ES2328162T3 - Metodo para fabricar un dispositivo semiconductor lateral. - Google Patents

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Abstract

Un método para fabricar un dispositivo semiconductor que comprende las etapas de (i) tomar una estructura semiconductora (2) que tiene una pila formada por un pluralidad de capas de material semiconductor (4, 6, 8) dispuestas en una serie de planos sustancialmente paralelos, teniendo el material semiconductor dentro una primera capa (4) un exceso de portadores de carga de una primera polaridad en una primera concentración, y (ii) retirar selectivamente el material conductor de la primera capa (4) hasta una profundidad que varía a lo largo de una primera dirección sustancialmente paralela a los planos de las capas dentro de la estructura, de manera que se proporciona una gradación de la concentración de portadores de carga de primera polaridad dentro de una capa activa (8) a lo largo de la primera dirección.

Description

Método para fabricar un dispositivo semiconductor lateral.
La presente invención se refiere a un método para fabricar dispositivos semiconductores de junta lateral. Más concretamente, la presente invención concierne a un método para fabricar dispositivos semiconductores optoeléctricos de junta lateral, y en particular dispositivos de fuente de fotones individual de estado sólido (SPS).
Las juntas p-n que emiten luz, convencionales o verticales son difíciles de integrar con dispositivos planos tales como transistores o resistores. Las juntas p-n no sólo son fáciles de combinar con otros dispositivos sino que además tiene características superiores. Por ejemplo, en diodos láser, electrones y huecos son inyectados en el área activa a través de capas de separación de banda ancha, que proporcionan confinamiento óptico. Esto limita la anchura de banda de modulación cuando los portadores tienen un exceso innecesario de energía, lo que aumenta su tiempo de recombinación radiativa. Las ventajas adicionales de las juntas laterales incluyen un área de junta y capacitancia de junta más pequeñas y contactos coplanarios.
Un ejemplo de un dispositivo optoeléctrico basado en una configuración de junta p-n lateral es la fuente de fotones individual de estado sólido (SPS) descrita en la patente GB2354368.
Existe una gran variedad de intentos convencionales para fabricar juntas p-n. Por ejemplo, son conocidos dispositivos basados en la naturaleza atmosférica del sílice en arseniuro de galio (GaAs), en los que el sílice proporciona adulteración de tipo n o tipo p dependiendo de la orientación del sustrato, (referencias D.L. Miller, Appl. Phys. Lett. 47, 1039). Varios grupos han reportado luminiscencia en tales dispositivos. Por ejemplo las siguientes referencias:
T. Saiki, S. Mononobe, M. Ohhtsu, N. Saito y J. Kusano, Appl. Phys. Lett. 67, 2191 (1994).
P.O. Vaccaro, H. Ohnishi, y K. Fijita, Appl. Phys. Lett. 72, 818 (1982).
A. North. J, Burroughes, T. Burke, A. Shields, C.E. Norman, y M. Pepper, IEEE J, Quantum Electron. 35, 352 (1999).
Sin embargo, esta técnica es complicada ya que requiere el crecimiento, extracción selectiva y recrecimiento del material conductor.
La Epitaxia de Rayo Molecular de Iones Enfocado también se ha sugerido como técnica para la fabricación de juntas pero, en común con la técnica descrita anteriormente, es complicada y requiere equipo especializado (véase P.J.A Sazio, S Vijendran, W. Yu, H. E. Beere, G.A.C Jones, E.H. Linfield y D.A. Ritchie, J. Crystal Growth 201/202, 12 (1999).
Más recientemente Kaestner et al. han informado sobre un método para formar una junta p-n lateral en un canal de separación de banda estrecha, no adulterada (referencias Jpn. J Appl. Phys., Parte 1 41, 2513 (2002) y Microlectron. Eng. 67-68, 797 (2003)). Portadores de ambos tipos son introducidos en el canal desde un lado a través de capas de separación de banda alta adulteradas que son paralelas a la superficie. En el estado desarrollado, un tipo de portador fue totalmente reducido, mientras que si la región superior altamente adulterada es retirada mediante ataque químico, el tipo de portador que fue anteriormente reducido se recogía en la interfaz entre las capas de separación de banda alta y baja. Una junta p-n en el canal de separación de banda baja por tanto se forma debajo del borde de la región atacada químicamente.
Se informó de un esquema similar por Cecchini et. al. (M. Cecchini, V. Piazza, F. Beltram. M. Lazzarino, M.B. Ward, A.J. Shields, H.E. Beere y D.A Ritchie, Appl. Phys. Lett. 82, 636 (2003), excepto que el canal de separación de banda baja estaba inicialmente con adulteración de tipo p a través de un capa de separación de banda alta paralela a la superficie. Una región de la capa de separación de banda alta adulterada fue entonces atacada químicamente, y un contacto de tipo n fue evaporado para proporcionar una región de tipo n en el canal de separación de banda baja.
Sin embargo, estos dos esquemas confían en el ataque químico preciso de las capas adulteradas de manera que el propio canal no es destrozado ni reducido totalmente.
Es un objeto de la presente invención proporcionar un método alternativo de fabricación de un dispositivo semiconductor de junta lateral y en particular un método que elimine al menos algunas de las desventajas de los métodos anteriores.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención se propone ahora un método para la fabricación de un dispositivo semiconductor de junta lateral que comprende las etapas de:
(i) tomar una estructura semiconductora que tenga una pila formada por una pluralidad de capas de material semiconductor dispuestas en una serie de planos sustancialmente paralelos, teniendo el material conductor dentro de una primera capa un exceso de portadores de carga de una primera polaridad en una primera concentración, y
(ii) retirar selectivamente el material semiconductor de la primera capa hasta una profundidad que varía a lo largo de una primera dirección sustancialmente paralela a los planos de las capas dentro de la estructura, de manera que se proporciona una gradación de la concentración de portadores de carga de la primera polaridad dentro de una capa activa a lo largo de la primera dirección.
La etapa del método anterior de retirar selectivamente material conductor tiene sinergia con el proceso de biselado por ataque químico de muestras semiconductoras antes de la caracterización. Sin embargo, el biselado por ataque químico ha sido hasta ahora utilizado sólo como técnica para preparar muestras semiconductoras antes de la caracterización utilizando, por ejemplo, Espectroscopia de Masas de Iones Secundarios (SIMS), espectrometría de electrones Auger (AES), análisis de resistencia de extensión (SRA), Espectrometría Raman, espectrometría de Fotoluminiscencia o Microscopio de Fuerza Kelvin.
La presente invención se basa en el conocimiento de que una junta semiconductora lateral puede ser fabricada impartiendo un exceso de portadores de carga de una primera polaridad a una estructura semiconductora y retirando selectivamente el material de dicha estructura utilizando, por ejemplo, una técnica similar al biselado por ataque químico convencional.
Al contrario que el biselado de ataque químico convencional, la presente invención utiliza un proceso en el cual el material semiconductor es retirado selectivamente de una estructura con el fin de fabricar un dispositivo semiconductor (en lugar de una técnica de fabricación posterior para valorar una estructura existente).
El método de la invención implica un nuevo y sorprendente efecto, a saber, la profundidad a la que el material semiconductor es retirado selectivamente de la primera capa no tiene que ser controlada de forma precisa durante el proceso de fabricación. El presente método asegura que la estructura semiconductora que tiene una configuración de banda de requisito existe inherentemente en alguna parte a lo largo de la primera dirección, siendo el único requisito que la primera capa que tenga exceso de portadores de carga no sea retirada completamente durante el proceso. Los requisitos de procesamiento del presente método de este modo son menos exigentes con relación a los métodos adicionales que típicamente requieren al menos una capa de detención de ataque químico dentro de la estructura con el fin de detener un ataque químico mesa convencional a una profundidad crítica predefinida. El fallo en la detención de un ataque químico mesa convencional a una profundidad predefinida puede dar lugar a la destrucción del dispositivo semiconductor en construcción. Por el contrario, variaciones sen la profundidad producidas por el presente método alterna meramente la posición lateral de la configuración de banda de requisito a lo largo de la primera
dirección.
En conformidad con la teoría de semiconductor convencional, el exceso de portadores de carga comprenderá portadores que tengan una polaridad negativa (electrones) o una polaridad positiva (huecos) el exceso de portadores de carga puede ser introducido en el dispositivo mediante el uso de materiales semiconductores extrínsecos, por ejemplo materiales adulterados.
En conformidad con la nomenclatura de semiconductor estándar, la capa activa es la parte del semiconductor en la cual los electrodos y huecos es más probable que se recombinen radiativamente bajo la aplicación de un campo eléctrico a lo largo de la primera dirección.
De manera ventajosa, la etapa de retirar selectivamente material semiconductor de la primera capa comprende un proceso de estrechamiento del espesor de la primera capa a lo largo de la primera dirección. Esto proporciona un serie de niveles de concentración de portadores de carga dentro de la gradación (es decir, más de dos niveles de concentración).
Preferiblemente, las capas de material semiconductor dentro de la pila están dispuestas para formar a menos una estructura heterogénea. Al menos dos de las capas de la pila pueden comprender material semiconductor que tenga diferentes separaciones de banda. Por ejemplo, la capa activa y la capa de apoyo pueden comprender material semiconductor que tenga diferentes separaciones de banda.
En una realización preferida, la primera configuración y la profundidad a la que el material semiconductor es retirado selectivamente están dispuestas para cooperar de manera que la concentración de portadores de caga de exceso de la primera polaridad dentro de la gradación aumenta desde un mínimo de sustancialmente cero.
Opcionalmente, la profundidad debajo de la superficie, el espesor de la primera y segunda capa activas, y la separación entre las mismas están dispuestos para cooperar con la primera concentración y la profundidad a la cual los materiales semiconductores son retirados selectivamente de manera que la concentración de portadores de carga en exceso de la primera polaridad dentro de la gradación aumenta desde un mínimo de sustancialmente cero.
En otra realización preferida, la concentración de portadores de carga en exceso de la primera polaridad dentro de la gradación varía de manera sustancialmente lineal desde el mínimo hasta un máximo a lo largo de la primera dirección.
la etapa de tomar la estructura de semiconductor puede comprender la etapa intermedia de impartir un exceso de portadores de carga de primera polaridad en la primera concentración al material semiconductor dentro de la primera capa de la pila. Por ejemplo, la etapa de impartir un exceso de portadores de carga de primera polaridad puede comprender la etapa de introducir una muestra de adulteradora dentro de la estructura del semiconductor.
Las muestras de agente adulterante se pueden introducir en el material semiconductor que comprende la primera capa.
La etapa de introducir las muestras de agente adulterante puede comprender al menos uno de adulteración de bloque y adulteración delta durante el crecimiento del cristal, utilizando epitaxia de rayo molecular (MBE). Utilizando técnicas de crecimiento de cristales tales como la MBE, las muestras de agente adulterante se pueden introducir durante el crecimiento, y su distribución se puede controlar de forma precisa. Alternativamente, las muestras de agente adulterante podrían ser introducidas, después del crecimiento, utilizando técnicas teles como la implantación de iones y la difusión.
De manera ventajosa, las muestras de agente adulterante comprenden agentes adulterantes de tipo p.
En una realización más, el material semiconductor dentro de una segunda capa tiene un exceso de portadores de carga de una segunda polaridad en una segunda concentración, estando la primera y segunda concentraciones y la profundidad da la cual el material semiconductor es selectivamente retirado de la primera capa dispuestas para cooperar de manera que la concentración de portadores de carga en exceso que predomina dentro de la capa activa varía desde aquellas de la primera polaridad a aquellas de la segunda polaridad a lo largo de la primera dirección. En una realización, la capa activa y la segunda capa son la misma.
En este caso, el método puede comprender la etapa intermedia de impartir un exceso de portadores de carga de segunda polaridad en la segunda concentración al material semiconductor dentro de la segunda capa de la pila. Por ejemplo, la etapa de impartir un exceso de portadores de carga de segunda polaridad puede comprender la etapa de introducir unas muestras de agente adulterante en la estructura del semiconductor.
Las muestras de agente adulterante pueden ser introducidas dentro del material semiconductor que comprende la segunda capa.
La etapa de introducir las muestras de agente adulterante puede comprender al menos una las siguientes adulteraciones: adulteración de bloque y adulteración delta durante el crecimiento del cristal.
De manera ventajosa, las muestras de agente adulterante comprenden un agente adulterante de tipo n.
De manera ventajosa, la primer y segunda concentraciones y la profundidad a la cual el material semiconductor es retirado de manera selectiva de la primera capa están dispuestas para cooperar de manera que se proporciona dentro de la capa activa una región que no tiene sustancialmente portadores de carga en exceso interpuestos a lo largo de la primera dirección entre una región que tiene un predominio de portadores de carga de exceso de primera polaridad y una región que tiene un predominio de portadores de carga de exceso de segunda polaridad.
Opcionalmente, la profundidad debajo de la superficie, el espesor de la primera, segunda capas y la capa activa y la separación entre las mismas están dispuestos para cooperar con la primera y segunda concentraciones y la profundidad a la cual el material semiconductor es selectivamente retirado de la primera capa de manera que se proporciona dentro de la capa activa una región que no tiene sustancialmente portadores de carga de exceso interpuestos a lo largo de la primera dirección entre una región que tiene un predominio de portadores de carga de exceso de primera polaridad y una región que tiene un predominio de portadores de carga de exceso de segunda polaridad.
El presente método es ventajoso porque sujeto a la selección de concentraciones adecuadas de los portadores de exceso en la primera y segunda capas, una junta semiconductora lateral p-i-n surge como resultado de la retirada selectiva de material de la primera capa. El método asegura que el perfil correcto de adulteración se consiga dentro del dispositivo en alguna parte a lo largo de la primera dirección, sin tener en cuenta la profundidad a la que el material es retirado (con tal de que la primera capa no esté totalmente retirada del dispositivo). En la práctica, la primera capa se puede retirar a lo largo de parte de la primera dirección. Además, parte de la estructura subyacente de la primera capa (por ejemplo la segunda capa) puede ser retirada sin comprometer el rendimiento del dispositivo.
Para una mayor claridad, la región que no tiene sustancialmente portadores de carga de exceso puede comprender semiconductor intrínseco o extrínseco.
Preferiblemente, el método descrito anteriormente comprende la formación de una estructura de semiconductor en la que la capa activa está dispuesta entre la primera y la segunda capas, y la separación de banda de la capa activa está dispuesta para ser menor que la separación de banda de la primera y segunda capas. En este caso, la estructura está diseñada de manera que la carga de exceso en la primera y segunda capas es transferida dentro de la capa
activa.
De manera ventajosa, la capa activa comprende un material semiconductor sustancialmente intrínseco. Esto mejora la movilidad del portador dentro de la capa activa eliminando las impurezas del donante/receptor que podrán de otro modo actuar como centros de recombinación, trampas de portador y centros de dispersión. La alta frecuencia y el rendimiento óptico del dispositivo por tanto es mejorada. En esta configuración, los portadores de exceso son preferiblemente introducidos en la capa activa desde la primera y segunda capas.
De manera ventajosa, la capa activa está separada de la primera y segunda capas mediante capas separadoras no adulteradas, que tienen la misma separación de banda que la primera y segunda capas. Los iones adulterantes están por tanto separados de los portadores móviles en la capa activa, y la dispersión de estos iones por tanto es reducida al mínimo.
En otra realización, la estructura semiconductora comprende una doble estructura heterogénea dispuesta en una configuración de pozo cuántico.
De manera conveniente, el proceso de estrechamiento está dispuesto para impartir una superficie exterior a la pila inclinada en un ángulo con los planos de las capas en las mismas.
En una realización preferida, el proceso de estrechamiento está dispuesto para impartir una superficie exterior inclinada en un ángulo de 10^{-1}-10^{-5} radianes a los planos de las capas dentro de la pila.
En una realización preferida, el proceso de estrechamiento comprende al menos uno de las técnicas siguientes: recubrimiento mecánico, ablación por láser, biselado de plasma o biselado de rayo, pulido químico-mecánico y biselado químico.
De manera ventajosa, el proceso de estrechamiento comprende biselado químico con agente de ataque químico de bromo etilenglicol.
Preferiblemente, la concentración de bromo es de 1% -10%. La velocidad de ataque químico está convenientemente dispuesta para estar comprendido entre 0,1 \mum/minuto y 1 \mum/minuto. En la práctica, el método preferiblemente comprende la etapa de descender la estructura de semiconductor en el agente de ataque químico a un régimen controlado en el intervalo de 0,25 mm/minuto - 100 mm/minuto; típicamente a una velocidad de aproximadamente
3 mm/minuto.
En una realización preferida, el método comprende a etapa adicional de unir medios de conexión a la estructura. Los medios de conexión pueden comprender al menos unas conexiones eléctricas y conexiones ópticas.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, ahora se propone un dispositivo semiconductor de junta lateral que comprende una estructura heterogénea semiconductora que tiene una pila formada por una pluralidad de capas de material semiconductor dispuestas en una serie de planos sustancialmente paralelos, una primera capa que tiene un espesor que disminuye a lo largo de una primera dirección sustancialmente paralela a los planos de las capas, comprendiendo dicha primera capa un material semiconductor que tiene un exceso de portadores de carga de una primera polaridad en una primera concentración, en donde la primera concentración y el espesor de estrechamiento están dispuestos para cooperar de manera que se proporciona una gradación de concentración de portadores de carga de primera polaridad dentro de una capa activa a lo largo de la primera dirección.
En una realización preferida, la primera concentración y el espesor de estrechamiento están dispuestos para cooperar de manera que la concentración de portadores de carga de exceso de primera polaridad dentro de la gradación aumenta desde un mínimo de sustancialmente cero. Preferiblemente, la concentración de portadores de carga de exceso de primera polaridad dentro de la gradación varía sustancialmente de forma lineal desde el mínimo hasta un máximo a lo largo de la primera dirección.
En otra realización preferida, el material semiconductor dentro de la segunda capa tiene un exceso de portadores de carga de una segunda polaridad en una segunda concentración, estando la primera y segunda concentraciones y el espesor de estrechamiento dispuestas para cooperar de manera que la concentración de exceso de portadores de carga que predomina dentro de la capa activa varía desde aquellas de la primera polaridad a aquellas de la segunda polaridad a lo largo de la primera dirección.
En una realización preferida más, la primera y segunda concentraciones y el espesor de estrechamiento están dispuestos para cooperar de manera que se proporciona dentro de la capa activa una región que no tiene sustancialmente portadores de exceso interpuestos a lo largo de la primera dirección entre una región que tiene un predominio de portadores de carga de exceso de primera polaridad y una región que tiene predominio de portadores de carga de exceso de segunda polaridad.
En interés de claridad, la región que no tiene sustancialmente exceso de portadores de carga puede comprender un semiconductor intrínseco o extrínseco.
En esta realización de la invención, el dispositivo semiconductor comprende preferiblemente una estructura semiconductora en el que la capa activa está dispuesta entre la primara y la segunda capas, y la separación de banda de la capa activa está dispuesta para ser menos que la separación de banda de la primera y segunda capas.
\newpage
De manera ventajosa, la capa activa comprende un material semiconductor sustancialmente intrínseco. Este mejora la movilidad del portador dentro de la capa activa eliminando las impurezas de donante/receptor que podrían de otro modo actuar como centros de recombinación, trampas de portador y centros de difusión. La alta frecuencia y el rendimiento óptico del dispositivo son por tanto mejorados. En esta configuración, los portadores de exceso están preferiblemente introducidos en la capa activa desde la primera y segunda capas.
De manera ventajosa, la capa activa es separada de la primera y segunda capas mediante capas separadoras no adulteradas, que tienen la misma separación de banda de la primera y segunda capas. Los iones de donante están por tanto separados espacialmente de los portadores móviles en la capa activa, y la difusión desde estos iones es por tanto reducida al mínimo.
De manera conveniente, la estructura de semiconductor comprende una doble estructura heterogénea dispuesta en una configuración de pozo cuántico.
Preferiblemente, el espesor de estrechamiento imparte una superficie exterior a la pila inclinada en un ángulo con los planos de las capas dentro de las mismas. Incluso más preferiblemente, la superficie exterior está inclinada en un ángulo de 10^{-1}-10^{-5} radianes con los planos de las capas dentro de la pila.
De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invención, se propone ahora una fuente de fotones que tiene un dispositivo semiconductor de junta lateral de acuerdo con el segundo aspecto de la presente invención, que además comprende medios para crear una onda acústica superficial que viaja a lo largo de la primera dirección de manera que, en uso, los portadores móviles son transportados por la onda acústica superficial a lo largo de la primera dirección; y medios para controlar el transporte de portador causado por la onda de manera que el número de portadores móviles así transportados se puede controlar hasta la precisión de un único portador.
Cuando el dispositivo semiconductor de junta lateral de acuerdo con el segundo aspecto de la presente invención tiene un portador de carga de exceso de sólo una única polaridad, la fuente de fotones preferiblemente comprende además al menos uno de los medios eléctricos y medios ópticos para introducir los portadores móviles en el dispositivo. Por consiguiente, los portadores móviles que tiene polaridad opuesta a los de dentro de la primera capa se pueden introducir dentro del dispositivo por al menos unos de los medios eléctricos y ópticos.
De manera ventajosa, los medios para controlar el transporte de portador comprenden al menos una puerta de dos hojas cargable y un contacto de punto cuántico.
La invención se describirá a continuación, sólo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
La Figura 1 muestra una representación en sección transversal esquemática de un dispositivo semiconductor de junta lateral parcialmente fabricada de acuerdo con una primera realización de la presente invención. La figura ilustra la estructura semiconductora antes de procesar para impartir un estrechamiento a la capa superior de la estructura.
La Figura 2 muestra una representación en sección transversal esquemática del dispositivo semiconductor de junta lateral completado de acuerdo con la primera realización de la invención. El dispositivo mostrado en la figura 2 comprende una fuente de fotones individual.
La Figura 3 muestra una representación en sección transversal esquemática de un dispositivo de estructura heterogénea doble fabricado parcialmente de acuerdo con otra realización de la presente invención. En esta realización, el dispositivo de junta lateral está basado en una configuración de pozo cuántico.
La Figura 4 muestra una representación en sección transversal esquemática del dispositivo de estructura heterogénea doble de la figura 3 después del biselado por ataque químico.
La Figura 5 muestra representaciones esquemáticas en sección transversal de realizaciones adicionales de la invención que comprenden diseños para diodo de emisión de luz lateral basado en antimoniuro de indio (InSb).
Las Figuras 6a y 6c ilustran la variación del potencial de electrón con relación a la profundidad para las realizaciones mostradas en la figura 5. Específicamente, la figura 6a se refiere a un dispositivo de antimoniuro de indio (InSb) mientras que la figura 6c ilustra la variación del potencial de electrón en el dispositivo de telururo de mercurio cadmio (HgCdTe). La Figura 6b muestra un gráfico de la densidad de carga laminar como función de la profundidad del ataque químico para la estructura de antimoniuro de indio (InSb).
La Figura 7 muestra una representación esquemática del equipo de biselado por ataque químico utilizado en una realización del método de acuerdo con la invención.
La Figura 8 muestra dos perfiles de superficie dimensionales de un dispositivo de ensayo de HgCdTe dibujado utilizando el bisela por ataque químico.
\newpage
La Figura 9 muestra la característica de corriente-voltaje de una junta p-n lateral fabricada de INSB de acuerdo con el diseño mostrado en la Figura 5, medida como una función de temperatura. La característica altamente no lineal sugiere que la junta lateral ha sido formada.
Haciendo referencia a las figuras 1 y 2, se describirá a continuación una primera realización de la invención que comprende un dispositivo de fuente de fotones individual y el método de fabricación de la misma. El dispositivo 2 está basado en un crecimiento epitaxial de capas semiconductoras sobre un único substrato de cristal, y una sección transversal esquemática del dispositivo propuesto después del crecimiento se muestra en la Fig. 1. La capa superior 4 e inferior 6 crecen de manera que tiene una separación de banda mayor que la capa intermedia 8. Esto se consigue mediante el crecimiento de las capas de diferente composición, de manera que, por ejemplo, las capas superior e inferior deben ser AlGaAs, y la capa intermedia GaAs, Otros materiales adecuados incluyen, pero no se limitan a, Hg_{1-x}Cd_{x}Te y InGaAs/InGaAsP.
El dispositivo 2 ilustrado en la figura 1 utiliza una estructura de pozo cuántico en la que la función de onda de portador cae rápidamente a cero alejándose de la capa intermedia. Los electrones (o huecos) de pozo cuántico forman una lámina en 2D ocupando principalmente la onda estacionaria de energía más baja en la dirección perpendicular al plano del pozo. Sin embargo, la siguiente exposición no se limita a estructuras de pozo cuántico y también es aplicable a portadores atrapados en una junta heterogénea.
La capa superior 4 del dispositivo 2 es sometida a adulteración p durante el crecimiento, con los aceptadores situándose en una lámina delgada 10 (comúnmente conocidos como adulteración \delta) que está lo suficientemente próximo al pozo cuántico para asegurar que los portadores de carga son transferidos en el pozo. El dispositivo es entonces biselado por ataque químico, como se muestra en la Figura 2 de manera que parte de la capa con adulteración \delta 10 es retirada. Esto deja sólo una parte 12 del pozo cuántico que está adulterado, como se muestra a la derecha de la Figura 2. El ataque químico en húmedo se utiliza típicamente para crear el biselado, de manera que se hace un pequeño daño físico en el pozo cuántico. Sin embargo, el método de la presente invención no se limita a ataque químico en húmedo y sería evidente para los expertos en la técnica que se podría utilizar un proceso alternativo para crear el biselado, por ejemplo moldeo con rayo de iones, recubrimiento mecánicos o pulido químico-mecánico.
En muchas circunstancias, el biselado por ataque químico es atractivo dado que no pone áspero el material que crece, confiando en un equipo relativamente simple, y puede ser fácil de aplicar a una gama de materiales, que incluyen CdTe, InP, GaAs y InGaN. El biselado por ataque químico se realiza descendiendo gradualmente muestras en la solución de ataque químico, o alternativamente cubriendo gradualmente muestras con solución de ataque químico. Típicamente, el ángulo de biselado es extremadamente pequeño (dentro del intervalo de 10^{-1} a 10^{-5} radianes) pero pueden variar alternado las condiciones de ataque químico. Diferentes velocidades de ataque químico de las distintas capas que constituyen una muestra, o cambios en el régimen de ataque químico cuando los constituyentes del ataque químico son consumidos, pueden conducir a biselado no lineal.
El ángulo del bisel está dispuesto para ser lo suficientemente pequeño para asegurar que existe una región grande (muchas decenas de micrómetros) de pozo cuántico no adulterado remanente. Finalmente un transductor interdigital (no mostrado) está depositado en la superficie del lugar izquierdo alejado del dispositivo, y una puerta de dos hojas 14 es depositada en la superficie sobre la región no adulterada del pozo cuántico como se indica en la Figura 2.
Para operar el dispositivo una onda acústica superficial (SAW) 16 es excitada, utilizando el transductor interdigital, que se propaga desde la zona izquierda a la zona derecha del dispositivo 2 simultáneamente transportando la carga a lo largo del pozo cuántico. En una forma del dispositivo, los electrones y los huecos son típicamente excitados aplicando luz 18 a la estructura 2 (por ejemplo utilizando un láser) en el pozo cuántico, y se llagan a confinar en los pozos potenciales laterales móviles asociados con la SAW. En otra forma del dispositivo, el lado izquierdo del dispositivo 20 posee adulteración de tipo n, por ejemplo, utilizando implantación de ion después del biselado por ataque químico. Se ha de observar que la implantación de ion se podría realizar sobre un área localizada del dispositivo, a la izquierda del transductor interdigital, o evitar daño al pozo cuántico. En este caso, la SAW 16 sólo transporta electrones, pero el funcionamiento total de ambas formas del dispositivo podrá ser similar. En uso, la puerta de dos hojas 14 está cargada negativamente de manera que sólo se permitiría que un electrón atravesase en cada ciclo de SAW. Esta carga puede estar cargada para compensar cualquier crecimiento de huecos que pudieran ocurrir en la puerta de dos hojas 14. La adulteración de la placa de adulteración \delta es elegida para ser lo suficientemente grande que cuando la SAW 16 entra en el lado derecho del dispositivo es rápidamente atenuada por los huecos, permitiendo de este modo que electrón atrapado escape. El electrón se recombina para emitir un único fotón 22. La adulteración p elevado del pozo cuántico en esta región 12 del dispositivo asegura que el proceso de recombinación radiativo es suficientemente rápido. Es importante darse cuenta de que un tren de fotones individual es producido si \tau<<T, en donde \tau es el tiempo de recombinación y T es el periodo de SAW (típicamente ns). Esto proporcionará por tanto un tren antiagrupado de fotones si el la adulteración del hueco es suficientemente grande para atenuar el SAW suficientemente para asegurar una superposición de función de onda de hueco grande, y también para proporcionar un tiempo de recombinación rápido (proporcionar al número de huecos). Sin embargo, el enfoque y desenfoque de la SAW podría ser utilizado para variar la amplitud de la SAW en diferentes partes del dispositivo. El ángulo del biselado puede también ser utilizado para controla el proceso de recombinación. Finalmente, los contactos ohmicos a tanto la región n como p pueden ser requeridos para evitar el crecimiento de carga.
\newpage
Haciendo ahora referencia a las figuras 3 y 4, se describirá una segunda realización se la invención que comprende un dispositivo de una fuente de fotones individual 2 alternativo al descrito anteriormente y el método de fabricación del mismo. Para evitar la repetición innecesaria, se ha dado a las características iguales que han sido descritas conferencia a las figuras 1 y 2 los mismos números de referencia.
El desarrollo de fuentes de fotones centradas es de importancia científica y tecnológica fundamenta, y en esta segunda realización de la presente invención los electrones individuales son inyectados en la región de tipo p de la junta p-i-n lateral. En esta realización, la fuente de fotones individual 2 está accionada eléctricamente. El dispositivo tiene ventas potenciales sobre las fuentes convencionales, a saber, potencial para funcionar a frecuencias relativamente altas, la capacidad para producir muchos trenes de fotones paralelos, y la posibilidad de que fotones únicos sean emitidos con una polarización conocida (las dos últimas son propiedades altamente deseables con respecto a la criptografía cuántica).
La fuente de fotones individual 2 de acuerdo con la segunda realización comprende una configuración de estructura heterogénea doble como se muestra en la Figura 3. El dispositivo descrito a continuación está construido utilizando materiales III-V o II-IV. Un solvente de Schrödinger-Poisson autoconsistente se utilizó para diseñar las capas de dispositivo de pozo cuántico HgCdTe, en base a la estructura genérica mostrada en la Fig. 3. La capa superior 4 del dispositivo 2 es sometida a adulteración p 24 durante el crecimiento utilizando adulteración de bloque o adulteración de modulación. La capa inferior 6 del dispositivo 2 es sometida a adulteración n durante el crecimiento, con los donantes situándose en la lámina delgada 26 (comúnmente conocida como adulteración \delta) que está suficientemente próximo al pozo cuántico para asegurar que los portadores de carga sean transferidos al pozo. Los niveles de adulteración p y n son elegidos cuidadosamente de manera que el pozo cuántico es inicialmente de tipo p en todas partes. Un diagrama esquemático del dispositivo después del biselado por ataque químico se muestra en la Figura 4. Un extremo 30 del pozo permanece con adulteración p, como en el estructura a medida que crece, mientras que una región 32 del pozo se convierte en tipo n en el mismo punto cerca de donde los agentes adulterantes p son remitidos 35. En el mismo punto entre la adulteración n y p se cancela, dejando sustancialmente la región intrínseca 34. Los niveles de adulteración dentro del dispositivo y el ángulo superficial del biselado por ataque químico debajo de la capa 4 proporcionan un potencial de que varía lentamente dentro del dispositivo lo que asegura que los electrones únicos permanecen atrapados en el mínimo potencial asociado con la SAW cuando son transportados desde las regiones n a las p.
La Figura 5 muestra un diagrama esquemático de las estructuras del dispositivo de InSb y HgCdTe. En este caso, el pozo cuántico HgCdTe 8 tiene una composición diseñada para proporcionar emisión en los IR-medios, aunque como HgCdTe es un sistema encajado en enrejado esto podrá cambiar fácilmente, por ejemplo para proporcionar un emisión a 1,55 \mum.
En las Figuras 6(a) y 6(c), se representa el potencial de electrón, como la mínima energía de la primera subbanda de electrón en el pozo cuántico, como una función de la profundidad del ataque químico para los casos de InSb y HgCdTe respectivamente. Estos gráficos ilustran que después del biselado por ataque químico, el pozo cuántico contiene regiones tanto de tipo n como de tipo p. En la Figura 6(b) la densidad de carga de lámina dentro del pozo cuántico está representada en función de la profundidad del ataque químico para la estructura InSb. Esto confirma la formación de regiones de tipo n y de tipo p después del biselado por ataque químico que, en este caso, están separadas por una región intrínseca próxima.
En común con las realizaciones anteriores, el biselado por ataque químico se utilizó para introducir biselados en un rango de muestras de ensayo, aunque las técnicas de procesado alternativas se pueden aplicar como se ha mencionado antes.
La Figura 7 muestra un diagrama esquemático del equipo 40 utilizado para fabricar los dispositivos anteriormente mencionados. Un motor eléctrico 42 es utilizado para subir y bajar una barra 44, a través de una caja de cambios 46, en la que está unida la muestra 50 va a ser atacada químicamente. La corriente utilizada para accionado el motor 42 y la relación de engranajes 46 pueden variar utilizando un controlador 48, de manera que la barra 44 se puede bajar suavemente a velocidades comprendidas entre aproximadamente 0,25 mm/minuto y aproximadamente 100 mm/minuto. El régimen al que la barra desciende determina tanto la longitud del biselado como, junto con la velocidad del ataque químico, la profundidad del biselado. Típicamente se utilizan regímenes de aproximadamente 3 mm/min.
El agente de ataque químico 52 está preparado en una jarra 54 y se deja a temperatura ambiente durante 20 minutos antes del ataque químico. Inmediatamente antes del ataque químico, una capa de solvente 56 es pipeteada lentamente sobre el agente de ataque químico 52. Esto evita el vapor del ataque químico y la formación de meniscos a través de la muestra 50. El solvente 56 y el agente de ataque químico 52 son elegidos de manera que no sean miscibles, de manera que haya poca mezcla entre las capas. Para ataque químico de InSb y HgCdTe, se utilizó etilenglicol o bromo etilenglicol para el solvente y el agente de ataque químico respectivamente.
La concertación de bromo determina la velocidad de ataque químico, pero típicamente se utilizó concentraciones comprendidas entre 1% y 10%, que proporcionan velocidades de ataque químico de entre 0,1 \mum/minuto a
1 \mum/minuto.
\newpage
La muestra que va a ser atacada químicamente se monta en una lámina de vidrio 58, y se une a la barra 46. Para empezar el ataque químico, la muestra 50 es entonces hecha descender dentro de la jarra 56 hasta la interfaz solvente/agente de ataque químico 60.
La Fig. 8 muestra un perfil de superficie en 2D del dispositivo de ensayo de HgCdTe diseñado utilizando biselado de ataque químico de bromo/etilenglicol. La profundidad de ataque químico se determinó midiendo la altura de escalón entre una tira del dispositivo que se marcó utilizando fotoresistente y la parte más profunda del biselado, y fue de aproximadamente 4 \mum. La longitud del biselado fue de aproximadamente 3 mm (nótese que la imagen ha sido comprimida en la dirección del biselado de manera que el biselado se pueda observar claramente). La rugosidad superficial media de la superficie atacada químicamente midió 29 nm, que era aproximadamente la misma que las superficies no atacadas químicamente. Se utilizaron diferentes agentes de ataque químico y solventes para diferentes tipos de materiales aunque la combinación de bromo etilenglicol dio también buenos resultados cuando se utilizó para InGaAs/InP.
La Figura 9 muestra una característica de corriente voltaje desde un dispositivo fabricado utilizando las técnicas de acuerdo con la presente invención. La oblea de InSb creación sobre un substrato de GaAs, siguiendo el diseño mostrado en la Figura 5, utilizando epitaxia de rayo molecular, y se fue procesada utilizando el aparato de biselado por ataque químico mostrado en la Figura 7. Una disposición de contactos ohmicos fue depositada en la superficie del dispositivo después del ataque químico y la Figura 9 muestra la característica I-V medida a partir de un par de contactos ohmicos en el que uno es llevado a contacto con la región p del pozo cuántico, y uno a la región de tipo n del pozo. Los voltajes positivos corresponden al caso en el que el contacto ohmico en el lado p era positivo comparado con el contacto ohmico en el lado n, y este caso la corriente inicialmente aumenta casi exponencialmente con el voltaje aplicado. Por el contrario, cuando el voltaje era invertido la corriente es mucho más pequeña y es relativamente independiente del voltaje aplicado. La fuerte dependencia del flujo de corriente en la polaridad del voltaje aplicado es consistente con el hecho de que haya sido formada una junta lateral p-n.
La microscopía de láser también fue utilizada para caracterizar la junta lateral en el dispositivo de pozo cuántico de InSb anterior. Los escaneos de fotorespuesta de resolución a escala micrométrica tomados con láseres visibles (633nm) y infrarrojos medios (medio-IR) (1,4 \mum) mostraron áreas de señal de alta amplitud que se sitúan entre los contactos de tipo n y de tipo p, confirmando la existencia de la junta lateral p-i-n. Cuando el láser de IR medios se utilizó, la distribución espacial de la señal de alta amplitud fue más pequeña en el caso en el que se utilizó iluminación visible. Como los IR medios sólo pueden excitar transistores dentro del pozo cuántico, esto sugiere que la junta está situada en el pozo cuántico.
Las realizaciones anteriores de la invención han sido descritas en térmicos de dispositivos de estructura heterogénea doble y en particular fuentes de fotones individuales, sin embargo, es evidente para los expertos en la técnica que el método de la presente invención también es aplicable a la fabricación de otros dispositivos por ejemplos láseres semiconductores. El método también se adapta a la fabricación de dispositivos de estructura heterogénea individual por ejemplo dispositivos de junta p-n, por ejemplo diodos de emisión de luz.

Claims (35)

1. Un método para fabricar un dispositivo semiconductor que comprende las etapas de
(i) tomar una estructura semiconductora (2) que tiene una pila formada por un pluralidad de capas de material semiconductor (4, 6, 8) dispuestas en una serie de planos sustancialmente paralelos, teniendo el material semiconductor dentro una primera capa (4) un exceso de portadores de carga de una primera polaridad en una primera concentración, y
(ii) retirar selectivamente el material conductor de la primera capa (4) hasta una profundidad que varía a lo largo de una primera dirección sustancialmente paralela a los planos de las capas dentro de la estructura, de manera que se proporciona una gradación de la concentración de portadores de carga de primera polaridad dentro de una capa activa (8) a lo largo de la primera dirección.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la etapa de retirar selectivamente el material semiconductor de la primera capa (4) comprende un proceso de estrechamiento del espesor de la primera capa (4) a lo largo de la primera dirección.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que las capas de material semiconductor (4, 6, 8) dentro de la pila están dispuestas para formar al menos una estructura heterogénea.
4. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que la primera concentración y la profundidad a la que el material semiconductor es selectivamente retirado están dispuestas para cooperar de manera que la concentración de portadores de carga de exceso de primera polaridad dentro de la gradación aumenta desde un mínimo de sustancialmente cero.
5. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que la concentración de portadores de carga de exceso de primera polaridad dentro de la gradación varía sustancialmente de manera lineal desde el mínimo hasta un máximo a lo largo de la primera dirección.
6. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en que la etapa de tomar la estructura semiconductora (2) comprende la etapa intermedia de impartir un exceso de portadores de carga de primera polaridad en la primera concentración al material semiconductor dentro de la primera capa (4) de la pila.
7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, en el que la etapa de impartir un exceso de portadores de carga de primera polaridad comprende la etapa de introducir unas especies adulterantes en la estructura semiconductora (2).
8. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que el material semiconductor dentro de la segunda capa (6) tiene un exceso de portadores de carga de una segunda polaridad en una segunda concentración, estando la primera y segunda concentraciones y la profundidad a la cual el material semiconductor es selectivamente retirado de la primera capa (4) dispuestas para cooperar de manera que la concentración de exceso de portadores de carga que predomina dentro de la capa activa (8) varía desde aquellas de la primera polaridad a aquellas de la segunda polaridad a lo largo de la primera dirección.
9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende la etapa intermedia de impartir un exceso de portadores de carga de segunda polaridad en la segunda concentración al material semiconductor dentro de la segunda capa (6) de la pila.
10. Un método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que la etapa de impartir un exceso de portadores de carga de segunda polaridad comprende la etapa de introducir unas especies adulterantes en la estructura semiconductora (2).
11. Un método de acuerdo con cualquier de las reivindicaciones 8-10, en el que la primera y segunda concentraciones y la profundidad a la cual el material semiconductor es selectivamente retirado de la primera capa (4) están dispuestas para cooperar de manera que se proporciona dentro de la capa activa (8) una región que no tiene sustancialmente portadores de carga de exceso interpuestos a lo largo de la primera dirección entre una región que tiene un predominio de portadores de carga de exceso de primera polaridad y una región que tiene un predominio de portadores de carga de exceso de segunda polaridad.
12. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, que comprende la formación de una estructura semiconductora (2) en la que la capa activa (8) está dispuesta entre la primera y segunda capas (4, 6) y la separación de banda de la capa activa (8) está dispuesta para ser menor que la separación de banda de la primera y segunda capas (4, 6).
13. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que la capa activa (8) comprende un material semiconductor sustancialmente intrínseco.
14. Un método de acuerdo con la reivindicación 12 ó 13, en el que la estructura semiconductora (2) comprende una doble estructura heterogénea dispuesta en una configuración de pozo cuántico.
15. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2-14, en la que el proceso de estrechamiento está dispuesto para impartir una superficie exterior a la pila inclinada en un ángulo con los planos de las capas en la misma.
16. Un método de acuerdo con la reivindicación 15, en el que el proceso de estrechamiento está dispuesto para impartir una superficie exterior inclinada un ángulo de 10^{-1} -10^{-5} radianes a los planos de la capas dentro de la pila.
17. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2-16, en el que el proceso de estrechamiento comprende al menos una de las siguientes técnicas: recubrimiento mecánico, ablación con láser, biselado con plasma, biselado de rayo de iones, pulido químico-mecánico, y biselado químico.
18. Un método de acuerdo con la reivindicación 17, en el que el proceso de estrechamiento comprende biselado químico con agente de ataque químico de bromo etilenglicol.
19. Un método de acuerdo con la reivindicación 18, en el que la concentración de bromo es de 1% - 10%.
20. Un método de acuerdo con la reivindicación 18 ó 19, que tiene una velocidad de ataque químico comprendida entre 0,1 \mum/minuto y 1 \mum/minuto.
21. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente que comprende la etapa adicional de unir los medios de conexión a la estructura (2).
22. Un método de acuerdo con la reivindicación 21, en el que los medios de conexión comprenden al menos conexiones eléctricas o conexiones ópticas.
23. Un dispositivo semiconductor de junta lateral, que comprende una estructura heterogénea semiconductora (2) que tiene una pila formada por una pluralidad de capas de material semiconductor (4, 6, 8) dispuestas en una serie de planos sustancialmente paralelos, teniendo una primera capa (4) en la misma un espesor que disminuye a lo largo de una primera dirección sustancialmente paralela a los planos de las capas, comprendiendo dicha primera capa (4) un material semiconductor que tiene un exceso de portadores de carga de una primera polaridad en una primera concentración, en donde la primera concentración y el espesor de estrechamiento están dispuestos para cooperar de manera que se proporciona una gradación de concentración de portadores de carga de primera polaridad dentro de una capa activa a lo largo de la primera dirección.
24. Un dispositivo semiconductor de junta lateral de acuerdo con la reivindicación 23, en el que la primera concentración y el espesor de estrechamiento están dispuestos para cooperar de manera que la concentración de portadores de carga de exceso de primera polaridad dentro de la gradación aumenta desde un mínimo de sustancialmente cero.
25. Un dispositivo semiconductor de junta lateral de acuerdo con la reivindicación 24, en el que la concentración de portadores de carga de exceso de primera polaridad dentro de la gradación varía sustancialmente de forma lineal desde el mínimo hasta un máximo a lo largo de la primera dirección.
26. Un dispositivo semiconductor de junta lateral de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23-25, en el que el material semiconductor dentro de la segunda capa (6) tiene un exceso de portadores de carga de una segunda polaridad en una segunda concentración, estado la primera y segunda concentraciones y el espesor de estrechamiento dispuestos para cooperar de manera que la concentración de portadores de carga de exceso que predomina dentro de la capa activa (8) varía desde aquellas de la primera polaridad a aquellas de la segunda polaridad a lo largo de la primera dirección.
27. Un dispositivo semiconductor de junta lateral de acuerdo con la reivindicación 26, en el que la primera y la segunda concentraciones y el espesor de estrechamiento están dispuestos para cooperar de manera que se proporciona dentro de la capa activa (8) una región que no tiene sustancialmente exceso de portadores interpuestos a lo largo de la primera dirección entre una región que tiene un predominio de portadores de carga de exceso de primera polaridad y una región que tiene un predominio de portadores de carga de exceso de segunda polaridad.
28. Un dispositivo semiconductor de junta lateral de acuerdo con la reivindicación 27, que comprende una estructura semiconductora (2) en la que la capa activa (8) está dispuesta entre la primera y segunda capas (4, 6) y la separación de banda de la capa activa (8) está dispuesta para ser menor que la separación de banda de la primera y la segunda capas (4, 6).
29. Un dispositivo semiconductor de junta lateral de acuerdo con la reivindicación 28, en el que la capa activa (8) comprende un material semiconductor sustancialmente intrínseco.
30. Un dispositivo semiconductor de junta lateral de acuerdo con la reivindicación 28 ó 29, en el que la estructura semiconductora (2) comprende una doble estructura heterogénea dispuesta en una configuración de pozo cuántico.
31. Un dispositivo semiconductor de junta lateral de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23-30, en el que el espesor de estrechamiento imparte una superficie exterior a la pila inclinada en un ángulo con los planos de las capas dentro de la misma.
32. Un dispositivo semiconductor de junta lateral de acuerdo con la reivindicación 31, en el que la superficie exterior está inclinada en un ángulo de 10^{-1}-10^{-5} radianes con los planos de las capas dentro de la pila.
33. Un dispositivo semiconductor de junta lateral de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23-32, que además comprende medios para crear una onda acústica superficial (16) que viaja a lo largo de la primera dirección de manera que, en uso, los portadores móviles son transportados por la onda acústica superficial (16) a lo largo de la primera dirección; y medios para controlar el transporte de portador por la onda de manera que el número de portadores móviles así transportados se puede controlar hasta una precisión de un único portador.
34. Una fuente de fotones de acuerdo con la reivindicación 33, cuando es directa o indirectamente dependiente de cualquiera de las reivindicaciones 23-25, que comprende, al menos, o medios eléctricos o medios ópticos para introducir portadores móviles en el dispositivo.
35. Una fuente de fotones de acuerdo con la reivindicación 33 ó 34 en la que los medios para controlar el transporte de portadores comprende al menos una puerta de dos hojas cargable (14) y un contacto de punto cuántico.
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