一种脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备及其应用。本发明专利技术通过在MBE蒸发源的中间区域增加可以公转和自转的靶材托盘，放置PLD镀膜所需的靶材；增加一台高性能的固体激光器，同时在MBE生长室腔体的恰当位置增加一个石英窗口，引入波长为150-355nm的高能激光蒸镀靶材。它是PLD和MBE的结合体，同时具有PLD和MBE的功能和优点；它既可以当做PLD或者MBE单独使用，也可以实现PLD和MBE的联用；可用于薄膜的外延生长和薄膜器件的制造，特别是量子阱结构太阳能电池、LED、LD。与现有技术相比，本发明专利技术具有生长工艺简单，制备成本低廉，应用范围广的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备及其应用
本专利技术涉及一种脉冲激光沉积(PLD)与分子束外延(MBE)联用镀膜设备及其应用，具体用于制造薄膜外延及薄膜器件，特别是太阳能电池、发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光电探测器。
技术介绍
随着人口的急剧膨胀以及科技的发展进步，人类对能源的需求不断增加。然而石油、煤炭等许多能源都是不可再生资源，能源匮乏已经成为人类发展进步的巨大障碍。如何更加有效地利用现有能源、实现可持续发展，这是一个全人类共同面临的重大问题。特别是当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，全球还面临着节约能源、减少温室气体排放的重要问题。因此，以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在可持续发展大主题下，以太阳能电池、LED、LD等为代表的光电薄膜器件具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，非常符合时代发展的需要，它们必然是未来发展的趋势。目前，太阳能电池、LED、LD等光电薄膜器件主要以性能优异的III族氮化物为代表，采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)以及分子束外延(MBE)设备进行制造。M0CVD、MBE用于外延生长II1-族氮化物薄膜温度比较高，高温外延生长会引入较大热应力，从而在外延层中产生包括相分离，掺杂困难，严重的界面反应，造成衬底表面的性能恶化等不良的影响，最终降低了薄膜的晶体质量。而这将会降低薄膜器件的品质，不利用器件的应用和推广。脉冲激光沉积技术(PLD)克服了 M0CVD、MBE的不足和存在的问题。它的主要优点有以下几个方面:(1)激光能量密度高，可以蒸镀各种难以熔化的靶材，实现薄膜的低温外延生长；(2)工艺参数调节方便，且沉积速率高，实验周期短；(3)发展潜力大，具有良好的兼容性；(4)薄膜成分稳定，易于获得期望的化学计量比；(5)可以同时放置多个靶材(4-6个)，有利于制备成分复杂的多层薄膜；(6)清洁处理十分方便，可以制备不同类型的薄膜。PLD的诸多优点使得它在高质量氮化物外延生长方面具有其它技术无法替代的优势。然而，任何事物都存在两面性。PLD的主要缺点就是沉积速率高，难以制备高品质的量子阱。事实上，量子阱结构器件已经成为未来薄膜器件的主要发展趋势之一。PLD的这一缺点，严重限制了它的推广和应用范围。而MBE的沉积速率较为缓慢，它非常适合用来制备尺寸细小的量子阱。一方面，从扬长避短和取长补短的角度考虑，PLD和MBE的联用是制备高品质量子阱结构薄膜器件的最佳方案。两一方面，从设备结构上来看，MBE和PLD是非常相似的，这为PLD和MBE的联用奠定了基础。由此可见，要实现高效的量子阱结构太阳能电池、LED、LD制备及大规模应用，最有效的办法就是将现有PLD和MBE的各种优势结合起来，因此，迫切需要研发出一种脉冲激光沉积(PLD)与分子束外延(MBE)联用镀膜设备。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的之一在于提供一种脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备。该设备可在薄膜外延方面发挥关键作用，特别是在活泼衬底(金属衬底，如々1、(:11、附，镓酸锂、铝酸锂等等)外延高质量GaN方面具有其它技术无法比拟的优势:首先采用PLD低温外延GaN缓冲层，抑制界面反应以及衬底的高温相变或者变形、离子扩散，然后在同一生长室腔体内使用MBE在GaN缓冲层的基础上继续外延高质量的GaN薄膜。作为一种新型的镀膜设备，具有生长工艺简单，制备成本低廉，应用范围广的优点，可在量子阱结构太阳能电池、LED、LD、光电探测器制造领域发挥重要作用。本专利技术的另外的目的在于提供上述镀膜设备的应用，采用此镀膜设备制备出来的薄膜晶体质量高，可大幅度提高器件如半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的效率。实现本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到:一种脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备，其包括生长室腔体；其特征在于:在生长室腔体下方的中心位置设有一个基座，在基座上设有1-6个均匀布置的用于放置靶材的转盘，所述基座及转盘分别由驱动机构带动旋转，使得靶材即能随基座公转又能随转盘自转；在生长室腔体的下侧壁上还设有若干个均匀分布的MBE蒸发源；在生长室腔体的下侧壁或底壁上还设有分别与机械泵和分子泵连接的阀门，以便机械泵和分子泵对生长室抽真空；在生长室腔体的中下方的位置设有辅助气体管道及RF附件，用于在镀膜过程中及时补充O或N的等离子体；在生长室腔体的中上方的位置设有反射高能电子衍射仪(RHEED) ；RHEED由高能电子枪和荧光屏两部分组成，用于实时监控薄膜的生长；在生长室腔体的上侧壁或顶壁上设有一个石英窗口，在生长室腔体旁边对应石英窗口的位置设有高能固体激光器，由高能固体激光器提供150-355nm的高能激光透过石英窗口照射入生长室腔体的内部；在生长室腔体上方的中央位置安装有激光测距仪、步进电机以及安装于步进电机的输出轴上的用于固定衬底的衬底架，在衬底架上还设有红外线加热器；激光测距仪的信号输出端与步进电机的信号输入端连接，由激光测距仪检测靶材和衬底之间的距离，步进电机的控制器依据激光测距仪测得的距离，驱动步进电机带动衬底架移动，从而调节靶材和衬底之间的距离。优选地，所述MBE蒸发源的数量为五个。优选地，所述生长室腔体为耐高压合金钢。采用脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备在活泼衬底上外延GaN等氮化物薄膜或ZnO等氧化物以及其它固体薄膜。活泼衬底包括金属衬底(Al、Cu、Ni等)、镓酸锂(LiGaO2)、铝酸锂(LiAlO2)等。采用脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备在蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、金属衬底、玻璃衬底、钽酸锂衬底、镓酸锂衬底或铝酸锂衬底上外延高质量的GaN基LED外延片、太阳能电池外延片、LD外延片或光电探测器外延片。采用脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备制备非极性GaN基LED外延片的方法，其特征在于，按以下步骤进行:I)衬底以及其晶向的选取:采用LiGaO2衬底，以(100)面偏(110)方向0.2°为外延面，晶体外延取向关系为=GaN的(1-100)面平行于LiGaO2的(100)面。2)对衬底表面进行抛光处理、清洗处理以及退火处理；3)在脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备中依次完成如下处理过程:3-1)采用PLD工艺低温外延非极性GaN缓冲层，工艺条件为:衬底温度为200-300°C，采用脉冲激光轰击纯度为99.99999%的金属Ga靶来生长非极性GaN缓冲层，生长时通入N的等离子体，反应室压力为5-7 X 10_5torr，射频功率为250-350W，激光能量为150-280mJ，激光频率为 10_30Hz ；3-2)采用MBE工艺生长非极性GaN层，工艺条件为:衬底温度为400-500°C，通入Ga蒸发源与N的等离子体，反应室压力为5-7X 10_5torr、产生等离子体氮的射频功率为200-300W ；3-3)采用MBE工艺生长非极性非掺杂U-GaN层，工艺条件为:衬底温度为500-600°C,通入Ga蒸发源与N的等离子体,反应室压力为5_7X l(T5torr、产生等离子体氮的射频功率为200-300W ；3-4)采用PLD工艺生长非极性η型掺杂GaN薄膜，工艺条件为:衬底温度为5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备，其包括生长室腔体；其特征在于：在生长室腔体下方的中心位置设有一个基座，在基座上设有1‑6个均匀布置的用于放置靶材的转盘，所述基座及转盘分别由驱动机构带动旋转，使得靶材即能随基座公转又能随转盘自转；在生长室腔体的下侧壁上还设有若干个均匀分布的MBE蒸发源；在生长室腔体的下侧壁或底壁上还设有分别与机械泵和分子泵连接的阀门，以便机械泵和分子泵对生长室抽真空；在生长室腔体的中下方的位置设有辅助气体管道及RF附件，用于在镀膜过程中及时补充O或N的等离子体；在生长室腔体的中上方的位置设有反射高能电子衍射仪，用于实时监控薄膜的生长；在生长室腔体的上侧壁或顶壁上设有一个石英窗口，在生长室腔体旁边对应石英窗口的位置设有高能固体激光器，由高能固体激光器提供150‑355nm的高能激光透过石英窗口照射入生长室腔体的内部；在生长室腔体上方的中央位置安装有激光测距仪、步进电机以及安装于步进电机的输出轴上的用于固定衬底的衬底架，在衬底架上还设有红外线加热器；激光测距仪的信号输出端与步进电机的信号输入端连接，由激光测距仪检测靶材和衬底之间的距离，步进电机的控制器依据激光测距仪测得的距离，驱动步进电机带动衬底架移动，从而调节靶材和衬底之间的距离。...

【技术特征摘要】
1.一种脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备，其包括生长室腔体；其特征在于: 在生长室腔体下方的中心位置设有一个基座，在基座上设有1-6个均匀布置的用于放置靶材的转盘，所述基座及转盘分别由驱动机构带动旋转，使得靶材即能随基座公转又能随转盘自转； 在生长室腔体的下侧壁上还设有若干个均匀分布的MBE蒸发源； 在生长室腔体的下侧壁或底壁上还设有分别与机械泵和分子泵连接的阀门，以便机械泵和分子泵对生长室抽真空； 在生长室腔体的中下方的位置设有辅助气体管道及RF附件，用于在镀膜过程中及时补充O或N的等离子体； 在生长室腔体的中上方的位置设有反射高能电子衍射仪，用于实时监控薄膜的生长；在生长室腔体的上侧壁或顶壁上设有一个石英窗口，在生长室腔体旁边对应石英窗口的位置设有高能固体激光器，由高能固体激光器提供150-355nm的高能激光透过石英窗口照射入生长室腔体的内部； 在生长室腔体上方的中央位置安装有激光测距仪、步进电机以及安装于步进电机的输出轴上的用于固定衬底的衬底架，在衬底架上还设有红外线加热器；激光测距仪的信号输出端与步进电机的信号输入端连接，由激光测距仪检测靶材和衬底之间的距离，步进电机的控制器依据激光测距仪测得的距离，驱动步进电机带动衬底架移动，从而调节靶材和衬底之间的距离。2.根据权利要求1所述的脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备，其特征在于:所述MBE蒸发源的数量为五个。3.根据权利要求1所述的脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备，其特征在于:所述生长室腔体为耐高压合金钢。4.采用权利要求1所述的脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备在活泼衬底上外延GaN氮化物薄膜或ZnO氧化物薄膜。5.采用权利要求1所述的脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备在蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、金属衬底、玻璃衬底、钽酸锂衬底、镓酸锂衬底或铝酸锂衬底上外延GaN基LED外延片、太阳能电池外延片、LD外延片或光电探测器外延片。6.采用权利要求1所述的脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备制备非极性GaN基LED外延片的方法，其特征在于，按以下步骤进行: 1)衬底以及其晶向的选取:采用LiGaO2衬底，以(100)面偏(110)方向0.2°为外延面，晶体外延取向关系为=GaN的(1-100)面平行于LiGaO2的(100)面； 2)对衬底表面进行抛光处理、清洗处理以及退火处理； 3)在脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备中依次完成如下处理过程: 3-1)采用PLD工艺低温外延非极性GaN缓冲层，工艺条件为:衬底温度为200-300°C，采用脉冲激光轰击纯度为99.9999...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，
申请(专利权)人：广州市众拓光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44