利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法
【專利摘要】一種利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，包括如下步驟：步驟A：在量子阱結(jié)構(gòu)片上的量子阱層上沉積表面犧牲層；步驟B：激光通過具有送氣功能的激光頭，在表面犧牲層上聚焦，形成反應氣的激光等離子體；步驟C：控制該激光等離子體轟擊表面犧牲層，將部分表面犧牲層進行改性，形成改性區(qū)；步驟D：退火，通過熱誘導作用將激光等離子體改性區(qū)的化學變性或結(jié)構(gòu)缺陷傳遞到量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)，使量子阱層的阱／壘成分互混，實現(xiàn)量子阱結(jié)構(gòu)的帶隙波長藍移。本發(fā)明可以很好地進行選區(qū)量子阱混和。
【專利說明】利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體光器件和光子集成電路技術，特別涉及一種利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法。
【背景技術】
[0002]光子集成是把數(shù)十個甚至數(shù)百個光元件集成到一個單一的集成電路或者芯片上，由于將各種不同的光設備集合在一個芯片上難度甚大，因此把光子集成電路商品化的進程十分緩慢。與基于硅材料的微電子集成電路最大的不同，單片光子集成電路目前主要基于銦磷鎵砷材料體系，并且需要在同一個襯底上形成各種不同光子帶隙的材料以滿足各類不同的有源和無源器件的要求，如光集成電路中的探測器需要吸收光，而波導需要透光，這些器件所要求的材料帶隙是不一樣的。為實現(xiàn)該目的，發(fā)展起了多種技術如對接生長法，選擇區(qū)域生長法，量子阱混和法和雙波導法等。其中量子阱混和技術(Quantum WellIntermixing:QWI)是一種通過后處理工藝實現(xiàn)量子阱材料帶隙藍移的可行方法。目前，QWI已在III / V族的半導體材料中實現(xiàn)，例如鋁鎵砷和銦鎵砷磷，該材料生長在二元半導體材料襯底上，如砷化鎵或者磷化銦。QWI通過量子阱與相關壘層元素的相互擴散改變了所生長結(jié)構(gòu)的帶隙，形成了新的成分分布的混合區(qū)，使得該混合區(qū)比原始生長的量子阱的帶隙大(即帶隙藍移)。目前，已報道有多種方法實現(xiàn)量子阱混和，例如:(I)無雜質(zhì)空位擴散技術是實現(xiàn)了量子阱混和一個重要方法。該方法通過沉積氧化硅薄膜，高溫退火實現(xiàn)鎵擴散到氧化硅中，而后產(chǎn)生空位擴散引起量子阱混和，但是該方法所需溫度太高，不易選區(qū)控制；(2)通過光的方法也實現(xiàn)了量子阱混和，格拉斯哥大學發(fā)展了利用連續(xù)的Nd: YAG激光加熱驅(qū)動量子阱結(jié)構(gòu)不同壘和阱之間的互擴實現(xiàn)了量子阱混和；隨后，采用脈沖寬度為數(shù)納秒的Nd: YAG激光也實現(xiàn)了選區(qū)量子阱混和和器件研制，但是該方法同時存在點缺陷產(chǎn)生和熱誘導擴散，重復性和穩(wěn)定性都有待提高。(3)通過高溫熱擴散引入其他雜質(zhì)進入量子阱來引起QWI，或者通過離子注入某些元素在帶量子阱結(jié)構(gòu)的半導體中引入點缺陷，然后退火實現(xiàn)量子阱混和；這種QWI技術已有多篇文獻報道。這類依賴于雜質(zhì)誘導的量子阱混和雖然能夠改變半導體材料的帶隙，但是殘留的擴散或者注入雜質(zhì)會由于自由載流子吸收機制導致光吸收率增大；整體而言，目前依賴于離子注入實現(xiàn)QWI的方法最為成熟，但是該方法需要與光刻、刻蝕等技術聯(lián)合才能實現(xiàn)區(qū)域性的改變帶隙寬度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于上述技術問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，該方法類似最成熟的離子注入技術，借助激光電離特殊氣氛產(chǎn)生的等離子體形成高速的離子和原子，但是這種等離子體區(qū)域大小可以控制，特別是當利用超短脈沖激光時可以實現(xiàn)微米甚至亞微米量級的等離子體區(qū)，這樣可以很好地進行選區(qū)量子阱混和。
[0004]本發(fā)明提供一種利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，包括如下步驟:[0005]步驟A:在量子阱結(jié)構(gòu)片上的量子阱層上沉積表面犧牲層；
[0006]步驟B:激光通過具有送氣功能的激光頭，在表面犧牲層上聚焦，形成反應氣的激光等離子體；
[0007]步驟C:控制該激光等離子體轟擊表面犧牲層，將部分表面犧牲層進行改性，形成改性區(qū)；
[0008]步驟D:退火，通過熱誘導作用將激光等離子體改性區(qū)的化學變性或結(jié)構(gòu)缺陷傳遞到量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)，使量子阱層的阱/壘成分互混，實現(xiàn)量子阱結(jié)構(gòu)的帶隙波長藍移。
[0009]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0010]相比離子注入技術誘導量子阱混和而言，利用微區(qū)激光等離子體技術誘導量子阱混和可以節(jié)約時間，可以更加容易得實現(xiàn)選區(qū)操作。
[0011 ] 這種微區(qū)激光等離子體技術可以靈活操作，可以通過控制激光參數(shù)和氣氛參數(shù)靈活適應各種不同的量子阱結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
[0012]如果激光選用飛秒脈沖激光可以實現(xiàn)亞微米的微區(qū)等離子體，這種精度非常高可以實現(xiàn)納米器件的光子集成，有益于下一代的光子集成工藝。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明如后，其中:
[0014]圖1為本發(fā)明的方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0015]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，包括如下步驟:
[0016]步驟A:在量子阱結(jié)構(gòu)片上的量子阱層上沉積表面犧牲層，表面犧牲層的厚度為50nm-500nm，其材料為磷化銦、銦鎵砷、銦鎵砷磷、鋁鎵砷、二氧化硅或氮化硅，所述量子阱層為單量子阱結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu)，該量子阱層為銦鎵砷/銦鎵砷磷、鋁鎵砷/鎵砷、鋁鎵砷/銦鎵砷或鋁鎵銦磷/砷化鎵；
[0017]步驟B:激光通過具有送氣功能的激光頭，在表面犧牲層上聚焦，形成反應氣的激光等離子體，所述的送氣功能通常是帶噴嘴的同軸送氣，可以控制氣體流量、壓強和速度；所述的的激光為脈沖激光，主要是超短脈沖激光，但是不局限于超短脈沖也可以包括其他脈沖激光，只要它的峰值功率密度足以電離相應的反應氣，超短脈沖激光器包含能夠輸出飛秒或者皮秒量級的各類激光；所述反應氣是易于實現(xiàn)摻雜并且不太影響量子阱區(qū)光吸收性能的各類氣體，包括氦氣、氮氣或氬氣等；所述的反應氣的激光等離子體的特性參數(shù)包含等離子體的電子和離子密度、速度、加速度和溫度；可以通過改變激光參數(shù)以形成不同的激光等離子體特性(等離子體的電子和離子密度、速度、加速度、溫度等)，這些激光參數(shù)包括平均功率、激光波長、脈沖通量、脈寬、脈沖數(shù)或偏振模式、光束質(zhì)量；
[0018]步驟C:控制該激光等離子體轟擊表面犧牲層，將部分表面犧牲層進行改性，形成改性區(qū)；激光微區(qū)電離產(chǎn)生的氣體等離子體膨脹開來，離子具有較高的動量，轟擊量子阱結(jié)構(gòu)片的表面犧牲層，例如由于存在化學分解效應磷化銦中的磷會減少以及形成了空位缺陷，由于存在離子轟擊，一些反應氣的離子或者原子會進入表面層，就在表面犧牲層形成了改性區(qū)；通過定位和掃描的方法形成需要指定位置和不同面積的改性區(qū)；
[0019]其中在步驟B之前或步驟C之后，在表面犧牲層上制備一層保護層，所述保護層的厚度為50nm-500nm,保護層的厚度如果低于50nm,激光等離子體處理時有可能直接損壞量子阱結(jié)構(gòu)，如果高于500nm，則空位缺陷的傳遞較為困難；保護層的材料為氧化硅、三氧化二鋁、氮化硅或磷化銦，還可以是這些材料的復合膜層，這樣處理主要是基于安全保護考慮，一方面保護材料表面質(zhì)量，另一方面減少有害氣體的逸出；
[0020]步驟D:退火，通過熱誘導作用將激光等離子體改性區(qū)的化學變性或結(jié)構(gòu)缺陷傳遞到量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)，使量子阱層的阱/壘成分互混，實現(xiàn)量子阱結(jié)構(gòu)的帶隙波長藍移，所述退火的時間為20s-3min，退火溫度為500°C _850°C，所述退火的方式包括:電熱退火、紅外熱退火或激光退火。
[0021]綜上所述，本發(fā)明提供一種利用脈沖激光等離子體技術在表面犧牲層制造雜質(zhì)缺陷、點缺陷或者空位缺陷，并通過快速熱退火將表面犧牲層的缺陷傳遞至量子阱結(jié)構(gòu)，從而準確控制帶隙藍移量的方法，可以實現(xiàn)單片光子集成電路上可以通過控制激光等離子體參數(shù)選區(qū)實現(xiàn)不同的帶隙。
[0022]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，包括如下步驟: 步驟A:在量子阱結(jié)構(gòu)片上的量子阱層上沉積表面犧牲層； 步驟B:激光通過具有送氣功能的激光頭，在表面犧牲層上聚焦，形成反應氣的激光等離子體； 步驟C:控制該激光等離子體轟擊表面犧牲層，將部分表面犧牲層進行改性，形成改性區(qū)； 步驟D:退火，通過熱誘導作用將激光等離子體改性區(qū)的化學變性或結(jié)構(gòu)缺陷傳遞到量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)，使量子阱層的阱/壘成分互混，實現(xiàn)量子阱結(jié)構(gòu)的帶隙波長藍移。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，其中在步驟B之前或步驟C之后，在表面犧牲層上制備一層保護層。
3.根據(jù)權利要求2所述的利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，其中所述保護層的厚度為50nm-500nm,其材料為氧化娃、三氧化二招、氮化娃或磷化銦。
4.根據(jù)權利要求1所述的利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，其中步驟B中的激光為脈沖激光。
5.根據(jù)權利要求1所述的利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，其中步驟B所述的反應氣的激光等離子體的特性參數(shù)包含等離子體的電子和離子密度、速度、加速度和溫度。
6.根據(jù)權利要求5所述的利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，其中所述反應氣包括氦氣、氮氣或氬氣。
7.根據(jù)權利要求1所述的利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，其中所述步驟D中退火的時間為20s-3min，退火溫度為500°C _850°C。
8.根據(jù)權利要求7所述的利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，其中所述退火的方式包括:電熱退火、紅外熱退火或激光退火。
9.根據(jù)權利要求1所述的利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，其中步驟A中的表面犧牲層的厚度為50nm-500nm，其材料為磷化銦、銦鎵砷、銦鎵砷磷、鋁鎵砷、二氧化硅或氮化硅。
10.根據(jù)權利要求9所述的利用激光微區(qū)等離子體誘導量子阱混和的方法，其中所述量子阱層為單量子阱結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu)，該量子阱層為銦鎵砷/銦鎵砷磷、鋁鎵砷/鎵砷、鋁鎵砷/銦鎵砷或鋁鎵銦磷/砷化鎵。
【文檔編號】H01L21/02GK103762158SQ201410031337
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權日:2014年1月23日
【發(fā)明者】黃永光, 朱洪亮, 王寶軍 申請人:中國科學院半導體研究所