KR20100080829A - 양자 웰 혼합 - Google Patents
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Abstract
양자 웰 혼합(QWI) 방법의 실시예는 각각 장벽층을 포함하는 상부 및 하부 에피택셜층(10, 13)으로 이루어진 웨이퍼, 및 상기 상부 및 하부 에피택셜층(10, 13) 사이에 배치된 적어도 하나의 양자 웰층(11)을 제공하는 단계; 상기 상부 에피택셜층 상에 적어도 하나의 희생층(21)을 적층하는 단계; 및 상기 희생층의 일부 상에 QWI 강화층(31)을 적층하여 QWI 강화영역 및 QWI 억제영역을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 QWI 강화층(31) 아래 부분이 상기 QWI 강화영역이고, 또 다른 부분이 상기 QWI 억제영역이다. 상기 방법은 상기 QWI 강화영역 및 QWI 억제영역 상에 QWI 억제층(41)을 적층하는 단계; 및 상기 상부 에피택셜층 및 하부 에피택셜층(10, 13)의 양자 웰층(11)과 장벽층간 원자의 상호확산을 야기하기에 충분한 온도로 어닐링하는 단계를 더 포함한다.
Description
본 출원은 "양자 웰 혼합"으로 명칭된 2007년 10월 1일자 출원된 미국특허출원 제11/906,247호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명의 실시예는 일반적으로 반도체 재료에 있어서의 양자 웰 혼합(QWI)에 관한 것으로, 특히 반도체 재료의 양호한 표면 형태 및 재료 품질을 유지하면서 충분한 밴드갭 시프트(band gap shift)를 달성할 수 있는 QWI 방법에 관한 것이다.
본 발명자들은 양자 웰 혼합(QWI)이 모노리식 광전자 집적을 달성하기에 적절한 프로세스라는 것을 인식했다. 양자 웰 혼합은 상승된 온도에서 양자 웰과 장벽간 원자종(atomic species)의 상호-확산을 통해 반도체 재료 밴드갭을 선택적으로 변경하기 위한 후-성장 프로세스이다. 양자 웰의 요소들과 그 관련된 장벽들의 상호-확산은 성장된 양자 웰의 것보다 큰 밴드갭을 갖는 "혼합된" 영역을 형성한다. QWI 기술은 웰/장벽 인터페이스를 가로지르는 원자종의 농도의 갑작스런 변경으로 인해 본질적으로 불안정한 시스템이다. 따라서, QWI가 일어나지 않거나 약간 일어나는 양자 웰("비혼합" 영역) 내에서 발생된 소정의 광방사선(광)은 이 광방사선이 효과적으로 통과하는 투명한 합금의 "혼합된" 영역 또는 QWI 영역을 통과할 수 있다.
또한, 본 발명자들은 양자 웰의 광학 및 전기적 특성이 발광소자, 검출기, 변조기, 필터, 증폭기, 도파관, 스위치 등과 같은 반도체 광전자 소자에서 중요한 역할을 한다는 것을 인식했다. 모노리식의 광학 또는 광전자 집적회로에 이들 구성요소들을 조합할 경우, 광로에 걸친 밴드갭 파장 변이가 중요하다. 더욱이, 각기 다른 영역에서 각기 다른 밴드갭 파장을 갖는 레이저 다이오드와 같은 개별소자에서 조차 레이저 성능 또는 신뢰성을 향상시킨다.
본 발명자들은 향상된 반도체 웨이퍼 구성요소들, 특히 레이저 애플리케이션을 위한 구성요소들을 개발하기 위해 양자 웰 혼합의 향상된 방법의 필요성을 인식했다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 반도체 재료의 양호한 표면 형태 및 재료 품질을 유지하면서 충분한 밴드갭 시프트를 달성할 수 있는 QWI 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
일 실시예에 따르면, 양자 웰 혼합(QWI) 방법이 제공된다. 이 방법은 상부 및 하부 에피택셜층으로 이루어진 웨이퍼, 및 상기 상부 및 하부 에피택셜층 사이에 배치된 양자 웰층을 제공하는 단계; 상기 상부 에피택셜층 상에 적어도 하나의 희생층을 적층하는 단계; 및 상기 희생층의 일부 상에 QWI 강화층을 적층하여 QWI 강화영역 및 QWI 억제영역을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 QWI 강화층 아래 부분이 상기 QWI 강화영역이고, 또 다른 부분이 상기 QWI 억제영역이다. 상기 방법은 상기 QWI 강화영역 및 QWI 억제영역 상에 QWI 억제층을 적층하는 단계; 및 상기 상부 에피택셜층 및 하부 에피택셜층의 일부인 양자 웰층과 장벽층간 원자의 상호확산을 야기하기에 충분한 온도로 어닐링(annealing)하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예는 웨이퍼의 일부 상에 WN으로 이루어진 QWI 강화층을 적층하여 QWI 강화영역 및 QWI 억제영역을 형성하는 단계를 포함한다. WN 필름은 웨이퍼 상에 적층되거나 웨이퍼 상에 적층된 하나 또는 다수의 희생층 상에 적층된다.
또 다른 실시예는 QWI 강화영역 및 QWI 억제영역 상에 산화 실리콘층 및 질화 실리콘층을 포함하는 QWI 억제층을 적층하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 의해 제공된 상기 및 추가의 특징들은 도면과 연관되어 이하의 상세한 설명을 통해 좀더 충분히 이해될 것이다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 의하면, 반도체 재료의 양호한 표면 형태 및 재료 품질을 유지하면서 충분한 밴드갭 시프트를 달성할 수 있는 QWI 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들의 이하 상세한 설명은 여기에 제공된 도면들과 연관되어 기술될 때 보다 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 양자 웰 옆의 장벽층을 포함하는 상부 에피택셜층과 하부 에피택셜층 사이에 배치된 양자 웰을 포함하는 반도체 레이저 구조의 횡단면을 나타낸 개략 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 도 1의 구조 상에 희생층의 적층을 기술하는 개략 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 도 2의 구조 상에 희생층의 적층을 기술하는 개략 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 도 3의 구조 표면의 이온 밀링(ion milling) 뿐만 아니라 도 3의 구조 상에 QWI 강화층의 적층을 기술하는 개략 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 도 4의 구조 상에 QWI 억제층의 적층을 기술하는 개략 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 신속한 열 어닐링 후의 혼합된 양자 웰을 기술하는 개략 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 에칭 단계가 행해진 후 도 6의 반도체 구조를 기술하는 개략 횡단면도이다.
도 8a는 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 QWI 강화영역의 양자 웰 밴드갭을 비교하는 개략도이다.
도 8b는 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 QWI 억제영역의 양자 웰 밴드갭을 비교하는 개략도이다.
도면에 도시된 실시예들은 특성을 기술하며 청구항에 의해 정의된 본 발명을 한정할 의도로 도시된 것은 아니다. 더욱이, 도면 및 본 발명의 각 개별 특징들은 상세한 설명을 통해 보다 충분히 명확해지고 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 양자 웰 옆의 장벽층을 포함하는 상부 에피택셜층과 하부 에피택셜층 사이에 배치된 양자 웰을 포함하는 반도체 레이저 구조의 횡단면을 나타낸 개략 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 도 1의 구조 상에 희생층의 적층을 기술하는 개략 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 도 2의 구조 상에 희생층의 적층을 기술하는 개략 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 도 3의 구조 표면의 이온 밀링(ion milling) 뿐만 아니라 도 3의 구조 상에 QWI 강화층의 적층을 기술하는 개략 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 도 4의 구조 상에 QWI 억제층의 적층을 기술하는 개략 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 신속한 열 어닐링 후의 혼합된 양자 웰을 기술하는 개략 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 에칭 단계가 행해진 후 도 6의 반도체 구조를 기술하는 개략 횡단면도이다.
도 8a는 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 QWI 강화영역의 양자 웰 밴드갭을 비교하는 개략도이다.
도 8b는 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에 따른 QWI 억제영역의 양자 웰 밴드갭을 비교하는 개략도이다.
도면에 도시된 실시예들은 특성을 기술하며 청구항에 의해 정의된 본 발명을 한정할 의도로 도시된 것은 아니다. 더욱이, 도면 및 본 발명의 각 개별 특징들은 상세한 설명을 통해 보다 충분히 명확해지고 이해될 것이다.
본 발명의 실시예는 일반적으로 반도체 광학 및 광전자 소자에 관한 것으로, 반도체 레이저만으로 한정하지는 않는다. 특히 본 발명은 처리하는 동안 어떠한 불순물도 도입하지 않는 비불순물 양자 웰 혼합(QWI)에 관한 것이다. 하나의 애플리케이션에 있어서, 이러한 기술은 단파장 1060 nm의 분산 브래그 반사기(DBR; Ditributed Bragg Reflector)의 제조에 사용된다. QWI는 이득, 위상과 같은 각기 다른 함수를 갖는 각기 다른 섹션과, DBR 섹션 및 DBR 레이저 다이오드의 투명 윈도우면을 형성하기 위해 III-V 반도체 웨이퍼의 선택된 영역에서의 밴드갭을 효과적으로 변경하기 위한 방법을 제공한다.
일반적으로 도 1 내지 도 7에 따르면, 양자 웰 혼합(QWI) 방법, 특히 비불순물 양자 웰 혼합 방법이 제공된다. 도 1에 따르면, 웨이퍼(1)가 제공된다. 웨이퍼(1)는 다수의 적절한 구조를 포함한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼(1)는 상부 에피택셜층(13)과 하부 에피택셜층(10) 사이에 샌드위치된 스트레인 양자-웰층(11; strained quantum-well layer)을 갖는 그레이디드-인덱스-분리-제한 헤테로 구조(GRINSCH; graded-index-separate-confinement heterostructure)이다. 여기에 사용된 바와 같이, 각각의 에피택셜층은 예컨대 다수의 서브층 또는 구성요소들을 포함하며, 그레이디드 구성을 갖는 도파관층, 클래딩층, 및 장벽층으로 한정하지 않는다. GRINSCH 구조의 일 실시예에 있어서, 도파관 구성의 밴드갭은 연속으로 장벽에 가까운 작은 밴드갭에서 클래드층에 가까운 높은 밴드갭으로 변경된다. 상부 에피택셜층(13)과 하부 에피택셜층(10)은 여러 구성(성분), 예컨대 AlxGa1-xAs로 이루어진다. 상기 에피택셜층들은 다양한 두께로 이루어진다. 예컨대, 상부 에피택셜층(13)은 약 1600 nm의 두께로 이루어지고, 하부 에피택셜층은 약 5110 nm의 두께로 이루어진다. 유사하게, 양자 웰층(11)은 양자 웰 혼합에 적절한 여러 웰 크기 및 여러 구성으로 이루어진다. 일 실시예에 있어서, 양자 웰층(11)은 InGaAs로 이루어진다. 구성이 QWI에 적절한지에 대한 결정은 양자 웰과 장벽간 농도구배(concentration gradient)와 같은 다수의 요인에 좌우된다. 예컨대, 980 nm 양자 웰을 갖는 AlGaAs 장벽/InGaAs 웰에 있어서, 인듐 농도는 5 Å(angstroms) 이하의 거리동안 18%에서 0으로 변경된다. 일반적으로 도 8a 및 8b에 따르면, 이러한 갑작스런 농도구배는 상승 온도에서 원자 종의 확산을 야기하여, 양자 웰층(11) 합금 및 에피택셜층(10, 13) 합금의 상호확산을 야기한다. 이는 도 8a에 나타낸 바와 같이 웰 및 밴드갭의 형태 변경을 초래한다. 이러한 원자 확산비율은 양자 웰 인터페이스 부근의 불순물, 결함, 또는 빈 자리(vacancy)의 존재에 의해 크게 강화될 수 있다. 공간적으로 변경되는 빈 자리는 확산을 선택적으로 강화하고 밴드갭을 선택적으로 변경하는 형태를 제공한다. 설명을 간단히 하기 위해 본 발명은 하나의 양자 웰을 갖는 반도체 레이저 시스템에 대한 양자 웰 상호확산을 기술하고 있지만, 다수의 양자 웰로 이루어지는 반도체 레이저 시스템에서 상호확산이 발생하는 것을 고려하고 있다.
도 2의 실시예에 따르면, 희생층(21)은 웨이퍼(1)의 상부 에피택셜층(13) 상에 성장된다. 여기에 사용된 바와 같은 용어 "상에"는 어느 한 층 위에는 적층하나, 반드시 곧바로 또 다른 층 위에 적층하지는 않는다는 것을 의미한다. 본 발명에 있어서, 여기에는 개재층의 추가가 고려된다. 더욱이, 용어 "상에"는 그 층이 전체 표면을 커버할 필요는 없고, 소정의 일부만을 부분적으로 커버할 수도 있다. 희생층(21)은 약 20 nm의 두께를 갖는 GaAs로 이루어진다. 바람직하게는, 다른 구성들의 두께는 레이저 애플리케이션, 또는 웨이퍼(1)의 구성에 좌우될 것이다. 희생층(21)은 여러 기술, 예컨대 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)을 통해 성장 또는 증착된다. 웨이퍼 상에 희생층(21)을 성장하자 마자, 웨이퍼(1) 및 그 상의 희생층(21)은 유기금속 화학기상증착(MOCVD) 시스템으로부터 언로딩된 후 충분한 기간(예컨대, 몇시간) 동안 대기에 방치된다.
희생층(21)은 다음의 QWI 프로세스 동안 상부 에피택셜층의 표면 상에 결함 형성을 방지하도록 구성된다. 기존의 프로세스에 있어서, QWI 및 다른 관련된 프로세싱 단계는 웨이퍼(1) 상에, 예컨대 웨이퍼(1)의 상부 에피택셜층(13) 상에 빈약한 표면 형태를 야기한다. 예컨대, 손상은 QWI 강화층(31; 도 4에 나타낸 바와 같은)의 증착(스퍼터링 또는 PECVD) 동안 또는 QWI 억제층(41; 도 5에 나타낸 바와 같은)의 증착 동안 야기된다. 더욱이, 고온 어닐링 동안 반도체와 유전체 필름간 반응 또는 상호확산은 빈약한 표면 형태에 영향을 미칠 것이다. 빈약한 표면 형태는 크리스탈 품질을 저하시키고 레이저 프로세싱 및 동작에 부정적으로 나쁜 영향을 준다. 이러한 빈약한 형태를 없애기 위해, QWI 단계 후 에칭에 의해 통상 제거되는 희생층(21)이 이들 프로세스에 의해 야기된 손상을 흡수하여 웨이퍼(1)에 대한 손상을 보호한다.
도 3에 따르면, 희생 재성장층(22)은 희생층(21) 상에 적층된다. 희생층(21)과 마찬가지로, 희생 재성장층(22) 또한 유기금속 화학기상증착법(MOCVD), 또는 다른 적절한 증착기술을 통해 적층된다. 몇몇 실시예에 있어서, 희생 재성장층(22)은 희생층(21)과 동일한 구성, 예컨대 GaAs로 이루어진다. 그러나, 또 다른 구성이 여기에 고려된다. 유사하게, 희생 재성장층(22)은 원하는 바와 같이 변경되는 두께를 포함한다. 도 3의 실시예에 있어서, 희생 재성장층(22)은 약 130 nm의 두께를 갖는 GaAs 구성으로 이루어진다.
희생 재성장층(22)은, 상기 희생층(21)과 희생 재성장층(22)간 재성장 인터페이스가 QW 강화층 아래에 위치한 빈 자리 확산을 강화하기 때문에, 추가의 강화층으로 작용할 수 있다. 원자 상호작용에 대한 결함과 빈 자리의 중요성 및 강화층과 관련한 좀더 상세한 설명이 이하 제공된다. 다른 실시예에 있어서, 바람직하게는 QWI 동안 다른 빈 자리 확산을 용이하게 하기 위해 다수의 희생 재성장층을 사용한다.
도 4의 실시예에 따르면, QWI 강화층(31)은 희생 재성장층(22)의 일부 상에 적층된다. 희생 재성장층(22), 및/또는 희생층(21)의 애플리케이션을 포함하지 않는 실시예에 있어서, 또한 QWI 강화층(31)이 웨이퍼(1)의 상부 에피택셜층(13) 또는 희생층(21) 상에 적층된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, QWI 강화층(31) 아래에 위치된 웨이퍼(1)의 일부 및 그 상의 층들은 QWI 강화영역이다. 나머지 부분, 또는 나머지 부분의 적어도 일부는 QWI 억제영역이다. QWI 강화층(31)은 여러 적절한 기술들, 예컨대 무선 주파수 바이어스 스퍼터링(radio frequency biased sputtering), 마그네트론 스퍼터링, 액티브 바이어스 스퍼터링, 또는 그 조합을 통해 적층된다. QWI 강화층(31)은 고온 어닐링 동안 원자 상호작용을 용이하게 하는 빈 자리 또는 결함을 형성하기에 적절한 소정의 구성으로 이루어진다. 일 실시예에 있어서, QWI 강화층(31)은 질화 텅스텐(WN)으로 이루어진다. 질화 텅스텐이 단단하고, 밀도가 높고, 화학적으로 비활성이며, 높은 용융점을 갖는 열적으로 안정한 성분이기 때문에, 효율이 높은 QWI 강화층(31) 재료이다. 고체의 높은 밀도를 갖는 WN 필름은, 그 화학적 비활성이 WN 필름과 이 WN 필름에 인접한 필름간 반응을 최소화하는 한편 반도체 표면을 분해로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 더욱이, WN 필름의 높은 열적 안정성은 QWI와 관련된 고온 어닐링 단계에 효과적이다.
WN 필름의 미세구조 또한 고온에서 특히 유효하다. QWI 동안, 혼합 프로세스에서의 블루 시프트(blue shift; 즉, QWI 동안 밴드갭의 변경)는 원자(예컨대, Ga) 빈 자리 확산에 크게 좌우된다. 높은 어닐링 온도(예컨대, 700℃ 이상)에서, WN 필름의 미세구조는 전 필름 두께에 걸쳐 수직으로 확장하는 미세 입자를 갖는 웰-형성 원주구조로 변경된다. 이러한 원주구조는 하부의 에피택셜층의 Ga 빈 자리를 크게 증가시키고, 이에 따라 강화영역에서의 양자 웰 밴드갭 파장의 블루 시프트를 증진시킨다.
스퍼터 적층 후, QWI 강화층(31)은 다른 예시의 실시예에서 추가의 처리 단계를 거친다. 예컨대, QWI 강화층(31)은 포토리소그래피를 이용하여 패터닝된다. 다른 예에 있어서, QWI 강화층(31)의 일부가 습식 또는 건식 에칭을 이용하여 에칭된다. 이 에칭은 강화영역과 억제영역간 경계를 형성하는데 도움을 준다.
상술한 바와 같이, 희생 재성장층(22)은 추가의 강화층으로 작용함으로써 QWI 강화층(31)을 어시스트한다. QWI 강화층의 스퍼터 적층은 고온 어닐링 동안 원자의 큰 상호확산을 용이하게 하는 희생 재성장층(22)에서의 원자 빈 자리 또는 결함을 형성한다. 이웃하는 강화층들간 다수의 재성장 인터페이스를 가짐으로써, 밴드갭 시프트는 양자 웰(11)의 강화영역에서 크게 증가할 것이다.
도 5에 따르면, 본 발명의 방법은 또한 QWI 강화영역 및 QWI 억제영역 상에 QWI 억제층(41)을 적층하는 단계를 포함한다. 도 5의 실시예에 나타낸 바와 같이, QWI 억제층(41)은 QWI 강화층(31) 및 희생 재성장층(22)과 접촉한다. 다른 실시예에 있어서, 특히 한쪽 또는 양쪽 희생층(21, 22)을 포함하지 않는 실시예에 있어서, QWI 억제층(41)은 희생층(21) 또는 상부 에피택셜층(13)과 접촉한다. QWI 억제층(41)은 여러 적절한 구성, 예컨대 실리콘 기반의 구성으로 이루어진다. 도 5의 실시예에 나타낸 바와 같이, QWI 억제층(41)은 질화 실리콘층 및 산화 실리콘층을 포함한다. QWI 억제층(41)이 각각의 질화 실리콘(SixNy)층 및 산화 실리콘(SiO2)층을 포함하거나, 또는 내부로 분산된 양 구성을 갖는 단일의 하이브리드층을 포함하는 것이 고려된다. QWI 억제층(41)은 여러 증착기술, 예컨대 플라즈마 강화 화학기상증착법(PECVD)을 통해 적층된다. 일 실시예에 있어서, QWI 강화층은 100 nm 두께를 갖는 SixNy 필름 및 200 nm의 두께를 갖는 SiO2 필름으로 이루어진다.
동작에 있어서, 질화 실리콘층은 억제 캡으로 작용하고, 반면 그 위에 제공된 산화 실리콘층은 고온 어닐링에 의해 야기된 스트레이스를 상쇄시켜 QWI 억제층(41)의 무결상태를 유지시킨다. 또한, 질화 실리콘층은, 반도체 표면 상에 결함 또는 초과의 물질을 제거하는데 용이하기 때문에 추가의 이점을 제공한다. 더욱이, 질화 실리콘층은 고성능 구조에 적절한 고온 어닐링 동안 웨이퍼(1)의 하부의 결정체 질을 보호한다.
또 다른 실시예에 있어서, 전처리 단계는 QWI 억제층(41)의 애플리케이션 전에 사용될 것이다. 예컨대, 억제영역의 표면, 즉 희생 재성장층(22)은 QWI 억제층(41)의 애플리케이션 전에 이온 밀링을 거친다. 이온 밀링은 QWI 강화층(31)의 애플리케이션에 의해 야기된 스퍼터-도입 표면 결함을 제거한다. 스퍼터 도입 표면 결함은 강화영역에서의 밴드갭 시프트의 추진력이다. 그러나, 억제영역은 이들 밴드갭 시프트를 최소화하려 한다. 따라서, 이는 억제영역에서의 이들 표면 결함을 제거하기 위해 이온 밀링과 같은 처리 프로세스를 반드시 이용해야 한다. 도 4에 따르면, 이온 밀링 프로세스는 이온 밀링된 표면(32)을 생성하기 위해 에너지화된 이온, 예컨대 아르곤 이온을 이용하여 표면층의 수백 Å을 제거한다. 실리콘 기반의 QWI 억제층(41)과 관련된 이온 밀링 과정을 이용하는 것은 QWI 이후 양자 웰의 강화영역과 억제영역간 밴드갭 차를 최소화하도록 억제영역의 원치 않는 밴드갭 파장 시프트를 감소시킨다.
도 6의 실시예에 따르면, 다음에 상부 에피택셜층 및 하부 에피택셜층의 일부인 양자 웰층(11)과 그 가까이의 장벽간 원자의 상호확산을 야기하기에 충분한 온도로 코팅된 웨이퍼(1)를 어닐링함으로써 양자 웰 혼합 단계가 수행된다. 도 7에 따르면, 이러한 상호확산은 강화영역에 혼합 웰(12)을 형성한다. 여러 처리시간, 및 온도가 여기에 고려된다. 일 실시예에 있어서, 코팅된 웨이퍼가 매번 35초 동안 850℃에서 4번 가열된다.
QWI 어닐링 단계 후, 그 방법은 웨이퍼(1)의 희생층 및 이 희생층 상의 모든 층들을 에칭하는 단계를 포함한다. 그 에칭은 소정의 적절한 기술, 예컨대 습식 에칭 또는 건식 에칭을 포함한다. 또한, 격자 제조와 같은 다른 프로세스가 여기에 고려된다.
양자 웰 혼합은 웰과 장벽간 크리스탈 성분 종의 확산을 야기한다. 이러한 확산 프로세스는 이하의 픽의 법칙(Fick's Law)에 의해 좌우된다.
여기서 J는 확산방향 X에 따른 확산 흐름이고, N은 종의 부피농도이다. D는 확산계수로 정의되고, 이하의 아르헤니우스(Arrhenius) 공식으로 표현될 수 있다.
도 7에 따르면, 상승 온도에서, 강화영역에서의 확산계수(D)는 바이어스 스퍼터링에 의해 형성된 GaAs 표면 상부에서의 Ga 빈 자리의 고농도, 및 빈 자리 상호확산을 증진시키기 위해 Ga의 싱크(sink)로 기능하는 WN 필름의 유일한 원주형 미세구조로 인해 상당히 강화된다. 이러한 빈 자리 확산이 장벽과 웰간 원자 상호확산을 상당히 강화시키며, 따라서 도 8a에 나타낸 바와 같이, 양자 웰의 강화영역의 형태 변경을 야기한다. 결함 또는 빈 자리가 부족한 억제영역에 있어서, 그 확산계수는 강화영역의 확산계수보다 많이 낮다. 결과적으로, 억제영역에서의 양자 웰 형태는 도 8b에 나타낸 바와 같이 어닐링 전/후에 거의 변경되지 않는 것으로 드러났다. 도 8a 및 도 8b에 따르면, 강화영역에서의 양자 웰의 밴드갭은 어닐링 후 Eg0에서 Ega로 증가되지만, 억제영역에서의 밴드갭은 어닐링 후에 거의 변경되지 않는다.
100 nm까지의 밴드갭 시프트가 여기에 고려된다. 일 예시의 실시에 있어서, 도 7과 같은 구조가 강화영역과 억제영역간 밴드갭 시프트의 값을 구하기 위해 포토루미네슨스(PL; Photoluminescence)를 이용하여 분석된다. 실험에서, 양자 웰의 억제영역은 어닐링 후 1045 nm의 밴드갭 파장을 가졌다. 반대로, 양자 웰의 강화영역은 어닐링 후 983 nm의 밴드갭 파장을 가졌다. 따라서, 약 62 nm의 밴드갭 시프트 차이를 나타낸다. 또한, 그 구조는 480 mW의 기록적인 높은 단일모드 출력을 생성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 QWI 방법에 의해 생성된 구조는 DBR 레이저의 제조에 사용된다. 양자 웰(11)의 혼합 섹션(12)은 DBR 및 위상 섹션과 DBR 레이저 다이오드의 투명 윈도우면으로 처리된다. 밴드갭 시프트가 없거나 약간 있는 억제영역은 DBR 레이저 다이오드의 이득 섹션이 된다. DBR 제조의 일 실시예에 있어서, DBR/위상/이득/윈도우 섹션을 다시 정의하기 위해 웨이퍼를 패턴화하는데 포토리소그래피가 사용된다. 다음에, 그 웨이퍼는 접촉층 재성장 및 상부 에피택셜층을 위해 MOCVD 반응기 내로 로딩된다. 재성장 후, 다음에 웨이퍼는 DBR 레이저를 형성하기 위해 표준 DBR 레이저 프로세스를 거친다. 다른 디자인에 있어서, 또한 에칭 정지층 및 격자층과 같은 다른 층들이 레이저 애플리케이션에 따라 사용된다.
본 발명의 상세한 설명 및 그 특정 실시예의 참조에 의해 기술한 것은 수반된 청구항들에서 정의한 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 변형 및 변경될 수 있는 것은 자명할 것이다. 특히, 본 발명의 몇몇 형태가 바람직한 또는 특정의 장점들로서 여기에 기술되었을 지라도, 본 발명은 이들의 바람직한 형태들로 한정하는 것은 아니다.
10 : 하부 에피택셜층, 11 : 양자 웰층,
13 : 상부 에피택셜층, 21 : 희생층,
22 : 희생 재성장층, 31 : QWI 강화층,
41 : QWI 억제층.
13 : 상부 에피택셜층, 21 : 희생층,
22 : 희생 재성장층, 31 : QWI 강화층,
41 : QWI 억제층.
Claims (26)
- 양자 웰 혼합(QWI) 방법에 있어서,
각각 장벽층을 포함하는 상부 및 하부 에피택셜층으로 이루어진 웨이퍼, 및 상기 상부 및 하부 에피택셜층 사이에 배치된 적어도 하나의 양자 웰층을 제공하는 단계;
상기 상부 에피택셜층 상에 적어도 하나의 희생층을 적층하는 단계;
상기 희생층의 일부 상에 QWI 강화층을 적층하여 QWI 강화영역 및 QWI 억제영역을 형성하는 단계;
상기 QWI 강화영역 및 QWI 억제영역 상에 QWI 억제층을 적층하는 단계; 및
상기 상부 에피택셜층 및 하부 에피택셜층의 적어도 하나의 양자 웰층과 장벽층간 원자의 상호확산을 야기하기에 충분한 온도로 어닐링하는 단계를 포함하며,
상기 QWI 강화층 아래 부분이 상기 QWI 강화영역이고, 또 다른 부분이 상기 QWI 억제영역인 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 웨이퍼는 그레이디드-인덱스-분리-제한 헤테로 구조인 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 양자 웰층은 InGaAs로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 상부 및 하부 에피택셜층은 AlxGa1-xAs로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 상부 및 하부 에피택셜층은 장벽층, 도파관, 및 클래드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 희생층은 상기 상부 에피택셜층의 표면 상에 결함 형성을 방지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 희생층 상에 하나 또는 다수의 희생 재성장층을 적층하는 단계를 더 포함하며, 상기 희생 재성장층은 추가의 강화층으로 작용하는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 7에 있어서,
QWI 강화층의 스퍼터 적층은 희생 재성장층에 원자 빈 자리를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 희생 재성장층의 애플리케이션 전에 희생층을 대기에 방치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 희생층 및 희생 재성장층은 GaAs로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 희생층 및 희생 재성장층은 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)을 통해 적층되는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 희생층은 20 nm의 두께로 이루어지고, 상기 희생 재성장층은 130 nm의 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 어닐링 단계 후 상기 희생층 및 상기 희생층 상의 모든 층들을 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 QWI 억제층의 애플리케이션 전에 억제영역의 표면을 이온 밀링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 QWI 강화층은 WN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 QWI 강화층은 무선 주파수 바이어스 스퍼터링, 마그네트론 스퍼터링, 액티브 바이어스 스퍼터링, 또는 그 조합을 통해 적층되는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
포토리소그래피를 이용하여 상기 QWI 강화층을 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 QWI 강화층의 일부를 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 QWI 억제층은 질화 실리콘층 및 산화 실리콘층을 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 QWI 억제층은 플라즈마 강화 화학기상증착법(PECVD)을 통해 적층되는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1에 있어서,
원자의 상호확산은 상기 QWI 강화영역에서 100 nm까지의 밴드갭 시프트를 생성하고, 상기 QWI 억제영역에서 밴드갭 시프트를 생성하지 않는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 1의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 DBR 레이저.
- 청구항 22에 있어서,
QWI 강화영역에서의 양자 웰의 부분은 DBR 섹션, 위상 섹션, 투명 윈도우면 또는 그 조합으로 기능하고, QWI 억제영역에서의 양자 웰의 부분은 이득 섹션으로 기능하는 것을 특징으로 하는 DBR 레이저. - 양자 웰 혼합(QWI) 방법에 있어서,
각각 장벽층, 도파관층 및 클래드층을 포함하는 상부 및 하부 에피택셜층으로 이루어진 웨이퍼, 및 상기 상부 및 하부 에피택셜층 사이에 배치된 양자 웰층을 제공하는 단계;
상기 웨이퍼의 일부 상에 WN으로 이루어진 QWI 강화층을 적층하여 QWI 강화영역 및 QWI 억제영역을 형성하는 단계;
상기 QWI 강화영역 및 QWI 억제영역 상에 QWI 억제층을 적층하는 단계; 및
상기 상부 에피택셜층 및 하부 에피택셜층의 적어도 하나의 양자 웰층과 장벽층간 원자의 상호확산을 야기하기에 충분한 온도로 어닐링하는 단계를 포함하며,
상기 웨이퍼의 부분이 상기 QWI 강화영역이고, 또 다른 부분이 상기 QWI 억제영역인 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 QWI 강화층은 무선 주파수 바이어스 스퍼터링, 마그네트론 스퍼터링, 액티브 바이어스 스퍼터링, 또는 그 조합을 통해 적층되는 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법. - 양자 웰 혼합(QWI) 방법에 있어서,
각각 장벽층, 도파관층 및 클래드층을 포함하는 상부 및 하부 에피택셜층으로 이루어진 웨이퍼, 및 상기 상부 및 하부 에피택셜층 사이에 배치된 양자 웰층을 제공하는 단계;
상기 웨이퍼의 일부 상에 QWI 강화층을 적층하여 QWI 강화영역 및 QWI 억제영역을 형성하는 단계;
상기 QWI 강화영역 및 QWI 억제영역 상에 질화 실리콘층 및 산화 실리콘층을 포함하는 QWI 억제층을 적층하는 단계; 및
상기 상부 에피택셜층 및 하부 에피택셜층의 적어도 하나의 양자 웰층과 장벽층간 원자의 상호확산을 야기하기에 충분한 온도로 어닐링하는 단계를 포함하며,
상기 웨이퍼의 부분이 상기 QWI 강화영역이고, 또 다른 부분이 상기 QWI 억제영역인 것을 특징으로 하는 양자 웰 혼합 방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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