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《中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所)》 2007年
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干法刻蚀和离子注入影响Ⅲ-Ⅴ族半导体量子阱发光特性研究

曹萌  
【摘要】: 干法刻蚀和离子注入是半导体光电器件制作过程中广泛使用的基本工艺过程。虽然干法刻蚀和离子注入工艺都有各自的优点,但他们也都可能给半导体材料及器件带来电学和光学上的损伤。如何在完成器件工艺的同时避免或最大限度地减小材料及器件的损伤是值得研究的重要科学问题。本论文围绕干法刻蚀和离子注入可能给Ⅲ-Ⅴ族半导体量子阱材料发光特性产生的影响进行了系统研究,并取得如下结果: 1.理论计算了较低能量(小于1 KeV)下干法刻蚀过程中缺陷产生速率、缺陷在材料刻蚀表面及侧面的分布、缺陷在刻蚀材料内部带来的损伤深度、外延层电导等物理量,并得出以下结论:(1)由干法刻蚀产生的缺陷密度随着刻蚀面以下深度的增加而呈指数衰减,缺陷密度随着刻蚀时间的延长而增大,最终趋于饱和;(2)在刻蚀初始阶段,刻蚀损伤深度随着刻蚀深度的增大而增大,当刻蚀缺陷去除速率等于缺陷产生速率时,缺陷损伤深度趋于一定值;在同一刻蚀深度,刻蚀离子在刻蚀面以下的隧穿深度越大,损伤深度也就越大。 2.设计了用于研究干法刻蚀损伤机理和离子注入实验的特殊结构的Ⅲ-Ⅴ族半导体量子阱,并采用气态源分子束外延(GSMBE)技术生长了InAsP/InP、InAsP/InGaAsP等应变量子阱;采用金属氧化物气相淀积(MOCVD)技术生长了InGaN/AlGaN量子阱。 3.研究了干法刻蚀和离子注入对量子阱发光特性的影响。通过ICP刻蚀技术对InAsP/InP应变多量子阱覆盖层进行刻蚀,并结合光致发光谱测量技术,发现随着ICP刻蚀InAsP/InP应变多量子阱覆盖层深度的增加,量子阱发光强度首先出现明显增强,然后逐渐减弱的现象。ICP刻蚀InAsP/InP应变多量子阱覆盖层45 nm后,量子阱发光强度增强5~7倍;同样用ICP刻蚀InGaN/AlGaN应变多量子阱结构也观察到了发光强度的增强效应,刻蚀量子阱覆盖层约95 nm后,发光强度增强约3倍。揭示了发光增强的内在机理:(1)刻蚀过程中Ar~+隧穿作用使量子阱内部引入了新的发光复合中心;(2)刻蚀表面的粗糙化对发光增强也有贡献。 确定了刻蚀深度与损伤深度的关系,当ICP刻蚀InAsP/InP量子阱覆盖层75 nm其损伤深度为~40 nm。随着刻蚀深度增大,过多的Ar~+会形成高密度非辐射复合中心,从而降低了量子阱发光强度。 采用H~+注入的方法,同样发现了InAsP/InP应变双量子阱发光强度增强效应,这是因为H~+隧穿作用消除了量子阱结构内部的一些本征缺陷。当采取注入能量为25KeV,H~+注入剂量为10~(10)/cm~2时,InAsP/InP应变双量子阱发光强度提高约1.5倍。 4.理论计算了温度与量子阱能带以及激子束缚能的关系;实验研究了ICP刻蚀前后InAsP/InP应变多量子阱和InAsP/InGaAsP应变单量子阱光学特性随温度的变化,发现以下实验现象:(1)干法刻蚀后量子阱发光强度的增强因子随着温度的提高而增大;(2)In或P位置的位移、缺陷、杂质以及应变导致的不均匀性导致量子阱结构内部势能的扰动,载流子与这些扰动的势能相互作用在激子态密度中产生能带尾态,激子在这些能带尾态处的复合导致低温下刻蚀样品量子阱发光峰位产生红移;(3)观察到了刻蚀样品由缺陷及量子阱结构内部原子位置变化导致的量子阱发光峰半高宽增大现象。 5.利用ICP刻蚀结合高温快速退火的方法实现了对InAsP/InP应变多量子阱的混杂,分别采用H~+和P~+离子注入结合高温快速退火的方法实现对了InAsP/InGaAsP多量子阱的混杂。在低温下(10 K),ICP刻蚀lnAsP/InP多量子阱覆盖层180 nm时,量子阱发光峰位蓝移量为39 nm;当H~+注入能量为25 keV,剂量为10~(14)/cm~2时,InAsP/InGaAsP多量子阱发光峰位蓝量为33 nm;当P~+注入能量为25 keV,剂量为1×1O~(13)/cm~2时,InAsP/InGaAsP多量子阱发光峰位蓝移量为37 nm。 上述结果对干法刻蚀和离子注入Ⅲ-Ⅴ族半导体材料和器件实验具有重要的指导意义。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN304

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