光電導器件的製作方法

2023-12-08 16:36:56 2

專利名稱：光電導器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及外延生長型半導體。
背景技術：
為了通過雷射脈衝產生皮秒(picosecond)或者亞皮秒(sub picosecond)級電瞬態，需要使用特殊加工過的半導體，最合適的為 低溫生長型GaAs (LT-GaAs)。基於這種材料的光電導開關能夠對 短雷射脈衝做出快速響應並且當被配置為脈衝發生器時能夠產生快速 的電瞬態。它還可以配置成採樣門以對未知電波的短暫的(皮秒級) 片段進行採樣和測量。通過順序採樣組成電波的所有片段來重建和顯 示電波形狀，這是採樣示波器的本質。採樣門越快，電波就可以更快 地被測量。輻射損傷的藍寶石上矽也可以用作光電導開關的基底半導 體，儘管它比LT-GaAs的光電導特性差。良好的開關效率的條件是激 光的波長在半導體中被強烈吸收。對於GaAs，意味著880nm或更短 的波長，對應著與GaAs能帶隙、即1.42eV相等的光子能量。大於 880nm的波長穿過半導體而不被顯著吸收。
對於強烈吸收的需求源於需要所有光生電子-空穴對(栽流子) 位於光電導間隙的高電場區域。形成的深於該區域的載流子對光電導 過程沒有太大作用。電場的深度約為形成光電導開關的電極間距 (0.50~2.0nm)大小，儘管最強的電力線是在該表面的第一個微米之 內的那些電力線。確實有在GaAs(及矽)中的吸收良好的飛秒(femtosecond) (10畫 "5s)脈衝雷射器，並在以往25年中被用來產生皮秒和亞皮秒電脈沖。 這種雷射器中最常見的一種為Ti:藍寶石(在800nm激發)，其體積 大，是水冷卻的，且購買和維護昂貴。它們還不能利用光纖放大器進 行放大，在該波長下的光纖元件難以製造(如果不是不可能的話)， 需要使用自由空間的光學裝置來替代。
理想的光源是與其他電信部件兼容且可以用一般半導體泵雷射 器直接泵激的光源。它具有充分寬的發射波段以支持飛秒級脈衝。它 還具有適合光纖放大的波長。此外還省電，是空氣冷卻的，緊湊且合 乎Telcordia規格的免維護，且工作壽命長。新的電信雷射技術已經 給出這樣兩種根據工作波長劃分的雷射器。它們分別是工作在1550nm 的Er:玻璃雷射器和工作在1060nm的Nd:玻璃雷射器或者鐿雷射器。 這些波長在GaAs中產生接近零的光電流。為了利用這些新的光源需 要開發一種新的半導體使之適合這些波長。
利用這些波長中的任何一個意味著半導體的能帶隙必須小於等 於該雷射的光子能量。1060nm和1550nm的能帶隙大約分別為1.15eV 和0.8eV。作為在電信產業通常所用的半導體，生長於InP上的 In0.53Ga。.47As的能帶隙為0.77eV並強烈吸收直至1650nm的光。然而， 問題在於這樣的半導體如同所有縮小能帶隙半導體一樣，在配置為光 電導開關時受到嚴格限制。

發明內容
本發明總體而言是一種半導體結構，例如光電導開關，包括 GaAs或者InP襯底；生長於襯底上的Ii^Ga^As外延層，其中x大於 約0.01且小於約0.53:和在InxGa^As外延層上生長的作為罩層(cap layer)的更寬能帶隙的外延層。
所述開關使利用波長大於例如880nm的亞皮秒雷射器來產生和/ 或採樣亞皮秒電脈沖成為可能。
InxGaLxAs層的厚度約為0.1~2.0jun，更寬能帶隙的外延罩層的
6厚度可以為約50 1000A。更寬能帶隙的外延罩層可以是InP。或者， 軍層也可以是化學定量的GaAs或者非化學定量的GaAs、化學定量的 AlGaAs或者非化學定量的AlGaAs、或者化學定量的InAlAs或非化 學定量的InAlAs。非化學定量的外延層通常在比通常生長化學定量的 外延層所需溫度低數百度的溫度下生長。開關10在外延結構生長後進行原地(in-situ )或非原地(ex-situ ) 後退火加工。後退火溫度範圍可以為約400 700。C，後退火持續時間 範圍為約5~30分鐘。該開關除一小塊區域或臺面結構不被刻蝕之外可以被圖案化並 向下刻蝕至襯底，其形狀基本為直徑範圍為約10~100jim的圓形。在 半導體結構的表面上，除在臺面結構上表面中心限定了窗口的區域之外，澱積電絕緣且限光的電介質膜。電介質膜中的限光窗口形狀大致 為圓形且比臺面結構頂部的直徑小。例如電介質膜的直徑範圍約為 5~90jim。可以在電介質膜上澱積具有兩個薄膜電極的電接觸，兩個 電極之間具有間隙，所述間隙被設置為使間隙和每個電極的部分在電 介質膜窗口內並與臺面結構的頂部半導體結構表面相接觸。兩個電極 之間的半導體表面塗敷有抗反射塗層。在一些實施方式中，當在兩個電極之間施加電偏置時，開關產生 脈沖的、或正弦變化的電信號，光脈衝或者正弦變化的光信號入射於 該間隙並在光電導間隙中激勵栽流子。可以對兩個電極連接電輻射天 線，以使帶寬在亞太赫茲(subterahertz)至太赫茲(terahertz)之間 的電信號通過天線輻射。在其他的實施方式中，將來自脈衝的或正弦 變化的電信號波形的電壓施加在兩個電極之間，光脈衝或正弦變化的 光信號可以入射於間隙並在光電導間隙內激勵栽流子以測量電信號波 形。可以對兩個電極連接接收天線，以使亞太赫茲至太赫茲帶寬內的 電信號波形通過接收天線耦合至光電導間隙。襯底一側可以塗敷抗反 射塗層，光線從襯底一側進入以在光電導間隙中激勵栽流子。更多的特徵和優點將在以下說明和權利要求中予以闡明。


圖1為方塊電阻隨InGaAs中銦(In)濃度的增加而遞減的示意圖。
圖2表示吸收曲線。
圖3為本發明實施方式的光電導開關的示意圖。
具體實施例方式
儘管看上去在功能上與光電二極體相似，但光電導開關在以下幾 個主要方面上是不同的
1. 光電導開關的響應時間可以主要由半導體的栽流子壽命決定 而不是像光電二極體那樣由所施加的依賴於幾何形狀的電場決定。這 意味著具有ljim大小的間隙的光電導開關可以具有亞皮秒的壽命，而 類似結構的光電二極體的響應時間為數皮秒。這還意味著其響應時間 不依賴於所施加的電場。具有快的栽流子壽命且在間隙上施加有lmV 偏置的光電導體與具有1V偏置的光電導體的響應時間相同。
2. 跨光電導開關的施加電場影響所產生的光電流量。與此相反， 跨光電二極體的電壓對光電流量幾乎沒有影響。因此，當光電導開關 被配置為採樣門時，可用於採樣電波形(即測量電流)。
3. 與光電二極體本質上為單極器件不同，光電導開關為雙極器 件且可以同等地產生和採樣兩種極性的電信號。
有以下三個特徵可以設定超快光電導開關的性能。
1. 響應時間-主要由電極的RC時間常數和半導體栽流子的壽 命決定。響應時間決定開關的帶寬。
2. 響應度-由高電場階段吸收的光量、半導體的遷移率以及跨 光電導間隙的串聯電阻決定。當光電導開關用作脈衝發生器時，響應 度決定最大脈衝幅度；當用作採樣門如太赫茲接收器時，決定最大信 號大小。
3. 暗電流-主要由半導體的電阻率和金屬-半導體勢壘決定。 當開關用作採樣門時暗電流最有意義且決定其噪聲容限。GaAs是用於超快光電導開關的理想宿主半導體。當在所謂非化 學定量的條件下在GaAs襯底上生長GaAs外延層時，所生成的層稱 為低溫生長GaAs或者LT-GaAs。它可以具有亞皮秒的壽命，響應度 接近光電二極體(~0.1 A/W)，而暗電流在1 nA (10_9A)範圍內。 要注意的是，包括GaAs的大多數半導體的本徵栽流子壽命在約1~ 10ns附近。僅當加入摻雜劑、雜質或者其他陷阱機制後，載流子的壽 命會下降至期望的皮秒或者亞皮秒時間量級。
通常，摻雜劑以降低半導體的電阻率為代價來減小響應時間，從 而導致暗電流水平的增大，GaAs即是如此。在非常規的低溫下生長 外延層會對GaAs晶格導入過剩的砷並減小半導體的響應時間。但也 有降低其電阻率的負面影響。僅當GaAs在接著被退火(接近其正常 生長溫度)後，過剩的砷開始形成納米級大小的沉澱物，將半導體的
電阻率恢復至其高值。響應時間在此繼發的工藝之後恰巧保持亞皮秒 級。
如前所述，存在這樣的半導體，它強烈吸收1550nm的波長，更 精確的說其邊緣接近1650nm。這種材料為外延生長型Ino.53Ga。.47As， 且以晶格匹配的方式生長在InP襯底上。注意，向GaAs導入In以形 成InxGai_xAs導致晶格常數增大。53%的In導致外延層晶格增大約 3.8%以與InP襯底的晶格匹配，但這樣就無法與GaAs襯底匹配，導 致嚴重的陰影線(Crosshatch)和其他問題。總之，在正常生長條件 下，生長於GaAs襯底上的厚度為lum的Ii^Ga^As,其中x>10% , 會導致上表面被可見地粗糙化，難以製造微米結構。InP的晶格常數 恰好與In0.53Ga0.47As匹配，這就是用53% In濃度的原因。In0.53Ga0.47As 多年以來成為用於電信光電檢測器的主流半導體。儘管非常理想地適 用於檢測器應用，但由於其本質上電阻率低，導致高洩漏電流以及高 採樣噪聲，因此Ino.53Gao.47As並不很適用於光電導開關。圖1給出了 方塊電阻隨InGaAs中In濃度增加而減小的示意圖。隨著In濃度從0 %增大至53 % ，方塊電阻大小急劇下降約八個數量級。
根據本發明，本發明關注於與1060nm的光匹配良好的In濃度、即約22%或者In .22Ga。.78As (見圖2)，而不是電阻率低至不穩定點 的In0.53Ga.47As。參見圖3，示出了實施了本發明主旨的光電導開關 並被標記為10，並示出了與入射雷射脈沖11的相互作用。作為其主 要部件，開關包括襯底14;外延層12,例如生長於襯底上的InxGai_xAs 外延層，其中x大於約0.01且小於約0.53;以及軍層16。外延層12 是在GaAs襯底14上的非匹配地生長的晶格，儘管還可以是在1nP上 的非匹配地生長的晶格。在某種實施方式中，在生長Inu2Ga。.78As吸 收層12後生長薄(500A)的GaAs軍層16。 GaAs比In0.22Ga0.78As 的能帶隙更寬，當設置於Ino.22Ga。.78As層12和金屬接觸18之間時， 起減小暗電流的勢壘作用。軍層16足夠薄以不阻礙光生電荷的傳輸。 對於沒有強電場的應用，比如當開關10用作採樣門時，更寬能帶隙的 軍層16可能成為電荷傳輸的障礙。電子和空穴難以克服如此大的能帶 隙差，尤其當光信號較弱時。但是，根據本發明，光脈衝強度通常較 高(~109W/CnT2)，這有助於降低光電導門激發時的能帶隙的不連續。
正如用In。.22Gao.78As那樣，GaAs罩層16是非晶格匹配地生長的，但 足夠薄以將表面粗糙度降低之最小程度或者消除。
這樣，看上去與常規思路相反，在GaAs襯底上直接生長 In0.22Gao.78As，尤其是厚度達lfim的層。大的不匹配遠足以導致晶格 鬆弛和顯著的表面粗槌度。正如用LT-GaAs那樣，生長LT-In-o.22Gae.78As的工藝顯著地增加了晶，中的砷的含量，超過在化學定量 的生長條件下的量多達1%。(注意LT-In0.22Ga0.78As有時寫作In0.22_ Ga0.78As:As,儘管這只是提及雜質的導入而並不指後退火工藝)。容易 想到過剩的砷與因22%的In濃度導致的增大的晶格常數相結合只會 相對於GaAs襯底進一步地對外延層施加應力。恰好，過剩的砷的導 入不會加劇不匹配的問題，實際上緩解了外延層的應力。可以推測， 因為在如此低溫下的有限的IH族遷移率或/和減小的錯合的滑移，所 以既不會發生通常的粗糙化也不會出現陰影線。不管顯微機制如何， 其結果是外延層在顯微鏡下看上去是平滑的。
開關10的生長步驟如下使用3英寸的具備外延的GaAs (或者InP)襯底14。如果使用GaAs襯底，則首先生長未有意摻雜的化學 定量的GaAs層以穩定表面。如果使用InP襯底，則首先生長晶格匹 配的、未有意摻雜的InAlAs層。然後將溫度降低至170。C並生長In0.22_ Ga0.78As外延層12。在各種實施方式中，使用圖2中的數據設定In的 量。顯然根據這些曲線，為了提供有用的吸收，至少採用10。/。的In。 選擇22%作為在1064nm使用的起始點，儘管更高百分比的In會進 一步增加吸收並更加靈敏。對於高於27。/。的In濃度，InP襯底的應力 比GaAs小。如果發現對於給定的光電導應用，較高的暗電流幾乎不 成為問題，那麼In的量可以增加至30~40%。 一旦Ino,22Ga。.78As層 12生長至期望的厚度，則生長罩層16。軍層16可以包括化學定量的 GaAs、非化學定量的GaAs(LT-GaAs) 、 AlGaAs、 InAlAs、或者InP， 以定義少數化合物。其厚度可以為少數單層至>10001。 一旦生長了罩 層16，將外延結構在600。C進行後退火約1~30分鐘，視栽流子壽命 以及用戶期待的電阻率而定。短時間的後退火導致了更快的栽流子壽 命但降低了電阻率(即增加了暗電流)。長時間的後退火延緩載流子 壽命。在後退火後，從反應器中取出3英寸晶片並開始微細製造。
為了進一步降低暗電流，將LT-In^GacusAs刻蝕成臺面結構並 採用苯並環丁烯(BCB) 20以進一步減小洩漏電流(參見圖3)。除 減小暗電流夕卜，從表面去除不需要的Ino.22Ga。.78As:As以保證該外延層 中不出現自由栽流子，這種自由栽流子在傳播通過村底14並耦合至天 線時會吸收太赫茲信號。電接觸18是由設在BCB上方的間隙所分隔 開的兩個電極，該間隙位於In。.22Gao.78As臺面結構的頂部。在金屬化 後，臺面結構區域可以塗敷抗反射塗層。然後電極18的對面一端電連 接至系統中的其他器件。當開關10用作皮秒/太赫茲發生器時，可以 對其施加偏置，當開關10用作採樣門或者混合器時，可以使用放大器。
根據應用的不同，InxGa^As層12的厚度範圍可以在約0.1 ~ 2.0nm的範圍。在某些實施方式中，在InxGa^As層生長期間，襯底 14的溫度範圍可以在約125 225。C之間以使生長工藝非化學定量化 以及富砷化。更寬能帶隙的外延軍層16的厚度可以在約50~1000A的範圍。 在各種實施方式中，更寬能帶隙的外延罩層可以是在約125 225。C的 溫度範圍生長的化學定量的GaAs或者非化學定量的GaAs、化學定量 的AlGaAs或者非化學定量的AlGaAs、或者化學定量的InAlAs或者 非化學定量的InAlAs。
在某些實施方式中，在外延結構生長後對開關10進行原地 (in-situ )或者非原地(ex-situ )的後退火。後退火溫度可以在約400 ~ 700'C的範圍，後退火持續時間在約5~30分鐘的範圍。
除了一小塊區域或者臺面結構不被刻蝕外，開關可以被圖案化並 向下刻蝕至襯底。臺面結構形狀大致為圃形，其直徑範圍為約10~ 100fim。在半導體結構的表面上，除在臺面結構上表面中心限定了窗 口的區域之外，可以澱積電絕緣且限光的電介質膜。在某些實施方式 中，電介質膜中的限光窗口形狀大致為圓形且比臺面結構頂部的直徑 小。例如，在特定實施方式中，電介質膜的直徑範圍約為5~90fim。 可以在電介質膜上澱積具有兩個薄膜電極的電接觸，兩個電極之間具 有間隙，所述間隙被設置為使間隙和每個電極的部分在電介質膜窗口 內並與臺面結構的頂部半導體結構表面相接觸。兩個電極之間的半導 體表面可以塗敷有抗反射塗層。
在一些實施方式中，當在兩個電極之間施加電偏置時，所述結構 產生脈衝的、或正弦變化的電信號，光脈衝或者正弦變化的光信號入 射於該間隙並在光電導間隙中激勵載流子。可以對兩個電極連接電輻 射天線，以使帶寬在亞太赫茲(subterahertz)至太赫茲(terahertz) 之間的電信號通過天線輻射。將來自脈衝的或正弦變化的電信號波形 的電壓施加在兩個電極之間，光脈沖或正弦變化的光信號可以入射於 間隙並在光電導間隙內激勵載流子以測量電信號波形。可以對兩個電 極連接接收天線，以使亞太赫茲至太赫茲帶寬內的電信號波形通過接 收天線耦合至光電導間隙。襯底一側可以塗敷抗反射塗層，光線從襯 底一側進入以在光電導間隙中激勵栽流子。
對本發明已經通過具體實施方式
進行了說明，這些實施方式僅用作範例，並不解釋為對由所附的本發明的權利要求所限定的範圍的限 制。
權利要求
1. 一種半導體結構，包括 GaAs或InP襯底；生長於襯底上的InxGa^As外延層，其中x大於0.01小於0,53; 在InxGai_xAs外延層上生長的作為罩層的更寬能帶隙的外延層。
2. 權利要求l中記載的半導體結構，其中， 上述IiixGa^As的厚度範圍為0.1至2.0jun。
3. 權利要求l中記載的半導體結構，其中，在In,GaLxAs生長期間襯底的溫度範圍在125至225。C之間以使 生長工藝非化學定量的化以及富砷化。
4. 權利要求l中記栽的半導體結構，其中， 上述更寬能帶隙的外延罩層的厚度範圍為50至1000A。
5. 權利要求l中記載的半導體結構，其中， 上述更寬能帶隙的外延革層為在溫度範圍為125至225"之間的溫度下生長的化學定量的GaAs或者非化學定量的GaAs。
6. 權利要求l中記栽的半導體結構，其中， 上述更寬能帶隙的外延罩層為在溫度範圍為125至225"之間的溫度下生長的化學定量的AlGaAs或者非化學定量的AlGaAs。
7. 權利要求l中記栽的半導體結構，其中， 上述更寬能帶隙的外延軍層為在溫度範圍為125至225t:之間的溫度下生長的化學定量的InAlAs或者非化學定量的InAlAs。
8. 權利要求l中記載的半導體結構，其中， 上述更寬能帶隙的外延罩層為InP。
9. 權利要求l中記栽的半導體結構，其中， 在外延結構生長後對結構進行in-situ或ex-situ後退火加工。
10. 權利要求9中記栽的半導體結構，其中， 上述後退火溫度範圍為400至700°C。
11. 權利要求l中記栽的半導體結構，其中，上述後退火持續時間為5至30分鐘。
12. 權利要求l中記栽的半導體結構，其中， 除一小區域或者臺面結構不刻蝕外，結構可以向下至襯底進行成型和刻蝕。
13. 權利要求12中記載的半導體結構，其中， 上述臺面結構的形狀基本為圓形。
14. 權利要求13中記載的半導體結構，其中， 上述臺面結構的直徑範圍為10至100nm。
15. 權利要求14中記載的半導體結構，其中， 除在其一區域內界定一位於臺面結構上表面中心的窗口外，在半導體結構上澱積電絕緣、限光的介質膜。
16. 權利要求15中記載的半導體結構，其中， 上述絕緣膜中的限光窗口形狀為圓形且比臺面結構的上面直徑小
17. 權利要求16中記載的半導體結構，其中， 上述絕緣膜中的窗口直徑範閨為5至90nm。
18. 權利要求17中記載的半導體結構，其中， 上述結構還包含在介質膜上澱積的具有兩個薄膜電極的電接觸，其間有間隙，放置方式為間隙和每個電極部分在介質膜窗口內並與臺 面結構的軍層半導體結構上表面相接。兩個電極之間的半導體表面覆蓋抗反射塗層。
19. 權利要求18中記載的半導體結構，其中， 兩個電極之間的半導體表面覆蓋抗反射塗層。
20. 權利要求18中記載的半導體結構，其中， 當在兩個電極之間施加電偏置時，開關產生脈衝和正弦變化的電信號，光脈衝或者正弦變化光信號入射至其間隙並激發光電導能帶隙 的載流子。
21. 權利要求18中記載的半導體結構，其中， 還包含電連接至兩個電極的輻射天線，帶寬在亞太赫和太赫之間的電信號通過天線發射。
22. 權利要求18中記載的半導體結構，其中， 將來自脈沖或正弦變化的電信號施加至兩個電極，光脈沖或正弦變化光信號入射至其間並激發光電導能帶隙內的載流子以測量電信號 波形。
23. 權利要求22中記載的半導體結構，其中， 還包含電連接至兩個電極的接收天線，亞太赫至太赫帶寬內的電信號波形通過接收天線耦合至光電導間隙。
24. 權利要求18中記載的半導體結構，其中， 襯底側塗敷抗反射塗層，光線自襯底側進入以激發光電導間隙中的栽流子。
全文摘要
一種半導體結構，包含GaAs或InP襯底；生長於襯底上的InxGa1-xAs外延層，其中x大於約0.01且小於約0.53；以及在InxGa1-xAs外延層上生長的作為罩層的更寬能帶隙的外延層。
文檔編號H01L31/09GK101313412SQ200580041877
公開日2008年11月26日 申請日期2005年12月7日 優先權日2004年12月7日
發明者斯蒂文·L·威廉姆森, 羅伯特·N·薩克斯, 馬修·M·加茲維耶基 申請人:派克米瑞斯有限責任公司