量子阱混合
阅读：264发布：2020-05-11
专利汇可以提供量子阱混合专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且量子阱 混合(QWI)方法的实施方式，该方法包括：提供具有上 外延 层和下外延层(10、13)的晶片(1)，各外延层包括阻挡层，设置在上外延层和下外延层(10、13)之间的量子阱层(11)；在上外延层之上施加至少一个牺牲层(21)；通过在牺牲层的一部分之上施加QWI加强层(31)从而形成QWI加强区域和QWI抑制区域，其中，QWI加强层(31)之下的一部分是QWI加强区域，另一部分是QWI抑制区域。该方法进一步包括在QWI加强区域和QWI抑制区域之上施加QWI抑制层(41)的步骤，以及在足以使量子阱层(11)和上外延层与下外延层(10、13)的阻挡层之间的 原子 发生相互扩散的 温度 下进行 退火 的步骤。，下面是量子阱混合专利的具体信息内容。
1.一种量子阱混合(QWI)方法，其包括：
提供包括上外延层和下外延层，以及至少一个设置在上外延层和下外延层之间的量子阱层的晶片，其中上外延层和下外延层各自包括阻挡层；
在上外延层之上施加至少一个牺牲层；
通过在牺牲层的一部分上施加含有氮化钨的QWI加强层从而形成QWI加强区域和QWI抑制区域，其中QWI加强层之下的部分是QWI加强区域，另一部分是QWI抑制区域；
在QWI加强区域和QWI抑制区域之上施加QWI抑制层；和
在足以使原子在至少一个量子阱层和上外延层与下外延层的阻挡层之间发生相互扩散的温度下进行退火。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶片是渐变折射率分离限制异质接面结构。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个量子阱层包含InGaAs。所述上外延层和下外延层包含AlxGa1-xAs。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在牺牲层之上施加一个或多个牺牲再生长层，所述牺牲再生长层可用作附加的加强层。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，原子的相互扩散在QWI加强区域中产生最高为100纳米的带隙迁移，在QWI抑制区域中基本没有产生带隙迁移。
量子阱混合
[0004] 本发明人已经认识到，量子阱(QWI)是实现单片光电子集成的合适方法。量子阱混合是一种通过原子物种在升高温度下在量子阱和阻挡层之间的相互扩散从而选择性改进半导体材料带隙的后生长方法。元素在量子阱和相关阻挡层的相互扩散产生一种“混合”区域，该区域的带隙大于生长的量子阱的带隙。QWI技术的原理基础是，量子阱是一种本质上不稳定的系统，原因在于阱/阻挡层界面上的原子物种浓度的突变。因此在不发生或几乎不发生QWI(“非混合”区域)的量子阱中产生的任何光学辐射(光)都能从对该光学辐射透明的QWI或“混合”区域通过。
[0005] 本发明人还认识到，量子阱的光学性质和电性质在光发射器、检测器、调制器、滤光器、放大器、波导、开关之类半导体光电子装置中起到关键作用。将这些部件组装在单片光集成电路或光电集成电路中的时候，沿着光路的带隙波长变化是很重要的。而且，即使是在激光二极管之类的分立装置中，在不同区域中具有不同的带隙波长也能改进激光器性能或可靠性。
[0006] 本发明人已经认识到，需要量子阱混合的改进方法来开发改进的半导体晶片部件，尤其是用于激光器应用的部件。
[0007] 发明概述
[0008] 根据一种实施方式，提供量子阱混合(QWI)方法。该方法包括以下步骤：提供包括上外延层和下外延层，以及设置在上外延层和下外延层之间的量子阱层的晶片；在上外延层之上施加至少一个牺牲层；通过在该牺牲层的一部分之上施加QWI加强层从而形成QWI加强区域和QWI抑制区域。QWI加强层之下的部分是QWI加强区域，其他部分的QWI抑制区域。该方法进一步包括以下步骤：在QWI加强区域和QWI抑制区域上施加QWI抑制层；在足以使原子在量子阱层和阻挡层之间的发生相互扩散的温度下进行退火，该阻挡层是上外延层和下外延层的一部分。
[0009] 其他实施方式可包括以下步骤：通过在晶片的一部分上施加包含WN的QWI加强层，从而形成QWI加强区域和QWI抑制区域。可以在晶片上施加WN膜，或者可以在施加于晶片上的一个或多个牺牲层上施加WN膜。
[0012] 附图简要描述
[0013] 结合本文揭示的附图，能以最佳方式理解以下对本发明具体实施方式的详细说明。附图包括：
[0014] 图1是根据本发明一种或多种实施方式的半导体激光器结构的横截面的横截面示意图，该结构包括设置在上外延层和下外延层之间的量子阱，外延层包含与量子阱相邻的中阻挡层；
[0015] 图2是说明根据本发明一种或多种实施方式在图1结构之上施加牺牲层的横截面示意图；
[0016] 图3是说明根据本发明一种或多种实施方式在图2结构之上施加牺牲再生长层的横截面示意图；
[0017] 图4是说明根据本发明一种或多种实施方式在图3结构之上施加QWI加强层以及对图3结构表面进行离子处理的横截面示意图；
[0018] 图5是说明根据本发明一种或多种实施方式在图4结构之上施加QWI抑制层的横截面示意图；
[0019] 图6是说明根据本发明一种或多种实施方式在快速热退火之后的混合量子阱的横截面示意图；
[0020] 图7是说明根据本发明的一种或多种实施方式在蚀刻步骤之后的图6半导体结构的横截面示意图；
[0021] 图8a是比较根据本发明的一种或多种实施方式在QWI加强区域中的量子阱带隙的示意图；和
[0022] 图8b是比较根据本发明的一种或多种实施方式在QWI抑制区域中的量子阱带隙的示意图；
[0024] 发明详述
[0025] 本发明的实施方式一般涉及半导体光学装置和光电子装置，具体而非专门地涉及半导体激光器。本发明尤其是涉及无杂质的量子阱混合(QWI)技术，这种技术在加工过程中不会引入任何杂质。在一种应用中，该技术可用于制造单波长1060纳米分布的布拉格反射器(DBR)激光器。QWI提供一种有效改进III-V半导体晶片选定区中的带隙的方法，从而在DBR激光器二极管中产生不同功能的不同区段，如增益、相、DBR区段，以及透明窗口面。
[0026] 一般参见图1至图7，提供一种量子阱混合(QWI)方法，尤其是无杂质的量子阱混合方法。参见图1，提供晶片1。晶片1可包括许多种合适的结构。如图1中所示，晶片1可以是渐变折射率分离限制异质接面结构(GRINSCH)激光器结构，具有夹在上外延层13和下外延层10之间的应变量子阱层11。如本文所用，各外延层可包括多个子层或部件，例如但并不限于具有渐变组成的波导层、覆盖层和阻挡层。在GRINSCH结构的一种实施方式中，波导组合物的带隙从靠近阻挡层的小的带隙连续变化至靠近覆盖层的大的带隙。上外延层13和下外延层10可具有不同的组成如AlxGa1-xAs。外延层可具有不同的厚度。例如，上外延层13的厚度可约为1600纳米，下外延层的厚度可约为5110纳米。类似地，量子阱层11可具有适合于量子阱混合的不同阱尺寸和不同组成。在一种实施方式中，量子阱层11可包含InGaAs。确定一种组成是否适合于QWI取决于许多因素，例如量子阱和阻挡层之间的浓度梯度。例如，在具有980纳米量子阱的AlGaAs阻挡层/InGaAs阱的实施方式中，在小于5埃的距离之内，铟浓度可以从18％变化至0。一般参见图8a和8b，这种突变的浓度梯度在升高温度下导致原子物种扩散，从而使量子阱11合金和外延层10、13合金发生相互扩散。
这种情况导致阱和带隙发生图8a所示的锐变。可以通过在量子阱界面附近存在杂质、缺陷或空穴来显著提高这种原子扩散速率。空间变化的空穴提供了一种选择性提高扩散和选择性改进带隙的方式。为了简化讨论，本发明针对具有一个量子阱的半导体激光器系统描述量子阱相互扩散；但是设想相互扩散可以在包括多个量子阱的半导体激光器系统中发生。
这种情况导致阱和带隙发生图8a所示的锐变。可以通过在量子阱界面附近存在杂质、缺陷或空穴来显著提高这种原子扩散速率。空间变化的空穴提供了一种选择性提高扩散和选择性改进带隙的方式。为了简化讨论，本发明针对具有一个量子阱的半导体激光器系统描述量子阱相互扩散；但是设想相互扩散可以在包括多个量子阱的半导体激光器系统中发生。
[0027] 参见图2的实施方式，牺牲层21在晶片1的上外延层13之上生长。如本文所用，术语“之上”表示一个层施加，但不必直接施加在另一个层之上。在本发明中，设想附加插入层。而且，术语“之上”并不要求该层覆盖整个表面，可以包括仅仅部分覆盖。牺牲层21可包括厚度约为20纳米的GaAs。根据激光器应用或者晶片1的组成，其他组合物厚度可能是有利的。可采用各种技术生长或沉积牺牲层21，例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)。在晶片上生长牺牲层21之后，可以从金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统中卸载晶片1和其上的牺牲层21，然后接触大气环境足够长的时间(例如几小时)。
[0028] 设置牺牲层21以防止在后续QWI过程中在上外延层13的表面上形成缺陷。在常规过程中，QWI和其他相关加工步骤可能在晶片1上，例如在晶片1的上外延层13上产生差的表面形态。例如，在沉积(溅射或PECVD)QWI加强层31(如图4所示)和/或沉积QWI抑制层41(如图5所示)的过程中可能导致损坏。而且，在高温退火过程中，半导体和介电膜之间的反应或相互扩散可能导致差的表面形态。差的表面形态使晶体品质变差，并对激光器加工和操作产生负面影响。要对抗这种差的形态，牺牲层21会吸收由这些加工导致的损坏，从而保护晶片1以免损坏，所述牺牲层21通常在QWI步骤之后通过蚀刻去除。
[0029] 参见图3，可以在牺牲层21之上施加牺牲再生长层22。类似于牺牲层21，牺牲再生长层22也可以通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或其他合适沉积技术施加。在一些实施方式中，牺牲再生长层22可具有与牺牲层21相同的组成，如GaAs；但是，本文还设想了其他组成。类似地，牺牲再生长层22可按需要具有不同的厚度。在图3的实施方式中，牺牲再生长层22可包含厚度约为130纳米的GaAs组合物。
[0030] 牺牲再生长层22可用作附加的加强层，因为层21和22之间的再生长界面可增强QW加强层之下的空穴扩散。以下提供关于加强层以及空穴和缺陷对原子相互扩散的重要性的更多细节。在其他实施方式中，使用多个牺牲再生长层以便促进QWI过程中的空穴扩散可能是有利的。
[0031] 参见图4的实施方式，可以在牺牲再生长层22的一部分上施加QWI加强层31。在不包括施加再生长牺牲层22和/或牺牲层21的实施方式中，还可以在晶片1的牺牲层21或上外延层13之上施加QWI加强层31。如图4所示，晶片1和其上各层在QWI加强层31之下的部分是QWI加强区域。剩余部分或剩余部分的至少一部分是QWI抑制区域。可通过各种合适技术施加QWI加强层31，例如射频偏置溅射(frequency biased sputtering)、磁控管溅射(magnetron sputtering)、活性偏置溅射(active biased sputtering)或其组合。QWI加强层31可包含任何适合形成空穴或缺陷的组合物，以促进高温退火时的原子相互扩散。在一种实施方式中，QWI加强层31包含氮化钨(WN)。因为氮化钨是具有高熔点的硬质、致密、化学惰性、热稳定的化合物，是非常有效的QWI加强层31的材料。致密的固体WN膜能有效保护半导体表面以免发生分解，同时其化学惰性使WN膜与其相邻层之间的反应最小化。而且，WN膜的高热稳定性有利于QWI相关的高温退火步骤。
[0032] WN膜的微结构也是有利的，尤其是在高温时。在QWI过程中，相互混合过程中的蓝移(即QWI过程中带隙的变化)很大程度上取决于原子(如Ga)空穴扩散。在高退火温度下(如大于700℃时)，WN膜的微结构变成良好限定的柱状结构，有微小晶粒垂直地延伸通过膜的整个厚度。这种柱状结构很大程度上增加了下方外延层的Ga空穴，从而促进加强区域中的量子阱带隙波长的蓝移。
[0033] 在其他示例实施方式中，溅射沉积之后，QWI加强层31可经历附加的处理步骤。例如，可使用光刻法对QWI加强层31进行图案化。在其他实施例中，可使用湿蚀刻或干蚀刻对QWI加强层31的一部分进行蚀刻。蚀刻有助于界定在加强区域和抑制区域之间的边界。
[0034] 如上所述，通过将牺牲再生长层22用作附加的加强层从而有助于QWI加强层31。QWI加强层的溅射沉积在牺牲再生长层22中产生原子空穴或缺陷，很大程度上有助于高温退火过程中的原子相互扩散。通过在相邻的加强层之间形成多重再生长界面，将在很大程度上增加量子阱11的加强区域中的带隙迁移。
[0035] 参见图5，本发明的方法还包括在QWI加强区域和QWI抑制区域之上施加QWI抑制层41。如图5的实施方式中所示，QWI抑制层41可接触QWI加强层31和牺牲再生长层22。在其他实施方式中，尤其是不包括牺牲层21和/或22的实施方式中，QWI抑制层41可接触牺牲层21或上外延层13。QWI抑制层41可包含不同的合适组合物，例如基于硅的组合物。如图5实施方式中所示，QWI抑制层41可包括氮化硅层和氧化硅层。设想QWI抑制层41可包括独立的氮化硅(SixNy)和氧化硅(SiO2)层，或者可包括其中分布了这两种组合物的单独一个杂化层。可通过各种沉积技术施加QWI抑制层41，例如(PECVD)等离子体增强的化学气相沉积。在一种实施方式中，QWI加强层可包括厚度为100纳米的SixNy膜和厚度为200纳米的SiO2膜。
[0036] 在操作中，氮化硅用作抑制盖(cap)，而在其上提供的氧化硅层补偿因为高温退火导致的应力，并且保持QWI抑制层41的完整性。氮化硅还提供其他益处，因为它能简单地去除，不会在半导体表面上留下缺陷或过多的材料。而且，氮化硅能在高温退火过程中保护下方晶体性质，这对于高性能结构而言是有利的。
[0037] 在其他实施方式中，可以在施加QWI抑制层41之前进行预处理步骤。例如，在施加QWI抑制层41之前，抑制区域的表面如牺牲再生长层22可以经历离子处理。离子处理去除因为施加QWI加强层31而导致的溅射引发的表面缺陷。溅射引发的表面缺陷是加强区域中带隙迁移的驱动力；但是，抑制区域寻求使这些带隙迁移最小化。因此，可能需要使用处理工艺如离子处理从而去除抑制区域中的这些表面缺陷。参见图4，离子处理工艺可使用高能离子(energized ion)如氩离子去除几百埃的表面层，从而产生经过离子处理的表面32。利用离子处理过程，并且利用基于硅的QWI抑制层41减小抑制区域中不利的带隙波长迁移，从而尽可能增大QWI之后量子阱的加强区域和抑制区域之间的带隙差。
[0038] 参见图6的实施方式，然后通过在足以使在量子阱层11和作为上外延层与下外延层的一部分的附近阻挡层之间的原子发生相互扩散的温度下对已涂覆晶片1进行退火，进行量子阱混合步骤。参见图7，这种相互扩散在加强区域中产生混合阱12。本文设想了各种工艺时间和温度。在一种实施方式中，已涂覆晶片可以在850℃的温度下加热4次，每次35秒。
[0039] QWI退火步骤之后，该方法可包括对牺牲层以及晶片1牺牲层上的所有层进行蚀刻的步骤。该蚀刻步骤可包括各种合适的技术，例如湿蚀刻或干蚀刻。本文中还设想了其他过程，例如栅极制造过程。
[0040] 晶体组成物种在阱和阻挡层之间扩散导致产生量子阱混合。这种扩散过程由Fick定律控制：
[0041]
[0042] 其中J是沿扩散方向X的扩散通量，N是物种的体积浓度。D定义为扩散系数，可以用Arrhenius式表达：
[0043] D＝D0exp[-E0/kT]
[0044] 参见图7，在升高的温度下，加强区域中的扩散系数D因为以下因素而明显增大，即，在偏置溅射产生的GaAs表面顶部的Ga空穴的高浓度以及用作Ga汇合部(sink)以促进空穴相互扩散的WN膜的独特柱状微结构。正是由于空穴扩散导致阻挡层和阱之间的原子相互扩散明显增加，从而使量子阱加强区域产生形状变化，如图8a所示。在显著缺乏这些缺陷或空穴的抑制区域中，扩散系数远小于加强区域中的扩散系数。结果是，抑制区域中的量子阱形状证明如图8b中所示退火之前和之后几乎没有变化。参见图8a和8b，加强区域中量子阱的带隙在退火之后从Eg0增大至Ega，但是抑制区域中的带隙在退火之后几乎没有变化。
[0045] 本文设想了最大至100纳米的带隙迁移。在一种示例实施方式中，使用光致发光(PL)测量分析与图7类似的结构，以评价加强区域和抑制区域之间的带隙迁移。在实验中，量子阱的抑制区域在退火之后的带隙波长为1045纳米。相反，量子阱的加强区域在退火之后的带隙波长为983纳米，从而证明带隙迁移差值约为62纳米。还发现该结构可产生480毫瓦的创记录的高单模输出功率。
[0046] 如上所述，通过本发明QWI方法形成的结构可用于制造DBR激光器。量子阱11的混合区段12将作为DBR和相区段以及DBR激光器二极管中的透明窗口面进行加工。没有或几乎没有带隙迁移的抑制区将成为DBR激光器二极管中的增益区段。在DBR制造的一种实施方式中，可使用光刻法对晶片再次进行图案化，以限定DBR/相/增益/窗口区段。随后，可以将晶片装载进MOCVD反应器中，进行上外延层和接触层再生长。再生长之后，晶片经历标准DBR激光器过程，以形成DBR激光器。对DBR激光器设想了其他的结构部件和层。在其他设计中，还可根据激光器应用使用其他层例如蚀刻停止层和栅极层。
[0047] 参考具体实施方式详细描述本发明之后，显然可以在不背离所附权利要求限定的本发明范围的条件下进行修改和变化。更具体来说，虽然本文作为优选或特别有利的方式确定了本发明的一些方面，但是，设想本发明不一定限于这些优选方面。
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