专利名称：同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高氧化层热稳定性的方法
技术领域：
本发明用于光电子器件制作技术领域，具体涉及在电注入GaAs基量子点光子晶体微腔发光器件制备过程中，一种高温湿法氧化时利用SiO2保护层同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高AlxGa(1_x)As氧化层热稳定性的方法。
背景技术：
量子点光子晶体微腔器件在集成光学、量子信息学、腔量子电动力学等领域有着广泛的用途，具有高Q值、小模体积的特点，可以制作纳米尺寸的零阈值激光器，它避免了热效应带来的一系列问题，应用在集成光路中能大大提高系统的性能，降低系统的复杂程度。在它们的制备过程中，AlxGa(1_x)As牺牲层的侧向湿法氧化是一个非常重要的步骤，可以实现对电流和光场的限制作用。湿法氧化技术是一种在300°C以上的高温下用氮气携带水蒸气经过样品，样品中的高Al组分AlxGa(1_x)As (O. 8彡x彡I)层和H2O发生反应，生成致密、稳定、和折射率低的 AlxOy0湿法氧化技术应用在了如垂直表面发射激光器、单光子源、金属-氧化物-半导体场效应晶体管和电注入光子晶体(微腔)激光器等多个方面。研究发现，在反应结束后，会有部分氧化反应产物单质As残留在氧化层中。残留的As会降低氧化层的热稳定性，从而影响器件的性能。在实验中，一般通过后续的高温退火过程去掉残留的As。但是，这样一方面增加了器件表面崩裂的可能，也使制备器件的成本增加。另外，含有量子点有源区的GaAs层位于AlxGa(1_x)As牺牲层的上方。在高温湿法氧化过程中，GaAs层的上表面直接暴露在H2O 蒸汽气氛中，可以导致GaAs层的上表面被氧化。因为GaAs层较薄，即使轻微的氧化也会导致量子点发光特性的严重下降。基于此，本发明是在GaAs的上表面利用等离子体化学气相淀积法生长了一层SiO2 保护层，在高温侧向湿法氧化过程中，它既可以阻止GaAs盖层被氧化，保持量子点的发光特性；同时又可以提闻AlxGa(1_x)As氧化层的热稳定性。
发明内容
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本发明的目的在于提供一种在高温侧向湿法氧化过程中同步实现阻止 GaAs盖层氧化和提高AlxGa(1_x)As氧化层热稳定性的方法。这样既保持了量子点的发光特性，又减少了后续高温退火过程对器件表面损伤，有利于制备高性能的器件；同时减少了工艺步骤，使器件的制备成本下降。( 二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高氧化层热稳定性的方法，包括如下步骤步骤I、在GaAs衬底上外延生长厚度为100 500nm的GaAs缓冲层；
步骤2、在GaAs缓冲层上外延生长一定厚度的AlxGa(1_x)As牺牲层，其中
O.8彡X彡I ;步骤3、在AlxGa(1_x)As牺牲层上外延生长厚度为50 150nm的第一 GaAs层；步骤4、在第一 GaAs层上外延生长InAs量子点；步骤5、在InAs量子点上外延生长厚度为50 150nm的第二 GaAs层，将InAs量子点埋住；步骤6、在第二 GaAs层上生长一定厚度的SiO2薄膜；步骤7、采用紫外光刻和等离子体刻蚀方法制作圆柱形台面；步骤8、氧化前，在氮气保护和所需预热温度下，将样品放入氧化炉中预热一定时间；步骤9、预热结束后，关闭氮气通路，用一定流量的另一路氮气携带水蒸气经过样品，高温下侧向湿法氧化一定时间；步骤10、高温侧向湿法氧化结束后，将样品取出，在室温下自然冷却。上述方案中，步骤2中所述AlxGa(1_x)As牺牲层的厚度为300 lOOOnm。上述方案中，步骤6中所述的在第二 GaAs层上生长一定厚度的SiO2薄膜，是采用等离子体化学气相淀积法生长的，所述SiO2薄膜厚度为50 500nm。上述方案中，步骤7中所述采用紫外光刻和等离子体刻蚀方法制作圆柱形台面， 具体包括步骤A :采用紫外光刻方法在光刻胶上形成圆柱形台面图形；步骤B :采用反应离子刻蚀方法将胶上图形转移至SiO2层上；步骤C :去除SiO2表面剩余的光刻胶，采用感应耦合等离子刻蚀方法将SiO2表面上的图形转移至GaAs上，一直刻蚀到GaAs缓冲层的上表面为止。上述方案中，步骤7中所述圆柱形台面的直径为20 200 μ m，台面的高度为 300 1500nmo上述方案中，步骤8中所述的样品预热时间为I 10分钟，预热温度为350 580。。。上述方案中，步骤9中所述的氮气流量为O. 5 3L/分钟，水温为80 95°C，氧化温度为350 580°C，氧化时间为O. 5 3h。(三)有益效果本发明提供的这种高温湿法氧化时利用SiO2保护层同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高AlxGa(1_x)As氧化层热稳定性的方法，由于氧化过程中被氧化区域中反应产物As扩散进入GaAs层，所以提高了 AlxGa(1_x)As氧化层的热稳定性，减少了后续高温退火对器件表面的损伤，同时减少了工艺步骤，使器件的制备成本下降；又能阻止GaAs盖层的氧化，使量子点的发光性质基本不受影响。这些优点为高性能光电子器件的制备提供了基础。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合具体实施例及附图详细说明如后，其中图I是本发明提供的高温湿法氧化时利用SiO2保护层同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高AlxGa(1_x)As氧化层热稳定性的方法流程图；图2是本发明提供的制作完毕的GaAs基圆柱形台面的示意图；图3是直径为50 μ m台面氧化前后的拉曼光谱图。其中，(a)为无SiO2保护层的样品；(b)为具有SiO2保护层的样品。测量位置到台面中心的距离分别是22.5μπι(ΙΙ)， 15 μ m(III)，7. 5 μ m(IV)，0 μ m(V)，曲线I是未氧化样品的拉曼光谱图。图4是被氧化样品的正面和截面的光学显微镜和扫描电镜图。其中，(a)和(C)为无SiO2保护层的样品；(b)和(d)为具有SiO2保护层的样品。图5是氧化前后样品的荧光光谱。(a)氧化前样品的荧光光谱；(b)高温湿法氧化后，有无SiO2保护层样品的荧光光谱比较。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图I所示，其是本发明提供的高温湿法氧化时利用SiO2保护层同步实现阻止 GaAs盖层氧化和提闻AlxGa(1_x)As氧化层热稳定性的方法流程图，包括如下步骤步骤I、在GaAs衬底上外延生长100 500nm的GaAs缓冲层；步骤2、在GaAs缓冲层上外延生长一定厚度的AlxGa(1_x)As牺牲层，其中
O.8彡X彡I ;步骤3、在AlxGa(1_x)As牺牲层上外延生长50 150nm的第一 GaAs层；步骤4、在第一 GaAs层上外延生长InAs量子点；步骤5、在InAs量子点上外延生长50 150nm的第二 GaAs层，将InAs量子点埋住；步骤6、在第二 GaAs层上生长一定厚度的SiO2薄膜；步骤7、采用紫外光刻和等离子体刻蚀方法制作圆柱形台面；步骤8、氧化前，在氮气保护和所需预热温度下，将样品放入氧化炉中预热一定时间；步骤9、预热结束后，关闭氮气通路，用一定流量的另一路氮气携带水蒸气经过样品，高温下侧向湿法氧化一定时间；步骤10、高温侧向湿法氧化结束后，将样品取出，在室温下自然冷却。上述步骤2所述的AlGaAs牺牲层Al组分的取值为x = O. 85，厚度为420nm。上述步骤6所述的SiO2薄膜是采用等离子体化学气相淀积法生长的，所述SiO2薄膜厚度为170nm。上述方案中，所述的采用紫外光刻和等离子体刻蚀方法制作圆柱形台面，具体包括(A)采用紫外光刻方法在光刻胶上形成圆柱形台面图形；(B)采用反应离子刻蚀方法将胶上图形转移至SiO2层上；(C)去除SiO2表面剩余的光刻胶，采用感应耦合等离子刻蚀方法将SiO2表面上的图形转移至GaAs上。圆柱形台面的直径为50 μ m,台面的高度为770nm， 即一直刻蚀到GaAs缓冲层的上表面为止。上述步骤8所述的样品预热时间为5分钟，预热温度为550°C。上述步骤9所述的氮气流量为I. 5L/分钟，水温为90°C，氧化温度为550°C，氧化时间为2. 5h。图2所示为制作完毕的GaAs基圆柱形台面的示意图，与以往不同的是在台面正上方另外淀积了一层SiO2层，这是本发明的核心部分。在高温湿法氧化时，这层SiO2层能够同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高AlxGa(1_x)As氧化层热稳定性。这样既保持了量子点的发光特性，又减少了后续高温退火过程对器件表面损伤，有利于制备高性能的光电子器件。图3是直径为50 μ m台面氧化前后的拉曼光谱图。其中，(a)为无SiO2保护层的样品；(b)为具有SiO2保护层的样品。测量位置到台面中心的距离分别是22.5μπι(ΙΙ)， 15 μ m(III)，7. 5 μ m(IV), O μ m(V)，曲线I是未氧化样品的拉曼光谱图。对于无SiO2保护层的样品，图谱中除了 GaAs的拉曼峰外，还有氧化反应产物As的峰。而对于有SiO2保护层的样品，图谱中只有GaAs的拉曼峰。由于GaAs层较薄，且SiO2在可见光范围内是透明的，所以入射光可以到达被氧化区域。所以As拉曼峰的不存在说明具有SiO2保护层样品被氧化区域中不含氧化反应产物As。在GaAs材料中,As原子能够填充Ga空位(Vea)形成As的反位缺陷(Asea)。它们也能存在于InAs/GaAs量子点结构中，且它们的浓度与生长速率和衬底温度相关。在高温湿法氧化过程中，由于Ga原子向外扩散进入SiO2保护层，在GaAs/Si02界面上表面就会产生大量的Ga空位Vea。由于GaAs (6. 03 X 10_6°C ^1)有比SiO2 (O. 52 X IO-6oC ^1) 大得多的热膨胀系数，所以在GaAs里会产生压应力。这个压应力可以使界面附近的Vea迅速向GaAs内部扩散，扩散深度达几个微米，且均匀分布。另外，在浓度梯度的作用下，被氧化区域中的As原子可以扩散进入GaAs层。这样，在GaAs层中As原子就可能填充Vea形成反位缺陷As0ao由于进入GaAs层的As原子不断形成反位缺陷，被氧化区域中的As原子就可以不断扩散进入GaAs层。所以被氧化区域中的As原子被大量消耗，提高了氧化层的热稳定性。图4是被氧化样品的正面和截面的光学显微镜和扫描电镜图。其中，(a)和(C) 为无SiO2保护层的样品；(b)和(d)为具有SiO2保护层的样品。通过测量可以发现，有无 SiO2保护层样品的氧化长度基本相等，即SiO2层对AlxGa(1_x)As牺牲层的氧化速率基本无影响。由于氧化后折射率发生变化，氧化/非氧化部分的界面非常明显。具有SiO2保护层样品被氧化区域的颜色比无SiO2保护层样品被氧化区域的颜色深得多，即两种样品的被氧化区域存在较大的衬度；但是，其它对应区域的颜色基本一致，即不存在衬度。由于截面平整光滑，所以两种样品被氧化区域的衬度来源于组分衬度。组分衬度与平均原子序数相关。 平均原子序数越大，二次电子的产额就越多，对应区域就明亮。被氧化区域含有的元素为0， Al，Ga，As，它们的原子序数依次增大。图3拉曼光谱表明，具有SiO2保护层样品被氧化区域不含有氧化反应产物As，所以导致该区域的平均原子序数变小，即有较深的衬度。再参阅图3和图4，二者的结果均表明具有SiO2保护层样品被氧化区域中不含有氧化反应产物As，这样就提高了 AlxGa(1_x)As氧化层的热稳定性，同时减少了工艺步骤，使器件的制备成本下降。图5是氧化前后样品的荧光光谱。(a)氧化前样品的荧光光谱；(b)高温湿法氧化后，有无SiO2保护层样品的荧光光谱比较。氧化前，样品的基态和激发态发光峰位于1260nm 和1200nm，且基态发光峰的半高全宽为46nm。为了更好地说明SiO2层的保护效果，我们使用了三组对比样品。高温湿法氧化后，具有SiO2保护层样品的发光强度比无SiO2保护层样品的发光强度强的多。具有SiO2保护层样品的发光峰位和半高全宽与氧化前的样品基本一致，而无SiO2保护层样品的发光峰位红移，半高宽展宽。这说明SiO2层有效地阻止了 GaAs 盖层的氧化，使量子点的发光性质基本不受影响。由于无SiO2层样品的GaAs盖层表面直接暴露于高温水汽环境中，其上表面会被氧化。这样就会导致GaAs盖层对量子点限制作用的减弱，使量子点的禁带宽度变小，即发光峰位发生红移。另外，氧化时，无SiO2保护层的样品还会在GaAs盖层表面产生大量的非福射复合中心。由于非福射复合，载流子寿命变小， 量子点的发光强度变弱，半高全宽展宽。再参阅图3、图4和图5，它们的结果表明=SiO2层的存在既能提高AlxGa(1_x)As氧化层的热稳定性，减少后续高温退火对器件表面的损伤，同时减少工艺步骤，使器件的制备成本下降；又能阻止GaAs盖层的氧化，使量子点的发光性质基本不受影响。这些优点为高性能光电子器件的制备提供了基础。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高氧化层热稳定性的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤I、在GaAs衬底上外延生长厚度为100 500nm的GaAs缓冲层；步骤2、在GaAs缓冲层上外延生长一定厚度的AlxGa(1_x)As牺牲层，其中O. 8彡x彡I ; 步骤3、在AlxGa(1_x)As牺牲层上外延生长厚度为50 150nm的第一 GaAs层；步骤4、在第一 GaAs层上外延生长InAs量子点；步骤5、在InAs量子点上外延生长厚度为50 150nm的第二 GaAs层，将InAs量子点埋住；步骤6、在第二 GaAs层上生长一定厚度的SiO2薄膜；步骤7、采用紫外光刻和等离子体刻蚀方法制作圆柱形台面；步骤8、氧化前，在氮气保护和所需预热温度下，将样品放入氧化炉中预热一定时间； 步骤9、预热结束后，关闭氮气通路，用一定流量的另一路氮气携带水蒸气经过样品，高温下侧向湿法氧化一定时间；步骤10、高温侧向湿法氧化结束后，将样品取出，在室温下自然冷却。
2.根据权利要求I所述的一种同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高氧化层热稳定性的方法，其特征在于，步骤2中所述AlxGa(1_x)As牺牲层的厚度为300 lOOOnm。
3.根据权利要求I所述的一种同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高氧化层热稳定性的方法，其特征在于，步骤6中所述的在第二 GaAs层上生长一定厚度的SiO2薄膜，是采用等离子体化学气相淀积法生长的，所述SiO2薄膜厚度为50 500nm。
4.根据权利要求I所述的一种同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高氧化层热稳定性的方法，其特征在于，步骤7中所述采用紫外光刻和等离子体刻蚀方法制作圆柱形台面，具体包括步骤A :采用紫外光刻方法在光刻胶上形成圆柱形台面图形；步骤B :采用反应离子刻蚀方法将胶上图形转移至SiO2层上；步骤C :去除SiO2表面剩余的光刻胶，采用感应耦合等离子刻蚀方法将SiO2表面上的图形转移至GaAs上，一直刻蚀到GaAs缓冲层的上表面为止。
5.根据权利要求I所述的一种同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高氧化层热稳定性的方法，其特征在于，步骤7中所述圆柱形台面的直径为20 200 μ m，台面的高度为300 1500nmo
6.根据权利要求I所述的一种同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高氧化层热稳定性的方法，其特征在于，步骤8中所述的样品预热时间为I 10分钟，预热温度为350 580°C。
7.根据权利要求I所述的一种同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高氧化层热稳定性的方法，其特征在于，步骤9中所述的氮气流量为O. 5 3L/分钟，水温为80 95°C，氧化温度为350 580°C，氧化时间为O. 5 3h。
全文摘要
本发明公开了一种在高温湿法氧化时同步实现阻止GaAs盖层氧化和提高AlxGa(1-x)As氧化层热稳定性的方法。该方法是通过在GaAs层上采用等离子体化学气相淀积法生长一定厚度的SiO2薄膜而实现的。利用本发明，既能提高AlxGa(1-x)As氧化层的热稳定性，减少后续高温退火过程对器件表面的损伤，同时减少了工艺步骤，使器件的制备成本下降；又能阻止GaAs盖层的氧化，使量子点的发光性质基本不受影响。这些优点为高性能光电子器件的制备提供了基础。
文档编号H01L33/00GK102610714SQ20121008321
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月27日 优先权日2012年3月27日
发明者叶小玲, 周文飞, 张世著, 徐波, 王占国 申请人:中国科学院半导体研究所