CN1324774C - 制备光学器件的方法及相关改进 - Google Patents

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Abstract

公开了一种使用杂质诱导的量子势阱混合(QWI)工艺制备光学器件的改进方法。已报道的QWI方法，特别是无杂质空穴扩散(IFVD)方法，存在许多的缺点，例如在某温度下砷化镓(GaAs)从半导体材料向外扩散到二氧化硅(SiO2)薄膜时的温度。因此，本发明提供了一种制备光学器件的方法，所述的器件由包括至少一个量子势阱(QW)(10a)的器件主体部分(5a)制备，该方法包括如下步骤：促使杂质材料与所述至少一个量子势阱混合(QW)(10a)，其中该杂质材料至少包括铜(Cu)。

Description

制备光学器件的方法及相关改进
发明领域
本发明涉及一种制备光学器件的方法，具体而言，本发明不排它性地涉及制备集成光学器件或光电子器件，例如半导体光电子器件如激光二极管、光学调制器、光学放大器、光交换机、光学检测器。本发明还涉及包括这种器件的光电子集成电路(OEICs)和光子集成电路(PICs)。
本发明不排它性地特别涉及一种使用新型并且改进了的杂质诱导的量子势阱(Quantum Well)混合(QWI)工艺制备光学器件的方法。
背景技术
在光通信系统中，向单外延层上不同光学元件的单片式集成是非常令人满意的。对单片式集成的一项基本要求是实现在一个外延层之内的不同半导体带隙(band-gaps)。例如，一个结合了半导体光学放大器、被动式波导管分路器和电吸附(EA)调制器的2×2交叉交换机要求3个带隙。交换机以及由此放大器的工作波长，典型是1.55μm，但为了将沿波导管传播的光的吸收减到最少，被动式波导管需要更宽的带隙。而且，EA调制器的最佳吸收带隙比放大器的最佳吸收带隙约短20-50nm，以实现低的介入损耗和高的消光比。多带隙能量结构也例如在WDM系统和光检测器中的多波长源的器件中找到了应用。
当前，有很多技术处于用于此目的研究中。虽然那些基于选择性再生技术看来有希望，但是在整个生产过程中需要昂贵的器件如有机金属化学气相沉积(MOCVD)，而且平面图案的带隙是不可能的。其它的途径是基于量子势阱混合(QWI)。
量子势阱混合(QWI)是已报道的为单片式光电子集成提供一种可能路径的工艺。QWI可以在III-V半导体材料，如砷化铝镓(AlGaAs)和磷砷化铟镓(InGaAsP)中进行，该材料可以在二元基材，如砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)上生长。QWI通过量子势阱(QW)元素的相互扩散及相关的阻挡改变生长状态(as-grown)结构的带隙，以制备组成成分的合金。该合金具有比该生长状态的QW更大的带隙。在没有发生QWI的QW之内所产生的任何光学辐射(光)可以因此而穿过合金的QWI或者“已混合”的区域，该区域对于所述的光学辐射实际上是透明的。
文献中已经报道了各种QWI技术。例如，可以通过元素如锌的高温扩散进入包括QW的半导体材料来进行QWI。
也可以通过元素如硅的注入到QW半导体材料中来进行QWI。在这种技术中，该注入元素在半导体材料结构中引入了点缺陷，该点缺陷由高温退火步骤移动通过在QW结构中诱导混合的半导体材料。
这种QWI技术已报道于″applications of Neutral Impurity Disordering inFabricating Low-Loss Optical Waveguides and Integrated WaveguideDevices″，Marsh等，Optical and Quantum Electronics，23，1991，s941-s957器件，在此引入其内容作为参考。
这种技术存在一个问题，即虽然该QWI会改变(增加)该半导体材料的带隙的后生长，但是由于这些掺杂元素的自由载流子的吸收系数，残余的扩散或注入掺杂剂可以引起大的损失。
进一步报道的提供混合的QWI技术是无杂质空穴扩散(IFVD)。当进行IFVD时，该III-V半导体结构的顶盖层典型是GaAs或者砷化铟镓(InGaAs)。在顶层上面是沉积的二氧化硅(SiO2)薄膜。随后，半导体材料的快速加温退火引起在半导体合金内的键断裂，并引起对二氧化硅(SiO2)敏感的镓离子或原子溶解进二氧化硅中，以至在盖层中留下空穴。然后，这些空穴扩散穿过半导体结构诱导层例如在QW结构中混合。
IFVD报道于Helmy等的“Quantitative Model for the Kinetics ofComposition Intermixing in GaAs-AlGaAs Quantum″ConfinedHeterostructures”，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.4，No.4，1998年7月/8月，第653-660页中，在此引入其内容作为参考。
已报道的QWI，特别是IFVD方法，存在许多缺点，例如温度，在该温度镓从半导体材料向外扩散到二氧化硅(SiO2)薄膜。
本发明至少一个方面的目的在于消除或者至少减轻现有技术中上述缺点/问题中的至少一个。
此外，本发明至少一个方面在于提供一种使用改进的QWI工艺制备光学器件的改进方法。
发明概述
根据本发明第一方面，提供了一种制备光学器件的方法，所述的器件由包括至少一个量子势阱(QW)的器件主体部分制备，该方法包括如下步骤：
促使杂质材料与至少一个量子势阱混合，其中该杂质材料至少包括铜(Cu)。
该杂质材料可以基本上包含铜或其合金。
惊奇地发现铜比以前所使用的杂质如锌(Zn)扩散快大约106倍。
优选该方法包括在器件主体部分上面或者附近沉积包括杂质材料的层的在先步骤。
在第一个实施方案中，杂质材料可以与载体材料结合。该载体材料可以是介电材料如二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)。在此情形下，该层可以通过例如溅射而直接沉积到器件主体部分的表面上。
在此第一实施方案中，可以通过使用二极管或磁电管溅射反应器来沉积该层。
在第二实施方案中，该层可以包含可以在间隔层上沉积的器件主体部分表面附近的杂质材料层。该间隔层可以包含介电材料如二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)。
另一层如另一介电层可以沉积到该层上。
在此第二实施方案中，可以通过使用溅射来沉积该层，可以通过使用溅射或其它技术，如PECVD来沉积间隔层。
优选该制备方法也包括以下更进一步的在先步骤：
提供基材；
在基材上生长：
第一光学覆盖层；
包括至少一个量子势阱(QW)的中心引导层；
第二光学覆盖层；和
任选的接触层。
可以通过分子束外延(MBE)或有机金属化学气相沉积(MOCVD)来生长第一光学覆盖层、中心引导层、第二光学覆盖层和接触层。
在对第一实施方案的改进中，可以在混合之前将该层从器件主体部分除去。
优选通过提高器件主体部分到某一高温一段预定长的时间，促使杂质材料与所述的至少一个量子势阱(QW)混合。
该高温可以是700℃至950℃，而预定长的时间可以是30秒至300秒。
提高器件主体部分到某一高温的步骤可以包含该器件主体部分的退火，该退火引起杂质材料进入至少一个量子势阱的扩散，和离子或原子从量子势阱到载体材料或间隔层的向外扩散。
，该方法可以包括如下步骤：
促使所述的杂质材料扩散进入器件主体部分，也促使器件主体部分的材料(如离子或原子)扩散出去并进入另一种材料。
该特征有利地结合了被诱导的杂质和无杂质混合。
在一个实施方案中另一种材料可以是如二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)的介电材料。
该方法可以包括如下步骤：
用杂质材料的多个区域形成器件主体部分表面的图案，由被不同的量隔开来自表面的杂质材料的至少两个区域；
促使所述杂质材料的多个区域与所述的至少一个量子势阱混合，以便调整至少两个区域中混合的至少一个量子势阱的带隙到不同的值。
根据本发明第二方面，提供了根据本发明第一的方法而制备的光学器件。
该光学器件可以是集成式光学器件或光电子器件。
可以在III-V半导体材料系统中制作该器件主体部分。
该III-V半导体材料系统可以是基于砷化镓(GaAs)的系统，并且可以基本上在600nm至1300nm的波长下操作。备选地，该III-V半导体材料系统可以是基于磷化铟的系统，同时可以基本上在1200nm至1700nm的波长下操作。器件主体部分可以至少部分地由砷化铝镓(AlGaAs)、砷化铟镓(InGaAs)、磷砷化铟镓(InGaAsP)、砷铝化铟镓(InGaAlAs)和/或磷铝化铟镓(InGaAlP)所制成。
器件主体部分可以包含基材，在所述的基材上面提供第一光学覆盖层、中心引导层和第二光学覆盖层及任选的接触层。
在该中心引导层内可以提供了至少一个量子势阱(QW)。
备选地或附加地，可以在一个或两个覆盖层中提供至少一个量子势阱(QW)。读者将会意识到：在后一种情形下人们可能会对调整覆盖层的折射率而不是其带隙更感兴趣。
生长状态的中心引导层可以具有比第一和第二光学层更小的带隙和更高的折射率。
根据本发明第三方面，提供了一种包括根据本发明第二方面的至少一种光学器件的光学集成电路、光电子集成电路(OEIC)，或者器件光子集成电路(PIC)。
根据本发明第四方面，提供了一种用于在根据本发明第一的方法的器件主体部分(“样品”)。
根据本发明第五方面，提供了一种晶片材料，其包括用于根据本发明第一方面的方法的至少一个器件主体部分。
附图简述
现在，将只用举例的方式且参考附图来描述本发明实施方案，这些附图是：
图1(a)至(f)为根据本发明第一实施方案的制备光学器件的方法所包含的一系列加工步骤侧视截面示意图；
图2为根据本发明第二实施方案的制备光学器件的方法所包含的加工步骤侧视截面示意图；
图3为根据本发明第三实施方案的制备光学器件的方法所包含的加工步骤侧视截面示意图；
图4为根据本发明第四实施方案的制备光学器件的方法所包含的加工步骤侧视截面示意图；
图5为对于根据本发明实施方案的第一种样品的带隙迁移对退火温度图；
图6为对于根据本发明实施方案的第二种样品的带隙迁移对退火温度图；
图7为对于根据本发明实施方案的第三种和第四种样品的带隙迁移对退火温度图；
图8为对于根据本发明实施方案的第五种样品的带隙迁移对退火温度图；
图9为对于根据本发明实施方案的第六种样品的带隙迁移对退火温度图；
图10为对于根据本发明实施方案的第七种样品的带隙迁移对退火温度图；
图11(a)和(b)为对于根据本发明实施方案的样品其离子数目对深度图；
图12为对于根据本发明实施方案的样品其离子/原子数目对深度图；
图13为对于根据本发明实施方案的样品的离子/原子数目对深度图；
图14为对于根据本发明实施方案的第八种样品的带隙迁移对退火温度图；
图15为对于根据本发明实施方案的第九种样品的带隙迁移对退火温度图；和
图16为对于根据本发明实施方案的第十种样品的带隙迁移对退火温度图。
附图详述
首先参考图1(a)至(f)，其举例说明了一种根据本发明第一实施方案制备光学器件的方法。制备该器件的器件主体部分通常指定为5a，器件包括至少一个量子势阱(QW)结构10a。该方法包括步骤如下：促使杂质材料与至少一个量子势阱10a混合，其中该杂质材料包括铜(Cu)，参见图1(e)。在此实施方案中，该杂质材料基本上包含铜或其合金。惊奇地发现铜比以前所使用的杂质如锌(Zn)扩散快大约106倍。
从图1(d)可以看出，该方法包括在器件主体部分5a的上面或附近沉积包括杂质材料的层15a的在先步骤。
在此实施方案中，在载体材料中引入杂质材料。此实施方案中的载体材料是介电材料如二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)。在此情形下，将层15a直接沉积到器件主体部分5a的表面上。层15a是通过使用二极管或磁电管溅射反应器(未显示)而有利地沉积的。
本方法是由提供基材20步骤开始的，在基材20a上面生长第一光学覆盖层25a、包括至少一个量子势阱结构10a的中心引导层30a、第二光学覆盖层35a和任选的接触层40a。基材20a是典型地掺杂的n+而第一光学覆盖层25a是掺杂的n-型，中心引导层30a基本上是固有的，第二光学覆盖层35a是掺杂的p-型和接触层40a是p+。
将会意识到可以通过任何适宜的生长技术，如分子束外延(MBE)或有机金属气相沉积(MOCVD)，来生长第一光学覆盖层25a、中心引导层30a、第二光学覆盖层35a和接触层40a。
参考图1(e)，通过提高器件主体部分5a到某一高温一段预定长的时间，促使杂质材料15a与所述至少一个量子势阱10a混合。典型地，所述的高温是700℃-950℃，而预定长的时间是30秒到300秒。在此实施方案中，器件主体部分5a到某一高温的升温包含了器件主体部分5a的退火，所述的退火引起铜扩散进入所述的至少一个量子势阱10a中，和离子或原子例如镓进一步从所述至少一个量子势阱10a向外扩散到载体材料层15a中。因此，该实施方案结合了所述至少一个量子势阱10a被诱导的杂质和无杂质混合。
总之，此第一实施方案的方法包含下列步骤：
(a)提供器件主体部分5a(参见图1(a))；
(b)通过PECVD将二氧化硅层沉积到器件主体部分上，并且向该PECVD二氧化硅层上旋涂光刻胶层(参见图1(b))；
(c)用光刻技术如HF蚀刻或者C2F6干式蚀刻在光刻胶层和PECVD二氧化硅层上形成图案(参见图1(c))；
(d)在已形成图案的器件主体部分5a上沉积包括杂质材料的层15a(参见图1(d))；
(e)器件主体部分5a的快速加温退火到预定的温度一段预定长的时间，以使在预定形成图案的区域所述至少一个量子势阱10a部分混合(参见图1(e))；和
(f)从器件主体部分5a除去各种层，并合宜地在器件主体部分5a上形成金属化(metalisations)以在其中形成电接触(参见图1(f))。
现在参考图2，其用图说明了一种根据本发明第二实施方案制备光学器件的方法。此第二实施方案与上文中所公开的第一实施方案的不同在于：在图1(d)的步骤中，不是沉积包括混合材料的材料单层15a，而是在间隔层16b上的器件主体部分5b的表面附近沉积包含杂质材料层的层15b。该间隔层16b合宜地包含介电材料如二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)。另一层17b，例如另一介电层沉积到层15b上。在此第二实施方案中，层15b是通过使用溅射而有利地沉积的，并且间隔层16b和/或另一层17b是通过使用溅射或PECVD而有利地沉积的。
现在参考图3，其用图说明了一种根据本发明第三实施方案制备光学器件的方法。根据第三实施方案的方法，除了在图1(d)的步骤之后从器件主体部分5c中除去包括层(未显示)在内的各种层和在器件主体层5c的表面上沉积PECVD二氧化硅层，类似于根据第一实施方案的方法。其后，如图1(e)器件，使器件主体部分5c快速高温退火。惊奇地发现，即使在快速高温退火之前已经除去了层15c，在图3的实施方案中所述的混合材料(例如铜)与所述至少一个量子势阱10c的混合还是发生了。
现在参考图4，其用图说明了根据本发明第四实施方案制备光学器件的方法所涉及的加工步骤截面侧视图。从图4中可以看出，在此实施方案中器件主体部分5d重复地形成图案，以便提供多个PECVD二氧化硅层，以提供阶梯状二氧化硅图案。图4所示为：包括器件主体部分5d表面暴露区域而没有PECVD二氧化硅层的图案。在PECVD二氧化硅层(layered)的顶部通过溅射沉积包括杂质材料的层15d的图案。在此实施方案中，层15d包含了含有所述杂质材料，即铜的载体材料例如二氧化硅。然后，如图1(e)所示将如此形成图案的器件主体部分5d快速高温退火，以便在器件主体5d内提供多个混合的量子势阱区域45d，、50d、55d、60d和65d，因为由铜杂质所诱导的混合在每个量子势阱混合区域是不同的，因为45d至65d的每个量子势阱混合区域被从层15d通过PECVD二氧化硅阶梯状层由不同的量所隔开，所以每个已混合的量子势阱区域被调整为不同的带隙。
总之，本发明的杂质诱导的量子势阱混合方法或工艺可以使用掺杂有铜(Cu)的二氧化硅薄膜，来向半导体中引入控制量的杂质。发现铜对于杂质诱导无序化是特别有效的杂质。这是因为铜位于在空隙和替代两个位置，并通过”踢-出”机理在它们之间跳迁。它具有极高的扩散系数，这意味着混合快速地发生，而且此外，铜快速地扩散，在已混合的层中留下低的残余浓度。另外，通过在SiO2覆盖层中结合铜，在高温退火期间诱导了III族元素向外扩散进入该覆盖层中的效果，由此产生了额外的III族空穴，其进一步提高了混合的速度。该技术已被证明是在宽范围的III-V材料系统中实现大差别(differential)带隙迁移的有效手段，并且可以利用该技术在许多单片式集成器件中，包括无吸收反射的高能激光、扩展式空腔激光和交叉交换机中提供低被动部件损失(passive section losses)。
只要求非常少量的铜(大约1单层)来诱导量子势阱混合。直接向半导体表面蒸发一层铜可能是不合要求的，因为铜的局部浓度将非常高，并且可以发生由此高浓度而引起的非线性扩散，例如尖峰和群聚。此外，在退火期间必须通过介电覆盖层来保护半导体表面，SiO2罐封的使用对于通过原子的向外扩散来促进III族空穴的产生提供了额外的好处。
在本发明的方法中，可以通过从掺杂铜的二氧化硅层向半导体中的扩散来引入铜。该层是使用二极管或者磁电管溅射系统而沉积的，并且该层可以通过同时溅射铜和SiO2(第一实施方案)，或者可以从半导体表面通过由薄的SiO2薄膜背后隔开的单个纯净的层引入铜(第二实施方案)来均匀地掺杂。看来后一种途径对于在半导体中引入的铜的水平提供了更大控制。典型地，沉积未掺杂的二氧化硅薄层(20nm至2000nm)，接着沉积大约1-3单层的铜。然后，通过进一步沉积未掺杂的二氧化硅来完成该结构。然后，根据所述的材料，在700℃至950℃对该样品退火30秒至300秒。在退火阶段中，铜从二氧化硅层扩散进入半导体。铜在半导体中具有极高的扩散系数，这意味着混合快速地发生。此外，铜快速地扩散进入器件主体，在已混合层中留下的低残余浓度。
现在将给出按照属于以上所描述的第一至第三实施方案的方法而制作的试验样品的多个实施例。
所有研究样品是完全p-i-n多层激光结构，其是通过分子束外延(MBE)或者有机金属气相外延(MOCVD)之一在GaAs或InP基材上生长的。典型地，其外层包含含有一个或多个的量子势阱(QWs)的活跃区域，所述的量子势阱通常3nm至10nm厚，在更高带隙的250nm至1000nm厚的波导管中心内被p-掺杂和n-掺杂的覆盖层所环绕。该结构被典型100nm至300nm厚的高度p-掺杂(1×1019cm-3)的接触层完全覆盖在顶上。
实施例1
下列结果是用初始样品而得到的。通过同时溅射铜和SiO2两者将铜结合在典型200nm厚的SiO2基体中。这是通过降低标靶周围接地防护的高度，腐蚀部分目标铜衬板而达到的。由该工艺所诱导的量子势阱混合的程度，是通过测量退火后光致发光(PL)能量的变化而确定的。在任何情形下它都与涂有PECVD SiO2的对照样品相对比，所有的退火都进行60秒，除非另外指出。
图5显示了对于覆盖有PECVD SiO2和溅射的Cu∶SiO2的样品，于1550nm发射时在MOVPE生长的InGaAs-InGaAsP中得到的初步结果。当虽然覆盖有PECVD SiO2的样品在650℃的温度显示了初步的带隙迁移，但是在Cu∶SiO2覆盖的材料中，于温度大致低100℃时得到了显著的带隙迁移，这使得在退火温度650℃至675℃时可以得到80meV的差别带隙迁移。
实施例2
如图6所示，对于由MBE生长的材料，于1550nm发射时在InGaAs-InAlGaAs材料系统中得到了相似的实施方案。该材料比InGaAsP具有更高的热稳定性，这被在PECVD SiO2下得到的忽略不计的迁移所证实。但是，使用Cu∶SiO2时，于600℃初步得到迁移，而且对于700℃的退火温度迁移增加到超过100emV。
实施例3和4
如图7所示，在GaAs-AlGaAs(850nm至860nm)和在GaInP-AlGaInP(670nm)MQW结构中，使用溅射的Cu∶SiO2薄膜也得到了相似数量级的带隙迁移。这里PECVD SiO2覆盖的样品在使用温度范围之内再一次产生了可以忽略不计的带隙迁移，为清晰起见从图7将其省略。在相同的温度范围之内，当覆盖有PECVD SiO2时，对于两种材料得到了可以忽略不计的迁移。
实施例5和6
研究表明，在高温退火之前除掉溅射的Cu∶SiO2覆盖层并用PECVDSiO2代替之后，也可以得到大的带隙迁移。图8所示为在InGaAs-InAlGaAs观察到的典型效果。通过次级离子质谱(SIMS)对溅射系统的测量和试验的研究表明，提高的主要机理是在溅射的初期阶段，在半导体表面内结合了显著水平的Cu。这在图9中说明了，其显示在InAlGaAs材料中，与涂布有PECVD SiO2和未掺杂的SiO2的PECVD SiO2的样品相比，涂布有溅射的SiO2和Cu∶SiO2的样品所得到的带隙迁移。这显示对于PECVD SiO2和未掺杂的SiO2的非常相似行为而使用溅射的Cu∶SiO2得到了大差别的迁移(＞100nm)。
实施例7
发现通过在溅射过程中用PECVD SiO2层来保护样品的表面，可以抑制混合，对于更厚的保护性涂层抑制的程度更大。对于InGaAs-InGaAsP图10显示了这点。这个观察建议：在高温退火中Cu通过这些SiO2薄层扩散，在样品上面的层内引起显著的集中。这种沉积技术可以提供对Cu浓度更大程度的控制，并证明其通过对样品形成适宜的图案，适宜于由一次溅射和退火阶段得到一系列不同的带隙。看来这条路径也提供了对处理材料的质量的改善，大概是由于在半导体的活跃区域内Cu浓度的降低。如图10所示，使用相对厚的光刻胶层，可以抑制完全混合，其中对于由光刻胶保护的材料所显示的迁移与那些用PECVD SiO2覆盖的材料所得到的相同。这种抑制的改进可以归因于扩散阻挡层厚度的增加和在光刻胶层内铜扩散速度的降低两者。
还将次级离子质谱(SIMS)和卢瑟福(Rutherford)反向散射(RBS)测量用来确定SiO2薄膜的原子组成，并且用来测量在薄膜内任何III族向外扩散的程度。对于InGaAsP和InAlGaAs两种材料，它们显示出在PECVD SiO2覆盖层中未观察到囱外扩散的温度下，In和Ga都从半导体表面向外扩散进入溅射的SiO2∶Cu覆盖层的清晰信号。这清晰地说明了：对于InGaAsP归功于由于铜扩散诱导的点缺陷密度的增加，使掺杂了Cu的材料向外扩散的活化温度降低。
图11用图说明了覆盖有PECVD SiO2和溅射的SiO2∶Cu两者的InGaAsP MQW材料在680℃退火后的SIMS外形。对于溅射覆盖的材料，可以清晰观察到In和Ga的向外扩散，但是在PECVD SiO2覆盖层中向外扩散不明显。
随后的测量结果显示，如图12所示，具有1×1021cm-3浓度的铜贯穿分布于SiO2薄膜，半导体表面观察到相似的密度，在300pm的深度其迅速地降低到1×1018cm-3的浓度。
图12用图说明了未退火的InAlGaAs MQW样品在除去溅射的Cu∶SiO2涂层后其SIMS外形。在大约300nm的深度Cu的浓度迅速地降低到5×1017cm-3的噪声极限(noise limit)。
如图13中所示，看来退火后在1nm的深度之内发生了显著的Cu扩散，所以得到了贯穿覆盖层和进入波导管区的1×1018cm-3的浓度。
图13用图说明了在InAlGaAs样品中，于700℃退火和Cu∶SiO2覆盖层被剥离后的SIMS外形。
在某些实施例中，Cu∶SiO2溅射是在第一单标靶二极管溅射系统中进行的，该系统使用Ar∶O2(9∶1)的工艺气体和2×10-3毫巴的溅射压力，用110W的RF电源，相应于1kV的自身直流电偏压。在工艺开发的早期阶段研究了铜诱导混合过程对溅射条件的相关性。一些初步的结果表明：迁移与薄膜厚度近似线性相关，但是许多相矛盾的早期报告和后期研究显示：其与溅射层厚度几乎没有相关性。这似乎与溅射层的厚度是一致的。看起来，这与除去溅射的覆盖层后所观察到的混合一致，其意味薄膜生长的早期阶段主导地控制着该结果，在此阶段铜被直接引入半导体中。对于110W以下的功率，似乎与RF溅射功率没有相关性(由于对于SiO2标靶毁坏的可能性，不可能去研究更高的功率)，与SiO2相比较，得出显著大的铜的溅射收率这并不太令人吃惊，但是观察到了QWI速度对溅射压力强烈的相关性。但是，由于高压护套厚度随压力的降低而增加，其防止了在接地护套和产物的背板腐蚀区域的溅射，所以当然，它可以是同时的Cu∶SiO2沉积过程的人为产物。也研究了使用纯Ar作为溅射气体，其对于混合速度没有明显的效果。
实施例8
在其它实施例中，使用了第二溅射系统，它涉及通过操控接地防护的高度对SiO2和Cu同时溅射的使用。使用的溅射条件大致上与上面所述的那些条件相同，这使得与PECVD SiO2相比能够产生大差别的带隙迁移。这对于InAlGaAs示于图14中，其也比较了由第一溅射系统得到的带隙。图14用图说明了对于InAlGaAs得到的PL迁移，该InAlGaAs覆盖有PECVD SiO2溅射的SiO2和在第二溅射系统中沉积的Cu∶SiO2及在第一溅射系统中所沉积的溅射的Cu∶SiO2。这表明当没有结合铜时，带隙迁移与用PECVD SiO2得到那些相同，但是当故意引入铜时，得到了大差别的迁移。该带隙迁移的程度似乎稍低于在第一溅射系统中所得到的，这可以由稍低的铜结合水平而得到解释，而这可能是由背板暴露到溅射等离子的程度的降低所引起的。
实施例9
现在描述利用多层途径的第三实施方案。如较早的描述，这包括了在接近半导体表面的薄膜内结合铜，但被溅射的SiO2薄层从表面返回(backspace)。用前面描述的标准条件来溅射该SiO2层，而为降低溅射速度并对所包括的铜的浓度提供更大的控制，在相同的压力下但25W较低的RF功率下沉积铜层。图15显示了使用这种方法在InAlGaAs中的一些典型结果，特别是通过在InAlGaAs中SiO2/Cu/SiO2多层沉积技术而达到的带隙迁移，其中第二个数字是指铜层的沉积时间，并且第一和第三个数字是指环绕的SiO2层的厚度。这表明与PECVD SiO2覆盖的样品相比，从半导体表面返回200nm的铜薄层(2-3单层)可以达到大、明显饱和的带隙迁移。增加铜膜的厚度似乎不提供明显增加的差别迁移。但是，对QWI工艺，使用相同厚度的铜层但加倍返回至400nm提高了活化温度，所以于775℃的差别迁移约略是200nm返回的一半。本技术进一步的最优化应该涉及平衡返回的程度与铜膜的厚度，以保证结合适宜的杂质，使得用最小残余的铜浓度达到大差别的带隙迁移。
实施例10
如图16中所示，于980nm发射的InGaAs-GaAs QW材料中也成功地实现了上面的途径。图16显示了覆盖有PECVD SiO2和具有不同溅射厚度的第一SiO2层厚度的溅射SiO2/Cu/SiO2材料的在980nm的PL迁移。这里，明显的是，对于铜直接沉积到样品表面的层该差别带隙迁移最大，且随着SiO2返回层厚度的增加而降低。返回厚度可以增加的程度受材料不良的热稳定性限制，其返过来又限制了可达到的差别带隙迁移。可以仅仅通过延长退火时间而使差别迁移增加，退火时间可以显著地增加在铜掺杂的膜中的混合，但对于PECVD SiO2层几乎没有效果。
应当理解的是只通过举例的方式给出了上文中所描述的本发明实施方案，并不意味着以任何方式来限制本发明的范围。具体而言，可以对所公开的实施方案所做出改进，但其仍落入本发明的范围之内。

Claims (31)

1.一种制备光学器件的方法，所述的器件由包括至少一个量子势阱(QW)的器件主体部分制备，该方法包括如下步骤：
促使杂质材料与所述至少一个量子势阱混合，其中所述杂质材料至少包括铜(Cu)。
2.根据权利要求1所述的制备光学器件的方法，其中所述的杂质材料包含铜或者其合金。
3.根据权利要求1或2所述的制备光学器件的方法，其中所述的方法包括在器件主体部分之上或者附近沉积包括杂质材料的层的在先步骤。
4.根据权利要求3所述的制备光学器件的方法，其中所述的杂质材料是与载体材料结合的。
5.根据权利要求4所述的制备光学器件的方法，其中所述的载体材料是介电材料。
6.根据权利要求4或5所述的制备光学器件的方法，其中所述的层是直接地沉积到器件主体部分的表面上的。
7.根据权利要求6所述的制备光学器件的方法，其中所述的层是通过使用溅射装置来沉积的。
8.根据权利要求3所述的制备光学器件的方法，其中所述的层包含沉积在间隔层上器件主体部分表面附近的杂质材料层。
9.根据权利要求8所述的制备光学器件的方法，其中所述的间隔层包含介电材料。
10.根据权利要求8或9所述的制备光学器件的方法，其中在所述的层上沉积另一介电层。
11.根据权利要求8所述的制备光学器件的方法，其中所述的层是通过使用溅射装置而沉积的，并且所述的间隔层是通过使用溅射装置而沉积的。
12.根据权利要求3所述的制备光学器件的方法，其中所述的方法也包括更进一步的在先步骤：
提供基材；
在所述的基材上生长：
第一光学覆盖层；
包括至少一个量子势阱(QW)的中心引导层；
第二光学覆盖层；和
任选的接触层。
13.根据权利要求12所述的制备光学器件的方法，其中所述的第一光学覆盖层、中心引导层、第二光学覆盖层和接触层是通过分子束外延(MBE)或有机金属气相沉积(MOCVD)生长的。
14.根据权利要求4所述的制备光学器件的方法，其中所述的层是在混合前从器件主体部分除去的。
15.根据权利要求1所述的制备光学器件的方法，其中通过提高器件主体部分到某一高温一段预定长的时间，来促使所述的杂质材料与所述至少一个量子势阱(QW)的混合。
16.根据权利要求15所述的制备光学器件的方法，其中所述的高温是700℃至950℃，且预定长的时间是30秒至300秒。
17.根据权利要求15或16所述的制备光学器件的方法，其中所述的提高器件主体部分到某一高温的步骤包含器件主体部分的退火，其引起杂质材料扩散进入所述的至少一个量子势阱，和离子或原子从所述的至少一个量子势阱向外扩散。
18.根据权利要求1所述的制备光学器件的方法，其中该方法包括如下步骤：
促使所述的杂质材料扩散进入器件主体部分和同样器件主体部分的材料向外扩散并进入另一种材料。
19.根据权利要求18所述的制备光学器件的方法，所述的另一种材料是介电材料。
20.根据权利要求1所述的制备光学器件的方法，其中该方法包括如下步骤：
用所述杂质材料的多个区域形成器件主体部分表面的图案，杂质材料的区域中的至少两个被不同的量从表面所隔开；
促使杂质材料的多个区域与所述的至少一个量子势阱混合，以便调整在所述的至少两个区域中的至少一个量子势阱的混合带隙为不同的值。
21.根据权利要求10所述的制备光学器件的方法，其中所述的另一介电层是通过使用溅射装置沉积的。
22.一种光学器件，制备所述的器件的器件主体部分包括至少一个量子势阱(QW)，杂质材料与所述的至少一个量子势阱混合，其中所述的杂质材料至少包括铜(Cu)。
23.根据权利要求22所述的光学器件，其中所述的光学器件是集成式光学器件或光电子器件。
24.根据权利要求22或23所述的光学器件，其中所述的器件主体部分是在III-V半导体材料系统中制作的。
25.根据权利要求24所述的光学器件，其中所述的III-V半导体材料系统是基于砷化镓(GaAs)的系统，并且在600nm至1300nm的波长下操作。
26.根据权利要求24所述的光学器件，其中所述的III-V半导体材料系统是基于磷化铟的系统，并且在1200nm至1700nm的波长下操作。
27.根据权利要求24所述的光学器件，其中所述器件主体部分是至少部分地由砷化铝镓(AlGaAs)、砷化铟镓(InGaAs)、磷砷化铟镓(InGaAsP)、砷铝化铟镓(InGaAlAs)和/或磷铝化铟镓(InGaAlP)所制成的。
28.根据权利要求22所述的光学器件，其中所述的器件主体部分包含基材，在所述的基材上提供第一光学覆盖层、中心引导层和第二光学覆盖层及任选的接触层。
29.根据权利要求28所述的光学器件，其中在所述的中心引导层内提供所述的至少一个量子势阱(QW)。
30.根据权利要求29所述的光学器件，其中在一或两层覆盖层内替代地或附加地提供所述的至少一个量子势阱(QW)。
31.一种光学集成电路、光电子集成电路(OEIC)或光子集成电路(PIC)，其包括至少一种根据权利要求22至30任何一项所述的光学器件。
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