[发明专利]基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法和装置。

背景技术

半导体金刚石所具有的独特的物理性质使它在高温大功率电力电子器件、 微波功率器件、深紫外光和高能粒子探测器、深紫外发光器件、单光子光源、生物和化学传感器、微机电（MEMS）和纳机电（NEMS）器件、自旋电子学等众多领域有着极大的应用潜力。近些年来，半导体金刚石材料和器件的制备技术发展引起越来越多研究和技术人员的重视。实现有效的n型和p型电学掺杂是半导体器件的基础。然而目前半导体金刚石材料的掺杂技术仍然未得到突破性的进展，这也是金刚石器件走向实用的巨大障碍。一个最主要的原因是掺杂层中的掺杂原子在禁带中能级较深，不易电离，从而未能有效的激活，因此有效的载流子浓度极低。为了提高半导体金刚石掺杂层的载流子浓度，尽快实现器件级的应用，人们不断的尝试各种掺杂原子，以及不同的掺杂工艺和后处理技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法和装置，旨在用于解决现有的半导体金刚石掺杂层中的掺杂原子未能有效地激活引起的电学性能过低的问题，实现半导体金刚石材料器件级的应用。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法，包括以下步骤：

S1、在半导体金刚石外延生长初期，通过MPCVD制备半导体金刚石外延薄膜；

S2、通过MPCVD制备半导体金刚石掺杂层；

S3、根据掺杂层的掺杂原子种类及其与氢原子形成的饱和化学键的键能，选择相应波长的飞秒激光，于反应腔中通过所述飞秒激光打断掺杂层中掺杂原子与氢原子形成的饱和化学键。

进一步地，还包括以下步骤：

S4、在所述飞秒激光打断掺杂原子与氢原子形成的饱和化学键的过程中，通过二次离子质谱检测装置检测反应腔中的氢离子浓度，实时监测除氢效果，进而判断后处理工艺是否达到目标。

进一步地，所述步骤S3中，所选择的飞秒激光的波长与所需打断的饱和化学键的共振吸收峰值相对应。

进一步地，若半导体金刚石掺杂层为掺杂磷原子的n型掺杂层，则选择的飞秒激光的波长为371±20nm。

本发明还提供一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理装置，包括用于半导体金刚石外延生长的反应腔以及若干飞秒激光源，所述反应腔内设有裁片托盘，所述载片托盘上放置有半导体金刚石外延衬底，所述反应腔上设置有光通道窗口，所述飞秒激光源通过所述光通道窗口照射在所述半导体金刚石外延衬底上。

进一步地，所述光通道窗口上方具有一波导管，所述波导管上设置有滑槽，所述飞秒激光源安装于所述滑槽上。

进一步地，还包括用于检测所述反应腔中的氢离子浓度的二次离子质谱检测装置。

进一步地，所述二次离子质谱检测装置安装于所述反应腔的尾气管道上。

进一步地，还包括计算机自控系统，用于控制在不同的生长阶段引入不同波长的飞秒激光源照射在半导体金刚石生长表面。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法和装置，在半导体金刚石外延生长和掺杂工艺结束之后，通过特定波长的飞秒激光作用在半导体金刚石薄膜中，通过飞秒激光与半导体金刚石中掺杂原子与氢原子形成的饱和化学键进行作用，打断掺杂原子与氢原子之间的饱和化学键，激活掺杂原子，从而提高掺杂层中有效载流子浓度。此外，飞秒激光作用期间，通过二次离子质谱检测装置对逸出的氢离子浓度进行检测，可实时分析飞秒激光激活掺杂原子的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理装置的结构示意图。

附图标记说明：101-微波源、102-飞秒激光源、103-滑槽、104-光通道窗口、105-反应腔、106-外延衬底、107-载片托盘、108-尾气管道、109-二次离子质谱检测装置、110-支撑架、111-进气口、112-波导管。

具体实施方式