[其他]薄固體膜片組成的層狀結構的局部混合

無效

• 申請號: 87106894
• 申請日: 1987-10-09
• 公開（公告）號: CN87106894A
• 公開（公告）日: 1988-04-20
• 發明（設計）人: 約翰·鄧肯·羅爾斯頓;安東尼·盧克·莫雷蒂;拉溫達·庫馬·珍
• 申請（專利權）人: 阿莫科公司
• 主分類號: H01L21/268
• 分類號: H01L21/268
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 盧新華

本發明是關于合成層狀半導體結構及其在橫向和縱向上的改性，以此提供電子、光電子和光學等方面的新性能。這是用激光束或電子束能源進行局部照射，使這類層狀結構局部混合，從而使毗鄰各層之間，視能量通量而定，有效反應到一定的深度而加以實現的。

合成層狀結構相當重要的一種特殊類型是半導體超晶格結構，這種結構由兩種電子性能不同的半導體材料按下列任何一種方法交織成若干薄層：（1）輪流淀積兩種半導體材料薄片;（2）往單個半導體材料層中摻雜。前者叫做合成或異質結構超晶格，后者叫做摻雜超晶格。因此，合成超晶格包括兩種不同的半導體交替層組成的周期性陣列。各層的厚度在單個原子層至數百個原子層的范圍內。在合成超晶格中，應選用禁帶寬度（即價帶和導帶之間的能量差）懸浮的兩種半導體。

在有關文獻中，由兩種不同、半導體薄膜片構成的結構叫做單異質結構。由禁帶寬較低的半導體膜片夾在兩禁帶寬度較大的半導體層之間構成的結構叫做雙異質結構。結構的中間層夠薄時就做單量子阱（SQW）。由兩種不同半導體的交替層組成的周期性結構有時也叫做多量子阱（MQW）或超晶格，這視乎禁帶寬度較大的半導體層的厚度而定。對本發明來說，超晶格與MQW之間的區別是無關重要的，因此為簡明起見，今后采用“超晶格”一詞。本說明書中使用“局部混合”一詞不僅包括合成層狀結構有限的部分混合，也包括合成層狀結構所有區域的混合。

具體地說，禁帶寬度較小的各半導體層在導帶或/和價帶中產生所謂勢阱。就光學和電子性能而論，有三種主要不同類型的半導體超晶格，一般叫做Ⅰ類、Ⅰ′類和Ⅱ類，這視乎導帶和價帶在兩種半導體中的相對排列情況而定。但對本發明來說，這些區別無關重要。在各勢阱內，受約束的載流子（導帶中的電子或價帶中的空穴）只能處在某一定的能態或能級下。各電子所能得到的能級值可通過適當選擇半導體材料和半導體材料層的寬度有選擇地加以控制。用這種方法可以制造出合乎SQW或合成或摻雜超晶格的電子和/或光學性能的材料。

在本專業領域中，眾所周知，在半導體多層結構中，禁帶寬度較小的半導體有砷化鎵（GaAs）等材料，禁帶寬度較大的半導體有砷化鋁鎵（Al_xGa_1-xAs）等材料，其中X表示可變的鋁克原子數。砷化鎵和砷化鋁鎵組成的合成超晶格和SQW結構通常是用金屬有機化學汽相淀積法（MO-CVD）、分子束外延法（MBE）、液相外延法（LPE）或其它適用的淀積法生長的。一般認為，較理想的方法是MO-CVD和MBE法。

鑒于需要改變外延生長化合物半導體層（例如摻雜或合成超晶格）的摻雜、遷移率、禁帶寬度和折射率，以便將有關光學元件集成在單片上，因而需要將各種不同的半導體層進行局部混合。這類半導體層，厚度一般約在5埃至5微米的范圍內，包括諸如GaAS/Al_xGa_1-xAS之類的超晶格及其有關的供光電子設備用的異質結構。迄今，在現在有技術中，這類選擇性混合歷來是通過局部擴散或注入兩種施E雜質或受主雜質進行的。

特別是，美國專利4，378，255公開的一種方法，即用鋅擴散的方法，可以擾亂多層Ⅲ-Ⅴ組半導體結構，并將禁帶寬度上移，使其形成單晶形式。該專利使我們認識到，通過低溫鋅擴散過程可以將多層砷化鎵/砷化鋁或砷化鎵/砷化鋁鎵的全部或選定的部分轉化成禁帶寬度大于原結構的單晶砷化鋁鎵。但這種現有技術的方法有一個缺點，即使超晶格層大致混合需要以小時計的擴散時間。此外，此現有技術需要往超晶格材料中加入一定濃度的雜質原子才能進行混合。

最近報導的另一種方法是，用高能連續波（CW）氬激光束照射的AlAs和GaAs雙層結構，在半絕緣GaAs襯底上形成Al_xGa_1-xAs合金。這個方法是N.V.Joshi和J.Lehman在《材料研究學會專題討論報告集》第51卷，第185-189頁（1986年）題為“用激光束干涉法在半絕緣GaAs襯底上形成Al_xGa_1-xAs合金”的文章中報導的。然而據報導，用這種方法采用穩定或半穩定連續波束得出的合金材料，看來質量較差，而且往往使材料損壞。該報告中沒有提出用脈沖或快速掃描的激光或電子束以幾分之一秒的停留時間生長合金或用混合較復雜結構的方法獲取優質的混合材料或高度復雜的復合結構成品。