基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法和装置与流程

本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法和装置。

背景技术：

半导体金刚石所具有的独特的物理性质使它在高温大功率电力电子器件、 微波功率器件、深紫外光和高能粒子探测器、深紫外发光器件、单光子光源、生物和化学传感器、微机电（MEMS）和纳机电（NEMS）器件、自旋电子学等众多领域有着极大的应用潜力。近些年来，半导体金刚石材料和器件的制备技术发展引起越来越多研究和技术人员的重视。实现有效的n型和p型电学掺杂是半导体器件的基础。然而目前半导体金刚石材料的掺杂技术仍然未得到突破性的进展，这也是金刚石器件走向实用的巨大障碍。一个最主要的原因是掺杂层中的掺杂原子在禁带中能级较深，不易电离，从而未能有效的激活，因此有效的载流子浓度极低。为了提高半导体金刚石掺杂层的载流子浓度，尽快实现器件级的应用，人们不断的尝试各种掺杂原子，以及不同的掺杂工艺和后处理技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法和装置，旨在用于解决现有的半导体金刚石掺杂层中的掺杂原子未能有效地激活引起的电学性能过低的问题，实现半导体金刚石材料器件级的应用。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法，包括以下步骤：

S1、在半导体金刚石外延生长初期，通过MPCVD制备半导体金刚石外延薄膜；

S2、通过MPCVD制备半导体金刚石掺杂层；

S3、根据掺杂层的掺杂原子种类及其与氢原子形成的饱和化学键的键能，选择相应波长的飞秒激光，于反应腔中通过所述飞秒激光打断掺杂层中掺杂原子与氢原子形成的饱和化学键。

进一步地，还包括以下步骤：

S4、在所述飞秒激光打断掺杂原子与氢原子形成的饱和化学键的过程中，通过二次离子质谱检测装置检测反应腔中的氢离子浓度，实时监测除氢效果，进而判断后处理工艺是否达到目标。

进一步地，所述步骤S3中，所选择的飞秒激光的波长与所需打断的饱和化学键的共振吸收峰值相对应。

进一步地，若半导体金刚石掺杂层为掺杂磷原子的n型掺杂层，则选择的飞秒激光的波长为371±20nm。

本发明还提供一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理装置，包括用于半导体金刚石外延生长的反应腔以及若干飞秒激光源，所述反应腔内设有裁片托盘，所述载片托盘上放置有半导体金刚石外延衬底，所述反应腔上设置有光通道窗口，所述飞秒激光源通过所述光通道窗口照射在所述半导体金刚石外延衬底上。

进一步地，所述光通道窗口上方具有一波导管，所述波导管上设置有滑槽，所述飞秒激光源安装于所述滑槽上。

进一步地，还包括用于检测所述反应腔中的氢离子浓度的二次离子质谱检测装置。

进一步地，所述二次离子质谱检测装置安装于所述反应腔的尾气管道上。

进一步地，还包括计算机自控系统，用于控制在不同的生长阶段引入不同波长的飞秒激光源照射在半导体金刚石生长表面。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法和装置，在半导体金刚石外延生长和掺杂工艺结束之后，通过特定波长的飞秒激光作用在半导体金刚石薄膜中，通过飞秒激光与半导体金刚石中掺杂原子与氢原子形成的饱和化学键进行作用，打断掺杂原子与氢原子之间的饱和化学键，激活掺杂原子，从而提高掺杂层中有效载流子浓度。此外，飞秒激光作用期间，通过二次离子质谱检测装置对逸出的氢离子浓度进行检测，可实时分析飞秒激光激活掺杂原子的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理装置的结构示意图。

附图标记说明：101-微波源、102-飞秒激光源、103-滑槽、104-光通道窗口、105-反应腔、106-外延衬底、107-载片托盘、108-尾气管道、109-二次离子质谱检测装置、110-支撑架、111-进气口、112-波导管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法，在半导体金刚石掺杂层生长完毕之后，按照预设的程序化步骤引入有针对性的多模飞秒激光源辅助照射在生长表面，通过飞秒激光直接与半导体金刚石掺杂原子的饱和氢键进行作用，打断掺杂原子的饱和氢键，激活掺杂原子，从而提高掺杂层有效载流子浓度。其包括以下步骤：

S1、在半导体金刚石外延生长初期，通过MPCVD制备半导体金刚石外延薄膜。

S2、通过MPCVD制备半导体金刚石掺杂层。

S3、根据掺杂层的掺杂原子种类及其与氢原子形成的饱和化学键的键能，选择相应波长的飞秒激光，于反应腔中通过所述飞秒激光打断掺杂层中掺杂原子与氢原子形成的饱和化学键。

所述步骤S3中，根据不同的掺杂原子（磷、硼、镁等）与氢之间的键能，所述飞秒激光的波长可以相应进行调整，通过飞秒激光波长调节系统调整飞秒激光的波长，优选地，所选择的飞秒激光的波长与所需打断的饱和化学键的共振吸收峰值相对应，使单个或多个光子能量与键能相等或近似相等。若半导体金刚石掺杂层为掺杂磷原子的n型掺杂层，则选择的飞秒激光的波长为371±20nm。

S4、在所述飞秒激光打断掺杂原子与氢原子形成的饱和化学键的过程中，通过二次离子质谱检测装置检测反应腔中的氢离子浓度，实时监测除氢效果，进而判断后处理工艺是否达到目标。

使用该方法可以获得高载流子浓度且可重复制造的半导体金刚石掺杂层。

如图2所示，本发明实施例还提供一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理装置，该装置可以用于实现上述方法，包括用于半导体金刚石外延生长的反应腔105以及若干飞秒激光源102，所述反应腔105的侧壁上部设有一进气口111，所述反应腔105的底部设有一尾气管道108，所述反应腔105内设有载片托盘107，所述载片托盘107通过支撑架110支撑于所述反应腔105的底部，所述载片托盘107上放置有半导体金刚石外延衬底106。所述反应腔105的顶端设置有光通道窗口104，在其他实施例中，所述光通道窗口104还可以设于所述反应腔105的侧壁上。所述光通道窗口104上方具有一波导管112，所述波导管112与一微波源101连接，所述波导管112上设置有滑槽103，所述飞秒激光源102安装于所述滑槽103上，所述飞秒激光源102可以为一个或多个，所述飞秒激光源102通过所述光通道窗口104照射在所述半导体金刚石外延衬底106上。在半导体金刚石材料掺杂后处理过程中，飞秒激光照射在载片托盘107上的外延衬底106上的金刚石薄膜上，通过飞秒激光源102在滑槽103上移动，进行快速扫描，实现对整个衬底圆片表面上金刚石薄膜掺杂层的后处理。

本优选实施例中，还包括用于检测所述反应腔105中的氢离子浓度的二次离子质谱检测装置109，所述二次离子质谱检测装置109安装于所述反应腔105的尾气管道108上。

进一步优选地，还包括计算机自控系统，用于控制在不同的生长阶段按照预设的程序化步骤引入不同波长的飞秒激光源照射在半导体金刚石生长表面。

综上所述，本发明实施例提供的这种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法和装置，在半导体金刚石外延生长和掺杂工艺结束之后，通过特定波长的飞秒激光作用在半导体金刚石薄膜中，通过飞秒激光与半导体金刚石中掺杂原子与氢原子形成的饱和化学键进行作用，打断掺杂原子与氢原子之间的饱和化学键，激活掺杂原子，从而提高掺杂层中有效载流子浓度。此外，飞秒激光作用期间，通过二次离子质谱检测装置对逸出的氢离子浓度进行检测，可实时分析飞秒激光激活掺杂原子的效果。本发明将飞秒激光引入微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）中的半导体金刚石掺杂层的制备技术中，对于半导体金刚石材料的器件性能的提高具有重大意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。