[发明专利]一种快速制备晶体外延薄膜的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速制备晶体外延薄膜的装置和方法，属于晶体制造技术领域。

背景技术

薄膜由于其独特的纳米尺寸结构，具有许多宏观材料没有的特性。薄膜技术是在各种基板上沉积不同材料的薄膜层。这种薄膜层可以是单层或不同材料的多层形式出现。薄膜层的厚度从几埃到几百个微米。薄膜层在电子，光学，磁学，化学，机械和热学领域都有广泛的应用。电子方面的应用包括绝缘层，导电层和半导体层，以及压电薄膜。光学方面的应用包括干涉滤光片，光盘，增反射膜，减反射膜和波导。磁学应用包括硬盘上和磁头上的各种磁性和存储薄膜。化学应用包括扩合金薄膜，氧化或腐蚀保护膜，气体或液体传感膜。机械的应用包括耐磨涂层，高硬度膜，强粘接性膜。热学方面的应用包括散热薄膜层等。

制备薄膜的基板材料可以是单晶，多晶或无定形的导体，半导体或绝缘体。这些材料包括蓝宝石，碳化硅，硅，氧化锆，氧化镁，氧化锌，氮化镓，氮化铝，氮化铟，铜，金，铝以及它们的合金。其中蓝宝石，碳化硅，硅氧化锌，氮化镓，氮化铝特别适合用于制备短波长LED，如绿色，蓝色和UV光LED，和可见光和紫外探测器。基于氮化镓GaN薄膜的UV或蓝光LED逐渐被广泛使用在固态照明光源上。固态照明光源具有低耗能，高效和寿命，可能成为人类今后的主要照明手段。此外，氮化镓GaN具有高的电子迁移速度，可以用于制造高速电子器件和微波元件。

目前用于蓝光LED的材料主要是外延氮化镓GaN薄膜。制备外延氮化镓GaN薄膜的基板材料选择主要取决于以下几个方面，（1）基板与外延薄膜的晶格匹配；（2）基板与外延薄膜的热膨胀系数匹配热膨胀系数的匹配；（3）基板与外延薄膜的化学稳定性匹配；（4）基板材料制备的难易程度及成本的高低

目前常用的基板材料有：

1、氮化镓GaN基板

用于氮化镓生长的最理想的基板自然是氮化镓单晶材料，这样可以大大提高外延膜的质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。可是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法，所以价格昂贵。因而氮化镓作为半导体照明的基板之用受到限制。

2、蓝宝石Al2O3基板

目前用于氮化镓生长的最普遍的基板是蓝宝石Al2O3，其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟；不足方面是较大的与外延薄膜的晶格失配，导热性差，不易切割。

3、碳化硅SiC基板

碳化硅有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好和导热性能好等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。另外，SiC基板吸收380nm以下的紫外光，不适合用来研发380nm以下的紫外LED。

4、硅Si基板

硅片作为GaN材料的基板有许多优点，如晶体质量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性等。然而，由于GaN外延层与Si基板之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si基板上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。另外，由于硅基板对光的吸收严重，硅基LED出光效率低。

基于性能和价格，目前能用于生产蓝光LED的基板主要只有二种，即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC基板。蓝宝石因为其价格和大批量生产优势，成为半导体固态照明中最主要的基板。蓝宝石基板不足方面虽然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被低温过渡层氮化镓（GaN）或过渡层氮化铝（AlN）生长技术所克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过雷射划片所克服。

虽然在价格较低的异质材料基片如蓝宝石和碳化硅（SiC）上生长外延氮化镓（GaN）获得了很大的进步，但是为了获得低缺陷密度的氮化镓（GaN）往往需要在异质材料基片上首先生长较厚的低温过渡层氮化镓（GaN）或氮化铝（AlN）。在目前的工艺下，过渡层氮化镓（GaN）或氮化铝（AlN）一般使用气态III族元素和氮的来源如超纯氨在昂贵的外延设备（例如，MOVPE、MBE或者HVPE）中制备的。

目前为了制造低缺陷密度的氮化镓外延薄膜，很多企业开始利用各种掩蔽技术和横向外延过生长（LEO），图形化衬底材料（PSS）或选择区域生长技术等方法。这些方法需要对基板材料进行复杂的预处理和图形制备。