СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОННОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ Российский патент 2004 года по МПК H01L31/18 

Предпосылки изобретения

Монолитная интеграция нескольких оптоэлектронных приборов в оптоэлектронных интегральных схемах (ОЭИС) и фотонных интегральных схемах (ФИС) представляет значительный интерес в связи с развитием систем связи.

В ОЭИС оптические приборы, например лазеры и электронные приборы, например транзисторы, интегрируют в едином кристалле (чипе) для достижения высокого быстродействия, поскольку плотная упаковка приборов позволяет минимизировать паразитное реактивное сопротивление электрических соединений.

ФИС представляют собой отдельный вид ОЭИС, отличающийся отсутствием электрических компонентов, а также тем, что связь или соединение между оптоэлектронными и/или фотонными приборами осуществляется только посредством фотонов. Движущей силой развития ФИС является стремление к упрощению (улучшению) оптических линий связи следующего поколения, сетевых архитектур и коммутационных систем, например систем многоканального мультиплексирования с разделением по длине волны (МРДВ) и высокоскоростных систем мультиплексирования с разделением по времени (МРВ). Помимо снижения стоимости, уменьшения размеров и повышения комплексной устойчивости главное достоинство ФИС состоит в том, что все внутренние соединения между отдельными световодными оптоэлектронными приборами точно и постоянно расположены (совмещены) по отношению друг к другу, поскольку световоды сформированы литографическим способом.

В процессе интеграции сложные приборы строятся из компонентов самого разного функционального назначения, например источников света, световодов, модуляторов и детекторов. Для создания каждого компонента с оптимальными характеристиками требуются различные структуры материалов. Поэтому для создания ОЭИС и ФИС нужно иметь возможность изменять ширину (энергию) запрещенной зоны и показатель преломления материалов. Для этого было разработано несколько методов, в том числе выращивание и рекристаллизация, избирательная эпитаксия или выращивание на шаблонированной подложке и смешение квантовых ям (СКЯ).

Метод выращивания и рекристаллизации отличается сложностью и дороговизной и предусматривает выращивание, травление и рекристаллизацию слоев квантовой ямы (КЯ) в выбранных областях объемного материала. На эти многослойные структуры наращивают одну и ту же верхнюю оболочку, но они имеют разные активные области. Недостатком такого подхода является рассогласование оптического коэффициента распространения и рассогласование размеров световода на границе раздела рекристаллизации. Кроме того, этот процесс обеспечивает низкий выход (КПД) и производительность, что приводит к увеличению стоимости конечного продукта.

Метод избирательного выращивания основан на различиях в составе и толщине эпитаксиального слоя, выращенного через маску, для достижения пространственной избирательности при изменении ширины энергетической запрещенной зоны. Прежде чем приступить к эпитаксиальному выращиванию, подложку шаблонируют диэлектрической маской, например из SiO₂, в которой сформированы щели разной ширины. Скорость роста на открытых участках зависит от ширины отверстия и шаблонирования маски. В местах наличия диэлектрического покрытия выращивание невозможно. Однако в пределах определенного расстояния может происходить поверхностная миграция частиц к ближайшему отверстию поперек маски. Преимущество этого подхода состоит в уменьшении суммарного количества этапов обработки, что позволяет формировать по существу оптимальные секции множественных квантовых ям (МКЯ) лазера и модулятора за один этап эпитаксиального выращивания. Этот процесс дает хорошие результаты при условии точного контроля совокупности параметров, но в целом с трудом поддается управлению. Кроме того, этот метод обеспечивает низкое пространственное разрешение, около 100 мкм, из-за чего пассивная секция обычно имеет относительно высокие потери.

Метод СКЯ основан на том, что КЯ представляет по своей природе метастабильную систему ввиду высокого градиента концентрации атомов поперек границы раздела между КЯ и барьером. Тем не менее это позволяет изменять ширину энергетической запрещенной зоны структур КЯ в выбранных областях путем смешения КЯ с барьерами для формирования “сплавленных” полупроводников. Этот метод позволяет после выращивания эффективно осуществлять горизонтальную интеграцию секций с различной шириной энергетической запрещенной зоны, показателем преломления и оптическим поглощением в пределах одних и тех же эпитаксиальных слоев.

Метод СКЯ получил широкое признание и распространение в области построения оптоэлектронных интегральных схем, содержащих, например, электропоглощательные модуляторы с регулируемой шириной энергетической запрещенной зоны, лазеры с регулируемой шириной энергетической запрещенной зоны, световоды с низкими потерями для внутреннего соединения компонентов ОЭИС или ФИС, интегральные резонаторы большого объема для лазеров с уменьшенной шириной линии, одночастотные лазеры с распределенным брэгговским отражателем (РБО), лазеры с синхронизированными модами, непоглощающие зеркала, усилительные или фазовые дифракционные решетки для лазеров с распределенной обратной связью (РОС), суперлюминесцентные диоды (СЛД), модуляторы и усилители на КЯ, не чувствительные к поляризации, и многочастотные лазеры.

Последние исследования были сосредоточены на совершенствовании метода СКЯ с использованием таких подходов, как беспримесное вакансионно-стимулированное разупорядочение (БПВР), лазерно-стимулированное разупорядочение (ЛСР) и примесно-стимулированное разупорядочение (ПСР). Каждый из этих методов СКЯ имеет свои достоинства и недостатки.

Метод БПВР предусматривает осаждение диэлектрического покровного материала на материалы с КЯ и последующий высокотемпературный отжиг для стимулирования генерации вакансий из диэлектрического покрытия в материалы с КЯ и, следовательно, для усиления смешения на выбранных участках.

Например, известно, что наличие SiО₂ в материалах с КЯ на основе GaAs-AlGaAs стимулирует обратную диффузию (диффузию выхода) атомов Ga в процессе отжига, что приводит к образованию вакансий III группы в материале с КЯ. Термическое напряжение на границе раздела между слоями GaAs и SiО₂ играет важную роль. Коэффициент теплового расширения GaAs в десять раз больше, чем у SiО₂. В процессе высокотемпературного отжига связи в высокопористом слое SiО₂, осажденном посредством плазмостимулированного химического осаждения из паровой фазы (ПСХОПФ), могут разрушаться по причине наличия градиента напряжения между GaAs и пленкой SiО₂. Таким образом, обратная диффузия Ga способствует ослаблению напряжения растяжения в GaAs. Эти вакансии Ga распространяются далее в структуру КЯ и увеличивают скорость взаимодиффузии Ga и Аl и таким образом приводят к СКЯ. По окончании процесса смешения энергетическая запрещенная зона в материале с КЯ расширяется, а показатель преломления снижается.

Для достижения избирательности этого метода можно использовать слой SrF₂, который препятствует обратной диффузии Ga, что позволяет подавлять процесс СКЯ. Этот метод был успешно применен при формировании таких приборов как многочастотный лазер с регулируемой шириной энергетической запрещенной зоны и многоканальный световодный фотодетектор.

Хотя метод БПВР с успехом применяется в системе GaAs/AlGaAs, в системах InGaAs/InGaAsP, он обеспечивает низкую воспроизводимость. Кроме того, было обнаружено, что ввиду низкой термостойкости материалов InGaAs/InGaAsP процесс БПВР, требующий высокотемпературного отжига, обеспечивает низкую избирательность по энергетической запрещенной зоне в структурах КЯ на основе InGaAs/InGaAsP.

Лазерно-стимулированое разупорядочение (ЛСР) является перспективным процессом СКЯ для достижения разупорядочения в материалах с КЯ на основе InGaAs/InGaAsP по причине низкой термостойкости этих материалов. Согласно методу фотоабсорбционно-стимулированного разупорядочения (ФАСР), излучение лазера, генерирующего непрерывную волну (НВ), поглощается в областях КЯ, вызывая тепловыделение и термостимулированное смешение. Хотя получаемый при этом материал имеет высокие оптические и электрические характеристики, пространственная избирательность этого метода ограничена величиной около 100 мкм по причине горизонтального перетока. Модифицированный метод ФАСР, получивший название импульсного ФАСР (И-ФАСР), использует высокоэнергетические импульсы лазера с модуляцией добротности на АИГ (алюмоиттриевом гранате) с Nd для облучения материала на основе InP. Поглощение импульсов приводит к повреждению кристаллической решетки и повышению плотности точечных дефектов. В процессе высокотемпературного отжига эти точечные дефекты диффундируют в КЯ, что приводит к возрастанию скорости смешения КЯ. Хотя метод И-ФАСР может обеспечивать пространственное разрешение свыше 1,25 мкм и возможность прямой записи, “смешанные” материалы обладают низким качеством по причине образования протяженных дефектов.

Из всех методов СКЯ примесно-стимулированное разупорядочение (ПСР) является единственным процессом, который требует введения примесей в материалы с КЯ для реализации процесса смешения. Эти примеси можно вводить с помощью сфокусированного ионного пучка, диффузии примеси в печи, а также имплантации ионов.

ПСР является сравнительно простым и высоковоспроизводимым процессом смешения. Он позволяет обеспечивать высокое пространственное разрешение, необходимое для интеграции малоразмерных устройств, и управлять смещением энергетической запрещенной зоны за счет параметров имплантации. Этот метод обычно используют для обеспечения горизонтального электрического и оптического удержания в полупроводниках, что позволяет добиваться низкого порогового тока и работать на одной поперечной моде. Кроме того, процесс ПСР представляет существенный интерес для интеграции систем МРДВ, например для формирования многочастотных лазерных источников, световодов с низкими потерями, модуляторов и даже детекторов.

Общеизвестно, что эффект ПСР состоит из двух этапов. На первом этапе в материал с КЯ имплантируют примеси. Затем материал подвергают отжигу, чтобы стимулировать диффузию примеси и точечных дефектов в КЯ и барьеры, а следовательно, взаимодиффузию основных элементов между КЯ и барьерами. Считается, что в системе КЯ на основе InGaAs/InGaAsP взаимодиффузия элементов V группы от барьера к яме, приводящая к голубому смещению энергетической запрещенной зоны, обусловлена диффузией точечных дефектов, возникающих в процессе имплантации, самопроизвольной взаимодиффузией при повышенных температурах (тепловое смещение) и диффузией имплантированных частиц.

В процессе имплантации примеси, а также точечные дефекты, например вакансии III группы и атомы внедрения, вводятся в материал в выбранных областях. Диффузия этих точечных дефектов и примесей при повышенной температуре увеличивает скорость взаимодиффузии между КЯ и барьерами и, следовательно, стимулирует смешение после отжига. Под влиянием инжектированных примесей профиль состава КЯ изменяется от квадратного к параболообразному. В результате по окончании процесса взаимодиффузии локальная энергетическая запрещенная зона увеличивается, а соответствующий показатель преломления уменьшается.

Используя метод ПСР, можно добиться смешения в выбранной области пластины, применяя маску имплантации из SiО₂ переменной толщины. Однако этот метод предусматривает многочисленные этапы литографии и травления, что усложняет процесс производства.

В статье под названием “Процесс интеграции фотонных интегральных схем с использованием перемешивания слоев, стимулированного плазменным повреждением” (Integration process for photonic integrated circuits using plasma damage induced layer intermixing). Electronics Letters, т. 31, 449, 1995 г., B.S. Ooi, А.С. Вrусе и J.H. Marsh описан процесс смешения квантовых ям, основанный на повреждениях, вызванных бомбардировкой активными ионами. Согласно этому методу использовали обработку плазмой Н₂ с высокой ВЧ мощностью, а значит, с высокой способностью к повреждению, для введения точечных дефектов на поверхность образцов, которые затем подвергали отжигу, чтобы обеспечить диффузию точечных дефектов в область КЯ. Плазменное экспонирование производили с помощью аппарата реактивного ионного травления (РИТ) с параллельными пластинами. Аналогично этому в статье “Разупорядочение, стимулированное имплантацией ионов Ar⁺⁴' путем плазменной иммерсии, в структуре множественных квантовых ям на основе InGaAsP с напряжением” (Plasma Immersion Ar⁺ Ion Implantation Induced Disorder in Strained InGaAsP Multiple Quantum Wells), L.M. Lam et al., Electronic Letters, т. 34, №8, 16 апреля 1998 г., раскрыт процесс имплантации ионов путем плазменной иммерсии, в котором используется аппарат РИТ. Согласно каждому из этих методов, процесс СКЯ основан на повреждениях, вызванных ионной бомбардировкой, и требует нескольких циклов для достижения сколько-нибудь заметного смещения энергетической запрещенной зоны.

Возможность управлять энергетической запрещенной зоной в пределах пластины полупроводника III-V является ключевым требованием для изготовления монолитных ФИС. Для изготовления таких элементов интегральных схем как лазеры, модуляторы и световоды с низкими потерями необходима пространственная регулировка края полосы поглощения структур КЯ по пластине. Хотя методы СКЯ имеют большие преимущества над методами выращивания и рекристаллизации и методами избирательного эпитаксиального выращивания с точки зрения процесса формирования энергетической запрещенной зоны, пространственное управление, обеспечиваемое этими методами, является косвенным и сложным.

Колоссальный рост графика в Интернете, мультимедийных услуг и услуг высокоскоростной передачи данных требует от владельцев средств связи быстро и экономично увеличивать емкость своих сетей. Общеизвестны три способа увеличения емкости, а именно прокладка новых волокон, увеличение битовой скорости систем связи и использование мультиплексирования с разделением по длине волны (МРДВ). Ввиду того, что первый способ сопряжен с проблемами высоких затрат и необходимости полосы отчуждения, а второй способ имеет ограниченный потенциал роста ввиду внутренних системных ограничений, третий способ является наиболее привлекательным, поскольку дает возможность многократно увеличить емкость сети при умеренных затратах.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предусматривает способ изготовления фотонной интегральной схемы, содержащей сложную полупроводниковую структуру, имеющую область квантовой ямы, включающий в себя этапы облучения упомянутой структуры с помощью источника фотонного излучения для порождения дефектов, причем фотоны имеют энергию (Е), по меньшей мере равную энергии (Ее) смещения по меньшей мере одного элемента сложного полупроводника, и последующего отжига упомянутой структуры для стимулирования смешения квантовых ям.

Предпочтительным источником фотонного излучения является плазма, хотя можно использовать и другие источники высокоэнергетических фотонов. Пригодны такие источники плазмы как системы электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), системы индуктивно связанной плазмы (ИСП), плазменный диск, возбуждаемый пучком низкоэнергетических электронов в вакууме, или плазменные устройства мягкого рентгеновского излучения (МРИ). Другие пригодные источники высокоэнергетического фотонного излучения включают в себя электрические газоразрядные приборы, эксимерные лазеры, синхротронные устройства, импульсные рентгеновские устройства и источники гамма-излучения.

Способ может содержать этап маскирования части структуры для управления степенью радиационного повреждения. Так, маска может быть приспособлена для полного предотвращения смешения. Однако предпочтительно маскировать структуру для избирательного, пространственно управляемого смешения путем управления экспонированием участков структуры заранее определенным образом.

Имеется несколько пригодных видов масок экспонирования, в том числе двоичные маски, фазовые маски, полутоновые маски, диэлектрические или металлические маски и фоторезистивные маски. Пространственное управление смешением предпочтительно осуществлять с помощью шаблона маски переменного профиля. В нашей созместно поданной международной заявке №РСТ/GB01/00904, опубликованной под №WO 01/67497, описан способ шаблонирования структуры путем экспонирования слоя фоторезистивного материала через полутоновую маску (т.е. маску с разными уровнями серого). Степенью смешения квантовых ям управляют с возможностью пространственной избирательности в зависимости от характеристик оптического пропускания полутоновой маски. Этот метод особенно пригоден для использования в настоящем изобретении, поскольку позволяет конструировать такую маску, которая может управлять экспонированием структуры излучению с высокой энергией. Шаблон фоторезистивной маски можно использовать сам по себе для управления экспонированием или вместо этого его можно использовать для перевода шаблона маски в нижележащий материал, например слой диэлектрического материала, посредством процесса травления.

Главным признаком настоящего изобретения является использование источника такого излучения, которое приводит к радиационному повреждению кристаллической структуры. Для этого необходим строго определенный минимальный перенос энергии. Эта энергия называется энергией смещения и обозначается Е_C. Перенос превышающей Е_C энергии приводят к смещению атома, которое представляет собой либо первичное смещение, когда ион основного элемента выбивается одной из бомбардирующих частиц, либо вторичное смещение, когда перенос энергии осуществляется из ранее выбитого атома основного элемента. Ниже приведены значения энергии Е_C в электрон-вольтах (эВ) для ряда полупроводниковых материалов из элементов III-V групп:

Хотя известно, что ультрафиолетовое излучение в вакууме (ВУФ) может вызывать повреждение полупроводниковых структур, раньше это явление исследовали на предмет того, как можно устранить или по меньшей мере исправить это повреждение путем отжига, чтобы эти дефекты не влияли на работу устройства.

Этот новый, экономичный и простой метод можно применять для изготовления ФИС в целом, а также источников для МРДВ в частности. Применяя метод СКЯ в соответствии с настоящим изобретением, можно регулировать ширину энергетической запрещенной зоны материала с КЯ таким образом, чтобы она принимала разные значения на протяжении пластины. Это позволяет не только интегрировать монолитные многочастотные лазеры, но также интегрировать их с модуляторами и соединителями в едином кристалле (чипе). Этот метод также можно применять для упрощения процессов изготовления и проектирования суперлюминесцентных диодов (СЛД) за счет расширения спектра усиления до максимума после эпитаксиального выращивания.

Исследователи, занимающиеся интеграцией фотонных приборов, в настоящее время рассматривают метод СКЯ как перспективный подход только для двухсекционных фотонных приборов, поскольку в противном случае традиционные процессы СКЯ становятся громоздкими и сложными. Для многосекционной интеграции исследователи предпочитают использовать избирательную эпитаксию, несмотря на ее сложность и неэкономичность. Настоящее изобретение показывает, что применение СКЯ не ограничивается двухсекционными приборами. Кроме того, этот метод более экономичен и обеспечивает более высокую производительность и доходность по сравнению с избирательной эпитаксией.

Краткое описание чертежей

Перейдем к подробному описанию вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - иллюстративная схема системы ЭЦР;

фиг.2 - схематическое представление многослойной структуры ЕКЯ на основе InGaAs/InGaAsP и зонная диаграмма структуры;

фиг.3А и 3В - графики, иллюстрирующие спектры ФЛ (фотолюминесценции) образцов, облученных плазмой Аr;

фиг.4 - график, иллюстрирующий соотношение между временем экспонирования Аr и относительным смещением энергетической запрещенной зоны для различных значений мощности СВЧ;

фиг.5 - график, иллюстрирующий соотношение между рабочей температурой и относительным смещением энергетической запрещенной зоны;

фиг.6 - график, иллюстрирующий соотношение между рабочим давлением и относительным смещением энергетической запрещенной зоны;

фиг.7 - схематический вид образца, частично маскированного слоем фоторезистивного материала;

фиг.8 - график, иллюстрирующий спектры ФЛ, полученные на образце, показанном на фиг.7, после облучения плазмой Аr;

фиг.9 - график, иллюстрирующий соотношение между мощностью ВЧ и относительным смещением энергетической запрещенной зоны;

фиг.10 - график, иллюстрирующий соотношение между мощностью СВЧ и относительным смещением энергетической запрещенной зоны;

фиг.11 - график, иллюстрирующий относительное смещение энергетической запрещенной зоны для образцов, облученных плазмой Аr при разной толщине маски из SiO₂;

фиг.12 - схематический вид лазера большой площади со световодом, сформированным путем распределения усиления; и

фиг.13 - график, иллюстрирующий приведенные спектры прибора, изображенного на фиг.12.

Подробное описание изобретения

В основе настоящего изобретения лежит открытие, заключающееся в том, что более эффективный вариант плазмостимулированного СКЯ можно получить, используя излучение высокой энергии, например излучение ВУФ, генерируемое в плазме, образованной методом ЭЦР. Этот плазменный процесс действует в совершенно ином режиме по сравнению с вышеописанным методом СКЯ с применением плазмостимулированного разупорядочения. Управляя мощностью СВЧ в процессе ЭЦР, можно генерировать излучение высокой энергии, которое нельзя получить с помощью традиционного аппарата РИТ. В результате голубое смещение СКЯ, полученное с использованием излучения высокой энергии, оказывается значительно сильнее.

В системе ЭЦР магнитное поле действует совместно с возбуждающей электромагнитной волной. Под действием этих полей электроны совершают круговое или орбитальное движение, радиус которого зависит от интенсивности полей, и частота их вращения называется электронной циклотронной частотой. Когда частота электромагнитной волны равна циклотронной частоте, имеет место фазовая когерентность, приводящая к непрерывному увеличению энергии электронов. При таких условиях происходит излучательный перенос энергии возбуждающего электромагнитного поля к электронам, который известен как резонансный процесс. В этом резонансном процессе электроны в объеме плазмы увеличивают свою энергию за счет СВЧ возбуждения и передают энергию молекулам посредством соударений, приводящих к электронно-ударной ионизации и генерации плазмы высокой плотности. Высокоионизированные ионы испускают фотоны в узкой полосе ВУФ.

ЭЦР метод образования плазмы приобретает все большую популярность в микроэлектронной обработке, например, при травлении и осаждении тонких пленок, ввиду своей способности поддерживать высокодиссоциированные и высокоионизированные плазмы при относительно низких давлениях и температурах. Это дает возможность использовать такую плазму при более низком давлении (обычно от 10^-3 до 10^-2 Торр), чем традиционную плазму ВЧ РИТ, и в ряде случаев ее степень ионизации достигает примерно 10%.

Резонанс, т.е. пиковое поглощение энергии, наступает, когда частота переменного электрического поля совпадает с циклотронной частотой. В этом случае спиральное движение электронов совпадает по фазе с переменным электрическим полем, что обеспечивает резонансное ускорение электронов с каждой сменой полярности. На промышленной частоте СВЧ, равной 2,45 ГГц, резонанс наступает при наличии постоянного магнитного поля 873 Гс. Чтобы резонансное поглощение энергии происходило эффективно, электроны должны двигаться по своим циклотронным орбитам без столкновений с нейтральными частицами. Столкновения препятствуют поглощению энергии по причине передачи энергии нейтральным частицам и рандомизации (т.е. приданию случайности) направления. В общем случае столкновения приводят к неэффективному электронному циклотронному нагреву при давлениях свыше 20 мТорр. При эффективном разряде в процессе ЭЦР можно достичь концентрации ионов и электронов до 10¹² см^-3. Это примерно в 100-1000 раз больше концентрации, достижимой в плазме, генерируемой традиционными системами РИТ.

Для обработки образцов, описанных ниже, использовали систему ЭЦР типа Plasma Quest Series II PQM-9187-A. Ее схема показана на фиг.1. Система 10 состоит из СВЧ-генератора 11 с частотой излучения 2,45 ГГц, которое поступает в резонатор 12 системы ЭЦР через кварцевое окно. Мощность СВЧ варьируется в пределах 0-1500 Вт. Генератор СВЧ подключен к трехшлейфовому регулятору, состоящему из трех шлейфов согласования импеданса, установленных в волноводе 13 длиной 9 дюймов (22,86 см). Это делается для снижения отраженной мощности при подаче энергии СВЧ на легкорегулируемый источник плазмы или пользовательскую нагрузку. Дополнительные постоянные магниты 14 типа Nd-Fe-B установлены по периметру реактора и заделаны в заземленный верхний электрод. Магнитное поле, создаваемое такой конструкцией, лучше удерживает плазму. Под его действием ионы плазмы концентрируются в центре камеры, удаляясь от стенок камеры, что позволяет снизить утечку заряда через стенки.

Реактор ЭЦР также содержит держатель 15 образца, подключенный к источнику 16 излучения ВЧ, работающему на частоте 13,56 МГц. Максимальная мощность, выдаваемая ВЧ-генератором, равна 500 Вт. Мощность СВЧ определяет степень диссоциации и генерации активных частиц. С другой стороны, источник ВЧ подает смещение на подложку и таким образом управляет потоком ионов к подложке, повышая направленность процесса.

Структуры In_zGa_1-zAs/In_xGa_1-xAS_yP_1-y, используемые в описанных ниже примерах, были выращены методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (МОХОПФ) на подложку из InP. Область единичной квантовой ямы (ЕКЯ) является нелегированной и образована структурой КЯ на основе In_zGa_1-zAs шириной 5,5 нм, ограниченной барьерами на основе In_xGa_1-xAS_yP_1-y шириной 12 нм (λ_g=1,26 мкм). Активная область ограничена слоями удержания из In_xGa_1-nAS_yP_1-y со ступенчатым профилем показателя преломления (СППП). Толщина и состав этих слоев составляли 50 нм при λ_g=1,18 мкм и 89 нм при λ_g=1,05 мкм соответственно. Структура, которая была полностью (везде) согласована по кристаллической решетке с InP, была дополнена слоем верхней оболочки из InP толщиной 1,4 мкм и слоем In_xGa_1-xAS_yP_1-y толщиной 0, 65 мкм, за которым следовал слой In_zGa_1-zAs, выступающий в роли контактного слоя. Слой нижней оболочки был легирован серой в концентрации 2,5 × 10¹⁸ см^-3. Первый слой верхней оболочки (InP) был легирован Zn в концентрации 7,4 × 10¹⁷ см^-3, а следующие слои были легированы Zn в концентрации 2 х 10¹⁸ см^-31 и 1,3 × 10¹⁹ см^-3 соответственно. Основные данные по многослойной структуре и ее графическое представление приведены в таблице 1 и на фиг.2 соответственно.

Структура СППП используется для получения лучшего оптического удержания за счет разницы в показателе преломления, т.е. более высокого показателя преломления структуры КЯ по сравнению с барьерами. Нижняя область СППП легирована S (n-тип), при этом верхняя область СППП (слои 7-8) не легирована примесью р-типа, т.е. Zn, во избежание его диффузии в область КЯ на этапе СКЯ, что привело бы к ухудшению качества активного слоя. Верхний слой InGaAs используется в качестве контактного слоя, а слой InGaAsP лежит между слоями InP и InGaAs, сглаживая резкий переход от структуры InP к структуре InGaAs.

Сначала образцы 17 очистили и нарезали до размеров 2 × 2 мм². Затем их облучили плазмой Аr в устройстве ЭЦР 10, показанном на фиг.1, при различных условиях процесса. Для первой серии образцов, подвергнутых плазменной обработке, мощность ВЧ и СВЧ была зафиксирована на 450 Вт (собственное смещение постоянного тока около -35 В) и 1400 Вт соответственно при расходе Аr 50 см³/мин (sсcm) и рабочем давлении 30 мТорр. Время экспонирования варьировали от 1 до 15 мин. Другую серию образцов облучали плазмой Аr при тех же условиях процесса за исключением того, что мощность СВЧ снизили до 800 Вт (собственное смещение постоянного тока около -60 В). Время экспонирования варьировали от 1 до 9 мин. После облучения плазмой образцы подвергли отжигу при 600°С в течение 2 мин с помощью аппарата быстрой термической обработки (БТО). На этапе отжига использовали плотно прилегающую крышку из GaAs, чтобы обеспечить воздействие избыточного давления As на образцы.

На фиг.3А и 3В показаны соответственно спектры ФЛ образцов, облученных плазмой Аr при разной продолжительности экспонирования и мощности СВЧ 1400 Вт и 800 Вт. На фиг.4 показано относительное смещение энергетической запрещенной зоны по отношению к только что выращенному образцу как функция времени экспонирования для плазмы Аr, генерированной при мощности ВЧ 450 Вт и мощности СВЧ 800 Вт и 1400 Вт соответственно.

Из фиг.4 явствует, что в образцах, облученных плазмой Аr, наблюдается эффект СКЯ, который вызывает расширение энергетической щели и голубое смещение длины волны люминесценции. Степень смещения постепенно возрастает с увеличением времени экспонирования для образцов, экспонируемых при 1400 Вт. Смещение энергетической запрещенной зоны достигает насыщения примерно на 106 нм (72 мэВ) после 10 мин плазменной обработки. Насыщение смещения энергетической запрещенной зоны означает, что по истечении времени экспонирования 10 мин количество точечных дефектов, порождаемых ионной бомбардировкой и радиационным повреждением, достигает максимума. Результаты, полученные для образцов, экспонированных при мощности 800 Вт, показали примерно такую же тенденцию, что и при 1400 Вт, но с меньшим голубым смещением. Это можно объяснить тем, что меньшая мощность СВЧ обеспечивает более низкую степень ионизации плазмы Аr. При данных условиях экспонирования наибольшее достигнутое голубое смещение составило около 66 нм (42 мэВ) для образца, обработанного в течение 9 мин.

Из фиг.5 следует, что смещение энергетической запрещенной зоны и рабочая температура не связаны никаким линейным соотношением. Максимальное смещение энергетической запрещенной зоны в 32 нм было получено при рабочей температуре 100°С. Обычно ожидается, что при более высокой температуре степень СКЯ окажется выше за счет ионноударного повреждения. Однако в данном случае это явление не наблюдалось. Отсюда можно сделать вывод, что концентрация дефектов, порожденных в этом процессе, ниже определенного порога активации СКЯ.

На фиг.6 показано смещение энергетической запрещенной зоны в зависимости от рабочего давления. Смещение энергетической запрещенной зоны достигает максимального значения в 49 нм при рабочем давлении 30 мТорр и постепенно снижается с ростом давления. Полученные результаты можно объяснить тем, что при возрастании рабочего давления от 10 до 30 мТорр концентрация нейтральных и ионизированных частиц плазмы возрастает. Таким образом, чем больше возникает дефектов, тем выше степень смещения. Однако по мере дальнейшего роста давления длина свободного пробега ионов начинает уменьшаться. Это приводит к значительному снижению количества ионов и нейтральных частиц, сталкивающихся с поверхностью образца, и тем самым к снижению количества порождаемых дефектов. Повышение степени ионизации вследствие роста давления должно вызывать увеличение радиационного повреждения. Однако результаты свидетельствуют о минимальном изменении интенсивности излучения и показывают, что его воздействие на СКЯ в пределах диапазона давлений остается практически постоянным.

Процесс СКЯ целесообразно применять лишь в том случае, когда его можно локализовать на нужных участках полупроводника, т.е. при возможности избирательного смешения. Избирательность является важным аспектом процесса, поскольку она обеспечивает возможность интеграции. Применительно к СКЯ четкость границы раздела между смешанной и несмешанной областями именуется пространственным разрешением. Следует добиваться высокого пространственного разрешения процесса перемешивания, поскольку оно обеспечивает компактность интеграции приборов.

Для изучения избирательности плазменных процессов подготовили образцы 20 размерами 2 × 4 мм² (фиг.7). Половину образцов шаблонировали фоторезистивным материалом или фоторезистом 21. Эти образцы 20 облучили плазмой Аr при мощности ВЧ 450 Вт и мощности СВЧ 1400 Вт в течение 5 мин. Участок, маскированный фоторезистом 21, защищен от повреждения, вызываемого воздействием плазмы Аr, и таким образом не подвержен или минимально подвержен СКЯ после процесса БТО.

На фиг.8 показаны спектры ФЛ, полученные на образцах 20 после облучения Аr и последующего термического отжига. Из графика видно, что участок, маскированный слоем фоторезиста 21, получил незначительное смещение энергетической запрещенной зоны (-10 нм), тогда как участок 22, экспонированный плазме, получил значительно большее смещение энергетической запрещенной зоны в 64 нм; таким образом, между маскированной и немаскированной областями образовалось относительное смещение энергетической запрещенной зоны, равное 54 нм. Этот результат отчетливо свидетельствует о том, что в образцах InGaAs-InGaAsP при использовании в качестве маскирующего слоя только фоторезиста можно добиться высокой избирательности. Незначительное смещение энергетической запрещенной зоны в маскированной области можно объяснить изменением энергетической запрещенной зоны, обусловленным тепловыми эффектами.

Предполагается, что плазма, генерируемая с использованием только излучения ВЧ, обеспечивает в основном ионноударное повреждение. Основная причина заключается в высокой разности потенциалов между плазмой и полупроводником, которая может достигать 130 эВ. Подвергая образец воздействию такой плазмы, можно исследовать механизм СКЯ в плазменной среде с преобладанием ионной бомбардировки.

Группу образцов облучили плазмой Аr, генерированной в различных условиях ВЧ, тогда как другие рабочие параметры оставались постоянными. Время экспонирования во всех случаях было равно 5 мин. На фиг.9 показано относительное смещение энергетической запрещенной зоны как функции мощности ВЧ. Согласно фиг.9, образцы, обработанные плазмой при наличии только ВЧ, проявляют незначительное смещение энергетической запрещенной зоны при максимальном смещении 22 нм (10 мэВ).

Смещения энергетической запрещенной зоны при других значениях мощности ВЧ также достаточно малы.

Другую группу образцов облучили плазмой, генерированной в различных условиях СВЧ, тогда как другие рабочие параметры оставались постоянными. Время экспонирования во всех случаях было равно 5 мин. По окончании экспонирования образцы подвергли отжигу при 600°С в течение 2 мин. На фиг.10 показано относительное смещение энергетической запрещенной зоны как функции мощности СВЧ.

Согласно фиг.10, образцы, обработанные плазмой при наличии только СВЧ, демонстрируют смещение энергетической запрещенной зоны до 66 нм (42 мэВ). Величина смещения энергетической запрещенной зоны также возрастает с увеличением мощности СВЧ. Этот результат говорит о том, что высокоэнергетическое ВУФ-излучение, генерируемое ЭЦР-плазмой высокой плотности, оказывает на эффект СКЯ более сильное влияние, чем ионная бомбардировка. Таким образом, оно играет важную роль в СКЯ в структурах InGaAs/InGaAsP при использовании этого процесса.

В таблице 2 указаны рассмотренные выше рабочие параметры, указаны их возможные диапазоны значений и предпочтительные диапазоны значений.

В следующем примере слой SiO₂ используется в качестве маски экспонирования плазме Аr для исследования зависимости скорости смешения от толщины SiO₂, осажденного на структуре МКЯ на основе InGaAs/InGaAsP. Возможность управлять степенью смешения, изменяя толщину SiO₂, позволило бы изменять по горизонтали ширину энергетической запрещенной зоны в образце. Это позволило бы создавать приборы, требующие распределения различных рабочих длин волны по образцу, например многочастотные лазеры.

Нарезали образцы со структурами МКЯ на основе InGaAs/InGaAsP размером 2 × 2 мм² и на образцы осадили слои SiO₂ разной толщины с помощью системы ПСХОПФ. Толщина SiO₂ варьировалась в пределах от 100 до 1200 нм. Для каждой толщины SiO₂ использовали четыре образца; это делали для изучения повторяемости процесса.

Все образцы облучили плазмой Аr при мощности ВЧ 450 Вт и мощности СВЧ 1400 Вт в течение 10 мин. По окончании экспонирования по два образца для каждой толщины SiO₂ поместили в раствор HF:H₂O с отношением 2:1. Это было сделано для удаления слоя SiO₂ с образцов перед переходом к процессу отжига. Таким образом изучали эффект отжига при наличии и в отсутствии покрытия SiO₂. Затем образцы подвергли отжигу в БТО при температуре 590°С в течение 2 мин. После этого провели измерения ФЛ для того, чтобы анализировать степень СКЯ.

На фиг.11 показано относительное смещение энергии запрещенной зоны для образцов, облученных плазмой Аr при разных значениях толщины SiO₂. Согласно фиг.11, степень смешения постепенно снижается по мере увеличения толщины SiO₂. Однако при толщине SiO₂ менее 500 нм степень смешения остается достаточно постоянной, причем смещение энергетической запрещенной зоны остается в пределах 40-50 мэВ. При толщине покрытия SiO₂ свыше 800 нм никакого значительного смещения энергетической запрещенной зоны не наблюдалось. В диапазоне значений толщины SiO₂ 500-800 нм было обнаружено значительное снижение степени смешения с увеличением толщины.

Итак, мы выяснили, что процессом СКЯ в структурах МКЯ на основе InGaAs/InGaAsP, облучаемых плазмой Аr, можно управлять путем изменения толщины SiO₂, осаждаемого на образец перед экспонированием. Возможность управлять степенью смешения позволяет изготавливать приборы, которые требуют распределения ширины энергетической запрещенной зоны по образцу. Управляя толщиной SiO₂ в пределах пластины до обручения плазмой Аr, можно создавать такие приборы, как многочастотные лазеры, применяемые в системах МРДВ. Применяя новый метод литографии с использованием полутоновых масок, описанный в нашей совместно поданной международной заявке №PCT/GB 01/00904, можно дополнительно упростить изготовление, поскольку при этом требуется только одноэтапная обработка РИТ для переноса шаблона SiO₂ переменной толщины на образцы. Альтернативно маска может состоять только из фоторезистивного шаблона переменной толщины, наложенного тем же методом нанесения полутоновой маски.

Для исследования лазерной длины волны в материалах, подвергнутых процессу СКЯ, лазеры большой площади со световодом, сформированным путем распределения усиления, изготовили из только что выращенного образца (не прошедшего плазменную обработку и отжиг), контрольного образца (не прошедшего плазменную обработку, но подвергнутого отжигу) и образца, прошедшего смешение под действием плазмы Аr.

Образцы 6 × 6 мм² нарезали вдоль кристаллографической оси из пластины со структурой МКЯ на основе InGaAs/InGaAsP. Эти образцы облучили плазмой Аr при мощности ВЧ 450 Вт и мощности СВЧ 800 Вт в течение 5 мин. Для стимулирования СКЯ провели этап отжига при 590°С в течение 120 с. Затем на образцы нанесли диэлектрическое покрытие из SiO₂ толщиной 200 нм методом ПСХОПФ. После этого с использованием фотолитографии наметили полосковые окна шириной 50 мкм и для открытия этих окон использовали сухое и влажное травление. Чтобы минимизировать повреждение, обусловленное РИТ с использованием CF₄ и O₂, сначала в течение 5 мин провели сухое травление, а затем для удаления оставшихся 75 нм SiO₂ провели влажное травление буферным раствором HF в течение 10 с. Полученные лазеры представляют собой лазеры со световодом, сформированным путем распределения усиления, поскольку инжектированный ток, порожденный инверсной заселенностью, и тонкий волновод действуют только в полосковых областях шириной 50 мкм. После этого осуществили металлизацию передней контактной поверхности (р-тип: Ti/Au, 50 нм/200 нм) с помощью электронно-лучевого испарителя. Затем образцы утончили до толщины около 180 мкм. Осуществили металлизацию задней контактной поверхности (Au/Ge/Au/Ni/Au, 14 нм/14 нм/14 нм/11 нм/200 нм) методом испарения и завершили изготовление отжигом образцов с использования БТО при 360°С в течение 60 секунд. Для снятия характеристик обработанные образцы скрайбировали (т.е. разметили или гравировали) на отдельные лазеры с различными длинами резонаторов. На фиг.12 приведена схема оксидного полоскового лазера 30 со смещенной энергетической запрещенной зоной.

На фиг.13 показаны спектры лазера, изготовленного из только что выращенной структуры, контрольной структуры и структуры, подвергнутой смешению под действием плазмы Аr. Согласно фигуре, линии лазерной генерации для контрольного образца и только что выращенного образца имеют близкие длины волны около 1,55 мкм, а линия лазерной генерации для лазера, прошедшего смешение в плазме Аr, имеет длину волны 1,517 мкм, т.е. смещена на 38 нм.

Использование: при изготовлении интегральных схем. Сущность изобретения: согласно способу изготовления фотонной интегральной схемы, содержащей сложную полупроводниковую структуру, имеющую область квантовой ямы, структуру облучают с использованием источника фотонов для порождения дефектов, причем энергия (Е) фотонов не меньше энергии (Е_с) смешения, по меньшей мере, одного элемента сложного полупроводника. Затем структуру подвергают отжигу, чтобы стимулировать смешение квантовых ям. Предпочтительным источником излучения является плазма, генерируемая с использованием системы электронного циклотронного резонанса. Структура может быть маскирована различным образом для того, чтобы обеспечить избирательное смешение структуры путем управления экспонированием участков структуры. Техническим результатом изобретения является обеспечение смешения квантовых ям облучением структуры с помощью источника фотонного излучения. 15 з. п. ф-лы, 13 ил., 2 табл.

1. Способ изготовления фотонной интегральной схемы, содержащей сложную полупроводниковую структуру, имеющую область квантовой ямы, включающий в себя этапы облучения упомянутой структуры с помощью источника фотонного излучения для порождения дефектов, причем фотоны имеют энергию (Е), по меньшей мере равную энергии (Е_с) смещения по меньшей мере одного элемента сложного полупроводника, и последующего отжига упомянутой структуры для стимулирования смешения квантовых ям.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что источником фотонного излучения является плазма.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что плазму генерируют с использованием либо системы электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), либо системы индуктивно связанной плазмы (ИСП), либо плазменного диска, возбуждаемого пучком низкоэнергетических электронов в вакууме, либо плазменных устройств мягкого рентгеновского излучения (МРИ).4. Способ по п.1, отличающийся тем, что источник фотонного излучения выбирают из группы, состоящей из электрических газоразрядных приборов, эксимерных лазеров, синхротронных устройств, импульсных рентгеновских устройств и источников гамма-излучения.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что способ перед этапом облучения дополнительно включает в себя этап маскирования части упомянутой структуры для управления степенью радиационного повреждения.6. Способ по п.5, отличающийся тем, что этап маскирования выполняют с использованием маски, приспособленной для полного предотвращения смешения.7. Способ по п.5, отличающийся тем, что структуру маскируют различным образом для обеспечения избирательного пространственно управляемого смешения упомянутой структуры путем управления экспонированием участков структуры заранее определенным образом.8. Способ по любому из пп.5-7, отличающийся тем, что маску выбирают из группы, состоящей из двоичных масок, фазовых масок, полутоновых масок, диэлектрических или металлических масок и фоторезистивных масок.9. Способ по п.1, отличающийся тем, что способ дополнительно включает в себя этап пространственного управления смешением с помощью шаблона маски переменного профиля.10. Способ по п.1, отличающийся тем, что способ перед этапом облучения дополнительно включает в себя этапы формирования фоторезиста на упомянутой структуре, экспонирования областей фоторезиста различным образом с обеспечением пространственной избирательности в зависимости от необходимой степени смешения квантовых ям и последующего проявления фоторезиста.11. Способ по п.10, отличающийся тем, что способ дополнительно включает в себя этап наложения оптической маски на упомянутый фоторезист и экспонирования фоторезиста через оптическую маску, оптическое пропускание которой различно для обеспечения пространственной избирательности.12. Способ по п.11, отличающийся тем, что упомянутая оптическая маска является полутоновой маской.13. Способ по любому из пп.10-12, отличающийся тем, что упомянутый фоторезист формируют на маскирующем слое.14. Способ по п.13, отличающийся тем, что упомянутый маскирующий слой является диэлектрическим.15. Способ по п.13, отличающийся тем, что способ дополнительно включает в себя этап травления структуры с проявленным фоторезистом in situ для обеспечения различным образом протравленного маскирующего слоя.16. Способ по п.2, отличающийся тем, что для генерирования плазмы используют систему электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), причем мощность СВЧ системы ЭЦР составляет от 300 до 3000 Вт, более предпочтительно от 1000 до 2000 Вт, рабочая температура составляет от 25 до 500°С, более предпочтительно от 25 до 200°С, рабочее давление составляет от 0,1 до 100 мТорр, более предпочтительно от 20 до 50 мТорр, и время экспонирования составляет от 30 с до 1 ч, более предпочтительно от 4 до 14 мин.