專利名稱：同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高氧化層熱穩(wěn)定性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明用于光電子器件制作技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及在電注入GaAs基量子點光子晶體微腔發(fā)光器件制備過程中，一種高溫濕法氧化時利用SiO2保護(hù)層同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高AlxGa(1_x)As氧化層熱穩(wěn)定性的方法。
背景技術(shù)：
量子點光子晶體微腔器件在集成光學(xué)、量子信息學(xué)、腔量子電動力學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的用途，具有高Q值、小模體積的特點，可以制作納米尺寸的零閾值激光器，它避免了熱效應(yīng)帶來的一系列問題，應(yīng)用在集成光路中能大大提高系統(tǒng)的性能，降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。在它們的制備過程中，AlxGa(1_x)As犧牲層的側(cè)向濕法氧化是一個非常重要的步驟，可以實現(xiàn)對電流和光場的限制作用。濕法氧化技術(shù)是一種在300°C以上的高溫下用氮氣攜帶水蒸氣經(jīng)過樣品，樣品中的高Al組分AlxGa(1_x)As (O. 8彡x彡I)層和H2O發(fā)生反應(yīng)，生成致密、穩(wěn)定、和折射率低的 AlxOy0濕法氧化技術(shù)應(yīng)用在了如垂直表面發(fā)射激光器、單光子源、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和電注入光子晶體(微腔)激光器等多個方面。研究發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)結(jié)束后，會有部分氧化反應(yīng)產(chǎn)物單質(zhì)As殘留在氧化層中。殘留的As會降低氧化層的熱穩(wěn)定性，從而影響器件的性能。在實驗中，一般通過后續(xù)的高溫退火過程去掉殘留的As。但是，這樣一方面增加了器件表面崩裂的可能，也使制備器件的成本增加。另外，含有量子點有源區(qū)的GaAs層位于AlxGa(1_x)As犧牲層的上方。在高溫濕法氧化過程中，GaAs層的上表面直接暴露在H2O 蒸汽氣氛中，可以導(dǎo)致GaAs層的上表面被氧化。因為GaAs層較薄，即使輕微的氧化也會導(dǎo)致量子點發(fā)光特性的嚴(yán)重下降?；诖耍景l(fā)明是在GaAs的上表面利用等離子體化學(xué)氣相淀積法生長了一層SiO2 保護(hù)層，在高溫側(cè)向濕法氧化過程中，它既可以阻止GaAs蓋層被氧化，保持量子點的發(fā)光特性；同時又可以提聞AlxGa(1_x)As氧化層的熱穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種在高溫側(cè)向濕法氧化過程中同步實現(xiàn)阻止 GaAs蓋層氧化和提高AlxGa(1_x)As氧化層熱穩(wěn)定性的方法。這樣既保持了量子點的發(fā)光特性，又減少了后續(xù)高溫退火過程對器件表面損傷，有利于制備高性能的器件；同時減少了工藝步驟，使器件的制備成本下降。( 二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高氧化層熱穩(wěn)定性的方法，包括如下步驟步驟I、在GaAs襯底上外延生長厚度為100 500nm的GaAs緩沖層；
步驟2、在GaAs緩沖層上外延生長一定厚度的AlxGa(1_x)As犧牲層，其中
O.8彡X彡I ;步驟3、在AlxGa(1_x)As犧牲層上外延生長厚度為50 150nm的第一 GaAs層；步驟4、在第一 GaAs層上外延生長InAs量子點；步驟5、在InAs量子點上外延生長厚度為50 150nm的第二 GaAs層，將InAs量子點埋住；步驟6、在第二 GaAs層上生長一定厚度的SiO2薄膜；步驟7、采用紫外光刻和等離子體刻蝕方法制作圓柱形臺面；步驟8、氧化前，在氮氣保護(hù)和所需預(yù)熱溫度下，將樣品放入氧化爐中預(yù)熱一定時間；步驟9、預(yù)熱結(jié)束后，關(guān)閉氮氣通路，用一定流量的另一路氮氣攜帶水蒸氣經(jīng)過樣品，高溫下側(cè)向濕法氧化一定時間；步驟10、高溫側(cè)向濕法氧化結(jié)束后，將樣品取出，在室溫下自然冷卻。上述方案中，步驟2中所述AlxGa(1_x)As犧牲層的厚度為300 lOOOnm。上述方案中，步驟6中所述的在第二 GaAs層上生長一定厚度的SiO2薄膜，是采用等離子體化學(xué)氣相淀積法生長的，所述SiO2薄膜厚度為50 500nm。上述方案中，步驟7中所述采用紫外光刻和等離子體刻蝕方法制作圓柱形臺面， 具體包括步驟A :采用紫外光刻方法在光刻膠上形成圓柱形臺面圖形；步驟B :采用反應(yīng)離子刻蝕方法將膠上圖形轉(zhuǎn)移至SiO2層上；步驟C :去除SiO2表面剩余的光刻膠，采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕方法將SiO2表面上的圖形轉(zhuǎn)移至GaAs上，一直刻蝕到GaAs緩沖層的上表面為止。上述方案中，步驟7中所述圓柱形臺面的直徑為20 200 μ m，臺面的高度為 300 1500nmo上述方案中，步驟8中所述的樣品預(yù)熱時間為I 10分鐘，預(yù)熱溫度為350 580。。。上述方案中，步驟9中所述的氮氣流量為O. 5 3L/分鐘，水溫為80 95°C，氧化溫度為350 580°C，氧化時間為O. 5 3h。(三)有益效果本發(fā)明提供的這種高溫濕法氧化時利用SiO2保護(hù)層同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高AlxGa(1_x)As氧化層熱穩(wěn)定性的方法，由于氧化過程中被氧化區(qū)域中反應(yīng)產(chǎn)物As擴(kuò)散進(jìn)入GaAs層，所以提高了 AlxGa(1_x)As氧化層的熱穩(wěn)定性，減少了后續(xù)高溫退火對器件表面的損傷，同時減少了工藝步驟，使器件的制備成本下降；又能阻止GaAs蓋層的氧化，使量子點的發(fā)光性質(zhì)基本不受影響。這些優(yōu)點為高性能光電子器件的制備提供了基礎(chǔ)。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合具體實施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖I是本發(fā)明提供的高溫濕法氧化時利用SiO2保護(hù)層同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高AlxGa(1_x)As氧化層熱穩(wěn)定性的方法流程圖；圖2是本發(fā)明提供的制作完畢的GaAs基圓柱形臺面的示意圖；圖3是直徑為50 μ m臺面氧化前后的拉曼光譜圖。其中，(a)為無SiO2保護(hù)層的樣品；(b)為具有SiO2保護(hù)層的樣品。測量位置到臺面中心的距離分別是22.5μπι(ΙΙ)， 15 μ m(III)，7. 5 μ m(IV)，0 μ m(V)，曲線I是未氧化樣品的拉曼光譜圖。圖4是被氧化樣品的正面和截面的光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡圖。其中，(a)和(C)為無SiO2保護(hù)層的樣品；(b)和(d)為具有SiO2保護(hù)層的樣品。圖5是氧化前后樣品的熒光光譜。(a)氧化前樣品的熒光光譜；(b)高溫濕法氧化后，有無SiO2保護(hù)層樣品的熒光光譜比較。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖I所示，其是本發(fā)明提供的高溫濕法氧化時利用SiO2保護(hù)層同步實現(xiàn)阻止 GaAs蓋層氧化和提聞AlxGa(1_x)As氧化層熱穩(wěn)定性的方法流程圖，包括如下步驟步驟I、在GaAs襯底上外延生長100 500nm的GaAs緩沖層；步驟2、在GaAs緩沖層上外延生長一定厚度的AlxGa(1_x)As犧牲層，其中
O.8彡X彡I ;步驟3、在AlxGa(1_x)As犧牲層上外延生長50 150nm的第一 GaAs層；步驟4、在第一 GaAs層上外延生長InAs量子點；步驟5、在InAs量子點上外延生長50 150nm的第二 GaAs層，將InAs量子點埋??；步驟6、在第二 GaAs層上生長一定厚度的SiO2薄膜；步驟7、采用紫外光刻和等離子體刻蝕方法制作圓柱形臺面；步驟8、氧化前，在氮氣保護(hù)和所需預(yù)熱溫度下，將樣品放入氧化爐中預(yù)熱一定時間；步驟9、預(yù)熱結(jié)束后，關(guān)閉氮氣通路，用一定流量的另一路氮氣攜帶水蒸氣經(jīng)過樣品，高溫下側(cè)向濕法氧化一定時間；步驟10、高溫側(cè)向濕法氧化結(jié)束后，將樣品取出，在室溫下自然冷卻。上述步驟2所述的AlGaAs犧牲層Al組分的取值為x = O. 85，厚度為420nm。上述步驟6所述的SiO2薄膜是采用等離子體化學(xué)氣相淀積法生長的，所述SiO2薄膜厚度為170nm。上述方案中，所述的采用紫外光刻和等離子體刻蝕方法制作圓柱形臺面，具體包括(A)采用紫外光刻方法在光刻膠上形成圓柱形臺面圖形；(B)采用反應(yīng)離子刻蝕方法將膠上圖形轉(zhuǎn)移至SiO2層上；(C)去除SiO2表面剩余的光刻膠，采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕方法將SiO2表面上的圖形轉(zhuǎn)移至GaAs上。圓柱形臺面的直徑為50 μ m,臺面的高度為770nm， 即一直刻蝕到GaAs緩沖層的上表面為止。上述步驟8所述的樣品預(yù)熱時間為5分鐘，預(yù)熱溫度為550°C。上述步驟9所述的氮氣流量為I. 5L/分鐘，水溫為90°C，氧化溫度為550°C，氧化時間為2. 5h。圖2所示為制作完畢的GaAs基圓柱形臺面的示意圖，與以往不同的是在臺面正上方另外淀積了一層SiO2層，這是本發(fā)明的核心部分。在高溫濕法氧化時，這層SiO2層能夠同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高AlxGa(1_x)As氧化層熱穩(wěn)定性。這樣既保持了量子點的發(fā)光特性，又減少了后續(xù)高溫退火過程對器件表面損傷，有利于制備高性能的光電子器件。圖3是直徑為50 μ m臺面氧化前后的拉曼光譜圖。其中，(a)為無SiO2保護(hù)層的樣品；(b)為具有SiO2保護(hù)層的樣品。測量位置到臺面中心的距離分別是22.5μπι(ΙΙ)， 15 μ m(III)，7. 5 μ m(IV), O μ m(V)，曲線I是未氧化樣品的拉曼光譜圖。對于無SiO2保護(hù)層的樣品，圖譜中除了 GaAs的拉曼峰外，還有氧化反應(yīng)產(chǎn)物As的峰。而對于有SiO2保護(hù)層的樣品，圖譜中只有GaAs的拉曼峰。由于GaAs層較薄，且SiO2在可見光范圍內(nèi)是透明的，所以入射光可以到達(dá)被氧化區(qū)域。所以As拉曼峰的不存在說明具有SiO2保護(hù)層樣品被氧化區(qū)域中不含氧化反應(yīng)產(chǎn)物As。在GaAs材料中,As原子能夠填充Ga空位(Vea)形成As的反位缺陷(Asea)。它們也能存在于InAs/GaAs量子點結(jié)構(gòu)中，且它們的濃度與生長速率和襯底溫度相關(guān)。在高溫濕法氧化過程中，由于Ga原子向外擴(kuò)散進(jìn)入SiO2保護(hù)層，在GaAs/Si02界面上表面就會產(chǎn)生大量的Ga空位Vea。由于GaAs (6. 03 X 10_6°C ^1)有比SiO2 (O. 52 X IO-6oC ^1) 大得多的熱膨脹系數(shù)，所以在GaAs里會產(chǎn)生壓應(yīng)力。這個壓應(yīng)力可以使界面附近的Vea迅速向GaAs內(nèi)部擴(kuò)散，擴(kuò)散深度達(dá)幾個微米，且均勻分布。另外，在濃度梯度的作用下，被氧化區(qū)域中的As原子可以擴(kuò)散進(jìn)入GaAs層。這樣，在GaAs層中As原子就可能填充Vea形成反位缺陷As0ao由于進(jìn)入GaAs層的As原子不斷形成反位缺陷，被氧化區(qū)域中的As原子就可以不斷擴(kuò)散進(jìn)入GaAs層。所以被氧化區(qū)域中的As原子被大量消耗，提高了氧化層的熱穩(wěn)定性。圖4是被氧化樣品的正面和截面的光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡圖。其中，(a)和(C) 為無SiO2保護(hù)層的樣品；(b)和(d)為具有SiO2保護(hù)層的樣品。通過測量可以發(fā)現(xiàn)，有無 SiO2保護(hù)層樣品的氧化長度基本相等，即SiO2層對AlxGa(1_x)As犧牲層的氧化速率基本無影響。由于氧化后折射率發(fā)生變化，氧化/非氧化部分的界面非常明顯。具有SiO2保護(hù)層樣品被氧化區(qū)域的顏色比無SiO2保護(hù)層樣品被氧化區(qū)域的顏色深得多，即兩種樣品的被氧化區(qū)域存在較大的襯度；但是，其它對應(yīng)區(qū)域的顏色基本一致，即不存在襯度。由于截面平整光滑，所以兩種樣品被氧化區(qū)域的襯度來源于組分襯度。組分襯度與平均原子序數(shù)相關(guān)。 平均原子序數(shù)越大，二次電子的產(chǎn)額就越多，對應(yīng)區(qū)域就明亮。被氧化區(qū)域含有的元素為0， Al，Ga，As，它們的原子序數(shù)依次增大。圖3拉曼光譜表明，具有SiO2保護(hù)層樣品被氧化區(qū)域不含有氧化反應(yīng)產(chǎn)物As，所以導(dǎo)致該區(qū)域的平均原子序數(shù)變小，即有較深的襯度。再參閱圖3和圖4，二者的結(jié)果均表明具有SiO2保護(hù)層樣品被氧化區(qū)域中不含有氧化反應(yīng)產(chǎn)物As，這樣就提高了 AlxGa(1_x)As氧化層的熱穩(wěn)定性，同時減少了工藝步驟，使器件的制備成本下降。圖5是氧化前后樣品的熒光光譜。(a)氧化前樣品的熒光光譜；(b)高溫濕法氧化后，有無SiO2保護(hù)層樣品的熒光光譜比較。氧化前，樣品的基態(tài)和激發(fā)態(tài)發(fā)光峰位于1260nm 和1200nm，且基態(tài)發(fā)光峰的半高全寬為46nm。為了更好地說明SiO2層的保護(hù)效果，我們使用了三組對比樣品。高溫濕法氧化后，具有SiO2保護(hù)層樣品的發(fā)光強(qiáng)度比無SiO2保護(hù)層樣品的發(fā)光強(qiáng)度強(qiáng)的多。具有SiO2保護(hù)層樣品的發(fā)光峰位和半高全寬與氧化前的樣品基本一致，而無SiO2保護(hù)層樣品的發(fā)光峰位紅移，半高寬展寬。這說明SiO2層有效地阻止了 GaAs 蓋層的氧化，使量子點的發(fā)光性質(zhì)基本不受影響。由于無SiO2層樣品的GaAs蓋層表面直接暴露于高溫水汽環(huán)境中，其上表面會被氧化。這樣就會導(dǎo)致GaAs蓋層對量子點限制作用的減弱，使量子點的禁帶寬度變小，即發(fā)光峰位發(fā)生紅移。另外，氧化時，無SiO2保護(hù)層的樣品還會在GaAs蓋層表面產(chǎn)生大量的非福射復(fù)合中心。由于非福射復(fù)合，載流子壽命變小， 量子點的發(fā)光強(qiáng)度變?nèi)?，半高全寬展寬。再參閱圖3、圖4和圖5，它們的結(jié)果表明=SiO2層的存在既能提高AlxGa(1_x)As氧化層的熱穩(wěn)定性，減少后續(xù)高溫退火對器件表面的損傷，同時減少工藝步驟，使器件的制備成本下降；又能阻止GaAs蓋層的氧化，使量子點的發(fā)光性質(zhì)基本不受影響。這些優(yōu)點為高性能光電子器件的制備提供了基礎(chǔ)。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高氧化層熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟I、在GaAs襯底上外延生長厚度為100 500nm的GaAs緩沖層；步驟2、在GaAs緩沖層上外延生長一定厚度的AlxGa(1_x)As犧牲層，其中O. 8彡x彡I ; 步驟3、在AlxGa(1_x)As犧牲層上外延生長厚度為50 150nm的第一 GaAs層；步驟4、在第一 GaAs層上外延生長InAs量子點；步驟5、在InAs量子點上外延生長厚度為50 150nm的第二 GaAs層，將InAs量子點埋??；步驟6、在第二 GaAs層上生長一定厚度的SiO2薄膜；步驟7、采用紫外光刻和等離子體刻蝕方法制作圓柱形臺面；步驟8、氧化前，在氮氣保護(hù)和所需預(yù)熱溫度下，將樣品放入氧化爐中預(yù)熱一定時間； 步驟9、預(yù)熱結(jié)束后，關(guān)閉氮氣通路，用一定流量的另一路氮氣攜帶水蒸氣經(jīng)過樣品，高溫下側(cè)向濕法氧化一定時間；步驟10、高溫側(cè)向濕法氧化結(jié)束后，將樣品取出，在室溫下自然冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高氧化層熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，步驟2中所述AlxGa(1_x)As犧牲層的厚度為300 lOOOnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高氧化層熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，步驟6中所述的在第二 GaAs層上生長一定厚度的SiO2薄膜，是采用等離子體化學(xué)氣相淀積法生長的，所述SiO2薄膜厚度為50 500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高氧化層熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，步驟7中所述采用紫外光刻和等離子體刻蝕方法制作圓柱形臺面，具體包括步驟A :采用紫外光刻方法在光刻膠上形成圓柱形臺面圖形；步驟B :采用反應(yīng)離子刻蝕方法將膠上圖形轉(zhuǎn)移至SiO2層上；步驟C :去除SiO2表面剩余的光刻膠，采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕方法將SiO2表面上的圖形轉(zhuǎn)移至GaAs上，一直刻蝕到GaAs緩沖層的上表面為止。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高氧化層熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，步驟7中所述圓柱形臺面的直徑為20 200 μ m，臺面的高度為300 1500nmo
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高氧化層熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，步驟8中所述的樣品預(yù)熱時間為I 10分鐘，預(yù)熱溫度為350 580°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高氧化層熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于，步驟9中所述的氮氣流量為O. 5 3L/分鐘，水溫為80 95°C，氧化溫度為350 580°C，氧化時間為O. 5 3h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在高溫濕法氧化時同步實現(xiàn)阻止GaAs蓋層氧化和提高AlxGa(1-x)As氧化層熱穩(wěn)定性的方法。該方法是通過在GaAs層上采用等離子體化學(xué)氣相淀積法生長一定厚度的SiO2薄膜而實現(xiàn)的。利用本發(fā)明，既能提高AlxGa(1-x)As氧化層的熱穩(wěn)定性，減少后續(xù)高溫退火過程對器件表面的損傷，同時減少了工藝步驟，使器件的制備成本下降；又能阻止GaAs蓋層的氧化，使量子點的發(fā)光性質(zhì)基本不受影響。這些優(yōu)點為高性能光電子器件的制備提供了基礎(chǔ)。
文檔編號H01L33/00GK102610714SQ20121008321
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者葉小玲, 周文飛, 張世著, 徐波, 王占國 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所