Патент на изобретение №2335035

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к оптическим устройствам, изготовленным с помощью способа индуцированного примесью перемешивания квантовой ямы (КЯ). Сущность изобретения: способ изготовления оптического устройства, в котором тело, из которого изготавливается это устройство, содержит по меньшей мере одну квантовую яму (КЯ), включает в себя этапы, на которых вызывают перемешивание примесного материала с упомянутой по меньшей мере одной квантовой ямой, причем этот примесный материал содержит медь (Cu). Техническим результатом изобретения является разработка усовершенствованного способа изготовления оптических устройств, основанного на индуцированном примесью перемешивании квантовой ямы (КЯ). 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 16 ил.

Область техники

Изобретение относится к способу изготовления оптических устройств, в частности, но не исключительно, к изготовлению интегральных оптических устройств или оптоэлектронных устройств, например, таких полупроводниковых оптоэлектронных устройств, как лазерные диоды, оптические модуляторы, оптические усилители, оптические переключатели, оптические детекторы и т.п. Изобретение также относится к оптоэлектронным интегральным схемам (ОЭИС) и фотонным интегральным схемам (ФИС), содержащим указанные устройства.

Изобретение, в частности, но не исключительно, относится к способу изготовления оптического устройства с использованием нового и усовершенствованного способа индуцированного примесью перемешивания квантовой ямы (ПКЯ).

Уровень техники

В оптических системах связи чрезвычайно желательна монолитная интеграция различных оптических компонентов на едином эпитаксиальном слое. Одно из главнейших требований при монолитной интеграции заключается в реализации разных запрещенных энергетических зон в одном полупроводниковом эпитаксиальном слое. Например, матричному координатному переключателю типа 2×2, содержащему полупроводниковые оптические усилители, пассивные волноводные разветвители и модуляторы электропоглощения (ЭП), обычно нужны три запрещенные энергетические зоны. Рабочая длина волны для переключателей, а следовательно, и для усилителей обычно равна 1,55 мкм, но для пассивных волноводов требуется гораздо более широкая запрещенная энергетическая зона с тем, чтобы свести к минимуму поглощение распространяемого по волноводам светового излучения. Помимо этого, оптимальная запрещенная энергетическая зона поглощения для ЭП-модуляторов приблизительно на 20-50 нм короче, чем у усилителей, в целях обеспечения низких вносимых потерь и высокого коэффициента затухания. Структуры с множественными запрещенными энергетическими зонами также находят применение в таких устройствах, как многоволновые источники в системах с уплотнением по длине волны (от англ. wavelength-division multiplexing, WDM) и фотодетекторы.

В настоящее время для этих целей исследуется множество технологий. Несмотря на то, что технологии, основанные на избирательной рекристаллизации, выглядят перспективными, в течение всего производственного процесса необходимы дорогостоящие установки, такие как оборудование химического осаждения из паровой фазы металлоорганического соединения (ХОПФМОС), и при этом двухмерное структурирование (т.е. формирование рисунка) запрещенной энергетической зоны невозможно. Прочие методы основаны на перемешивании квантовой ямы (ПКЯ).

Перемешивание квантовой ямы (ПКЯ) является таким способом, который считается перспективным с точки зрения обеспечения возможного пути к монолитной оптоэлектронной интеграции. ПКЯ можно выполнять в полупроводниковых материалах III-V групп Периодической таблицы, например арсениде алюминия-галлия (AlGaAs) или фосфиде-арсениде индия-галлия (InGaAsP), которые могут быть выращены на бинарных подложках, например, из арсенида галлия (GaAs) или фосфида индия (InP). ПКЯ изменяет запрещенную энергетическую зону структуры непосредственно после выращивания за счет взаимной диффузии химических элементов квантовой ямы (КЯ) и соответствующих барьеров с получением сплава из составляющих их компонентов. Сплав имеет запрещенную энергетическую зону, которая шире зоны в квантовой яме непосредственно после выращивания. Поэтому любое оптическое излучение (световое излучение), генерируемое в квантовой яме, где ПКЯ не произошло, может проходить через ПКЯ или “перемешанную” область сплава, которая является по существу прозрачной для указанного оптического излучения.

В литературе сообщалось о различных способах ПКЯ. Например, ПКЯ можно выполнить за счет высокотемпературной диффузии таких элементов, как цинк, в полупроводниковый материал, содержащий КЯ.

ПКЯ можно также выполнить ионной имплантацией таких элементов, как кремний, в полупроводниковый материал с КЯ. В этом методе имплантируемый элемент создает точечные дефекты в структуре полупроводникового материала, которые перемещаются через полупроводниковый материал, вызывая перемешивание в структуре квантовой ямы на этапе высокотемпературного отжига.

Такая методика ПКЯ изложена в статье “Applications of Neutral Impurity Disordering in Fabricating Low-Loss Optical Waveguides and Integrated Waveguide Devices”, Marsh et al, Optical and Quantum Electronics, 23, 1991, с.941-957, содержание которой включено в данный документ путем этой ссылки.

Присущая этим методам проблема состоит в том, что, хотя ПКЯ изменяет (увеличивает) запрещенную энергетическую зону полупроводникового материала после выращивания, однако остаточная диффузия или имплантированные легирующие примеси могут обусловить значительные потери вследствие высокого коэффициента поглощения свободных носителей на этих легирующих примесных элементах.

Еще один сообщаемый способ, обеспечивающий перемешивание квантовой ямы, представляет собой беспримесную диффузию вакансий (БПДВ). При выполнении БПДВ верхний покрывающий слой полупроводниковой структуры III-V групп обычно выполнен из GaAs или арсенида индия-галлия (InGaAs). На верхнем слое осаждена пленка диоксида кремния (SiO₂). Последующий быстрый термический отжиг полупроводникового материала вызывает разрушение связей в полупроводниковом сплаве и растворение “чувствительных” к диоксиду кремния (SiO₂) ионов или атомов галлия в диоксиде кремния, так что в верхнем слое остаются вакансии. Эти вакансии затем диффундируют через полупроводниковую структуру, вызывая перемешивание слоев, например, в структуре квантовой ямы.

Сведения о способе БПДВ сообщаются в статье “Quantitative Model for the Kinetics of Composition Intermixing in GaAs-AlGaAs Quantum “Confined Heterostructures” под авторством Helmy et al, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.4, №4, July/August 1998, pp.653-660, содержание которой включено в данный документ путем ссылки.

Сообщаемые способы ПКЯ и особенно БПДВ имеют ряд недостатков, заключающихся, например, в температуре, при которой галлий выходит за счет обратной диффузии из полупроводникового материала в пленку диоксида кремния (SiO₂).

Задача по меньшей мере одного аспекта данного изобретения заключается в решении или по меньшей мере частичном решении по меньшей мере одного из указанных недостатков/трудностей известного уровня техники.

Другая задача изобретения состоит в обеспечении усовершенствованного способа изготовления оптического устройства с помощью усовершенствованного способа ПКЯ.

Раскрытие изобретения

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен способ изготовления оптического устройства, причем тело устройства (от англ. “device body portion”), из которого изготавливается данное устройство, содержит по меньшей мере одну квантовую яму, включающий в себя этапы, на которых вызывают перемешивание примесного материала с по меньшей мере одной квантовой ямой, при этом примесный материал по меньшей мере содержит медь (Cu).

Примесный материал может по существу содержать медь или ее сплав.

Неожиданно было обнаружено, что медь диффундирует почти в 10⁶ раз быстрее, чем применявшиеся ранее примеси, такие как цинк.

Предпочтительно способ предусматривает предварительный этап размещения на или вблизи тела устройства слоя, содержащего примесный материал.

В первом варианте осуществления изобретения примесный материал может входить в состав материала-носителя. Носителем может быть диэлектрический материал, такой как диоксид кремния (SiO₂) или оксид алюминия (Al₂О₃). В этом случае упомянутый слой может быть осажден непосредственно на поверхность тела устройства, например, путем ионного распыления.

В этом первом варианте осуществления упомянутый слой можно осадить с помощью установки диодного или магнетронного ионного распыления.

Во втором варианте осуществления упомянутый слой может содержать слой примесного материала, который может быть осажден вблизи поверхности тела устройства на разделительном слое. Разделительный слой может содержать такой диэлектрический материал, как диоксид кремния или оксид алюминия (Al₂O₃).

На упомянутом слое может быть осажден дополнительный слой, например дополнительный слой диэлектрика.

В этом втором варианте осуществления упомянутый слой может быть осажден с помощью ионного распыления, а разделительный слой/дополнительный слой может быть осажден с помощью ионного распыления или другой методики, например плазмостимулированного химического осаждения из паровой фазы (ПСХОПФ).

Предпочтительно способ изготовления также включает в себя дополнительные предварительные этапы обеспечения наличия подложки и выращивания на подложке первого оптического слоя оболочки, направляющего слоя сердцевины, содержащего по меньшей мере одну квантовую яму (КЯ), второго оптического слоя оболочки и, необязательно, контактного слоя.

Первый оптический слой оболочки, направляющий слой сердцевины, второй оптический слой оболочки и контактный слой могут быть выращены молекулярно-пучковой эпитаксией (МПЭ) или химическим осаждением из паровой фазы металлоорганического соединения (ХОПФМОС).

В одной из модификаций первого варианта осуществления перед перемешиванием упомянутый слой можно удалить с тела устройства.

Предпочтительно перемешивание примесного материала с упомянутой по меньшей мере одной квантовой ямой (КЯ) вызывают путем нагревания тела устройства до повышенной температуры в течение заданного времени.

Повышенная температура может находиться в диапазоне от 700°С до 900°С, а заданное время может находиться в диапазоне от 30 секунд до 300 секунд.

Этап нагревания тела устройства до повышенной температуры может включать в себя этап отжига тела устройства, который вызывает диффузию примесного материала в упомянутую по меньшей мере одну квантовую яму и обратную диффузию ионов или атомов из квантовых ям в материал-носитель или разделительный слой.

Согласно второму аспекту изобретения предложен способ изготовления оптического устройства, причем тело устройства, из которого изготавливается устройство, содержит по меньшей мере одну квантовую яму, включающий в себя этап, на котором вызывают диффузию первого материала в тело устройства, а также обратную диффузию материала (например, ионов или атомов) тела устройства во второй материал.

Следовательно, этот аспект выгодным образом сочетает индуцированное примесью перемешивание и беспримесное перемешивание.

В одном варианте осуществления первым материалом может быть примесный материал, содержащий медь (Cu), а вторым материалом может быть диэлектрический материал, такой как диоксид кремния (SiO₂) или оксид алюминия (Al₂О₃).

Согласно третьему аспекту изобретения предложен способ изготовления оптического устройства, причем тело устройства, из которого изготавливается устройство, содержит по меньшей мере одну квантовую яму, включающий в себя этапы, на которых формируют на поверхности тела устройства рисунок из множества областей примесного материала, причем по меньшей мере две из этих областей отделены от поверхности разными расстояниями, и вызывают перемешивание примесного материала упомянутого множества областей с упомянутой по меньшей мере одной квантовой ямой с тем, чтобы настроить запрещенную энергетическую зону упомянутой по меньшей мере одной перемешанной квантовой ямы в упомянутых по меньшей мере двух областях на разные значения.

Предпочтительно примесный материал по меньшей мере содержит медь (Cu).

Согласно четвертому аспекту изобретения предложено оптическое устройство, изготовленное способом согласно любому из первого, второго или третьего аспектов настоящего изобретения.

Тело устройства может быть изготовлено в системе полупроводниковых материалов III-V групп.

Системой полупроводниковых материалов III-V групп может быть система на основе арсенида галлия (GaAs), и она может работать на длине волны (длинах волн) по существу между 600 нм и 1300 нм. Альтернативно, система полупроводниковых материалов III-V групп может быть системой на основе фосфида индия, и она может работать на длине волны (длинах волн) по существу между 1200 нм и 1700 нм. Тело устройства может быть выполнено, по меньшей мере частично, из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs), арсенида индия-галлия (InGaAs), фосфида-арсенида индия-галлия (InGaAsP), арсенида индия-галлия-алюминия (InGaAlAs) и/или фосфида индия-галлия-алюминия (InGaAlP).

Тело устройства может содержать подложку, на которой обеспечен первый оптический слой оболочки, направляющий слой сердцевины, второй оптический слой оболочки и, необязательно, контактный слой.

По меньшей мере одна квантовая яма (КЯ) может быть обеспечена в направляющем слое сердцевины.

Альтернативно или дополнительно, по меньшей мере одна квантовая яма может быть обеспечена в одном из слоев оболочки или в них обоих. Нужно отметить, что в последнем случае целесообразнее настроить (отрегулировать) показатель преломления, чем запрещенную энергетическую зону слоя(ев) оболочки.

Направляющий слой сердцевины непосредственно после выращивания может иметь меньшую запрещенную энергетическую зону и более высокий показатель преломления по сравнению с первым и вторым оптическими слоями.

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения предложена оптическая интегральная схема, оптоэлектронная интегральная схема (ОЭИС) или фотонная интегральная схема (ФИС), содержащая по меньшей мере одно оптическое устройство согласно четвертому аспекту настоящего изобретения.

Согласно шестому аспекту настоящего изобретения предложено тело устройства (“образец”), используемое в способе согласно первому или второму аспекту настоящего изобретения.

Согласно седьмому аспекту изобретения предложена полупроводниковая пластина из материала, содержащего по меньшей мере одно тело устройства, используемое согласно любому из первого, второго или третьего аспектов настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления настоящего изобретения далее поясняются только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1(a)-(f) – схематические изображения в боковой проекции последовательности производственных этапов способа изготовления оптического устройства согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 – схематическое изображение в боковой проекции производственного этапа способа изготовления оптического устройства согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.3 – схематическое изображение боковой проекции производственного этапа способа изготовления оптического устройства согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.4 – схематическое изображение боковой проекции производственного этапа способа изготовления оптического устройства согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.5 – сдвиг запрещенной энергетической зоны в зависимости от температуры отжига для первых образцов согласно варианту осуществления изобретения;

Фиг.6 – сдвиг запрещенной энергетической зоны в зависимости от температуры отжига для вторых образцов согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.7 – сдвиг запрещенной энергетической зоны в зависимости от температуры отжига для третьих и четвертых образцов согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.8 – сдвиг запрещенной энергетической зоны в зависимости от температуры отжига для пятых образцов согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.9 – сдвиг запрещенной энергетической зоны в зависимости от температуры отжига для шестых образцов согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.10 – сдвиг запрещенной энергетической зоны в зависимости от температуры отжига для седьмых образцов согласно варианту осуществления изобретения;

Фиг.11(а) и (b) – счет ионов в зависимости от глубины образцов согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.12 – счет ионов/атомов в зависимости от глубины для образцов согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.13 – счет ионов/атомов в зависимости от глубины для образцов согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.14 – сдвиг запрещенной энергетической зоны в зависимости от температуры отжига для образцов согласно восьмому варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.15 – сдвиг запрещенной энергетической зоны в зависимости от температуры отжига для восьмых образцов согласно девятому варианту осуществления настоящего изобретения; и

Фиг.16 – сдвиг запрещенной энергетической зоны в зависимости от температуры отжига для девятых образцов согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание чертежей

Вначале со ссылкой на Фиг.1(а)-(f) проиллюстрирован способ изготовления оптического устройства согласно первому варианту осуществления изобретения. Тело устройства, которое в общем обозначено как 5а и из которого изготавливается это устройство, содержит по меньшей мере одну структуру 10а квантовой ямы (КЯ). Упомянутый способ включает в себя этап, на котором вызывают перемешивание примесного материала с по меньшей мере одной квантовой ямой 10а, причем примесный материал содержит медь (Cu), см. Фиг.1(е). В этом варианте осуществления примесный материал по существу содержит медь или ее сплав. Обнаружено, что медь диффундирует приблизительно в 10⁶ раз быстрее, чем использовавшиеся ранее примеси, такие как цинк (Zn).

Как можно видеть на Фиг.1(d), способ включает в себя предварительный этап осаждения на или вблизи тела 5а устройства слоя 15а, содержащего примесный материал.

В этом варианте осуществления примесный материал входит в состав материала-носителя. Материал-носитель в этом варианте осуществления является диэлектрическим материалом, таким как диоксид кремния (SiO₂) или оксид алюминия (Al₂О₃). В этом случае слой 15а осаждают непосредственно на поверхность тела 5а устройства. Слой 15а целесообразно осаждать с использованием установки диодного (т.е. с использованием двух электродов) или магнетронного ионного распыления (не показана).

Способ начинается с выполнения этапа обеспечения наличия подложки 20а, выращивания на подложке 20а первого оптического слоя 25а оболочки, направляющего слоя 30а сердцевины, включающего в себя по меньшей мере одну структуру 10а квантовой ямы, второго оптического слоя 35а оболочки и, необязательно, контактного слоя 40а. В подложку 20а обычно вводят легирующую примесь n⁺, в то время как в первый оптический слой 25а оболочки вводят легирующую примесь n-типа, направляющий слой 30а сердцевины является по существу слоем с собственной электропроводностью, во второй оптический слой 35а оболочки вводят легирующую примесь р-типа, а в контактный слои 40а – р⁺.

Необходимо отметить, что первый оптический слой 25а оболочки, направляющий слой 30а сердцевины, второй оптический слой 35а оболочки и контактный слой 40а могут быть выращены с помощью любого соответствующего способа выращивания, такого как молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) или химическое осаждение из паровой фазы металлоорганического соединения (ХОПФМОС).

Обращаясь к Фиг.1(е), перемешивание примесного материала 15а с по меньшей мере одной квантовой ямой 10а вызывают за счет нагревания тела 5а устройства до повышенной температуры в течение заданного времени. Обычно повышенная температура находится в диапазоне от 700°С до 950°С, а заданное время находится в диапазоне от 30 секунд до 300 секунд. Нагревание тела 5а устройства до повышенной температуры в данном варианте осуществления включает в себя отжиг тела 5а устройства, который вызывает диффузию меди в упомянутую по меньшей мере одну квантовую яму 10а, а также обратную диффузию ионов или атомов, например, галлия из упомянутой по меньшей мере одной квантовой ямы 10а в материал-носитель 15а. Таким образом, данный вариант осуществления совмещает индуцированное примесью перемешивание и беспримесное перемешивание упомянутой по меньшей мере одной квантовой ямы 10а.

В итоге, способ согласно данному первому варианту осуществления включает в себя следующие этапы:

(a) обеспечение наличия тела 5а устройства (см. Фиг.1(а));

(b) осаждение слоя диоксида кремния с помощью плазмостимулированного химического осаждения из паровой фазы (ПСХОПФ) и нанесение центрифугированием слоя фоторезиста на ПСХОПФ-слой оксида кремния (см. Фиг.1(b));

(c) формирование рисунка в фоторезисте и ПСХОПФ-слое диоксида кремния методом литографии, например, травление с помощью HF или сухое травление с помощью C₂F₆ (см. Фиг.1(с));

(d) осаждение на тело 5а устройства с сформированным рисунком слоя 15а, содержащего примесный материал (см. Фиг.1(d));

(e) быстрый термический отжиг тела 5а устройства при заданной температуре в течение заданного времени для того, чтобы перемешать части упомянутой по меньшей мере одной квантовой ямы 10а в заданных областях с сформированным рисунком (см. Фиг.1(е)); и

(f) удаление различных слоев с тела 5а устройства и целесообразное формирование металлизации на теле 5а устройства для формирования электрических контактов с ним (см. Фиг.1(f)).

Теперь со ссылкой на Фиг.2 проиллюстрирован способ изготовления оптического устройства согласно второму варианту осуществления изобретения. Этот второй вариант осуществления отличается от описанного выше первого варианта осуществления тем, что на этапе согласно Фиг.1(d) вместо осаждения единственного слоя материала 15а, содержащего перемешивающий материал, вблизи поверхности тела 5b на разделительном слое 16b осаждают слой 15b, содержащий слой примесного материала. Разделительный слой 16b предпочтительно содержит диэлектрический материал, такой как диоксид кремния (SiO₂) или оксид алюминия (Al₂O₃). На слой 15b осаждают дополнительный слой 17b, например дополнительный слой диэлектрика. В этом втором варианте осуществления слой 15b предпочтительно осаждают с помощью ионного распыления, а разделительный слой 16b и/или дополнительный слой 17b предпочтительно осаждают ионным распылением или с помощью ПСХОПФ.

Теперь со ссылкой на Фиг.3 проиллюстрирован способ изготовления оптического устройства согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Способ согласно третьему варианту осуществления похож на способ согласно первому варианту осуществления, за тем исключением, что после этапа по Фиг.1(d) с тела 5с устройства удаляют различные слои, включая слой 15с, и на поверхность тела 5с устройства осаждают ПСХОПФ-слой диоксида кремния. Тело 5с устройства затем подвергают быстрому термическому отжигу, как и на Фиг.1(е). Неожиданно было обнаружено, что перемешивание упомянутой по меньшей мере одной квантовой ямы 10с за счет перемешивающего материала (например, меди) все еще происходит и в варианте осуществления согласно Фиг.3, хотя слой 15с был уже удален перед этапом быстрого термического отжига.

Теперь со ссылкой на Фиг.4 проиллюстрирована боковая проекция производственного этапа способа изготовления оптического устройства согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть на Фиг.4, в этом варианте осуществления тело 5d устройства претерпевает повторное формирование рисунка с получением множества ПСХОПФ-слоев диоксида кремния для обеспечения ступенчатого рисунка или, иначе говоря, шаблона из диоксида кремния. Шаблон, содержащий открытую область поверхности тела 5d устройства без ПСХОПФ-слоя диоксида кремния, показан на Фиг.4. Поверх слоистого ПСХОПФ-шаблона из диоксида кремния ионным распылением осаждают слой 15d, содержащий примесный материал. В этом варианте осуществления слой 15d содержит материал-носитель, такой как диоксид кремния, содержащий примесный материал, такой как медь. Шаблонированное таким образом тело 5d затем подвергают быстрому термическому отжигу согласно Фиг.1(е) с тем, чтобы получить множество областей 45d, 50d, 55d, 60d, 65d перемешанной квантовой ямы в теле 5d устройства, при этом каждая область перемешанной квантовой ямы настроена на разную запрещенную энергетическую зону, поскольку индуцированное медным примесным материалом перемешивание является различным в каждой области перемешанной квантовой ямы, так как каждая область с 45d пo 65d перемешанной квантовой ямы отделена от слоя 15d разным количеством ступенчатых слоев из ПСХОПФ-диоксида кремния.

Итак, способы индуцированного примесью перемешивания квантовой ямы согласно данному изобретению могут использовать пленку диоксида кремния с присадкой меди для того, чтобы ввести регулируемое количество примеси в полупроводник. Было обнаружено, что медь является особо эффективной примесью для индуцированного примесью разупорядочения. Причина этого заключается в том, что медь находится как в междоузлиях, так и в вакантных узлах и переходит между ними с помощью механизма “перескока”. Она имеет чрезвычайно высокий коэффициент диффузии, и это означает, что перемешивание происходит очень быстро, а следовательно, медь быстро диффундирует, оставляя низкую остаточную концентрацию в перемешанном слое. Более того, при включении меди в состав верхнего слоя из SiO₂ возникает эффект обратной диффузии элементов III-ей группы в верхний слой во время высокотемпературного отжига, в результате чего генерируются дополнительные вакансии элементов III-ей группы, которые еще больше повышают скорость перемешивания. Эта методика показала себя эффективным средством достижения больших дифференциальных сдвигов запрещенной энергетической зоны в широком диапазоне систем полупроводниковых материалов III-V групп, и эту методику можно использовать для обеспечения низких пассивных потерь по сечению в некоторых монолитно интегрированных устройствах, включая лазеры большой мощности с непоглощающими зеркалами, лазеры с расширенным резонатором и матричные координатные переключатели.

Лишь очень небольшое количество меди (около 1 монослоя) требуется для того, чтобы вызвать перемешивание квантовой ямы. Вряд ли будет желательным напылять слой меди непосредственно на поверхность полупроводника, так как локальная концентрация меди будет очень высокой, и могут иметь место возникающие из-за высокой концентрации эффекты нелинейной диффузии, такие как пичковый режим и образование кластеров (скоплений). Помимо этого, поверхность полупроводника во время отжига должна быть защищена диэлектрическим верхним слоем, причем заключение внутри SiO₂ дает дополнительную выгоду ввиду содействия созданию вакансий элементов III-ей группы за счет обратной диффузии атомов.

Согласно способу в соответствии с настоящим изобретением медь можно вводить в полупроводник диффузией из слоя диоксида кремния, легированного медью. Слой осаждают с помощью системы диодного или магнетронного ионного распыления, и он может быть единообразно легирован с помощью одновременного ионного распыления меди и SiO₂ (первый вариант осуществления) или же медь можно ввести в одиночный чистый слой, отделенный от поверхности полупроводника тонкой пленкой SiO₂ (второй вариант осуществления). Последнее решение, по-видимому, обеспечивает лучшее регулирование уровня внедрения меди в полупроводник. Обычно осаждают тонкий слой (20-2000 нм) нелегированного диоксида кремния, а затем приблизительно 1-3 монослоя меди. Эту структуру затем завершают последующим осаждением диоксида кремния без легирующей примеси. Образец затем отжигают при температурах в диапазоне от 700°С до 950°С в течение от 30 с до 300 с в зависимости от материала. На стадии отжига медь диффундирует из слоя диоксида кремния в полупроводник. Медь имеет очень высокий коэффициент диффузии в полупроводнике, и это означает, что перемешивание идет быстро. При этом медь быстро диффундирует в тело устройства, оставляя низкую остаточную концентрацию в перемешанном слое.

Ниже приводятся примеры экспериментальных образцов, изготовленных способами, подпадающими под характеристики описываемых выше вариантов осуществления с первого по третий.

Все исследованные образцы представляли собой многослойные лазерные p-i-n-структуры, полностью выращенные молекулярно-пучковой эпитаксией (МПЭ) или эпитаксией из паровой фазы металлоорганического соединения (ЭПФМОС) на подложках из GaAs или InP. Эпитаксиальные слои обычно содержали активную область, имеющую одну или большее количество квантовых ям (КЯ) толщиной, как правило, 3-10 нм внутри волноводной сердцевины с большей запрещенной энергетической зоной толщиной 250-1000 нм, которая была окружена р-легированными и n-легированными слоями оболочки. Все структуры были покрыты сверху сильно р-легированным (1×10¹⁹ см^-3) контактным слоем с обычной толщиной 100-300 нм.

ПРИМЕР 1

Исходный образец дал следующие результаты. Медь была введена в матрицу из SiO₂ с обычной толщиной 200 нм путем одновременного ионного распыления меди и SiO₂. Это было достигнуто путем уменьшения высоты заземленного экрана вокруг мишени, так что часть медной несущей пластины мишени подверглась эрозии. Степень перемешивания квантовой ямы, достигнутая с помощью этого способа, была определена измерением изменения энергии фотолюминесценции (ФЛ) после отжига. Во всех случаях она сравнивалась с контрольным образцом, покрытым ПСХОПФ-SiO₂, причем все отжиги проводились в течение 60 секунд, если не указана другая длительность.

Фиг.5 показывает первоначальные результаты, полученные в выращенных с помощью ЭПФМОС образцах InGaAs-InGaAsP, излучающих на 1550 нм, покрытых сверху ПСХОПФ-SiO₂ и нанесенных ионным распылением Cu:SiO₂. Хотя покрытые сверху ПСХОПФ-SiO₂ образцы показывают начальные сдвиги запрещенной энергетической зоны при температурах выше 650°С, однако значительные сдвиги запрещенной энергетической зоны получены в материале, покрытом сверху Cu:SiO₂, при температурах приблизительно на 100°С ниже, что позволило получить дифференциальные (т.е. различные) сдвиги запрещенной энергетической зоны величиной 80 мэВ при температурах отжига 650-675°С.

ПРИМЕР 2

Аналогичный вариант осуществления был проведен в системах с материалами InGaAs-InAlGaAs, излучающими на 1550 нм, как показано на Фиг.6, для материала, выращенного методом МПЭ. Этот материал имел по сравнению с InGaAsP лучшую термическую стойкость, о чем свидетельствовали пренебрежимо малые сдвиги, полученные при наличии только ПСХОПФ-SiO₂. Однако при использовании Cu:SiO₂ начальные сдвиги были получены при 600°С и увеличились более чем на 100 мэВ при температурах отжига 700°С.

ПРИМЕРЫ 3 и 4

Сдвиги запрещенной энергетической зоны подобной величины были также получены, как видно из Фиг.7, с помощью ионного распыления пленок Cu:SiO₂ в структурах с множественными квантовыми ямами (МКЯ) GaAs-AlGaAs (850-860 нм) и GalnP-AlGalnP (670 нм). В этом случае покрытые ПСХОПФ-SiO₂ образцы снова дали пренебрежимо малые сдвиги запрещенной энергетической зоны в используемом температурном диапазоне, и для ясности на Фиг.7 они не указаны. Во всем температурном диапазоне пренебрежимо малые сдвиги были получены для обоих покрытых ПСХОПФ-SiO₂ материалов.

ПРИМЕРЫ 5 и 6

Исследования показали, что большие сдвиги запрещенной энергетической зоны можно также получить после удаления полученного ионным распылением верхнего слоя Cu:SiO₂ и замены его на ПСХОПФ-SiO₂ перед высокотемпературным отжигом. Типичный эффект, наблюдавшийся в InGaAs-InAlGaAs, показан на Фиг.8. Исследования с помощью измерений масс-спектроскопии вторичных ионов (МСВИ) и эксперименты на системе ионного распыления показали, что преобладающим механизмом увеличения сдвига было введение значительных уровней Cu в поверхность полупроводника на первоначальных стадиях ионного распыления. Это показано на Фиг.9, которая иллюстрирует сдвиги запрещенной энергетической зоны, полученные в материале InAlGaAs на образцах, покрытых распыленными SiO₂ и Cu:SiO₂, по сравнению с образцами, покрытыми ПСХОПФ-SiO₂ и нелегированным распыленным SiO₂. Это демонстрируется очень похожим поведением ПСХОПФ-SiO₂ и нелегированного распыленного SiO₂, в то время как значительные дифференциальные сдвиги (>100 нм) получены с помощью распыленного Cu:SiO₂.

ПРИМЕР 7

Подавление перемешивания оказалось возможным за счет защиты поверхности образца во время ионного распыления слоями ПСХОПФ-SiO₂, при этом степень подавления была большей для более толстых защитных покрытий. Это показано на Фиг.10 для InGaAs-InGaAsP. Это наблюдение говорит о том, что Cu диффундирует через эти тонкие слои SiO₂ во время высокотемпературного отжига, обусловливая значительные концентрации в верхних слоях образца. Эта методика осаждения должна обеспечить повышенную степень управления концентрацией Cu, причем была доказана ее пригодность для получения целого диапазона разных запрещенных энергетических зон с помощью единственного этапа ионного распыления и отжига при соответствующем шаблонировании образца. Это решение также, по-видимому, обеспечивает повышение качества обрабатываемого материала, предположительно по причине уменьшения концентрации Сu в активной области полупроводника. Как показано на Фиг.10, полное подавление перемешивания возможно с помощью относительно толстого слоя фоторезиста, причем сдвиги для защищенного фоторезистом материала были одинаковыми со сдвигами, полученными для покрытого ПСХОПФ-SiO₂ материала. Это улучшение подавления можно приписать как увеличенной толщине диффузионного барьера, так и уменьшению скорости диффузии меди в фоторезисте.

Измерения масс-спектроскопии вторичных ионов (МСВИ) и резерфордовского обратного рассеяния (POP) были также использованы для определения атомного состава пленок SiO₂ и для измерения степени обратной диффузии элементов III-ей группы в них. Для обоих материалов InGaAsP и InAlGaAs они показали явные признаки обратной диффузии как In, так и Ga из поверхности полупроводника в нанесенный ионным распылением верхний слой SiO₂:Cu при температурах, при которых в верхнем слое ПСХОПФ-SiO₂ обратная диффузия не наблюдалась. Это наглядно проиллюстрировано для материала InGaAsP с множественными квантовыми ямами (МКЯ) на фиг.11 и может быть объяснено снижением температуры активации обратной диффузии в легированном Cu материале из-за увеличения плотности точечных дефектов, обусловленной диффузией меди.

Фиг.11 иллюстрирует профили МСВИ в МКЯ-материале InGaAsP, покрытом как ПСХОПФ-SiO₂, так и распыленными Cu:SiO₂, после отжига при температуре 680°С. Обратная диффузия In и Ga явно наблюдается для материала с покрытием, нанесенным ионным распылением, но она не проявляется в верхнем слое ПСХОПФ-SiO₂.

Последующие измерения показали распределение меди в пленке при средней концентрации 1×10²¹ см^-3, причем аналогичные плотности наблюдались на поверхности полупроводника с резким снижением до концентрации 1×10¹⁸ см^-3 на глубине 300 мкм, как это показано на Фиг.12.

Фиг.12 показывает профиль МСВИ неотожженного МКЯ-образца из InAlGaAs после удаления нанесенного ионным распылением покрытия Cu:SiO₂. Концентрация Cu резко снижается до предела шума в 5×10¹⁷ см^-3 на глубине около 300 нм.

После отжига возникает значительная диффузия меди, при этом была получена концентрация 1×10¹⁸ см^-3 во всем слое оболочки и в волноводной области на глубину свыше 1 мкм, как это показано на Фиг.13.

Фиг.13 показывает профиль МСВИ в образце InAlGaAs после отжига при температуре 700°С и снятия верхнего слоя Cu:SiO₂.

В некоторых примерах ионное распыление Cu:SiO₂ было выполнено в первой системе диодного распыления с единичной мишенью с использованием технологического газа Ar:O₂ (9:1) и при давлении распыления 2×10^-3 мбар с мощностью радиочастоты 110 Вт, что соответствует внутреннему подмагничиванию постоянным полем в 1 кВ. Зависимость индуцированного медью процесса перемешивания от условий ионного распыления была исследована на ранних этапах разработки способа. Некоторые первоначальные результаты указывали на почти линейную зависимость сдвига от толщины пленки, однако имелся целый ряд противоречивых первых сообщений, и более поздние исследования показали, что существует небольшая зависимость от толщины нанесенного ионным распылением слоя. Это обстоятельство, по-видимому, сообразно перемешиванию, наблюдаемому после удаления нанесенного ионным распылением верхнего слоя, и это говорит о том, что этот эффект в основном регулируется ранними стадиями выращивания пленки, во время которых медь непосредственно внедряется в полупроводник. По-видимому, имеется незначительная зависимость от РЧ-мощности ионного распыления для значений мощности ниже 110 Вт (из-за вероятности повреждения мишени SiO₂ проведение исследования в отношении более высоких мощностей не было возможным), что не является особенно неудивительным с учетом значительно более высокого выхода ионного распыления меди по сравнению с SiO₂. Однако при этом наблюдалась сильная зависимость скорости (интенсивности) ПКЯ от давления ионного распыления. Но вероятно, что это представляет собой последствие одновременного осаждения Cu:SiO₂ ввиду увеличения толщины экрана высокого напряжения при уменьшении давления, и это обстоятельство препятствует ионному распылению в области заземленного экрана и вызывает эрозию несущей пластины. Было также исследовано использование чистого Ar в качестве газа ионного распыления, однако без заметного воздействия на скорость перемешивания.

ПРИМЕР 8

В других образцах была использована вторая система ионного распыления, в которой применялось одновременное распыление SiO₂ и Cu с изменением высоты экрана заземления. При использовании условий ионного распыления, в основном идентичных описанным выше, она позволяла получать большие дифференциальные сдвиги запрещенной энергетической зоны по сравнению с ПСХОПФ-SiO₂. Это показано для InAlGaAs на Фиг.14, где также показан для сравнения сдвиг запрещенной энергетической зоны, полученный в первой системе ионного распыления. Фиг.14 показывает сдвиги ФЛ, полученные для InAlGaAs, покрытого ПСХОПФ-SiO₂, распыленными SiO₂ и Cu:SiO₂, нанесенными во второй системе ионного распыления, и распыленными Cu:SiO₂, нанесенными в первой системе ионного распыления. Эта фигура показывает, что в первом случае медь не была внедрена, и сдвиги запрещенной энергетической зоны одинаковы с зонами, полученными с ПСХОПФ-SiO₂, однако в случае намеренного внедрения меди были получены большие дифференциальные сдвиги. Степень сдвига запрещенной энергетической зоны оказалась немного меньшей, чем степень в первой системе ионного распыления, и это можно объяснить несколько меньшим уровнем внедрения меди, вероятно обусловленным сниженной степенью открытости (доступности) несущей пластины воздействию со стороны распыляющей плазмы.

ПРИМЕР 9

Ниже приводится описание третьего варианта осуществления с использованием многослойного подхода. Как указано выше, данный подход предполагает включение меди в тонкую пленку вблизи поверхности полупроводника, но отделенную от этой поверхности тонким слоем нанесенного ионным распылением SiO₂. Слои SiO₂ были нанесены ионным распылением с использованием стандартных описываемых выше условий, при этом слои меди были осаждены под тем же давлением, но с более низкой РЧ-мощностью в 25 Вт для снижения скорости ионного распыления и улучшения степени управления концентрацией введенной меди. Фиг.15 показывает некоторые типичные результаты в InAlGaAs при использовании этого способа, в частности сдвиги запрещенной энергетической зоны, полученные при многослойном осаждении SiO₂/Cu/SiO₂ в InAlGaAs, где второе число указывает время осаждения для слоя меди, а первое и третье значения указывают толщины окружающих его слоев SiO₂. Это говорит о том, что тонкий слой меди (2-3 монослоя), отделенный интервалом в 200 нм от поверхности полупроводника, может дать большие и, по-видимому, достигающие насыщения сдвиги запрещенной энергетической зоны по сравнению с образцами, покрытыми ПСХОПФ-SiO₂. Увеличение толщины пленки меди, как оказалось, не обеспечивает очевидного увеличения дифференциального сдвига. Однако использование слоя меди той же толщины, но с удвоенным до 400 нм интервалом повышает температуру активации для процесса ПКЯ, в результате чего при 775°С дифференциальный сдвиг составляет приблизительно половину сдвига при интервале, равном 200 нм. Дальнейшая оптимизация этого метода должна предусматривать “балансирование” величиной интервала и толщиной медной пленки с тем, чтобы обеспечить достаточное внедрение примеси для достижения большого дифференциального сдвига запрещенной энергетической зоны с минимальной остаточной концентрацией меди.

ПРИМЕР 10

Описываемый выше подход также был успешно применен в материале квантовой ямы InGaAs-GaAs, излучающем на 980 нм, как это показано на Фиг.16. Фиг.16 показывает ФЛ-сдвиги в излучающем на 980 нм материале при покрытии его верхним слоем ПСХОПФ-SiO₂ и ионно-распыленными слоями SiO₂/Cu/SiO₂ с варьируемой толщиной первого слоя SiO₂. В этом примере очевидно, что дифференциальный сдвиг запрещенной зоны является наибольшим для тех слоев, в которых медь непосредственно осаждена на поверхность образца, и уменьшается с увеличением толщины задающего интервал (разделительного) слоя SiO₂. Степень возможного увеличения толщины разделительного слоя ограничивается низкой термической стойкостью материала, которая в свою очередь ограничивает значение достижимого дифференциального сдвига запрещенной энергетической зоны. Дифференциальный сдвиг можно увеличить простым увеличением времен отжига, что резко повысит перемешивание в легированных медью пленках, при этом мало воздействуя на слои ПСХОПФ-SiO₂.

Необходимо отметить, что описываемые выше варианты осуществления изобретения даны только в качестве примера, и они не означают какого бы то ни было ограничения объема настоящего изобретения. В частности, следует понимать, что в раскрытые здесь варианты осуществления можно вносить изменения в рамках объема изобретения.

Формула изобретения

1. Способ изготовления оптического устройства, причем тело устройства, из которого изготавливается это устройство, содержит по меньшей мере одну квантовую яму (КЯ), включающий в себя этапы, на которых вызывают перемешивание примесного материала с упомянутой по меньшей мере одной квантовой ямой, причем этот примесный материал содержит медь (Cu).

2. Способ по п.1, в котором примесный материал состоит из меди или медного сплава.

3. Способ по п.1, который включает в себя предварительный этап осаждения на тело устройства или вблизи него слоя, содержащего примесный материал.

4. Способ по п.3, в котором примесный материал вводят с материалом-носителем.

5. Способ по п.4, в котором материал-носитель является диэлектрическим материалом.

6. Способ по п.4, в котором упомянутый слой осаждают непосредственно на поверхность тела устройства.

7. Способ по п.6, в котором упомянутый слой осаждают с помощью установки ионного распыления.

8. Способ по п.3, в котором упомянутый слой является слоем примесного материала, который осажден вблизи поверхности тела устройства на разделительный слой.

9. Способ по п.8, в котором разделительный слой содержит диэлектрический материал.

10. Способ по п.8, в котором на упомянутый слой примесного материала осаждают дополнительный слой диэлектрика с помощью установки ионного распыления.

11. Способ по п.8, в котором упомянутые слой примесного материала и разделительный слой осаждают с помощью установки ионного распыления.

12. Способ по п.3, в котором тело устройства содержит подложку, первый оптический слой оболочки, направляющий слой сердцевины и второй оптический слой оболочки, а также, необязательно, контактный слой, при этом способ также включает в себя дополнительные предварительные этапы обеспечения наличия подложки и выращивания на этой подложке первого оптического слоя оболочки, направляющего слоя сердцевины, содержащего упомянутую по меньшей мере одну квантовую яму (КЯ), второго оптического слоя оболочки и, необязательно, контактного слоя.

13. Способ по п.12, в котором первый оптический слой оболочки, направляющий слой сердцевины, второй оптический слой оболочки и контактный слой выращивают молекулярно-пучковой эпитаксией (МПЭ) или химическим осаждением из паровой фазы металлоорганических соединений (ХОПФМОС).

14. Способ по п.4, в котором перед перемешиванием упомянутый слой удаляют с тела устройства.

15. Способ по п.1, в котором вызывают перемешивание примесного материала с упомянутой по меньшей мере одной квантовой ямой (КЯ) путем нагревания тела устройства до повышенной температуры в течение заданного времени.

16. Способ по п.15, в котором повышенная температура находится в диапазоне от 700 до 950°С, а заданное время находится в диапазоне от 30 до 300 с.

17. Способ по п.15, в котором этап нагревания тела устройства до повышенной температуры включает в себя отжиг тела устройства, который вызывает диффузию примесного материала в упомянутую по меньшей мере одну квантовую яму и обратную диффузию ионов или атомов из упомянутой по меньшей мере одной квантовой ямы.

18. Способ по любому из пп.1-17, который включает в себя этап, на котором вызывают диффузию упомянутого примесного материала в тело устройства, а также обратную диффузию материала тела устройства во второй материал.

19. Способ по п.18, в котором второй материал является диэлектрическим материалом.

20. Способ по любому из пп.1-19, который включает в себя этапы, на которых формируют на поверхности тела устройства рисунок из множества областей примесного материала, причем по меньшей мере две из этих областей примесного материала отделены от упомянутой поверхности разными расстояниями; вызывают перемешивание примесного материала упомянутого множества областей с упомянутой по меньшей мере одной квантовой ямой так, чтобы настроить ширину запрещенной энергетической зоны по меньшей мере одной перемешанной квантовой ямы в по меньшей мере двух областях на разные значения.

21. Оптическое устройство, изготовленное способом по любому из пп.1-20.

22. Оптическое устройство по п.21, которое является интегральным оптическим устройством или оптоэлектронным устройством.

23. Оптическое устройство по п.21, в котором тело устройства изготовлено в системе полупроводниковых материалов III-V групп.

24. Оптическое устройство по п.23, в котором система полупроводниковых материалов III-V групп является системой на основе арсенида галлия (GaAs) и действует на длине(ах) волн(ы), по существу, в пределах от 600 до 1300 нм.

25. Оптическое устройство по п.23, в котором система полупроводниковых материалов III-V групп является системой на основе фосфида индия и действует на длине(ах) волн(ы) по существу в пределах от 1200 до 1700 нм.

26. Оптическое устройство по п.23, в котором тело устройства выполнено, по меньшей мере, частично из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs), арсенида индия-галлия (InGaAs), фосфида-арсенида индия-галлия (InGaAsP), арсенида индия-галлия-алюминия (InGaAlAs) и/или фосфида индия-галлия-алюминия (InGaAlP).

27. Оптическое устройство по любому из пп.21-26, в котором тело устройства содержит подложку, на которой выполнены первый оптический слой оболочки, направляющий слой сердцевины и второй оптический слой оболочки, а также, необязательно, контактный слой.

28. Оптическое устройство по п.27, в котором по меньшей мере одна квантовая яма (КЯ) выполнена в направляющем слое сердцевины.

29. Оптическое устройство по п.28, в котором, вместо или дополнительно, по меньшей мере одна квантовая яма (КЯ) выполнена в одном или обоих слоях оболочки.

30. Оптическая интегральная схема, содержащая по меньшей мере одно оптическое устройство по любому из пп.21-29.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 31.07.2009

Извещение опубликовано: 20.07.2010 БИ: 20/2010