[发明专利]实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光器件和光子集成电路技术，特别涉及一种利用超短脉冲激光技术实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法。

背景技术

随着光纤通讯的不断发展，对各类光子器件的单片集成的需求不断加大，目前光子集成电路的发展情形正如二十世纪七十年代发生的大规模电子集成电路一样，将在未来实现更大规模的应用。

目前，与微电子集成电路最大的不同，光子集成电路需要在同一个衬底上形成各种不同带隙的材料，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，其中量子阱混杂技术(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杂，例如：

(1)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杂；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杂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；

(2)无杂质空位扩散技术是实现了量子阱混杂另一个重要方法。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杂，但是该方法所需温度太高，不易选区控制；

(3)通过光的方法也实现了量子阱混杂，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杂；随后，采用脉冲宽度为数纳秒的Nd:YAG激光也实现了量子阱混杂和器件研制，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。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法。该方法包括：在量子阱结构上沉积表面牺牲层；通过超短脉冲激光辐照或者扫描选定区域的表面牺牲层，以在该区域的表面牺牲层实现化学变性或者引入结构缺陷，形成激光改性区；对包括量子阱结构和表面牺牲层的元件进行快速热退火，通过热诱导作用将激光改性区的化学变性或引入的结构缺陷传递到量子阱结构内，使量子阱结构的阱/垒成分互混，实现量子阱结构的带隙波长蓝移。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法具有以下有益效果：

(1)由于超短脉冲辐照可以减少热效应，使得由于激光辐照时的热扩散效应导致的不确定带隙移动大幅度减少；

(2)由于超短脉冲的峰值功率非常高，在低于材料烧蚀阈值情况下，即使在小到即使只有激光熔化阈值的十分之一的激光通量也可以由于多光子电离、各种元激发(局域场)或者声波激发在材料表面甚至内部造成大量的点缺陷，从而大大提高产生点缺陷的效率和稳定性；

(3)实现了扫描直写改性和选择区域地改变量子阱带隙，并且可以通过激光参数控制蓝移量，从而可以实现大规模产业化。

附图说明

图1为本发明实施例实现半导体量子阱结构带隙蓝移的方法的流程图；

图2A～图2C为图1所示方法的执行各步骤的示意图。

图2A是利用超短脉冲辐照或者扫描具有量子阱结构的样品表面的示意图；

图2B是利用快速热退火处理超短脉冲辐照过的量子阱结构样品的示意图；

图2C是经过快速热退火处理后的量子阱结构样品不同区域的带隙示意图；

图3给出了样片中未被激光处理区域和超短脉冲激光扫描过的区域在快速退火后的光致发光谱，对应的激发波长峰值位置的变化体现了激光处理导致的带隙蓝移。

【本发明主要元件符号说明】

1-量子阱结构层；2-超短脉冲激光束；

3-未被激光处理过的量子阱结构表面牺牲层；

4-被激光处理过的表面牺牲层；

5-需要利用超短脉冲改性的区域A；