Способ изготовления оптических приборов
Изобретение относится к способу изготовления оптических приборов, в частности полупроводниковых оптоэлектронных приборов, таких как лазерные диоды, оптические модуляторы, оптические усилители, оптические коммутаторы и оптические детекторы. Сущность изобретения: представлен способ изготовления оптического прибора из части кристалла, имеющей структуру квантовой потенциальной ямы, включающий этап обработки части кристалла прибора плазменным травлением, с тем, чтобы создать протяженные дефекты, по меньшей мере, в части покрывающего слоя части кристалла прибора, как этап в технологии смешивания квантовых потенциальных ям, для последующего этапа термического отжига. Техническим результатом изобретения является разработка способа изготовления оптических приборов с усовершенствованным процессом смешивания квантовых ям. 21 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.
Область применения
Изобретение относится к способу изготовления оптических приборов и, в частности, к изготовлению интегральных оптических приборов или оптоэлектронных приборов, таких как лазерные диоды, оптические модуляторы, оптические усилители, оптические коммутаторы, оптические детекторы и тому подобное. Изобретение также относится к оптоэлектронным ИС и фотонным ИС, имеющим в составе подобные приборы.
Предпосылки к созданию изобретения
Смешивание квантовых потенциальных ям (QWI) представляет процесс, который может быть использован для монолитной оптоэлектронной интеграции. Процесс QWI может быть осуществлен в полупроводниковых материалах III-V групп, например, арсениде галлия и алюминия (AlGaAs) и фосфиде арсенида галлия и индия (InGaAsP), которые могут быть выращены на сдвоенных подложках, например, из арсенида галлия (GaAs) или фосфида индия (InP). Процесс QWI позволяет изменять ширину запрещенной зоны выращенной структуры за счет взаимной диффузии элементов квантовой потенциальной ямы (QW) и соответствующих потенциальных барьеров для получения сплава составляющих компонентов. Такой сплав имеет ширину запрещенной зоны, которая превышает эту величину для выращенной QW. Любое оптическое излучение (свет), сформированное в пределах QW, где не имеет места процесс QWI, может поэтому проходить через QWI или «смешанную» область сплава, которая эффективно прозрачна для этого оптического излучения.
В литературе описаны различные методики процесса QWI. Например, процесс QWI может быть выполнен путем высокотемпературной диффузии элементов, таких как цинк, в полупроводниковый материал, включающий квантовую потенциальную яму QW.
Процесс QWI также может выполняться путем имплантации элементов, таких как кремний, в полупроводниковый материал, включающий квантовую потенциальную яму QW. При такой технологии элемент имплантации вводит точечные дефекты в структуру полупроводникового материала, которые перемещаются через полупроводниковый материал, вызывая смешивание в структуре QW за счет этапа высокотемпературного отжига.
Такие методики QWI описаны в работе "Применения нейтрального разупорядочивания примесей при изготовлении световодов с низкими потерями и интегральных волноводных приборов". Marsh и др., "Оптическая и квантовая электроника", 1991, No 23, pp.941-957, содержание которой использовано здесь в качестве ссылки.
Проблема, связанная с подобными технологиями, состоит в том, что хотя процесс QWI будет изменять (увеличивать) ширину запрещенной зоны выращенного в дальнейшем полупроводникового материала, остаточная диффузия или имплантация легирующих примесей могут внести большие потери, вызванные показателем абсорбции свободных носителей этих легирующих элементов.
Другой описанной технологией QWI, обеспечивающей смешивание квантовых потенциальных ям, является процесс беспримесной диффузии (IFVD). При выполнении процесса IFVD верхним покрывающим слоем полупроводниковой структуры III-V групп является обычно GaAs или арсенид галия и индия (InGaAs). На верхнем слое осаждается пленка двуокиси кремния (SiO2). Последующий быстрый термический отжиг полупроводникового материала вызывает разрушение связей в пределах полупроводникового сплава и ионы галлия или атомы, которые восприимчивы к двуокиси кремения (SiO2), диспергируют в двуокись кремния с тем, чтобы оставить вакансии в покрывающем слое. Затем вакансии диффундируют через полупроводниковую структуру, вызывая смешивание слоя, например, в структуре квантовой потенциальной ямы QW.
Процесс IFDV описан в работе "Количественная модель кинетики композиционного смешивания в гетероструктурах с квантовым ограничением GaAs-AlGaAs", Helmy и др., "IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics", Vol.4, No 4, July/August, 1998, pp.653-660, содержание которой использовано здесь в качестве ссылки.
Целью по меньшей мере одного аспекта изобретения является устранение или по меньшей мере обход упомянутых выше недостатков/проблем известного уровня техники.
Кроме того, также цель по меньшей мере одного аспекта изобретения заключается в обеспечении улучшенного способа изготовления оптического прибора, использующего усовершенствованный процесс QWI.
Краткое содержание изобретения
В соответствии с первым аспектом изобретения обеспечивается способ изготовления оптического прибора из части кристалла, имеющей структуру квантовой потенциальной ямы QW, включающий этап обработки части кристалла прибора с тем, чтобы создать протяженные дефекты по меньшей мере в области части кристалла прибора.
Каждый протяженный дефект может быть представлен как структурный дефект, содержащий множество соседних "точечных" дефектов.
Предпочтительно этап обработки части кристалла прибора содержит выполнение плазменного травления на этой части. Предпочтительно и преимущественно этап выполнения плазменного травления может быть выполнен в распылителе. На этапе распыления вокруг части кристалла прибора может быть создано магнитное поле. На этапе распыления вокруг части кристалла прибора может быть использован магнетронный распылитель.
На этапе выполнения травления распылителем на части кристалла прибора (реверсированное) электрическое напряжение может быть приложено к электроду, на котором расположена часть кристалла прибора, для обеспечения "предварительного травления" или очистки части кристалла. Предпочтительно травление распылителем выполняется в течение от 0,5 до 10 минут при мощности от 300 до 750 Вт и при давлении распылителя от 1 до 5 мкм рт.ст.
Способ может включать предпочтительный этап осаждения диэлектрического слоя по меньшей мере на одну другую область части кристалла прибора. Поэтому диэлектрический слой может действовать в качестве маски при обозначении по меньшей мере одной области. Способ может также включать последовательный этап осаждения дополнительного диэлектрического слоя на диэлектрический слой и/или по меньшей мере на область части кристалла прибора.
Преимущественно диэлектрический слой и/или дополнительный диэлектрический слой могут осаждаться путем использования распылителя. Альтернативно диэлектрический слой и/или дополнительный диэлектрический слой могут осаждаться при помощи технологии осаждения, отличной от использования распылителя, например, плазмохимическим осаждением из паровой фазы (ПХОПФ). За счет любой из этих технологий осаждения обеспечиваются по меньшей мере малые повреждения диэлектрических слоев, которые существенно не влияют на соседнюю область части кристалла прибора.
Диэлектрический слой или слои в основном преимущественно содержат двуокись кремния (SiO2) или могут содержать другой диэлектрический материал, такой как окись алюминия (Al2О3).
Предпочтительно распылитель включает камеру, которая может быть в основном заполнена инертным газом, таким как аргон, предпочтительно при давлении 2 мкм рт.ст. или смесью аргона и кислорода, например, в пропорции 90%/10%.
Этап (этапы) осаждения диэлектрического слоя (слоев) могут содержать часть процесса смешивания квантовых потенциальных ям (QWI), использованного при изготовлении прибора. Процесс QWI может содержать процесс беспримесного разупорядочивания вакансий (IFVD).
Предпочтительно способ изготовления также включает последовательный этап отжига части кристалла прибора, имеющей диэлектрический слой, при повышенной температуре.
Было неожиданно обнаружено, что путем выполнения плазменного травления на части кристалла прибора как этап в технологии QWI, такой как IFVD, предпочтительно за счет использования распылителя, повреждения, вызывающие протяженные дефекты, по-видимому, вводятся по меньшей мере в одну область части кристалла прибора; по меньшей мере одна такая область может, например, содержать по меньшей мере часть верхнего или "покрывающего" слоя. Предполагалось, что повреждение вызывается из-за разрыва связей в покрывающем слое перед отжигом, например, при приложении тепловой энергии за счет быстрого термического отжига, в результате запрещая переход галлия по меньшей мере от одной области части кристалла, например, в дополнительный диэлектрический слой.
Предпочтительно способ изготовления также включает предшествующие этапы создания подложки, выращивания на подложке первой оптической оболочки, центрального волноводного слоя, включающего структуру квантовой потенциальной ямы (QW), и второй оптической оболочки.
Первая оптическая оболочка, центральный волноводный слой и вторая оптическая оболочка могут быть выращены молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ) или осаждением из паровой фазы металлоорганических соединений (ОПФ).
В предпочтительном варианте способ содержит следующие этапы: осаждение диэлектрического слоя на поверхности части кристалла прибора; выполнение рисунка фоторезиста на поверхности диэлектрического слоя и удаление по меньшей мере части фоторезиста для обеспечения диэлектрического слоя по меньшей мере на одной другой области части кристалла прибора.
В предпочтительном варианте способ также включает этап осаждения дополнительного диэлектрического слоя на части поверхности кристалла прибора и на поверхности диэлектрического слоя перед отжигом.
В предпочтительном варианте диэлектрический слой может содержать покрывающий слой смешивания; тогда как по меньшей мере одна область части кристалла прибора и/или дополнительный диэлектрический слой - покрывающий слой подавления смешивания. Толщина диэлектрического слоя (слоев) может составлять от 10 до 1000 нм. Более предпочтительно толщина диэлектрических слоев может составлять 200 или 300 нм.
Последующий этап отжига может выполняться при температуре от 700 до 1000°С в течение от 0,5 до 5 минут, более предпочтительно от 800 до 1000°С, а в одном предпочтительном варианте в основном при 900°С в течение примерно 1 минуты.
Согласно второму аспекту изобретения обеспечен способ изготовления оптического прибора из части кристалла, имеющей структуру квантовой потенциальной ямы (QW), включающий этап выполнения плазменного травления на части кристалла прибора. Предпочтительно этот этап плазменного травления выполнят, используя распылитель.
В соответствии с третьим аспектом изобретения обеспечен оптический прибор, изготовленный способом согласно любому первому или второму аспекту изобретения. Оптическим прибором может быть интегральный оптический прибор или оптоэлектронный прибор.
Часть кристалла прибора может быть изготовлена в системе полупроводниковых материалов III-V групп. В самом предпочтительном варианте системой полупроводниковых материалов III-V групп может быть система на основе арсенида галлия (GaAs), и она работает на длине (длинах) волны между 600 и 1300 нм. Альтернативно в менее предпочтительном варианте системой полупроводниковых материалов III-V групп может быть система на основе фосфида индия, и она работает на длине (длинах) волны между 1200 и 1700 нм. Часть кристалла прибора может быть изготовлена по меньшей мере частично из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) и/или арсенида индия-галлия (InGaAs), фосфида арсенида индия-галлия (InGaAsP), арсенида индия-галлия-алюминия (InGaAlAs) и/или фосфида индия-галлия-алюминия (InGaAlP).
Часть кристалла прибора содержит подложку, на которой созданы первая оптическая оболочка, центральный волноводный слой и вторая оптическая оболочка. Предпочтительно в пределах центрального волноводного слоя обеспечена структура квантовой потенциальной ямы (QW). Центральный волноводный слой, как он выращен, может иметь меньшую ширину запрещенной зоны и более высокий показатель преломления, чем первая и вторая оптические оболочки.
В соответствии с четвертым аспектом изобретения обеспечивается оптическая ИС, оптоэлектронная ИС или фотонная ИС, имеющие по меньшей мере один оптический прибор согласно третьему аспекту изобретения.
В соответствии с пятым аспектом изобретения обеспечивается часть кристалла прибора ("шаблон"), когда она используется в способе согласно любому первому или второму аспекту изобретения.
В соответствии с шестым аспектом изобретения обеспечивается подложка из полупроводникового материала, имеющая по меньшей мере одну часть кристалла прибора, когда она используется в способе согласно любому первому или второму аспекту изобретения.
В соответствии с седьмым аспектом изобретения обеспечивается устройство плазменного травления, когда оно используется в способе согласно второму аспекту изобретения. Предпочтительно распыляющим устройством является распылитель, который может быть магнетронным распылителем.
В соответствии с восьмым аспектом изобретения обеспечивается использование распыляющего устройства в способе согласно любому первому или второму аспекту изобретения.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты изобретения будут описаны только на примере и со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 представляет вид сбоку части кристалла прибора, как она выращена, для использования в способе изготовления оптического прибора в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения;
фиг.2 - вид сбоку оптического прибора в соответствии с предпочтительным вариантом, изготовленного из части кристалла прибора по фиг.1;
фиг.3 - схематический вид энергий ширины запрещенной зоны области части кристалла прибора по фиг.1, содержащей центральный волноводный слой, имеющий квантовую потенциальную яму (QW);
фиг.4 - вид, аналогичный фиг.3, энергий ширины запрещенной зоны соответствующей области оптического прибора по фиг.2 при смешивании квантовых потенциальных ям (QWI);
фиг.5(а)-(g) - вид сбоку части кристалла прибора в ходе различных этапов способа изготовления оптического прибора по фиг.2;
фиг.6 - схему устройства магнетронного распылителя, пригодного для использования в способе изготовления согласно изобретению;
фиг.7 - более подробную схему магнетронного распылителя по фиг.6;
фиг.8(а)-8(b) - виды сбоку части кристалла прибора по фиг.5(а)-5(g) до и после этапа отжига, показанного на фиг.5(g);
фиг.9(а)-9(с) - схемы различных возможных конфигураций устройства магнетронного распылителя по фиг.6.
Подробное описание чертежей
На фиг.1 показана часть кристалла прибора, в общем обозначенная позицией 5, как она выращена для использования в способе изготовления оптического прибора в соответствии с первым предпочтительным вариантом изобретения.
Часть 5 кристалла прибора предпочтительно изготавливается в системе полупроводниковых материалов III-V групп, наиболее предпочтительно из арсенида галлия (GaAs), работающего на длине (длинах) волны от 600 до 1300 нм, или альтернативно, хотя и менее предпочтительно, из фосфида индия, работающего на длине (длинах) волны от 1200 до 1700 нм. Часть 5 кристалла прибора может быть изготовлена по меньшей мере частично из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) и/или арсенида индия-галлия (InGaAs), фосфида арсенида индия-галлия (InGaAsP), арсенида индия-галлия-алюминия (InGaAlAs) и/или фосфида индия-галлия-алюминия (InGaAlP). В этом описанном первом предпочтительном варианте часть кристалла прибора изготовлена из AlGaAs.
Часть 5 кристалла прибора может формировать часть полупроводниковой подложки с другими возможно подобными оптическими приборами, которые могут быть отделены от подложки после обработки. Часть 5 кристалла прибора содержит подложку 10, на которой созданы первая оптическая оболочка 15, центральный волноводный слой 20 и вторая оптическая оболочка 25. Структура 30 квантовой потенциальной ямы (QW), имеющая по меньшей мере одну такую яму, создана в пределах центрального волноводного слоя 20, как он выращен. На второй оптической оболочке 30 создан покрывающий слой 35.
Понятно, что центральный волноводный слой 20, как он выращен, имеет меньшую ширину запрещенной зоны и больший показатель преломления, чем первая и вторая оптические оболочки 15, 25.
В частности, описанный здесь процесс оптимизирован для использования совместно с материалом InGaAs - InAlGaAs - InP, излучающим на длине волны от 1450 до 1550 нм, структура которого определена в таблице ниже.
| Слой | Фиг.1 поз. | Мат-л | Состав % | Диапазон состава % | Толщ.(нм) | Диапазон толщин (нм) | Примесь | Конц. примеси (см3) | Диапазон концент. |
| Подложка | 10 | InP | - | - | 3500 | 3000-5000 | n(Si) | 1e18 | 1-8е18 |
| 1 оболочка | 15 | InP | - | - | 500 | 500-2500 | n(Si) | 8е17 | 1е17-8е18 |
| Центральный волновод. слой | 20 | InAlGaAs | 53% In 31% Ga 16% Al | 53% In 0-35% 15-47% | 210 | 100-400 | i | - | - |
| QW | 30 | InGaAs | 53% In | 45-70% | 7 | 3-10 | i | - | - |
| 2 оболочка | 25 | InP | - | - | 2100 | 1000-2500 | p(Zn) | 7е17 | 1е17-1е19 |
| Покрывающий слой | 35 | InGaAs | 53% In | - | 150 | 100-300 | p(Zn) | 2е19 | 5е18-1е20 |
Параметры, приведенные выше, относятся к материалу предпочтительной толщины и предпочтительного диапазона толщин, выращенному эпитаксией из паровой фазы металлоорганических соединений (ЭПФ). В материале InGaAs - InGaAsP - InP центральный волноводный слой 20 из InAlGaAs заменен на InGaAsP с аналогичными свойствами, т.е. шириной запрещенной зоны. Для материала, выращенного МЛЭ, легирующей примесью р-типа становится Be, тогда как другие параметры могут оставаться такими же.
На фиг.2, показан оптический прибор, в общем обозначенный поз.40, изготовленный из части 5 кристалла прибора по фиг.1 способом, который будет более подробно описан ниже. Как видно на фиг.2, прибор 40 содержит активную область 45 и пассивную область 50. В этом предпочтительном варианте активная область 45 содержит усилитель с квантовой потенциальной ямой (QW). Однако должно быть понятно, что активная область 45 может в других предпочтительных вариантах содержать лазер, модулятор, коммутатор, детектор или аналогичный активный (электрически управляемый) оптический прибор. Далее пассивная область 50 содержит волновод с низкими потерями, при этом структура 30 квантовой потенциальной ямы по меньшей мере частично удалена при помощи методики смешивания квантовых потенциальных ям (QWI), как будет описано ниже более подробно.
Прибор 40 имеет очень хорошее выравнивание между волноводными зонами активной области 45 и пассивной областью 50 центрального слоя 20, а также коэффициент отражения между активной областью 45 и пассивной областью 50, который в основном является пренебрежимо малым (порядка 10-6). Кроме того, прибору 40 внутренне присуще согласование режима между активной областью 45 и пассивной областью 50.
Обычно подложка 10 легирована примесями n-типа до первой концентрации, тогда как первая оболочка 15 легирована примесями n-типа до второй концентрации. Кроме того, центральный слой 20 обычно имеет в основном собственную проводимость, тогда как вторая оболочка 25 обычно легирована примесями р-типа до третьей концентрации. Покрывающий слой (или контактный слой) 35 легирован примесями р-типа до четвертой концентрации. Специалистам в данной области техники понятно, что покрывающий слой 35 и вторая оболочка 25 могут быть вытравлены в виде гребня (не показан), причем такой гребень действует как световод для ограничения оптических режимов в пределах центрального слоя 20 как в оптически активной области 45, так и в оптически пассивной области 50. Кроме того, контактные металлизации (не показаны) могут быть сформированы по меньшей мере на части верхней поверхности гребня в пределах оптически активной области 45, а также на противолежащей поверхности подложки 10, как известно в данной области техники.
Далее понятно, что прибор 40 может содержать часть оптической ИС, оптоэлектронной ИС или фотонной ИС, которые могут иметь один или несколько таких оптических приборов 40.
На фиг.3 показано схематическое представление энергий ширины запрещенной зоны квантовой потенциальной ямы 31 структуры 30 квантовых потенциальных ям в пределах центрального слоя 20 части 5 кристалла прибора, как она выращена. Как можно видеть из фиг.3, центральный слой 20 из AlGaAs включает по меньшей мере одну квантовую потенциальную яму 31 со структурой 30, имеющей более низкое содержание алюминия, чем окружающий центральный слой 20, так что энергия ширины запрещенной зоны структуры 30 меньше, чем энергия окружающего центрального слоя из AlGaAs. Толщина структуры 30 квантовых потенциальных ям обычно составляет от 3 до 20 нм, а более типично около 10 нм.
На фиг.4 показана соответствующая область 32 центрального слоя 20, как на фиг.3, но которая имеет структуру смешивания квантовых потенциальных ям (QWI) с тем, чтобы эффективно увеличить энергию ширины запрещенной зоны (мэВ) области 32, которая соответствует квантовой потенциальной яме 31 структуры 30. Следовательно, технология смешивания квантовых потенциальных ям (QWI) существенно "размывает" структуру 30 квантовой потенциальной ямы от центрального слоя 20. Часть, показанная на фиг.4, относится к пассивной области 50 прибора 40. Понятно, что оптическое излучение, переданное от или сформированное в пределах оптически активной области 45 прибора 40, будет передаваться через волновод с низкими потерями, обеспеченный областью 32 смешанных квантовых потенциальных ям (QWI) центрального слоя 20 в пассивной области 50.
На фиг.5(а)-(g) иллюстрируется первый предпочтительный вариант способа изготовления оптического прибора 40 с частью 5 кристалла прибора, имеющей структуру 30 квантовой потенциальной ямы (QW), в соответствии с изобретением, включающего этапы (см. фиг.5(d)-(е)) обработки части 5 кристалла прибора с тем, чтобы создать протяженные дефекты по меньшей мере в области 53 такой части 5.
Способ изготовления начинается (см. фиг.5(а)) с этапа создания подложки 10, выращивания на подложке 10 первой оптической оболочки 15, центрального волноводного слоя 20, включающего по меньшей мере одну квантовую потенциальную яму (QW) 30, второй оптической оболочки 25 и покрывающего слоя 35.
Первая оптическая оболочка 15, центральный волноводный слой 20, вторая оптическая оболочка 25 и покрывающий слой 35 могут быть выращены известными технологиями эпитаксиального выращивания полупроводников, такими как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) или осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений (ОПФ).
Когда часть 5 кристалла прибора выращена - обычно как часть полупроводниковой платы (не показана), включающей несколько таких частей 5, диэлектрический слой 51 осаждается на поверхность 52 покрывающего слоя 35 (см. фиг.5(b)). Затем в фоторезисте 55 на поверхности 54 диэлектрического слоя 51 выполняется рисунок. Затем фоторезист 55 снимается с тем, чтобы удалить по меньшей мере одну часть 56 экспонированного диэлектрического слоя 51 (см. фиг.5(с)).
Как видно из фиг.5(d), фоторезист 55 и по меньшей мере одна часть 56 диэлектрического слоя 51 затем удаляются известными технологиями травления, например, травлением в растворе или сухим травлением. В случае травления в растворе может быть применена фтористоводородная кислота.
Как видно из фиг.5(е), часть 5 кристалла прибора обрабатывается с тем, чтобы создать протяженные дефекты по меньшей мере в области 53 части 5 кристалла прибора. Этап обработки части 5 кристалла прибора содержит выполнение плазменного травления на части 5, используя распылитель 65, который будет описан ниже более подробно. Этот этап может рассматриваться как "предварительное травление" и включает в себя реверсирование обычной конфигурации электрического напряжения распылителя 65.
Как видно на фиг.5(f), далее дополнительный диэлектрический слой 60 осаждается на диэлектрический слой 51 и по меньшей мере на одну область 53 части 5 кристалла прибора. Диэлектрический слой 51 и дополнительный диэлектрический слой 60 осаждаются путем использования распылителя 65. В модификации диэлектрический слой 51 и/или дополнительный диэлектрический слой 60 могут осаждаться при помощи технологии осаждения, отличной от использования распылителя, например, плазмохимическим осаждением из паровой фазы (ПХОПФ).
На фиг.6 и 7 видно, что диэлектрический слой 51 осаждается путем распыления, и в этом предпочтительном варианте диэлектрический слой 51 осаждается, используя устройство магнетронного распыления, в общем обозначенное позицией 65. Диэлектрический слой 51 в основном содержит двуокись кремния (SiO2), однако может в модификации содержать другой диэлектрический материал, такой как окись алюминия (AlO3).
Как видно на фиг.6, устройство 65 распыления включает камеру 70, которая при эксплуатации в основном заполнена инертным газом, таким как аргон, который предпочтительно находится в камере 70 под давлением около 2 мкм рт.ст. Распылитель 65 также содержит высокочастотный источник 75, подключенный к электроду 80 мишени и к электроду 85 подложки распылителя 65 соответственно. На электроде 80 предусмотрена мишень 81 из двуокиси кремния, тогда как часть 5 кристалла прибора (на подложке 82) расположена на электроде 85 распылителя 65. В процессе использования плазма аргона (не показана) формируется между электродом 80 мишени и электродом 85 подложки с первым и вторым темными пространствами между мишенью 81 из двуокиси кремния и плазмой аргона и между плазмой аргона и частью 5 кристалла прибора соответственно.
Этап обработки части 5 кристалла прибора с тем, чтобы создать протяженные дефекты по меньшей мере в области этой части 5, содержит часть процесса смешивания квантовых потенциальных ям (QWI), использованного при изготовлении прибора 40, при этом процесс QWI содержит в предпочтительном варианте методику беспримесного разупорядочивания вакансий (IFVD). Было неожиданно обнаружено, что путем распыления от части 5 кристалла прибора, используя распылитель 65, повреждение, вызванное протяженными дефектами, вероятно вводится внутрь области 53 части 5 кристалла прибора; область 53 в этом случае содержит часть покрывающего слоя 35. Предполагается, что повреждение в покрывающем слое 35 перед отжигом (которое будет описано ниже), например, при приложении тепловой энергии за счет быстрого термического отжига запрещает переход галлия из области 53 покрывающего слоя 35 в дополнительный диэлектрический слой 60.
Толщина диэлектрического слоя 51 предпочтительно составляет от 10 до 1000 нм и обычно 200 или 300 нм. Способ изготовления включает дальнейший этап, как показано на фиг.5(f), осаждения дополнительного диэлектрического слоя 60 на поверхность 52 кристалла 5 прибора и на поверхность диэлектрического слоя 51 перед отжигом. Дополнительный диэлектрический слой 60 может осаждаться путем технологии, отличной от распыления, например, плазмохимическим осаждением из газовой фазы (ПХОПФ).
Диэлектрический слой 51, следовательно, содержит покрывающий слой смешивания, тогда как дополнительный диэлектрический слой 60 - покрывающий слой подавления смешивания. Покрывающий слой подавления смешивания используется для защиты поверхности 52 от десорбции мышьяка. Способ будет работать без покрывающего слоя подавления смешивания, однако качество поверхности 52 может быть не таким хорошим.
Как показано на фиг.5(f), после осаждения дополнительного диэлектрического слоя 60 часть кристалла прибора, включающая диэлектрический слой 51 и дополнительный диэлектрический слой 60, отжигается при повышенной температуре. Этот этап включает этап быстрого термического отжига, при этом температура отжига составляет от 700 до 1000°С, а более предпочтительно от 800 до 1000°С, в течение от 0,5 до 5 минут. В предпочтительном осуществлении быстрый термический отжиг производится примерно при 900°С в течение около 1 минуты.
Действие этапа отжига фиг.5(g) иллюстрируется диаграммами на фиг.8(а) и 8(b). Как видно на фиг.8(а) и 8(b), этап отжига вызывает "наружную диффузию" галлия из покрывающего слоя 35 к слою смешивания, т.е. к диэлектрическому слою 51. Однако части покрывающего слоя 35 ниже области 53 и диэлектрического слоя 60 подвергаются значительно меньшей "наружной диффузии" галлия. Части покрывающего слоя 35, которые лежат в пределах зоны слоя смешивания, т.е. диэлектрического слоя 51, подвергаются большей наружной диффузии галлия, как показано на фиг.8(b). Наружная диффузия галлия оставляет вакансии сзади, которые мигрируют от покрывающего слоя 35 через вторую оболочку 25 и внутрь центрального слоя 20 и, следовательно, к структуре (структурам) 30 квантовой потенциальной ямы, в результате изменяя эффективную ширину запрещенной зоны такой структуры 30 и эффективно размывая квантовые потенциальные ямы структуры 30 ниже покрывающего слоя смешивания.
Понятно, что покрывающий слой смешивания, т.е. диэлектрический слой 51 обеспечен в пределах зоны пассивной области 50, подлежащей формированию в приборе 40, тогда как покрывающий слой подавления смешивания, т.е. дополнительный диэлектрический слой 60 обеспечен на части 5 кристалла прибора в зонах, таких как оптически активная область 45, подлежащая формированию на приборе 40, причем зоны не должны представлять процесс смешивания квантовых потенциальных ям (QWI).
Когда часть 5 кристалла прибора обработана на стадии фиг.5(g) и подвергнута отжигу, диэлектрический слой 51 и дополнительный диэлектрический слой 60 могут быть удалены обычными способами, например, травлением в растворе или сухим травлением.
Понятно, что на этапе обработки части 5 кристалла прибора с тем, чтобы создать протяженные дефекты по меньшей мере в области 53 этой части 5, может быть применено любое устройство распыления. В частности, могут быть использованы магнетронные распылители, такие как магнетронный распылитель 65, иллюстрируемый на фиг.6 и 7.
В магнетронных распылителях делается попытка улавливания электронов вблизи "мишени" с тем, чтобы повысить их ионизационный эффект. Это достигается электрическим и магнитным полями, которые в основном перпендикулярны. Понятно, что известен ряд конфигураций магнетронных распылителей, таких как цилиндрический магнетрон, иллюстрируемый на фиг.9(а), круговой магнетрон, иллюстрируемый на фиг.9(b), или планарный магнетрон, иллюстрируемый на фиг.9(с). Различные части устройств 65а, b, с магнетронных распылителей по фиг.9а, 9b, 9с соответственно идентифицированы одними и теми же позициями, что и магнетронные устройства 65 по фиг.6 и 7.
Понятно, что на этапе фиг.5(b) часть 5 кристалла прибора содержит подложку 82 в распыляющем устройстве 65 по фиг.6 и 7, тогда как мишень 81 из двуокиси кремния является мишенью, из которой возникает выделение двуокиси кремния. Это также случай в этапе осаждения дополнительного диэлектрического слоя 60 по фиг.5(f). Однако на этапе на фиг.5(е) напряжение смещения реверсируется и подложка 82 в действительности становится распыляющей мишенью, от которой возникает распыление. Это так называемый этап "предварительного травления" возникает для введения протяженных дефектов внутрь области 53 части 5 кристалла прибора. Между этапом на фиг.5(с) и фиг.5(f) напряжение смещения вновь реверсируется.
ПРИМЕР
Данный пример иллюстрирует типовой сдвиг ширины запрещенной зоны, который может быть получен, используя IFVD в способе изготовления оптоэлектронного прибора согласно изобретению в алюминиевом сплаве, таком как арсенид алюминия-галлия (AlGaAs), выращенном на подложке из арсенида галлия (GaAs).
Камера 70 распылителя сконструирована следующим образом. Предусмотрена разделительная пластина, расположенная на расстоянии от 70 до 100 мм между электродом мишени и электродом подложки, предпочтительно 70 мм. Конфигурация электрода представляет круговую пластину с размером 4 или 8 дюймов (предпочтительно 8 дюймов). Газом, использованным в системе, является обычно аргон, однако могут использоваться и другие газы. Также малое количество кислорода может быть добавлено к плазме (приблизительно 10% по объему) для улучшения стехиометрии при выполнении осаждения диэлектрической пленки. Диэлектриком, использованным для процесса, является обычно SiO2, однако могут быть использованы другие, такие как Al2О3. Давление, использованное в камере 70 как для предварительного травления, так и для процесса осаждения двуокиси кремния, составляет примерно 2 мкм рт.ст.
Последующая таблица приводит полученные сдвиги для образцов с 200 нм распыленной двуокисью кремния, осажденной на их верхних частях. Один образец имеет предварительное травление 5 минут при уровне мощности 500 Вт. Цифры в таблице, детализирующие сдвиг, представлены для отжига при 900°С в течение 1 минуты.
| ТАБЛИЦА | |
| Условия осаждения | Сдвиг |
| Только распыленная двуокись кремния | 45 нм |
| Вытравленная, затем герметизированная распыленной двуокисью кремния | 2 нм |
Таблица иллюстрирует, что выполнение травления распылителем на части кристалла прибора перед герметизацией двуокисью кремния (SiO2) обеспечивает улучшенный покрывающий слой подавления смешивания.
Для обработки полупроводниковой подложки при получении более чем одной ширины запрещенной зоны пленка распыляется или двуокись кремния осаждается методом ПХОПФ на подложке. Затем используются технологии фотолитографии для очерчивания рисунка сверху распыленной двуокиси кремния, а далее может быть использовано травление в растворе или сухое травление для травления рисунка внутри распыленной двуокиси кремния.
Затем образец помещается в устройство распыления для предварительного травления и последующего добавочного осаждения распыленной двуокиси кремния.
Теперь выполняется быстрый термический отжиг при подходящей температуре (700-1000°С и более предпочтительно 800-1000°С) в течение требуемого периода времени (от 0,5 до 5 мин). Это позволяет точечным дефектам, образованным на поверхности в двуокиси кремния магнетрона, распространяться через структуру и вызывать взаимную диффузию элементов.
Понятно, что предпочтительные варианты, описанные выше, даны только в качестве примера и никаким образом не ограничивают объем изобретения.
Должно быть особенно понятно, что распыленная двуокись кремния подходит для выполнения процесса беспримесного разупорядочивания вакансий IFVD в материале GaAs/AlGaAs при примерно 980 нм. Более того, при использовании комбинации предварительного травления распылителем и распыления для осаждения другого слоя двуокиси кремния обеспечивается эффективный слой подавления смешивания.
Предполагается, что использование предварительного травления вызывает высокие уровни повреждений и появление протяженных дефектов в покрывающем слое эпитаксиальной подложки. Эти протяженные дефекты эффективно захватывают точечные дефекты и останавливают их диффузию вниз к квантовой яме QW, таким образом эффективно останавливая любое смешивание квантовых ям QW. Повреждение возникает от бомбардирования ионами поверхности образца.
В устройстве распыления, использованном для процесса, подложка может переключаться между анодом/катодом системы. Первоначально электрод, на котором размещен образец ("электрод подложки"), является отрицательным, и положительные ионы в плазме ускоряются к его поверхности, вызывая высокую степень повреждений для покрывающего слоя (т.е. протяженные дефекты).
Далее понятно, что использование эффективно одного и того же типа двуокиси кремния для всего процесса обходит проблему IFVD с диэлектрическими покрывающими слоями, а именно, рассогласование их коэффициентов расширения. Это позволяет поддерживать высокое качество последующего отжига материала.
Далее понятно, что оптический прибор согласно изобретению может включать волновод, такой как гребень или скрытую гетероструктуру, или действительно любой другой подходящий волновод.
Также понятно, что области процесса смешивания квантовых потенциальных ям (QWI) могут содержать оптически активный прибор (приборы).
Далее понятно, что последовательная обработка, включающая использование нескольких высокочастотных мощностей, может быть применена для обеспечения прибора с несколькими различными величинами ширины запрещенной зоны процесса QWI.
1. Способ изготовления оптического прибора из части кристалла прибора, имеющей структуру квантовой потенциальной ямы (QW), включающий этап обработки части кристалла прибора плазменным травлением с тем, чтобы создать протяженные дефекты по меньшей мере в части покрывающего слоя части кристалла прибора, как этап в технологии смешивания квантовых потенциальных ям для последующего этапа термического отжига.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плазменное травление на части кристалла прибора выполняют распылителем.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что травление выполняют магнетронным распылителем.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что на этапе выполнения травления распылителем на части кристалла прибора прикладывают реверсивное электрическое напряжение к электроду, на котором расположена часть кристалла прибора, с тем, чтобы обеспечить предварительное травление части кристалла прибора.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает предыдущий этап осаждения диэлектрического слоя, по меньшей мере, на область части кристалла прибора, где диэлектрический слой, следовательно, может действовать как маска при определении, по меньшей мере, части покрывающего слоя.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что дополнительно включает последовательный этап осаждения дополнительного диэлектрического слоя на диэлектрический слой и/или, по меньшей мере, на одну область части кристалла прибора.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что диэлектрический слой и/или дополнительный диэлектрический слой осаждают путем использования распылителя.
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что диэлектрический слой и/или дополнительный диэлектрический слой осаждают путем технологии осаждения, отличной от технологии использования распылителя.
9. Способ по любому пп.6-8, отличающийся тем, что диэлектрический слой и дополнительный диэлектрический слой в основном содержат двуокись кремния или окись алюминия.
10. Способ по п.3, отличающийся тем, что распылитель содержит камеру, которую в основном заполняют инертным газом.
11. Способ по п.5, отличающийся тем, что этап осаждения диэлектрического слоя содержит часть процесса смешивания квантовых потенциальных ям (QWI), использованного при изготовлении прибора.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что процесс смешивания квантовых потенциальных ям содержит беспримесное разупорядочивание вакансий.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает этап отжига части кристалла прибора при повышенной температуре.
14. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает предыдущие этапы создания подложки, выращивания на подложке первой оптической оболочки, центрального волноводного слоя, имеющего структуру квантовой потенциальной ямы, и второй оптической оболочки.
15. Способ по п.14, отличающийся тем, что первую оптическую оболочку, центральный волноводный слой и вторую оптическую оболочку выращивают путем технологии, выбранной из молекулярно-лучевой эпитаксии, и осаждения из паровой фазы металло-органических соединений.
16. Способ по п.5, отличающийся тем, что дополнительно содержит этапы осаждения диэлектрического слоя на поверхности части кристалла прибора, выполнения рисунка в фоторезисте на поверхности диэлектрического слоя и удаления, по меньшей мере, части фоторезиста с тем, чтобы обеспечить диэлектрический слой, по меньшей мере, на одной другой области части кристалла прибора.
17. Способ по п.6, отличающийся тем, что включает этап осаждения дополнительного диэлектрического слоя на части поверхности кристалла прибора и на поверхности диэлектрического слоя перед отжигом.
18. Способ по п.6, отличающийся тем, что диэлектрический слой содержит покрывающий слой смешивания, тогда как, по меньшей мере, одна область части кристалла прибора и/или дополнительный диэлектрический слой - покрывающий слой подавления смешивания.
19. Способ по п.6, отличающийся тем, что толщины диэлектрического слоя и дополнительного диэлектрического слоя составляют от 10 до 1000 нм.
20. Способ по п.13, отличающийся тем, что этап отжига выполняют при температуре от 800 до 1000°С в течение от 0,5 до 5 мин.
21. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть кристалла прибора формируют из системы InGaAs - InAlGaAs - InP, приспособленной для работы, по меньшей мере, на одной длине волны от 1450 до 1550 нм.
22. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает этапы формирования части кристалла прибора из системы, содержащей один или более следующих слоев: подложку из InP, первую оптическую оболочку из InP, центральный волноводный слой из InAlGaAs и/или InGaAsP, квантовую потенциальную яму из InGaAs, вторую оптическую оболочку из InP и покрывающий слой из InGaAs.
