[发明专利]一种激光辅助低温生长氮化物材料的方法与装备

说明书

技术领域

本发明属于氮化物气相沉积技术领域，涉及在激光辅助作用下在衬底表面上沉积氮化物如氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝(AlN)或氮化铟(InN)等氮化物薄膜的方法与装备，主要特征在于可以实现薄膜的低温沉积工艺和大量减少氮源消耗(如氨气NH₃的使用)。

背景技术

在氮化物中，第III族氮化物半导体，如GaN、AlGaN、A1N或InN等宽禁带半导体材料是制备蓝光到紫外光波段的半导体发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)等光电器件的首选材料。由于III族氮化物基材料具有电子饱和漂移速度高、介电常数小、导热性能好、化学和热稳定性好等特点，因此广泛应用于制造高性能光电子器件、大功率电子器件以及高频设备。

高质量的晶态氮化物薄膜是决定氮化物器件性能及可靠性的关键。然而，目前高质量晶态氮化物薄膜生长技术均需高温环境。例如，化学气相沉积法(MOCVD)需要在950-1100℃环境下进行；基于氨气作为氮源的高真空下分子束外延技术(MBE)需要在800℃左右的环境下进行；同样基于氨气氮源的真空中氢化物气相外延技术(HVPE)也需要约750℃的环境温度。虽然高的环境温度有利于加快前驱体的化学分解和吸附原子的表面扩散过程，但同时也给衬底材料带来一系列不良反应(如氮化物膜的双轴应力、GaN膜层中氮元素缺失和氮化物热分解等)。双轴应力的产生是由于氮化物膜层和衬底材料(如蓝宝石或硅)间的晶格常数和热膨胀系数相差较大(如GaN薄膜和蓝宝石衬底间晶格常数相差16％，而热膨胀系数相差25％)，因此容易造成衬底损伤，甚至导致衬底的形变甚至开裂，不利于平坦、无裂纹的高质量氮化物薄膜的生长，使得后期制造氮化物基发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)时易产生发光效率和稳定性下降等问题。为了减少氮化物薄膜上的热应力，常常会使用与氮化物薄膜晶格匹配的材料作衬底，如铝酸锂(LiAlO₂)、镓酸锂(LiGaO₂)和碳化硅等。然而，这些晶格匹配的衬底材料成本太高，难以大规模量产和商业化。

其次，当前氮化物薄膜材料沉积工艺中，膜层中的氮在生长时容易分解，过高的环境温度容易加剧氮的挥发，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电子浓度，导致后续的P型掺杂困难。此外，氮化物薄膜生长中氨气(NH₃)利用效率极低，必须采用超大流量的氨气(NH₃)，导致氮化物基薄膜材料生长成本过高、周期过长、能耗过高，并严重污染环境。

由于高温环境所带来的这些不利因素，还使得氮化物薄膜生长质量和效率大大降低，当前MOVCD合成氮化镓薄膜的沉积速度仅为4μm/h，MBE技术的沉积速度仅为1μm/h。如何降低氮化物薄膜材料的生长温度，同时提高其沉积速度和质量，是当前国内外光电子领域面临的重大挑战，也是制约氮化物器件性能和质量提高的技术瓶颈，是氮化物器件价格居高不下的重要原因。显然，如果能够寻找一种低温、高效生长氮化物晶态薄膜技术，克服和解决现有高温氮化物薄膜生长带来的技术难题，将使得氮化物薄膜的制备技术跃上新台阶。

发明内容

本发明提出了一种激光辅助低温生长氮化物材料的方法与装备，目的在于通过对活性氮源分子进行共振激发，在提高活性氮源利用率和减少环境污染的同时，实现低温环境下氮化物膜层材料的快速和高质量生长。

本发明提供的一种激光辅助低温生长氮化物材料的方法，将由惰性运载气体运载的非氮元素的前驱体蒸汽和活性氮源前驱体气体分别输送到反应腔室内温度为250℃至800℃的衬底材料处，利用波长与活性氮源分子键共振波长相等的激光束作用于活性氮源气体，使激光能量直接耦合至活性氮源分子NH键，加速NH键的断裂，提供充足的活性氮源，从而使非氮元素与活性氮源发生化学反应，沉积第III族氮化物膜层材料，持续作用直到沉积物达到所需厚度。

上述技术方案可以采用下述具体过程实现：

第1步，将衬底置于反应腔室内；

第2步，将反应腔室抽真空，并将衬底的温度加热到250-800℃的某一温度；

第3步，采用运载气体将非氮元素前驱体的蒸汽，与活性氮源的前驱体混合后输送到反应腔室内衬底材料表面附近，并使工作气压为1至300Torr；

第4步，将波长可调谐激光器的输出波长调谐到与活性氮源分子的一个振动模式相匹配，使激光束和混合气体相互作用，加速NH键的断裂，提供丰富的活性氮源；