JP2010541277A - 量子井戸無秩序化 - Google Patents
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Abstract
量子井戸無秩序化(ＱＷＩ)の方法の実施形態は、それぞれがバリア層を有する上層エピタキシャル層(１３)及び下層エピタキシャル層(１０)並びに上層エピタキシャル層(１３)と下層エピタキシャル層(１０)の間に配された量子井戸層(１１)を有するウエハ(１)を提供する工程、上層エピタキシャル層に重ねて少なくとも１つの犠牲層(２１)を施す工程、及び犠牲層の一部に重ねてＱＷＩ強化層(３１)を施すことによってＱＷＩ強化領域及びＱＷＩ抑制領域を形成する工程を含み、ＱＷＩ強化層(３１)の下になる領域がＱＷＩ強化領域であり、他の領域はＱＷＩ抑制領域である。この方法はさらに、ＱＷＩ強化領域及びＱＷＩ抑制領域に重ねてＱＷＩ抑制層(４１)を施す工程、及び量子井戸層(１１)と上層エピタキシャル層(１３)及び下層エピタキシャル層(１０)のバリア層の間で原子の相互拡散をおこさせるに十分な温度でアニールする工程を含む。
Description
本出願は、名称を「量子井戸無秩序化(Quantum Well Intermixing)」とする、２００７年１０月１日に出願された米国特許出願第１１/９０６２４７号の優先権を主張する。
本発明の実施形態は全般的には半導体材料の量子井戸無秩序化(ＱＷＩ)に関し、特に、半導体材料の良好な表面形態及び材料品質を維持しながら十分なバンドギャップシフトを達成するために使用できるＱＷＩ法に関する。
本発明の発明者等は、量子井戸無秩序化(ＱＷＩ)がモノリシック光電子集積化の達成に適するプロセスであることを認識した。量子井戸無秩序化は、高温における量子井戸とバリアの間の原子種の相互拡散により半導体材料バンドギャップを選択的に改変するための、成長後プロセスである。量子井戸と付帯バリアの元素の相互拡散により、as-grown量子井戸のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する「無秩序化」領域が生じる。ＱＷＩ法は、量子井戸が、井戸／バリア界面にかけての原子種の急激な濃度変化により、本質的に不安定な系であるという原理に基づいている。したがって、ＱＷＩが全くまたはほとんどおこっていない量子井戸(「秩序」領域)内で発生するどのような光放射(光)も、光放射に対して事実上透明な、合金のＱＷＩすなわち「無秩序化」領域を通過することができる。
発明者等は、量子井戸の光特性及び電気特性が、発光素子、検出器、変調器、フィルタ、増幅器、導波路、スイッチ、等のような、半導体光電子デバイスにおいて肝要な役割を果たすことも認識した。これらのコンポーネントをモノリシック光集積回路またはモノリシック光電子集積回路に組み込む場合、光路に沿うバンドギャップ波長変動が重要である。さらに、異なる領域においては異なるバンドギャップ波長を有する、レーザダイオードのような、個別素子においてさえ、レーザの性能または信頼性を改善することができる。
発明者等は、改善された半導体ウエハコンポーネント、特にレーザ用途のためのコンポーネントを開発するためには量子井戸無秩序化法の改善が望ましいことを認識した。
一実施形態にしたがえば、量子井戸無秩序化(ＱＷＩ)法が提供される。本方法は、上層エピタキシャル層及び下層エピタキシャル層並びに、上層エピタキシャル層と下層エピタキシャル層の間に配された、量子井戸層を有するウエハを提供する工程、上層エピタキシャル層に重ねて少なくとも１つの犠牲層を施す工程、及び犠牲層の一部に重ねてＱＷＩ強化層を施すことによってＱＷＩ強化領域及びＱＷＩ抑制領域を形成する工程を含む。ＱＷＩ強化層の下になる領域がＱＷＩ強化領域であり、他の領域はＱＷＩ抑制領域である。本方法はさらに、ＱＷＩ強化領域及びＱＷＩ抑制領域に重ねてＱＷＩ抑制層を施す工程及び、量子井戸層と、上層エピタキシャル層及び下層エピタキシャル層の一部である、バリア層の間で原子の相互拡散をおこさせるに十分な温度でアニールする工程を含む。
別の実施形態は、ウエハの一部に重ねてＷＮ(窒化タングステン)を含むＱＷＩ強化層を施すことにより、ＱＷＩ強化領域及びＱＷＩ抑制領域を形成する工程を含むことができる。ＷＮ膜は、ウエハに重ねて、またはウエハに重ねて施された１つ以上の犠牲層に重ねて、施すことができる。
また別の実施形態は、ＱＷＩ強化領域及びＱＷＩ抑制領域に重ねて、酸化シリコン層及び窒化シリコン層を有するＱＷＩ抑制層を施す工程を含むことができる。
本発明の実施形態によって提供される上記及びさらなる特徴は、図面とともに、以下の詳細な説明を読めばさらに十分に理解されるであろう。
本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、添付図面とともに読まれたときに最善に理解され得る。
図面に示される実施形態は本質的に説明が目的とされ、特許請求の範囲で定められる本発明の限定は目的とされていない。さらに、図面及び本発明の個々の特徴は詳細な説明を読めばさらに十分に明らかとなり、また理解されるであろう。
本発明の実施形態は、全般的には半導体光デバイス及び半導体光電子デバイスに関し、特に半導体レーザに関するが、これには限定されない。本発明は、詳しくは、プロセス中にいかなる不純物も導入されない、無不純物量子井戸無秩序化(ＱＷＩ)手法に関する。一応用において、本手法は１０６０ｎｍ単波長分布ブラッグ反射器(ＤＢＲ)レーザの作製に利用することができる。ＱＷＩは、III-Ｖ族半導体ウエハの選択された領域においてバンドギャップを実効的に改変して、ＤＢＲレーザにおける利得、位相及びＤＢＲ区画並びに透明窓ファセットのような機能が異なる別々の区画をつくるための方法を提供する。
図１〜７を広く参照すれば、量子井戸無秩序化(ＱＷＩ)法、特に無不純物量子井戸無秩序化法が提供されている。図１を参照すれば、ウエハ１が提供される。ウエハ１は数多くの適する構造を有することができる。図１に示されるように、ウエハ１は、歪量子井戸層１１が上層エピタキシャル層１３と下層エピタキシャル層１０の間に挟まれている、分布屈折率独立閉込へテロ構造(ＧＲＩＮＳＣＨ)レーザ構造とすることができる。本明細書に用いられるように、それぞれのエピタキシャル層は複数のサブ層またはコンポーネント、例えば、ただし限定ではなく、分布組成をもつ導波路層、クラッド層及びバリア層を有することができる。ＧＲＩＮＳＣＨ構造の一実施形態においては、導波路組成の屈折率がバリア近傍の小バンドギャップからクラッド層近傍の大バンドギャップまで連続的に変化する。上層エピタキシャル層１３及び下層エピタキシャル層１０は様々な組成、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを有することができる。エピタキシャル層は様々な厚さを有することができる。例えば、上層エピタキシャル層１３は約１６００ｎｍの厚さを有することができ、下層エピタキシャル層１０は約５１１０ｎｍの厚さを有することができる。同様に、量子井戸層１１は、量子井戸無秩序化に適する、様々な井戸寸法及び様々な組成を有することができる。一実施形態において、量子井戸層１１はＩｎＧａＡｓからなることができる。組成がＱＷＩに適するか否かの判断は、量子井戸とバリアの間の濃度勾配のような、数多くの要因に依存し得る。例えば、９８０-ｎｍ量子井戸を有するＡｌＧａＡｓバリア/ＩｎＧａＡｓ井戸実施形態において、Ｉｎ濃度は５Åより短い距離内で１８％から０まで変化し得る。図８ａ及び８ｂを総合して参照すれば、この急激な濃度勾配により、高温において、原子種の拡散がおこり、よって、量子井戸１１の合金とエピタキシャル層１０，１３の合金の相互拡散がおこる。これにより、図８ａに示されるように、井戸及びバンドギャップの形状変化が生じる。この原子拡散速度は量子井戸界面近傍の不純物、欠陥または空孔の存在によって大きく強められ得る。空間的に変化する空孔は、拡散を選択的に強め、バンドギャップを選択的に改変する、手段を提供する。議論を簡略にするため、本発明では量子井戸を１つ有する半導体レーザシステムに対する量子井戸相互拡散が説明される。しかし、複数の量子井戸を有する半導体レーザシステムにおいても相互拡散はおこり得ると考えられる。
図２の実施形態を参照すれば、犠牲層２１がウエハ１の上層エピタキシャル層１３に重ねて成長させられる。本明細書に用いられるように、語句「重ねて」は１つの層が別の層の上に、直接である必要なしに、施されることを意味する。本発明においては、この場合、介在層の付加が考えられる。さらに、語句「重ねて」はその層が全面を覆うことを要求せず、部分的被覆を有するだけの場合もあり得る。犠牲層２１は厚さが約２０ｎｍのＧａＡｓからなることができる。レーザの用途またはウエハ１の組成に依存して、別の組成及び厚さが望ましいことがあり得る。犠牲層２１は様々な手法、例えば、有機金属化学的気相成長(ＭＯＣＶＤ)によって、成長させるかまたは被着することができる。犠牲層２１がウエハ上に成長すると、有機金属化学的気相成長(ＭＯＣＶＤ)装置からウエハ１及びウエハ１上の犠牲層２１を取り出すことができ、次いで十分な時間(例えば数時間)大気にさらすことができる。
犠牲層２１は以降のＱＷＩプロセス中の上層エピタキシャル層１３の表面における欠陥形成を防止するように構成される。従来プロセスにおいては、ＱＷＩ工程及びその他の付帯プロセス工程によりウエハ１に、例えばウエハ１の上層エピタキシャル層１３に、劣悪な表面形態が生じ得る。例えば、(図４に示されるような)ＱＷＩ強化層３１の被着(スパッタリングまたはＰＥＣＶＤ)中及び／または(図５に示されるような)ＱＷＩ抑制層４１の被着中に、損傷が生じ得る。さらに、高温アニール中の半導体と誘電体膜の間の反応または相互拡散が劣悪な表面形態に寄与し得る。劣悪な表面形態は結晶品質を劣化させ、レーザのプロセス及び動作に強い悪影響を与える。この劣悪な表面形態形成を抑えるため、一般にＱＷＩ工程後にエッチングで除去される、犠牲層２１がこれらのプロセスによって生じる損傷を吸収し、よって損傷に対してウエハ１を保護する。
図３を参照すれば、犠牲層２１に重ねて追加成長犠牲層２２を施すことができる。犠牲層２１と同様に、追加成長犠牲層２２も有機金属化学的気相成長(ＭＯＣＶＤ)によって、あるいはその他の適する被着手法によって、施すことができる。いくつかの実施形態において、追加成長犠牲層２２は犠牲層２１と同じ組成、例えばＧａＡｓを有することができる。しかし、この場合には別の組成も考えられる。同様に、追加成長犠牲層２２は所望に応じて様々な厚さを有することができる。図３の実施形態において、追加成長犠牲層２２は厚さが約１３０ｎｍのＧａＡｓ組成を有することができる。
追加成長犠牲層２２は、層２１と層２２の間の追加成長界面がＱＷＩ強化層３１の下にある空孔の拡散を強め得るため、追加強化層としてはたらかせるために利用できる。原子相互拡散に対する強化層並びに空孔及び欠陥の重要性に関するさらなる詳細は以下に与えられる。別の実施形態において、ＱＷＩ中の空孔拡散をさらに容易にするためには複数の追加成長犠牲層を用いることが望ましいことがあり得る。
図４の実施形態を参照すれば、追加成長犠牲層２２の一部に重ねてＱＷＩ強化層３１を施すことができる。追加成長犠牲層２２及び／または犠牲層が施されない実施形態においては、犠牲層２１またはウエハ１の上層エピタキシャル層１３に重ねてＱＷＩ強化層３１を施すこともできる。図４に示されるように、ＱＷＩ強化層３１の下にあるウエハ１の領域及びその領域上の層はＱＷＩ強化領域である。残りの領域または残りの領域の少なくとも一部はＱＷＩ抑制領域である。ＱＷＩ強化層３１は様々な適する手法、例えば、高周波バイアススパッタリング、マグネトロンスパッタリング、アクティブバイアススパッタリングまたはこれらの組合せによって施すことができる。ＱＷＩ強化層３１は、高温アニール中の原子相互拡散を容易にする空孔または欠陥の形成に適する、いずれかの組成を有することができる。一実施形態において、ＱＷＩ強化層３１は窒化タングステン(ＷＮ)を有する。窒化タングステンは、堅く、緻密で、化学的に不活性であり、高融点の熱的に安定な化合物であるから、極めて有効なＱＷＩ強化層３１の材料である。固体緻密ＷＮ膜は半導体表面の分解を有効に防護することができ、同時に、その化学的安定性によってＷＮ膜とＷＮ膜に隣接する層の間の反応が最小限に抑えられる。さらに、ＷＮ膜の高い熱的安定性はＱＷＩにともなう高温アニール工程に対して有効である。
ＷＮ膜の微細構造も、特に高温において、有益である。ＱＷＩ中の無秩序化プロセスにおけるブルーシフト(すなわち、ＱＷＩ中のバンドギャップ変化)は原子(例えばＧａ)空孔拡散に大きく依存する。高アニール温度(例えば７００℃より高い温度)において、ＷＮ膜の微細構造は、小結晶粒が膜厚全体にわたって垂直に延びる、明瞭な柱状構造に変わる。この柱状構造は、その下のエピタキシャル層のＧａ空孔を大きく増加させ、よって強化領域における量子井戸バンドギャップ波長のブルーシフトを促進する。
スパッタ被着後、別の例示実施形態において、ＱＷＩ強化層３１に追加処理工程を施すことができる。例えば、フォトリソグラフィを用いてＱＷＩ強化層３１にパターンを形成することができる。別の例において、ウエットエッチまたはドライエッチを用いてＱＷＩ強化層３１の一部をエッチングすることができる。エッチングは強化領域と抑制領域の間の境界を定めるために役立ち得る。
上述したように、追加成長犠牲層２２は追加強化層としてはたらくことによってＱＷＩ強化層３１を補助することができる。ＱＷＩ強化層のスパッタ被着により、高温アニール中の原子の相互拡散をさらに容易にする、原子空孔または欠陥が追加成長犠牲層内につくられる。複数の追加成長界面を隣接強化層間に設けることにより、量子井戸１１の強化領域におけるバンドギャップシフトが非常に強められるであろう。
図５を参照すれば、本発明の方法はＱＷＩ強化領域及びＱＷＩ抑制領域に重ねてＱＷＩ抑制層４１を施す工程も含む。図５の実施形態に示されるように、ＱＷＩ抑制層４１は、ＱＷＩ強化層３１及び追加成長犠牲層２２に接することができる。別の実施形態、特に犠牲層２１，２２の一方をまたはいずれも含まない実施形態において、ＱＷＩ抑制層４１は犠牲層２１または上層エピタキシャル層１３に接することができる。ＱＷＩ抑制層４１は様々な適する組成、例えばシリコンベース組成を有することができる。図５の実施形態に示されるように、ＱＷＩ抑制層４１は窒化シリコン層及び酸化シリコン層を有することができる。ＱＷＩ抑制層４１は窒化シリコン(ＳｉｘＮｙ)層及び酸化シリコン(ＳｉＯ２)層のそれぞれを有することができ、あるいは両組成がその中に分散された単一のハイブリッド層を有することができると考えられる。ＱＷＩ抑制層４１は様々な被着手法、例えばプラズマアシスト化学的気相成長(ＰＥＣＶＤ)によって施すことができる。一実施形態において、ＱＷＩ抑制層は厚さが１００ｎｍのＳｉｘＮｙ膜及び厚さが２００ｎｍのＳｉＯ２膜を有することができる。
動作において、窒化シリコンは抑制キャップとしてはたらき、窒化シリコン上に設けられた酸化シリコン層は高温アニールによって生じる応力を補償し、ＱＷＩ抑制層４１の構造一体性を維持する。窒化シリコンは、除去が容易であり、半導体表面上に欠陥または余計な材料を残さないから、別の利点も提供する。さらに、高温アニール中に窒化シリコンはその下にあるウエハ１の結晶品質を保護し、これは高性能構造に望ましい。
また別の実施形態において、ＱＷＩ抑制層４１の実施に先立って前処理工程を利用することができる。例えば、ＱＷＩ抑制層４１の実施に先立って、抑制領域、例えば追加成長犠牲層２２の表面をイオンミリングにかけることができる。イオンミリングはＱＷＩ強化層３１の実施によって生じたスパッタ誘起表面欠陥を除去する。スパッタ誘起表面欠陥は強化領域におけるバンドギャップシフトの推進力である。しかし、抑制領域ではそのようなバンドギャップシフトを最小限に抑えることが必要である。したがって、イオンミリングのような処理プロセスを用いて抑制領域におけるそのような表面欠陥を除去することが必要になり得る。図４を参照すれば、イオンミリングプロセスは、加速されたイオン、例えばアルゴンイオンを用い、表面層を数１００Å除去してイオンミリングされた表面３２を形成することができる。イオンミリングプロセスをシリコンベースＱＷＩ抑制層４１と組み合わせて用いれば、抑制領域における不要なバンドギャップ波長シフトが抑えられてＱＷＩ後の量子井戸の強化領域と抑制領域の間のバンドギャップ差が最大化される。
図６を参照すれば、次いで、量子井戸１１と近傍の、上層エピタキシャル層及び下層エピタキシャル層の一部である、バリアの間の原子の相互拡散を生じさせるに十分な温度において被覆ウエハ１をアニールすることにより、量子井戸無秩序化工程が行われる。図７を参照すれば、この相互拡散によって強化領域に無秩序化井戸１２が形成される。この場合、様々な処理期間及び処理温度が考えられる。一実施形態において、８５０℃で３５秒間の加熱を被覆ウエハに４回かけることができる。
ＱＷＩアニール工程後、本方法はウエハ１の犠牲層及び犠牲層上の全ての層をエッチングする工程を含むことができる。エッチングする工程はいずれか適する手法、例えばウエットエッチまたはドライエッチを含むことができる。この場合、回折格子作製のようなその他のプロセスも考えられる。
量子井戸無秩序化は井戸とバリアの間の結晶構成種の拡散によって生じる。この拡散プロセスはフィックの法則：
に支配される。
ここで、Ｊは拡散方向Ｘに沿う拡散束であり、Ｎは原子種数密度である。Ｄは拡散係数と定義され、アレニウス形式：
で表すことができる。
図７を参照すれば、高温において、強化領域における拡散係数Ｄは、バイアススパッタリングによってつくられたＧａＡｓ表面上層の高濃度のＧａ空孔及び、Ｇａのシンクとして機能して空孔相互拡散を促進する、ＷＮ膜の独特な柱状微細構造により、相当に高められる。この空孔拡散が、バリアと井戸の間の原子相互拡散を相当に強め、したがって図８ａに示されるような量子井戸の強化領域における形状変化を生じさせる。これらの欠陥または空孔が実質的に欠乏している抑制領域においては、拡散係数が強化領域における拡散係数よりかなり小さい。この結果、抑制領域における量子井戸形状は、図８ｂに示されるように、アニール前後でほとんど全く変化を示さない。図８ａ及び８ｂを参照すれば、強化領域における量子井戸のバンドギャップはＥｇ０からアニール後のＥｇａまで大きくなっているが、抑制領域におけるバンドギャップはアニール後もほとんど変化していない。
この場合、１００ｎｍまでのバンドギャップシフトが考えられる。一例示実施形態において、強化領域と抑制領域の間のバンドギャップシフトを評価するため、蛍光(ＰＬ)測定を用いて図７の構造のような構造を分析した。実験において、量子井戸の抑制領域はアニール後に１０４５ｎｍのバンドギャップ波長を有していた。対照的に、量子井戸の強化領域はアニール後に９８３ｎｍのバンドギャップ波長を有し、したがって約６２ｎｍのバンドギャップシフト差を示した。上記の構造により４８０ｍＷの記録的な高単一モード出力パワーを発生させ得ることもわかった。
上述したように、本発明のＱＷＩ法によってつくられた構造はＤＢＲレーザの作製に利用することができる。量子井戸１１の無秩序化区画１２はＤＢＲレーザダイオードのＤＢＲ区画及び位相区画並びに透明窓ファセットとして処理されることになろう。バンドキャップシフトが全くまたはほとんどない抑制領域はＤＢＲレーザダイオードの利得区画になるであろう。ＤＢＲ作製の一実施形態においては、フォトリソグラフィを用いてウエハを再びパターンニングして、ＤＢＲ区画/位相区画/利得区画/窓区画を定めることができる。引き続いて、上層エピタキシャル層及びコンタクト層の追加成長のためウエハをＭＯＣＶＤ反応炉に入れることができる。追加成長後、さらに標準的なＤＢＲレーザプロセスがウエハに施されてＤＢＲレーザが形成される。ＤＢＲレーザのためのその他の構造コンポーネント及び層が考えられる。別の設計において、レーザ用途に応じて、エッチング停止層及び回折格子層のような別の層も用いられ得る。
本発明の特定の実施形態を参照することで本発明を詳細に説明したが、添付される特許請求の範囲において定められる本発明の範囲を逸脱せずに改変及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳しくは、本明細書においては本発明のいくつかの態様が好ましいかまたは特に有利であると見なされるが、本発明は必ずしもそのような本発明の好ましい態様に限定はされないと考えられる。
１ ウエハ
１０ 下層エピタキシャル層
１１ 歪量子井戸層
１２ 無秩序化井戸
１３ 上層エピタキシャル層
２１ 犠牲層
２２ 追加成長犠牲層
３１ ＱＷＩ強化層
３２ イオンミリングされた表面
４１ ＱＷＩ抑制層
１０ 下層エピタキシャル層
１１ 歪量子井戸層
１２ 無秩序化井戸
１３ 上層エピタキシャル層
２１ 犠牲層
２２ 追加成長犠牲層
３１ ＱＷＩ強化層
３２ イオンミリングされた表面
４１ ＱＷＩ抑制層
Claims (5)
- 量子井戸無秩序化(ＱＷＩ)の方法において、
上層エピタキシャル層及び下層エピタキシャル層並びに、前記上層エピタキシャル層と前記下層エピタキシャル層の間に配された、少なくとも１つの量子井戸層を有するウエハを提供する工程であって、前記上層エピタキシャル層および前記下層エピタキシャル層はそれぞれバリア層を含むものである工程、
前記上層エピタキシャル層に重ねて少なくとも１つの犠牲層を施す工程、
前記犠牲層の一部に重ねてＱＷＩ強化層を施すことによってＱＷＩ強化領域及びＱＷＩ抑制領域を形成する工程であって、前記ＱＷＩ強化層の下になる領域が前記ＱＷＩ強化領域であり、他の領域は前記ＱＷＩ抑制領域である工程、
前記ＱＷＩ強化領域及び前記ＱＷＩ抑制領域に重ねてＱＷＩ抑制層を施す工程、及び
前記少なくとも１つの量子井戸と前記上層エピタキシャル層及び前記下層エピタキシャル層の前記バリア層の間で原子の相互拡散をおこさせるに十分な温度においてアニールする工程、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記ウエハが分布屈折率独立閉込ヘテロ構造であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記少なくとも１つの量子井戸層がＩｎＧａＡｓを含み、前記上層エピタキシャル層及び前記下層エピタキシャル層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記犠牲層に重ねて１つ以上の追加成長犠牲層を施す工程をさらに含み、前記追加成長犠牲層が追加強化層としてはたらかせるために利用できることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記ＱＷＩ強化領域において前記原子相互拡散が約１００ｎｍまでのバンドギャップシフトを生じさせ、前記ＱＷＩ抑制領域においては実質的にバンドギャップシフトが生じないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
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