[實用新型]一種激光輔助低溫生長氮化物材料的裝置

有效

• 申請號: 201420609361.1
• 申請日: 2014-10-18
• 公開（公告）號: CN204185555U
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 曾曉雁;陸永楓;郭連波
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C23C16/48
• 分類號: C23C16/48;C23C16/34
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本實用新型屬于氮化物氣相沉積技術領域，涉及在激光輔助作用下在襯底表面上沉積氮化物如氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)或氮化銦(InN)等氮化物薄膜裝置，主要特征在于可以實現薄膜的低溫沉積工藝和大量減少氮源消耗(如氨氣NH₃的使用)。?

背景技術

在氮化物中，第III族氮化物半導體，如GaN、AlGaN、A1N或InN等寬禁帶半導體材料是制備藍光到紫外光波段的半導體發光二極管(LED)、半導體激光器(LD)等光電器件的首選材料。由于III族氮化物基材料具有電子飽和漂移速度高、介電常數小、導熱性能好、化學和熱穩定性好等特點，因此廣泛應用于制造高性能光電子器件、大功率電子器件以及高頻設備。?

高質量的晶態氮化物薄膜是決定氮化物器件性能及可靠性的關鍵。然而，目前高質量晶態氮化物薄膜生長技術均需高溫環境。例如，化學氣相沉積法(MOCVD)需要在950-1100℃環境下進行；基于氨氣作為氮源的高真空下分子束外延技術(MBE)需要在800℃左右的環境下進行；同樣基于氨氣氮源的真空中氫化物氣相外延技術(HVPE)也需要約750℃的環境溫度。雖然高的環境溫度有利于加快前驅體的化學分解和吸附原子的表面擴散過程，但同時也給襯底材料帶來一系列不良反應(如氮化物膜的雙軸應力、GaN膜層中氮元素缺失和氮化物熱分解等)。雙軸應力的產生是由于氮化物膜層和襯底材料(如藍寶石或硅)間的晶格常數和熱膨脹系數相差較大(如GaN薄膜和藍寶石襯底間晶格常數相差16％，而熱膨脹系數相差?25％)，因此容易造成襯底損傷，甚至導致襯底的形變甚至開裂，不利于平坦、無裂紋的高質量氮化物薄膜的生長，使得后期制造氮化物基發光二極管(LED)和半導體激光器(LD)時易產生發光效率和穩定性下降等問題。為了減少氮化物薄膜上的熱應力，常常會使用與氮化物薄膜晶格匹配的材料作襯底，如鋁酸鋰(LiAlO₂)、鎵酸鋰(LiGaO₂)和碳化硅等。然而，這些晶格匹配的襯底材料成本太高，難以大規模量產和商業化。?

其次，當前氮化物薄膜材料沉積工藝中，膜層生長時氮的分解壓很高，過高的環境溫度容易加劇氮的揮發，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電子濃度，導致后續的P型摻雜困難。此外，氮化物薄膜中氨氣(NH₃)利用效率極低，必須采用超大流量的氨氣(NH₃)，導致氮化物基薄膜材料生長成本過高、周期過長、能耗過高，并嚴重污染環境。?

由于高溫環境所帶來的這些不利因素，還使得氮化物薄膜生長質量和效率大大降低，當前MOVCD合成氮化鎵薄膜的沉積速度僅為4μm/h，MBE技術的沉積速度僅為1μm/h。如何降低氮化物基薄膜材料的生長溫度，同時提高其沉積速度和質量，是當前國內外光電子領域面臨的重大挑戰，也是制約氮化物器件性能和質量提高的技術瓶頸，是氮化物器件價格居高不下的重要原因。顯然，如果能夠尋找一種低溫、高效生長氮化物晶態薄膜技術，克服和解決現有高溫氮化物薄膜生長帶來的技術難題，將使得氮化物薄膜的制備技術躍上新臺階。?

實用新型內容

本實用新型提出了一種激光輔助低溫生長氮化物材料裝置，利用該裝置可以實現對活性氮源分子的共振激發，在提高活性氮源利用率和減少環境污染的基礎上，實現低溫環境下氮化物膜層材料的快速和高質量生長。?

本實用新型提供的一種激光輔助低溫生長氮化物材料的裝置，其特征在于，該裝置包括真空反應腔、氣體預混合腔、激光器和移動機構；?

所述激光器為波長可調諧的CO₂激光器，真空反應腔上設置有激光入射窗口和激光出射窗口；?

激光器的出光口、光斑調節器、激光入射窗口和激光出射窗口依次位于同一光路上，激光出射窗口處安裝有激光功率計；?

加熱器位于真空反應腔內，加熱器表面用于放置襯底；?

氣體預混合腔安裝在真空反應腔的上面，氣體預混合腔的進氣端分別與前驅體與運載氣體的進氣管、氮源進氣管連接，出氣端與送氣管的一端連接，送氣管的另一端伸入真空反應腔內的襯底附近；?

具體而言，本實用新型提供的一種激光輔助低溫生長氮化物材料的裝置(即LCVD)，具有以下技術特點：?