[發明專利]利用激光微區等離子體誘導量子阱混和的方法有效

申請號：	201410031337.9	申請日：	2014-01-23
公開（公告）號：	CN103762158A	公開（公告）日：	2014-04-30
發明（設計）人：	黃永光;朱洪亮;王寶軍	申請（專利權）人：	中國科學院半導體研究所
主分類號：	H01L21/02	分類號：	H01L21/02
代理公司：	中科專利商標代理有限責任公司 11021	代理人：	任巖
地址：	100083 ***	國省代碼：	北京;11
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摘要：
搜索關鍵詞：	利用激光等離子體誘導量子混和方法
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【說明書】：

技術領域

本發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等離子體誘導量子阱混和的方法。

背景技術

光子集成是把數十個甚至數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。為實現該目的，發展起了多種技術如對接生長法，選擇區域生長法，量子阱混和法和雙波導法等。其中量子阱混和技術(Quantum?Well?Intermixing：QWI)是一種通過后處理工藝實現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，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構的帶隙，形成了新的成分分布的混合區，使得該混合區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量子阱混和，例如：(1)無雜質空位擴散技術是實現了量子阱混和一個重要方法。該方法通過沉積氧化硅薄膜，高溫退火實現鎵擴散到氧化硅中，而后產生空位擴散引起量子阱混和，但是該方法所需溫度太高，不易選區控制；(2)通過光的方法也實現了量子阱混和，格拉斯哥大學發展了利用連續的Nd:YAG激光加熱驅動量子阱結構不同壘和阱之間的互擴實現了量子阱混和；隨后，采用脈沖寬度為數納秒的Nd:YAG激光也實現了選區量子阱混和和器件研制，但是該方法同時存在點缺陷產生和熱誘導擴散，重復性和穩定性都有待提高。(3)通過高溫熱擴散引入其他雜質進入量子阱來引起QWI，或者通過離子注入某些元素在帶量子阱結構的半導體中引入點缺陷，然后退火實現量子阱混和；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QWI的方法最為成熟，但是該方法需要與光刻、刻蝕等技術聯合才能實現區域性的改變帶隙寬度。

發明內容

鑒于上述技術問題，本發明的目的在于，提供一種利用激光微區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域大小可以控制，特別是當利用超短脈沖激光時可以實現微米甚至亞微米量級的等離子體區，這樣可以很好地進行選區量子阱混和。

本發明提供一種利用激光微區等離子體誘導量子阱混和的方法，包括如下步驟：

步驟A：在量子阱結構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；

步驟D：退火，通過熱誘導作用將激光等離子體改性區的化學變性或結構缺陷傳遞到量子阱結構內，使量子阱層的阱／壘成分互混，實現量子阱結構的帶隙波長藍移。

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

相比離子注入技術誘導量子阱混和而言，利用微區激光等離子體技術誘導量子阱混和可以節約時間，可以更加容易得實現選區操作。

這種微區激光等離子體技術可以靈活操作，可以通過控制激光參數和氣氛參數靈活適應各種不同的量子阱結構，可以實現大規模產業化。

如果激光選用飛秒脈沖激光可以實現亞微米的微區等離子體，這種精度非常高可以實現納米器件的光子集成，有益于下一代的光子集成工藝。

附圖說明

為使本發明的目的、內容更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明如后，其中：

圖1為本發明的方法流程示意圖。