Способ формирования оптически прозрачного омического контакта к поверхности полупроводникового оптического волновода электрооптического модулятора Российский патент 2020 года по МПК H01L21/28 

Изобретение относится к технологии микроэлектроники, а именно к созданию оптически прозрачного омического контакта (OК) к поверхности контактного слоя p⁺-InGaAs полупроводникового волновода электрооптического модулятора (ЭОМ) реализованного на основе p-i-n гетероэпитаксиальной структуры InP/InGaAs.

Известен электрооптический модулятор, выполненный на базе интерферометра Маха-Цендера, изготовленный в интегрально-оптическом исполнении [1], включающий монокристаллическую подложку, сформированные на подложке и расположенные в плечах модулятора два оптических волновода, связанные с одним входом и двумя выходами модулятора. В каждом плече модулятора расположен фазовый модулятор, выполненный в виде электродов, создающих касательные электрические поля, проникающие в сечение каждого волновода при приложении к ним управляющего электрического напряжения. Исходный световой поток, распространяясь по волноводам, расщепляется на два пучка света. При движении в расщепленном виде по волноводам световые потоки оказываются в зоне действия поперечного электрического поля, ориентированного по касательной к поверхности подложки. При приложении управляющего электрического напряжения к электродам в одном из волноводов происходит дополнительное, вызванное действующим электрическим полем, "убыстрение" светового потока, в то время как в другом волноводе происходит аналогичное "замедление" потока. Поэтому в результате соединения расщепленных потоков на выходе происходит интерференция сдвинутых по фазе пучков света, и в один из выходов модулятора попадает оптический поток, интенсивность которого зависит от созданной разности фаз, которая в свою очередь определяется величиной управляющей разности потенциалов. В результате происходит модуляция электрическим сигналом пропускаемого по оптическому полупроводниковому волноводу светового излучения.

При создании ЭОМ указанной конструкции на основе p-i-n гетероэпитаксиальной структуры InP/InGaAs [2, 3] формирование электродов управления фазовым модулятором осуществляется к контактному слою p⁺-InGaAs. Для обеспечения низкоомного омического контакта электрода управления к контактному слою p⁺-InGaAs традиционно используют металлический контакт Ti/Pt/Au[4].

Приведенная в [2] конструкция ЭОМ, является наиболее близким аналогом, в совокупности с указанной контактной металлизацией Ti/Pt/Au обладает существенным недостатком: ввод и вывод оптического излучения через полупроводниковый волновод возможен только с торцевой части кристалла ЭОМ, и требует высокой точности совмещения центров оптического волокна и полупроводникового волновода.

Также известен способ вертикального ввода оптического излучения в рефлекторную решетку полупроводникового волновода ЭОМ [5]. Недостатком данного технического решения является частичное использование площади полупроводникового волновода, в связи с тем, что вышеуказанная металлизация управляющего контакта, находящегося на поверхности полупроводникового волновода, препятствует прохождению сквозь него оптического излучения, что является основным его недостатком.

Техническим результатом изобретения является разработка способа формирования оптически прозрачного омического контакта к поверхности полупроводникового оптического волновода электрооптического модулятора, выполненного на основе p-i-n гетероэпитаксиальной структуры InP/InGaAs. Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе в качестве контактного слоя используется пленка оксида индия, легированного оловом (Indium tin oxide, ITO).

Предлагаемый способ основан на следующих экспериментальных фактах установленных авторами при исследовании омических характеристик контакта ITO/p⁺-InGaAs (концентрация носителей в слое p⁺-InGaAs составляла 2·10¹⁹ см^-3) путем измерения их вольтамперных характеристик (ВАХ) и контактного сопротивления, а также сравнение этих параметров с характеристиками контакта на основе многослойной структуры Ti/Pt/Au с толщинами слоев 50/25/400 нм, соответственно, напыленной электронно-лучевым испарением. Плёнки ITO напылялись методом реактивного магнетронного распыления металлической мишени In/Sn в атмосфере О₂(29%)/Ar(71%) в течении 10 минут при токе разряда 0,3 А с последующим отжигом в среде воздуха. Спектр пропускания пленок ITO приведен на Фиг.1. Дополнительно были проведены исследования характеристик контактов ITO/p⁺-InGaAs, пленки ITO для которых были напылены с применением предложенной ранее авторами магнитной отклоняющей системой [6].

Анализ полученных ВАХ (Фиг.2.) показал, что контакт ITO/ p⁺-InGaAs уже без отжига имеет симметричную относительно начала координат ВАХ, близкую к линейной. После проведения высокотемпературного отжига контакта ITO/p⁺-InGaAs ВАХ становится линейной, а контактное сопротивление уменьшается. На Фиг.3. представлена зонная энергетическая диаграмма контакта ITO/ p⁺-InGaAs, построенная с учетом параметров обоих материалов, а также с учетом того, что после отжига плёнки ITO является широкозонным вырожденным полупроводником n-типа и в целом обладают свойствами металла. Оценка зонной энергетической диаграммы показывает, что в следствии высокой степени легирования обоих контактных материалов энергетический барьер получился достаточно тонким, что обеспечивает наличие туннельного механизма переноса носителей заряда.

Исследование непосредственно контактного сопротивления производилось методом TLM. При этом, для установления влияния температуры отжига контактных слоев на изменение контактного сопротивления исследуемые образцы подвергались высокотемпературному отжигу в течении 10 минут при различных температурах. Результаты исследования контактного сопротивления представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Контактное сопротивление исследуемых образцов при различной температуре отжига

Температура отжига контакта, °С Контактное сопротивление, Ом·см² Ti/Pt/Au/p-InGaAs ITO/p-InGaAs
(напыление ITO без отклоняющей системы) ITO/p-InGaAs
(напыление ITO с отклоняющей системой) 300 5,75·10^-6 5,46·10^-5 2,0·10^-4 350 5,84·10^-6 8,60·10^-5 2,6·10^-4 400 6,90·10^-6 4,0·10^-4 3,8·10^-4

Следует отметить, что при напылении плёнок ITO с применением магнитной отклоняющей системы контактное сопротивление ITO/p⁺-InGaAs является более стабильным, что связано с менее нарушенной границей раздела ITO/полупроводник.

Таким образом, предлагаемое в способе решение имеет следующие преимущества перед способом прототипом.

1. Обеспечение прозрачности для проходящего сквозь контакт оптического излучения.

2. Формирование ЭОМ по технологии самосовмещенного с волноводом управляющего электрода за счет возможности плазмохимического травления пленок ITO и слоя p⁺-InGaAs в едином технологическом цикле вследствие близости составов материалов.

3. Увеличение процента выхода годных и улучшение качества изготавливаемого контакта, вследствие уменьшения вероятности межоперационных загрязнений полупроводниковой структуры.

Практически предлагаемый способ формирования оптически прозрачного омического контакта к поверхности контактного слоя p⁺-InGaAs полупроводникового оптического волновода электрооптического модулятора может быть реализован по следующему технологическому маршруту (Фиг.4). Первым этапом производится напыление пленки ITO методом магнетронного распыления металлической мишени In/Sn в атмосфере О₂(29%)/Ar(71%) в течении 10 минут при токе разряда 0,3 А с последующим нанесением на ее поверхность диэлектрического слоя нитрида кремния методом плазмохимического осаждения (Фиг.4а). Далее производится формирование диэлектрической маски путем проведения операций нанесения/экспонирования и проявления фоторезистивных плёнок, с последующим плазмохимическим травлением диэлектрических плёнок, удаления фоторезистивной маски, плазмохимическое травление плёнки TCO и полупроводника p-типа проводимости по маске сформированного диэлектрического рисунка (Фиг.4б). После этого формируется диэлектрическая маска путем проведения операций нанесения/экспонирования и проявления фоторезистивных плёнок, с последующим плазмохимическим травлением диэлектрических плёнок, производится удаления фоторезистивной маски, плазмохимическое травление полупроводника i-типа проводимости по маске сформированного диэлектрического рисунка, удаление остатков диэлектрической маски плазмохимическим травлением с последующим проведением отжига сформированной топологии на основе плёнки ITO, формирование диэлектрической маски путем проведения операций нанесения/экспонирования и проявления фоторезистивных плёнок, с последующим плазмохимическим травлением диэлектрических плёнок, удаление фоторезистивной маски, плазмохимическое травление полупроводника n-типа проводимости по маске сформированного диэлектрического рисунка и удаление остатков диэлектрической маски плазмохимическим травлением (Фиг.4в). Для получения более термостабильного контакта напыление пленки ITO на поверхность контактного слоя p⁺-InGaAs может производится с применением магнитной отклоняющей системы, разработанной авторами.

Использование плёнок ITO при изготовлении ЭОМ на основе p-i-n гетероэпитаксиальной InP/InGaAs структуры позволило получить омический контакт с контактным сопротивлением 10^-4– 10^-5 Ом·см² с коэффициентом пропускания на длине волны 1550 нм более 85%.

Список цитируемой литературы:

1. Integrated mach-zehnder modulator modulateur mach-zehnder integre: заявка № WO/2003/089984, МПК G02F 1/313 / Vonsovici Adrian Petru, Kling Laurent; заявл. 21.03.2003; опубл. 30.10.2003.

2. Электрооптический модулятор MZM-01: свид. 2018630135 Рос. Федерация. № 2018630114 / Арыков В.С., Жидик Ю.С., Степаненко М.В., Троян П.Е., Юнусов И.В.; заявл. 06.07.2018; опубл. 21.08.2018.

3. Электрооптический модулятор MZM-02: свид. 2018630134 Рос. Федерация. № 2018630115 / Арыков В.С., Жидик Ю.С., Степаненко М.В., Троян П.Е., Юнусов И.В.; заявл. 06.07.2018; опубл. 21.08.2018.

4. Бланк Т.В. Механизмы протекания тока в омических контактах металл–полупроводник (обзор) / Т.В. Бланк, Ю.А. Гольдберг // Физика и техника полупроводников. 2017. – № 41(11). – C. 1281

5. Ramsey, S. Advanced Photonics Packaging and System Integration Services within EUROPRACTICE [Электрнный ресурс] / S. Ramsey. Режим доступа: http://europractice-ic.com/wp-content/uploads/2019/05/Tyndall_Photonics_Packaging_within_EuroPractice_V1.5.pdf

6. Способ напыления тонкопленочных покрытий на поверхность полупроводниковых гетероэпитаксиальных структур методом магнетронного распыления: пат. 2601903 Рос. Федерация. № 2015108566/02 / Троян П.Е., Жидик Ю.С., Гумерова Г.И.; заявл. 11.03.2015; опубл. 10.11.2016 Бюл. № 31.

Изобретение относится к технологии микроэлектроники. Способ формирования оптически прозрачного омического контакта к поверхности полупроводникового оптического волновода электрооптического модулятора, выполненного на основе p-i-n гетероэпитаксиальной InP/InGaAs структуры включает напыление контактной пленки электрода на поверхность p⁺-InGaAs методом магнетронного распыления с последующим нанесением на ее поверхность диэлектрического слоя нитрида кремния методом плазмохимического осаждения, формирование диэлектрической маски путем проведения операций нанесения/экспонирования и проявления фоторезистивных плёнок с последующим плазмохимическим травлением диэлектрических плёнок, удалением фоторезистивной маски, плазмохимическим травлением контактной пленки электрода и полупроводника p-типа проводимости по маске сформированного диэлектрического рисунка, формированием диэлектрической маски путем проведения операций нанесения/экспонирования и проявления фоторезистивных плёнок с последующим плазмохимическим травлением диэлектрических плёнок, удалением фоторезистивной маски, плазмохимическим травлением полупроводника i-типа проводимости по маске сформированного диэлектрического рисунка, удалением остатков диэлектрической маски плазмохимическим травлением с последующим проведением отжига сформированной топологии контактной пленки электрода, формированием диэлектрической маски путем проведения операций нанесения/экспонирования и проявления фоторезистивных плёнок с последующим плазмохимическим травлением диэлектрических плёнок, удалением фоторезистивной маски, плазмохимическим травлением полупроводника n-типа проводимости по маске сформированного диэлектрического рисунка и удаление остатков диэлектрической маски плазмохимическим травлением, а в качестве контактной пленки электрода используется оптически прозрачная электропроводящая пленки ITO, осажденная методом реактивного магнетронного распыления. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении прозрачности омического контакта управляющего электрода ЭОМ для проходящего сквозь контакт оптического излучения, возможности формирования ЭОМ по технологии самосовмещенного с волноводом управляющего электрода, а также в обеспечении увеличения процента выхода годных образцов ЭОМ и улучшения качества изготавливаемого контакта. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ формирования омического контакта к поверхности полупроводникового оптического волновода электрооптического модулятора, включающий формирование омического контакта к поверхности p⁺-InGaAs полупроводникового оптического волновода электрооптического модулятора, выполненного на основе p-i-n гетероэпитаксиальной InP/InGaAs структуры, отличающийся тем, что для формирования омического контакта проводят напыление контактной пленки электрода на поверхность p⁺-InGaAs методом магнетронного распыления с последующим нанесением на ее поверхность диэлектрического слоя нитрида кремния методом плазмохимического осаждения, формирование диэлектрической маски путем проведения операций нанесения/экспонирования и проявления фоторезистивных плёнок с последующим плазмохимическим травлением диэлектрических плёнок, удалением фоторезистивной маски, плазмохимическим травлением напыленной контактной пленки электрода и полупроводника p-типа проводимости по маске сформированного диэлектрического рисунка, формирование диэлектрической маски путем проведения операций нанесения/экспонирования и проявления фоторезистивных плёнок с последующим плазмохимическим травлением диэлектрических плёнок, удалением фоторезистивной маски, плазмохимическим травлением полупроводника i-типа проводимости по маске сформированного диэлектрического рисунка, удалением остатков диэлектрической маски плазмохимическим травлением с последующим проведением отжига сформированной топологии контактной пленки электрода, формирование диэлектрической маски путем проведения операций нанесения/экспонирования и проявления фоторезистивных плёнок с последующим плазмохимическим травлением диэлектрических плёнок, удалением фоторезистивной маски, плазмохимическим травлением полупроводника n-типа проводимости по маске сформированного диэлектрического рисунка и удаление остатков диэлектрической маски плазмохимическим травлением, при этом для получения оптически прозрачного омического контакта к поверхности полупроводникового оптического волновода электрооптического модулятора в качестве контактной пленки электрода используют оптически прозрачную электропроводящую пленку ITO, осажденную методом реактивного магнетронного распыления.

2. Способ формирования омического контакта к поверхности полупроводникового оптического волновода электрооптического модулятора по п. 1, отличается тем, что контактная пленка электрода ITO осаждается методом реактивного магнетронного распыления с применением магнитной отклоняющей системы.