物理電子學(xué)實(shí)驗(yàn)報告_jia

1、物理電子學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)二現(xiàn)代半導(dǎo)體光電子器件與工藝實(shí)驗(yàn)一 反應(yīng)離子刻蝕工藝及其半導(dǎo)體激光器工藝應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 了解反應(yīng)離子刻蝕過程的物理原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（2） 了解半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器的基本結(jié)構(gòu)、物理原理；（3） 熟悉半導(dǎo)體光電子器件的制作工藝過程。2、 實(shí)驗(yàn)原理1、 反應(yīng)離子刻蝕過程的物理原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 刻蝕工藝的目的是將光刻形成的光刻膠掩膜圖案轉(zhuǎn)移到晶片的表面，通過對光刻膠暴露區(qū)域的化學(xué)溶液腐蝕或者真空環(huán)境活性離子刻蝕實(shí)現(xiàn)表層結(jié)構(gòu)被去除。2、 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器的基本結(jié)構(gòu)、物理原理激光器至少包括三個部分：（1）增益介質(zhì)，通過受激輻射的方式產(chǎn)生光放大（2）泵浦源，可以使增益介質(zhì)中產(chǎn)生粒子數(shù)

2、反轉(zhuǎn)（3）兩個鏡面構(gòu)成諧振腔，使光限制在其中并不斷的反復(fù)行進(jìn)三、實(shí)驗(yàn)過程1、 形成P型電極絕緣層，沉積150nm的SiO2（實(shí)驗(yàn)前完成）。2、 化學(xué)腐蝕背面（露出新鮮表面），制作N型電極，電子書蒸發(fā)Ti/Au電極（200nm）（實(shí)驗(yàn)前完成）。3、 光刻P型電極溝道，形成溝道光刻掩膜（實(shí)驗(yàn)前完成）。 使用臺階儀測量光刻膠掩膜的厚度。4、 完成SiO2掩膜的干法刻蝕，去膠清洗。（1） 臺階儀下測量帶有光刻膠掩膜的厚度（2） RIE干法刻蝕 A)打開真空計(jì) B)開腔，放入樣片 C)光強(qiáng)，抽真空到設(shè)定真空度 D)關(guān)閉真空計(jì) E)通入反映氣體，設(shè)定流量和氣壓 F)啟開射頻功率，開始刻蝕，記錄氣體流量、反

3、應(yīng)氣壓、射頻功率條件 G)預(yù)定時間后，停止射頻功率 H)開壓力控制，通入氮?dú)?，抽氣?Pa一下，再通入氮?dú)?，打開真空計(jì) I)開腔，取出樣片 J)關(guān)閉氮?dú)?，清洗管?注：RIE設(shè)備的重點(diǎn)在于不能使抽真空的分子泵接觸空氣。（3） 臺階儀下測量光刻膠+SiO2的厚度。（4） 丙酮水浴5分鐘，用棉球沿著條紋擦除光刻膠。（5） 使用顯微鏡觀察刻蝕區(qū)域和非刻蝕區(qū)域的顏色。（6） 使用臺階儀測量刻蝕的SiO2掩膜的厚度。5、 P型電極制作6、 解理樣片，露出新鮮的端面結(jié)構(gòu)，構(gòu)成諧振腔7、 測試芯片的發(fā)光過程四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄1、 工藝條件 RIE刻蝕真空度：1.8*10(-3)Pa 注：小于2.0*10(-3

4、)Pa即可 氣體流量：50cm3/s 氣體種類：SF6 反應(yīng)氣壓：5Pa 射頻功率：100W 反應(yīng)時間：6 min 電極寬度：20um2、 厚度測量數(shù)據(jù) 帶有光刻膠掩膜的厚度：1308.56nm 光刻膠+SiO2掩膜的厚度：987.46nm SiO2掩膜的厚度：230.00nm3、計(jì)算刻蝕速率 刻蝕后光刻膠的厚度：987.46-230.00=757.46nm 被刻蝕的光刻膠厚度：1308.56-757.46=551.10nm 光刻膠刻蝕速率：551.10/360=1.53nm/s SiO2刻蝕速率：230.00/360=0.64nm/s4、刻蝕圖示 五、思考題1、 刻蝕工藝的參數(shù)主要包含哪些？

5、請簡要說明刻蝕選擇比、刻蝕剖面等參數(shù)對于器件性能的影響。 參數(shù)主要包括刻蝕表面粗糙度、刻蝕速度、刻蝕選擇比、掩膜選擇性、刻蝕液濃度、刻蝕溫度、過刻量等因素。如果刻蝕選擇比過大，可能會刻蝕二氧化硅，難以形成表面平整的刻蝕表面，也難以實(shí)現(xiàn)垂直的側(cè)壁，不易形成良好的諧振腔。如果刻蝕選擇比過小，難以清除二氧化硅上的光刻膠。 刻蝕表面粗糙度影響刻蝕表面性能，刻蝕剖面指刻蝕的截面形狀?？涛g時要求刻蝕表面平整、側(cè)壁垂直，這樣可以形成良好諧振腔，便于激光器的制造。2、實(shí)驗(yàn)過程中，如何才能判斷SiO2掩膜是否刻蝕干凈？如何判斷光刻膠是否去除干凈？使用顯微鏡觀察。中間溝道的顏色由紅色完全變?yōu)楹谏?，說明二氧化硅已經(jīng)

6、刻蝕干凈。 在顯微鏡下觀察刻蝕區(qū)域?yàn)榘咨?，溝道兩邊非刻蝕區(qū)域?yàn)榉奂t色，說明光刻膠已經(jīng)去除干凈。3、 濕法刻蝕和干法刻蝕分別有什么優(yōu)缺點(diǎn)？反應(yīng)離子刻蝕的效果與那些因素有關(guān)？反應(yīng)離子刻蝕是否容易實(shí)現(xiàn)垂直的側(cè)壁？為什么？濕法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)光滑、無應(yīng)變方便有優(yōu)勢，重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡單、成本低；其缺點(diǎn)是鉆刻嚴(yán)重，對圖形的控制性較差，不能用于小的特征尺寸，會產(chǎn)生大量的化學(xué)廢液。干法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)是各向異性好，垂直對控制容易，選擇比高，可控性、靈活性、重復(fù)性好，細(xì)線條操作安全，易實(shí)現(xiàn)自動化，無化學(xué)廢液，處理過程未引入污染，潔凈度高；其缺點(diǎn)是成本高，設(shè)備、操作復(fù)雜，刻蝕面的側(cè)面有很多條紋（筋），并殘留若干點(diǎn)

7、陣畸變層。濕法刻蝕適合窄深的刻蝕，干法刻蝕適合寬淺的刻蝕。反應(yīng)離子刻蝕的效果刻蝕選擇比、掩膜選擇性、刻蝕液濃度、刻蝕溫度等因素有關(guān)。反應(yīng)離子刻蝕容易實(shí)現(xiàn)垂直的側(cè)壁。因?yàn)楦飨虍愋院茫钚曰瘜W(xué)氣體腐蝕均勻。6、 實(shí)驗(yàn)心得本次試驗(yàn)得到了老師和主教的大力幫助，前期臺階儀的使用、光刻膠的擦除都得到了助教的輔助。而在實(shí)驗(yàn)過程中老師也對我們分子泵、機(jī)械泵的原理、操作進(jìn)行了考察，收獲良多，對實(shí)驗(yàn)的儀器有了更深入的了解。這也對我們接觸光電子學(xué)萌發(fā)了最初的愿望。我希望以后的物理電子學(xué)理論課能和實(shí)踐課更多的結(jié)合，不僅僅是以實(shí)踐課進(jìn)行理論考察的形式進(jìn)行，是否可以每次實(shí)踐課前對今天的實(shí)驗(yàn)理論知識進(jìn)行更加有體系的講解，我

8、認(rèn)為可能會取得不同的效果和收獲。再次感謝老師和助教的辛勤付出。 實(shí)驗(yàn)二 功能薄膜的制備與紅光LED特性評測一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 了解功能薄膜在半導(dǎo)體光電子器件中的重要作用。（2） 掌握功能薄膜的分類及常規(guī)的制備方法。（3） 掌握電子束蒸發(fā)制備功能薄膜的基本原理。（4） 了解膜厚實(shí)時監(jiān)控的基本原理。（5） 掌握電子束蒸發(fā)設(shè)備的實(shí)際操作。獲得具有特定功能的薄膜材料進(jìn)行特性測試。（6） 掌握合金化原理。（7） 掌握紅光激光器的解理方法和半導(dǎo)體激光器性能的評測方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1、功能薄膜的作用及分類2、功能薄膜制備方法的分類3、電子束蒸發(fā)的原理4、晶體振蕩器膜厚監(jiān)控原理5、功能薄膜特性測量方法6、合金

9、化原理7、半導(dǎo)體激光器的解理8、半導(dǎo)體激光器性能的評測三、實(shí)驗(yàn)過程1、 在操作之前，首先應(yīng)使用四氯化碳仔細(xì)清洗晶片。2、 利用電子束蒸發(fā)設(shè)備制備Ti/Au電極。（1） 首先對設(shè)備進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度為4*10(-4)5*10(-4)Pa時，開始進(jìn)行鍍膜。（2） 先鍍20nmTi膜，1.0A/S，結(jié)果為20.5nm，冷卻后再鍍160nmAu膜，1.5A/S，最后結(jié)果為160.8nm。（3） 厚監(jiān)控儀主要通過晶體振蕩頻率監(jiān)控的方法監(jiān)控膜厚。3、 半導(dǎo)體激光器的解理（1） 首先在晶片背面沿垂直凹槽方向進(jìn)行解理，不使用解理后的小條。（2） 然后在晶片正面沿垂直凹槽方向解理，小條寬度約窄越好。（3） 然

10、后對于小條沿凹槽方向進(jìn)行解理，盡量解理出正方形形狀的半導(dǎo)體。4、 解理半導(dǎo)體激光器，對其特性進(jìn)行測試，給出I-V特性，L-I特性曲線，計(jì)算包括閾值電流、微分電阻、斜率效率、輸出功率等參數(shù)。5、如金屬薄膜不能很好地附著在晶面上，則還需進(jìn)行合金化處理。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)第一個激光器第二個激光器光功率(uW)0.2890.531閾值電流(mA)0802.4電流(mA)3000930電壓(mV)3.9273.927斜率效率(mV/mA)04.309*10(-3)微分電阻()01.455*10(-2)波長(nm)800800溫度()2828第一個激光器V-I,L-I圖像如圖所示第二個激光器V-I,L-I圖像如

11、圖所示對于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)泵浦電流大于閾值以后，功率隨著電流增加而線性增加。這條斜線的斜率就是代表了斜率效率。閾值電流指激光器剛剛產(chǎn)生光振蕩，這時發(fā)出微弱的激光，并且以后的光功率開始呈線性關(guān)系，光功率迅速增強(qiáng)，產(chǎn)生出能量很高的激光。半導(dǎo)體激光器的閾值電流一個0mA，一個802.4mA，本實(shí)驗(yàn)中第一個未能形成良好的諧振腔，不能實(shí)現(xiàn)功能；第二個由于解理面積比較大，并伴有少量劃痕，盡管閾值電流偏大，但是斜率還比較大，半導(dǎo)體器件的性能還是不錯的。 第二個激光器的發(fā)光性能明顯低于第一個（光功率約為三分之一）。而且兩個激光器的閾值電流都很大，這說明我的激光器還存在較大的不足。* 閾值電流大的原因摘自同學(xué)的

12、實(shí)驗(yàn)報告閾值電流大的原因可能有以下幾點(diǎn)：（1） 晶體摻雜濃度低（2） 諧振腔損耗大（3） 與異質(zhì)結(jié)或同志結(jié)有關(guān)（4） 溫度越大，閾值電流越大（5） 端面鍍高反膜或增透膜可以有效增大光功率，降低閾值電流。部分物理現(xiàn)象：在抽取真空的過程中，發(fā)生輝光放電現(xiàn)象。輝光是指電子之間相互碰撞，發(fā)生能級躍遷，由高能級向低能級躍遷時發(fā)出輝光。輝光放電是等離子體特有的一種現(xiàn)象。由于高能粒子的撞擊，一部分電子可以從原子或分子中脫離就是放電過程，有一部分電子不能獲得足夠的能量，只能從低能級躍遷到高能級，而高能級是不穩(wěn)定的，它又會自發(fā)地從高能級向低能級躍遷，這個過程就叫輝光。 五、思考題1、 如果將坩堝中的源全部蒸發(fā)完

13、畢，根據(jù)坩堝與樣品之間的距離，如何估算樣品上的薄膜厚度？ 假設(shè)空間中原子的分布是等概的，濺射幾率也等可能，根據(jù)濺射距離，距離和濺射的量成比例，并求出薄膜的面積，利用濺射的量除以薄膜的面積就得到厚度。2、 要與半導(dǎo)體材料形成歐姆，對導(dǎo)體材料的要求是什么？常常采取哪些措施？對于導(dǎo)體的要求首先是導(dǎo)電性能好，低阻并且穩(wěn)定的，并且要和半導(dǎo)體具有良好的接觸性，能提供一個低電阻接觸。在厚度上應(yīng)該是具有均勻的厚度并且同時滿足電性能和機(jī)械性能的要求。要求在高溫、高頻、高功率的條件下，具有良好的穩(wěn)定性。采取的的措施有濺射、電鍍、真空蒸發(fā)、金屬化學(xué)氣相沉積四種方法。3、 紅光半導(dǎo)體激光器要成為光盤讀寫裝置或激光指示器，還需要做哪些工作？半導(dǎo)體激光器的發(fā)光性能應(yīng)該進(jìn)一步提高，降低閾值電流、提高半導(dǎo)體激光器的光功率等。為降低閾值電流，據(jù)上面提到的閾值電流大的原因，應(yīng)該保證半導(dǎo)體激光器的良好工作環(huán)境，保證溫度、結(jié)構(gòu)、密封性等基本條件。六、實(shí)驗(yàn)心得第二次實(shí)驗(yàn)由于儀器突發(fā)故障，因此分別作了