DE19640005A1 - Halbleitervorrichtung und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Halbleitervorrichtung und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung,
bei dem einer ersten Hauptfläche eines III-V-Halbleiter-
Substrats mindestens eine funktionelle Halbleiterstruktur zu
geordnet ist und bei dem die funktionelle Halbleiterstruktur
von einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten
Hauptfläche des III-V-Halbleiter-Substrats elektrisch iso
liert ist.
Eine derartige Halbleitervorrichtung ist beispielsweise aus
Franklin S. Harris, Jr., Applied Optics, Vol. 27, No. 15, pa
ge 3141, bekannt. Hierin ist ein Fotodioden-Array beschrie
ben, bei dem auf einem sogenannten semiisolierenden GaAs-
Substrat eine Mehrzahl von AlGaAs/GaAs-Fotodioden mono
lithisch integriert sind.
Weiterhin ist aus G. Müller, M. Honsberg, Journal of Optical
Communications 6 (1985), June No. 2, Berlin, Germany, page
42, eine MCRW-Laserstruktur bekannt, die auf einem semiiso
lierenden GaAs-Substrat aufgebracht ist. Das semiisolierende
GaAs-Substrat dient hier dazu, mehrere auf dem Substrat mono
lithisch integrierte Komponenten voneinander elektrisch zu
isolieren.
Die Isolationswirkung von Semiisolierenden Substraten wird
über den Einbau tiefer Störstellen-Niveaus (z. B. Cr bzw. C
bei GaAs-Substraten und Fe bei InP-Substraten) erreicht. Der
Einbau derartiger Dotierstoffe in ein III-V-Kristallgitter
bringt jedoch sowohl in der Herstellung als auch in der Hand
habung eine Reihe von Schwierigkeiten mit sich. So ist es
beispielsweise sehr schwierig, diese Dotierstoffe homogen in
das III-V-Kristallgitter einzubauen, wodurch die Realisierung
einer homogenen Isolationswirkung über die gesamte Fläche ei
nes semiisolierenden Substrats erheblich erschwert ist. Die
Produktionsausbeute bei der Herstellung von Halbleiterbauele
menten mit semiisolierenden Substraten ist daher z. B. im
Vergleich zur Herstellung von Halbleiterbauelementen auf lei
tenden GaAs-Substraten sehr gering.
Ein weiteres Problem von semiisolierenden Halbleitersubstra
ten besteht darin, daß ihre Isolationswirkung schon bei mäßi
ger Temperaturerhöhung drastisch abnimmt, da im Halbleiter
kristall freie Ladungsträger erzeugt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art zu entwickeln,
bei dem die elektrischen Isolationseigenschaften zwi
schen der funktionellen Halbleiterstruktur und der zweiten
Hauptfläche des des III-V-Halbleiter-Substrats möglichst ge
ringen Schwankungen unterworfen sind und bei dem die entspre
chende elektrische Isolationswirkung auch bei üblicherweise
im Betrieb von Halbleiterbauelementen auftretenden Tempera
turerhöhungen, wie sie z. B. insbesondere bei Leistungshalb
leitern sowie in Kraftfahrzeugen
(Umgebungstemperaturschwankungen) vorkommen, ausreichend groß
ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Halbleitervorrichtung mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiter
bildungen und bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsge
mäßen Halbleitervorrichtung sind Gegenstand der Unteransprü
che 2 bis 8. Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen einer
erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ist Gegenstand des
Anspruches 9.
Erfindungsgemäß ist bei einer Halbleitervorrichtung der ein
gangs genannten Art zwischen der funktionellen Halbleiter
struktur und dem III-V-Halbleiter-Substrat mindestens eine
elektrisch isolierende Oxidschicht angeordnet. Dies hat ins
besondere den Vorteil, daß anstelle eines aufwendig herzu
stellenden semiisolierenden Substrates ein wesentlich einfa
cher herstellbares und damit kostengünstigeres leitendes
Substrat verwendet werden kann. Die elektrische Isolation der
funktionellen Halbleiterstruktur von der zweiten Hauptfläche
des III-V-Halbleiter-Substrats übernimmt die elektrisch iso
lierende Oxidschicht.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Halbleitervorrichtung ist ein elektrisch leitendes III-V-
Halbleiter-Substrat vorgesehen, das bei Raumtemperatur eine
Ladungsträgerkonzentration von <1 · 10¹⁵ cm-3 aufweist. Be
sonders vorteilhaft ist, wenn das elektrisch leitende III-V-
Halbleiter-Substrat bei Raumtemperatur, d. h. bei ca. 20°C,
eine Ladungsträgerkonzentration zwischen 1 · 10¹⁶ cm-3 und 1 · 10¹⁹
cm-3 aufweist. Derartige III-V-Halbleiter-Substrate werden für
herkömmliche III-V-Halbleiter-Bauelemente in großen Stückzah
len hergestellt und sind von daher kostengünstig verfügbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Halbleitervorrichtung ist auf der ersten Hauptfläche des do
tierten III-V-Halbleiter-Substrats eine elektrisch isolieren
de Oxidschicht, insbesondere eine AlAs-Oxidschicht, aufge
bracht oder ausgebildet. Auf dieser Oxidschicht ist die funk
tionelle Halbleiterstruktur angeordnet.
Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der erfindungs
gemäßen Halbleitervorrichtung sind dem elektrisch leitenden
III-V-Halbleitersubstrat mindestens zwei monolithisch inte
grierte funktionelle Halbleiterstrukturen zugeordnet. Auf
diese Weise ist eine integrierte Schaltungsanordnung, beste
hend aus einer Mehrzahl von III-V-Halbleiterbauelementen
(funktionelle Halbleiterstrukturen) auf einem einzigen III-V-
Halbleitersubstrat einfach zu realisieren.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Halbleitervorrichtung sind mindestens zwei verschiedenartige
monolithisch integrierte funktionelle Halbleiterstrukturen
auf einem einzigen elektrisch leitenden III-V-Halbleiter-
Substrat vorgesehen sind.
Bei einem bevorzugten Verfahren zum Herstellen einer erfin
dungsgemäßen Halbleitervorrichtung wird zunächst auf einem
vorgefertigten leitend dotierten III-V-Halbleitersubstrat ei
ne elektrisch isolierende Oxidschicht hergestellt. Auf diese
wird dann ein aktives Schichtensystem mindesten einer funk
tionellen Halbleiterstruktur aufgebracht. Nachfolgend werden
mittels Durchtrennen (z. B. Trenn-Ätzen oder Ansägen) des ak
tiven Schichtensystems entlang von Trennlinien zwischen den
funktionellen Halbleiterstrukturen bis zur elektrisch isolie
renden Oxidschicht hin elektrisch voneinander isolierte funk
tionelle Halbleiterstrukturen hergestellt. Diese können dann
natürlich mittels Kontaktmetallisierungen elektrisch mitein
ander verschaltet und ggf. an extern angeordnete weitere Bau
elemente angeschlossen werden. Anstelle des Durchtrennens des
aktiven Schichtensystems können natürlich auch Trenndiffusio
nen vorgesehen sein, die die funktionellen Halbleiterstruktu
ren voneinander elektrisch isolieren. Dabei werden zwischen
den funktionellen Halbleiterstrukturen zusätzliche Dotier
stoffe in das aktive Schichtensystem eingebracht. Derartige
Trenndiffusionen sind in der Halbleitertechnik bekannt und
werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung wird im weiteren
anhand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den
Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht
eines ersten Ausführungsbeispieles der erfindungsge
mäßen Halbleitervorrichtung und
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Aus
führungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Halblei
tervorrichtung.
Bei der funktionellen Halbleiterstruktur 1 von Fig. 1 han
delt es sich um eine MCRW-Laserstruktur 9. Diese ist auf ei
ner Schichtenfolge aufgebracht, bestehend aus einem III-V-
Halbleitersubstrat 3 und einer auf diesem aufgebrachten oder
auf dieser ausgebildeten elektrisch isolierenden Oxidschicht
6. Das III-V-Halbleitersubstrat 3 ist beispielsweise aus n-do
tiertem GaAs hergestellt und die elektrisch isolierende
Oxidschicht 6 besteht beispielsweise aus AlAs-Oxid. Anstelle
der Oxidschicht 6 kann auch jede andere geeignete elektrisch
isolierende Schicht verwendet sein.
Auf einer einer ersten Hauptfläche 11 des III-V-
Halbleitersubstrats 3 - dies ist die Fläche, auf der die er
ste dotierte III-V-Halbleiterschicht aufgebracht ist - gegen
überliegenden zweiten Hauptfläche 12 ist eine Metallisie
rungsschicht 13, z. B. bestehend aus Cr/In, aufgebracht. Die
se dient beispielsweise dazu, die Halbleitervorrichtung auf
eine aus Kupfer gefertigte Wärmesenke aufzulöten. Als Dotier
stoff für das III-V-Halbleitersubstrat 3 sind z. B. die in
der Halbleitertechnik üblicherweise für III-V-Halbleiter ein
gesetzten Dotierstoffe verwendet. Diese werden daher an die
ser Stelle nicht näher erläutert.
Auf die elektrisch isolierende Oxidschicht 6 ist die funktio
nelle Halbleiterstruktur 1 der MCRW-Laserstruktur 9 bei
spielsweise mittels MOVPE oder MBE aufgebracht. Diese besteht
z. B., ausgehend von der elektrisch isolierenden Oxidschicht
6, aus einer n⁺-dotierten GaAs-Schicht 14, einer n-dotierten
GaAlAs-Schicht 15, einer aktiven Schicht 16 aus undotiertem
GaAs oder aus einer/m aktiven Schichtenfolge/-system, einer
p-dotierten GaAlAs-Schicht 17 und einer p⁺-dotierten GaAs-
Schicht 18. Die n⁺-dotierte GaAs-Schicht 14 ist beispielswei
se mit einem aus AuGe/Ni/Au bestehenden n-Kontakt 19 und die
p-dotierte GaAlAs-Schicht 17 sowie die p⁺-dotierte GaAs-
Schicht 18 ist mit einer p-Kontaktmetallisierung 20, die z. B.
aus einer Cr/Au-, Cr/Pt/Au-, Ti/Pt/Au- oder Ti/Au-
Schichtenfolge besteht, versehen. Hierbei handelt es sich um
eine herkömmliche, dem Fachmann bekannte Struktur eines MCRW-
Lasers, die von daher an dieser Stelle keiner näheren Erläu
terung bedarf.
Selbstverständlich können auf einem III-V-Halbleitersubstrat
3 mit einer elektrisch isolierenden Oxidschicht 6 gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel mehrere MCRW-Laserstrukturen 9
ausgebildet sein, die voneinander elektrisch isoliert sind.
Hierbei ist ausschließlich die elektrische Isolation durch
das Substrat gemeint. Über Metallisierungsbahnen können die
einzelnen MCRW-Laserstrukturen natürlich untereinander ver
schaltet sein.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä
ßen Halbleitervorrichtung dargestellt, bei der eine Mehrzahl
von Fotodiodenstrukturen 10 eines Fotodiodenfeldes 8 auf ei
nem einzigen elektrisch leitenden III-V-Halbleitersubstrat 3
aufgebracht sind. Zwischen den Fotodiodenstrukturen 10 und
dem elektrisch leitenden III-V-Halbleitersubstrat 3, das bei
spielsweise aus n-dotiertem GaAs besteht, ist jeweils eine
elektrisch isolierende Oxidschicht 6 angeordnet. Diese be
steht beispielsweise aus AlAs-Oxid. Die Fotodiodenstrukturen
10 setzen sich, ausgehend von der elektrisch isolierenden
Oxidschicht 6 jeweils aus einer n-dotierten GaAs-Schicht 21,
einer p-dotierten GaAs-Schicht 22 und einer p-dotierten Al
GaAs-Schicht 23 zusammen. Die einzelnen voneinander getrenn
ten Fotodiodenstrukturen 10 sind dadurch hergestellt, daß
diese Schichtenfolge entlang von vorgegebenen Trennungslinien
beispielsweise mittels Ätzgräben 24 durchtrennt sind. Die In
nenseiten der Ätzgräben 24 sind mit einer beispielsweise aus
SiO₂ bestehenden Isolationsschicht 25 versehen, auf der wie
derum eine Metallisierungsschicht 26 aufgebracht ist, über
die die einzelnen Fotodiodenstrukturen 10 seriell miteinander
verschaltet sind.
Auch bei dieser Halbleitervorrichtung handelt es sich um ein
herkömmliches dem Fachmann bekanntes Halbleiterbauelement und
wird von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Selbstverständlich kann bei der erfindungsgemäßen Halbleiter
vorrichtung anstelle des in den Ausführungsbeispielen genann
ten III-V-Halbleitersubstrats aus GaAs je nach Art der auf
das Substrat aufzubringenden funktionellen Halbleiterstruktur
auch jedes andere III-V-Halbleitermaterial verwendet werden.
Ebenso kann es natürlich auch p-leitend ausgebildet sein. Die
elektrisch isolierende Oxidschicht ist dann entsprechend an
zupassen.
Ein Vorteil von leitenden III-V-Halbleitersubstraten gegen
über semiisolierenden Substraten besteht darin, daß das Kri
stallzuchtverfahren wesentlich einfacher zu beherrschen ist.
Dies führt zu homogeneren Wafern, deren Dotierstoff (im all
gemeinen Si) sich zudem durch geringere Diffusionseffekte
auszeichnet.
Vorteilhafterweise ist die elektrisch isolierende Oxidschicht
6 zwischen dem dotierten III-V-Halbleitersubstrat 3 und dem
aktiven Epitaxieschicht-System (funktionelle Halbleiterstruk
tur 1) eine oxidierte AlAs-Epitaxieschicht (gilt für beide
Ausführungsbeispiele).
Die Oxidation der AlAs-Schicht kann entweder durch gezielte
Verunreinigung während der Epitaxie oder durch eine 2-Stufen-
Epitaxie erfolgen, bei der zunächst eine AlAs-Schicht auf das
III-V-Halbleitersubstrat 3 aufgewachsen und anschließend an
Luft oxidiert wird. Nachfolgend wird das aktive Epitaxie-
Schicht-System auf die AlAs-Schicht aufgewachsen.
Ebenso kann aber auch das aktive Epitaxieschicht System auf
die noch nicht oxidierte AlAs-Epitaxieschicht aufgebracht
werden. Die Oxidation der AlAs-Schicht erfolgt dann mittels
Oxidation des fertig prozessierte Bauteils. Im allgemeinen
reicht dazu die durch das Bauteil-Trennen (Vereinzeln eines
Wafers) freigelegte Seitenfläche zu der gewünschten Oxidation
der AlAs-Schicht aus.
Selbstverständlich ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, ver
schiedenartige funktionelle Halbleiterstrukturen, z. B. Pho
todioden, Leuchtdioden, Transistoren usw., auf ein und dem
selben elektrisch leitenden III-V-Halbleitersubstrat anzuord
nen.
Bezugszeichenliste
1 Funktionelle Halbleiterstruktur
3 III-V-Halbleitersubstrat
6 elektrisch isolierende Oxidschicht
8 Fotodiodenfeld
9 MCRW-Laserstruktur
10 Fotodiodenstruktur
11 erste Hauptfläche
12 zweite Hauptfläche
13 Metallisierungsschicht
14 n⁺-dotierte GaAs-Schicht
15 n-dotierte GaAlAs-Schicht
16 aktive Schicht aus undotiertem GaAs
17 p-dotierte GaAlAs-Schicht
18 p⁺-dotierte GaAs-Schicht
19 n-Kontakt
20 p-Kontaktmetallisierung
21 n-dotierte GaAs-Schicht
22 p-dotierte GaAs-Schicht
23 p-dotierte AlGaAs-Schicht
24 Ätzgraben
25 Isolationsschicht
26 Metallisierungsschicht
3 III-V-Halbleitersubstrat
6 elektrisch isolierende Oxidschicht
8 Fotodiodenfeld
9 MCRW-Laserstruktur
10 Fotodiodenstruktur
11 erste Hauptfläche
12 zweite Hauptfläche
13 Metallisierungsschicht
14 n⁺-dotierte GaAs-Schicht
15 n-dotierte GaAlAs-Schicht
16 aktive Schicht aus undotiertem GaAs
17 p-dotierte GaAlAs-Schicht
18 p⁺-dotierte GaAs-Schicht
19 n-Kontakt
20 p-Kontaktmetallisierung
21 n-dotierte GaAs-Schicht
22 p-dotierte GaAs-Schicht
23 p-dotierte AlGaAs-Schicht
24 Ätzgraben
25 Isolationsschicht
26 Metallisierungsschicht
Claims (9)
1. Halbleitervorrichtung, bei dem einer ersten Hauptfläche
eines III-V-Halbleiter-Substrats (3) mindestens eine funktio
nelle Halbleiterstruktur (1) zugeordnet ist und bei dem die
funktionelle Halbleiterstruktur (1) von einer der ersten
Hauptfläche (11) gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche (12)
des III-V-Halbleiter-Substrats (3) elektrisch isoliert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
der funktionellen Halbleiterstruktur (1) und dem III-V-
Halbleiter-Substrat (3) mindestens eine elektrisch isolieren
de Oxidschicht (6) vorgesehen ist.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein elektrisch leitendes III-V-Halbleiter-Substrat (3) vorge
sehen ist, das bei Raumtemperatur eine Ladungsträgerkonzen
tration von größer als 1 · 10¹⁵ cm-3 aufweist.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das elektrisch leitende III-V-Halbleiter-Substrat (3) bei
Raumtemperatur eine Ladungsträgerkonzentration zwischen
1 · 10¹⁶ cm-3 und 1 · 10¹⁹ cm-3 aufweist.
4. Halbleitervorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen III-V-Halbleiter-Substrat (3) und funktioneller
Halbleiterstruktur (1) eine AlAs-Oxidschicht angeordnet ist.
5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
als funktionelle Halbleiterstruktur (1) eine MCRW-
Laserstruktur (9) vorgesehen ist.
6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
als funktionelle Halbleiterstrukturen (1) Photodiodenstruktu
ren (10) vorgesehen sind, die ein Photodiodenfeld (8) bilden.
7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß minde
stens zwei monolithisch integrierte funktionelle Halbleiter
strukturen (1) auf dem elektrisch leitenden III-V-Halbleiter-
Substrat (3) vorgesehen sind und daß zwischen jeder der funk
tionellen Halbleiterstrukturen (1) und dem elektrisch leiten
den III-V-Halbleiter-Substrat (3) mindestens eine elektrisch
isolierende Oxidschicht (6) angeordnet ist.
8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß minde
stens zwei verschiedenartige monolithisch integrierte funk
tionelle Halbleiterstrukturen (1) auf dem elektrisch leiten
den III-V-Halbleiter-Substrat (3) vorgesehen sind.
9. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach
einem der Ansprüche 1 bis 8,
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
- a) Herstellen des elektrisch leitenden III-V-Halbleiter- Substrats (3),
- b) Aufbringen oder Ausbilden der elektrisch isolierenden Oxidschicht (6) auf das elektrisch leitende III-V- Halbleitersubstrat (3),
- c) Aufbringen eines aktiven Schichtensystems auf die elek trisch isolierende Oxidschicht (6) und
- d) Herstellen von mindestens zwei elektrisch voneinander iso lierten funktionellen Halbleiterstrukturen (1) mittels Durchtrennen des aktiven Schichtensystems bis zur elek trisch isolierenden Oxidschicht (6) hin entlang von Trenn linien zwischen den funktionellen Halbleiterstrukturen.
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