[发明专利]薄固体膜片组成的层状结构的局部混合

说明书

本发明是关于合成层状半导体结构及其在横向和纵向上的改性，以此提供电子、光电子和光学等方面的新性能。这是用激光束或电子束能源进行局部照射，使这类层状结构局部混合，从而使毗邻各层之间，视能量通量而定，有效反应到一定的深度而加以实现的。

合成层状结构相当重要的一种特殊类型是半导体超晶格结构，这种结构由两种电子性能不同的半导体材料按下列任何一种方法交织成若干薄层：（1）轮流淀积两种半导体材料薄片;（2）往单个半导体材料层中掺杂。前者叫做合成或异质结构超晶格，后者叫做掺杂超晶格。因此，合成超晶格包括两种不同的半导体交替层组成的周期性阵列。各层的厚度在单个原子层至数百个原子层的范围内。在合成超晶格中，应选用禁带宽度（即价带和导带之间的能量差）悬浮的两种半导体。

在有关文献中，由两种不同、半导体薄膜片构成的结构叫做单异质结构。由禁带宽较低的半导体膜片夹在两禁带宽度较大的半导体层之间构成的结构叫做双异质结构。结构的中间层够薄时就做单量子阱（SQW）。由两种不同半导体的交替层组成的周期性结构有时也叫做多量子阱（MQW）或超晶格，这视乎禁带宽度较大的半导体层的厚度而定。对本发明来说，超晶格与MQW之间的区别是无关重要的，因此为简明起见，今后采用“超晶格”一词。本说明书中使用“局部混合”一词不仅包括合成层状结构有限的部分混合，也包括合成层状结构所有区域的混合。

具体地说，禁带宽度较小的各半导体层在导带或/和价带中产生所谓势阱。就光学和电子性能而论，有三种主要不同类型的半导体超晶格，一般叫做Ⅰ类、Ⅰ′类和Ⅱ类，这视乎导带和价带在两种半导体中的相对排列情况而定。但对本发明来说，这些区别无关重要。在各势阱内，受约束的载流子（导带中的电子或价带中的空穴）只能处在某一定的能态或能级下。各电子所能得到的能级值可通过适当选择半导体材料和半导体材料层的宽度有选择地加以控制。用这种方法可以制造出合乎SQW或合成或掺杂超晶格的电子和/或光学性能的材料。

在本专业领域中，众所周知，在半导体多层结构中，禁带宽度较小的半导体有砷化镓（GaAs）等材料，禁带宽度较大的半导体有砷化铝镓（Al_xGa_1-xAs）等材料，其中X表示可变的铝克原子数。砷化镓和砷化铝镓组成的合成超晶格和SQW结构通常是用金属有机化学汽相淀积法（MO-CVD）、分子束外延法（MBE）、液相外延法（LPE）或其它适用的淀积法生长的。一般认为，较理想的方法是MO-CVD和MBE法。

鉴于需要改变外延生长化合物半导体层（例如掺杂或合成超晶格）的掺杂、迁移率、禁带宽度和折射率，以便将有关光学元件集成在单片上，因而需要将各种不同的半导体层进行局部混合。这类半导体层，厚度一般约在5埃至5微米的范围内，包括诸如GaAS/Al_xGa_1-xAS之类的超晶格及其有关的供光电子设备用的异质结构。迄今，在现在有技术中，这类选择性混合历来是通过局部扩散或注入两种施E杂质或受主杂质进行的。

特别是，美国专利4，378，255公开的一种方法，即用锌扩散的方法，可以扰乱多层Ⅲ-Ⅴ组半导体结构，并将禁带宽度上移，使其形成单晶形式。该专利使我们认识到，通过低温锌扩散过程可以将多层砷化镓/砷化铝或砷化镓/砷化铝镓的全部或选定的部分转化成禁带宽度大于原结构的单晶砷化铝镓。但这种现有技术的方法有一个缺点，即使超晶格层大致混合需要以小时计的扩散时间。此外，此现有技术需要往超晶格材料中加入一定浓度的杂质原子才能进行混合。

最近报导的另一种方法是，用高能连续波（CW）氩激光束照射的AlAs和GaAs双层结构，在半绝缘GaAs衬底上形成Al_xGa_1-xAs合金。这个方法是N.V.Joshi和J.Lehman在《材料研究学会专题讨论报告集》第51卷，第185-189页（1986年）题为“用激光束干涉法在半绝缘GaAs衬底上形成Al_xGa_1-xAs合金”的文章中报导的。然而据报导，用这种方法采用稳定或半稳定连续波束得出的合金材料，看来质量较差，而且往往使材料损坏。该报告中没有提出用脉冲或快速扫描的激光或电子束以几分之一秒的停留时间生长合金或用混合较复杂结构的方法获取优质的混合材料或高度复杂的复合结构成品。