薄固体膜片组成的层状结构的局部混合制造技术

一种多层半导体结构，由两个或多个不同材料制成的独立层构成，可以局部加以混合，以改变其组成，从而使原材料之间的区别消失，至少是部消失。这种混合方法采用脉冲或快速扫描激光或电子束进行照射，通常是在室温和常压下以不致在体质上损坏层状结构的能级进行。采用激光或电子束的多脉冲时可以达到彻底混合的效果。（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。对本专利技术来说，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。但对本专利技术来说，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(AlxGa1-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/AlxGa1-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AlxGa1-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AlxGa1-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。美国专利4，654，090报导了另一个最新进展在采取了保护措施的环境中用热处理的方法将半导体结构转换成无序合金。将该结构加热到接近熔点的温度，在大约750-850℃温度下就会产生快速热干扰效应，然后用激光(一般来自半导体激光器)进行扫描。采取保护措施的环境可以是一个密闭的容器，以防止因高温导致的蒸汽损失，也可以是为达到同一目的的覆盖物或保护罩。因此希望能提供一种经过改进的、无需往材料中引入杂质原子或将松散材料加热到极高温度而能获取优异电子性能和光学性能的、更快速和局部混合多层半导体材料的方法。此外，对照Joshi和Lehman的研究工作，希望能提供一种适用于混合诸如激光异质结构和超晶格之类的复杂多层结构的新方法。这个新进展将会促使整个合成光学器件/光信号处理的
向前推进一步。本专利技术即要进行这种改进，方法是采用诸如那些获自适当选用的激光束或电子束的脉冲或快速扫描定向能源对多层结构进行混合。因此，本专利技术总的目的提供一种经过改进的局部混合层状结构的方法，该方法较简单，但却能弥补现有技术的不足。本专利技术的一个目的是提供一种用脉冲或快速扫描激光束或电子束进行照射，局部混合层状结构的方法。本专利技术的另一个目的是提供一种用适当激光或电子束的单脉冲进行照射，局部混合诸如改变了的异质结构和超晶格之类的多层半导体结构的方法。本专利技术的第三个目的是提供一种用适当激光或电子束的一系列脉冲进行照射，局部混合多层半导体结构，以提高混合效果的方法。本专利技术的第四个目的是提供一种用倍频钕∶钇铝石榴石激光器或激态基态复合物激光器的单脉冲或一系列脉冲进行照射，局部混合GaAs/AlxGa1-xAs多层体的方法。本专利技术的第五个目的是提供一种部分经过选定的能源照射、局部混合过的、由薄固体膜层形成的新型合成结构，该结构中含有物理、光学和/或电子性能与未混合过的区域不同的横向和/或纵向隔离区域。参照附图阅读下面的详细说明即可更进一步全面理解本专利技术的上述目的和其它目的和优点。附图中，同样的编号表示相应的同类部件，其中图1和图2是本专利技术所用的两个超晶格样品的放大侧视图;图3是采用激态基态复合物激光器作为能源，根据本专利技术的原理制造的超晶格局部混合装置的方框图。图4是采用倍频钕∶钇铝石榴石激光器作为能源，根据本专利技术的原理制造的超晶格局部混合装置的方框图。图5和图6分别为图1中样品的生成态区域和用氟化氪激态基态复合物激光器的单脉冲照射过的样品的一个区域的拉曼散射分布图;图7和图8分别为图1中样品的生成态区域和用氟化氪激态基态复合物激光器的单脉冲照射过的样品的一个区域的溅射-俄歇-组成深度分布图;图9和图10分别为图2中样品的生成态区域和用倍频钕∶钇铝石榴石激光器的五个脉冲照射过的样品的一个区域的拉曼散射分布图。在本方法中，本专利技术的多层半导体结构是用退火处理进行局部混合的。这类结构可以是超晶格或合成超晶构结构。这类结构可由少到两层组成，例如一个量子阱层和一个阻挡层。同样，这类结构可由单个或两个异质结构组成。通常，这类层状结构由多层交替的量子阱和阻挡层类结构组成，结构的各层厚度约在5埃至50本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种局部混合多层半导体结构的方法，所述结构至少具有两个结构层，且包括交替的量子阱层和阻挡层，该方法的特征于，该方法包括下列步骤：（甲）提供一种多层半导体结构，各层的厚度在大约５至５００埃的范围内，且所述结构至少有一个表面层是敞露着的；（ 乙）用一种适宜提供足以使诸交替层之间混合的能量通量的能源，照射所述多层半导体结构敞露着的表面层的局部区域；（丙）回收局部混合过的半导体产品结构，所述结构的特征是具有在光学和／或电子性能上与原半导体结构不同的局部横向和／或纵向区域。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：约翰邓肯罗尔斯顿，安东尼卢克莫雷蒂，拉温达库马珍，
申请(专利权)人：阿莫科公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]