CN1416589A - 量子阱混合 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于灰度掩模图形(110)的新技术，所述方法只需要一步光刻和刻蚀步骤(110，120)就可在选定区域制作不同厚度的SiO2注入掩模(13)，随后由一步IID(130)完成选区混合。这种简单的低成本新技术一般可用于制造PICs，尤其可用于制造WDM源。根据本发明，通过在IID中采用灰度掩模技术，可将QW材料穿过晶片的带隙能量调节成不同的程度。这不仅使得集成单片多波长激光器成为可能，也使得在一片芯片上集成调制器和耦合器成为可能。通过将增益谱扩展到最大值，外延生长后这种技术可用于简化超发光二极管(SLDs)的制作和设计过程。

Description

量子阱混合
技术领域
本发明涉及一种制作集成光路的方法，该集成光路包括具有量子阱区域的结构。
背景技术
对于开发电信系统而言，将多个光电器件单片集成在光电子集成电路(OEICs)和集成光路(PICs)中引起了很大的兴趣。
在OEICs中，由于紧凑封装器件可以将电接点处的寄生阻抗减到最小，所以将激光之类的光学器件和晶体管之类的电子器件集成在单片芯片上来实现高速运行。
PICs是OEICs不含电气元件的一个子集，在通信或光电和/或电学器件之间的连接只涉及光子。PICs的驱动力来自对改善下一代光通信线路、网络结构以及多通道波分复用(WDM)和高速时分复用(TDM)之类开关系统复杂性的需要。在PICs中除了可获益于低成本、尺寸减小和封装稳定性提高之外，主要的优点在于，由于波导管由光刻工艺制成，各个波导光电器件之间互连精确并永久保持彼此间的相互取向。
在集成工艺中，复杂器件由功能差别很大的元件如光发射器、波导管、调制器和检测器构成。每一个元件需要不同的材料结构来实现最佳性能。因此材料调节带隙能量的能力和折射系数对实现OEICs和PICs非常重要。已经出现了多种实现这一目的技术，包括生长和再生长、选区外延或在制作出图形的衬底上生长，以及量子阱混合(QWI)。
生长和再生长是复杂而昂贵的技术，包括在块材上的选定区域生长、刻蚀和再生长量子阱(QW)层。这些层状结构的生长有相同的上盖层但有源区不同。这一方法受到再生长界面处光传播系数失配和波导维数失配的影响。此外，这种工艺的生产效率和产量低，从而提高了最终产品的成本。
选区生长利用通过掩模进行生长造成的外延层在成分和厚度上的差异来实现空间上选定的带隙差异。在外延生长之前，采用SiO2之类的绝缘掩模在衬底上制作出图形，定义出不同宽度的槽。开口区域的生长速率决定于开口的宽度和掩模图形。在绝缘盖层的上面不会发生生长。然而各种元素可越过掩模向最近的开口进行表面迁移。这一方法的优点是减少了制作步骤总数，从而在一个外延生长阶段就能完成基本上最佳的激光和调制器多量子阱(MQW)区。这种工艺在精确控制参数组的情形下工作良好，但在一般的情形下难以操作。此外，这种技术提供很差的空间分辨率，大约为100um，因此相对地通常会大量损失无源区。
QWI基于的事实是由于跨过QWs和势垒界面的各种原子浓度梯度很大，QW本质上是一个亚稳系统。这使得通过将QWs和势垒相混合在选定区域调节QW的带隙从而形成合金半导体成为可能。这种技术提供了一种在同一外延层内横向综合不同带隙、折射率和光吸收的有效的后生长方法。
QWI技术已经获得认可和普及，并认识到集成光电子学上的多个潜在应用，例如带隙调制电吸收调制器、带隙调制激光器、用于在OEIC或PIC上互连元件的低损失波导、用于线限制激光器的综合扩展孔(integrated extended cavity)、单频分布式布拉格反射器(DBR)激光器、锁模激光器、非吸收镜、用于分布式回馈(DFB)激光器的放大或相位栅、超发光二极管、极化不灵敏QW调制器和放大器以及多波长激光器。
现有的研究集中在QMI使用方法上，如无杂质空位诱导无序化(IFVD)、激光诱导无序化(LID)和杂质诱导无序化(IID)。这些QWI技术每一种都有其优点和缺点。
IFVD方法包括在QW材料上沉积绝缘盖层材料，随后进行高温退火推动从绝缘盖层向QW材料生成空位，从而加强选定区域的混合。例如，在GaAs-AlGaAs QW材料中，已知SiO2在退火时诱导Ga原子向外扩散，从而在QW材料中生成III族空位。GaAs和SiO2之间界面处的热应力起着重要作用。GaAs的热膨胀系数比SiO2的热膨胀系数大10倍。在高温退火时，采用等离子体增强化学气相沉积(PDCVD)制备的多孔SiO2层内的键合可能会由于GaAs和SiO2薄膜之间的应力梯度而破坏。因此Ga向外扩散有助于释放GaAs中的拉伸应力。然后这些Ga空位向下扩散到QW并增加Ga和Al和互扩散速率，从而导致QWI。在混合过程之后，QW材料的带隙加宽，折射率减小。
这种技术的选择性可以通过采用SrF2层限制Ga向外扩散、从而抑制QWI过程来获得。采用这种方法成功制备了多波长带隙调制激光器和多通道波导光检测器之类的器件。
尽管IFVD在应用在GaAs/AlGaAs系统中时是成功的技术，但在InGaAs/InGaAsP系统中却表现出很差的重复性。而且由于InGaAs/InGaAsP材料的热稳定性很差，需要高温退火的IFVD工艺在基于QW结构的InGaAs/InGaAsP中表现出很低的带隙选择性。
由于热稳定性很差，激光诱导无序化(LID)在InGaAs/InGaAsPQW材料是实现无序很有前途的QWI工艺。在光吸收诱导无序化(PAID)方法中，连续波(CW)激光幅射在QW区域被吸收，从而产生热量并导致热诱导混合。尽管最终材料在光学和电学上质量很高，这种技术的空间选择性被大约100um的横向流动所限制。已知对PAID方法的改良是脉冲-PAID(P-PAID)，采用高能Q切换Nd：YAG激光脉冲照射InP基材料。对脉冲的吸收破坏晶格并增加点缺陷的密度。这些点缺陷最后在高温退火时扩散进入QW，从而加强QW混合速率。尽管P-PAID可提供高于1.25um的空间分辨率和直接写入能力，混合材料由于形成过量的缺陷而表现出很差的质量。
在所有的QWI方法中，杂质诱导无序化(IID)是唯一需要将杂质引入QW材料从而实现混合过程的工艺。这些杂质可通过聚焦离子束、基于加热炉的杂质扩散和离子注入来引入。
IID是一种相对简单和重复性高的混合工艺。能够为小尺寸器件的集成提供高空间分辨率以及通过注入参数控制带隙偏移。这种技术通常在半导体中用来实现横向电气和光学限制，从而获得低阈值电流和单横向模操作。而且对于WDM系统的集成IID工艺引起了很大的兴趣，如多波长激光源、低损失波导、调制器，甚至是检测器。
由两个阶段组成的IID效应广泛被接受。第一阶段是在QW材料中注入杂质。随后的阶段是对材料进行退火，诱导杂质和点缺陷扩散进入QWs和势垒，从而在QWs和势垒之间实现基质元素的互扩散。在InGaAs/InGaAsP QW系统中，V族元素从势垒向量子阱的互扩散引起带隙能量的蓝移，这种互扩散被认为由注入过程时产生的点缺陷扩散、高温下的自互扩散(热偏移)和注入的各种元素扩散引起。
在注入时，在材料的选定区域引入了III族空位和间隙原子之类的点缺陷。这些点缺陷和杂质在高温下的扩散加强了QWs和势垒间的互扩散速率，从而在退火后推动混合。在注入杂质的影响下，QW的成分分布从正方形改变为抛物线形。结果在互扩散过程之后，局部带隙增加，折射率相应减少。
通过使用厚度不同的SiO2注入掩模，采用IID技术可获得跨过晶片的选区混合。然而这种技术包括多个光刻和刻蚀步骤，从而使制作过程复杂化。
对跨过III-V半导体晶片的带隙的控制能力是制作单片PICs最关键的要求。跨过晶片的QW结构的吸收能带边缘在空间上要受到控制，使得可以制作集成激光器、调制器和低损失波导。尽管QWI技术与生长和再生长以及选区外延生长技术相比为带隙工程工艺提供了明显的优点，传统QWI技术的空间控制间接而复杂。
互联网通信、多媒体服务和高速数据服务的爆炸性成长给电信载体施加了快速扩充网络容量和降低成本效率的压力。通常载体有三种扩充容量的选择，即安装新的光纤、提高系统的位速率或应用波分复用(WDM)。但第一种选择的困难是成本高和通行权，第二种选择的局限是由于内在系统局限因而成长潜力有限，因此第三种选择由于可以在适度成本上将网络容量提高很多倍而有很强的吸引力。
发明内容
根据本发明，提供了一种制作集成光路的方法，该集成光路包括具有量子阱区域的结构，所述方法包括在该结构上进行量子阱混合的步骤，其中进行量子阱混合的步骤包括以下步骤：在该结构上形成光刻胶并按量子阱混合程度所需、按空间选择的方式对光刻胶的不同区域有差别地进行曝光，随后进行显影。
优选地，所述方法包括对光刻胶使用光学掩模并经由光学掩模对光刻胶进行曝光的步骤，所述光学掩模具有按空间上选择的方式改变的光透射率。在优选实施例中，所述光学掩模是灰度掩模。
优选地，光学掩模的光透射率根据预定函数变化。这个函数通常决定于所需混合程度。在优选实施例中，至少在一部分掩模上光透射率基本上连续变化。优选地，对掩模层使用光刻胶。优选地，掩模层是绝缘的。
优选地，所述方法还包括原位刻蚀带有显影后的光刻胶的结构，从而提供有差别地刻蚀的掩模层。
在一个实施例中，所述方法还包括在一个离子注入步骤中将杂质引入所述结构的步骤。IID的可选形式包括聚焦离子束和基于加热炉的杂质扩散。
优选地，在远离量子阱结构的区域注入杂质。
在另一个实施例中，所述方法还包括将所述结构暴露在等离子体或其它高能辐照射中，从而在所述结构中引入缺陷，以推动随后的量子阱混合。该工艺的关键特征是采用照射源对晶体结构造成照射破坏。为实现这一目的，需要精确定义最小能量转移。被称为位移能量ED。高于ED的能量将导致原子位移，包括主离子受一个瞬间粒子轰击造成的一次位移或当能量转移来自先前受轰击的原子时造成的二次位移。优选地，由电子回旋共振产生等离子体。在我们共同未决的国际专利申请(国际申请号PCT/GB01/00898)详细描述了这种等离子体导致的QWI过程。
优选地，所述方法还包括对所述结构进行退火的步骤。
对于优选实施例，本发明提供了一种基于灰度掩模制作图形的新技术，所述方法只需要一步光刻和刻蚀步骤就可在选定区域制作不同厚度的SiO2注入掩模，随后由一步IID完成选区混合。这种简单的低成本新技术一般可用于制造PICs，尤其可用于制造WDM源。根据本发明，通过在IID中采用灰度掩模技术，可将QW材料穿过晶片的带隙能量调节成不同的程度。这不仅使得集成单片多波长激光器成为可能，也使得在一片芯片上集成调制器和耦合器成为可能。通过将增益谱扩展到最大值，这种技术在外延生长后可用于简化超发光二极管(SLDs)的制作和设计过程。
光集成研究协会现在只是将QWI技术看作和传统QWI工艺相同、对于双光学器件而言是有前景的应用，否则就会变得乏味和复杂。尽管这种QWI工艺很复杂并且成本效率不高，研究人员却宁可在多部分集成时使用选区外延。本发明说明QWI的应用不仅局限于双器件。此外，与选区外延相比，这种技术成本效率更高，提供了更高的产量和生产效率。因此，结合使用灰度掩模技术和IID工艺从而实现跨越晶片的空间控制QWI有望产生重大的影响。
附图说明
现在将结合附图详细描述本发明的实例，其中：
图1是InGaAs/InGaAsPSQW层状结构的示意图；
图2是图1中结构的能带图；
图3是采用不同厚度的SiO2注入掩模时物质中的离子输运(TRIM)空位模拟结果图；
图4是灰度掩模光刻制作一层光刻胶的图形示例；
图5是反应离子刻蚀(RIE)工艺示例；
图6是制作多波长激光器的流程图；
图7是波长发射和掩模透光度和注入掩模厚度的关系图；
图8是单片多波长激光器示意图；
图9是图8中器件的波长发射示例；
图10是制作SLD器件的流程图；
图11是SLD器件示意图；以及
图12是SLD器件归一化谱图。
具体实施方式
采用金属-有机物气相外延(MOVPE)，在蚀坑密度小于1000cm-2的(100)取向的n+型S掺杂InP衬底上生长如下文所述制作器件时所使用的晶格匹配InGaAs/InGaAsP单量子阱材料。在图1和2中分别示出了该层状结构的示意图和相应的能带图。InGaAs/InGaAsP激光器结构由55的In0.53Ga0.47As单量子阱以及120的GaAsP势垒(λg＝1.26μm，其中λg是对应于带隙的波长)组成。由InGaAsP限制层组成的梯级缓变折射率(GRIN)波导核限制有源区。这些层的厚度和构成(从QW势垒向外)为500(λg＝1.18μm)和800(λg＝1.05μm)。由1μm的InP下盖层(掺S量为2.5×1018cm-3)和1.4μm的InP上盖层(掺Zn量为5×1017cm-3)完成所述结构。接触层由500的InGaAsP(掺Zn量为2×1018cm-3)和1000的InGaAs(掺Zn量为2×1019cm-3)组成。波导核未掺杂，因此和受QW和GRIN层限制的本征区形成PIN结构。该样品在室温下给出1.54±0.02μm处的PL波长峰值。
在随后的IID QWI工艺中可采用的杂质可分为Zn(p型掺杂剂)和Si(n型掺杂剂)之类的电有源物质以及B、F、As和P之类的电中性物质。
已经认识到在光集成时采用IID工艺有两个主要问题。第一个问题是通常采用1018cm-3的典型杂质浓度增强QW混合。大部分电有源杂质是浅杂质，在室温下电离并对高自由载流子吸收作出贡献。另一个问题是剩余的破坏将降低材料的质量并直接影响器件的效率和寿命。
为克服第一个问题，在实施例中采用中性杂质，例如P，因为P是InGaAs/InGaAsP激光器系统的一种基本元素。与电有源杂质相比，P和As之类的中性原子对自由载流子吸收损失的贡献很小。
通过优化注入和退火条件可以减小或消除剩余破坏的问题。在本发明中，选择360KeV的低注入能量，从而在QWI之后仅引入很少的或没有引入多余缺陷。在低能量轰击时可对工艺进行控制，使得轰击只在上接触层中发生。结果可保护盖层和QWs的晶体质量。此外，在离子注入时采用相对低的注入剂量，也就是说低于1×1014离子/cm2，防止非晶层的形成，从而在QWI之后获得高的表面质量。
在360KeV的注入能量下采用双充电离子，首先在200℃采用1×1012离子/cm2到1×1014离子/cm2之间变化的剂量对样品进行注入。在注入时样品相对于离子束倾斜7°以减少沟道效应。
随后在富氮的环境中采用快速热处理装置(RTP)对样品进行退火。在退火时，样品向下朝向洁净的GaAs衬底，在样品上放置另一个GaAs盖。这两个GaAs衬底作为邻近盖以防止As在退火时向外扩散。退火过程不仅推动QW混合而且使注入层大量再结晶。
图3表示在360KeV注入P之后SiO2/InGaAs-InGaAsP中的模拟空位分布图。可以通过在材料中引入不同浓度的杂质来获得不同程度的QWI。图3意味着如果跨越晶片生成不同厚度的SiO2注入掩模就可在选定区域获得选择性的混合。制作多波长激光器的传统技术包括多步光刻和刻蚀。在本发明中则采用灰度掩模技术来实现。正如在下文中将要详细描述的，由于跨越晶片生成多种厚度的SiO2注入掩模只需要一步光刻和干刻，这种新的灰度掩模技术提供了一种简便、高重复性和效率更高的方法。
如图4和5所示，灰度掩模技术利用灰度掩模10不同区域的不同透明度来控制选定区域的光刻胶曝光度，从而在显影后控制光刻胶的不同厚度。经UV曝光后光刻胶11的显影程度，也就是说剩余光刻胶的深度与光密度成线性关系。在这个实施例中，对于多波长激光器，所设计的灰度掩模10具有10个不同级别，也就是说从0.15到1.05按0.1光密度(OD)递进。如下表1所示。条带宽50μm，间隔350μm。因此在QWI之后跨越样品可望获得10种不同的带隙。正如在下文中将要详细描述的，对于带有50μm作用有源的SLDs，设计成从0.15到1.05OD增加分辨率为1μm，从而产生“梯形”和“三角形”截面(如图10所示)。
采用美国专利5,078,771中详细描述的高能射线敏感(HEBS)玻璃制品来制作灰度掩模10。
在光刻时，掩模的OD和UV光透射级别(T)之间的关系可由下式表达：
OD＝-log(T)
表1
                                              灰度级别
   1     2     3     4     5     6     7     8     9    10
 OD  0.15   0.25   0.35   0.45   0.55   0.65   0.75   0.85   0.95   1.05
 T(％)  70.8   56.2   44.7   35.5   28.2   22.4   17.8   14.1   11.2   8.9
然后采用光刻胶和SiO2之间选择性基本上为1∶1的反应离子刻蚀(RIE)工艺将光刻胶的可变厚度分布转换到SiO2层12上，从而获得注入掩模13。在传统平行板RF RIE系统中采用CF4和O2作为处理气体进行这一工艺。Taguchi的优化方法，即在工业工艺优化中采用的统计方法被用来优化这一工艺的参数。
在图6中更为详细地表示出制作多波长激光器的工艺流程图。在制作这个器件时共使用了四级掩模。第一掩模用于对准掩模和激光分隔刻蚀(20μm的条带图形)。第二掩模是灰度掩模，具有80μm宽的条形图形。第三掩模用于有源接触窗口(50μm的条形图形)，最后一个掩模用于定义金属隔离(20μm的条形图形)。
首先采用H2SO4∶H2O2∶H2O比值1∶8∶40，通过湿刻在衬底14上去除0.15μm的InGaAs和InGaAsP接触层，定义对准掩模和隔离条形。在湿刻(步骤110)之后，在样品上覆盖厚度为0.95μm的SiO212。然后在3300rpm下旋转涂覆光刻胶11，时间为35秒，达到1.19μm的厚度，并进行光刻步骤将灰度图形10转换到样品上。然后进行RIE(步骤120)将缓变光刻胶图形转换到SiO2掩模12上，从而跨越样品形成不同厚度的SiO2，生成注入掩模13。
在图7中给出了表面断面测量仪在样品RIE之前和之后测得的光刻胶11和SiO2注入掩模13的厚度。
制备缓变SiO2图形之后，在200℃采用1×1014cm-2的剂量对样品进行注入(步骤130)。然后带着完整的SiO2注入掩模13采用590℃、120秒的RTP执行QWI步骤。在QWI之后去除SiO2注入掩模13。
在制作后，从多波长激光器行中切出单个的激光器，进行光密度与电流和谱之间的关系测量。图8是单片多波长激光器20的示意图(在图中仅示出4个通道)。在这个实施例中，制作了共计10通道的单片多波长激光器。每一个独立激光器21的尺寸为400×500μm，有源窗口的宽度为50μm，空腔的长度为500μm，隔离槽22的宽度为20μm。在表征和测量时对每一个激光器21独立泵激。
如图9和10所示，在制作的10单片激光器21中检测到10个明显不同的波长，分别为1.557μm，1.555μm，1.550μm，1.548μm，1.543μm，1.530μm，1.514μm，1.487μm，1.479μm，1.474μm。
在图7中发现了SiO2注入掩模13和波长发射之间的线性关系。结果这一现象进一步证实了由不同厚度的SiO2注入掩模产生的点缺陷程度和混合或带隙调节程度之间的线性关系。
与注入激光二极管(LD)的特点相似，超发光二极管(SLD)具有输出功率高和光束发散度低的特点。与LED相似，超发光二极管给出宽发射谱和低的相干长度。这种器件的应用不仅仅局限于短程或中程距离的通信系统，而且在干涉型光纤陀螺(IFOG)系统和其它基于光纤的传感系统中也是关键元件。SLD具有所期望的特性，如消除光纤系统中的模态噪声、对光回馈噪声的抗扰性和耦合进光纤的高效率。由于谱宽展宽，相干长度减小了。SLDs的宽带特性减少了光纤陀螺系统中的瑞利背散射噪声(Rayleigh backscattering noise)、极化噪声和由非线性克尔效应引起的偏置偏移(bias offset)。因此SLD在这些设备中提供了获得最终灵敏度的优点。
在以下实施例中，在制作SLDs时使用了相同的InGaAs/InGaAsPQW结构14，其中通过使用“三角形”和“梯形”灰度图形调节SLD芯片中的带隙，从而实现SLD的宽带发光。
为了从SLD获得高输出功率，人们需要器件中达到很高的光增益，因此着重关心抑制激光模式。抑制技术可分为两类。第一类是作用抑制方法，包括使用未泵激的吸收器、短路吸收器和弯折波导的方法。第二类是无源抑制方法，包括使用非吸收窗口、调角条形和抗反射涂层(AR)的方法。在这个实施例中联合应用有源区和未泵激吸收区，之前已经证明这种方法能够制造高性能的SLDs。
图10是制作SLDs的工艺流程。在制作时共采用了三级掩模。第一掩模用于定义对准掩模。第二掩模是灰度掩模10，从而产生三角形和梯形截面30和31(见图6)。第三掩模用于定义有源接触窗口41和吸收器区42(有源区是50μm的条形图形)。首先，通过采用化学溶液湿刻材料直至第三外延层，InP上盖层定义对准掩模。刻蚀工艺之后，在样品上覆盖厚度为0.95μm的SiO212，并在3300rpm下旋转35秒形成深度为1.18μm的一层光刻胶11。然后将该结构经由灰度掩模10在UV中曝光5.1秒(步骤200)。
在获得曝光的光刻胶图形之后，进行RIE(步骤210)，将光刻胶图形转换到SiO2，形成注入掩模13。
在制备缓变SiO2图形13之后，在200℃采用P杂质1×1014cm-2的剂量对样品进行注入(步骤220)。然后带着完整的SiO2注入掩模在590℃进行120秒的QWI步骤。在这之后，去除SiO2掩模。
图11是制作好的SLD40示意图。应当注意到吸收区42未混合但进行了退火，在表面上没有金属节点从而未泵激。然后切开SLD样品评价其特征。
图12是制作好的两类SLDs在相同的2.5A泵激电流下的归一化发射谱。通常三角形截面的SLD发射谱比梯形截面的SLD更宽。

Claims (14)

1.一种制作集成光路的方法，所述集成电路包括具有量子阱区的结构，所述方法包括在结构上进行量子阱混合的步骤，其中进行量子阱混合的步骤包括以下步骤：在所述结构上形成光刻胶，按量子阱混合程度所需、按空间选择方式对光刻胶的不同区域有差别地曝光，随后对光刻胶显影。
2.如权利要求1所述的方法，包括对光刻胶使用光学掩模、并经由光学掩模对光刻胶曝光的步骤，光学掩模的光透射率按空间选择方式变化。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述光透射率依据预定函数变化。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述光透射率至少在一部分掩模上基本连续可变。
5.如权利要求2到4中任一项所述的方法，其中光学掩模是灰度掩模。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中对掩模层使用光刻胶。
7.如权利要求6所述的方法，其中掩模层是绝缘的。
8.如权利要求6或7所述的方法，还包括带着显影的光刻胶原位刻蚀所述结构的步骤，从而提供有差别刻蚀的掩模层。
9.如前述权利要求任一项所述的方法，还包括在一步离子注入步骤中将杂质引入所述结构的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，其中通过聚焦离子束、基于加热炉的杂质扩散和离子注入工艺引入所述杂质。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中在远离量子阱结构的区域中注入杂质。
12.如权利要求1到8中任一项所述的方法，还包括将所述结构暴露在等离子体中从而在所述结构中引入缺陷以促进随后的量子阱混合的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其中等离子体由电子回旋共振产生。
14.如前述权利要求任一项所述的方法，还包括对所述结构进行退火的步骤。
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