CN108878273A - 一种GaAs基外延片的固态扩锌方法 - Google Patents
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Abstract
一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，在GaAs外延片上设置ZnO薄膜作为锌源进行锌扩散。所述的ZnO薄膜是通过溅射方式设置在所述GaAs外延片上的。所述锌扩散所处的温度为450‑550℃，锌扩散的的气氛为惰性气体，优选的，所述惰性气体为氮气。本发明的锌扩散源为ZnO薄膜，固态源，扩散过程的重复性及一致性较好。本发明采用溅射方法制备ZnO薄膜时，会在外延层表面形成一个损伤层，在进行锌扩散时，锌原子可以顺着这些损伤缺陷很容易进入外延层。本发明使用MOCVD反应室进行锌扩散，热传递方式为热传导，使外延片温度变化很快，整个外延片的温度均匀性很好，从而使扩散的均匀性及一致性很好。
Description
技术领域
本发明涉及一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，属于半导体工艺的技术领域。
背景技术
热扩散技术是半导体器件制备工艺中比较重要的一步，在高温下扩散原子有剧烈的热运动，表面的待扩散物质通过原子间隙或者替位的方式移动到半导体内部，实现一些特殊性能。扩散技术在硅器件中比较成熟，大量运用于肖特基二极管、光电二极管、光敏电阻等半导体器件。在GaAs器件中，Zn原子由于原子半径小、扩散系数大、扩散温度低等原因，成为应用较多的扩散源。主要应用有两个方面，一是通过扩散形成重掺杂P型区，用于形成PN结或者欧姆接触层，二是通过扩散诱导外延层中的其他原子发生互扩散，形成高带隙区，用作短波长发光器件或者材料的非吸收窗口。
早期的热扩散方式为开管或者闭管气态源扩散方式，一般使用Zn3As2，在350℃以上可以升华成Zn3As2蒸汽，GaAs外延片处于此氛围中，Zn原子就会进入外延片内部。非专利文献《Zn杂质扩散诱导AlGaInP/GaInP量子阱混杂》(光学学报，Vol.28，2008，pp.2209)中描述了一种利用Zn杂质扩散诱导量子阱混杂技术用于制作非吸收窗口，提高大功率半导体激光器的输出功率的方法。文中以Zn3As2为扩散源，采用闭管扩散方式，在550℃下对650nm半导体激光器的外延片进行了一系列Zn杂质扩散诱导量子阱混杂的实验。实验发现，随着扩散时间从20到120分钟，样品光致发光谱蓝移偏移增加，峰值波长蓝移53nm，来源于杂质诱导的量子阱混杂。但是此方法有两大缺点，一是使用了气态扩散源，对环境及样品要求较高，重复性不好，做出的器件合格率也不统一；二是闭管方式需要用氢氧焰烧制石英管，对安全要求较高，不适合大批量生产。
后来又衍生了一些使用固态源的扩Zn方式。中国专利CN1819115A公开了一种开管锌扩散方法，使用掺在有机硅胶中的锌金属做为扩散源，在开管氮气氛围中将锌扩散到GaAs外延片中。它不需要特殊设计的扩散室和复杂繁琐的真空处理，工艺条件要求低，热处理设备简单，生产周期短，成本低。一般有机物高温容易碳化，由于扩散时使用600℃高温，有机硅胶必须耐高温。而且锌金属也不稳定，容易高温下氧化，使扩散源发生变化。这种扩散方式虽然简单，但是对扩散源的要求较高，所以整个过程的成本并不低。中国专利CN1877935A发明了一种大批量生产激光器的COD消除方法，利用MOCVD在GaAs外延片上生长ZnO薄膜，然后再升高温度进行原位Zn扩散，通过Zn杂质诱导激光器的量子阱混杂形成非吸收窗口，提高激光器输出功率。由于使用了原位扩散技术，过程比较简单，很适合大批量外延片扩散的需求。中国专利CN101114757公开了一种大功率650nm量子阱半导体激光器的制作方法，包括如下步骤：(1)激光器一次外延：在衬底上依次外延生长缓冲层、N型包层、有源区、第一P型包层、腐蚀阻挡层、第一P型包层和GaAs保护层；(2)制作脊形波导：在GaAs保护层中间光刻出一窄条形，形成一条状的脊形波导结构；(3)二次外延：在脊形波导及脊形波导两侧的腐蚀阻挡层上依次外延生长第二P型包层、电极接触层；(4)制作非吸收窗口：在刻蚀完的扩散掩膜层上生长氧化锌层，将氧化锌层作为锌扩散源，进行扩散，实现有源区的量子阱混杂，形成非吸收窗口；完成激光器芯片结构的制作。以上两种方法都使用MOCVD生长ZnO做为固态扩散源，但是MOCVD很难低温生长ZnO，一般都得在400℃以上，此时Zn原子已经有了较大的热动能，在ZnO生长过程中就已经发生了扩散，后续再提高温度进行单独扩散，其批次间的重复性就不能完全保证了。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种GaAs基外延片的固态扩锌方法。
本发明的技术方案为：
一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，在GaAs外延片上设置ZnO薄膜作为锌源进行锌扩散。选择ZnO薄膜作为扩散源的优势在于ZnO薄膜易于生长，氮气氛围内比较稳定，Zn-O化学键对Zn的束缚能力弱，较低温度下即可进行锌扩散。另外ZnO很容易腐蚀，扩散后可以很方便的去除，没有残留。
根据本发明优选的，所述的ZnO薄膜是通过溅射方式设置在所述GaAs外延片上的。
根据本发明优选的，所述锌扩散所处的温度为450-550℃，锌扩散的的气氛为惰性气体，优选的，所述惰性气体为氮气。
根据本发明优选的，在利用ZnO薄膜作为锌源对GaAs外延片进行锌扩散时，将所述GaAs外延片至于石墨托盘上。此处选择石墨托盘做为载体的优势在于石墨热传导系数高于原有扩散炉中的石英舟，可以更快速的达到均匀的温场，使得热扩散更加稳定，重复性更高。
一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，包括具体步骤如下：
(1)在所述GaAs外延片表面生长一层扩散掩膜，并在扩散掩膜上制备出扩散窗口；
(2)将所述GaAs外延片放入溅射台，溅射一层ZnO薄膜；
(3)将生长好ZnO薄膜的GaAs外延片放入MOCVD反应室中，通入氮气，缓慢升高反应室中的温度至所需扩散温度；
(4)进行恒温锌扩散。
根据本发明优选的，在步骤(4)后，还包括步骤(5)快速降低反应室内的温度至室温，并将GaAs外延片取出。
根据本发明优选的，在步骤(5)后，还包括步骤(6)去除GaAs外延片表面的扩散掩膜及ZnO薄膜。进行正常的半导体工艺。
根据本发明优选的，所述扩散掩膜为SiO2薄膜、ZrO2薄膜或Si3N4薄膜；扩散掩膜的厚度为50-300nm；优选的，所述扩散掩膜为150nm厚度的Si3N4薄膜。此处设计的优势在于，掩膜必须具有较好的致密性才能阻挡锌扩散发生在掩膜覆盖区，Si3N4可以生长的比较致密，在150nm这个厚度下可以很好的阻挡锌扩散进入GaAs外延层。
根据本发明优选的，所述ZnO薄膜的溅射条件为：基底温度100-150℃，去除GaAs外延片表面水汽；溅射功率100-200W；溅射压强为1-5Pa；溅射厚度100-300nm。此处设计的优势在于，选择溅射方法制备ZnO薄膜，ZnO的分子是携带一定动能到达GaAs外延片表面的，对外延片表面会形成一个撞击。使用较大的溅射功率可以使外延层表面形成一个损伤层，在进行锌扩散时，锌原子可以顺着这些损伤缺陷很容易进入外延层。使用其他化学方法生长的ZnO与基底界面没有物理冲击，只有化学键的连接与过渡，锌原子需要很大的动能才能跨越这个表面势垒层。
根据本发明优选的，所述MOCVD反应室中的锌扩散条件为：氮气流量为5000-10000sccm，石墨托盘转速为100-500rpm，反应室压强为30-100Torr，扩散温度为450-550℃，扩散时间为30-90分钟。此处设计的优势在于，选择MOCVD反应室进行锌扩散，其特有的无涡流设计可以避免氮气对温场的扰乱，使得温度更加均匀。使用外延生长用的石墨托盘作为外延片的载体，使得GaAs外延片底部与盘体相接触，加热方式为热传导，石墨导热率很高，可以迅速使外延片达到设定温度，没有温度的滞后，而且整个外延片的温度也比较均匀。对于传统扩散炉，一般使用热辐射进行温度传递，其传热速度就慢了许多，而且托盘对外延片的实际温度影响很大，经常出现部分区域温度不一致的现象，从而影响锌扩散的均匀性。
根据本发明优选的，所述步骤(3)中，所述缓慢升高反应室中的温度至所需扩散温度：10分钟内先渐变至200℃，稳定5分钟，然后10分钟提升到扩散温度。
根据本发明优选的，所述步骤(5)中，所述快速降低反应室内的温度至室温：直接自然降温至室温，降温时间低于10分钟。此处设计的优势在于，掩膜与GaAs外延片的热膨胀系数相差较大，升温至200℃后，给予一定时间进行内部晶格弛豫，然后再升至扩散温度，不至于发生掩膜皴裂的现象。而降温步骤发生在扩散后，降温越快越能减弱降温过程对锌扩散的影响，如果掩膜发生皴裂也不会影响后续外延层的工艺。
本发明的有益效果为：
1、本发明的锌扩散源为ZnO薄膜，固态源，扩散过程的重复性及一致性较好。
2、本发明采用溅射方法制备ZnO薄膜时，会在外延层表面形成一个损伤层，在进行锌扩散时，锌原子可以顺着这些损伤缺陷很容易进入外延层。
3、本发明使用MOCVD反应室进行锌扩散，热传递方式为热传导，使外延片温度变化很快，整个外延片的温度均匀性很好，从而使扩散的均匀性及一致性很好。
附图说明
图1为本发明所述GaAs外延片结构示意图。
图2为本发明的GaAs外延片锌扩散前的光致发光图。
图3为本发明锌扩散后的GaAs外延片光致发光图。
图4为传统扩散炉进行锌扩散后的GaAs外延片光致发光图。
图5为实施例4的GaAs外延片结构示意图。
图1及图5中，1、衬底，2、下包层，3、有源层，4、上包层，5、接触层，6、扩散掩膜，7、ZnO薄膜，8、扩散区，9、N型外延层。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1、
一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，在GaAs外延片上设置ZnO薄膜作为锌源进行锌扩散。
所述的ZnO薄膜是通过溅射方式设置在所述GaAs外延片上的。
所述锌扩散所处的温度为450-550℃，锌扩散的的气氛为惰性气体，所述惰性气体为氮气。
实施例2、
如实施例1所述的一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，其区别在于，在利用ZnO薄膜作为锌源对GaAs外延片进行锌扩散时，将所述GaAs外延片至于石墨托盘上。
实施例3、
本实施例中所述GaAs基外延片为红光半导体激光器外延片，其结构如附图1所示，从下至上依次为衬底1、下包层2、有源层3、上包层4及接触层5。衬底1为N型GaAs衬底；下包层2为N型AlInP；有源层3为AlGaInP/GaInP量子阱结构；上包层4为P型AlInP；接触层5为P型GaAs。此结构为标准的红光半导体激光器外延结构。由于红光半导体激光器的腔面更容易产生缺陷吸收而发生COD，需要在腔面处制作非吸收窗口，一般通过Zn杂质的扩散诱导量子阱的Al、Ga原子互扩散形成高带隙窗口。
如实施例1、2所述的一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，包括具体步骤如下：
(1)在所述GaAs外延片表面生长一层150nm厚度的Si3N4薄膜为扩散掩膜6，并在扩散掩膜6上制备出扩散窗口：通过光刻的方法腐蚀出条形扩散窗口，条形扩散窗口平行于GaAs的解理面(110)；
(2)将所述GaAs外延片放入溅射台，溅射一层200nm厚度的ZnO薄膜7，ZnO薄膜的溅射条件为：基底温度100℃；溅射功率200W；溅射压强为2Pa；
(3)将生长好ZnO薄膜的GaAs外延片放入MOCVD反应室中，通入氮气，氮气流量为5000sccm，缓慢升高反应室中的温度至所需扩散温度；石墨托盘转速为500rpm，反应室压强为100Torr。反应室温度在10分钟内先渐变至200℃，稳定5分钟，然后10分钟提升到扩散温度500℃；
(4)进行恒温锌扩散：保持500℃60分钟。
图2为此实施例3红光半导体激光器外延片锌扩散前的光致发光图，发射波长645nm附近。通过本发明所述方法进行锌扩散后，其光致发光图为图3所示，平均波长蓝移至596nm附近，带隙增大160meV，表明本发明的锌扩散方法后，激光器的非吸收窗口制作成功，且波长分布在扩散前后一致，仅在外延片边缘区域出现不均匀的现象，而此不均匀区域在芯片制作工艺中通过去边可以保证芯片的一致性。
图4为传统扩散炉进行锌扩散后的光致发光图，可以很明显看出其波长分布偏离了原有外延片的波长分布，且差异较大，在10nm以上，后续工艺中很难找到具体区域并去除，所以这种锌扩散方法制作的芯片一致性在某个区域很好，但是在另一个区域就比较差，降低了芯片的产出率。
实施例4、
所述GaAs基外延片用于制作GaAs基三极管，其结构比较简单，如附图5所示，从下至上依次为衬底1及N型外延层9。其中N型外延层9为三极管的基极。要形成PNP结构的三极管，需要在N型外延层9上制作两个P型区，作为三极管的集电极及发射极。可以通过锌扩散使Zn原子进入N型外延层9，Zn作为受主杂质，可以补偿此区域的电子，使电极性发生反转，成为P型区。
如实施例1、2所述的一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，包括具体步骤如下：
(1)在所述GaAs外延片表面生长一层100nm厚度的SiO2薄膜为扩散掩膜6，并在扩散掩膜6上制备出扩散窗口：通过光刻的方法腐蚀出扩散窗口，此扩散窗口对应三极管的集电极及发射极；
(2)将所述GaAs外延片放入溅射台，溅射一层150nm厚度的ZnO薄膜7，ZnO薄膜的溅射条件为：基底温度120℃；溅射功率150W；溅射压强为3Pa；
(3)将生长好ZnO薄膜的GaAs外延片放入MOCVD反应室中，通入氮气，氮气流量为8000sccm，缓慢升高反应室中的温度至所需扩散温度；石墨托盘转速为200rpm，反应室压强为50Torr。反应室温度在10分钟内先渐变至200℃，稳定5分钟，然后10分钟提升到扩散温度450℃；
(4)进行恒温锌扩散：保持450℃80分钟。
实施例5、
如实施例3、4所述的一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，其区别在于，在步骤(4)后，还包括步骤(5)快速降低反应室内的温度至室温，并将GaAs外延片取出。
在步骤(5)后，还包括步骤(6)去除GaAs外延片表面的扩散掩膜及ZnO薄膜7。进行正常的半导体工艺。
实施例6、
如实施例3、4所述的一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，其区别在于，所述步骤(5)中，所述快速降低反应室内的温度至室温：直接自然降温至室温，降温时间低于10分钟。
Claims (10)
1.一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，其特征在于，在GaAs外延片上设置ZnO薄膜作为锌源进行锌扩散。
2.根据权利要求1所述的一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，其特征在于，所述的ZnO薄膜是通过溅射方式设置在所述GaAs外延片上的。
3.根据权利要求1所述的一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，其特征在于，所述锌扩散所处的温度为450-550℃，锌扩散的的气氛为惰性气体，优选的，所述惰性气体为氮气。
4.根据权利要求1所述的一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，其特征在于，在利用ZnO薄膜作为锌源对GaAs外延片进行锌扩散时，将所述GaAs外延片至于石墨托盘上。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的GaAs基外延片的固态扩锌方法，其特征在于，包括具体步骤如下：
(1)在所述GaAs外延片表面生长一层扩散掩膜，并在扩散掩膜上制备出扩散窗口；
(2)将所述GaAs外延片放入溅射台，溅射一层ZnO薄膜；
(3)将生长好ZnO薄膜的GaAs外延片放入MOCVD反应室中，通入氮气，缓慢升高反应室中的温度至所需扩散温度；
(4)进行恒温锌扩散。
6.根据权利要求5所述的一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，其特征在于，在步骤(4)后，还包括步骤(5)快速降低反应室内的温度至室温，并将GaAs外延片取出。
7.根据权利要求6所述的一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，其特征在于，在步骤(5)后，还包括步骤(6)去除GaAs外延片表面的扩散掩膜及ZnO薄膜。
8.根据权利要求5所述的一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，其特征在于，所述扩散掩膜为SiO2薄膜、ZrO2薄膜或Si3N4薄膜；扩散掩膜的厚度为50-300nm；优选的，所述扩散掩膜为150nm厚度的Si3N4薄膜。
9.根据权利要求5所述的一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，其特征在于，所述ZnO薄膜的溅射条件为：基底温度100-150℃，去除GaAs外延片表面水汽；溅射功率100-200W；溅射压强为1-5Pa；溅射厚度100-300nm。
10.根据权利要求5所述的一种GaAs基外延片的固态扩锌方法，其特征在于，所述MOCVD反应室中的锌扩散条件为：氮气流量为5000-10000sccm，石墨托盘转速为100-500rpm，反应室压强为30-100Torr，扩散温度为450-550℃，扩散时间为30-90分钟；
所述步骤(3)中，所述缓慢升高反应室中的温度至所需扩散温度：10分钟内先渐变至200℃，稳定5分钟，然后10分钟提升到扩散温度；
所述步骤(5)中，所述快速降低反应室内的温度至室温：直接自然降温至室温，降温时间低于10分钟。
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