專(zhuān)利名稱(chēng)：在量子阱混合器件中接觸電阻的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有量子阱結(jié)構(gòu)的光子器件的制備，以及涉及用于量子阱結(jié)構(gòu)的預(yù)定區(qū)域中的量子阱中可控制地改變帶隙的量子阱混合(QWI)方法。
參考

圖1，在合適的基底2例如一種n型GaAs晶片上形成具有量子阱結(jié)構(gòu)的常規(guī)半導(dǎo)體光子器件1。該量子阱結(jié)構(gòu)還包括第一涂層3、光學(xué)活性層4，其中用載流子注入以產(chǎn)生光子或調(diào)整光子性能，第二涂層5和蓋層6。
一般地，基底2是摻雜到第一濃度的n型，而第一涂層3是摻雜到第二濃度的n型。此外，通常光學(xué)活性層4實(shí)質(zhì)上是固有的，而第二涂層5通常是摻雜到第三濃度的p型。此外，蓋層6是摻雜到第四濃度的p型。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解蓋層6和第二涂層5可蝕刻成脊(沒(méi)有顯示)，該脊起光波導(dǎo)作用以在光學(xué)活性層4內(nèi)限制光學(xué)模。此外，可在器件1的至少部分頂部表面8上形成接觸金屬化(沒(méi)有顯示)以提供電流射入路徑。
在器件1的某些區(qū)域或范圍中，例如，由區(qū)域10指出的，可取的是它可要求進(jìn)行局部移位帶隙，即，局部地增加量子阱結(jié)構(gòu)的帶隙能以在所制備的器件中形成各種可能有用的結(jié)構(gòu)。
在常規(guī)的量子阱混合方法中，通過(guò)量子阱結(jié)構(gòu)(例如在蓋層6中)內(nèi)的原子與來(lái)自于相鄰層或阻擋材料中的原子進(jìn)行交換而實(shí)現(xiàn)這種帶隙的移位。這種原子交換通過(guò)材料中具有點(diǎn)缺陷的原子間的相互作用并在高溫下發(fā)生。
點(diǎn)缺陷可以是間隙位置——這里原子可通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)從一個(gè)間隙位點(diǎn)擴(kuò)散到另一個(gè)間隙位點(diǎn)或者是空穴，這里晶格結(jié)構(gòu)具有用于擴(kuò)散原子的空穴位點(diǎn)。
雜質(zhì)，如硅(作為n型摻雜物)和鋅(作為p型摻雜物)通常增加點(diǎn)缺陷(空穴或空隙)的可用性并因此降低QWI發(fā)生的溫度。此外，移植及其它晶格的損壞——誘導(dǎo)過(guò)程能局部增加點(diǎn)缺陷的有用性并因此降低QWI發(fā)生的溫度。
在另一技術(shù)中，在半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)的表面上，介電蓋層12如二氧化硅的供應(yīng)并緊接著高溫退火，在蓋層6中產(chǎn)生空穴，然后蓋層6通過(guò)該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)擴(kuò)散。
在一可控制的方式中，量子阱混合的作用是增加半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)的帶隙。如圖2所示，具有AlAs阻擋層的GaAs量子阱的導(dǎo)帶20和價(jià)帶(valanceband)21結(jié)構(gòu)表明兩者在QWI(線(xiàn)22)之前和QWI(線(xiàn)23)之后。這作用在廣泛的光子器件制備中具有相當(dāng)大的實(shí)用性。
例如，具有AlGaAs阻擋層的GaAs量子阱可以是量子阱混合以產(chǎn)生拋物線(xiàn)阱23，也就是說(shuō)相對(duì)于不遷移的量子阱而言，該拋物線(xiàn)阱是“藍(lán)-位移(blue shifted)”。QWI技術(shù)可用于改善單個(gè)器件的性能，例如，在激光器小平面上產(chǎn)生不吸收的鏡面以減少災(zāi)難性的光學(xué)損壞。
盡管在制備光子器件中使用QWI具有相當(dāng)大的優(yōu)點(diǎn)，但是由上述QWI技術(shù)中的一些或所有技術(shù)所引起的高溫處理和其它晶格分裂通常能導(dǎo)致一些或所有下列不希望有的副作用(a)損壞表面8，(b)摻雜雜質(zhì)偏析，(c)雜質(zhì)從介電蓋層6擴(kuò)散進(jìn)入到半導(dǎo)體的其它層。
QWI方法后，在QWI加工層頂部金屬接觸的沉積能產(chǎn)生高的接觸電阻，損害器件的性能。
通常，如上所述的作用中的一種或幾種結(jié)合，能有助于在所制備的器件中產(chǎn)生高的p型接觸電阻，高的接通電壓和軟I-V特征。高的接通電壓將導(dǎo)致器件內(nèi)更加不希望有的發(fā)熱，限制了輸出功率并降低器件壽命。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種利用量子阱混合技術(shù)制備光子器件的方法，包括除去、減輕或至少降低與一些或所有上述QWI方法中產(chǎn)生的不良接觸性能有關(guān)的問(wèn)題。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種使用QWI技術(shù)改善所制備器件的接觸電阻的方法。
根據(jù)一方面，本發(fā)明提供一種在半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)中進(jìn)行量子阱混合的方法，包括步驟如下a)形成包括摻雜蓋層的層狀量子阱結(jié)構(gòu)層；b)在所述蓋層上形成蝕刻終止層；c)在所述蝕刻終止層上形成犧牲層，當(dāng)經(jīng)受預(yù)定蝕刻條件時(shí)，所述蝕刻終止層比所述犧牲層具有明顯更低的蝕刻速率；d)在該器件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行量子阱混合方法，該方法對(duì)至少部分犧牲層引起明顯的損壞；e)在至少器件的接觸區(qū)域中，利用選擇性對(duì)著蝕刻終止層的蝕刻程序除去犧牲層，以在接觸區(qū)域中暴露所述的蝕刻終止層；及
f)在層狀的量子阱結(jié)構(gòu)上在至少所述的接觸區(qū)域內(nèi)形成接觸。
現(xiàn)在通過(guò)實(shí)施例并參考附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方案，其中圖1是一個(gè)適用于量子阱混合方法的光子器件用的量子阱結(jié)構(gòu)的截面示圖；圖2是表示在如圖1所示的一個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)中帶隙上實(shí)施量子阱混合的圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)的截面示圖；以及圖4表示在分子束外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體材料的p+蓋和涂層中鈹摻雜分布的SIMS分析結(jié)果；圖5表示在MOCVD生長(zhǎng)材料的p+蓋和涂層中鋅摻雜分布的SIMS分析結(jié)果；以及圖6表示在MOCVD生長(zhǎng)的材料的p+蓋和涂層中硅分布的SIMS分析結(jié)果；根據(jù)本發(fā)明，認(rèn)為提供犧牲部分的蓋層，該部分蓋層是在QWI處理后除去的，在修復(fù)該蓋表面到仍然可能是高性能接觸的狀態(tài)具有相當(dāng)大的優(yōu)點(diǎn)。最后，本發(fā)明在圖1的常規(guī)蓋層6的頂部提供一蝕刻終止層和一犧牲蓋層，以致于由QWI處理導(dǎo)致的損壞的和雜質(zhì)貧化材料可容易地除去，并且允許低電阻p型接觸沉積在該QWI結(jié)構(gòu)上。這通過(guò)增加輸出功率和壽命明顯改善該器件的性能。
在應(yīng)用量子阱混合方法之前，所制備的量子阱結(jié)構(gòu)、蝕刻終止層和犧牲蓋層的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案如圖3所示。
該器件結(jié)構(gòu)30包括n型基底32(例如GaAs晶片)，在該基底上制備半導(dǎo)體層33-36。在其上面形成第一涂層33。優(yōu)選的是，第一涂層是n型材料，例如，摻雜硅的AlGaAs。更優(yōu)選的是，第一涂層可包括多個(gè)亞層，例如，第一、第二和第三亞層33a、33b和33c。
在第一涂層上形成一光學(xué)活性層34。優(yōu)選的是，光學(xué)活性層是固有的、非摻雜材料。更優(yōu)選的是，光學(xué)活性層34可包括多個(gè)亞層，例如，第一、第二和第三亞層34a、34b和34c。
在其上面形成第二涂層35。優(yōu)選的是，第二涂層是p型材料，例如，鋅摻雜的AlGaAs。更優(yōu)選的是，第二涂層可包括多個(gè)亞層，例如，第一、第二和第三亞層35a、35b和35c。
在第二涂層35的頂部形成一蓋層36以能使電流射入該器件。優(yōu)選的是，蓋層36是p型材料，例如，鋅摻雜的GaAs。QWI方法后要保留蓋層36。優(yōu)選的是，該蓋層是無(wú)鋁的以防止該層在暴露于空氣中時(shí)的氧化作用。
根據(jù)本發(fā)明，覆蓋蓋層36的是蝕刻終止層37。蝕刻終止層37優(yōu)選包括一個(gè)與蓋層類(lèi)似摻雜量的p型材料。覆蓋蝕刻終止層的是犧牲層38。犧牲層優(yōu)選包括一個(gè)與蓋層類(lèi)似摻雜量的p型材料。更優(yōu)選的是，該犧牲層包括與蓋層相同的材料。
通常，該蝕刻終止層37具有與蓋層36和犧牲層類(lèi)似電學(xué)性質(zhì)，但是通過(guò)濕化學(xué)的、氣態(tài)的、或等離子體腐蝕技術(shù)，該蝕刻終止層比該犧牲層具有更明顯增加的耐蝕刻性，優(yōu)選的是，利用外延生長(zhǎng)技術(shù)如分子束外延(MBE)或金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)形成上述器件結(jié)構(gòu)。然而，可使用任何合適的生長(zhǎng)或沉積技術(shù)，諸如氣相外延(VPE)或液相外延(LPE)。
一示范性的、具有980納米波長(zhǎng)輸出、并使用上述優(yōu)選結(jié)構(gòu)制備的半導(dǎo)體激光器一般由如以下表1所定義的層組成。
在表1的實(shí)施例中，該蝕刻終止層由GaInP組成。
在另一示范性的實(shí)施方案中，該蝕刻終止層由AlAs組成。對(duì)于該實(shí)施方案的優(yōu)選結(jié)構(gòu)在下表2中定義。
表1
表2
在上述的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行QWI方法。在優(yōu)選的QWI步驟中，在半導(dǎo)體的頂部沉積一層二氧化硅，接著進(jìn)行熱退火過(guò)程。
QWI方法并除去二氧化硅之后，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的最頂層38明顯退化。應(yīng)該理解在常規(guī)方法中，最頂層應(yīng)基本上包括蓋層36。這種退化可明顯危害通過(guò)在蓋層36上沉積合適的金屬化層所形成的任何接觸性能。
該退化的形式為(A)半導(dǎo)體表面的物理?yè)p壞；(b)p型雜質(zhì)摻雜物(在該實(shí)施例中為鋅)擴(kuò)散離開(kāi)表面；并且(C)從二氧化硅移動(dòng)進(jìn)入到半導(dǎo)體層內(nèi)的雜質(zhì)污染。
就(a)而論，QWI之后，用光學(xué)顯微鏡可觀(guān)察到表面損壞。
就(b)而論，在該器件結(jié)構(gòu)退火前后的SIMS測(cè)試中可看到p型雜質(zhì)摻雜物擴(kuò)散。圖4和5是顯示p型分布的SIMS測(cè)試。圖4顯示在退火過(guò)程前后MBE生長(zhǎng)材料(在這個(gè)實(shí)施例里，用鈹摻雜)的分布。圖5顯示在退火過(guò)程前后MOCVD生長(zhǎng)材料(用鋅摻雜)的分布。該摻雜物濃度表示為深度的函數(shù)，在水平軸上表明的以秒表示的蝕刻時(shí)間。在這些測(cè)試中可以看出該p型雜質(zhì)濃度下降～2指數(shù)，導(dǎo)致該材料的電阻率相應(yīng)增加。
就(c)而論，圖6表示生長(zhǎng)狀態(tài)的硅與退火后的樣品(850℃和900℃退火)相比較的SIMS測(cè)試，并且表示在QWI方法之后，高含量的硅雜質(zhì)已擴(kuò)散進(jìn)入到半導(dǎo)體材料內(nèi)。
再參考圖3，在本發(fā)明中，使用選擇性蝕刻(濕法或干法)以除去該損壞外延材料，也就是犧牲層38。選擇蝕刻法，要對(duì)犧牲層38具有高的選擇性，并且利用本領(lǐng)域中已有的技術(shù)對(duì)著蝕刻終止層37的材料進(jìn)行蝕刻。
這樣，該選擇性蝕刻法在蝕刻終止層37處終止。能較好區(qū)分砷化物層和磷化物層的許多優(yōu)良選擇性濕法和干法蝕刻對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是已知的。
如果該蝕刻終止材料適用于低電阻接觸，則可在蝕刻終止層上直接沉積金屬接觸。
或者，第二選擇性的蝕刻是對(duì)于蝕刻終止層的選擇、并對(duì)著蓋層36可用于除去蝕刻終止層，露出具有所需p型摻雜量的高質(zhì)量蓋層36的半導(dǎo)體表面，并且在其上可沉積金屬接觸。
應(yīng)該理解第一和/或第二選擇性蝕刻只需要在將要形成接觸的區(qū)域中進(jìn)行。在該器件的其它區(qū)域中，可保留犧牲層和/或蝕刻終止層。
對(duì)于常規(guī)的QWI方法，不使用犧牲層38和蝕刻終止層37，在一個(gè)980納米半導(dǎo)體激光器中，在該蓋36上形成的p型接觸的接觸電阻一般表示為從約2歐姆增長(zhǎng)到大于5歐姆，并且接通電壓從約1.2V增加到大于2V。
上述的示范性的實(shí)施方案表明對(duì)于980納米激光器接觸電阻和接通電壓基本上不受QWI方法的影響。
因此，在該器件的帶隙位移區(qū)域的形成中，可能具有QWI方法的好處。(例如在一個(gè)激光器件中形成非吸收性的鏡面而無(wú)較高接觸電阻和接通電壓的缺點(diǎn)。)以上給出的實(shí)施例描述一種AlGaAs 980納米的激光器。然而，本發(fā)明可同樣應(yīng)用于任何基于砷化物、磷化物、氮化物或銻化物的III-V光子器件，該光子器件需要量子阱混合區(qū)域和電接觸。
本發(fā)明在半導(dǎo)體激光器的制備和遠(yuǎn)程通信應(yīng)用的增幅器中具有主要的用途，但是通常也可以應(yīng)用于任何需要QWI技術(shù)的器件的制備中。
犧牲層38和蝕刻終止層37的結(jié)合使用提供許多優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
通過(guò)該量子阱混合方法誘導(dǎo)的層中的缺陷可深入到犧牲層內(nèi)，而該蝕刻終止層有助于防止這種缺陷移入到該蓋層內(nèi)。
也發(fā)現(xiàn)了蝕刻終止層的使用，在金屬沉積后明顯提高接觸電阻的蝕刻之后，提供了一種優(yōu)良、原子級(jí)平面(atomically)。通過(guò)對(duì)比，在厚的犧牲層加蓋層上，簡(jiǎn)單定時(shí)間蝕刻產(chǎn)生一種粗糙表面(特別是考慮到該犧牲層的損壞的上部區(qū)域所導(dǎo)致的蝕刻速率的變化)，粗糙表面導(dǎo)致接觸形成的問(wèn)題。
此外，脊棱波導(dǎo)激光器的功率和光譜通過(guò)脊棱寬度和高度精密地測(cè)定。濕法或干法蝕刻一種厚蓋加犧牲層以獲得精確的脊高度是難以實(shí)現(xiàn)的，并且在魯棒(robust)制備過(guò)程中是不希望有的。該蝕刻終止層以具有很好(原子級(jí)的)精密度決定脊的高度。
蝕刻終止層的使用也可使蓋層的厚普遍減小，這樣能使用較低苛刻的QWI方法條件以獲得所需要的混合程度，并由此進(jìn)一步降低引入半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的損壞。
圖7到10說(shuō)明在形成一個(gè)半導(dǎo)體激光器中所使用的QWI方法的范圍中，上述的蝕刻終止和犧牲層的用途。
參考圖7，常規(guī)激光器件結(jié)構(gòu)70包括在一個(gè)基底(沒(méi)有顯示)上形成與固有的光學(xué)活性層70b一起的涂層70a和70c以確定一個(gè)量子阱。這些層的每一層可進(jìn)一步包括亞層，如上所述。
為了進(jìn)行量子阱混合方法以確定該光子器件的另外特征，如上所述，在其上形成蝕刻終止層71和犧牲層。為了實(shí)施該QWI方法，將二氧化硅層濺射到預(yù)定區(qū)域73、74上。一個(gè)合適的用照相平版印刷術(shù)(photolithographically)確定的掩膜材料諸如光致抗蝕劑(沒(méi)有顯示)在該濺射沉積過(guò)程中保護(hù)該表面的其它區(qū)域75。從表面75除去該保護(hù)的光致抗蝕劑層之后，沉積PECVD二氧化硅76，基本上涂覆表面75。
然后，該器件進(jìn)行熱退火，優(yōu)選根據(jù)已知的技術(shù)，使用快速熱退火(RTA)法。在該RTA法中，鎵從下層激光器結(jié)構(gòu)70遷移進(jìn)入到濺射的SiO2層73、74內(nèi)，因此在該濺射SiO2層73、74的下面形成量子阱的帶隙位移區(qū)域。該P(yáng)ECVD SiO2抑制量子阱混合方法。
在圖8中，SiO2層已經(jīng)被除去。該犧牲層的暴露表面存在明顯的損壞，并且p型摻雜物析出離開(kāi)表面。參考圖9，如上所述，該犧牲層是通過(guò)選擇性對(duì)著蝕刻終止層71的蝕刻過(guò)程而除去。
如圖10所示，然后，用合適的蝕刻法除去蝕刻終止層，留下一個(gè)高質(zhì)量表面到該激光器結(jié)構(gòu)70上，其上可沉積合適的金屬接觸。
其它的實(shí)施方案在所附的權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)中進(jìn)行量子阱混合的方法，包括步驟a)形成包括摻雜蓋層的層狀量子阱結(jié)構(gòu)層；b)在所述蓋層上形成蝕刻終止層；c)在所述蝕刻終止層上形成犧牲層，當(dāng)經(jīng)受預(yù)定蝕刻條件時(shí)，所述蝕刻終止層比所述犧牲層具有明顯更低的蝕刻速率；d)在該器件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行量子阱混合方法，該方法對(duì)至少部分犧牲層引起明顯的損壞；e)至少在器件的接觸區(qū)域中，利用選擇性地對(duì)著蝕刻終止層的蝕刻程序除去犧牲層，以在接觸區(qū)域中暴露所述的蝕刻終止層；及f)在層狀的量子阱結(jié)構(gòu)上在至少所述的接觸區(qū)域內(nèi)形成接觸。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中步驟e)進(jìn)一步包括選擇性對(duì)著摻雜蓋層利用蝕刻程序除去該蝕刻終止層以在至少在所述接觸區(qū)中使所述摻雜蓋層暴露的步驟。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中步驟d)包括熱處理的步驟。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中步驟d)包括一個(gè)無(wú)雜質(zhì)空穴干擾技術(shù)，它包括在該量子阱混合方法過(guò)程中，在至少部分犧牲層頂部形成介電層的步驟。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中步驟f)包括在所述蝕刻終止層上沉積金屬層以形成所述接觸的步驟。
6.如權(quán)利要求2的方法，其中步驟f)包括在所述摻雜蓋層上沉積金屬層以形成所述接觸的步驟。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中該犧牲層具有一種或多種與摻雜蓋層類(lèi)似的摻雜量、類(lèi)似電學(xué)性質(zhì)和/或類(lèi)似擴(kuò)散系數(shù)。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中該犧牲層是由與該摻雜蓋層相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中層狀量子阱結(jié)構(gòu)包括第一摻雜量和第一摻雜物類(lèi)型的基底；第二摻雜量和第一摻雜物類(lèi)型的第一涂層作為基底；實(shí)質(zhì)上固有類(lèi)型的光學(xué)活性層；第三摻雜量和第二摻雜物類(lèi)型的第二涂層；以及第四個(gè)摻雜量和第二摻雜物類(lèi)型的蓋層。
10.如權(quán)利要求的方法9，其中第一摻雜物類(lèi)型是n型并且第二摻雜物類(lèi)型是p型。
11.如權(quán)利要求的方法9其中至少所述的層中之一是由多個(gè)不同的亞層組成。
12.如權(quán)利要求1的方法，其中該摻雜蓋層包括GaAs，該蝕刻終止層包括GaInP并且該犧牲層包括GaAs。
13.如權(quán)利要求1的方法，其中該摻雜蓋層包括GaAs，該蝕刻終止層包括AlAs并且該犧牲層包括GaAs。
14.如權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括從所述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)形成光子器件的步驟。
15.一種利用權(quán)利要求1到14種的任意一個(gè)方法形成的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。
16.一種基本上如本文參考該附圖所描述的方法。
全文摘要
一種在半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)中用犧牲部分蓋層而進(jìn)行量子阱混合的方法，該部分蓋層在QWI處理后除去，以使該蓋表面恢復(fù)到仍然可能是高性能接觸的狀態(tài)。該方法包括a)形成包括摻雜蓋層的層狀量子阱結(jié)構(gòu)層；b)在所述蓋層上形成蝕刻終止層；c)在所述蝕刻終止層上形成犧牲層，當(dāng)經(jīng)受預(yù)定蝕刻條件時(shí)，所述蝕刻終止層比所述犧牲層具有明顯更低的蝕刻速率；d)在該器件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行量子阱混合方法，該方法使至少部分犧牲層產(chǎn)生明顯的損壞；e)在至少器件的接觸區(qū)域中，利用選擇性對(duì)著蝕刻終止層的蝕刻程序除去犧牲層，以在接觸區(qū)域中暴露蝕刻終止層；及f)在層狀量子阱結(jié)構(gòu)上在至少所述的接觸區(qū)域內(nèi)形成接觸。
文檔編號(hào)H01S5/343GK1685480SQ03816230
公開(kāi)日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2003年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月25日
發(fā)明者斯蒂芬·納杰達(dá), 斯圖爾特·D·麥克杜格爾, 劉雪峰 申請(qǐng)人:英坦斯有限公司