NTERMEZCL&DO DZ CAVIDAD CUANTICA Antecedentes de la Invención La integración monolítica de varios dispositivos optoelectrónicos en circuitos integrados optoelectrónicos (OEICs) y circuitos integrados fotónicos (PICs) es de considerable interés para el desarrollo de sistemas de telecomunicaciones - En los OEICs, los dispositivos ópticos tales como lásers y dispositivos electrónicos tales como transistores, son integrados sobre un solo chip o microplaquita para la operación de alta velocidad, puesto que la reactancia parasítica en las conexiones eléctricas puede ser minimizada de los dispositivos estrechamente empacados. Los PICs son un subconjunto de OEICs sin componentes eléctricos, en los cuales únicamente fotones están involucrados en la comunicación o conexión entre los dispositivos optoelectrónicos y/o fotónicos . Las fuerzas de transmisión para los PICs son para mejorar la complejidad de los enlaces de comunicación ópticos de próxima generación, las arquitecturas de interconexión o de red y los sistemas de conmutación, tal como en los sistemas de multiplexión de división de longitud de onda (WDM) de canales múltiples y los sistemas de multiplexión de división de tiempo (TDM) de alta velocidad. En los PICs, además de la ganancia del bajo costo, la reducción de tamaño y la robustez incrementada del empaque, la ventaja principal es que todas las interconexiones entre los dispositivos optoeiectrónicos de onda guiada individual son precisamente y permanentemente alineadas con respecto una a la otra, puesto que las guias de ondas son producidas litográficamente. En el proceso de integración, los dispositivos complejos son construidos de componentes que son muy diferentes en funcionalidad, tales como emisores de luz, guias de ondas, moduladores y detectores. Cada componente necesita diferentes estructuras de material para lograr el desempeño optimizado. Como resultado, la habilidad para modificar la nergia de intervalo de banda y el Índice de refracción de los materiales es importante para realizar OEICs y PICs. Un número de técnicas han surgido para este propósito, incluyendo el desarrollo y redesarrollo, epitaxia o desarrollo de área selectiva sobre un sustrato configurado y el intermezclado de cavidad cuántica (Q I) . El desarrollo y redesarrollo es una técnica complicada y costosa que involucra el desarrollo, grabado y redesarrollo de capas de cavidad cuántica (QW) en áreas seleccionadas sobre el material en masa- Estas estructuras de capas son sobredesarrolladas con el mismo revestimiento metálico superior pero una región activa diferente. Este procedimiento sufre de desigualdades en el coeficiente de propagación óptico y desigualdades en las dimensiones de la guia de ondas en la zona interfacial de redesarrollo. Además, este proceso da bajo rendimiento y baja producción, y por lo tanto adiciona costo al producto final. El desarrollo de área selectiva utiliza las diferencias en la composición de capa epitaxial y el espesor producido por el desarrollo a través de una máscara para obtener variación de intervalo de banda espacialmente selectiva. Antes del desarrollo epitaxial, el sustrato es configurado con una máscara dieléctrica tal como Si02/ en la cual son definidas ranuras con diferentes anchos. La velocidad de desarrollo en las áreas abiertas depende del ancho de la abertura y la configuración de la máscara. Ningún desarrollo puec. tomar lugar sobre la parte superior de la capa dieléctrica. Sin embargo, la migración superficial de las especies puede tomar lugar por alguna distancia a través de la máscara a la abertura más cercana. La ventaja de este procedimiento es una reducción en el número total de etapas de procesamiento, tal que se pueden realizar secciones de cavidad cuántica múltiples (MQW) de láser y modulador, esencialmente óptimas, en una sola etapa de desarrollo epitaxial. Este proceso trabaja bien bajo un conjunto de parámetros precisamente controlado, pero es difícil de manipular en un aspecto genérico. Además, esta técnica da pobre resolución espacial de aproximadamente 100 um, y por consiguiente la sección pasiva generalmente tiene una pérdida relativamente alta . El QWI está basado en el hecho de que una QW es un sistema inherentemente metastable debido al gradiente de concentración grande de especies atómicas a través de la zona interfacial de las QWs y las barreras. Por consiguiente, esto permite la modificación del intervalo de banda de las estructuras de QW en regiones seleccionadas al intermezclar las QWs con las barreras para formar semiconductores de aleación. Esta técnica ofrece un método de posdesarrollo efectivo para la integración lateral de diferentes intervalos de banda, índice de refracción y absorción óptica dentro de las mismas capas epitaxiales . La técnica de QWI ha estado ganando reconocimiento y popularidad, para la cual se han identificado varias aplicaciones potenciales en optoelectrónicos integrados, por ejemplo moduladores de electroabsorción modulados en el intervalo de banda, lásers modulados en el intervalo de banda, guias de ondas de baja pérdida para interconectar componentes sobre un OE1C o PIC, cavidades extendidas integradas para lásers de línea angosta, lásers de reflector Bragg distribuido (DBR) de una sola frecuencia, lásers de modo cerrado, espejos no absorbentes, rejillas de ganancia o de fase para lásers de retroalimentación distribuida (DFB) , diodos superluminiscentes, moduladores y amplificadores de QW insensibles a la polarización y lásers de longitud de onda múltiple . La investigación actual se ha enfocado sobre el Q I que utiliza procedimientos tales como el desordenamiento inducido por desocupación libre de impureza (IFVD), desordenamiento inducido por láser (LID) y desordenamiento inducido por impureza (IID) . Cada una de estas técnicas de QWI tiene sus ventajas y desventajas. El método de IFVD implica la deposición de un material de capa dieléctrico sobre los materiales de QW y el recocido de alta temperatura subsecuente para promover la generación de desocupaciones de la capa dieléctrica a los materiales de QW y por consiguiente, aumentar el intermezclado er áreas seleccionadas. Por ejemplo, en los materiales de QU de GaAs-AlGaAs, el Si02 se conoce que induce la difusión fuera de átomos de Ga durante el recocido, generando así desocupaciones del grupo III en el material de QW. El esfuerzo térmico en la zona interfacial entre el GaAs y la capa de Si ; juega un papel importante. El coeficiente de expansión térmico del GaAs es diez veces más grande que aquel del SiO:. Durante el recocido de alta temperatura, la unión en la capa de SiO; altamente porosa, depositada utilizando deposición química de vapor aumentada con plasma (PECVD), puede ser rota debido al gradiente de esfuerzos entre el GaAs y la película de Si02. Así, la difusión fuera del Ga ayuda a aliviar el esfuerzo de tensión en el GaAs.
Estas desocupaciones de Ga luego se propagan hacia abajo a la QW y aumentan la velocidad de interdifusión de Ga y Al, y por consiguiente dan por resultado el QWI. Después del proceso de interinezclado, el intervalo de banda en el material de QW se amplia y el Índice de refracción disminuye . La selectividad de esta técnica se puede obtener utilizando una capa de SrF2 para inhibir la difusión fuera de Ga, en consecuencia para suprimir el proceso de QWI. Utilizando esta técnica, los dispositivos tales como los lásers modulados en el intervalo de banda de longitud de onda múltiple y los fotodetectores de guía de ondas de canal múltiple se han demostrado con buen resultado. Aunque el IFVD es una técnica exitosa cuando se emplea en el sistema de GaAs/AlGaAs, esta técnica da pobre reproductibilidnd en los sistemas de InGaAs/InGaAsP. Además, debido a la pobre estabilidad térmica de los materiales de InGaAs/InGaAsP, el proceso de IFVD, que requiere recocido de alta temperatura, se encuentra que da baja selectividad de intervalo de banda en las estructuras de QW basadas en InGaAs/InGaAsP. El desordenamiento inducido por láser (LID) es un proceso de QWI prometedor para lograr desordenamiento en los materiales de QW de InGaAs/InGaAsP debido a la pobre estabilidad térmica de los materiales. En el método de desordenamiento inducido por fotoabsorción (PAID), una irradiación de láser de onda continua (CW) es absorbida en las regiones de QW, para generar de esta manera calor y ocasionar el ir;.t*;rmezclado por inducción térmica. Aunque el material resultante es de alta calidad óptica y eléctrica, la selectividad espacial de esta técnica es limitada por el flujo lateral a aproximadamente 100 um. Una modificación del método de PAID, conocido como PAID pulsado (P-PAID) , utiliza pulsaciones de láser de Nd:YAG conmutado en Q, de alta energia, para irradiar el material basado en InP. La absorción de las pulsaciones da por resultado la rotura del reticulado y un incremento en la densidad de los defectos de punto. Estos defectos de punto subsecuentemente se interdifunden en la QW durante el recocido de alta temperatura y en consecuencia aumentan la proporción de intermezclado de QW. Aunque el P-PAID puede proporcionar resolución espacial más alta que 1.25 um y capacidad de escritura directa, los materiales intermezclados dan baja calidad debido a la formación de defectos extendidos. De todos los métodos de QWI, el desordenamiento inducido por impureza (IID) es el único proceso que requiere la introducción de impurezas en los materiales de QW con el fin de realizar el proceso de intermezclado. Estas impurezas se pueden introducir a través del haz de iones enfocado, la difusión de impureza basada en horno y también la implantación de iones .
El IDD es un proceso de intermezclado relativamente simple y altamente reproductible . Este tiene la capacidad para proporcionar alta resolución espacial para la integración de dispositivos de dimensión pequeña y los cambios de intervalo de banda se pueden controlar a través de los parámetros de implantación. Esta técnica es comúnmente utilizada para lograr confinamiento eléctrico y óptico lateral en semiconductores, tal que se puede obtener operación de baja corriente umbral y modo lateral individual. Además, el proceso de IDD es de considerable interés para la integración de r>i temas de WDM, tales como fuentes de láser de longitud de onda múltiple, guias de ondas de baja pérdida, moduladores y aun detectores. El efecto de IDD se acepta ampliamente que consiste de dos etapas. La primera etapa es implantar impurezas en el material de QW. La etapa subsecuente es recocer el material para inducir difusión de tanto la impureza como los defectos de punto en las QWs y en las barreras, y en consecuencia la interdifusión de elementos de matriz entre las QWs y las barreras. En un sistema de QW de InGaAs/InGaAsP, la interdifusión de elementos del Grupo V de la barrera a la cavidad, lo cual da por resultado el desplazamiento de azul de la energía de intervalo de banda, se cree que es ocasionada por la difusión de defectos de punto generados durante el proceso de implantación, la autointerdifusión a temperatura elevada (cambio térmico) y la difusión de las especies implantadas. Durante la implantación, las impurezas así como los defectos de punto, tales como las desocupaciones del Grupo III y los intersticios, son introducidos en el material en áreas seleccionadas. La difusión de estos defectos de punto y las impurezas a temperatura elevada, aumenta la proporción de interdifusión entre las QWs y las barreras y en consecuencia, promueve el intermezclado después del recocido. Bajo la influencia de impurezas inyectadas, el perfil de composición de la QW es alterado de un perfil cuadrado a un perfil semejante a una parábola. Como resultado, después del proceso de interdifusión, el intervalo de banda local se incrementa y el índice de refracción correspondiente disminuye. Utilizando la técnica de IDD, el intermezclado de área selectiva a través de una pastilla (wafer) se puede obtener al utilizar una máscara de implante de Si02 con varios espesores. Sin embargo, esta técnica implica múltiples etapas de litografía y grabado que complican" el proceso de fabricación. Un artículo titulado "Integration process for photonic integrated circuits using plasma damage induced layer intermixing" , Electronics Letters, Volumen 31, 449, 1995, por B S Ooi, A C Bryce y J H Marsh, describe un proceso de intermezclado de cavidad cuántica basado sobre el daño por bombardeo iónico reactivo. En esta técnica, se utilizó un proceso de plasma de H2 de alta potencia de RF, y en consecuencia alto daño, para introducir defectos de punto sobre la superficie de las muestras, que luego se recocieron para difundir los defectos de punto en la región de QW. La exposición al plasma se realizó utilizando una máquina de grabado de ion reactivo (RIE) de placa paralela. De manera similar, L M Lani y colaboradores, en un articulo titulado "Plasma Immersioji Ar+ Ion Implantation Induced Disorder in Strained InGaAsP Múltiple Quantum Wells", Electronic Letters, Volumen 34, No. 8, 16 de Abril de 1998, describen un proceso de implantación de ion por inmersión en plasma que utiliza una máquina de RIE. En cada una de estas técnicas, el proceso de QWI está basado en el daño por bombardeo iónico y requiere múltiples ciclos para afectar grados bastante módicos del cambio de intervalo de banda . La habilidad para controlar el intervalo de banda a través de una pastilla semiconductora de III-V es un requerimiento clave para la fabricación de PICs monolíticos. El borde de la banda de absorción de las estructuras de QW necesita ser controlado especialmente a través de una pastilla para permitir la fabricación de lásers integrados, moduladores y guias de ondas de baja pérdida. Aunque las técnicas de QWI ofrecen grandes ventajas sobre las técnicas de desarrollo y redesarrollo, y de desarrollo epitaxial p
selectivo para el proceso de ingeniería de intervalo de banda, el control espacial de las técnicas de QWI convencionales es indirecto y complicado. El desarrollo explosivo de tráfico de Internet, servicios de multimedia y servicios de datos de alta velocidad han ejercido presión sobre los portadores de telecomunicaciones para expandir la capacidad de sus redes rápidamente y efectivas en costo. Los portadores normalmente tienen tres opciones para expandir la capacidad, es decir, instalar nuevas íibras, incrementar la velocidad de bits del sistema de transmisión o emplear la multiplexión por división de longitud de onda (WDM) . Mientras que la primera opción tiene problemas de alto costo y derecho de paso y la segunda opción tiene potencial de desarrollo limitado debido a limitaciones inherentes del sistema, la tercera opción es por lo tanto muy atractiva debido a que es capaz de incrementar de modo múltiple la capacidad de la red a un costo módico. Breve Resumen de la Invención De acuerdo con la presente invención, se proporciona un método de fabricación de un circuito integrado fotónico que comprende una estructura semiconductora compuesta que tiene una región de cavidad cuántica, en el cual el método comprende las etapas de irradiar la estructura utilizando una fuente de fotones para generar defectos, los fotones que tienen una energía (E) de por lo menos aquella de la energía de desplazamiento (ED) de por lo menos un elemento del semiconductor compuesto, y subsecuentemente recocer la estructura para promover el intermezclado de cavidad cuántica . La fuente de radiación preferida es un plasma, aunque hay un número de fuentes de fotones de alta energía que pueden ser utilizadas. Las fuentes de plasma adecuadas incluyen aquellas generadas utilizando un sistema de resonancia ciclotrónica electrónica (ECR) , un sistema de plasma inducti amente acoplado (ICP), un disco de plasma excitado mediante un haz de electrones de vacio moderado y dispositivos de rayos X poco penetrantes (SFR) de plasma. Otras fuentes adecuadas de radiación de alta energía incluyen dispositivos eléctricos de descarga de gas, lásers excimer, dispositivos sincrotrónicos, dispositivos de rayos X de luz instantánea y fuentes de rayos gamma. El método puede incluir la etapa de enmascarar una porción de la estructura para controlar el grado de daño por radiación. De esta manera, la máscara puede ser adaptada para prevenir el intermezclado completamente. Sin embargo, de preferencia la estructura es enmascarada de una manera diferencial para intermezclar selectivamente la estructura en una manera espacialmente controlada, al controlar la exposición de porciones de la estructura en una manera predeterminada.
Hay un número de formas adecuadas de máscaras de exposición, incluyendo máscaras binarias, máscaras de fase, máscaras grises, máscaras dieléctricas o de metal y máscaras de fotorrecubroiaiento protector. El control espacial del intermezclado es ventajosamente controlado utilizando una configuración de máscara de perfil variable. La solicitud de patente internacional copendiente de los inventores, número (Referencia del Agente
PJF01075WO) describe un método para configurar una estructura al exponer una capa de fotorrecubrimiento protector a través de una máscara en escala gris. El grado de intermezclado de cavidad cuántica es controlado en una manera espacialmente selectiva en dependencia de las caracteristicas de transmitencia óptica de la máscara en escala gris. Esta técnica es especialmente adecuada para uso en la presente invención, puesto que permite que una máscara sea construida, de modo que puede controlar la exposición de la estructura a la radiación de alta energía. La configuración de máscara de fotorrecubrimiento protector se puede utilizar solo para controlar el grado de exposición o en cambio se puede utilizar para transferir una configuración de máscara a un material implícito, tal como una capa de material dieléctrico, a través de un proceso de grabado. La característica clave de la presente invención es el uso de una fuente de radiación para ocasionar daño por radiación a una estructura cristalina. Para lograr esto, se necesita una t ansferencia de energía mínima bien definida. Esta es llamada la energía de desplazamiento, ED- La ED que excede las transíerencias de energía ocasionará el desplazamiento del átomo, ya sea desplazamiento primario, cuando un ion huésped es golpeado por una de las partículas presentes, o desplazamiento secundario, cuando la transferencia de energía es desde el átomo huésped previamente golpeado. Los valores de energía de ED en eV para un rango de materiales del grupo III-V se dan en la tabla expuesta a continuación.
Mientras que es conocido que la radiación ultravioleta al vacio (VUV) puede ocasionar daño a las estructuras semiconductoras, esta siempre se ha investigado previamente sobre la base de que este daño debe ser evitado, o por lo menos reparado mediante el recocido para asegurar que estos defectos no afecten la operación del dispositivo. Esta técnica novedosa, de bajo costo y simple se puede aplicar para la fabricación de PICs en general, y fuentes de WüM en particular. Al aplicar una técnica de QWI de acuerdo con la presente invención, la energía de intervalo de banda de un material de QW se puede modular a diferentes grados a través de una pastilla. Esto permite no únicamente la integración de lásers de longitud de onda múltiple, monolíticos, sino además se extiende a la integración con moduladores y acopladores sobre un solo chip. Esta técnica también se puede aplicar para facilitar la fabricación y el proceso de diseño de diodos superluminiscentes (SLDs) al expandir el espectro de ganancia a un máximo después del desarrollo o crecimiento epitaxial. La comunidad de investigación de la integración fotónica actualmente observa la tecnología de QWI como un procedimiento prometedor solamente para dispositivos fotónicos de dos secciones, ya que los procesos de QWI convencionales de otro modo podrían ser tediosos y complicados. Aunque es compleja y no efectiva en costo, los investigadores en cambio han preferido utilizar la epitaxia de área selectiva para la integración de secciones múltiples. La presente invención demuestra que la aplicación del QWI no está limitado a dispositivos de dos secciones. Además, la técnica es más efectiva en costo y ofrece una producción más alta y rendimiento más alto comparados con la epitaxia de área selectiva . Breve Descripción de los Dibujos Ahora serán descritos en detalle ejemplos de la presente invención con referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales : la Figura 1 es un diagrama esquemático de un ejemplo de un sistema de ECR; la Figura 2 es una representación esquemática de una estructura de capa de SQW de InGaAs/lnGaAsP y un diagrama de banda para la estructura; las Figuras 3A y 3B son gráficas que ilustran los espectros de PL ds muestras expuestas al plasma de Ar; la Figura 4 es una gráfica que ilustra la relación entre el tiempo de exposición al Ar y el cambio de energía del intervalo de banda relativo para diferentes potencias de microondas; le Figura 5 es una gráfica que ilustra la relación entre la temperatura del proceso y el cambio de energía del intervalo de bande relativo; la Figura 6 es una gráfica que ilustra la relación entre la presión del proceso y el cambio de energía del intervalo de banda relativo; la Figura 7 es un diagrama esquemático de una muestra parcialmente enmascarada por una capa de fotorrecubrimiento protector; la Figura 8 es una gráfica que ilustra los espectros de PL obtenidos de la muestra de la Figura 7 después de la exposición a un plasma de Ar;
la Figura 9 es una gráfica que ilustra la relación entre la potencia de RF y el cambio de energía del intervalo de banda relativo; la Figura 10 es una gráfica que ilustra la relación entre la potencia de microondas y el cambio de energía del intervalo de banda relativo; la Figura 11 es una gráfica que ilustra el cambio de energía del intervalo de banda relativo para muestras expuestas al plasma de Ar con diferentes espesores de la máscara de Si02; la Figura 12 es un diagrama esquemático de un láser con guia de ganancia de área ancha; y la Ficura 13 es una gráfica que ilustra los espectros normalizados del dispositivo de la Figura 12. Descripción Detallada La presente invención está basada en el descubrimiento de que una forma más efectiva de QWI inducido por plasma se pu^de obtener utilizando radiación de alta energía, tal como la radiación vuv generada en un plasma generado por ECR. Este proceso de plasma opera en un régimen totalmente diferente comparado a aquel descrito en las técnicas más anteriores de QWI por desordenamiento inducido por plasma. En un ECR, el control de la potencia de microondas permite la generación de radiación de alta energía que no es encontrada en una máquina de RIE convencional. Como resultado, el cambio de azul del QWI obtenido utilizando radiación de alta energía es significativamente más grande. En un sistema de ECR, un campo magnético es aplicado con una onda electromagnética excitante. Los electrones bajo estos campos se someten a un movimiento circular u orbital con un radio relacionado con la intensidad de los campos, y girando a una frecuencia conocida como frecuencia ciclotrónica electrónica. Si la frecuencia de la onda electromagnética es igual a la frecuencia ciclotrónica, habrá una coherencia de fase que ocasiona que los electrones ganen continuamente energía. Bajo esta condición, la transferencia rie energía por emisión del campo electromagnético sxcitante a los electrones, toma lugar en lo que se conoce como el proceso resonante. En este proceso resonante, los electrones en la masa del plasma ganan su energía de las microondas excitantes y subsecuentemente transfieren la energía a las moléculas vía las colisiones, ocasionando ionizaciones por impacto de electrones y generando una alta densidad de plasma. Los iones altamente ionizados emiten fotones con emisiones de línea VUV. El plasma de ECR está llegando a ser cada vez más popular en el procesamiento microelectrónico, tal como el grabado y la deposición de película delgada, debido a su capacidad para sostener plasmas altamente disociados y altamente ionizados a presiones y temperaturas relativamente bajas. Este tieri" la capacidad para operar a presión menor (tipicamente 10~3 a 10"2 torr) que un plasma de RF de RIE convencional y grado de ionización puede ser tan alto como 10% o más en algunos casos. La resonancia, o absorción de energia aumentada, se presenta cuando la frecuencia del campo eléctrico alternante iguala la frecuencia ciclotrónica. En esta condición, el movimiento espiral del electrón está en fase con el campo eléctrico alternante, permitiendo que sea acelerado resonantemente con cada cambio en la polaridad. En la frecuencia de microondas industrial de 2.45 GHz, la resonancia se presenta con un magneto permanente de 8 3G. Para que la absorción resonante de energia se presente eficientemente, los electrones deben someter sus órbitas ciclotrónicas sin colisión con neutros. Las colisiones interfieren con la absorción de energia debido a la transferencia de energia a los neutros y la aleatorización de la dirección. Como una regla general, las colisiones dan por resultado el calentamiento ciclotrónico electrónico ineficiente a presiones por arriba de 20 mTorr. En una descarga de ECR eficiente, son obtenibles densidades de iones y electrones de hasta 10i:cm"3. Esto es aproximadamente 100 a 1000 veces la densidad obtenible en el plasma generado mediante los sistemas convencionales de RIE. El sistema de ECR utilizado en el procesamiento de las muestras descritas después, fue un sistema Plasma Quest Series II PQM-9137-A. Este es mostrado en la Figura 1. El sistema 10 consiste de un generador de microondas 11 de 2.45 GHz que es alim ntado en la cavidad de EC 12 a través de una ventana de cuarzo. La potencia de microondas varia de 0-1500 W. Este está adjunto con un sintonizador de tres topes, que consiste de tres topes de igualación de impedancia instalados dentro de una longitud de 22.86 cm (9 pulgadas) de guia de ondas 13. Este se utiliza para reducir la potencia reflejada de la energía de microondas dirigida a una fuente de plasma de fácil modulación o la carga al cliente. Magnetos permanentes de Hd-Fe-B adicionales 14 de polaridad alternante están arreglados alrededor del perímetro del reactor e incrustados en el electrodo superior conectado a tierra. Este arreglo produce un campo magnético que mejor confina el plasma. Este enfoca los iones del plasma en el centro de la cámara, lejos de la pared de la cámara, y de esta manera reduce la pérdida de especies cargadas a la pared. El reactor dé ECR también consiste de una boquilla de muestras 15 que está conectada a un suministro de potencia de RF de 13.56 MHz 16. La potencia máxima producible por el generador de RF es de 500 W. La potencia de microondas controla la cantidad de disociación y la generación de especies reactivas. Por otra parte, la fuente de RF proporciona la polarización al sustrato y de esta manera controla el flujo de iones al sustrato, aumentando la direccionalidad del proceso. Las estructuras de InzGai-zAs/InsGax-xAsyPi-y utilizadas en los ejemplos descritos después, se desarrollaron mediante la deposición quimica de vapor orgánico de metal (MOCVD) sobre un sustrato de InP. La región de cavidad cuántica individual (SQW) es no impurificada y consiste de una QW de InxGai-xAs de ancho de 5.5 nm, con barreras de InxGai-xAsyPi-y (?? = 1.26 um) de 12 nm. La región activa se unió mediante capas de confinamiento de InxGai-xAsyPi-y de Índice craduado escalonado (GRIN) . El espesor y la composición de estas capas fueron de 50 nm de Xg = 1.18 µ?? y 80 nm de Xq = 1.05 um, respectivamente. La estructura, que fue de reticulación igualada al InP en todas partes, sé completó con una capa de revestimiento metálico superior de InP de 1.4 um y una capa de InxGai-xASyPi-y de 0.65 um seguido por una capa de InxGai-xAs de 0.1 um que funciona como la capa de contacto. La capa de revestimiento metálico inferior fue impurificada con azufre a una concentración de 2.5xl018cnf . La primera capa de revestimiento metálico superior (InP) fue impurificada con Zn a una concentración de 7.4xl017cm~3 y la capa subsecuente fue impurificada con una concentración de Zn de 2xl01Bcm"3 y 1.3xl01¾cm~ respectivamente. Un resumen de la estructura de capas y la interpretación gráfica es dado en la Tabla 1 y la Figura 2, respectivamente.
Tabla 1
La estructura de GRIN es utilizada para producir mejor confinamiento óptico debido a la diferencia en el Índice de refracción, es decir, Índice de refracción más alto en la QW comparado con las barreras. La región de GRIN inferior es impurificada con S (tipo n) , pero la región de GRIN superior (capas 7-8) no es impurificada con Zn tipo p para prevenirla de que se difunda en la región de QW durante la etapa de QWI, en consecuencia degradando la calidad de la capa activa. La capa de InGaAs superior es utilizada como una capa de contacto, y una capa de InGaAsP es intercalada entre la capa de InP y de InGaAs para no ocasionar un cambio abrupto de la estructura de InP a la estructura de InGaAs. Las muestras 17 primero se limpiaron y se dividieron en tamaño de 2x2 mmz. Luego se expusieron al plasma de Ar dentro del arreglo de ECR 10 mostrado en la Figura 1 a diferentes condiciones del proceso. Para el primer conjunto de muestras sometidas al tratamiento con plasma, las potencias de RF y de microondas se fijaron a 450 W (polarización de auto-DC de alrededor de -35 V) y 1400 , respectivamente, con una velocidad de flujo de Ar de 50 sccm y presión del proceso de 30 mTorr. El tiempo de exposición se varió de 1 a 15 minutos. Otro conjunto de muestras luego se expuso al plasma de Ar con las mismas condiciones del proceso, con la excepción de que la potencia de microondas se redujo a 800 W (polarización de auto-DC de alrededor de -60 V) . El tiempo de exposición se varió de 1 a 9 minutos. Después de la exposición al plasma, las muestras se recocieron subsecuentemente a 600°C durante 2 minutos utilizando un procesador térmico rápido (RTP) . Una capa de proximidad de GaAs se utilizó durante la etapa de recocido, con el fin de proporcionar una sobrepresión de As a las muestras . Las Figuras 3A y 3B muestran los espectros de PL de las muestras expuestas al plasma de Ar en diferentes tiempos y potencias de microondas de 1400 y 800 W, respectivamente. La Figura 4 muescra el cambio de intervalo de banda relativo con respecto a la muestra cuando es desarrollada, como una función del tiempo de exposición, para el plasma de Ar generado utilizando RF de 450 W y potencias de microondas de 800 W y 1400 , respectivamente . Como se puede observar de la Figura 4, el efecto de Q I, que ocasiona el ensanchamiento de la energía del intervalo de banda y el cambio de azul de la longitud de onda luminiscente, ^e puede observar para las muestras expuestas al plasma de Ar. El grado de intermezclado se incrementa gradualmente con el incremento del tiempo de exposición para las muestras expuestas a 1400 W. El cambio de intervalo de banda se saturó a aproximadamente 106 nm (72 meV) después de 10 minutos de tratamiento con plasma. La saturación en el cambio de energía implica que los defectos de punto máximos, generados tanto por los bombardeos iónicos como por el daño por radiación, se saturan después de un tiempo de exposición de 10 minutos. Las muestras expuestas a 800 W produjeron resultados de tendencia similar a aquel de 1400 W, pero con menores grados de cambio de azul. Esto podria ser atribuido al uso de menor potencia de microondas, y en consecuencia menor ionización del plasma de Ar. El cambio de azul más alto obtenible bajo esta condición de exposición se encontró que es alrededor de 66 nm (42 meV) para la muestra tratada durante 9 minutos . Como se puede observar de la Figura 5, no hay relación lineal que gobierne el cambio de energía del intervalo de banda y la temperatura del proceso. Un cambio de intervalo de banda máximo de 32 nm se obtuvo a una temperatura del proceso de 100°C. Generalmente se espera que la temperatura siáfi alta produciría más alto grado de QWI bajo el proceso de dsño por bombardeo iónico. Sin embargo, este fenómeno no se observó aquí. Así, se podría concluir que la concentración del daño inducido por este proceso, está por debajo de un cierto umbral para activar el QWI. La Figura 6 muestra el cambio de energía del intervalo de banda con respecto a diferentes presiones del proceso. El cambio de energía del intervalo de banda se incrementó a un máximo de 49 nm a una presión del proceso de 30 mTorr y gradxialmente disminuye con el incremento de la presión del proceso. De los resultados obtenidos, se podría explicar que a medida que se incrementó la presión del proceso de 10 mTorr a 30 mTorr, se incrementó la densidad de las especies neutras e ionizadas del plasma. Así, una más alta cantidad de daño es producida, dando por resultado un más alto grado de intermezclado . Sin embargo, a medida que la presión se continúa incrementando, la trayectoria libre promedio de los iones llega a ser más corta. Esto ocasiona que la cantidad de iones y especies neutras que chocan sobre la superficie de la muestra se reduzca significativamente, reduciendo de es manera la cantidad de daño inducido. La ionización más alta debido al incremento de la presión del proceso debe producir más grande daño por radiación. Sin embargo, los resultados indican que el cambio de intensidad de radiación es minimo y su efecto en el QWI sobre un rango de diferentes presiones permanece bastante constante. El QWI es generalmente solo útil si se puede localizar a las áreas deseadas del semiconductor, es decir, que sea posible mtermezclar selectivamente. La selectividad es un aspecto importante en un proceso, ya que proporciona la posibilidad de integración. Para el QWI, la agudeza de la zona interfacial entre la región intermezclada y la no intermezclada se conoce como la resolución espacial. La alta resolución espacial es necesaria en los procesos de intermezclado, puesto que asegura la solidez en la integración del dispositivo. Con el fin de estudiar la selectividad del proceso de plasma, se prepararon muestras 20 de 2 x 4 mm2 (Figura 7). La mitad de las muestras luego se configuraron con el fotorrecubrimiento protector 21. Estas muestras 20 se expusieron a un plasma de Ar de RF de 450 W y microondas de 1400 W durante 5 minutos. La porción enmascarada con el fotorrecubrimiento protector 21 es protegida del daño ocasionado por La. exposición al plasma de Ar, y asi se sometería a ninguno o mínimo QWI después del proceso de RTP. La Figura 8 muestra los espectros de PL obtenidos de la muestra 20 después de la exposición al Ar y el subsecuente recocido térmico. Como se puede observar de la gráfica, la porción enmascarada con una capa de fotorrecubrimiento protector 21 se sometió a una pequeña cantidad de cambio de intervalo de banda (~10 nm) , mientras que la porción 22 expuesta al plasma exhibió un cambio de intervalo de banda mucho más grande de 64 nm, produciendo de esta manera una diferencia de intervalo de banda relativa de 54 nm entre las regiones enmascaradas y no enmascaradas. Este resultado, marcadamente indica que la alta selectividad es obtenible en las muestras de InGaAs-InGaAsP utilizando solamente el f torrecubrimiento protector como una capa de enmascaramiento. La pequeña cantidad de cambio de intervalo de banda en la región enmascarada podría ser debido a la modificación del intervalo de banda inducida por los efectos relacionados térmicos. El plasma generado utilizando solamente potencia de RF se espera que cree predominantemente daño por bombardeo iónico. Esto es principalmente debido a la alta diferencia de potencial entre el plasma y el semiconductor, que podría ser tan alto como 130 eV. Al exponer la muestra con tal plasma, se puede investigar el mecanismo de QWI en un ambiente de plasma dominado por bombardeo iónico. Un conjunto de muestras se expuso al plasma de Ar generado utilizando diferentes condiciones de RF, mientras que otras condiciones del proceso se mantuvieron constantes. Todas las exposiciones se realizaron durante 5 minutos. La Figura 9 muestra el cambio de intervalo de banda relativo como una función de la potencia de RF. Como se puede observar de la Figura ,9, las muestras tratadas con plasma bajo condiciones solanente de RF, exhiben cambio de intervalo de banda insignificante, con un cambio máximo de 22 nm (10 meV) . Los cambios de intervalo de banda bajo diferentes valores de RF también fueron más bien pequeños , Un conjunto adicional de muestras luego se expuso al plasma generado mediante diferentes condiciones de microondas, mientras que los otros parámetros del proceso se mantuvieron constantes. Todas las exposiciones se realizaron durante 5 minutos. En la exposición, las muestras se recocieron a 600°C durante 2 minutos. La Figura 10 muestra el cambio de energía del intervalo de banda relativo como una función de la potencia de microondas. Como se puede observar de la Figura 10, las muestras tratadas con plasma bajo condiciones solamente de microondas, produjeron un cambio de energía del intervalo de banda tan grande como 66 nm (42 meV) . La cantidad de cambio de intervalo de banda también se incrementa con el incremento de la potencia de microondas . Este resultado implica que la radiación VUV de alta energía generada mediante el plasma de ECR de alta densidad, tiene una influencia más fuerte sobre el efecto de QWT que el bombardeo iónico. Así, ésta juega un papel importante en el QWI en las estructuras de InGaAs- InGaAsP utilizando este proceso. La Tabla 2, expuesta enseguida, proporciona un resumen de las variables del proceso investigadas anteriormente, que muestra el rango de operación potencial de cada variable y el rango de operación preferido. Tabla 2
En el siguiente ejemplo, se utiliza una capa de Si02 para actuar como una máscara de exposición al plasma de Ar para investigar la proporción de intermezclado con respecto al espesor de Si02 depositado sobre la MQ de InGaAs/l GaAsP. La habilidad para controlar la cantidad de interinezclado ccn diferentes espesores de Si02 permitirla la variación lateral de la energía del intervalo de banda en la muestra. Esto permitirla la realización de dispositivos que requieren diferentes longitudes de onda de operación a través de la muestra, tales como lásers de longitud de onda múltiple . Las muestras de MQW de inGaAs/InGaAsP se dividieron en 2 x 2 mm' y SÍO2 de diferentes espesores se depositaron sobre las muestras utilizando un sistema de PECVD. Los espesores de 3i02 variaron de 100 nm a 1200 nm. Cuatro muestras se utilizaron para cada espesor de S1O2; esto se hizo con el fin cíe estudiar la repetibilidad del proceso. Todas las muestras se expusieron a un plasma de Ar de RF de 450 W y microondas de 1400 durante 10 minutos. Después de la exposición, dos de las muestras para cada espesor de Si02 se colocaron en una solución de HF:H20 en la relación de 2:1. Esto es para remover la capa de Si02 sobre las muestras, antes de ir a través del proceso de recocido. Asi, se podría estudiar el efecto del recocido con y sin capa de Si02. Las muestras luego se recocieron en un RTP a una temperatura de 590eC durante 2 minutos. Las mediciones de PL luego se realizaron para analizar el grado de QWI. La Figura 11 muestra el cambio de energía del intervalo de banda relativo para muestras expuestas al plasma de Ar con diferentes espesores de SÍO2. Como se puede observar de la Figura 11, el grado de intermezclado disminuyó gradualmente a ir.edida que se incrementa gradualmente _el espesor de Si02* Sin embargo, el grado de intermezclado permanece más bien constante, teniendo un cambio de intervalo de banda en el rango de 40-50 mev, cuando el espesor de Si02 está por debajo de 500 nm. Ningún cambio de intervalo de banda significante se observó para una capa de Si02 de espesor por arri a de 800 nm. En el rango de espesor de Si02 de 500-800 nir, el grado de intermezclado se redujo significativamente con el incremento del espesor . Por consiguiente, los inventores han mostrado que el QWI en la MQW de InGaAs/lnGaAsP utilizando la exposición al plasma de Ar, es controlable al alterar el espesor del Si02 depositado sobre la muestra antes de la exposición. La habilidad para controlar el grado de intermezclado permite la fabricación de dispositivos que requieren diferente energia del intervalo de banda a través de una muestra. Los dispositivos, tales como lásers de longitud de onda múltiple para aplicaciones de WDM, se podrían realizar al controlar el espesor del SiO? a través de la pastilla antes de la exposición al Ar. Con la invención de la técnica litográfica de máscara en escala gris, novedosa, descrita en la solicitud de patente internacional copendiente de los inventores, número (Referencia del agente PJF01075WO) , esta fabricación seria adicionalmente simplificada, en cuanto a que requiere solamente procesamiento de RIE de una etapa para transferir varios espesores de SxOz sobre las muestras. Alternativamente, la máscara puede consistir solamente de una configuración c patrón de fotorrecubrimiento protector que tiene diferentes espesores aplicados utilizando la misma técnica de máscara en escala gris. Con el fin de investigar la longitud de onda de formación de láser de los materiales después del QWI, se fabricaron lásers con guía de ganancia de área ancha a partir de una muestra cuando es desarrollada (sin tratamiento con plasma y sin recocido), una muestra de control (sin tratamiento con plasma pero recocida) y una muestra intermezclada cn plasma de Ar. Muestras de 6 x 6 ram2 se dividieron a lo largo de la orientación del cristal de una pastilla de MQW de InGaAs/InGaAsP. Luego se expusieron al plasma de Ar del RF de 450 y microondas de 800 W durante 5 minutos. Una etapa de recocido a 590°C durante 120 segundos se llevó a cabo subsecuentemente para promover el QWI. Las muestras luego se recubrieron con una capa dieléctrica de SiO? por PECVD de 200 nm. Enseguida, se definieron ventanas rayadas de 50 um utilizando fotolitografía y se utilizó el grabado tanto seco como húmedo para abrir las ventanas. Para minimizar el daño por RIE del proceso de CF< y 02, el grabado seco se llevó a cabo primero durante 5 minutos, seguido por el grabado húmedo, utilizando HF regulado, durante 10 segundos, para retirar los 75 nía restantes de Si02. Estos lásers son de ganancia guiada, puesto que la corriente inyectada produjo inversión de la población y un efecto tenue de lá guia de ondas solamente en las regiones rayadas de 50 um. Después de esto, la metalización de contacto frontal (tipo p; Ti/Au, 50 nm/200 nm) se hizo utilizando un evaporador de haz electrónico. Las muestras luego se adelgazaron a un espesor de alrededor de 180 um. Otra metalización para el contacto trasero (tipo n; Au/Ge/Au/Ni/Au, 14 nm/14 nm/14 nm/11 nm/200 nm) se evaporó y la fabricación total se completó al recocer las muestras utilizando RTP a 360°C durante 60 segundos. Las muestras procesadas luego se contornearon en lásers individuales con diferentes longitudes de cavidad para la caracterización. Un diagrama esquemático de un láser rayado de óxido con canibio de intervalo de banda 30 es dado en la Figura 12. La Figura 13 muestra los espectros de láser de la muestra cuando es desarrollada, de control e intermezclada con plasma de Ar . A partir de la Figura, las muestras de control y las muestras cuando son desarrolladas exhiben longitud de onda de formación de láser pico, casi similares a 1.55 um, y los lásers intermezclados con plasma de Ar dan una longxtud de onda de formación de láser pico a 1.517 um, un cambio de 38 nm.