專利名稱：制造光學(xué)器件的方法以及相關(guān)的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造光學(xué)器件的方法，并且雖然不限于但更加特別的涉及制造集成光學(xué)器件或光電器件，例如諸如激光二極管、光調(diào)制器、光放大器、光開關(guān)等的半導(dǎo)體光電器件。本發(fā)明還涉及包括此類器件的光電集成電路(OEIC)和光子集成電路(PIC)。
背景技術(shù)：
量子阱混雜(Quantum Well IntermixingQWI)是一種已被報(bào)道為提供了實(shí)現(xiàn)單片光電集成的可行路線的工藝。QWI可在III/V族半導(dǎo)體材料中進(jìn)行，例如鋁鎵砷(AlGaAs)和銦鎵砷磷(InGaAsP)，該半導(dǎo)體材料可生長于二元襯底上，例如砷化鎵(GaAs)或磷化銦(InP)。QWI通過量子阱與相關(guān)壘層的元素的相互擴(kuò)散改變了所生長結(jié)構(gòu)的帶隙，從而產(chǎn)生了其組成成分的合金。該合金具有比所生長的QW的大的帶隙。因此，產(chǎn)生于未發(fā)生QWI的QW中的光輻射(發(fā)光)可穿過對(duì)所述光輻射實(shí)際上透明的QWI或合金混雜區(qū)。
文獻(xiàn)中已報(bào)道了各種QWI技術(shù)。例如，可通過將諸如鋅的元素的高溫?cái)U(kuò)散入包括QW的半導(dǎo)體材料來進(jìn)行QWI。
QWI還可通過將諸如硅的元素注入至QW半導(dǎo)體材料中來進(jìn)行。在此技術(shù)中，注入元素在半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生點(diǎn)缺陷，其通過高溫退火步驟穿過在QW中引入混雜的半導(dǎo)體材料移動(dòng)。
此QWI技術(shù)已在“Applications of Neutral Impurity Disordering inFabricating Low-Loss Optical Waveguides and Integrated Waveguide Devices”，Marsh et al，Optical and Quantum Electronics 23，1991，s941-s957中報(bào)道，其作為參考在里引述。
此類技術(shù)的問題在于，雖然QWI將在生長后改變(增大)半導(dǎo)體材料的帶隙，但殘留的擴(kuò)散或注入雜質(zhì)會(huì)由于這些雜質(zhì)元素的自由載流子吸收系數(shù)而引入較大的損失。
無雜質(zhì)空位擴(kuò)散(Impurity Free Vacancy Diffusion)是又一種報(bào)道為提供混雜的QWI技術(shù)。在進(jìn)行IFVD時(shí)，III/V族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂帽層(top caplayer)通常為砷化鎵或銦鎵砷(InGaAs)。在頂層上沉積氧化硅(SiO2)薄膜。接著對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行快速熱退火，使半導(dǎo)體合金中的成鍵斷開，并使可被氧化硅(SiO2)接受的鎵離子或原子擴(kuò)散入氧化硅中，從而在帽層中留下空位。隨后，空位穿過半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)擴(kuò)散，例如在QW結(jié)構(gòu)中引入層混雜。
IFVD 已在“Quantitative Model for the Kinetics of CompositionalIntermixing in GaAs-AlGaAs Quantum-Confined Heterostructures”，by Helmy etal，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol 4，No 4，July/August 1998，pp 653-660中報(bào)道，其作為參考在里引述。
所報(bào)道的QWI，具體地對(duì)于IFVD法，存在大量的缺點(diǎn)，例如鎵從半導(dǎo)體材料向氧化硅(SiO2)薄膜擴(kuò)散的溫度。
本發(fā)明至少一個(gè)方面的目的在于消除或至少減輕前述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)/問題中的至少一個(gè)。
本發(fā)明至少一個(gè)方面的目的還在于提供并改善使用改善的QWI工藝制造光學(xué)器件的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種制造光學(xué)器件的方法，該器件是從一包括量子阱(QW)結(jié)構(gòu)的器件基體部分制得的，該方法包括步驟沉積一介電層于該器件基體部分的表面的至少一部分上，從而將結(jié)構(gòu)缺陷至少引入該器件基體部分的與該介電層鄰近的部分。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造光學(xué)器件的方法，該器件是從一包括量子阱(QW)結(jié)構(gòu)的器件基體部分制得的，該方法包括步驟在該器件基體部分的表面的至少一部分上進(jìn)行等離子體蝕刻，從而將結(jié)構(gòu)缺陷至少引入該器件基體部分的與該表面層鄰近的部分，接著用一介電層覆蓋該蝕刻過的表面。
該結(jié)構(gòu)缺陷可包括點(diǎn)缺陷。
優(yōu)選并且有利地，該等離子體蝕刻和該介電層的沉積通過濺射進(jìn)行。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該介電層是通過使用雙極濺射器的濺射沉積的。
該介電層優(yōu)選主要包括氧化硅(SiO2)，或可包括另一介電材料，如氧化鋁(Al2O3)。
優(yōu)選，該濺射器包括一反應(yīng)室，該反應(yīng)室中可主要填充以惰性氣體，如優(yōu)選壓強(qiáng)在約2微米Hg的氬氣，或例如比例為90％/10％的氬氣和氧氣的混合物。
該沉積介電層的步驟可包括部分的用于該器件的制造的量子阱混雜(QWI)工藝。
該QWI工藝可包括無雜質(zhì)空位擴(kuò)散(IFVD)。
優(yōu)選，該制造方法還包括在升高的溫度下將包括該介電層的器件基體部分退火的后續(xù)步驟。
令人驚訝的是，通過利用濺射的、在諸如IFVD的QWI技術(shù)中采用的在介電層的沉積前蝕刻半導(dǎo)體表面，損傷引入的點(diǎn)缺陷被引入了器件基體部分與介電帽層鄰近的部分中；該部分可，例如，包括頂或“帽”層。應(yīng)理解在退火之前，帽層中就已經(jīng)由于成鍵的破壞而產(chǎn)生了損傷，從而加速了鎵和/或銦從帽層向介電層中的輸運(yùn)。
優(yōu)選該制造方法還包括前面的步驟設(shè)置一襯底；在該襯底上生長一第一光學(xué)覆層、一包括一量子阱(QW)結(jié)構(gòu)的芯導(dǎo)層和一第二光學(xué)覆層。
該第一光學(xué)覆層、芯導(dǎo)層和第二覆層可通過分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)生長。
在第一實(shí)施例中，該方法還可包括在該器件基體部分的表面上的光致抗蝕劑層中限定出圖案、進(jìn)行蝕刻并隨后沉積介電層和剝落光致抗蝕劑從而在所述器件基體部分的表面的至少一部分上設(shè)置介電層的步驟。
在所述第一實(shí)施例中，該方法還包括在退火前，在該器件基體部分的表面上和該預(yù)蝕刻的介電層的表面上沉積另外的介電層的步驟，優(yōu)選無需等離子體蝕刻過程，而采用濺射以外的技術(shù)，例如等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)。
在第二實(shí)施例中，該方法可包括沉積另外的介電層，然后進(jìn)行襯底蝕刻并沉積介電層的步驟。
在所述第一和第二實(shí)施例中，覆蓋前面蝕刻過的層的該介電層可包括一混雜帽層；該另外的介電層可包括一混雜抑制帽層。
該等離子體蝕刻通常持續(xù)時(shí)間在0.5至10分鐘之間，并且該覆蓋介電層的厚度可在10納米至幾百個(gè)納米之間。
該退火步驟可發(fā)生于約650℃至850℃之間的溫度，進(jìn)行約0.5至5分鐘并且在一個(gè)實(shí)施例中基本上為800℃持續(xù)約1分鐘。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種制造光學(xué)器件的方法，該器件是從一包括量子阱(QW)結(jié)構(gòu)的器件基體部分制得的，該方法包括通過濺射在該器件基體部分的表面的至少一部分上沉積一介電層的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種從根據(jù)本發(fā)明的第一或第二方面的方法制造的光學(xué)器件。
該光學(xué)器件可以是集成光學(xué)器件或光電器件。
該器件基體部分可在III/V族半導(dǎo)體材料體系中制得。
在一個(gè)實(shí)施例中，該III/V族半導(dǎo)體材料體系可為砷化鎵(GaAs)基體系，并且因此可工作于范圍在600至1300nm內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)波長?；蛘?，在優(yōu)選實(shí)施例中，該III/V族半導(dǎo)體材料體系可為磷化銦基體系，并且因此可工作于范圍在1200至1700nm內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)波長。該器件基體部分可至少部分地由鋁鎵砷(AlGaAs)、銦鎵砷(InGaAs)、銦鎵砷磷(InGaAsP)、銦鎵鋁砷(InGaAlAs)和/或銦鎵鋁磷(InGaAlP)制得。
該器件基體部分可包括一襯底，在該襯底上設(shè)置有一第一光學(xué)覆層、一芯導(dǎo)層和一第二光學(xué)覆層。
優(yōu)選該量子阱(QW)結(jié)構(gòu)設(shè)置于該芯導(dǎo)層內(nèi)。
該芯導(dǎo)層生長為具有比該第一和第二光學(xué)覆層更小的帶隙和更高的折射率。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種光學(xué)集成電路、光電集成電路(OEIC)或光子集成電路(PIC)，其包括至少一個(gè)根據(jù)本發(fā)明第三方面的光學(xué)器件。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種使用于根據(jù)本發(fā)明的第一或第二方面的方法中時(shí)的器件基體部分(“樣品”)。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供一種使用于根據(jù)本發(fā)明的第一或第二方面的方法時(shí)的材料的晶片，該材料包括至少一個(gè)器件基體部分。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，提供一種使用于根據(jù)本發(fā)明的第二方面的方法時(shí)的濺射設(shè)備。
優(yōu)選該濺射設(shè)備為雙極濺射器。
根據(jù)本發(fā)明的第八方面，提供在根據(jù)本發(fā)明的第一或第二方面的方法中的濺射設(shè)備的使用。


下面將參照附圖僅以示例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中圖1為生長所得的器件基體部分的側(cè)視圖，其用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)器件的制造方法；圖2為從圖1的器件基體部分制造得到的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)器件的側(cè)視圖；圖3為圖1的器件基體部分的一部分的帶隙能量的示意圖，該部分包括其中具有量子阱的芯層；圖4為與圖3類似的示意圖，其示出了當(dāng)量子阱混雜時(shí)圖2的光學(xué)器件的對(duì)應(yīng)部分的帶隙能量；圖5(a)至5(f)為在圖2的光學(xué)器件的方法的制造的各個(gè)步驟期間的一系列的器件基體部分的示意側(cè)視圖；圖6為用于在圖5(c)所示的介電層沉積步驟期間在圖5(a)至5(f)的器件基體部分上沉積介電層的雙極濺射設(shè)備的示意說明；以及圖7(a)和(b)為在圖5(f)所示的退火步驟前和后，圖5(a)至5(f)的器件基體部分的更加詳細(xì)的示意側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
首先參照?qǐng)D1，其示出了生長所得的用于根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光學(xué)器件的制造方法的器件基體部分(device body portion)(通常表示為5)。該光學(xué)器件為集成光學(xué)器件或光電器件。
器件基體部分5適于在諸如砷化鎵(GaAs)的III/V族半導(dǎo)體材料體系中制得，并且因此工作于600至1300nm范圍內(nèi)的一個(gè)或更多個(gè)波長?；蛘?，并且是有利的，該器件基體部分在磷化銦(InP)半導(dǎo)體體系中制得，并且因此工作于1200至1700nm范圍內(nèi)的一個(gè)或更多個(gè)波長。器件基體部分5可至少部分地由鋁鎵砷(AlGaAs)、銦鎵砷(InGaAs)、銦鎵砷磷(InGaAsP)、銦鋁鎵砷(InAlGaAs)和/或銦鎵鋁磷(InGaAlP)制成。在此描述的第一實(shí)施例中，器件基體部分由AlGaAs制成。
器件基體部分5可連同多個(gè)其它可能的類似光學(xué)器件一起形成半導(dǎo)體晶片的一部分(見圖1)，該些其它可能的類似光學(xué)器件可在工藝完成后從晶片上切下。器件基體部分5包括襯底10，其上設(shè)置有第一光學(xué)覆層15、芯導(dǎo)層(core guiding layer)20和第二光學(xué)覆層25。包括至少一個(gè)量子阱的量子阱(QW)結(jié)構(gòu)30通過生長設(shè)置在芯導(dǎo)層20內(nèi)。在第二光學(xué)覆層25上設(shè)置了帽層35。
應(yīng)該注意，生長所得的芯導(dǎo)層20具有比第一和第二光學(xué)覆層15和25更小的帶隙和更高的折射率。
參照?qǐng)D2，其示出了由40表示的光學(xué)器件，該光學(xué)器件從圖1的器件基體部分5通過將在下面詳細(xì)介紹的方法制造。由圖2可見，器件40包括有源區(qū)45和無源區(qū)50。在本實(shí)施例中，有源區(qū)45包括量子阱(QW)放大器。然而，應(yīng)理解的是在其它實(shí)施例中，有源區(qū)45包括激光器、調(diào)制開關(guān)、探測(cè)器或類似的有源(電控)光學(xué)器件。另外，無源區(qū)50包括低損耗波導(dǎo)，其中量子阱結(jié)構(gòu)30至少部分地通過將在下面更詳細(xì)介紹的量子阱混雜(QWI)技術(shù)移除。
器件40的有源區(qū)45的芯層20與無源區(qū)50的芯層20的波導(dǎo)區(qū)之間良好對(duì)齊，并且在有源區(qū)45與無源區(qū)50之間具有基本可以忽略的反射系數(shù)(10-6量級(jí))。另外，有源區(qū)45與無源區(qū)50之間的模式匹配對(duì)于器件40是固有的。
通常，將襯底10n型摻雜至第一濃度，而將第一覆層15n型摻雜至第二濃度。另外，芯層20通?；緸楸菊鞑牧?，而將第二覆層25p型摻雜至第三濃度。另外，將帽層(或接觸層)35p型摻雜至第四濃度。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，帽層35和第二覆層25在光學(xué)有源區(qū)45和光學(xué)無源區(qū)50中都可蝕刻成脊形(未示出)，該脊形起到了限制光學(xué)模式于芯層20內(nèi)的作用。另外，接觸金屬部分(未示出)可形成于光學(xué)有源區(qū)45內(nèi)的該脊形的頂面的至少一部分上，并且還形成于襯底10的相對(duì)面上，如現(xiàn)有技術(shù)已知。
應(yīng)注意到的是，器件40可包括部分的可構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)此類器件40的光學(xué)集成電路、光電集成電路(OEIC)或光子集成電路(PIC)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，其示出了生長所得的器件基體部分5的芯層20內(nèi)的量子阱結(jié)構(gòu)30的量子阱31的帶隙能量的示意說明。由圖3可見，AlGaAs芯層20包括至少一個(gè)量子阱31，而量子阱結(jié)構(gòu)30具有比周圍的芯層20低的鋁組份，使得量子阱結(jié)構(gòu)30的帶隙能量小于周圍AlGaAs芯層20的帶隙能量。量子阱結(jié)構(gòu)30通常為大約3至20nm厚，并且更加典型的為約10nm厚。
應(yīng)理解的是，圖3的描述經(jīng)過適當(dāng)?shù)男薷囊部蓱?yīng)用于具有InGaAsP芯層的體系或其它任何前面已經(jīng)討論過的III/V族體系。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4，其示出了如圖3中的芯層20的對(duì)應(yīng)部分32，但是其已經(jīng)進(jìn)行了量子阱混雜(QWI)，使得與量子阱結(jié)構(gòu)30的量子阱31相對(duì)應(yīng)的部分32的帶隙能量(meV)明顯增大。因此量子阱混雜基本上將量子阱結(jié)構(gòu)30從芯層20“清除(washing out)”。圖4中示出的部分涉及了器件40的無源區(qū)50。可以理解，從器件40的光學(xué)有源區(qū)45透射或產(chǎn)生于其內(nèi)的光輻射將透過由無源區(qū)50的芯層20的量子阱混雜(QWI)區(qū)32提供的低損耗波導(dǎo)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5(a)至(f)，其說明了根據(jù)本發(fā)明，從包括量子阱(QW)結(jié)構(gòu)30的器件基體部分5制造光學(xué)器件40的方法的第一實(shí)施例，該方法包括步驟(見圖5(b)至(d))進(jìn)行等離子體蝕刻，并隨后在器件基體部分5的表面52的至少一部分上沉積介電層51，從而將點(diǎn)缺陷引入到與介電層51鄰近的器件基體部分5的部分53中。
制造方法的開始是設(shè)置襯底10，在襯底10上生長第一光學(xué)覆層15、包括至少一個(gè)量子阱(QW)30的芯導(dǎo)層20、第二光學(xué)覆層25和帽層35。
可通過已知的半導(dǎo)體外延生長技術(shù)(諸如分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(MOCVD))生長第一光學(xué)覆層15、芯導(dǎo)層20、第二光學(xué)覆層25和帽層35。一旦生長了器件基體5(通常是作為包括多個(gè)此類器件基體部分5的晶片(未示出)的一部分)，可在器件基體部分5的表面52上的光致抗蝕劑(PR)55中定義出圖案。
在表面52上沉積介電層51之前在表面上進(jìn)行等離子體蝕刻，并且剝落光致抗蝕劑55，從而在器件基體部分5的表面52的所述至少一部分上留下介電層51。從圖5(c)和5(d)中可見，在器件基體部分5的表面52的至少一部分上進(jìn)行等離子體蝕刻和/或在其上沉積介電層51導(dǎo)致了帽層35的區(qū)域53中的局部化損傷，并向帽層35中引入了點(diǎn)缺陷。
暫時(shí)地參照?qǐng)D6，等離子體蝕刻和沉積介電層51受到了濺射(sputtering)的影響，并且在本實(shí)施例中，蝕刻和介電層51的沉積是通過使用雙極濺射設(shè)備(表示為65)的濺射進(jìn)行的。介電層51主要包括氧化硅(SiO2)，但也可調(diào)整為包括諸如氧化鋁(Al2O3)的其它介電材料。
由圖6可見，濺射設(shè)備65包括反應(yīng)室70，反應(yīng)室70使用為基本由諸如氬氣的惰性氣體填充，優(yōu)選惰性氣體在反應(yīng)室70中的壓強(qiáng)約為2微米Hg。濺射器65還包括RF源75，RF源75可以(a)為了介電層的沉積而與雙極濺射器65的靶電極(陰極)80連接，或者(b)為了器件基體部分的等離子體蝕刻而與襯底電極85連接。
氧化硅靶81設(shè)置在靶電極(陰極)80上，而器件基體部分5(在晶片82上)設(shè)置在濺射器65的襯底電極(陽極)85上。使用中，如圖6可見，氬等離子體86產(chǎn)生于陰極80與陽極85之間，而第一和第二暗區(qū)90和95分別設(shè)置于氧化硅靶81與氬等離子體86之間和氬等離子體與器件基體部分5之間。
等離子體蝕刻半導(dǎo)體表面和沉積介電層51的步驟包括部分的在器件40的制造中使用的量子阱混雜(QWI)工藝，QWI工藝包括(在優(yōu)選實(shí)施例中)無雜質(zhì)空位擴(kuò)散(IFVD)技術(shù)。令人驚訝的是，通過利用濺射器65濺射的諸如IFVD的用于QWI技術(shù)的等離子體蝕刻半導(dǎo)體表面并隨后沉積介電層51，損傷引入的缺陷被引入了與介電層51相鄰的器件基體部分5的部分53中，部分53在此情況下包括部分的帽層35。應(yīng)理解在例如通過快速熱退火施加熱能的退火(將在下文中描述)之前，損傷就破壞了帽層35中的成鍵，從而加速了鎵和/或銦從帽層35向介電層51中的輸運(yùn)。
介電層51的厚度通常在10至1000nm之間，并且通常為200nm或300nm。制造方法還包括圖5(e)所示的在退火前于器件基體51的表面52上和介電層51的表面上沉積另外的介電層60的另外的步驟。另外的介電層60在沒有預(yù)備等離子體蝕刻的條件下沉積，并且優(yōu)選采用除雙極濺射以外的技術(shù)，并且優(yōu)選采用濺射性質(zhì)以外的技術(shù)，例如等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)。
因此密封等離子體蝕刻層的介電層51包括混雜帽層，而另外的介電層60則包括混雜抑制帽層。該混雜抑制帽層用于防止表面52吸附砷和/或磷。本發(fā)明也可以在沒有該混雜抑制帽層的情況下實(shí)現(xiàn)，但表面52的質(zhì)量可能會(huì)不優(yōu)。
如圖5(f)所示，在沉積了另外的介電層60后，在升高的溫度下對(duì)包括介電層51和另外的介電層60的器件基體部分進(jìn)行退火。退火過程包括快速熱退火過程，退火溫度在大約700℃至1000℃下，或者更加優(yōu)選地在650℃至850℃下，進(jìn)行0.5至5分鐘，并且在一次實(shí)施中，在約800℃下進(jìn)行約1分鐘。
圖5(f)的退火步驟的動(dòng)作在圖7(a)和(b)中用圖表示出。由圖7(a)和(b)可見，退火步驟導(dǎo)致了鎵和/或銦從帽層35向混雜帽層，即介電層51“外擴(kuò)散”。然而，帽層35的位于抑制帽層以下的部分，即另外的介電層60則未經(jīng)受鎵和/或銦的“外擴(kuò)散”。帽層35的位于混雜帽層區(qū)域內(nèi)的部分，即介電帽層51如圖7(b)所示經(jīng)受了鎵和/或銦的外擴(kuò)散。鎵和/或銦的外擴(kuò)散留下空位，其后空位由帽層35通過第二覆層25移動(dòng)至芯層20中，并進(jìn)而到達(dá)量子阱結(jié)構(gòu)30，從而改變了量子阱(QW)結(jié)構(gòu)30的有效帶隙，并明顯清除了(washing-out)混雜帽層以下的量子阱結(jié)構(gòu)30的量子阱。
應(yīng)注意的是，混雜帽層，即密封了等離子體蝕刻表面52的介電層51，設(shè)置在將要形成于器件40中的無源區(qū)50的區(qū)域中，而抑制帽層，即另外的介電層60設(shè)置在諸如將要形成于器件5上的光學(xué)有源區(qū)45的區(qū)域中的器件基體部分5上，該區(qū)域沒有量子阱混雜(QWI)。
一旦器件基體部分5被處理到了圖5(f)的狀態(tài)，并被退火后，可通過傳統(tǒng)方法，例如濕法或干法蝕刻移除介電層51和另外的介電層60。
示例下面是在根據(jù)本發(fā)明的光電器件制造方法中采用的IFVD在生長在磷化銦(InP)襯底上的長波長鋁合金，例如銦鋁鎵砷(InAlGaAs)或銦鎵砷磷(InGaAsP)中獲得的典型帶隙變化。
介電層51的沉積需要配置有量級(jí)在50至100nm的靶-襯底電極(板)間隔的濺射反應(yīng)室。靶電極80和襯底電極85都配置成基本為八英寸的圓盤。使用在此示例中用于濺射蝕刻和沉積的氣體通常為氬氣，但是也可以使用其它適用的惰性氣體，并且可向氬等離子體86中加入少量的氧氣，例如約10％的體積，從而改善所沉積的介電層51的論量(stoichiometry)。本方法中使用的介電材料通常為氧化硅(SiO2)，但是也可使用諸如氧化鋁(Al2O3)的其它介電材料。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本方法中，反應(yīng)室70中的壓強(qiáng)范圍優(yōu)選在1至5微米Hg之間。對(duì)于下表1中示出的濺射蝕刻RF功率值，是在包括至少一個(gè)器件基體部分5的半導(dǎo)體晶片表面52上進(jìn)行一分鐘的濺射蝕刻。隨后沉積的介電膜45的厚度為從10至幾百個(gè)nm。表1中的帶隙移動(dòng)情況說明了在InGaAs-InAlGaAs QW結(jié)構(gòu)30中在800℃下進(jìn)行1分鐘的退火所得到的帶隙移動(dòng)。
表1

表1說明蝕刻半導(dǎo)體52的表面，接著再覆蓋以濺射的氧化硅使得與非濺射氧化硅(SiO2)相比，混雜被加強(qiáng)，并且還說明了預(yù)蝕刻濺射的氧化硅(SiO2)的效力隨著濺射蝕刻期間所用RF功率的增大而增加。
來自等離子體蝕刻InGaAs-InGaAsP QW結(jié)構(gòu)的表面53，接著再沉積濺射SiO2層51的進(jìn)一步的數(shù)據(jù)在表2中反映。表2中示出了兩種濺射蝕刻功率，伴隨著兩種濺射壓強(qiáng)設(shè)置，每個(gè)對(duì)應(yīng)了對(duì)包括至少一個(gè)器件基體部分5的半導(dǎo)體表面52的一分鐘的濺射蝕刻。隨后沉積的介電膜51的厚度為從10至幾百個(gè)nm。表2中的帶隙移動(dòng)情況說明了在InGaAs-InGaAsP QW結(jié)構(gòu)30中在700℃下進(jìn)行1分鐘的退火所得到的帶隙移動(dòng)。
表2

表2再次說明了蝕刻半導(dǎo)體的表面52，接著再覆蓋以濺射的氧化硅51使得與非濺射氧化硅(SiO2)相比，混雜被加強(qiáng)，并且還說明了預(yù)蝕刻濺射的氧化硅(SiO2)的效力對(duì)于低功率蝕刻并不明顯依賴于壓強(qiáng)，而對(duì)于較高功率蝕刻則依賴于壓強(qiáng)，效力隨著濺射壓強(qiáng)的增大而減小。表2還說明了同InGaAs-InAlGaAs QW材料相比，InGaAs-InGaAsP QW材料的較低的熱穩(wěn)定性，即對(duì)于給定的濺射蝕刻功率，可在降低的退火溫度下獲得更大的移動(dòng)。
在根據(jù)本發(fā)明的制造光學(xué)器件40的方法的第二實(shí)施例中，為了處理晶片以得到多于一個(gè)帶隙，在晶片上沉積了PECVD SiO2薄膜，以提供另外的介電層60。然后使用光刻技術(shù)，在PECVD SiO2的頂面上描繪出圖案?？稍偻ㄟ^濕法或干法蝕刻將圖案轉(zhuǎn)移至PECVD(SiO2)中。
然后在圖案化的PECVD(SiO2)的頂上保留圖案化的光致抗蝕劑(PR)，并且隨后將樣品/晶片放置在用于等離子體蝕刻未覆蓋表面52并接著沉積介電層51的濺射設(shè)備65中。沉積后，將樣品浸入丙酮中，并且在“剝落”過程中去掉光致抗蝕劑上的濺射SiO2。
現(xiàn)在在適當(dāng)?shù)臏囟认?650至850℃)進(jìn)行所需時(shí)間周期(0.5至5分鐘)的快速熱退火。這使得產(chǎn)生在表面52的點(diǎn)缺陷通過器件基體部分5傳播，并導(dǎo)致了元素的相互擴(kuò)散。
應(yīng)理解，此前描述的本發(fā)明的實(shí)施例僅是以示例的方式給出，而不應(yīng)對(duì)本發(fā)明的范圍構(gòu)成任何限制。
特別應(yīng)該理解的是，被引入與濺射介電層51相鄰的半導(dǎo)體器件基體部分5中的損傷會(huì)導(dǎo)致二次電子和軟X射線形式的離子和/或輻射轟擊的增強(qiáng)。對(duì)半導(dǎo)體器件基體部分5或晶片82的表面50的損傷，可在濺射設(shè)備65中通過各種方式引入，采用的有效方法為沉積反應(yīng)室70中的雙極構(gòu)造。
使用雙極構(gòu)造同更常用的磁控管機(jī)械設(shè)置(magnetron machinearrangement)相比還可以允許對(duì)器件基體部分5(或“樣品”)的更多的輻射損傷，在磁控管機(jī)械設(shè)置中，磁體產(chǎn)生了被認(rèn)為可以停止粒子從介電靶81向設(shè)置在半導(dǎo)體材料晶片82上的器件基體部分5的遷移的高局域場(chǎng)。
還應(yīng)理解的是，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)器件可包括諸如脊或埋入式異質(zhì)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)，或其它任何適用的波導(dǎo)。
還應(yīng)理解量子阱混雜(QWI)區(qū)域可包括光學(xué)有源器件。
另外，令人滿意的是包括使用幾個(gè)RF功率的后續(xù)工藝可用于提供具有幾個(gè)不同QWI帶隙的器件。
權(quán)利要求
1.一種制造光學(xué)器件的方法，該器件是從一包括量子阱混雜(QWI)結(jié)構(gòu)的器件基體部分制得的，該方法包括步驟在該器件基體部分的表面的至少一部分上進(jìn)行等離子體蝕刻，從而將結(jié)構(gòu)缺陷至少引入該器件基體部分與該表面鄰近的部分；以及接著用一介電層覆蓋該蝕刻過的表面。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該結(jié)構(gòu)缺陷主要包括點(diǎn)缺陷。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中該等離子體蝕刻通過濺射進(jìn)行。
4.如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該介電層是通過濺射沉積的。
5.如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，還包括在所述等離子體蝕刻和覆蓋的步驟之后將該器件退火的步驟。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中該退火步驟包括快速熱退火。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該退火步驟采用650℃至850℃之間的溫度，進(jìn)行0.5至5分鐘之間的時(shí)間。
8.如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該介電層從氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)中選取。
9.如權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的方法，其中該濺射步驟在主要填充以惰性氣體的反應(yīng)室中進(jìn)行。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該惰性氣體從氬氣和氬氣與氧氣的混合物中選取。
11.如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該等離子體蝕刻的步驟和該沉積介電層的步驟包括部分的在該器件的制造中使用的量子阱混雜(QWI)工藝。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該QWI工藝包括無雜質(zhì)空位擴(kuò)散(IFVD)。
13.如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該方法還包括前面的步驟設(shè)置一襯底；在該襯底上生長一第一光學(xué)覆層；一芯導(dǎo)層，該芯導(dǎo)層包括一量子阱混雜(QWI)的阱結(jié)構(gòu)；以及一第二光學(xué)覆層。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中該第一光學(xué)覆層、芯導(dǎo)層和第二覆層通過從如下技術(shù)中選取的生長技術(shù)生長分子束外延(MBE)外延(MBE)和金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)。
15.如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，還包括在該器件基體部分的表面上的光致抗蝕劑層中限定出圖案、在沉積該介電層和剝落光致抗蝕劑以前蝕刻未被覆蓋的器件基體部分從而在所述器件基體部分的表面的至少一部分上設(shè)置介電層的步驟。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括在退火前，在該器件基體部分的表面上和該預(yù)蝕刻的介電層的表面上沉積另外的介電層的步驟，該另外的介電層是通過除濺射以外的技術(shù)沉積的。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中該其它的技術(shù)包括等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)。
18.如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該帽層起混雜帽層的作用，并且該方法還包括在該器件的除被蝕刻的和被覆蓋的層以外的區(qū)域中沉積另外的介電層的步驟，該另外的介電層起混雜抑制層的作用。
19.如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中等離子體蝕刻過程持續(xù)時(shí)間在0.5至20分鐘之間。
20.如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該介電層的厚度在約10至幾百個(gè)nm。
21.一種制造光學(xué)器件的方法，該器件是從一包括量子阱混雜(QWI)的阱結(jié)構(gòu)的器件基體部分制得的，該方法包括步驟通過濺射在該器件基體部分的表面的至少一部分上進(jìn)行等離子體蝕刻并沉積一介電層。
22.一種光學(xué)器件，通過根據(jù)前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求的方法制造。
23.如權(quán)利要求22所述的光學(xué)器件，其中該光學(xué)器件從集成光學(xué)器件和光電器件中選取。
24.如權(quán)利要求22或23中所述的光學(xué)器件，其中該器件基體部分是在III/V族半導(dǎo)體材料體系中制得。
25.如權(quán)利要求24所述的光學(xué)器件，其中該III/V族半導(dǎo)體材料體系為砷化鎵(GaAs)基體系，并且該器件工作于范圍在600至1300nm內(nèi)的至少一個(gè)波長。
26.如權(quán)利要求24或25所述的光學(xué)器件，其中該III/V族半導(dǎo)體材料體系為磷化銦基體系，并且該器件工作于范圍在1200至1700nm內(nèi)的至少一個(gè)波長。
27.如權(quán)利要求22至26中的任意一項(xiàng)所述的光學(xué)器件，其中該器件基體部分至少部分地由鋁鎵砷(AlGaAs)、銦鎵砷(InGaAs)、銦鎵砷磷(InGaAsP)、銦鎵鋁砷(InGaAlAs)和/或銦鎵砷磷(InGaAlP)制得。
28.如權(quán)利要求22至27中的任意一項(xiàng)所述的光學(xué)器件，其中該器件基體部分包括一襯底，在該襯底上設(shè)置有一第一光學(xué)覆層、一芯導(dǎo)層和一第二光學(xué)覆層。
29.如權(quán)利要求28所述的光學(xué)器件，其中該量子阱混雜(QWI)結(jié)構(gòu)設(shè)置于該芯導(dǎo)層內(nèi)。
30.如權(quán)利要求28或29所述的光學(xué)器件，其中該芯導(dǎo)層生長為具有比該第一和第二光學(xué)覆層更小的帶隙和更高的折射率。
31.一種光學(xué)集成電路、光電集成電路(OEIC)或光子集成電路(PIC)，其包括至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求22的光學(xué)器件。
32.一種光學(xué)器件的制造方法，該器件是從一包括量子阱混雜(QWI)結(jié)構(gòu)的器件基體部分制得的，該方法包括步驟沉積一介電層于該器件基體部分的表面的至少一部分上，從而將結(jié)構(gòu)缺陷至少引入該器件基體部分的與該介電層鄰近的部分。
33.一種光學(xué)器件的制造方法，如在說明書中參照附圖所介紹的。
34.一種光學(xué)器件，如在說明書中參照附圖所介紹的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制造光學(xué)器件(例如，半導(dǎo)體光電器件，如激光二極管、光調(diào)制器、光放大器、光開關(guān)等)的方法。本發(fā)明還公開了一種包括此類器件的光電集成電路(OEIC)和光子集成電路(PIC)。根據(jù)本發(fā)明，提供一種制造光學(xué)器件(40)的方法，該器件(40)是從一包括量子阱混雜(QWI)結(jié)構(gòu)(30)的器件基體部分(15)制得的，該方法包括步驟在該器件基體部分(5)上沉積介電層(51)以前，等離子體蝕刻該器件基體部分(5)的表面的至少一部分，從而將結(jié)構(gòu)缺陷至少引入該器件基體部分(5)的與該介電層(51)鄰近的部分(53)中。該結(jié)構(gòu)缺陷主要包括“點(diǎn)”缺陷。
文檔編號(hào)H01S5/34GK1488163SQ0280402
公開日2004年4月7日 申請(qǐng)日期2002年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月23日
發(fā)明者克雷格·J·漢密爾頓, 奧利克·P·科沃爾斯基, 約翰·H·馬什, 斯圖爾特·D·麥克杜格爾, P 科沃爾斯基, H 馬什, 克雷格 J 漢密爾頓, 特 D 麥克杜格爾 申請(qǐng)人:格拉斯哥大學(xué)理事會(huì)