[发明专利]一种采用激光辐照氮化镓外延片改善氮化镓电学光学性质的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备领域。

背景技术

以氮化镓、碳化硅等材料为代表的宽禁带半导体作为一种物理特性丰富的新兴材料，在现阶段的生产生活中扮演了越来越重要的位置。特别是近些年来，以GaN为基底材料的蓝光LED发展迅速。

GaN材料的禁带宽度是直接带隙型的，在室温下其禁带宽度为3.39eV，属于宽禁带半导体范畴，在载流子复合时普遍具有较高的量子效率。GaN材料是直接带隙意味着其带隙较宽，非常适合用来制作蓝、绿光和紫外光发光器件(例如LED)及紫外光探测器件。其电子饱和速率、击穿电场、导热率、带隙高于Si和GaAs，所以可用于电荷耦合器件、高速存储器、大功率器件及要求暗电流比较低的光探测器。当然，GaN等直接带隙材料还可以制作短波长大功率激光器。其次，这类材料介电强度高，适于开发相应大功率的放大器件、开关器件及二极管。此外，其相对介电常数比较低，可制作毫米波放大器串联电容。这些优异特性，使得其在高温、高频、光电子、大功率以及抗辐射等方面有很大的应用潜力。

GaN材料有着极大的性能改善空间。首先，从外延生长氮化镓材料的衬底角度来看，用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料，若使用其作为氮化镓材料生长的衬底材料可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，从而提高器件工作电流密度。但是制备GaN体单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的办法。如今用于GaN生长最普遍的衬底是蓝宝石，即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。但是蓝宝石衬底与GaN材料的晶格失配度较大，造成在外延生长的GaN材料中位错密度较大，影响材料的结晶质量和许多电学和光学性质。正是因此，高质量的GaN材料外延生长非常困难，其生长技术发展也非常缓慢。直到20世纪90年代后，随着材料生长和器件工艺水平的不断提高，以及缓冲层技术的采用和p型掺杂技术的突破，才使GaN基材料及其外延生长的研究变得空前活跃，成为目前全球半导体领域研究和投资的热点。

其次，即使采用各种方法生长出的GaN晶体也不可避免的大多含有一定数量的氮空位缺陷（V_N），这会导致非掺杂的GaN材料均为n型半导体,本底电子浓度在10¹⁴-4x10¹⁶cm^-3左右,呈现出高电导的情况;而p型GaN一般属补偿材料,且一般均用Mg元素作为受主掺杂杂质。目前可控掺杂浓度仅在10¹¹-10²⁰cm^-3之间。这意味着外延生长的p型GaN材料的电学性能有较大的提升空间。

激光技术自问世以来，以其能量高、易操作、可控性好不易引入污染等优点广泛用于新材料制备、辐照材料改性等研究领域。特别是伴随着准分子激光等短波长高峰值功率激光器的应用，材料冷加工的思想越来越重要，主要研究材料在激光辐照下电、光、磁等物理性质的改变，涉及半导体材料、介电材料、高温超导材料和磁性材料等方面。运用准分子激光辐照的方法进行表面改性的的优越性主要有激光拥有高能量密度的光输出；输出能量密度和脉冲频率以及脉冲数的等参数精确可控；处理特定局域表面的可选择性和可重复性。本发明提出在不同气氛和光脉冲参数下，采用激光辐照的方法对GaN外延片结构进行辐照，利用辐照气氛和参数多变且精确可控的优势，尝试不同辐照气氛条件和参数以确定能够使GaN外延片电学光学性质得以改善最明显的参数设置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不同辐照气氛和辐照参数下改善氮化镓电学光学性质的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

1）将氮化镓外延片浸入有机溶剂超声清洗后，冲洗；浸入酒精溶剂超声清洗后，冲洗；浸入去离子水中超声清洗后，冲洗，干燥；

2）将经1）处理过的GaN外延片样品放在靶台上，调整光路，激光器波长为248nm。

3）采用脉冲激光单脉冲能量密度0.15J/cm²-0.6J/cm²，频率3Hz，脉冲数60-120辐照样品。

在上述步骤3）中，激光辐照GaN外延片是分别在标准大气、氮气和氧气气氛下进行的。并通过在不同气氛下改变激光辐照参数（脉冲能量密度、辐照脉冲数、脉冲频率）以在不同程度的改善氮化镓电学光学性质。