DE60206025T2

DE60206025T2 - Herstellungsverfahren für optische vorrichtungen und verbesserungen

Info

Publication number: DE60206025T2
Application number: DE60206025T
Authority: DE
Inventors: Craig James Hamilton; Peter Olek KOWALSKI; Haig John MARSH; Stewart Duncan Mcdougall
Original assignee: University of Glasgow
Current assignee: University of Glasgow
Priority date: 2001-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2022-01-24
Also published as: WO2002059952A3; GB0101635D0; WO2002059952A2; AU2002225206A1; RU2003125850A; EP1368823B1; JP2004523897A; US20040106224A1; JP4260480B2; CA2434088A1; EP1368823A2; DE60206025D1; US6989286B2; CN1260775C; ATE304221T1; CN1488163A; GB2372148A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung optischer Vorrichtungen und insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, die Herstellung integrierter optischer Vorrichtungen oder optoelektronischer Vorrichtungen, beispielsweise optoelektronische Halbleiterbausteine wie beispielsweise Laserdioden, optische Modulatoren, optische Verstärker, optische Schalter und dergleichen. Die Erfindung betrifft des Weiteren optoelektronische integrierte Schaltungen (OEICs) und photonische integrierte Schaltungen (PICs), die solche Vorrichtungen enthalten.
Allgemeiner Stand der Technik
Quantum Well Intermixing (QWI) ist ein Prozess, von dem berichtet wird, dass er einen möglichen Weg zur monolithischen optoelektronische Integration darstellt. QWI kann bei III-V-Halbleitermaterialien durchgeführt werden, beispielsweise Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) und Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (InGaAsP), die man auf binären Substraten, beispielsweise Gallium-Arsenid (GaAs) oder Indium-Phosphid (InP), aufwachsen lassen kann. QWI verändert den Bandabstand einer Struktur nach dem Aufwachsen durch Zwischendiffusion von Elementen einer Quantenmulde (QM) und zugehöriger Sperrschichten, so dass eine Legierung der einzelnen Komponenten entsteht. Die Legierung hat einen Bandabstand, der größer ist als der Bandabstand der QM nach dem Aufwachsen. Jede optische Strahlung (Licht), die inner halb der QM erzeugt wird, wo kein QWI stattgefunden hat, kann deshalb durch eine QWI- oder "Intermixed"-Region der Legierung passieren, die praktisch für die optische Strahlung transparent ist.
In der Fachliteratur sind verschiedene QWI-Techniken beschrieben worden. Beispielsweise kann QWI durch Hochtemperaturdiffusion von Elementen wie beispielsweise Zink in ein Halbleitermaterial, das eine QM enthält, durchgeführt werden.
QWI kann ebenfalls durch Implantierung von Elementen wie beispielsweise Silicium in ein QM-Halbleitermaterial durchgeführt werden. Bei einer solchen Technik werden durch das Implantierungselement Punktdefekte in die Struktur des Halbleitermaterials eingetragen, die durch das Halbleitermaterial hindurch bewegt werden, wodurch ein Vermischen ("Intermixing") in der QM-Struktur durch einen Hochtemperatur-Ausheilungsschritt bewirkt wird.
Über solche QWI-Techniken wurde in "Applications of Neutral Impurity Disordering in Fabricating Low-Loss Optical Waveguides and Integrated Waveguide Devices", Marsh und Mitarbeiter, Optical and Quantum Electronics 23, 1991, s941–s957, berichtet.
Bei diesen Techniken gibt es das Problem, dass das QWI zwar den Bandabstand des Halbleitermaterials nach dem Aufwachsen verändert, d. h. vergrößert, dass aber aufgrund des Freie-Ladungsträger-Absorptionskoeffizienten dieser Dotierungselemente große Verluste durch residuale Diffusions- oder -Implantationsdotanden entstehen können.
Eine weitere QWI-Technik, über die berichtet wurde und die Intermixing beinhaltet, ist die Impurity Free Vacancy Diffusion (IFVD). Bei der IFVD ist die oberste Deckschicht der III-V-Halbleiterstruktur in der Regel GaAs oder Indium- Gallium-Arsenid (InGaAs). Auf der obersten Schicht ist ein Film aus Siliciumdioxid (SiO₂) abgeschieden. Das anschließende schnelle thermische Ausheilen des Halbleitermaterials bewirkt, dass Verbindungen innerhalb der Halbleiterlegierung aufbrechen und dass Galliumionen oder -atome, die für Siliciumdioxid (SiO₂) anfällig sind, sich in das Siliciumdioxid hinein auflösen, so dass Leerstellen in der Deckschicht zurückbleiben. Die Leerstellen diffundieren dann durch die Halbleiterstruktur hindurch, wodurch eine Schichtenvermischung beispielsweise in der QM-Struktur bewirkt wird.
Über IFVD wurde in "Quantitative Model for the Kinetics of Compositional Intermixing in GaAs-AlGaAs Quantum-confined Heterostructures" von Helmy und Mitarbeiter, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 4, Nr. 4, Juli/August 1998, Seiten 653–660, berichtet.
Die beschriebenen QWI- und insbesondere IFVD-Verfahren sind mit einer Reihe von Nachteilen behaftet, beispielsweise die Temperatur, bei der Gallium aus dem Halbleitermaterial heraus- und in den Film aus Siliciumdioxid (SiO₂) hinein diffundiert.
Kowalski und Mitarbeiter: "A universal damage induced technique for quantum well intermixing", Applied Physics Letters, Vol. 72, Nr. 5, Seite 581 ff, und McDougall und Mitarbeiter: "Monolithic integration via a universal damage enhanced quantum-well intermixing technique", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 4, Nr. 4, Seite 636 ff., beschreiben beide den Einsatz einer aufgesputterten Deckschicht zur örtlichen Optimierung der Bandabstandsverschiebung in einer darunterliegenden Intermixing-Struktur.
Es ist eine Aufgabe wenigstens eines Aspekts der vorliegenden Erfindung, die oben angesprochenen Nachteile oder Probleme des Standes der Technik zu beseitigen oder wenigstens zu mindern.
Es ist des Weiteren eine Aufgabe wenigstens eines Aspekts der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung unter Verwendung eines verbesserten QWI-Prozesses bereitzustellen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, wird ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung bereitgestellt, wobei ein Vorrichtungskörperabschnitt, aus welchem die Vorrichtung herzustellen ist, eine Quantum-Well-Intermixing-Struktur enthält, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Durchführen von Plasmaätzen auf mindestens einem Teil einer Oberfläche des Vorrichtungskörperabschnitts, um auf mindestens einem Abschnitt des Vorrichtungskörperabschnitts der Oberfläche benachbart strukturelle Defekte einzuarbeiten, wobei das Plasmaätzen eine Ätzzeit von mindestens 0,5 Minuten mit einer Leistung von mindestens 300 W umfasst; und
nachfolgend Abscheiden einer dielektrischen Schicht, um die geätzte Oberfläche mit der dielektrischen Schicht zu überziehen.
Die Strukturdefekte können "Punkt"-Defekte enthalten.
Das Plasmaätzen und die Abscheidung der dielektrischen Schicht erfolgen bevorzugt und vorteilhafterweise zur Sputtern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die dielektrische Schicht durch Aufsputtern mittels einer Diodensputtervorrichtung abgeschieden.
Die dielektrische Schicht kann zweckmäßigerweise im Wesentlichen Siliciumdioxid (SiO₂) umfassen oder kann ein anderes dielektrisches Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃), umfassen.
Die Sputtervorrichtung enthält vorzugsweise eine Kammer, die im Wesentlichen mit einem Edelgas wie beispielsweise Argon, vorzugsweise mit einem Druck von etwa 2 Mikron Quecksilbersäule, oder einem Gemisch aus Argon und Sauerstoff, beispielsweise in einem Verhältnis von 90 %/10 %, gefüllt sein kann.
Der Schritt des Abscheidens der dielektrischen Schicht kann einen Teil eines Quantum Well Intermixing (QWI)-Prozesses umfassen, der bei der Herstellung der Vorrichtung zum Einsatz kommt.
Der QWI-Prozess kann Impurity Free Vacancy Disordering (IFVD) umfassen.
Das Herstellungsverfahren beinhaltet vorzugsweise des Weiteren den anschließenden Schritt des Ausheilens des Vorrichtungskörperabschnitts einschließlich der dielektrischen Schicht bei einer erhöhten Temperatur.
Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass durch Ätzen der Halbleiteroberfläche vor dem Aufsputtern der dielektrischen Schicht, die bei QWI-Techniken wie beispielsweise IFVD verwendet wird, augenscheinlich schadensinduzierte Punktdefekte in den Abschnitt des Vorrichtungskörperabschnitts neben der dielektrischen Deckschicht eingetragen werden. Der Abschnitt kann beispielsweise eine oberste oder "Deck"-Schicht umfassen. Es wird angenommen, dass der Schaden durch das Aufbrechen von Verbindungen in der Deckschicht vor dem Ausheilen hervorgerufen wird, beispielsweise durch die Einwirkung von Wärmeenergie durch schnelles thermisches Ausheilen, wodurch der Übergang von Gallium und/oder Indium von der Deckschicht in die dielektrische Schicht beschleunigt wird.
Das Herstellungsverfahren beinhaltet vorzugsweise des Weiteren die vorangehenden Schritte des Bereitstellens eines Substrats und des Aufwachsens einer ersten optischen Mantelschicht, einer Kernleitschicht, die eine Quantenmuldenstruktur beinhaltet, und einer zweiten optischen Mantelschicht auf dem Substrat.
Die erste optische Mantelschicht, die Kernleitschicht und die zweite optische Mantelschicht kann man durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder durch metallorganische chemische Aufdampfung (MOCVD) aufwachsen lassen.
Bei einer ersten Ausführungsform kann das Verfahren des Weiteren den Schritt des Definierens eines Musters in Photoresist auf einer Oberfläche des Vorrichtungskörperabschnitts, des Ätzens und des anschließenden Abscheidens der dielektrischen Schicht und des Abhebens des Photoresists, um die dielektrische Schicht auf dem mindestens einen Teil der Oberfläche des Vorrichtungskörperabschnitts vorzusehen, beinhalten.
Bei der ersten Ausführungsform kann das Verfahren des Weiteren den Schritt des Abscheidens einer weiteren dielektrischen Schicht auf die Oberfläche des Vorrichtungskörpers und auf eine Oberfläche der dielektrischen Schicht vor dem Ausheilen, vorzugsweise ohne eine Plasmaätzstufe, mittels einer anderen Technik als Spauttern, beispielsweise durch plasmaverstärkte chemische Aufdampfung (PECVD), beinhalten.
Bei einer zweiten Ausführungsform kann das Verfahren die Schritte des Abscheidens der weiteren dielektrischen Schicht und des anschließenden Ätzens des Substrats und des Abscheidens der dielektrischen Schicht beinhalten.
Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform kann die dielektrische Schicht, welche die zuvor geätzte Schicht verkapselt, einen Intermixing-Überzug umfassen, wobei die weitere dielektrische Schicht einen Intermixing-Unterdrückungsüberzug umfassen kann.
Das Plasmaätzen kann in der Regel für eine Dauer zwischen 0,5 und 10 Minuten durchgeführt werden, und die Dicke der verkapselnden dielektrischen Schicht kann im Bereich von 10 Nanometern bis einigen hundert Nanometern liegen.
Der Ausheilungsschritt kann bei einer Temperatur von etwa 650 °C bis 850 °C für eine Dauer von etwa 0,5 bis 5 Minuten und bei einer Ausführungsform bei im Wesentlichen 800 °C für eine Dauer von etwa 1 Minute ausgeführt werden.
Mittels der Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann eine optische Vorrichtung hergestellt werden.
Die optische Vorrichtung kann eine integrierte optische Vorrichtung oder eine optoelektronische Vorrichtung sein.
Der Vorrichtungskörperabschnitt kann in einem III-V-Halbleitermaterialien-System hergestellt werden.
Bei einer Ausführungsform kann es sich bei dem III-V-Halbleitermaterialien-System um ein System auf Gallium-Arsenid-Basis (GaAs) handeln, das darum mit einer oder mehreren Wellenlängen im Bereich von 600 bis 1300 nm arbeiten kann. Alternativ kann es sich bei dem III-V-Halbleitermaterialien-System in einer bevorzugten Ausführungsform um ein System auf Indium-Phosphid-Basis handeln, das darum mit einer oder mehreren Wellenlängen im Bereich von 1200 bis 1700 nm arbeiten kann. Der Vorrichtungskörperabschnitt kann wenigstens teilweise aus Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaRs), Indium-Gallium-Arsenid (InGaRs), Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (InGaAsP), Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid (InGaAlAs) und/oder Indium-Gallium-Aluminium-Phosphid (InGaAlP) hergestellt sein.
Der Vorrichtungskörperabschnitt kann ein Substrat umfassen, auf dem eine erste optische Mantelschicht, einer Kernleitschicht und eine zweite optische Mantelschicht angeordnet sind.
Die Quantenmulden-Struktur ist vorzugsweise in der Kernleitschicht angeordnet.
Die Kernleitschicht, wie sie nach dem Aufwachsen besteht, kann einen kleineren Bandabstand und einen höheren Brechungsindex aufweisen als die erste und die zweite Mantelschicht.
Die optische integrierte Schaltung, die optoelektronische integrierte Schaltung (OEIC) oder die photonische integrierte Schaltung (PIC) können wenigstens eine optische Vorrichtung umfassen, die mittels der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Mittels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann ein Vorrichtungskörperabschnitt ("Muster") hergestellt werden.
Mittels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann eine Materialscheibe hergestellt werden, die wenigstens einen Vorrichtungskörperabschnitt enthält.
Für das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise eine Sputtervorrichtung verwendet.
Bei der Sputtervorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Diodensputtervorrichtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es wird nun eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft und anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Seitenansicht eines Vorrichtungskörperabschnitts nach dem Aufwachsen zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Seitenansicht einer optischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die aus dem Vorrichtungskörperabschnitt von 1 hergestellt wurde.
3 ist eine schematische Darstellung von Bandabstandsenergien eines Teils des Vorrichtungskörperabschnitt von 1, wobei der Teil eine Kernschicht umfasst, die eine Quantenmulde enthält.
4 ist eine schematische Darstellung, ähnlich 3, von Bandabstandsenergien eines entsprechenden Teils der optischen Vorrichtung von 2 mit Quantenmuldenvermischung.
5(a) bis 5(f) sind eine Reihe schematischer Seitenansichten eines Vorrichtungskörperabschnitts während verschiedener Schritte eines Verfahrens zur Herstellung der optischen Vorrichtung von 2.
6 ist eine schematische Darstellung einer Diodensputtervorrichtung zur Verwendung bei der Abscheidung einer dielektrischen Schicht auf dem Vorrichtungskörperabschnitt der 5(a) bis (f) während eines in 5(c) gezeigten Schrittes der Abscheidung einer dielektrischen Schicht.
7(a) und (b) sind detailliertere schematische Seitenansichten des Vorrichtungskörperabschnitts der 5(a) bis (f) vor und nach einem in 5(f) gezeigten Ausheilungsschritt.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Wenden wir uns zunächst 1 zu, wo ein Vorrichtungskörperabschnitt, allgemein mit 5 bezeichnet, nach dem Aufwachsen gezeigt ist, der in einem Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Verwendung findet. Die optische Vorrichtung ist eine integrierte optische Vorrichtung oder eine optoelektronische Vorrichtung.
Der Vorrichtungskörperabschnitt 5 wird zweckmäßigerweise in einem III-V-Halbleitermaterial-System wie beispielsweise Gallium-Arsenid (GaAs) hergestellt und arbeitet daher mit einer oder mehreren Wellenlängen im Bereich von 600 bis 1300 nm. Alternativ und vorteilhafterweise wird der Vorrichtungskörperabschnitt in einem Indium-Phosphid-Halbleitersystem (InP) hergestellt arbeitet daher mit einer oder mehreren Wellenlängen im Bereich von 1200 bis 1700 nm. Der Vorrichtungskörperabschnitt 5 kann wenigstens teilweise aus Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs), Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (InGaAsP), Indium-Aluminium-Gallium-Arsenid (InAlGaAs) und/oder Indium-Gallium-Aluminium-Phosphid (InGaAlP) hergestellt sein. Bei dieser beschriebenen ersten Ausführungsform besteht der Vorrichtungskörperabschnitt aus AlGaAs.
Der Vorrichtungskörperabschnitt 5 kann einen Teil eines Halbleiterwafers (siehe 1) zusammen mit mehreren anderen eventuell gleichen optischen Vorrichtungen, die nach der Verarbeitung von dem Wafer abgespalten werden können, bilden. Der Vorrichtungskörperabschnitt 5 umfasst ein Substrat 10, auf dem eine erste optische Mantelschicht 15, einer Kernleitschicht 20 und eine zweite optische Mantelschicht 25 angeordnet sind. Eine Quantenmuldenstruktur 30, die wenigstens eine Quantenmulde umfasst, ist in der Kernleitschicht 20, wie sie nach dem Aufwachsen vorhanden ist, angeordnet. Auf der zweiten optischen Mantelschicht 25 ist eine Deckschicht 35 angeordnet.
Der Fachmann erkennt, dass die Kernleitschicht 20, wie sie nach dem Aufwachsen vorhanden ist, einen kleineren Bandabstand und einen höheren Brechungsindex aufweist als die erste und die zweite optische Mantelschicht 15, 25.
Wenden wir uns nun 2 zu, wo eine optische Vorrichtung gezeigt ist, die allgemein mit 40 bezeichnet ist und aus dem Vorrichtungskörperabschnitt 5 von 1 mittels eines Verfahrens hergestellt ist, das im weiteren Verlauf detailliert beschrieben wird. Wie aus 2 zu erkennen ist, umfasst die Vorrichtung eine aktive Region 45 und eine passive Region 50. Bei dieser Ausführungsform umfasst die aktive Region 45 einen Quantenmuldenverstärker. Es versteht sich jedoch, dass die aktive Region 45 bei anderen Ausführungsformen einen Laser, einen Modulatorschalter, einen Detektor oder eine ähnliche aktive (elektrisch gesteuerte) optische Vorrichtung umfassen kann. Des Weiteren umfasst die passive Region 50 einen verlustarmen Wellenleiter, wobei die Quantenmuldenstruktur 30 wenigstens teilweise durch eine Quantum Well Intermixing (QWI)-Technik entfernt wurde, wie im weiteren Verlauf noch eingehender beschrieben werden wird.
Die Vorrichtung 40 weist eine ausgezeichnete Ausrichtung zwischen den Wellenleitregionen der Kernschicht 20 der aktiven Region 45 und der passiven Region 50 auf und hat einen Reflexionskoeffizienten zwischen der aktiven Region 45 und der passiven Region 50, der im Wesentlichen vernachlässigt werden kann (in der Größenordnung von 10^–6). Des Weiteren ist ein Modenabgleich zwischen der aktiven Region 45 und der passiven Region 50 ein intrinsisches Merkmal der Vorrichtung.
Das Substrat 10 ist in der Regel auf eine erste Konzentration n-Typ-dotiert, während die erste Mantelschicht 15 auf eine zweite Konzentration n-Typ-dotiert ist. Des Weiteren ist die Kernschicht 20 in der Regel im Wesentlichen intrinsisch, während die zweite Mantelschicht 25 in der Regel auf eine dritte Konzentration p-Typ-dotiert ist. Des Weiteren ist die Deckschicht (oder Kontaktschicht) 35 auf eine vierte Konzentration p-Typ-dotiert. Der Fachmann erkennt, dass die Deckschicht 35 und die zweite Mantelschicht 25 in einen (nicht gezeigten) Steg geätzt werden können, wobei der Steg als ein optischer Wellenleiter fungiert, um optische Moden auf die Kernschicht 20 sowohl in der optisch aktiven Region 45 als auch in der optisch passiven Region 50 zu begrenzen. Des Weiteren können (nicht gezeigte) Kontaktmetallisierungen auf wenigstens einem Abschnitt der Oberseite des Steges innerhalb der optisch aktiven Region 45 sowie auf einer gegenüberliegenden Fläche des Substrats 10 ausgebildet werden, wie es dem Fachmann bekannt ist.
Der Fachmann erkennt außerdem, dass die Vorrichtung 40 einen Teil einer optischen integrierten Schaltung, einer optoelektronischen integrierten Schaltung (OEIC) oder einer photonischen integrierten Schaltung (PIC) umfassen kann, die eine oder mehrere solcher optischen Vorrichtungen 40 umfassen können.
Wenden wir uns nun 3 zu, wo eine schematische Darstellung der Bandabstandsenergien einer Quantenmulde 31 der Quantenmuldenstruktur 30 innerhalb der Kernschicht 20 des Vorrichtungskörperabschnitts 5 nach dem Aufwachsen gezeigt ist. Wie aus 3 zu ersehen ist, enthält die AlGaAs-Kernschicht 20 wenigstens eine Quantenmulde 31, wobei die Quantenmuldenstruktur 30 einen niedrigeren Aluminiumgehalt aufweist als die umgebende Kernschicht 20, dergestalt, dass die Bandabstandsenergie der Quantenmuldenstruktur 30 geringer ist als die der umgebenden AlGaAs-Kernschicht 20. Die Quantenmuldenstruktur 30 ist bevorzugt etwa 3 bis 20 nm, besonders bevorzugt aber etwa 10 nm dick.
Es versteht sich, dass die Beschreibung von 3 mit zweckmäßigen Abänderungen ebenso für ein System mit einer InGaAsP-Kernschicht oder für jedes der anderen oben besprochenen III-V-Systeme gilt.
Wenden wir uns nun 4 zu, wo ein entsprechender Abschnitt 32 der Kernschicht 20 wie in 3 gezeigt ist, der aber quantenmuldenvermischt wurde, um so effektiv die Bandabstandsenergie (meV) des Abschnitts 32, welcher der Quantenmulde 31 der Quantenmuldenstruktur 30 entspricht, zu erhöhen. Durch Quantum Well Intermixing (QWI) wird somit im Wesentlichen die Quantenmuldenstruktur 30 aus der Kernschicht 20 "herausgewaschen". Der in Abschnitt 4 gezeigte Abschnitt bezieht sich auf die passive Region 50 der Vorrichtung 40. Es ist zu erkennen, dass optische Strahlung, die von der optisch aktiven Region 45 der Vorrichtung 40 ausgesandt wird oder innerhalb der optisch aktiven Region 45 der Vorrichtung 40 erzeugt wird, durch den verlustarmen Wellenleiter, der durch die Quantum Well Intermixing (QWI)-Region 32 der Kernschicht 20 der passiven Region 50 durchgelassen wird, gebildet wird.
Wenden wir uns nun den 5(a) bis (f) zu, wo eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen Vorrichtung 40 aus einem Vorrichtungskörperabschnitt 5, der eine Quantenmuldenstruktur 30 gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet, veranschaulicht ist, wobei das Verfahren die Schritte (siehe 5(b) bis (d)) einer Plasmaätzung und des anschließenden Abscheidens einer dielektrischen Schicht 51 auf wenigstens einem Teil der Oberfläche 52 des Vorrichtungskörperabschnitts 5 beinhaltet, so dass Punktdefekte in einen Abschnitt 53 des Vorrichtungskörperabschnitts 5 neben der dielektrischen Schicht 51 eingetragen werden.
Das Herstellungsverfahren beginnt mit dem Schritt des Bereitstellens eines Substrats 10 und des Aufwachsens einer ersten optischen Mantelschicht 15, einer Kernleitschicht 20, die wenigstens eine Quantenmulde (QM) 30 umfasst, einer zweiten optischen Mantelschicht 25 und einer Deckschicht 35.
Die erste optische Mantelschicht 15, die Kernleitschicht 20, die zweite optische Mantelschicht 25 und die Deckschicht 35 kann man mittels bekannter Halbleiter-Epitaxalaufwachstechniken aufwachsen, wie beispielsweise Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder metallorganische chemische Aufdampfung (MOCVD). Nachdem der Vorrichtungskörper 5 aufgewachsen wurde – normalerweise als Teil eines (nicht gezeigten) Wafers, der mehrere solcher Vorrichtungskörperabschnitte 5 enthält –, kann ein Muster in Photoresist (PR) 55 auf der Oberfläche 52 des Vorrichtungskörperabschnitts 5 definiert werden.
Das Plasmaätzen wird auf der Oberfläche vor dem Abscheiden der dielektrischen Schicht 51 auf der Oberfläche 52 durchgeführt, und der Photoresist wird abgehoben, so dass die dielektrische Schicht 51 wenigstens auf dem Abschnitt der Oberfläche 52 des Vorrichtungskörperabschnitts 5 zurückbleibt. Wie aus den 5(c) und 5(d) zu ersehen ist, verursacht die Plasmaätzung, die auf wenigstens einem Teil der Oberfläche 52 des Vorrichtungskörperabschnitts 5 ausgeführt wird, und/oder die dielektrische Schicht 51, die auf wenigstens einem Teil der Oberfläche 52 des Vorrichtungskörperabschnitts 5 abgeschieden wird, einen örtlichen Schaden in der Region 53 der Deckschicht 35 und trägt Punktdefekte in die Deckschicht 35 ein.
Wenden wir uns kurz 6 zu. Die Plasmaätzung und das Abscheiden der dielektrischen Schicht 51 erfolgen durch Sputtern, und bei dieser Ausführungsform erfolgen das Ätzen und das Abscheiden der dielektrischen Schicht 51 durch Sputtern mit einer Diodensputtervorrichtung, die allgemein mit 65 bezeichnet ist. Die dielektrische Schicht 51 umfasst im Wesentlichen Siliciumdioxid (SiO₂), kann aber in einer Modifikation auch ein anderes dielektrisches Material enthalten, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃).
Wie aus 6 zu ersehen ist, enthält die Sputtervorrichtung 65 eine Kammer 70, die während des Gebrauchs im Wesentlichen mit einem Edelgas wie beispielsweise Argon gefüllt ist, das vorzugsweise innerhalb der Kammer 70 mit einem Druck von etwa 2 Mikron Quecksilbersäule vorliegt. Die Sputtervorrichtung 65 umfasst des Weiteren eine Hochfrequenzquelle 75, die entweder (a) mit der Zielelektrode (Kathode) 80 der Diodensputtervorrichtung 65 zum Abscheiden der dielektrischen Schicht verbunden sein kann oder die (b) mit der Substratelektrode 85 zum Plasmaätzen des Vorrichtungskörperabschnitts verbunden sein kann.
An der Zielelektrode (Kathode) 80 ist ein Siliciumdioxid-Ziel 81 angeordnet, während der Vorrichtungskörperabschnitt 5 (am Wafer 82) an der Substratelektrode (Anode) 85 der Sputtervorrichtung 65 angebracht ist. Wie aus 6 zu ersehen ist, wird während des Gebrauchs ein Argonplasma 86 zwischen der Kathode 80 und der Anode 85 erzeugt, wobei zwischen dem Siliciumdioxid-Ziel 81 und dem Argonplasma 86 und zwischen dem Argonplasma 86 und dem Vorrichtungskörperabschnitt 5 ein erstes bzw. ein zweites Dunkelfeld 90, 95 gebildet wird.
Die Schritte des Plasmaätzens der Halbleiteroberfläche und des Abscheidens der dielektrischen Schicht 51 umfassen einen Teil eines Quantum Well Intermixing (QWI)-Prozesses, der bei der Herstellung der Vorrichtung 40 verwendet wird, wobei der QWI-Prozess (bei einer bevorzugten Ausführungsform) eine Impurity Free Vacancy Disordering (IFVD)-Technik umfasst. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass durch Plasmaätzen der Halbleiteroberfläche und das anschließende Abscheiden der dielektrischen Schicht 51, das bei QWI-Techniken wie beispielsweise IFVD verwendet wird, durch Aufsputtern mittels der Sputtervorrichtung 65 augenscheinlich schadensinduzierte Defekte in den Abschnitt 53 des Vorrichtungskörperabschnitts 5 neben der dielektrischen Deckschicht 51 eingetragen werden. Der Abschnitt 53 umfasst in diesem Fall einen Teil der obersten Deckschicht. Es wird angenommen, dass der Schaden Verbindungen in der Deckschicht 35 vor dem Ausheilen aufbricht (was im weiteren Verlauf beschrieben wird), beispielsweise durch die Einwirkung von Wärmeenergie durch schnelles thermisches Ausheilen, wodurch der Übergang von Gallium und/oder Indium von der Deckschicht 35 in die dielektrische Schicht 51 beschleunigt wird.
Die dielektrische Schicht 51 ist in der Regel zwischen 10 und 1000 nm und in der Regel 200 oder 300 nm dick. Das Herstellungsverfahren beinhaltet einen weiteren Schritt, wie in 5(e) gezeigt, des Abscheidens einer weiteren dielektrischen Schicht 60 auf die Oberfläche 52 des Vorrichtungskörpers 5 und auf eine Oberfläche der dielektrischen Schicht 51 vor dem Ausheilen. Die weitere dielektrische Schicht 60 wird ohne ein vorläufiges Plasmaätzen abgeschieden, und vorzugsweise auch mittels einer anderen Technik als Diodensputtern, und vorzugsweise generell mittels einer anderen Technik als Sputtern, beispielsweise durch plasmaverstärkte chemische Aufdampfung (PECVD).
Die dielektrische Schicht 51, welche die plasmageätzte Schicht verkapselt, umfasst daher einen Intermixing-Überzug, während die weitere dielektrische Schicht 60 einen Intermixing-Unterdrückungsüberzug umfasst. Der Intermixing-Unterdrückungsüberzug dient dem Schutz der Oberfläche 52 vor arsenischer und/oder phosphorischer Desorption. Das Verfahren funktioniert auch ohne den Intermixing-Unterdrückungsüberzug, worunter aber die Qualität der Oberfläche 52 leiden könnte.
Wie in 5(f) gezeigt, werden die Vorrichtungskörperabschnitte, welche die dielektrische Schicht 51 und die weitere dielektrische Schicht 60 beinhalten, nach der Abscheidung der weiteren dielektrischen Schicht 60 beinhalten, bei einer erhöhten Temperatur ausgeheilt. Die Ausheilungsstufe umfasst eine Stufe der schnellen thermischen Ausheilung bei einer Ausheilungstemperatur im Bereich von etwa 700 °C bis 1000 °C oder besonders bevorzugt 650 °C bis 850 °C für eine Dauer von etwa 0,5 bis 5 Minuten und bei einer Implementierung bei etwa 800 °C für eine Dauer von etwa 1 Minute.
Die Aktion des Ausheilungsschrittes von 5(f) ist schaubildhaft in den 7(a) und (b) veranschaulicht. Wie aus den 7(a) und (b) zu ersehen ist, bewirkt der Ausheilungsschritt ein "Ausdiffundieren" von Gallium und/oder Indium aus der Deckschicht 35 in den Intermixing-Überzug, d. h. in die dielektrische Schicht 51. Einige Abschnitte der Deckschicht 35 unter dem Unterdrückungsüberzug, d. h. der weiteren dielektrischen Schicht 60, unterliegen keinem "Ausdiffundieren" von Gallium und/oder Indium. Die Abschnitte der Deckschicht 35, die innerhalb eines Bereichs des Intermixing-Überzuges, d. h. der dielektrischen Schicht 51, liegen, unterliegen einem Ausdiffundieren von Gallium und/oder Indium, wie in 7(b) gezeigt. Das Ausdiffundieren von Gallium und/oder Indium hinterlässt Leerstellen, die von der Deckschicht 35 durch die zweite Mantelschicht 25 in die Kernschicht 20 hinein und dadurch zu der oder den Quantenmuldenstrukturen 30 migrieren, wodurch der effektive Bandabstand der Quantenmuldenstruktur 30 verändert wird und die Quantenmulden praktisch aus der Quantenmuldenstruktur 30 unter dem Intermixing-Überzug ausgewaschen werden.
Es versteht sich, dass der Intermixing-Überzug, d. h. die dielektrische Schicht 51, welche die plasmageätzte Oberfläche 52 einkapselt, innerhalb des Bereichs der passiven Region 50, die in der Vorrichtung 40 auszubilden ist, vorhanden ist, während der Unterdrückungsüberzug, d. h. die weitere dielektrische Schicht 60, auf dem Vorrichtungskörperabschnitt 5 in Bereichen wie beispielsweise der optisch aktiven Region 45, die auf der Vorrichtung 5 auszubilden ist, angeordnet ist, wobei diese Bereiche keine Quantum Well Intermixing (QWI)-Bereiche sein sollen.
Sobald der Vorrichtungskörperabschnitt 5 bis zu der in 5(f) gezeigten Stufe und ausgeheilt verarbeitet ist, können die dielektrische Schicht 51 und die weitere dielektrische Schicht 60 mittels herkömmlicher Verfahren, beispielsweise Nass- oder Trockenätzen, entfernt werden.
Beispiel
Es folgen nun Beispiele zur Veranschaulichung typischer Bandabstandsverschiebungen, die unter Verwendung von IFVD in einem Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer langwelligen Aluminiumlegierung wie beispielsweise Indium-Aluminium-Gallium-Arsenid (InAlGaAs) oder Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (InAlGaAs), die auf einem Indium-Phosphid-Substrat (Inp) aufgewachsen wurde, erhalten werden können.
Die Abscheidung der dielektrischen Schicht 51 erfordert eine Sputterkammer 70, die mit einem Abstand (Plattenab stand) zwischen Zielelektrode und Substratelektrode in der Größenordnung von 50 bis 100 mm konfiguriert ist. Die Zielelektrode 80 und die Substratelektrode 85 sind jeweils im Wesentlichen als kreisrunde Platten von acht Inch (20,3 cm) konfiguriert. Das Gas, das in diesem Beispiel zur Sputterätzung und -abscheidung verwendet wird, ist in der Regel Argon, aber es können auch andere geeignete Edelgase verwendet werden; und dem Argonplasma 86 können auch kleine Mengen Sauerstoff, beispielsweise etwa 10 Volumen-%, beigegeben werden, um die Stoichiometrie der abgeschiedenen dielektrischen Schicht 51 zu verbessern. Das in dem Verfahren verwendete dielektrische Material ist in der Regel Siliciumdioxid (SiO₂), aber es können auch andere dielektrische Materialien wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) verwendet werden.
Es wurde festgestellt, dass ein bevorzugter Druckbereich in der Kammer 70 für das Verfahren zwischen 1 und 5 Mikron Quecksilbersäule liegt. Mit den in Tabelle 1 unten genannten Sputterätz-HF-Leistungswerten wurde eine einminütige Sputterätzung auf der Oberfläche des Halbleiterwafers 52, einschließlich wenigstens eines Vorrichtungskörperabschnitts 5, durchgeführt. Die Dicke des anschließend abgeschiedenen dielektrischen Films 45 lag zwischen 10 und einigen hundert Nanometern. Die Bandabstandsverschiebungszahlen von Tabelle 1 veranschaulichen die Bandabstandsverschiebung in einer InGaAs-InAlGaAs-QW-Struktur 30 für eine Ausheilung bei einer Temperatur von 800 °C für eine Dauer von 1 Minute.
Tabelle 1
Tabelle 1 veranschaulicht, dass das Ätzen der Oberfläche des Halbleiters 52 mit anschließender Verkapselung mit aufgesputtertem Siliciumdioxid die Vermischung im Vergleich zu nicht-gesputtertem Siliciumdioxid (SiO₂) verbessert, und veranschaulicht des Weiteren, dass die Effektivität der vorgeätzten aufgesputterten Deckschicht aus Siliciumdioxid (SiO₂) mit der HF-Leistung, die während der Sputterätzung verwendet wird, zunimmt.
In Tabelle 2 finden sich weitere Daten einer Plasmaätzung der Oberfläche 53 einer InGaAs-InGaAsP-QW-Struktur mit anschließender Abscheidung einer aufgesputterten SiO₂-Schicht 51. In Tabelle 2 sind zwei Sputterätzleistungen zusammen mit zwei Sputterdruckeinstellungen angegeben, die sich jeweils auf eine einminütige Sputterätzung der Halbleiteroberfläche 52, einschließlich wenigstens eines Vorrichtungskörperabschnitts 5, beziehen. Die Dicke des anschließend abgeschiedenen dielektrischen Films 51 lag zwischen 10 und einigen hundert Nanometern. Die Bandabstandsverschiebungszahlen von Tabelle 2 veranschaulichen die Bandabstandsverschiebung in einer InGaAs-InGaAsP-QW-Struktur 30 für eine Ausheilung bei einer Temperatur von 700 °C für eine Dauer von 1 Minute.
Tabelle 2
Auch Tabelle 2 veranschaulicht, dass das Ätzen der Oberfläche 52 des Halbleiters mit anschließender Verkapselung mit aufgesputtertem Siliciumdioxid 51 die Vermischung im Vergleich zu nicht-gesputtertem Siliciumdioxid (SiO₂) verbessert, und veranschaulicht des Weiteren, dass die Effektivität der vorgeätzten aufgesputterten Deckschicht 51 aus Siliciumdioxid (SiO₂) nicht in starker Abhängigkeit vom Druck für Ätzungen mit geringer Leistung steht, jedoch in Abhängigkeit vom Druck für Ätzungen mit hoher Leistung steht, wobei die Effektivität mit zunehmendem Sputterdruck abnimmt. Tabelle 2 veranschaulicht des Weiteren die geringere thermische Stabilität des InGaAs-InGaRsP-QW-Materials im Vergleich zu InGaAs-InAlGaAs-QW-Material, da bei einer bestimmten Sputterätzleistung größere Verschiebungen bei geringeren Ausheilungstemperaturen erhalten werden.
Bei einer zweiten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen Vorrichtung 40 gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Verarbeitung eines Wafers, um mehr als einen Bandabstand zu erzeugen, ein Film aus PECVD-SiO₂ auf dem Wafer abgeschieden, um die weitere dielektrische Schicht 60 herzustellen. Dann kommen photolithografische Techniken zum Einsatz, um ein Muster auf dem PECVD-SiO₂ zu definieren. Dann kann entweder Nass- oder Trockenätzung verwendet werden, um das Muster in die PECVD (SiO₂) zu übertragen.
Auf der strukturierten PECVD (SiO₂) bleibt dann strukturierter Photoresist (PR) zurück, und die Probe bzw. der Wafer wird dann zum Plasmaätzen der unbeschichteten Oberfläche 52 und zur anschließenden Abscheidung der dielektrischen Schicht 51 in die Sputtervorrichtung 65 eingebracht. Nach der Abscheidung wird die Probe in Aceton getaucht, und das aufgesputterte SiO₂ auf dem Photoresist wird in einem "Abhebe"-Prozess entfernt.
Nun wird eine schnelle thermische Ausheilung bei einer geeigneten Temperatur (650–850 °C) über den erforderlichen Zeitraum (0,5–5 Minuten) durchgeführt. Dadurch können sich die auf der Oberfläche 52 erzeugten Punktdefekte durch den Vorrichtungskörperabschnitt 5 hindurch ausbreiten und eine Zwischendiffusion der Elemente bewirken.
Es versteht sich, dass die oben beschriebene Ausführungsform der Erfindung nur beispielhaft ist und den Geltungsbereich der Erfindung in keiner Weise beschränken soll.
Insbesondere versteht es sich, dass angenommen wird, dass der Schaden, der in dem Vorrichtungskörperabschnitt 5 neben der aufgesputterten dielektrischen Schicht 51 induziert wird, von dem Bombardement von Ionen und/oder Strahlung in Form sekundärer Elektronen und weicher Röntgenstrahlen herrührt. Der Schaden an der Oberfläche 50 des Halbleiter-Vorrichtungskörperabschnitts 5 oder Wafers 82 kann durch verschiedene Mittel in der Sputtervorrichtung 65 eingetragen werden, wobei ein effektives Verfahren in der Verwendung einer Diodenkonfiguration in der Abscheidungskammer 70 besteht.
Es wird außerdem davon ausgegangen, dass die Verwendung einer Diodenkonfiguration mehr Strahlungsschäden an dem Vorrichtungskörperabschnitt 5 (oder der "Probe") gestattet als in der üblicheren Magnetronmaschinenanordnung, in der Magnete ein starkes örtliches Feld erzeugen, das vermutlich Partikel stoppt, die sich von dem dielektrischen Ziel 81 zu dem Vorrichtungskörperabschnitt 5, der sich auf dem Wafer 82 aus Halbleitermaterial befindet, bewegen.
Der Fachmann erkennt des Weiteren, dass eine optische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Wellenleiter beinhalten kann, wie beispielsweise einen Steg oder eine verdeckte Heterostruktur oder auch einen beliebigen anderen geeigneten Wellenleiter.
Der Fachmann erkennt des Weiteren, dass die Quantum Well Intermixed (QWI)-Regionen eine oder mehrere optisch aktive Vorrichtungen umfassen können.
Der Fachmann erkennt des Weiteren, dass ein sequenzielles Verarbeiten, einschließlich der Verwendung mehrerer HF-Leistungen, erfolgen kann, um eine Vorrichtung mit mehreren verschiedenen QWI-Bandabständen herzustellen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer optischen Vorrichtung, wobei ein Vorrichtungskörperabschnitt (5), aus welchem die Vorrichtung herzustellen ist, eine Quantum-Well-Intermixing-Struktur (30) umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Durchführen von Plasmaätzen auf mindestens einem Teil einer Oberfläche (52) des Vorrichtungskörperabschnitts, um auf mindestens einem Abschnitt (53) des Vorrichtungskörperabschnitts der Oberfläche benachbart strukturelle Defekte einzuarbeiten, wobei das Plasmaätzen eine Ätzzeit von mindestens 0,5 Minuten mit einer Leistung von mindestens 300 W umfasst; und nachfolgend Abscheiden einer dielektrischen Schicht (51), um die geätzte Oberfläche mit der dielektrischen Schicht zu überziehen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die strukturellen Defekte im Wesentlichen Punktdefekte umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Plasmaätzen mittels Sputtern durchgeführt wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Schicht mittels Sputtern abgeschieden wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt des Ausheilens der Vorrichtung nach den Schritten des Plasmaätzens und des Überziehens.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Ausheilens „schnelles thermisches Ausheilen" umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei sich der Schritt des Ausheilens einer Temperatur zwischen 650 °C und 850 °C während eines Zeitraums zwischen 0,5 und 5 Minuten bedient.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Schicht (51) aus Siliciumdioxid (SiO₂) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei der Schritt des Sputterns in einer Kammer (70) durchgeführt wird, welche im Wesentlichen mit einem Edelgas gefüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Edelgas zwischen Argon und einer Mischung aus Argon und Sauerstoff ausgewählt wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schritte des Plasmaätzens und des Abscheidens der dielektrischen Schicht einen Teil eines Quantum-Well-Intermixing-Prozesses (QWI-Prozesses) umfassen, der bei der Herstellung der Vorrichtung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der QWI-Prozess „Impurity-Free Vacancy Disordering" (IFVD) umfasst.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei das Herstellungsverfahren auch die vorangehenden Schritte des: Bereitstellens eines Substrats (10); Aufwachsens auf dem Substrat: einer ersten optischen Mantelschicht (15); einer Kernleitschicht (20), welche eine „Quantum-Well-Intermixing-Well"-Struktur (32) umfasst; und einer zweiten optischen Mantelschicht (25); umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste optische Mantelschicht, die Kernleitschicht und die zweite optische Mantelschicht mittels eines Aufwachsverfahrens, welches aus Molekularstrahl-Epitaxie und metallorganisch-chemischem Aufdampfen ausgewählt wird, aufgewachsen wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt des Definierens eines Musters in Photoresist (55) auf einer Oberfläche des Vorrichtungskörperabschnitts, des Ätzens des unbeschichteten Vorrichtungskörperabschnitts vor dem Abscheiden der dielektrischen Schicht und des Abhebens des Photoresists, um die dielektrische Schicht auf dem mindestens einen Teil der Oberfläche des Vorrichtungskörperabschnitts vorzusehen.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend den Schritt des Abscheidens einer weiteren dielektrischen Schicht (60) auf die Oberfläche des Vorrichtungskörpers und auf eine Oberfläche der vorgeätzten dielektrischen Schicht vor dem Ausheilen, wobei die weitere dielektrische Schicht mittels eines anderen Verfahrens als Sputtern abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das andere Verfahren plasmaverstärktes chemisches Aufdampfen umfasst.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei die Überzugschicht (51) als ein Intermixing-Überzug dient, und ferner umfassend den Schritt des Abscheidens einer weiteren dielektrischen Schicht in Bereichen der Vorrichtung, die nicht die geätzte und überzogene Schicht sind, um als Intermixing-Unterdrückungsüberzug zu dienen.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dauer der Plasmaätzphase zwischen 0,5 und 20 Minuten beträgt.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke der dielektrischen Schicht von etwa 10 bis einige hundert nm ausmacht.