CN1416607A - 量子阱混合 - Google Patents

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Abstract

一种制作包括化合物半导体结构的集成光路的方法，所述化合物半导体结构具有量子阱区域，采用光子源对该结构进行照射以产生缺陷，光子的能量(E)至少为该化合物半导体的至少一个元素的置换能(ED)。然后将该结构进行退火以推动量子阱混合。优选的照射源是采用电子回旋共振(ECR)系统生成的等离子体。可按不同的方式遮挡该结构，从而通过控制该结构在照射源中的暴露部分，按在空间上可控制的方式实现该结构的选择性混合。

Description

量子阱混合
技术领域
本发明涉及一种制作包括化合物半导体结构的集成光路的方法。
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。
一篇题为“采用等离子体破坏引起层间混合的集成光路的集成工艺”(Integration process for photonic integrated circuits using plasmadamage induced layer intermixing)[电子通讯(Electronics Letters)，卷31，449，1995，BS Ooi，AC Bryce和JH Marsh著]的论文描述了基于反应离子轰击破坏的量子阱混合工艺。在这种技术中，采用高能RF源(从而也是高破坏性的)H2等离子体过程在样品的表面引入点缺陷，然而进行退火，使点缺陷扩散进入QW区域。等离子体暴露采用平行板反应离子刻蚀(RIE)机来进行。类似地，LM Lam等人在题为“在应变InGaAsP多量子阱中由等离子体浸没Ar+离子注入引入的无序”(PlasmaImmersion Ar+ Ion Implantation Induced Disorder in StrainedInGaAsP Multiple Quantum Wells)(电子通讯，卷34，第8期，1998年4月16日)的论文中公开了采用RIE机的等离子体浸没离子注入工艺。在这些技术的每一种技术中，QWI工艺基于离子轰击破坏并需要多次非常适度的带隙偏移循环。
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，提供了一种制作包括化合物半导体结构的集成光路的方法，该化合物半导体结构具有量子阱区，所述方法包括以下步骤：采用光子源照射所述结构产生缺陷，随后对该结构进行退火推动量子阱混合，所述光子的能量(E)至少为所述化合物半导体的至少一个元素的置换能(ED)。
尽管可以使用很多高能光子源，优选的照射源是等离子体。适用的等离子体源包括采用电子回旋共振(ECR)系统、感应耦合等离子体(ICP)系统、由低真空电子束激发的等离子体盘和等离子体软X-射线(SFR)设备产生的等离子体源。其它适用的高能照射包括电气体放电设备、受激准分子激光器、同步加速器设备、闪烁X-射线设备和伽玛射线源。
所述方法可包括将所述结构一部分进行遮挡的步骤，从而控制照射破坏的程度。在这种方式下，采用掩模防止完全混合。然而所述结构最好按不同的方式进行遮挡，从而按预定方式暴露所述结构的各部分实现所述结构按空间上得以控制的方式进行选择性混合。
有很多适用的暴露掩模形式，包括双掩模、相位掩模、灰度掩模、绝缘或金属掩模和光刻胶掩模。采用不同形式的掩模图形可方便地实现混合的空间控制。我们共同未决的国际专利申请(国际申请号PCT/GB01/00904)描述了经灰度掩模曝光的光刻胶层从而将结构制作成图形的方法。量子阱混合的程度决定于灰度掩模的光透射率按空间选择方式得以控制。这种技术特别适用于本发明，因为它使得可以建造控制所述结构在高能照射中暴露的掩模。可单独使用光刻胶掩模图形控制暴露程度，或者取而代之由刻蚀工艺将掩模图形转换到下层的材料上，如一层绝缘材料。
本发明的关键特征在于使用照射源引起晶体结构的照射破坏。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。ED值的能量值单位为eV，对一组III-V族材料而言给出下表所示的值。
 GaAs  9/9.4
 InP  6.7/8.7
 InAs  6.7/8.3
 InSb  5.7/6.6
同时，已知真空紫外(VUV)照射可导致对半导体结构的破坏，以前的研究总是基于避免这种破坏，或至少通过退火进行修复，以确保这些缺陷不会影响器件的工作。
这种新的、低成本的并且简单的技术可一般性地应用于PICs的制作，或特别应用于WDM源的制作。通过应用如本发明所述的QWI技术，可将跨过晶片的带隙能量调制成不同程度。这不仅使得集成单片多波长激光器成为可能，也使得进一步扩展到在单一芯片上集成调制器和耦合器成为可能。通过在外延生长之后将吸收谱(gain spectrum)扩展到最大值，这种技术的应用也使超发光二极管(SLDs)的制作和设计过程变得容易。
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。
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ECR系统实例的示意图；
图2是InGaAs/InGaAsP SQW层状结构的示意图和该结构的能带图；
图3A和3B是暴露在Ar等离子体中的样品的PL谱图；
图4是对于不同微波功率Ar暴露时间和相对带隙能量偏移之间的关系图；
图5是处理温度和相对带隙能量偏移之间的关系图；
图6是处理压力和相对带隙能量偏移之间的关系图；
图7是部分被一层光刻胶遮挡的样品示意图；
图8是在Ar等离子体中暴露之后从图7中的样品获得的PL谱图；
图9是RF功率和相对带隙能量偏移之间的关系图；
图10是微波功率和相对带隙能量偏移之间的关系图；
图11是对于暴露在Ar等离子体中的样品不同SiO2掩模厚度的相对带隙能量偏移图；
图12是宽区域吸收导向激光器的示意图；以及，
图13是图12所示器件的归一化谱图。
具体实施方式
本发明基于采用高能照射可得到更有效形式的等离子体诱导QWI的发现，如在ECR生成的等离子体中产生的VUV照射。这种等离子体工艺按与较早的等离子体诱导无序化QWI技术相比完全不同的方式工作。在ECR中对微波功率的控制使得可以产生在传统RIE机中没有发现过的高能照射。结果，采用高能照射获得的QWI蓝移要大得多。
在ECR系统中，与激发电磁波同时使用磁场。在这些磁场下的电子进行环形或轨道运动，半径与磁场强度相关，并按已知的电子回旋频率旋转。如果电磁波的频率等于回旋频率，就会发生相位相干从而使电子连续吸收能量。在这种情况下，从激发电磁场向电子的能量发射转移已知在共振过程中发生。在这种共振过程中，等离子体中的电子从激发微波中获得它们的能量，并随后经由碰撞将能量转移给分子，导致电子碰撞电离并产生高密度等离子体。这些高度电离的离子以VUV线发射方式发射光子。
由于ECR等离子体能够在相对低的压力和温度下维持高度游离和高度电离的等离子体，它在刻蚀和薄膜沉积之类的微电子制作中越来越普及。它具有在比传统RIE RF等离子体更低的压力(典型为10-3到10-2托)下工作的能力，并且在某些情形下电离程度高达10％。
共振或增强能量吸收发生在交变电场的频率等于回旋频率时。在这种情形下，电子的螺旋运动与交变电场同相，使得可以在每一次极性变化时共振加速。在2.45GHZ的工业微波频率下，共振发生在873G的永磁体中。为了有效进行能量的共振吸收，电子必须在它们的回旋轨道中运行时不和中性原子碰撞。由于能量转移给中性原子并使运动方向随机化，碰撞干扰能量的吸收。作为一个通用规则，在压力高于20mTorr时碰撞导致低效率的电子回旋加热。在有效ECR放电中，可达到1012cm-3的离子和电子密度。这大约是在传统RIE系统中产生的等离子体中可达到的密度的100到1000倍。
在下文的描述中，处理样品的ECR系统是Plasma Quest Series IIPQM-9187-A系统。如图1所示。系统10包括通过石英窗口向ECR腔12注入2.45GHz微波的微波发生器11。微波功率范围是0-1500W。微波发生器上安装有三短棒调节器，所述调节器由与9英寸长波导13安装在一起的三个阻抗匹配棒组成。用于减少导向易于调节的等离子体源的微波能的反射能量或减少消耗负载。交变极性的附加Nd-Fe-B永磁体14放置在反应器的周边并嵌入接地的上电极中。这种放置产生更好地限制等离子体的磁场。它将等离子体的离子远离腔室壁聚焦到腔室的中心，从而减少原子向腔室壁放电的损失。
ECR反应器也包括与13.56MHz RF功率源16相连的样品卡盘15。RF发生器产生的最大功率是500W。微波功率控制离化量和反应原子的产生。另一方面，RF源提供对衬底的偏置并因此控制着向衬底的离子通量，加强处理的定向性。
在下文所述实例中所使用的InzGa1-zAs/InxGa1-xAsyP1-y结构由金属有机化学气相沉积(MOCVD)在InP衬底上生长而成。单量子阱(SQW)区域未掺杂并包括5.5nm宽的InzGa1-zAs QW和12nm宽的InxGa1-xAsyP1-y(λg＝1.26um)势垒。由台阶缓变折射率(GRIN)InxGa1-xAsyP1-y限制层来限定有源区。这些层的厚度和组成分别是50nm的λg＝1.18um层和80nm的λg＝1.05um层。该结构的晶格完全与InP相匹配，还包括1.4um的InP上盖层、0.65um厚度的InxGa1-xAsyP1-y层和作为接触层的0.1um厚的InzGa1-zAs层。下盖层掺入浓度为2.5×1018cm-3的硫。第一上盖层(InP)掺入浓度为7.4×1017cm-3的Zn，随后的层分别掺入浓度为2×1018cm-3和1.3×1019cm-3的Zn。该层状结构的总结和图示分别在表1和图2中给出。
表1
 层   厚度(nm) 材料   Ts  (x)  掺杂剂 类型 浓度(cm-3)
 11  100 In(x)GaAs  650  0.53  Zn  p  8.000e+18
 10  50 InGaAsP，λg＝1.18  650  Zn  p  2.000e+18
 9  1400 InP  650  Zn  p  6.000e+17
 8  80 InGaAsP，λg＝1.05  650  u
 7  50 InGaAsP，λg＝1.18  650  u
 6  12 aInGaAsP，λg＝1.26  650  u
 5  5.5 In(x)GaAs  650  0.53  u
 4  12 InGaAsP，λg＝1.26  650  u
 3  50 InGaAsP，λg＝1.18  650  S  n  5.000e+17
 2  80 InGaAsP，λg＝1.05  650  S  n  5.000e+17
  1   1000   InP   650   S   n   2.000e+18
  -    -   *InP衬底
由于折射率不同，也就是说与势垒相比QW中的折射率更大，GRIN结构用于产生更好的光学限制。下边的GRIN区域采用S进行掺杂(n-型)，而上边的GRIN区域(层7-8)没有掺杂p-型Zn，以防止Zn在QWI阶段扩散进入QW区域从而降低作用层的质量。上部的InGaAs层用作接触层，在InP和InGaAs层之间夹上InGaAsP层从而不会发生从InP结构向InGaAs结构的陡变。
先对样品17进行清洗，然后切成2×2mm2的尺寸。在不同处理条件下将这些样品暴露在图1所示ECR装置中的Ar等离子体中。对于第一组等离子体处理的样品，RF和微波功率分别固定在450W(自DC偏置于大约-35V)和1400W，气体流动速率是50sccm，处理压力是30mTorr。暴露时间从1到15分钟变化。然后将另一组样品暴露在Ar等离子体中，采用同样的处理条件，但将微波功率减小到800W(自DC偏置约为-60V)。暴露时间从1到9分钟变化。等离子体暴露之后，随后采用快速热处理器(RTP)在600℃对样品进行2分钟的退火。在退火阶段使用GaAs临近盖层以便向样品提供As过压(over pressure)。
图3A和3B分别给出在微波功率1400W和800W中的Ar等离子体中暴露不同时间的样品的PL谱。图4表示对于分别采用RF 450W和微波功率800W和1400W产生的Ar等离子体，相对于刚生长样品的相对带隙偏移作为暴露时间的函数。
从图4中可以看出，QWI效应可在暴露于Ar等离子体中的样品中观察到，这种QWI效应引起带隙能量的宽化和发光波长的蓝移。对于在1400W暴露的样品，混合程度随暴露时间的延长而逐渐增加。带隙偏移在等离子体处理10分钟后在大约106nm(72meV)处饱和。能量偏移的饱和暗示由离子轰击和照射破坏产生的点缺陷最大值在10分钟暴露时间后饱和。暴露在800W的样品产生与1400W类似趋势的结果，但蓝移的程度更低。这可归因于使用了较低的微波功率，从而Ar等离子体的电离度较低。对于处理9分钟的样品，在这种暴露条件下可获得的最高蓝移发现在大约66nm(42meV)处。
如图5所示，控制带隙能量和处理温度的关系不是线性的。带隙偏移的最大值是32nm，在100℃处理温度下获得。通常在离子轰击破坏处理条件下希望在高温下产生较高的QWI程度。然而，在本发明中没有观察到这种现象。因此可以下结论说由这种工艺导致的破坏浓度低于某一个激发QWI的阈值。
图6表示相对于不同处理压力的带隙偏移。在处理压力30mTorr时带隙能量偏移增加到最大值49nm，随着压力的进一步升高逐渐减小。从获得的结果可见，该现象可解释为在处理压力从10mTorr升高到30mTorr时等离子体的中性原子和电离原子密度增加。因此产生更大量的破坏，导致更高程度的混合。然而，当压力进一步升高时离子的平均自由程缩短了。这使得碰撞到样品表面的离子和中性原子数量大大减少，从而减少引起的破坏量。由于提高处理压力而产生的更高的电离度应当能产生更大的照射破坏。然而结果却表明照射强度变化非常小，在不同压力范围下对QWI产生的效果基本上保持为常数。
通常只有在QWI能够定位到半导体的所需区域也就说能够选择性混合时才有使用价值。由于选择性提供了集成的可能，因此选择性是工艺中的重要方面。对QWI而言，混合区和未混合区之间的界面锐度称为是空间分辨率。由于高空间分辨率可保证器件集成时的紧凑度，因此高空间分辨率在混合工艺中是必不可少的。
为了研究等离子体处理的选择性，制备了20片2×4mm2的样品(图7)。样品的一半采用光刻胶21制作出图形。然后将样品20暴露在RF450W和微波1400W的Ar等离子体中5分钟。采用光刻胶21遮挡的部分受到保护，不会因暴露于Ar等离子体中而引起破坏，因而在RTP工艺之后没有或在极小的程度上进行QWI。
图8是在Ar暴露和随后的热退火之后从样品20获得的PL谱。从图中可以看出，采用一层光刻胶遮挡的部分发生很小的带隙偏移(～10nm)，而暴露在等离子体中的部分22表现出大得多的带隙偏移(64nm)，因此在遮挡和未遮挡区域之间产生54nm的相对带隙差异。这一结果表明在InGaAs-InGaAsP样品中，仅采用光刻胶作为遮挡层就可获得很高的选择性。在遮挡区很小的带隙偏移可归因于由热相关效应导致的带隙变化。
仅使用RF电源产生的等离子体主要只能产生离子轰击破坏。这主要归因于等离子体和半导体之间的势能差异很大(可高达130eV)。通过将样品暴露在这样的等离子体中，可以研究在离子轰击控制的等离子体环境中的QWI机制。
将一组样品暴露在采用不同RF条件生成的Ar等离子体中，同时保持其它工艺参数为常数。所有的暴露都进行5分钟。图9是相对带隙偏移作为RF功率的函数。如图9所示，仅在RF条件下的等离子体处理样品表现出不大的带隙偏移，最大偏移为22nm(10meV)。其它RF值条件下的带隙偏移也很小。
然后将另一组样品暴露在不同微波条件下生成的等离子体中，同时保持其它工艺参数为常数。所有的暴露都进行5分钟。在暴露之后，将样品在600℃退火2分钟。图10是相对带隙能量偏移作为微波功率的函数。
如图10所示，仅在微波条件下采用等离子体处理的样品产生的带隙偏移高达66nm(42meV)。带隙偏移的值随微波功率的增加而升高。这一结果意味着由高密度ECR等离子体产生的高能VUV照射对QWI效应的影响比离子轰击更强。因此在采用这种工艺的InGaAs-InGaAsP结构中起着重要作用。
在下表2中提供了上述研究的工艺变量的总结，给出了每一个变量的潜在工作范围和优选工作范围。
    潜在工作范围     优选工作范围
RF功率     0～500W     0W
微波功率     300～3000W     1000～2000W
处理温度     25～500℃     25～200℃
处理压力     0.1～100mTorr     20～50mTorr
暴露时间     30s～1hr     4～14min
在以下实例中，采用一层SiO2作为Ar等离子体的暴露掩模，研究相应于在InGaAs/InGaAsP MQW上沉积的SiO2厚度的混合速率。通过不同SiO2厚度控制混合量的能力使得可以在样品中横向改变带隙能量。这也使得可以实现横跨样品需要不同工作波长的器件，如多波长激光器。
将InGaAs/InGaAsP MQW切成2×2mm2。采用PECVD系统在样品上沉积不同厚度的SiO2。SiO2的厚度范围是从100nm到1200nm。对于每一个SiO2厚度使用四个样品，以研究该工艺的重复性。
将所有的样品暴露在RF 450W和微波1400W的Ar等离子体中10分钟。在暴露后对于每一个SiO2厚度将两个样品放HF∶H2O为2∶1的溶液中。这是为了在退火工艺之前除去样品上的SiO2层。因此可以研究采用和不采用SiO2盖层时的退火效果。然后将这些样品在590℃的温度下退火2分钟。然后进行PL测量分析QWI的程度。
图11是对于不同的SiO2厚度暴露在Ar等离子体中的样品的相对带隙能量。如图11所示，随SiO2厚度增加混合程度逐渐减小。然而在SiO2厚度小于500nm时，混合程度基本上保持为常数，带隙偏移在40-50meV范围内。当SiO2盖层厚度大于800nm时没有观察到明显的带隙偏移。在SiO2厚度范围500-800nm内，混合程度随厚度的增加减小很多。
因此，我们的结果表明，通过改变在暴露之前沉积在样品上的SiO2厚度可以控制采用Ar暴露在InGaAs/InGaAsP MQW中的QWI。控制混合程度的能力使得可以制作跨越样品需要不同带隙能量的器件。通过在暴露之前控制跨越晶片的SiO2厚度，可以实现用于WDM设备的多波长激光器。采用在我们共同未决的国际专利申请号(国际申请号PCT/GB01/00904)中所描述的新型灰度掩模光刻技术的发明，由于只需要一步RIE处理就可将不同厚度的SiO2转移到样品上，所以可进一步简化这种制作。可选地，采用相同的灰度掩模技术，掩模可仅包括不同厚度的光刻胶图形。
为了研究QWI之后材料的持续波长，由刚生长的样品(未进行等离子体处理和退火)、对照样品(未进行等离子体处理但进行退火)和Ar等离子体混合样品制作出宽区域吸收导向激光器。
将来自一个InGaAs/InGaAsP MQW晶片的多个6×6mm2的样品沿晶体取向切割。然后将它们暴露在RF 450W和微波800W的Ar等离子体中5分钟。随后在590℃进行120秒的退火步骤以推动QWI。然后在样品上覆盖一层200nm PECVD SiO2绝缘盖层。然后采用光刻定义50um的带状窗口，干刻和湿刻都被用来打开这个窗口。为了减小来自CF4和O2处理的破坏，先进行5分钟的干刻，然后采用缓冲HF湿刻10秒以除去剩余的75nm的SiO2。这些激光器是增益导向的，因为注入的电流只是在50um带状窗口产生粒子数反转和微小的波导效应。在这之后，采用电子束蒸发进行前接点的金属化(p-型：Ti/Au，50nm/200nm)。然后将样品减薄到180um厚度。采用蒸发进行后接点的金属化(n-型：Au/Ge/Au/Ni/Au，14nm/14nm/14nm/11nm/200nm)，然后将样品用RTP在360℃退火60秒，完成整个制作。将处理后的样品划成用于表征的、不同腔体长度的单个激光器。在图12中给出了带隙偏移的氧化物带状激光器30的示意图。
图13是刚生长的样品、对照样品和Ar等离子体混合样品的激光谱。从图中可以看出，对照样品和刚生长的样品在1.55um处表现出几乎相似的峰值持续波长，而Ar等离子体混合激光器在1.517um处给出峰值持续波长，偏移达38nm。

Claims (16)

1.一种制作包括化合物半导体结构的集成光路的方法，所述化合物半导体结构具有量子阱区域，所述方法包括以下步骤：采用光子源对所述结构进行照射以产生缺陷，然后将所述结构进行退火以促进量子阱混合，其中所述光子的能量(E)至少为所述化合物半导体的至少一种元素的位移能(ED)。
2.如权利要求1所述的方法，其中照射源是等离子体。
3.如权利要求2所述的方法，其中等离子体源采用电子回旋共振系统、感应耦合等离子体系统、由低真空电子束激发的等离子体盘或等离子体软X-射线设备生成。
4.如权利要求1所述的方法，其中照射源选自电气体放电设备、受激准分子激光器、同步加速器设备、闪烁X-射线设备和伽玛射线源。
5.如前述任一项权利要求所述的方法，包括遮挡所述结构的一部分以控制照射破坏程度的步骤。
6.如权利要求5所述的方法，其中采用掩模防止完全混合。
7.如权利要求5所述的方法，其中按不同的方式遮挡所述结构，从而通过按预定方式控制所述结构在照射源中的暴露部分，按在空间上可控制的方式实现所述结构的选择性混合。
8.如权利要求5至7中任一项所述的方法，其中掩模选自双掩模、相位掩模、灰度掩模、绝缘或金属掩模和光刻胶掩模。
9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中采用可变分布的掩模图形实现混合的空间控制。
10.如前述任一项权利要求所述的方法，还包括以下步骤：在所述结构上形成光刻胶，取决于所需量子阱混合程度、按在空间上选择的方式有差别地对光刻胶区域进行曝光，随后对光刻胶进行显影。
11.如权利要求10所述的方法，包括以下步骤：在光刻胶上使用光学掩模，经由光学掩模对光刻胶进行曝光，所述光学掩模具有按空间选择方式改变的光透射率。
12.如权利要求11所述的方法，其中光学掩模是灰度掩模。
13.如权利要求10到12中任一项所述的方法，其中在掩模层上使用光刻胶。
14.如权利要求13所述的方法，其中掩模层是绝缘层。
15.如权利要求13或14所述的方法，还包括以下步骤：采用显影后的光刻胶原位刻蚀所述结构，以提供有差别刻蚀的遮挡层。
16.如前述任一项权利要求所述的方法，其中电子回旋共振系统用来生成等离子体，其中ECR系统的微波功率在300到3000W之间，更优化地在1000到2000W之间，处理温度在25到500℃之间，更优化地在25到200℃之间，处理压力在0.1到100mTorr之间，更优化地在20到50mTorr之间，暴露时间在30秒到1小时之间，更优化地在4到14分钟之间。
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