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1、物理电子学基础实验二现代半导体光电子器件与工艺实验一 反应离子刻蚀工艺及其半导体激光器工艺应用一、实验目的（1） 了解反应离子刻蚀过程的物理原理与系统结构；（2） 了解半导体异质结激光器的基本结构、物理原理；（3） 熟悉半导体光电子器件的制作工艺过程。2、 实验原理1、 反应离子刻蚀过程的物理原理与系统结构 刻蚀工艺的目的是将光刻形成的光刻胶掩膜图案转移到晶片的表面，通过对光刻胶暴露区域的化学溶液腐蚀或者真空环境活性离子刻蚀实现表层结构被去除。2、 半导体异质结激光器的基本结构、物理原理激光器至少包括三个部分：（1）增益介质，通过受激辐射的方式产生光放大（2）泵浦源，可以使增益介质中产生粒子数
2、反转（3）两个镜面构成谐振腔，使光限制在其中并不断的反复行进三、实验过程1、 形成P型电极绝缘层，沉积150nm的SiO2（实验前完成）。2、 化学腐蚀背面（露出新鲜表面），制作N型电极，电子书蒸发Ti/Au电极（200nm）（实验前完成）。3、 光刻P型电极沟道，形成沟道光刻掩膜（实验前完成）。 使用台阶仪测量光刻胶掩膜的厚度。4、 完成SiO2掩膜的干法刻蚀，去胶清洗。（1） 台阶仪下测量带有光刻胶掩膜的厚度（2） RIE干法刻蚀 A)打开真空计 B)开腔，放入样片 C)光强，抽真空到设定真空度 D)关闭真空计 E)通入反映气体，设定流量和气压 F)启开射频功率，开始刻蚀，记录气体流量、反
3、应气压、射频功率条件 G)预定时间后，停止射频功率 H)开压力控制，通入氮气，抽气到0Pa一下，再通入氮气，打开真空计 I)开腔，取出样片 J)关闭氮气，清洗管道 注：RIE设备的重点在于不能使抽真空的分子泵接触空气。（3） 台阶仪下测量光刻胶+SiO2的厚度。（4） 丙酮水浴5分钟，用棉球沿着条纹擦除光刻胶。（5） 使用显微镜观察刻蚀区域和非刻蚀区域的颜色。（6） 使用台阶仪测量刻蚀的SiO2掩膜的厚度。5、 P型电极制作6、 解理样片，露出新鲜的端面结构，构成谐振腔7、 测试芯片的发光过程四、实验数据记录1、 工艺条件 RIE刻蚀真空度：1.8*10(-3)Pa 注：小于2.0*10(-3
4、)Pa即可 气体流量：50cm3/s 气体种类：SF6 反应气压：5Pa 射频功率：100W 反应时间：6 min 电极宽度：20um2、 厚度测量数据 带有光刻胶掩膜的厚度：1308.56nm 光刻胶+SiO2掩膜的厚度：987.46nm SiO2掩膜的厚度：230.00nm3、计算刻蚀速率 刻蚀后光刻胶的厚度：987.46-230.00=757.46nm 被刻蚀的光刻胶厚度：1308.56-757.46=551.10nm 光刻胶刻蚀速率：551.10/360=1.53nm/s SiO2刻蚀速率：230.00/360=0.64nm/s4、刻蚀图示 五、思考题1、 刻蚀工艺的参数主要包含哪些？
5、请简要说明刻蚀选择比、刻蚀剖面等参数对于器件性能的影响。 参数主要包括刻蚀表面粗糙度、刻蚀速度、刻蚀选择比、掩膜选择性、刻蚀液浓度、刻蚀温度、过刻量等因素。如果刻蚀选择比过大，可能会刻蚀二氧化硅，难以形成表面平整的刻蚀表面，也难以实现垂直的侧壁，不易形成良好的谐振腔。如果刻蚀选择比过小，难以清除二氧化硅上的光刻胶。 刻蚀表面粗糙度影响刻蚀表面性能，刻蚀剖面指刻蚀的截面形状。刻蚀时要求刻蚀表面平整、侧壁垂直，这样可以形成良好谐振腔，便于激光器的制造。2、实验过程中，如何才能判断SiO2掩膜是否刻蚀干净？如何判断光刻胶是否去除干净？使用显微镜观察。中间沟道的颜色由红色完全变为黑色，说明二氧化硅已经
6、刻蚀干净。 在显微镜下观察刻蚀区域为白色，沟道两边非刻蚀区域为粉红色，说明光刻胶已经去除干净。3、 湿法刻蚀和干法刻蚀分别有什么优缺点？反应离子刻蚀的效果与那些因素有关？反应离子刻蚀是否容易实现垂直的侧壁？为什么？湿法刻蚀的优点光滑、无应变方便有优势，重复性好、生产效率高、设备简单、成本低；其缺点是钻刻严重，对图形的控制性较差，不能用于小的特征尺寸，会产生大量的化学废液。干法刻蚀的优点是各向异性好，垂直对控制容易，选择比高，可控性、灵活性、重复性好，细线条操作安全，易实现自动化，无化学废液，处理过程未引入污染，洁净度高；其缺点是成本高，设备、操作复杂，刻蚀面的侧面有很多条纹（筋），并残留若干点
7、阵畸变层。湿法刻蚀适合窄深的刻蚀，干法刻蚀适合宽浅的刻蚀。反应离子刻蚀的效果刻蚀选择比、掩膜选择性、刻蚀液浓度、刻蚀温度等因素有关。反应离子刻蚀容易实现垂直的侧壁。因为各向异性好，活性化学气体腐蚀均匀。6、 实验心得本次试验得到了老师和主教的大力帮助，前期台阶仪的使用、光刻胶的擦除都得到了助教的辅助。而在实验过程中老师也对我们分子泵、机械泵的原理、操作进行了考察，收获良多，对实验的仪器有了更深入的了解。这也对我们接触光电子学萌发了最初的愿望。我希望以后的物理电子学理论课能和实践课更多的结合，不仅仅是以实践课进行理论考察的形式进行，是否可以每次实践课前对今天的实验理论知识进行更加有体系的讲解，我
8、认为可能会取得不同的效果和收获。再次感谢老师和助教的辛勤付出。 实验二 功能薄膜的制备与红光LED特性评测一、实验目的（1） 了解功能薄膜在半导体光电子器件中的重要作用。（2） 掌握功能薄膜的分类及常规的制备方法。（3） 掌握电子束蒸发制备功能薄膜的基本原理。（4） 了解膜厚实时监控的基本原理。（5） 掌握电子束蒸发设备的实际操作。获得具有特定功能的薄膜材料进行特性测试。（6） 掌握合金化原理。（7） 掌握红光激光器的解理方法和半导体激光器性能的评测方法。二、实验原理1、功能薄膜的作用及分类2、功能薄膜制备方法的分类3、电子束蒸发的原理4、晶体振荡器膜厚监控原理5、功能薄膜特性测量方法6、合金
9、化原理7、半导体激光器的解理8、半导体激光器性能的评测三、实验过程1、 在操作之前，首先应使用四氯化碳仔细清洗晶片。2、 利用电子束蒸发设备制备Ti/Au电极。（1） 首先对设备进行抽真空，当真空度为4*10(-4)5*10(-4)Pa时，开始进行镀膜。（2） 先镀20nmTi膜，1.0A/S，结果为20.5nm，冷却后再镀160nmAu膜，1.5A/S，最后结果为160.8nm。（3） 厚监控仪主要通过晶体振荡频率监控的方法监控膜厚。3、 半导体激光器的解理（1） 首先在晶片背面沿垂直凹槽方向进行解理，不使用解理后的小条。（2） 然后在晶片正面沿垂直凹槽方向解理，小条宽度约窄越好。（3） 然
10、后对于小条沿凹槽方向进行解理，尽量解理出正方形形状的半导体。4、 解理半导体激光器，对其特性进行测试，给出I-V特性，L-I特性曲线，计算包括阈值电流、微分电阻、斜率效率、输出功率等参数。5、如金属薄膜不能很好地附着在晶面上，则还需进行合金化处理。四、实验数据第一个激光器第二个激光器光功率(uW)0.2890.531阈值电流(mA)0802.4电流(mA)3000930电压(mV)3.9273.927斜率效率(mV/mA)04.309*10(-3)微分电阻()01.455*10(-2)波长(nm)800800温度()2828第一个激光器V-I,L-I图像如图所示第二个激光器V-I,L-I图像如
11、图所示对于半导体激光器，当泵浦电流大于阈值以后，功率随着电流增加而线性增加。这条斜线的斜率就是代表了斜率效率。阈值电流指激光器刚刚产生光振荡，这时发出微弱的激光，并且以后的光功率开始呈线性关系，光功率迅速增强，产生出能量很高的激光。半导体激光器的阈值电流一个0mA，一个802.4mA，本实验中第一个未能形成良好的谐振腔，不能实现功能；第二个由于解理面积比较大，并伴有少量划痕，尽管阈值电流偏大，但是斜率还比较大，半导体器件的性能还是不错的。 第二个激光器的发光性能明显低于第一个（光功率约为三分之一）。而且两个激光器的阈值电流都很大，这说明我的激光器还存在较大的不足。* 阈值电流大的原因摘自同学的
12、实验报告阈值电流大的原因可能有以下几点：（1） 晶体掺杂浓度低（2） 谐振腔损耗大（3） 与异质结或同志结有关（4） 温度越大，阈值电流越大（5） 端面镀高反膜或增透膜可以有效增大光功率，降低阈值电流。部分物理现象：在抽取真空的过程中，发生辉光放电现象。辉光是指电子之间相互碰撞，发生能级跃迁，由高能级向低能级跃迁时发出辉光。辉光放电是等离子体特有的一种现象。由于高能粒子的撞击，一部分电子可以从原子或分子中脱离就是放电过程，有一部分电子不能获得足够的能量，只能从低能级跃迁到高能级，而高能级是不稳定的，它又会自发地从高能级向低能级跃迁，这个过程就叫辉光。 五、思考题1、 如果将坩埚中的源全部蒸发完
13、毕，根据坩埚与样品之间的距离，如何估算样品上的薄膜厚度？ 假设空间中原子的分布是等概的，溅射几率也等可能，根据溅射距离，距离和溅射的量成比例，并求出薄膜的面积，利用溅射的量除以薄膜的面积就得到厚度。2、 要与半导体材料形成欧姆，对导体材料的要求是什么？常常采取哪些措施？对于导体的要求首先是导电性能好，低阻并且稳定的，并且要和半导体具有良好的接触性，能提供一个低电阻接触。在厚度上应该是具有均匀的厚度并且同时满足电性能和机械性能的要求。要求在高温、高频、高功率的条件下，具有良好的稳定性。采取的的措施有溅射、电镀、真空蒸发、金属化学气相沉积四种方法。3、 红光半导体激光器要成为光盘读写装置或激光指示
14、器，还需要做哪些工作？半导体激光器的发光性能应该进一步提高，降低阈值电流、提高半导体激光器的光功率等。为降低阈值电流，据上面提到的阈值电流大的原因，应该保证半导体激光器的良好工作环境，保证温度、结构、密封性等基本条件。六、实验心得第二次实验由于仪器突发故障，因此分别作了两次实验，实验时间非常充裕，也让我对实验过程有了更充分的了解。在实验中，由于解理片的表面十分脆弱，因此无论在用镊子夹取或者用清水清洗的时候，都要小心保护，方式晶片破碎。在解理的过程中，要注意使用薄膜覆盖晶片，防止解理中晶片飞溅。在实验中，助教老师精确的操作、细致的态度很深地影响了我，让我看到的从事科学研究所必需的严谨细致。这样的精神也值得我们在学习生活中受用，对于其中的细节都要认真的对待。感谢几位老师和助教的指导和帮助。