DE10361659A1 - Verfahrem zum Herstellen einer epitaktischen Bauelementschichtenfolge und optoelektronischer Halbleiterchip - Google Patents

Verfahrem zum Herstellen einer epitaktischen Bauelementschichtenfolge und optoelektronischer Halbleiterchip Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer epitaktischen Bauelementschichtenfolge auf der Basis eines ersten III/V-Verbindungshalbleitermaterialsystems mit einem ersten Gruppe V-Element auf einem Substrat oder einer Pufferschicht angegeben, das bzw. die ein Material auf der Basis eines zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialsystems mit einem zweiten Gruppe V-Element umfaßt, das von dem ersten Gruppe V-Element verschieden ist. Auf das Substrat bzw. auf die Pufferschicht wird vor dem Aufbringen der epitaktischen Bauelementschichtenfolge mindestens eine Schichtabfolge mit einer ersten und einer zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht aufgebracht, wobei die erste und die zweite III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht voneinander verschiedene Zusammensetzungen aufweisen und sowohl das erste als auch das zweite Gruppe V-Element enthalten und die erste III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht eine quinternäre Zusammensetzung aufweist und die zweite III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht eine quaternäre Zusammensetzung aufweist. Weiterhin wird ein entsprechender optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer epitaktischen Bauelementschichtenfolge auf der Basis eines ersten III/V-Verbindungshalbleitermaterialsystems mit einem ersten Gruppe V-Element auf einem Substrat oder einer Pufferschicht, das bzw. die ein Material auf der Basis eines zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialsystems mit einem zweiten Gruppe V-Element umfaßt, das von dem ersten Gruppe V-Element verschieden ist. Sie bezieht sich weiterhin auf einen entsprechenden optoelektronischen Halbleiterchip.
  • Insbesondere bei optoelektronischen Halbleiterchips auf der Basis solcher Verbindungshalbleitermaterialien, die in der Regel auf Substraten epitaktisch aufgewachsen werden, die nicht aus dem gleichen Materialsystem stammen wie das der Bauelement-Schichtenfolge, bedarf es einer Verringerung des Einflusses der Substratqualität auf die sogenannten aktiven Schichten der Bauelement-Schichtenfolge. Dies ist insbesondere für entsprechende Halbleiter-Laserdiodenchips, und hier wiederum ganz besonders für solche mit InGaAlP-basierter Laserdiodenstruktur, die häufig auf GaAs-Substrate aufgewachsen wird, von besonderer Bedeutung. Ähnliches gilt aber beispielsweise auch für andere optoelektronische Halbleiterchips auf der Basis von InGaAlP.
  • Unter die Gruppe von optoelektronischen, sprich strahlungsemittierenden und/oder strahlungsdetektierenden Halbleiterchips auf der Basis von InGaAlP fallen vorliegend insbesondere solche Chips, bei denen die epitaktisch hergestellte strahlungserzeugende Halbleiterschichtenfolge, die in der Regel eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In- xAlyGa1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1,0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1 aufweist. Die Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Strukur) aufweisen. Solche Strukturen sind dem Fachmann bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem der Einfluss der Substratqualität insbesondere auf die optischen und elektrischen Qualitäten der Bauelement-Schichtenfolge sowie der Alterungsstabilität verringert werden kann. Weiterhin soll ein entsprechender optoelektronischer Halbleiterchip angegeben werden.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. durch einen optoelektronischen Halbleiterchip mit den Merkmalen des Patentanspruches 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens und des Halbleiterchips sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 bzw. 8 bis 11 angegeben.
  • Bei dem Verfahren wird auf das Substrat bzw. auf die Pufferschicht vor dem Aufbringen der epitaktischen Bauelement-Schichtenfolge mindestens eine Schichtabfolge mit einer ersten und einer zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht aufgebracht. Die erste und die zweite III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht weisen dabei voneinander verschiedene Zusammensetzungen auf und enthalten sowohl das erste als auch das zweite Gruppe V-Element. Damit wird vorzugsweise ein rampenartiger Übergang von Wachstum, das mit dem zweiten Gruppe V-Element stabilisiert ist, zum Wachstum, das mit dem ersten Gruppe V-Element stabilisiert ist, erzeugt.
  • Die erste III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht weist eine quinternäre Zusammensetzung auf (diese können bei mehreren ersten III/V-Verbindungshalbleitermaterialschichten auch unterschiedlich sein) auf und die zweite III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht weist eine quaternäre Zusammensetzung auf (diese können bei mehreren ersten III/V-Verbindungshalbleitermaterialschichten auch unterschiedlich sein).
  • Bevorzugt wird auf das Substrat bzw. auf die Pufferschicht vor dem Aufbringen der epitaktischen Bauelement-Schichtenfolge eine Mehrzahl von Schichtabfolgen mit jeweils einer ersten und einer zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht aufgebracht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform nimmt der Gehalt des zweiten Gruppe V-Elements in der Mehrzahl von Schichtabfolgen in Richtung vom Substrat bzw. von der Pufferschicht zur epitaktischen Bauelement-Schichtenfolge hin im Mittel ab.
  • Das Verfahren eignet sich bevorzugt zur Herstellung von Halbleiterchips, bei denen das Substrat ein GaAs-Substrat oder ein auf GaAs basiertes Substrat, die Bauelement-Schichtenfolge eine auf InxGayAl1-X-yP basierende III/V-Verbindungshalbleiterschichtenfolge mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1 und die erste(n) III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht(en) quinternäre InxGayAl1-x-yAszP1-z-Schichten mit 0 < x ≤ 1, 0 < y ≤ 1; x+y ≤ 1 und 0 < z < 1 und die zweite(n) III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht(en) quaternäre InxGayAl1-x-yAszP1-z-Schichten mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1; x+y ≤ 1 und 0 < z < 1 sind.
  • Die Schichtdicken der ersten und der zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht(en) liegen vorzugsweise zwischen einschließlich 1 nm und einschließlich 50 nm.
    •
  • Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens und des Halbleiterchips ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit der Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel.
  • Die Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Halbleiterchips, der nach einem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist.
  • Die im Ausführungsbeispiel dargestellten Schichtdicken sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Sie sind vielmehr zum besseren Verständnis übertrieben dick und nicht mit den tatsächlichen Dickenverhältnissen zueinander dargestellt.
  • Bei dem Halbleiterchip gemäß 1 handelt es sich um einen Laserdiodenchip 1 mit einer laseraktiven Bauelement-Schichtenfolge 2 auf Basis von InGaAlP, die auf einem einem GaAs-Substrat 3 epitaktisch aufgewachsen ist.
  • Dazu wird zunächst auf das Substrat 3 eine n-dotierte GaAs-Pufferschicht 4 epitaktisch aufgewachsen, auf der nachfolgend vier Schichtpaare (Schichtabfolgen) 5,6,7,8 mit jeweils einer n-dotierten InGaAlAsP-Schicht 51,61,71,81 (Dicke beispielsweise jeweils 20 nm) und jeweils einer n-dotierten GaAlAsP-Schicht 52,62,72,82 (Dicke beispielsweise jeweils 4 nm) epitaktisch aufgewachsen werden, und zwar derart, dass in der Schichtfolge die InGaAlAsP-Schichten und GaAlAsP-Schichten einander abwechseln. Der P-Gehalt kann dabei in den Schichtpaaren in Richtung vom Substrat zur Bauelement-Schichtenfolge hin gegenüber dem As-Gehalt zumindest im Mittel zunehmen.
  • Auf den vier Schichtpaaren 5,6,7,8 wird dann eine herkömmliche Multi-Quantentopf-Laserdiodenstruktur als Bauelement-Schichtenfolge 2 aufgewachsen.
  • Das epitaktische Aufwachsen erfolgt beispielsweise mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE).
  • Bei dem Ausführungsbeispiel werden neben einem gezielten Einbau von (an der Wachstumsfront mitmigrierenden) Fremdatomen an den Heterogrenzflächen durch den In-Gehalt Versetzungsdefekte abgefangen und durch die gezielte Mischung von beiden Gruppe V-Elementen die Kristall- und Grenzflächenqualität erhöht. Durch die Beimischung von Phosphor in den Schichtpaaren 5,6,7,8 kann eine durch den In-Gehalt verursachte Absenkung der Bandkante kompensiert werden, um die elektrische Leitfähigkeit der Schichtpaare zu erhöhen und Absorption zu verhindern. Durch eine gezielte Verspannung der Schichtpaare (Übergitter) kann eine gewünschte Verspannung der gesamten Bauteilstruktur eingestellt werden. Durch die Mischung beider Gruppe V-Elemente erfolgt ein rampenartiger Übergang von hier As-stabilisiertem zu P-stabilisiertem Wachstum.
  • Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das konkret beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erstreckt sich auf sämtliche Verfahren und Halbleiterchips, die die prinzipiellen Merkmale der Erfindung aufweisen. Insbesondere ist die Erfindung grundsätzlich auf sämtliche III/V-Verbindungshalbleitermaterialsysteme aber auch auf II/VI-Verbindungshalbleitermaterialsysteme anwendbar.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Herstellen einer epitaktischen Bauelementschichtenfolge auf der Basis eines ersten III/V-Verbindungshalbleitermaterialsystems mit einem ersten Gruppe V-Element auf einem Substrat oder einer Pufferschicht, das bzw. die ein Material auf der Basis eines zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialsystems mit einem zweiten Gruppe V-Element umfaßt, das von dem ersten Gruppe V-Element verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat bzw. auf die Pufferschicht vor dem Aufbringen der epitaktischen Bauelement-Schichtenfolge mindestens eine Schichtabfolge mit einer ersten und einer zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht aufgebracht wird, wobei die erste und die zweite III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht voneinander verschiedene Zusammensetzungen aufweisen und sowohl das erste als auch das zweite Gruppe V-Element enthalten und die erste(n) III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht eine quinternäre Zusammensetzung aufweist und die zweite III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht eine quaternäre Zusammensetzung aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat bzw. auf die Pufferschicht vor dem Aufbringen der epitaktischen Bauelement-Schichtenfolge eine Mehrzahl von Schichtabfolgen mit jeweils einer ersten und einer zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht aufgebracht werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des zweiten Gruppe V-Elements in der Mehrzahl von Schichtabfolgen in Richtung vom Substrat bzw. von der Pufferschicht zur epitaktischen Bauelement-Schichtenfolge hin im Mittel abnimmt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein GaAs-Substrat oder ein auf GaAs basiertes Substrat ist, die Bauelement-Schichtenfolge eine auf InxGayAl1-x-yP basierende III/V-Verbindungshalbleiterschichtenfolge mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1 ist, und die erste(n) III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht(en) quinternäre InxGayAl1-x-yAszP1-z-Schichten mit 0 < x ≤ 1, 0 < y ≤ 1; x+y ≤ 1 und 0 < z < 1 und die zweite(n) III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht(en) quaternäre InxGayAl1-x-yAszP1-z-Schichten mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1; x+y ≤ 1 und 0 < z < 1 sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Aufwachsen der Schichtabfolge(n) ein rampenartiger Übergang von As-stabilisiertem Wachstum zu P-stabilisiertem Wachstum erzeugt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Schichtdicken der ersten und der zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht(en) zwischen einschließlich 1 nm und einschließlich 50 nm liegen.
  7. Optoelektronischer Halbleiterchip mit einer epitaktischen Bauelementschichtenfolge auf der Basis eines ersten III/V-Verbindungshalbleitermaterialsystems mit einem ersten Gruppe V-Element auf einem Substrat oder einer Pufferschicht, das bzw. die ein Material auf der Basis eines zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialsystems mit einem zweiten Gruppe V-Element umfaßt, das von dem ersten Gruppe V-Element verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrat bzw. der Pufferschicht und der epitak tischen Bauelement-Schichtenfolge mindestens eine Schichtabfolge mit einer ersten und einer zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht angeordnet ist, wobei die erste und die zweite III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht voneinander verschiedene Zusammensetzungen aufweisen und sowohl das erste als auch das zweite Gruppe V-Element enthalten und die erste(n) III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht eine quinternäre Zusammensetzung aufweist und die zweite III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht eine quaternäre Zusammensetzung aufweist.
  8. Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Schichtabfolgen mit jeweils einer ersten und einer zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht vorgesehen ist.
  9. Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des zweiten Gruppe V-Elements in der Mehrzahl von Schichtabfolgen in Richtung vom Substrat bzw. von der Pufferschicht zur epitaktischen Bauelement-Schichtenfolge hin im Mittel abnimmt.
  10. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein GaAs-Substrat oder ein auf GaAs basiertes Substrat ist, die Bauelement-Schichtenfolge eine auf InxGayAl1-x-yP basierende III/V-Verbindungshalbleiterschichtenfolge mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1 ist, und die erste(n) III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht(en) quinternäre InxGayAl1-x-yAszP1-z-Schichten mit 0 < x ≤ 1, 0 < y ≤ 1; x+y ≤ 1 und 0 < z < 1 und die zweite(n) III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht(en) quaternäre InxGayAl-x-yAszP1-z-Schichten mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1; x+y ≤ 1 und 0 < z < 1 sind.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Schichtdicken der ersten und der zweiten III/V-Verbindungshalbleitermaterialschicht(en) zwischen einschließlich 1 nm und einschließlich 50 nm liegen.
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