專利名稱:一種量子阱混合方法
技術領域:
本發(fā)明涉及制作基于化合物半導體的多功能單片集成的光子回路的方法,特別是
涉及利用氮等離子體誘導的一種量子阱混合方法。
背景技術:
隨著光電子器件和光纖技術的不斷發(fā)展,光子集成回路(PIC)和光電子集成回路(OEIC)越來越受到人們的重視。為了實現(xiàn)激光、調(diào)制、探測和無源波導等不同功能光電子元件在同一基片上的光電集成,傳統(tǒng)的方法需要多次選擇性外延生長(Etch-and-Regrowth),或在經(jīng)初始刻蝕結(jié)構(gòu)的基片上生長(SelectiveArea Epoitaxy),這些技術不僅工藝復雜、成本高昂,而且可能因為銜接部位晶體質(zhì)量欠佳,從而影響整個有源器件的性能和可靠性。
近30年來,發(fā)展出了一種被稱為量子阱混合(QWI)的新方法,在生長后晶片的局部區(qū)域改變量子阱的能帶,以便實現(xiàn)不同功能的光電子元件在同一芯片上的集成。這種方法能夠大大簡化集成器件的制作工藝。它通過在量子阱層附近弓I入缺陷,繼而退火促進量子阱阱層與壘層的相互擴散,達到改變能帶結(jié)構(gòu)的目的。根據(jù)引入缺陷方法的不同,可以分類為以下幾種方法雜志誘導無序(IID),光吸收誘導無序(PAID),離子注入誘導無序(IICD),無雜質(zhì)空位擴散(IFVD)等等。 另一種氬等離子體誘導的量子阱混合技術,它利用氬等離子體作為等離子源局部處理包含量子阱結(jié)構(gòu)的化合物半導體晶片的外延層表面,在表面產(chǎn)生一定缺陷,接著通過快速退火使缺陷擴散到量子阱區(qū)域,導致量子阱和壘的原子成分在界面處混合,從而改變量子阱的能帶結(jié)構(gòu)。 上述氬等離子體誘導的量子阱混合技術的不足之處是氬等離子體轟擊量子阱片表面時會引入非常大的刻蝕作用,使得量子阱片的表層被轟擊變薄甚至刻穿。但是以上文獻沒有考慮這種刻蝕深度的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種量子阱混合方法,利用氮等離子體誘導,不會使得量
子阱片的表層被轟擊變薄甚至刻穿。 本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案是 利用氮等離子體作為等離子源局部處理包含量子阱結(jié)構(gòu)的化合物半導體晶片的犧牲層表面,在犧牲層表面產(chǎn)生晶格缺陷,接著通過快速退火使部分晶格缺陷擴散到量子阱區(qū)域,導致量子阱和壘的成分在界面處混合,從而改變量子阱區(qū)域的能帶結(jié)構(gòu)。
其中氮等離子體是由感應耦合等離子體刻蝕機產(chǎn)生,所述感應耦合等離子體刻蝕機的氣體流量為10 200sccm,感應耦合等離子體功率為1 500w,射頻功率為1 3000w,腔體壓力為1 80mTorr,腔體溫度為20 80攝氏度,處理時間為30秒 15分鐘。
所述快速退火的溫度為600 800攝氏度,時間為30秒 2分鐘。
所述化合物半導體晶片包含InGaAsP/InP量子阱區(qū)域。
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所述犧牲層的作用是使得等離子體處理產(chǎn)生的晶格缺陷限制在這層犧牲層內(nèi),所
述犧牲層在快速退火后被去掉。 本發(fā)明具有的有益效果是 本發(fā)明克服了氬等離子體誘導的量子阱混合技術中,刻蝕作用的負面影B向,不會使得量子阱片的表層被轟擊變薄甚至刻穿,為工藝帶來便利。
圖1是多量子阱層狀結(jié)構(gòu)的示意圖; 圖2是氮等離子體誘導的量子阱混合工藝示意圖; 圖3是量子阱混合前后的能帶結(jié)構(gòu)示意圖; 圖4是退火溫度和PL峰值波長偏移之間的關系圖; 圖5是量子阱混合前后的PL譜線示意圖; 圖中11、晶格缺陷,12、犧牲層,13、外延層,14、量子阱區(qū)域,15、襯底,100、量子阱階躍能帶,110、量子阱漸變能帶。
具體實施例方式
本發(fā)明所使用的樣品是由金屬有機物氣相化學沉積(MOCVD)生長的兩英寸、0. 9X壓應力、InGaAsP/InP激光器結(jié)構(gòu)多量子阱晶片。該的量子阱區(qū)域由8個5nm寬的量子阱和7個10nm寬的壘組成。量子阱區(qū)域的上面依次為外延層和0. 5um的犧牲層。其中外延層從下而上依次為0. 6um的漸變層,O. 15um的上包層,O. Olum的阻刻層,1. 5um的上包層,O. 2um的蓋層。量子阱區(qū)域的下面是襯底,自上而下依次為0. 6um的漸變層,1. 5um的緩沖層,基底。犧牲層的作用是使等離子處理產(chǎn)生的缺陷限制在這層犧牲層內(nèi),在快速退火后被去掉。該層狀結(jié)構(gòu)如圖1所示。 本發(fā)明需要的設備包括感應耦合等離子體刻蝕機(ICP)和快速熱處理設備(RTP)。實例中使用的ICP為牛津儀器公司生產(chǎn)的Plasmalab System 100感應耦合等離子體刻蝕機。該系統(tǒng)有射頻功率源和感應耦合等離子體功率源兩個功率源,功率分別可以達到0 500w和0 3000w,可以在極低的腔體壓力下(< 10mTorr)產(chǎn)生高密度等離子體(10"-10 m—3),專門用于對半導體材料進行表面處理。使用的RTP為北京東之星半導體物理所生產(chǎn)的RTP-300型快速熱處理設備。該設備溫度范圍為150°C 130(TC,升溫速率為100°C 200°C /s,可以在幾秒鐘時間內(nèi)達到預定溫度,實現(xiàn)快速熱退火。同時,該設備的退火腔體內(nèi)可以持續(xù)通入0 5L/min的氮氣流,盡可能地使樣品表面在高溫下減小氧化作用。 工藝步驟如下(如圖2所示)。首先,對樣品進行清洗。然后使用ICP對樣品的犧牲層12進行處理,通入的反應氣體是氮氣,氣體流量為10 200sccm,感應耦合等離子體功率為1 3000w,射頻功率為1 500w,腔體壓力為1 80mTorr,腔體溫度為20 80攝氏度,處理時間為30秒 15分鐘。由于ICP中產(chǎn)生的氮等離子體會轟擊樣品的犧牲層12表面,所以會在表面生產(chǎn)大量晶格缺陷11。然后使用RTP在氮氣環(huán)境下進行快速退火,退火時間為30秒 2分鐘,退火溫度為600°C 800°C??焖偻嘶鹬?,部分晶格缺陷向下運動,穿過外延層13,運動到量子阱區(qū)域14,從而使量子阱和壘的成分互相融合。如圖3所示,處理之前的量子阱階躍能帶100變成處理之后量子阱漸變能帶110,禁帶寬度由Eg增大為Eg',從而實現(xiàn)量子阱混合的目的??焖偻嘶饡r,為了防止高溫下磷原子的流失,樣品需要夾在兩片InP保護片中間提供P的保護氣氛。退火后,將犧牲層用濕法腐蝕的方法去掉。最
后測量它們在室溫下的光致發(fā)光譜線,驗證量子阱混合的效果。
實施例 將一部分解理成尺寸為2mmX2mm的小樣品,然后進行處理,參數(shù)如下氣體流量為80sccm,感應耦合等離子體功率為500w,射頻功率為480w,腔體壓力為80mTorr,腔體溫度為20攝氏度,處理時間為5分鐘。RTP的退火時間為2分鐘,退火溫度為600°C 800°C 。同時,將另一部分解理后的樣品直接作RTP處理,退火時間為2分鐘,退火溫度為600°C 80(TC,作為以上樣品的對照組。通過比較,可以看到ICP在量子阱混合中的作用。
如圖4所示,給出了在以上實驗條件下得到的結(jié)果。曲線1表示經(jīng)過ICP和RTP處理之后,PL峰值波長隨RTP溫度變化的曲線??梢钥吹?,當溫度大于75(TC時,藍移達到100nm以上,這是比較理想的結(jié)果。曲線2表示僅經(jīng)過RTP處理之后,PL峰值波長隨RTP溫度變化的曲線。通過對比可以發(fā)現(xiàn),在750°C時,曲線2的藍移僅有20nm左右,800°C時位于35 40nm之間,遠小于曲線1的藍移。曲線3表示經(jīng)過ICP和RTP處理之后,PL峰值強度隨RTP溫度變化的曲線。在75(TC時,強度下降到原來的一半左右,80(TC時下降到1/3。曲線4表示僅經(jīng)過RTP處理之后,PL峰值強度隨RTP溫度變化的曲線。在750°C以上,強度略有下降。通過曲線1與2、3與4的對比,結(jié)果顯示,RTP溫度在75(TC以上時,可以實現(xiàn)較大的帶隙藍移(100nm以上),即禁帶寬度明顯增大,同時強度也在容許范圍內(nèi)有所下降(50%以下)。如圖5所示給出了以上實驗中,原生片的PL曲線5、僅經(jīng)過750°C的RTP處理的PL曲線6和經(jīng)過ICP和750°C的RTP處理的PL曲線7。 經(jīng)實際測量,運用這種方法得到的刻蝕深度小于lOOnm,不會刻穿500nm厚的犧牲層。如果在相同條件下將氮氣替換成氬氣,那么刻蝕深度將達到1.5um,犧牲層很容易被刻穿。所以,運用氮氣作為等離子體的氣體源,可以實現(xiàn)淺刻蝕條件下的量子阱混合,為工藝帶來了極大的方便。 本發(fā)明的實施例只是用來解釋說明本發(fā)明,而不是對本發(fā)明進行限制,在本發(fā)明的精神和權利要求的保護范圍內(nèi),對本發(fā)明作出的任何修改和改變,都落入本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
一種量子阱混合方法,其特征在于利用氮等離子體作為等離子源局部處理包含量子阱結(jié)構(gòu)的化合物半導體晶片的犧牲層表面,在犧牲層表面產(chǎn)生晶格缺陷,接著通過快速退火使部分晶格缺陷擴散到量子阱區(qū)域,導致量子阱和壘的成分在界面處混合,從而改變量子阱區(qū)域的能帶結(jié)構(gòu)。
2. 如權利要求1所述的一種量子阱混合方法,其特征在于其中氮等離子體是由感應耦合等離子體刻蝕機產(chǎn)生,所述感應耦合等離子體刻蝕機的氣體流量為10 200sccm,感 應耦合等離子體功率為1 500w,射頻功率為1 3000w,腔體壓力為1 80mTorr,腔體溫 度為20 80攝氏度,處理時間為30秒 15分鐘。
3. 如權利要求1所述的一種量子阱混合方法,其特征在于所述快速退火的溫度為 600 800攝氏度,時間為30秒 2分鐘。
4. 如權利要求1所述的一種量子阱混合方法,其特征在于所述化合物半導體晶片包 含InGaAsP/InP量子阱區(qū)域。
5. 如權利要求1所述的一種量子阱混合方法,其特征在于所述犧牲層的作用是使得 等離子體處理產(chǎn)生的晶格缺陷限制在這層犧牲層內(nèi),所述犧牲層在快速退火后被去掉。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種量子阱混合方法。利用氮等離子體作為等離子源局部處理包含量子阱結(jié)構(gòu)的化合物半導體晶片的犧牲層表面,在犧牲層表面產(chǎn)生晶格缺陷,接著通過快速退火使部分晶格缺陷擴散到量子阱區(qū)域,導致量子阱和壘的成分在界面處混合,從而改變量子阱區(qū)域的能帶結(jié)構(gòu)。本發(fā)明克服了氬等離子體誘導的量子阱混合技術中,刻蝕作用的負面影響,不會使得量子阱片的表層被轟擊變薄甚至刻穿,為工藝帶來便利。
文檔編號H01L21/18GK101697341SQ20091015325
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月29日 優(yōu)先權日2009年10月29日
發(fā)明者何建軍, 張欣, 彭盛華 申請人:浙江大學;