CN103236648A

CN103236648A - 实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法

Info

Publication number: CN103236648A
Application number: CN2013101543246A
Authority: CN
Inventors: 黄永光; 朱洪亮; 崔晓
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2013-08-07

Abstract

本发明提供了一种实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法。该方法包括：在量子阱结构上沉积表面牺牲层；通过超短脉冲激光辐照或者扫描选定区域的表面牺牲层，以在该区域的表面牺牲层实现化学变性或者引入结构缺陷，形成激光改性区；对包括量子阱结构和表面牺牲层的元件进行快速热退火，通过热诱导作用将激光改性区的化学变性或引入的结构缺陷传递到量子阱结构内，使量子阱结构的阱/垒成分互混，实现量子阱结构的带隙波长蓝移。

Description

实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法

技术领域

本发明涉及半导体光器件和光子集成电路技术，特别涉及一种利用超短脉冲激光技术实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法。

背景技术

随着光纤通讯的不断发展，对各类光子器件的单片集成的需求不断加大，目前光子集成电路的发展情形正如二十世纪七十年代发生的大规模电子集成电路一样，将在未来实现更大规模的应用。

目前，与微电子集成电路最大的不同，光子集成电路需要在同一个衬底上形成各种不同带隙的材料，以满足各类不同的有源和无源器件的要求，如光集成电路中的探测器需要吸收光，而波导需要透光，这些器件所要求的材料带隙是不一样的。为实现该目的，发展起了多种技术，其中量子阱混杂技术(Quantum Well Intermixing：QWI)是一种通过后处理工艺实现量子阱材料带隙蓝移的可行方法。目前，QWI已在III/V族的半导体材料中实现，例如铝镓砷和铟镓砷磷，该材料生长在二元半导体材料衬底上，如砷化镓或者磷化铟。QWI通过量子阱与相关垒层元素的相互扩散改变了所生长结构的带隙，形成了新的成分分布的混合区，使得该混合区比原始生长的量子阱的带隙大(即带隙蓝移)。目前，已报道有多种方法实现量子阱混杂，例如：

(1)通过高温热扩散引入其他杂质进入量子阱来引起QWI，或者通过离子注入某些元素在带量子阱结构的半导体中引入点缺陷，然后退火实现量子阱混杂；这种QWI技术已有多篇文献报道。这类依赖于杂质诱导的量子阱混杂虽然能够改变半导体材料的带隙，但是残留的扩散或者注入杂质会由于自由载流子吸收机制导致光吸收率增大；

(2)无杂质空位扩散技术是实现了量子阱混杂另一个重要方法。该方法通过沉积氧化硅薄膜，高温退火实现镓扩散到氧化硅中，而后产生空位扩散引起量子阱混杂，但是该方法所需温度太高，不易选区控制；

(3)通过光的方法也实现了量子阱混杂，格拉斯哥大学发展了利用连续的Nd:YAG激光加热驱动量子阱结构不同垒和阱之间的互扩实现了量子阱混杂；随后，采用脉冲宽度为数纳秒的Nd:YAG激光也实现了量子阱混杂和器件研制，但是该方法同时存在点缺陷产生和热诱导扩散，重复性和稳定性都有待提高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法。该方法包括：在量子阱结构上沉积表面牺牲层；通过超短脉冲激光辐照或者扫描选定区域的表面牺牲层，以在该区域的表面牺牲层实现化学变性或者引入结构缺陷，形成激光改性区；对包括量子阱结构和表面牺牲层的元件进行快速热退火，通过热诱导作用将激光改性区的化学变性或引入的结构缺陷传递到量子阱结构内，使量子阱结构的阱/垒成分互混，实现量子阱结构的带隙波长蓝移。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法具有以下有益效果：

(1)由于超短脉冲辐照可以减少热效应，使得由于激光辐照时的热扩散效应导致的不确定带隙移动大幅度减少；

(2)由于超短脉冲的峰值功率非常高，在低于材料烧蚀阈值情况下，即使在小到即使只有激光熔化阈值的十分之一的激光通量也可以由于多光子电离、各种元激发(局域场)或者声波激发在材料表面甚至内部造成大量的点缺陷，从而大大提高产生点缺陷的效率和稳定性；

(3)实现了扫描直写改性和选择区域地改变量子阱带隙，并且可以通过激光参数控制蓝移量，从而可以实现大规模产业化。

附图说明

图1为本发明实施例实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法的流程图；

图2A～图2C为图1所示方法的执行各步骤的示意图。

图2A是利用超短脉冲辐照或者扫描具有量子阱结构的样品表面的示意图；

图2B是利用快速热退火处理超短脉冲辐照过的量子阱结构样品的示意图；

图2C是经过快速热退火处理后的量子阱结构样品不同区域的带隙示意图；

图3给出了样片中未被激光处理区域和超短脉冲激光扫描过的区域在快速退火后的光致发光谱，对应的激发波长峰值位置的变化体现了激光处理导致的带隙蓝移。

【本发明主要元件符号说明】

1-量子阱结构层；2-超短脉冲激光束；

3-未被激光处理过的量子阱结构表面牺牲层；

4-被激光处理过的表面牺牲层；

5-需要利用超短脉冲改性的区域A；

6-需要利用超短脉冲改性的区域B；

7-量子阱结构的衬底材料层；

8-介质保护层；

9-热退火设备；

E₀、E₁和E₂分别为未被激光处理过区域的带隙宽度和超短脉冲实现量子阱混杂区域的A和B的带隙宽度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明提供了一种实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法。该方法采用超短脉冲激光选区辐照或者扫描量子阱结构材料，在表面牺牲层引入点缺陷，随后通过快速热退火的诱导作用，实现量子阱结构的带隙波长蓝移。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法。图1为本发明实施例实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法的流程图。如图1所示，本实施例包括：

步骤A：在量子阱结构上沉积表面牺牲层；

本实施例，量子阱结构的衬底为磷化铟材料。本发明并不以此为限，该衬底还可以选用砷化镓等直接带隙的III-V族半导体材料；

本实施例的量子阱结构1包括5层的量子阱，其中5层铟镓砷分别被7层铟镓砷磷隔离。本发明中，量子阱结构的半导体材料为单量子阱或多量子阱结构。并且，本领域技术人员应当清楚，本发明方法同样适用于例如铝镓砷/镓砷，铝镓砷/铟镓砷，铝镓铟磷/砷化镓等其他量子阱结构。

本实施例表面牺牲层3为覆盖有200nm厚度本征型的磷化铟层(i-InP)。本发明中，表面牺牲层还可以是例如铝镓砷材料等利用金属有机化学气相沉积办法在量子阱结构生长时直接长在其表面的半导体材料或者是利用气相沉积的办法生长上去的二氧化硅、氮化硅等介质膜，还可以是这些材料的复合膜层。表面牺牲层3的厚度一般为50nm至500nm之间。如果低于50nm，则后期的激光可能透过该表面牺牲层，损坏量子阱结构；如果高于500nm，则缺陷的传递较为困难。

步骤B：通过超短脉冲激光辐照或者扫描量子阱结构上的表面牺牲层，以在选定区域的表面牺牲层实现化学变性或者引入结构缺陷，形成激光改性区；

本实施例中，利用脉宽30ps，波长532nm的半导体泵浦的固体激光器产生的激光束2扫描量子阱结构材料上的表面牺牲层，由于存在化学分解效应磷化铟中的磷会减少以及形成了点缺陷，这样就在激光扫描过的区域形成了被激光改性的表面牺牲层4。

超短脉冲激光是指脉冲持续时间即脉宽小于100ps的脉冲激光，其波长为400nm到1300nm。超短脉冲激光器包含能够输出飞秒或者皮秒量级的各类激光。此类的激光器例如固态激光器、半导体激光器、光纤激光器、钛宝石激光器、染料激光器等，也包括参量放大器或是两种脉宽的激光组合体，其中至少有一种是超短脉冲。

超短脉冲激光辐照或者扫描的环境可以为空气、真空、氧气、氮气、氩气等气体氛围中或是在去离子水、液氮、乙醇等液相环境中。

此外，本步骤中，可以通过改变激光辐照参数以形成不同的激光改性区，可供选择改变的激光辐照参数为平均功率、激光波长、脉冲通量、脉宽、脉冲数、入射角度、偏振模式等。请参照图2A，通过不同激光参数如平均功率，形成了激光改性区5和激光改性区6。实例中A区域和B区域扫描时区别在于激光通量不同，A和B区域处理的激光功率通量分别为0.25J/cm²和0.15J/cm²。

步骤C：在包含激光改性区的表面牺牲层上在沉积介质保护层8；

本实施例中，利用等离子体增强气相沉积法覆盖上一层200nm厚的氧化硅层8。该氧化硅层8可以隔绝量子阱结构和外界环境，避免量子阱结构受到污染，利于后期器件的制备。该氧化硅还可以为氮化硅、铟镓砷等介质保护层材料。介质保护层8的厚度一般介于50nm～500nm之间。

需要说明的是，该步骤可以在步骤B之前或之后进行，或者在步骤B之前和之后均进行。当该步骤在步骤B之前执行时，超短脉冲激光还可以在该介质保护层上制造缺陷。

步骤D，对该量子阱结构和表面介质层组成的元件进行快速热退火，通过热诱导作用将表面牺牲层激光改性区的化学变性或结构缺陷传递到量子阱结构，使量子阱结构的阱/垒成分互混，实现量子阱结构的带隙波长蓝移。

本实施例中，将激光处理后的样品，在热退火设备9中进行快速热退火，在725℃下持续120s，如图2B所示。本发明对快速热退火的方式、温度和时间均没有限制：快速热退火包括电热退火、红外热退火和激光热退火，退火温度在500℃至850℃之间，退火时间在20s到3min之间。

由于表面牺牲层点缺陷的存在大大加速了其下的对应量子阱区域的扩散混杂速度，实现了不同带隙蓝移。如图2C所示，未被激光处理的区域带隙宽度为E₀，未被激光处理过区域的带隙宽度和超短脉冲实现量子阱混杂区域的A和B的带隙宽度分别为E₁和E₂。图3给出了三者不同的带隙对应的光致发光谱的，可以看到E₁和E₂相比于E₀出现了较大程度的波长蓝移。

至此，已经结合附图对本实施例实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚、完整的认识。此外，还需要说明的是，上述对各步骤的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

综上所述，本发明提供一种利用超短脉冲激光辐照技术在表面牺牲层制造点缺陷或者空位缺陷，并通过快速热退火将表面牺牲层的点缺陷或空位缺陷传递至量子阱结构，从而准确控制带隙蓝移量的方法，并且可以通过控制激光参数选区实现不同的带隙。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法，其特征在于，包括：

步骤A，在量子阱结构上沉积表面牺牲层；

步骤B，通过超短脉冲激光辐照或者扫描选定区域的表面牺牲层，以在该区域的表面牺牲层实现化学变性或者引入结构缺陷，形成激光改性区；

步骤D，对包括量子阱结构和表面牺牲层的元件进行快速热退火，通过热诱导作用将激光改性区的化学变性或引入的结构缺陷传递到量子阱结构内，使量子阱结构的阱/垒成分互混，实现量子阱结构的带隙波长蓝移。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中的超短脉冲激光为脉宽小于100ps的脉冲激光，其波长介于400nm～1300nm之间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤B还包括：

通过改变激光辐照参数以形成不同的激光改性区，该激光辐照参数为平均功率、激光波长、脉冲通量、脉宽、脉冲数、入射角度或偏振模式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中快速热退火工艺中：退火时间介于20s～3min之间，退火温度介于500℃～850℃之间。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过电热退火、红外热退火或激光热退火实现所述快速热退火工艺。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中的表面牺牲层的厚度介于50nm～500nm之间，其材料选自于以下材料中的一种：磷化铟、铝镓砷、二氧化硅和氮化硅。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述量子阱结构为单量子阱结构或多量子阱结构，该量子阱结构为以下结构中的一种：铟镓砷/铟镓砷磷、铝镓砷/镓砷、铝镓砷/铟镓砷和铝镓铟磷/砷化镓。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述量子阱结构所在的衬底材料选自于直接带隙的III-V族半导体材料。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤B之前和/或之后还包括：

步骤C，在所述表面牺牲层上在沉积介质保护层。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述介质保护层的厚度介于50nm～500nm之间，其材料选自于以下材料中的一种：氧化硅、氮化硅和铟镓砷。