KR20020086626A - 양자 우물 혼정 - Google Patents

양자 우물 혼정 Download PDF

Info

Publication number
KR20020086626A
KR20020086626A KR1020027011816A KR20027011816A KR20020086626A KR 20020086626 A KR20020086626 A KR 20020086626A KR 1020027011816 A KR1020027011816 A KR 1020027011816A KR 20027011816 A KR20027011816 A KR 20027011816A KR 20020086626 A KR20020086626 A KR 20020086626A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
plasma
photoresist
mask
energy
quantum well
Prior art date
Application number
KR1020027011816A
Other languages
English (en)
Inventor
분 슈 우이
이 로이 람
연 천 찬
얀 조우
곡 잉 엔지
Original Assignee
엔티유 벤처스 피티이 엘티디.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from PCT/SG2000/000038 external-priority patent/WO2001067499A1/en
Priority claimed from PCT/SG2000/000039 external-priority patent/WO2001067569A1/en
Application filed by 엔티유 벤처스 피티이 엘티디. filed Critical 엔티유 벤처스 피티이 엘티디.
Publication of KR20020086626A publication Critical patent/KR20020086626A/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/0004—Devices characterised by their operation
    • H01L33/0045—Devices characterised by their operation the devices being superluminescent diodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29346—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by wave or beam interference
    • G02B6/29361—Interference filters, e.g. multilayer coatings, thin film filters, dichroic splitters or mirrors based on multilayers, WDM filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/182—Intermixing or interdiffusion or disordering of III-V heterostructures, e.g. IILD
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861—Diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12128—Multiple Quantum Well [MQW]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
    • H01S5/2059—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion
    • H01S5/2063—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion obtained by particle bombardment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
    • H01S5/2059—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion
    • H01S5/2068—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion obtained by radiation treatment or annealing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3413—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers comprising partially disordered wells or barriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3413—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers comprising partially disordered wells or barriers
    • H01S5/3414—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers comprising partially disordered wells or barriers by vacancy induced interdiffusion

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

양자 우물 영역을 갖는 화합물 반도체 구조를 포함하는 광자 집적 회로의 제조 방법에 있어서, 그 구조는 결함을 생성하기 위하여 광자 소스를 이용하여 조사되고, 그 광자는 화합물 반도체의 적어도 한 원소의 적어도 변위 에너지(ED)인 에너지(E)를 가진다. 그 구조는 후속하여, 어닐링되어 양자 우물 혼정을 촉진한다. 양호한 조사 소스는 전자 사이클로트론 공진(ECR) 시스템을 이용하여 생성된 플라즈마이다. 그 구조는 구조의 부분들의 조사 소스에의 노출을 제어함으로써 공간적 제어 방식으로 구조를 선택적으로 혼정시키는 상이한 방식으로 마스크된다.

Description

양자 우물 혼정{QUANTUM WELL INTERMIXING}
광전자 집적 회로(OEIC) 및 광자 집적 회로(PIC) 내의 다수의 광전자 장치 중의 모놀리식 집적은 전기 통신 시스템의 개발에 있어서 상당히 중요하다.
OEIC에 있어서, 레이저와 같은 광학 장치와 트랜지스터와 같은 전기 장치는 전기 접속부의 기생 리액턴스가 밀접하게 패킹된 장치로부터 최소화될 수 있기 때문에 고속 동작으로 단일 칩에 집적된다.
PIC는 전기적 구성요소를 전혀 갖지 않는 OEIC의 서브셋(subset)으로서, 단지 광자만이 광전자 및/또는 광자 장치들 사이의 통신 및 접속과 관련된다. PIC의 구동력은 다중 채널 파장분할 다중화(WDM) 및 고속 시분할 다중화(TDM) 시스템 같이 아키텍쳐를 네트워킹하고, 시스템을 스위칭하는 차세대 광 통신 링크의 복잡성을 개선할 수 있어야 한다. PIC에 있어서, 저 비용, 크기 감소, 및 패키징 강도(robustness) 증가 외에도, 주된 장점은 개별적인 가이드파(guided-wave) 광전자 장치들 사이의 모든 상호연관은 도파관(waveguide)이 리소그래픽하게 생산되기 때문에, 서로에 대하여 정확하고도 영구적으로 배열된다는 것이다.
집적화 과정에 있어서, 복잡한 장치가 광 에미터, 도파관, 변조기 및 검출기와 같이 매우 상이한 기능의 구성요소로 이루어 진다. 각각의 구성요소는 최적화된 성능을 달성하기 위하여 다른 물질 구조를 필요로 한다. 결과적으로, 밴드갭에너지 및 물질의 굴절율을 변경하는 능력이 OEIC 및 PIC를 구현하는 데 있어서 매우 중요하다. 이 목적을 위해서 성장(growth) 및 재성장(regrowth), 패턴된 기판 상의 선택적 영역 에피택시 또는 성장, 및 양자 우물 혼정(QWI)을 포함하는 다수의 기술들이 알려졌다.
성장 및 재성장은 벌크(bulk) 재료 상의 선택된 영역에 양자 우물(QW) 층의 성장, 에칭 및 재성장을 포함하는 복잡하고도 고비용의 기술이다. 이들 층 구조는 동일한 상부 클래딩(upper cladding) 및 상이한 액티브 영역을 갖고 과성장한다. 이 접근법은 광 전파 계수의 비정합과, 재성장 계면에서의 도파관의 디멘전에 있어서의 비정합이 문제이다. 게다가, 이 방법은 저효율 및 저처리량만을 제공하며, 따라서 최종 생산품의 비용을 증가시킨다.
선택적 영역 성장은 공간 선택적인 밴드갭 변화를 달성하기 위하여 마스크를 통한 성장에 의해 생성되는 에피택셜 층 조성 및 두께의 상이함을 이용한다. 에피택시 성장 이전에, 기판은 다양한 폭을 갖는 슬롯이 나타나는 SiO2와 같은 유전체 마스크로 패턴된다. 개구 부분의 성장율은 개구의 폭과 마스크의 패터닝에 의존한다. 어떤 성장도 유전체 캡의 위에는 발생하지 않는다. 그러나, 그 종들(species)의 표면 이동이 마스크를 가로질러 가장 인접한 개구 쪽으로 일정 구간 동안 발생할 수 있다. 이 접근법의 장점은 총 공정수를 감소하여 본질적으로 최적의 레이저와 변조기 다중 양자 우물(MQW)부분이 단일 에피택셜 성장 단계 에서 완성되는 것이다. 이 과정은 정확하게 제어된 파라미터의 셋트 하에서 잘 수행되지만, 일반적인 유형에서 조작하기에는 어렵다. 게다가, 이 기술은 약 100㎛의 나쁜 공간 분해능(resolution)을 제공하며, 이에 따라 패시브(passive) 부분은 일반적으로 상대적으로 높은 손실을 갖는다.
QWI는 QW와 장벽 계면 전체를 통하여 원자 종(species)의 큰 농도 기울기(concentration gradient)로 인하여 QW가 본래부터 준안정(metastable) 시스템이라는 사실에 기초한다. 따라서, 이는 합금 반도체를 형성하기 위하여 장벽과 QW들의 혼정에 의해 선택된 영역 내의 QW 구조의 밴드갭의 변형을 허락한다. 이 기술은 동일한 에피택셜 층내에서 상이한 밴드갭들의 측면(lateral) 집적, 굴절율 및 광 흡수(optical absorption)를 위한 효과적인 후성장(post-growth) 방법을 제공한다.
QWI 기술은 예를들어, 밴드갭 튜닝된(bandgap-tuned) 전자흡수 변조기, 밴드갭 튜닝된 레이저, OEIC 또는 PIC의 구성요소간을 연결하는 저손실 도파관, 세선(line-narrowed) 레이저를 위한 집적된 확장 캐비티(extended cavity), 단일 주파수 분포 브래그 반사(distributed Bragg reflector;DBR) 레이저, 모드락(mode-locked) 레이저, 비흡수 거울, 분포 귀환형(DFB) 레이저를 위한 이득 또는 위상 회절격자(grating), 초발광 다이오드, 편광 민감성 QW 변조기 및 증폭기 및 다중 파장 레이저와 같이 집적된 광전자의 여러 잠재적인 응용이 확인되어 왔기 때문에, 점점 알려지고 있으며, 인기를 얻고 있다.
근래에는 IFVD(Impurity Free Vacancy induced Disordering), LID(Laser Induced Disordering) 및 IID(Impurity Induced Disordering) 등의 어프로치를 사용하는 QWI에 대한 연구가 집중되어 왔다. 이들 QWI 기술들 각각은 장점 및 단점을 갖는다.
IFVD 방법은 QW 재료 상에 유전체 캡핑 재료를 적층하는 것과, 이에 후속하여 유전체 캡으로부터 QW 재료에 공위(vacancy) 생성을 촉진시켜 소정 영역에 혼정을 강화하기 위한 고온 어닐링을 포함한다. 예를 들어, GaAs-AlGaAs QW 재료에서, SiO2는 어닐링 동안 Ga 원자들의 외부-확산(out-diffusion)을 유발하여, QW 재료에 III족 공위를 생성한다. GaAs와 SiO2층 사이 계면에서의 열 응력(thermal stress)은 중요한 역활을 한다. GaAs의 열 팽창 계수는 SiO2보다 10배는 크다. 고온 어닐링 동안, PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 적층된 고 다공성 SiO2층에서의 본딩은 GaAs와 SiO2막 사이의 응력 변화로 인하여 파괴될 수 있다. 따라서, Ga의 외부 확산은 GaAs에서의 신장 응력(tensile stress)을 저감하는데 도움이 된다. 이들 Ga 공위는 그 후 QW로 전달되어 Ga 및 Al의 내부 확산율을 증가시켜, QWI를 초래한다. 혼정 처리 후, QW 재료의 밴드갭은 넓어지고, 굴절율은 감소한다.
이러한 기술의 선택은 Ga의 외부 확산을 방지하기 위해 SrF2를 사용하여 획득될 수 있고, 따라서 QWI 처리를 억제할 수 있다. 이러한 기술을 이용하여, 다중 파장 밴드갭 튜닝된 레이저 및 다중 채널 도파관 광검출기 등의 장치들이 성공적으로 실현되어 왔다.
IFVD는 GaAs/AlGaAs 시스템에 채택되는 경우는 성공적인 기술이지만, InGaAs/InGaAsP 시스템에서는 재현성이 나쁘다. 더욱이, InGaAs/InGaAP 재료의 열 안정성이 나쁘기 때문에, 고온 어닐링을 요구하는 IFVD 처리는 InGaAs/InGaAsP 기반의 QW 구조에서는 낮은 밴드갭 선택성을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
LID(laser induced disodering)는 재료의 열악한 열 안정성에 기인하는 InGaAs/InGaAsP QW 재료에서의 무질서도를 달성할 수 있는 QWI 처리이다. PAID(photoabsortion-induced disordering) 방법에서는, CW(continuous wave) 레이저 방사가 QW 영역에서 흡수되고, 이에 의해 열을 발생시키고 열 유도 혼정을 초래하게 된다. 결과물은 광학적 및 전기적으로 고품질이지만, 이러한 기술의 공간 선택성은 측면 플로우에 의해 약 100㎛로 제한된다. 펄스화된-PAID(P-PAID)로 알려진 PAID 방법의 변경은 InP 기반 재료를 조사하기 위해 고-에너지 Q-스위치드 Nd : YAG 레이저 펄스를 사용한다. 이들 포인트 결점은 이어서 고온 어닐링 동안 QW로 내부 확산하여 QW 혼정 율을 증가시킨다. P-PAID가 1.25㎛ 이상의 공간 분해능을 제공하고 직접 기록 능력을 제공할 지라도, 혼정된 재료는 증가된 결점들의 형성에 기인하여 저하된 품질을 제공한다.
모든 QWI 방법들 중에서, IID(impurity induced disordering)는 혼정 처리를 실현하기 위해 QW 재료로의 불순물의 주입을 필요로하는 유일한 처리이다. 이들 불순물은 집속된 이온 빔, 노(furnace) 기반 불순물 확산 및 이온 주입을 통해 주입될 수 있다.
IID는 상대적으로 간편하고 재현성이 높은 혼정 처리이다. 이는 적은 용적의 장치의 집적도에 대하여 높은 공간 분해능을 제공하는 능력을 갖고 있으며, 밴드갭 천이는 주입 파라미터(implantation parameters)를 통해 제어될 수 있다. 이러한 기술은 통상적으로 반도체에 측면의 전기적 및 광학적 제한을 달성하여, 낮은 임계 전류 및 단일 측면-모드 동작이 획득될 수 있도록 하는데 사용된다. 더욱이, IID 처리는 다파장 레이저 소스, 저손실 도파관, 변조기 및 검출기 등의 WDM 시스템 집적도에 상당한 관심이 있다.
IID 효과는 2 단계를 포함하는 것으로 널리 인식된다. 제1 단계는 QW 재료에 불순물을 주입하는 것이다. 후속 단계는 상기 재료를 어닐링하여 QW 및 장벽에 불순물 및 포인트 결점 양자 모두의 확산을 유도하여, QW 및 장벽 사이의 매트릭스 구성요소들의 내부 확산을 유도하는 것이다. InGaAs/InGaAsP QW 시스템에서, 밴드갭 에너지의 청색 천이를 초래하는 장벽으로부터 우물(well)로의 V족 원소들의 내부 확산은, 주입 처리 동안 발생되는 포인트 결점의 확산, 상승 온도에서의 자가적 내부 확산(열 천이), 및 주입된 종의 확산에 의해 초래되는 것으로 여겨진다.
주입 동안, 3족 공위 및 틈 등의 포인트 결점 뿐만 아니라 불순물들이 선택된 영역에서 재료에 주입된다. 상승 온도에서 이들 포인트 결점 및 불순물의 확산은 QW와 장벽 사이에 내부 확산율을 증가시켜 어닐링 후의 혼정을 증진시킨다. 주입된 불순물들의 영향하에, QW의 복합 프로파일이 사각형에서 파라볼릭형 프로파일로 변경된다. 결과적으로, 내부 확산 처리후, 로컬 밴드갭은 증가하고 대응 굴절율은 감소한다.
IID 기술을 사용하면, 다양한 두께의 SiO2주입 마스크를 이용함으로써 웨이퍼 전체를 통해 선택적 영역 혼정이 달성될 수 있다. 그러나, 이러한 기술은 공정 처리를 복잡하게 하는 복수의 리소그래피 및 에칭 단계를 포함한다.
B S Ooi, A C Bryce, 및 J H Marsh 등이 저술하여 1995년 Electronics Letters, Volume 31, 449에 개재된 "Integration process for phtonic integrated circuits using plasma damage induced layer intermixing"이라는 제목의 논문은, 반응성 이온 충격 손상에 기초하는 양자 우물 혼정 처리를 개시하고 있다. 본 기술에서는, 차후 어닐링되어 포인트 결점들을 QW 영역에 확산하는 샘플들의 표면상에 포인트 결점을 유도하기 위해 높은 RF 전력 및 높은 손상, H2플라즈마 처리가 사용되었다. 플라즈마 노출은 평행 평판 반응성-이온 에칭(RIE) 장치를 이용하여 수행되었다. 이와 유사하게, L M Lam 등이 저술하여 1998년 4월 16일 Electronic Letters, Volume 34, No. 8에 개재된 "Plasma Immersion Ar+ Ion Implantation Induced Disorder in Strained InGaAsP Multiple Quantum Wells"라는 제목의 논문은, RIE 장치를 이용하는 플라즈마 침지 이온 주입 처리를 개시하고 있다. 이들 기술들 각각에서, QWI 처리는 이온 충격 손상에 기반하고, 상당히 적당한 정도의 밴드갭 천이를 이루기 위해서는 복수의 사이클을 요구한다.
III-V족 반도체 웨이퍼 전체를 통해 밴드갭을 제어하는 능력은 모놀리식 PIC의 제조에 있어 중요한 요건이다. QW 구조의 흡수 밴드 에지는 집적된 레이저, 변조기 및 저손실 도파관의 제조를 가능하게 하기 위해 웨이퍼 전체를 통해 공간적으로 제어될 필요가 있다. QWI 기술이 밴드갭 엔지니어링 처리용 성장 및 재성장과 선택적 에피택셜 성장 기술들에 대한 많은 이점을 제공하지만, 종래의 QWI 기술의 공간 제어는 간접적이고 복잡하다.
인터넷 트래픽, 멀티미디어 서비스 및 고속 데이터 서비스의 급성장은 전화통신 사업자들이 그들의 네트워크를 신속하게 확장하고 비용을 효과적으로 산정할 것을 요구하는 부담을 가중하고 있다. 사업자들은 통상적으로 능력을 증대시키는 3가지 옵션, 즉 신규 파이버 증설, 전송 시스템의 비트 레이트 증가 또는 WDM(wavelength division multiplexing)의 채택을 갖는다. 제1의 옵션은 비용이 비싸지만 가장 직접적이고, 제2의 옵션은 고유 시스템 제한으로 인해 증대 가능성이 제한되며, 따라서 제3의 옵션은 적정한 비용으로 네트워크 성능의 증대를 도모할 수 있다는 면에서 가장 매력적이다.
<발명의 개요>
본 발명에 따르면, 양자 우물 영역을 갖는 화합물 반도체 구조를 구비한 광자 집적 회로의 제조 방법은, 화합물 반도체의 적어도 한 원소의 적어도 변위 에너지(ED)인 에너지(E)를 갖는 광자의 소스를 이용하여 화합물 반도체 구조를 조사하여 결함을 생성하는 단계와, 후속하여 화합물 반도체 구조를 어닐링시켜 양자 우물 혼정을 촉진시키는 단계를 포함한다.
바람직한 조사 소스는 플라즈마이지만, 고 에너지 광자 소스를 다수 이용할 수 있다. 적합한 플라즈마 소스로서는 전자 사이클로트론 공진(ECR) 시스템, 유도적으로 결합된 플라즈마(ICP) 시스템, 소프트 진공 전자 빔에 의해 여기되는 플라즈마 디스크, 및 플라즈마 소프트 x-선(SFR) 장치가 포함된다. 적합한 다른 고 에너지 조사 소스로서는 전기 가스 방출 장치, 엑시머 레이저, 싱크로트론 장치, 플래시 x-선 장치, 및 감마선 소스가 포함된다.
상기 방법은 화합물 반도체 구조의 일부를 마스크시켜 조사 손상의 정도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법으로, 마스크는 혼정이 전체적으로 일어나는 것을 방지시키는데 적합될 수 있다. 그러나, 화합물 반도체 구조는 그 구조의 부분들에 대한 노출을 소정 방식으로 제어하는 공간 제어식 방식으로 그 구조를 선택적으로 혼정시키는 다른 방식으로 마스크되는 것이 바람직하다.
노출 마스크의 적합한 형태로서는, 바이너리 마스크, 위상 마스크, 그레이 마스크, 유전체 또는 금속 마스크, 및 포토레지스트 마스크를 포함하여 다수 존재한다. 가변 프로파일 마스크 패턴을 이용하면 혼정에 대한 공간 제어를 유리하게 제어할 수 있다. 본 출원인의 출원 계류 중인 국제 특허 출원 제 호(참조 번호 PJF01075WO)에는 그레이 스케일 마스크를 통해 포토레지스트층을 노출시킴으로써 구조를 패터닝시키는 방법이 개시되어 있다. 양자 우물 혼정 정도는 그레이 스케일 마스크의 광 투과율 특성에 따라 공간 선택적 방식으로 제어된다. 이 기술은 고 에너지 조사에 대한 구조의 노출을 제어할 수 있는 마스크를 구성할 수 있으므로, 본 발명의 사용 시에 특히 적합하다. 포토레지스트 마스크 패턴은 단독으로 노출 정도를 제어하기 위해 사용할 수 있거나, 또는 에칭 프로세스를 통해 유전 물질층 등의 하지 물질에 마스크 패턴을 전사시키는데 사용할 수 있다.
본 발명의 중요한 특징은 결정 구조에 대해 조사 손상을 일으키도록 조사 소스를 사용하는 것에 있다. 이를 달성하기 위해, 잘 규정된 최소 에너지 전달이 요구된다. 이를 변위 에너지 ED라 칭한다. ED를 초과하는 에너지 전달은 원자 변위를 일으키는데, 주(host) 이온이 순간(instant) 입자들 중 하나에 의해 부딪쳤을 때는 1차 변위가 일어나고, 에너지 전달이 이전에 부딪친 주 원자로부터 나온 것일 때는 2차 변위가 일어난다. 아래 표에는 III-V족 물질 범위에 대한 ED의 에너지 값(eV)을 나타낸 것이다.
GaAs 9/9.4
InP 6.7/8.7
InAs 6.7/8.3
InSb 5.7/6.6
진공 자외선(VUV) 방사가 반도체 구조에 대해 손상을 일으킬 수 있다는 것이 알려져 있는 동안, 이러한 손상은 회피되어야만 하거나, 적어도 이들 손상이 장치의 동작에 영향을 주지 않도록 하기 위해 어닐링에 의해 교정되어야 한다는 점에 근거하여, 예전부터 이에 대한 연구가 꾸준히 진행되어져 왔다.
일반적으로는 PIC의 제조와, 특정하게는 WDM 소스에 본원 발명의 신규하고, 경제적이면서 간단한 기술을 적용할 수 있다. 본 발명에 따른 QWI 기술을 적용함으로써, QW 재료의 밴드갭 에너지를 웨이퍼 전체를 통해 서로 다른 정도로 조정할 수 있다. 이는 모놀리식 다파장 레이저의 집적을 가능하게 할 뿐 아니라, 더 나아가서는 단일 칩 상에 변조기와 결합기를 함께 집적시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 이 기술을 적용하면 에피택셜 성장 후 이득 스펙트럼을 최대로 확장시킴으로써초발광 다이오드(SLD)의 제조 및 설계 프로세스가 용이해 진다.
광자 집적 연구 공동체에서는 현재 종래의 QWI 처리가 장황하고 복잡하게 될 수 있으므로, QWI 기술을 2-분할 광자 장치에 대해서만 유망한 연구 방안으로서 관망하고 있다. 비록 복잡하고 경제적이지는 않지만, 연구자들은 다중-분할 집적에 대해 선택적 영역 에피택시를 이용하는 것을 선호해 왔다. 본 발명은 QWI의 적용이 2-분할 장치에만 제한되는 것이 아니라는 것을 입증하였다. 또한, 이 기술은 선택적 영역 에피택시에 비해, 보다 경제적이고, 보다 높은 처리량과 수율을 제공한다.
지금부터 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 ECR 시스템 일례의 개략도.
도 2는 InGaAs/InGaAsP SQW 층 구조의 개략도 및 그 구조에 대한 밴드 다이어그램.
도 3A 및 도 3B는 Ar 플라즈마에 노출시킨 샘플의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프.
도 4는 서로 다른 마이크로파 전력에 대한 Ar 노출 시간과 상대 밴드갭 에너지 천이 간의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 프로세스 온도와 상대 밴드갭 에너지 천이 간의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 프로세스 압력과 상대 밴드갭 에너지 천이 간의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 포토레지스트층으로 부분적으로 마스크된 샘플의 개략도.
도 8은 Ar 플라즈마에 노출시킨 후의 도 7의 샘플로부터 얻어진 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프.
도 9는 RF 전력과 상대 밴드갭 에너지 천이 간의 관계를 나타내는 그래프.
도 10은 마이크로파 전력과 상대 밴드갭 에너지 천이 간의 관계를 나타내는 그래프.
도 11은 두께가 서로 다른 SiO2마스크를 사용하여 Ar 플라즈마에 노출시킨 샘플들에 대한 상대 밴드갭 에너지 천이를 나타내는 그래프.
도 12는 광 밴드 이득 유도 레이저에 대한 개략도.
도 13은 도 12의 장치에서의 정규화된 스펙트럼을 나타내는 그래프.
본 발명은 ECR 생성 플라즈마에서 발생된 VUV 방사선 등의 고에너지 방사선을 사용하여 달성될 수 있는 좀더 효율적인 형태의 플라즈마 유도 QWI의 발견에 기초한 것이다. 이러한 플라즈마 프로세스는 이전의 플라즈마 유도 불규칙 QWI 기술에서 설명된 것과 비교하면 완전히 다른 체계로 동작한다. ECR에서, 마이크로파 전력 제어는 종래의 RIE 머신에서 찾아볼 수 없는 고 에너지 방사선을 발생할 수 있다. 그 결과, 고 에너지 방사선을 사용하여 얻어진 QWI 청색 천이(blue shift)가 상당히 커진다.
ECR 시스템에서, 자기장은 여기 전자기파로 인가된다. 이러한 자기장 하의 전자들은 자기장의 세기와 관련된 반경으로 원형 운동 또는 궤도 운동을 하고, 전자 사이클로트론 주파수로 알려진 주파수에서 회전한다. 전자기파의 주파수가 사이클로트론 주파수와 동일하다면, 전자로 하여금 연속적으로 에너지를 얻게하는 위상 동기가 존재할 것이다. 이러한 상태에서, 여기 전자기장으로부터 전자로의 에너지 방사 전이가 발생한다는 것이 공진 처리(resonant process)로서 알려져있다. 이러한 공진 처리에서, 벌크 플라즈마 내의 전자는 여기 마이크로파로부터 에너지를 획득하고 이어서 이 에너지를 충돌을 통해 분자로 전송하고, 전자 충돌 이온화를 야기시키고 고 플라즈마 밀도를 발생한다. 고이온화된 이온은 VUV 라인 방사와 함께 광자를 방출한다.
ECR 플라즈마는 에칭 및 박막 침착 등의 마이크로전자 처리에서 일반화되어가고있는데 이것은 비교적 낮은 압력과 온도에서 고 분리되고 고 이온화된 플라즈마를 유지하는 능력이 있기 때문이다. ECR 플라즈마는 통상의 RIE RF 플라즈마보다는 낮은 압력(통상 10-3내지 10-2torr)에서 동작할 수 있고 이것의 이온화 정도는 어떤 경우에서는 10% 정도 높을 수 있다.
공진 또는 증가된 에너지 흡수는 교번 전계(alternating electric field)의 주파수가 사이클로트론 주파수와 동일한 경우에 발생한다. 전자의 나선 운동은 교번 전계와 동위상에 있어, 극성의 각 변화와 반향하여 가속화될 수 있다. 2.45㎓의 산업용 마이크로파 주파수에서, 873G의 영구 자석과 공진이 발생한다. 에너지의 공진 흡수가 효율적으로 발생하기 위해서는, 전자들이 중성자와의 충돌없이 사이클로트론 궤도를 진행해야 한다. 중성자로의 에너지 전이와 방향의 무작위성에 기인하여 충돌이 에너지 흡수를 방해한다. 총칙으로서, 충돌이 20 mTorr를 넘는 압력에서 비효율적인 전자 사이클로트론 가열을 일으킨다. 비효율적인 ECR 방전에서, 이온 및 전자 밀도가 1012㎝-3까지도 달성이 가능하다. 이것은 종래의 RIE 시스템에 의해 발생된 플라즈마에서 달성가능한 밀도의 대략 100배 내지 1000배에 달한다.
이하에 설명된 샘플들의 처리에 사용되는 ECR 시스템은 플라즈마 퀘스트 시리즈 Ⅱ PQM-9187-A 시스템이다. 이것이 도 1에 도시되어 있다. 이 시스템(10)은 석영 윈도우를 통해 ECR 캐비티(12)로 공급되는 2.45 GHz의 마이크로파 발생기(11)로 구성된다. 마이크로파 전력 범위는 0-1500W 까지이다. 이것은 3개의 스터브 튜너(stub tuner)에 부착되고, 9인치 길이의 도파관(13) 내에 설치된 3개의 임피던스 정합 스터브 튜너로 구성된다. 이것은 튜닝 용이(easy-to-tune) 플라즈마 소스 또는 주문형 부하(customer load)로 향하게 되는 마이크로파 에너지의 반사 전력을 감소시키는 데 사용된다. 양 극성을 갖는 추가의 Nd-Fe-B 영구 자석(14)이 리액터의 주변 둘레에 배치되고 그라운드된 상부 전극에 매립된다. 이러한 구성은 플라즈마를 좀 더 제한하는 자기장을 만든다. 플라즈마 이온을 챔버 벽으로부터 떨어져 챔버 중심에 집속시킴으로써 하전된 종(charged species)의 벽에 대한 손실을감소시킨다.
ERC 리액터는 또한 13.56 MHz RF 전력 발생기(16)에 접속되는 샘플 척(chuck)(15)으로 이루어진다. RF 발생기에 의해 생산가능한 최대 전력은 500W이다. 마이크로파 전력은 반응성 종(species)의 분리 및 발생량을 제어한다. 한편, RF 소스는 기판에 바이어스를 인가하여 기판으로의 이온 흐름을 제어하여 프로세스의 지향성(directionality)을 향상시킨다.
후술되는 예에서 이용되는 InzGa1-zAs/InxGa1-xAsyP1-y구조는 In 기판 상에서 유기 금속 화학적 기상 증착법(MOCVD)에 의해 성장되었다. 단일 양자 우물(SQW) 영역은 도핑되지 않으며 12nm InxGa1-xAsyP1-y(λg=1.26㎛) 장벽과 함께 5.5nm 폭 InzGa1-zAs QW로 이루어진다. 액티브 영역은 단계적 인덱스 (GRIN) InxGa1-xAsyP1-y집중층에 의해 경계지어진다. 이러한 층들의 두께와 구성은 각각 λg=1.18㎛의 50nm 및 λg=1.05㎛의 80nm이다. InP 도처에 정합되는 격자 구조는 1.4㎛ InP 상부 클래딩층, 및 0.65㎛ InxGa1-xAsyP1-y층과 그 다음의 콘택층으로서 기능하는 0.1㎛ InzGa1-zAs에 필적한다. 하부 클래딩층은 2.5×1018cm-3농도로 황 도핑되어 있다. 제1 상부 클래딩층(InP)은 7.4×1017cm-3의 농도로 Zn 도핑되어 있고 그 다음 층은 2×1018cm-3및 1.3×1019cm-3의 농도로 각각 Zn 도핑되어 있다. 층 구조 및 도형 해석의 요약은 표 1 및 도 2에 각각 제공된다.
GRIN 구조는 반사율의 차이, 예를 들면 QW에서의 반사율이 장벽에서의 반사율에 비해 크게 되는 것으로 인해 보다 우수한 광 구속(optical confinement)을 얻기 위해 이용된다. 보다 낮은 GRIN 영역은 S (n-형)으로 도핑되지만, 상부 GRIN 영역 (층 7-8)은 그것이 QWI 단계 동안 QW 영역으로 확산되는 것을 방지하기 위해 p-형 Zn으로 도핑되지 않으므로, 액티브 층의 품질을 향상된다. 최상부의 InGaAs층은 콘택층으로 이용되고, InP와 InGaAs 층 사이에는 InP 구조로부터 InGaAs 구조로의 급격한 변화가 일어나지 않도록 InGaAsP층이 개재된다.
샘플들 17은 먼저 세정된 다음 2 ×2 ㎟의 크기로 절단된다(cleaved). 그 다음, 이들은 도 1에 도시된 ECR 배치(10)에서 상이한 압력 조건하에 Ar 플라즈마에 노출된다. 플라즈마 처리된 제1 세트의 샘플들에 대해서, RF 및 마이크로파 전력은 50sccm의 Ar 유속과 30mTorr의 프로세스 압력을 이용하여, 각각 450 W (-35V 주변의 self-DC 바이어스) 및 1400W로 각각 고정된다. 노출 시간은 1분 내지 15분으로 다양하다. 그 다음 다른 세트의 샘플들을 마이크로 전력이 800W (-60V 주변의 self-DC 바이어스)로 감소되는 것을 제외하면 동일한 프로세스 조건을 이용하여 Ar 플라즈마에 노출시켰다. 노출 시간은 1분 내지 9분으로 다양하다. 플라즈마 노출 이후에, 샘플들은 고속 열 처리기(RTP)를 이용하여 600℃에서 2분동안 어닐링된다. GaAs 부근 캡은 샘플에 As 과잉 압력을 제공하기 위해 어닐링 단계 동안 이용되었다.
도 3A 및 도 3B는 각각 상이한 시간 및 1400W 및 800W의 마이크로파 전력에서 Ar 플라즈마에 노출되는 샘플들의 PL 스펙트럼들을 도시한다. 도 4는 RF 450W 및 각각 800W 및 1400W의 마이크로파 전력을 이용하여 발생된 Ar 플라즈마에 대해, 노출 시간 함수로서, Ar 성장 샘플에 대한 상대적인 밴드갭 천이를 도시한다.
도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 밴드갭 에너지(bandgap energy)가 확장되고 발광 파장(luminescence wavelength)이 청색 천이하게 되는 QWI 효과는 Ar 플라즈마에 노출된 샘플들에서 찾아볼 수 있다. 1400W로 노출된 샘플들의 노출 시간을 증가시키면 혼정 정도가 점차 증가한다. 밴드갭 천이는 10분간 플라즈마 처리한 이후에 약 106㎚ (72meV)로 감쇠한다. 에너지 천이에서의 감쇠는, 이온 충격(ion bombardment)과 조사 손상(radiation damage)의 양자에 의해서 발생되는 최대점 결함(maximum point detect)이 노출 시간이 10분 이후인 때에 감쇠된다는 것을 의미한다. 800W로 노출되어 유사한 결과를 나타내는 샘플들은 1400W로 노출된 샘플들 쪽으로 기울지만, 청색 천이 정도는 더 낮다. 이는 보다 낮은 마이크로파 전력의 사용 즉, Ar 플라즈마의 이온화에 기인할 수 있다. 이와 같은 노출 조건 하에서 가장 높게 도달할 수 있는 청색 천이는 9분간 처리된 샘플을 약 66㎚ (42meV) 되게 하면 얻을 수 있다.
도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 밴드갭 에너지 천이와 프로세스 온도를 제어하는 선형 관계는 존재하지 않는다. 32㎚의 최대 밴드갭 천이는 100℃의 프로세스 온도에서 얻게 된다. 일반적으로, 온도를 높게 할수록 이온 충격 손상 프로세스 하에서의 QWI 정도가 더 높게 될 것으로 기대된다. 그러나, 이러한 현상은 여기서 관찰되지 않는다. 따라서, 이러한 프로세스에 의해서 유발되는 손상의 집중화는 액티브 QWI에 대해 소정의 임계치 이하인 것으로 결론지을 수 있다.
도 6은 서로 다른 프로세스 압력에 관한 밴드갭 에너지 천이를 도시한다. 밴드갭 에너지 천이는 30mTorr의 프로세스 압력에서 최대 49㎚까지 증가하고, 프로세스 압력을 계속 증가시키면 점차 감소한다. 이와 같이 얻은 결과로부터, 프로세스 압력을 10mTorr로부터 30mTorr까지 증가시키면, 중성자의 밀도와 플라즈마의 이온화 종이 증가한다고 설명할 수 있다. 따라서, 손상의 양이 크게 될수록, 그 결과로 혼정 정도가 높게 된다. 그러나, 압력을 계속해서 증가시키면, 이온의 평균 자유 경로가 짧게 된다. 이는, 샘플 표면 상에서 충돌하는 이온과 중성자 종들의 양이 상당히 감소되게 하여, 유발되는 손상의 양이 감소되게 한다. 프로세스 압력을 증가하는 것에 기인하여 이온화가 높게 될수록, 조사 손상도 크게 된다. 그러나, 그 결과는 조사 강도 변화가 미미하고, 서로 다른 압력의 범위에 걸친 QWI에 대한 그 효과는 상당히 일정하게 유지한다는 것을 나타낸다.
일반적으로, QWI가 반도체의 희망하는 영역으로 국부적으로 제한될 수 있는 경우에 즉, 선택적으로 혼합될 수 있는 경우에 QWI는 유용하다. 선택성은 집적 가능성을 제공하므로 프로세스에서 중요한 특성이 된다. QWI의 경우, 혼정 영역과 비혼정 영역 간의 경계면을 예리하게 하는 것은 공간 분해능(spatial resolution)으로서 알려져 있다. 공간 분해능을 높게 하는 것은 장치 집적 시에 컴팩트화(compactness)를 보장하므로 혼합 프로세스에서 필수이다.
플라즈마의 선택성을 조사하기 위해, 2 ×4㎟의 샘플들(20)을 준비하였다 (도 7). 다음으로, 이 샘플들 중 절반은 포토레지스트(21)로 패터닝하였다. 이 샘플들(20)을 5분간 RF 450W의 Ar 플라즈마와 1400W의 마이크로파에 노출하였다. 포토레지스트(21)로 마스크된 부분은 Ar 플라즈마 노출에 의해서 발생되는 손상으로부터 보호되고, 따라서 RTP 프로세스 이후에 QWI를 전혀 받지 않거나 혹은 미미하게 받게 된다.
도 8은 Ar 노출 및 그에 후속하는 열 어닐링 이후에 샘플(20)로부터 얻은 PL 스펙트럼들을 도시하는 도면이다. 이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 포토레지스트(21)의 층으로 마스크된 부분은 소량의 밴드갭 천이(~10㎚)를 받게 되는 반면, 플라즈마에 노출된 부분(22)은 64㎚의 상당히 많은 밴드갭 천이를 나타내므로, 마스크된 부분과 마스크되지 않은 부분 사이에는 54㎚의 상대적인 밴드갭 차를 얻게 된다. 이러한 결과는 마스크층으로서 포토레지스트만을 이용하면 InGaAs-InGaAsP 샘플에서 높은 선택성을 얻을 수 있다는 것을 확실히 나타낸다. 마스크된 부분에서 밴드갭 천이의 양이 적은 것은 열과 관련된 효과에 따른 밴드갭 변화에 기인할 수 있다.
RF 전력만을 사용해서 발생되는 플라즈마는 압도적으로 이온 충격 손상을 발생시킬 것으로 예상된다. 이는 주로 플라즈마와 반도체 사이의 높은 전위 차에 의한 것으로, 130eV까지 높아질 수 있다. 이러한 플라즈마를 가진 샘플을 노출시킴으로써, 이온-충돌 지배적 플라즈마 환경에서의 QWI 메카니즘이 연구될 수 있다.
샘플 세트는 서로 다른 RF 조건을 사용하여 발생되는 Ar 플라즈마에 노출되고, 다른 공정 파라미터들은 상수로 고정되어 있다. 모든 노출은 5분동안 수행된다. 도 9는 RF 전력 함수로서 상대적 밴드갭 천이를 나타낸다. 도 9로부터 알수 있는 바와 같이, RF만 있는 조건하에서 플라즈마로 처리되는 샘플들은 최대 22nm(10meV)의 매우 작은 밴드갭 천이를 나타낸다. 서로 다른 RF값에 따른 밴드갭 천이 또한 매우 작다.
그리고, 또 다른 샘플 세트는 서로 다른 마이크로파 조건에 의해 발생되는 플라즈마에 노출되고, 다른 공정 파라미터들은 상수로 고정되어 있다. 모든 노출은 5분동안 수행된다. 노출이 되면, 샘플들은 600℃에서 2분 동안 어닐링된다. 도 10은 마이크로파 전력의 함수로서 상대적 밴드갭 에너지 천이를 나타낸다.
도 10으로부터 알수 있는 바와 같이, 마이크로파만 있는 조건하에서 플라즈마로 처리되는 샘플들은 최대 66nm(42meV)의 밴드갭 에너지 천이를 발생한다. 밴드갭 천이의 양은 또한 마이크로파 전력이 증가함에 따라 증가한다. 이 결과는고-밀도 ECR 플라즈마에 의해 발생되는 고-에너지 VUV 방사는 이온 충격보다 QWI 효과에 더 강한 영향을 갖는다는 것을 의미한다. 따라서, 이는 이 공정을 사용하는 InGaAs-InGaAsP 구조 내의 QWI에서 중요한 역할을 한다.
아래의 표 2는 위에서 연구된 공정 변수의 요약을 제공하고, 각 변수의 전위 동작 범위 및 양호한 동작 범위를 보여준다.
전위 동작 범위 양호한 동작 범위
RF 전력 0 ~ 500 W 0 W
마이크로파 전력 300 ~ 3000 W 1000 ~ 2000 W
공정 온도 25 ~ 500 ℃ 25 ~ 200 ℃
공정 압력 0.1 ~ 100 mTorr 20 ~ 50 mTorr
노출 시간 30 s ~ 1 hr 4 ~ 14 min
다음 예에서, SiO2층은 InGaAs/InGaAsP MQW상에 적층된 SiO2의 두께에 대한 혼정 비율을 조사하기 위해서, Ar 플라즈마 노출 마스크로서 작용하도록 사용된다. 서로 다른 SiO2두께의 혼정량을 제어하는 능력은 샘플에서 밴드갭 에너지의 수평 변동을 가능하게 한다. 이는 다중 파장 레이저와 같이 샘플 사이에 서로 다른 동작 파장을 요구하는 장치의 구현을 가능하게 한다.
InGaAs/InGaAsP MQW 샘플들은 2×2 mm2으로 절단되고, 서로 다른 두께의 SiO2는 PECVD 시스템을 사용하여 샘플상에 적층된다. SiO2의 두께는 100nm에서 1200nm의 범위에 있다. 각각의 SiO2두께에 대해 4개의 샘플이 사용된다; 이는 공정의 반복가능성을 연구하기 위해 행해진다.
모든 샘플은 10분 동안 RF 450W의 Ar 플라즈마와 1400W의 마이크로파에 노출된다. 노출 후에, 각각의 SiO2의 두께에 대한 샘플 중 2개는 2:1 비율의 HF:H2O 용액에 넣어진다. 이는 어닐링 공정을 하기 전에 샘플상의 SiO2층을 제거하기 위한 것이다. 따라서, SiO2를 캐핑한 것, 안한 것의 어닐링의 효과가 연구될 수 있다. 그리고, 이 샘플들은 2분 동안 590℃의 온도에서 RTP내에서 어닐링된다. 다음으로 QWI의 정도를 분석하기 위해서 PL 측정이 수행된다.
도 11은 Ar 플라즈마에 노출된 상이한 SiO2두께를 가진 샘플들에 대한 상대적인 밴드갭 에너지 천이를 보여준다. 도 11에 도시된 바와 같이, SiO2두께가 감소함에 따라 혼정 정도는 점차 감소한다. 그러나, SiO2두께가 500 nm 이하인 경우 밴드갭 천이의 범위가 40-50 meV이면, 혼정 정도는 일정하게 유지된다. 800 nm 이상의 SiO2캡 두께에서는 특이한 밴드갭 천이는 관측되지 않는다. 500-800 nm의 SiO2두께 범위에서, 혼정 정도는 두께가 증가함에 따라 크게 감소한다.
따라서, Ar 플라즈마 노출을 이용하는 InGaAs/InGaAsP MOW에서 QWI는 노출전에 샘플에 증착되는 SiO2의 두께를 변경함으로써 제어할 수 있다. 혼정 정도를 제어할 수 있으므로, 샘플에 상이한 밴드갭 에너지를 요구하는 장치의 제조가 가능하다. WDM용 다파장 레이저와 같은 장치는 Ar 노출전에 웨이퍼에 가해지는 SiO2의 두께를 제어함으로써 실현할 수 있다. 본 출원인의 출원 계류중인 국제 특허 출원 (참조번호 PJF01075WO)에 개시된 신규한 그레이 스케일 마스크 리소그래픽 기술에의하면, 여러가지 SiO2두께를 샘플에 전사하기 위해 단 한번의 RIE 처리 단계만을 필요로 하므로, 제조 공정은 더욱 간략해진다. 또한, 동일한 그레이 스케일 마스크 기술을 이용하여 인가되는 상이한 두께를 갖는 포토레지스트 패턴만으로 마스크를 만들 수도 있다.
QWI에 뒤이어 재료의 레이저 파장을 조사하기 위해, 성장된 샘플(플라즈마 처리 및 어닐링 처리 안함), 제어 샘플(어닐링 처리는 하고 플라즈마 처리는 안함), Ar 플라즈마 혼합 샘플로부터 광역 이득 가이드형 레이저를 제작한다.
InGaAs/InGaAsP MOW 웨이퍼로부터 결정 배향을 따라 6 x 6 mm2의 샘플을 절단한다. 샘플은 RF 450 W 및 마이크로파 800 W의 Ar 플라즈마에 5분 동안 노출된다. 뒤이어 QWI를 촉진하기 위해 어닐링 단계를 590℃에서 120초 동안 실시한다. 샘플은 200 nm PECVD SiO2유전체 캡으로 코팅된다. 다음에는, 포토리소그래피를 이용하여 50㎛ 스트라이프(stripe) 윈도우를 형성하는데, 윈도우를 만들기 위해 건식 및 습식 에칭이 모두 사용된다. CF4및 O2프로세스로부터 RIE 손상을 최소화하기 위해, 먼저 건식 에칭을 5분 동안 실시한 다음, 완충 HF를 이용한 습식 에칭을 10분 동안 실시하여, 나머지 75 nm의 SiO2를 제거한다. 이러한 레이저는, 주입 전류가 반전 분포(population inversion)를 야기하며 50㎛ 스트라이프 영역에서만 미묘한 도파관이 작용하므로, 이득 가이드형이다. 그후, 전자 빔 증착기를 사용하여 프론트 콘택 금속화(p-타입; Ti/Au, 50 nm/200 nm)를 실시한다. 그 다음 샘플을180㎛ 정도의 두께로 얇게 만든다. 백 콘택 금속화(n-타입; Au/Ge/Au/Ni/Au, 14 nm/14 nm/14 nm/11 nm/200 nm)를 실시하고, 샘플들을 RTP를 사용하여 360℃에서 60초 동안 어닐링하여 전체 제조 공정을 완성한다. 처리된 샘플들은 특성화를 위한 상이한 캐비티 길이를 갖는 개개의 레이저로 나누어진다. 밴드갭 천이된 산화물 스트라이프 레이저(30)를 도 12에 도시하였다.
도 13은 성장된 샘플, 제어 샘플 및 Ar 플라즈마 혼합 샘플의 레이저 스팩트럼을 도시한다. 도면으로부터, 제어 샘플 및 성장된 샘플은 1.55 ㎛ 에서 거의 유사한 피크 레이저 파장을 보이고, Ar 플라즈마 혼합 레이저는 1.517 ㎛에서 피크 레이저 파장을 갖고, 38 nm의 천이를 보이는 것을 알 수 있다.

Claims (16)

  1. 양자 우물 영역을 갖는 화합물 반도체 구조를 포함하는 광자 집적 회로의 제조 방법에 있어서,
    광자 소스를 이용하여 상기 구조에 조사를 행해 결함을 생성시키는 단계-상기 광자는 상기 화합물 반도체의 적어도 한 원소의 적어도 변위 에너지(ED)인 에너지(E)를 가짐-와,
    후속하여, 상기 구조를 어닐링시켜 양자 우물 혼정을 촉진시키는 단계
    를 포함하는 광자 집적 회로 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조사 소스는 플라즈마인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 소스는 전자 사이클로트론 공진(ECR) 시스템, 유도적으로 결합된 플라즈마(ICP) 시스템, 소프트 진공 전자 빔에 의해 여기되는 플라즈마 디스크, 또는 플라즈마 소프트 x-선(SFR) 장치를 사용하여 생성되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 조사 소스는 전기 가스 방출 장치, 엑시머 레이저, 싱크로트론 장치, 플래시 x-선 장치, 및 감마선 소스로 이루어진 그룹에서 선택된 하나인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조사 손상 정도를 제어하기 위해 상기 구조의 일부를 마스크하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 마스크는 전체적인 혼정을 방지하는데 적합한 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 구조는, 상기 구조의 부분들에 대한 노출을 소정의 방식으로 제어하는 공간적 제어 방식으로 상기 구조를 선택적으로 혼정시키는 상이한 방식으로 마스크되는 방법.
  8. 제5항, 제6항, 또는 제7항에 있어서, 상기 마스크는 바이너리 마스크, 위상 마스크, 그레이 마스크, 유전체 또는 금속 마스크, 및 포토레지스트 마스크로 이루어지는 그룹에서 선택되는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 혼정에 대한 공간 제어는 가변 프로파일 마스크 패턴을 이용하여 제어되는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조 상에 포토레지스트를 형성하는 단계와,
    요구되는 양자 우물 혼정 정도에 따라 상기 포토레지스트의 영역들을 공간 선택적인 방식으로 다르게 노출시키는 단계와,
    후속하여 상기 포토레지스트를 현상하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 포토레지스트에 광 마스크를 도포하는 단계와, 상기 광 마스크를 통해 상기 포토레지스트를 노출시키는 단계를 포함하며, 상기 광 마스크는 공간 선택적으로 가변하는 광 투과율을 갖는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 광 마스크는 그레이 스케일 마스크인 방법.
  13. 제10항, 제11항, 또는 제12항에 있어서, 상기 포토레지스트는 마스크층에 도포되는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 마스크층은 유전체인 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 현상된 포토레지스트를 원래 위치에서 사용하여 상기 구조를 에칭하여 다르게 에칭된 마스크층을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 전자 사이클로트론 공진(ECR) 시스템을 사용하여 플라즈마를 생성하고, 상기 ECR 시스템의 마이크로파 전력은 300 내지 3000W, 보다 양호하게는 1000 내지 2000W이며; 상기 프로세스 온도는 25 내지 500℃, 보다 양호하게는 25 내지 200℃이며; 상기 프로세스 압력은 0.1 내지 100mTorr, 보다 양호하게는 20 내지 50mTorr이며; 상기 노출 시간은 30초 내지 1시간, 보다 양호하게는 4분 내지 14분인 방법.
KR1020027011816A 2000-03-08 2001-03-02 양자 우물 혼정 KR20020086626A (ko)

Applications Claiming Priority (9)

Application Number Priority Date Filing Date Title
WOPCT/SG00/00039 2000-03-08
WOPCT/SG00/00038 2000-03-08
PCT/SG2000/000038 WO2001067499A1 (en) 2000-03-08 2000-03-08 Multiple bandgap photonic integration
PCT/SG2000/000039 WO2001067569A1 (en) 2000-03-08 2000-03-08 Plasma based process for photonic integration
SG200004787-8 2000-09-11
SG2000047878 2000-09-11
SG200004786-0 2000-09-11
SG2000047860 2000-09-11
PCT/GB2001/000898 WO2001067568A1 (en) 2000-03-08 2001-03-02 Quantum well intermixing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20020086626A true KR20020086626A (ko) 2002-11-18

Family

ID=27484839

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020027011820A KR20020089386A (ko) 2000-03-08 2001-03-02 양자 우물 혼정
KR1020027011816A KR20020086626A (ko) 2000-03-08 2001-03-02 양자 우물 혼정

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020027011820A KR20020089386A (ko) 2000-03-08 2001-03-02 양자 우물 혼정

Country Status (12)

Country Link
EP (2) EP1262002B1 (ko)
JP (2) JP2003526918A (ko)
KR (2) KR20020089386A (ko)
CN (2) CN1416589A (ko)
AU (2) AU774678B2 (ko)
BR (1) BR0109073A (ko)
CA (2) CA2398301A1 (ko)
DE (1) DE60106575D1 (ko)
HK (2) HK1048390A1 (ko)
IL (2) IL150835A0 (ko)
MX (2) MXPA02008451A (ko)
WO (2) WO2001067497A1 (ko)

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AUPR043900A0 (en) * 2000-09-28 2000-10-26 Australian National University, The Method of disordering quantum well heterostructures by high energy ion irradiation
GB2379795B (en) * 2001-09-13 2004-02-18 Univ Glasgow Method of manufacturing optical devices and related improvements
US6594295B1 (en) * 2001-11-16 2003-07-15 Fox-Tek, Inc. Semiconductor laser with disordered and non-disordered quantum well regions
EP1403986A1 (en) * 2002-09-25 2004-03-31 Agilent Technologies, Inc. - a Delaware corporation - Semiconductor laser device
GB0317856D0 (en) * 2003-07-30 2003-09-03 Denselight Semiconductors Pte Quantum well intermixing for improved isolation in photonic devices
GB2409572B (en) * 2003-12-24 2006-02-15 Intense Photonics Ltd Generating multiple bandgaps using multiple epitaxial layers
US7485892B2 (en) 2005-12-29 2009-02-03 Carl Zeiss Meditec Inc. Optical broadband emitters and methods of making the same
KR100884353B1 (ko) 2007-09-18 2009-02-18 한국전자통신연구원 고휘도 다이오드 및 그 제조 방법
US7723139B2 (en) * 2007-10-01 2010-05-25 Corning Incorporated Quantum well intermixing
CN103259185B (zh) * 2008-01-18 2016-05-04 加利福尼亚大学董事会 硅激光器-量子阱混合晶片结合的集成平台
CN101271865B (zh) * 2008-04-29 2010-06-02 无锡中微晶园电子有限公司 Lcd高压驱动电路的伪外延高压结构的制造方法
CN101697341B (zh) * 2009-10-29 2011-11-30 浙江大学 一种量子阱混合方法
CN101774540B (zh) * 2010-02-09 2013-04-03 浙江大学 一种量子阱混杂方法
CN102487104B (zh) * 2010-12-06 2014-01-08 中国科学院微电子研究所 一种硅基光电异质集成中的多量子阱混杂能带方法
JP2013102068A (ja) * 2011-11-09 2013-05-23 Stanley Electric Co Ltd 窒化物半導体発光素子及びその製造方法
CN102683519B (zh) * 2012-05-31 2015-04-01 武汉光迅科技股份有限公司 一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法
CN103762158B (zh) * 2014-01-23 2016-04-27 中国科学院半导体研究所 利用激光微区等离子体诱导量子阱混和的方法
CN104793288A (zh) * 2015-04-30 2015-07-22 上海美维科技有限公司 一种含有光波导耦合器件的印制线路板的制造方法
US20230296853A9 (en) 2015-10-08 2023-09-21 Teramount Ltd. Optical Coupling
US9804334B2 (en) 2015-10-08 2017-10-31 Teramount Ltd. Fiber to chip optical coupler
US11585991B2 (en) 2019-02-28 2023-02-21 Teramount Ltd. Fiberless co-packaged optics
US10564374B2 (en) 2015-10-08 2020-02-18 Teramount Ltd. Electro-optical interconnect platform
CN108375601A (zh) * 2018-01-03 2018-08-07 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种氧化硅薄膜中氧空位浓度的测量方法
GB2579622B (en) * 2018-12-06 2021-04-28 Exalos Ag Superluminescent diodes and diode modules
CN113204074A (zh) * 2021-04-21 2021-08-03 上海大学 一种基于紫外灰度光刻法制备的非等高光波导定向模式耦合器

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4654090A (en) * 1985-09-13 1987-03-31 Xerox Corporation Selective disordering of well structures by laser annealing
KR0161389B1 (ko) * 1995-02-16 1999-01-15 윤종용 마스크 및 이를 사용한 패턴형성방법
GB9503981D0 (en) * 1995-02-28 1995-04-19 Ca Nat Research Council Bandag tuning of semiconductor well structures

Also Published As

Publication number Publication date
CN1416607A (zh) 2003-05-07
CN1416589A (zh) 2003-05-07
AU774678B2 (en) 2004-07-01
EP1261986A1 (en) 2002-12-04
CA2398301A1 (en) 2001-09-13
JP2004500715A (ja) 2004-01-08
AU775026B2 (en) 2004-07-15
MXPA02008450A (es) 2005-02-03
MXPA02008451A (es) 2004-05-14
BR0109073A (pt) 2002-11-26
IL150835A0 (en) 2003-02-12
EP1262002B1 (en) 2004-10-20
IL150834A0 (en) 2003-02-12
AU3583601A (en) 2001-09-17
KR20020089386A (ko) 2002-11-29
JP2003526918A (ja) 2003-09-09
HK1048390A1 (zh) 2003-03-28
WO2001067497A1 (en) 2001-09-13
CA2398359A1 (en) 2001-09-13
HK1048393A1 (zh) 2003-03-28
DE60106575D1 (de) 2004-11-25
EP1262002A1 (en) 2002-12-04
AU3583001A (en) 2001-09-17
WO2001067568A1 (en) 2001-09-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20020004253A1 (en) Quantum well intermixing
EP1262002B1 (en) Quantum well intermixing
US6878562B2 (en) Method for shifting the bandgap energy of a quantum well layer
US6027989A (en) Bandgap tuning of semiconductor well structure
US6984538B2 (en) Method for quantum well intermixing using pre-annealing enhanced defects diffusion
US7035305B2 (en) Monolithically integrated high power laser optical device
Marsh et al. Quantum well intermixing in material systems for 1.5 μm
US6719884B2 (en) Method of manufacturing optical devices and related improvements
RU2240632C2 (ru) Способ изготовления фотонной интегральной схемы
Fallahi et al. Circular-grating surface-emitting distributed Bragg reflector lasers on an InGaAs-GaAs structure for 0.48-/spl mu/m applications
Joyner et al. A multifrequency waveguide grating laser by selective area epitaxy
RU2291519C2 (ru) Способ изготовления оптических приборов
US20070160099A1 (en) Multiple anneal induced disordering
Djie et al. Single step quantum well intermixing with multiple band gap control for III-V compound semiconductors
Ong et al. Fabrication of multiple-wavelength lasers in InGaAs-InGaAsP structures using direct laser writing
GB2385712A (en) Optoelectronic devices
Mei et al. Low-loss waveguide fabrication using inductively coupled argon plasma enhanced quantum well intermixing in InP quantum well sample
WO2001067569A1 (en) Plasma based process for photonic integration
Marsh et al. Monolithic integration in III-V semiconductors via a universal damage enhanced quantum well intermixing technique
ZA200205931B (en) Quantum well intermixing.
JPH05346600A (ja) 光半導体装置とその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid