DE2714945A1 - Optoelektronisches halbleiter- bauelement - Google Patents

Optoelektronisches halbleiter- bauelement

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Description

Böblingen, den 31. März 1977 bu-rs/bb 2 7 U 9 4 5
Anmelderin:
International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen:
Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: YO 976 008
Vertreter:
Patentanwalt Dipl.-Ing. Robert Busch Böblingen
Bezeichnung:
Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.
Im 19. Jahrhundert zeigte bereits J. Willard Gibbs, daß es nicht möglich ist» ein erneutes Kristallwachsturn auf einer vollkommen glatten Oberfläche eines Festkörpers durch einfaches Hinzufügen von Atomen aus der Schmelze anzuregen, wenn nicht sehr starke Unterkühlung oder ein übersättigungszustand herbeigeführt wird. In späteren Untersuchungen wurde dann seitens anderer der Schluß gezogen, daß ein vollkommener Kristall bei niedriger Obersättigungsbedingung auf einer einzelnen Oberfläche, wie z. B. die <1OO>-Oberflache eines Gallium-Aluminiuro-Arsenid-Systems nicht wachsen kann. Jedoch ist es bekannt, daß Kristalle von hoher makroskopisch kristallographiseher Vollkommenheit tatsächlich auch bei geringer Übersättigung an der <1OO>-Oberfläche (ebensogut wie an anderen einzelnen Oberflächen) des Gallium-Aluminium-Arsenid-Multikomponentensystems | aufwachsen können. So wird dann auch beim üblichen Verfahren zum Wachsenlassen eines GaAs-GaAlAs-Doppel-Heteroübergangshalbleiterlasers Gebrauch von einer <100>-orientierten Sub- ; stratoberfläche für die Bereitstellung der Wachsturnsachse für Flüssigphasenepitaxie gemacht.
Der GaAs-GaAlAs-Doppel-Heteroübergangs-Halbleiterlaser, dessen Kristall aufgrund dieser üblichen Methode gewachsen ist, enthält eine gewisse Konzentration von nichtstrahlenden Rekombinationszentren, welche beträchtlich über die thermodynamische Gleichgewichtakonzentration unter Wachstumsbedingungen hinausgeht. Hiermit verbundene Fehlstellen beeinträchtigen im Laufe der Zeit mehr und mehr die Wirksamkeit solcher Laser, was dann schließlich zu Betriebsausfällen führt oder beim optischen Pumpen stört. Die in bekannter Weise aufgewachsenen Halbleiterlaserkristalle führen offensichtlich aber zu Ausfällen aufgrund Mitwachsens von Dunkelstreifenfehlordnungen
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im Falle eines Versetzungsnetzwerks oder aufgrund Mitwachsens j von Dunkelfleckfehlordnungen im Falle von Kristalleinschlüssen von Aluminiumoxyd, Graphit oder anderer Fremdsubstanzen. Tritt keiner der oben aufgeführten Grobdefekte auf, dann las-I sen übliche Halbleiterlaser mit der Zeit nach, indem sie mehr oder weniger gleichmäßig dunkler werden.
Eine Analyse beider vorzeitiger Ausfallarten zeigt, daß eine Konzentration nichtstrahlender RekombinationsZentren von etwa
19 3 10 /cm in der aktiven Zone und/oder in der P-leitenden Zone des betreffenden Halbleiterkristalls vorhanden sein muß. Eine Analyse der thermodynamischen Eigenschaften dieser Substanzen unter Wachstumsbedingungen zeigt, daß diese nichtstrahlenden RekombinationsZentren jeweils aus einem Komplex zweier Arsen-Gitterlücken und einer Aluminium-Substitutions-Störstelle bestehen und daß die tatsächliche Konzentration etwa dem lOOfachen der Gleichgewichtskonzentration unter Wachstumsbedingungen entspricht. Daraus ergibt sich, daß, obgleich die betrachteten kristallinen Schichten makroskopisch vollkommen sind, d. h. bei Beobachtung unter dem Mikroskop glatt und frei von Fehlstellen, sie doch jedoch eine hohe Fehlstellendichte im atomaren Maßstab besitzen.
Es wurde bereits erwähnt, daß die Konzentration der speziellen nichtstrahlenden RekombinationsZentren v^sA1ÄsVas in einem Betrag auftritt, der mehr als dem lOOfachen der Anzahl entspricht als die, die aus Gleichgewichtsbetrachtungen heraus zu erwarten wäre. In oben stehender Formel bedeuteten die Angaben V^: Arsen-Gitterlücke und Al^: Aluminium-Substitutions stör stelle. Substitutionsstörstellen treten in einem Verbindungskristall auf, wo ein Atom eines ersten Elementes einen Anion-Gitterplatz eines zweiten Elementes oder ein Atom eines zweiten Elementes den Kathion-Gitterplatz des ersten Elementes einnimmt. Siehe hierzu J. Electrochem. Soc, 122, Seiten 423 ff, März 1975 Artikel von J. A. Van Vechten. Die
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Bildung von Dunkelstrelfen- und Dunkelfleckenfehlordnungen stellen bedeutsame Ursachen für vorzeitige Verschlechterungen von GaAlAs-Doppel-Heteroübergangs-Halbleiterlasern dar, wie es auch aus nachfolgend genannten LiteratursteIlen hervorgeht:
a) P. Petroff and R. L. Hartman, Appl. Phys. Lett. 23, 469 (1973)
b) R. Ito, H. Nakashima, S. Kishono and
O. Nakada, IEEE J. Quant. Elect. QE-I1, 551 (1975)
c) P. W. Hutchinson, P. S. Dobson, S. O'Hara and D, H. Newman, Appl. Phys. Lett. 2£, 250 (1975)
d) J. A. Van Vechten, J. Electrochem, Soc. 122, 1556 (1975)
In der USA-Patentschrift 3 556 875 wird epitaxiales Aufwachsen von Galliumarsenid aus der Dampfphase auf monokristallines Germanium beschrieben, dessen exponierte Oberfläche zwischen den Kristallebenen (100) und (111), vorzugsweise jedoch bei oder zwischen den Ebenen (311) und (511) orientiert ist. Hiernach ist bereits versucht worden, Galliumarsenid auf die (100), (111) und (110)-Kristallebenen eines Germaniumsubstrats aufwachsen zu lassen; jedoch hat sich gezeigt, daß die auf diese Ebenen aufgewachsenen Kristalle keine sonderliche Qualität zeigen, d. h. makroskopisch gesehen, unvollkommen sind.
Die USA-Patentschrift 3 636 421 zeigt als Halbleiterbauelement z. B. eine Planar-Transistor-MOS-Diode bzw. einen MOS-FeIdeffekttransistor, dessen Halbleitersubstrat aus einem Einkristall gebildet ist, bei dem der Oberflächennahbereich aus einer [311]-Kristallebene bzw. einer um hierzu ±5° geneigten Kristallebene besteht. Hierbei ist die Orientierung derart
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gewählt, daß Wachstums- und/oder Ätzgeschwindigkeit maximiert werden.
Das Halbleitersubstrat kann aus einem Halbleitereinkristall bestehen, der aus einem einzigen Element, wie z. B. Silicium oder Germanium, gebildet ist oder auch als Verbindungshalbleiter aus den Gruppen III und V aufgebaut sein. Dieses Halbleiterbauelement wird erstellt, indem Schichten auf die Gitterebene aus der Dampfphase oder in epitaxialem Wachstum, mit Hilfe eines Diffusions- oder Legierungsverfahrens abgelagert werden, wobei das Substrat außerdem noch den verschiedensten Arten der Behandlung, wie z. B. photolithographisches Ätzen oder chemisches Ätzen, ausgesetzt werden kann.
Die USA-Patentschrift 3 721 583 zeigt einen Dampfphasen-Epitaxieprozeß zur Bildung eines überstruktur-Halbleiters, der abwechselnd Schichten unterschiedlichen Halbleitermaterials auf einem Substrat enthält, womit sich erhöhte makroskopische Kristallvollkommenheit auf einem (311)-Substrat erzielen läßt. Außerdem ist festgestellt, daß Ga Al- As einer der Verbindungshalbleiter ist, der sich als Epitaxialfilm aufwachsen läßt und zur Bildung einer Überstruktür geeignet ist.
Bei Elektronenmikroskopuntersuchung eines gemäß des Beispiels gebildeten Halbleiterwafer mit (100)-Orientierung und abgebogener Kante, zeigt sich, daß einige Abweichungen von einer j vollständig ebenen Oberfläche auftreten können. Bei näherer !Untersuchung stellt sich nämlich heraus, daß die rund um die : abgebogene Kante abgelagerten Epitaxieschichten einen Abschnitt aufweisen, der eine viel flachere Überstruktur aufweist, als j es sonst in diesem Halbleiter der Fall ist. Die Orientierung ' dieses abgebogenen Abschnitts kommt dabei der (311)-Ebene sehr nahe.
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Des weiteren wird ein Halbleiter gemäß obigem Beispiel mit Ausnahme der (311)-Orientierung als Ersatz für den sich ohne ! weiteres ergebenden Halbleiter benutzt und der HerstellungsprozeB wiederholt. Die sich dabei ergebende Überstruktur sowie die hieraus resultierenden Schichten sollen hiermit viel flaeher ausgebildet sein, als es bei Verwendung eines (100)-Sub- j strata der Fall ist, so daß es möglich ist, Schichten über- | einander mit extremer Ebenheit abzulagern.
Gemäß bekannter Verfahren wird Epitaxiekristallwachstum aus der Dampfphase vorgenommen. Epitaxiewachstum aus der ' Dampfphase bringt jedoch keinen Halbleiter ausreichender Qualität hervor, insbesondere solche mit ausreichend geringer Konzentration nichtstrahlender RekombinationsZentren (NRC) und infolgedessen ausreichend langer Lebensdauer, um Doppeloder Einfach-Heteroübergangs-Halbleiterlaser oder —solarzellen annehmbarer Qualität bereitzustellen. Darüber hinaus soll jedoch mit oben aufgeführten US-Patenten gezeigt werden, in welcher Weise Festkörper mit makroskopisch ebenen Oberflächen und !Grenzflächen zwischen Epitaxieschichten unterschiedlichen Materials bereitgestellt werden können, wobei eine möglichst iniedrige Versetzungekonzentration angestrebt ist. Diese Patent« zeigen jedoch nicht oder lassen auch nur erkennen, wie eich die NRC-Konzentration im, wie oben angegeben, aufgewachsenen Material zur NRC-Konzentration von auf Oberflächen unterschiedlicher kristallographischer Orientierung aufgewachsenem Material verhält. Fernerhin läßt sich diesen Patenten nur entnehmen, daß zur Überwindung von Schwierigkeiten beim Erzielen flacher ebener Oberflächen und Grenzflächen mit jeweils relativ versetzungefreiem Material ein Aufwachsen mit Hilfe der Flüssigphasenepitaxie auf eine (100)-orientierte Oberfläche eine geeignete Lösung darstellen kann, um die NRC-Konzentration zu unterdrücken und die Lebensdauer der Ladungsträger anzuheben.
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Jedoch haben sich bei Fachleuten Bedenken gezeigt, Flüssigphasenepitaxie zum Aufwachsen auf anderen Oberflächen als den (100)-orientierten Oberflächen zur Bereitstellung von Heteroübergangs-Halbleiterlasern anzuwenden, und zwar aus folgenden Gründen:
1. Eine weitere Verbesserung in der Grenzflächenebenheit oder Versetzungsstellendichte, wie bisher erzielt, war weder gefordert noch erwartet.
2. Größere Schwierigkeiten bei Bildung von Spiegeloberflächen an den Enden des Halbleiterlasers zur Bereitstellung des optischen Resonators einerseits und beim Heraustrennen von einzelnen Halbleiterlasern aus einer größeren Halbleiterscheibe ergeben sich daraus, daß GaAlAs nur längs (110)- Flachen zu spalten ist, wobei zu bedenken ist, daß vier Orientierungen senkrecht zu einer (100)-Oberfläche stehen, jedoch nur zwei Orientierungen senkrecht zu einer (N11)-Oberfläche mit N>2.
3. Es ist viel schwerer, die Facettenbildung anderer kristallographischer Orientierungen unter katastrophenähnlichen Begleiterscheinungen zu verhindern, und zwar speziell bei (111)-, (110)- und (100)-Flächen, auf einer (N11)-Oberfläche mit N>2 als auf einer (100)-Oberfläche, weil letztere singular ist, wohingegen die vorherige es nicht ist.
4. Die Verminderung der NRC-Konzentration, wie sie sich ergibt, wenn der WachsturnsVorgang nur auf eine nicht neugebildete Oberfläche beschränkt wird, ist bisher nicht Gegenstand irgendwelcher Untersuchungen oder Erwartungen gewesen.
Die übliche Methode des Aufwachsens eines GaAs-GaAlAs-Doppel-Heteroübergangs-Halbleiterlaeers mit Hilfe der Flüssigphasenepitaxie bedient sich im allgemeinen eines <iOO>-orientierten Substrats, um die Wachsturnsachse festzulegen. Auf diese Weise
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gebildete Halbleiterbauelemente zeigen jedoch, daß sie aufgrund des Mitwachsens von Versetzungsnetzwerken, wenn der Kristall Dunkelstreifenfehlordnung enthält, aufgrund von Dunkelfleckfehlordnungen, wenn Fremdeinschlüsse vorliegen oder bei gleichförmigem Eintrüben nach längerer Betriebsdauer zu Ausfällen führen können. Auf Orientierungsklassen wie (310) aufgewachsenes Material verdrängt während des Kristallwachstums unter Anwendung des in USA-Patentschrift Nr. 3 788 890 beschriebenen Verfahrens Versetzungen von der sich vergrößernden Kristalloberfläche. Hierin wird weiterhin gezeigt, daß GaAs-Halbleiterlaser bei höheren Ausgangsleistungen sehr viel wirkungsvoller arbeiten, wenn Einkristalle aus GaAs mit einem hohen Grad an Kristallvollkommenheit Verwendung finden, also solche, die frei von Versetzungen und Fehlordnungen, bedingt durch chemische Unhomogenitäten, sind. Es hat sich herausgestellt, daß Kristalle höchster Qualität zu erzielen sind, wenn die GaAs-Kristalle mit Zinn dotiert sind und von einem GaAs-Kristallkeim aus aufwachsen, der längs der <031>-
Richtung orientiert ist. :
Die thermochemischen Eigenschaften von Fehlordnungen in Halb- \ leitermaterialien sind einer theoretischen Behandlung hin- |
ι sichtlich der Identifizierung und des Verständnisses der i NRC behandelt worden, die einer rekombinationsbegünstigten j Diffusion fähig sind. Wie es z. B. aus dem Artikel in Journal of Electrochemical Society, Band 122, 1975, Seiten 1556 ff hervorgeht ist der Schluß gezogen worden, daß die bedeutsamster NRC, die für die rekombinationsbegünstigte Diffusion geeignet sind, in GaAlAs-Material einen Komplex von zwei As-Gitterlük-
ken V1 und eine Al-Substitutionsstör stelle Al2. darstel-As AS
len, d. h. wie bereits erwähnt, der Komplex V^Al^V^, der gewissermaßen den neutralen Zustand dieser Fehlordnung bildet, welcher außerdem in verschiedenen Ladungszuständen existieren kann. An anderer Stelle ist festgestellt, daß die bedeutsamste!
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NRC, die der rekomblnatlonsbegünstlgten Diffusion fähig sind, in Cu,S jeweils einen Komplex von zwei Cu-Gltterlücken und eine S-Substitutionsstörstelle bilden. Desgleichen hat sich gezeigt, daß die bedeutsamste NRC in GaP einen Komplex von zwei Ga-Gitterlücken und eine P-Substitutionsstörstelle bildet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht bei dieser Sachlage darin, ein Halbleiterbauelement zur Lichtemlssion, zur Umsetzung von Lichtenergie in elektrische Energie oder zur Modulation mit mehr als zwei Halbleiterzonen, also ein opto-elektronisches Halbleiterbauelement, bereitzustellen, indem Epitaxiewachstum auf einer nicht neugebildeten Oberfläche veranlaßt wird, um Ladungsträgerlebensdauern zu maxlmieren und Konzentrationen innewohnender,nichtstrahlender RekombinationsZentren weitgehend zu unterdrücken, und zwar unter Anwenden eines Verbindungshalbleiters bestehend aus mehreren Komponenten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist. Die Anwendung des (310)-orientierten Wachstums zur Herstellung einer Heteroübergangsstruktur ist ein wesentliches Merkmal vorliegender Erifindung, da die (310)-Orientierung die Oberfläche nicht neubildet und dadurch die Fehlstellenkonzentration niedrig gehal-I ten wird. Bei der Herstellung von Halbleiterlasern ist es wichtig, daß zur Resonatorbildung zwei parallele, ebene Spiegelflächen zu beiden Seiten des Halbleiterbauelements und senkrecht zur Übergangsebene vorgesehen werden. Dies geschieht in üblicher Weise durch Abspalten; in einer Zinkblendenstruktur, läßt sich dieses Abspalten längs der <11O>Oberflächen durchführen. Da nun aber die <31O>-Oberflächen nicht senkrecht zu irgendeiner der <11O>-Richtungen stehen, lassen sich die <310>-0berflachen nicht zum Zwecke dieser Spiegelbildung heranziehen, wenn übliche Abspaltungsverfahren Anwendung finden. Jedoch lassen sich in gewisser Weise zu-
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friedenstellende Spiegelebenen dadurch herbeiführen, daß Polier- oder ähnliche Verfahren bei Halbleiterlasern angewendet werden, die in irgendeiner Orientierungsrichtung einschließlich der Klasse der <3Io>-Oberflächen, aufgewachsen sind. ;
Die Erfindung geht von der Voraussetzung aus, daß die Quelle nichtstrahlender RekombinationsZentren (NRC) die jeweilige Neubildung der (100)-Oberfläche der GaAlAs-Struktur während des Festkörperwachstums zwischen Flüssig- und Festphasengrenzfläche ist, um bei nachfolgendem Wachsen des Festkörpersystems darin eingebaut zu werden. Für die Praxis der Erfindung ist zugrunde gelegt, daß die Uberschußkonzentration der Kristall- ' fehlordnung oberhalb der Gleichgewichtskonzentration einschließ lieh der NBC ein Ergebnis des Wachstums der neugebildeten Oberfläche darstellt. Als Resultat der Erfindung hat sich gezeigt, daß die Konzentration von Kristallfehlstellen oberhalb j
i I
!des thermodynamischen Gleichgewichtwertes durch Erzwingen !eines Kristallwachsturns auf nicht neugebildeter Oberfläche in !vorteilhafter Weise um mehrere Größenordnungen reduziert wird. IZur Erhellung dieser Tatsache sei angeführt, daß die (31 "ΠΙ Ober fläche der GaAlAs-Struktür während des Wachstums der Festphase sich an der Flüssig-Festphasengrenzflache nicht neubildet. Da diese aus Dunkelstreifen- und Dunkelfleckfehlordnungen bestehenden Versetzungsnetzwerke mit entsprechend hoher Versetzungsstreifenenergie einhergehen, läßt sich für die Zwecke der Erfindung annehmen, daß sie von einer Aussonderung mehr elementarer Fehlordnungen im Halbleiter herrühren. Da sie sich nur unter Betriebsbedingungen bzw. genauer gesagt, während des optischen Pumpens ausbreiten, läßt sich daraus schließen, daß diese mehr elementaren Fehlordnungen die nichtstrahlenden Rekombinationszentren (NRC) selbst sind, die von sich aus einer rekombinationsbegünstigten Diffusion fähig sind. Da sich Ver-Setzungsnetzwerke jeweils über angenähert 5 χ 10 Gitter-
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platze erstrecken, läßt sich weiterhin darauf schließen, daß die NRC-Konzentration im Ausgangsinaterial in der Größenordnung
18 19 3 zwischen 10 bis 10 /cm vorliegt. Eine derartige NRC-Kon zentration ist zumindest um zwei Größenordnungen höher als jeder brauchbare Schätzwert für die thermodynaraische Gleichgewichtskonzentration eines verwendeten Flüssigphasenepitaxie-Aufwachsprozesses.
Es hat sich wie gesagt, gezeigt, daß eine jeweilige Oberflächenneubildung zu einer anwachsenden Fehlstellenkonzentration in Halbleitern führt, so daß die Gleichgewichtskonzentration jeweils um mehrere Größenordnungen überwogen wird, wie es sich aus dem Artikel in "Journal of Applied Physics", Band 26, 1975, Seiten 593 ff, ergibt. Dieser Effekt beruht darauf, daß die jeweils neugebildete Schichtoberfläche, die mit dem Halbleiterkörper nicht zusammenpaßt, bei den Verfahrensschritten !während des Aufwachsprozesses immer wieder abgedeckt wird.
s zeigt sich eindeutig, daß eine schädliche Fehlstellenüberschußkonzentration bei den meisten bekannten, auf einer einzigen Oberfläche mit Obersättigung aufgewachsenen Halbleitern auftritt. Diese Oberfläche bildet sich gewissermaßen immer wieder neu, so daß jeweils eine Oberflächenschicht entsteht, die allgemein mit der Festkörperphase nicht zusammenpaßt. Sowie das Epitaxiewachstum fortschreitet, werden also derartige Oberflächenschichten beim Durchlaufen der einzelnen Wachstumsverfahrensschritte immer wieder abgedeckt. Die daraus resultierende jeweilige Einverleibung derartiger Oberflächenschichten im Festkörper führt dann zwangsläufig zu einer Fehlstellenkonzentration im Festkörper, die erheblich den Gleichgewichtewert für das Fest-Flüssig-Phasensystem übersteigt.
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Im Falle vieler Ill-V-Verbindungen, wie GaAs, AlAs und GaP, besitzt die Oberflächenschicht weniger Atome als eine entsprechende Ebene in der Fest-Phase. Somit stellen unter normalen Bedingungen für das Flüssigphasenepitaxiewachstum bei metallreicher Schmelze die in der Festkörperphase eingefangenen Überschußfehlstellen nichtmetallische Gitterlücken sowie metallische Substitutionsstörstellen dar. Anschließende Ausbreitung dieser Fehlstellen reicht dann im allgemeinen nicht aus, um das Gleichgewicht zwischen Festkörper und Schmelze wieder rückgewinnen zu können.
Werden GaAlAs-Doppel-Heteroübergangslaser mittels üblicher Verfahren aufwachsen gelassen, dann ist die tatsächliche Konzentration der As-Gitterlücken-Al-Substitutionsstörstellenfehlordnungskomplexe sehr viel größer als die Gleichgewichtskonzentration, da eine gemäß bekannten Verfahren neugebildete Einzeloberfläche die Wachstumsachse definiert und eine Unterkühlung von angenähert einem Kelvin Anwendung findet. Der Effekt des letzteren Wachstumsparameters wird üblicherweise ausgenutzt, um das Wachstum ausreichend langsam vorangehen zu lassen, so daß jede im Fortschreiten der Wachstumsschritte neu entstehende Oberfläche ausreichend Zeit findet, um einer Neubildung zur unangepaßten wiederhergestellten Phase unterworfen sein zu können.
Die <100>-0berfläche von GaAs ist bekanntlich hinsichtlich der Halbleiterkristallstruktur stark singular; und zwar ergibt :sich das aus der Beobachtung, daß sich diese Oberfläche neui bildet, aus den Messungen von Niederschlagsaufwachsraten aus !der Dampfphase und aus Beobachtungen der Morphologie der <1ΟΟ>γ
;Nachbaroberflächen, d. h. solcher Kristalloberflächen, die ι
manchmal nach Flüssigphasen- oder Dampfphasenepitaxiewachstum
den Platz wahrer <1OO>-Oberflächen einnehmen.
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Unter Anwenden der Keimbildungstheorie ist für die Erfindung vorausgesetzt, daß eine perfekte singuläre Oberfläche überhaupt nicht aufwachsen kann, wenn die Temperatur zur Übersättigung geringer als der Betrag ist, der zumindest 20 Kelvin für die GaAlAs-Legierung beträgt, da dann keine neuen Wachstumsschritte durch Keimbildung eingeleitet werden können. Deshalb beruht die einzige WachsturnsUrsache, die noch vorliegen kann, auf labilen Vorgängen, die jedenfalls ausreichend sind, um einen Wachstumsschritt auslösen zu können. Die somit vorliegenden Zufallsbedingungen können von Fluktuationen in Zusammensetzung oder Temperatur des in Kontakt mit der jeweiligen Kristalloberfläche stehenden Schmelzenanteils, von der ungleichmäßigen Bewegung der Schmelzenaufwölbung an der Kristalloberfläche, von örtlicher Abkühlung an den Stellen, wo der Kristall die Tiegelwandungen berührt, und vom Effekt der Oberflächenneubildung selbst abhängen.
Die Oberflächenneubildung führt nämlich zu Wachsturnssehritten, wenn die neugebildete Phase unterschiedliche atomare Dichte !gegenüber entsprechenden Schichten der Festphase besitzt und jals Auswirkung Ausbreitung von Atomanhäufungen über Kristalloberflächen zur Folge hat. Wo diese Atomhäufungen, die an verschiedenen Plätzen auf der Kristalloberfläche entstehen, 'zu Zusammenstößen führen, wird jeweils ein neuer Wachstumsschritt eingeleitet. Was immer auch die Quelle dieser Wachstumsschritte ist, die Konzentration der in der Festphase eingebauten Überschußfehlstellen ist jedenfalls proportional j der Fläche der neugebildeten, nicht angepaßten Oberflächen- ; schicht, die dann bei nachfolgender, rascher seitlicher Ausbreitung des WachsturnsVorgangs überdeckt wird.
Vorliegender Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, daß Quel(-Ie der Wachstumsschritte, die zum Wachstum bei geringer Übersättigung an versetzungsfreien, singulären Halbleiteroberflächen, d. h. solchen mit geringem Index, führt, eben diese Ober-
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flächenneublldungsvorgänge sein müssen, die sich bei den einzelnen Stufen dieser Wachstumsschritte abspielen, d. h. jeweils auf der Nominal-Oberfläche selbst. Tritt ein Oberflächen-Neubildungsvorgang erster Ordnung ein, dann 1st Im allgemeinen die Atomkonzentration In der neugebildeten Oberflächenschicht unterschiedlich von einer nicht neugebildeten Atomlagenschicht, die auf einer durch einfache Abflachung der perfekten Festkörperkristallstruktur gebildeten Oberfläche vorliegt; im allgemeinen ist die Atomkonzentration in der neugebildeten Schicht geringer. Um diesen widrigen Umständen zu begegnen, wird gemäß der Erfindung auf eine nicht singuläre und deshalb auf die Orientierung einer nicht neugebildeten Oberfläche zurückgegriffen, um auf der dementsprechenden Oberfläche das epitaxiale Wachstum vorzunehmen. Um zur Bildung des Heteroüberganglasers eine möglichst flache Aufwachsoberfläche zu erzielen und damit auch flache Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Halbleiterschichten, ist es erforderlich, eine Orientierung zu wählen, die ein örtliches Minimum (aber nicht singular) der Oberflächenenergie gegenüber der Oberflächenorientierung besitzt. Für GaAs, AlAs, GaAlAs-Verbindungen und viele andere Halbleiterverbindungen mit Zinkblendekristallstruktur ebensogut wie für Materialien, die Diamant- oder Chalkopyritkristallstrukturen besitzen, gibt es zahlreiche Orientierungen, die dieser Bedingung genügen, einschließlich der Orientierungsklassen (311), (211), (511) und (310).
Unter den Oberflächenorientierungen, die ein örtliches Minimum der Oberflächenenergie gegenüber der Oberflächenorientierung besitzen, sind singuläre Orientierungen, d. h. diejenigen, für die die Oberflächenenergie als Funktion der Orientierung eine diskontinuierliche Ableitung bezüglich der Orientierung besitzt, von größter Stabilität; d. h. während des Kristallwachstums oder Wiederaufschmelzen am wenigsten anfällig dafür, in Facetten anderer, nichtbenachbarter Oberflächen
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aufzubrechen, wie es aus der Veröffentlichung von C. Herring, "Structure and Properties of Solid Surfaces, herausgegeben von G. Gomer und C. S. Smith (University of Chicago Press, Chicago, 1953), Seite 5, hervorgeht. In allen kubischen Kristallstrukturen einschließlich der Diamant-, Zinkblende- und Chalkopyritstruktur gelten alle (111)-, (110)- und (100)-Oberflächen als singular, wohingegen (211)-, (311)- und (511)-Oberflächen dies nicht sind.
Es läßt sich darauf schließen, daß durch Beschränken des Flüssigphasenepitaxiewachsturas gemäß der Erfindung auf eine Oberfläche der allgemeinen Klasse (N11) bei N>2 und speziell auf die Klassen (211), (311) oder (511) die Grenzfläche zwischen Fest- und Flüssigphase von einer Oberflächen-Neubildung ausgeschlossen werden kann, so daß das überdecken neugebildeter Oberflächenschichten beim Fortgang der Wachstumsschritte während des Wachstumprozesses verhindert werden kann, und so eine {Konzentration inhärenter Fehlstellen, insbesondere NRC, zumindest nahe beim thermodynamischen Gleichgewichtswert, im derart hergestellten Halbleiter bereitgestellt wird. Diese Konzentration ist geringer als die, wie sie bisher erreicht wurde, wo gegenüber der Erfindung mehr als um einen Faktor 100 oder mehr neugebildete Oberflächen, wie z. B. (100), in Kauf genommen werden mußten.
In der Veröffentlichung von J. A. Van Vechten in "J. Electroehem. Soc", Band 122, Seiten 423 ff, (1975) ist zu sehen, daß die bedeutsamsten NRC-Typen in GaAs sich wie folgt identifizieren lassem Ein erster Typ besteht aus einem Komplex von zwei Ga-Gitterlücken und einer As-Substitutionsstörstelle und der zweite Typ besteht aus zwei As-Gitterlücken und einer Ga-Substitutionsstörsteile. Bei keinem von beiden jedoch ist eine strahlungsbegünstigte Diffusion zu verzeichnen, da sie ja hierzu nicht in Lage sind. Es gibt darüber hinaus bekanntlich auch keinerlei Hinweis für strahlungsbegünstigte Diffu-
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sion von NRC in strahlungsemittierenden oder -absorbierenden GaAs-Bauelementen. Untersuchungen an GaAs mittels elektronenmikroskopischer Kristallgitter-Direktabbildungsverfahren sind der Literaturstelle: J. B. van der Sande und E. T. Perters in "J. Appl. Phys.", Band 24, Seite 1298 ff, (1974) zu entnehmen. Die bei dieser Untersuchung entdeckten NRC-Fehlstellen besitzen gleiche Form, Abmessungen, Orientierung und Konzentration wie diejenigen, die ersterem Artikel zu entnehmen sind.
Bisher haben Fachleute aufgrund ihrer Untersuchungen geschlossen, daß in Halbleitern mit Diamant- oder Zinkblendetyp Kristallstrukturoberflächen der generellen Klasse (N11) mit N<2 nebst allen äquivalenten Permutationen, speziell die Gruppe von Oberflächen (211), (311) und (511), vorliegen, die sich aus (111)- und (100)-Schritten bei jedem Schritt um nur wenige Atomlagen, nämlich 5, zu einer mehr oder weniger regelmäßigen Anordnung zusammensetzen. Ein eingehendes Studium der Literatur jedoch, ließ an keiner Stelle einen Hinweis darauf erkennen, daß eine Oberflächenneubildung auf irgendeiner Oberfläche der generellen Klasse (N11) mit N>2 für irgendeinen Halbleiter der Kristallstruktur vom Diamanttyp, vom Zinkblendetyp oder Chalkon pyrittyp beobachtet und/oder angewendet worden ist. Allerdings war es bereits vor der Erfindung bekannt, daß die Klasse der (100)-Oberflächen von GaAs und anderen Halbleitermaterialien mit Zinkblendekristallstruktur zur Neubildung neigen, wie es ' im Artikel von F. Jona, "IBM J. Res. Develop.", Band 9, ; Seiten 375 ff, (1965) beschrieben ist. j
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird als opto-elektronisches Halbleiterbauelement eine kubische Kristallstruktur verwendet, die auf einer (311)-Oberfläche aufgewachsen ist. Die hierbei zwischen den einzelnen Halbleiterschichten auftretenden Grenzflächen besitzen also epi-
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taxiale Beziehung zu (311)-Oberflächen. Bei Herstellung mittels Flüssigphasenepitaxie wird das Wachstum durch geeignete Substratorientierung und Schmelzentemperatur so gesteuert, daß das Wachstum nur auf aufeinanderfolgende, jeweils nicht neugebildete Oberflächenschichten erfolgt.
Die gemäß der Erfindung verbesserte Heteroübergangsstruktur eines opto-elektronischen Halbleiterbauelements besteht aus einer Vielzahl von Schichten, wobei eine aktive Schicht jeweils durch zusätzliche Schichten mit größeren Bandabständen als bei dieser, begrenzt ist und wo die Grenzflächen längs einer der <311>-Oberflachen des kubischen Kristallgitters verlaufen. Es ergibt sich, daß in vorteilhafter Weise die erfindungsgemäße Struktur eine minimale Konzentration nichtstrahlender RekombinationsZentren infolge geeigneter Wahl des Orientierungswachstums während der Flüssigphasenepitaxie des Vielschichthalbleiterbauelements aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Dank der Erfindung wird die dem Kristall inhärente Störstellenkonzentration, deren bisherige Höhe unvermeidlich ist, auf ein Minimum reduziert. Das hat zur Folge, daß die Betriebslebensdauer des erfindungsgemäßen opto-elektronischen Heteroübergangs-Halbleiterbauelements nicht unwesentlich erhöht wird4
Die Betriebslebensdauer des erfindungsgemäß hergestellten Bauelements wird allein schon deshalb erhöht, weil sich die sonst I auftretenden Versetzungsnetzwerke dank der Erfindung nicht ausbilden können, welche ja eine hauptsächliche Ursache für die Kurzzeitlebensdauer, z. B. 10 Minuten bis 200 Stunden, darstellen und dann zum Betriebsausfall derartiger Laser führen. Andererseits werden bei Halbleiterlasern ohne Versetzungsf
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netzwerke auch Langzeitschädigungseinflüsse, bedingt durch Verschiebung und Konzentration nichtstrahlender Rekomblnations-Zentren, was sich in gleichmäßiger Trübung auswirkt, ausgeschaltet bzw. erheblich verlangsamt.
Diese Verbesserung der Betriebslebensdauer eines erfindungsgemäßen opto-elektronischen Halbleiterbauelements wird erzielt, indem das kristalline Wachstum, z. B. mittels Flüssigphasenepitaxie der verschiedenen Halbleiterschichten zur Bildung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, lediglich auf solche Oberflächenbereiche beschränkt bleibt, die nicht in Neubildung entstanden sind. Eine solche nicht neugebildete Oberfläche kann irgendeine aus der Gruppe der (311)-Oberflächen eines kristallinen Halbleiters mit Diamant-, Zinkblende- oder ' Chalkopyritstruktur sein. Außerdem besitzen Wurtzit-Struktur- ' verbindungen, wie z. B. ZnO, CdS, BeO, ZnS und SiC, derartige nicht neugebildete Oberflächen.
ι Insbesondere wird die Betriebslebensdauer von GaAlAs-Doppel- ! HeteroÜbergangslasern ganz wesentlich erhöht, indem das j Kristallwachstum mittels Flüssigphasenepitaxie nur auf eine (311B)-Oberfläche, d. h. eine As-begrenzte (311)-Oberfläche beschränkt bleibt, so daß die jeweiligen Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten der sich ergebenden Halbleiterbauelemente alle (311)-Kristallflächen darstellen.
Ganz allgemein läfit sich also sagen, daß dank der Erfindung verbesserte opto-elektronische Halbleiterbauelemente bereitgestellt werden, bei denen die inhärente Störstellenkonzentration, insbesondere Gitterlücken-Substitutionsstöretellenfehlordnungskomplexe, um einen Faktor von mehr als 100 gegenüber bisher bekannten Anordnungen verringert sind. Diese tatsächlich zu beobachtenden Fehlordnungen streben während des Betriebs eines üblichen Halbleiterlasers danach, sich zu
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verklumpen, so daß Versetzungsnetzwerke hierin entstehen können, die zur Folge haben, daß der jeweilige Halbleiterlaser entweder ausfällt oder sich in seinen Betriebseigenschaften verschlechtert. Dank der starken Herabsetzung der Konzentration dieser Gitterlücken-Substitutionsstörstellenfehlordnungskomplexe gemäß der Erfindung wird die Ladungsträgerlebensdauer in auf einem Substrat aufgewachsenen Halbleiter nicht unwesentlich erhöht und außerdem bei Langzeitbetrieb die Rate der bisher zu beobachtenden gleichmäßigen Eintrübung ganz erheblich reduziert, da sich ja in den erfindungsgemäß hergestellten opto-elektronischen Halbleiterbauelementen keine Versetzungsnetzwerke mehr ausbilden können.
Die gemäß der Erfindung beim Kristallwachstum jeweils entstehenden Oberflächen besitzen örtlich ein nicht singuläres Minimum der Oberflächenenergie pro Flächeneinheit in Abhängigkeit von der Oberflächenorientierung. Die Herabsetzung von Störstellenkonzentration und die Verbesserung der Bauelement-
jlebensdauer, speziell bei Doppel-Heteroübergangslasern, wird ja gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß sich für kristallines Wachstum nur einer nicht singulären, d. h. einer nicht neugebildeten Oberfläche, bedient wird. Eine spezielle Wachstumsachse für das Flüssigphasenepitaxiewachstum von GaAlAs-Heteroübergangslasern wird gemäß der Erfindung zur Verbesserung der Kristallwachstumskinetik herangezogen und dient darüber hinaus zur Reduzierung der Konzentration von beim Wachstum somit auftretender Fehlordnung, so daß hierdurch die Laserlebensdauer gegenüber bisher ganz beträchtlich erhöht wird.
Im Fall von Halbleiterlasern ist es zweckmäßig, wenn die Wachstumsebene senkrecht zu einer (110)-Typrichtung liegt, so daß sich auf diese Weise spaltbare Facetten bilden lassen. Dies führt dann zu einer Einschränkung in der Verwendung nichtsingulärer Ebenen, da diese Ebenen dann die Form <N11> mit N ^ 2
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besitzen müssen. Unter dieser Art Oberflächen besitzen die <211>-, <311>- und <51 ^-Oberflächen ein örtliches Minimum der Oberflächenenergie und sind deshalb auch in ganz hervorragendem Maße für den erfindungsgemäßen Zweck geeignet.
Speziell ergibt sich bei der Wahl einer <31 ^-Orientierung für Flüssigphasenepitaxiewachstum von GaAs-GaAlAs-Doppel-Heteroübergangslasern gemäß der Erfindung nahezu ein Gleichgewichts-Wachstum des Halbleiters, so daß die Konzentration nichtstrahlender RekombinationsZentren der so hergestellten Halbleiterbauelemente gegenüber bisher ganz beträchtlich herabgesetzt ist.
Wenn in vorliegender Beschreibung auf eine spezielle Orientierung, wie z. B. (311) Bezug genommen wird, dann sollen vereinbarungsgemäß hiermit auch alle durch die Syrametriebedingungen des Kristalls automatisch mit betroffenen Orientierungen, wie z. B. (131) und (113), eingeschlossen bzw. ebenfalls gemeint sein. Sind Orientierungspaare erwähnt, dann lassen sich entsprechende Symmetriebetriebsweisen, die die diesbezüglichen Orientierungen unverändert lassen, ebenfalls anwenden .
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Erfindung eine Verbesserung im Prozeß des Flüssigphasenepitaxiewachstums des Halbleiters ergibt, was zu einer beträchtlichen Reduktion der Konzentration inhärenter, nichtstrahlender Rekombinationszentren des so aufgewachsenen Halbleiters führt. Infolgedessen ergibt sich eine erhebliche Steigerung der Ladungsträgerlebens+ dauer und auch der Betriebslebensdauer bei opto-elektronischen j Halbleiterbaulementen, die erfindungsgemäß aus dem verbesserte^ Halbleiter hergestellt sind. Diese Verbesserung ergibt sich j daraus, daß Vorsorge dafür getroffen wird, daß Kristallwachstun nur auf nicht neugebildeten Oberflächen zur Auswirkung kommen kann, was sich erfindungsgemäß durch entsprechende Beeinflussung der Substratoberflächenorientierung, der Wachstumstemperaf tur und der SchmelzenzusammensetzuncL herbeiführen läßt.
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Dank der Erfindung wird so eine Klasse verbesserter Halbleiter erhalten, die sich zur Herstellung von Einfach- und Doppel-Heteroübergangslasern, von Solarzellen, Photodetektoren, optischen Modulatoren usw. heranziehen lassen.
Gemäß der Erfindung lassen sich demnach bereitstellen:
eine Klasse von Halbleiterbauelementen, die einen oder mehrere Homo- oder HeteroÜbergänge enthalten, und zwar hervorgerufen durch entsprechend gesteuerte Flüssigphasenepitaxie auf einer solchen Oberfläche, die nicht einer Neubildung während des Wachstums aufeinanderfolgender Kristallebenen unterworfen
derartige Halbleiterbauelemente, bei denen durch Übergänge charakterisierte Grenzflächen in nichtsingulären Richtungen liegen;
solche Halbleiterbauelemente, in denen die Grenzflächen in Richtungen mit der Orientierung <N11> liegen, wobei N gleich oder ganzzahlig größer ist;
Halbleiterbauelemente, die im Ansprechen auf einen hierdurch fließenden elektrischen Strom zur Lichterzeugung angeregt werden können und
Halbleiterbauelemente, die im Ansprechen auf einfallendes Licht zur Stromabgabe bzw. Spannungsbereitstellung ausgebildet sind.
Die Erfindung wird anschließend anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung mit Hilfe der nachstehend aufgeführten !Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1A eine schematische, perspektivische Ansicht
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Doppel-Heteroübergangshalbleiterbauelements gemäß der Erfindung;
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Fig. 1B eine schematische Darstellung eines kubischen
Kristallgitters für ein GaAlAs-System zur Ver-· anschaulichung einer Substitutionsstörstellen-* fehlordnung, bestehend aus zwei Arsen-Gitterlücken zu beiden Seiten eines Al-Atoms in ; einem As-Gitterplatz, so daß dieser Komplex ein nichtstrahlendes RekombinationsZentrum in einem GaAlAs-Heteroübergangslaser bildet;
Fig. 1C eine idealisierte schematische Darstellung
linearer Atom-Konfigurationen auf der Wachstumsoberfläche eines Halbleiters bei verschiedenen Oberflächenorientierungen, wobei eich im einzelnen zeigt, daß die singulären Oberflächen, wie z. B. (100) und (111) glatt \ sind, wohingegen nichtsinguläre Oberfla- j chen, wie ζ. B. (211), (311) und (511), im atomaren Maßstab abgestuft sind;
Fig. 1D ein Schema einer nicht neugebildeten singulären Halbleiteroberfläche, wodurch die Schwierigkeit der Anlagerung eines zusätzlichen Atoms an eine vollständige Oberflächenschicht veranschaulicht wird;
Fig. 1E ein Schema einer partiell neugebildeten Halbleiteroberflächenschicht, wodurch veranschaulicht werden soll, daß die neugebildete Oberflächenschicht eine geringere atomare Dichte als eine entsprechende Schicht im Halbleiter aufweist und daß durch schnelle Lagenbildung während eines Wachstumsschrittes die in der neugebildeten Schicht enthaltenen Gitterlükken abgedeckt bzw. vergraben werden;
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Fig. 2 eine schematische Ansicht eines anderen Beispiels eines GaAlAs-HeteroÜbergangslasers zur Erläuterung der Erfindung;
Fign. 3A - 3C weitere schematische Ausführungsbeispiele für
HeteroÜbergangs- oder HomoÜbergangsstrukturen gemäß der Erfindung;
Fign. 3D - 3F schematische Darstellungen für abgewandelte
Ausführungsbeispiele von HeteroÜbergangslasern gemäß der Erfindung;
Fig. 4A Wellenraum-Banddiagramm für einen Halbleiter
mit direktem übergang;
Fig. 4B Wellenraum-Banddiagramm für einen Halbleiter
mit indirektem übergang;
Fig. 4C schematische graphische Darstellung direkter
und indirekter Bandabstände einer Ga1 Al As-Legierung als Funktion des Verbindungsparameters x, wobei der Schnittpunkt zwischen direktem und indirektem Bandabstand bei etwa χ - 0,5 liegt.
Anhand der Darstellungen in Fig. 1A bis 1C läßt sich das Grundprinzip der Erfindung in einfachster Weise erläutern, nämlich für einen HeteroÜbergangslaser mit einem Gitterlücken-Substitutionsstörstellenfehlordnungskomplex, der als nichtstrahlendes RekombinationsZentrum wirkt, und für Atomkonfigurationen einiger Kristalloberflächen eines Zinkblendekristallgitters.
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So besteht der Doppel-Heteroübergangslaser gemäß Ausführungsbeispiel 10 in Fig. 1A aus einer Vielzahl von Halbleiterschichten von denen die Halbleiterschicht 12 die aktive Laserzone darstellt, enthaltend einen P-leitenden Halbleiter Ga_ QCAl_ rtcAs und abgespaltene bzw. polierte Oberflächen 14 und 16 von denen aus die koherenten Lichtstrahlen 18 und 18* emittiert werden. Diese Oberflächen stellen (oTi)- und (01T)-Oberflachen dar. Die der aktiven Laserzone 12 unmittelbar benachbarten Zonen 2O und 22 bestehen aus N- und P-leitenden Halbleiterschichten der Zusammensetzung Gan cc-Al» ,,-As. Die Grenzflächen 24 und 26 zwischen den Schichten 20 und 12 und 22 und 12 stellen jeweils <311>-Ebenen im Unterschied zu entsprechenden Schichten bisher bekannter Halbleiterlaser dar, bei denen hier jeweils <1OO>-Ebenen vorliegen.
Für das in Fig. 1A gezeigte, bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Substrat bzw. die Kontaktierungsschicht 28 aus N -leitendem GaAs, deren Grenzfläche 30 mit der darauffolgenden Schicht 20 über eine kristalline <311>Ebene in Berührung steht. Eine Elektrode 32 ist an der GaAs-Schicht 28 angebracht. Die Gegenelektrode für das Halbleiterbauelement 10 besteht aus der elektrisch leitenden Schicht 34, die auf der Begrenzungsschicht 22 angebracht ist. Bei Betrieb wird ein Potential an die Zuführungsleitung 36 zur Elektrode 34 angelegt. Dabei fließen dann Elektronen von der metallischen Elektrode 32 zur metallischen Elektrode 34, so daß der Strom konventionell von Zuleitung 36 zur Zuleitung 38 fließt.
Im gemäß Fig. 1B angedeuteten oberflächenzentrierten kubischen Zinkblende-Kristallgitter der GaAlAs-Legierung ist der Gitteri + —ο +
lücken-Substitutionsstörstellenfehlordnungskomplex vas a-LäsVAs
angedeutet. Die Darstellung entspricht einer (001)-As-Unterstrukturebene des entsprechenden Kristallgitters, das nor-
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malerweise die As-Atome 50 enthält. Der Gitterlücken-Substitutionsstörstellenkomplex erstreckt sich, ausgehend von der As-Gitterlücke am Gitterplatz 44, in die (110)-Richtung bis zur As-Gitterlücke am Gitterplatz 48. In der Mitte dieses Fehlordnungskomplexes befindet sich eine Al-Substitutionsstörstelle, d. h. ein Al-Atom, das sich auf einem Gitterplatz der As-Unterstruktur, nämlich am Gitterplatz 46, befindet. Die betreffende Gitterkonstante ist mit 49 bezeichnet. Der Gitterlücken-Komplex besitzt zwölf potentielle Gitterorientierungen, d. h. den Satz äquivalenter <110>-Richtungen, und stellt ein nichtstrahlendes RekombinationsZentrum dar. Derartige Gitterlücken-Komplexe entstehen in in <1OO>-Orientierung gewachsenen HeteroÜbergangslasern, und zwar mit einer Anzahl, die den thermodynamisehen Gleichgewichtswert unter Wachsturnsbed!ngung übersteigt. Derartige nichtstrahlende RekombinationsZentren tragen in erheblicher Weise zur Lebensdauerabkürzung unter Betriebsbedingungen bei HeteroÜbergangslasern bekannter Bauart bei.
In der Abbildung nach Fig. 1C sind lineare sich auf unneugebildeten Oberflächen (111), (100), <511>, <311> und <211> eines Zinkblendekristallgitters eines GaAlAs-Legierungssystems ausbildende, idealisierte, lineare Atomkonfigurationen schematisch dargestellt. So wird als Beispiel die <100>-Oberfläche des Kristallgitters bei zur Verfügung stehender, ausreichender Zeitdauer während des Wachstums von GaAs- und GaAlAs-Legierungen und anderer gleichartiger Halbleitermaterialien aus der Flüssigphase neugebildet. Jedoch wird beispielsweise die <311>-0berflache dieses Kristallgitters für die oben genannten! Halbleitermaterialien, in Berührung mit den entsprechenden Flüssigphasen stehend, aus denen sie auswachsen, nicht neugebildet. Die <1OO>- und <11^-Oberflächen sind glatt, wohingegen die <211>-, <311>- und <51 ^-Oberflächen im atomaren Maßstab eine abgestufte Struktur wie angedeutet, besitzen.
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27U9A5 j -"34 !
!Diese Abstufungen bilden ideale Plätze für Atomanlagerung während des Kristallwachstums und verhindern so eine Oberflächenneubildung .
i !
Der Grund für die Überschußkonzentration des Gitterlücken-Sub-
stitutionsstörstellenfehlordnungskomplexes oberhalb des thermo-] dynamischen Gleichgewichtswerts für ein auf der <1OO>-Ober- | fläche aufwachsendes Kristallgitter ist im physikalischen Mechanismus zu suchen, mit dem das Kristallwachstum auf einer derartigen Oberfläche nach ihrer Neubildung fortschreitet. !Dieser Mechanismus schließt den Fortgang eines Wachstumsischrittes über der neugebildeten Oberfläche ein, wodurch eine !jeweils neugebildete Oberfläche unterhalb der Ablagerung während dieses Wachstumschrittes vergraben wird, so daß Störstellen in den Halbleiterfestkörper mit eingebaut werden. j
Die gemäß der Erfindung ausgenutzte <31 ^-Oberfläche des Aus-
führungsbeispiels gemäß Fig. 1A oder die Ausnutzung einer !anderen Oberfläche, die sich nicht neubildet oder weniger
rasch neubildet als die <1OO>-Oberfläche, führt dazu, daß eine hohe Dichte eingefangener Störstellen verhindert wird, so daß dann die betriebsmäßige Verschlechterung eines erfindungsgemäß gebildeten Halbleiterlasers beträchtlich herabgesetzt wird.
Die Fign. 1D und 1E dienen zur Veranschaulichung des der Neubildung und des Oberflächenschichtwachstums zugrundeliegenden physikalischen Mechanismus. Fig. 1D zeigt in zweidimensionaler Weise schematisch eine nicht neugebildete, singulare Oberfläche 72 eines Halbleiters. Die Atome 74 im Kristallgitter unter· halb der Oberfläche sind mittels der angedeuteten Bindungen 76 an ihre jeweiligen Nachbarn angelagert. Die in der letzten vollständig vorliegenden Atomlage 72 enthaltenen Atome 78 besitzen jeweils eine aufgebrochene Bindung 80, die in die Phase 82 reicht, von der der Kristall auswächst. Es ist sehr schwer, das Kristallwacheturn ausgehend von einer solchen vervoll-
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ständigten singulären Oberfläche aus weiter voranzutreiben. Strebt ein neues Atom 84 danach, sich an eine solche Oberfläche anzulagern, dann ergibt sich zunächst nur eine Bindungsbrücke, wobei die anderen Bindungsbrücken in die Phase 82 reichen müssen, von der der Kristall aus wächst. Dies stellt energe- i tisch eine ungünstige Konfiguration dar, wobei die Wahrscheinlichkeit aus der statistischen Thermodynamik gering ist, daß eine solche Situation eintreten kann. Unter diesen Umständen ; !ist die Wahrscheinlichkeit größer, daß das Atom 84 sich wieder j von der Oberfläche löst und in die Phase 82 zurückfällt. Dem- : gemäß kann also nicht ein Wachstum aufgrund eines solchen ;Keimbildungsmechanismus erwartet werden, bei dem geringe ;
!Untersättigung vorliegt, wie es sich aus der Thermodynamik j ergibt.
j Fig. 1E zeigt ein zweidimensionales Schema einer Halbleiteroberfläche nach Eintreten von Neubildung zusammen mit Ausbildung einer Wachstumsschrittablagerung 88. Die Atome 90 im neugebildeten Teil der Lage 92 haben an einem Vorgang teilgenommen, der sie in neuer Konfiguration beläßt, so daß alle ihre Bindungsbrücken 94 beibehalten bleiben. Der NeubildungsVorgang j reduziert die Oberflächenenergie und setzt dabei Wärme frei. Da die Konzentration der Oberflächenatome 90 in der neugebildeten Schicht 92 geringer ist als die in der nicht neugebildeten Oberflächenschicht 72 in Fig. 1D und der nicht neugebildeten Schicht 72-1 in Fig. 1E setzt der NeubildungsVorgang Atome von der Oberflächenschicht frei. Ein Bruchteil dieser freigesetzten Atome 96 kehrt in die Phase 82 zurück, von der aus der Kristall wächst. Aufgrund energetischer Betrachtungen ist jedoch dieser Anteil relativ klein. Die meisten der freigesetzten Atome wandern länge der Oberfläche, und zwar im Verband eines aufgrund des Neubildungsvorgänge ausgelösten
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Schwalls von Atomen. Wo Schwallfronten, beginnend an verschiedenen Punkten dieser nicht neugebildeten Oberfläche, vorangetrieben durch die Neubildungsvorgänge miteinander kollidieren, bilden sich dann Aufwerfungen von Atomen. Eine derartige Aufwerfung wächst leicht an, indem sich mehrere Wachsturnsstufen zu einer Wachstumsschrittablagerung 88 ausbilden, da sich jeweils Bindungsbrücken an den Stufenkanten ausbilden können, so daß kein Keimbildungsproblem bei einer derartigen Atomanhäufung auftritt. Der sich so ausbildende Wachstumsschritt breitet sich rasch aus und vergräbt dabei unter sich die neugebildete Oberfläche. Dies führt zu großer Konzentration von Gitterlücken und anderer Störstellen im gewachsenen Kristall, da die vergrabene nicht neugebildete Oberflächenschicht weniger Atome besitzt, als es an sich erforderlich ist, um eine vollständige Atomlage der jeweiligen Kristallgitterebene auszubilden, und da entsprechende Anteile der Phase 82, von der der Kristall aus aufwächst und die im allgemeinen nicht mit dem Kristall zusammenpaßt, zwischen neugebildeter Oberfläche 92 und der Wachstumsschrittablagerung 88 eingeschlossen werden.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Hierin besteht das Ausführungsbeispiel 100 aus der aktiven Schicht 102, die von den Begrenzungsschichten 104 und 106 eingeschlossen ist. Die Schichten 102, 104 und 106 sowie die Substratschicht 108 dieses Ausführungsbeispiels bilden ein GaAlAsP-Legierungssystem folgender Parameter:
TABELLE I
(für Ausführungsbeispiel nach Fig. 2)
106 G 102 G 104 G
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mit: 0 £ χ < 0,4
°'15 £ Y £ O#45 0,15 $ ζ l 0,45 0 < t £ 0,2 0 _< u £ 0,2
0 1 v £ °'2 108 Ga1^Al1nAS1-11Pn
mit: 0 £ m £ 1 und 0 < η < 1
Metallelektroden 110 und 112 vervollständigen das Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsbeispiel 100, um daran die Anschlußleitungen 114 und 116 anzubringen.
Das Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung in der Heteroübergangsstrukturbauweise bringt erhebliche Verbesserungen bei lichtemittierenden Bauelementen und bei lichtempfindlichen Bauelementen, nämlich Solarzellen und Photoleitern; also für opto-elektronische Bauelemente, bei denen Licht in elektrische Energie oder umgekehrt umgesetzt wird. Die Anwendung der Erfindung bezieht sich auf die Herstellung derartiger optoelektronischer Bauelemente und auf die Bauelemente selbst, wobei Strukturen vorgesehen sind, die zumindest eine aktive \ Schicht und zumindest eine hieran angrenzende Begrenzungs- j schicht als Lichtleitungsschicht aufweisen. |
Andere Aspekte vorliegender Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Fign. 3A, 3B, 3C, 3D, 3E und 3F untersucht, die jeweils unterschiedliche Auführungsbeispiele der Erfindung bei verschiedensten Schichtkombinationen darstellen. Die Ausführungsbeispiele der Fig. 3 sollen zunächst anhand folgender Tabelle II charakterisiert werden.
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I 27U945
- χ -3*
i TABELLE II
(für Ausführungsbeispiele nach Fign. 3A bis 3F)
, Es bedeutent
A die aktive Laserschicht,
! G die Begrenzungβ- oder Lichtleitungsschicht, die zur ' Ladungsträgerinjektion bzw. Ladungeträgereingrenzung ! und/oder Lichteingrenzung dient,
S Halbleitersubstrat zur Bereitstellung der Ausgangs- ; oberfläche für das Kristallwachstum einerseits und j des elektrischen Kontaktes andererseits, > C die Abdeckungshalbleiterschlcht zum Schutz bzw. zum ; Elektrodenanschluß, ! M die Elektroden.
! μ·
Schichtzusammensetzungens A " a1-xbxc1-ydy
" a1-x-v"x+vc1-y-u y+u hierin bedeuten a und b Elemente der Gruppen III, Ha oder Ia und c und d Elemente der Gruppen V und VI im Periodensystem der Elemente.
So läßt sich beispielsweise ein III-V-Laser mit»
a » Ga) 0 £ χ £ 0,4
b - AIf 0,15 < ν < 0,8
c * As ι 0 £ y < 0,2
d - Pf 0 £ u £ 0,2 und ein IIa-VI-Laser mitt
a - Hg» 0,2 £ χ £ 0,6
b - Cdi 0,2 ^ ν ^ 0,4
c - Tei 0 < y £ 0,2
d - Sei 0 <_ u £ 0,2 realisieren.
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Anhand der Flgn. 3Ά, 3B, 3C, 3D, 3E und 3F sollen nunmehr die Kriterien für die verschiedenen Schichten der HomoÜbergangs- oder Heteroübergangsbauelemente gemäß der Erfindung diskutiert werden. In der durch Flg. 3Ά angedeuteten Anordnung besteht die Lichtleitungsschicht G aus N-leitendem Material, wenn die 'aktive Schicht A P-IeItend ist. Ist hingegen die aktive Schicht A aus N-leitendem Material gewählt, dann muß folglich auch die Lichtleitungsschicht G aus P-leitendem Material bestehen. Die Grenzfläche H zwischen der aktiven Schicht A und der Lichtleitungsschicht G entspricht einer <311>-Ebene oder auch einer anderen Ebene, die sich nicht durch Neubildung ergeben hat.
Die Prinzipien vorliegender Erfindung lassen sich auch auf : lichtemittierende Bauelemente anwenden, die nicht auf dem Laserprinzip beruhen oder HeteroÜbergänge besitzen. So läßt sich z. B. das Bauelement nach Fig. 3A als einfaches opto-elektronlsches Homoübergangsbauelement ausbilden, wenn die aktive j
Schicht A aus P-leitendem Galliumphosphid und die Lichtleitungsschicht G aus N-leitendem Galliumphosphid erfindungsgemäß bereitgestellt wird. Die Schichten M und M* stellen elektrisch leitende Metallbeläge dar, die als Elektroden auf die Schicht G bzw. A angebracht sind, um den zum Betrieb erforderlichen Strom zuführen zu können.
Das in Fig. 3B gezeigte Bauelement besitzt eine zusätzliche Schicht, die als Halbleitersubstrat S eine hohe Leitfähigkeit und für ein Heteroübergangsbauelement auf der Basis eines GaAlAs-Systems zweckmäßigerweise aus N-leitendem GaAs besteht. Im Heteroübergangsbauelement nach Fig. 3C ist zusätzlich noch eine Zwischenschicht C vorgesehen, die bei hoher Leitfähigkeit aus einem Halbleiter vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die aktive Schicht A besteht.
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Die Homo- und Heteroübergangsbauelemente gemäß Anordnungen in Fign. 3A, 3B und 3C sind samt und sonders Einfachübergangsbauelemente, die allerdings gemäß der Erfindung ausgebildet sind, wobei die hierin enthaltenen Grenzflächen H, I und J jedenfalls parallel zueinander liegen und wiederum die Orientierungen so gewählt sind, daß sich ein Kristallwachsturn ohne Neubildung ergibt. Demgemäß besitzt jedes Bauelement nur einen P-N-Ubergang. Jedoch lassen sich wie gesagt, verschiedenste Substanzzusammensetzungen in den verschiedenen Schichten verwenden.
Doppel-Heteroübergangsbauelemente gemäß der Erfindung werden anhand der Fign. 3D, 3E und 3F besprochen. Die Lichtleitungsschicht G1 ist hinsichtlich ihrer Materialzusammensetzung, Struktur und Zweck der Lichtleitungsschicht G vergleichbar, jedoch ist sie vom entgegengesetzten Leitungstyp. Soweit diese Schicht sich physikalisch von der Lichtleitungsschicht G unterscheidet, kann sie demgegenüber unterschiedliche physikalische Eigenschaften und auch hiervon verschiedene Materialzusammensetzungen besitzen.
Das Substrat S in Fign. 3E und 3F sowie die Abdeckungsschicht C in Fig. 3F stellen Schichten als Unterlage bzw. zur elektrischen Kontaktierung dar. Hierzu ist der Leitfähigkeitstyp entsprechend dem der jeweils benachbarten Lichtleitungsschichten G oder G1 zu wählen. Die Grenzflächen H, H1, I und K in den Fign. 3D und 3F verlaufen längs einer <311>-Oberfläche oder einer anderen nicht neugebildeten Oberfläche.
Zusätzliche Schichten wie die, die in den Fign. 3D und 3E angedeutet sind, können verwendet werden, um Lichtleitungs- \ eigenschaften und/oder Ladungsträgereinschlußbedingungen i des jeweils vorliegenden HeteroÜbergangslasers in gewünschter Weise anzupassen. Beispiele und Einzelheiten lassen sich dem
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Buch: "Laser Handbook", herausgegeben von F. T. Arecchi und E. 0. Schulz-Dubois, Verlag North-Holland, Amsterdam, 1972, Bd. 1, Seiten 441 bis 495 und dem Artikel von G. H. B. Thompson und P. A. Kirkby in Zeitschrift "IEEE Journal, Quant. Electron. QE-9", Seite 311 (1973) entnehmen.
Die mit Hilfe nicht neugebildeter Oberflächen gemäß der Erfindung zu erzielenden Verbesserungen sind auf dort gezeigte Strukturen ebensogut wie auch auf Anordnungen nach den Fign. 3A bis 3F der beigefügten Zeichnungen anwendbar.
Die Lichtleitungsschichten G und G1 sollten im Verhältnis zueinander vom jeweils entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sein, so daß sich in der Doppel-Heteroübergangsstruktur nur ein P-N-Ubergang ergibt. Dieser liegt dann zweckmäßigerweise an einer Grenzfläche der aktiven Schicht A.
Die Kriterien für die Begrenzung der Lichtleitungsschichten G und G* lassen sich wie folgt zusammenfassen:
1. Das Kristallgitter und die Gitterkonstanten von G und G1 müssen denen der aktiven Schicht A so vollkommen wie nur irgend möglich angepaßt sein. Auf diese Weise lassen sich dann Anpassungsversetzungen und Grenzflächenzustände ver- : meiden, die beide sonst zu nichtstrahlenden Rekombinations» Zentren der Ladungsträger beitragen würden.
2. Um einen für das Laserlicht wirksamen Lichtleitungseffekt herbeiführen zu können, muß der Brechungsindex der Lichtleitungsschicht G oder G1, nämlich n(G) bzw. n(G') kleiner; sein, als der der aktiven Schicht A, nämlich η(A). Es gilt nämlich: ι n(G)2 = e(G)
worin ε(G) die Dielektrizitätskonstante der Schicht G ist.
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Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers kann | es zweckmäßig sein, wenn die strahlende Rekombination injizier-j ter Minoritätsträger hauptsächlich auf einer Seite des genannten P-N-Übergangs innerhalb der aktiven Schicht stattfindet. ; Dies wird erreicht, indem zur anderen Seite des P-N-Übergangs die Lichtleitungsschicht G oder G* einen größeren Bandabstand ! als die aktive Schicht selbst besitzt, so daß neben Rückführung jder Ladungsträger in die aktive Schicht auch das emittierte !Licht in die aktive Schicht zurück gelenkt wird. Fernerhin j 'kann es vorteilhaft sein, daß die dem P-N-Übergang unmittelbar '
; ι
!benachbarte Lichtleitungsschicht aus einem Halbleiter besteht, ι \ j
der einen größeren Brechungsindex als die Schichten zu beiden jSeiten dieser Lichtleitungsschicht besitzt, so daß das einmal j in die Lichtleitungsschicht eingetretene Licht innerhalb ihrer Grenzen eingefangen bleibt, wobei die Achse der Polarisation !durch Anlegen einer Rückwärtsspannung an den P-N-Übergang bei Eintreten des elektro-optisehen Effektes gleichzeitig gedreht werden kann.
Zweckmäßigerweise können dann auch die Facetten der Lichtleitungsschicht, die senkrecht zur P-N-Übergangsebene liegen und durch die je nach Anwendungsfall auch von außen einfallendes Licht aufgefangen werden kann, poliert oder abgespalten sein.
Läßt man Licht auf die Halbleiterschicht bzw. auf eine der beiden Elektroden des Halbleiterbauelements mit einer Komponente einfallen, die senkrechtem Lichteinfall entspricht, so daß Elektron-Loch-Paare durch Lichtabsorption im Bereich des P-N-Ubergangs gebildet und zu beiden Seiten des P-N-Übergangs aufgeteilt werden, dann kann photoinduzierter, elektrischer Strom vom Halbleiterbauelement über seine Zuleitungen abgeführ werden. In diesem Falle wirkt dann das opto-elektronische Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung, je nach Verwendungszweck, entweder als Photozelle oder Solarzelle.
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In jedem Falle stellt die aktive Schicht einen Halbleiter mit direktem Bandabstand dar, wie es im einzelnen noch unter Bezugnahme auf die graphische Darstellung nach Fig. 4 diskutiert wird. Das Banddiagramm nach Fig. 4A zeigt die Bandstruktur in einer vereinfachten Energie-Darstellung im Wellenraum, wobei
jdas Valenzband als Kurve V und das Leitungsband als Kurve C !dargestellt ist. Unter der Voraussetzung, daß der geringste
Energiezustand im Leitungsband C sich bei derselben Wellenzahl
befindet, an der ein Maximum des Valenzbandes V auftritt, gilt der betreffende Halbleiter als direkter Halbleiter. Ein injdirekter Bandabstand ist in Fig. 4B gezeigt, wo Elektronen jan der Unterkante des Leitungsbandes eine unterschiedliche Wellenzahl k gegenüber der von Löchern besitzen, die sich an |der Oberseite des Valenzbandes befindet. Die Wellenzahl als Kristallmoment bleibt für Licht-Dipol-Ubergänge erhalten. Deshalb können Elektronen und Löcher in einem indirekten Halbleiter nicht rasch rekombinieren; sie rekombinieren unter Phononen-Emission, die der Wellenzahldifferenz k zugeordnet ist. Aus diesem Grunde lassen sich nur Halbleiter mit direktem Bandabstand, bei denen Elektronen und Löcher rasch ohne Phononenemission rekombinieren, leicht zur Abgabe von Laserstrahlung anregen. Es ist auch von Laserstrahlungsemission von Fremdatomzuständen aus in Halbleitern mit indirektem Bandabstand be-' richtet worden. Ein Beispiel hierfür ist Galliumphosphid, das mit Stickstoff dotiert ist, wobei eine Laserwirkung an einem StickstoffÜbergangszustand bei niedrigen Temperaturen beobachtet worden ist, wie es in Applied Physics Letters, Band 20, Nr. 11 (1972) in einem Aufsatz von N. Holonyak, jr., D. R. Seifres, H. M. Macksey und R. D. Dupuis beschrieben ist.
In der graphischen Darstellung nach Fig. 4C ist die Beziehung zwischen direktem und indirektem Bandabstand von Ga. Al As und dem molaren Bruchteil von X für AlAs in der entsprechenden Legierung aufgezeigt. Für x£0,5 besitzt die Legierung einen
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direkten Bandabstand, wohingegen für Werte von x£0,5 die Legierung einen indirekten Bandabstand aufweist.
M±t Hilfe der Flüssigphasenepitaxie bei langsamen und zweckdienlichen Wachstumsraten (kleiner als 1 pn/min) auf Oberflächen mit einer (311B)-Orientierung erfindungsgemäß hergestellten Doppel-Heteroübergangshalbleiterlasern zeigten sich keine Versetzungsnetzwerke; ebenfalls wurden keine Verschlechterungen in der Betriebsweise auch bei Betrieb oberhalb von 280 Betriebsstunden festgestellt.
Im Gegensatz dazu zeigte sich bei GaAlAs-Doppel-Heteroübergangshalbleiterlasern, die ebenfalls mit Hilfe der Flüssigphasenepitaxie bei normalen und zweckdienlichen Wachsturnsraten (weniger als 1 pti/min) allerdings auf Oberflächen aufgewachsen sind, die als sich neubildend bekannt sind, z. B. (100)-Oberfläche, die Bildungen von Versetzungsnetzwerken bereits bei einer Betriebsdauer unterhalb von 200 Betriebsstunden und in \ typischer Weise sogar innerhalb von 10 Stunden. j
Gemäß vorliegender Erfindung und wie in Fig. 3F schematisch j angedeutet, ist ein N-P-P-Heteroübergangshalbleiter, bestehend ; aus GaAs/GaQ^gAlQ^gAs/GaQ^QÄlQ^QAs/GaQ^^AlQ^gAs/GaAs |
mittels Flüssigphasenepitaxie auf einem polykristallinen GaAs- \ Substrat aufgewachsen, das zuvor geläppt und geätzt worden ist j ι so daß sich eine Flächenorientierung unterhalb von sechs Grad !bezüglich der (311B)-Orientierung ergibt. 24 Doppel-Hetero-
Übergangshalbleiterlaser aus GaAlAs sind aus einer derartigen Halbleiterscheibe herausgeschnitten worden.
Fünf Schmelzen mit der Numerierung von 1 bis 5 standen zur Verfügung. Die Zusammensetzungen der fünf Schmelzen waren, wie folgt:
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la,
1 Ga g Al 77 mg Dotierung 99,29 mg GaAs
Schmelze 2 2,2 g 0 8 mg Sn: 100,81 mg Überschuß
Schmelze 3 2,05 g 2, 74 mg Sn: 2,9 mg Überschuß
Schmelze 4 2,2 g o, Si: 25,0 mg Überschuß
Schmelze 5 1,95 g 2, Ge: 21,15 mg Überschuß
Schmelze 2,3 0 Ge: Überschuß
Vor Eingabe der jeweiligen Substrate mit der (311B)-Orientierung in die jeweiligen Schmelzen ist jeweils ein Vorläufersubstrat eingebracht worden, um die einzelnen Schmelzen jeweils partiell mit der Halbleiteroberfläche in Gleichgewicht bringen zu können. Dieses Vorläufersubstrat besteht aus einem standard-· mäßig geläppten und geätzten, <1OO>-orientierten GaAs-Wafer.
Das verwendete Ga-Substrat wurde in einer Lösung von zwei Teilen H2O und einem Teil HCl geätzt, und zwar bis unmittelbar vor Eingabe in die Pfannen der Kristallwachsturnsapparatur. Die Verfahrensschritte zum Kristallwachstum wickelten sich 'wie folgt ab:
1 ο
1. Aufheizen der Apparatur auf 850 C und Beibehalten dieser Temperatur für drei Stunden;
; 2. Abkühlen der Apparatur um 1° C pro Minute für eine j Dauer von 5 Minuten, also auf 845 C;
3. Eingabe eines Vorlaufer-Wafers in die Schmelze und Abkühlung um 0,2° C pro Minute während 20 Minuten;
4. Eingabe des (311B)-Substrats in die Schmelze 1 unter Eingabe des Vorläufer-Wafers in die Schmelze und Abkühlen während 40 Minuten bei einer Rate von 0,2° C pro Minute; j
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-"-ta
5. Eingabe des (311B)-Substrats in die Schmelze 2 I unter gleichzeitiger Eingabe des Vorläufer-Wafers
in die Schmelze 3 und Abkühlen während 30 Minuten > ; bei einer Rate von 0,2° C pro Minute; j
6. Eingabe des (311B)-Substrats in die Schmelze 3 untezj Eingabe des Vorläufer-Wafers in die Schmelze 4 und j Abkühlen während einer Minute bei einer Rate von j 0,2° C pro Minute; j
7. Eingabe des (311B)-Substrats in die Schmelze 4 unter Eingabe des Vorläufer-Wafers in die Schmelze i und Abkühlen während einer Zeitdauer von 15 Minuten j bei einer Rate von 0,2° C pro Minute; !
8. Eingabe des (311B)-Substrats in die Schmelze 5 ! und Abkühlen während einer Zeitdauer von 10 Minuten' bei einer Rate von 0,2° C pro Minute.
Bei Betrachtung mittels eines Raster-Elektronenmikroskops zeigt.
;sich, daß die aus Ga- qA10 -As bestehende aktive Schicht des sich ergebenden Heteroübergangs-Wafers 0,8 μ dick ist. Anschließend wurde dann der Wafer in streifenförmige Doppe1-Heteroübergangshalbleiterlaser mit einer jeweiligen Breite von 25 pm und einer jeweiligen Länge von 330 lim zerlegt, wobei jeweils ein 12-jam-Abstand zwischen den Streifen zur Anwendung eines Sauerstoff-Implantationsprozesses diente.
Die Spiegelflächen an den jeweiligen Enden der so erstellten streifenförmigen Halbleiterlaser wurden mittels üblicher Abspaltungsverfahren bereitgestellt. Einige dieser Halbleiterlaser wurden mittels einer Dlamant-Schleifstaubschnursäge zerlegt, andere mittels Atz- und Abspaltverfahren, wobei alle Teile des Wafers, wo die Spaltung durchgeführt werden sollte,
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mit einem Schwarzwachsphotolack bedeckt wurden. Nuten wurden in den Wafer unter Verwendung einer Lösung gleicher Teile H2O2, NH3OH und H2O eingeätzt. In die hierbei entstandenen Nuten wurde dann jeweils eine Klinge angesetzt, um so den Wafer zu spalten. Dieses Ätz- und Abspaltungsverfahren ist allerdings dem oben erwähnten Diamant-Schleifstaubschnursäge-Iverfahren vorzuziehen, da sich bei Anwenden des letzteren Verfahrens gezeigt hat, daß sich Kristallschädigungen bis zu 8 um, gemessen von der gesägten Kante, in das Innere des Laserkristalls erstrecken. Diese Schädigung ist besonders störend an spiegelnden Oberflächen, so daß derartige Chips infolge damit verbundener starker Herabsetzung in ihrer Wirksamkeit stark an Wert verlieren.
Zwölf der wie oben beschrieben, produzierten Halbleiterlaser !wurden mit Elektroden versehen. Hierbei waren die Elektroden so ausgeführt, daß sie die Halbleiterlaserstreifen nicht vollständig bedeckten, um so die spontane Emission aus einer Sicht senkrecht zur Schichtoberfläche mit Hilfe einer Infrarotfernsehkamera beobachten bzw. verfolgen zu können. Die auf diese Weise kontaktierten Halbleiterlaser wurden insbesondere hinsichtlich des Auftretens von Versetzungsnetzwerken und Verunreinigungseinschlußfehlstellen untersucht, da störstellen dieser Art nahezu immer mit Halbleiterlasern einhergehen, die in bekannter Weise in (100)-Orientierung gewachsen sind. Es stellte sich heraus, daß fünf der letztgenannten Halbleiterlaser tatsächlich derartige Versetzungsnetzwerke aufwiesen. Diese fünf Halbleiterlaser wurden dann zusammen mit anderen neun Halbleiterlasern, die gemäß bekannter Technik in (100)-Orientierung gewachsen waren, in der gleichen Apparatur unmittelbar vor und hinter den (311)-Lasern einem Alterungsprozel· unterzogen und entsprechend einem bekannten Verfahren, wie oben erwähnt, weiterbehandelt. Der Alterungsprozeß verlief
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über 283 Betriebsstunden. Die Raumtemperatur betrug 30° C und der Alterungsstrom etwa 500 mA entsprechend einer Stromdichte
2 durch den Laserstreifen von etwa 6 kA/cm .
Nach Ablauf des Alterungsprozesses werden alle Laser nochmals hinsichtlich spontaner Emission unter Verwendung einer Infrarotfernsehkamera untersucht. Keiner der erfindungsgemäßen (311)-Halbleiterlaser hatte, wie die Beobachtung gezeigt hatte, auch nur irgendeine Dunkelstreifen- oder Dunkelstellenfehlordnung, also Versetzung, enthalten. Außerdem zeigten sich ziemliche Verbesserungen hinsichtlich der Quantenausbeute. Demgegenüber zeigten sich bei fünf von den neun (100)-Halbleiterlasern Versetzungsnetzwerke. Aus der Beobachtung eines beträchtlichen Anwachsens der Schwellenleistung zum Herbeiführen der kritischen Inversion und des Absinkens in der differentiellen Quantenausbeute bei den anderen vier (100)-Halbleiterlasern konnte geschlossen werden, daß einer ein Versetzungs- ] netzwerk enthielt, das allerdings durch die obere Elektrode i abgedeckt sein mußte. Anders als bei den (311)-Halbleiterlasern bedeckten die oberen Elektroden die (100)-Halbleiterlaser zu etwa einem Drittel auf den jeweiligen Streifen. Etliche andere erfindungsgemäße (311)-Laser wurden unter gleichen Bedingungen ίeinem Alterungsprozeß unterzogen, und zwar für eine Zeitdauer, die 200 Stunden überschritt, wobei sich dann keinerlei Anzeichen für die Bildung von Versetzungsnetzwerken feststellen
Zusammenfassend läßt sich also sagen, daß die gemäß der Erfindung hergestellten (311)-Halbleiterlaser in praktischen Versuchen eine bedeutend geringere Herabminderung ihrer Betriebs- und/oder Leistungseigenschaften als vergleichbare (100)-Halbleiterlaser gezeigt haben.
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Leerseite

Claims (1)

  1. YO 976 008
    PATENTANSPRÜCHE
    Optoelektronisches Halbleiterbauelement bestehend aus einem monokristallinen Halbleitersubstrat mit daran angebrachter erster Elektrode und hierauf epitaxial aufgewachsenen, die zweite Elektrode tragenden Halbleiter mit PN-Übergang, dadurch gekennzeichnet, daß die zum epitaxialen Aufv/achsen des Halbleiters verwendete Substratoberfläche sowie parallel hierzu liegende Grenzflächen innerhalb des aufgewachsenen Halbleiters aus nicht neugebildeten Kristalloberflachen bestehen, also in einer Kristallrichtung orientiert sind, die einem nicht singulären örtlichen Minimum der Oberflächenenergie pro Flächeneinheit als Funktion der Orientierung für die verwendeten Halbleitermaterialien entspricht.
    2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Substrat bildende Halbleiter sich von dem der aufgewachsenen Epitaxieschichten unterscheidet.
    3. Anordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten kristallinen Halbleitermaterialien Diamant-, Zinkblende- oder Chalkopyrit-
    4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Halbleiter enthaltenen Grenzflächen von der Form <N11> mit N mindestens zwei sind.
    5. Anordnung nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichet, ι daß die Grenzflächen durch <311>-Flächen dargestellt sind.
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    ORIGINAL INSPECTED
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    6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächen von der Form <M10> mit M > 2 sind.
    7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächen durch <31O>-Flächen dargestellt sind.
    8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausführung des optoelektronischen Halbleiterbauelements in HeteroÜbergangsstruktur die aktive Halbleiterschicht die Substanzzusammensetzung
    A - a1-xbxc1-ydy
    und eine hieran anstoßende Begrenzungshalbleiterschicht die Substanzzusammensetzung
    G ~ a1-x-vx+vc1-y-uy+u
    aufweisen, worin a und b Elemente der Gruppe III, Ha oder Ia; c und d Elemente der Gruppe V oder VI des Periodensystems der Elemente und x, y, x+v und y+u positive Zahlen mit einem Wert von höchstens 1 bedeuten.
    9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem III-V-Halbleiter-Laser im einzelnen gilt
    a = Ga
    b = Al
    c = As
    d = P.
    10. Anordnung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß gilt:
    j (Ofx{4)(
    (0,15 £ ν £ 0,8),
    (0<y^ 0,2),
    (0<u^ 0,2).
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    YO 976 008
    -3- 27U945
    11. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Ha-VI-Halbleiter-Laser gilt:
    a ■ Hg b « Cd c β Te d = Se
    12. Anordnung nach den Ansprüchen 8 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß gilt:
    (0,2 < χ £ 0,6), (0,2 <v{ 0,4), (0 < y £ 0,2), (0 < u £ 0,2).
    13. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bereitstellung eines Doppelhetero-Übergangs-Halbleiter-Lasers für die einzelnen Schichten folgende Zusammensetzungen gewählt sind:
    Aktive Schicht:
    Erste Begrenzungshalbleiterschicht:
    Ga x+yAl1-x-yAs1-uPu Zweite Begrenzungshalbleiterschicht:
    Gax+zAl1-x-zAs1-vV
    worin jeweils t, u, v, x, x+y und x+z positive Zahlen mit einem Wert von höchstens 1 darstellen.
    Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß gilt: O < x £ 0,4| 0,15 £ y ^ o, 45| 0,15 45; 0 <, t $ 0,2> 0 < u < 0,2; 0 < V $ 0,2.
    009842/084
    YO 976 008
    27U945
    15. Anordnung nach den Ansprüchen 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht und die Begrenzungsschicht bzw. beide Begrenzungsschichten jeweils mit Halbleiterschichten anderer Zusammensetzung zum Anbringen der Elektroden hierauf überzogen sind.
    16. Anordnung nach den Ansprüchen 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Substratschicht eine Schichtzusammensetzung:
    Ga1-mAlmA81-npn
    gewählt ist, worin m, n, positive Zahlen mit einem Wert von höchstens 1 bedeuten.
    17. Anordnung nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Elektroden tragende obere Abdeckungsschicht des kristallinen Halbleiterkörpers aus der Schichtzusammensetzung:
    besteht, worin m und η positive Zahlen mit dem Wert höchstens 1 bedeuten.
    18. Anordnung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Konzentration von Gitterlücken-Substitutionsstörstellen-Fehlordnungskoroplexer aufweist, die zumindest angenähert der thermodynamischen Gleichgewichtskonzentration unter Wachstumsbedingungen entspricht, wobei im Ga-Al As-Bereich der
    Fehlordnungskomplex durch V^*1]^^ dargestellt ist.
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    27U945 - 5 -
    19. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bildung des Halbleiter-Laser-Resonators erforderlichen spiegelnden Flächenbereiche durch Abspalten der Flächen senkrecht zur P-N-Ubergangsebene gebildet sind.
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DE19772714945 1976-04-06 1977-04-02 Optoelektronisches halbleiter- bauelement Withdrawn DE2714945A1 (de)

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