專利名稱：一種提高Ⅲ－Ⅴ族應(yīng)變多量子阱發(fā)光強(qiáng)度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高III-V族應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)材料發(fā)光強(qiáng)度的方法，屬于光電子材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
回顧半導(dǎo)體激光器發(fā)展的歷程，早在20世紀(jì)60年代就提出用半導(dǎo)體材料作為激光媒質(zhì)的建議，并且已經(jīng)看到III-V族化合物是一類很有前途的材料。為了研制發(fā)光效率較高的激射媒質(zhì)，人們先后用制作了同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)節(jié)半導(dǎo)體激光器。進(jìn)入80年代后，隨著晶體外延生長(zhǎng)新工藝的發(fā)展，如分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和化學(xué)束外延(CBE)等，半導(dǎo)體激光器成功地采用了量子阱和應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，從而出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新器件。其中最具代表性的是各類量子阱激光器(極低閾值，單頻，高調(diào)制速率，擴(kuò)展新波長(zhǎng)......)，應(yīng)變量子阱激光器，垂直腔面發(fā)射激光器及高功率激光器列陣。但是有很多因素影響著量子阱激光器的輸出光功率，其中最重要的因素就是量子阱激光器有源層材料的發(fā)光效率。影響有源層多量子阱材料發(fā)光效率的因素很多，如異質(zhì)結(jié)界面質(zhì)量，材料內(nèi)部的吸收和損耗以及阱和壘之間的耦合作用等。目前人們采用各種方法來提高量子阱的發(fā)光效率，比如通過快速退火來減少量子阱內(nèi)部非輻射復(fù)合中心的密度，從而提高量子阱的發(fā)光強(qiáng)度[Lae Su Yu etal.Effects of rapid thermalannealing on the optical properties of In0.53Ga0.47As/InAlAs multiple quantumwells with InGaAs and dielectric capping layers.Journal of Applied Physics.Vol.91，No.4，2080(2002)]，但是快速退火的溫度和時(shí)間比較難以掌握，掌握不好可能沒有效果，或者效果很差。通過氫化作用來鈍化半導(dǎo)體內(nèi)部包括淺摻雜，深能級(jí)，界面懸掛鍵等活動(dòng)中心的電學(xué)性能也可提高量子阱阱層內(nèi)部的輻射復(fù)合，從而提高量子阱的發(fā)光強(qiáng)度[S.M.Lord etal“Enhancement ofphotoluminescence intensity in InGaAs/AlxGa1-xAs quantum wells byhydrogenation”，Applied Physics Letter，Vol.60，No.18，2276(1992)]，但是氫離子的劑量也很難把握，而且氫離子質(zhì)量小，體積小，很容易穿透到量子阱內(nèi)部，量子阱有源層中氫離子過多的話，反而會(huì)降低量子阱的發(fā)光強(qiáng)度。本發(fā)明人試圖通過簡(jiǎn)單的工藝，如用干法刻蝕的方法對(duì)多量子阱覆蓋層進(jìn)行一定程度的刻蝕，從而有望使多量子阱發(fā)光強(qiáng)度提高，從而引導(dǎo)出本發(fā)明的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光強(qiáng)度的方法。
主要采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)(ICP)或反應(yīng)離子(RIE)刻蝕技術(shù)對(duì)應(yīng)變量子阱的覆蓋層進(jìn)行一定程度的刻蝕。其特征在于所述的方法適用于一種由III-V族材料生長(zhǎng)得到的量子阱結(jié)構(gòu)，阱層厚度依次減小，壘層厚度相同，覆蓋層較厚。InAsP/InP和InGaN/AlGaN應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)分別由氣態(tài)源分子束外延(GSMBE)或金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長(zhǎng)所得。具體工藝步驟是1.將III-V族化合物應(yīng)變量子阱生長(zhǎng)片解理為正方形或長(zhǎng)方形，邊長(zhǎng)在0.5-1cm之間；2.用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法(PECVD)對(duì)III-V族應(yīng)變量子阱生長(zhǎng)片的表面用Si3N4作掩膜進(jìn)行保護(hù)；3.用氫氟酸將Si3N4掩膜去除一半，使應(yīng)變量度子阱生長(zhǎng)片的一半表面露出來，以便刻蝕；4.用ICP或RIE方法對(duì)III-V族應(yīng)變量子阱生長(zhǎng)片的覆蓋層進(jìn)行刻蝕；5.刻蝕后用HF將剩余Si3N4掩膜去除。
所述的Si3N4掩膜層厚度400-500nm；所述的ICP或RIE，刻蝕功率為200-400W，自偏壓130-170V；所述的刻蝕表面至量子阱層的距離不大于刻蝕損傷深度，刻蝕深度一般小于量子阱覆蓋層厚度的2/3；
所述的III-V族應(yīng)變量子阱生長(zhǎng)片為InAsP/InP或InGaN/AlGaN，覆蓋層材料為InP、InGaAsP、AlGaInAs或InGaN中一種；有源層為InAsp、InGaAsP、AlGaInAs或InGaN中一種。
刻蝕后室溫下用傅立葉紅外光譜儀(MAGNA-IR 860)和THR 1000紫外光柵光譜儀分別測(cè)量刻蝕前后應(yīng)變多量子阱的光致發(fā)光(PL)譜，514.5nm的Ar離子激光器和325nm的He-Cd激光器提供泵浦光源。經(jīng)ICP刻蝕不同厚度覆蓋層后可以發(fā)現(xiàn)雖然量子阱接近覆蓋層的阱層受到不同程度的損傷，但是量子阱的整體發(fā)光強(qiáng)度在刻蝕一定深度后得到增強(qiáng)。比如刻蝕覆蓋層45nm后InAsP/InP應(yīng)變多量子阱的發(fā)光強(qiáng)度整體增強(qiáng)了近5倍。
具體地講，本發(fā)明采用的InAsP/InP應(yīng)變多量子阱整個(gè)結(jié)構(gòu)有6個(gè)InAsP壓應(yīng)變量子阱和一個(gè)厚的InAsP校準(zhǔn)層。首先在襯底上生長(zhǎng)了200nm的InP緩沖層和30nm的InAsP校準(zhǔn)層。采用不同的阱層厚度和校準(zhǔn)層有利于確定干法刻蝕損傷深度。然后由InAsP校準(zhǔn)層，沿襯底向上依次生長(zhǎng)了6個(gè)InAsP量子阱，其厚度依次為9.6、6.6、5.0、4.0、3.2和2.4nm。各量子阱之間的壘層為InP，厚度均為30nm，最后是80nm的InP覆蓋層。
InGaN/AlGaN應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)由MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)，先是生長(zhǎng)了約為3μm的GaN，接著是5個(gè)阱寬相同的InGaN/AlGaN應(yīng)變量子阱，阱層和壘層厚度分別為3nm和10nm，最后是180nm摻Mg的p型GaN覆蓋層。
經(jīng)ICP刻蝕不同厚度覆蓋層后，發(fā)現(xiàn)雖然量子阱結(jié)構(gòu)中接近覆蓋層的阱層受到不同程度的損傷，但是量子阱的整體發(fā)光強(qiáng)度在刻蝕一定深度后得到增強(qiáng)。比如干法刻蝕InP覆蓋層45nm后InAsP/InP應(yīng)變多量子阱的整體發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)了近5倍；而干法刻蝕90nm GaN覆蓋層后InGaN/AlGaN應(yīng)變量子阱的整體發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)了近3倍。
本發(fā)明所提供的方法適用于III-V族基發(fā)光二極管制作過程中提高器件出光面的粗糙度，從而提高發(fā)光二極管的出光效率；利用本發(fā)明所提供的方法對(duì)激光器等發(fā)光器件的有源區(qū)材料進(jìn)行處理，也可提高激光器等發(fā)光器件的外量子效率。


圖1為InAsP/InP應(yīng)變多量子阱材料結(jié)構(gòu)圖2為刻蝕前InAsP/InP應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)的PL譜強(qiáng)度。激光器泵浦功率為100mw。
圖3為刻蝕前(a)及刻蝕覆蓋層厚度25nm(b)、45nm(c)、58nm(d)后InAsP/InP應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)的PL譜強(qiáng)度比較，激光器泵浦功率為100mw。
圖4為刻蝕前(a)及刻蝕覆蓋層厚度90nm(b)后InGaN/AlGaN應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)的PL譜強(qiáng)度比較。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例11、將由氣態(tài)源分子束外延生長(zhǎng)所得的InAsP/InP應(yīng)變量子阱生長(zhǎng)片解理為正方形或長(zhǎng)方形，邊長(zhǎng)在0.5～1cm之間。
2、用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法對(duì)InAsP/InP應(yīng)變多量子阱樣品表面用Si3N4作掩膜進(jìn)行保護(hù)。Si3N4掩膜厚度為420nm。
3、用HF酸將Si3N4掩膜去除一半，使樣品的一半表面露出半導(dǎo)體，便于刻蝕。
4、采用ICP對(duì)InAsP/InP應(yīng)變量子阱覆蓋層進(jìn)行刻蝕，刻蝕氣體為Cl2/Ar混合氣體，其流量體積比為6/12，ICP功率為200W，自偏壓為130V。
5、刻蝕后用HF將剩余Si3N4掩膜去除。
6、利用臺(tái)階儀測(cè)量刻蝕厚度。采用上述刻蝕方法和刻蝕條件，對(duì)該應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)分別刻蝕了覆蓋層厚度25、45、58nm。
7、刻蝕后所有樣品在室溫下用傅立葉紅外光譜儀測(cè)量PL譜，采用514.5nm波長(zhǎng)的Ar離子激光器提供泵浦光源。泵浦功率取100mw，結(jié)果如圖3所示。
實(shí)施例21、將金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長(zhǎng)所得的InGaN/AlGaN應(yīng)變多量子阱生長(zhǎng)片解理為正方形或長(zhǎng)方形，邊長(zhǎng)在0.5～1cm之間。
2、用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法對(duì)InGaN/AlGaN應(yīng)變多量子阱樣品表面用Si3N4作掩膜進(jìn)行保護(hù)。Si3N4掩膜厚度為420nm。
3、用HF酸將Si3N4掩膜去除一半，使樣品的一半表面露出半導(dǎo)體，便于刻蝕。
4、采用ICP對(duì)InAsP/InP應(yīng)變量子阱覆蓋層進(jìn)行刻蝕，刻蝕氣體為Cl2/Ar混合氣體，其流量體積比為8/32，ICP功率為400W，自偏壓為150V。
5、刻蝕后用HF將剩余Si3N4掩膜去除。
6、利用臺(tái)階儀測(cè)量刻蝕厚度。采用上述刻蝕方法和刻蝕條件，對(duì)該應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)覆蓋層刻蝕約90nm。
7、刻蝕后樣品在室溫下用THR 1000紫外光柵光譜儀測(cè)量PL譜，采用325nm的He-Cd激光器提供泵浦光源，結(jié)果如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種提高III-V族應(yīng)變多量子阱發(fā)光強(qiáng)度的方法，其特征在于具體步驟是a.將III-V族應(yīng)變多量子阱生長(zhǎng)片解理為正方形或長(zhǎng)方形；b.用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法對(duì)III-V族應(yīng)變量子阱生長(zhǎng)片的表面用Si3N4作掩膜進(jìn)行保護(hù)；c.用氫氟酸將作保護(hù)的掩膜去除一半，使應(yīng)變量子阱生長(zhǎng)片的一半表面露出來；d.采用干法刻蝕方法對(duì)III-V族應(yīng)變量子阱生長(zhǎng)片的覆蓋層進(jìn)行刻蝕；e.刻蝕后用HF將剩余Si3N4掩膜去除。
2.按權(quán)利要求1所述的提高III-V族應(yīng)變多量子阱發(fā)光強(qiáng)度的方法，其特征在于所述的正方形或長(zhǎng)方形的邊長(zhǎng)為0.5-1cm。
3.按權(quán)利要求1所述的提高III-V族應(yīng)變多量子阱發(fā)光強(qiáng)度的方法，其特征在于所述的Si3N4掩膜層厚度400-500nm。
4.按權(quán)利要求1所述的提高III-V族應(yīng)變多量子阱發(fā)光強(qiáng)度的方法，其特征在于所述的干法刻蝕為感應(yīng)耦合等離子體ICP刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕，刻蝕深度小于量子阱覆蓋層厚度的三分之二。
5.按權(quán)利要求1所述的提高III-V族應(yīng)變多量子阱發(fā)光強(qiáng)度的方法，其特征在于刻蝕所采用的氣體為Ar氣或Cl2/Ar混合氣體。
6.按權(quán)利要求5所述的提高III-V族應(yīng)變多量子阱發(fā)光強(qiáng)度的方法，其特征在于所述的Cl2/Ar混合氣體中Cl2和Ar的體積比為1∶2～1∶4。
7.按權(quán)利要求4或5所述的提高III-V族應(yīng)變多量子阱發(fā)光強(qiáng)度的方法，其特征在于ICP刻蝕的功率為200-400W，自偏壓130-170V。
8.按權(quán)利要求1所述的提高III-V族應(yīng)變多量子阱發(fā)光強(qiáng)度的方法，其特征在于所述的生長(zhǎng)片為InAsP/InP或InGaN/AlGaN。
9.按權(quán)利要求1或8所述的提高III-V族應(yīng)變多量子阱發(fā)光強(qiáng)度的方法，其特征在于生長(zhǎng)片是為氣態(tài)源分子束外延或有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)的。
10.按權(quán)利要求1或8所述的提高III-V族應(yīng)變多量子阱發(fā)光強(qiáng)度的方法，其特征在于生長(zhǎng)片的覆蓋層為InP、InGaAsP、InGaAsp、AlGaInAs或InGaN中一種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高III－V族應(yīng)變多量子阱發(fā)光強(qiáng)度的方法，其特征是通過離子刻蝕方法增強(qiáng)III－V族發(fā)光材料的發(fā)光亮度。離子刻蝕覆蓋層采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)或反應(yīng)離子(RIE)等刻蝕技術(shù)?？涛g所采用的氣體為Ar離子或Ar離子和Cl
文檔編號(hào)H01L33/00GK1933263SQ20061011715
公開日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日
發(fā)明者吳惠楨, 曹萌, 勞燕鋒, 黃占超, 劉成, 謝正生 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所