一种分子束外延的超快激光辅助系统及分子束外延方法

摘要

本发明提供了一种分子束外延的超快激光辅助系统，所述系统包括：超快激光器，以及光路系统，其中，所述光路系统包括第一反射镜、飞秒/皮秒反射镜、第二反射镜，所述超快激光器发出的光，依次经所述第一反射镜、所述飞秒/皮秒反射镜和所述第二反射镜反射，至少形成一路超快激光汇聚至硅基衬底，对硅基衬底加热调控。本发明将飞秒/皮秒超快激光系统与分子束外延系统结合，通过超快激光光路与分子束外延系统的集成，达到对外延过程中界面位错和反向畴的产生、运动与湮灭的调控，为实现高性能硅基异质集成三五半导体材料与器件提供全新的技术手段。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电技术领域，特别是涉及一种分子束外延的超快激光辅助系统及分子束外延方法。

背景技术

硅基光电子集成技术广阔的应用前景对单片异质集成有源半导体材料与器件产生迫切需求，长期以来因III-V族与IV族半导体之间物理属性差异导致的硅基异质外延技术遇到瓶颈，硅基多功能光电集成的发展受到限制，迫切需要新的思路和方法为硅基异质外延工艺提供更多的调节自由度，充分发挥不同种类半导体材料在芯片尺度实现功能集成的优势。

硅上异质外延高质量三五族半导体材料及器件是决定硅基光电子集成技术能否在片上光通信、光子计算和集成光学传感等领域广泛应用的关键技术，具有迫切需求和重要研究意义。目前通过缓冲层设计、图形衬底选区外延等在提升外延材料质量方面取得一些进展，但距离实用仍有较大差距，主要原因是缺乏对外延过程中硅/三五族界面驰豫过程和失配位错的有效调控。

尽管硅基异质外延III-V材料面临严峻的技术挑战，由于其巨大的潜在优势，近年来该领域得到更深入的研究并取得重要进展，但通过设计各种外延缓冲层、热退火的方式抑制位错以提升Si基外延III-V材料晶体质量的方法愈加困难。

近年来国际上主要在图形衬底选区外延方面取得较大进展，其核心思想是通过限定外延区域，将缺陷限制在底层，器件功能区制作在无缺陷的区域，但图形衬底上选区外延仍面临的主要难题是：

(1)利用微纳加工技术制备图形化衬底，使得整个外延工艺流程和外延参数控制更加复杂，材料表征难度大，一致性与均匀性降低，效率低，成本较高；

(2)图形化加工过程会对衬底造成污染和破坏，样品在生长设备和微纳加工平台之间转移会进一步地氧化和污染材料；

(3)外延材料结构难以与微电子器件或光电子器件设计需求匹配，适用范围受到限制。

鉴于硅基III-V材料的晶体质量本质上取决于Si/III-V界面初始外延缺陷的控制，如何在材料外延生长过程中调控失配缺陷的生成、外延生长的演化过程是核心和关键。

发明内容

为了解决现有技术中硅基衬底材料外延生长过程中调控失配缺陷的生成、外延生长的演化过程的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种分子束外延的超快激光辅助系统，所述系统包括：

超快激光器，以及光路系统，其中，

所述光路系统包括第一反射镜、飞秒/皮秒反射镜、第二反射镜，

所述超快激光器发出的光，依次经所述第一反射镜、所述飞秒/皮秒反射镜和所述第二反射镜反射，至少形成一路超快激光汇聚至硅基衬底，对硅基衬底加热调控。

在一个优选的实施例中，所述超快激光器发出的光，依次经所述第一反射镜、所述飞秒/皮秒反射镜和所述第二反射镜反射至第一分光镜；

所述第一分光镜将光分为第一光路和第二光路，所述第一光路经第三反射镜反射至第二分光镜，所述第二分光镜将所述第一光路分为第三光路和第四光路；

所述第三光路经第四反射镜反射后汇聚至硅基衬底。

在一个优选的实施例中，所述第四光路经第五反射镜反射后汇聚至硅基衬底。

在一个优选的实施例中，所述第二光路经第六反射镜反射至第三分光镜，所述第三分光镜将所述第二光路分为第五光路和第六光路；

所述第五光路经第七反射镜反射后汇聚至硅基衬底。

在一个优选的实施例中，所述第六光路经第八反射镜反射后汇聚至硅基衬底。

本发明的另一个目的在于提供一种超快激光辅助的分子束外延方法，所述方法包括如下方法步骤：

在Si衬底上外延生长一层Si或Si/Ge缓冲层，形成硅基衬底；

通过超快激光辅助的分子束外延系统，对所述硅基衬底加热调控。

在一个优选的实施例中，对所述硅基衬底加热调控包括：通过分子束外延设备调节衬底温度、束流比、生长速度、超快激光开启时间。

在一个优选的实施例中，对所述硅基衬底加热调控还包括：对超快激光器的功率、波长、脉宽、脉冲数参数的调控。

本发明提供的一种分子束外延的超快激光辅助系统及分子束外延方法，通过改造现有半导体分子束外延系统设备，实现特殊的半导体材料生长领域，实现可控的低维结构材料生长或者大失配情况下的半导体薄膜材料异质外延生长。

本发明提供的一种分子束外延的超快激光辅助系统及分子束外延方法，将飞秒/皮秒超快激光系统与分子束外延系统结合，通过超快激光辅助的硅基三五族半导体异质外延过程界面性能调控，通过超快激光光路与分子束外延系统的集成，超快激光效应对异质外延中的原子吸附、迁移、扩散、应力驰豫的进行干预和调节，调节的参数包括超快激光的功率、波长、脉宽、脉冲数等，达到对外延过程中界面位错和反向畴的产生、运动与湮灭的调控，为实现高性能硅基异质集成三五半导体材料与器件提供全新的技术手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出了本发明一个实施例中一种分子束外延的超快激光辅助系统的结构示意图。

图2示出了本发明一个实施例中一种超快激光辅助的分子束外延方法的流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。

为了解决现有技术中硅基衬底材料外延生长过程中调控失配缺陷的生成、外延生长的演化过程的技术问题，提出一种分子束外延的超快激光辅助系统，如图1所示本发明一个实施例中一种分子束外延的超快激光辅助系统的结构示意图，根据本发明的实施例，一种分子束外延的超快激光辅助系统包括：超快激光器100(飞秒激光器或者皮秒激光器)，以及光路系统。

光路系统包括第一反射镜202、飞秒/皮秒反射镜203、第二反射镜204，超快激光器100发出的光经光路系统的窗口201后，依次经第一反射镜202、飞秒/皮秒反射镜203和第二反射镜204反射至少形成一路超快激光汇聚至硅基衬底200，对硅基衬底200加热调控。

根据本发明的实施例，超快激光器100发出的光经光路系统的窗口201后，依次经第一反射镜202、飞秒/皮秒反射镜203和第二反射镜204反射至第一分光镜205。

第一分光镜205将光分为第一光路和第二光路，第一光路经第三反射镜206反射至第二分光镜207，第二分光镜207将第一光路分为第三光路和第四光路。第三光路经第四反射镜209反射后汇聚至硅基衬底200。第四光路经第五反射镜208反射后汇聚至硅基衬底200。

第二光路经第六反射镜210反射至第三分光镜211，第三分光镜211将第二光路分为第五光路和第六光路。第五光路经第七反射镜212反射后汇聚至硅基衬底200。第六光路经第八反射镜213反射后汇聚至硅基衬底。

根据本发明的实施例，分子束外延设备腔室底部设置四个预留窗口，分别用于第三光路经第四反射镜209反射后的光、第四光路经第五反射镜208反射后的光、第五光路经第七反射镜212反射后的光、第六光路经第八反射镜213反射后的光，经分子束外延设备的四个预留窗口，进入分子束外延设备腔室，汇聚至硅基衬底200。

在一些优选的实施例中，分子束外延设备腔室底部设置三个预留窗口。在另一些实施例中并不限于三个预留窗口，根据光束控制的需要设置预留窗口的数量。

在一些优选的实施例中，光路系统出射的光既可以通过分子束外延设备腔室的预留窗口垂直入射到硅基衬底200，也可以通过两个或者多个不同的角入射到硅基衬底200。

在一些优选的实施例中，光路系统出射的光通过两个或者多个不同的角入射到硅基衬底200，衬底上实现飞秒/皮秒激光光束干涉，通过干涉强度的分布便于研究强度调制的可控原位周期纳米结构的异质外延。

在一些优选的实施例中，光路系统中还可以加入飞秒专用偏振控制器和可调滤光片，实现偏振和波长的调节。

如图2所示本发明一个实施例中一种超快激光辅助的分子束外延方法的流程框图，根据本发明的实施例，提供一种超快激光辅助的分子束外延方法，所述方法包括如下方法步骤：

步骤S1、对Si常规衬底或者图形衬底清洗、处理准备。

步骤S2、在分子束外延设备(MBE)预处理室进行Si表面脱氧处理。

步骤S3、在Si衬底上外延生长一层Si或Si/Ge缓冲层，形成洁净平整的硅基衬底表面。

步骤S4、在分子束外延设备(MBE)中进行Ⅲ-Ⅴ半导体材料缓冲层外延生长，其中，通过本发明提供的超快激光辅助的分子束外延系统系统，对硅基衬底加热调控。

步骤S5、外延材料质量测试表征。

通过晶体质量、缺陷、表面形貌测试、荧光测试的方式对外延材料质量测试表征。

测试表征的思路是生长过程表征与外延结束后的表征相结合，不同类型的测试手段相互印证。外延过程中通过反射式高能电子衍射(Reflection High-Energy ElectronDiffraction,简称RHEED)测试原子重构结构、外延速度、外延生长模式，以及通过近似原位的电子扫描隧道显微镜(STM)/X射线光电子能谱(XPS)测试表面形貌、原子价态、成核形貌。

对于外延结束后的材料，通过高分辨X射线衍射(HRXRD)测试晶体质量、薄膜结构和应力，通过AFM原子力显微测试表面粗糙度，以及利用高分辨高分辨透射电镜(HRTEM)对原子级别的晶体结构、原子排布、位错形态、元素分布进行测试，并通过变温光致发光谱、空间分辨光谱、载流子复合寿命测试材料光学性能、缺陷态等特性。

步骤S6、超快激光辅助外延表面分析。

根据步骤S5中的外延材料质量测试表征进行测试分析和理论分析，调节MBE工艺参数和超快激光参数。

步骤S7、MBE工艺参数工艺调节。

步骤S8、超快激光参数调节。

将步骤S7和步骤S8调节的参数反馈至步骤S4，进行Ⅲ-Ⅴ半导体材料缓冲层外延生长。其中，对分子束外延设备(MBE)调节衬底温度、束流比、生长速度、超快激光开启时间。对超快激光器的功率、波长、脉宽、脉冲数参数调节。

本发明提供的一种分子束外延的超快激光辅助系统及分子束外延方法，在分子束外延设备(MBE)底部预留窗口，通过加装定制观察窗，一方面保证很高的透射率，另一方面可对预留窗口加热，并加装金属阀门，以尽量避免As等元素等在预留窗口的沉积，并根据需要自动开启或关闭阀门。

本发明提供的一种分子束外延的超快激光辅助系统及分子束外延方法，通过超快激光材料外延生长动力学过程的时间尺寸匹配，便于对外延的微观过程进行精细的调控。

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。