一种激光辅助低温生长氮化物材料的方法与装备的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于氮化物气相沉积技术领域，设及在激光辅助作用下在衬底表面上沉积 氮化物如氮化嫁（GaN)、氮化侣嫁（AlGaN)、氮化侣（AlN)或氮化铜（InN)等氮化物薄膜的 方法与装备，主要特征在于可W实现薄膜的低温沉积工艺和大量减少氮源消耗（如氨气N& 的使用）。
【背景技术】
[0002] 在氮化物中，第III族氮化物半导体，如GaN、AlGaN、AlN或InN等宽禁带半导体材 料是制备藍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W及 高频设备。
[0003] 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950-110(TC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（MB巧需要在 800°C左右的环境下进行；同样基于氨气氮源的真空中氨化物气相外延技术（HVP巧也需要 约750°C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 藍宝石或娃）间的晶格常数和热膨胀系数相差较大（如GaN薄膜和藍宝石衬底间晶格常 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 (L邸）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，如侣酸裡（LiAl化）、嫁酸 裡（LiGa〇2)和碳化娃等。然而，该些晶格匹配的衬底材料成本太高，难W大规模量产和商 业化。
[0004] 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型渗杂困难。此外，氮化物薄膜 生长中氨气（N&)利用效率极低，必须采用超大流量的氨气（N&)，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。
[0005] 由于高温环境所带来的该些不利因素，还使得氮化物薄膜生长质量和效率大大降 低，当前MOVCD合成氮化嫁薄膜的沉积速度仅为4ym/h，M邸技术的沉积速度仅为1ym/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】
[0006] 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。
[0007] 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°c至 80(TC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，使激光能量直接禪合至活性氮源分子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。
[000引上述技术方案可W采用下述具体过程实现：
[0009] 第1步，将衬底置于反应腔室内；
[0010] 第2步，将反应腔室抽真空，并将衬底的温度加热到250-800°C的某一温度；
[0011] 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;
[0012] 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；
[0013] 第5步，非氮元素前驱体分解出的活性物质与活性氮源发生化学反应，沉积氮化 物膜层材料；
[0014] 第6步，持续沉积使得膜层达到所需厚度。
[0015] 上述技术方案可W采用下述任一种或几种方式进行改进：活性氮源前驱体气体与 非氮元素的前驱体蒸汽的体积比为600:1 - 4000 ;1 ;激光束沿着衬底表面平行方向入射， 光斑中轴至衬底距离为IO-SOmm;所述运载气体为氮气，活性氮源前驱体气体为NHs,非氮元 素的前驱体蒸汽与运载气体的体积比大约为1 ;6-1 ;50 ;非氮元素的前驱体蒸汽与运载气 体的体积比大约为1 ;6-1 ;50 ;反应腔室内活性氮源前驱体气体与非氮元素的前驱体蒸汽 的体积比为600:1 - 4000 ;1。所述温度优选为250-600°C;所述光斑中轴至衬底距离优选为 20-30mm，所述工作气压优选为80-120Torr。
[0016] 所述衬底材料为藍宝石、单晶娃、侣酸裡、嫁酸裡、碳化娃或者其它功能材料。
[0017] 本发明提供的一种激光辅助低温生长氮化物材料的装备，包括真空反应腔、气体 预混合腔、激光器和移动机构；
[0018] 真空反应腔上设置有激光入射窗口和激光出射窗口；
[0019] 激光器的出光口、光斑调节器、激光入射窗口和激光出射窗口依次位于同一光路 上，激光出射窗口处安装有激光功率计；
[0020] 加热器位于真空反应腔内，加热器表面用于放置衬底；
[0021] 气体预混合腔安装在真空反应腔的上面，气体预混合腔的进气端分别与前驱体与 运载气体的进气管、氮源进气管连接，出气端与送气管的一端连接，送气管的另一端伸入真 空反应腔内的衬底附近；
[0022] 所述移动机构用于激光束与衬底产生相对移动，W使得沉积物能够在大面积衬底 表面均匀沉积，并达到所需厚度。
[0023] 作为上述关于装置的技术方案的改进，所述移动机构为位于真空反应腔内的=维 移动平台，所述加热器位于=维位移平台的工作台面上；或者所述移动机构由固定反射镜 和可移动扫描反射镜构成，所述固定反射镜与光斑调节器的光轴成45度角放置，所述可移 动扫描反射镜位于激光入射窗口处，并与固定反射镜平行放置，由所述激光器射的激光束 通过光斑调节器后，光斑直径调节到所需要尺寸大小的平行光斑，然后通过固定反射镜，入 射到所述可移动扫描反射镜的反射面，然后通过所述激光入射窗口进入真空反应腔。
[0024] 具体而言，本发明提供的一种激光辅助低温生长氮化物材料的方法与装置（即 LCVD)，具有W下技术特点：
[0025] (1)本发明利用波长可调谐的激光器（如二氧化碳激光器），将发射激光束波长调 谐至畑3分子共振波长中的任何一个（例如9. 219ym，10. 35ym和10. 719ym等等），同时 通过调节激光输出功率（或功率密度），使得激光束作用在反应腔室内的衬底附近，加速NH 键的断裂，为低温条件下氮化物高效率沉积提供充足的活性氮源，从而有效提高氮化物膜 层生长速度与质量。
[0026] 似由于共振激发可W在低温下大幅度提高畑3的分解效率，因此可W在比传统 MOCVD工艺低得多的气流下完成氮化物沉积过程，从而大量节约氨气，节约能耗，减少薄膜 膜中的氮成分缺失，提高薄膜的化学配比，大幅度提高氮化物膜层的质量与性能；
[0027] (3)相较于传统MOCVD生长氮化物的高温环境，本发明提供的LCVD可W在低于 800°C的低温条件下（可降低到250°C)生长氮化物薄膜，可大幅降低衬底材料的损伤，避免 衬底材料的开裂、弯曲和形变。因此，所生长的氮化物膜层材料质量大幅提高；
[002引 （4)由于采用低温环境，大幅度增加了可选用的衬底材料。除了耐高温但价格昂贵 的侣酸裡、嫁酸裡和碳化娃外，还可W采用导热性和稳定性更好，更为经济的藍宝石和单晶 娃片等作为衬底。
[0029] 综上所述，本发明所公开的方法利用波长可调谐的C〇2激光器福照氨气辅助生长 氮化物膜层材料技术，不仅能大幅提高其质量和效率，而且能大幅降低制造成本，具有传统 高温生长氮化物膜层材料无可比拟的优点，可为氮化物膜层材料生长技术的发展提供一种 新的方法。
【附图说明】
[0030] 附图是为提供对本发明进一步的理解，它们构成本申请的一部分。附图给出了本 发明的实施例，并与本说明书一同起到解释本发明原理的作用。
[0031] 图1是激光辅助低温生长氮化物材料的第一种【具体实施方式】的结构示意图；
[0032] 图2是激光辅助低温生长氮化物材料的第二种【具体实施方式】的结构示意图；
[0033] 图3是激光束的扩束或者缩束光学系统，它可W根据LCVD所需要的光斑大小，扩 大或者缩小激光光斑直径；
[0034] 图4是氨气对C〇2激光波长从9. 219to10. 8ym的吸收光谱，反应腔室的气压分 别为 1，10 和IOOTorr;
[003引图5是不同温度下LCVD沉积的GaN膜层X射线衍射狂RD)检测