г
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................5
ГЛАВА I. МЕТОД ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК. .......................... «
§ 1.1. Физический механизм ионного распыления . . .12
§ 1.2. Ионно-плазменное напыление пленок...............13
§ 1.3. Магнетронное распыление. Планарный магнетрон
Плазмотрон......................................17
§ 1.4. Реактивное магнетронное распыление .............2Я
♦
§ 1.5. Конструкция пленарного магнетрона, используемого в настоящей работе. Технологические
режимы .........................................26
§ 1.6. Конструкция плазмотрона. Технологические
режимы ........................................44
§ 1.7. Универсальность ионно-плазменной распылительной установки, содержащей планарный магнетрон и плазмотрон............................................48
ГЛАВА П. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОЧНЫХ ВОЛНОВОДОВ НА ОСНОВЕ Тйа05,2п0 , ЛРг03 , ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ .............. 54
§ 2.1. Некоторые понятия теории плоских диэлектрических волноводов.......................................54
§ 2.2. Оптические потери в пленочных волноводах . . Ь>2
§ 2.3. Метод призменного ввода. Измерение потерь в пленочных волноводах на основе Тя^Оу , 2п0 , Л{*0з , полученных ионно-плазменным напылением ....................................................6 У
§ 2.4. Измерение толщин напыленных диэлектрических
пленок..........................................76
§ 2.5. Структура напыленных диэлектрических пленок. 77
ГЛАВА Ш. МОНОЛИТЫО-ГИБРЩРАЯ ИНТЕГРАЦИЯ ИНШЩИОННОГО
ГЕТЕРОЛАЗЕРА С НАПЫЛЕННЫМ ВОЛНОВОДОМ.............*4
§ 3.1. Инжекционный Са(Л^Лг гетеролазер, стыкованный с напыленным пленочным волноводом, -монолитно-гибридный элемент интегральной
ОПТИКИ.........................................
§ 3.2. Технология изготовления меза-лазеров и их
характеристики..................................90
§ 3.3. Напыление диэлектрического волновода . . . . 98 § 3.4. Эффективность стыковки волновода гетеролазе-
ра с напыленным пленочным волноводом . . . . 101 § 3.5. Инжекционный брэгговский гетеролазер с высокой температурной стабильностью длины волны излучения...................... .......................Ш
ГЛАВА 1У. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ОТЖИГ АМОРФНЫХ СЛОЕВ ФОСФИДА ГАЛЛИЯ И КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ................................И7
§ 4.1. Получение аморфных слоев фосфида галлия и
кремния........................................И 8
§ 4.2. Лазерный отжиг аморфных слоев фосфида галлия 121 § 4.3. Эпитаксиальная 1фисталлизация аморфных слоев
кремния, напыленных на фосфид галлия .... 123 § 4.4. Двухдлинноволновый лазерный отжиг аморфных
слоев кремния, напыленного на фосфид галлия.127
ГЛАВА У. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЕВ , ПОЛУЧЕННЫХ
ИОННО-ПЛАЗМЕННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ, ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПЛАНАРНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ В СИСТЕМЕ ЬР-ЫлЖ «3
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................ИЗ
ЛИТЕРАТУРА....................................................146
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В начале 70-х годов когда были сфор-ыулированы основные принципы интегральной оптики [1-4] , предполагалось, что интегрально-оптические схемы будут создаваться на основе единого базового материала, аналогично тому, как кремний является базовым материалом для схем микроэлектроники. Считается, что роль такого материала для интегральной оптики могут выполнять полупроводниковые гетероструктуры [5]. Действительно, на их основе в принципе мохет обеспечиваться выполнение всего набора важнейших для интегральной оптики функций: волноводное распространение света в тонких полупроводниковых пленках, генерация когерентного света внутри таких волноводов, эффективное управление световыми потоками в волноводах и т.д. Однако, не все эти функции с одинаковым успехом могут выполняться на основе полупроводниковых гетероструктур. Так, например, при имеющемся уровне технологии получения гетероструктур пассивные оптические потери в волноводных эпитаксиальных пленках толщиной ~ I мкм зависят от легирования материала и обычно ^610 дБ.см“* [б], что црактически сильно ограничивает возможности конструирования интегральных оптических схем.
С другой стороны, ясно, что, например, задача генерации когерентного света внутри волноводной системы интегрально-оптической схемы, так же, как и проблема создания встроенного волноводного фотоприемника, естественным образом решаются на основе полупроводниковых гетероструктур. Поэтому большой интерес цредставляет создание интегрально-оптических схем, в которых отдельные элементы, выполненные на основе монокриеталлических гетероструктур, были бы монолитно, на единой полупроводниковой
N.
6
подложке, стыкованы с волноводными элементами на основе других материалов: диэлектриков, аморфных полупроводников и т.д., существенно отличающихся по своим оптическим и электрическим свойствам. Исследованию возможности создания таких "монолитно-гибридных” интегральных оптических схем посвящена данная работа. Актуальность темы работы обусловлена тем, что в рамках монолитно-гибридного подхода могут быть существенно расширены функциональные возможности интегрально-оптических схем и улучшены их характеристики.
В технологии создания монолитно-гибридных схем, наряду с методами эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев, должны применяться и другие методы получения пленочных структур. Одним из наиболее универсальных способов получения пленок диэлектриков, аморфных полуцроводников и других материалов является метод ионно-плазменного напыления.
Целью работы явилось создание и исследование элементов интегральной оптики, выполненных на основе полупроводниковых гетероструктур, в которых волноводные слои из монокриеталличее-ких полупроводников стыкованы с пленочными волноводами и водноводными элементами из аморфных диэлектриков или аморфных полупроводников, подученных методом ионно-плазменного напыления.
Научная новизна работы. В работе впервые показана возможность соединения на единой полупроводниковой подложке волновода инжекционного гетеролазера с пленочным волноводом из прозрачного для света лазера диэлектрика, полученного ионно-плазменным напылением. Показано, что потери на стыке волноводов могут быть малы, несмотря на заметную разницу их показателей преломления.
На основе схемы усиливающий полупроводниковый волновод -
гофрированный диэлектрический волновод впервые создан эффективно работающий инжекционный гетеролазер с брэгговским зеркалом, в котором благодаря слабой дисперсии показателя преломления в диэлектрическом волноводе наблюдалась высокая температурная стабильность спектрального положения линии генерации.
Показано, что при воздействии мощных лазерных импульсов на тонкие слои аморфных полупроводников, полученных ионно-плазменным напылением, может иметь место локальная кристаллизация материала. Сочетание ионно-плазменного напыления и лазерного отжига является очень гибким методом создания различных элементов интегральной оптики, в частности, периодических волноводных элементов и дифракционных решеток.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. На единой полупроводниковой подложке из Си Ля возможна эффективная стыковка пленочного волновода 0а(М)Л5 гетеролазера с диэлектрическим пленочным волноводом, в частности ИЗ Тяг0у , полученным ионно-плазменным напылением и обладающим малыми оптическими потерями ~ I дБ.см~*.
2. В инхекционном Ш)Л! гетеролазере с брэгговским зеркалом на основе гофрированного диэлектрического волновода из Та^О^ температурная стабильность линии генерации, по крайней мере, на порядок выше, чем в обычных полупроводниковых лазерах.
3. В условиях интерференционного лазерного отжига тонких слоев аморфных полупроводников &«Р и & , полученных ионно-плазменным напылением на подложках из монокристаллического (гаР , можно получать локальную кристаллизацию напыленного аморфного материала в виде дифракционных решеток.
4. Темновые токи диффузионных р-п переходов, сформированных на поверхности 1пР с использованием в качестве защитного
>4
8
диэлектрика тонких слоев ЭГ, , напыленных ионно-плазыен-нш способом, на порядок меньше, чем при использовании обычно применяемого для этих целей покрытия ИЗ 510^ . Низкие
темновые токи объясняются малым вкладом поверхностной составляющей темнового тока (скорость поверхностной рекомбинации а Ю3 см.с"*), что говорит о совершенстве получаемой границы 1м Р ~ М* .
Практическая ценность работы заключается:
1. В создании универсальной напылительной установки, имеющей два источника: планарный магнетрон и плазмотрон, обладающем большими функциональными возможностями. С помощью созданной нами распылительной установки можно получать пленки полупроводников, полупроводниковых соединений, металлов, их окислов и нитридов.
2. В разработке режимов ионно-плазменного напыления на полупроводниковую подложку слоев 5(0*, , Та205, 03 ,2п0 ив по-
лучении на их основе пленочных диэлектрических волноводов, обладающих малыми оптическими потерями ( - I дБ.см"*).
3. В разработке технологии изготовления инжекционного гетеролазера, монолитно стыкованного с напыленным пленочным диэлектрическим волноводом (Л* , Та2 Оу ) и инжекционного
гетеролазера с распределенным брэгговским зеркалом на основе диэлектрического волновода из Тя^Оу - монолитно-гибридных элементов интегральной оптики.
4. В разработке режимов ионно-плазменного напыления аморфных слоев и &аР и локальной кристаллизации материала этих слоев под действием импульсного лазерного отжига. В создании этим методом фазовых дифракционных решеток для элементов интегральной оптики.
9
5. В разработке способа ионно-плазменого напыления диэлектрического покрытия из , пригодного для изготовления
малощумящих планарных фотоприемников в системе ЬР- 1п(яЛ5 .
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Ш Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (г.Одесса,
1982 г.) и на У Международной школе по когерентной оптике (ГДР, сентябрь 1984 г.).
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, список которых приведен в заключительной части диссертации.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с основными выводами и списка цитированной литературы.
В первой главе дается описание двух распылительных устройств, которые использовались при выполнении диссертационной работы - планарного магнетрона и плазмотрона.
Планарный магнетрон - самое современное ионно-плазменное распылительное устройство, обладающее большими скоростями напыления, сравнимыми со скоростями при термическом испарении. Большое достоинство магнетрона - чистые условия напыления, так как электрический разряд (источник распыления)локализован только на поверхности мишёни. Приводятся характеристики используемого магнетрона и технологические режимы напыления пленочных материалов. Особое внимание уделяется рассмотрению условий напыления диэлектрических слоев Б/Од , ЛЕд 03 , ТйдО^ , 5;3^ ,
Л(1\Г , Zn 0 методом реактивного распыления.
Плазмотрон - универсальное распылительное устройство типа ионного источника. Ионный пучок может быть сфокусирован в пятно
10
диаметром 8-10 мм, поэтому с помощью плазмотрона имеется возможность получать пленки веществ, имеющихся лишь в небольших количествах. Приводятся характеристики плазмотрона и рабочие режимы напыления большого числа металлических, полуцроводнико-вых и диэлектрических пленок.
Вторая глава посвящена исследованию пленочных диэлектрических волноводов из Гя^О^, ЛпО яМг.03 , полученных ионно-плазменным напылением. Основным критерием качества волноводов являлась величина оптических потерь, которая измерялась по затуханию введенного в волновод призменным вводом света гелий-неонового лазера (А = 0,6328 мкм). Выбраны технологические режимы получения волноводов, имеющих наименьшие оптические потери (~ I дБ/см для волноводов на основе ТягОу ).
Третья глава посвящена описанию нового элемента интегральной оптики полупроводникового ва(Л£)Л5 гетеролазера, монолитно стыкованного на общей &оЛ$ подложке с диэлектрическим пассивным волноводом, полученным методом ионно-плазменного напыления. Описана технология изготовления гетеролазера, предназначенного для стыковки с диэлектрическим волноводом, эксперименты по выбору режима напыления слоев пассивного волновода и методика измерения эффективности стыковки, которая для лучших образцов оказалась равной ~ 70%.
В третьей главе описан также инжекционный гетеролазер с брэгговским зеркалом на основе волновода из Тяг0у , обладающий высокой температурной стабильностью спектрального положения линии генерации.
Четвертая глава содержит описание экспериментов по выяснению особенностей кристаллизации напыленных аморфных слоев фосфида галлия и кремния под действием интерференционного
I
и
лазерного отжига.
Пятая глава посвящена разработке способа нанесения диэлектрического покрытия из £|зМ* для планарных фотоприемников в системе 1пР - .
Диссертационная работа выполнена в лаборатории контактных явлений в полупроводниках ОЛ ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР.
ГЛАВА I
МЕТОД ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК
§ 1.1. Физический механизм ионного распыления
При бомбардировке поверхности твердого тела атомами, ионами или молекулами с кинетическими энергиями, превышающими энергию связи атомов в бомбардируемом твердом теле - мишени, в ней возникают процессы перемещения, миграции и, при энергиях бомбардирующих частиц, превышающих порог, выброса в газовую фазу.
Для бомбардировки обычно используют ионы, так как с помощью электрических полей их можно разогнать до любой желаемой кинетической энергии. Процесс выбивания атомов мишени разогнанными ионами называют ионным распылением.
Налетающие ионы нейтрализуются в районе мишени, энергия нейтрализации передается через безызлучательные переходы электронам материала мишени и вызывает испускание вторичных электронов.
Пороговые значения энергии ионного распыления для разных мишений различаются слабо и для ионов аргона имеют величину 10-30 эВ [7]. В случае, представляющем интерес для практического использования процесса ионного распыления для получения пленок, состоящих из вещества мишени, кинетические энергии ионов знаг* чительно превышают пороговое значение. При этом распыление является результатом ряда независимых парных столкновений.
В этой области энергий распыление больше всего похоже на атомный биллиард в трехмерном пространстве. Если бомбардировка
13
поверхности осуществляется при нормальном падении ионов, то для испускания распыленных атомов необходимо более, чем одно столкновение, так как направление импульса должно быть изменено более, чем на тг . Распыление атомов или ионов, являющееся результатом единичного столкновения между ионом и поверхностным атомом, можно обнаружить только при наклонной бомбардировке. При кинетических энергиях порядка 100 эВ, ионы начинают внедряться в кристаллическую решетку мишени. Для ионов глубина проникновения порядка I нм/КэВ [?] . Структура материала мишени является важным фактором, определяющим глубину проникновения бомбардирующих ионов и угловое распределение распыленных атомов.
§ 1.2. Ионно-плазменное напыление пленок
Источником распыляющих ионов может являться плазма низкого давления. Ионное распыление было впервые обнаружено при исследовании тлеющего разряда с холодным катодом, так называемое катодное распыление (рис.1.1). Катод тлеющего разряда является мишенью, бомбардируемой ионами плазмы (например, аргоновой). Вещество мишени, распыляясь, осаждается на окружающие ее предметы: анод, стенки объема, подложку. Определяющую роль в поддержании тлеющего разряда играют вторичные электроны, освобождаемые из катода. Существует теория тлеющего разряда на постоянном токе, объясняющая природу составляющих его зон свечения и темных цространств, а также взаимной связи напряжения разряда, разрядного тока и давления газа [3] .
Процесс ионного распыления используется в технике для получения пленок чистого материала мишени или его соединений. Сейчас существует много способов нанесения пленок и покрытий
- Київ+380960830922