Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гибридная интеграция: проблемы, устройства, методы
1.1. Напряжения, возникающие в скрепленных структурах 12
1.2. Методы удаления подложки 17
1.2.1. Мокрое химическое травление 17
1.2.2. «epitaxial lift-off» 18
1.2.3. «smart-cut» 19
1.3. Оптоэлектронные устройства для модуляции оптического излучения 22
1.3.1. Светоизлучающий диод 22
1.3.2. Лазер полосковой геометрии 23
1.3.3. Модулятор на основе множественных квантовых ям 25
1.3.4. Лазеры с вертикальным резонатором излучающие с поверхности 27
1.4. Методы гибридной интеграции вертикально излучающих лазеров 36
1.4.1. Технология «coplanar flip-chip» 36
1.4.2. Технология «top-bottom contact» 39
1.4.3. Технология «top contact» 41
1.5. Выводы 46
Глава 2. Гибридная интеграция лазеров с вертикальным резонатором при помощи полимерного адгезионного слоя
2.1. Компьютерное моделирование термомеханических свойств 48
2.1.1. Напряжения, возникающие в результате нагрева 50
2.1.2. Моделирование термических свойств приборов 52
2.1.3. Предложенный дизайн гибридно интегрированных приборов 56
2.1.4. Термические свойства приборов предложенного дизайна 58
2.1.5. Напряжения в приборах предложенного дизайна 59
2.2. Технологический процесс изготовления гибридно интегрированных вертикально излучающих лазеров 61
2.2.1. Предложенный технологический процесс 61
2.2.2. Рост и конструкция вертикально излучающей лазерной структуры для предложенного технологического процесса 64
2.2.3. Изготовление приборов 67
2.2.4. Электрические, оптические и термические характеристики изготовленных приборов 82
2.3. Выводы 97
Глава 3. Новый метод удаления подложки - «oxidation lift-off»
3.1. Влажное продольное оксидирование, как способ удаления подложки 98
3.2. Описание экспериментальной установки влажного продольного оксидирования 104
3.3. Изготовление гибридно интегрированных приборов при помощи «oxidation lift-off 107
3.4. Электрические и оптические свойства лазеров, изготовленных при помощи «oxidatio lift-off» 116
3.5. Выводы 120
Заключение 121
Литература
- Методы удаления подложки
- Модулятор на основе множественных квантовых ям
- Предложенный дизайн гибридно интегрированных приборов
- Описание экспериментальной установки влажного продольного оксидирования
Введение к работе
В последнее время стало понятно, что дальнейшее улучшение производительности систем на основе интегральных схем (ИС) зависит от параметров шин обмена данными. Увеличение длины или плотности электрических линий передачи данных приводит к увеличению паразитной емкости и сопротивления используемых соединений. Было неоднократно продемонстрировано, что высокоскоростной обмен данными на относительно значительные расстояния является узким местом при создании высокопроизводительных вычислительных систем. Эмпирическая формула Bmax=500'AIL2,
полученная Б. Смитом и Д. Миллером позволяет вычислить максимальную полосу пропускания электронных систем. В данной формуле А — площадь поперечного сечения провода, L - его длина. Как легко видеть, максимальное число соединений, которое можно обеспечить при использовании проводов диаметром сто микрометров, расположенных без какого либо зазора по периметру ИС размером 10x10 мм, равно 400. Таким образом, полоса пропускания данной ИС ограничена 150 гигабитами в секунду, если передача данных осуществляется на расстояние 10 см.
Необходимо найти новые решения, позволяющие осуществлять высокоскоростной обмен данными на различных уровнях системной интеграции: между платами, между ИС на плате и внутри ИС [1]. Использование медных соединений вместо алюминиевых, равно как и использование диэлектриков с низким значением диэлектрической проницаемости, в настоящее время являются решением данной проблемы для соединений внутри ИС. Замена электронов фотонами, возможно, является наилучшим решением для всех остальных уровней интеграции. Электроны, обладающие массой и зарядом, взаимодействуют друг с другом и с узлами кристаллической решетки. Фотоны, в отличие от электронов, не обладают ни массой покоя, ни зарядом и, практически, не взаимодействуют между собой,
что делает их идеальными для осуществления переноса информации. Оптические линии, находящиеся в свободном пространстве, могут произвольно пересекаться, что позволяет формировать любую желаемую топологию. В настоящее время оптические соединения демонстрируют обнадеживающие результаты в области обмена информацией между ИС. Было показано, что критическая длина, на которой оптические соединения становятся более выгодны чем электрические, составляет порядка 1-5 см [2,3].
Поскольку кремниевая технология в данный момент является наиболее
развитой и приспособленной для нужд микроэлектроники, очевидно, что
кремний будет оставаться основным материалом для изготовления ИС, по
крайней мере, в течение нескольких десятилетий. Как известно, из-за
непрямозонной структуры, изготовление высоэффективных
светоизлучающих приборов на основе кремния представляет значительную трудность. С другой стороны, оптоэлектронные приборы на основе соединений третьей и пятой групп периодической системы, в основном галлий-арсениды, в настоящее время являются наиболее эффективными источниками оптического излучения. Возможность изготовления таких устройств на поверхности кремниевого чипа, является одним из наиболее многообещающих решений для дальнейшего улучшения производительности ИС путем значительного увеличения пропускной способности [4]. Изготовление фотодекторов не представляет значительной трудности, поскольку технология кремниевых фотоприемников является хорошо отработанной, однако, изготовление длинноволновых фотоприемников, равно как и высокочастотных фотодетекоторов так же может потребовать использование приборов на основе соединений AniBv.
Одним из возможных путей получения светоизлучающих приборов на поверхности кремния является изготовление данных устройств из эпитаксиальной пленки соединений АШВУ, выращенной непосредственно на кремниевой ИС. К сожалению, из-за значительного рассогласования
постоянной решетки (около 4% для кремния и галлий-арсенида), а так же из-за значительной разницы в коэффициентах термического расширения (2,6х10"6 для кремния [5] и 6.86х10"6 для галлий-арсенида [6]), эпитаксиальные пленки соединений AmBv, выращенные на поверхности кремния обладают значительным количеством дефектов [7]. Количество дислокаций может быть уменьшено путем использования переходных слоев [8] либо продольного эпитаксиального заращивания [9,10].
В первом из данных методов рост эпитаксиальной пленки начинается с галлий-арсенидного слоя, осажденного на поверхность кремния на относительно низкой температуре. Низкая температура уменьшает длину поверхностной диффузии осажденных атомов и, таким образом, позволяет получить более гладкую поверхность. В дальнейшем используется комбинация буферных слоев таких, как AlAs для сглаживания поверхности, SiGe для уменьшения рассогласования постоянной решетки или InGaP для компенсации термических напряжений. Так же, поскольку германий и галлий-арсенид являются практически согласованными по постоянной решетки, рост германиевого слоя на поверхности кремния является одним из широко используемых методов. К сожалению, использование данного метода не снимает проблему рассогласования коэффициентов термического расширения. Другим способом улучшения структуры выращиваемых материалов является бомбардирование растущей пленки пучком ионов аргона для подавления трехмерного роста [11]. Комбинация всех вышеописанных методов позволяет выращивать монокристаллический GaAs на поверхности кремния. Использование термоциклиования, чередующегося с ростом сверхрешеток AlGaAs, позволяет предотвратить распространение дислокаций. Пленка GaAs толщиной 4,5 мкм, выращенная на поверхности кремния используя напряженные слои InGaAs и термоциклирование чередующееся с ростом AlAs слоев, представлена на рисунке 1. Светлые линии соответствуют слоям AlAs, в то время как темные соответствуют напряженным слоям InGaAs.
Рисунок 1. Пленка GaAs толщиной 4,5 мкм, выращенная на поверхности
кремния используя напряженные слои InGaAs и термоциклирование
чередующееся с ростом AlAs слоев [9].
Как легко видеть, верхняя часть выращенной структуры практически не содержит дислокаций, однако, поскольку продольный размер изображения составляет всего порядка 5 мкм, плотность дислокаций в данной структуре
соответствует значению порядка 10 см" . Также остается проблема рассогласования коэффициентов термического расширения, что будет сильно влиять на надежность и эффективность изготовленных оптоэлектронных устройств.
Продольное эпитаксиальное заращивание является другим методом, позволяющим выращивать монокристаллический GaAs на кремниевой пластине. Схематическая иллюстрация данного процесса представлена на рисунке 2. Начальный слой GaAs выращивается на поверхности германия осажденного на кремниевую пластину для уменьшения рассогласования решетки. Затем, тонкая пленка оксида кремния осаждается на поверхность GaAs. Путем фотолитографического процесса и травления, в осажденной
Слой GaAs
Маска оксида кремния ОД мкм
Ge 0,3 мкм
Рисунок 2. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая процесс продольного эпитаксиального заращивания. [12]
пленке оксида кремния открываются окна и, во время дальнейшего роста GaAs, он преимущественно растет в окнах маски.
Поскольку рост происходит и в продольном направлении, то, после продолжительного роста, формируется непрерывная пленка GaAs [12]. Стоит отметить, что выращенный слой является напряженным из-за взаимодействия пленки оксида кремния с GaAs, растущим в продольном направлении [13]. Было показано, что деформация кристаллических плоскостей исчезает после удаления оксида кремния, однако, данная операция делает выращенную пленку намного более хрупкой, что приводит к значительным проблемам во время дальнейшей работы с ней [14].
Гибридная интеграция является принципиально отличным методом получения высокоэффективных оптоэлектронных приборов, таких как лазеры с вертикальным резонатором (вертикально излучающие лазеры (ВИЛ), VCSEL), на поверхности кремниевых ИС. В данном методе эпитаксиальныи слой, выращенный путем гомоэпитаксии, которая позволяет получить практически идеальное качество выращенных структур, переносится на поверхность кремниевой ИС. Типичными способами, используемыми для этого, являются флип-чип бондинг и перенос тонких пленок. При использовании первого из этих способов структура, выращенная гомоэпитаксиально, приклеивается к кремниевой ИС эпитаксиальным слоем
вниз, оставаясь при этом прикрепленной к подложке на которой она была выращена. Для скрепления двух структур используются различные материалы такие, как полимеры или металлы. В случае переноса тонких пленок эпитаксиальная пленка сначала, каким либо способом, отсоединяется от подложки, на которой она была выращена и, затем, переносится на поверхность кремниевой ИС для дальнейшей обработки. Флип-чип интеграция является полностью совместимой со стандартными процессами изготовления ИС и, поэтому, широко используется при изготовлении гибридно интегрированных приборов. Перенос тонких пленок используется намного реже, поскольку пленка, отсоединенная от подложки, обладая толщиной в несколько микрон, является очень хрупкой, что сильно затрудняет любые операции с ней. Поскольку, как было отмечено выше, оптоэлектронные структуры на основе соединений АШВУ, выращенные на поверхности кремния, обладают большим количеством дефектов, гибридная интеграция является наилучшим методом для изготовления высокоэффективных источников излучения (таких как лазеры) на поверхности кремниевых ИС, однако основным недостатком гибридной интеграции является отсутствие надежных методов, позволяющих осуществлять точное продольное и вертикальное совмещение двух структур, и скрепление двух разнородных материалов. Кроме того, остается проблема рассогласования коэффициентов термического расширения, приводящая к значительным механическим напряжениям в процессе работы гибридно интегрированных лазеров. Таким образом, цель данной работы заключается в разработке технологического процесса гибридной интеграции вертикально излучающих лазеров на основе соединений АШВУ на поверхность кремниевой пластины, позволяющего осуществлять надежную интеграцию массивов лазеров и совместимого со стандартными процессами изготовления кремниевых ИС.
Очевидно, что источники модулированного излучения должны быть полностью интегрированы с ИС, а не просто расположены рядом как
отдельный чип, поскольку во втором случае необходимо будет осуществить электрическое соединение между двумя чипами, что возвращает нас к проблеме, которую мы пытаемся решить. Однако существуют вопросы, ответы на которые не так ясны. Не является очевидной необходимость удаления подложки, на которой оптоэлектронная структура была выращена. Более того, если структура была выращена, например, на GaAs подложке, то, после прикрепления структуры к кремниевой ИС, данная подложка может быть использована в качестве общего электрода для изготовленных приборов. Флип-чип бондинг требует выращивания структур излучающих свет в подложку, и некоторые исследователи объясняют необходимость удаления подложки ее непрозрачностью [15]. Так GaAs подложка демонстрирует значительное поглощение на длинах волн короче 980 нм. Было даже предложено использовать подложки из AlGaAs, которые являются прозрачными для более коротких длин волн [16]. К сожалению, механические напряжения оказываются значительными для приборов изготовленных без удаления подложки. Данные напряжения вызваны разницей в коэффициентах термического расширения двух скрепляемых материалов.
Методы удаления подложки
Данный метод заключается в постепенном растворении материала подложки в химическом травителе. При этом специальный стоп-слой, обладающей высокой селективностью травления по отношению к материалу подложки, должен быть выращен между подложкой и оптоэлектронной структурой. При достижении стоп-слоя скорость травления резко падает. Стоп-слой растворяют в другом химическом травителе, так же обладающем высокой селективностью, что позволяет получить эпитаксиальный слой, отделенный от подложки. Края структуры во время травления защищаются при помощи воска либо полимера, химически устойчивых к травителю. Необходимо так же что бы адгезионный материал, использованный для прикрепления оптоэлектронной структуры к кремниевой ИС, был химически стоек по отношению к используемому травителю. Для достижения высокой степени планаризации поверхности, что необходимо для дальнейших фотолитографических операций, крайне желательно использование травителя, обладающего как можно более высокой селективностью между материалом подложки и стоп-слоем, как, например, лимонная кислота/перекись водорода для GaAs положки и AlAs стоп-слоя [19]. Данный метод удаления подложки широко используется, однако, обладает рядом недостатков таких, как большое количество токсичных химических отходов и увеличенное число операций, необходимых для изготовления приборов данным методом, что увеличивает конечную стоимость изготовленных приборов. В настоящее время данный способ является единственным способом, используемым для изготовления вертикально излучающих лазеров гибридно интегрированных на кремниевые структуры.
Второй метод - «epitaxail lift-off» — был предложен Е. Яблоновичем в 1987 году [20]. Схематическая иллюстрация данного метода представлена на рисунке 5. При использовании «epitaxail lift-off» специальный слой, который может быть селективно удален, выращивается между подложкой и оптоэлектронной структурой. После того, как выращенная структура прикрепляется к ИС, выращенный слой удаляется путем селективного травления. При удалении данного слоя структура отделяется от подложки. Стандартным травителем для использования «epitaxail lift-off» в системе GaAs/AlAs является плавиковая кислота, которая обладает крайне высокой селективностью по отношению к этим двум материалам. Селективность травления для чистых GaAs и AlAs составляет 10 . Однако при использовании системы GaAs/AlxGai.xAs значение селективности резко падает при содержания алюминия х 0,6. Было показано, что скорость травления увеличивается на два порядка с увеличением содержания А1 в AlGaAs от 40% до 80%, но при этом увеличивается всего в несколько раз при увеличении содержания А1 от 80% до 100% [21]. Уменьшение содержания А1 в слоях интерференционного зеркала с низким показателем преломления до 40-50% (что позволяет достичь желаемой селективности) приводит к удваиванию количества периодов интерференционного зеркала. Это удваивает толщину структуры, увеличивает время ее роста и расход материалов, а так же ухудшает механические и оптические свойства структуры. Это приводит к тому, что «epitaxail lift-off» практически не используется при изготовлении лазеров с эпитаксиальными зеркалами, содержащими слои AlxGai_xAs с содержанием А1 порядка 90% и совершенно бесполезен при изготовлении лазеров с ограничивающим оксидным слоем.
В 1995 году М. Брюэль предложил третий метод удаления подложки, который был назван - «smart-cut» [22]. В данном методе ионная имплантация используется для создания напряженного слоя, который отделяет эпитаксиальный слой от подложки под действием механических напряжений, возникающих под действием высоких температур. Рисунок 6 иллюстрирует основные принципы данного метода в том виде, в котором он был предложен Брюэлем. Сначала, кремниевая пластина, на которой была сформирована пленка материала, который должен быть перенесен на другую пластину, например, оксид кремния для изготовления пластины типа кремний на изоляторе, имплантируется ионами водорода сквозь данный слой.
Модулятор на основе множественных квантовых ям
Лазеры излучающие с поверхности (вертикально излучающие лазеры) - класс лазеров, в которых свет излучается в направлении перпендикулярном подложке. Данный эффект может быть реализован различными способами такими, как например изготовление периодической структуры на верхней поверхности полоскового лазера, формирование сколов, отражающих излучение вверх или изготовление лазеров, в которых оптический резонатор расположен вертикально. Последний тип лазеров называется лазеры с вертикальным резонатором излучающие с поверхности. Современный лазер данного типа схематически представлен на рисунке 10.
Активная область лазера испускает свет за счет вынужденного излучения фотонов. Поскольку толщина активной области составляет всего порядка нескольких сотен ангстрем, для достижения генерации требуется очень высокое значение коэффициента усиления света. Для достижения такого значения обычно используются несколько квантовых ям расположенных одна над другой. Оптический резонатор осуществляет положительную обратную связь, что является необходимым условием для создания лазера. Продольно оксидированные слои используются для ограничения областей распространения тока и оптического излучения в лазерной структуре.
Оптический резонатор сформирован двумя интерференционными зеркалами на основе эффекта Брэгга, содержащими периодическую структуру из чередующихся слоев с низким и высоким показателем преломления, эффективной толщиной в четверть длины волны каждый. Данные интерференционные зеркала могут быть, как выращены в том же процессе, что и активная область (гомоэпитаксиальные зеркала), так и изготовлены позднее. При использовании интерференционного зеркала желаемое значение коэффициента отражения может быть достигнуто путем изготовления нужного количества периодов. Для заданного числа периодов т коэффициент отражения интерференционного зеркала дается формулой [26]:
Пороговый ток лазера определяется как минимальный ток через лазер, при котором происходит генерация. При этом значении тока усиление света в структуре в точности равно значению потерь. Потери, измеряемые в обратных сантиметрах, делятся на две составляющие: внутренние потери, т.е. потери излучения внутри лазера, и внешние, т.е. потери на вывод излучения. Для расчета внешних потерь используется следующая формула: а =— In L \RTRB J где аех - внешние потери в обратных сантиметрах, L - длина оптического резонатора в сантиметрах, RT И RB коэффициенты отражения для верхнего и нижнего зеркала соответственно. Таким образом, внешние потери представляются как бы равномерно распределенными по длине лазера. На практике, вместо порогового тока чаще используется его плотность. J Л, S где J - плотность порогового тока в А/см , / - пороговый ток в амперах, S — область растекания тока в лазере в квадратных сантиметрах. Использование плотности порогового тока позволяет сравнивать лазеры различной длины и ширины и описывает, скорее, свойства лазерной структуры.
Как было сказано выше, начиная с порога усиление лазера равно его потерям, а, следовательно, выполняется равенство: rg=aex+aint, где g — усиление активной среды. аех-Внешние потери. aim - Внутренние потери. Г - Фактор оптического ограничения, который показывает, какая часть волны подвержена усилению.
Как легко видеть для резонатора длинной 0,5 мкм и зеркал с коэффициентом отражения 99,7% при полном отсутствии внутренних потерь и факторе оптического ограничения равном 1, что соответствует идеальному случаю, усиление на пороге должно быть примерно равно 60 см"1. Обычно усиление активной среды линейно увеличивается с увеличением тока, однако, при высоком уровне возбуждения происходит насыщение и для каждой моды резонатора существует максимальное значение усиления. Полученное значение в 60 см"1 является крайне высоким и находится вблизи уровня насыщения, из чего следует, что коэффициент отражения зеркал лазера с вертикальным резонатором должен быть близок к 1. Иначе достичь усиления необходимого для получения генерации будет невозможно. Для стандартной структуры лазера с вертикальным резонатором нижнее интерференционное зеркало имеет коэффициент отражения практически 100%, а верхнее, через которое производится вывод излучения из лазера, 99,8%. Данные значения коэффициента отражения делают практически невозможным использование металлических зеркал для данного типа лазеров при условии их использования при комнатной температуре.
Лазер с вертикальным резонатором излучающий с поверхности был впервые предложен в 1977 году и реализован в 1979 году К. Игой [27]. Вертикальный резонатор в первом лазере данного типа был реализован при помощи металлических зеркал. Первый лазер с вертикальным резонатором, реализованным при помощи эпитаксиальных интерференционных зеркал, был изготовлен в 1983 году [28], а через год был получен первый лазер данного типа, работающий в импульсном режиме при комнатной температуре [29].
Предложенный дизайн гибридно интегрированных приборов
Для уменьшения термического сопротивления гибридно интегрированных приборов был предложен новый дизайн, обеспечивающий более однородное распределение температуры. Основным отличием данного дизайна является перенос первой мезы ближе к центру GaAs площадки. В дополнение к улучшению термических характеристик данный дизайн позволяет улучшить качество поверхности излучающей области за счет лучшей ее защиты в процессе травления второй мезы, что достигается за счет большей глубины слоя фоторезиста. Так же, поскольку основная часть структуры все равно не подвержена перегреву, размер приборов был уменьшен до 160x220 микрометров, что позволяет осуществлять более плотную интеграцию и уменьшить механические напряжения, возникающие в структуре.
Было проведено моделирование термомеханических свойств приборов нового дизайна, аналогичное проведенному ранее. Модель, использованная для моделирования, представлена на рисунке 22. Первая меза, размером 30x30 микрометров, была расположена на расстоянии 75 микрометров от края GaAs площадки.
Модель гибридно интегрированного прибора представляет собой однородную сплошную GaAs структуру, прикрепленную к поверхности кремниевого куба с ребром 600 микрометров при помощи адгезионного слоя бензоциклобутена толщиной 1 микрометр. Использованные термические и механические параметры материалов аналогичны приведенным ранее.
Результат моделирования распределения температуры, вызванной приложением 20 мВт тепловой мощности к активной области, для приборов предложенного дизайна, прикрепленных к поверхности кремния слоем бензоциклобутена толщиной 1 микрон, представлен на рисунке 23. Нижняя грань кремниевого куба, к которому были прикреплены приборы, поддерживалась при температуре 0С. Как легко видеть, распределение температуры стало намного более симметричным и максимальный перегрев структуры данного дизайна составляет около 25С, что соответствует термическому сопротивлению около 1.25 К/мВт, которое, таким образом, оказывается в 3 раза лучше, чем для дизайна использованного ранее. Данное уменьшение термического сопротивления структуры вызвано исключительно изменением дизайна прибора. Использование более тонкого адгезионного слоя будет способствовать дальнейшему улучшению термического сопротивления. Расположение первой мезы непосредственно в центре GaAs площадки оказывается еще более выгодным с точки зрения улучшения термических свойств приборов, однако такой дизайн создает проблемы при изготовлении приборов такие, как например трудности в формировании полимерных «мостов», большая емкость контактов и более критический процесс совмещения фотолитографической маски при изготовлении металлизации.
Было проведено моделирование сдвиговых напряжений, вызванных рассогласованием коэффициентов термического расширения кремния и GaAs, в гибридно интегрированных приборах предложенного дизайна. Данное моделирование производилось аналогично моделированию термических свойств, т.е. 20 мВт тепловой мощности были приложены к активной области прибора. В качестве параметров материалов использовались параметры, приведенные в таблице 1. Распределение сдвиговых напряжений, полученное в результате данного моделирования, показано на рисунке 24. Как видно, за исключением резких краев структуры, которые отсутствуют в реальных структурах, сдвиговые напряжения не превышают величину 20 МПа. Напряжения в активной области структуры не превышают величины 10 МПа и, таким образом, не могут значительно влиять на характеристики приборов.
Описание экспериментальной установки влажного продольного оксидирования
Как было отмечено во вступлении, создание нового процесса удаления подложки, который позволял бы сохранять высокую степень планарности эпитаксиальных структур и мог бы быть использован для изготовления высокоэффективных светоизлучающих приборов, такие как, например, лазеры с вертикальным резонатором излучающие с поверхности, является одной из приоритетных задач при создании гибридно интегрированных приборов. Особенно интересно создание процесса удаления подложки, который позволял бы уменьшить число необходимых для создания гибридно интегрированных приборов технологических операций и увеличить коэффициент выхода готовых приборов.
В данной работе предложен новый процесс удаления подложки. Предложенный процесс основан на влажном продольном оксидировании слоев AlAs выращенных внутри структуры в процессе ее роста и удалении подложки за счет возникающих в структуре термических напряжений. Предложенный процесс не требует каких-либо дополнительных операций для удаления подложки как, например, травление или полирование. Процесс обладает крайне высокой селективностью по отношению к содержанию алюминия в слое, что делает его практически идеальным для изготовления гибридно интегрированных вертикально излучающих лазеров с эпитаксиальными зеркалами. При его использовании не производится какого-либо заметного количества токсичных химических отходов. Кроме того, данный процесс удаления подложки позволяет уменьшить количество технологических операций необходимых для изготовления гибридно интегрированных приборов. Данный процесс был назван «oxidation lift-off».
Процесс влажного продольного окисления широко используется для формирования ограничения световой волны и растекания тока путем формирования слоев оксида алюминия, расположенных близко к активной области вертикально излучающего лазера [44] или для создания широкодиапазонных высокоотражающих интерференционных зеркал [45]. С химической точки зрения данный процесс описывается следующими химическими реакциями: 2 AlAs + 3 Н20 - А1203 + 2 As + 3 Н2 2AlAs + 4H20 - 2A10(OH) + 2As + 3H2 Известно, что данный процесс обладает исключительно высокой селективностью к даже небольшой разнице в содержании алюминии в слоях AlGaAs. На рисунке 46 приведены экспериментальные результаты зависимости скорости оксидирования слоев AlGaAs и сверхрешеток AlAs/GaAs состава аналогичного AlGaAs слою соответствующей концентрации от температуры оксидирования. По вертикальной оси в логарифмическом масштабе отложена скорость оксидирования слоя (или скорость травления для «epitaxial lift-off»), измеренная в мкм/мин. По горизонтальной оси отложена концентрация алюминия в AlGaAs слое или соответствующей ему сверхрешетке. Сплошные линии соответствуют зависимостям, полученным для объемных слоев, а прерывистые линии соответствуют сверхрешеткам AlAs/GaAs. Сплошная черная линия на графике представляет собой зависимость скорости травления от концентрации алюминия для процесса «epitaxial lift-off». Зависимость для «epitaxial lift-off» построена на основе данных приведенных в работе [21]. Как легко видеть из приведенных зависимостей, например, для температуры 400С селективность оксидирования между чистым AlAs и слоем состава Al0)96Gao,o4As (типичный состав, соответствующий оксидирующему слою вертикально излучающего лазера) составляет около 10 против 2 для травления методом «epitaxial lift-off». Для слоя состава Al0,9Ga0,iAs (типичный состав, соответствующий слою с низким показателем преломления интерференционного зеркала вертикально излучающего лазера) селективность оксидирования составляет около 100, в то время как для «epitaxial lift-off» она составляет 3. Столь высокая селективность процесса делает влажное продольное оксидирование идеальным кандидатом для процесса удаления подложки. Оксидируя образцы, было обнаружено, что процесс влажного продольного оксидирования создает напряжения в структуре, которые релаксируют путем формирования трещин. Данные трещины распространяются вдоль оксидируемого слоя и, как будет показано ниже, могут быть использованы для отделения подложки.
