本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于飛秒激光的半導(dǎo)體金剛石薄膜摻雜后處理方法和裝置。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體金剛石所具有的獨(dú)特的物理性質(zhì)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(cè)器、深紫外發(fā)光器件、單光子光源、生物和化學(xué)傳感器、微機(jī)電（MEMS）和納機(jī)電（NEMS）器件、自旋電子學(xué)等眾多領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用潛力。近些年來，半導(dǎo)體金剛石材料和器件的制備技術(shù)發(fā)展引起越來越多研究和技術(shù)人員的重視。實(shí)現(xiàn)有效的n型和p型電學(xué)摻雜是半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。然而目前半導(dǎo)體金剛石材料的摻雜技術(shù)仍然未得到突破性的進(jìn)展，這也是金剛石器件走向?qū)嵱玫木薮笳系K。一個(gè)最主要的原因是摻雜層中的摻雜原子在禁帶中能級(jí)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(dǎo)體金剛石摻雜層的載流子濃度，盡快實(shí)現(xiàn)器件級(jí)的應(yīng)用，人們不斷的嘗試各種摻雜原子，以及不同的摻雜工藝和后處理技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于飛秒激光的半導(dǎo)體金剛石薄膜摻雜后處理方法和裝置，旨在用于解決現(xiàn)有的半導(dǎo)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(xué)性能過低的問題，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體金剛石材料器件級(jí)的應(yīng)用。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供一種基于飛秒激光的半導(dǎo)體金剛石薄膜摻雜后處理方法，包括以下步驟：

S1、在半導(dǎo)體金剛石外延生長(zhǎng)初期，通過MPCVD制備半導(dǎo)體金剛石外延薄膜；

S2、通過MPCVD制備半導(dǎo)體金剛石摻雜層；

S3、根據(jù)摻雜層的摻雜原子種類及其與氫原子形成的飽和化學(xué)鍵的鍵能，選擇相應(yīng)波長(zhǎng)的飛秒激光，于反應(yīng)腔中通過所述飛秒激光打斷摻雜層中摻雜原子與氫原子形成的飽和化學(xué)鍵。

進(jìn)一步地，還包括以下步驟：

S4、在所述飛秒激光打斷摻雜原子與氫原子形成的飽和化學(xué)鍵的過程中，通過二次離子質(zhì)譜檢測(cè)裝置檢測(cè)反應(yīng)腔中的氫離子濃度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)除氫效果，進(jìn)而判斷后處理工藝是否達(dá)到目標(biāo)。

進(jìn)一步地，所述步驟S3中，所選擇的飛秒激光的波長(zhǎng)與所需打斷的飽和化學(xué)鍵的共振吸收峰值相對(duì)應(yīng)。

進(jìn)一步地，若半導(dǎo)體金剛石摻雜層為摻雜磷原子的n型摻雜層，則選擇的飛秒激光的波長(zhǎng)為371±20nm。

本發(fā)明還提供一種基于飛秒激光的半導(dǎo)體金剛石薄膜摻雜后處理裝置，包括用于半導(dǎo)體金剛石外延生長(zhǎng)的反應(yīng)腔以及若干飛秒激光源，所述反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)有裁片托盤，所述載片托盤上放置有半導(dǎo)體金剛石外延襯底，所述反應(yīng)腔上設(shè)置有光通道窗口，所述飛秒激光源通過所述光通道窗口照射在所述半導(dǎo)體金剛石外延襯底上。

進(jìn)一步地，所述光通道窗口上方具有一波導(dǎo)管，所述波導(dǎo)管上設(shè)置有滑槽，所述飛秒激光源安裝于所述滑槽上。

進(jìn)一步地，還包括用于檢測(cè)所述反應(yīng)腔中的氫離子濃度的二次離子質(zhì)譜檢測(cè)裝置。

進(jìn)一步地，所述二次離子質(zhì)譜檢測(cè)裝置安裝于所述反應(yīng)腔的尾氣管道上。

進(jìn)一步地，還包括計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)，用于控制在不同的生長(zhǎng)階段引入不同波長(zhǎng)的飛秒激光源照射在半導(dǎo)體金剛石生長(zhǎng)表面。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的這種基于飛秒激光的半導(dǎo)體金剛石薄膜摻雜后處理方法和裝置，在半導(dǎo)體金剛石外延生長(zhǎng)和摻雜工藝結(jié)束之后，通過特定波長(zhǎng)的飛秒激光作用在半導(dǎo)體金剛石薄膜中，通過飛秒激光與半導(dǎo)體金剛石中摻雜原子與氫原子形成的飽和化學(xué)鍵進(jìn)行作用，打斷摻雜原子與氫原子之間的飽和化學(xué)鍵，激活摻雜原子，從而提高摻雜層中有效載流子濃度。此外，飛秒激光作用期間，通過二次離子質(zhì)譜檢測(cè)裝置對(duì)逸出的氫離子濃度進(jìn)行檢測(cè)，可實(shí)時(shí)分析飛秒激光激活摻雜原子的效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于飛秒激光的半導(dǎo)體金剛石薄膜摻雜后處理方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于飛秒激光的半導(dǎo)體金剛石薄膜摻雜后處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明：101-微波源、102-飛秒激光源、103-滑槽、104-光通道窗口、105-反應(yīng)腔、106-外延襯底、107-載片托盤、108-尾氣管道、109-二次離子質(zhì)譜檢測(cè)裝置、110-支撐架、111-進(jìn)氣口、112-波導(dǎo)管。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于飛秒激光的半導(dǎo)體金剛石薄膜摻雜后處理方法，在半導(dǎo)體金剛石摻雜層生長(zhǎng)完畢之后，按照預(yù)設(shè)的程序化步驟引入有針對(duì)性的多模飛秒激光源輔助照射在生長(zhǎng)表面，通過飛秒激光直接與半導(dǎo)體金剛石摻雜原子的飽和氫鍵進(jìn)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(dǎo)體金剛石外延生長(zhǎng)初期，通過MPCVD制備半導(dǎo)體金剛石外延薄膜。

S2、通過MPCVD制備半導(dǎo)體金剛石摻雜層。

S3、根據(jù)摻雜層的摻雜原子種類及其與氫原子形成的飽和化學(xué)鍵的鍵能，選擇相應(yīng)波長(zhǎng)的飛秒激光，于反應(yīng)腔中通過所述飛秒激光打斷摻雜層中摻雜原子與氫原子形成的飽和化學(xué)鍵。

所述步驟S3中，根據(jù)不同的摻雜原子（磷、硼、鎂等）與氫之間的鍵能，所述飛秒激光的波長(zhǎng)可以相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，通過飛秒激光波長(zhǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)整飛秒激光的波長(zhǎng)，優(yōu)選地，所選擇的飛秒激光的波長(zhǎng)與所需打斷的飽和化學(xué)鍵的共振吸收峰值相對(duì)應(yīng)，使單個(gè)或多個(gè)光子能量與鍵能相等或近似相等。若半導(dǎo)體金剛石摻雜層為摻雜磷原子的n型摻雜層，則選擇的飛秒激光的波長(zhǎng)為371±20nm。

S4、在所述飛秒激光打斷摻雜原子與氫原子形成的飽和化學(xué)鍵的過程中，通過二次離子質(zhì)譜檢測(cè)裝置檢測(cè)反應(yīng)腔中的氫離子濃度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)除氫效果，進(jìn)而判斷后處理工藝是否達(dá)到目標(biāo)。

使用該方法可以獲得高載流子濃度且可重復(fù)制造的半導(dǎo)體金剛石摻雜層。

如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種基于飛秒激光的半導(dǎo)體金剛石薄膜摻雜后處理裝置，該裝置可以用于實(shí)現(xiàn)上述方法，包括用于半導(dǎo)體金剛石外延生長(zhǎng)的反應(yīng)腔105以及若干飛秒激光源102，所述反應(yīng)腔105的側(cè)壁上部設(shè)有一進(jìn)氣口111，所述反應(yīng)腔105的底部設(shè)有一尾氣管道108，所述反應(yīng)腔105內(nèi)設(shè)有載片托盤107，所述載片托盤107通過支撐架110支撐于所述反應(yīng)腔105的底部，所述載片托盤107上放置有半導(dǎo)體金剛石外延襯底106。所述反應(yīng)腔105的頂端設(shè)置有光通道窗口104，在其他實(shí)施例中，所述光通道窗口104還可以設(shè)于所述反應(yīng)腔105的側(cè)壁上。所述光通道窗口104上方具有一波導(dǎo)管112，所述波導(dǎo)管112與一微波源101連接，所述波導(dǎo)管112上設(shè)置有滑槽103，所述飛秒激光源102安裝于所述滑槽103上，所述飛秒激光源102可以為一個(gè)或多個(gè)，所述飛秒激光源102通過所述光通道窗口104照射在所述半導(dǎo)體金剛石外延襯底106上。在半導(dǎo)體金剛石材料摻雜后處理過程中，飛秒激光照射在載片托盤107上的外延襯底106上的金剛石薄膜上，通過飛秒激光源102在滑槽103上移動(dòng)，進(jìn)行快速掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)襯底圓片表面上金剛石薄膜摻雜層的后處理。

本優(yōu)選實(shí)施例中，還包括用于檢測(cè)所述反應(yīng)腔105中的氫離子濃度的二次離子質(zhì)譜檢測(cè)裝置109，所述二次離子質(zhì)譜檢測(cè)裝置109安裝于所述反應(yīng)腔105的尾氣管道108上。

進(jìn)一步優(yōu)選地，還包括計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)，用于控制在不同的生長(zhǎng)階段按照預(yù)設(shè)的程序化步驟引入不同波長(zhǎng)的飛秒激光源照射在半導(dǎo)體金剛石生長(zhǎng)表面。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的這種基于飛秒激光的半導(dǎo)體金剛石薄膜摻雜后處理方法和裝置，在半導(dǎo)體金剛石外延生長(zhǎng)和摻雜工藝結(jié)束之后，通過特定波長(zhǎng)的飛秒激光作用在半導(dǎo)體金剛石薄膜中，通過飛秒激光與半導(dǎo)體金剛石中摻雜原子與氫原子形成的飽和化學(xué)鍵進(jìn)行作用，打斷摻雜原子與氫原子之間的飽和化學(xué)鍵，激活摻雜原子，從而提高摻雜層中有效載流子濃度。此外，飛秒激光作用期間，通過二次離子質(zhì)譜檢測(cè)裝置對(duì)逸出的氫離子濃度進(jìn)行檢測(cè)，可實(shí)時(shí)分析飛秒激光激活摻雜原子的效果。本發(fā)明將飛秒激光引入微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）中的半導(dǎo)體金剛石摻雜層的制備技術(shù)中，對(duì)于半導(dǎo)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(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。