增加活性氮辅助制备GaN薄膜的脉冲激光沉积系统及方法与流程

本发明应用于半导体薄膜的制备技术领域，具体涉及到一种在脉冲激光沉积系统中通过增加活性氮来辅助，从而沉积高质量的gan薄膜的方法。

技术背景

随着人类的进步，科学的迅速发展，现如今我们的生活越来越离不开电子产品所带来的便利，而电子产品的进步离不开半导体技术的进步。如现在使用的手机、平板显示器、电脑、激光器、太阳能电池等等，都离不开半导体技术的支持。人类对半导体的不断研究，已经发展了三代半导体，第一代是单晶半导体ge和si，第二代是化合物半导体如gaas、inp、inas等，第三代也是化合物半导体如sic、inse、gan和金刚石等。

gan作为第三代半导体，属于宽带隙(eg>2.3ev)直接带隙半导体，具有能以带间跃迁的方式获得高效的辐射复合的特点，而且具有导热性能好、抗辐射能力高、化学稳定性好、电击穿强度高和漏电流小等突出优点。因而gan材料可用于高频、大功率、高温和太空等各种环境下的半导体器件，然而gan薄膜材料的制备技术限制了其广泛使用。

如今制备gan薄膜的主流方法是金属有机化合物化学气相沉积法(movcd)，mocvd工艺生长的薄膜厚度可以得到很好的控制，生长速率适中，因此在lds和leds领域应用广发。mocvd工艺制备的gan薄膜其ga源是有机ga，n源是氨气，它们都带来了h原子，导致制备的薄膜中含h杂质，这可能是导致p型掺杂钝化的罪魁祸首。并且反应气体为nh3有腐蚀性，需要进行尾气处理，更重要的是氨气不易解离而易于发生杂散反应，另外反应温度较高，容易产生氮空位，碳污染等问题。在制备合金异质结半导体时较容易使合金发生相分离，降低半导体的质量。因此mocvd制备的gan薄膜也存在诸多问题限制了它广泛应用。近些年来发展的脉冲激光沉积法(pld)，是制备gan等薄膜的良好方法。该工艺的原理是：聚焦高能量的激光束照射到gan靶材上，激光与靶材作用产生等离子体羽辉，并以局部微小爆炸的形式将等离子体羽辉输运到衬底而沉积。由于pld工艺是在激光烧蚀下产生等离子体羽辉，直接输运到衬底上沉积，因此沉积薄膜的成分与靶材的成分一致。并且靶材是在聚焦的高能量激光束瞬间烧蚀，等离子体输运到衬底时还有一定的能量可以进行扩散，故衬底温度不需要太高，可以低温沉积(300-800℃)。另外pld沉积速率快，薄膜质量好，因此受到众多研究者的青睐。

pld在沉积gan薄膜时，等离子中活性氮的含量是极其重要的，活性氮的缺少往往得不到质量好的gan薄膜。一般而言，提供活性氮的气体有氨气和氮气。氨气的活化性比较好，但是对沉积的真空系统具有腐蚀性，且对人体也有害，因此不能运用氨气来提供pld沉积gan薄膜时的活性氮。至于氮气，虽然对人体无害，但是是惰性气体活化较难，并且目前的pld系统的气体通口设计在靠近真空腔壁，气体通入时散布在整个腔内，很难达到活化的效果。这也正是本发明准备解决的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种增加活性氮辅助制备gan薄膜的脉冲激光沉积系统及方法，解决现有的脉冲激光沉积系统中存在的问题。

为实现上述目的，本发明做如下技术方案：

一种增加活性氮辅助制备gan薄膜的脉冲激光沉积系统，在脉冲激光沉积系统的靶台邻近处安装有环形通气管，环形通气管与进气管连通，环形通气管靠近圆心一侧的管壁上分布有多个出气孔。

进一步的，所述环形通气管所在平面与靶台平面平行，而且环形通气管的圆心在靶台中心的正上方。

进一步的，其特征在于，所述的环形通气管的截面直径为3-12mm，并且环形通气管的环形内径比靶台大1-100mm，以利于靶材更换操作。

进一步的，其特征在于，所述通气管可由铜管、铝管或不锈钢制得。

进一步的，其特征在于，所述出气孔的直径为0.1-8mm，相邻两出气孔的间距为0.1-40mm。

进一步的，当沉积gan薄膜时，在所述脉冲激光沉积系统中，从进气管通入氮气，环形通气管使氮气集中在靶台上的靶材表面附近，激光烧蚀靶材的同时与氮气相互作用，使氮气活化，形成富含活化氮的等离子体羽辉，从而在衬底上沉积质量良好的gan薄膜。

进一步的，所述的激光光源是波长为248nm的krf准分子激光。

与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：

利用本发明所述脉冲激光沉积系统及方法制备的gan薄膜缺陷少，氮含量高，稳定性好，质量优良。

附图说明

图1为本发明所述的增加活性氮辅助制备gan薄膜的脉冲激光沉积系统的结构示意图。

图2为图1中a处的局部放大图，即为本发明所述脉冲激光沉积系统中靶台与环形通气管的装配示意图。

图中，1、靶材，2、衬底，3、羽辉，4、激光束，5、真空腔，6、真空泵连接口，7、进气管、8、环形通气管，9、靶台。

具体实施方式

需要说明的是本发明的下述实施方式是以半导体薄膜，尤其是gan半导体薄膜的制备进行说明的，但并不是将本发明限制于此，本发明亦可应用在其它设备中制备半导体薄膜。

做一环形的铜管，铜管的截面直径为8mm，环形铜管的环形直径比靶台直径稍大10mm，在环形铜管的内侧每隔10mm开一直径为1mm的出气孔。每个出气孔都朝向环形通气管的圆心。安装环形铜管，铜管与靶材平面平行放置。将p型硅片衬底按顺序用去离子水、10％氟化氢溶液、丙酮、无水乙醇和去离子水在超声中个五分钟，清洗干净，用氮气吹干，安装到样品台并将其安装到真空系统中。将gan靶材安装到靶台，并将其安装到真空系统中。并调整靶材与衬底之间的距离(靶基距d)，然后对真空系统进行抽真空。当真空达到实验所需的真空度时，向铜管中通入氮气并调整实验参数，打开激光器并设置所需的激光能量，进行实验。

实施例1

衬底为p型硅片，靶材为gan。实验设置的参数如下：靶基距d＝5.5m，衬底温度为700℃，激光能量设置为175mj/pulse，通入的氮气维持在10pa，沉积时间为2h。

在沉积前通入氮气，氮气从出气孔排出，并且吹向环形通气管的圆心，使得氮气均匀弥漫在靶台四周。并且用挡板挡着衬底，然后开启激光器按设定的能量，对靶材表面进行预打5min，然后打开挡板，开始进行gan薄膜的沉积并计时。

沉积结束后，样品放在真空系统中在750℃下退火处理2h，然后自然冷却得到样品。

实施例2

衬底为p型硅片，靶材为gan。实验设置的参数如下：靶基距d＝5.5m，衬底温度为600℃，激光能量设置为150mj/pulse，通入的氮气维持在10pa，沉积时间为2h。

在沉积前通入氮气，并且用挡板挡着衬底，然后开启激光器按设定的能量，对靶材表面进行预打5min，然后打开挡板，开始进行gan薄膜的沉积并计时。

沉积结束后，样品放在真空系统中在750℃下退火处理2h，然后自然冷却得到样品。

实施例3

衬底为p型硅片，靶材为gan。实验设置的参数如下：靶基距d＝5.0m，衬底温度为700℃，激光能量设置为200mj/pulse，通入的氮气维持在10pa，沉积时间为2h。

在沉积前通入氮气，并且用挡板挡着衬底，然后开启激光器按设定的能量，对靶材表面进行预打5min，然后打开挡板，开始进行gan薄膜的沉积并计时。

沉积结束后，样品放在真空系统中在800℃下退火处理2h，然后自然冷却得到样品。

实施例4

衬底为p型硅片，靶材为gan。实验设置的参数如下：靶基距d＝5.5m，衬底温度为650℃，激光能量设置为175mj/pulse，通入的氮气维持在5pa，沉积时间为2h。

在沉积前通入氮气，并且用挡板挡着衬底，然后开启激光器按设定的能量，对靶材表面进行预打5min，然后打开挡板，开始进行gan薄膜的沉积并计时。

沉积结束后，样品放在真空系统中在700℃下退火处理2h，然后自然冷却得到样品。

实施例5

衬底为p型硅片，靶材为gan。实验设置的参数如下：靶基距d＝5.5m，衬底温度为700℃，激光能量设置为150mj/pulse，通入的氮气维持在15pa，沉积时间为2h。

在沉积前通入氮气，并且用挡板挡着衬底，然后开启激光器按设定的能量，对靶材表面进行预打5min，然后打开挡板，开始进行gan薄膜的沉积并计时。

沉积结束后，样品放在真空系统中在750℃下退火处理2h，然后自然冷却得到样品。