CN103762158A - 利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，包括如下步骤：步骤A：在量子阱结构片上的量子阱层上沉积表面牺牲层；步骤B：激光通过具有送气功能的激光头，在表面牺牲层上聚焦，形成反应气的激光等离子体；步骤C：控制该激光等离子体轰击表面牺牲层，将部分表面牺牲层进行改性，形成改性区；步骤D：退火，通过热诱导作用将激光等离子体改性区的化学变性或结构缺陷传递到量子阱结构内，使量子阱层的阱／垒成分互混，实现量子阱结构的带隙波长蓝移。本发明可以很好地进行选区量子阱混和。

Description

利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法
技术领域
本发明涉及半导体光器件和光子集成电路技术，特别涉及一种利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法。
背景技术
光子集成是把数十个甚至数百个光元件集成到一个单一的集成电路或者芯片上，由于将各种不同的光设备集合在一个芯片上难度甚大，因此把光子集成电路商品化的进程十分缓慢。与基于硅材料的微电子集成电路最大的不同，单片光子集成电路目前主要基于铟磷镓砷材料体系，并且需要在同一个衬底上形成各种不同光子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，发展起了多种技术如对接生长法，选择区域生长法，量子阱混和法和双波导法等。其中量子阱混和技术(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和，例如：(1)无杂质空位扩散技术是实现了量子阱混和一个重要方法。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和，但是该方法所需温度太高，不易选区控制；(2)通过光的方法也实现了量子阱混和，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和；随后，采用脉冲宽度为数纳秒的Nd:YAG激光也实现了选区量子阱混和和器件研制，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。(3)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和；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和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；整体而言，目前依赖于离子注入实现QWI的方法最为成熟，但是该方法需要与光刻、刻蚀等技术联合才能实现区域性的改变带隙宽度。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明的目的在于，提供一种利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，该方法类似最成熟的离子注入技术，借助激光电离特殊气氛产生的等离子体形成高速的离子和原子，但是这种等离子体区域大小可以控制，特别是当利用超短脉冲激光时可以实现微米甚至亚微米量级的等离子体区，这样可以很好地进行选区量子阱混和。
本发明提供一种利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，包括如下步骤：
步骤A：在量子阱结构片上的量子阱层上沉积表面牺牲层；
步骤B：激光通过具有送气功能的激光头，在表面牺牲层上聚焦，形成反应气的激光等离子体；
步骤C：控制该激光等离子体轰击表面牺牲层，将部分表面牺牲层进行改性，形成改性区；
步骤D：退火，通过热诱导作用将激光等离子体改性区的化学变性或结构缺陷传递到量子阱结构内，使量子阱层的阱／垒成分互混，实现量子阱结构的带隙波长蓝移。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
相比离子注入技术诱导量子阱混和而言，利用微区激光等离子体技术诱导量子阱混和可以节约时间，可以更加容易得实现选区操作。
这种微区激光等离子体技术可以灵活操作，可以通过控制激光参数和气氛参数灵活适应各种不同的量子阱结构，可以实现大规模产业化。
如果激光选用飞秒脉冲激光可以实现亚微米的微区等离子体，这种精度非常高可以实现纳米器件的光子集成，有益于下一代的光子集成工艺。
附图说明
为使本发明的目的、内容更加清楚明白，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如后，其中：
图1为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，包括如下步骤：
步骤A：在量子阱结构片上的量子阱层上沉积表面牺牲层，表面牺牲层的厚度为50nm-500nm，其材料为磷化铟、铟镓砷、铟镓砷磷、铝镓砷、二氧化硅或氮化硅，所述量子阱层为单量子阱结构或多量子阱结构，该量子阱层为铟镓砷／铟镓砷磷、铝镓砷／镓砷、铝镓砷／铟镓砷或铝镓铟磷／砷化镓；
步骤B：激光通过具有送气功能的激光头，在表面牺牲层上聚焦，形成反应气的激光等离子体，所述的送气功能通常是带喷嘴的同轴送气，可以控制气体流量、压强和速度；所述的的激光为脉冲激光，主要是超短脉冲激光，但是不局限于超短脉冲也可以包括其他脉冲激光，只要它的峰值功率密度足以电离相应的反应气，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；所述反应气是易于实现掺杂并且不太影响量子阱区光吸收性能的各类气体，包括氦气、氮气或氩气等；所述的反应气的激光等离子体的特性参数包含等离子体的电子和离子密度、速度、加速度和温度；可以通过改变激光参数以形成不同的激光等离子体特性(等离子体的电子和离子密度、速度、加速度、温度等)，这些激光参数包括平均功率、激光波长、脉冲通量、脉宽、脉冲数或偏振模式、光束质量；
步骤C：控制该激光等离子体轰击表面牺牲层，将部分表面牺牲层进行改性，形成改性区；激光微区电离产生的气体等离子体膨胀开来，离子具有较高的动量，轰击量子阱结构片的表面牺牲层，例如由于存在化学分解效应磷化铟中的磷会减少以及形成了空位缺陷，由于存在离子轰击，一些反应气的离子或者原子会进入表面层，就在表面牺牲层形成了改性区；通过定位和扫描的方法形成需要指定位置和不同面积的改性区；
其中在步骤B之前或步骤C之后，在表面牺牲层上制备一层保护层，所述保护层的厚度为50nm-500nm，保护层的厚度如果低于50nm，激光等离子体处理时有可能直接损坏量子阱结构，如果高于500nm，则空位缺陷的传递较为困难；保护层的材料为氧化硅、三氧化二铝、氮化硅或磷化铟，还可以是这些材料的复合膜层，这样处理主要是基于安全保护考虑，一方面保护材料表面质量，另一方面减少有害气体的逸出；
步骤D：退火，通过热诱导作用将激光等离子体改性区的化学变性或结构缺陷传递到量子阱结构内，使量子阱层的阱／垒成分互混，实现量子阱结构的带隙波长蓝移，所述退火的时间为20s-3min，退火温度为500℃-850℃，所述退火的方式包括：电热退火、红外热退火或激光退火。
综上所述，本发明提供一种利用脉冲激光等离子体技术在表面牺牲层制造杂质缺陷、点缺陷或者空位缺陷，并通过快速热退火将表面牺牲层的缺陷传递至量子阱结构，从而准确控制带隙蓝移量的方法，可以实现单片光子集成电路上可以通过控制激光等离子体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 (10)

1.一种利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，包括如下步骤：
步骤A：在量子阱结构片上的量子阱层上沉积表面牺牲层；
步骤B：激光通过具有送气功能的激光头，在表面牺牲层上聚焦，形成反应气的激光等离子体；
步骤C：控制该激光等离子体轰击表面牺牲层，将部分表面牺牲层进行改性，形成改性区；
步骤D：退火，通过热诱导作用将激光等离子体改性区的化学变性或结构缺陷传递到量子阱结构内，使量子阱层的阱／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所述的利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，其中在步骤B之前或步骤C之后，在表面牺牲层上制备一层保护层。
3.根据权利要求2所述的利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，其中所述保护层的厚度为50nm-500nm，其材料为氧化硅、三氧化二铝、氮化硅或磷化铟。
4.根据权利要求1所述的利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，其中步骤B中的激光为脉冲激光。
5.根据权利要求1所述的利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，其中步骤B所述的反应气的激光等离子体的特性参数包含等离子体的电子和离子密度、速度、加速度和温度。
6.根据权利要求5所述的利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，其中所述反应气包括氦气、氮气或氩气。
7.根据权利要求1所述的利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，其中所述步骤D中退火的时间为20s-3min，退火温度为500℃-850℃。
8.根据权利要求7所述的利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，其中所述退火的方式包括：电热退火、红外热退火或激光退火。
9.根据权利要求1所述的利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，其中步骤A中的表面牺牲层的厚度为50nm-500nm，其材料为磷化铟、铟镓砷、铟镓砷磷、铝镓砷、二氧化硅或氮化硅。
10.根据权利要求9所述的利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法，其中所述量子阱层为单量子阱结构或多量子阱结构，该量子阱层为铟镓砷／铟镓砷磷、铝镓砷／镓砷、铝镓砷／铟镓砷或铝镓铟磷／砷化镓。
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