一种基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法和装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法和装置，所述方法在半导体材料外延生长初期，通过飞秒激光在线制备图形化衬底；在半导体材料外延生长过程中，通过飞秒激光改变生长原子的动力学特性，提高生长原子的表面迁移距离，并通过飞秒激光在局部产生等离子体，可实现局部量子点定位生长；在半导体材料外延生长掺杂工艺过程中，通过飞秒激光与掺杂原子直接作用，提高掺杂原子的活性，可实现更高效率的掺杂；此外，根据飞秒激光在生长表面的吸收和反射光强和光谱，实现对半导体材料外延生长过程在线和实时检测。本发明将飞秒激光引入到半导体材料外延生长过程中，对于半导体材料外延生长质量和掺杂效率的提高具有重大意义。
【专利说明】
一种基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法和装置
技术领域
[0001]本发明涉及半导体材料技术领域，更具体的说，是涉及一种基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法和装置。
【背景技术】
[0002]近些年来，半导体材料技术发展十分迅速，半导体器件性能的发展越来越多的受到半导体材料质量的约束，高质量材料制备技术引起越来越多的重视。材料外延生长过程中，缺陷的产生主要来自如下几个方面:(I)衬底本身的缺陷；(2)异质外延过程中的晶格失配和热膨胀失配引起材料内部应力过大；(3)生长原子较低的活性和表面迀移率。为了提高材料的晶体质量，人们通常采用提高生长温度的方法提高生长原子的表面迀移率，从而改善材料的表面平整度。过高的生长温度对设备的电阻加热系统提出了苛刻的要求，降低了设备的可靠性。人们也开发了等离子增强、射频感应加热系统和光照辅助加热系统，感应加热系统虽然能够提高足够的温度，但对感应线圈的设计和感应体的形状设计要求十分精确，也不利于生长材料大尺寸的扩展。光照辅助加热系统通常采用红外加热光源，将辐射光照射在衬底表面，可以快速直接加热生长表面，但该方法对光源的辐照均匀性设计仍然要求十分高。此外，部分材料例如InGaN量子阱在高温下易于分解，也限制了生长温度不能过尚O
【发明内容】
[0003]有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法和装置，解决由于外延生长原子迀移率不足引起的生长缺陷问题，并提高掺杂原子的掺杂效率，实现半导体材料高质量制备。
[0004]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0005]—种基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法，包括以下步骤:
[0006]S1、在半导体外延生长初期，根据图形尺寸和精度不同要求，对应选择不同波长的飞秒激光在线制备图形化衬底；
[0007]S2、在半导体材料外延生长过程中，根据生长材料种类以及工艺过程的不同，对应选择不同波长的飞秒激光改变外延生长原子的动力学特性，提高生长原子表面迀移距离；
[0008]S3、根据量子点尺寸和材料种类的不同，对应选择不同波长的飞秒激光在外延材料局部产生等离子体，形成量子点定位生长；
[0009]S4、在半导体材料外延生长掺杂过程中，根据掺杂原子种类以及工艺过程的不同，将特定波长的飞秒激光直接作用在掺杂原子上，提高半掺杂原子活性，进行高效率替位掺杂;
[0010]S5、在半导体材料外延生长或掺杂结束后，根据掺杂原子种类以及工艺过程的不同，对应选择不同波长的飞秒激光直接作用在材料上，进行实时在线退火；
[0011]S6、将飞秒激光进行单点、多点或线面快速扫描，实现整个生长表面的延伸。
[0012]作为优选的，所述步骤SI中，根据刻蚀三维图形不同需求，可选取不同波长的飞秒激光，可采用波长为450nm或280nm的飞秒激光直接将衬底刻蚀为不同特征精度的三维图形生长面。
[0013]作为优选的，所述飞秒激光通过预设或者改制现有半导体材料外延设备中的光通道进入反应腔体;所述光通道根据设备结构和工艺需求设为一个或多个。
[0014]作为优选的，为了使半导体材料外延生长更加精准、高质量和，本实施例中所述飞秒激光还结合有微波或射频等手段共同作用于半导体材料外延生长过程中。
[0015]作为优选的，所述步骤SI中，还可通过计算机自动控制飞秒激光直接将衬底刻蚀为三维超材料结构，以此基底实现三维微纳超材料生长，实现复杂超结构的超材料的生长和制备。
[0016]作为优选的，还包括:
[0017]S7、根据生长表面吸收和反射的光强、光谱，监测半导体材料外延生长过程中材料晶体质量的变化情况，实现对半导体外延生长过程在线和实时检测。
[0018]—种根据上述方法进行半导体材料外延生长的装置，包括用于半导体材料外延生长的反应腔、若干飞秒激光源，所述若干飞秒激光源分别通过光通道安装于反应腔的侧壁或顶端;还包括一计算机自控系统，用于控制在不同的生长阶段或者按照预设的程序化步骤引入不同波长飞秒激光源辅助照射在生长表面。
[0019]作为优选的，所述反应腔内设有装载托盘。
[0020]作为优选的，所述反应腔为垂直式MOCVD反应腔，或HVPE、MBE等设备的反应腔中。
[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:本发明可在线制备图形化衬底，解决由于外延生长原子迀移率不足引起的生长缺陷问题，在半导体材料外延设备原有的生长加热系统基础上，通过特制的光通道将飞秒激光引入到衬底生长表面，通过与表面原子进行作用，提高表面原子的动力学特性，直接提高生长表面原子的活性和表面迀移率，从而实现高质量的材料生长。由于飞秒激光的局部高能量，能在生长的局部产生高密度等离子体，形成新的生长动力学环境，可以通过局部等离子的作用，形成局部量子点材料的生长，结合MOCVD或者HVPE或者MBE可以实现高密度的量子点生长，甚至可以高密度生长3D的量子点材料。此外，飞秒激光在生长表面存在一定的光吸收和光反射，根据吸收和反射光强和光谱，可以反映出半导体材料外延生长过程中材料晶体质量的变化情况，从而实现对半导体材料外延生长过程在线和实时检测。
【附图说明】
[0022]图1是本发明所述方法的流程图；
[0023]图2是本发明实施例1中装置的结构框图；
[0024]图3是本发明实施例1中飞秒激光源安装结构的俯视图；
[0025]图4是本发明实施例2中装置的结构框图。
[0026]附图标记:
[0027]反应腔体盖一 101飞秒激光源一 102滑槽一 103气体入口一 104
[0028]反应气体混合腔一 105喷淋孔一 106反应区一 107 光通道窗口一 108
[0029]载片盘一 109衬底一110 载片盘支撑一111加热器一112
[0030]旋转轴一 113反应腔体一 301 尾气出口一 314 靶源一 315
[0031]观察窗口一316
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例对本发明所述的一种基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法和装置作进一步说明。
[0033]以下是本发明所述的的最佳实例，并不因此限定本发明的保护范围。
[0034]实施例1
[0035]图1使出了一种基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法的流程图，在半导体材料外延生长过程中，根据涉及工艺的过程，在不同阶段或按照预设的程序化步骤引入飞秒激光源辅助照射在生长表面，从而实现半导体材料的高质量外延生长，本方法可用于氢化物气相外延(HVPE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)等设备或方法中，其包括以下步骤:
[0036]S1、在半导体外延生长初期，根据图形尺寸和精度不同要求，对应选择不同波长的飞秒激光在线制备图形化衬底，飞秒激光的中心波长在200nm?1600nm之间；
[0037]S2、根据生长材料种类以及工艺过程的不同，对应选择不同波长的飞秒激光改变外延生长原子的动力学特性，提高生长原子表面迀移距离，飞秒激光的中心波长可以在200nm?800nm之间；通过飞秒激光改变外延生长原子的动力学特性，直接提高生长表面原子的活性和表面迀移率，从而增加生长原子表面迀移距离;从而提高半导体外延薄膜表面的平整度，也可改变外延薄膜中位错缺陷扩展放向；有效的解决由于外延生长原子迀移率不足引起的生长缺陷问题；
[0038]S3、根据量子点尺寸和材料种类的不同，对应选择不同波长的飞秒激光在外延材料局部产生等离子体，形成量子点定位生长，飞秒激光的波长在200nm?800nm范围内；由于飞秒激光的局部高能量，能在生长的局部产生高密度等离子体，形成新的生长动力学环境，可以通过局部等离子的作用，形成局部量子点材料的生长，结合MOCVD或者HVPE或者MBE可以实现高密度的量子点生长，甚至可以高密度生长3D的量子点材料；
[0039]S4、在半导体材料外延生长掺杂过程中，根据掺杂原子种类以及工艺过程的不同，将特定波长的飞秒激光直接作用在掺杂原子上，提高半掺杂原子活性，进行高效率替位掺杂；飞秒激光的波长在200nm?800nm范围内由于飞秒激光的局部高能量，掺杂原子吸收能量之后活性大幅提尚，可实现更尚效率的替位惨杂。
[0040]S5、在半导体材料外延生长或掺杂结束后，将特定波长的飞秒激光直接作用在材料上，实现实时在线退火;消除部分已成型的缺陷，改善晶体质量，打断掺杂原子的饱和氢键，提高掺杂的载流子浓度；
[0041]S6、将飞秒激光进行单点、多点或线面快速扫描，实现整个生长表面的延伸。
[0042]在本实施例中，所述步骤SI中，通过飞秒激光直接将衬底刻蚀为三维图形生长面，刻蚀的尺寸取决于激光的波长，本实施例中采用波长为450nm蓝光或280nm深紫外光。
[0043]作为优选的，所述飞秒激光通过预设或者改制现有半导体材料外延设备中的光通道进入反应腔体;所述反应腔体可为MOCVD反应腔，或HVPE、MBE等设备的反应腔，所述光通道根据设备结构和工艺需求设为一个或多个。
[0044]作为优选的，所述飞秒激光还结合有微波或射频等手段共同作用于半导体材料外延生长过程中。
[0045]作为优选的，所述步骤SI中，还可通过计算机自动控制飞秒激光直接将衬底刻蚀为三维超材料结构，以此基底实现三维微纳超材料生长，实现复杂超结构的超材料的生长和制备。
[0046]作为优选的，还包括:
[0047]S7、根据生长表面吸收和反射的光强、光谱，监测半导体材料外延生长过程中材料晶体质量的变化情况，实现对半导体外延生长过程在线和实时检测；由于飞秒激光在生长表面存在一定的光吸收和光反射，根据吸收和反射光强和光谱，可以反映出半导体材料外延生长过程中材料晶体质量的变化情况，从而实现对半导体材料外延生长过程在线和实时检测。
[0048]如图2所示，本发明还提供了一种根据上述方法进行半导体材料外延生长的装置，包括用于半导体材料外延生长的反应腔，反应腔体盖101与反应腔内部的下方为反应气体混合腔105，所述反应气体混合腔105下方为喷淋孔106，反应腔侧壁设有与反应气体混合腔相连通的气体入口 104，所述反应腔体盖101上设有滑槽103，在本实施例中，所述飞秒激光源102装配在滑槽103上，并通过光通道窗口 108、安装在反应腔体盖101上。所述半导体外延材料外延衬底110放于载片盘109上，所述载片盘109通过载片盘支撑111安装于反应腔内部，载片盘109下方还设有加热器112，和旋转轴113，在半导体材料外延生长过程中，飞秒激光照射在载片盘109上的衬底表面110，通过在滑槽103上移动，进行快速扫描，实现对整个圆片表面上的生长原子直接作用。
[0049]所述飞秒激光源102安装于反应腔的顶端;还包括一计算机自控系统，用于控制在不同的生长阶段或者按照预设的程序化步骤引入不同波长飞秒激光源辅助照射在生长表面。
[0050]实施例3
[0051]如图2和图3所示，在本实施例中沿用实施例1中的方法，所述装置的反应腔为垂直式MOCVD反应腔，也可以选用HVPE、MBE等设备的反应腔，本实施例中包括飞秒激光源102，，飞秒激光源102安装在MBE设备反应腔体301下方，在MBE设备中靶源315施加一定功率，气体入口 104通入源气体，进行AlN外延工艺时，将飞秒激光引入生长表面，直接对衬底表面的Al原子进行作用，提高Al原子的动力学能量，从而获得较高的表面迀移率，实现常规生长温度下进行高质量AlN外延生长，所述反应区下方还设有尾气出口 314、靶源315，反应腔体301侧壁上设有观察窗口 316。
[0052]综上所述，本发明提出的基于飞秒激光的高质量半导体材料生长方法，在半导体材料外延设备原有的生长加热系统基础上，通过特制的光通道将飞秒激光引入到衬底生长表面，通过与表面原子进行作用，提高表面原子的动力学特性，直接提高生长表面原子的活性和表面迀移率，从而实现高质量的材料生长。由于飞秒激光的局部高能量，能在生长的局部产生高密度等离子体，形成新的生长动力学环境，可以通过局部等离子的作用，形成局部量子点材料的生长，结合MOCVD或者HVPE或者MBE可以实现高密度的量子点生长，甚至可以高密度生长3D的量子点材料。此外，飞秒激光在生长表面存在一定的光吸收和光反射，根据吸收和反射光强和光谱，可以反映出半导体材料外延生长过程中材料晶体质量的变化情况，从而实现对半导体材料外延生长过程在线和实时检测。
[0053]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、在半导体外延生长初期，根据图形尺寸和精度不同要求，对应选择不同波长的飞秒激光在线制备图形化衬底； 52、在半导体材料外延生长过程中，根据生长材料种类以及工艺过程的不同，对应选择不同波长的飞秒激光改变外延生长原子的动力学特性，提高生长原子表面迀移距离； 53、根据量子点尺寸和材料种类的不同，对应选择不同波长的飞秒激光在外延材料局部产生等离子体，形成量子点定位生长； 54、在半导体材料外延生长掺杂过程中，根据掺杂原子种类以及工艺过程的不同，将特定波长的飞秒激光直接作用在掺杂原子上，提高半掺杂原子活性，进行高效率替位掺杂； 55、在半导体材料外延生长或掺杂结束后，根据掺杂原子种类以及工艺过程的不同，对应选择不同波长的飞秒激光直接作用在材料上，进行实时在线退火； 56、将飞秒激光进行单点、多点或线面快速扫描，实现整个生长表面的延伸。2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法，其特征在于，所述步骤SI中，根据刻蚀三维图形不同需求，可选取不同波长的飞秒激光，可采用波长为450nm或280nm的飞秒激光直接将衬底刻蚀为三维图形生长面。3.根据权利要求1所述的基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法，其特征在于，所述飞秒激光通过预设或者改制现有半导体材料外延设备中的光通道进入反应腔体;所述光通道根据设备结构和工艺需求设为一个或多个。4.根据权利要求1所述的基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法，其特征在于，所述飞秒激光还结合有微波或射频等手段共同作用于半导体材料外延生长过程中。5.根据权利要求1所述的基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法，其特征在于，所述步骤SI中，还可通过计算机自动控制飞秒激光直接将衬底刻蚀为三维超材料结构，以此基底实现三维微纳超材料生长，实现复杂超结构的超材料的生长和制备。6.根据权利要求1所述的基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法，其特征在于，还包括: 57、根据生长表面吸收和反射的光强、光谱，监测半导体材料外延生长过程中材料晶体质量的变化情况，实现对半导体外延生长过程在线和实时检测。7.根据权利要求1至6任一所述方法进行半导体材料外延生长的装置，其特征在于，包括用于半导体材料外延生长的反应腔、若干飞秒激光源，所述若干飞秒激光源分别通过光通道安装于反应腔的侧壁或顶端;还包括计算机自控系统，用于控制在不同的生长阶段或者按照预设的程序化步骤引入不同波长的飞秒激光源辅助照射在生长表面。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述反应腔内设有装载托盘。9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述反应腔为垂直式MOCVD反应腔，或HVPE、MBE等设备的反应腔中。
【文档编号】C30B25/18GK105821472SQ201610260299
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】刘胜, 严晗, 甘志银, 陈斌, 彭庆, 郑怀
【申请人】武汉大学, 广东昭信半导体装备制造有限公司