Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам перемешивания квантовой ямы, применяемым при производстве полупроводниковых фотоэлектрических устройств и при интеграции таких устройств в полупроводниковую подложку.
Уровень техники
Беспримесное перемешивание позволяет локально увеличить контролируемым образом ширину энергетической зоны полупроводниковой квантовой ямы, одновременно обеспечивая, таким образом, возможность изготовления пассивного и активного компонентов на полупроводниковой подложке, что позволяет улучшить рабочие характеристики отдельных фотоэлектрических устройств. Это также упрощает внедрение фотоэлектрических устройств в широкомасштабное производство.
Технология перемешивания в квантовой яме (QWI) была разработана для управляемого увеличения энергетической зоны структуры полупроводниковой квантовой ямы (QW). Перемешивание модифицирует структуры энергетической зоны QW. Например, QW GaAs с барьерами AlGaAs может быть перемешана для повышения параболической стенки, которая сдвинута "в сторону голубого" по отношению к QW. Перемешивание является пространственно избирательным, что позволяет изготовлять отдельные фотоэлектрические устройства или фотоэлектрические интегральные микросхемы с пассивными и активными областями.
Опубликовано описание нескольких технологий перемешивания, однако большинство из них представляют собой разупорядочение, индуцированное примесями (IID), разупорядочение, индуцированное лазером, и отжиг диэлектрического покрытия.
Перемешивание квантовой ямы путем разупорядочения примесями требует, чтобы примеси вводили в полупроводник либо способом диффузии с поверхности или способом ионной имплантации. Недостаток использования разупорядочения, индуцированного примесями, состоит в том, что примеси, введенные для разупорядочения кристалла, также приводят к поглощению света и к образованию центров рассеивания и, следовательно, являются нежелательными. Описание технологии диффузии примесями можно найти, например, в публикации V W D Laidig et al, Appi Phys Lett, Vol 38, р776-778, 1981. Описание технологии ионной имплантации приведено в J P Noel et al, Appl Phys Lett, Vol 69, p3516-3518, 1996.
В других технологиях перемешивания не предусматривается введение примесей в кристалл, однако разупорядочение, индуцированное лазером, представляет собой трудно управляемый процесс в условиях производства, поскольку при его применении образуются неоднородности в областях перемешивания. Описание фотоабсорбции приведено в А.МсКее et al, IEEE J of Quantum Electronics, Vol 33, p45-55, 1997.
Вытравливание и избирательную рекристаллизацию также можно использовать как способ получения материалов с множеством энергетических зон, но эта технология является трудновыполнимой и дорогостоящей. См. Т М Cockerill et al, IEEE Photonics Technology Letter, Vol 6. p786-788, 1994.
Отжиг диэлектрического покрытия обладает явными преимуществами в пригодных для производства, "свободных от примесей" процессах перемешивания, см. J H Marsh et al, PCT/GB02/00292 и PCT/GB 02/00445. Однако для обеспечения достаточного перемешивания требуется применение отжига при высокой температуре, что приводит к возникновению проблемы контакта и диффузии примесей. В процессе предусматривается осаждение диэлектрической покрытия, такой как покрытие из кремнезема, на поверхность полупроводника. В процессе напыления на поверхности полупроводника образуются точечные дефекты. В результате теплового отжига происходит обратная диффузия Ga из эпитаксиального слоя в диэлектрическую покрытие. В результате обратной диффузии происходит перемешивание области QW и, следовательно, увеличение ширины энергетической зоны. Недостаток этого процесса состоит в том, что он является трудноуправляемым и требует использования дорогостоящего оборудования для обработки.
Полупроводниковый лазер, покрытый низкотемпературным слоем, для улучшения QWI, был предложен в A S W Lee et al, Appi Phys Lett, 78, 21, p3199 (2001) и A S YV Lee et al. Semicond Sci Tech, 15, 12, L41, (2000). Однако существенное изменение температуры во время роста может улучшить перемешивание, но часто отрицательное влияет на рабочие характеристики лазера.
Раскрытие изобретения
Поэтому настоящее изобретение направлено на разработку технологии перемешивания без примесей, в которой используется низкая температура отжига, которую просто применять в производстве и которая проще и связана с меньшими затратами при изготовлении.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение направлено на способ изготовления полупроводникового устройства в полупроводниковой структуре, содержащий следующие этапы:
формирование первого слоя, эпитаксиального слоя высокого качества, на подложке, причем указанный слой включает квантовую яму;
формирование второго слоя, эпитаксиального слоя с дефектами, поверх эпитаксиального слоя высокого качества; и
тепловую обработку указанной структуры для получения, по меньшей мере, частичной диффузии дефектов из эпитаксиального слоя с дефектами в эпитаксиальный слой высокого качества для обеспечения перемешивания квантовой ямы в структуре,
причем эпитаксиальный слой с дефектами формируют путем изменения соотношения исходных элементов во время выращивания за пределы идеальных или стехиометрических условий для получения дефектов кристаллической решетки.
Краткое описание чертежей
Варианты выполнения настоящего изобретение будут описаны ниже в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 показана схема эпитаксиальной структуры с эпитаксиальным слоем с дефектами, выращенным поверх нее;
на фиг.2 показана слоистая структура 980 нм лазера с верхним слоем из AlGaAs - эпитаксиальным слоем с дефектами;
на фиг.3 показана схема эпитаксиальной структуры по фиг.1 после фотолитографии и вытравливания для изготовления полупроводникового лазера,
на фиг.4 показана схема эпитаксиальной структуры по фиг.3 после нанесения слоя кремнезема и в ходе теплового отжига;
на фиг.5 показана схема энергетической зоны, полученной в результате структуры лазера с областями перемешивания на гранях;
на фиг.6 показана схема эпитаксиальной структуры, в которой в качестве слоя напряжения используют слой AlGaInP с высоким уровнем дефектов;
на фиг.7 показана схема эпитаксиальной структуры на основе InP, имеющей эпитаксиальный слой из GaInAsP с дефектами, выращенный поверх нее;
на фиг.8 показана схема эпитаксиальной структуры, имеющей эпитаксиальный слой с дефектами, выращенной с напряженной QW;
на фиг.9 показана схема эпитаксиальной структуры со структурированной поверхностью и полупроводниковым материалом, выращенным поверх нее:
на фиг.10 показана схема системы с двойной QW, имеющей эпитаксиальный слой с дефектами, расположенный близко к QW, рядом с подложкой;
на фиг.11 показана схема эпитаксиальной структуры, имеющей выращенный поверх нее эпитаксиальный слой с дефектами, легированный примесями; и
на фиг.12 показана схема эпитаксиальной структуры с эпитаксиальным слоем с дефектами, выращенной при существенно более низкой температуре выращивания, что обеспечивает перемешивание.
Осуществление изобретения
В настоящем изобретении предложено вводить эпитаксиальный слой с дефектами в полупроводниковую структуру во время эпитаксиального выращивания структуры так, что структуру можно легко перемешивать с использованием простого процесса отжига при относительно низкой температуре.
Технологию перемешивания в соответствии с настоящим изобретением можно использовать для структур любых полупроводников групп III-V или II-VI, таких как GaAs/AlGaAs, GaInP/AlGaInP, InGaAs/InGaAsP, InGaAs/InAlGaAs и т.п. В качестве примера описан 980 нм InGaAs/AlGalnAs лазер с пассивными областями перемешивания, расположенными рядом с гранью.
Настоящее изобретение предназначено для применения, по меньшей мере, при изготовлении полупроводниковых лазеров, светоизлучающих устройств с вертикальным резонатором, полупроводниковых оптических интегральных схем, полупроводниковых пассивных волноводов, оптоэлектронных интегральных схем и фотоэлектрических интегральных схем.
Выращивание эпитаксиального полупроводникового кристалла высокого качества требует оптимизации соотношения исходных элементов III-V, температуры подложки и других параметров выращивания кристаллов для получения материала высокого качества, пригодного для изготовления фотоэлектрических устройств с высокими рабочими характеристиками. Условия выращивания за пределами этого "окна" параметров выращивания могут привести к повышению уровня дефектов кристаллической решетки, что ухудшает рабочие характеристики устройства. Поэтому при обычном эпитаксиальном выращивании материалов полупроводникового устройства уделяется очень большое внимание поддержанию правильных параметров выращивания.
В настоящем изобретении предложено выращивать высококачественные структуры QW полупроводников, таких как, например, QW лазер, при таких оптимальных условиях выращивания, но с преднамеренным точным и управляемым введением в структуру эпитаксиального слоя с дефектами. Такой слой получают путем эпитаксиального выращивания номинально за пределами оптимального "окна" выращивания. Эпитаксиальный слой с дефектами может быть соответствующим образом перемешан для получения пространственно локализованного увеличения энергетической зоны.
Выражение "эпитаксиальный слой с дефектами" предназначено для охвата любого эпитаксиально выращенного слоя (то есть имеющего непрерывную кристаллическую структуру с распложенной под ним эпитаксиально выращенной кристаллической структурой высокого качества), который включает существенно большее количество собственных дефектов, чем в расположенной под ним кристаллической структуре высокого качества, которая формирует основную часть полупроводникового устройства. Обычно при использовании высококачественного химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) технология эпитаксиального выращивания позволяет получить материал с плотностью дефектов <10 дефектов/см2. Для сравнения высококачественный материал, полученный в результате молекулярно пучковой эпитаксии (МВЕ), позволяет получить плотность дефектов ˜100 дефектов/см2. В настоящем изобретении слой с дефектами имеет плотность дефектов >1000 дефектов/см2 или >106 дефектов/см3.
Выражение "дефект" предназначено для охвата промежуточных элементов, включая легирующий материал, который может быть включен во время эпитаксиального выращивания, и в общем, элементов, которые не находятся в позициях кристаллической решетки, а также в вакансиях, сформированных в кристаллической решетке. В отличие от этого легирующие элементы, которые были внедрены в правильные позиции кристаллической решетки во время эпитаксиального выращивания, обычно не рассматривают как "дефекты" для целей настоящего описания.
На фиг.1 представлено эпитаксиальное выращивание структуры 15 QW полупроводника высокого качества, пригодной для изготовления, например, лазера. Эпитаксиальное выращивание обычно выполняют с использованием МВЕ или MOCVD. Эпитаксиальную структуру 16 высокого качества выращивают при оптимальных условиях, то есть в лучшем "окне выращивания", для получения материала с наивысшим качеством для использования в устройстве лазера (в смысле низкого порогового значения, высокой эффективности наклона, длительного срока службы устройства и т.д.).
В предпочтительном варианте выполнения эпитаксиальный слой высокого качества покрывают во время эпитаксиального выращивания эпитаксиальным слоем или слоями 17 с дефектами. Эпитаксиальный слой или слои 17 с дефектами выращивают путем изменения условий эпитаксиального выращивания, например, соотношения III-V, для произвольного включения кристаллических дефектов управляемым и точным образом. Эпитаксиальный слой с дефектами обеспечивает достаточную плотность дефектов, которая позволяет выполнить перемешивание.
В предпочтительном варианте выполнения стандартную (высокого качества) эпитаксиальную структуру 16 выращивают или осаждают с использованием соотношения исходных элементов V-III, близкого к стандартным условиям 1:1, в то время как эпитаксиальный слой 17 с дефектами выращивают или осаждают с использованием соотношения исходных элементов V-III в диапазоне от стандарт/2 и стандарт/20, что соответствует соотношению 1:0,5 и 1:0,05.
В более общем аспекте для выращивания эпитаксиального слоя 17 с дефектами соотношение исходных элементов изменяют от идеального стехиометрического соотношения для эпитаксиального слоя высокого качества до соотношения, которое повышает количество дефектов до >1000 дефектов/см2 или которое повышает уровень дефектов, по меньшей мере, в 10 раз, и более предпочтительно, в 100 раз, по сравнению с количеством дефектов, содержащихся в эпитаксиальном слое 16 высокого качества.
На фиг.2 в качестве иллюстративного примера показана таблица слоев структуры лазера. В качестве примера выбрали 980 нм лазер, но аналогичные компоновки можно использовать для любого отдельного полупроводникового устройства или игральной схемы, содержащей несколько таких устройств.
Пример полупроводникового лазера обычно состоит из:
Слои 1-10 выращивают в наилучших возможных условиях для получения оптимальных рабочих характеристик лазерной структуры, и они формируют, в комбинации, эпитаксиальный слой 16 высокого качества (фиг.1). Предпочтительно слои выращивают с использованием технологий эпитаксиального выращивания MOCVD и МВБ.
Дополнительный слой 11 (который может содержать последовательность отдельных подслоев) выращивают поверх структуры 15 лазера как эпитаксиальный слой 17 с дефектами. В этом случае эпитаксиальный слой 11, 17 с дефектами может представлять собой, например, слой GaAs, AlGaAs или GaInP. Эпитаксиальный слой с дефектами осаждают за пределами "окна" оптимального выращивания путем изменения, по меньшей мере, одного параметра выращивания, например, соотношения III-V, как описано выше. Это улучшает введение точечных дефектов в слой, например, вакансий Ga. Таким образом, эпитаксиальный слой с дефектами выращивают поверх лазерной структуры. Предпочтительно слой 11 выращивают с использованием технологий MOCVD или МВБ, с использованием низкого значения III-V.
Предпочтительно структура лазера включает слой 12, который представляет собой верхний защитный слой, предназначенный для предотвращения окисления.
Как показано на фиг.3, полученную в результате эпитаксиальную структуру 15 можно обрабатывать с использованием технологии фотолитографии и вытравливания эпитаксиального слоя 17 с дефектами, с применением известных способов, для пространственного выделения областей 30 эпитаксиального слоя 17 с дефектами, расположенного поверх эпитаксиального слоя 16 высокого качества. В предпочтительном варианте изготовления устройства эти области 30 соответствуют концевым участкам граней лазера.
Как показано на фиг.4, образец можно дополнительно обработать путем осаждения слоя 40 SiO2 поверх структуры 15, после чего выполняют тепловой отжиг, в результате которого материал эпитаксиального слоя с дефектами диффундирует в эпитаксиальный слой высокого качества, перемешиваясь в области квантовой ямы.
Эффективность процесса теплового отжига существенно улучшается благодаря использованию эпитаксиального слоя с дефектами так, что процесс QWI отжига можно выполнять при температурах ниже, чем 850 градусов С. Предпочтительно процесс отжига выполняют при температурах ниже, чем 800 градусов С. Процесс отжига позволяет обеспечить распространение дефектов 41 из эпитаксиального слоя с дефектами так, что они диффундируют и перемешиваются в области QW.
На фиг.5 показана схема энергетической зоны лазерного устройства 50. В типичном примере области перемешивания выполняют в концевых областях 51, 53 граней лазера 50 для получения непоглощающих зеркал (NAM), но их не выполняют в области 53 волноводного резонатора лазера. Это обеспечивает возможность изготовления устройств с высокой мощностью и длительным сроком службы.
Этот способ не ограничивается лазером с длиной волны 980 нм, и его можно использовать в любом полупроводниковом лазере или полупроводниковом устройстве, которое имеет область QW и позволяет улучшить отдельные устройства или производство фотоэлектронных схем, которые состоят из активных и пассивных компонентов на кристалле.
Как показано на фиг.6, в альтернативном варианте выполнения эпитаксиальный слой 61 из GaInP или AlGaInP с дефектами эпитаксиально выращивают на эпитаксиальном слое 60 GaAs высокого качества. Эпитаксиальный слой 61 с дефектами кристаллически соответствует расположенной под ним структуре материала GaAs так, что различие в коэффициентах теплового расширения создает локализованное напряжение и, следовательно, индуцирует дополнительные дефекты в нижних слоях, что способствует перемешиванию квантовой ямы во время тепловой обработки. Эпитаксиальный слой 61 с дефектами может содержать несколько подслоев.
Предпочтительно тепловую обработку для перемешивания квантовой ямы выполняют при температуре ниже 850 градусов С, и более предпочтительно при температуре ниже 800 градусов С.
Аналогично, как показано на фиг.7, эпитаксиальный слой 71 с дефектами, состоящий из кристаллической решетки GaInAsP, соответствующий системе материала InP, позволяет получить аналогичный эффект, который описан со ссылкой на фиг.6. Эпитаксиальный слой 71 с дефектами может содержать один или больше подслоев (не показаны).
Использование четверичных (или пятеричных) материалов III-V позволяет изменять энергию дефектов в более широком пространстве параметров, поскольку существуют три (или больше) элементов III группы, которые можно изменять по отношению к элементам V группы во время выращивания. В предпочтительном примере соотношение исходных элементов V-III изменяют от 1:0,5 до 1:0,05. В других примерах соотношение множества элементов группы III друг к другу также можно изменять для изменения уровней дефектов, в то время как соотношение элементов группы V поддерживают на постоянном значении.
Как показано на фиг.8, в другом варианте компоновки слой 85 напряжения может быть внедрен в эпитаксиальный слой 81 с дефектами для улучшения распространения дислокации, поскольку известно, что распространение дислокации прямо пропорционально напряжению сдвига в кристалле. Слой 85 напряжения может содержать один или больше подслоев (не показаны).
Выражение "слой напряжения" предназначено для охвата любого, по существу, монокристаллического слоя, имеющего кристаллическую структуру, которая отличается в смысле постоянной кристаллической решетки, периодичности или ориентации от расположенной под ним эпитаксиально выращенной структуры высокого качества, и который несущественно влияет на оптические свойства формируемого устройства, но достаточен для введения множества дефектов для получения перемешивания квантовой ямы.
Слой 85 напряжения может быть введен путем выращивания одной или больше квантовых стенок в эпитаксиальном слое 81 с дефектами, с толщиной выше, чем критическая. Под критической толщиной можно понимать толщину слоя напряжения, при которой несоответствие кристаллической решетки между двумя слоями становится существенно различным, и напряжение в результате несоответствия кристаллической решетки больше не может поглощаться без образования существенного количества дефектов. В предпочтительном варианте выполнения такое существенное количество дефектов составляет >1000 дефектов/см2. Количество дефектов прямо пропорционально величине несоответствия кристаллической решетки или напряжения в системе.
В качестве альтернативы можно вводить слой 85 напряжения и/или одну или больше квантовых ям поверх критической толщины для нуклеации требуемой дислокации. Таким образом, можно управлять плотностью дислокации в эпитаксиальном слое 81 с дефектами, поскольку плотность дислокации представляет собой функцию напряженности и состава сплава.
Как показано на фиг.9, эпитаксиальный слой 91 с дефектами может быть выращен поверх эпитаксиального слоя 90 высокого качества путем нанесения источников 92 нуклеации на поверхность эпитаксиального слоя 90 при выращивании на нем эпитаксиального слоя 91 с дефектами. Источники 92 нуклеации могут быть сформированы в виде структурированной поверхности 94, которую можно сформировать с использованием обычных фотолитографических технологий. Плотность дислокации продевания может быть доминантным источником несоответствия дислокации вместо выращивания собственных дефектов в слое с дефектами благодаря использованию параметров субоптимального процесса.
В другом варианте выполнения эпитаксиальный слой с дефектами может быть специально разделен по фазе и/или упорядочен для ввода локализованной напряженности в соседние слои. Например, при эпитаксиальном выращивании AlGaInP условия выращивания можно контролировать таким образом, что вместо случайного сплава AlGaInP, фазу AlGaInP можно разделить на атомарные "полоски" из AlP, GaP, hiP и различные комбинации третичной системы III-V. Такое упорядочение создает эпитаксиальные слои с дефектами на границах перехода между "полосками". Эпитаксиальный слой с дефектами не обязательно должен быть локализован сверху эпитаксиального слоя высокого качества. Он может быть внедрен в него на соответствующую глубину под его поверхностью. Как показано на фиг.10, эпитаксиальная структура 100 включает первую квантовую яму 101 и вторую квантовую яму 102, и эпитаксиальный слой 103 с дефектами погружен в эпитаксиальную структуру. Эпитаксиальный слой 103 с дефектами может содержать множество подслоев.
Эпитаксиальные слои 103 с дефектами могут быть расположены на различной глубине в пределах структуры, что позволяет перемешивать свойства в направлении роста кристаллов, а также по плоскости кристалла.
Как показано на фиг.11, в другом варианте выполнения эпитаксиально выращенный слой 111 с дефектами, расположенный поверх эпитаксиального слоя 110 высокого качества, является в высокой степени легированным примесью слоем, при этом после теплового отжига примесь может диффундировать в соседние слои. Пример легированного слоя представляет собой слой из AlGaAs, легированный Be. Предпочтительно уровень примеси находится в диапазоне от 1016 до 1020 см-3 так, что эффект QWI может быть получен без ухудшения рабочих характеристик устройства до неприемлемой степени. Хотя мобильные примеси могут привести к перемешиванию квантовой ямы, эта технология может также иметь недостаток, состоящий в том, что примеси могут действовать как центр абсорбции.
Как показано на фиг.12, эпитаксиальный слой 121 с дефектами может быть выращен путем изменения температуры эпитаксиального выращивания для введения дефектов в эпитаксиальный слой 121 с дефектами при условии, что изменение температуры, используемой для формирования слоя с дефектами, будет недостаточно большим, чтобы оказать отрицательное влияние на рабочие характеристики фотоэлектрического устройства.
Если окно температур, применяемых для выращивания высококачественного материала лазера и выращивания эпитаксиального слоя с дефектами, перекрывается, тогда существует очевидное преимущество в использовании такого перекрывающегося диапазона температур для выращивания слоя с дефектами.
При использовании описанных выше технологий реализуют ряд преимуществ. Использование эпитаксиального слоя с дефектами и слоя напряжения, сформированных в эпитаксиально выращенном полупроводниковом материале, обеспечивает относительно простой и эффективный с точки зрения затрат способ перемешивания полупроводниковой структуры. При этом температура теплового отжига и поверхностного повреждения меньше, чем при использовании способа диэлектриков, описанного в известном уровне техники.
Также может быть обеспечено более простое, более надежное, более эффективное с точки зрения затрат и лучшее управление при подборе ширины энергетической зоны. Пространственно локализованные области перемешивания могут быть получены в направлении выращивания кристаллов, а также по плоскости кристалла.
Другие варианты выполнения находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.
Способ изготовления полупроводникового устройства в полупроводниковой структуре обеспечивает улучшенное перемешивание квантовой ямы в требуемых областях устройства путем формирования вначале высококачественного эпитаксиального слоя на подложке, причем высококачественный слой включает квантовую яму; формирование второго, низкокачественного эпитаксиального слоя с дефектами поверх высококачественного слоя; и тепловую обработку структуры для получения, по меньшей мере, частичной диффузии дефектов из слоя с дефектами в высококачественный слой для получения перемешивания квантовой ямы в структуре. При этом эпитаксиальный слой с дефектами формируют путем изменения соотношения исходных элементов во время выращивания за пределы идеальных или стехиометрических условий для получения дефектов кристаллической решетки. Также предложено устройство, изготовленное данным способом. Изобретение позволяет выполнять технологию перемешивания квантовой ямы при более низких температурах и, таким образом, улучшает характеристики устройства. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 12 ил.
формирование первого слоя, эпитаксиального слоя высокого качества на подложке, причем указанный слой включает квантовую яму;
формирование второго слоя, эпитаксиального слоя с дефектами поверх эпитаксиального слоя высокого качества; и
тепловую обработку указанной структуры для получения, по меньшей мере, частичной диффузии дефектов из эпитаксиального слоя с дефектами в эпитаксиальный слой высокого качества, для обеспечения перемешивания квантовой ямы в структуре,
причем эпитаксиальный слой с дефектами формируют путем изменения соотношения исходных элементов во время выращивания за пределы идеальных или стехиометрических условий, для получения дефектов кристаллической решетки.
обеспечение отношения исходных элементов V-III во время выращивания эпитаксиального слоя высокого качества, по существу, равного 1:1; и
обеспечение отношения исходных элементов V-III во время выращивания эпитаксиального слоя с дефектами в диапазоне от 1:0,5 до 1:0,05.
| Топчак-трактор для канатной вспашки | 1923 |
|
SU2002A1 |
| 0 |
|
SU167568A1 | |
| СПОСОБ ОБРАБОТКИ КОНИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ШЕСТЕРНИ И ВАЛА ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ПОСАДКИ | 0 |
|
SU219381A1 |
