CN108364851A - 一种半导体材料表面氮钝化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法。该方法利用原子层沉积技术对GaSb材料表面进行N钝化处理，在处理过程中通过引入高能量激光，使高能量激光光斑照射在原子层沉积系统腔室内N源出口处，用高能量激光辅助处理N源气体分子，高能的激光光子与NH3或N2这些N源气体分子相互作用，使NH3或N2分子活化为离子状态，提高N源的活性，实现N源能完全饱和GaSb材料表面的悬挂键，N源与GaSb材料表面的Ga原子快速成键并生成氮化物钝化层薄膜，本发明提出的这种方法能够在较低温度下实现，避免了高温沉积钝化层薄膜时会对GaSb材料引入其他形式缺陷的问题，实现在较低温度下对GaSb材料表面高质量的N钝化处理及高质量氮化物钝化层薄膜的制备。

Description

一种半导体材料表面氮钝化方法
技术领域
本发明涉及一种半导体材料钝化方法，属于半导体材料领域，特别涉及一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法。
背景技术
半导体光电子器件具有体积小、质量轻、可集成、高精确度等优点，在通信、医疗及军事等领域中具有重要的应用。2μm-5μm中红外波段是非常重要的大气窗口，工作于该波段的激光器和探测器在军事和民用许多领域都有重要的应用，如民用气体检测、环境监测、化学和生物探测、医学分析、军事激光雷达和光电对抗等方面。III-V族半导体材料为光电子器件的首选材料，在激光制导、光通讯等多个军事、民用领域均有广泛应用。半导体器件的光电特性与其材料的表面性质密切相关，表面大量的悬挂键使得半导体材料存在较高的表面态密度，引起费米能级钉扎，严重制约其光电器件性能的提升。因此，改进钝化技术，降低材料表面态密度以及消除由于费米能级钉扎引发的表面能带弯曲，是改善相关激光器和探测器性能的重要研究内容。
利用钝化技术有效填补未饱和的表面悬挂键，是降低表面态密度的有效手段。1987年Sandroff等人首次报道利用Na2S·9H2O溶液钝化GaAs异质结材料，有效提高其发光强度。此后，针对GaSb、GaAs的表面态问题，以硫化物溶液为代表的湿法钝化技术被广泛研究。但由于S的存在，钝化后样品的禁带中存在反键态，具有捕获电子的受主态特性，在材料禁带中引入了新的缺陷能级，进而导致表面能带弯曲更为严重。另外，S与Ga等表面悬挂键需从外界获取激活能方可实现化学吸附形成稳定的化学键，但化学反应中能够提供的激活能有限，表面悬挂键不能完全被饱和。
由于硫钝化手段的不足，包括缺陷能级的引入和表面悬挂键不完全饱和等问题，发展新的钝化思路和手段将对解决GaSb等III-V族材料表面态问题起到重要作用。对GaSb材料表面进行氮(N)钝化可有效改善材料表面态问题。化学吸附是表面悬挂键得到饱和的基础，提供化学吸附所需要的激活能方可使GaSb表面悬挂键与N形成稳定的化学键。目前，可采用原子层沉积这种技术对GaSb材料进行N钝化，但由于N原子在与GaSb表面悬挂键成键时需要提供更高的激活能，因此，这种方式通常在较高的温度下进行，然后采用退火的手段提高GaSb材料N钝化的质量。尽管退火手段可以将N引入GaSb材料，但仍不能避免其他形式的缺陷能级产生。针对目前这种GaSb材料N钝化所存在的问题，本发明提出一种激光辅助原子层沉积方法对GaSb材料表面进行N钝化的方法，该方法可以对GaSb材料调节系统吉布斯自由能，增加化学吸附能，提高吸附效率，实现N原子与GaSb表面悬挂键全部成键，有效抑制表面态密度，降低由费米能级钉扎引发的表面能带弯曲。本发明所提出的这种N钝化方法可以使GaSb、GaAs等III-V族光电器件性能得到提升，为改进N钝化工艺奠定基础。
发明内容
本发明提出一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法，该方法通过利用高功率激光器产生的高能量激光光束与原子层沉积技术制备半导体薄膜的方法相结合，实现对GaSb材料表面进行N钝化处理，这种方法可以有效提高钝化过程中参与N钝化的N原子的活性，调节钝化反应中系统的吉布斯自由能，增加化学吸附能，提高吸附效率，实现在较低温度下N原子与GaSb表面悬挂键全部成键，解决常规原子层沉积需要在高温下进行及退火处理会引起其他形式缺陷能级产生的问题，本发明提出的这种方法能够在较低温度下实现且不会引入其他形式的缺陷能级，实现用原子层沉积技术制备高质量N钝化层，最终实现对GaSb材料完成高质量N钝化的目的。
本发明提出一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法，该方法在利用原子层沉积技术制备N钝化层薄膜的过程中引入高能量激光束，使高能量激光光斑照射在反应腔室内的N源出口处，在原子层沉积过程中所用N源为NH3或N2，高能量激光光斑与N源相互作用使N源NH3或N2分子活化为离子状态，极大地提高N源的活性，使离化状态的N源与GaSb材料表面的Ga原子快速成键生成氮化物并饱和GaSb材料表面的悬挂键形成氮化物钝化层。本发明提出的这种方法通过用高能量激光辅助处理N源的方式，极大地提高了反应源的活性，使反应能够在较低温度下进行，避免了高温对GaSb材料引入其他形式的缺陷，获得GaSb材料表面高质量的N钝化层薄膜。
本发明提出一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法，在本方法实施前，首先对GaSb材料进行表面清洗处理，去除GaSb材料表面的杂质及有机污染物，然后用稀盐酸对GaSb材料表面进行酸化处理，去除GaSb材料表面的氧化层并在真空环境中烘干，最后用本发明所提出的方法对GaSb材料表面进行N钝化处理。在本发明所提出的GaSb材料表面氮钝化处理方法中所用的高能量紫外脉冲激光光源与N钝化层薄膜的真空生长室是隔绝的，脉冲激光束通过一个光学窗口进入原子层沉积系统的真空生长室中，激光光斑聚焦到N源出口处，使N源气化产生激光焰，被剥蚀的N源离子获得很高的动能，且化学活性也被极大提高，这些被高能量紫外激光脉冲处理后的N源粒子到达生长室中GaSb材料表面并与GaSb材料表面的Ga原子核悬挂键成键，形成所需的氮化物钝化层薄膜。在本发明所提出的这种GaSb材料表面N钝化处理的方法中N源的气体流量、GaSb的衬底温度、激光能量、激光光斑的形状与尺寸、激光焰与衬底的距离这些参数都可以调节，通过调节这些参数获得最佳的N钝化工艺参数。
本发明提出一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法，在本发明提出的所述对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法中，所述激光辅助原子层沉积N钝化层薄膜可分为三个阶段：第一个阶段，激光脉冲首先在N源出口处对进入生长室的气态N源相互作用，气态N源吸收大部分脉冲激光的能量而获得很高的温度和压力，然后形成等离子体态的N源，脉冲激光这时与气态N源作用形成激光焰；第二阶段，激光焰开始传播并与工作气体相互作用而形成复杂的动力学过程，与此同时产生的等离子体态的N源在生长室中压力梯度驱动下到达生长室中样品架上需要N钝化的GaSb材料表面；第三阶段，等离子体态的N源与GaSb材料作用饱和表面悬挂键反应生成N钝化层薄膜，该氮化物钝化薄膜以二维生长的模式生成。在沉积薄膜开始前生长室真空环境要优于1.0×10-3Torr，采用本发明提出的这种GaSb材料表面氮钝化处理的方法完成对GaSb材料表面的N钝化处理，这种处理方法能够在较低温度下实现且不会引入其他的缺陷，实现对GaSb材料高质量的N钝化处理。
附图说明
图1为本发明所提出的GaSb材料表面氮钝化处理方法装置示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明所提出的对GaSb材料表面进行氮钝化处理方法这一技术方案做进一步的详细描述。
本发明提出一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法，该方法通过利用高功率激光器产生的高能量激光光束与原子层沉积技术制备半导体薄膜的方法相结合实现对GaSb材料表面进行N钝化处理，这种方法可以有效提高钝化过程中参与N钝化的N原子的活性，调节钝化反应中系统的吉布斯自由能，增加化学吸附能，提高吸附效率，实现在较低温度下N原子与GaSb表面悬挂键全部成键并生成氮化物，解决常规原子层沉积需要在高温下进行及退火处理会引起其他形式缺陷能级产生的问题，本发明提出的这种方法能够在较低温度下实现且不会引入其他形式的缺陷能级，实现用原子层沉积技术制备高质量N钝化层，最终实现对GaSb材料完成高质量N钝化处理。下面以NH3为沉积时所用的N源，高功率325nm激光器提供高能量紫外激光光源，GaSb衬底为要进行钝化的GaSb材料为例，对本发明所提出的这种GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法进行详细的说明和描述。
图1所示为本发明所提出的GaSb材料表面氮钝化处理方法装置示意图。本发明所提出的这种GaSb材料表面氮钝化处理方法用图示原子层沉积装置进行处理，图示这种原子层沉积装置具体包括沉积薄膜所用的源材料及载气(1)，输运源材料的气体管路(2)，原子层沉积装置中用于固定样品的样品架(3)，原子层沉积装置上用于与真空泵相连接的法兰开口(4)，原子层沉积装置上用于高能量激光光束通过的光学窗口(5)，发射高能量激光光束的高功率紫外激光器(6)，在生长室中生长源输运管路出口处被高能量激光光束照射处理处于离化状态的高活性生长源气体(7)，源材料及载气(1)被高功率紫外激光器(6)产生的高能量激光光束照射后被处理为处于离化状态的高活性生长源气体(7)，生长源气体(7)与在样品架(3)上固定的GaSb材料表面进行反应，饱和GaSb材料表面的悬挂键并生成氮化物薄膜，完成对GaSb材料表面的N钝化处理。
实现本实施例中一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法，在GaSb材料表面饱和悬挂键并生成氮化物钝化层薄膜的具体实施步骤如下：
步骤一：对GaSb材料(GaSb衬底)进行表面清洗，首先使用丙酮溶液(C3H6O)，进行5min的超声清洗处理；清洗结束后，用去离子水将GaSb材料反复多次冲洗干净，并将GaSb材料移置到新的干净的烧杯中；接下来利用相同的方式，进行乙醇和异丙醇各5min的超声清洗处理；最后用氮气将GaSb材料吹干。
步骤二：将清洗干净的GaSb材料用稀盐酸进行表面氧化层去除的清洗处理，将GaSb材料在盛放稀盐酸的干净烧杯中浸泡10s～60s，然后取出用去离子水反复多次冲洗，最后用氮气将GaSb材料吹干。
步骤三：将清洗干净并去除表面氧化层的GaSb材料放进原子层沉积系统中，并将沉积系统中真空环境抽至优于1.0×10-4Torr。
步骤四：在计算机控制沉积系统的软件中设置管路温度为150℃，生长室上壁温度为100℃，样品架温度为100℃，捕获器的温度为100℃。
步骤五：本方法中所用载气为Ar气，N源为NH3气，在计算机控制沉积系统的软件中设置Ar气流量为15sccm，NH3气流量为10sccm。
步骤六：打开高功率紫外激光器，使激光器光束的光斑在生长室气体源管路出口处，并调节激光器电源使与气体源材料作用的高能量激光光斑到达一个合适的功率。
步骤七：等待激光器功率稳定，生长室内真空环境稳定，调用沉积实验所用程序设置反应所需时间，然后开始GaSb材料表面氮钝化处理实验。
步骤八：GaSb材料表面N钝化处理完成后，依次将NH3气瓶、Ar气气瓶关闭，高功率紫外激光器电源关闭，然后关闭沉积系统的各个真空泵，当分子泵转速为0时对系统进行充气，等待生长室舱门打开，最后取出用本发明所述方法处理的GaSb材料。
步骤九：GaSb材料的表面氮钝化处理完成对后，将ALD系统生长室抽到适当的真空环境，然后关闭计算机相应软件，关闭设备电源，把Ar气气瓶和NH3气气瓶关闭，最后进行相应检查，避免有所疏漏。
通过以上步骤实现本申请所要求保护的一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法，该方法在利用原子层沉积技术制备N钝化层薄膜的过程中引入高能量激光束，使高能量激光光斑照射在反应腔室内的N源出口处，在原子层沉积过程中所用N源为NH3或N2，高能量激光光斑与N源相互作用使N源的NH3或N2分子活化为离子状态，极大地提高N源的活性，使离化状态的N源能与GaSb材料表面的Ga原子快速成键生成氮化物并饱和GaSb材料表面的悬挂键形成氮化物钝化层。本发明提出的这种方法通过用高能量激光辅助处理N源的方式，极大地提高了反应源的活性，使反应能够在较低温度下进行，避免了高温对GaSb材料引入其他形式的缺陷，实现对GaSb材料高质量的N钝化处理。

Claims (6)

1.一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法，其特征在于，该方法利用原子层沉积技术在GaSb材料表面制备N钝化层薄膜的过程中引入高能量激光束，使高能量激光光斑照射在反应腔室内N源出口处，在原子层沉积过程中所用N源为NH3或N2，高能量激光光斑与N源相互作用使N源NH3或N2分子活化为离子状态，极大地提高N源的活性，使离化状态的N源能与GaSb材料表面的Ga原子快速成键，饱和GaSb材料表面的悬挂键并生成氮化物钝化层薄膜，所述高能量激光波段为紫外波段，用于与N源相互作用破坏NH3或N2分子的化学键，使N源活化为离化状态，提高钝化过程中参与N钝化的N原子的活性，调节钝化反应中系统的吉布斯自由能，增加化学吸附能，提高吸附效率，实现在较低温度下N原子与GaSb材料表面的悬挂键全部成键，解决常规原子层沉积需要在高温下进行及退火处理会引起其他形式缺陷能级产生的问题，所述本发明提出的这种激光辅助原子层沉积N钝化层薄膜分为三个阶段：第一个阶段，激光脉冲首先在生长源出口处对进入生长室的气态生长源相互作用，气态生长源吸收大部分激光脉冲的能量而获得很高的温度和压力，然后形成等离子体态的N源，激光脉冲这时与气态N源作用形成激光焰；第二阶段，激光焰开始传播并与工作气体相互作用而形成复杂的动力学过程，与此同时产生的等离子体态的N源在生长室中压力梯度驱动下到达生长室中样品架上需要N钝化处理的GaSb材料表面；第三阶段，等离子体态的生长源与GaSb材料相互作用，饱和GaSb材料表面的悬挂键并生成N钝化层薄膜，该氮化物钝化薄膜以二维生长的模式生成，在沉积薄膜开始前生长室真空优于1.0×10-3Torr，采用本发明提出的这种GaSb材料表面氮钝化处理的方法完成对GaSb材料表面的N钝化处理，这种处理方法能够在较低温度下实现且不会引入其他的缺陷，实现对GaSb材料高质量的N钝化处理。
2.如权利要求1所述的一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法，其特征在于，该方法通过利用高能量激光对沉积氮钝化薄膜所需氮源进行辅助处理，使高能量激光与N源材料相互作用，实现将N源处理为离化状态，提高N源的活性，调节钝化反应中系统的吉布斯自由能，增加化学吸附能，提高吸附效率，实现在较低温度下N原子与GaSb材料表面悬挂键全部成键，解决常规原子层沉积需要在高温下进行及退火处理会引起其他形式缺陷能级产生的问题。
3.如权利要求1所述的一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法，其特征在于，所述该方法中利用的高能量激光光源波段为紫外激光，利用高能的紫外激光光子撞击N源气体分子，使N源分子的化学键破裂，同时N源分子吸收高能紫外光子的能量提高在N钝化薄膜沉积过程中离化状态的N源的活性。
4.如权利要求1所述的一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法，其特征在于，所述该方法在利用高能量激光处理N源沉积N钝化层薄膜的过程中主要包括3个阶段，第一个阶段，激光脉冲首先在生长源出口处对进入生长室的气态N源相互作用，气态N源吸收大部分激光脉冲的能量而获得很高的温度和压力，然后形成等离子体态的N源，激光脉冲这时与气态N源作用形成激光焰；第二阶段，激光焰开始传播并与工作气体相互作用形成复杂的动力学过程，与此同时产生的等离子体态的N源在生长室中压力梯度驱动下到达生长室中样品架上需要进行N钝化处理的GaSb材料表面；第三阶段，等离子体态的N源与GaSb材料作用饱和表面悬挂键反应生成N钝化层薄膜，该氮化物钝化薄膜以二维生长的模式生成。
5.如权利要求1所述的一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法，其特征在于，该方法中N源被所述高能量激光处理后提高了活性使N钝化层薄膜能够在较低温度下进行，处理后的N源饱和了GaSb材料表面的悬挂键，与GaSb材料表面的Ga原子成键并生成氮化物钝化层薄膜，有效保护了钝化层内部GaSb材料不被氧化，降低GaSb材料表面的缺陷，提高GaSb材料的发光性能。
6.如权利要求1所述的一种对GaSb材料表面进行氮钝化处理的方法，其特征在于，所述方法在最后阶段沉积N钝化层薄膜开始前，原子层沉积系统中的真空环境要优于1.0×10- 3Torr，确保没有杂质气体分子存在，达到在GaSb材料表面实现高纯氮化物钝化层薄膜制备的目的，实现对GaSb材料高质量的N钝化处理。
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