物薄膜晶格匹配的材料作襯底，如侶酸裡（LiAl化）、嫁酸 裡（LiGa〇2)和碳化娃等。然而，該些晶格匹配的襯底材料成本太高，難W大規(guī)模量產(chǎn)和商 業(yè)化。
[0004] 其次，當(dāng)前氮化物薄膜材料沉積工藝中，膜層中的氮在生長時容易分解，過高的環(huán) 境溫度容易加劇氮的揮發(fā)，造成氮化物基薄膜中的氮成分缺失，使薄膜中留下大量的氮空 位，因此氮化物薄膜有很高的背景電子濃度，導(dǎo)致后續(xù)的P型滲雜困難。此外，氮化物薄膜 生長中氨氣（N&)利用效率極低，必須采用超大流量的氨氣（N&)，導(dǎo)致氮化物基薄膜材料 生長成本過高、周期過長、能耗過高，并嚴(yán)重污染環(huán)境。
[0005] 由于高溫環(huán)境所帶來的該些不利因素，還使得氮化物薄膜生長質(zhì)量和效率大大降 低，當(dāng)前MOVCD合成氮化嫁薄膜的沉積速度僅為4ym/h，M邸技術(shù)的沉積速度僅為1ym/h。 如何降低氮化物薄膜材料的生長溫度，同時提高其沉積速度和質(zhì)量，是當(dāng)前國內(nèi)外光電子 領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)，也是制約氮化物器件性能和質(zhì)量提高的技術(shù)瓶頸，是氮化物器件價 格居高不下的重要原因。顯然，如果能夠?qū)ふ乙环N低溫、高效生長氮化物晶態(tài)薄膜技術(shù)，克 服和解決現(xiàn)有高溫氮化物薄膜生長帶來的技術(shù)難題，將使得氮化物薄膜的制備技術(shù)躍上新 臺階。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出了一種激光輔助低溫生長氮化物材料的方法與裝備，目的在于通過對 活性氮源分子進(jìn)行共振激發(fā)，在提高活性氮源利用率和減少環(huán)境污染的同時，實(shí)現(xiàn)低溫環(huán) 境下氮化物膜層材料的快速和高質(zhì)量生長。
[0007] 本發(fā)明提供的一種激光輔助低溫生長氮化物材料的方法，將由惰性運(yùn)載氣體運(yùn)載 的非氮元素的前驅(qū)體蒸汽和活性氮源前驅(qū)體氣體分別輸送到反應(yīng)腔室內(nèi)溫度為250°c至 80(TC的襯底材料處，利用波長與活性氮源分子鍵共振波長相等的激光束作用于活性氮源 氣體，使激光能量直接禪合至活性氮源分子NH鍵，加速NH鍵的斷裂，提供充足的活性氮源， 從而使非氮元素與活性氮源發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積第III族氮化物膜層材料，持續(xù)作用直到 沉積物達(dá)到所需厚度。
[000引上述技術(shù)方案可W采用下述具體過程實(shí)現(xiàn)：
[0009] 第1步，將襯底置于反應(yīng)腔室內(nèi)；
[0010] 第2步，將反應(yīng)腔室抽真空，并將襯底的溫度加熱到250-800°C的某一溫度；
[0011] 第3步，采用運(yùn)載氣體將非氮元素前驅(qū)體的蒸汽，與活性氮源的前驅(qū)體混合后輸 送到反應(yīng)腔室內(nèi)襯底材料表面附近，并使工作氣壓為1至300Torr;
[0012] 第4步，將波長可調(diào)諧激光器的輸出波長調(diào)諧到與活性氮源分子的一個振動模式 相匹配，使激光束和混合氣體相互作用，加速NH鍵的斷裂，提供豐富的活性氮源；
[0013] 第5步，非氮元素前驅(qū)體分解出的活性物質(zhì)與活性氮源發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積氮化 物膜層材料；
[0014] 第6步，持續(xù)沉積使得膜層達(dá)到所需厚度。
[0015] 上述技術(shù)方案可W采用下述任一種或幾種方式進(jìn)行改進(jìn)：活性氮源前驅(qū)體氣體與 非氮元素的前驅(qū)體蒸汽的體積比為600:1 - 4000 ;1 ;激光束沿著襯底表面平行方向入射， 光斑中軸至襯底距離為IO-SOmm;所述運(yùn)載氣體為氮?dú)猓钚缘辞膀?qū)體氣體為NHs,非氮元 素的前驅(qū)體蒸汽與運(yùn)載氣體的體積比大約為1 ;6-1 ;50 ;非氮元素的前驅(qū)體蒸汽與運(yùn)載氣 體的體積比大約為1 ;6-1 ;50 ;反應(yīng)腔室內(nèi)活性氮源前驅(qū)體氣體與非氮元素的前驅(qū)體蒸汽 的體積比為600:1 - 4000 ;1。所述溫度優(yōu)選為250-600°C;所述光斑中軸至襯底距離優(yōu)選為 20-30mm，所述工作氣壓優(yōu)選為80-120Torr。
[0016] 所述襯底材料為藍(lán)寶石、單晶娃、侶酸裡、嫁酸裡、碳化娃或者其它功能材料。
[0017] 本發(fā)明提供的一種激光輔助低溫生長氮化物材料的裝備，包括真空反應(yīng)腔、氣體 預(yù)混合腔、激光器和移動機(jī)構(gòu)；
[0018] 真空反應(yīng)腔上設(shè)置有激光入射窗口和激光出射窗口；
[0019] 激光器的出光口、光斑調(diào)節(jié)器、激光入射窗口和激光出射窗口依次位于同一光路 上，激光出射窗口處安裝有激光功率計(jì)；
[0020] 加熱器位于真空反應(yīng)腔內(nèi)，加熱器表面用于放置襯底；
[0021] 氣體預(yù)混合腔安裝在真空反應(yīng)腔的上面，氣體預(yù)混合腔的進(jìn)氣端分別與前驅(qū)體與 運(yùn)載氣體的進(jìn)氣管、氮源進(jìn)氣管連接，出氣端與送氣管的一端連接，送氣管的另一端伸入真 空反應(yīng)腔內(nèi)的襯底附近；
[0022] 所述移動機(jī)構(gòu)用于激光束與襯底產(chǎn)生相對移動，W使得沉積物能夠在大面積襯底 表面均勻沉積，并達(dá)到所需厚度。
[0023] 作為上述關(guān)于裝置的技術(shù)方案的改進(jìn)，所述移動機(jī)構(gòu)為位于真空反應(yīng)腔內(nèi)的=維 移動平臺，所述加熱器位于=維位移平臺的工作臺面上；或者所述移動機(jī)構(gòu)由固定反射鏡 和可移動掃描反射鏡構(gòu)成，所述固定反射鏡與光斑調(diào)節(jié)器的光軸成45度角放置，所述可移 動掃描反射鏡位于激光入射窗口處，并與固定反射鏡平行放置，由所述激光器射的激光束 通過光斑調(diào)節(jié)器后，光斑直徑調(diào)節(jié)到所需要尺寸大小的平行光斑，然后通過固定反射鏡，入 射到所述可移動掃描反射鏡的反射面，然后通過所述激光入射窗口進(jìn)入真空反應(yīng)腔。
[0024] 具體而言，本發(fā)明提供的一種激光輔助低溫生長氮化物材料的方法與裝置（即 LCVD)，具有W下技術(shù)特點(diǎn)：
[0025] (1)本發(fā)明利用波長可調(diào)諧的激光器（如二氧化碳激光器），將發(fā)射激光束波長調(diào) 諧至畑3分子共振波長中的任何一個（例如9. 219ym，10. 35ym和10. 719ym等等），同時 通過調(diào)節(jié)激光輸出功率（或功率密度），使得激光束作用在反應(yīng)腔室內(nèi)的襯底附近，加速NH 鍵的斷裂，為低溫條件下氮化物高效率沉積提供充足的活性氮源，從而有效提高氮化物膜 層生長速度與質(zhì)量。
[0026] 似由于共振激發(fā)可W在低溫下大幅度提高畑3的分解效率，因此可W在比傳統(tǒng) MOCVD工藝低得多的氣流下完成氮化物沉積過程，從而大量節(jié)約氨氣，節(jié)約能耗，減少薄膜 膜中的氮成分缺失，提高薄膜的化學(xué)配比，大幅度提高氮化物膜層的質(zhì)量與性能；
[0027] (3)相較于傳統(tǒng)MOCVD生長氮化物的高溫環(huán)境，本發(fā)明提供的LCVD可W在低于 800°C的低溫條件下（可降低到250°C)生長氮化物薄膜，可大幅降低襯底材料的損傷，避免 襯底材料的開裂、彎曲和形變。因此，所生長的氮化物膜層材料質(zhì)量大幅提高；
[002引 （4)由于采用低溫環(huán)境，大幅度增加了可選用的襯底材料。除了耐高溫但價格昂貴 的侶酸裡、嫁酸裡和碳化娃外，還可W采用導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性更好，更為經(jīng)濟(jì)的藍(lán)寶石和單晶 娃片等作為襯底。
[0029] 綜上所述，本發(fā)明所公開的方法利用波長可調(diào)諧的C〇2激光器福照氨氣輔助生長 氮化物膜層材料技術(shù)，不僅能大幅提高其質(zhì)量和效率，而且能大幅降低制造成本，具有傳統(tǒng) 高溫生長氮化物膜層材料無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，可為氮化物膜層材料生長技術(shù)的發(fā)展提供一種 新的方法。
【附圖說明】
[0030] 附圖是為提供對本發(fā)明進(jìn)一步的理解，它們構(gòu)成本申請的一部分。附圖給出了本 發(fā)明的實(shí)施例，并與本說明書一同起到解釋本發(fā)明原理的作用。
[0031] 圖1是激光輔助低溫生長氮化物材料的第一種【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖2是激光輔助低溫生長氮化物材料的第二種【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖3是激光束的擴(kuò)束或者縮束光學(xué)系統(tǒng)，它可W根據(jù)LCVD所需要的光斑大小，擴(kuò) 大或者縮小激光光斑直徑；
[0034] 圖4是氨氣對C〇2激光波長從9. 219to10. 8ym的吸收光譜，反應(yīng)腔室的氣壓分 別為 1，10 和IOOTorr;
[003引圖5是不同溫度下LCVD沉積的GaN膜層X射線衍射狂RD)檢測