專利名稱：氮化鎵薄膜制備技術(shù)及專用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化鎵薄膜的制備技術(shù)及專用裝置，特別是一種雙氣流離化團(tuán)簇束沉積氮化鎵薄膜的制備技術(shù)及專用裝置。
氮化鎵是一種直接能隙的寬帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為3.39eV，若摻入In、Al等元素，則隨著摻雜比例不同，其禁帶寬度可在1.95eV-3.39eV-6.28eV間調(diào)節(jié)，覆蓋了整個(gè)可見光到紫外光波段，可以制作從紫外光到各色可見光的發(fā)光器件和激光器件。此外，氮化鎵具有很高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，電子飽和速率和載流子遷移率都很高，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度大，電學(xué)性能優(yōu)異，被稱為第三代半導(dǎo)體材料。
從1932年Johnson等首先合成氮化鎵的白色粉末至今，人們探索用各種方法來制備高質(zhì)量的氮化鎵體單晶材料和薄膜單晶材料。但目前制備大尺寸氮化鎵體單晶材料在技術(shù)上還十分困難，主要是采用異質(zhì)外延技術(shù)，即在一些特定的襯底材料上生長出氮化鎵外延層，主要方法有鹵化物氣相外延(HVPE)技術(shù)、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)和分子束外延(MBE)技術(shù)等。其中MOCVD技術(shù)是目前普遍采用的技術(shù)，但該技術(shù)所用設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜，有害廢氣處理困難，并且采用藍(lán)寶石或碳化硅單晶作襯底，致使藍(lán)光氮化鎵器件生產(chǎn)成本居高不下，促使人們尋求新的氮化鎵制備技術(shù)。
1972年日本東京大學(xué)高木俊宜等人最早提出用離化團(tuán)簇束法(ICB)沉積薄膜材料的思想。1982年他們又提出用離子注入法在玻璃基片上制備氧化鋅膜，然后再用反應(yīng)離化團(tuán)簇束法(RICB)在氧化鋅膜上制備氮化鎵膜，并用這種材料制成MIS結(jié)構(gòu)的蘭色發(fā)光二極管(LED)[T.Takagi et al.，Jpn.J.Appl.Phys.Suppl.22-1(1983)P115]。由于當(dāng)時(shí)只用了單路輸入氮?dú)獾姆椒?，制成的氮化鎵薄膜中氮的含量不足，存在大量的氮空位，背景電子濃度過高，不能進(jìn)行P-型摻雜，只能制成MIS結(jié)構(gòu)，蘭色LED管發(fā)光效率很低，沒有實(shí)用價(jià)值。1992年中村修二用雙氣流金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法制備出氮化鎵薄膜，解決了長期困擾氮化鎵薄膜質(zhì)量不高的難題，并首先制成具有實(shí)用價(jià)值的PN結(jié)結(jié)構(gòu)的蘭色發(fā)光二極管[S.Nakamura et al.，Jpn.J.Appl.Phys.31(1992)139]。發(fā)明人對(duì)離化團(tuán)簇束技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，于1999年對(duì)所作的改進(jìn)進(jìn)行了報(bào)道[武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，1999，(5)；Chin.Phys.Lett.Vol.16，No.5(1999)367]。
本發(fā)明的目的是將雙氣流思想引入離化團(tuán)簇束技術(shù)，以尋求一種適合工業(yè)生產(chǎn)的氮化鎵薄膜沉積新技術(shù)，并使該技術(shù)具有制備氮化鎵薄膜材料成分純、品質(zhì)好、膜厚易于控制、沉積速率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易、無有害廢氣產(chǎn)生、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下設(shè)計(jì)制作了專用的雙氣流反應(yīng)團(tuán)簇束沉積裝置，該裝置是安裝在一臺(tái)高真空鍍膜機(jī)的真空室內(nèi)。由蒸發(fā)室、離化室、射頻離子槍、樣品架和加熱碘鎢燈組成。蒸發(fā)室中心部位有細(xì)頸噴嘴石英坩堝，坩堝噴嘴朝上，外繞螺旋狀電熱鎢絲，鎢絲電流0-200A連續(xù)可調(diào)；坩堝及電熱絲外加多層不銹鋼反射層作熱屏蔽，并內(nèi)置鉑—銠熱電偶測(cè)溫。離化室為一不銹鋼園筒，上頂中央開有一個(gè)園孔，以引出離化團(tuán)簇，下底與蒸發(fā)室相連，并使石英坩堝噴嘴對(duì)準(zhǔn)離化室中軸；沿中軸置有螺旋狀陽極并外套環(huán)形電子槍，均用鎢絲繞成，其中電子槍的加熱電流0-30A可調(diào)，陽極電壓0-300V可調(diào)；離化室側(cè)壁有氮?dú)膺M(jìn)氣孔，陽極和電子槍正面放置樣品架，上加負(fù)高壓，后面用兩只1000W碘鎢燈對(duì)樣品進(jìn)行輻射加熱。在樣品架的正面水平方向放置有射頻離子槍，射頻功率由兩個(gè)環(huán)形銅電極以電容耦合方式輸入。
在制備過程中，首先對(duì)選用的襯底Si(111)拋光單晶片按半導(dǎo)體常規(guī)工藝清洗處理，并用紅外燈烘干。
將清洗好的Si片放入直流平面磁控濺射鍍膜機(jī)的真空室中，在下述條件下制備ZnO緩沖層濺射靶由純度為95％以上的Zn粉鍛壓燒制而成，真空室內(nèi)輸入Ar+O2混合氣體，，工作氣壓為10-20Pa，襯底加熱溫度為300-400℃，制備的ZnO緩沖層具有沿C軸高取向。
將ZnO/Si樣片放入上述專用雙氣流反應(yīng)團(tuán)簇束沉積裝置中的樣品架上，將真空室抽至1-3×10-3Pa。從下進(jìn)氣口輸入高純N2氣，真空室氣壓達(dá)1-3×10-2Pa，環(huán)形電子槍通以20-30A電流呈白熾狀發(fā)射熱電子，陽極電壓100-200V，使N2離化，在1000V加速電壓下引出N2+、N+，對(duì)樣品進(jìn)行轟擊。打開碘鎢燈進(jìn)行烘烤，去除樣品表面吸附的氣體及沾污。20分鐘后將坩堝加熱至900-1000℃，開始蒸發(fā)高純鎵源。從上進(jìn)氣口通入N2氣，打開射頻電源，加速電壓降至100-200V。調(diào)節(jié)碘鎢燈使襯底溫度保持在500-600℃。沉積時(shí)間2小時(shí)左右。
本發(fā)明由于采用雙流輸氣方式，其中一路N2氣進(jìn)入離化室，N2分子和Ga團(tuán)簇一起受到加速電子的轟擊而分解離化，形成具有化學(xué)活性的N原子和N+離子束，垂直到達(dá)襯底表面。其中N+和N2+離子在加速電場(chǎng)中獲得能量，在氮化鎵薄膜的生長過程中起到離子束增強(qiáng)沉積的作用，有利于薄膜的生長。另一路N2氣從上進(jìn)氣口經(jīng)過一射頻離化槍，使反應(yīng)氣體等離子體化，沿和襯底表面平行方向噴向基片表面。這樣，一方面增加了基片表面附近N的分壓，改善了基片表面化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，使反應(yīng)物與氮化鎵膜更好地接觸，另一方面反應(yīng)氣體中含有更多的化學(xué)活性成分，有利于氮化鎵的生長。同時(shí)，由于采用高純金屬Ga(99.999％)和高純N2(99.999％)作為源物質(zhì)，避免使用GaCl3、TMG、NH3等化合物物質(zhì)源，減少了雜質(zhì)的干擾，提高了氮化鎵的純度，也避免了這些化合物劇毒、易爆、強(qiáng)腐蝕的有害作用，設(shè)備對(duì)防護(hù)和環(huán)保要求不高，降低了造價(jià)。
本發(fā)明提出一種用高純Ga和高純N2作源物質(zhì)，采用雙流供輸氣方式，向沉積區(qū)輸送經(jīng)離化的具有化學(xué)活性的反應(yīng)氣體，在較低溫度(500-600℃)下，通過載能Ga離化團(tuán)簇束和N+離子束直接在襯底表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成氮化鎵晶體薄膜。本技術(shù)可用增加石英坩堝數(shù)量和增大離化室的容積方式提高生產(chǎn)效率，設(shè)備簡(jiǎn)單，無環(huán)境污染，可降低氮化鎵的生產(chǎn)成本。此外，本發(fā)明提出用ZnO作緩沖層可實(shí)現(xiàn)在Si襯底上生長氮化鎵晶體膜，是進(jìn)一步降低氮化鎵器件生產(chǎn)成本的一條可行途徑。
以下結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明

圖1為雙氣流反應(yīng)離化團(tuán)簇束沉積氮化鎵薄膜裝置示意圖。
圖1中1為加熱碘鎢燈，2為樣品架，3為樣品，，4為射頻離化槍，5為上進(jìn)氣口，6為螺旋狀陽極，7為環(huán)形熱陰極電子槍，8為離化室外殼，9為下進(jìn)氣口，10為不銹鋼反射層，11為蒸發(fā)室外殼，12為石英坩堝，13為電熱絲。
將清洗好的Si片放入直流平面磁控濺射鍍膜機(jī)真空室制備ZnO緩沖層。濺射靶由純度為95％的Zn粉鍛壓燒制而成。輸入Ar+O2(1∶1)混合氣體。背景真空度為5×10-2Pa，工作氣壓為10Pa。襯底加熱溫度為300℃。濺射電流40mA，濺射功率20W，濺射時(shí)間1小時(shí)。制備的ZnO緩沖層具有沿C軸高取向。
將ZnO/Si樣片放入離化團(tuán)簇束沉積裝置真空室中，真空抽至8×10-4Pa。從下進(jìn)氣口輸入N2氣，真空室氣壓達(dá)1×10-2Pa，環(huán)形電子槍通以25A電流呈白熾狀發(fā)射熱電子，陽極電壓150V，使N2離化。在1000V負(fù)高壓下引出N2+、N+，對(duì)樣品進(jìn)行轟擊。打開碘鎢燈進(jìn)行烘烤，去除樣品表面吸附的氣體及沾污。20分鐘后將坩堝加熱至960℃，開始蒸發(fā)Ga源。從上進(jìn)氣口通入N2氣，打開射頻電源，加速電壓降至150V。調(diào)節(jié)碘鎢燈使襯底溫度保持在550℃。沉積時(shí)間2小時(shí)左右。
權(quán)利要求
1.一種制備氮化鎵薄膜的裝置，該裝置安裝在高真空鍍膜機(jī)真空室中，由蒸發(fā)室、離化室、射頻離子槍、樣品架和加熱碘鎢燈組成，其特征在于蒸發(fā)室中心部位有細(xì)頸噴嘴石英坩堝，坩堝噴嘴朝上，外繞螺旋狀電熱鎢絲，鎢絲電流0-200A連續(xù)可調(diào)；坩堝及電熱絲外加多層不銹鋼反射層作熱屏蔽，并內(nèi)置鉑—銠熱電偶測(cè)溫；離化室為一不銹鋼園筒，上頂中央開有一個(gè)園孔，以引出離化團(tuán)簇，下底與蒸發(fā)室相連，并使石英坩堝噴嘴對(duì)準(zhǔn)離化室中軸；沿中軸置有螺旋狀陽極并外套環(huán)形電子槍，均用鎢絲繞成，其中電子槍的加熱電流0-30A可調(diào)，陽極電壓0-300V可調(diào)；離化室側(cè)壁有氮?dú)膺M(jìn)氣孔，陽極和電子槍正面放置樣品架，上加負(fù)高壓，后面用兩只1000W碘鎢燈對(duì)樣品進(jìn)行輻射加熱；在樣品架的正面水平方向放置有射頻離子槍，射頻功率由兩個(gè)環(huán)形銅電極以電容耦合方式輸入。
2.一種氮化鎵薄膜的制備方法，其特征在于它是在清潔的硅為襯底的材料表面，用直流平面磁控濺射鍍膜的方法，沿C軸高取向制備ZnO緩沖層，再將ZnO/Si樣片放入權(quán)利要求1所述裝置中，用雙氣流反應(yīng)團(tuán)簇束沉積技術(shù)在樣片表面制備出氮化鎵薄膜
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的ZnO緩沖層的制備中，濺射靶由純度為95％以上的Zn粉鍛壓燒制而成，真空室內(nèi)輸入Ar+O2混合氣體，，工作氣壓為10-20Pa，襯底加熱溫度為300-400℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的氮化鎵薄膜層的制備方法是將ZnO/Si樣片放入權(quán)利要求1所述裝置的樣品架上，將真空室抽至1-3×10-3Pa，從下進(jìn)氣口輸入高純N2氣，真空室氣壓達(dá)1-3×10-2Pa；環(huán)形電子槍通以20-30A電流呈白熾狀發(fā)射熱電子，陽極電壓100-200V，使N2離化，在1000V加速電壓下引出N2+、N+，對(duì)樣品進(jìn)行轟擊；打開碘鎢燈進(jìn)行烘烤，去除樣品表面吸附的氣體及沾污；將坩堝加熱至900-1000℃，蒸發(fā)高純鎵源；從上進(jìn)氣口通入N2氣，打開射頻電源，加速電壓降至100-200V；調(diào)節(jié)碘鎢燈使襯底溫度保持在500-600℃，2小時(shí)左右即可生成氮化鎵薄膜層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮化鎵薄膜的制備方法和專用設(shè)備,它以高純鎵和氮?dú)庾髟次镔|(zhì),采用雙流供氣方式,向沉積區(qū)輸送經(jīng)過離化的具有化學(xué)活性的反應(yīng)氣體,在較低溫度(500—600℃)下,通過載能鎵離化團(tuán)簇束和N
文檔編號(hào)H01L21/203GK1308145SQ00131158
公開日2001年8月15日 申請(qǐng)日期2000年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月17日
發(fā)明者范湘軍, 孟憲權(quán), 彭友貴, 吳大維 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)