Projet NanoQuébec bec: Fabrication de fils et points quantiques par interdiffusion Vincent Aimez, Jacques Beauvais,Jean Beerens,Denis Morris, Jacques Renaud, David Barba, Céline Martel, Jeannet Bernard,... François Schiettekatte, Martin Chicoine et autres Catrina Bryce, John Marsh, Amr Saher Helmy, P. Poole
Plan de présentation Interdiffusion de puits quantiques: Implantation à faible énergie Fabrication de dispositifs contrôlés en longueur d onde et Intégration monolithique Interdiffusion de puits quantiques à haute résolution : Vers la fabrication de structures à fils et à points quantiques? Haute qualité du matériau interdiffusé Modification importante du gap Possibilité de reprise d épitaxie Résolution spatiale sub-1µm?
Interdiffusion de puits quantiques (QWI) Band Structure Barrier QW Barrier Eg 1 InGaAsP InGaAs InGaAsP P In As QWI Eg 2 >Eg 1 InGaAsP InGaAs InGaAsP
QWI:Implantation à faible énergie Typical laser heterostructure 360 kev arsenic ion range simulated with TRIM (Rp=150 nm) InGaAs/InGaAsP p+ type 0.15µm Varian DF 3000 implanter : InP p type 1.4µm > 1,4 µm InGaAsP undoped 0.14µm 5 Quantum Wells and Barriers InGaAsP undoped 0.14µm InP n type 1µm n type InP substrate 0-180 kv acceleration voltage 20-200 C substrate heating Doubly charged ions
Diodes laser décallées en longueur d onde Implantation conditions: 1.5 10 12 As ions/cm 2, 360 kev No degradation of device characteristics Absence of thermal shift 0.00020 1.0 Light intensity a.u. 0.00015 0.00010 0.00005 annealed only implanted + annealed Normalised Intensity arb.u. 0.8 0.6 0.4 0.2 annealed only implanted + annealed 0.00000 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Injection current in Amperes 0.0 1515 1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 Wavelength in nm
Integration monolithique Monolithic laser/modulator devices Multiple wavelength lasers ( Eg > 70 mev) Normalized intensity 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Emission spectra from multi-λ device Reference 2 Cu 1 Cu 0 Cu V. Aimez et al, J. of Selected Topics in Quantum Electronics, 8, July/August 2002 0.0 1430 1440 1450 1460 1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 Wavelength in nm
QWI Haute résolution d heterostructures à base d InP Résolution spatiale limitée à environ 1 µm Heat diffusion (PAID) Straggling (High energy ion implantation) Defect diffusion (most techniques) Travail en cours Low energy ion implantation (below 20 kev) Low temperature / Channeling Point defect generation close to the quantum wells Sacrificial layer / Regrowth
Fabrication determinée de structures à fils et à points quantiques Comparaison avec la croissance auto-assemblée Relies on high resolution nanolithography process High blueshift required, high material quality Bandgap tuning process must be spatially controllable on the submicrometer scale Avantages potentiels par rapport à la croissance autoassemblée High quality Quantum Well structures designed for 1.55 µm Monolithic integration (controlled variation of size & density) Quantum Wire structures
Le projet NanoQuébec: 1 2 3
Interdiffusion de puits quantique à haute résolution Fabrication d un masque Gravure du masque Implantation ionique Recuit thermique rapide Gravure de la couche sacrificielle
Résultats des mesures de la résolution spatiale, implantation à chaud Implantation faite à 200 C, dose de 1 x 10 13 P + /cm 2, à 0,à 18 kev et recuit à 3 reprises pendant 60 sec à 660 C: Mesure de la résolution Vérification
Résultats des mesures de la résolution spatiale, implantation à froid Implantation faite à 25 C, dose de 1 x 10 13 P + /cm 2, à 0,à 18 kev et recuit à 3 reprises pendant 60 sec à 660 C: Mesure de la résolution Vérification
Froid et chaud Effet de la température des recuits successifs sur un même réseau de lignes: Implantation faite à 18 kev, dose de 1 x 10 13 P + /cm 2, à 0 sur un réseau de lignes de 2 µm et recuit à 1,2,3 reprises pendant 60 sec à 660 C: Implanté à 200 C Implanté à 25 C
Travaux en cours / conclusion Cathodoluminescence sur les écantillons chaud/froid Mise à profit de la spectroscopie Raman pour l évaluation de la nature des défauts générés par implantation et de leur effet sur l interdiffusion + Étude de la diffusion de défauts dans des structures laser Fabrication de masques d implantation et de gravure pour le contrôle de diffusion Implantation de Gallium au faisceau d ion focalisé Étude de l interdiffusion par encsapsulation diélectrique au TiO 2
Acknowledgements C. Bryce and J. Marsh, (CERION Project) NanoQuebec For financial support towards this project Questions?
Specific heterostructure for HRQWI InP 70nm Sacrificial layer InGaAs : 10nm InGaAsP Q1.28: 20nm InGaAsP Q1.28: 20nm QW InGaAs: 5.5nm InGaAsP Q1.28: 12nm Single quantum well structure Sacrificial layer Semi-insulating substrate, (transport measurements) InGaAsP Q1.18: 50nm
Implantation energy, carrier lifetimes Implanting through the wells results in degradation of device characteristics : 18 kev 120 kev 180 kev P + QW PLRT data following 650 C RTA for 120 s Implantation dose is 1 10 14 ions/cm 2 Ion induced damage must be created close to the quantum wells in order to limit defect diffusion
QWI procedure (sacrificial layer) 18 kev P + beams, Rp =25 nm Defect density is too high and leads to amorphisation InP 70nm InP 70nm InP 70nm Selective wet etch of sacrificial layer InGaAs : 10nm InGaAs : 10nm InGaAs : 10nm InGaAsP Q1.28: 20nm InGaAsP Q1.28: 20nm InGaAsP Q1.28: 20nm InGaAsP Q1.28: 20nm InGaAsP Q1.28: 20nm InGaAsP Q1.28: 20nm InGaAsP Q1.28: 20nm InGaAsP Q1.28: 20nm QW InGaAs: 5.5nm QW InGaAs: 5.5nm QW InGaAs: 5.5nm QW InGaAs: 5.5nm InGaAsP Q1.28: 12nm InGaAsP Q1.28: 12nm InGaAsP Q1.28: 12nm InGaAsP Q1.28: 12nm InGaAsP Q1.18: 50nm InGaAsP Q1.18: 50nm InGaAsP Q1.18: 50nm InGaAsP Q1.18: 50nm Ion Implantation RTA Wet etch
Heterostructure characteristics following low energy QWI process Intermixed samples implanted with 1 10 14 phosphorus ions/cm 2 at 200 C and annealed at 650 C for 120 s
Basic Raman spectroscopy analysis Raman spectra obtained from samples with sacrificial layer Raman spectra obtained from samples after sacrificial layer wet etch Reference 36000 Implanted Implanted + Annealed 34000 60000 Raman intensity arb. units 32000 30000 28000 26000 Raman intensity arb. units 55000 50000 45000 Reference sample Implanted + annealed sample 24000 22000 200 225 250 275 300 325 350 375 400 Wavenumber cm -1 Phonon type Phonon wavenumber cm -1 GaAs LO 285 GaAs TO 267.3 InP LO 344.5 InP TO 303.5 InGaAs TO 226 InGaAs LO 270.5 40000 200 225 250 275 300 325 350 375 400 Wavenumber cm -1