CN105826223B - 用于二维电子气结构的退火炉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于二维电子气结构的退火炉。一种退火炉包括：炉体，包括：基座；罩，气密地覆盖基座以限定退火空间；样品台，设置在退火空间中以支承退火样品；加热部件，设置在样品台内部；温度传感器，设置在样品台上；以及气路限定部件，具有筒状并且设置为围绕样品台，气体入口和气体出口之一位于气路限定部件围绕的区域中，另一个位于其外；以及控制系统，包括：电源，用于给所述加热部件提供加热功率；以及温度控制部件，用于基于温度控制信息和所述温度传感器感测到的退火温度来生成温度控制信号，并且使用所述温度控制信号来控制所述电源提供给所述加热部件的加热功率。

Description

用于二维电子气结构的退火炉
技术领域
本发明总体上涉及半导体制造领域，更特别地，涉及一种用于制作二维电子气结构的电极的退火炉。
背景技术
1978年，Dingle等人在AlGaAs/GaAs调制掺杂异质结中首次发现了高迁移率二维电子气(2DEG)。图1A示出AlGaAs/GaAs二维电子气结构的典型结构，图1B示出其能带图。如图1A和图1B所示，GaAs层4可形成在衬底2上，AlGaAs层6可形成在GaAs层4上并且与之直接接触，在AlGaAs层6上还可以形成有薄的GaAs盖层7，其中在AlGaAs层6的靠近GaAs层4的界面附近可以有一层非常薄的掺杂层，例如n型掺杂。当AlGaAs层6和GaAs层4直接接触时，由于界面处导带底Ec能量的突变，造成电荷(例如由薄的掺杂层提供的电子)向低势能处转移，而电荷的转移又使得界面处的电场发生变化，导致能带弯曲。宽禁带材料AlGaAs一侧的导带电子势能较高，会失去电子而形成耗尽层，同时能带弯曲形成势垒，阻止距离界面较远的电子的运动。而窄禁带材料GaAs一侧的导带中电子势能较低，会束缚电子，形成三角形势阱。当势阱的深度足够大时，电子在与半导体层垂直的方向上被限制在一个非常薄的区域中，只能沿着异质结界面的平面方向运动，形成所谓的二维电子气。而在AlGaAs层6与GaAs盖层7接触的界面处，由于离掺杂层较远，所以不会形成二维电子气。此外，已经开发了AlGaN/GaN二维电子气结构等。而且，二维电子气结构还可以包括AlGaAs/GaAs量子阱或AlGaN/GaN量子阱，其原理与前面的描述类似，这里不再赘述。
二维电子气结构不仅广泛地用于凝聚态物理科研领域，而且还已经应用到各种实用半导体器件中，例如高电子迁移率晶体管(HEMT)、发光二极管、激光器等。在将二维电子气结构用于实验研究或者应用到实用器件中时，需要制作电极以将二维电子气结构电连接到其他部件。电极的制作一般可采用两种方法。第一种方法是对半导体结构的一区域进行掺杂以使其成为导电区域，掺杂深度应至少达到二维电子气区域，然后在掺杂区域的表面上制作金属导电材料的电极。第二种方法可以直接在二维电子气结构的表面上制作金属导电材料的电极，然后通过退火工艺使得金属导电材料渗透到半导体材料内部，与二维电子气导电区域直接连通，从而实现导电连接。图1A示出用第二种方法形成的电极8，其渗透并且连接到二维电子气传导区域。与第一种方法相比，第二种方法规避了与离子注入相关的半导体制造工艺，而采用简单的退火工艺即可实现金属导电材料与二维电子气导电区域之间的物理和电连接，而且这样形成的电极接合紧密，不易脱落，所以是优选的。
遗憾的是，传统的退火炉设备并不能很好地满足制作用于二维电子气结构的电极的各方面要求。传统的退火炉不能控制退火环境，时常发生电极材料的氧化或退火不均，导致电极接触电阻过大，乃至不能接通，从而影响器件制作的效率和成品率。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种退火炉，其可以用于制作二维电子气结构的电极，并且能克服上述以及其他缺陷中的一个或多个。
本发明的另一方面在于提供一种具有电极的二维电子气结构，其能够克服上述以及其他缺陷中的一个或多个。
本发明的另一个方面在于提供一种制作二维电子气结构的电极的方法，其能够克服上述以及其他缺陷中的一个或多个。
根据本发明一示范性实施例，一种退火炉包括：炉体，包括：基座；罩，气密地覆盖所述基座以限定退火空间，所述基座上设置有用于向所述退火空间充入气体的气体入口和用于从所述退火空间排出气体的气体出口；样品台，设置在所述退火空间中且在所述基座上以用于支承退火样品；加热部件，设置在所述样品台内部以加热所述样品台；温度传感器，设置在所述样品台上以感测退火温度；以及气路限定部件，具有筒状并且设置为在所述基座上围绕所述样品台，所述气体入口和所述气体出口之一位于所述基座的被所述气路限定部件围绕的部分中，所述气体入口和所述气体出口中的另一个位于所述基座的被所述气路限定部件围绕的部分外；以及控制系统，包括：电源，用于给所述加热部件提供加热功率；以及温度控制部件，用于基于温度控制信息和所述温度传感器感测到的退火温度来生成温度控制信号，并且使用所述温度控制信号来控制所述电源提供给所述加热部件的加热功率。
在一些示例中，所述气路限定部件的上端与所述样品台的上表面平齐或者比之更高。
在一些示例中，所述炉体还包括：设置在所述基座与所述罩之间的密封圈；以及设置在所述基座上以支承所述样品台的支架。在一些示例中，所述控制系统还包括：气压计，用于监视所述退火空间中的气压；流量计，用于控制通过所述气体入口向所述退火空间提供气体的流速；以及壳体，所述控制系统的其他部件设置在所述壳体内，并且所述炉体设置在所述壳体上方。
在一些示例中，所述气体出口通过第一气体通道连接到抽气泵，并且还通过第二气体通道连接到外部大气环境。
根据本发明另一示范性实施例，一种使用上述退火炉对二维电子气结构进行退火的方法包括：提供二维电子气结构并且将其放置到所述样品台上，所述二维电子气结构具有形成在衬底上的半导体异质结或量子阱结构以及形成在所述半导体异质结或量子阱结构上的电极；对所述退火空间执行洗气步骤，包括将所述退火空间抽至预定真空度，然后充入退火气氛气体以达到大约一个大气压，重复该过程两次或更多次；执行退火气氛设定步骤，包括按预定流量持续向所述退火空间充入退火气氛气体，并且将所述气体出口连通至外部大气环境；以及执行加热步骤，包括将所述二维电子气结构加热至预定温度并且在该预定温度下保持预定时间。
在一些示例中，所述二维电子气结构包括AlGaAs/GaAs异质结或量子阱。在一些示例中，所述电极包括形成在所述AlGaAs/GaAs异质结或量子阱上的Pd层、形成在Pd层上的Ge层、以及形成在Ge层上的Au层。在一些示例中，所述退火气氛气体是氢/氮混合气体。
在一些示例中，所述预定温度在440℃至480℃的范围，所述预定时间在10分钟至1小时的范围。
在一些示例中，在所述加热步骤执行完成后，停止对所述二维电子气结构进行加热，而继续向所述退火空间充入退火气氛气体，以冷却所述二维电子气结构。
根据本发明又一示范性实施例，一种二维电子气结构包括：形成在衬底上的半导体异质结或量子阱结构，所述半导体异质结或量子阱结构中具有二维电子气传导区域；以及形成在所述半导体异质结或量子阱结构上的电极，所述电极包括依次形成在所述半导体异质结或量子阱结构上的Pd层、Ge层和Au层，其中，所述电极的材料通过退火工艺而渗入所述半导体异质结或量子阱中并且渗透到所述二维电子气传导区域，从而所述电极与所述二维电子气传导区域电连通。
在一些示例中，所述半导体异质结或量子阱结构是AlGaAs/GaAs异质结或量子阱。所述Pd层的厚度为10nm至50nm，所述Ge层的厚度为20nm至100nm，所述Au层的厚度为100nm至1μm。
附图说明
图1A示出二维电子气结构的结构示意图；
图1B示出图1A所示的二维电子气结构的能带图；
图2示出根据本发明一实施例的退火系统的框图；
图3示出根据本发明一实施例的退火炉的结构框图；以及
图4A至4C示出根据本发明一实施例的制作二维电子气结构的电极的过程示意图。
具体实施方式
下面参照图来描述本发明的示范性实施例。
图2示出根据本发明一实施例的退火系统的框图。如图2所示，退火系统包括由炉体20和控制系统40组成的退火炉，还包括通过气路经由控制系统40连接到炉体20的储气罐10和抽气泵12。控制系统40可以连接到电源例如墙壁上的电源插座14以给整个退火系统供电。
图3示出根据本发明一实施例的退火炉的结构框图，其主要包括炉体20和控制系统40两个部分，下面分别对其进行详细描述。
如图3所示，炉体20包括基座21和罩22，罩22可以覆盖在基座21上，二者之间可以设置有垫圈23，以限定气密密封的空间。在一些实施例中，基座21可以由金属例如不锈钢制成，也可以由多层材料制成，例如由两个金属层夹着中间的绝热材料例如玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐等以确保退火时的热效率。罩22可以是玻璃罩或石英罩，以便在提供气密密封的同时，还能观察炉内样品。在另一些实施例中，罩22也可以由例如不锈钢材料或者多层材料制成，并且可以在罩22上设置观察窗以观察炉内样品。垫圈23可以是例如橡胶垫圈，也可以是例如无氧铜垫圈等。在一些实施例中，还可以使用扣具或夹具等使得罩22被紧固或挤压到基座21上以确保二者之间的气密密封。应理解，基座21和罩22不限于图3所示的形状，而是可以采用各种形状。例如，在一些实施例中，基座21可以具有上端开口的圆筒形状，罩22可以是圆形平板形状，其覆盖圆筒形基座21的上端。
加热装置和样品台可以设置在基座21和罩22定义的气密空间中。具体而言，如图3所示，基座21上可以设置有支架24，支架24优选由绝热材料制成，例如玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐等，样品台25可以设置在支架24上。样品台25可以是中空金属结构，加热部件26可以设置在样品台25的内部空间中，以加热样品台25。样品台25优选由具有良好导热性和一定的热耐受性的金属材料制成，例如铝和铜等。在一些实施例中，样品台25可以是直径约1至10厘米，优选2至5厘米的铝块，以保证对其上的样品加热的均匀性。支架24可具有2厘米至20厘米，优选8至16厘米的高度，以将样品台25和基座21隔离开，从而防止热量从样品台25直接传导至基座21。加热部件26可以是电热丝，其可以是例如铁铬铝电热丝和镍铬电热丝等。加热部件26可以通过例如导线27连接到电源47，电源47将在下面进行详细描述。样品台25上还可以设置有温度传感器28，其可以是热电阻温度传感器或热电偶温度传感器等。温度传感器28可以通过导线29连接到温度控制器48，温度控制器48也将在下面进行详细描述。温度传感器28可以感测给样品加热的样品台25的温度，并且基于所感测的温度来控制加热部件26的电功率，从而控制样品台25的温度，该过程也将在下面进一步详细描述。
基座21上可以设置有气体入口31和气体出口32。气体入口31可以通过例如气体管道连接到储气罐10。储气罐10中可以储存有退火时所需的气氛气体，例如氢/氮混合气体，其中氢气和氮气的体积混合比可以为例如40:60至10:90，优选15:85。连接气体入口31和储气罐10的气体管道上可以设置有流量计42以控制储气罐10向气密空间提供气体的流速。气体出口31可以通过气体管道连接到抽气泵12以抽出炉体20的气密空间中的气体，抽气泵12的排出口可连接到废弃处理设施(未示出)或者直接连接到室外大气环境，气体出口31也可以通过气体管道直接连接到室外大气环境，这将在下面详细描述。基座21上还可以设置有开口33以用于连接气压计43，从而可以实时监视炉体20的气密空间中的气压。
如图3所示，炉体20中还可以设置有气路限定部件30，其可以是两端开放的圆筒部件。气路限定部件30位于基座21上并且包围样品台25，气体入口31可以位于基座21的被气路限定部件30包围的区域中，气体出口32可以位于基座21的在气路限定部件30外的区域中，或者反之亦可，并且气路限定部件30的上端应与样品台25的上表面基本平齐或者比之更高，从而确保在气体入口31和气体出口32之间流动的气体一定会流过样品台25上的退火样品。
控制系统40可包括设置在壳体41中的各种控制部件，其将在下面详细描述，上述炉体20可以设置在壳体41上。应理解，虽然这里描述了各种控制部件设置在壳体41中，并且壳体41提供了对这些控制部件的集成功能和美观的外表，但是这些控制部件中的一些或全部也可以不设置在壳体41内，或者根本没有壳体41。此外，壳体41的一个或多个面可以是开放的。
继续参照图3，控制系统40包括流量计42，其可以设置在连接储气罐10和炉体20的气体入口31的气体通道中以控制从储气罐10向炉体20的气密空间提供气体的流速。储气罐10和气体入口31之间的气体通道上还可以设置有阀门49以控制该气体通道的关断和打开。控制系统40还包括气压计43，其可以连接到炉体20的基座21上的气压计开口33以监视炉体20内的气压。
控制系统40可包括具有一个入口和两个出口的歧管44。歧管44的入口可以连接到炉体20的气体出口32，歧管44的两个出口可以分别连接到抽气泵12和外部大气环境，并且歧管44的上个支路上可以分别设置有阀门45和46以控制相应气路的开放和封闭。根据需要，可以打开阀门45，关闭阀门46，以用抽气泵12抽取炉体20内的气体；在另一些情况下，可以关闭阀门45而打开阀门46以将炉体20内的气体排放到大气环境中。应理解，虽然这里描述了两个阀门45和46，但是它们也可以形成为连接在歧管44的主路和两个支路之间的单个阀门，该单个阀门可以在三个位置切换以实现闭合主路、将主路连通到第一支路和将主路连通到第二支路这三种功能。在另一些实施例中，歧管44也可以被两条单独的气体通道锁代替，一条气体通道通过阀门45连接到抽气泵12，另一条通过阀门46连接到外部大气环境。在该情况下，可以相应地在基座21上设置两个气体出口32。
控制系统40还包括通过导线27连接到加热部件26的电源47以及通过导线29连接到温度传感器28的温度控制器48。温度控制器48可以接收用户输入的温度控制信息，例如设定的升温、保温和降温曲线等，以满足特定的退火要求。温度控制器48还可以接收温度传感器28感测到的炉体20内的温度，并将感测温度与用户输入的温度控制信息相比较以生产温度控制信号。例如，当在某一时刻感测温度高于温度控制信息中相应时刻的设定温度时，温度控制器48可以生成降温信号；反之，当在某一时刻感测温度低于温度控制信息中相应时刻的设定温度时，温度控制器48可以生成升温信号。温度控制器48可以将该温度控制信号提供给电源47，电源47可以基于该温度控制信号来调节加热部件26的加热功率。例如，当电源47收到升温信号时，可以提高加热部件26的加热功率；当电源47收到降温信号时，可以降低部件26的加热功率。这样，可以实现对退火温度的自动控制。
图4A至4C示出根据本发明一实施例的制作二维电子气结构的电极的过程示意图。如图4A所示，首先提供二维电子气结构，其可包括形成在衬底2上的半导体异质结，例如包括形成在衬底2上的第一半导体层例如GaAs层4和形成在第一半导体层4上的第二半导体层例如AlGaAs层6形成的结，并且在结界面附近形成二维电子气传导区域。在一些示例中，还可以在第二半导体层6上形成盖层，例如GaAs盖层7。在二维电子气结构上形成电极60，其可涉及沉积和光刻工艺，这些工艺是本领域已知的，此处不再赘述。在本发明的一些实施例中，所形成的电极60包括形成在二维电子气结构上的钯Pd层62，形成在Pd层62上的锗Ge层64和形成在Ge层64上的金Au层66。Pd层62的厚度可以为10nm至50nm，优选20nm至30nm；Ge层64的厚度可以为20nm至100nm，优选40nm至60nm；Au层的厚度可以大于100nm，例如500nm至1μm，优选100nm至500nm，更优选地120nm至150nm。当然，这些层的厚度不限于这些数值范围，而是可以灵活地设置。
然后，可以将所得结构放到样品台25上进行退火。退火首先包括洗气步骤，其目的是排除炉体20的气密空间中含有的空气，而充入退火气氛气体，例如前述氢/氮混合气体。具体而言，首先可以关闭气体入口阀门49和第二气体出口阀门46，打开第一气体出口阀门45，以用抽气泵12对炉体20内的气密空间进行抽真空。当气压计43达到预定值例如0.01至0.1个大气压时，可以关闭阀门45，打开阀门46以将储气罐10的氢/氮混合气体充入到炉体20内，直到气压计43达到预定值例如约1个大气压。这样重复多次，例如2至5次，优选3或4次，完成洗气步骤。此时，炉体20内密封有预定的退火气氛气体，例如前述氢/氮混合气体，并且阀门45、46和49均是关闭的。
然后，打开阀门46和49，将流量计42设定为预定值，使得退火气氛气体匀速流过炉体20并且最终排放到外界大气环境，从而完成退火气氛的设定。
接下来进行退火步骤。温度控制器48可以利用用户输入的或者其中存储的温度控制信息来控制电源47，以控制整个退火过程，例如升温、保温和降温过程。在本发明一些实施例中，可以快速升温至目标温度，例如在5至15分钟内升温至目标温度，目标温度可以为400℃至500℃，优选440℃至480℃，例如450℃，保温时间可以为5分钟至1小时，优选10至40分钟，例如15至25分钟等。
如前所述，该退火过程在氢/氮混合气体的气氛中进行。Pd是吸氢材料，其在吸收氢气后体积会膨胀，形成疏松的材质，会使得Pd层和其上的Ge层更易于渗透到其下的半导体材料例如GaAs和AlGaAs中并且与之反应。具体而言，Pd可以和GaAs反应而产生Pd4GaAs相，而Pd4GaAs又被其上的Ge分解而产生Ge掺杂的n+型GeAs，从而形成良好的欧姆接触，并且降低接触点处的势垒高度。由于Pd的疏松材质和上述反应，使得Pd和Ge能够容易地渗透到半导体材料中并且渗透达到预定深度，实现与二维电子气传导区域的电连通。Ge层上的Au层可以进一步降低所形成的电极的表面电阻，并且便于进行后面的导线(例如Au导线)键合工艺。
从而，在完成退火时，电极材料可以渗透到二维电子气结构的表面半导体材料中，并且电连接到离表面预定深度的二维电子气传导区域中。当保温结束时，温度控制器48可以直接关闭电源47，同时保持气氛气体继续流过炉体20，以实现样品的快速冷却，从而得到图4B所示的具有电极60的二维电子气结构。
然后，如图4C所示，可以进行导线键合工艺，以用例如Au导线68将电极60连接到其他结构或器件，从而完成二维电子气结构的电极制作。
本发明一些实施例还提供一种具有电极的二维电子气结构，其通过上述工艺制成，并且可具有图4C所示的结构和成分，因此这里不再重复描述。
应理解，虽然上面以AlGaAs/GaAs异质结描述了本发明的一些实施例，但是本发明的原理不限于这些实施例。例如，本发明还可以应用到其他异质结，例如AlGaN/GaN异质结，而且本发明的原理也可以应用到AlGaAs/GaAs量子阱结构以及AlGaN/GaN量子阱结构。因为这些量子阱结构都是本领域已知的，此处不再对这些结构进行重复描述。
虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但本发明不限于此。本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物定义。

Claims (8)

1.一种退火炉，包括：
炉体，包括：
基座；
罩，气密地覆盖所述基座以限定退火空间，所述基座上设置有用于向所述退火空间充入气体的气体入口和用于从所述退火空间排出气体的气体出口；
样品台，设置在所述退火空间中且在所述基座上以用于支承退火样品；
加热部件，设置在所述样品台内部以加热所述样品台；
温度传感器，设置在所述样品台上以感测退火温度；以及
气路限定部件，具有筒状并且设置为在所述基座上围绕所述样品台，所述气体入口和所述气体出口之一位于所述基座的被所述气路限定部件围绕的部分中，所述气体入口和所述气体出口中的另一个位于所述基座的被所述气路限定部件围绕的部分外；以及
控制系统，包括：
电源，用于给所述加热部件提供加热功率；以及
温度控制部件，用于基于温度控制信息和所述温度传感器感测到的退火温度来生成温度控制信号，并且使用所述温度控制信号来控制所述电源提供给所述加热部件的加热功率。
2.如权利要求1所述的退火炉，其中，所述气路限定部件的上端与所述样品台的上表面平齐或者比之更高。
3.如权利要求1所述的退火炉，
其中，所述炉体还包括：
设置在所述基座与所述罩之间的密封圈；以及
设置在所述基座上以支承所述样品台的支架，且
其中，所述控制系统还包括：
气压计，用于监视所述退火空间中的气压；
流量计，用于控制通过所述气体入口向所述退火空间提供气体的流速；以及
壳体，所述控制系统的其他部件设置在所述壳体内，并且所述炉体设置在所述壳体上方。
4.如权利要求1所述的退火炉，其中，所述气体出口通过第一气体通道连接到抽气泵，并且还通过第二气体通道连接到外部大气环境。
5.一种使用权利要求1所述的退火炉对二维电子气结构进行退火的方法，包括：
提供二维电子气结构并且将其放置到所述样品台上，所述二维电子气结构具有形成在衬底上的半导体异质结或量子阱以及形成在所述半导体异质结或量子阱上的电极；
对所述退火空间执行洗气步骤，包括将所述退火空间抽至预定真空度，然后充入退火气氛气体以达到一个大气压，重复该过程两次或更多次；
执行退火气氛设定步骤，包括按预定流量持续向所述退火空间充入退火气氛气体，并且将所述气体出口连通至外部大气环境；以及
执行加热步骤，包括将所述二维电子气结构加热至预定温度并且在该预定温度下保持预定时间。
6.如权利要求5所述的退火方法，其中，所述二维电子气结构包括AlGaAs/GaAs异质结或量子阱，
其中，所述电极包括形成在所述AlGaAs/GaAs异质结或量子阱上的Pd层、形成在Pd层上的Ge层、以及形成在Ge层上的Au层，且
其中，所述退火气氛气体是氢/氮混合气体。
7.如权利要求6所述的退火方法，其中，所述预定温度在440℃至480℃的范围，所述预定时间在10分钟至1小时的范围。
8.如权利要求6所述的退火方法，其中，在所述加热步骤执行完成后，停止对所述二维电子气结构进行加热，而继续向所述退火空间充入退火气氛气体，以冷却所述二维电子气结构。
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