CN1246962A - 在同一衬底上制造一个异质结双极型晶体管和一个激光二极管 - Google Patents

在同一衬底上制造一个异质结双极型晶体管和一个激光二极管 Download PDF

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Abstract

异质结双极型晶体管HBT和激光二极管LD由包括多个半导体层(1－9)的公用外延结构制作。晶体管可以由外延步骤结束之后得到的材料直接制作。为制作激光二极管,需要通过向材料中扩散(21)锌来改变结构,这样最顶层材料层的掺杂剂类型将由n－型转变为p－型。这是在晶片上的选定区域内进行的,这样,晶体管和激光二极管可以单片集成在一起。激光器的有源区(5)位于晶体管的集电极(3－5),这为元件的设计提供了一定的自由度,并且可以对两个元件分别进行优化。因此,激光器和HBT可以具有相同的结构,如同它们分别得到优化一样。例如,激光器可以是垂直注入型,因此,可以得到与分立激光器相同的性能。

Description

在同一衬底上制造一个异质结双极型晶体管和一个激光二极管
本发明涉及在同一衬底上或由同一衬底制造异质结双极型晶体管和激光二极管的方法，也涉及到适于这种制造工艺的衬底。
70年代末，美国加利福尼亚理工学院(CALTECH)开始了单片(例如，安排在同一晶片上或电路板里)光电集成回路的研究，参看C.P.Lee，S.Margalit，I.Ury和A.Yariv的文章，“(在半绝缘GaAs衬底中集成注入型激光器和Gunn振荡器)Integration of an injection laserwith a Gunn oscillator on a semi-insulating GaAs substate”，Appl.Phys.Lett.，Vol.32，No.12，pp.806-807，June 1978。其原因与发展集成硅电路的原因相同，即希望将光元件如激光器、波导、探测器，象晶体管一样制造在同一衬底上，从而大批量、低成本地生产晶片。单片集成还可以减少晶片的数量，这样就可以将更多的功能组装到一个电路板上，电路板上一般装有不同的晶片。由于需要较少的外部连接，这样做还提高了系统的可靠性。这里补充一点，获得这些好处的条件是，与独立制造的元件相比，集成在一起的各种元件的性能不会下降。
现在，对于如何将光元件和电元件组合到同一晶片的问题，寻找其解决方法的兴趣不仅源于技术方面而且源于系统方面。为了能够建立未来的光网络，例如甚至延伸到家庭的光网络，需要成本更低的解决方案，这反过来对技术发展提出了大量要求。
存在许多不同的可供选择的实现单片集成的方法。这些方法部分依赖于所选择的波长，也就是所使用的基本半导体材料，例如选择砷化镓还是磷化铟，部分地依赖于所选择的电元件，例如使用异质结双极型晶体管还是场效应晶体管，还部分地依赖于所选择的、需要的光元件，例如光探测器、激光器或调制器，还部分依赖于集成方法。通常将集成方法分为三类：
垂直集成。一个叠一个地依次形成两个或多个均包括电或光电元件的结构。
水平集成。一个挨一个地形成两个或多个均包括元件的结构。首先为制造元件而形成不同的层，然后在已制造元件的旁边、在晶片的选定部分将这些层刻蚀掉。然后在材料已被刻蚀掉的区域上形成下一个元件。
使用相同的基本结构制造两种元件。形成一个基本的层结构，对它的进一步处理包括例如为确定各个元件而蚀刻，仅包括用于电连接的应用层，但是不包括其它层，导致不同类型的元件互相隔离。
方法1和2的优点是在原理上可以对每个制造的元件进行优化。缺点是这些制造方法通常很复杂，包括非常多的工艺步骤。方法3的制造工艺较简单，但是通常需要对制造的不同元件的性能进行折衷。
对于激光器，文献中经常提到的一种方法是，从垂直注入变为横向注入，这样的激光器称为LCI激光器(横向电流注入激光器)。然后，利用扩散或注入的方法限定不同的n和p掺杂层，这可以有选择地制造在衬底表面的不同部分上，从而可以由同一衬底或晶片制造激光器和晶体管。这种方法已被用来集成激光器和FET，参看前面引用过的C.P.Lee等人的文章，这种方法也已被用来集成激光器和HBT，参看N.Bar-Chaim，Ch.Harder，J.Katz，S.Margalit，A.Yariv，I.Ury，“GaAlAs掩埋异质结激光器和双极晶体管的单片集成(Monolithicintegration of a GaAIAs buried-heterostructure Laser and abipolar phototransistor)”，Appl.Phys.Lett.，40(7)，556，(1982)。然而这种方法的缺点是得到的是新型的激光器和/或晶体管。另一种已被采用的思想是首先生成激光器结构并且在它的顶部生成一个未掺杂层，场效应晶体管由此未掺杂层制造。参看T.Fukuzawa，M.Nakamura，M.Hirao，T.Kuroda，and J.Umeda，“GaAlAs注入型激光器和肖特基栅场效应晶体管的单片集成(Monolithic integration ofa GaAlAs injection laser with a Schottky-gate field effecttransistor)”，Appl.Phys.Lett.，36(3)，181，(1980)。为了获得与激光器的p型顶层的电连接，可以在未掺杂层种扩散p型杂质(这里用锌)。
本发明的目的是提供一种方法，利用该方法可以简单地在同一衬底或晶片上制造晶体管和激光器，而不会象传统制造方法那样降低晶体管和激光器的性能。
因此，本发明解决的问题是如何在同一衬底或晶片上制造晶体管和激光器，以便使得这样制造的晶体管和激光器的性能与单独制造的相应元件的性能基本相同。
在同一衬底上制造晶体管和激光器时，首先制造一个基本结构，该结构中的一个叠一个安置的半导体层具有适当的选定顺序。具体地讲，起始层基本上是“传统的”HBT结构。然后在晶片的某些区域将基本结构转换成激光器。由此，激光器是垂直注入型的，能够获得与分立激光器相同的性能。向激光器结构的转换是通过在材料中扩散锌实现的。其中的优点是能够基本上得到相同结构的激光器和HBT，就象它们被单独地优化过一样。在GaAs/GaAlAs中实现了类似的结构；参看J.Katz，N.Bar-Chaim，P.C.Chen，S.Margalit，I.Ury，D.Wilt，M.Yust，A.Yariv，“A monolithic integration of GaAs/GaAlAs bipolartransistor and heterostructure laser”，Appl.Phys.Lett.37(2)，211，1980。该文章提出的方法包括将激光器的有源区位于HBT的基极，这与本申请提出的方法不同。在文章A.K.Goyal，M.S.Miller，S.I.Long and D.Leonard，“A single epitaxial structure for theintegration of lasers with HBTs”，SPIE，Vol.2148，pp.359-366，1994，中，也在GaAs/GaAlAs材料系统中使用了单片集成，但是有源区位于集电极，这与本申请描述的设计方案相同，这样做为元件的设计提供了更大的自由，并且允许对两个元件分别进行优化。
异质结双极型晶体管HBT和激光二极管LD是由同一外延结构制造的。然后，只需要通过限制、隔离、绝缘等工艺就可以直接由该外延结构制造晶体管，和/或通过刻蚀和施加电接触层而界定晶体管。因此，晶体管的各个有源层是结构中形成的外延层。为了制造激光二极管，通过向该结构中扩散锌而使结构改变，所以，最顶材料层的掺杂类型由n型转变为p型。这种转变是在晶片的选定区域进行的，结果是晶体管和激光器就那样单片集成在一起。通常，也可以使用相反的类型转变，即在顶层由p型掺杂转变为n型掺杂。
本发明其它目的和优点将在下面的描述中进行陈述，一部分目的和优点可以从描述中看出，或者通过本发明实例而领会。本发明的目的和优点可以通过附属权利要求特别指出的方法、工艺、工具和组合而实现和获得。
参考附图，考虑下面对非限制性具体实现方案的详细描述，可以完全理解本发明以及上述和其它特点，其中：
图1是适于制造晶体管的、一个叠一个的层的基本序列的剖面示意图。
图2是图1中序列的剖面图，该图说明为了制造适合激光器的结构而在其中扩散了一些物质。
图3是由图1中的层序列制造的晶体管的剖面示意图。
图4是根据图2进行修改之后，由图1中的基本层序列制造的激光器的剖面示意图。
图5是根据图2得到的、Zn浓度随扩散面以下的扩散深度而变化的曲线。
图6是图3所示的晶体管在处于平衡状态时的能带图。
图7是图4所示的正向偏置激光器的能带图。
图8是连接在共射极耦合电路中的、图3所示晶体管的集电极和发射极之间的测量电流ICE随集电极与发射极之间的电压VCE变化的曲线。
图9是图4所示的激光器产生的光功率随电流变化的曲线。
下面将描述一个使用具体材料的具体实施方案。需要明白的是，可以使用具有相应特性的其它材料，特别是具体的掺杂类型可以转换相反的掺杂类型，即n和p型掺杂可以分别由p和n型掺杂替换。
图1给出了普通外延层序列的示意剖面图，该序列适于在同一衬底上制造HBT和激光二极管，是由磷化铟InP的材料系统实现的。为了简化，图示的所有层都具有相同的厚度，然而在实际制造该结构时，根据有目的的操作、材料、掺杂等，这些层自然地具有不同的厚度。外延结构是利用金属有机物汽相外延(MOVPE)或类似的工艺生长的，利用该工艺可以较好地控制厚度和扩散浓度。为了便于单片集成多个晶体管和激光二极管，即，将多个作为晶体管或激光二极管的结构制作在同一晶片上，衬底可以是n型InP，但是使用半绝缘的，如掺杂了铁的InP，可以获得更多的优点。外延结构包含多个材料、厚度、掺杂均不相同的p型或n型层。一般情况下，需要具有相对较宽带隙的材料，这里是InP，需要带隙较窄、折射率较高的材料，这里是InGaAsP，其光荧光波长为λPL＝1.3μm，简称Q(1.3)，还需要光学有源材料，这里是InGaAsP，其光荧光波长为λPL＝1.55微米，简称Q(1.55)。此外，带隙相对小的材料可以减小接触阻抗，这里是InGaAs。
参看图1，结构包括：
n-InP的缓冲层1，
重掺杂的n-InP层2，
轻掺杂的n-InP层3，
轻掺杂的n-Q(1.3)层4，
未掺杂的多量子阱5，包括一个或多个由应变或非应变势垒包围的应变或非应变量子阱。因而在优选情况下，多量子阱5包括多个交替地属于不同类型的相对较薄的薄层。整个多量子阱设计成具有等于0的净电压，即是经过补偿的电压，
重掺杂的p-Q(1.3)层6，
轻掺杂的n-InP层7，
重掺杂的n-InP层8和
顶部重掺杂的n-InGaAs的层9。
层3，4，和5形成待制造的HBT的集电极，层6形成HBT的基极。异质结位于层3和4之间以及层6和层7之间。在待制造的激光器中，层5形成有源区，层4和层6形成波导区。
在制成外延结构之后，为了制造激光二极管而进行扩散工艺步骤，参看图2，从气态二乙基锌(EDZn)或者从其它适当的锌源获得的锌，在一定的温度和压力下和在一定的持续时间内，对照箭头21，扩散到材料中，这产生至少与图1中的层7，8，和9相对应的扩散深度。在将锌植入其中的那些材料中，锌与材料结构相互配合，充当空穴。在适当的浓度下，空穴将补偿顶层中的n型掺杂，更高浓度的锌将使得这些层中的材料变为的p型掺杂。为了在晶片上选择扩散区域，整个晶片均覆以氮化硅(SiN)，见层22，利用光刻技术将该层区域中的预定部分打开，即将其中的SiN去除。覆以SiN的区域将不受锌扩散的影响，参看图2。
对光刻技术选择的区域进行干法刻蚀和湿法刻蚀，可以产生结构的隔离或限定，该结构用作HBT。对于制作激光二极管的结构，需要产生深达衬底的槽。
如上所述，HBT是通过横向界定根据图1的层序列而直接获得的。HBT具有垂直设计，在各层具有连接集电极、基极和发射极的触点，参看图3。利用槽进行横向界定，槽包括两个中间台阶，一个台阶在层2的顶部，一个台阶在层6的顶部。集电极触点12和基极触点11分别淀积在这些台阶上。位于集电极触点外侧的凹槽一直延伸到衬底，如上文在参考横向限定结构时所提出的。对于n-InP衬底，集电极触点12还可能位于衬底的下面。发射极触点13位于最顶层的外表面。各层的功能是：
层2作为集电极触点层，
集电极由层3-5形成，
层6是晶体管的基极，
发射极由层7形成，
层8和层9是接触层。
该结构有别于传统HBT的特点是：在结构将转变成激光器的情况下，为了不吸收激光器的量子阱发射的光，基极材料的带隙必须足够大。这导致基极和发射极之间的价带带隙的不连续性降低。然而，为了不对晶体管的电流增益产生显著的影响，需要提高这种不连续性以便使其仍具有足够高的不连续性。另一个差别是在集电极存在多量子阱。然而，这不会显著地影响晶体管的特性(非-DC)。
在按照上述方法设计的元件和传统的高性能HBT之间，其操作没有显著的差异。
在激光二极管中进行横向界定和产生触点装置之后，就得到了利用参照图2描述的扩散工艺产生的结构。激光二极管具有一个n型触点，该触点在衬底为半绝缘衬底时与集电极触点12相同，并与其处于同一表面。如果衬底是n-InP，那么触点可以淀积在衬底的背面，如图4中的14所示。激光器在层序列中的最顶层9的顶部有一个p型触点15。各层的作用参看图4：
层1-3构成盖层和接触层，
层4中的下层分别限制异质结构(“分别限制结构”)，
层5是有源区，
层6中的上层分别限制异质结构，
层7和8形成盖层，
层9是接触层。
这个结构具有传统双异质结量子阱激光器所具有的全部部件，并且基本上与用于波长1.55微米的先进激光器的标准结构等同。其中的一点差异是p型重掺杂，这种p型重掺杂位于上异质结的顶层，这对于HBT是必需的，并将导致激光器性能的下降。然而，在适当的掺杂浓度下，已经取得了令人满意的好结果，模拟结果表明为了改进结构的设计掺杂浓度甚至可以更高。在层4和层6的隔离异质结构中，存在着相应晶体管的异质结。区域5中的激光器的有源区和层4中的下n-SCH位于相应晶体管的集电极区。形成上p-SCH的层6构成相应晶体管的基极。
在实验中，在680℃下、在n-InP衬底上，利用低压金属有机物汽相外延MOVPE技术制成了图1所示的基本外延结构。利用DEZn作为锌源，在超大气压的磷烷PH3下，利用氢气作为载气，将锌扩散到了材料中。温度保持在475℃。超大气压在1小时20分时间内为100mbar。InP层中锌的浓度超过1×1018，参看图5的曲线。所制造结构的配置见下表。
为了制造HBT，通过蒸发和剥离光刻胶层以传统方法在其顶部淀积金属层而淀积了由Ti/Pt/Au构成的发射极触点，然后利用剩余的金属作为掩膜在离子气氛中利用反应离子刻蚀(RIE)技术向下刻蚀到基极层6，其中离子气氛包括氢气和甲烷，以及随后是基于HCl∶H2O的选择性湿法蚀刻液。然后按照与发射极触点相同的方式制作由Pt/Ti/Pt/Au构成的基极触点。界定氮化硅掩膜，并使其覆盖基极和发射极触点。通过干法蚀刻，去除环绕用于形成图3所示的基本结构的中央结构的部分基极和集电极层。通过蒸发Ni/AuGe使集电极触点淀积在衬底的背面。在图8中，对于得到的、连接在共射极耦合电路中的晶体管，测量到的、由集电极到发射极的电流ICE在基极电流为IB＝0、20、40、…、100微安时，是集电极和发射极之间的电压VCE的函数。
由基本结构制造脊型激光二极管的工艺始于在其上表面绘制宽度为3μm的线条，这是为了限定激光器结构，然后按照与上述发射极触点相同的方式将顶触点施加到顶部表面。然后，利用金属触点作为干法刻蚀的掩膜向下刻蚀到激光器的p型盖层。利用选择性湿法刻蚀向下刻蚀到刻蚀停止层，以便完成激光器的脊型结构。为了钝化和平面化，通过PECVD(等离子体增强化学汽相淀积，与图4中的钝化区16相比)淀积1.5μm厚的氮化硅层。晶片向下抛光到大约120μm厚，并通过蒸发施加由AuGe/Ni/Ti/Pt/Au构成的底触点。然后，将激光器分割开，并安装用作散热器的硅载体上。在图9中，示出了制作的激光器产生的光功率随注入电流的变化曲线。表1.HBT结构层          材料                    厚度[nm]          掺杂[cm-3]触点        InGaAs                     50              n：5·1018
        InP                        1300            n：1·1018
        InGaAsP(λ＝1.3μm)        2               n：1·1018发射极      InP                        200             n：5·1017间隔层      InGaAsP(λ＝1.3μm)        5               未掺杂基极        InGaAsP(λ＝1.3μm)        80              p：4·1018集电极      9xInGaAsP-(λ＝1.3μm)-    8               未掺杂
        阻挡层张应变0.9％
        8xInGaAsP-(λ＝1.55μ      7                   未掺杂
        m)-量子阱压应变1％集电极      InGaAsP(λ＝1.3μm)        40               n：1·1017集电极      InP                        200              n：1·1017亚集电极    InP                        500              n：1·1018表2激光二极管结构层               材料                 厚度[nm]          掺杂[cm-3]触点             InGaAs                 50                p扩散盖层             InP                    1300              p扩散蚀刻停止层1      InGaAsP(λ＝1.3)       2                 p扩散盖层             InP                    200               p扩散p-SCH            InGaAsP(λ＝1.3μm)    5                 p扩散p-SCH            InGaAsP(λ＝1.3μm)    80              p：4·1018有源层           9xInGaAsP-(λ＝1.3μ   8                 未掺杂
             m)-阻挡层张应变0.9％
             8xInGaAsP-(λ＝1.55μ  7                 未掺杂
             m)-量子阱压应变1％n-SCH            InGaAsP(λ＝1.3μm)    40              n：1·1017盖层             InP                    200             n：1·1017盖层             InP                    500             n：1·1018
图6和图7示出了计算得到的电子/空穴的能带图，其中图6是处于平衡状态的HBT结构的能带图，图7是正向偏置的激光二极管结构的能带图。
上边描述了一种边缘发射型激光器结构。然而，它也有利于制造面发射型激光器，这只需要对一些工艺步骤进行较小的调整。
对于本领域的技术人员，其它的优点和改进是显然的。因此，在更广范围内的本发明并不局限于具体的细节、有代表性的实施例和在此描述和示出的实例。因此，在不偏离附属权利要求及其等同物定义的通用发明概念的宗旨和范围的条件下，可以进行各种修改。

Claims (15)

1.一种在同一衬底上制造晶体管和激光二极管的方法，其特征在于，首先在衬底表面上制作层序列，该层序列在横向界定衬底的第一选定区域时，在第一区域中形成晶体管结构，在衬底上与第一区域隔离的第二个区域中，通过向第二区域中的上层扩散物质来改变了层序列中上层的掺杂，在第二个区域，进行横向约束，从而在第二区域中产生激光器结构。
2.根据权利要求1的一种方法，其特征在于，制造层序列，使得在第二区域制作激光器结构时，层序列中的一层形成激光器结构的量子阱结构或有源区。
3.根据权利要求1-2中任一条的一种方法，其特征在于，在使物质扩散到第二区域中的上层的过程中，上层的掺杂类型由n型掺杂变为p型掺杂，或者由p型掺杂变为n型掺杂。
4.根据权利要求1-3中任一条的一种方法，其中，建立的层序列至少包括一个异质结，这样，在第一区域内形成的晶体管结构是异质结双极型晶体管。
5.根据权利要求1-4中任一条的一种方法，其中，建立的层序列包括一个位于层序列中的异质结，这样，在第一区域内形成的晶体管结构是异质结双极型晶体管，其发射极和基极之间具有异质结。
6.根据权利要求1-5中任一条的一种方法，其中，建立层序列，使得层序列中的第一层及层序列中与其直接相邻的第二层在第一层和第二层之间形成了异质结，在第二区域的激光器结构中形成了用作激光器结构有源区的分别限制异质结构(SCH)。
7.权利要求1-6中任一条的一种方法，其中，建立层序列，使得，在第一区域的晶体管结构中形成集电极或者成为集电极的一部分的层序列的一层，在第二区域的激光器结构中形成用作激光器结构有源区的n型分别限制异质结构(n-SCH)。
8.根据权利要求1-7中任一条的一种方法，其中，建立层序列，使得，在第一区域的晶体管结构中形成基极或者成为基极的一部分的其中的一层，在第二区域的激光器结构中形成用作激光器结构有源区的p型分别限制异质结构(p-SCH)。
9.包含层序列的衬底，层序列中的各层由半导体材料制作，并且位于衬底表面，其中，层序列包括的各层具有如下顺序、成份和掺杂，
-当衬底表面区域受到横向限定时，该区域中的层形成晶体管结构，
当使一种预定的掺杂剂扩散到层序列中的上层之后，上层中的掺杂发生改变，这样，当衬底表面的区域受到横向限定时，该区域中的层形成激光器结构。
10.根据权利要求9的衬底，其中，层序列包括的各层具有如下顺序、成份和掺杂，当衬底区域受到横向限定时，该区域中的层形成晶体管结构，形成晶体管结构中的集电极，层序列包含一层，当将预定掺杂剂扩散到层序列的上层从而改变了上层的掺杂，并且当衬底表面的区域受到横向限定时，该区域内的层形成激光器结构时，该层形成激光器结构的量子阱结构或者有源区。
11.根据权利要求9-10中任一条的衬底，其中，层序列包括的各层具有、如下顺序、成份和掺杂，当将预定掺杂剂扩散到上层之后，上层中的掺杂类型由n型掺杂变为p型掺杂，或者由p型掺杂变为n型掺杂。
12.根据权利要求9-11中任一条的衬底，其中，层序列包括的各层具有如下顺序、成份和掺杂，即至少形成一个异质结，这样，当横向限定衬底表面的区域时，该区域中的层形成晶体管结构，此晶体管结构是异质双极型晶体管。
13.根据权利要求9-12中任一条的衬底，其中，层序列包括的各层具有如下顺序、成份和掺杂，即形成一个异质结，它位于第一层和第二层之间，当横向限定衬底表面的区域，从而形成晶体管结构时，第一层和第二层分别形成晶体管结构的发射极和基极，晶体管结构是异质双极型晶体管。
14.根据权利要求9-13中任一条的衬底，其中，层序列包括的各层具有如下顺序、成份和掺杂，当横向限定衬底表面的区域从而形成晶体管结构时，层序列形成晶体管结构的集电极，当将预定掺杂剂扩散到层序列的上层、并且衬底表面的区域受到横向限定，从而该区域中的层形成激光器结构时，层序列为激光器结构中的有源区形成n型分别限制异质结构(n-SCH)。
15.根据权利要求9-14中任一条的衬底，其中，层序列包括的各层具有如下顺序、成份和掺杂，当横向限定衬底表面的区域，从而获得晶体管结构时，这些层包含在晶体管结构的基极中，当将预定掺杂剂扩散到上层、并且衬底的区域受到横向限定时，从而该区域中的层形成激光器结构时，这些层形成用作激光器结构中的有源区的p型分别限制异质结构(p-SCH)。
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