專利名稱：一種量子阱混雜方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制作基于化合物半導(dǎo)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(dǎo)的一種量子阱混雜方法。
背景技術(shù)：
隨著光電子器件和光纖技術(shù)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(dǎo)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(shù)不僅工藝復(fù)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雜(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(jìn)量 子阱阱層與壘層的相互擴(kuò)散，達(dá)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(dǎo)無序(IID)，光吸收誘導(dǎo)無序(PAID)，離子注入誘導(dǎo)無序 (IICD)，無雜質(zhì)空位擴(kuò)散(IFVD)等等。 另一種氬等離子體誘導(dǎo)的量子阱混雜技術(shù)，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(dǎo)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(kuò)散到量子阱區(qū)域，導(dǎo)致量子阱和壘的原子成分在界面處混雜，從而改變 量子阱的能帶結(jié)構(gòu)。 上述氬等離子體誘導(dǎo)的量子阱混雜技術(shù)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(xiàn)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雜方法，利用氮等離子體誘導(dǎo)，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(shù)問題采用的技術(shù)方案是 技術(shù)方案一 本發(fā)明首先在磷化銦襯底上生長包含量子阱區(qū)域的外延層，所述外延層表面包含 一個非工作用途的犧牲層；經(jīng)掩模層沉積、光刻、掩模層刻蝕工藝過程后用掩模保護(hù)局部區(qū) 域的外延層，然后利用氮等離子體作為等離子源，局部處理未被保護(hù)區(qū)域的外延層表面的 犧牲層，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(kuò)散到量子阱區(qū) 域，導(dǎo)致量子阱和壘的成分在界面處混雜，從而局部改變量子阱區(qū)域的能帶結(jié)構(gòu)。
技術(shù)方案二 本發(fā)明首先在磷化銦襯底上生長包含量子阱區(qū)域的第一次外延層，所述第一次外延層表面包含一個非工作用途的犧牲層；經(jīng)掩模層沉積、光刻、掩模層刻蝕工藝過程后用掩 模保護(hù)局部區(qū)域的第一次外延層，然后利用氮等離子體作為等離子源，局部處理未被保護(hù) 區(qū)域的第一次外延層表面的犧牲層，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(kuò)散到量子阱區(qū)域，導(dǎo)致量子阱和壘的成分在界面處混雜，從而局部改變量子 阱區(qū)域的能帶結(jié)構(gòu)；然后去除第一次外延層表面的犧牲層，最后在表面生長第二次外延層。
以上兩種技術(shù)方案的工藝條件均為 所述氮等離子體是由感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)產(chǎn)生，所述感應(yīng)耦合等離子體刻蝕 機(jī)的氣體流量為10 200sccm，感應(yīng)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(dǎo)體晶片包含InGaAsP/InP量子阱區(qū)域。 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(dǎo)的量子阱混雜技術(shù)中，刻蝕作用的負(fù)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。技術(shù)方案一的另外一個優(yōu)點 是采用一次生長外延層的方法，工藝比技術(shù)方案二更簡單。技術(shù)方案二的另外一個優(yōu)點是 采用二次生長外延層的方法，使缺陷向下運動到量子阱區(qū)域的深度更淺，從而達(dá)到更直接 的量子阱混雜效果。


圖1是一次生長外延層方法的工藝流程圖。
圖2是二次生長外延層方法的工藝流程圖。 圖3是一次生長外延層方法的晶片在生長外延層之后、等離子體處理之前的層狀 結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是二次生長外延層方法的晶片在第一次外延之后、等離子體處理之前的層狀 結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是二次生長外延層方法的晶片在第二次外延之后的層狀結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6是量子阱混雜前后的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7是退火溫度和光致發(fā)光譜峰值波長偏移之間的關(guān)系圖。 圖8是量子阱混雜前后的光致發(fā)光譜示意圖。 圖中11、磷化銦襯底，12、外延層，12a、去掉犧牲層后的外延層，12b、第一次外延 層，12c、去掉犧牲層后的第一次外延層，13、量子阱區(qū)域，14、犧牲層，15、晶格缺陷，16、氮等 離子體，17、第二次外延層，18、掩模，202、緩沖層，203、漸變層，204、量子阱，205、壘，206、漸 變層，208、上包層，209、阻刻層，210、上包層，211、蓋層，31、量子阱階躍能帶，32、量子阱漸
變能帶。
具體實施例方式
本發(fā)明需要的設(shè)備包括感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)(ICP)和快速熱處理設(shè)備
4(RTP)。實例中使用的ICP系統(tǒng)有射頻功率源和感應(yīng)耦合等離子體功率源兩個功率源，功率 分別可以達(dá)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(dǎo)體材料進(jìn)行表面處理。使用的RTP設(shè)備溫度范圍 為150°C 130(TC，升溫速率為10(TC 20(TC/s，可以在幾秒鐘時間內(nèi)達(dá)到預(yù)定溫度，實現(xiàn) 快速熱退火。同時，該設(shè)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。 —次生長外延層方法的過程如下(如圖1所示) 首先在磷化銦襯底11上生長包含量子阱區(qū)域13的外延層12。晶片在生長外延 層12之后、生長掩模18之前的層狀結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。該晶片是由金屬有機(jī)物氣相 化學(xué)沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)生長的兩英寸、InGaAsP/InP激光器結(jié)構(gòu)多量子阱 晶片。該晶片的底層是磷化銦襯底ll。磷化銦襯底11上面為外延層12。外延層12的結(jié) 構(gòu)從下而上依次為緩沖層202，漸變層203，量子阱區(qū)域13，漸變層206，上包層208，阻刻層 209，上包層210和蓋層211和犧牲層14。其中的量子阱區(qū)域13是由八個量子阱204和七 個壘205間隔排列而成。 在外延層12生長后，經(jīng)掩模層(如二氧化硅層)沉積、光刻、掩模層刻蝕等工藝 過程后用掩模18保護(hù)局部區(qū)域的外延層，然后對未被保護(hù)區(qū)域進(jìn)行局部量子阱混雜處理， 工藝步驟如下(如圖l所示)。首先，對樣品進(jìn)行清洗。然后使用ICP對樣品進(jìn)行等離子 體處理，通入的反應(yīng)氣體是氮氣，氣體流量為10 200sccm，感應(yīng)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16會轟擊樣品的犧牲層14表面， 所以會在表面生產(chǎn)大量晶格缺陷15。然后使用RTP在氮氣環(huán)境下進(jìn)行快速退火，退火時間 為30秒 2分鐘，退火溫度為600°C 800°C。快速退火之后，部分晶格缺陷向下運動到量 子阱區(qū)域13，從而使量子阱204和壘205的成分互相融合?？焖偻嘶饡r，為了防止高溫條件 下磷原子的流失，樣品需要夾在兩片磷化銦保護(hù)片中間提供磷原子的保護(hù)氣氛。退火后，將 犧牲層14用濕法腐蝕的方法去掉，即外延層12變成去掉犧牲層后的外延層12a。此時可以 測量它們在室溫下的光致發(fā)光譜線，驗證量子阱混雜的效果。 從上述工藝過程可以看出，犧牲層14為非器件工作用途的工藝輔助層，其作用是
使等離子處理產(chǎn)生的缺陷限制在這層犧牲層內(nèi)，在快速退火之后被去掉。 二次生長外延層方法的過程如下(如圖2所示) 首先在磷化銦襯底11上生長包含量子阱區(qū)域13的第一次外延層12b。晶片在生 長第一次外延層12b之后、生長掩模18之前的層狀結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。該晶片是由金 屬有機(jī)物氣相化學(xué)沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)生長的兩英寸、InGaAsP/InP激光器 結(jié)構(gòu)多量子阱晶片。該晶片的底層是磷化銦襯底ll。磷化銦襯底ll上面為第一次外延層 12b。第一次外延層12b的結(jié)構(gòu)從下而上依次為緩沖層202，漸變層203，量子阱區(qū)域13，漸 變層206和犧牲層14。其中的量子阱區(qū)域13是由八個量子阱204和七個壘205間隔排列 而成。 在生長第一次外延層12b后，經(jīng)掩模層(如二氧化硅層)沉積、光刻、掩模層刻蝕 等工藝過程后用掩模18保護(hù)局部區(qū)域的外延層，然后對未被保護(hù)區(qū)域進(jìn)行量子阱混雜處 理，工藝步驟如下(如圖2所示)。首先，對樣品進(jìn)行清洗。然后使用ICP對樣品的犧牲層14進(jìn)行處理，通入的反應(yīng)氣體是氮氣，氣體流量為10 200sccm，感應(yīng)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16會轟擊樣品的犧牲層14表面，所以會在表面生產(chǎn)大量晶格缺陷15。然后使用RTP在氮氣環(huán)境下進(jìn)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螅糠志Ц袢毕菹蛳逻\動到量子阱區(qū)域13，從而使量子阱204和壘205的成分互相融合?？焖偻嘶饡r，為了防止高溫下磷原子的流失，樣品需要夾在兩片磷化銦保護(hù)片中間提供磷原子的保護(hù)氣氛。退火后，將犧牲層14用濕法腐蝕的方法去掉，即第一次外延層12b變成去掉犧牲層后的第一次外延層12c。此時可以測量它們在室溫下的光致發(fā)光譜線，驗證量子阱混雜的效果。
最后在表面生長第二次外延層17，形成如圖5所示的層狀結(jié)構(gòu)。該晶片的底層是磷化銦襯底11。磷化銦襯底11上面依次為去掉犧牲層后的第一次外延層12c和第二次外延層17。其中第二次外延層17的結(jié)構(gòu)從下而上依次為上包層208，阻刻層209，上包層210和蓋層211。 上述過程中犧牲層14為非器件工作用途的工藝輔助層，其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)，在快速退火之后被去掉。在生長第二次外延層17前，也
可以對晶片進(jìn)行加工處理，如制作分布反饋(DFB)光柵、局部去除量子阱等。 如圖6所示，處理之前的量子阱階躍能帶31變成處理之后量子阱漸變能帶32，禁
帶寬度由Eg增大為Eg'，從而實現(xiàn)量子阱混雜的目的。 實施例 由于掩模層沉積、光刻、掩模層刻蝕等工藝過程為眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)工藝過程，一次生長外延層方法與二次生長外延層的方法在量子阱混雜工藝的過程和效果上相同，這里僅對二次生長外延層結(jié)構(gòu)的量子阱混雜工藝的實施例進(jìn)行敘述。 首先生長好如圖4的帶犧牲層的外延層樣品，在生長掩模之后進(jìn)行ICP處理，參數(shù)如下氣體流量為80sccm，感應(yīng)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。接著進(jìn)行RTP處理，參數(shù)如下退火時間為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60(TC 80(TC，作為以上樣品的對照組。將所有樣品的犧牲層用稀硫酸腐蝕掉，然后測量每個樣品的光致發(fā)光譜(PL)。 如圖7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(dāng)溫度大于75(TC時，藍(lán)移達(dá)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(lán)移僅有20nm左右，800°C時位于35 40nm之間，遠(yuǎn)小于曲線1的藍(lán)移。曲線3表示經(jīng)過ICP和RTP處理之后，PL峰值強(qiáng)度隨RTP溫度變化的曲線。在75(TC時，強(qiáng)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(qiáng)度隨RTP溫度變化的曲線。在750°C以上，強(qiáng)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(lán)移(100nm以上)，即禁帶寬度明顯增大，同時強(qiáng)度也在容許范圍內(nèi)有所下降(50%以下)。如圖8所示給出了以上實驗中，原生片的PL曲線5、僅經(jīng)過75(TC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ICP刻蝕深度小于100nm，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(dá)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雜，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(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)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(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種量子阱混雜方法，其特征在于首先在磷化銦襯底上生長包含量子阱區(qū)域的外延層，所述外延層表面包含一個非工作用途的犧牲層；經(jīng)掩模層沉積、光刻、掩模層刻蝕工藝過程后用掩模保護(hù)局部區(qū)域的外延層，然后利用氮等離子體作為等離子源，局部處理未被保護(hù)區(qū)域的外延層表面的犧牲層，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(kuò)散到量子阱區(qū)域，導(dǎo)致量子阱和壘的成分在界面處混雜，從而局部改變量子阱區(qū)域的能帶結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子阱混雜方法，其特征在于所述氮等離子體是由感 應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)產(chǎn)生，所述感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)的氣體流量為10 200sccm， 感應(yīng)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. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子阱混雜方法，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. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子阱混雜方法，其特征在于所述化合物半導(dǎo)體晶片 包含InGaAsP/InP量子阱區(qū)域。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子阱混雜方法，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。
6. —種量子阱混雜方法，其特征在于首先在磷化銦襯底上生長包含量子阱區(qū)域的第 一次外延層，所述第一次外延層表面包含一個非工作用途的犧牲層；經(jīng)掩 模層沉積、光刻、 掩模層刻蝕工藝過程后用掩模保護(hù)局部區(qū)域的第一次外延層，然后利用氮等離子體作為等 離子源，局部處理未被保護(hù)區(qū)域的第一次外延層表面的犧牲層，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(kuò)散到量子阱區(qū)域，導(dǎo)致量子阱和壘的成分在界面 處混雜，從而局部改變量子阱區(qū)域的能帶結(jié)構(gòu)；然后去除第一次外延層表面的犧牲層；最 后在表面生長第二次外延層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種量子阱混雜方法，其特征在于所述氮等離子體是由感 應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)產(chǎn)生，所述感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)的氣體流量為10 200sccm， 感應(yīng)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。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種量子阱混雜方法，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。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種量子阱混雜方法，其特征在于所述第一外延層包含 InGaAsP/InP量子阱區(qū)域。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種量子阱混雜方法，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雜方法。首先在磷化銦襯底上生長包含量子阱區(qū)域的外延層，外延層表面包含一個非工作用途的犧牲層；經(jīng)掩模層沉積、光刻、掩模層刻蝕工藝過程后用掩模保護(hù)局部區(qū)域的外延層，然后利用氮等離子體局部處理未被保護(hù)區(qū)域的外延層表面的犧牲層，使其表面產(chǎn)生晶格缺陷；接著通過快速退火使部分晶格缺陷擴(kuò)散到量子阱區(qū)域，導(dǎo)致量子阱和壘的成分在界面處混雜，從而局部改變量子阱區(qū)域的能帶結(jié)構(gòu)。另一種采用二次生長外延層的方法也可以達(dá)到相同的效果。本發(fā)明克服了氬等離子體誘導(dǎo)的量子阱混雜技術(shù)中，刻蝕作用的負(fù)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B82B3/00GK101774540SQ201010108240
公開日2010年7月14日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者何建軍, 張欣, 彭盛華 申請人:浙江大學(xué)