专利名称：掺杂半导体材料生长设备及方法
技术领域：
本发明涉及一种掺杂半导体材料的生长方法及实现该方法的生长设备，属半导体材料和材料生长设备领域。
背景技术：
掺杂半导体材料的生长是各类微电子和光电子半导体器件的基础。掺
杂主要包括电学掺杂(n型和p型)、磁性掺杂等等。然而，目前多种半导体材料的掺杂还存在诸多物理和技术上的障碍。以氧化锌材料的P型掺杂为例，截至目前，尽管人们采用了各种生长方法以及使用了诸多掺杂剂(如V族的氮、磷、砷，以及氮和镓共掺、氮和铝共掺等)，至今仍然没有找到生长低阻稳定P型掺杂氧化锌的有效方法。再者，氮化铝材料的n型和p型掺杂都很困难，生长的样品基本上都是高阻的，物理原因尚不清楚，也没有解决问题的技术手段。除了电学掺杂半导体材料生长外，磁性掺杂也有类似问题，如磁性元素锰掺杂的砷化镓材料的生长。通过研究各种掺杂半导体材料的生长过程发现，有一个共同的原因导致了电学掺杂和磁性掺杂困难，即掺杂原子在生长表面的粘附系数很低或在半导体内的溶解度很低。溶解度低会导致已经掺进体内的掺杂剂向生长表面偏析。目前通常的解决办法是，在很低衬底温度下进行掺杂材料的生长。这样可以增加掺杂剂在外延表面的粘附率及抑制偏析效应，使掺杂剂大量结合，但材料质量很差。然后辅以高温退火，可以一定限度地改善材料质量，但也不能令人满意。
发明内容
本发明的目的在于提供一种掺杂半导体材料生长设备及方法，其是针对半导体材料生长中电学掺杂和磁性掺杂困难的问题，针对掺杂剂原子在生长表面的粘附系数很低、在体内的溶解度很低的问题，提出了一种掺杂半导体材料生长的新方法以及基于该方法的新型生长设备。该方法及设备是利用组成半导体材料的分子或原子在衬底上生长外延层，同时将具有一定动能的掺杂剂原子、分子或离子注入到生长表面以下来完成掺杂。本发明提供一种掺杂半导体材料的生长设备，包括一生长室，该生长室用于维持生长所需环境；一衬底加热装置，该衬底加热装置位于生长室的中心部位，用于衬底的加热；一个或多个掺杂剂源，该掺杂剂源位于生长室的下方，用于提供一种或多种具有一定动能的掺杂剂原子、分子或离子，将掺杂剂原子、分子或离子注入到待生长材料的表面以下，完成惨杂；一个或多个用于组成半导体材料的原子或分子源，该原子或分子源位于生长室的下方，用于提供形成半导体材料的一种或多种原子或分子，在衬底上形成外延层。本发明还提供一种掺杂半导体材料的生长方法，其是采用如前述的掺杂半导体材料的生长设备来实现，包括如下步骤
步骤I :将一衬底放置在生长室内的衬底加热装置上；步骤2 :开启掺杂剂源，向生长室内通入一种或多种具有动能的掺杂剂原子、分子或离子；步骤3 :开启原子或分子源，向生长室内通入一种或多种原子或分子。本发明提供的掺杂半导体材料生长方法的优点在于第一、掺杂剂以具有一定动能的原子、分子或离子形式注入到生长表面以下，注入后掺杂剂不易运动到外延表面，大大增加了掺杂剂的粘附率，解决了常规外延技术中掺杂原子在生长表面粘附率低以及掺杂原子向表面偏析的问题；第二、生长可在较高的衬底温度下进行，保证原子在生长表面有较高的迁移速率，这样就可以消除具有一定动能的原子、分子或离子掺杂剂可能引起的表面损伤，得到晶格质量很好的外延材料；第三、也是由于生长可在较高的衬底温度下进行，注入的掺杂剂有足够的能量迁移到正确的晶格位置上，使形成间隙原子或反位缺陷的几率大大降低。起到了高温退火的作用。所以采用本发明提供的掺杂半导体材料的生长方法和设备，可以实现常规外延方法无法完成的某些半导体材料的电学掺杂以及某些磁性半导体材 料的磁性掺杂。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明作一详细的描述，其中图I是本发明提供的掺杂半导体材料生长设备示意图；图2是本发明提供的掺杂半导体材料生长方法示意图。
具体实施例方式请参阅图I所示，本发明提供一种掺杂半导体材料的生长设备，包括一生长室21，该生长室21用于维持生长所需环境；一衬底加热装置22，该衬底加热装置22位于生长室21的中心部位，用于衬底11的加热； 一个或多个掺杂剂源23，该掺杂剂源23位于生长室21的下方，用于提供一种或多种具有一定动能的掺杂剂原子、分子或离子14，将掺杂剂原子、分子或离子14注入到待生长材料的表面以下，完成掺杂。该掺杂剂源23可以为离子源、等离子体源或其他能提供具有一定动能的原子、分子或离子的掺杂剂源，该掺杂剂源23的数量为1-10个；一个或多个用于组成半导体材料的原子或分子源24，该原子或分子源24位于生长室21的下方，用于提供形成半导体材料的一种或多种原子或分子13，在衬底11上形成外延层12，该原子或分子源24的数量为1-10个。参阅图2，结合参阅图I所示，本发明提供一种掺杂半导体材料的生长方法，其可以采用前述的掺杂半导体材料的生长设备，包括如下步骤步骤I :将一衬底11放置在生长室21内的衬底加热装置22上；步骤2 :开启掺杂剂源23，向生长室21内通入具有一定动能的掺杂剂原子、分子或离子14，该掺杂剂源23的数量为1-10个，对于材料的磁性掺杂，其中掺杂剂源23提供的可以是但不仅限于包含锰、铁、钴、镍元素的原子、分子或离子14。对于材料的电学掺杂，其中掺杂剂源23提供的可以是但不仅限于包含氮、铝、磷、硼、硅、镁元素的原子、分子或离子14。掺杂剂以具有一定动能的原子、分子或离子形式注入到生长表面以下，注入后掺杂剂不易运动到外延表面，大大增加了掺杂剂的粘附率，解决了常规外延技术中掺杂原子在生长表面粘附率低以及掺杂原子向表面偏析的问题步骤3 :跟据生长需要与掺杂剂源23同时或有一定时间次序开启原子或分子源24，向生长室21内通入一种或多种原子或分子13，该原子或分子源24的数量为1-10个。对于氮化物的生长，该原子或分子源24提供的可以是但不仅限于包含氮、镓、铝、铟等元素的原子或分子。对于氧化物的生长，该原子或分子源24提供的可以是但不仅限于包含氧、锌、镁、铍等元素的原子或分子。对于金刚石的生长，该原子或分子源24提供的可以是但不仅限于包含碳等元素的原子或分子。生长可在较高的衬底温度下进行，以保证原子在生长表面有较高的迁移速率，这 样就可以消除具有一定动能的原子、分子或离子掺杂剂可能引起的表面损伤，得到晶格质量很好的外延材料。也是由于生长可在较高的衬底温度下进行，注入的掺杂剂有足够的能量迁移到正确的晶格位置上，使形成间隙原子或反位缺陷的几率大大降低。起到了高温退火的作用。所以采用本发明提供的掺杂半导体材料的生长方法和设备，可以实现常规外延方法无法完成的某些半导体材料的电学掺杂以及某些磁性半导体材料的磁性掺杂。虽然参照上述具体实施方式
详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。总之，本发明意欲涵盖所附权力要求书的精神和范围内的各种变形。
权利要求
1.一种掺杂半导体材料的生长设备，包括 一生长室，该生长室用于维持生长所需环境； 一衬底加热装置，该衬底加热装置位于生长室的中心部位，用于衬底的加热； 一个或多个掺杂剂源，该掺杂剂源位于生长室的下方，用于提供一种或多种具有一定动能的掺杂剂原子、分子或尚子，将掺杂剂原子、分子或尚子注入到待生长材料的表面以下，完成掺杂； 一个或多个用于组成半导体材料的原子或分子源，该原子或分子源位于生长室的下方，用于提供形成半导体材料的一种或多种原子或分子，在衬底上形成外延层。
2.如权利要求I所述掺杂半导体材料的生长设备，其中掺杂剂源为原子、分子或离子的离子源或等离子体源，掺杂剂源的数量为1-10个。
3.如权利要求I所述掺杂半导体材料的生长设备，其中原子或分子源的数量为1-10个。
4.一种掺杂半导体材料的生长方法，其是采用如权利要求I所述的掺杂半导体材料的生长设备来实现，包括如下步骤 步骤I :将一衬底放置在生长室内的衬底加热装置上； 步骤2 :开启掺杂剂源，向生长室内通入一种或多种具有动能的掺杂剂原子、分子或离子; 步骤3 :开启原子或分子源，向生长室内通入一种或多种原子或分子。
5.如权利要求4所述掺杂半导体材料的生长方法，其中掺杂剂源的数量为1-10个。
6.如权利要求4所述掺杂半导体材料的生长方法，其中原子或分子源的数量为1-10个。
7.如权利要求5所述掺杂半导体材料的生长方法，对于材料的磁性掺杂，其中掺杂剂源包含锰、铁、钴、镍、氮、铝、磷、硼、硅、镁元素的原子、分子或离子。
8.如权利要求6所述掺杂半导体材料的生长方法，对于材料的电学掺杂，其中该原子或分子源包含氮、镓、铝、铟、氧、锌、镁、铍或碳元素的原子或分子。
全文摘要
一种掺杂半导体材料生长设备及方法，其中掺杂半导体材料的生长设备，包括一生长室，该生长室用于维持生长所需环境；一衬底加热装置，该衬底加热装置位于生长室的中心部位，用于衬底的加热；一个或多个掺杂剂源，该掺杂剂源位于生长室的下方，用于提供一种或多种具有一定动能的掺杂剂原子、分子或离子，将掺杂剂原子、分子或离子注入到待生长材料的表面以下，完成掺杂；一个或多个用于组成半导体材料的原子或分子源，该原子或分子源位于生长室的下方，用于提供形成半导体材料的一种或多种原子或分子，在衬底上形成外延层。
文档编号C30B25/16GK102732957SQ20121022349
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者王占国, 金鹏 申请人:中国科学院半导体研究所