DE102021108785A1

DE102021108785A1 - Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements und halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102021108785A1
Application number: DE102021108785.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Hetzl; Christian Lauer
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-04-08
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2022-10-13
Also published as: WO2022214249A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (20) umfasst das Ausbilden (S110) eines Halbleiterschichtstapels (110), der eine AlxGa1-xAs-haltige Schicht (111), eine AlzGa1-zAs-haltige Schicht (113) sowie eine zwischen der AlxGa1-xAs-haltigen Schicht (111) und der AlzGa1-zAs-haltigen Schicht (113) angeordnete Al1-y-kInyGakAs-Schicht (112) aufweist, mit 0≤x<1, 0≤z<1, 0,02<y<0,12, 0≤k<0, 05 und das Durchführen (S120) eines Oxidationsverfahrens, wodurch die Al1-y-kInyGakAs-Schicht (112) mindestens teilweise oxidiert wird, wodurch ein isolierender Bereich erzeugt wird.

Description

Für bestimmte Halbleitervorrichtungen ist eine isolierende Schicht innerhalb eines epitaktisch aufgewachsenen Schichtstapels wünschenswert oder erforderlich. Üblicherweise kann eine derartige isolierende Schicht hergestellt werden, indem man einen Schichtstapel aufwächst, der eine AlGaAs-Schicht mit einem hohen Al-Gehalt enthält. Anschließend findet ein Oxidationsschritt statt, bei dem die AlGaAs-Schicht mit hohem Al-Gehalt von der Seite her oxidiert wird. Die oxidierte AlGaAs-Schicht, beispielsweise eine AlGaAsO-Schicht, ist isolierend und stellt als Ergebnis eine vergrabene Isolierschicht dar. Problematisch ist, dass aufgrund der Oxidation eine Volumenveränderung stattfindet. Als Ergebnis werden Verspannungen in dem Schichtstapel erzeugt, die im schlimmsten Falle zu einer Ablösung von Schichten führen kann.
Aus diesem Grund wird nach verbesserten Verfahren gesucht, mit denen man Halbleiterbauelemente mit einer vergrabenen isolierenden Schicht oder einem vergrabenen isolierenden Schichtbereich herstellen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements sowie ein verbessertes Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements umfasst das Ausbilden eines Halbleiterschichtstapels, der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht, eine Al_zGa_i-_zAs-haltige Schicht sowie eine zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht und der Al_zGa_1-zAshaltigen Schicht angeordnete Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht aufweist, mit 0≤x<1, 0≤z<1, 0,02<y<0,12, 0≤k<0, 05 und das Durchführen eines Oxidationsverfahrens, wodurch die Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht mindestens teilweise oxidiert wird, wodurch ein isolierender Bereich erzeugt wird. Gemäß Ausführungsformen kann der Ga-Gehalt der Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht auch geringer sein. Beispielsweise kann k kleiner oder gleich 0,04 oder 0,02 sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements das Ausbilden eines Halbleiterschichtstapels, der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht, eine erste Al_yGa_1-yAs-Schicht, eine Al_zGa_1-zAs-haltige Schicht sowie eine an die erste Al_yGa_1-yAs-Schicht angrenzende erste indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht-Schicht aufweist, wobei die erste Al_yGa_1-yAs-Schicht zwischen der Al_xGa_1-xAshaltigen Schicht und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht angeordnet ist, mit 0≤x<1, 0≤y<1, y>x, y>z, und y>0,95, und das Durchführen eines Oxidationsverfahrens, wodurch die erste Al_yGa_1-yAs-Schicht mindestens teilweise oxidiert wird, wodurch ein isolierender Bereich erzeugt wird. Gemäß Ausführungsformen kann der stöchiometrische Anteil von Al in der Al_yGa_1-yAs-Schicht auch größer als 0,98 sein.
Beispielsweise kann der Halbleiterschichtstapel ferner eine zweite indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht aufweisen, die an die erste Al_yGa_1-yAs-Schicht angrenzt und auf einer von der ersten indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschicht abgewandten Seite der ersten Al_yGa_1-yAs-Schicht angeordnet ist.
Gemäß Ausführungsformen kann ein Material der ersten und/oder zweiten indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschicht Al_x'In_y'Ga_1x'-y'As sein, mit 0<x'<0,7 und 0,02<y'<0,26.
Eine Schichtdicke der ersten Al_yGa_1-yAs-Schicht kann kleiner als 15 nm sein.
Gemäß Ausführungsformen kann eine Schichtdicke der indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschicht kleiner als 10 nm sein.
Beispielsweise kann ein Schichtstapel mit einer Abfolge von mehreren Al_yGa_1-yAs-Schichten mit jeweils zwischen den einzelnen Al_yGa_1-yAs-Schichten angeordneten indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschichten ausgebildet werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Gesamtschichtdicke der Oxidschicht zu erhöhen, ohne dass die Verspannung des Schichtstapels zu groß wird.
Beispielsweise kann eine Anzahl an Al_yGa_1-yAs-Schichten kleiner als 5 sein.
Gemäß Ausführungsformen kann der Halbleiterschichtstapel mindestens zwei Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schichten oder Al_yGa_1-yAs-Schichten und eine halbisolierende Halbleiterschicht zwischen den zwei Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schichten oder Al_yGa_1-yAs-Schichten aufweisen. Auf diese Weise kann die Isolierwirkung des Halbleiterschichtstapels weiter verbessert werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Halbleiterschichtstapel mindestens zwei Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schichten oder Al_yGa_1-yAs-Schichten und eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps sowie eine dritte Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen den zwei Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schichten oder Al_yGa_1-yAs-Schichten ausgebildet werden. Auf diese Weise kann eine pnp- oder npn-Struktur zwischen den isolierenden Schichten ausgebildet werden. Als Ergebnis kann die Isolierwirkung des Halbleiterschichtstapels weiter verbessert werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements das Ausbilden eines Halbleiterschichtstapels, der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht, eine erste Al_yGa_1-yAsP-Schicht, eine Al_zGa_1-zAs-haltige Schicht sowie eine an die erste Al_yGa_1-yAsP-Schicht angrenzende erste indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht aufweist, wobei die erste Al_yGa_1-yAsP-Schicht zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht angeordnet ist, mit 0≤x<1, 0≤y<1, y>x, y>z, und y>0,95, und das Durchführen eines Oxidationsverfahrens, wodurch die erste Al_yGa_1-yAsP-Schicht mindestens teilweise oxidiert wird, wodurch ein isolierender Bereich erzeugt wird.
Beispielsweise kann der Halbleiterschichtstapel eine zweite indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht aufweisen, die an die erste Al_yGa_1-yAsP-Schicht angrenzt und auf einer von der ersten indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschicht abgewandten Seite der ersten Al_yGa_1-yAsP-Schicht angeordnet ist.
Ein Material der ersten und/oder zweiten indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschicht kann Al_x'In_y'Ga_1-x'-y'As sein, mit 0<x'<0,7 und 0,02<y'<0,26.
Eine Schichtdicke der ersten Al_yGa_1-yAsP-Schicht kann kleiner als 10 nm sein. Eine Schichtdicke der indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschicht kann kleiner als 10 nm sein.
Beispielsweise kann ein Schichtstapel mit einer Abfolge von mehreren Al_yGa_1-yAsP-Schichten mit jeweils zwischen den einzelnen Al_yGa_1-yAsP-Schichten angeordneten indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschichten ausgebildet werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Gesamtschichtdicke der Oxidschicht zu erhöhen, ohne dass die Verspannung des Schichtstapels zu groß wird.
Ein Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterschichtstapel auf, der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht, eine Al_zGa_i-_zAs-haltige Schicht sowie Bereiche einer zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht angeordneten Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht aufweist, mit 0≤x<1, 0≤z<1, 0,02<y<0,12, k<0,05. Die Bereiche der Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht stellen einen isolierenden Bereich dar. Die Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht ergibt sich durch Oxidation der Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht. Die Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht kann amorphe Bestandteile mit lokal variierendem Zusammensetzungsverhältnis aufweisen.
Ein Halbleiterbauelement gemäß weiteren Ausführungsformen weist einen Halbleiterschichtstapel auf, der eine Al_xGa_1-xAshaltige Schicht, Bereiche einer ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht, eine Al_zGa_i-_zAs-haltige Schicht sowie eine an die Bereiche der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht angrenzende erste indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht aufweist, wobei die Bereiche der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht angeordnet sind, mit 0≤x<1, 0≤y<1, y>x, y>z, und y>0,95. Die Bereiche der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht stellen einen isolierenden Bereich dar.
Ein Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterschichtstapel auf, der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht, Bereiche einer ersten Al_yGa_1-yO-Schicht, eine Al_zGa_1-zAs-haltige Schicht sowie eine an die Bereiche der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht angrenzende erste indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht aufweist, wobei die Bereiche der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht zwischen der Al_xGa_1-xAshaltigen Schicht und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht angeordnet sind, mit 0≤x<1, 0≤y<1, y>x, y>z, und y>0,95. Die Bereiche der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht stellen einen isolierenden Bereich dar.
Beispielsweise kann das Halbleiterbauelement als oberflächenemittierender Halbleiterlaser (VCSEL) ausgebildet sein, wobei die Bereiche der Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht oder der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht eine Apertur zur Stromführung im Halbleiterlaser bilden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Bereiche der Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht oder der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht geeignet sein, zwei Bauelementbereiche des Halbleiterbauelements voneinander elektrisch und/oder optisch zu isolieren. Beispielsweise können in den zwei Bauelementbereichen des Halbleiterbauelements voneinander isolierte Halbleiterkomponenten angeordnet sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Halbleiterbauelement als kantenemittierender Halbleiterlaser mit mehreren übereinander angeordneten Laserelementen ausgebildet sein, wobei die Bereiche der Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht oder der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht eine Apertur zur Stromführung im Halbleiterlaser bilden.
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.

1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Werkstücks bei Durchführung eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen.
1B zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren Werkstücks bei Durchführung eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen.
2A zeigt eine Querschnittsansicht eines Werkstücks nach Durchführung weiterer Verfahrensschritte.
2B zeigt eine Querschnittsansicht eines Werkstücks gemäß weiteren Ausführungsformen.
2C fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.
3A zeigt ein Werkstück bei Durchführung eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen.
3B zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
3C fasst ein Verfahren gemäß weiteren Ausführungsformen zusammen.
3D fasst ein Verfahren gemäß weiteren Ausführungsformen zusammen.
4A zeigt eine Querschnittsansicht eines Werkstücks bei Durchführung eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen.
4B zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
5A zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
5B zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
5C veranschaulicht ein weiteres Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsformen.

In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, AlGaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga₂O₃, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Soweit hier die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weiteren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden“ eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
Der Begriff „elektrisch verbunden“ umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.
1A zeigt eine Querschnittsansicht eines Werkstücks 15 bei Durchführung eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen. Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements umfasst das Ausbilden eines Halbleiterschichtstapels 110, der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht 111, eine Al_zGa_i-_zAs-haltige Schicht 113 sowie eine zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht angeordnete Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 aufweist. Beispielsweise kann die Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 eine Schichtdicke von mehr als 8 nm haben. Die Schichtdicke der Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 kann kleiner als 15 nm sein. Dabei ist der Al-Gehalt der Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 größer als der der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht 111 und der Al_zGa_1-zAshaltigen Schicht 113. Beispielsweise kann ein stöchiometrischer Al-Gehalt der Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 größer als 0,9 sein. Beispielsweise kann der stöchiometrische Anteil von In in der Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 zwischen 0,02 und 0,12 liegen. Der Ga-Gehalt der Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 kann niedrig sein. Beispielsweise kann der stöchiometrische Anteil von Ga der Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 kleiner als 0,02 sein. Beispielsweise kann die Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 auch eine AlInAs-Schicht sein und kein Ga enthalten. Die Al_xGa_1-xAshaltige Schicht 111 kann beispielsweise Teil eines ersten Resonatorspiegels 125 sein. Beispielsweise kann das Werkstück 15 ein Werkstück zur Herstellung eines vertikal emittierenden Halbleiterlasers (VCSEL, „Vertical Cavity Surface Emitting Laser“) sein.
Der Begriff Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht mit 0≤x<1, der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, bezeichnet eine Verbindungshalbleiterschicht, die GaAs und beispielsweise zusätzlich Al oder weitere Elemente enthalten kann. Beispiele umfassen AlGaAs, GaAs, InGaAs und andere.
Der erste Resonatorspiegel 125 kann alternierend gestapelte erste Schichten einer ersten Zusammensetzung und zweite Schichten einer zweiten Zusammensetzung aufweisen. Beispielsweise können bei Verwendung dielektrischer Schichten diese abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n>1,7) und einen niedrigen Brechungsindex (n<1,7) haben und als Bragg-Reflektor ausgebildet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der erste Resonatorspiegel 125 auch Halbleiterschichten aufweisen. In diesem Fall können abwechselnd Halbleiterschichten mit einem hohen Brechungsindex (n>3,3) und Halbleiterschichten mit einem niedrigen Brechungsindex (n<3,3) angeordnet sein. Beispielsweise kann die Schichtdicke λ/4 oder ein Mehrfaches von λ/4 betragen, wobei λ die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts angibt. Der erste Resonatorspiegel 125 kann beispielsweise 2 bis 50 unterschiedliche Schichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 90 nm, beispielsweise etwa 50 nm betragen. Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind. Beispielsweise kann der erste Resonatorspiegel 125 ein Gesamtreflexionsvermögen von 99,8% oder mehr für die Laserstrahlung haben.
Die Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht 111 sowie weitere Schichten des ersten Resonatorspiegels 125 können beispielsweise mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-leitend, dotiert sein. Über dem ersten Resonatorspiegel 125 kann eine erste Halbleiterschicht 116 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-leitend angeordnet sein. Weiterhin kann der Halbleiterschichtstapel 110 eine zweite Halbleiterschicht 120 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend aufweisen. Eine aktive Zone 115 kann zwischen der ersten Halbleiterschicht 116 und der zweiten Halbleiterschicht 120 angeordnet sein.
Die aktive Zone kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur“ entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.
Die Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 kann beispielsweise innerhalb der ersten Halbleiterschicht 116 oder der zweiten Halbleiterschicht 120 angeordnet sein. Die Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 kann auch derart angeordnet sein, dass sie an die aktive Zone 115 angrenzt.
Der Halbleiterschichtstapel 110 weist ferner einen zweiten Resonatorspiegel 130 auf. Der zweite Resonatorspiegel 130 kann wiederum als Bragg-Spiegel ausgeführt sein und beispielsweise ein geringeres Reflexionsvermögen für die erzeugte elektromagnetische Strahlung aufweisen als der erste Resonatorspiegel 125. Entsprechend kann der zweite Resonatorspiegel 130 als Auskoppelspiegel wirken. Die Al_zGa_1-zAs-haltige Schicht 113 kann beispielsweise Teil des zweiten Resonatorspiegels 130 sein. Selbstverständlich können die Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht 111 und die Al_zGa_1-zAs-haltige Schicht 113 an beliebiger anderer Stelle innerhalb des Schichtstapels 110 angeordnet sein. Beispielsweise können sie Teil der ersten und/oder der zweiten Halbleiterschicht 116, 120 sein. Zwischen dem ersten Resonatorspiegel 125 und dem zweiten Resonatorspiegel 130 bildet sich ein optischer Resonator 105 aus, dessen Richtung senkrecht zu einer ersten Hauptoberfläche des Halbleiterschichtstapels 110 verläuft.
1B zeigt ein Werkstück 15 gemäß weiteren Ausführungsformen. Beispielsweise kann das in 1B dargestellte Werkstück ein Werkstück zur Ausbildung eines Halbleiterbauelements sein, bei dem ein erster Bauelementbereich 140 und ein zweiter Bauelementbereich 145 übereinander angeordnet und durch eine isolierende Schicht voneinander getrennt und isoliert sind. Die Al_xGa_1-xAs-Schicht 111 kann in dem vorgesehenen ersten Bauelementbereich 140 angeordnet sein. Die Al_zGa_1-zAs-haltige Schicht 113 kann innerhalb des vorgesehenen Bauelementbereichs 145 angeordnet sein. Zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht 111 und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht 113 ist die Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 wie vorstehend beschrieben angeordnet.
Zur weiteren Verarbeitung wird das Werkstück jeweils einem thermisches Oxidationsverfahren unterzogen. Beispielsweise kann das thermische Oxidationsverfahren bei Temperaturen in einem Bereich von 300°C oder 450/500°C durchgeführt werden. Beispielsweise kann das thermische Oxidationsverfahren in Wasserdampf oder aber auch in einer Sauerstoffatmosphäre durchgeführt werden. Dabei schreitet die Oxidation in lateraler Richtung vom Rand des jeweiligen Werkstücks in Richtung Mitte voran.
Als Ergebnis kann bei Verwendung des in 1A gezeigten Werkstücks beispielsweise der in 2A gezeigte oberflächenemittierende Halbleiterlaser hergestellt werden. Wie zu sehen ist, ist der äußere Bereich der früheren Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 nunmehr oxidiert und stellt eine Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht 118 dar. Der mittlere Bereich der Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 bleibt unoxidiert und somit leitfähig. Der oxidierte Teil der Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112, d.h. die Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht 118 ist isolierend. Auf diese Weise wird eine Apertur 106 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 10 bereitgestellt, die zu einer entsprechenden Umlenkung und Konzentration eines eingeprägten Stroms auf den mittleren Bereich des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers führt. 2A zeigt weiterhin ein erstes Kontaktelement 132 zur elektrischen Kontaktierung der ersten Halbleiterschicht 116 sowie ein zweites Kontaktelement 135 zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Halbleiterschicht 120.
Wird das in 1B dargestellte Werkstück 15 einem thermischen Oxidationsprozess, beispielsweise ebenfalls in Wasserdampf, unterzogen, so ergibt sich das in 2B dargestellte Halbleiterbauelement. Ein erster Bauelementbereich 140 und ein zweiter Bauelementbereich 145 sind übereinander angeordnet und durch eine isolierende Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht 118 voneinander isoliert. Beispielsweise können Halbleiterkomponenten 143 jeweils in dem ersten und dem zweiten Bauelementbereich 140, 145 angeordnet werden. Beispiele für Halbleiterkomponenten 143 umfassen beispielsweise Transistoren, beispielsweise HEMTs („High Electron Mobility Transistor“), Dioden, beispielsweise lichtemittierende Dioden oder lichtaufnehmende Dioden, Kondensatoren und andere. Die Halbleiterkomponenten 143 können beispielsweise für Hochspannungsanwendungen geeignet sein. Die Halbleiterkomponenten 143 können vor oder nach Durchführung des thermischen Oxidationsprozesses hergestellt werden.
Dadurch, dass wie beschrieben worden ist, eine indiumhaltige Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 zu einem isolierenden Material oxidiert wird, weist die oxidierte Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht 118 weniger Verspannungen auf als die herkömmliche AlGaOAs-Schicht. Wird beispielsweise eine AlGaAs-Schicht, die kein In enthält, oxidiert, so kann eine Volumenänderung, beispielsweise eine Volumenverringerung der oxidierten Schicht auftreten. Weiterhin ist möglich, dass die oxidierte AlGaAs-Schicht keine periodische Kristallstruktur mehr enthält. Zusammen mit der Verspannung, die sich durch die Volumenverringerung ergibt, kann somit ein Ablösen oder eine Delamination der oxidierten AlGaOAs-Schicht stattfinden.
Beispielsweise weist die Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 vor Durchführung des Oxidationsverfahrens eine Druckverspannung auf. Die eingestellte relative Druckverspannung kann beispielsweise 0,3 bis 1 % betragen. Auf diese Weise wird eine auftretende Zugspannung aufgrund von Volumenschrumpfung infolge der Oxidation verringert. Als Ergebnis wird die mechanische Stabilität der oxidierten Schicht und der angrenzenden Schichten verbessert. Als Ergebnis kann beispielsweise die Schichtdicke der isolierenden Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht 118 und auch der Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht 112 erhöht werden. Beispielsweise kann eine maximale Gesamtoxiddicke 20 nm betragen. Weiterhin ist es möglich, nach Durchführung des Oxidationsverfahrens Hochtemperaturschritte oder weitere Schritte, die eine mechanische Beanspruchung für den Halbleiterschichtstapel darstellen können, wie beispielsweise das Aufbringen neuer Materialien, durchzuführen. Dadurch kann das Herstellungsverfahren optimiert werden. Als weiteres Ergebnis wird das Leistungsvermögen der Halbleiterbauelemente verbessert.
2C fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, umfasst das Ausbilden (S110) eines Halbleiterschichtstapels, der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht, eine Al_zGa_i-_zAs-haltige Schicht sowie eine zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht angeordnete Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht aufweist, mit 0≤x<1, 0≤z<1, 0,02<y<0,12, 0≤k<0, 02 und das Durchführen (S210) eines Oxidationsverfahrens, wodurch die Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht mindestens teilweise oxidiert wird, wodurch ein isolierender Bereich erzeugt wird.
Gemäß Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf die 1A bis 2C beschrieben worden sind, wird eine indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht 112, die beispielsweise die Zusammensetzung Al_1-y-kIn_yGa_kAs hat und nach Aufbringen eine Druckverspannung aufweist, anstelle der üblichen AlGaAs-Schicht mit hohem Al-Gehalt verwendet.
Gemäß Ausführungsformen, die nachfolgend beschrieben werden, ist es zur Ausbildung eines isolierenden Bereichs auch möglich, die herkömmlich verwendete AlGaAs-Schicht zu verwenden, wobei eine indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht 117 als Spacerschicht angrenzend an diese Schicht vorgesehen ist. Die indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht 117 kann beispielsweise druckverspannt sein. Wie in 3A gezeigt ist, umfasst der Halbleiterschichtstapel eine Al_yGa_1-yAs-Schicht 114, die zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht 111 und der Al_zGa_1-zAshaltigen Schicht 113 angeordnet ist. Der Al-Gehalt der Al_yGa_1yAs-Schicht 114 ist größer als der Al-Gehalt der AlGaAshaltigen Schichten 111 und 113. Beispielsweise kann das stöchiometrische Verhältnis von Al größer 0,7 sein. Die indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht 117 kann beispielsweise die Zusammensetzung Al_x'In_y'Ga_1-x'-y'As haben, mit 0 < x'< 0,7 und 0,02<y' < 0,26.
Die AlGaAs-Schicht 114 kann beispielsweise vor der Oxidation druckverspannt sein. Aus diesem Grunde kann es günstig sein, wenn eine Schichtdicke der Al_yGa_1-yAs-Schicht 114 kleiner als 15 nm ist. Beispielsweise kann eine Schichtdicke der indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschicht 117 kleiner 10 nm sein. Beispielsweise kann die indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht 117 an eine Seite der Al_yGa_1-yAs-Schicht 114 angrenzen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht 117 auch auf beiden Seiten der Al_yGa_1-yAs-Schicht 114 angeordnet sein. Die indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht 117 kann an die Al_yGa_1-yAs-Schicht 114 direkt angrenzen. Weitere Schichten des Werkstücks 15 sind wie unter Bezugnahme auf 1A beschrieben.
3B zeigt eine Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers nach Durchführung des Oxidationsverfahrens. Als Ergebnis bildet sich im Randbereich eine AlGaOAs-Schicht 122 aus. Im mittleren Bereich des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 10 verbleibt die nicht oxidierte Al_yGa_1-yAs-Schicht 114 und bildet somit die Apertur des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 10 aus. Die weiteren Komponenten sind wie unter Bezugnahme auf 2A beschrieben.
3C fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen. Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements umfasst das Ausbilden (S210) eines Halbleiterschichtstapels, der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht, eine erste Al_yGa_1-yAs-Schicht, eine Al_zGa_i-_zAs-haltige Schicht sowie eine an die erste Al_yGa_1-yAs-Schicht angrenzende erste indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht-Schicht aufweist, wobei die erste Al_yGa_1-yAs-Schicht zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht angeordnet ist, mit 0≤x<1, 0≤y<1, y>x, y>z, und y>0,7, und Durchführen (S220) eines Oxidationsverfahrens, wodurch die erste Al_yGa_1-yAs-Schicht mindestens teilweise oxidiert wird, wodurch ein isolierender Bereich erzeugt wird.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann bei dem in 3A gezeigten Werkstück anstelle der Al_yGa_1-yAs-Schicht 114 auch eine phosphorhaltige Al_yGa_1-yAsP-Schicht 119 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Al_yGa_1-yAsP-Schicht 119 die Zusammensetzung Al_0,98Ga_0,02As_1-xP_x haben, wobei 0,1 < x < 0,6 ist. Die Schichtdicke kann weniger als 10 nm betragen. Der stöchiometrische Anteil von P kann beispielsweise kleiner als 0,6 sein. Der stöchiometrische Anteil von P kann größer als 0,1 sein. Diese Anteilsangaben gelten unabhängig vom stöchiometrischen Anteil von Al und Ga.
Beispielsweise kann die phosphorhaltige Al_yGa_1-yAsP-Schicht 119 vor der Oxidation zugverspannt sein. Beispielsweise kann ein geringer Phosphor-Anteil von weniger als beispielsweise 5% im stöchiometrischen Verhältnis zu einer Zugverspannung in den AlGaAsP-Schichten führen. Auf diese Weise kann die phosphorhaltige Al_yGa_1-yAsP-Schicht 119 die Druckverspannung der angrenzenden indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschichten 117 kompensieren. Als Ergebnis wird die Gesamtverspannung des Halbleiterschichtstapels vor Durchführung des Oxidationsverfahrens verringert oder sogar kompensiert.
Bei Durchführung eines Oxidationsverfahrens bildet sich in diesem Fall als oxidierte Schicht eine AlGaAsPO-Schicht 117 aus. Im zentralen Bereich des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers in 3B verbleibt die Al_yGa_1-yAsP-Schicht 119. Beispielsweise bricht bei einem nassen thermischen Oxidationsverfahren, beispielsweise in Wasserdampf, der Sauerstoff vorwiegend die halbkovalenten Bindungen zwischen Aluminium, Arsen und Phosphor auf, wobei Aluminiumoxide ausgebildet werden. Dabei wird der Wasserstoff mit Arsen oder Phosphor gebunden, wobei Arsin (AsH₃) und Phosphin (PH₃) oder molekularer Wasserstoff, atomares Arsen und Phosphor ausgebildet werden. All diese Nebenprodukte sind bei hohen Temperaturen sehr volatil. Es wird erwartet, dass sie mindestens teilweise aus der Struktur ausdiffundieren. Phosphor und Phosphin haben sogar eine höhere Volatilität als Arsen und Arsin. Daher sollte die Ausgasrate von Phosphor und Phosphin viel größer als die von Arsen und Arsin sein. Als Ergebnis wird die sich ergebende Zugverspannung in der verspannungsoptimierten oxidierten Schicht, die sich durch Oxidation von AlGaAsP ergibt, ähnlich sein wie bei der oxidierten Standardschicht, die sich durch Oxidation von AlGaAs ergibt. Allerdings ergibt sich eine niedrigere relative Volumenveränderung. Aufgrund der druckverspannten angrenzenden indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschichten ist die Gesamtverspannung in diesem Halbleiterschichtstapel verringert oder sogar kompensiert im Vergleich zu dem herkömmlichen Schichtstapel. Als Ergebnis kann die Schichtdicke der Oxidschicht signifikant erhöht werden. Als Ergebnis kann eine spannungsfestere Isolationsschicht bereitgestellt werden, die in Leistungs- und Hochspannungsbauelementen, beispielsweise Leistungstransistoren verwendet werden kann.
3D fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements umfasst das Ausbilden (S310) eines Halbleiterschichtstapels, der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht, eine erste Al_yGa_1-yAsP-Schicht, eine Al_zGa_1-zAs-haltige Schicht sowie eine an die erste Al_yGa_1-yAsP-Schicht angrenzende erste indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht aufweist, wobei die erste Al_yGa_1yAsP-Schicht zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht angeordnet ist, mit 0≤x<1, 0≤y<1, y>x, y>z, und y>0,7, und das Durchführen (S320) eines Oxidationsverfahrens, wodurch die erste Al_yGa_1-yAsP-Schicht mindestens teilweise oxidiert wird, wodurch ein isolierender Bereich erzeugt wird.
Das unter Bezugnahme auf die 3A und 3B beschriebene Konzept kann auch auf den Fall angewandt werden, bei dem ein Halbleiterbauelement 15 bereitgestellt werden soll, bei dem zwei Bauelementbereiche 140, 145 voneinander isoliert werden sollen. Anders als im Fall des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist hier jedoch unter Umständen erforderlich, dass die isolierende Schicht eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweist. In diesem Fall kann ein Schichtstapel 123 verwendet werden, der eine Vielzahl von (In)AlGaAs-Schichten 117 und 114 oder phosphorhaltigen AlGaAsP-Schichten 119 aufweist, wie in 4A veranschaulicht ist.
Das in 4A veranschaulichte Werkstück 15 weist einen ersten und zweiten Bauelementbereich 140, 145 auf. Zwischen diesen Bereichen ist der Schichtstapel 123 angeordnet, der abwechselnd angeordnete (In)AlGaAs-Schichten 117 und 114 oder AlGaAsP-Schichten 119 aufweist. Ein Beispiel einer Schichtdicke des Schichtstapels beträgt bei Verwendung der Al_yGa_1-yAs-Schichten 114 60 nm. Werden die Al_yGa_1-yAsP-Schichten 119 verwendet, so gibt es keine Begrenzung der Schichtdicke nach oben. Beispielsweise kann die Schichtdicke des Schichtstapels bei Verwendung von AlGaAsP-Schichten 119 mehr als 1 µm, beispielsweise 2 µm betragen. Beispielsweise kann in diesem Fall die Schichtdicke des Schichtstapels kleiner als 5 µm sein.
Nach Durchführung eines Oxidationsverfahrens kann beispielsweise das in 4B gezeigte Halbleiterbauelement 20 erhalten werden, bei dem der erste und zweite Bauelementbereich 140, 145 durch den isolierenden Schichtstapel 148 voneinander isoliert sind. Der isolierende Schichtstapel 148 weist abwechselnd angeordnete InAlGaAs-Schichten 117 und AlGaOAs-Schichten 122 auf. Die InAlGaAs-Schichten sind druckverspannt und kompensieren daher die Zugspannung in den AlGaOAs-Schichten. Aufgrund der erhöhten Schichtdicke des isolierenden Schichtstapels 148 sind der erste und der zweite Bauelementbereich 140, 145 sehr gut voneinander isoliert.
Beispielsweise können die AlGaOAs-Schichten 122 durch Oxidation von AlGaAsP-Schichten 119 erzeugt worden sein. Bei Verwendung eines Schichtstapels, der AlGaAsP-Schichten sowie daran angrenzende indiumhaltige Verbindungshalbleiterschichten 117 aufweist, kann die Zugverspannung der AlGaAsP-Schichten die Druckverspannung der indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschichten teilweise oder vollständig kompensieren. In diesem Fall kann die Schichtdicke des Schichtstapels 148 beliebig groß sein. Beispielsweise kann eine Schichtdicke des Schichtstapels 148 größer als 60 nm sein.
Gemäß Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf die 3A bis 4B beschrieben worden sind, kann die indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht, die an die zu oxidierende AlGaAs(P)-Schicht angrenzt, eine Druckverspannung aufweisen, während die oxidierte AlGaOAs-Schicht zugverspannt ist. Durch die angrenzende druckverspannte Schicht kann somit die Verspannung der AlGaOAs-Schicht kompensiert werden. Als Ergebnis weist der sich ergebende Schichtstapel eine geringere Verspannung als die AlGaOAs-Schicht auf. Als weiteres Ergebnis wird die mechanische Stabilität der oxidierten Schicht und der angrenzenden Schichten verbessert.
Die Durchschlagsfestigkeit des isolierenden Schichtstapels 148, der in 4B gezeigt ist, kann durch verschiedene Maßnahmen weiter erhöht werden. Dies ist beispielsweise in 5A oder 5B gezeigt. Wie in 5A gezeigt ist, weist das Halbleiterbauelement 20 zwei isolierende Schichten auf, die Bereiche einer Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht 118 enthalten. Die Bereiche der Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht 118 können beispielsweise gemäß dem Verfahren, das unter Bezugnahme auf die 1B und 2B beschrieben worden ist, hergestellt werden. Aufgrund der Oxidation kann die Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht 118 amorphe Bereiche mit einem variierenden Zusammensetzungsverhältnis enthalten. Zwischen den isolierenden Schichten, die Bereiche einer Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht 118 enthalten, kann eine halbisolierende Halbleiterschicht 150 angeordnet sein.
Beispielsweise kann die halbisolierende Halbleiterschicht 150 eine beliebige Schichtdicke je nach Anforderung des Halbleiterbauelements haben. Die halbisolierende Halbleiterschicht 150 kann beispielsweise ein möglichst wenig oder undotiertes Halbleitermaterial mit einer großen Bandlücke enthalten, beispielsweise GaAs oder AlGaAs. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Halbleitermaterial der halbisolierenden Halbleiterschicht 150 auch zur Kompensation möglicher Verspannungen gitterangepasstes GaAsP, AlAsP oder ganz allgemein AlGaAsP enthalten. Alternativ kann die halbisolierende Halbleiterschicht auch mit Donatoren und Akzeptoren gleichzeitig dotiert sein, um zusätzlich die Beweglichkeit zu verschlechtern. Beispielsweise kann die jeweilige Konzentration der Donatoren und Akzeptoren in Abhängigkeit der Ionisierungs-Energien und der Temperatur genau eingestellt werden, um einen hohen Widerstand einzustellen. Beispielsweise kann die halbisolierende Halbleiterschicht auch n-dotiert sein, um eine Kohlenstoffverunreinigung zu kompensieren.
Bei dem in 5B gezeigten Halbleiterbauelement kann eine zusätzliche Isolierung durch einen Halbleiterschichtstapel, der eine npn- oder pnp-Struktur darstellt, verwirklicht werden. Das in 5B gezeigte Halbleiterbauelement 20 weist wiederum einen ersten und einen zweiten Bauelementbereich 140, 145 auf. Eine Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht 118 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Bauelementbereich 140, 145 vorgesehen. Die Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht 118 kann mit dem Verfahren, das unter Bezugnahme auf die 1B und 2B beschrieben worden ist, hergestellt sein. Weiterhin umfasst das Bauelement 20 eine erste Halbleiterschicht 151 von einem ersten Leitfähigkeitstyp sowie eine Halbleiterschicht 152 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp. Die zweite Halbleiterschicht 152 ist jeweils auf beiden Seiten von der ersten Halbleiterschicht 151 umschlossen. Je nach Dotierung der ersten und der zweiten Halbleiterschicht 151, 152 ergibt sich somit eine npn- oder pnp-Struktur. Die isolierende Struktur 149 kann ein oder zwei isolierende Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schichten 118 aufweisen, wobei beispielsweise die isolierende Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht 118 auf beiden Seiten oder auf einer Seite der pnp- oder npn-Schichtstruktur angeordnet sein kann.
5C zeigt ein weiteres Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsformen, welches als kantenemittierender Laser 30 ausgeführt ist. Über einem Substrat 100 sind mehrere Laserelemente 154 übereinandergestapelt. Beispielsweise kann das Substrat 100 eine Al_zGa_i-_zAs-haltige Schicht 113 aufweisen. Jedes der Laserelemente 154 weist eine erste Halbleiterschicht 116 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-leitend, eine zweite Halbleiterschicht 120 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend sowie eine zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht 116, 120 angeordnete aktive Zone 115 auf. Beispielsweise kann die zweite oder die erste Halbleiterschicht 120, 160 eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht 111 aufweisen. Ein optischer Resonator 105 eines jeden Laserelements 154 verläuft in einer horizontalen Richtung. Die Laserelemente 154 sind in vertikaler Richtung übereinander angeordnet und jeweils durch einen Tunnelkontakt 137 miteinander elektrisch verbunden. Ein erstes Kontaktelement 132 zur elektrischen Kontaktierung der ersten Halbleiterschicht 116 ist beispielsweise angrenzend an das Substrat 100 auf der von der ersten Halbleiterschicht 116 abgelegenen Seite angeordnet. Ein zweites Kontaktelement 135 zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Halbleiterschicht 120 ist beispielsweise auf der Oberseite des Halbleiterschichtstapels angeordnet.
Ein Tunnelkontakt 137 umfasst generell einen pn- oder pin-Übergang mit jeweils sehr hoch dotierten Schichten, der in Sperrrichtung zu einer von außen an das Halbleiterbauelement angelegten Spannung angeordnet ist. Eine p⁺⁺-dotierte Schicht, eine n⁺⁺-dotierte Schicht sowie optional eine intrinsische Zwischenschicht stellen den Tunnelkontakt 137 dar. Durch den Tunnelkontakt 137, dessen n-Seite mit dem positiven Anschluss verbunden ist, werden Löcher in das Laserelement 154 injiziert. Im Bereich der aktiven Zone 115 rekombinieren die injizierten Löcher mit den durch den negativen Anschluss bereitgestellten Elektronen unter Emission von Photonen.
Zwischen dem Substrat 100 und der angrenzenden ersten Halbleiterschicht 116 ist ein isolierender Schichtbereich 118, 122 angeordnet. Dieser kann gemäß den vorstehend beschriebenen Verfahren, die unter Bezugnahme auf die 1A, 2A, 3A, 4A beschrieben worden sind, ausgebildet sein. Ferner ist ein weiterer isolierender Schichtbereich 118, 122 zwischen dem untersten Laserelement 154 und dem mittleren Laserelement 154 angeordnet. Auch dieser isolierende Bereich kann mit dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt worden sein. Dieser weitere isolierende Schichtbereich 118, 122 kann beispielsweise dünner als der unterste isolierende Schichtbereich 118, 122 sein. Weiterhin kann dieser weitere isolierende Schichtbereich 118, 122 weniger Al enthalten. Auf diese Weise erfolgt die Oxidation bei Durchführung eines thermischen Oxidationsverfahrens langsamer als bei dem untersten isolierenden Schichtbereich. Als Ergebnis werden jeweils Aperturen 106 mit ähnlicher lateraler Ausdehnung ausgebildet. Aufgrund der hohen Querleitfähigkeit in den hochdotierten Tunnelkontakten 137 wird das durch das zweite Kontaktelement 135 definierte Stromprofil aufgeweitet. Die Oxid-Aperturen 106 zwischen dem Substrat und dem untersten und mittleren Laserelement 154 führen einerseits zu einer lateralen Eingrenzung des Strompfads. Als Ergebnis werden gleiche oder ähnliche Nahfeldweiten der gestapelten Laserelement 154 erreicht. Weiterhin wird vermieden, dass der Strom die Mesaflanken erreicht. Als Ergebnis werden Verluste durch nichtstrahlende Oberflächenrekombination sowie ein ineffizientes Pumpen am Emitterrand vermieden. Weiterhin wird ein definierteres Nahfeldprofil erhalten.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
Bezugszeichenliste

10: oberflächenemittierender Halbleiterlaser
15: Werkstück
20: Halbleiterbauelement
30: kantenemittierender Halbleiterlaser
100: Substrat
105: optischer Resonator
106: Apertur
109: erste Hauptoberfläche
110: Halbleiterschichtstapel
111: Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht
112: Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht
113: Al_zGa_1-zAs-haltige Schicht
114: Al_yGa_1-yAs-Schicht
115: aktive Zone
116: erste Halbleiterschicht
117: indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht
118: Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht
119: Al_yGa_1-yAsP-Schicht
120: zweite Halbleiterschicht
122: AlGaAsPO-Schicht
123: Schichtstapel
125: erster Resonatorspiegel
130: zweiter Resonatorspiegel
132: erstes Kontaktelement
135: zweites Kontaktelement
137: Tunnelkontakt
140: erster Bauelementbereich
143: Halbleiterkomponente
145: zweiter Bauelementbereich
148: isolierender Schichtstapel
149: isolierende Struktur
150: halbisolierende Halbleiterschicht
151: Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp
152: Halbleiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp
154: Laserelement

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (20), umfassend: Ausbilden (S110) eines Halbleiterschichtstapels (110), der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht (111), eine Al_zGa_1-zAshaltige Schicht (113) sowie eine zwischen der Al_xGa_1-xAshaltigen Schicht (111) und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht (113) angeordnete Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht (112) aufweist, mit 0≤x<1, 0≤z<1, 0,02<y<0,12, 0≤k<0,05 und Durchführen (S120) eines Oxidationsverfahrens, wodurch die Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schicht (112) mindestens teilweise oxidiert wird, wodurch ein isolierender Bereich erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (20), umfassend: Ausbilden (S210) eines Halbleiterschichtstapels (110), der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht (111), eine erste Al_yGa_1-yAs-Schicht(114), eine Al_zGa_i-_zAs-haltige Schicht (113) sowie eine an die erste Al_yGa_1-yAs-Schicht (114) angrenzende erste indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht-Schicht (117) aufweist, wobei die erste Al_yGa_1-yAs-Schicht (114) zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht (111) und der Al_zGa_1-zAs-haltigen (113) Schicht angeordnet ist, mit 0≤x<1, 0≤y<1, y>x, y>z, und y>0,95, und Durchführen (S220) eines Oxidationsverfahrens, wodurch die erste Al_yGa_1-yAs-Schicht (114) mindestens teilweise oxidiert wird, wodurch ein isolierender Bereich erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Halbleiterschichtstapel (110) ferner eine zweite indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht (117) aufweist, die an die erste Al_yGa_1-yAs-Schicht (114) angrenzt und auf einer von der ersten indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschicht (117) abgewandten Seite der ersten Al_yGa_1-yAs-Schicht (114) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein Material der ersten und/oder zweiten indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschicht (117) Al_x'In_y'Ga_1-x'-y'As ist, mit 0<x'<0,7 und 0,02<y'<0,26.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei eine Schichtdicke der ersten Al_yGa_1-yAs-Schicht (114) kleiner als 15 nm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei eine Schichtdicke der indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschicht (117) kleiner als 10 nm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Schichtstapel (110) eine Abfolge von mehreren Al_yGa_1-yAs-Schichten (114) mit jeweils zwischen den einzelnen Al_yGa_1-yAs-Schichten angeordneten indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschichten (117) enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine Anzahl an Al_yGa_1-yAs-Schichten (114) kleiner als 5 ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schichten (112) oder Al_yGa_1yAs-Schichten (114) und eine halbisolierende Halbleiterschicht (150) zwischen den zwei Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schichten (112) oder Al_yGa_1-yAs-Schichten (114) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens zwei Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schichten (112) oder Al_yGa_1-yAs-Schichten (114) und eine erste Halbleiterschicht (151) eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine zweite Halbleiterschicht (152) eines zweiten Leitfähigkeitstyps sowie eine dritte Halbleiterschicht (151) des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen den zwei Al_1-y-kIn_yGa_kAs-Schichten (112) oder Al_yGa_1-yAs-Schichten (114) ausgebildet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (20), umfassend: Ausbilden (S310) eines Halbleiterschichtstapels (110), der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht (111), eine erste Al_yGa_1-yAsP-Schicht (119), eine Al_zGa_1-zAs-haltige Schicht (113) sowie eine an die erste Al_yGa_1-yAsP-Schicht (119) angrenzende erste indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht (117) aufweist, wobei die erste Al_yGa_1-yAsP-Schicht (119) zwischen der Al_xGa_1xAs-haltigen Schicht (111) und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht (113) angeordnet ist, mit 0≤x<1, 0≤y<1, y>x, y>z, und y>0,95, und Durchführen (S320) eines Oxidationsverfahrens, wodurch die erste Al_yGa_1-yAsP-Schicht (119) mindestens teilweise oxidiert wird, wodurch ein isolierender Bereich erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Halbleiterschichtstapel (110) ferner eine zweite indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht (117) aufweist, die an die erste Al_yGa_1-yAsP-Schicht (119) angrenzt und auf einer von der ersten indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschicht (117) abgewandten Seite der ersten Al_yGa_1-yAsP-Schicht (119) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein Material der ersten und/oder zweiten indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschicht (117) Al_x,In_y-Ga_1-x'-y'As ist, mit 0<x'<0,7 und 0,02<y'<0,26.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei eine Schichtdicke der ersten Al_yGa_1-yAsP-Schicht (119) kleiner als 10 nm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei eine Schichtdicke der indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschicht (117) kleiner als 10 nm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der Schichtstapel (110) eine Abfolge von mehreren Al_yGa_1-yAsP-Schichten (119) mit jeweils zwischen den einzelnen Al_yGa_1-yAsP-Schichten (119) angeordneten indiumhaltigen Verbindungshalbleiterschichten (117) enthält.
Halbleiterbauelement (10, 20, 30) mit einem Halbleiterschichtstapel (110), der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht (111), eine Al_zGa_1-zAshaltige Schicht (113) sowie Bereiche einer zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht (111) und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht (113) angeordneten Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht (118) aufweist, mit 0≤x<1, 0≤z<1, 0,02<y<0,12, k<0,05 und wobei die Bereiche der Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht (118) einen isolierenden Bereich darstellen.
Halbleiterbauelement (10, 20, 30) mit einem Halbleiterschichtstapel (110), der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht (111), Bereiche einer ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht (122), eine Al_zGa_1-zAs-haltige Schicht (113) sowie eine an die Bereiche der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht (122) angrenzende erste indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht (117) aufweist, wobei die Bereiche der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht (122) zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht (111) und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht (113) angeordnet sind, mit 0≤x<1, 0≤y<1, y>x, y>z, und y>0,95, und die Bereiche der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht (122) einen isolierenden Bereich darstellen.
Halbleiterbauelement (10, 20, 30) mit einem Halbleiterschichtstapel (110), der eine Al_xGa_1-xAs-haltige Schicht (111), Bereiche einer ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht (122), eine Al_zGa_1-zAs-haltige Schicht (113) sowie eine an die Bereiche der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht (122) angrenzende erste indiumhaltige Verbindungshalbleiterschicht (117) aufweist, wobei die Bereiche der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht (122) zwischen der Al_xGa_1-xAs-haltigen Schicht (111) und der Al_zGa_1-zAs-haltigen Schicht (113) angeordnet ist, mit 0≤x<1, 0≤y<1, y>x, y>z, und y>0,95, und die Bereiche der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht (122) einen isolierenden Bereich darstellen.
Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, welches als oberflächenemittierender Halbleiterlaser (VCSEL) ausgebildet ist, wobei die Bereiche der Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht (118) oder der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht (122) eine Apertur (106) zur Stromführung im Halbleiterlaser bildet.
Halbleiterbauelement (20) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Bereiche der Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht (118) oder der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht (122) geeignet sind, zwei Bauelementbereiche (140, 145) des Halbleiterbauelements (20) voneinander zu isolieren.
Halbleiterbauelement (30) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, welches als kantenemittierender Halbleiterlaser mit mehreren übereinander angeordneten Laserelementen (154) ausgebildet ist, wobei die Bereiche der Al_1-y-kIn_yGa_kOAs-Schicht (118) oder der ersten Al_yGa_1-yOAs-Schicht (122) eine Apertur (106) zur Stromführung im Halbleiterlaser (30) bildet.