способ изготовления фотонной интегральной схемы

Формула изобретения

1. Способ изготовления фотонной интегральной схемы, содержащей структуру, имеющую область квантовой ямы, включающий в себя этап смешения квантовых ям в упомянутой структуре, причем упомянутый этап смешения квантовых ям содержит этапы, на которых формируют фоторезист на упомянутой структуре, за единственное экспонирование различным образом экспонируют участки упомянутого фоторезиста в зависимости от пропускания полутоновой маски, причем пропускание упомянутой маски пространственно варьируется в зависимости от необходимой локальной степени смешения квантовых ям, а затем проявляют фоторезист.

2. Способ по п.1, в котором упомянутое пропускание варьируется в соответствии с определенной функцией.

3. Способ по п.1 или 2, в котором упомянутое пропускание является, по существу, непрерывно варьируемым на протяжении по меньшей мере части упомянутой полутоновой маски.

4. Способ по п.1, в котором упомянутый фоторезист формируют на маскирующем слое.

5. Способ по п.4, в котором упомянутый маскирующий слой является диэлектрическим.

6. Способ по п.4 или 5, дополнительно содержащий этап травления упомянутой структуры с проявленным фоторезистом in situ для обеспечения различным образом протравленного маскирующего слоя.

7. Способ по п.6, в котором проявленный фоторезист и маскирующий слой обладают, по существу, одинаковой скоростью травления.

8. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап введения примесей в упомянутую структуру за один этап имплантации ионов.

9. Способ по п.8, в котором упомянутые примеси вводят посредством сфокусированного ионного пучка или диффузии примеси с помощью печи.

10. Способ по п.8 или 9, в котором упомянутые примеси имплантируют в область, удаленную от упомянутой структуры квантовой ямы.

11. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап облучения упомянутой структуры плазмой для того, чтобы ввести дефекты в упомянутую структуру для стимулирования последующего смешения квантовых ям.

12. Способ по п.11, в котором упомянутую плазму генерируют посредством электронного циклотронного резонанса.

13. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап отжига упомянутой структуры.

Описание изобретения к патенту

Предпосылки изобретения

Монолитная интеграция нескольких оптоэлектронных приборов в оптоэлектронных интегральных схемах (ОЭИС) и фотонных интегральных схемах (ФИС) представляет значительный интерес в связи с развитием систем связи.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Сущность изобретения

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.

Предпочтительно, оптическое пропускание оптической маски варьируется в соответствии с определенной функцией. Эта функция обычно зависит от необходимой степени смешения квантовых ям.

В предпочтительном варианте осуществления оптическое пропускание варьируется по существу непрерывно на протяжении по меньшей мере части маски.

Предпочтительно, фоторезист формируют на маскирующем слое, который предпочтительно является диэлектрическим.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап травления структуры с проявленным фоторезистом in situ для обеспечения различным образом протравленного маскирующего слоя.

Более предпочтительным является вариант, когда проявленный фоторезист и маскирующий слой обладают по существу одинаковой скоростью травления.

В одном варианте осуществления способ дополнительно содержит этап введения примесей в структуру за один этап имплантации ионов.

Альтернативные варианты примесно-стимулированного разупорядочения (ПСР) предусматривают использование сфокусированного ионного пучка или диффузии примеси с помощью печи.

Предпочтительно, примеси имплантируют в область, удаленную от структуры квантовой ямы.

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).

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап отжига структуры.

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.

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.

Краткое описание чертежей

Перейдем к подробному описанию вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схематическое представление многослойной структуры ЕКЯ на основе InGaAs/InGaAsP;

фиг.2 - зонная диаграмма структуры, изображенной на фиг.1;

фиг.3 - график, демонстрирующий результаты моделирования распределения вакансий методом переноса ионов в веществе (ПИВ) с использованием маски имплантации из SiO₂ разной толщины;

фиг.4 - иллюстрация литографического шаблонирования слоя фоторезиста серой маской;

фиг.5 - иллюстрация процесса реактивного ионного травления (РИТ);

фиг.6 - схема последовательности операций изготовления многочастотных лазеров;

фиг.7 - график, демонстрирующий соотношение между длиной волны излучения и уровнем пропускания маски, а также толщиной маски имплантации;

фиг.8 - схематический вид монолитного многочастотного лазера;

фиг.9 - график, демонстрирующий нормализованный спектр излучения приборов, изображенных на фиг.8;

фиг.10 - схема последовательности операций изготовления СЛД;

фиг.11 - схематический вид СЛД;

фиг.12 - график, демонстрирующий нормализованные спектры излучения СЛД.

Подробное описание изобретения

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 (_g=1,26 мкм, где _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 (_g=1,18 мкм) и 800 (_g=1,05 мкм). Структура была дополнена нижней оболочкой из InP толщиной 1 мкм (легированной S в концентрации 2,510¹⁸ см^-3) и верхней оболочкой толщиной 1,4 мкм (легированной Zn в концентрации 510¹⁷ см^-3). Контактные слои представляли собой InGaAsP (легированный Zn в концентрации 210¹⁸ см^-3) толщиной 500 и InGaAs (легированный Zn в концентрации 210¹⁹ 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 1,540,02 мкм при комнатной температуре.

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.

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.

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.

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 110¹⁴ ионов/см².

Сначала образцы подвергли имплантации при 200С, варьируя дозы от 110¹² ионов/см² до 110¹⁴ 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.

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.

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.

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).

Полутоновые маски 10 изготавливают с использованием изделия из стекла, чувствительного к высокоэнергетическому пучку (ЧВЭП), наподобие того, что подробно описано в патенте США 5078771.

Соотношение между ОП маски и уровнем пропускания (П) УФ света, применяемого в литографическом процессе, можно выразить следующим уравнением:

ОП=-1оg(П)

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.

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).

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.

Толщина фоторезиста 11 и маски 13 имплантации из SiO₂ на образце, измеренная поверхностным профиломером перед и после РИТ, указана на фиг.7.

Подготовив шаблон переменной толщины на SiO₂, образец подвергли имплантации (этап 130) при 200С с дозой 110¹⁴ см^-2. Затем провели этап СКЯ с использованием БТО при 590С в течение 120 секунд при сохранении маски 13 имплантации. По окончании СКЯ маску 13 имплантации из SiO₂ удалили.

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 400500 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

Получив экспонированный шаблон резиста, выполнили РИТ (этап 210), чтобы перенести шаблон резиста в SiO₂ для формирования маски 13 имплантации.

Подготовив шаблоны 13 переменной толщины из SiO₂, образцы подвергли имплантации (этап 220) при 200С с дозой примеси Р, равной 110¹⁴ см^-2. Затем провели этап СКЯ при 590С в течение 120 секунд при сохранении маски имплантации из SiO₂. После этого маску имплантации из SiO₂ удалили.

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.

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.