JP2007517391A

JP2007517391A - 多層エピタキシャル層を用いた複数バンドギャップの生成

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Publication number: JP2007517391A
Application number: JP2006546334A
Authority: JP
Inventors: アンドリービッチヤンソン，ダン; バキン，ジャンルカ; ピーターコワルスキ，オレック; マクドガル，スチュワート，ダンカン
Original assignee: Intense Ltd
Current assignee: Intense Ltd
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2007-06-28
Also published as: EP1714311A2; WO2005062079A3; GB2409572B; GB2409572A; GB0329915D0; US20070246701A1; WO2005062079A2; WO2005062079A8

Abstract

【課題】光半導体デバイスの形成時に、エネルギーバンドギャップを変更する量子井戸混合（ＱＷＩ）技術によって、ＱＷＩ処理を空間制御し、ウエハ、デバイス及び基板上に様々なバンドギャップを得る。
【解決手段】少なくとも一つの量子井戸を画定する一つまたは複数のコア層を含む基板を形成し、量子井戸を覆う連続する混合バリア層を付着し、連続する混合バリア層の各々は半導体材料で形成され、先行するバリア層と異なるエッチング特性を持ち、基板上の異なる領域において、バリア層の厚みが異なるように、基板上の異なる領域にある複数の連続するバリア層をエッチングし、量子井戸領域の混合の程度がバリア層の全厚みの関数として変化するように、混合剤を基板表面に適用し、それぞれの領域にある量子井戸で複数のバンドギャップを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光半導体デバイスの形成時にエネルギーバンドギャップ（energy band gap）を変更するのに適した量子井戸混合（ＱＷＩ）技術に関する。特に、ＱＷＩ方法を空間制御し、ウエハ、デバイス及び基板上でバンドギャップをさまざまにシフトさせるＱＷＩ技術に関する。

ＱＷＩ技術の研究は数多く行われている。ＱＷＩ工程では、量子井戸を構成する薄膜層の組成が選択的に無秩序化され、各井戸の内部でエネルギーレベルが変化しエネルギーバンドギャップのずれが起こる。このため混合される材料の放射波長及び吸収波長を変更することができる。

様々なＱＷＩ技術が開発されており、不純物誘導、不純物なし（誘電体キャップ）、インプランテーション誘導及びレーザー誘導法といった技術を含む。ＱＷＩはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ及びＩｎＰ／（Ａｌ）ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）を含む一連の材料系において実証されている。

先行技術（先行技術文献は、本明細書の末尾に記載されている）における研究の大半は、２つのバンドギャップを得る処理を行うことを目的とし、低い方向にシフトした（名目上は成長したバンドギャップ）領域と、混合された領域との間で、大きく異なるシフトを得ることに主眼がおかれている。バンドギャップの制御を向上する様々な技術が提案されており、例えば様々な材料を用いるもの［１，２］、付着条件に関するもの[３，４]、化学量論に関するもの[５]、不純物のない処理において誘電体キャップの寸法[６]と厚さ［７−９］に関するもの、イオン照射量[８，１０]、レーザー照射[１１−１４]、表面被覆及び分解効果[１５]、及び上述した研究の中で最も一般的なものとして、アニール処理温度と継続時間に関するものがある。しかしながら、これらの方法の全てが、単一ウエハ上に複数のバンドギャップを生成するために利用されるわけではない、つまり、温度調整のみによって、２つ以上のバンドギャップを得ることはできない。

一般的に、複数バンドギャップは、コア二重バンドギャップ処理と以下に示す方法とを共に利用して生成することができる。
１．繰り返し[１０、１５−２１]／様々な量[１２−１４]の照射−アニールの組合せ、
２．様々な材料[２−５] からなる誘電体キャップ及び界面効果[１、２２−２４]の選択、
３．ＱＷＩバリアマスク[７，９，２５，２６]と様々な厚さ[７，８]、
４．空間／解像効果[６、１５]
ＱＷＩ技術は数多くあるが、これらの技術を用いて制御された仕方で複数バンドギャップを共通基板上に画定する先行技術は不足している。

第１の先行技術文献には、混合される材料と混合剤との間のバリアの厚みによって混合率を制御する様々な技術が含まれる。バリアを、マスク層か後退層の形で行うこともできる。混合剤は、不純物源を含む誘電体キャップか、混合される材料に当てたイオンビームの形をとっている。

こういった技術は上記３に記されたような一般的な方法においてよく行われ、この技術はどれも、目標とするバンドギャップを得るために、バリア層厚みと組成との制御を極めて正確に行う必要がある。

参考文献［２６］に例示された第２の先行技術は、サンプルの第１付着層を選択的にエッチングできるように２つの異なる材料の層を交互に積層するものを提案する。選択的エッチングを行ってサンプルの様々な領域の積層から一定数の層を除去する。イオンインプランテーションを行い、次に高温アニールを行って混合を誘起し、複数のバンドギャップをもつ複数の層によってその領域をキャップする。文献［２６］では、蒸着またはスパッタ付着により金属層を付着させて、交互層の積層を形成する方法を提案しており、特に、銅とチタンとの交互層系を薦めている。クロム−シリコン系は２つの材料の境界面において、クロム層のエッチングを抑制するケイ化物を形成するという重大な問題を起こすと報告されている。

参考文献［２８］は、様々な幅のコア導波路レーザーを製造する際に、深さの制御を精確に行うことを目的とし、交互ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ半導体層の選択的エッチングについて報告している。この技術は、しばしば段階的とか段階的エッチングと言われており、スポットサイズ変換器、モード拡張器、及び、テーパ導波路の定義ために利用される。ＱＷＩバリア層としてこれらの層を利用することは示されていない。

上記２で記した文献［１，２，２２〜２４］及び特許文献［３０］は、半導体の最上層の組成と誘電体キャップの組成とを利用して、下層領域のバンドギャップを制御する方法に関する。しかしながら、これらのバリア層を積層したりエッチングすることは示されていない。

本発明の目的は、単一デバイス基板上に異なるバンドギャップを生成できる改良されたＱＷＩ方法を提供することであり、そのＱＷＩ方法では、積層した交互の半導体層を利用し、その交互の半導体層は選択的にエッチングされて、様々な厚みのバリアを、混合される材料と混合剤との間に提供する。

本発明では一つの態様として、単一基板上に異なるバンドギャップを有する多層量子井戸混合（ＱＷＩ）領域を生成する方法が提供される。この方法は、次のステップを含んでいる。

少なくとも一つの量子井戸を画定する一つまたは複数のコア層を含む基板を形成し、
前記量子井戸の上側に連続する混合バリア層を付着し、連続する混合バリア層の各々は半導体材料で形成され、先行するバリア層と異なるエッチング特性を持ち、
前記基板上の異なる領域において、バリア層の厚みが異なるように、前記基板上の異なる領域にある複数の前記連続するバリア層をエッチングし、
前記量子井戸領域の混合の程度がバリア層の全厚みの関数として変化するように、混合剤を前記基板表面に適用し、
それぞれの領域にある前記量子井戸で複数のバンドギャップを形成する。

本発明では別の態様として、上に定義した方法を利用して製造された半導体光デバイスを提供する。

本発明では別の態様として、機械的支持体である基板と、一つまたは複数の層と、連続混合バリア層とを含むウエハを提供する。前記ウエハは、エピタキシャル成長材料からなる。前記一つまたは複数の層は、前記基板上に付着された量子井戸構造を画定し、前記連続混合バリア層は、前記量子井戸構造の上側に形成されており、前記連続混合バリア層の各々は、先行するバリア層と異なるエッチング特性を持つ半導体材料で形成されており、前記連続層の各々は先行する上部層のエッチング停止層として機能する。
本発明の具体例について、添付図面を参照し、実施例を用いて詳述する。

本発明の方法により、同一ウエハまたは基板上に、異なるバンドギャップを制御しながら画定することができる。その方法はとりわけ、半絶縁(ＳＩ)ＩｎＰ基板上のＡｌ四元ＩｎＰ材料に対応しており、従って、高周波数の光電子デバイスの製造に利用することができる。このため、コンポーネント集積可能性が高まり、所定のバンドギャップを与えられたそれぞれの駆動または受動コンポーネントを、光集積回路及び／または単一集積デバイスの一部として、共通の基板上に製造することができる。例えば、半導体光増幅器（SOA）によって予め増幅された変調器と、光検出器及びスイッチと、拡張キャビティレーザー（extended cavity laser）と、波長離調レーザーアレイと、デマルチプレクサと、などを含む。

不明確さを避けるために述べておくと、本明細書と請求の範囲では、明確かつ簡潔な表現として‘基板’という語を一般的な意味で用いており、その意味には機械的支持を行う‘当初’の基板２５と次の処理工程により当初基板上部に存在する材料層すべてとを含む。換言すれば、‘基板’という表現は、一つの処理または複数の別の処理（例えば層成長または熱処理）を施す、すでに処理された材料または層の全体を指す。当初の‘生材料’基板は機械的支持基板と称することにするが、この当初基板も処理中に物理的化学的特徴が変化することに注意されたい。

本発明の方法によると、同一ウエハまたは基板上に、異なるバンドギャップを制御しながら画定することができる。その方法は、互いに選択的エッチングを受けることができる様々な材料からなる成長していないエピタキシャル層を交互に積層し、この積層を連続して削減させることでバリア厚さを制御することによる。

好ましい実施例では、その方法は、交互する半導体層という犠牲キャップを有する特別設計のエピタキシャルウエハ材料を用いて行う。積層中の層の組合せ数は所定の全バンドギャップ数よりも２だけ少ない（すなわち、成長したものを含む）が、各々の層の厚さと組成によって、得られるシフトとこれらの層の積層組合せとを決定する。最上層の組成は最下層の組成と同一でなくてもよい。

図１は、Ａｌ四元（Al-quaternary）ＩｎＰ材料を混合して４つの異なるバンドギャップを生成する方法を示す。成長したウエハ構造は、被覆層と、アクティブ導波管コア（以下はコア層と称する）を規定及び形成する一つもしくは複数の量子井戸層とを含むＩｎＰ機械的支持基板１０を有する。これらの層は、光電子工学製造の従来技術に基づきＡｌ四元材料によって形成されるので、ここでは説明しない。

コア層の上部に、第１及び第２キャップ層１１及び１２を設け、第１キャップ層１１はＩｎＧａＡｓ、第２キャップ層１２はＩｎＧａＡｌＡｓで形成されており、これらの層の好ましい作用は、後に説明する。

これらの層の上部に、混合バリア層２０〜２４の層構造を設け、その構造は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ層の２組２１，２２と２３，２４と、下層であるＩｎＧａＡｓ層２０と含む。下部バリア層２０より下部にあるウエハ構造は、表面平坦化技術とオーム接触の要件との選択に依存する。これらについては、後に詳述する。

ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＰが交互に配置される層２０〜２４によって、異なるエッチング特性が与えられ、下層をエッチング停止効果のある層としてそれぞれの層をエッチングすることができる。２つの異なるエッチング溶液で行う選択ウェットエッチングを利用して、一方の層をエッチングし他方の層をエッチング停止し、これを交互に行う。具体的な実施例として、望ましいエッチングの方法を以下に示す。

配合１
Ｈ_３ＰＯ_４：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ＝１：１：３８
ＩｎＰでなくＩｎＧａＡｓを選択的にエッチングする。
配合２：
ＨＣｌ：Ｈ_２Ｏ＝３：１
ＩｎＧａＡｓでなくＩｎＰを選択的にエッチングする。

ほかの例として、エッチング方法には、
配合１
Ｈ_２ＳＯ_４：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ＝１：８：４０
ＩｎＰでなくＩｎＧａＡｓを選択的にエッチングする。
配合２：
ＨＣｌ：Ｈ_３ＰＯ_４＝３：１
ＩｎＧａＡｓでなくＩｎＰを選択的にエッチングする。

第１の工程では、図１−１の基板は、フォトリソグラフィ法によりパターン形成され、表面の第１及び第２領域を露出し、表面の第１及び第２領域は、２つの最大バンドギャップＢＧ３及びＢＧ２になる（図１−７〜１−１２を参照）。配合１を利用して最上ＩｎＧａＡｓ層２４を選択的にエッチングする。エッチマスクを除去して基板を図１−２のような状態にする。

下方のＩｎＰ層２３を配合２を利用して選択的にエッチングし、基板を図１−３のような状態にする。

基板はフォトリソグラフィ法によりパターン形成され、表面の第１領域を露出し、表面の第１領域は、最大バンドギャップになる（ＢＧ３−図の７〜１２を参照）。ＩｎＧａＡｓ層２２を、配合１を利用して選択的にエッチングする。エッチマスクを除去して基板を図１−４のような状態にする。

下方のＩｎＰ層２１を配合２を利用して選択的にエッチングし、基板を図１−５のような状態にする。

基板を、ＰＥＣＶＤシリカのようなＱＷＩ抑制材料３０である被覆層により覆う。基板をフォトリソグラフィ法でパターニングし、図１−７〜１−１２のＢＧ０に示すような、抑制されたバンドギャップまたはゼロバンドギャップの領域を保護する（すなわち、成長したバンドギャップの領域のこと）。露出した領域（ＢＧ１、ＢＧ２、ＢＧ３）で、シリカ３０を、ＨＦベースの溶液でドライエッチングかウェットエッチングする。エッチマスクを除去し、基板を図１−６のような状態にする。

混合剤を、混合キャップすなわちＱＷＩ開始層４０の形で基板の表面全域に付着させ、基板を図１−７のような状態にする。ＱＷＩ開始層４０は、好ましくは不純物とシリカとをスパッタ付着させた層から成る。不純物は硫黄、亜鉛、シリコン、フッ素、銅、ゲルマニウム、スズ及びセレンのうち一つまたは複数から選んでもよい。不純物はドーピング不純物としてシリカ層に組み込まれていてもよく、またはシリカ層の上部、下部または内部に形成されていてもよい。

基板を、熱処理により、好ましくは高温高速アニールを行って、混合する。図１−７に示すように、この工程によってバンドギャップＢＧ１〜ＢＧ３が生成される。バンドギャップＢＧ０は成長した（元々の）バンドギャップに対応し、熱処理の間は保護されている。

典型的な高速アニールは、６００℃〜７００℃の温度範囲で行うことが好ましい。高速アニール工程の温度と継続時間は、所要バンドギャップを得られるように選択してもよい。

ＱＷＩ開始層４０をシリカ層３０と共に、例えばＨＦベースの溶液を用いたエッチングでウェットエッチングを行って、除去する。ＩｎＧａＡｓの上部層２４と、高不純物バリア層２０の露出した領域とが、ドライエッチングにより除去され、第２キャップ層１２の最上部はバリア層２０のオーバーエッチングにより除去される。この処理によって基板は図１−８に示すようになる。

この工程で、異なるバンドギャップをもつ多層量子井戸混合領域の形成処理は完了する。しかしながら、多くの場合において、デバイス製造のための更なる工程に先駆けて基板表面を平坦化することが望ましい。例えば、光導波路を形成する場合は、キャップ層１１及び１２の表面をエッチングする必要があり、相対的に平坦な基板から製造工程を開始することが望ましい。

好ましい平坦化工程の一例を、図１−９乃至１−１２を参照して示す。最も効果的な方法として、第2キャップ層１２を選び、配合１と２と両方に対してエッチング抵抗が高く、したがって共通のエッチング停止層として機能させる。このようにして、バンドギャップシフト工程（bandgap shifting process）の終了後から、混合バリア層２０〜２４の残り部分を完全に除去するまで、交互のウェットエッチングを継続することができる。エッチング処理は第2キャップ層１２で停止する。このため、第2キャップ層、すなわち共通のエッチング停止層１２は、ＩｎＧａＡｌＡｓから形成されることが好ましい。ＩｎＧａＡｌＡｓは、配合１及び２においてエッチングしやすさを様々に変化することができると知られており、エッチングしやすさは構成要素のモル比率と、ウェットエッチング主成分の体積部とに依存する。これらの変数を調整することにより、ＩｎＧａＡｌＡｓ層１２が、下部ＩｎＧａＡｓ層２０のエッチングの際に侵されないように、所要の選択性をあらかじめ得ることができる。

他の方法として、ＩｎＰ層及びＩｎＧａＡｓ層２０〜２４のエッチングのため異なるエッチング薬品を利用する方法があり、ＩｎＧａＡｌＡｓ共通エッチング停止層１２を腐食しないエッチング方法を選択する。例えば、クエン酸ベースの溶液（Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７：Ｈ_２Ｏ_２）は、様々な体積部比率に対し様々なエッチング選択性を示す［３１］。

別の方法として、ＩｎＧａＡｌＡｓ層の代わりに、超薄ＡｌＡｓ共通エッチング停止層１２（単層を複数かさねた厚さ）を利用することもできて、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ材料系においては、信用性の高いエッチング停止層と示されている[３２]。

共通エッチング停止層１２を利用すると、最上ＩｎＰ層２３はエッチング配合２によって除去され、基板は図１−９に示す状態になる。最上ＩｎＧａＡｓ層２２はエッチング配合１によって除去され、基板は図１−１０に示す状態になる。最上ＩｎＰ層２１はエッチング配合２によって除去され、基板は図１−１１に示す状態になる。

ＩｎＧａＡｓ層２０の残りの部分はエッチング配合１によって除去され共通エッチング停止層１２は図１２に示す状態になる。最後に、共通エッチング停止層１２はドライエッチングまたは適切なウェットエッチングによって除去され、基板の最上層として、標準ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１が残される。引き続き、所要の光デバイス製造に適する従来の方法でデバイス製造サイクルを行うことができる。

ある環境においては、平坦化用エッチング停止層１２の利用を避けることが望ましい。例えば、これによって、混合用不純物がＱＷＩ層４０から基板の主要部分に移動することを妨げる場合である。こういった環境では、別の平坦化方法を用いてもよく、その別の方法では、図2に示すように主要なＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ層２０〜２４の下部に、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ層５０〜５４の積層の複製を利用する。複製積層である層５０〜５４は、主積層であるＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ層２０〜２４と、層の配列が同一であり、好ましくは化学的性質が同一である。しかしながら、複製積層の方が層の厚さは薄く、好ましい厚みは基板の複数の領域に残る部分によって、後の工程に問題を起こさない程度である。

図2を参照しながら、他の平坦方法を説明する。図２−１は、複製積層である層５０〜５４を示す。複製積層の最上層であるＩｎＧａＡｓ層５４は、主要積層バリア層の最下層ＩｎＧａＡｓ層２０と、実質的に同じであるか連続している。同じく、複製積層の最下層であるＩｎＧａＡｓ層５０は、基板の主要部分のＩｎＧａＡｓキャップ層１１と、実質的に同じであるか連続している。

主要バリア層２０〜２５の厚さは、典型的には数１００ナノメートル単位であり、１ミクロンまでは厚みが増えてもよい。これらのバリア層の厚みは、利用するＱＷＩ方法によって決定され、個別層の厚みは、正しくバンドギャップを得るため必要な程度に、不純物が量子井戸へ移動することを十分に抑制できるように決定される。しかしながら、複製積層である層５０〜５４は、典型的には厚さ２０〜３０ｎｍの薄いエッチング停止層のみで構成しなくてはならない。後に説明されるが、これらの各層の厚みは、近接する上部層のオーバーエッチングに耐えられる程度でなくてはならない、しかし、（ａ）ＱＷＩ処理完了後の平坦化に問題を起こす程度か、（ｂ）ＱＷＩ処理効率を局部的に著しく減少させる程度の、厚みではない。

第1処理工程は、図１−１〜１−６を参照して説明した方法と対応する方法で行う。そのため、図１−１〜１−６を参照して示したバリア層処理工程で、図２−１の基板に対して行われた工程の完了後、対応する結果を図２−６に示す（図２−２〜２−５は簡潔のため省略する）。

混合剤は、混合キャップまたはＱＷＩ開始層４０の形態をとっており、図２−７に示す基板となるように、基板表面を全体に付着されている。ＱＷＩ開始層４０は、好ましくは、前述したように不純物とシリカとのスパッタ付着層で構成される。

その後、基板は熱処理によって、好ましくは高速高温アニールによって混合される。図２−７に示すように、バンドギャップＢＧ１〜ＢＧ３はこの工程で生成される。バンドギャップＢＧ０は成長した（元の）バンドギャップに相当する。

例えばＨＦベースのエッチング溶液を利用して、ＱＷＩ開始層４０を、シリカ層３０と共に除去する。ＩｎＧａＡｓの露出した上部バリア層２４と、バリア層２０の露出領域（複製層５４）とを、ドライ又はウェットエッチングで除去する。これにより基板は図２−８に示された状態になる。

表面を平坦化するために、後に薄い複製層５３を除去する適切なウェットエッチング配合で、バリア層２３を除去する。薄い複製層が、実質的なオーバーエッチングを受けることにより、より厚いバリア層２３は除去されるけれども、エッチング停止層５２によって、基板のＢＧ３領域が更にエッチングされるのを妨ぐ。結果を図２−９に示す。適切なエッチング配合を使ってバリア層２２を除去して、これに対応し複製層５２と、エッチング停止層２１，５１とを除去して、基板を図２−１０に示す状態にする。続いて、適切なエッチング処理によって層２１と５１とを除去して、基板を図２−１１に示す状態にする。

複製層５０〜５４の一部または全ては、未だ基板のある部分に存在している、というのは、これらの複製層は非常に薄く（例えば除去されたバリア層２０〜２４よりも１桁か２桁薄い）、後のデバイス処理工程にほとんど問題を起こさないからである。複製層の積層は、最も厚い部分でも１００ｎｍよりも薄いことが好ましい。このように、サンプル表面が不均一であることも受容され、特に、例えば光導波路のエッチング深さを画定するために、更なるエッチング停止処理を後に行う予定がある場合は、受容される。

他の方法としては、超薄ＩｎＰバッファ層１２´（図１−１のキャップ層１２の代わり）を、バリア層２０〜２４の下にバッファとして利用する方法がありえる。バッファ層１２´の厚みが、その一部が、一連のバリア画定エッチングを行った後に残る程度であるときは、その後、ＩｎＰバッファの下にあるＩｎＧａＡｓキャップ層１１を頼みにして、単一拡張ウエットエッチングによって基板を平坦化することができる。

図１と２とに注目すると、基板（ＢＧ１…ＢＧ３）のそれぞれのバンドギャップ領域は、複数のバリア層組合せ（例では、各組はＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓ層とを有する）によって画定されている。換言すると、領域ＢＧ３はバリア層のペアがない；領域ＢＧ２は１組のバリア層２１、２２で保護され；領域ＢＧ１は２組のバリア層２１、２２，２３，２４で保護されている、領域ＢＧ０は付加したＱＷＩ抑制キャップで保護されている。しかしながら、この技術を行える場合とは、それぞれ個別の領域ＢＧ０…ＢＧ３を、バリア層のペアよりもむしろ、それぞれ対応する数の単層バリア層で保護する場合である。この例では、各々の連続的バリア層は（ｉ）ＱＷＩ処理中の下部領域におけるバンドギャップに対する抵抗性を必要なだけ増やさなければならない、（ｉｉ）上部バリア層の除去に対するエッチング停止という化学的性質を提供しければならない。

図３の棒グラフに、そのような処理を行って混合されたＡｌ三元ＭＱＷＩｎＰ材料について、実験を行って観察したバンドギャップを示す。バリア層構造を以下の記号で表す、“Ａ”はＩｎＰ層で、“Ｂ”はＩｎＧａＡｓ層である。

図３から明らかなように、異なるバンドギャップは３種類の方法で得られる。
（ｉ）ＱＷＩ開始キャップ４０と接触する材料の最上層とのインターフェイス効果の利用（例えばＡとＡＢ、ＡＢとＡＢＡ，ＡＢＡとＡＢＡＢ）、
（ｉｉ）一致する最上層に対する積層厚みの効果（ＡとＡＢＡ、ＡＢとＡＢＡＢ）、
（ｉｉｉ）バリア積層内の、層間インターフェイスと連続する層との数。

したがって、バリア層２０〜２４によって与えられる「バンドギャップに対する抵抗」は、バリア層の厚みの関数のみならず、ＱＷＩ開始キャップとの相互作用の関数にもなり得るし、（例えば、２つの材料の境界における表面相互作用効果）、積層バリア層内の層インターフェイスの数の関数にもなり得る（積層バリア層内の境界における相互作用効果）。ここで記した発明の技術は、執り行うＱＷＩの程度を制御するためのインターフェイス効果とバリア厚み効果との利用と、互換性がある。インターフェイス効果は参考文献［１，２，２２−２４］と特許文献［３０］に記載されている。

組合せたバリア層による方法（図３の矢印で記すもの、図１と２に関して説明したもの）は、一致するＱＷＩ開始層／バリア層インターフェイス効果を保つという点で、大いに利点がある。このようなインターフェイス効果はＱＷＩ処理では非常に重要となり得る。

組合せたバリア層による方法によると、エッチングの化学的性質を用いる場合の要件を回避することができ、その化学的性質とは、ＱＷＩ開始層の第１及び第２層材料のタイプによってＱＷＩ開始層を選択的にエッチングすることである。言い換えると、組合わせバリア層の技術を利用すると、ＱＷＩ開始層４０の除去（図１−７の基板から図１−８の基板への進行）の際に、同じタイプの材料（層２０、２２及び２４）に対してはエッチングを停止することが必要になる。

逆に、単一のバリア層のみが、ＢＧ３〜ＢＧ１の連続する領域に対して利用される際には、ＱＷＩ開始層４０の除去は、２つかそれ以上の異なる材料によって停止されなければならない。したがって、単一バリア層方法かバリア層を組み合わせる方法かを選択する際に、ＱＷＩ開始キャップのエッチング化学的性質に関連して最上バリア層のエッチング化学的性質を選択することが必要になる。上述した方法は原則的に、如何なる数のバンドギャップがあろうと、行うことができる。

上述の典型的な実施例は、不純物ベースのＱＷＩ開始層に関して説明されているが、混合処理を開始し、加速または促進するために、その他のＱＷＩ開始材料と技術とを用いることができる。例えば、不純物を含まない誘電体キャップ、スパッター材料（シリカなど）、プラズマ／スパッター損傷及び上述の先行技術で概説された技術などである。図１及び２に関連して説明したＱＷＩ開始層の処理は、参考文献［２６］で提案されているバリア層に対応しない。ＱＷＩ混合（ＱＷＩ intermixing）はイオンインプランテーションにより誘起され得る。

一般的には、ＱＷＩ開始層またはイオン注入は、混合剤（例えば不純物）を基板表面に適用する効果的な手段を供する。「基板表面」という表現には、導入する混合剤が、基板を離れた位置で、かなり多量に駆動するイオンンプランテーションの意味が含まれる。

好ましい実施例において、混合剤の適用は、上述した高温高速熱アニール処理のような、混合剤駆動段階を含む。ＱＷＩ処理の中には、例えば、光吸収誘起無秩序化（photo-absorption-induced disordering）といったＱＷＩ処理では、駆動段階を必要としないものもある。

上述した典型的な実施例は、ＰＥＣＶＤシリカ層であるＱＷＩ抑制層に関して説明されているが、その他のＱＷＩ抑制材料を用いて混合処理を抑制し、静止し、遅延させることもできる。こういった材料には、スピンオンガラスや、スパッターされたシリカなどが含まれる。

実際には、ＱＷＩ抑制層３０はある環境下においてまったく必要とされないこともある。
第１の例では、バリア層２０〜２４の累積厚さが十分であって、最も厚い領域ＢＧ０において完全にＱＷＩを抑制することができるならば、元々ある成長したバンドギャップＢＧ０を、これらの領域に保持することができる。この技術は特に、インプランテーションをＱＷＩ剤適用のために利用する場合、適切である。
第２の例では、元々ある成長したバンドギャップを保持する必要がないことがある、すなわち領域ＢＧ０もまたバンドギャップを故意に付与されている。

第３の例では、例えば、ＱＷＩ開始材料との境界にＩｎＧａＡｓ層２４が存在することが、ＱＷＩ剤の基板への移動を促進するために重要である場合、ＢＧ０領域においてこの層を省くだけで（すなわち除去すれば）、実質的にＱＷＩ剤の移動を抑制することができ、残されたバリア層２０〜２３の厚みだけで事実上、領域ＢＧ０のＱＷＩを阻止することができる。この場合、付着層３０よりも上部バリア層が、ＢＧ０領域で実際に除去される。
第４の例では、駆動段階（例えば高速熱アニール）に先立ってＢＧ０領域のＱＷＩ開始材料の除去すると、この領域においていかなるバンドギャップをも抑制することができる。ＢＧ０領域のＱＷＩ開始キャップは、フォトリソグラフィを利用したエッチングまたはリフトオフのどちらかによって除去することができる。この場合、ＱＷＩ開始キャップによって行う領域ＢＧ１−ＢＧ３のバンドギャップ誘起のためのアニール条件は、キャップのない領域ＢＧ０に元々あるバンドギャップに影響を与えてはいけない。

本発明の実施例によって多くの利点が得られる。恣意的な大きさのバンドギャップを多数生成することができ、これらは容易に変更することができる。多層バンドギャップを単一の混合工程のみで得ることができる、すなわち、一度だけＱＷＩ開始剤を適用／駆動するだけでよい。エピタキシャル成長したバリア層を、好ましくは基板量子井戸構造の形成に利用した装置と同一のものを利用するため、バリア層厚さと組成との制御に優れている。

好ましくは、バリア層は、下層基板の量子井戸構造のエピタキシャル成長と共に（すなわち、真空付着の環境からウエハ基板を除去することなく）一連の連続した処理によって形成され、高純度で汚染は少ない。これは、文献［２６］で提案されたように、別々に付着した（蒸着またはスパッタ）金属バリア層に比べて著しく改良されている。ここで説明したバリア層のエピタキシャル成長によって、きわめて良好な層の空間均一性（spatial uniformity）と、組成の制御と、原子スケールに近い精確さとを確保することができ、原子スケールに近い精確さによって優れたエッチング速度の制御と、適用／駆動段階におけるＱＷＩ開始剤の移動の制御とを確保できる。

さらに、この方法は大規模生産に適しており、その理由は、バリア層の厚さと組成とを、ＱＷＩ処理を行うための成長したウエハに組みこむことができるからである。ポスト成長バリア層を付着させる必要がない。

ここで述べた方法は、半絶縁性のＩｎＰ基板上におけるＡｌ四元ＩｎＰ材料系を含む、さまざまな材料系に完全に対応できるという点で、更なる利点がある。ＱＷＩ処理の後の基板平坦化を、フォトリソグラフィ肯定を行わずに行うことができ、コストと歩留まりを削減できる。

本発明の一実施例によるＱＷＩ処理ステップの様々な段階におけるデバイス基板の概略図である。本発明の別の実施例によるＱＷＩ処理ステップの様々な段階におけるデバイス基板の概略図である。図１の構造に対して行った処理ステップから得た基板の複数の領域で行われる、フォトルミネセンス波長ずれで表されたバンドギャップを示すグラフである。

Claims

単一基板上に異なるバンドギャップを有する多層量子井戸混合（ＱＷＩ）領域を生成する方法であって、
少なくとも一つの量子井戸を画定する一つまたは複数のコア層を含む基板を形成し、
前記量子井戸の上側に連続する混合バリア層を付着し、連続する混合バリア層の各々は半導体材料で形成され、先行するバリア層と異なるエッチング特性を持ち、
前記基板上の異なる領域において、バリア層の厚みが異なるように、前記基板上の異なる領域にある複数の前記連続するバリア層をエッチングし、
前記量子井戸領域の混合の程度がバリア層の全厚みの関数として変化するように、混合剤を前記基板表面に適用し、
それぞれの領域にある前記量子井戸で複数のバンドギャップを形成する、
ステップを含む方法。
請求項１に記載された方法であって、前記混合バリア層を付着するステップは、エピタキシャル成長を含む、
方法。
請求項１または２に記載された方法であって、前記混合バリア層の各々は、実質的な単一結晶半導体層を含む、
方法。
請求項１乃至３の何れかに記載された方法であって、前記基板を形成するステップと、前記混合バリア層を付着するステップは、同一のエピタキシャル成長装置で行われる、
方法。
請求項１に記載された方法であって、前記基板の前記表面に混合剤を適用するステップは、イオンプランテーション処理中の高エネルギーイオンに前記基板をボンバードするステップを含む、
方法。
請求項１乃至４の何れかに記載された方法であって、
前記基板の前記表面に混合剤を適用するステップは、ＱＷＩキャップ層を前記基板上に付着するステップを含み、前記ＱＷＩキャップ層は混合を開始または促進する、方法。
請求項１乃至６の何れかに記載された方法であって、前記混合剤を駆動するステップを含む方法。
請求項７に記載された方法であって、前記混合剤を駆動するステップは、前記混合剤を前記基板に供給した後に、前記基板を熱処理するステップを含む、
方法。
請求項１に記載された方法であって、前記バリア層は２つの異なる種類の材料が交互に配されている、方法。
請求項１に記載された方法であって、前記バリア層は２つ１組になっており、前記領域の各々は複数のバリア層の組を有する、方法。
請求項１乃至１０の何れかに記載された方法であって、
前記量子井戸領域はアルミニウム四元インジウムリン材料で形成される、
方法。
請求項１乃至１１の何れかに記載された方法であって、
前記混合バリア層は、インジウムリン（ＩｎＰ）とインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）との連続層を有する、方法。
請求項１２に記載された方法であって、エッチングのステップは、
前記ＩｎＧａＡｓ層をＨ_３ＰＯ_４：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏでエッチングするステップと、前記ＩｎＰ層をＨＣｌ：Ｈ_２Ｏでエッチングするステップとを含む、
方法。
請求項１２に記載された方法であって、エッチングのステップは、
前記ＩｎＧａＡｓ層をＨ_２ＳＯ_４：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏでエッチングするステップと、前記ＩｎＰ層をＨＣｌ：Ｈ_３ＰＯ_４でエッチングするステップとを含む、
方法。
請求項１乃至１４の何れかに記載された方法であって、前記量子井戸はアルミニウム三元ガリウムヒ素材料で形成される、
方法。
請求項１乃至１１の何れかに記載された方法であって、前記混合バリア層は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）と、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）と、アルミニウムヒ素（ＡｌＡｓ）との連続層を含む、方法。
請求項１６に記載された方法であって、
前記ＧａＡｓ層をＨ_２ＳＯ_４：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏでエッチングするステップと、前記ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層をＨＦ緩衝溶液でエッチングするステップとを含む、
方法。
請求項１に記載された方法であって、前記混合剤を適用した後に、前記基板を平坦化するステップを含む、方法。
請求項１８に記載された方法であって、平坦化のステップは、一つまたは複数の前記混合バリア層を前記基板の前記表面から除去するステップを含む、方法。
請求項１９に記載された方法であって、平坦化のステップは、全ての前記混合バリア層を前記基板の前記表面から除去するステップを含む、方法。
請求項１に記載された方法であって、前記連続する混合バリア層を付着するステップを含み、
第１の混合バリア層を、前記量子井戸領域の上側にある前記基板上に付着させ、前記第１のバリア層は、第１のエッチング特性を有する半導体材料で形成され、
第２の混合バリア層を、前記第１のバリア層の上側にある前記基板上に付着させ、前記第２のバリア層は、第２のエッチング特性を有する半導体材料で形成され、
前記基板の第１の領域の前記第１及び第２のバリア層をエッチングし、
前記基板の前記第２の領域の第２のバリア層をエッチングし、
前記第１及び第２のバリア層を前記基板の他の領域に残し、
前記混合剤を前記基板表面に適用した後に、前記量子井戸領域にある異なるバンドギャップを、前記第１の領域と、前記第２の領域と、前記その他の領域とのそれぞれに形成する、
方法。
請求項２１に記載された方法であって、前記の付着するステップはさらに以下のステップを含み、
第３の混合バリア層を、前記第１及び第２のバリア層に付着させるステップに先立って前記基板上に付着させ、前記第３の混合バリア層は第３のエッチング特性を有する半導体材料で形成され、
前記エッチングのステップは、前記領域の第３の領域の、前記第１、第２及び第３のバリア層をエッチングすることを含み、
前記混合剤を前記基板表面に適用した後に、前記量子井戸領域にある異なるバンドギャップを、前記第１の領域と、前記第２の領域と、前記第３の領域と、前記その他の領域とのそれぞれに形成する、
方法。
請求項２２に記載された方法であって、前記第３のエッチング特性は前記第２のエッチング特性と同一である、方法。
請求項１に記載された方法であって、前記連続する混合バリア層を付着するステップを含み、
第１及び第２の混合バリア層を、前記量子井戸領域の上側にある前記基板上に付着させ、前記第１及び第２のバリア層は、それぞれ第１及び第２のエッチング特性を有する半導体材料で形成され、
第３及び第４の混合バリア層を、前記第１及び第２のバリア層の上側にある前記基板上に付着させ、前記第３及び第４のバリア層は、それぞれ第３及び第４のエッチング特性を有する半導体材料で形成され、
前記基板の第１の領域の前記第１、第２、第３、第４のバリア層をエッチングし、
前記基板の第２の領域の前記第３及び第４のバリア層をエッチングし、
前記第１、第２、第３、第４のバリア層を前記基板の他の領域に残し、
前記混合剤を前記基板表面に適用した後に、前記量子井戸領域にある異なるバンドギャップを、前記第１の領域と、前記第２の領域と、及び前記その他の領域のそれぞれに形成する、
方法。
請求項６に記載された方法であって、前記量子井戸キャップ層は高不純物材料を含む、方法。
請求項２５に記載された方法であって、前記不純物は、硫黄、亜鉛、シリコン、フッ素、銅、ゲルマニウム、スズ及びセレンのうち１つあるいは複数を含む、方法。
請求項２５または２６に記載された方法であって、前記高不純物材料は、不純物硫黄、亜鉛、シリコン、フッ素、銅、ゲルマニウム、スズ及びセレンのうち１つあるいは複数を含むドーピングしたシリカを含む、
方法。
請求項６に記載された方法であって、前記量子井戸キャップ層はスパッタ付着されている、方法。
請求項１８に記載された方法であって、連続する平坦化した層を、前記連続する混合バリア層の下側に付着し、
前記連続する平坦化した層の数は、前記第１の連続するバリア層の、層と層材料の数と同一であり、しかし前記連続する平坦化した層の全体厚さは、前記第１の連続する混合バリア層の全体厚さよりも極めて小さく、
前記基板を、混合バリア層と対応する平坦化層とを、一連の選択的エッチングによって連続的に除去して平坦化する、
方法。
機械的支持体である基板を含むエピタキシャル成長材料のウエハであり、
１つまたは複数の層は、前記ウエハ上に付着された量子井戸構造を画定し、
連続する混合バリア層は前記量子井戸構造の上側に形成され、
連続混合バリア層の各々は、先行するバリア層と異なるエッチング特性を持つ半導体材料で形成され、
連続層の各々は先行する上部層のエッチング停止層として機能する。
請求項３０に記載されたウエハであって、前記混合バリア層は、エッチング特性が交互に替わる、ウエハ。
請求項３０または３１に記載されたウエハであって、前記混合バリア層は、２つ１組で隣接して配置され、各組の前記バリア層の少なくとも一つは、ＱＷＩ開始剤の移動に対する強い抵抗性を提供する、ウエハ。
請求項３０乃至３２の何れかに記載されたウエハであって、第１の全体厚さをもつ第１の連続するバリア層と、第２の連続する平坦化した層とを有し、第２の連続する平坦化した層の数は、前記第１の連続するバリア層の、層と層材料の数と同一であり、しかし第２の全体厚さは、前記第１の全体厚さよりも極めて小さい、ウエハ。
請求項３３に記載されたウエハであって、第２の全体厚さは、前記第１の全体厚さと比べて、一桁よりも小さい、ウエハ。
請求項１乃至２９の何れかに記載された方法を利用して製造された、半導体光デバイス。
実質的に添付図面を参照してここに説明された方法。