基於飛秒雷射的半導體金剛石薄膜摻雜後處理方法和裝置與流程
2023-06-14 12:36:11 2
本發明涉及半導體材料技術領域，尤其涉及一種基於飛秒雷射的半導體金剛石薄膜摻雜後處理方法和裝置。
背景技術：
半導體金剛石所具有的獨特的物理性質使它在高溫大功率電力電子器件、 微波功率器件、深紫外光和高能粒子探測器、深紫外發光器件、單光子光源、生物和化學傳感器、微機電（MEMS）和納機電（NEMS）器件、自旋電子學等眾多領域有著極大的應用潛力。近些年來，半導體金剛石材料和器件的製備技術發展引起越來越多研究和技術人員的重視。實現有效的n型和p型電學摻雜是半導體器件的基礎。然而目前半導體金剛石材料的摻雜技術仍然未得到突破性的進展，這也是金剛石器件走向實用的巨大障礙。一個最主要的原因是摻雜層中的摻雜原子在禁帶中能級較深，不易電離，從而未能有效的激活，因此有效的載流子濃度極低。為了提高半導體金剛石摻雜層的載流子濃度，儘快實現器件級的應用，人們不斷的嘗試各種摻雜原子，以及不同的摻雜工藝和後處理技術。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於飛秒雷射的半導體金剛石薄膜摻雜後處理方法和裝置，旨在用於解決現有的半導體金剛石摻雜層中的摻雜原子未能有效地激活引起的電學性能過低的問題，實現半導體金剛石材料器件級的應用。
本發明是這樣實現的：
本發明提供一種基於飛秒雷射的半導體金剛石薄膜摻雜後處理方法，包括以下步驟：
S1、在半導體金剛石外延生長初期，通過MPCVD製備半導體金剛石外延薄膜；
S2、通過MPCVD製備半導體金剛石摻雜層；
S3、根據摻雜層的摻雜原子種類及其與氫原子形成的飽和化學鍵的鍵能，選擇相應波長的飛秒雷射，於反應腔中通過所述飛秒雷射打斷摻雜層中摻雜原子與氫原子形成的飽和化學鍵。
進一步地，還包括以下步驟：
S4、在所述飛秒雷射打斷摻雜原子與氫原子形成的飽和化學鍵的過程中，通過二次離子質譜檢測裝置檢測反應腔中的氫離子濃度，實時監測除氫效果，進而判斷後處理工藝是否達到目標。
進一步地，所述步驟S3中，所選擇的飛秒雷射的波長與所需打斷的飽和化學鍵的共振吸收峰值相對應。
進一步地，若半導體金剛石摻雜層為摻雜磷原子的n型摻雜層，則選擇的飛秒雷射的波長為371±20nm。
本發明還提供一種基於飛秒雷射的半導體金剛石薄膜摻雜後處理裝置，包括用於半導體金剛石外延生長的反應腔以及若干飛秒雷射源，所述反應腔內設有裁片託盤，所述載片託盤上放置有半導體金剛石外延襯底，所述反應腔上設置有光通道窗口，所述飛秒雷射源通過所述光通道窗口照射在所述半導體金剛石外延襯底上。
進一步地，所述光通道窗口上方具有一波導管，所述波導管上設置有滑槽，所述飛秒雷射源安裝於所述滑槽上。
進一步地，還包括用於檢測所述反應腔中的氫離子濃度的二次離子質譜檢測裝置。
進一步地，所述二次離子質譜檢測裝置安裝於所述反應腔的尾氣管道上。
進一步地，還包括計算機自控系統，用於控制在不同的生長階段引入不同波長的飛秒雷射源照射在半導體金剛石生長表面。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
本發明提供的這種基於飛秒雷射的半導體金剛石薄膜摻雜後處理方法和裝置，在半導體金剛石外延生長和摻雜工藝結束之後，通過特定波長的飛秒雷射作用在半導體金剛石薄膜中，通過飛秒雷射與半導體金剛石中摻雜原子與氫原子形成的飽和化學鍵進行作用，打斷摻雜原子與氫原子之間的飽和化學鍵，激活摻雜原子，從而提高摻雜層中有效載流子濃度。此外，飛秒雷射作用期間，通過二次離子質譜檢測裝置對逸出的氫離子濃度進行檢測，可實時分析飛秒雷射激活摻雜原子的效果。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的一種基於飛秒雷射的半導體金剛石薄膜摻雜後處理方法的流程圖；
圖2為本發明實施例提供的一種基於飛秒雷射的半導體金剛石薄膜摻雜後處理裝置的結構示意圖。
附圖標記說明：101-微波源、102-飛秒雷射源、103-滑槽、104-光通道窗口、105-反應腔、106-外延襯底、107-載片託盤、108-尾氣管道、109-二次離子質譜檢測裝置、110-支撐架、111-進氣口、112-波導管。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1所示，本發明實施例提供一種基於飛秒雷射的半導體金剛石薄膜摻雜後處理方法，在半導體金剛石摻雜層生長完畢之後，按照預設的程序化步驟引入有針對性的多模飛秒雷射源輔助照射在生長表面，通過飛秒雷射直接與半導體金剛石摻雜原子的飽和氫鍵進行作用，打斷摻雜原子的飽和氫鍵，激活摻雜原子，從而提高摻雜層有效載流子濃度。其包括以下步驟：
S1、在半導體金剛石外延生長初期，通過MPCVD製備半導體金剛石外延薄膜。
S2、通過MPCVD製備半導體金剛石摻雜層。
S3、根據摻雜層的摻雜原子種類及其與氫原子形成的飽和化學鍵的鍵能，選擇相應波長的飛秒雷射，於反應腔中通過所述飛秒雷射打斷摻雜層中摻雜原子與氫原子形成的飽和化學鍵。
所述步驟S3中，根據不同的摻雜原子（磷、硼、鎂等）與氫之間的鍵能，所述飛秒雷射的波長可以相應進行調整，通過飛秒雷射波長調節系統調整飛秒雷射的波長，優選地，所選擇的飛秒雷射的波長與所需打斷的飽和化學鍵的共振吸收峰值相對應，使單個或多個光子能量與鍵能相等或近似相等。若半導體金剛石摻雜層為摻雜磷原子的n型摻雜層，則選擇的飛秒雷射的波長為371±20nm。
S4、在所述飛秒雷射打斷摻雜原子與氫原子形成的飽和化學鍵的過程中，通過二次離子質譜檢測裝置檢測反應腔中的氫離子濃度，實時監測除氫效果，進而判斷後處理工藝是否達到目標。
使用該方法可以獲得高載流子濃度且可重複製造的半導體金剛石摻雜層。
如圖2所示，本發明實施例還提供一種基於飛秒雷射的半導體金剛石薄膜摻雜後處理裝置，該裝置可以用於實現上述方法，包括用於半導體金剛石外延生長的反應腔105以及若干飛秒雷射源102，所述反應腔105的側壁上部設有一進氣口111，所述反應腔105的底部設有一尾氣管道108，所述反應腔105內設有載片託盤107，所述載片託盤107通過支撐架110支撐於所述反應腔105的底部，所述載片託盤107上放置有半導體金剛石外延襯底106。所述反應腔105的頂端設置有光通道窗口104，在其他實施例中，所述光通道窗口104還可以設於所述反應腔105的側壁上。所述光通道窗口104上方具有一波導管112，所述波導管112與一微波源101連接，所述波導管112上設置有滑槽103，所述飛秒雷射源102安裝於所述滑槽103上，所述飛秒雷射源102可以為一個或多個，所述飛秒雷射源102通過所述光通道窗口104照射在所述半導體金剛石外延襯底106上。在半導體金剛石材料摻雜後處理過程中，飛秒雷射照射在載片託盤107上的外延襯底106上的金剛石薄膜上，通過飛秒雷射源102在滑槽103上移動，進行快速掃描，實現對整個襯底圓片表面上金剛石薄膜摻雜層的後處理。
本優選實施例中，還包括用於檢測所述反應腔105中的氫離子濃度的二次離子質譜檢測裝置109，所述二次離子質譜檢測裝置109安裝於所述反應腔105的尾氣管道108上。
進一步優選地，還包括計算機自控系統，用於控制在不同的生長階段按照預設的程序化步驟引入不同波長的飛秒雷射源照射在半導體金剛石生長表面。
綜上所述，本發明實施例提供的這種基於飛秒雷射的半導體金剛石薄膜摻雜後處理方法和裝置，在半導體金剛石外延生長和摻雜工藝結束之後，通過特定波長的飛秒雷射作用在半導體金剛石薄膜中，通過飛秒雷射與半導體金剛石中摻雜原子與氫原子形成的飽和化學鍵進行作用，打斷摻雜原子與氫原子之間的飽和化學鍵，激活摻雜原子，從而提高摻雜層中有效載流子濃度。此外，飛秒雷射作用期間，通過二次離子質譜檢測裝置對逸出的氫離子濃度進行檢測，可實時分析飛秒雷射激活摻雜原子的效果。本發明將飛秒雷射引入微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）中的半導體金剛石摻雜層的製備技術中，對於半導體金剛石材料的器件性能的提高具有重大意義。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。