一种反应腔系统及其实现AlGaN组分调制的方法

一种反应腔系统及其实现algan组分调制的方法
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种反应腔系统及其实现algan组分调制的方法。


背景技术：

2.金属有机物化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition，简称mocvd)是生长iii族氮化物薄膜最广泛使用的方法之一，具有原子级界面控制能力，外延生长的薄膜质量高，故常用于进行algan基半导体外延薄膜的生长。
3.algan基材料是直接宽带隙半导体，禁带宽度随al组分变化在3.4ev到6.2ev之间连续可调，是制备紫外光电器件的理想材料。algan基光电器件在照明、卫生、光通信等领域都有极为广阔的应用前景。在外延生长algan基器件结构过程中，通过调节al组分，可以实现能带设计，从而对器件的载流子行为进行调制。然而，目前的技术手段组分的调制只有一个维度，即沿着生长方向(垂直于衬底表面)进行调制，无法在平行于衬底表面方向进行调制。这将限制器件性能的进一步提高，并且制约新型algan基器件结构设计。


技术实现要素：

4.本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：
5.一方面，本发明提供了一种反应腔系统，用于实现平面内algan组分调制，其包括：反应腔本体，旋转系统，激光系统以及控制系统。
6.所述旋转系统，设置在所述反应腔本体的底面，输出转速信号，并可带动工件进行旋转；
7.所述激光系统，设置在所述反应腔本体的上部，通过激光控制模组进行控制，其包括：
8.激光器，其设置在所述激光系统的上部；
9.第一扫描器，在所述激光控制模组的控制下可沿水平或垂直方向旋转对所述激光器的激光进行反射；
10.第二扫描器，在所述激光控制模组的控制下可沿水平或垂直方向旋转接收第一扫描器反射的激光后进行再次反射后透射到既定位置；
11.所述控制系统，接收所述转速信息，并通过激光控制模组的控制对所述激光器及第一扫描器和第二扫描器进行控制，使所述工件在特定区域曝光。
12.在一些实施例中，所述激光系统还包括：掩膜板，所述掩膜板设置在激光器的出射区，用于控制激光的形状。
13.在一些实施例中，所述激光系统还包括：第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，
14.所述第一聚焦透镜设置在所述激光器与所述第一扫描器之间；
15.所述第二聚焦透镜设置在所述第二扫描器与工件之间。
16.在一些实施例中，所述第一扫描器由两个平行并相对放置的平面反射镜构成，两
个反射镜可以同时沿水平或垂直方向旋转。
17.在一些实施例中，所述第二扫描器由两个平行并相对放置的平面反射镜构成，两个反射镜可以同时沿水平或垂直方向旋转。
18.在一些实施例中，所述旋转系统包括石墨托盘，所述石墨托盘可高速旋转。
19.在一些实施例中，所述旋转系统的转速在0-1500rpm之间可调。
20.在一些实施例中，所述控制系统通过控制激光器的频闪及第一、二扫描器的角度实现所述工件在特定区域曝光。
21.在一些实施例中，所述控制系统通过激光控制模组对所述激光器的开关和频闪，对所述第一扫描器和第二扫描器的角度进行控制，使所述工件在特定区域曝光。
22.另一方面，本发明还提供了使用了上述反应腔系统，来实现平面内algan组分调制的方法，所述方法包括如下步骤：
23.s1,将工件放入到旋转系统上，控制旋转系统进行旋转；
24.s2,控制系统接收旋转系统的转速信息，待转速信息到达预定区间后，控制所述激光控制模组调整激光器的开关、频闪以及第一、二扫描器的角度；
25.s3，控制系统通过控制第一扫描器和第二扫描器的角度，对工件实现跟踪，并结合激光器的频闪使所述工件在特定区域曝光，最终实现algan组分调制。
26.本发明实施例提供的反应腔系统和通过该反应腔室来实现平面内algan组分调制的方法，控制系统接收所述转速信息，并通过激光控制模组的控制对所述激光器及第一扫描器和第二扫描器进行控制，使所述工件在特定区域曝光，由此可以同时在垂直、平行衬底表面方向实现algan基材料外延片的al组分调制，从而可以三维调控algan组分，进而可以三维调控所制备器件的载流子行为，为algan基器件结构设计提供新的可能。
附图说明
27.图1为本发明一实施方式的反应腔系统的结构示意图；
28.图2为本发明一实施方式的激光系统的结构示意图；
29.图3为本发明一实施方式反应腔系统的工作原理示意图；
30.图4为本发明一个实施例的反应腔系统来实现平面内algan组分调制的方法的流程示意图。
31.本发明实施例涉及的附图标记如下所示：
32.反应腔系统100；反应腔本体10；旋转系统20；激光系统30；
33.激光器301；第一扫描器302；第二扫描器303；掩膜板304；
34.第一聚焦透镜305；第二聚焦透镜306；控制系统40；工件200。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
36.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护
的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，如“上”等指示方位或位置的关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
41.关于algan的外延生长，目前的技术手段进行al组分调制只有一个维度，即沿着生长方向(垂直于衬底表面)进行调制，无法在平行于衬底表面方向进行调制。这将限制器件性能的进一步提高，并且制约新型algan基器件结构设计。
42.因此，为了实现在mocvd外延生长algan过程中，al组分不只沿着垂直衬底方向产生变化，也可以在平行于衬底方向进行al组分设计，本发明申请提出了一种激光调控的mocvd反应腔室。利用本发明实施例提供的反应腔室以及方法，可以同时在垂直、平行衬底表面方向实现algan基材料外延片的al组分调制，从而可以三维调控algan组分，进而可以三维调控所制备器件的载流子行为，为algan基器件结构设计提供新的可能。
43.本发明的主要目的是设计一种激光辐照实现algan外延层al组分调控的mocvd反应腔系统，利用该反应腔系统可以实现mocvd生长algan外延层平行于衬底表面方向al组分调控。本发明利用激光调控algan外延层平面内al组分的基本原理是由于不同温度下al原子和ga原子并入速率不同，因此通过利用图形化激光改变衬底不同微区的温度，可以使外延层有激光图形辐照的部分al组分高，无光辐照的区域al组分低，进而实现平面内al组分按照设计分布。
44.参考图1-图3所示，是本发明实施例提供的一种反应腔系统100。
45.所述反应腔系统100，用于实现平面内algan组分调制，其包括：反应腔本体10，旋转系统20，激光系统30以及控制系统40。
46.所述旋转系统20，设置在所述反应腔本体10的底面，输出转速信号，并可带动工件200进行旋转；
47.所述激光系统30，设置在所述反应腔本体10的上部，通过激光控制模组进行控制，其包括：
48.激光器301，其设置在所述激光系统30的上部；
49.第一扫描器302，在所述激光控制模组的控制下可沿水平或垂直方向旋转对所述激光器301的激光进行反射；
50.第二扫描器303，在所述激光控制模组的控制下可沿水平或垂直方向旋转接收第一扫描器302反射的激光进行再次反射到既定位置；
51.所述控制系统40，接收所述转速信息，并通过激光控制模组控制所述激光器301及第一扫描器302和第二扫描器303，使所述工件200在特定区域曝光。
52.第一扫描器302和第二扫描器303在控制系统40的控制下配合激光的频闪，实现有激光光照时跟踪样品，在无激光照射时复位。激光的频闪频率选择根据激光功率、材料生/降温速度、转盘转速等共同决定，主要考虑单次照射激光需要在样品上停留的时间，并且根据温度控制的需求，可以选择旋转系统20旋转一圈，工件200样品照射一个周期或两个周期。
53.设备运行过程中，待生长正式开始，旋转系统20速度稳定后，旋转系统20的转速信息会通过实时监控系统传输到控制系统40上，同时两组激光器301的闪烁频率和功率，还有两组扫描器的运动也同时由控制系统40控制。
54.在一些实施例中，所述控制系统40通过激光控制模组对所述激光器的开关和频闪，对所述第一扫描器和第二扫描器的角度进行控制，使所述工件在特定区域曝光。
55.在一些实施例中，所述激光器301的激光方向可设置为垂直向下射出，固定一个角度，以简便整个激光系统30的调整控制。
56.可以理解的是，所述激光器301的激光方向也可设置为方向可调，例如可以通过将所述激光器301上安装角度调节方式进行安装，以使所述激光系统30能适应不同的场景需求，例如在需要调整激光方向的场合。所述角度调节装置可以为铰链。
57.可以理解的是，所述工件200可以是algan外延生长衬底。
58.在一些实施例中，所述激光系统30还包括：掩膜板304，所述掩膜板304设置在激光器301的出射区，用于控制激光的形状。
59.在一些实施例中，所述激光系统30还包括：第一聚焦透镜305和第二聚焦透镜306，
60.所述第一聚焦透镜305设置在所述激光器301与所述第一扫描器302之间；
61.所述第二聚焦透镜306设置在所述第二扫描器303与工件200之间。
62.在一些实施例中，所述第一扫描器302由两个平行并相对放置的平面反射镜构成，两个反射镜可以同时沿水平或垂直方向旋转。
63.在一些实施例中，所述第二扫描器303由两个平行并相对放置的平面反射镜构成，两个反射镜可以同时沿水平或垂直方向旋转。
64.本实施例的所述激光系统30的光路运行原理为：在激光系统30运行后，激光自所述激光器301的出射区出射出去，通过掩膜版304控制为特定的激光形状，然后经过第一聚焦透镜305进行聚焦后到达第一扫描器302的其中一个平面反射镜，再经过第一扫描器302的另一个平面反射镜进行反射后到达第二扫描器303的其中一个平面反射镜，再经过第二扫描器303的另一个平面反射镜进行反射后入射至第二聚焦透镜306，再经过第二聚焦透镜306聚焦到工件200上。
65.在激光光路的运行过程中，所述激光器301为垂直入射至所述第一聚焦透镜305。所述第一扫描器302以及第二扫描器303都可沿着水平或垂直方向旋转，以达到入射角度到达既定位置的目的。
66.在一些实施例中，所述第一聚焦透镜305与所述第二聚焦透镜306平行设置，且在垂直方向上，两者同轴心。
67.在一些实施例中，所述第一聚焦透镜305与所述第二聚焦透镜306都为凸透镜，且
两者的参数一致。
68.在一些实施例中，所述旋转系统20包括石墨托盘，所述石墨托盘可高速旋转。旋转系统20具体可包括磁流体、旋转轴和石墨托盘。其通过磁流体实现密封旋转，并由旋转轴作为连接机构，通过轴和摩擦力形成非刚性连接，实现所述石墨托盘的平稳高速旋转。
69.在一些实施例中，所述旋转系统20的转速在0-1500rpm之间可调。
70.在一些实施例中，所述控制系统40通过控制激光器301的频闪对所述激光系统30进行控制。
71.在一些实施例中，所述反应腔系统除了可以是mocvd反应腔系统以外，还可以是磁控溅射反应腔系统，分子束外延反应腔系统等外延生长系统中的一种。
72.另一方面，参考图4所示，本发明还提供了使用了上述反应腔系统，来实现平面内algan组分调制的方法，所述方法包括如下步骤：
73.s1,将工件放入到旋转系统上，控制旋转系统进行旋转；
74.s2,控制系统接收旋转系统的转速信息，待转速信息到达预定区间后，控制所述激光控制模组调整调整激光器的开关、频闪以及第一扫描器、第二扫描器的角度；
75.s3，控制系统通过控制第一扫描器和第二扫描器的角度，对工件实现跟踪，并结合激光器的频闪使所述工件在特定区域曝光，最终实现algan组分调制。
76.本发明实施例提供的反应腔系统和通过该反应腔室来实现平面内algan组分调制的方法，控制系统接收旋转系统转速信息，并通过激光控制模组控制所述激光器及第一扫描器和第二扫描器，实现激光跟踪照射在外延生长过程中的algan材料表面，达到样品表面温度局域调控的目标，利用不同温度下al原子与ga原子并入速率差异，可按照需求改变平面内algan外延层中的al组分。由此可以同时在垂直、平行衬底表面方向实现algan基材料外延片的al组分调制，从而可以三维调控algan组分，进而可以三维调控所制备器件的载流子行为，为algan基器件结构设计提供新的可能。
77.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
78.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。。
79.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
80.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
81.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等
术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
82.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
83.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
84.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
85.以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。