DD142480A1 - Verfahren und anordnung zur kontaktstrukturherstellung integriert-optischer halbleiterbauelemente - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft sowohl die Erzeugung von Kontakten auf Halbleiterbauelementen als auch die Herstellung elektrisch leitender Verbindungen auf diesen. Ziel der Erfindung ist es, dem wachsenden Bedarf an Halbleiterbauelementen durch eine technologisch verbesserte Kontaktstrukturherstellung gerecht zu werden. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, durch welche die Ausführung des Kontaktbereiches in gewünschter Form in einfacher Weise realisiert werden kann. Auf die zu kontaktierende Epitaxieschicht eines Halbleiterbauelementes wird ein Kontaktmaterial aufgebracht. Dann wird es in lokal begrenzte Bereiche der Epitaxieschicht mittels Laserstrahlung einlegiert. Anschließend wird auf die lokal begrenzten Bereiche der Epitaxieschicht ein elektrischer Leiter positioniert und mittels der gleichen Laserstrahlung aufgeschmolzen. Dabei liegt das Halbleiterbauelement auf einer Auflageplatte auf, die über ein Getriebe mit einem Schrittmotor verbunden ist. Ein Laser ist der Aufnahraeplatte gegenüber positioniert. Zwischen der Auflageplatte und dem Laser ist eine fokussierende Optik angeordnet.

Description

Dr. Peter Glas Berlin, 08. 02. 1979

Dr· Klaus Vogel Götz Erbert Peter Hartwig

Zustellungsbevollmächtigt:

Akademie der Wissenschaften der DDR Zentralinstitut für Optik und Spektroskopie - Patentbüro

1199 Berlin-Adlershof, Rudower Chaussee

Verfahren und Anordnung zur Kontaktstrukturherstellung integriert-optischer Halbleiterbauelemente

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung von Kontakten auf integriert-optischen Halbleiterbauelementen und die Herstellung elektrisch leitender Verbindungen auf diesen Kontakten. Halbleiter-Bauelemente und speziell Halbleiter-Injektionslaser sind für die Laser-Nachrichtenübermittlung, für spektroskopische Untersuchungen und für Vermessungs- und Fluchtungsaufgaben im Bauwesen von großer.Bedeutung, Das Wirkprinzip des Halbleiterinjektionslasers beruht auf der Injektion von Ladungsträgern, die über strahlende Rekombination zum Lasereffekt führen.

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Um eine wirkungsvolle Injektion von Ladungsträgern zu ermöglichen, sind Kontakte mit geringen Übergangswiderständen und elektrisch leitende Verbindungen dieser Kontakte mit äußeren Spannungsquellen erforderlich. Für Doppelheterostruktur-Halbleiterinjektionslaser, die bei Zimmertemperatur im kontinuierlichen Betrieb arbeiten sollen, ist es notwendig, den laserfähigen Bereich einzugrenzen, um die für die Erreichung der Laserschwelle notwendigen Schwellenströme möglichst gering zu halten* Niedrige Kontaktwiderstände und geringe Anregungsströme sind wichtige Kriterien, die elektrische Verlustleistung zu minimieren.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Inbetriebnahme von Halbleiterbauelementen müssen auf die entsprechenden Halbleiteroberflächen Metallkontakte angebracht werden. Diese Kontakte sollen einen geringen Kontaktwiderstand besitzen und ein ohm'sches Verhalten. Bringt man jedoch einen beliebigen n- oder p-leitenden Halbleiter mit einem beliebigen Metall in innige Berührung, so entsteht in fast allen Fällen ein gleichrichtender Schottky-Kontakt mit einem Sperr- und Durchlaßbereich. Im thermischen Gleichgewicht geht das Ferminiveau des Halbleiters in das des Metalls über. Damit dieser Zustand erreicht wird, müssen Ladungsträger vom Halbleiter in das Metall fließen. Als Folge davon entsteht im Halbleiter eine Verarmungszone. Die Elektronen des Metalls müssen eine Potentialbarriere überwinden, bevor sie in das Leitungsband des Halbleiters eindringen können· Bei großer Oberflächenzustandsdichte (z. B. GaAs) ist die Barriere unabhängig von der Austrittsarbeit des Metalls; sie hängt nur von den Oberflächeneigenschaften des Halbleiters ab. Ist der Halbleiter (n- oder p-leitend) relativ schwach dotiert, dann ist die Weite der Raumladungszone groß und der entsprechende Metall (M)-

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Halbleiterkontakt (η, ρ), Mn- bzw. Mp-Kontakt, verhält sich sperrend. Ist jedoch der Halbleiter stark dotiert (n⁺ bzw. p⁺leitend), so stört bei diesem Metall-Halbleiter-Übergang eine Verarmungsrandschicht nicht, da sie sehr dünn ist und von den Ladungsträgern durchtunnelt werden kann. Ein Mn⁺- bzw. Mp⁺-Übergang verhält sich daher v/ie ein ohm¹scher Kontakt. Bei der Herstellung von Schichtstrukturen für GaAs-AlGaAs Laser ist daher auf der auf die aktive GaAs-Schicht folgende Mischkristallschicht noch die Züchtung einer hochdotierten GaAs-Kontaktschicht nötig. f WeO. Bourne, A.R. Goodwin u.a.

"Dauerstrich-Laser für die optische Nachrichtenübertragung" Nachrichtenelektronik 1-1977 S. 7-1 θ] Ein ohm'scher Kontakt auf einem schwach dotierten (n- oder p-leitenden) Halbleiter wird auch erreicht, wenn an der Grenzfläche Metall-Halbleiter eine Vermischung und gegenseitige Durchdringung durch Einlegieren stattgefunden hat. Bei geeigneter Wahl des Kontaktmaterials wird dabei der Halbleiter an der Grenzschicht n- bzw. p± dotiert und es entsteht ein ohm'scher Mn⁺n- bzw. Mp⁺p-Übergang. Die erzielbaren Kontaktwiderstände liegen in der. Größenordnung 10"³/2. cm"².

Zusammengefaßt: In einem ersten Schritt ist es nötig, innerhalb des Züchtungszyklus eine zusätzliche hochdotierte GaAs-Kontaktschicht aufwachsen zu lassen oder durch flächenhaftes Legieren eine Schicht mit ohm'sehen Eigenschaften zu erzeugen.

In einem zweiten Schritt ist es für einen funktionsfähigen kontinuierlich arbeitenden Halbleiterlaser nötig, daß eine Strombahnbegrenzung vorgenommen wird (z. B. Streifenstruktur). Nach erfolgter Oberflächenbehandlung der oben beschriebenen (p⁺, n⁺) dotierten Schicht (z. B. Sputterreinigung) kann eine elektrische Isolation dieser Schicht durch Aufbringen einer SiO₉ Schicht erzielt werden, wobei .

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mittels Masken streifenförmige Bereiche auf der (ρ , η ) dotierten Kontaktschicht freigelassen werden. Entweder wird die gesamte (p⁺, n⁺) dotierte Kontaktschicht mit SiOg bedeckt und die gewünschten Streifen unter Ver-

wendung von Masken freigeätzt oder das Aufbringen des

geschieht durch Masken geeigneter Formgebung. Harth, "Halbleiter-Technologie" Teubner, Stuttgart, 1972 J Streifen, die eine Strombahnbegrenzung liefern, lassen sich auch durch Protonenbeschuß realisieren. Dabei muß dann in Kauf genommen v/erden, daß die beschossenen Bereiche einen geringeren Brechungsindex als die unbeschossenen aufweisen, was für die Punktion des Lasers nicht wünschenswert ist.

Eine weitere Methode besteht in der lokal begrenzten Zinkdiffusion. Von Bedeutung ist bei den Diffusionstechniken, daß die gesamte GaAs-AlGaAs Schichtstruktur (bei Zn-Diffusion) auf eine Temperatur von -ungefähr 700-800⁰C in eine Diffusionsanordnung gebracht werden muß. Zusammengefaßt: Die Herstellung der Streifenstruktur auf einer (n⁺»p⁺) dotierten Deckschicht erfordert eine ausgereifte fotolithografische Technik und eine Temperaturbehandlung der gesamten GaAs-AlGaAs Schichtstruktur. Der dritte notwendige Arbeitsgang besteht in der Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Kontakten auf der Halbleiterstruktur und der für die Anregung der Laserdiode notwendigen Spannungsquelle. Die Verbindung wird mit ca 20 /um starken Gold- oder Aluminiumdrähten hergestellt. Zum Kontaktieren wird hauptsächlich das Thermokompressionsverfahren angewendet Γ Ohmic contacts to semiconductors « ed. by B. Schwarz, The Electrochemical Soc. Inc. S. 88, 159 J. Mit dieser Methode wird unter dem Einfluß von Druck und Wärme eine elektrische und mechanische Verbindung hergestellt. Man unterscheidet dabei die Schneidenkontaktierung (Halbleiterscheibe befindet sich auf einer Temperatur von ca 300 ⁰C) und die nagelkopfkontaktierung (Halbleiterscheibe befindet sich auf einer Temperatur von ca 300 ⁰C oder, zur Schonung der Scheibe, Erwärmung der den Golddraht führenden Kapillare auf ca. 300 ⁰C).

Dieser dritte Schritt ist einer der kritischsten Bearbeitungsvorgänge, um ein funktionstüchtiges Halbleiterbauelement zu erhalten·

Die Nachteile dieser Methoden bestehen darin, daß viele komplizierte Bearbeitungsschritte nötig sind, die jeweils eine eigene Technologie erfordern und daß eine Temperaturbehandlung der gesamten GaAs-AlGaAs Struktur erforderlich ist.

["r.S. Pound et.al. "Formation of ohmic contacts to III-V semiconductors using a laser beam" El.Lett. 17, 245, 1974;

Saifi et.al. "Q switched ruby laser alloying of ohmic contacts on GaAs epilayers" APL 33, 346, 1978 J

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine effektive Lösung anzugeben, die der Fertigung von Bauelementen der Halbleitertechnik und speziell von kontinuierlich arbeitenden Halbleiterlasern bei Zimmertemperatur weitgehend entgegenkommt und damit, auf Grund eines technologisch verbesser- · ten Verfahrens, dem wachsenden Bedarf an diesen Bauelementen gerecht zu werden gestattet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Kontaktstrukturherstellung integriert-optischer Halbleiterbauelemente anzugeben, durch welche die Ausführung des Kontaktbereichs in gewünschter Form und damit eine Strombahnbegrenzung verbunden mit einem sehr geringen Kontaktwiderstand und einer effektiven Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zu diesem Kontakt in einfacher Weise realisiert werden kann«

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Kontaktmaterial auf die zu kontaktierende Epitaxieschicht eines Halbleiterbauelementes aufgebracht wird, daß dann das Kontaktmaterial in lokal begrenzte Bereiche der Epitaxieschicht mittels Laserstrahlung einlegiert wird und daß anschließend auf die lokal begrenzten Bereiche der Epitaxieschicht ein elektrischer Leiter positioniert und mittels der gleichen Laserstrahlung aufgeschmolzen wird. Es ist für manche Zwecke vorteilhaft, daß nach dem Einlegieren des Kontaktmaterials in die lokal begrenzten Bereiche der Epitaxieschicht das Kontaktmaterial auf den nicht einlegierten Bereichen durch an sich bekannte mechanisch-chemische Verfahren beseitigt wird. Das Verfahren kann durch eine Anordnung realisiert werden, bei der das zu kontaktierende Halbleiterbauelement auf einer Auflageplatte aufliegt, die über ein Getriebe mit einem Schrittmotor verbunden ist, daß ein Laser der Auflageplatte gegenüber positioniert ist und zwischen der Auflageplatte und dem Laser eine fokussierende Optik angeordnet ist.

Zur Epzeugung einer streifenförmigen Kontaktstruktur ist als Optik eine Kombination von Zylinderlinsen eingesetzt. Zur Erzeugung eines Systems von streifenförmigen Kontaktstrukturen ist zwischen der Auflageplatte und dem Laser im Strahlengang des Lasers ein Strahlteiler und in jedem Teilstrahl ein Umlenkspiegel so angeordnet, daß ein Interferenzmuster auf der zu kontaktierenden Fläche entsteht.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung ist schematisch ein Teil der Anordnung zur KontaktStrukturherstellung dargestellt, sowie die Schichtenfolge einer GaAs-AlG_aAs Schichtstruktur, wie sie bei der Herstellung von Doppelheterostruktur-Halbleiterlasern üblich ist·

Auf ein GaAs(n) Substrat 1 ist eine AlGaAs(n) Schicht 2 aufgebracht, auf die eine GaAs(p,n) Schicht 3 und eine AlGaAs(p) Schicht 4 folgen. Auf die AIq 2^Gao 8^As S⁰^⁰*¹* wird durch Aufdampfen oder einfachen pastlosen Auftrag das Kontaktmaterial (Schicht nicht dargestellt) aufgebracht. Pur eine Oberfläche, die bepastet werden soll, eignet sich reines Silber in Bytylacetat, das mit Zink (für p⁺-Dotierung) oder Zinn (n⁺-Dotierung) gemischt wird. Wach der Oberflächenreinigung der Halbleiteroberfläche mit Aceton und debnisiertem V/asser kann die Paste sofort aufgetragen werden. Die Schichtdicke der gleichmäßig auf die Oberfläche des Halbleitermaterials aufgetragenen Paste kann z. B. zwischen 75 und 125 /um betragen. Die Paste wird luftgetrocknet. Es sind keine besonderen Vorkehrungen zur Verhinderung des Entstehens einer Oxidschicht erforderlich. Wichtig ist bei beiden Techniken, daß die GaAs-AlGaAs Schichtstruktur nicht erwärmt zu werden braucht. Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung eignet sich zum Einlegieren des Kontaktmaterials in Streifenform. Der durch die Zylinderlinse 5 astigmatisch fokussierte Laserstrahl 6 schmilzt die Schicht des Koriaktmaterials und eine oberflächennahe Schicht des AlGaAs und bewirkt so ein Einlegieren. Die Laserstrahlung der Wellenlänge J\, = 694,3 nm wird einem Rubinlaser (EnergiejO,1 J, Impulsdauer: 1 ms) entnommen. Dieser Laser kann ohne Güteschaltung benutzt werden. Für homogene Legierung und um eine mögliche Oberflächenschädigung durch die in einzelnen Spikes, bzw. in einzelnen Filamenten, konzentrierte Leistung zu vermeiden, empfiehlt es sich, einen gütegeschalteten Laser zu benutzen, wobei ein im Grundmode-Betrieb arbeitender Laseroszillator geringer Leistung mit einem Verstärker, kombiniert wird (Laseroszillatorenergie ** 10 mj, Impulsdauer/v 15 ns). Die Zahl der zur Einlegierung aufgewendeten Impulse, ihre Energie und die Laserimpulsdauer können programmgesteuert zur Erreichung einer vorgegebenen Legierungstiefe benutzt werden. Unter einem Mikroskop (nicht dargestellt) wird ein Goldband 7 auf den einlegierten Bereich positioniert. Mittels des genannten

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Lasers wird das Goldband auf den genannten Bereich aufgeschmolzen. Die Auflageplatte 8, die in y,z Richtung mit einer Positioniergenauigkeit von ^1 /um justierbar ist, wird während der Verfahrensschrit'te des Einlegierens und des Anschweißens des Goldbandes nicht verändert. Die Kontaktierung der gesamten Halbleiterscheibe mit mehreren Streifenkontakten bzw. die Anbringung der elektrisch leitenden Verbindungen kann durch Bewegung der Aufnahmeplatte 8 von Hand aus erfolgen.

Da die Prozeßschritte des Kontaktierens und des Anbringens der elektrisch leitenden Verbindungen einfach sind und. keine Zwischenschritte erfordern,·ein Laser als Wärmequelle benutzt wird, dessen Parameter einstellbar sind und die Auflageplatte 8 oder Halbleiterscheibe auch mittels Schrittmotor für eine Erzeugung mehrerer Streifen bzw. elektrischer Verbindungen pro Scheibe entsprechend positioniert werden kann, bietet sich für eine Großserienfertigung eine Automatisierung an. Die Vorteile, die sich aus der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe, gegenüber bekannten Methoden, ergeben, sind:

1. Der Züchtungsprozeß wird vereinfacht und zeitlich verkürzt, da die letzte hochdotierte GaAs Kontaktschicht wegfällt.bzw. durch eine schwachdotierte n-leitende GaAs Schicht ersetzt wird.

2. Die Begrenzung des seitlichen Auseinanderlaufens der Strombahnen des Anregungsstromes wird durch optimalen Abstand Kontakt-pn Übergang erzielt. Der verringerte Stromverbrauch bewirkt eine geringere Erwärmung im Bereich des p-n Übergangs und führt damit zu einer Vergrößerung der Lebensdauer der Bauelemente.

3. Die Tiefe, bis zu der das Kontaktmetall einlegiert werden soll, kann durch Wahl der Laserleistung, Laserimpulslänge und Impulsfolgefrequenz wählbar eingestellt werden.

4. Die Breite des Kontaktbereichs (z₀ B. Streifenbreite) ist nur durch das Auflösungsvermögen der den Laserstrahl astigmatisch fokussierenden Optik gegeben.

5. Zur Herstellung der Kontaktstreifen sind fotolithografische Verfahren nicht nötig, da die Laserstrahlung in der gewünschten Weise fokussiert werden kann·

6. Die Herstellung von SiO₂ Isolationsschichten und die unvermeidliche Temperaturbehandlung entfällt, da die nicht von der fokussierten Laserstrahlung getroffenen Bereiche kein ohm'sches Verhalten zeigen.

Die mechanischen Spannungen, die sich zwischen der SiO₂ Schicht und der Kontaktschicht ausbilden, entfallen.

Die Zeit, in der sich die Oberflächenschicht thermalisiert, ist klein im Vergleich zur Zeit, die für das .

Entstehen von Oberflächenstörungen nötig ist.·

7· Das Einlegieren des Kontaktmetalls erfordert kein Aufheizen der gesamten GaAs-AlGaAs Schichtstruktur auf eine Temperatur oberhalb des eute.ktischen Punktes. Unkontrollierbare Diffusionsvorgänge entfallen, da diese Temperaturerhöhung nur an der zu kontaktierenden Oberfläche stattfindet.

Die Kontaktwiderstände sind um 1-2 Größenordnungen geringer als bei der bisher verwendeten thermischen Legierungsmethode.

8, Der Prozeß der Herstellung von Kontakten mittels Laserstrahlung verhindert das Entstehen von Oxidschichten, da das dabei verdampfende Material einen wirksamen Schutz für den Reaktionsbereich darstellt und zusätzlich eine Homogenisierung der Temperatur bewirkt. Es ist keine besondere Arbeitsatmosphäre nötig.

9« Es ist keine besondere Präparationstechnik für die Halbleiterproben nötig.

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10. Die Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung zu den Kontakten erfolgt mit der gleichen Laserlichtquelle und besteht in einem.Aufschmelzen eines dünnen ßoldbandes auf die Kontaktbereiche. Dazu ist keine aufwendige Technologie nötig und ,es läßt sich unmittelbar an den Prozeß des Einlegierens ausführen.

11» Die Positionierung des Laserstrahls für den Legierungs- bzw. Aufschmelzprozeß braucht nur einmal zu erfolgen, womit die Grundlage für eine Großserienfertigung vorgegeben wirdo

12. Die mit dem Laser, der als 7/ärmequelle dient, durchgeführte Kurzzeiterwärmung verhindert, daß sich im Kontaktbereich eutektische Strukturgefüge ausbilden können, die den Köntaktwiderstand vergrößern.

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch

   1· Verfahren zur Kontaktstrukturherstellung integriertoptischer Halbleiterbauelemente, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktmaterial auf die zu kontaktierende Epitaxieschicht eines Halbleiterbauelementes aufgebracht wird, daß dann das Kontaktmaterial in lokal begrenzte Bereiche der Epitaxieschicht mittels Laserstrahlung einlegiert wird und daß anschließend auf die lokal begrenzten Bereiche der Epitaxieschicht ein elektrischer Leiter positioniert und mittels der gleichen Laserstrahlung aufgeschmolzen wird.
2. 2. Verfahren zur Kontaktstrukturherstellung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einlegieren des Kontaktmaterials in die lokal begrenzten Bereiche der Epitaxieschicht das Kontaktmaterial auf den nicht einlegierten Bereichen durch an sich bekannte mechanischchemische Verfahren beseitigt wird.

   Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das zu kontaktierende Halbleiterbauelement auf einer Auflageplatte aufliegt, die über ein Getriebe mit einem Schrittmotor verbunden ist, daß ein Laser der Auflageplatte gegenüber positioniert ist und zwischen der Auflageplatte und dem Laser eine fokussierende Optik angeordnet ist.
3. 4. Anordnung nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer streifenförmigen Kontaktstruktur als Optik eine Kombination von Zylinderlinsen eingesetzt ist.

   Anordnung nach Punkt 3» dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Systems von streifenförmigen Kontaktstrukturen zwischen der Auflageplatte und dem Laser im Strahlengang des Lasers ein Strahlteiler und in jedem Teilstrahl ein Umlenkspiegel so angeordnet ist, daß ein Interferenzmuster auf der zu kontaktierenden Fläche entsteht.

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