專(zhuān)利名稱(chēng)：制備光學(xué)器件的方法及相關(guān)改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備光學(xué)器件的方法，具體而言，本發(fā)明不排它性地涉及制備集成光學(xué)器件或光電子器件，例如半導(dǎo)體光電子器件如激光二極管、光學(xué)調(diào)制器、光學(xué)放大器、光交換機(jī)、光學(xué)檢測(cè)器等。本發(fā)明還涉及包括這種器件的光電子集成電路(OEICs)和光子集成電路(PICs)。
本發(fā)明不排它性地特別涉及一種使用新型并且改進(jìn)了的雜質(zhì)誘導(dǎo)的量子勢(shì)阱(Quantum Well)混合(QWI)工藝制備光學(xué)器件的方法。
背景技術(shù)：
在光通信系統(tǒng)中，向單外延層上不同光學(xué)元件的單片式集成是非常令人滿(mǎn)意的。對(duì)單片式集成的一項(xiàng)基本要求是實(shí)現(xiàn)在一個(gè)外延層之內(nèi)的不同半導(dǎo)體帶隙(band-gaps)。例如，一個(gè)結(jié)合了半導(dǎo)體光學(xué)放大器、被動(dòng)式波導(dǎo)管分路器和電吸附(EA)調(diào)制器的2×2交叉交換機(jī)要求3個(gè)帶隙。交換機(jī)以及由此放大器的工作波長(zhǎng)，典型是1.55μm，但為了將沿波導(dǎo)管傳播的光的吸收減到最少，被動(dòng)式波導(dǎo)管需要更寬的帶隙。而且，EA調(diào)制器的最佳吸收帶隙比放大器的最佳吸收帶隙約短20-50nm，以實(shí)現(xiàn)低的介入損耗和高的消光比。多帶隙能量結(jié)構(gòu)也例如在WDM系統(tǒng)和光檢測(cè)器中的多波長(zhǎng)源的器件中找到了應(yīng)用。
當(dāng)前，有很多技術(shù)處于用于此目的研究中。雖然那些基于選擇性再生技術(shù)看來(lái)有希望，但是在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中需要昂貴的器件如有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，而且平面圖案的帶隙是不可能的。其它的途徑是基于量子勢(shì)阱混合(QWI)。
量子勢(shì)阱混合(QWI)是已報(bào)道的為單片式光電子集成提供一種可能路徑的工藝。QWI可以在III-V半導(dǎo)體材料，如砷化鋁鎵(AlGaAs)和磷砷化銦鎵(InGaAsP)中進(jìn)行，該材料可以在二元基材，如砷化鎵(GaAs)或磷化銦(InP)上生長(zhǎng)。QWI通過(guò)量子勢(shì)阱(QW)元素的相互擴(kuò)散及相關(guān)的阻擋改變生長(zhǎng)狀態(tài)(as-grown)結(jié)構(gòu)的帶隙，以制備組成成分的合金。該合金具有比該生長(zhǎng)狀態(tài)的QW更大的帶隙。在沒(méi)有發(fā)生QWI的QW之內(nèi)所產(chǎn)生的任何光學(xué)輻射(光)可以因此而穿過(guò)合金的QWI或者“已混合”的區(qū)域，該區(qū)域?qū)τ谒龅墓鈱W(xué)輻射實(shí)際上是透明的。
文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道了各種QWI技術(shù)。例如，可以通過(guò)元素如鋅的高溫?cái)U(kuò)散進(jìn)入包括QW的半導(dǎo)體材料來(lái)進(jìn)行QWI。
也可以通過(guò)元素如硅的注入到QW半導(dǎo)體材料中來(lái)進(jìn)行QWI。在這種技術(shù)中，該注入元素在半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)中引入了點(diǎn)缺陷，該點(diǎn)缺陷由高溫退火步驟移動(dòng)通過(guò)在QW結(jié)構(gòu)中誘導(dǎo)混合的半導(dǎo)體材料。
這種QWI技術(shù)已報(bào)道于″applications of Neutral ImpurityDisordering in Fabricating Low-Loss Optical Waveguides andIntegrated Waveguide Devices″，Marsh等，Optical and QuantumElectronics，23，1991，s941-s957器件，在此引入其內(nèi)容作為參考。
這種技術(shù)存在一個(gè)問(wèn)題，即雖然該QWI會(huì)改變(增加)該半導(dǎo)體材料的帶隙的后生長(zhǎng)，但是由于這些摻雜元素的自由載流子的吸收系數(shù)，殘余的擴(kuò)散或注入摻雜劑可以引起大的損失。
進(jìn)一步報(bào)道的提供混合的QWI技術(shù)是無(wú)雜質(zhì)空穴擴(kuò)散(IFVD)。當(dāng)進(jìn)行IFVD時(shí)，該III-V半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂蓋層典型是GaAs或者砷化銦鎵(InGaAs)。在頂層上面是沉積的二氧化硅(SiO2)薄膜。隨后，半導(dǎo)體材料的快速加溫退火引起在半導(dǎo)體合金內(nèi)的鍵斷裂，并引起對(duì)二氧化硅(SiO2)敏感的鎵離子或原子溶解進(jìn)二氧化硅中，以至在蓋層中留下空穴。然后，這些空穴擴(kuò)散穿過(guò)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)層例如在QW結(jié)構(gòu)中混合。
IFVD報(bào)道于Helmy等的“Quantitative Model for the Kinetics ofComposition Intermixing in GaAs-AlGaAs Quantum″ConfinedHeterostructures”，IEEE Journal of Selected Topics in QuantumElectronics，Vol.4，No.4，1998年7月/8月，第653-660頁(yè)中，在此引入其內(nèi)容作為參考。
已報(bào)道的QWI，特別是IFVD方法，存在許多缺點(diǎn)，例如溫度，在該溫度鎵從半導(dǎo)體材料向外擴(kuò)散到二氧化硅(SiO2)薄膜。
本發(fā)明至少一個(gè)方面的目的在于消除或者至少減輕現(xiàn)有技術(shù)中上述缺點(diǎn)/問(wèn)題中的至少一個(gè)。
此外，本發(fā)明至少一個(gè)方面在于提供一種使用改進(jìn)的QWI工藝制備光學(xué)器件的改進(jìn)方法。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供了一種制備光學(xué)器件的方法，所述的器件由包括至少一個(gè)量子勢(shì)阱(QW)的器件主體部分制備，該方法包括如下步驟促使雜質(zhì)材料與至少一個(gè)量子勢(shì)阱混合，其中該雜質(zhì)材料至少包括銅(Cu)。
該雜質(zhì)材料可以基本上包含銅或其合金。
驚奇地發(fā)現(xiàn)銅比以前所使用的雜質(zhì)如鋅(Zn)擴(kuò)散快大約106倍。
優(yōu)選該方法包括在器件主體部分上面或者附近沉積包括雜質(zhì)材料的層的在先步驟。
在第一個(gè)實(shí)施方案中，雜質(zhì)材料可以與載體材料結(jié)合。該載體材料可以是介電材料如二氧化硅(SiO2)或氧化鋁(Al2O3)。在此情形下，該層可以通過(guò)例如濺射而直接沉積到器件主體部分的表面上。
在此第一實(shí)施方案中，可以通過(guò)使用二極管或磁電管濺射反應(yīng)器來(lái)沉積該層。
在第二實(shí)施方案中，該層可以包含可以在間隔層上沉積的器件主體部分表面附近的雜質(zhì)材料層。該間隔層可以包含介電材料如二氧化硅(SiO2)或氧化鋁(Al2O3)。
另一層如另一介電層可以沉積到該層上。
在此第二實(shí)施方案中，可以通過(guò)使用濺射來(lái)沉積該層，可以通過(guò)使用濺射或其它技術(shù)，如PECVD來(lái)沉積間隔層/另一層。
優(yōu)選該制備方法也包括以下更進(jìn)一步的在先步驟提供基材；在基材上生長(zhǎng)第一光學(xué)覆蓋層；
包括至少一個(gè)量子勢(shì)阱(QW)的中心引導(dǎo)層；第二光學(xué)覆蓋層；和任選的接觸層。
可以通過(guò)分子束外延(MBE)或有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)來(lái)生長(zhǎng)第一光學(xué)覆蓋層、中心引導(dǎo)層、第二光學(xué)覆蓋層和接觸層。
在對(duì)第一實(shí)施方案的改進(jìn)中，可以在混合之前將該層從器件主體部分除去。
優(yōu)選通過(guò)提高器件主體部分到某一高溫一段預(yù)定長(zhǎng)的時(shí)間，促使雜質(zhì)材料與所述的至少量子勢(shì)阱(QW)混合。
該高溫可以是700℃至950℃，而預(yù)定長(zhǎng)的時(shí)間可以是30秒至300秒。
提高器件主體部分到某一高溫的步驟可以包含該器件主體部分的退火，該退火引起雜質(zhì)材料進(jìn)入至少一個(gè)量子勢(shì)阱的擴(kuò)散，和離子或原子從量子勢(shì)阱到載體材料或間隔層的向外擴(kuò)散。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供了一種制備光學(xué)器件的方法，所述的器件由包括至少一個(gè)量子勢(shì)阱(QW)的器件主體部分制備，該方法包括如下步驟促使第一種材料擴(kuò)散進(jìn)入器件主體部分，也促使器件主體部分的材料(如離子或原子)擴(kuò)散出去并進(jìn)入第二種材料。
因此，這方面有利地結(jié)合了被誘導(dǎo)的雜質(zhì)和無(wú)雜質(zhì)混合。
在一個(gè)實(shí)施方案中，第一種材料可以是包括銅(Cu)的雜質(zhì)材料，而第二種材料可以是如二氧化硅(SiO2)或氧化鋁(Al2O3)的介電材料。
根據(jù)本發(fā)明第三方面，提供了一種制備光學(xué)器件的方法，所述的器件由包括至少一個(gè)量子勢(shì)阱(QW)的器件主體部分制備，該方法包括如下步驟用雜質(zhì)材料的多個(gè)區(qū)域形成器件主體部分表面的圖案，由被不同的量隔開(kāi)來(lái)自表面的雜質(zhì)材料的至少兩個(gè)區(qū)域；促使雜質(zhì)材料的多個(gè)區(qū)域與所述的至少一個(gè)量子勢(shì)阱混合，以便調(diào)整至少兩個(gè)區(qū)域中混合的至少一個(gè)量子勢(shì)阱的帶隙到不同的值。
優(yōu)選雜質(zhì)材料至少包括銅(Cu)。
根據(jù)本發(fā)明第四方面，提供了根據(jù)本發(fā)明第一、第二或第三方面任何一方面的方法而制備的光學(xué)器件。
該光學(xué)器件可以是集成式光學(xué)器件或光電子器件。
可以在III-V半導(dǎo)體材料系統(tǒng)中制作該器件主體部分。
該III-V半導(dǎo)體材料系統(tǒng)可以是基于砷化鎵(GaAs)的系統(tǒng)，并且可以基本上在600至1300nm的波長(zhǎng)下操作。備選地，該III-V半導(dǎo)體材料系統(tǒng)可以是基于磷化銦的系統(tǒng)，同時(shí)可以基本上在1200至1700nm的波長(zhǎng)下操作。器件主體部分可以至少部分地由砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化銦鎵(InGaAs)、磷砷化銦鎵(InGaAsP)、砷鋁化銦鎵(InGaAlAs)和/或磷鋁化銦鎵(InGaAlP)所制成。
器件主體部分可以包含基材，在所述的基材上面提供第一光學(xué)覆蓋層、中心引導(dǎo)層和第二光學(xué)覆蓋層及任選的接觸層。
在該中心引導(dǎo)層內(nèi)可以提供了至少一個(gè)量子勢(shì)阱(QW)。
備選地或附加地，可以在一個(gè)或兩個(gè)覆蓋層中提供至少一個(gè)量子勢(shì)阱(QW)。讀者將會(huì)意識(shí)到在后一種情形下人們可能會(huì)對(duì)調(diào)整覆蓋層的折射率而不是其帶隙更感興趣。
生長(zhǎng)狀態(tài)的中心引導(dǎo)層可以具有比第一和第二光學(xué)層更小的帶隙和更高的折射率。
根據(jù)本發(fā)明第五方面，提供了一種包括根據(jù)本發(fā)明第四方面任何一方面的至少一種光學(xué)器件的光學(xué)集成電路、光電子集成電路(OEIC)，或者器件光子集成電路(PIC)。
根據(jù)本發(fā)明第六方面，提供了一種用于在根據(jù)本發(fā)明第一或第二方面的方法的器件主體部分(“樣品”)。
根據(jù)本發(fā)明第七方面，提供了一種晶片材料，其包括用于根據(jù)本發(fā)明第一、第二或者第三方面任何一方面的方法的至少一個(gè)器件主體部分。
附圖簡(jiǎn)述現(xiàn)在，將只用舉例的方式且參考附圖來(lái)描述本發(fā)明實(shí)施方案，這些附圖是

圖1(a)至(f)為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的制備光學(xué)器件的方法所包含的一系列加工步驟側(cè)視截面示意圖2為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的制備光學(xué)器件的方法所包含的加工步驟側(cè)視截面示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方案的制備光學(xué)器件的方法所包含的加工步驟側(cè)視截面示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方案的制備光學(xué)器件的方法所包含的加工步驟側(cè)視截面示意圖；圖5為對(duì)于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的第一種樣品的帶隙遷移對(duì)退火溫度圖；圖6為對(duì)于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的第二種樣品的帶隙遷移對(duì)退火溫度圖；圖7為對(duì)于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的第三種和第四種樣品的帶隙遷移對(duì)退火溫度圖；圖8為對(duì)于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的第五種樣品的帶隙遷移對(duì)退火溫度圖；圖9為對(duì)于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的第六種樣品的帶隙遷移對(duì)退火溫度圖；圖10為對(duì)于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的第七種樣品的帶隙遷移對(duì)退火溫度圖；圖11(a)和(b)為對(duì)于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的樣品其離子數(shù)目對(duì)深度圖；圖12為對(duì)于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的樣品其離子/原子數(shù)目對(duì)深度圖；圖13為對(duì)于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的樣品的離子/原子數(shù)目對(duì)深度圖；圖14為對(duì)于根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施方案的樣品的帶隙遷移對(duì)退火溫度圖；圖15為對(duì)于根據(jù)本發(fā)明第九實(shí)施方案的第八種樣品的帶隙遷移對(duì)退火溫度圖；和圖16為對(duì)于根據(jù)本發(fā)明第十實(shí)施方案的第九種樣品的帶隙遷移對(duì)退火溫度圖。
附圖詳述首先參考圖1(a)至(f)，其舉例說(shuō)明了一種根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案制備光學(xué)器件的方法。制備該器件的器件主體部分通常指定為5a，器件包括至少一個(gè)量子勢(shì)阱(QW)結(jié)構(gòu)10a。該方法包括步驟如下促使雜質(zhì)材料與至少一個(gè)量子勢(shì)阱10a混合，其中該雜質(zhì)材料包括銅(Cu)，參見(jiàn)圖1(e)。在此實(shí)施方案中，該雜質(zhì)材料基本上包含銅或其合金。驚奇地發(fā)現(xiàn)銅比以前所使用的雜質(zhì)如鋅(Zn)擴(kuò)散快大約106倍。
從圖1(d)可以看出，該方法包括在器件主體部分5a的上面或附近沉積包括雜質(zhì)材料的層15a的在先步驟。
在此實(shí)施方案中，在載體材料中引入雜質(zhì)材料。此實(shí)施方案中的載體材料是介電材料如二氧化硅(SiO2)或氧化鋁(Al2O3)。在此情形下，將層15a直接沉積到器件主體部分5a的表面上。層15a是通過(guò)使用二極管或磁電管濺射反應(yīng)器(未顯示)而有利地沉積的。
本方法是由提供基材20步驟開(kāi)始的，在基材20a上面生長(zhǎng)第一光學(xué)覆蓋層25a、包括至少一個(gè)量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu)10a的中心引導(dǎo)層30a、第二光學(xué)覆蓋層35a和任選的接觸層40a?；?0a是典型地?fù)诫s的n+而第一光學(xué)覆蓋層25a是摻雜的n-型，中心引導(dǎo)層30a基本上是固有的，第二光學(xué)覆蓋層35a是摻雜的p-型和接觸層40a是p+。
將會(huì)意識(shí)到可以通過(guò)任何適宜的生長(zhǎng)技術(shù)，如分子束外延(MBE)或有機(jī)金屬氣相沉積(MOCVD)，來(lái)生長(zhǎng)第一光學(xué)覆蓋層25a、中心引導(dǎo)層30a、第二光學(xué)覆蓋層35a和接觸層40a。
參考圖1(e)，通過(guò)提高器件主體部分5a到某一高溫一段預(yù)定長(zhǎng)的時(shí)間，促使雜質(zhì)材料15a與所述至少一個(gè)量子勢(shì)阱10a混合。典型地，所述的高溫是700℃-950℃，而預(yù)定長(zhǎng)的時(shí)間是30秒到300秒。在此實(shí)施方案中，器件主體部分5a到某一高溫的升溫包含了器件主體部分5a的退火，所述的退火引起銅擴(kuò)散進(jìn)入所述的至少一個(gè)量子勢(shì)阱10a中，和離子或原子例如鎵進(jìn)一步從所述至少一個(gè)量子勢(shì)阱10a向外擴(kuò)散到載體材料15a中。因此，該實(shí)施方案結(jié)合了所述至少一個(gè)量子勢(shì)阱10a被誘導(dǎo)的雜質(zhì)和無(wú)雜質(zhì)混合。
總之，此第一實(shí)施方案的方法包含下列步驟(a)提供器件主體部分5a(參見(jiàn)圖1(a))；
(b)通過(guò)PECVD將二氧化硅層沉積到器件主體部分上，并且向該P(yáng)ECVD二氧化硅層上旋涂光刻膠層(參見(jiàn)圖1(b))；(c)用光刻技術(shù)如HF蝕刻或者C2F6干式蝕刻在光刻膠層和PECVD二氧化硅層上形成圖案(參見(jiàn)圖1(c))；(d)在已形成圖案的器件主體部分5a上沉積包括雜質(zhì)材料的層15a(參見(jiàn)圖1(d))；(e)器件主體部分5a的快速加溫退火到預(yù)定的溫度一段預(yù)定長(zhǎng)的時(shí)間，以使在預(yù)定形成圖案的區(qū)域所述至少一個(gè)量子勢(shì)阱10a部分混合(參見(jiàn)圖1(e))；和(f)從器件主體部分5a除去各種層，并合宜地在器件主體部分5a上形成金屬化(metalisations)以在其中形成電接觸(參見(jiàn)圖1(f))。
現(xiàn)在參考圖2，其用圖說(shuō)明了一種根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案制備光學(xué)器件的方法。此第二實(shí)施方案與上文中所公開(kāi)的第一實(shí)施方案的不同在于在圖1(d)的步驟中，不是沉積包括混合材料的材料單層15a，而是在間隔層16b上的器件主體部分5b的表面附近沉積包含雜質(zhì)材料層的層15b。該間隔層16b合宜地包含介電材料如二氧化硅(SiO2)或氧化鋁(Al2O3)。另一層17b例如另一介電層沉積到層15a上。在此第二實(shí)施方案中，層15b是通過(guò)使用濺射而有利地沉積的，并且間隔層16b和/或另一層17b是通過(guò)使用濺射或PECVD而有利地沉積的。
現(xiàn)在參考圖3，其用圖說(shuō)明了一種根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方案制備光學(xué)器件的方法。根據(jù)第三實(shí)施方案的方法，除了在圖1(d)的步驟之后從器件主體部分5c中除去包括層15c在內(nèi)的各種層和在器件主體層5c的表面上沉積PECVD二氧化硅層，類(lèi)似于根據(jù)第一實(shí)施方案的方法。其后，如圖1(e)器件，使器件主體部分5c快速高溫退火。驚奇地發(fā)現(xiàn)，即使在快速高溫退火之前已經(jīng)除去了層15c，在圖3的實(shí)施方案中所述的混合材料(例如銅)與所述至少一個(gè)量子勢(shì)阱10c的混合還是發(fā)生了。
現(xiàn)在參考圖4，其用圖說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方案制備光學(xué)器件的方法所涉及的加工步驟截面?zhèn)纫晥D。從圖4中可以看出，在此實(shí)施方案中器件主體部分5d重復(fù)地形成圖案，以便提供多個(gè)PECVD二氧化硅層，以提供階梯狀二氧化硅圖案。圖4所示為包括器件主體部分5d表面暴露區(qū)域而沒(méi)有PECVD二氧化硅層的圖案。在PECVD二氧化硅層(layered)的頂部通過(guò)濺射沉積包括雜質(zhì)材料的層15d的圖案。在此實(shí)施方案中，層15d包含了含有雜質(zhì)材料如銅的載體材料例如二氧化硅。然后，如圖1(e)所示將如此形成圖案的器件主體部分5d快速高溫退火，以便在器件主體5d內(nèi)提供多個(gè)混合的量子勢(shì)阱區(qū)域45d，、50d、55d、60d和65d，因?yàn)橛摄~雜質(zhì)所誘導(dǎo)的混合在每個(gè)量子勢(shì)阱混合區(qū)域是不同的，因?yàn)?5d至65d的每個(gè)量子勢(shì)阱混合區(qū)域被從層15d通過(guò)PECVD二氧化硅階梯狀層由不同的量所隔開(kāi)，所以每個(gè)已混合的量子勢(shì)阱區(qū)域被調(diào)整為不同的帶隙。
總之，本發(fā)明的雜質(zhì)誘導(dǎo)的量子勢(shì)阱混合方法或工藝可以使用摻雜有銅的二氧化硅薄膜，來(lái)向半導(dǎo)體中引入控制量的雜質(zhì)。發(fā)現(xiàn)銅對(duì)于雜質(zhì)誘導(dǎo)無(wú)序化是特別有效的雜質(zhì)。這是因?yàn)殂~位于在空隙和替代兩個(gè)位置，并通過(guò)”踢-出”機(jī)理在它們之間跳遷。它具有極高的擴(kuò)散系數(shù)，這意味著混合快速地發(fā)生，而且此外，銅快速地?cái)U(kuò)散，在已混合的層中留下低的殘余濃度。另外，通過(guò)在SiO2覆蓋層中結(jié)合銅，在高溫退火期間誘導(dǎo)了III族元素向外擴(kuò)散進(jìn)入該覆蓋層中的效果，由此產(chǎn)生了額外的III族空穴，其進(jìn)一步提高了混合的速度。該技術(shù)已被證明是在寬范圍的III-V材料系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)大差別(differential)帶隙遷移的有效手段，并且可以利用該技術(shù)在許多單片式集成器件中，包括無(wú)吸收反射的高能激光、擴(kuò)展式空腔激光和交叉交換機(jī)中提供低被動(dòng)部件損失(passive section losses)。
只要求非常少量的銅(大約1單層)來(lái)誘導(dǎo)量子勢(shì)阱混合。直接向半導(dǎo)體表面蒸發(fā)一層銅可能是不合要求的，因?yàn)殂~的局部濃度將非常高，并且可以發(fā)生由此高濃度而引起的非線(xiàn)性擴(kuò)散，例如尖峰和群聚。此外，在退火期間必須通過(guò)介電覆蓋層來(lái)保護(hù)半導(dǎo)體表面，SiO2罐封的使用對(duì)于通過(guò)原子的向外擴(kuò)散來(lái)促進(jìn)III族空穴的產(chǎn)生提供了額外的好處。
在本發(fā)明方法中，可以通過(guò)從摻雜銅的二氧化硅層向半導(dǎo)體中的擴(kuò)散來(lái)引入銅。該層是使用二極管或者磁電管濺射系統(tǒng)而沉積的，并且該層可以通過(guò)同時(shí)濺射銅和SiO2(第一實(shí)施方案)，或者可以從半導(dǎo)體表面通過(guò)由薄的SiO2薄膜背后隔開(kāi)的單個(gè)純凈的層引入銅(第二實(shí)施方案)來(lái)均勻地?fù)诫s?？磥?lái)后一種途徑對(duì)于在半導(dǎo)體中引入的銅的水平提供了更大控制。典型地，沉積未摻雜的二氧化硅薄層(20-2000nm)，接著沉積大約1-3單層的銅。然后，通過(guò)進(jìn)一步沉積未摻雜的二氧化硅來(lái)完成該結(jié)構(gòu)。然后，根據(jù)所述的材料，在700℃至950℃對(duì)該樣品退火30至300秒。在退火階段中，銅從二氧化硅層擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體。銅在半導(dǎo)體中具有極高的擴(kuò)散系數(shù)，這意味著混合快速地發(fā)生。此外，銅快速地?cái)U(kuò)散進(jìn)入器件主體，在已混合層中留下的低殘余濃度。
現(xiàn)在將給出按照屬于以上所描述的第一至第三實(shí)施方案的方法而制作的試驗(yàn)樣品的多個(gè)實(shí)施例。
所有研究樣品是完全p-i-n多層激光結(jié)構(gòu)，其是通過(guò)分子束外延(MBE)或者有機(jī)金屬氣相外延(MOCVD)之一在GaAs或InP基材上生長(zhǎng)的。典型地，其外層包含含有一個(gè)或多個(gè)的量子勢(shì)阱(QWs)的活躍區(qū)域，所述的量子勢(shì)阱通常3-10nm厚，在更高帶隙的250-1000nm厚的波導(dǎo)管中心內(nèi)被p-摻雜和n-摻雜的覆蓋層所環(huán)繞。該結(jié)構(gòu)被典型100-300nm厚的高度p-摻雜(1×1019cm-3)的接觸層完全覆蓋在頂上。
實(shí)施例1下列結(jié)果是用初始樣品而得到的。通過(guò)同時(shí)濺射銅和SiO2兩者將銅結(jié)合在典型200nm厚的SiO2基體中。這是通過(guò)降低標(biāo)靶周?chē)拥胤雷o(hù)的高度，腐蝕部分目標(biāo)銅襯板而達(dá)到的。由該工藝所誘導(dǎo)的量子勢(shì)阱混合的程度，是通過(guò)測(cè)量退火后光致發(fā)光(PL)能量的變化而確定的。在任何情形下它都與涂有PECVD SiO2的對(duì)照樣品相對(duì)比，所有的退火都進(jìn)行60秒，除非另外指出。
圖5顯示了對(duì)于覆蓋有PECVD SiO2和濺射的Cu∶SiO2的樣品，于1550nm發(fā)射時(shí)在MOVPE生長(zhǎng)的InGaAs-InGaAsP中得到的初步結(jié)果。當(dāng)雖然覆蓋有PECVD SiO2的樣品在650℃的溫度顯示了初步的帶隙遷移，但是在Cu∶SiO2覆蓋的材料中，于溫度大致低100℃時(shí)得到了顯著的帶隙遷移，這使得在退火溫度650℃-675℃時(shí)可以得到80meV的差別帶隙遷移。
實(shí)施例2如圖6所示，對(duì)于由MBE生長(zhǎng)的材料，于1550nm發(fā)射時(shí)在InGaAs-InAlGaAs材料系統(tǒng)中得到了相似的實(shí)施方案。該材料比InGaAsP具有更高的熱穩(wěn)定性，這被在PECVD SiO2下得到的忽略不計(jì)的遷移所證實(shí)。但是，使用Cu∶SiO2時(shí)，于600℃初步得到遷移，而且對(duì)于700℃的退火溫度遷移增加到超過(guò)100emV。
實(shí)施例3和4如圖7所示，在GaAs-AlGaAs(850-860nm)和在GaInP-AlGaInP(670nm)MQW結(jié)構(gòu)中，使用濺射的Cu∶SiO2薄膜也得到了相似數(shù)量級(jí)的帶隙遷移。這里PECVD SiO2覆蓋的樣品在使用溫度范圍之內(nèi)再一次產(chǎn)生了可以忽略不計(jì)的帶隙遷移，為清晰起見(jiàn)從圖7將其省略。在相同的溫度范圍之內(nèi)，當(dāng)覆蓋有PECVD SiO2時(shí)，對(duì)于兩種材料得到了可以忽略不計(jì)的遷移。
實(shí)施例5和6研究表明，在高溫退火之前除掉濺射的Cu∶SiO2覆蓋層并用PECVD SiO2代替之后，也可以得到大的帶隙遷移。圖8所示為在InGaAs-InAlGaAs觀(guān)察到的典型效果。通過(guò)次級(jí)離子質(zhì)譜(SIMS)對(duì)濺射系統(tǒng)的測(cè)量和試驗(yàn)的研究表明，提高的主要機(jī)理是在濺射的初期階段，在半導(dǎo)體表面內(nèi)結(jié)合了顯著水平的Cu。這在圖9中說(shuō)明了，其顯示在InAlGaAs材料中，與涂布有PECVD SiO2和未摻雜的SiO2的PECVD SiO2的樣品相比，涂布有濺射的SiO2和Cu∶SiO2的樣品所得到的帶隙遷移。這顯示對(duì)于PECVD SiO2和未摻雜的SiO2的非常相似行為而使用濺射的Cu∶SiO2得到了大差別的遷移(＞100nm)。
實(shí)施例7發(fā)現(xiàn)通過(guò)在濺射過(guò)程中用PECVD SiO2層來(lái)保護(hù)樣品的表面，可以抑制混合，對(duì)于更厚的保護(hù)性涂層抑制的程度更大。對(duì)于InGaAs-InGaAsP圖10顯示了這點(diǎn)。這個(gè)觀(guān)察建議在高溫退火中Cu通過(guò)這些SiO2薄層擴(kuò)散，在樣品上面的層內(nèi)引起顯著的集中。這種沉積技術(shù)可以提供對(duì)Cu濃度更大程度的控制，并證明其通過(guò)對(duì)樣品形成適宜的圖案，適宜于由一次濺射和退火階段得到一系列不同的帶隙?？磥?lái)這條路徑也提供了對(duì)處理材料的質(zhì)量的改善，大概是由于在半導(dǎo)體的活躍區(qū)域內(nèi)Cu濃度的降低。如圖10所示，使用相對(duì)厚的光刻膠層，可以抑制完全混合，其中對(duì)于由光刻膠保護(hù)的材料所顯示的遷移與那些用PECVD SiO2覆蓋的材料所得到的相同。這種抑制的改進(jìn)可以歸因于擴(kuò)散阻擋層厚度的增加和在光刻膠層內(nèi)銅擴(kuò)散速度的降低兩者。
還將次級(jí)離子質(zhì)譜(SIMS)和盧瑟福(Rutherford)反向散射(RBS)測(cè)量用來(lái)確定SiO2薄膜的原子組成，并且用來(lái)測(cè)量在薄膜內(nèi)任何III族向外擴(kuò)散的程度。對(duì)于InGaAsP和InAlGaAs兩種材料，它們顯示出在PECVD SiO2覆蓋層中未觀(guān)察到向外擴(kuò)散的溫度下，In和Ga都從半導(dǎo)體表面向外擴(kuò)散進(jìn)入濺射的SiO2∶Cu覆蓋層的清晰信號(hào)。這清晰地說(shuō)明了對(duì)于InGaAsP歸功于由于銅擴(kuò)散誘導(dǎo)的點(diǎn)缺陷密度的增加，使摻雜了Cu的材料向外擴(kuò)散的活化溫度降低。
圖11用圖說(shuō)明了覆蓋有PECVD SiO2和濺射的SiO2∶Cu兩者的InGaAsPMQW材料在680℃退火后的SIMS外形。對(duì)于濺射覆蓋的材料，可以清晰觀(guān)察到In和Ga的向外擴(kuò)散，但是在PECVD SiO2覆蓋層中向外擴(kuò)散不明顯。
隨后的測(cè)量結(jié)果顯示，如圖12所示，具有1×1021cm-3濃度的銅貫穿分布于SiO2薄膜，半導(dǎo)體表面觀(guān)察到相似的密度，在300pm的深度其迅速地降低到1×1018cm-3的濃度。
圖12用圖說(shuō)明了未退火的InAlGaAs MQW樣品在除去濺射的Cu∶SiO2涂層后其SIMS外形。在大約300nm的深度Cu的濃度迅速地降低到5×1017cm-3的噪聲極限(noise limit)。
如圖13中所示，看來(lái)退火后在1nm的深度之內(nèi)發(fā)生了顯著的Cu擴(kuò)散，所以得到了貫穿覆蓋層和進(jìn)入波導(dǎo)管區(qū)的1×1018cm-3的濃度。
圖13用圖說(shuō)明了在InAlGaAs樣品中，于700℃退火和Cu∶SiO2覆蓋層被剝離后的SIMS外形。
在某些實(shí)施例中，Cu∶SiO2濺射是在第一單標(biāo)靶二極管濺射系統(tǒng)中進(jìn)行的，該系統(tǒng)使用Ar∶O2(9∶1)的工藝氣體和2×10-3毫巴的濺射壓力，用110W的RF電源，相應(yīng)于1kV的自身直流電偏壓。在工藝開(kāi)發(fā)的早期階段研究了銅誘導(dǎo)混合過(guò)程對(duì)濺射條件的相關(guān)性。一些初步的結(jié)果表明遷移與薄膜厚度近似線(xiàn)性相關(guān)，但是許多相矛盾的早期報(bào)告和后期研究顯示其與濺射層厚度幾乎沒(méi)有相關(guān)性。這似乎與濺射層的厚度是一致的?？雌饋?lái)，這與除去濺射的覆蓋層后所觀(guān)察到的混合一致，其意味薄膜生長(zhǎng)的早期階段主導(dǎo)地控制著該結(jié)果，在此階段銅被直接引入半導(dǎo)體中。對(duì)于110W以下的功率，似乎與RF濺射功率沒(méi)有相關(guān)性(由于對(duì)于SiO2標(biāo)靶毀壞的可能性，不可能去研究更高的功率)，與SiO2相比較，得出顯著大的銅的濺射收率這并不太令人吃驚，但是觀(guān)察到了QWI速度對(duì)濺射壓力強(qiáng)烈的相關(guān)性。但是，由于高壓護(hù)套厚度隨壓力的降低而增加，其防止了在接地護(hù)套和產(chǎn)物的背板腐蝕區(qū)域的濺射，所以當(dāng)然，它可以是同時(shí)的Cu∶SiO2沉積過(guò)程的人為產(chǎn)物。也研究了使用純Ar作為濺射氣體，其對(duì)于混合速度沒(méi)有明顯的效果。
實(shí)施例8在其它實(shí)施例中，使用了第二濺射系統(tǒng)，它涉及通過(guò)操控接地防護(hù)的高度對(duì)SiO2和Cu同時(shí)濺射的使用。使用的濺射條件大致上與上面所述的那些條件相同，這使得與PECVD SiO2相比能夠產(chǎn)生大差別的帶隙遷移。這對(duì)于InAlGaAs示于圖14中，其也比較了由第一濺射系統(tǒng)得到的帶隙。圖14用圖說(shuō)明了對(duì)于InAlGaAs得到的PL遷移，該InAlGaAs覆蓋有PECVDSiO2濺射的SiO2和在第二濺射系統(tǒng)中沉積的Cu∶SiO2及在第一濺射系統(tǒng)中所沉積的濺射的Cu∶SiO2。這表明當(dāng)沒(méi)有結(jié)合銅時(shí)，帶隙遷移與用PECVDSiO2得到那些相同，但是當(dāng)故意引入銅時(shí)，得到了大差別的遷移。該帶隙遷移的程度似乎稍低于在第一濺射系統(tǒng)中所得到的，這可以由稍低的銅結(jié)合水平而得到解釋?zhuān)@可能是由背板暴露到濺射等離子的程度的降低所引起的。
實(shí)施例9現(xiàn)在描述利用多層途徑的第三實(shí)施方案。如較早的描述，這包括了在接近半導(dǎo)體表面的薄膜內(nèi)結(jié)合銅，但被濺射的SiO2薄層從表面返回(backspace)。用前面描述的標(biāo)準(zhǔn)條件來(lái)濺射該SiO2層，而為降低濺射速度并對(duì)所包括的銅的濃度提供更大的控制，在相同的壓力下但25W較低的RF功率下沉積銅層。圖15顯示了使用這種方法在InAlGaAs中的一些典型結(jié)果，特別是通過(guò)在InAlGaAs中SiO2/Cu/SiO2多層沉積技術(shù)而達(dá)到的帶隙遷移，其中第二個(gè)數(shù)字是指銅層的沉積時(shí)間，并且第一和第三個(gè)數(shù)字是指環(huán)繞的SiO2層的厚度。這表明與PECVD SiO2覆蓋的樣品相比，從半導(dǎo)體表面返回200nm的銅薄層(2-3單層)可以達(dá)到大、明顯飽和的帶隙遷移。增加銅膜的厚度似乎不提供明顯增加的差別遷移。但是，對(duì)QWI工藝，使用相同厚度的銅層但加倍返回至400nm提高了活化溫度，所以于775℃的差別遷移約略是200nm返回的一半。本技術(shù)進(jìn)一步的最優(yōu)化應(yīng)該涉及平衡返回的程度與銅膜的厚度，以保證結(jié)合適宜的雜質(zhì)，使得用最小殘余的銅濃度達(dá)到大差別的帶隙遷移。
實(shí)施例10如圖16中所示，于980nm發(fā)射的InGaAs-GaAs QW材料中也成功地實(shí)現(xiàn)了上面的途徑。圖16顯示了覆蓋有PECVD SiO2和具有不同濺射厚度的第一SiO2層厚度的濺射SiO2/Cu/SiO2材料的在980nm的PL遷移。這里，明顯的是，對(duì)于銅直接沉積到樣品表面的層該差別帶隙遷移最大，且隨著SiO2返回層厚度的增加而降低。返回厚度可以增加的程度受材料不良的熱穩(wěn)定性限制，其返過(guò)來(lái)又限制了可達(dá)到的差別帶隙遷移?？梢?xún)H僅通過(guò)延長(zhǎng)退火時(shí)間而使差別遷移增加，退火時(shí)間可以顯著地增加在銅摻雜的膜中的混合，但對(duì)于PECVD SiO2層幾乎沒(méi)有效果。
應(yīng)當(dāng)理解的是只通過(guò)舉例的方式給出了上文中所描述的本發(fā)明實(shí)施方案，并不意味著以任何方式來(lái)限制本發(fā)明的范圍。具體而言，可以對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施方案所做出改進(jìn)，但其仍落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制備光學(xué)器件的方法，所述的器件由包括至少一個(gè)量子勢(shì)阱(QW)的器件主體部分制備，該方法包括如下步驟促使雜質(zhì)材料與所述至少一個(gè)量子勢(shì)阱混合，其中所述雜質(zhì)材料至少包括銅(Cu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的雜質(zhì)材料基本上包含銅或者其合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的方法包括在器件主體部分之上或者附近沉積包括雜質(zhì)材料的層的在先步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的雜質(zhì)材料是與載體材料結(jié)合的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的載體材料是介電材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的層是直接地沉積到器件主體部分的表面上的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的層是通過(guò)使用濺射裝置來(lái)沉積的。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的層包含沉積在間隔層上器件主體部分表面附近的雜質(zhì)材料層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的間隔層包含介電材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的制備光學(xué)器件的方法，其中在所述的層上沉積另一介電層是。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10任何一項(xiàng)所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的層是通過(guò)使用濺射裝置而沉積的，并且所述的間隔層/另一層/是通過(guò)使用濺射裝置而沉積的。
12.根據(jù)權(quán)利要求3至11任何一項(xiàng)所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的制備方法也包括更進(jìn)一步的在先步驟提供基材；在所述的基材上生長(zhǎng)第一光學(xué)覆蓋層；包括至少一個(gè)量子勢(shì)阱(QW)的中心引導(dǎo)層；第二光學(xué)覆蓋層；和任選的接觸層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的第一光學(xué)覆蓋層、中心引導(dǎo)層、第二光學(xué)覆蓋層和接觸層是通過(guò)分子束外延(MBE)或有機(jī)金屬氣相沉積(MOCVD)生長(zhǎng)的。
14.根據(jù)權(quán)利要求4至7任何一項(xiàng)所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的層是在混合前從器件主體部分除去的。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的制備光學(xué)器件的方法，其中通過(guò)提高器件主體部分到某一高溫一段預(yù)定長(zhǎng)的時(shí)間，來(lái)促使所述的雜質(zhì)材料與所述至少量子勢(shì)阱(QW)的混合。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的高溫是700℃至950℃，且預(yù)定長(zhǎng)的時(shí)間是30秒至300秒。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的提高器件主體部分到某一高溫的步驟包含器件主體部分的退火，其引起雜質(zhì)材料擴(kuò)散進(jìn)入所述的至少一個(gè)量子勢(shì)阱，和離子或原子從所述的至少一個(gè)量子勢(shì)阱向外擴(kuò)散到所述的載體材料或間隔層。
18.一種制備光學(xué)器件的方法，所述的器件由包括至少一個(gè)量子勢(shì)阱(QW)的器件主體部分制備，該方法包括如下步驟促使第一種材料擴(kuò)散進(jìn)入器件主體部分和同樣器件主體部分的材料向外擴(kuò)散并進(jìn)入第二種材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的第一種材料是包括銅(Cu)的雜質(zhì)材料，并且所述的第二種材料是介電材料。
20.一種制備光學(xué)器件的方法，所述的器件由包括至少一個(gè)量子勢(shì)阱(QW)的器件主體部分制備，該方法包括如下步驟用雜質(zhì)材料的多個(gè)區(qū)域形成器件主體部分表面的圖案，雜質(zhì)材料的區(qū)域中的至少兩個(gè)被不同的量從表面所隔開(kāi)；促使雜質(zhì)材料的多個(gè)區(qū)域與所述的至少一個(gè)量子勢(shì)阱混合，以便調(diào)整在所述的至少兩個(gè)區(qū)域中的至少一個(gè)量子勢(shì)阱的混合帶隙為不同的值。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的制備光學(xué)器件的方法，其中所述的雜質(zhì)材料至少包括銅(Cu)。
22.一種根據(jù)權(quán)利要求1至21任何一項(xiàng)所述的方法而制備的光學(xué)器件。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光學(xué)器件，其中所述的光學(xué)器件是集成式光學(xué)器件或光電子器件。
24.根據(jù)權(quán)利要求24的光學(xué)器件，其中所述的器件主體部分是在III-V半導(dǎo)體材料系統(tǒng)中制作的。
25.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的光學(xué)器件，其中所述的III-V半導(dǎo)體材料系統(tǒng)是基于砷化鎵(GaAs)的系統(tǒng)，并且基本上在600至1300nm的波長(zhǎng)下操作。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光學(xué)器件，其中所述的III-V半導(dǎo)體材料系統(tǒng)是基于磷化銦的系統(tǒng)，并且基本上在1200至1700nm的波長(zhǎng)下操作。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光學(xué)器件，其中所述器件主體部分是至少部分地由砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化銦鎵(InGaAs)、磷砷化銦鎵(InGaAsP)、砷鋁化銦鎵(InGaAlAs)和/或磷鋁化銦鎵(InGaAlP)所制成的。
28.根據(jù)權(quán)利要求22至27任何一項(xiàng)所述的光學(xué)器件，其中所述的器件主體部分包含基材，在所述的基材上提供第一光學(xué)覆蓋層、中心引導(dǎo)層和第二光學(xué)覆蓋層及任選的接觸層。
29.根據(jù)權(quán)利要求22至28任何一項(xiàng)所述的光學(xué)器件，其中在所述的中心引導(dǎo)層內(nèi)提供至少一個(gè)量子勢(shì)阱(QW)。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的光學(xué)器件，其中在一或兩層覆蓋層內(nèi)替代地或附加地提供至少一個(gè)量子勢(shì)阱(QW)。
31.一種光學(xué)集成電路、光電子集成電路(OEIC)或光子集成電路(PIC)，其包括至少一種根據(jù)權(quán)利要求22至30任何一項(xiàng)所述的光學(xué)器件。
32.一種用于根據(jù)權(quán)利要求1至21任何一項(xiàng)的方法的器件主體部分。
33.一種晶片材料，其包括至少一種用于根據(jù)權(quán)利要求1至21任何一項(xiàng)所述的方法的器件主體部分。
34.一種參考附圖根據(jù)上面所述的制備光學(xué)器件的方法。
35.一種參考附圖根據(jù)上面所述的方法制備的光學(xué)器件。
36.一種光學(xué)集成電路、光電子集成電路或光子集成電路，其包括至少一種參考附圖根據(jù)上面所述的方法而制備的光學(xué)器件。
37.一種參考附圖用于根據(jù)上面所述的方法的器件主體部分。
38.一種晶片材料，其包括至少一種參考附圖用于根據(jù)上面所述的方法的器件主體部分。
全文摘要
公開(kāi)了一種使用雜質(zhì)誘導(dǎo)的量子勢(shì)阱混合(QWI)工藝制備光學(xué)器件的改進(jìn)方法。已報(bào)道的QWI方法，特別是無(wú)雜質(zhì)空穴擴(kuò)散(IFVD)方法，存在許多的缺點(diǎn)，例如在某溫度下砷化鎵(GaAs)從半導(dǎo)體材料向外擴(kuò)散到二氧化硅(SiO
文檔編號(hào)H01L21/18GK1555596SQ02818083
公開(kāi)日2004年12月15日 申請(qǐng)日期2002年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月13日
發(fā)明者約翰·艾格·馬什, 克雷格·詹姆斯·漢密爾頓, 奧列克·彼得·科瓦爾斯基, 斯圖爾特·鄧肯·麥克杜格爾, 劉雪峰, 邱波蒼, 彼得 科瓦爾斯基, 詹姆斯 漢密爾頓, 特 鄧肯 麥克杜格爾, 約翰 艾格 馬什 申請(qǐng)人:格拉斯哥大學(xué)校董事會(huì), 強(qiáng)光子有限公司