RU2239258C2

RU2239258C2 - Method for producing photon integrated circuit

Info

Publication number: RU2239258C2
Application number: RU2002126612/28A
Authority: RU
Inventors: Боон Сию ООИ (MY); Боон Сию ООИ; Йее Лой ЛАМ (SG); Йее Лой ЛАМ; Йуен Чуен ЧАН (SG); Йуен Чуен ЧАН; Йан ЗОУ (SG); Йан ЗОУ; Сиу Чунг ТАМ (SG); Сиу Чунг ТАМ
Original assignee: Эн Ти Ю ВЕНЧЕРЗ ПТЕ ЛТД.
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2004-10-27
Also published as: RU2240632C2

Abstract

FIELD: photon integrated circuits.

SUBSTANCE: proposed method for producing photon integrated circuits includes stage of mixing quantum wells in mentioned structure, this stage including steps of photoresist formation on structure; photoresist sections are exposed only once in different ways depending on passage of gray mask; passage of mentioned mask is spatially varied depending on desired local degree of mixing of quantum wells; then photoresist is developed.

EFFECT: enhanced economic efficiency and facilitated mixing of quantum wells.

13 cl, 12 dwg, 1 tbl

Description

Предпосылки изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION

Монолитная интеграция нескольких оптоэлектронных приборов в оптоэлектронных интегральных схемах (ОЭИС) и фотонных интегральных схемах (ФИС) представляет значительный интерес в связи с развитием систем связи.The monolithic integration of several optoelectronic devices in optoelectronic integrated circuits (OEIS) and photon integrated circuits (FIS) is of significant interest in connection with the development of communication systems.

В ОЭИС оптические приборы, например лазеры, и электронные приборы, например транзисторы, интегрируют в едином кристалле (чипе) для достижения высокого быстродействия, поскольку плотная упаковка приборов позволяет минимизировать паразитное реактивное сопротивление электрических соединений.In OEIS, optical devices, such as lasers, and electronic devices, such as transistors, are integrated in a single crystal (chip) to achieve high performance, since the tight packaging of the devices minimizes the stray reactance of electrical connections.

ФИС представляют собой отдельный вид ОЭИС, отличающийся отсутствием электрических компонентов, а также тем, что связь или соединение между оптоэлектронными и/или фотонными приборами осуществляется только посредством фотонов. Движущей силой развития ФИС является стремление к упрощению оптических линий связи следующего поколения, сетевых архитектур и коммутационных систем, например систем многоканального мультиплексирования с разделением по длине волны (МРДВ) и высокоскоростных систем мультиплексирования с разделением по времени (МРВ). Помимо снижения стоимости, уменьшения размеров и повышения комплексной устойчивости, главное достоинство ФИС состоит в том, что все внутренние соединения между отдельными световодными оптоэлектронными приборами точно и постоянно расположены (совмещены) по отношению друг к другу, поскольку световоды сформированы литографическим способом.FIS are a separate type of OEIS, characterized by the absence of electrical components, as well as the fact that the connection or connection between optoelectronic and / or photonic devices is carried out only by means of photons. The driving force behind the development of FIS is the desire to simplify the next-generation optical communication lines, network architectures and switching systems, for example, multi-channel wavelength division multiplexing (MRD) and high-speed time division multiplexing (MRI) systems. In addition to reducing cost, reducing size and increasing complex stability, the main advantage of FIS is that all internal connections between individual optical fiber optic devices are precisely and permanently located (aligned) with respect to each other, since the optical fibers are formed by lithographic method.

В процессе интеграции сложные приборы строятся из компонентов самого разного функционального назначения, например источников света, световодов, модуляторов и детекторов. Для создания каждого компонента с оптимальными характеристиками требуются различные структуры материалов. Поэтому для создания ОЭИС и ФИС нужно иметь возможность изменять ширину энергетической запрещенной зоны и показатель преломления материалов. Для этого было разработано несколько методов, в том числе выращивание и рекристаллизация, избирательная эпитаксия или выращивание на шаблонированной подложке и смешение квантовых ям (СКЯ).In the process of integration, complex devices are built from components of various functional purposes, for example, light sources, optical fibers, modulators and detectors. To create each component with optimal characteristics, different material structures are required. Therefore, to create an OEIS and FIS, it is necessary to be able to change the energy gap and the refractive index of materials. Several methods have been developed for this, including growing and recrystallizing, selective epitaxy or growing on a patterned substrate, and mixing quantum wells (CQW).

Метод выращивания и рекристаллизации отличается сложностью и дороговизной и предусматривает выращивание, травление и рекристаллизацию слоев квантовой ямы (КЯ) в выбранных областях объемного материала. На эти многослойные структуры наращивают одну и ту же верхнюю оболочку, но они имеют разные активные области.The method of growing and recrystallization is complex and expensive and involves the growth, etching and recrystallization of the layers of a quantum well (QW) in selected areas of bulk material. The same upper shell is built up on these multilayer structures, but they have different active regions.

Недостатком такого подхода является рассогласование оптического коэффициента распространения и рассогласование размеров световода на границе раздела рекристаллизации. Кроме того, этот процесс обеспечивает низкий выход (кпд) и производительность, что приводит к увеличению стоимости конечного продукта.The disadvantage of this approach is the mismatch of the optical propagation coefficient and the mismatch of the dimensions of the fiber at the recrystallization interface. In addition, this process provides a low yield (efficiency) and productivity, which leads to an increase in the cost of the final product.

Метод избирательного выращивания основан на различиях в составе и толщине эпитаксиального слоя за счет выращивания через маску, осуществляемого для достижения пространственной избирательности при изменении ширины энергетической запрещенной зоны. Прежде, чем приступить к эпитаксиальному выращиванию, подложку шаблонируют диэлектрической маской, например из SiO₂, в которой сформированы щели разной ширины. Скорость роста на открытых участках зависит от ширины отверстия и шаблонирования маски. В местах наличия диэлектрического покрытия выращивание невозможно. Однако в пределах определенного расстояния может происходить поверхностная миграция частиц к ближайшему отверстию поперек маски. Преимущество этого подхода состоит в уменьшении суммарного количества этапов обработки, что позволяет формировать, по существу, оптимальные секции множественных квантовых ям (МКЯ) лазера и модулятора за один этап эпитаксиального выращивания. Этот процесс дает хорошие результаты при условии точного контроля совокупности параметров, но, в целом, с трудом поддается управлению. Кроме того, этот метод обеспечивает низкое пространственное разрешение около 100 мкм, из-за чего пассивная секция обычно имеет относительно высокие потери.The method of selective growth is based on differences in the composition and thickness of the epitaxial layer due to growing through a mask, which is carried out to achieve spatial selectivity when changing the width of the energy forbidden zone. Before embarking on epitaxial growth, the substrate is patterned with a dielectric mask, for example of SiO ₂ , in which slits of different widths are formed. The growth rate in open areas depends on the width of the hole and the patterning of the mask. In places where there is a dielectric coating, cultivation is impossible. However, within a certain distance, surface migration of particles to the nearest hole across the mask can occur. The advantage of this approach is to reduce the total number of processing steps, which allows us to form essentially optimal sections of multiple quantum wells (MQWs) of the laser and modulator in one epitaxial growth step. This process gives good results provided that the set of parameters is precisely controlled, but, in general, is difficult to control. In addition, this method provides a low spatial resolution of about 100 μm, which is why the passive section usually has relatively high losses.

Метод СКЯ основан на том, что КЯ представляет по своей природе метастабильную систему ввиду высокого градиента концентрации атомов поперек границы раздела между КЯ и барьером. Тем не менее это позволяет изменять ширину энергетической запрещенной зоны структур КЯ в выбранных областях путем смешения КЯ с барьерами для формирования “сплавленных” полупроводников. Этот метод позволяет после выращивания эффективно осуществлять горизонтальную интеграцию секций с различной шириной энергетической запрещенной зоны, показателем преломления и оптическим поглощением в пределах одних и тех же эпитаксиальных слоев.The QW method is based on the fact that the QW is by its nature a metastable system due to the high gradient of atomic concentration across the interface between the QW and the barrier. Nevertheless, this allows one to change the energy gap of the QW structures in the selected regions by mixing the QW with barriers to form “fused” semiconductors. This method allows, after growing, to effectively carry out horizontal integration of sections with different widths of the energy forbidden zone, refractive index, and optical absorption within the same epitaxial layers.

Метод СКЯ получил широкое признание и распространение в области построения оптоэлектронных интегральных схем, содержащих, например, электропоглощательные модуляторы с регулируемой шириной энергетической запрещенной зоны, лазеры с регулируемой шириной энергетической запрещенной зоны, световоды с низкими потерями для внутреннего соединения компонентов ОЭИС или ФИС, интегральные резонаторы большого объема для лазеров с уменьшенной шириной линии, одночастотные лазеры с распределенным брэгговским отражателем (РБО), лазеры с синхронизированными модами, непоглощающие зеркала, усилительные или фазовые дифракционные решетки для лазеров с распределенной обратной связью (РОС), суперлюминесцентные диоды (СЛД), модуляторы и усилители на КЯ, нечувствительные к поляризации, и многочастотные лазеры.The CQW method has been widely recognized and widely used in the field of construction of optoelectronic integrated circuits, which include, for example, electroabsorption modulators with an adjustable energy gap, lasers with an adjustable energy gap, low-loss fibers for the internal connection of OEIS or FIS components, large integrated resonators volume for lasers with reduced line width, single-frequency lasers with distributed Bragg reflector (RBO), lasers with synchronization modes, nonabsorbing mirrors, amplification or phase diffraction gratings for distributed feedback lasers (ROS), superluminescent diodes (SLDs), polarization insensitive QW modulators and amplifiers, and multifrequency lasers.

Последние исследования были сосредоточены на совершенствовании метода СКЯ с использованием таких подходов, как беспримесное вакансионно-стимулированное разупорядочение (БПВР), лазеро-стимулированное разупорядочение (ЛСР) и примесно-стимулированное разупорядочение (ПСР). Каждый из этих методов СКЯ имеет свои достоинства и недостатки.Recent studies have focused on improving the CQW method using approaches such as pure vacancy-stimulated disordering (BWRM), laser-stimulated disordering (LSR), and impurity-stimulated disordering (RPS). Each of these methods of SCW has its own advantages and disadvantages.

Метод БПВР предусматривает осаждение диэлектрического покровного материала на материалы с КЯ и последующий высокотемпературный отжиг для стимулирования генерации вакансий из диэлектрического покрытия в материалы с КЯ и, следовательно, для усиления смешения на выбранных участках. Например, известно, что наличие SiO₂ в материалах с КЯ на основе GaAs-AlGaAs стимулирует обратную диффузию (диффузию выхода) атомов Ga в процессе отжига, что приводит к образованию вакансий III группы в материале с КЯ. Термическое напряжение на границе раздела между слоями GaAs и SiO₂ играет важную роль. Коэффициент теплового расширения GaAs в десять раз больше, чем у SiO₂. В процессе высокотемпературного отжига связи в высокопористом слое SiO₂, осажденном посредством плазмостимулированного химического осаждения из паровой фазы (ПСХОПФ), могут разрушаться по причине наличия градиента напряжения между GaAs и пленкой SiO₂. Таким образом, обратная диффузия Ga способствует ослаблению напряжения растяжения в GaAs. Эти вакансии Ga распространяются далее в структуру КЯ и увеличивают скорость взаимодиффузии Ga и А1 и, таким образом, приводят к СКЯ. По окончании процесса смешения энергетическая запрещенная зона в материале с КЯ расширяется, а показатель преломления снижается.The BPVR method involves the deposition of a dielectric coating material on materials with QW and subsequent high-temperature annealing to stimulate the generation of vacancies from the dielectric coating in materials with QW and, therefore, to enhance mixing in selected areas. For example, it is known that the presence of SiO ₂ in GaAs-AlGaAs-based QW materials stimulates the back diffusion (yield diffusion) of Ga atoms during annealing, which leads to the formation of group III vacancies in the QW material. The thermal stress at the interface between the GaAs and SiO ₂ layers plays an important role. The thermal expansion coefficient of GaAs is ten times greater than that of SiO ₂ . During high-temperature annealing, bonds in a highly porous SiO ₂ layer deposited by plasma-stimulated chemical vapor deposition (PSCCF) can be destroyed due to the presence of a voltage gradient between GaAs and the SiO ₂ film. Thus, the reverse diffusion of Ga contributes to the weakening of the tensile stress in GaAs. These Ga vacancies propagate further into the QW structure and increase the interdiffusion rate of Ga and A1 and, thus, lead to QW. At the end of the mixing process, the energy forbidden zone in the material with QW expands, and the refractive index decreases.

Для достижения избирательности этого метода можно использовать слой SrF₂, который препятствует обратной диффузии Ga, что позволяет подавлять процесс СКЯ. Этот метод был успешно применен при формировании таких приборов, как многочастотный лазер с регулируемой шириной энергетической запрещенной зоны и многоканальный световодный фотодетектор.To achieve the selectivity of this method, an SrF ₂ layer can be used, which prevents the back diffusion of Ga, which makes it possible to suppress the QW process. This method has been successfully applied in the formation of such devices as a multi-frequency laser with an adjustable energy gap and a multi-channel light guide photodetector.

Хотя метод БПВР с успехом применяется в системе GaAs/AlGaAs, в системах InGaAs/InGaAsP он обеспечивает низкую воспроизводимость. Кроме того, было обнаружено, что ввиду низкой термостойкости материалов InGaAs/InGaAsP процесс БПВР, требующий высокотемпературного отжига, обеспечивает низкую избирательность по энергетической запрещенной зоне в структурах КЯ на основе InGaAs/InGaAsP.Although the BWRP method has been successfully applied in the GaAs / AlGaAs system, it provides low reproducibility in InGaAs / InGaAsP systems. In addition, it was found that, due to the low heat resistance of InGaAs / InGaAsP materials, the BHWR process, which requires high-temperature annealing, provides low energy band gap selectivity in InGaAs / InGaAsP based QW structures.

Лазерно-стимулированое разупорядочение (ЛСР) является перспективным процессом СКЯ для достижения разупорядочения в материалах с КЯ на основе InGaAs/InGaAsP по причине низкой термостойкости этих материалов. Согласно методу фотоабсорбционно-стимулированного разупорядочения (ФАСР) излучение лазера, генерирующего непрерывную волну (НВ), поглощается в областях КЯ, вызывая тепловыделение и термостимулированное смешение. Хотя получаемый при этом материал имеет высокие оптические и электрические характеристики, пространственная избирательность этого метода ограничена величиной около 100 мкм по причине горизонтального перетока. Модифицированный метод ФАСР, получивший название импульсного ФАСР (И-ФАСР), использует высокоэнергетические импульсы лазера с модуляцией добротности на АИГ (алюмоиттриевом гранате) с Nd для облучения материала на основе InP. Поглощение импульсов приводит к повреждению кристаллической решетки и повышению плотности точечных дефектов. В процессе высокотемпературного отжига эти точечные дефекты диффундируют в КЯ, что приводит к возрастанию скорости смешения КЯ. Хотя метод И-ФАСР может обеспечивать пространственное разрешение свыше 1,25 мкм и возможность прямой записи, “смешанные” материалы обладают низким качеством по причине образования протяженных дефектов.Laser-stimulated disordering (LSR) is a promising QW process to achieve disordering in materials with InGaAs / InGaAsP based QWs due to the low heat resistance of these materials. According to the method of photoabsorption-induced disordering (FASR), the radiation of a laser generating a continuous wave (HB) is absorbed in the QW regions, causing heat generation and thermally stimulated mixing. Although the resulting material has high optical and electrical characteristics, the spatial selectivity of this method is limited to about 100 μm due to horizontal overflow. The modified FASR method, called pulsed FASR (I-FASR), uses high-energy Q-switched laser pulses with AID (yttrium aluminum garnet) with Nd to irradiate InP-based material. The absorption of pulses leads to damage to the crystal lattice and an increase in the density of point defects. During high-temperature annealing, these point defects diffuse in the QW, which leads to an increase in the mixing rate of the QW. Although the I-FASR method can provide a spatial resolution of over 1.25 microns and the possibility of direct recording, “mixed” materials are of poor quality due to the formation of extended defects.

Из всех методов СКЯ примесно-стимулированное разупорядочение (ПСР) является единственным процессом, который требует введения примесей в материалы с КЯ для реализации процесса смешения. Эти примеси можно вводить с помощью сфокусированного ионного пучка, диффузии примеси в печи, а также имплантации ионов.Of all the methods of QW, impurity-stimulated disordering (PSR) is the only process that requires the introduction of impurities in materials with QW to implement the mixing process. These impurities can be introduced using a focused ion beam, diffusion of the impurity in the furnace, and ion implantation.

ПСР является сравнительно простым и высоковоспроизводимым процессом смешения. Он позволяет обеспечивать высокое пространственное разрешение, необходимое для интеграции малоразмерных устройств, и управлять смещением энергетической запрещенной зоны за счет параметров имплантации. Этот метод обычно используют для обеспечения горизонтального электрического и оптического удержания в полупроводниках, что позволяет добиваться низкого порогового тока и работать на одной поперечной моде. Кроме того, процесс ПСР представляет существенный интерес для интеграции систем МРДВ, например, для формирования многочастотных лазерных источников, световодов с низкими потерями, модуляторов и даже детекторов.RPS is a relatively simple and highly reproducible mixing process. It allows you to provide high spatial resolution necessary for the integration of small-sized devices, and to control the displacement of the energy gap due to implantation parameters. This method is usually used to provide horizontal electrical and optical confinement in semiconductors, which allows one to achieve a low threshold current and operate on the same transverse mode. In addition, the RPS process is of significant interest for the integration of MRDV systems, for example, for the formation of multi-frequency laser sources, low-loss optical fibers, modulators, and even detectors.

Общеизвестно, что эффект ПСР состоит из двух этапов. На первом этапе в материал с КЯ имплантируют примеси. Затем, материал подвергают отжигу, чтобы стимулировать диффузию примеси и точечных дефектов в КЯ и барьеры, а следовательно, взаимодиффузию основных элементов между КЯ и барьерами. Считается, что в системе КЯ на основе InGaAs/InGaAsP взаимодиффузия элементов V группы от барьера к яме, приводящая к голубому смещению энергетической запрещенной зоны, обусловлена диффузией точечных дефектов, возникающих в процессе имплантации, самопроизвольной взаимодиффузией при повышенных температурах (тепловое смещение) и диффузией имплантированных частиц.It is well known that the effect of RPS consists of two stages. At the first stage, impurities are implanted in the material with QW. Then, the material is annealed to stimulate the diffusion of impurities and point defects into QWs and barriers, and, therefore, the interdiffusion of the main elements between QWs and barriers. It is believed that in the QW system based on InGaAs / InGaAsP, the interdiffusion of Group V elements from the barrier to the well, leading to a blue shift of the energy band gap, is caused by the diffusion of point defects that arise during implantation, spontaneous interdiffusion at elevated temperatures (thermal displacement), and diffusion of implanted particles.

В процессе имплантации примеси, а также точечные дефекты, например вакансии III группы и атомы внедрения, вводятся в материал в выбранных областях. Диффузия этих точечных дефектов и примесей при повышенной температуре увеличивает скорость взаимодиффузии между КЯ и барьерами и, следовательно, стимулирует смешение после отжига. Под влиянием инжектированных примесей профиль состава КЯ изменяется от квадратного к параболообразному. В результате по окончании процесса взаимодиффузии локальная энергетическая запрещенная зона увеличивается, а соответствующий показатель преломления уменьшается.In the process of implantation, impurities, as well as point defects, such as group III vacancies and interstitial atoms, are introduced into the material in selected areas. Diffusion of these point defects and impurities at elevated temperature increases the rate of interdiffusion between the QW and barriers and, therefore, stimulates mixing after annealing. Under the influence of injected impurities, the QW composition profile changes from square to parabolic. As a result, at the end of the interdiffusion process, the local energy band gap increases, and the corresponding refractive index decreases.

Используя метод ПСР, можно добиться смешения в выбранной области пластины, применяя маску имплантации из SiO₂ переменной толщины. Однако этот метод предусматривает многочисленные этапы литографии и травления, что усложняет процесс производства.Using the PSR method, mixing can be achieved in a selected area of the wafer using an implantation mask of variable thickness of SiO ₂ . However, this method involves numerous stages of lithography and etching, which complicates the production process.

Возможность управлять энергетической запрещенной зоной в пределах пластины полупроводника III-V является ключевым требованием для изготовления монолитных ФИС. Для изготовления таких элементов интегральных схем, как лазеры, модуляторы и световоды с низкими потерями необходима пространственная регулировка края полосы поглощения структур КЯ по пластине. Хотя методы СКЯ имеют большие преимущества над методами выращивания и рекристаллизации и методами избирательного эпитаксиального выращивания с точки зрения процесса формирования энергетической запрещенной зоны, пространственное управление, обеспечиваемое этими методами, является косвенным и сложным.The ability to control the energy gap within the III-V semiconductor wafer is a key requirement for the manufacture of monolithic FIS. To fabricate such integrated circuit elements as lasers, modulators, and low-loss fibers, spatial adjustment of the edge of the absorption band of QW structures along the plate is necessary. Although CJW methods have great advantages over growth and recrystallization methods and selective epitaxial growth methods from the point of view of the formation of the energy forbidden zone, the spatial control provided by these methods is indirect and complex.

Колоссальный рост трафика в Интернете, мультимедийных услуг и услуг высокоскоростной передачи данных требует от владельцев средств связи быстро и экономично увеличивать емкость своих сетей. Общеизвестны три способа увеличения емкости, а именно прокладка новых волокон, увеличение битовой скорости систем связи и использование мультиплексирования с разделением по длине волны (МРДВ). Ввиду того, что первый способ сопряжен с проблемами высоких затрат и необходимости полосы отчуждения, а второй способ имеет ограниченный потенциал роста ввиду внутренних системных ограничений, третий способ является наиболее привлекательным, поскольку дает возможность многократно увеличить емкость сети при умеренных затратах.The tremendous growth in Internet traffic, multimedia services and high-speed data services requires communication owners to quickly and economically increase the capacity of their networks. It is well known that there are three ways to increase capacity, namely, laying new fibers, increasing the bit rate of communication systems, and using wavelength division multiplexing (WDM). Due to the fact that the first method is fraught with problems of high costs and the need for an exclusion band, and the second method has limited growth potential due to internal systemic limitations, the third method is the most attractive because it makes it possible to multiply the network capacity at moderate costs.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Настоящее изобретение предусматривает способ изготовления фотонной интегральной схемы, содержащей структуру, имеющую область квантовой ямы, включающий в себя этап смешения квантовых ям (СКЯ) в упомянутой структуре, причем упомянутый этап смешения квантовых ям содержит этапы, на которых формируют фоторезист (фоторезистивный материал) на упомянутой структуре, за единственное экспонирование различным образом экспонируют участки упомянутого фоторезиста в зависимости от пропускания полутоновой маски (т.е. маски с разными уровнями серого), причем пропускание упомянутой маски пространственно варьируется в зависимости от необходимой локальной степени смешения квантовых ям, а затем проявляют фоторезист.The present invention provides a method for manufacturing a photon integrated circuit containing a structure having a quantum well region, comprising a step of mixing quantum wells (QW) in said structure, said step of mixing quantum wells comprising steps of forming a photoresist (photoresistive material) on said the structure, for a single exposure, variously exhibit portions of the aforementioned photoresist depending on the transmission of a halftone mask (i.e., a mask with different gray levels) moreover, the transmission of the said mask varies spatially depending on the required local degree of mixing of the quantum wells, and then they exhibit photoresist.

Предпочтительно, оптическое пропускание оптической маски варьируется в соответствии с определенной функцией. Эта функция обычно зависит от необходимой степени смешения квантовых ям.Preferably, the optical transmittance of the optical mask varies according to a specific function. This function usually depends on the required degree of mixing of the quantum wells.

В предпочтительном варианте осуществления оптическое пропускание варьируется по существу непрерывно на протяжении по меньшей мере части маски.In a preferred embodiment, the optical transmittance varies substantially continuously over at least a portion of the mask.

Предпочтительно, фоторезист формируют на маскирующем слое, который предпочтительно является диэлектрическим.Preferably, a photoresist is formed on the mask layer, which is preferably dielectric.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап травления структуры с проявленным фоторезистом in situ для обеспечения различным образом протравленного маскирующего слоя.Preferably, the method further comprises the step of etching the structure with the developed photoresist in situ to provide a differently etched mask layer.

Более предпочтительным является вариант, когда проявленный фоторезист и маскирующий слой обладают по существу одинаковой скоростью травления.More preferred is the case where the developed photoresist and mask layer have substantially the same etching rate.

В одном варианте осуществления способ дополнительно содержит этап введения примесей в структуру за один этап имплантации ионов.In one embodiment, the method further comprises the step of introducing impurities into the structure in a single ion implantation step.

Альтернативные варианты примесно-стимулированного разупорядочения (ПСР) предусматривают использование сфокусированного ионного пучка или диффузии примеси с помощью печи.Alternatives to impurity-stimulated disorder (RPS) include the use of a focused ion beam or diffusion of an impurity using an oven.

Предпочтительно, примеси имплантируют в область, удаленную от структуры квантовой ямы.Preferably, the impurities are implanted in a region remote from the structure of the quantum well.

В другом варианте осуществления способ дополнительно содержит этап, на котором облучают структуру плазмой или другим источником высокоэнергетического излучения для того, чтобы ввести дефекты в структуру для стимулирования последующего смешения квантовых ям. Главным признаком процесса является использование источника излучения, которое вызывает радиационное повреждение кристаллической структуры. Для этого необходим строго определенный минимальный перенос энергии. Эта энергия называется энергией смещения, Е_с. Переносы энергии, превышающие Е_с, приводят к смещению или перемещению атома, которое представляет собой либо первичное смещение, когда ион основного элемента выбивается одной из бомбардирующих частиц, либо вторичное смещение, когда перенос энергии осуществляется из ранее выбитого атома основного элемента. Предпочтительно, плазму генерируют посредством электронного циклотронного резонанса (ЭЦР). Этот процесс плазмостимулированного СКЯ подробно описан в нашей совместно рассматриваемой международной патентной заявке номер PCT/GB01/00898 (соответствующая российская заявка №2002126610).In another embodiment, the method further comprises the step of irradiating the structure with plasma or another source of high-energy radiation in order to introduce defects into the structure to stimulate subsequent mixing of the quantum wells. The main feature of the process is the use of a radiation source that causes radiation damage to the crystal structure. This requires a strictly defined minimum energy transfer. This energy is called the displacement energy, E _c . Energy transfers exceeding E _c lead to a displacement or displacement of an atom, which is either a primary displacement when the ion of the main element is knocked out by one of the bombarding particles, or secondary displacement when the energy is transferred from the previously knocked out atom of the main element. Preferably, the plasma is generated by electron cyclotron resonance (ECR). This plasma-stimulated CJC process is described in detail in our co-pending international patent application number PCT / GB01 / 00898 (corresponding Russian application No. 2002126610).

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап отжига структуры.Preferably, the method further comprises the step of annealing the structure.

Согласно предпочтительным вариантам осуществления, настоящее изобретение предусматривает новый метод, основанный на шаблонировании полутоновой маской, который требует только одного этапа литографии и травления для получения маски имплантации из SiO₂ с переменной толщиной в выбранных областях, после чего следует одноэтапный процесс ПСР, позволяющий добиться избирательного смешения. Этот новый, экономичный и простой метод можно применять для изготовления ФИС в целом и источников МРДВ в частности. Применяя метод полутоновой маски в процессе ПСР согласно настоящему изобретению, можно регулировать ширину энергетической запрещенной зоны материала с КЯ таким образом, чтобы она принимала разные значения на протяжении пластины. Это позволяет не только интегрировать монолитные многочастотные лазеры, но также интегрировать их с модуляторами и соединителями на одном кристалле (чипе). Этот метод также можно применять для упрощения процессов изготовления и проектирования суперлюминесцентных диодов (СЛД) за счет расширения спектра усиления до максимума после эпитаксиального выращивания.According to preferred embodiments, the present invention provides a new halftone mask patterning method that requires only one lithography and etching step to produce a variable thickness SiO ₂ implant mask in selected areas, followed by a one-step RPS process allowing selective mixing . This new, economical and simple method can be used for the manufacture of FIS in general and sources of WFD in particular. Using the halftone mask method in the RPS process according to the present invention, it is possible to adjust the energy gap of the material with the QW so that it takes on different values along the plate. This allows not only integrating monolithic multi-frequency lasers, but also integrating them with modulators and connectors on a single chip (chip). This method can also be used to simplify the manufacturing and design processes of superluminescent diodes (SLD) by expanding the gain spectrum to a maximum after epitaxial growth.

Исследователи, занимающиеся интеграцией фотонных приборов, в настоящее время рассматривают метод СКЯ как перспективный подход только для двухсекционных фотонных приборов, поскольку в противном случае традиционные процессы СКЯ становятся громоздкими и сложными. Для многосекционной интеграции исследователи предпочитают использовать избирательную эпитаксию, несмотря на ее сложность и неэкономичность. Настоящее изобретение показывает, что применение СКЯ не ограничивается двухсекционным приборами. Кроме того, этот метод более экономичен и обеспечивает более высокую производительность и доходность по сравнению с избирательной эпитаксией. Таким образом, ожидается, что применение метода полутоновой маски вкупе с процессом ПСР для пространственного управления СКЯ по пластине дает значительный вклад в развитие техники.Researchers involved in the integration of photonic devices are currently considering the CQW method as a promising approach only for two-section photonic devices, because otherwise traditional CQW processes become cumbersome and complex. For multisectional integration, researchers prefer to use selective epitaxy, despite its complexity and inefficiency. The present invention shows that the use of SCW is not limited to two-section devices. In addition, this method is more economical and provides higher productivity and profitability compared to selective epitaxy. Thus, it is expected that the application of the halftone mask method, coupled with the RPS process for the spatial control of the QW across the plate, makes a significant contribution to the development of technology.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Перейдем к подробному описанию вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:We proceed to a detailed description of embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings, in which:

фиг.1 - схематическое представление многослойной структуры ЕКЯ на основе InGaAs/InGaAsP;figure 1 is a schematic representation of the multilayer structure of the NQF based on InGaAs / InGaAsP;

фиг.2 - зонная диаграмма структуры, изображенной на фиг.1;figure 2 is a zone diagram of the structure depicted in figure 1;

фиг.3 - график, демонстрирующий результаты моделирования распределения вакансий методом переноса ионов в веществе (ПИВ) с использованием маски имплантации из SiO₂ разной толщины;figure 3 is a graph showing the results of modeling the distribution of vacancies by the method of ion transfer in matter (TID) using an implantation mask of SiO _{2 of} different thicknesses;

фиг.4 - иллюстрация литографического шаблонирования слоя фоторезиста серой маской;4 is an illustration of lithographic patterning of a photoresist layer with a gray mask;

фиг.5 - иллюстрация процесса реактивного ионного травления (РИТ);5 is an illustration of a process of reactive ion etching (RIT);

фиг.6 - схема последовательности операций изготовления многочастотных лазеров;6 is a flowchart of manufacturing multi-frequency lasers;

фиг.7 - график, демонстрирующий соотношение между длиной волны излучения и уровнем пропускания маски, а также толщиной маски имплантации;7 is a graph showing the relationship between the radiation wavelength and the transmission level of the mask, as well as the thickness of the implantation mask;

фиг.8 - схематический вид монолитного многочастотного лазера;Fig. 8 is a schematic view of a monolithic multi-frequency laser;

фиг.9 - график, демонстрирующий нормализованный спектр излучения приборов, изображенных на фиг.8;Fig.9 is a graph showing the normalized emission spectrum of the devices depicted in Fig.8;

фиг.10 - схема последовательности операций изготовления СЛД;10 is a flowchart of manufacturing an SLD;

фиг.11 - схематический вид СЛД;11 is a schematic view of an SLD;

фиг.12 - график, демонстрирующий нормализованные спектры излучения СЛД.12 is a graph showing normalized emission spectra of SLD.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Материалы с единичной квантовой ямой (ЕКЯ) на основе InGaAs/InGaAsP с согласованными решетками, используемые для изготовления приборов, которые будут описаны ниже, были выращены методом эпитаксии из паровой фазы металлоорганических соединений (МОПФЭ) на веществах InP n⁺-типа, легированных S и ориентированных по оси (100), при концентрации пятен травления менее 1000 см^-2. На фиг.1 и 2 изображены схема многослойной структуры и соответствующая зонная диаграмма. Структура лазера на InGaAs/InGaAsP состоит из единичной квантовой ямы на основе In_0,53Ga_0,47As толщиной 55

, ограниченной барьерами на основе InGaAsP толщиной 120

(λ_g=1,26 мкм, где λ_g - длина волны, соответствующая ширине энергетической запрещенной зоны). Активная область была ограничена сердцевиной световода со ступенчатым профилем показателя преломления (СППП), образованной слоями удержания из InGaAsP. Толщина и состав этих слоев (от барьера КЯ наружу) составляли 500

(λ_g=1,18 мкм) и 800

(λ_g=1,05 мкм). Структура была дополнена нижней оболочкой из InP толщиной 1 мкм (легированной S в концентрации 2,5×10¹⁸ см^-3) и верхней оболочкой толщиной 1,4 мкм (легированной Zn в концентрации 5×10¹⁷ см^-3). Контактные слои представляли собой InGaAsP (легированный Zn в концентрации 2×10¹⁸ см^-3) толщиной 500

и InGaAs (легированный Zn в концентрации 2×10¹⁹ см^-3) толщиной 1000

. Сердцевина световода была нелегированной, тем самым образуя PIN-структуру (т.е. positive-intrinsic-negative diode), внутренняя область которой ограничена КЯ и слоями СППП. Образцы демонстрировали пик ФЛ (фотолюминесценция) на длине волны 1,54±0,02 мкм при комнатной температуре.Materials with a single quantum well (NQW) based on InGaAs / InGaAsP with matched lattices, used for the manufacture of devices, which will be described below, were grown by vapor-phase epitaxy of organometallic compounds (MOPFE) on InP n ⁺ -type materials doped with S and oriented along the (100) axis, with the concentration of etching spots less than 1000 cm ^-2 . 1 and 2 show a diagram of a multilayer structure and the corresponding zone diagram. The structure of the InGaAs / InGaAsP laser consists of a single quantum well based on In _0.53 Ga _0.47 As 55

bounded by 120 InGaAsP-based barriers

(λ _g = 1.26 μm, where λ _g is the wavelength corresponding to the energy gap). The active region was bounded by a fiber core with a stepped refractive index profile (SPP) formed by InGaAsP confinement layers. The thickness and composition of these layers (from the QW barrier to the outside) was 500

(λ _g = 1.18 μm) and 800

(λ _g = 1.05 μm). The structure was supplemented with a lower shell of InP 1 μm thick (doped with S at a concentration of 2.5 × 10 ¹⁸ cm ^-3 ) and an upper shell with a thickness of 1.4 μm (doped with Zn at a concentration of 5 × 10 ¹⁷ cm ^-3 ). The contact layers were InGaAsP (doped with Zn at a concentration of 2 × 10 ¹⁸ cm ^-3 ) with a thickness of 500

and InGaAs (doped with Zn at a concentration of 2 × 10 ¹⁹ cm ^-3 ) with a thickness of 1000

. The core of the fiber was undoped, thereby forming a PIN structure (i.e., positive-intrinsic-negative diode), the inner region of which is bounded by QW and layers of SPPP. Samples showed a PL peak (photoluminescence) at a wavelength of 1.54 ± 0.02 μm at room temperature.

Примеры примесей, которые можно использовать для последующего процесса СКЯ с ПСР, можно подразделить на электрически активные элементы, например Zn (легирующая примесь р-типа) и S (легирующая примесь n-типа), и электрически нейтральные элементы, например В, F, As и Р.Examples of impurities that can be used for the subsequent process of SCW with RPS can be divided into electrically active elements, for example Zn (p-type dopant) and S (n-type dopant), and electrically neutral elements, for example B, F, As and R.

Для использования процесса ПСР при интеграции фотонных схем следует решить две основных проблемы. Первая состоит в том, что для усиления смешения КЯ обычно используется концентрация примеси 10¹⁸ см^-3. Большинство электрически активных примесей являются мелкими примесями, которые ионизируются при комнатной температуре и значительно увеличивают поглощение на свободных носителях. Другая проблема состоит в том, что остаточное повреждение ухудшает качество материала и непосредственно влияет на эффективность и срок службы приборов.To use the RPS process for the integration of photonic schemes, two main problems should be solved. The first is that an impurity concentration of 10 ¹⁸ cm ^{-3 is} usually used to enhance QW mixing. Most electrically active impurities are small impurities that ionize at room temperature and significantly increase absorption on free carriers. Another problem is that residual damage affects the quality of the material and directly affects the efficiency and service life of the devices.

Чтобы решить первую проблему, согласно некоторым вариантам осуществления, используют нейтральную примесь, в данном случае Р, поскольку он является одним из основных элементов в лазерной системе на InGaAs/InGaAsP. По сравнению с электрически активными примесями нейтральные примеси, например Р и As, в идеале не должны значительно увеличивать потери, обусловленные поглощением на свободных носителях.In order to solve the first problem, according to some embodiments, a neutral impurity is used, in this case P, since it is one of the main elements in the InGaAs / InGaAsP laser system. Compared to electrically active impurities, neutral impurities, such as P and As, should ideally not significantly increase the losses due to absorption on free carriers.

Вторую проблему, связанную с остаточным повреждением, можно свести к минимуму или исключить путем оптимизации условий имплантации и отжига. Согласно настоящему изобретению энергия имплантации была выбрана на уровне всего лишь около 360 кэВ, чтобы после СКЯ оставалось минимальное количество протяженных дефектов или их вовсе не было. При низкоэнергетической имплантации процессом можно управлять таким образом, чтобы бомбардировка затрагивала только верхний контактный слой. Это дает возможность сохранять кристаллическое качество слоев оболочки и КЯ. Кроме того, для предотвращения формирования аморфных слоев в процессе имплантации ионов и, таким образом, для получения высокого качества поверхности после СКЯ, используют относительно низкую дозу имплантации, т.е. ниже 1×10¹⁴ ионов/см².The second problem associated with residual damage can be minimized or eliminated by optimizing implantation and annealing conditions. According to the present invention, the implantation energy was selected at the level of only about 360 keV, so that after the QW there would be a minimal number of extended defects or none at all. With low energy implantation, the process can be controlled so that the bombardment affects only the upper contact layer. This makes it possible to maintain the crystalline quality of the shell layers and QWs. In addition, in order to prevent the formation of amorphous layers during ion implantation and, thus, to obtain a high surface quality after MQW, a relatively low implantation dose is used, i.e. below 1 × 10 ¹⁴ ions / cm ² .

Сначала образцы подвергли имплантации при 200°С, варьируя дозы от 1×10¹² ионов/см² до 1×10¹⁴ ионов/см² с использованием двухзарядных ионов при энергии имплантации 360 кэВ. В процессе имплантации образцы были наклонены на 7° относительно ионного пучка для снижения эффектов канализирования.First, the samples were implanted at 200 ° C, varying doses from 1 × 10 ¹² ions / cm ² to 1 × 10 ¹⁴ ions / cm ² using doubly charged ions at an implantation energy of 360 keV. During implantation, the samples were tilted by 7 ° relative to the ion beam to reduce the effects of canalization.

Затем образцы подвергли отжигу с использованием аппарата быстрой термической обработки (БТО) в среде, обогащенной азотом. В процессе отжига образцы клали на чистую полированную подложку из GaAs, а на верхнюю поверхность образца помещали крышку из GaAs. Эти две подложки из GaAs служат плотно прилегающими крышками, предотвращающими обратную диффузию (диффузию выхода) As в процессе отжига. Процесс отжига не только стимулирует смешение КЯ, но также способствует существенной рекристаллизации имплантированных слоев.Then, the samples were annealed using a fast thermal treatment apparatus (BTO) in a medium enriched with nitrogen. During annealing, the samples were placed on a clean polished GaAs substrate, and a GaAs cap was placed on the upper surface of the sample. These two GaAs substrates serve as tight-fitting covers that prevent back diffusion (diffusion of output) of As during the annealing. The annealing process not only stimulates QW mixing, but also promotes substantial recrystallization of the implanted layers.

На фиг.3 показаны смоделированные профили распределения вакансий в SiO₂/InGaAs-InGaAsP после имплантации Р при 360 кэВ. Вводя разные концентрации примеси в материалы, можно получить разные степени СКЯ. Из фиг.3 следует, что, сформировав на пластине маску имплантации из SiO₂ переменной толщины, можно добиться избирательного смешения в выбранных областях. Традиционный метод изготовления многочастотных лазеров предусматривает несколько этапов литографии и травления. Настоящее изобретение позволяет получить те же результаты с использованием метода полутоновой маски. Согласно подробно изложенному ниже этот новый метод полутоновой маски обеспечивает простой, высоковоспроизводимый и более экономичный способ изготовления, поскольку требует только одного этапа литографии и одного этапа сухого травления для создания на пластине маски имплантации из SiO₂ с несколькими значениями толщины.Figure 3 shows the simulated profiles of the distribution of vacancies in SiO ₂ / InGaAs-InGaAsP after implantation P at 360 keV. By introducing different impurity concentrations into the materials, different degrees of CQW can be obtained. From figure 3 it follows that, having formed on the plate an implantation mask of SiO ₂ variable thickness, you can achieve selective mixing in selected areas. The traditional method of manufacturing multi-frequency lasers involves several stages of lithography and etching. The present invention provides the same results using the halftone mask method. As detailed below, this new halftone mask method provides a simple, highly reproducible and more economical manufacturing method, since it requires only one lithography step and one dry etching step to create an SiO ₂ implant mask with several thicknesses on the plate.

Согласно фиг.4 и фиг.5, метод полутоновой маски предусматривает использование различной прозрачности областей или участков полутоновой маски 10 для управления степенью экспонирования фоторезиста 11 в выбранных областях и, таким образом, обеспечивает различие в толщине фоторезиста после проявки. Степень проявки фоторезиста 11 в выбранных областях, т.е. глубина оставшегося фоторезиста после облучения УФ светом, находится в линейном соотношении с оптической плотностью. В данном примере для формирования многочастотных лазеров предусмотрена полутоновая маска 10, имеющая 10 различных уровней оптической плотности (ОП), т.е. от 0,15 до 1,05 с шагом 0,1. Это показано в нижеприведенной таблице. Полоски имеют ширину 50 мкм и отстоят друг от друга на 350 мкм. Это дает основание предполагать, что, применяя процесс СКЯ, можно получить 10 разных значений ширины энергетической запрещенной зоны. Согласно подробно описанному ниже для изготовления СЛД с активными окнами шириной 50 мкм предусмотрено разрешение в 1 мкм для приращения ОП от 0,15 до 1,05, чтобы получать “трапецеидальные” или “треугольные” профили (которые показаны на фиг.10).According to figure 4 and figure 5, the method of the halftone mask involves the use of different transparency regions or sections of the halftone mask 10 to control the degree of exposure of the photoresist 11 in the selected areas and, thus, provides a difference in the thickness of the photoresist after development. The degree of development of photoresist 11 in selected areas, i.e. the depth of the remaining photoresist after irradiation with UV light is in a linear ratio with the optical density. In this example, for the formation of multi-frequency lasers, a halftone mask 10 is provided having 10 different levels of optical density (OD), i.e. from 0.15 to 1.05 in increments of 0.1. This is shown in the table below. The strips have a width of 50 microns and are spaced 350 microns apart. This suggests that, using the CQW process, one can obtain 10 different values of the energy gap. According to the details described below, for the manufacture of SLDs with active windows with a width of 50 μm, a resolution of 1 μm is provided for the OD increment from 0.15 to 1.05 to obtain “trapezoidal” or “triangular” profiles (which are shown in FIG. 10).

Полутоновые маски 10 изготавливают с использованием изделия из стекла, чувствительного к высокоэнергетическому пучку (ЧВЭП), наподобие того, что подробно описано в патенте США 5078771.Halftone masks 10 are made using a glass product sensitive to a high-energy beam (NEC), such as that described in detail in US patent 5078771.

Соотношение между ОП маски и уровнем пропускания (П) УФ света, применяемого в литографическом процессе, можно выразить следующим уравнением:The relationship between the OP mask and the transmittance (P) of UV light used in the lithographic process can be expressed by the following equation:

ОП=-1оg(П)OD = -1 og (P)

Затем, чтобы перенести профиль переменной толщины фоторезиста на слой 12 из SiO₂ для получения маски 13 имплантации, применили процесс реактивного ионного травления (РИТ) с избирательностью между фоторезистом и SiO₂, по существу, 1:1. Этот процесс осуществляли в традиционной ВЧ-системе РИТ с параллельными пластинами, используя в качестве рабочих газов CF₄ и O₂. Для оптимизации параметров процесса применяли оптимизацию Тагучи - статистический метод, используемый для оптимизации промышленных процессов.Then, in order to transfer the profile of the variable thickness of the photoresist to the SiO ₂ layer 12 to obtain an implantation mask 13, a reactive ion etching (RIT) process was applied with a selectivity between the photoresist and SiO ₂ of essentially 1: 1. This process was carried out in a traditional RIT RF system with parallel plates, using CF ₄ and O ₂ as working gases. To optimize the process parameters, Taguchi optimization was used - a statistical method used to optimize industrial processes.

На фиг.6 более подробно показана последовательность этапов изготовления многочастотных лазеров. Всего для изготовления этого прибора используется четыре уровня масок. Первую маску используют для травления меток выравнивания и канавок изоляции лазеров (шаблон из полосок шириной 20 мкм). Вторая маска представляет собой полутоновую маску, которая имеет шаблон из полосок шириной 80 мкм. Третью маску используют для активного контактного окна (шаблон из полосок шириной 50 мкм), и последнюю четвертую маску используют для формирования изоляции металлизированных покрытий (шаблон из полосок шириной 20 мкм).Figure 6 shows in more detail the sequence of steps for manufacturing multi-frequency lasers. In total, four levels of masks are used to make this device. The first mask is used to etch alignment marks and laser isolation grooves (a pattern of strips 20 microns wide). The second mask is a halftone mask, which has a pattern of stripes with a width of 80 microns. The third mask is used for the active contact window (a pattern of strips 50 microns wide), and the last fourth mask is used to form the insulation of metallized coatings (a pattern of strips 20 microns wide).

Сначала сформировали метки выравнивания и изоляционные полоски (этап 100) методом влажного травления с использованием Н₂SO₄:Н₂O₂:Н₂O в отношении 1:8:40 для удаления 0,15 мкм контактных слоев InGaAs и InGaAsP на подложке 14. По окончании влажного травления образец покрыли слоем SiO₂ толщиной 0,95 мкм (этап 110). Затем образец покрыли позитивным фоторезистом 11 на центрифуге со скоростью 3300 об/мин в течение 35 секунд до глубины 1,19 мкм и осуществили этап фотолитографии для переноса полутоновых шаблонов 10 на образец. Затем провели РИТ (этап 120) для переноса фоторезистного шаблона переменной толщины в маску 12 из SiO₂, чтобы сформировать на поверхности образца слой SiO₂ переменной толщины для создания маски 13 имплантации.First, alignment marks and insulating strips were formed (step 100) by wet etching using H ₂ SO ₄ : H ₂ O ₂ : H ₂ O in a 1: 8: 40 ratio to remove 0.15 μm of InGaAs and InGaAsP contact layers on the substrate 14 At the end of wet etching, the sample was coated with a 0.95 μm thick SiO ₂ layer (step 110). Then, the sample was coated with positive photoresist 11 in a centrifuge at a speed of 3300 rpm for 35 seconds to a depth of 1.19 μm and a photolithography step was carried out to transfer the grayscale patterns 10 to the sample. Then, an RIT was performed (step 120) to transfer the photoresist template of variable thickness to the SiO ₂ mask 12 to form a variable thickness SiO ₂ layer on the sample surface to create the implant mask 13.

Толщина фоторезиста 11 и маски 13 имплантации из SiO₂ на образце, измеренная поверхностным профиломером перед и после РИТ, указана на фиг.7.The thickness of the photoresist 11 and mask 13 implantation of SiO ₂ on the sample, measured by a surface profiler before and after the RIT, is shown in Fig.7.

Подготовив шаблон переменной толщины на SiO₂, образец подвергли имплантации (этап 130) при 200°С с дозой 1×10¹⁴ см^-2. Затем провели этап СКЯ с использованием БТО при 590°С в течение 120 секунд при сохранении маски 13 имплантации. По окончании СКЯ маску 13 имплантации из SiO₂ удалили.Having prepared a template of variable thickness on SiO ₂ , the sample was implanted (step 130) at 200 ° C with a dose of 1 × 10 ¹⁴ cm ^-2 . Then, the CJC stage was performed using BTO at 590 ° C for 120 seconds while maintaining the 13 implantation mask. At the end of the CJD, the implantation mask 13 was removed from SiO ₂ .

По окончания процесса изготовления ряды многочастотных лазеров разрезали на отдельные лазеры для проведения измерений зависимости интенсивности света от тока и снятия спектральных характеристик. На фиг.8 показан схематический вид монолитного многочастотного лазера 20 (показано только 4 канала). В данном примере были изготовлены 10-канальные монолитные многочастные лазеры. Каждый отдельный лазер 21 имеет размеры 400×500 мкм, ширину активного окна 50 мкм, длину резонатора 500 мкм и ширину изолирующей канавки 22, равную 20 мкм. В процессе снятия характеристик и измерений каждый лазер 21 накачивали по отдельности.At the end of the manufacturing process, the rows of multi-frequency lasers were cut into individual lasers to measure the dependence of light intensity on current and to take spectral characteristics. On Fig shows a schematic view of a monolithic multi-frequency laser 20 (only 4 channels are shown). In this example, 10-channel monolithic multi-part lasers were manufactured. Each individual laser 21 has a size of 400 × 500 μm, an active window width of 50 μm, a cavity length of 500 μm, and an insulating groove 22 of 20 μm. In the process of characterization and measurement, each laser 21 was pumped separately.

Согласно фиг.9 было зафиксировано 10 различных длин волн, а именно 1,557 мкм, 1,555 мкм, 1,548 мкм, 1,543 мкм, 1,530 мкм, 1,514 мкм, 1,479 мкм и 1,474 мкм соответственно, выдаваемых 10-ю изготовленными монолитными лазерами 21.According to Fig.9, 10 different wavelengths were recorded, namely, 1,557 μm, 1,555 μm, 1,548 μm, 1,543 μm, 1,530 μm, 1,514 μm, 1,479 μm and 1,474 μm, respectively, issued by 10 manufactured monolithic lasers 21.

Из фиг.7 явствует наличие линейной корреляции между толщиной маски 13 имплантации из SiO₂ и длиной волны излучения. Этот факт дополнительно подтверждает наличие линейного соотношения между количеством точечных дефектов, порождаемых при той или иной толщине маски имплантации из SiO₂, и степенью смешения или изменением ширины энергетической запрещенной зоны.From Fig. 7, there is a linear correlation between the thickness of the SiO ₂ implantation mask 13 and the radiation wavelength. This fact additionally confirms the presence of a linear relationship between the number of point defects generated at a particular thickness of the SiO ₂ implantation mask and the degree of mixing or a change in the energy gap.

Суперлюминесцентный диод (СЛД) характеризуется высокой выходной мощностью и низким расхождением пучка, что аналогично характеристикам инжекционного лазерного диода (ЛД). Он дает широкий спектр излучения и малую длину когерентности, наподобие СИД. Область применения этого прибора не ограничивается системами связи малой и средней протяженности; он является также главным элементом системы интерферометрического оптоволоконного гироскопа (ИОПГ) и других систем датчиков на основе оптического волокна. СЛД отличается такими полезными свойствами, как подавление волновых шумов в волоконных системах, невосприимчивость к шуму оптической обратной связи и высокой эффективностью отдачи в волокно. По мере расширения спектра длина когерентности уменьшается. Широкий спектр СЛД обеспечивает снижение шума релеевского обратного рассеяния, поляризационного шума и смещения, обусловленного нелинейным эффектом Керра в волоконных гиросистемах. Все это обеспечивает преимущества СЛД в достижении высокой чувствительности в этих приложениях.A superluminescent diode (SLD) is characterized by a high output power and low beam divergence, which is similar to the characteristics of an injection laser diode (LD). It gives a wide spectrum of radiation and a short coherence length, like an LED. The scope of this device is not limited to communication systems of small and medium length; it is also the main element of the interferometric fiber optic gyroscope (IOPG) system and other sensor systems based on optical fiber. SLD is characterized by such useful properties as suppression of wave noise in fiber systems, immunity to optical feedback noise, and high efficiency of return to fiber. As the spectrum expands, the coherence length decreases. A wide range of SLDs provides a reduction in Rayleigh backscatter noise, polarization noise, and bias due to the nonlinear Kerr effect in fiber gyrosystems. All of this provides the benefits of SLDs in achieving high sensitivity in these applications.

В нижеприведенном примере для изготовления СЛД использовали те же структуры 14 КЯ на основе InGaAs/InGaAsP, причем ширину энергетической запрещенной зоны в кристалле СЛД регулировали с использованием “треугольного” и “трапецеидального” полутоновых шаблонов для достижения широкополосной люминесценции СЛД.In the following example, the same 14 QW structures based on InGaAs / InGaAsP were used to fabricate SLDs, and the energy gap in the SLD crystal was controlled using “triangular” and “trapezoidal” grayscale patterns to achieve broadband SLD luminescence.

Чтобы СЛД имел высокую выходную мощность, нужно, чтобы устройство обладало большим коэффициентом оптического усиления, а следовательно, основной задачей является подавление моды лазерной генерации. Методы подавления подразделяются на две категории. Первый метод, именуемый методом активного подавления, сводится к использованию ненакачиваемого поглотителя, короткозамкнутого поглотителя и изогнутых волноводов. Второй метод, именуемый методом пассивного подавления, предусматривает использование непоглощающего окна, угловой полоски и просветляющего покрытия. В данном примере была применена комбинация активной области и ненакачиваемой поглощающей области, поскольку раньше этот метод показал хорошие результаты при изготовлении СЛД с высокими характеристиками.For an SLD to have a high output power, the device must have a large optical gain, and therefore, the main task is to suppress the laser generation mode. Suppression methods fall into two categories. The first method, called the active suppression method, boils down to the use of a non-pumped absorber, a short-circuited absorber, and curved waveguides. The second method, called the passive suppression method, involves the use of a non-absorbing window, a corner strip and an antireflection coating. In this example, a combination of the active region and the non-pumped absorption region was used, since earlier this method showed good results in the manufacture of high-performance SLDs.

На фиг.10 показана последовательность операций при изготовлении СЛД. Всего в процессе изготовления использовали три уровня масок. Первую маску использовали для формирования меток выравнивания. Вторая маска представляет собой полутоновую маску 10 для создания треугольных и трапецеидальных профилей 30, 31 (см. фиг.10). Третью маску использовали для формирования активного контактного окна 41 и секции поглотителя 42 (шаблон из полосок шириной 50 мкм для активной секции). Сначала сформировали метки выравнивания методом влажного травления материалов до третьего эпитаксиального слоя, т.е. верхней оболочки из InP, с использованием химических растворов. По окончании процесса травления образец покрыли слоем 12 из SiO₂ толщиной 0,95 мкм и нарастили в центрифуге слой 11 фоторезиста при скорости 3300 об/мин за 35 секунд до глубины 1,18 мкм. Затем структуру экспонировали УФ излучению через полутоновую маску 10 в течение 5,1 секунды (этап 200).Figure 10 shows the sequence of operations in the manufacture of SLD. In total, three levels of masks were used in the manufacturing process. The first mask was used to form alignment marks. The second mask is a grayscale mask 10 for creating triangular and trapezoidal profiles 30, 31 (see figure 10). The third mask was used to form the active contact window 41 and the absorber section 42 (a template of strips 50 μm wide for the active section). First, alignment marks were formed by wet etching the materials to the third epitaxial layer, i.e. top shell of InP using chemical solutions. At the end of the etching process, the sample was covered with a 0.95 μm thick SiO ₂ layer 12 and a photoresist layer 11 was grown in a centrifuge at a speed of 3300 rpm for 35 seconds to a depth of 1.18 μm. The structure was then exposed to UV radiation through a halftone mask 10 for 5.1 seconds (step 200).

Получив экспонированный шаблон резиста, выполнили РИТ (этап 210), чтобы перенести шаблон резиста в SiO₂ для формирования маски 13 имплантации.After receiving the exposed resist pattern, RITs were performed (step 210) to transfer the resist pattern to SiO ₂ to form the implant mask 13.

Подготовив шаблоны 13 переменной толщины из SiO₂, образцы подвергли имплантации (этап 220) при 200°С с дозой примеси Р, равной 1×10¹⁴ см^-2. Затем провели этап СКЯ при 590°С в течение 120 секунд при сохранении маски имплантации из SiO₂. После этого маску имплантации из SiO₂ удалили.Having prepared templates 13 of variable thickness from SiO ₂ , the samples were implanted (step 220) at 200 ° C with a dose of impurity P equal to 1 × 10 ¹⁴ cm ^-2 . Then, the CQW stage was carried out at 590 ° C for 120 seconds while maintaining the implantation mask from SiO ₂ . After that, the implantation mask from SiO _{2 was} removed.

На фиг.11 показан схематический вид отдельного готового СЛД 40. Заметим, что область 42 поглощающей секции, которая не подвергалась смешению, но подвергалась отжигу, является ненакачиваемой и не имеет никакого металлизированного контактного слоя на поверхности. Затем произвели нарезку образцов СЛД, чтобы оценить их характеристики.11 shows a schematic view of a separate finished SLD 40. Note that the region 42 of the absorbing section, which was not mixed but annealed, is non-pumped and does not have any metallized contact layer on the surface. Then, SLD samples were cut to evaluate their characteristics.

На фиг.12 показаны приведенные спектры двух типов СЛД, изготовленных при одном и том же токе накачки 2,5 А. В целом, СЛД с треугольным профилем имел более широкий спектр, чем СЛД с трапецеидальным профилем.Figure 12 shows the spectra of two types of SLDs fabricated at the same pump current of 2.5 A. In general, SLD with a triangular profile had a wider spectrum than SLD with a trapezoidal profile.

Claims

1. A method of manufacturing a photon integrated circuit containing a structure having a quantum well region, comprising a step of mixing quantum wells in said structure, said step of mixing quantum wells comprising the steps of forming a photoresist on said structure, for a single exposure, differently exhibit sections of said photoresist depending on the transmission of a grayscale mask, and the transmission of the said mask varies spatially depending on the required local degree of mixing of quantum wells, and then exhibit photoresist.

2. The method according to claim 1, in which said transmittance varies in accordance with a specific function.

3. The method according to claim 1 or 2, wherein said transmittance is substantially continuously variable over at least a portion of said halftone mask.

4. The method according to claim 1, in which said photoresist is formed on a masking layer.

5. The method according to claim 4, in which said masking layer is dielectric.

6. The method according to claim 4 or 5, further comprising the step of etching said structure with the developed photoresist in situ to provide a differently etched mask layer.

7. The method according to claim 6, in which the developed photoresist and the masking layer have essentially the same etching rate.

8. The method according to claim 1, further comprising the step of introducing impurities into said structure in a single ion implantation step.

9. The method of claim 8, wherein said impurities are introduced by means of a focused ion beam or diffusion of the impurity by an oven.

10. The method of claim 8 or 9, in which said impurities are implanted in a region remote from said quantum well structure.

11. The method according to claim 1, further comprising the step of irradiating said structure with plasma in order to introduce defects into said structure to stimulate subsequent mixing of quantum wells.

12. The method of claim 11, wherein said plasma is generated by electron cyclotron resonance.

13. The method according to claim 1, further comprising the step of annealing said structure.