DE3244223A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiterstrukturen und nach diesem verfahren hergestellter halbleiterlaser - Google Patents
Verfahren zur herstellung von halbleiterstrukturen und nach diesem verfahren hergestellter halbleiterlaserInfo
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Description
INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC
CORPORATION, NEW YORK
32Λ4223
S.E.H. Turley - 1
Verfahren zur Herstellung von Halbleiterstrukturen und nach diesem Verfahren hergestellter
Halbleiterlaser
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von HaIb-Leiterstrukturen
aus Materialien mit der Kristallstruktur des
Zinkblendetyps, bei dem Aufwachsen von Schichten und Herausätzen
von Strukturen einander abwechseln, insbesondere zur Herstellung eines Ha Ibleiter lasers mit einer üblicherweise
als Buried-rib-heterostructure bezeichneten Struktur, die
aus einer in Längsrichtung des Lasers verlaufenden Rippe aus einer unteren und einer oberen passiven Schicht und einer dazwischen
liegenden aktiven Schicht sowie aus die Rippe begrenzenden seitlichen leitenden Schichten besteht, wobei der
Leitfähigkeitstyp der seitlichen Schichten in Höhe der
aktiven Schicht wechselt, und wobei die aktive Schicht höheren Brechnungsindex und niedrigeren Bandabstand aufweist
als die sie umgebenden Schichten, bei welchem i/erfahren die
Rippe durch teilweises Abätzen von aktiver Schicht und passiven Schichten neben einer Maske entsteht, und wonach
die seitlichen leitenden Schichten in einem erneuten Aufwachsverfahren
entstehen, sowie aus Materialien des InP/ Ga InAsP-Ha Ib Lei tersy st ems hergestellte Buried-rib-heterostructure-HaIb
Leiter laser.
■* 6 —
S.E.H. TurLey - 1
Die Herstellung beLiebiger Strukturen bei HaLbLeiterLasern
scheitert vor alLem an den Schwierigkeiten, das Aufwachsen
von Epitaxieschichten so zu steuern, daß die Grenzen zwischen
benachbarten Schichten an genau vorgegebenen Positionen Liegen. Eines dieser ProbLeme entsteht bei der HersteLLung
von Lasern, bei denen neu aufzuwachsende Schichten auf
Positionen abgestimmt werden müssen, die durch vorangehende Verfahrensschritte vorgegeben sind. Dieses ProbLem
steLLt sich auch bei der HersteLLung von Buried-rib-Lasern,
wenn seitlich der freigeätzten Rippe Leitende Schichten
aufgewachsen werden soLlen, und in Höhe der aktiven Schicht
der Leitfähigkeitstyp der neu aufzuwachsenden Schichten
wechseln sol L.
Der Erfindung Liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dessen HiLfe es bei einem Buried-rfb-heterostructure-Laser möglich ist, die Grenze zwischen den nachträglich aufzubringenden seitlichen Schichten an die aktive
Schicht der Rippe anstoßen zu Lassen und eine Laseranordnung zu finden, bei der sich das Aufwachsen der seitlichen Schichten
hinsichtlich des Erreichens der aktiven Schicht Leicht kontrollieren läßt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geLöst, daß die
Strukturen dem Kristallgitter angepaßt werden, daß Ätzmittel
verwendet werden, die nur selektiv in einzelnen Schichten
ausreichend wirksam sind und dort gezielt bestimmte KristalL-ebenen freilegen, und daß die frei zu Legenden KristaLL-ebenen so gewählt werden, daß beim nachfolgenden Aufwachsen
neuer Schichten an den freiliegenden Oberflächen unterschiedliche Aufwachsgeschwindigkeiten vorliegen.
S.E.H. Turley - 1
Beim Buried-rib-Laser werden dazu beim Herausätzen der
Rippe die Richtung der Maske und die 'Ätzmittel für die
einzelnen Schichten so gewählt, daß die Kristallorientierung
an den freigelegten Flächen derart ist, daß beim nachfolgenden Aufwachsen der unteren seitlichen leitenden
Schichten das Hochwachsen an der Rippe in der Nähe des
Übergangs von unterer passiver Schicht zu aktiver Schicht vorübergehend gestoppt wird. Bei einem Buried-rib-Laser
aus Materialien des InP/GalnAsP-HaIb Leitersystems ergibt
sich eine für die Kontrolle des nachträglichen seitlichen
Aufwachsens günstige Anordnung, wenn im Bereich
der aktiven Schicht und darüber die Seitenflächen der
Rippe in Α-Ebenen Liegen.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind den Unteransprüchen
2 bis 7 und 9 bis 11 zu entnehmen.
Die Erfindung ist allgemein anwendbar auf Halbleitermischkristalle
des Zinkblendetyps. Sie wird im Zusammenhang
mit Buried-rib-Lasern veranschaulicht. Die Eigenschaften
selektiven Wachstums werden üblicherweise im GaAs/(GaAl )As-System
unter den für diese Materialien üblichen Wachstumsbedingungen nicht bemerkt, sie treten jedoch unter den
Wachstumsbedingungen duetlicher zutage, die üblicherweise
bei Flüssigphasenepitaxie im InP/GalnAsP-System angewendet
werden. Es wird angenommen, daß die Ursache für diese Selektivität in der Struktur von Kristallen des
Zinkblendetyps und in der Art des Wachstums bei Flüssigphasenepitaxie
zu finden ist.
Der Lösung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde:
Die das KristaILwachstum beeinflussenden Keimbi Idungseigenschaften
hängen davon ab, auf welcher Ebene eines Kristalls das Wachstum erfolgen soll. Dies läßt sich ausnützen,
um das Epitaxiewachstum zu beeinflussen. Ebenen,
S .E.H .Turley-1
auf denen sich Leicht Keime bilden, sind beim epitaktisehen
Aufwachsen schnell bedeckt, während solche, auf denen sich schwer Keimebi Iden, anfänglich unbedeckt bleiben. Auf diese
Weise kann ein selektives Aufwachsen erreicht werden.
im Falle von Indiumphosphid bestehen {111}Α-Ebenen ausschließlich
aus In-Atomen, die dreifach an den Kristall gebunden sind, während {111}B-Ebenen nur P-Atome aufweisen,
welche in ähnlicher Weise dreifach an den Kristall gebunden sind.Damit ein Aufwachsen an Oberflächen erfolgt, die in
solchen Ebenen liegen, müssen sich Atome an diese Oberfläche anlagern: In-Atome müssen sich an {111}B-Ebenen anlagern
und P-Atome an {111}A-Ebenen . Zunächst werden sich solche
Atome nur durch Einfachbindungen an den Kristall binden,
wodurch die Bindung sehr instabil ist. Wenn das Wachstum aus Schmelzen heraus erfolgt, welche auf Indium basieren
(dies ist typisch für die Flüssigphasenepitaxie im InP/
GainAsP-System), dann wird diese Instabilität auf {111}B-Ebenen
dadurch ausgeglichen, daß derartige Bindungen sofort
in großer Zahl erfolgen. Die Phosphorkonzentration in der
Schmelze ist dagegen sehr viel geringer als die von Indium.
Die Instabilität der Einfachbindungen von P-Atomen verhindert
ein schnelles Aufwachsen auf {111}A-Ebenen . Die Wachstümshemmung
auf diesen Ebenen kann, wenn erwünscht, reduziert werden, indem die Übersättigung der Schmelze erhöht wird.
Es ist auch möglich, daß mit anderen Aufwachsmethoden das Verhältnis der Aufwachs raten auf A- und B-Ebenen umgekehrt
werden kann. Dies kann einfacher zu erreichen sein, wenn anstelle der Flüssigphasenepitaxie Dampfphasenepitaxie verwendet
wird.
S.E.H.Turley-1
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines AusführungsbeispieLs
unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnung weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt in einem schematischen Schnitt quer zur
^ Ausbreitungsrichtung den prinzipiellen Aufbau
eines"Buried-rib"-Halbleiterlasers.
Fig. 2 zeigt in gleicher Darstellungsweise eine Vorstufe
eines erfindungsgemäßen Ha Ib Lei ter I asers .
Fig. 3 zeigt in gleicher Darstellungsweise einen erfin-
^0 dungsgemäß aufgebauten Halbleiterlaser.
Der Prinzipaufbau eines"Buried-rib"-HaIb Lei terlasers ist
in Fig. 1 dargestellt. Eine dünne aktive Schicht 10 liegt
zwischen zwei passiven Schichten 11 und 12 entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps. Die aktive Schicht hat einen höheren
Brechungsindex und einen niedrigeren Bandabstand als die
beiden angrenzenden passiven Schichten. Damit wird sowohl eine optische Ausbreitung wie auch eine Ausbreitung von
Ladungsträgern in der Richtung senkrecht zur Ebene der
Schichten, d.h. in der [ 1001-Richtung, verhindert. Aus
^O dieser Struktur wird dann eine schmale Rippe herausgeätzt,
die sich in der [011] -Richtung erstreckt, welche damit die
Richtung des optischen Resonators des Lasers wird.
Das üblicherweise hierfür verwendete Ätzmittel ist Br?-Ch,OH.
Die dabei sich ergebenden Seitenwände 13 der Sippe entsprechend Fig. 1 liegen in {111}A-Ebenen . Die offen Iiegenden
Seitenwände 13 der sich ergebenden Rippe werden dann geschützt, indem weiteres Epitaxiematerial aufgewachsen wird,,
welches niedrigeren Brechungsindex und höheren Bandabstand
- ίο -
S.E.H. TurLey - 1
als die aktive Schicht aufweist und so eine seitliche Begrenzung bewirkt. Zu diesem Zweck werden zwei Schichten
aufgewachsen: Eine p-leitende Schicht 14, die das n-Leitende Material, der Rippe begrenzt und eine η-leitende Schicht
15, die das p-Leitende Material begrenzt. Darauf wird
typischerweise zu Kontaktierungszwecken eine p-leitende
Zone 16 eindiffundiert. Damit diese Anordnung Leckströme
wirkungsvoll unterdrückt, muß der p-n-übergang zwischen den Schichten 14 und 15 auf die aktive Schicht 10 ausge
richtet sein. Dies ist schwierig zu erreichen, wenn die
Seitenwände von oben bis unten eine einheitliche Orientierung aufweisen, etwa die von/111}A-Ebenen. Fig. 2 zeigt,
wie dieses Anpassungsproblem gelöst wird, wenn die Seitenwände der Rippe bis zur Höhe der aktiven Schicht gerade
und darüber schräg verlaufen. Die ersten Herstellschritte
für eine Anordnung entsprechend Fig. 2 sind im wesentlichen
dieselben wie die bei der Herstellung einer Anordnung entsprechend Fig. 1. Auf ein Substrat 21 aus einem nleitenden Einkristall wird eine η-leitende passive
quaternäre aktive Schicht 22 aus GaInAsP aufgewachsen.
Es folgt das Aufwachsen einer p-leitenden passiven Schicht 23 aus InP. Zu Kontaktierungszwecken wird die
p-leitende passive Schicht noch mit einer p-leitenden
ternären (aus GaInAs) oder quaternären (aus GaInAsP)
Deckschicht 24 versehen. Mit bekannten photoIitographisehen
Techniken wird dann auf diese Struktur eine Maske 25 aus Siliziumdioxid aufgebracht, wobei das Siliziumdioxid
typischerweise pyrolytisch abgeschieden wird. Diese
Maske wird verwendet, um im nachfolgenden schrittweisen
Ätzprozeß die gewünschte Rippe entstehen zu lassen.
- 11 -
S.E.H.Tur ley-1
In der vorliegenden Beschreibung wird bei der Angabe von
Krista LLorientierungen davon ausgegangen, daß die Waferoberfläche
in einer {100}-Ebene, speziell in einer (100)-Ebene liegt. Für andere Orientierungen gilt entsprechendes..
Zunächst wird ein Ätzmittel aus Brommethanol verwendet,
um die darunterliegende p-leitende passive Schicht 23 zu
erreichen. Die Orientierung der Substratoberfläche ist
derart, daß die epitaktisehen Schichten auf eine (100)-Ebene
aufgewachsen sind; die Orientierung der streifenförmigen
Maske 25 ist in der [011]-Richtung. Das Ätzmittel
aus Brommethanol hat die Eigenschaft, unter den Rändern der Maske {111}Α-Ebenen freizulegen, im vorliegenden Fall
(TTi)A- und (TiT)A-Ebenen. Die freigelegten Ebenen neigen
sich damit unterhalb der Maske schräg nach innen. Nach dem Erreichen der passiven Schicht 23 wird ein anderes Ätzmittel
verwendet. Dieses besteht zu gleichen Teilen aus 50%iger (Gewichtsprozent) Hy drob romsäure und 85%iger Orthophosphorsäure.
Dieses Ätzmittel ätzt ternäre und quaternäre Materialien wesentlich langsamer als das binäre Material der passiven
Schicht 23. Das ternäre oder quaternäre Material der Deckschicht 24 wirkt deshalb für die passive Schicht 23
als fest sitzende Maske. Damit werden auch mit diesem Ätzmittel die (TTi)A- und (Tl T) Α-Ebenen freigelegt. Ein weiterer
Vorteil dieses Ätzmittels besteht darin, daß der Ätz-Vorgang beim Erreichen des quaternären Materials der aktiven
Schicht 22 nahezu von selbst aufhört. Das Ätzmittel aus Brommethanol, mit welchem die Deckschicht 24 durchgeätzt
wird, könnte im Prinzip auch zum Ätzen in der aktiven Schicht
verwendet werden. Es ist jedoch erwünscht, das Ätzen dann abzubrechen, wenn die (TTi)A- und (11T) Α-Ebenen die darunterliegende
passive Schicht 20 erreicht haben. Deshalb
S.E .H .TurLey-1
wird ein selektives Ätzmittel aus Kali umjodid-Jodiη verwendet.
Geeignet ist ein Ätzmittel aus 65g I~ und 113g KI
in 100ml H2O. Dieses Ätzmittel entfernt das quaternäre
Material so, daß die erforderlichen Ebenen freigelegt
werden, greift aber das darunterliegende Indiumphosphid
in viel geringerem Maße an.
Sobald beim Ätzen die passive Schicht 20 erreicht ist,
wird ein neues Ätzmittel verwendet. Dieses neue Ätzmittel muß so gewählt sein, daß es nicht mehr (TTi)A- und (TiT)A-Ebenen
freilegt, sondern (oTd- und (01 T)-Ebenen . Die Unterkanten der aktiven Schicht 22 werden somit beiderseits
zu Schnittlinien von je zwei Ebenen. Ein für diesen Zweck
geeignetes Ätzmittel ist eine Lösung aus vier VoLumenteilen 85%iger Orthophosphorsäure und einem Volumenteil
37%iger Salzsäure. Damit werden ein bis zwei Mikrometer von der passiven Schicht 20 weggeätzt. Nach dem Ätzen mit
dem Ka I iumjodid-Jod Ätzmittel kann noch ein weiterer Ätzgang
zwischengeschoben werden, um etwaige verbliebene
Unsauberkeiten zu entfernen. Dafür ist ein Ätzmittel aus
gleichen Volumenteilen Wasser und Salpetersäure geeignet.
Die gesamte Ätztiefe ist typischerweise im Bereich von
drei bis fünf Mikrometer.
Das folgende Aufwachsen der seitlichen leitenden Schichten
erfolgt in bekannter Weise durch Flüssigphasenepitaxie.
" Die Temperatur liegt dabei typischerweise bei 590°C; die
Homogenisierungstemperatur liegt bei 620 C. Der weitere Aufbau
wird anhand von Fig. 3 beschrieben. Zuerst wird eine p-leitende Schicht 30 aus InP aufgewachsen. Sofort beim
Start beginnt die Keimbildung überall auf der (100)-0berfläche,
aus der die Rippe herausragt und ebenso auf den
• · · ι
- 13 -
S.E.H.Turley-1
(θΤΐ)- und (01T)-Seitenwänden der Rippe. Dabei entsteht
ein OberflächenprofiL, wie es im wesentlichen bei 30a
gezeichnet ist. Die Dicke dieser Schicht beträgt etwa ein Mikrometer oder weniger. Beim Fortschreiten des Aufwachsprozesses
ändert sich das Oberflächenprofil so, wie
es etwa bei 30b dargestellt ist. Erst wenn die aufgewachsenen Flächen neben der Rippe sich der (1OQ)-Ebene
nähern, beginnt eine merkbare Keimbildung an den Oberflächen des oberen Teils der Rippe, d.h. an den (TTi)A--
und (TiT)A-Ebenen. Bevor dies ein nennenswertes Ausmaß
annimmt, wird das Aufwachsen von p-leitendem Material der
Schicht 30 beendet. Auf das Aufwachsen der p-leitenden
Schicht 30 folgt das Aufwachsen einer η-leitenden Schicht 31, ebenfalls aus InP. Dies geschieht zunächst in der
Ί5 gleichen Art wie das Aufwachsen der Schicht 30 und wird
solange fortgesetzt, bis die Oberfläche der n-leitenden
Schicht 31 etwa in einer Ebene mit der Oberfläche der
Deckschicht 24 liegt. In diesem Stadium wird die Maske 25 entfernt und eine neue Maske 32 aufgebracht. Diese Maske 32,
die aus Si Iiziumdioxid besteht und in einem Hochfrequenzverfahren
aufgebracht wird, läßt einen Bereich frei, in dem durch Eindiffundieren von Zink eine Diffussionszone
entsteht. Damit entsteht ein ρ -leitendes Material, das eine gute Unterlage für einen elektrischen Anschluß darstellt.
In der vorstehenden Beschreibung wurde die Erfindung anhand eines Beispiels beschrieben, bei dem ein Laser auf ein
η-leitendes Substrat aufgewachsen wird. Ebenso könnte ein Laser mit einer dazu komplementären Struktur auf ein pleitendes
Substrat aufgewachsen werden. Die Ätz- und Auf-
S .E .H .TurLey-1
wachsschritte könnten dabei im wesentlichen dieselben sein;
die Leitfähigkeitstypen müßten jedoch durchgehend umgekehrt
werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem durch selektives
Ätzen gezielt Flächen mit ganz bestimmter Kri sta L lori entierung
freigelegt werden, um so ein nachfolgendes Aufwachsen
auf einzelne Flächen zu fördern und auf andere Flächen zu hemmen, kann auch für die Herstellung andersartiger
H alb Lei te rs t r uk t uren verwendet werden.
-/IS'
Leerseite
Claims (11)
1.) Verfahren zur Herstellung von Ha Ib Lei terst rukturen
aus Materialien mit der Kristallstruktur des Zinkblendetyps,
bei dem Aufwachsen von Schichten und Herausätzen von Strukturen einander abwechseln, insbesondere zur Herstellung
eines Ha Ib Leiter lasers mit einer üblicherweise
als Buried-rib-heterostructure bezeichneten Struktur, die
aus einer in Längsrichtung des Lasers verlaufenden Rippe
aus einer unteren und einer oberen passiven Schicht und einer dazwischen liegenden aktiven Schicht sowie aus
die Rippe begrenzenden seitlichen Leitenden Schichten besteht, wobei der Leitfähigkeitstyp der seitlichen Schichten
in Höhe der aktiven Schicht wechselt, und wobei die aktive Schicht höheren Brechungsindex und niedrigeren
Bandabstand aufweist als die sie umgebenden Schichten, bei welchem Verfahren die Rippe durch teilweises Abätzen
von aktiver Schicht und passiven Schichten neben einer Maske entsteht, und wonach die seitlichen leitenden
Schichten in einem erneuten Aufwachsverfahren entstehen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen dem Kristallgitter angepaßt werden, daß Ätzmittel
verwendet werden, die nur selektiv in einzelnen Schichten ausreichend wirksam sind und dort gezielt bestimmte Kristallebenen freilegen, und daß die freizulegenden KristalL-
ebenen so gewählt werden, daß beim nachfolgenden Aufwachsen
neuer Schichten an den freiliegenden Oberflächen unterschiedliche
Aufwachsgeschwindigkeiten vorliegen, daß beim
ZT/P2-BS/B '
29.11 .1982 -■'■ '-■'·'''-'·■ "'■- * - 2 -
S.E.H. Turley - 1
Herausätzen der Rippe die Richtung der Maske und die
Ätzmittel für die einzelnen Schichten so gewählt werden,
daß die Kristallorientierung an den freigelegten Flächen
derart ist, daß beim nachfolgenden Aufwachsen der unteren
seitlichen leitenden Schichten das Hochwachsen an der Rippe in der Nähe des Übergangs von unterer passiver Schicht
zu aktiver Schicht vorübergehend gestoppt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laser aus Materialien des InP/GalnAsP-HaLbleitersystems hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufwachsen von Schichten in Flüssigphasenepitaxie erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß
das Aufwachsen von Schichten in Flüssigphasenepitaxie aus
einer an Indium reichen Schmelze erfolgt, und daß das Herausätzen der Rippe so erfolgt, daß im Bereich der aktiven
Schicht und darüber die freigelegten Flächen in A-Ebenen Ii egen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das Herausätzen der Rippe so erfolgt, daß besagte A-Ebenen
{111}Α-Ebenen sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das Herausätzen der Rippe so erfolgt, daß besagte A-Ebenen (ΪΪ1) A- und (11T)A-Ebenen sind, daß die Richtung der Maske
so gewählt wird, daß sich die Rippe in foTTj-Richtung erstreckt und daß Ausgangsmaterial und Ätzmittel so gewählt
S.E.H. TurLey - 1
werden, daß die Oberfläche, aus der die Rippe herausragt,
in einer (100)-Ebene Liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das Herausätzen der Rippe so erfolgt, daß unterhaLb der aktiven Schicht die freigeLegten SeitenfLachen der Rippe
in (oTd- und (OiT)-Ebenen Liegen.
8. HaLbLeiterLaser aus Materialien des InP/GalnAsP-HaLb
Leitersysterns mit einer UbLicherweise aLs Buried-ribheterostructure
bezeichneten Struktur, die aus einer in Längsrichtung des Lasers verlaufenden Rippe aus einer unteren
und einer oberen passiven Schicht und einer dazwischen Liegenden aktiven Schicht sowie aus die Rippe begrenzenden
seitLichen leitenden Schichten besteht, wobei der Leitfähigkeitstyp der seitLichen Schichten in Höhe der aktiven Schicht
wechselt, und wobei die aktive Schicht höheren Brechungsindex und niedrigeren Bandabstand aufweist als die sie umgebenden
Schichten, dadurch gekennzeichnet,
daß im Bereich der aktiven Schicht und darüber die Seitenflächen der Rippe in Α-Ebenen liegen.
9. Halbleiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Α-Ebenen {111}Α-Ebenen sind.
10. Halbleiterlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet/·
daß die Α-Ebenen (ΤΪ1)Α- und Πΐί)Α-Ebenen sind, daß sich die
Rippe in CoiTJ-Richtung erstreckt, und daß die Oberfläche, aus
der die Rippe herausragt,iη einer (100)-Ebene liegt.
S.E.H. Turley - 1
11. HaLb LeiterLaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß unterhaLb der aktiven Schicht die SeitenfLächen der
Rippe in (011)- und (OII)-Ebenen Liegen.
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