DE19640420A1 - Verfahren zur Herstellung eines Stegwellenleiters in III-V-Verbindungshalbleiter-Schichtstrukturen und Halbleiterlaservorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Stegwellenleiters in III-V-Verbindungshalbleiter-Schichtstrukturen und eine Halbleiterlaservorrichtung, insbe­ sondere eine sogenannte Ridge-Waveguide-Laservorrichtung auf der Basis von III-V-Halbleitermaterialien.

Halbleiterlaserdioden finden mittlerweile einen breiten An­ wendungsbereich insbesondere auch in informationsverarbeiten­ den Systemen. Aufgrund ihrer kompakten Größe und zum Teil auch wegen der zu den verwendeten Schaltkreisen und weiteren optoelektronischen Elementen kompatiblen Technologie werden Halbleiterlaserdioden insbesondere in der optoelektronischen Nachrichtentechnik. Im Hinblick auf den Aufbau und die Anord­ nung solcher Laserdioden werden derzeit unterschiedliche Ty­ pen von Laserstrukturen verwendet. Eine besonders einfach herzustellende und zuverlässig arbeitende Laservorrichtung umfaßt einen in einer III-V-Verbindungshalbleiter-Schicht­ struktur ausgebildeten Stegwellenleiter; solche Laseranord­ nungen, die auch der erfindungsgemäßen Gattung zugrunde lie­ gen, sind beispielsweise aus der EP 0 450 255 A1 und aus C. Harder, P. Buchmann, H. Meier, High-Power Ridge-Waveguide Al-GaAs Grin-Sch Laser Diode, Electronics Letters, 25. September 1986, Vol. 22, No. 20, Seiten 1081 bis 1082 bekannt geworden. Bei der Herstellung derartiger selbstjustierender Wellenlei­ ter-Laserstrukturen wird normalerweise eine einzige photoli­ thographische Maske zur Festlegung der vollständigen Kontakt­ bereich- bzw. Wellenleitersteggeometrie über den gesamten Herstellprozeß zur Fertigung des Steges verwendet. Bei der Übertragung der zunächst bei der Fertigung von Laservorrich­ tungen auf der Grundlage des GaAs-Systems entwickelten Ferti­ gungsprozesse auf die Herstellung von InP-Lasersystemen mit größeren Wellenlängen des emittierten Lichtes ergeben sich jedoch gewisse technologische Probleme. Als besonders kri­ tisch wird hierbei insbesondere der bei der Fertigung des Stegwellenleiters erforderliche Ätzschritt angesehen, bei dem aufgrund der stets einhergehenden unerwünschten Unterätzung an der Grenzfläche des Photolack-GaInAs-Kontaktes die wirksa­ me ohmsche Kontaktfläche signifikant verringert wird, was zu einem Anstieg des elektrischen Kontaktwiderstandes und damit zu einer vermehrten Erwärmung führt. Als Folge hiervon ver­ schlechtern sich allgemein die Lasereigenschaften. Zur Ver­ meidung dieser technologisch bedingten Schwierigkeiten wird nach der EP 0 450 255 A1 vorgeschlagen, eine Hilfsmaske anzu­ ordnen, um die mit der Unterätzung einhergehenden Nachteile zu vermeiden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem in der EP 0 450 255 A1 aufgezeigten Fertigungs­ prozesses technologisch insgesamt einfacheres Verfahren zur Herstellung eines Stegwellenleiters in III-V-Verbindungshalb­ leiter-Schichtstrukturen zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 ge­ löst. Eine insbesondere nach diesem Verfahren herstellbare Halbleiterlaservorrichtung ist in Anspruch 15 angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch folgende Fertigungsschritte in der angegebenen Reihenfolge aus:
Fertigen einer auf einem Halbleiter-Substrat insbesondere durch epitaktisches Aufwachsen ausgebildeten Grundstruktur mit einer ersten Mantelschicht, einer auf der ersten Mantel­ schicht abgeschiedenen aktiven Zone bestehend aus einheitli­ chem Material oder aus einer Wechselfolge von Quantentöpfen und Barrieren, einer auf der aktiven Zone abgeschiedenen zweiten Mantelschicht und einer auf der zweiten Mantelschicht abgeschiedenen Kontaktschicht; ganzflächiges Abscheiden und Strukturieren einer Grabenmaske zur Festlegung eines Graben­ bereichs, der eine vielfache Breite eines nachfolgend inner­ halb des Grabenbereichs aus der zweiten Mantelschicht und der Kontaktschicht zu erzeugenden Steges besitzt; Ausbilden einer im Wesentlichen streifenförmigen Stegmaske innerhalb des Gra­ benbereichs; selektives Ätzen der Kontaktschicht und der zweiten Mantelschicht unter Verwendung der Grabenmaske und der Stegmaske als Abdeckmasken zur Ausbildung des Steges des Stegwellenleiters bei gleichzeitiger Ausbildung eines Grabens innerhalb des Grabenbereiches; im Wesentlichen kantenkonfor­ mes Abscheiden einer Passivierungsschicht aus elektrisch iso­ lierendem Material; Abheben des auf der Stegmaske abgeschie­ denen Materials der Passivierungsschicht durch Entfernen des unterliegenden Maskenmaterials der Stegmaske; und Abscheiden einer Metallisierungsschicht für den elektrischen Anschluß des Steges.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens erfolgt das Ätzen der Kontaktschicht und der zweiten Mantelschicht in zwei voneinander getrennten Ätz­ schritten mit unterschiedlichen Ätzlösungen, wobei die Ätzung der jeweiligen Schicht selektiv gegenüber dem jeweils unter­ liegenden Material durchgeführt wird. Beim naß-chemischen Ätzen der Kontaktschicht wird das von der Stegmaske abgedeck­ te Material unterätzt. Des weiteren wird zur naß-chemischen Ätzung der Kontaktschicht eine Schwefelsäure-Wasserstoff­ peroxid-Wasser-Ätzlösung und zur naß-chemischen Ätzung der zweiten Mantelschicht eine Phosphorsäure-Salzsäure-Ätzlösung verwendet. Bei der Ätzung der zweiten Mantelschicht erfolgt keine Unterätzung gegenüber der als Ätzmaske wirkenden, strukturierten Kontaktschicht. Sämtliche naß-chemische Ätz­ vorgänge kommen in vertikaler Richtung an der zu ätzenden Schicht unmittelbar folgenden Grenzschicht aufgrund der mate­ rialspezifischen Selektivität der Ätzlösungen zu stehen. Die Flankenwinkel der Kontaktschicht werden eindeutig durch die kristallographisch bedingten Eigenschaften des Kontakt­ schichtmaterials vorgegeben bzw. bestimmt. Durch die Stegmas­ ke wird in einem selbstjustierendem Prozeß die Stegposition innerhalb des Grabens festgelegt, bezüglich der Breite des Steges aber lediglich der maximale Wert vorbestimmt.

In einem ersten naß-chemischen Ätzschritt an der Kontakt­ schicht wird über das Ausmaß der lateralen Unterätzung der Stegmaske die Breite des entstehenden Wellenleitersteges festgelegt. Der Stehenbleibende stegförmige Rest der Kontakt­ schicht wirkt wegen der Selektivität des Ätzangriffs zur zweiten Mantelschicht bei dem zweiten Ätzschritt als ideales Maskenmaterial: anschließend an die Kontaktschicht /Mantel­ schichtgrenzfläche bildet sich im Material der zweiten Man­ telschicht ein kristallographisch vorgegebener Flankenwinkel aus, der auch bei überlangen Ätzzeiten unverändert bleibt. Von Vorteil kann sich daher der aus der zweiten Mantelschicht herausgebildete Teil des Steges bündig an den stehengebliebe­ nen Teil der Kontaktschicht anschließen.

Gegenüber dem bisherigen Verfahren zur Herstellung einer so­ genannten Ridge-Waveguide-Laservorrichtung mit einem Wellen­ leitersteg auf der Basis der Materialien InGaAsP/InP besitzt die erfindungsgemäße Lösung einer auf rein naß-chemisch er­ zeugten Dreibein-Anordnung der Laservorrichtung unter anderem folgende Vorteile:

• - Die nach dem Stand der Technik an sich als unerwünscht be­ zeichnete Unterätzung bei der Fertigung des Wellenleiter­ steges wird erfindungsgemäß gezielt im Sinne einer einfa­ cheren Fertigung im Wege des naß-chemischen Ätzens ausge­ nutzt; das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine Strukturierung der technologisch besonders kritischen Strukturen allein durch naß-chemische Ätzschritte. Auf diese Weise gelingt es, in einem relativ einfach durchzu­ führenden Arbeitsschritt, den etwa 2 bis 3 µm breiten und etwa 1,5 bis 2 µm hohen Wellenleitersteg geometrisch mög­ lichst regelmäßig zu fertigen, um auf diese Weise letztlich zu einer möglichst glatten Linearität der Laserkennlinie (abgestrahlte Leistung (in mW) - eingespeister Laserstrom (in mA)) als Kennzeichen der gewünschten optoelektronischen Eigenschaften des Lasers zu gelangen. Sonach gelingt es, Nichtlinearitäten, sogenannte "Kinks" (Knicke) in der La­ serkennlinie, die unter anderem auch von geometrischen Un­ regelmäßigkeiten des Wellenleitersteges stammen können, auf technologisch saubere Weise bei der Fertigung des Lasers zu vermeiden.
• - Im Gegensatz zu den bisher bekannten Herstellungsverfahren ist bei der erfindungsgemäßen Lösung nurmehr lediglich eine Oxidüberformung (Passivierungsschicht) erforderlich, die in einem einzigen Arbeitsschritt ausgebildet wird.
• - Mit der erfindungsgemäßen Lösung gelingt es ferner, eine technologisch saubere Überdeckung des Wellenleitersteges mit einer Metallisierungsschicht für den späteren Stroman­ schluß zu gewährleisten. Hierbei wird zur elektrischen Isolation gegenüber den nicht anzuschließenden Schichten die Passivierungsschicht kantenkonform und voll flächig ab­ geschieden, wobei dafür Sorge getragen ist, daß für den nachfolgenden Abhebeschritt definierte Abhebekanten an den gewünschten Stellen zur Verfügung stehen, damit das zur Ab­ hebung eingesetzte Lösungsmittel in die übrigbleibende Pho­ tolackschicht eindringen kann. Das erfindungsgemäße Verfah­ ren benötigt nur noch einen einzigen Abhebeschritt, der zu­ dem ohne mechanische Unterstützung erfolgreich durchgeführt werden kann.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß zur naß-chemischen Ät­ zung der Kontaktschicht eine Schwefelsäure-Wasserstoffper­ oxid-Wasser-Ätzlösung verwendet wird. In besonders vorteil­ hafter Weise liegt hierbei die in der Ätzlösung verwendete Schwefelsäure in nicht konzentrierter Form vor. Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Ätzlösungen für diesen Einsatzbe­ reich wird anstelle einer konzentrierten Schwefelsäure wie bislang eine mit Wasser verdünnte Schwefelsäure verwendet, wobei das Schwefelsäure-Wasser-Verhältnis voreingestellt ist, und darüber hinaus eine nur geringe Konzentration des Oxida­ tionsmittels Wasserstoffperoxid vorgesehen ist. Aufgrund der vorgeschlagenen Zusammensetzung der Ätzlösung werden zum ei­ nen die im Hinblick auf die entstehende Hydratationswärme und damit zusammenhängend eintretenden thermischen Zersetzungen insbesondere des Wasserstoffperoxidanteils einhergehenden Nachteile vermieden, und zum Anderen bleiben die günstigen chemischen und physikalischen Eigenschaften einer Ätzlösung mit hohem Schwefelsäuregehalt erhalten. Erfindungsgemäß wird die Ätzaktivität der Ätzlösung an arsenhaltigen Schichten durch den variablen Wasserstoffperoxidanteil bestimmt.

Hierdurch bedingt ergeben sich für naß-chemische Ätzlösungen im angegebenen Anwendungsbereich völlig neuartige Eigenschaf­ ten:

• - Die Maskenunterätzung kann unabhängig von Unterschieden in der Maskenhaftung erfolgen und ist daher auch für lokal ge­ störte Oberflächen erfolgreich durchzuführen. Der Einsatz spezieller Prozess-Schritte oder Maskentechnologien zur Verbesserung der Adhäsion des Maskenmaterials kann entfal­ len.
• - Unter der Voraussetzung chemischer Homogenität des Schicht­ materials läßt sich eine kontrollierte, lateral extrem gleichmäßige Ätzwirkung erzielen, die nicht einmal durch mechanisch-physikalische Einflüsse wie etwa Kratzer oder dergleichen zu stören ist (die vertikale Gleichmäßigkeit der Ätzung ist durch die vorhandene Selektivität gegenüber chemisch heterogenen Schichtsystemen vieler III-V-Halblei­ terbauelemente ohnehin gegeben).
• - Eine Unterätzung als meist unvermeidbare Begleiterscheinung herkömmlicher naß-chemischer Ätzverfahren wird nach der Erfindung zu einem gezielt nutzbaren Effekt. So können bei­ spielsweise komplizierte Verfahrenstechniken für Abhebepro­ zesse überflüssig gemacht werden.
• - Bedingt durch die Eliminierung des Einflusses nicht oder nur äußerst schwer kontrollierbarer Parameter auf das Aus­ maß der Unterätzung kann dieser im allgemeinen unerwünschte Begleiteffekt bei der naß-chemischen Ätzung gezielt ge­ nutzt werden.
• - Außerdem ermöglicht die gezielt eingesetzte Unterätzung ei­ ne optimale Vereinbarkeit bei der Kombination der Prozeß­ anforderungen hinsichtlich eine möglichst kantenüberdecken­ den Passivierung in Verbindung mit einer einfach, aber zu­ verlässig durchzuführenden Abhebetechnik.

Die genannten vorteilhaften Merkmale der Ätzwirkung bei der Ätzung der Kontaktschicht hängen unmittelbar mit einigen der folgenden Grundeigenschaften des erfindungsgemäß bevorzugten Ätzlösungssystems zusammen:

• - Es liegt eine hohe Selektivität zwischen arsenhaltigen und nicht arsenhaltigen Schichten vor, das Ätzratenverhältnis beträgt demzufolge typischerweise mehr als etwa 500 : 1.
• - Der geringe Wasserstoffperoxid-Volumenanteil in der Schwe­ felsäure-Mischung bedingt eine sehr hohe Selektivität zwi­ schen herkömmlichen Positiv-Lacksystemen und ätzbarem Halb­ leitermaterial, wobei die Zersetzung der Photolacke auf­ grund des Ätzangriffs so gering ist, daß sie nur bei Ätz­ zeiten im Bereich von Stunden überhaupt nachweisbar wird.
• - Der Wirkungsmechanismus an arsenhaltigen Schichten wird über den Wasserstoffperoxidgehalt der Lösung eindeutig be­ stimmt. Die Reaktionsrate und damit zusammenhängende Eigen­ schaften der Ätzlösung wie beispielsweise Richtungsunabhän­ gigkeit der Ätzrate (isotropes Ätzverhalten) können somit gezielt auf die vorliegende Anwendung abgestimmt werden.
• - Die Ätzlösung kann wegen des verhältnismäßig hohen Schwe­ felsäuregehaltes als spezifische Reinigungslösung benutzt werden, in dem der Wasserstoffperoxidgehalt - abhängig vom zu ätzenden arsenhaltigen Schichtmaterial - auf sehr nied­ rige Werte gesenkt wird (beispielsweise Volumenkonzentra­ tionen im 0,1%-Bereich). Die Reaktionsraten sinken dabei auf nicht mehr feststellbare Werte. Im übrigen kann die gleiche Lösung durch eine nachträgliche Wasserstoffper­ oxidzugabe anschließend wieder zum Ätzen benutzt werden.
• - Da der Lösungsansatz ein voreingestelltes Schwefelsäu­ re/Wasser-Verhältnis verwendet, gibt es bei Zusatz des ge­ ringen Wasserstoffperoxidanteils keine merkliche Erwärmung.

Aus der fehlenden Eigenerwärmung leiten sich unmittelbar wei­ tere wichtige Eigenschaften der erfindungsgemäß bevorzugten Ätzlösung ab:

• - Die Lösung ist sofort nach Zugabe des Wasserstoffperoxids und Durchmischung verwendbar.
• - Es findet keine nachweisbare Zersetzung des durch Tempera­ turerhöhung besonders zersetzungsgefährdeten Wasserstoff­ peroxidanteils statt, da diese Substanz unter gewöhnlichen Lagerbedingungen bei Raumtemperatur stabil bleibt. Eine von selbst erzeugte störende Blasenbildung im Reaktionsmedium wird dadurch verhindert.
• - Es ist durch gezielte Wasserstoffperoxid-Zugabe eine defi­ nierte Wasserstoffperoxid- Konzentrationseinstellung mög­ lich. Eine Abhängigkeit vom Herstellungs- bzw. Mischungs­ verfahren (beispielsweise durch Größe des Mengenansatzes oder Kühlungsbedingungen während der Mischung der Komponen­ ten) kann nicht bestehen. Weiterhin sind Konzentrationsfeh­ ler durch Volumenausdehnungs- und Zersetzungseffekte ausge­ schlossen.
• - Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugte Ätzlösung ermöglicht eine einfache Handhabbarkeit, da die Ätzlösung lediglich zweikomponentig und gefahrlos, d. h. oh­ ne Erwärmung angesetzt werden kann.
• - Lange Standzeiten der Lösung in der Größenordnung bis zu 48 Stunden sind durch den Einsatz stabiler bzw. stabil gehal­ tener Lösungskomponenten möglich. Frische Lösungsansätze oder definierte Standzeiten sind somit keine Voraussetzung für die Reproduzierbarkeit des Ätzergebnisses.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrich­ tung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 bis 8 in schematischen Schnittansichten die Reihen­ folge der Prozess-Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Stegwellenleiters in III-V-Ver­ bindungshalbleiter-Schichtstrukten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevor die einzelnen Verfahrensschritte zur Fertigung einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung gemäß Ausfüh­ rungsbeispiel anhand der Fig. 1 bis 7 näher erläutert wird, wird zunächst anhand der schematischen Darstellung nach Fig. 8 die fertiggestellte Halbleiterlaservorrichtung erläu­ tert. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 umfaßt eine Me­ tal-Clad-Ridge-Waveguide (MCRW-) Laservorrichtung 1 mit einer auf einem Halbleiter-Substrat 2 aus n-dotiertem InP insbeson­ dere durch epitaktisches Aufwachsen ausgebildeten Grundstruk­ tur mit einer gleichfalls aus n-dotiertem InP bestehenden er­ sten Mantelschicht 3, einer auf der ersten Mantelschicht 3 abgeschiedenen aktiven Zone 4, einer auf der aktiven Zone 4 abgeschiedenen zweiten Mantelschicht 5 aus p-dotiertem InP, und einer auf der zweiten Mantelschicht 5 abgeschiedenen Kon­ taktschicht 6 aus p⁺-dotiertem GaInAs. Die für die Rekombina­ tion und Lichterzeugung dienende aktive Zone 4 kann entweder aus einheitlichem Material oder aus einer Wechselfolge von Quantentöpfen und Barrieren bestehen; im dargestellten Aus­ führungsbeispiel ist die aktive Zone 4 durch eine GaInAs-Doppel-Heterostruktur gebildet. Die aktive Zone 4 ist in an sich bekannter Weise von den ersten und zweiten Mantelschich­ ten 3 und 5 umgeben, welche einen größeren Bandabstand als das Material der aktiven Zone besitzen, und zusammen mit ei­ nem streifenförmigen Steg 7 einen Wellenleiter bilden und die notwendige Ladungsträgereingrenzung bewirken. Der Steg 7 des Stegwellenleiters ist hierbei innerhalb eines in der zweiten Mantelschicht 5 und der Kontaktschicht 6 gefertigten Grabens 8 gebildet, wobei die Breite des Grabens 8 etwa das zwanzig­ fache der Breite des Steges 7 besitzt. Der Steg 7 weist bei­ spielsweise eine Breite von etwa 2 bis 3 µm und eine Höhe von etwa 1,5 bis 3 µm auf; die schematische Darstellung nach Fig. 8 ist somit nicht streng maßstabsgetreu. Die Bezugsziffer 9 bezeichnet eine Passivierungsschicht aus vorzugsweise Al₂O₃, welche mit Ausnahme der auf der Oberseite 10 des Ste­ ges 7 sämtliche Bestandteile der Laservorrichtung 1 kanten­ konform überdeckt. Darauf abgeschieden befindet sich eine Me­ tallisierungsschicht 11 für den elektrischen Anschluß des Steges 7 an Kontaktanschlüsse und äußere Kontaktzuführungen, vermittels derer der zum Betrieb des Lasers 1 notwendige La­ serstrom zugeführt wird, welche jedoch aus Gründen der Über­ sichtlichkeit in den Figuren nicht näher dargestellt sind.

Nachfolgend werden anhand der Fig. 1 bis 7 in dieser Rei­ henfolge die aufeinanderfolgenden Prozess-Schritte zur Ferti­ gung der erfindungsgemäßen Laservorrichtung näher erläutert, wobei in diesen Figuren aus Gründen der besseren Übersicht­ lichkeit das Halbleiter-Substrat 2 und die erste Mantel­ schicht 3 nicht mehr dargestellt sind.

Auf die anhand Fig. 8 näher erläuterte Grundstruktur mit den Schichten 3 bis 6 wird zunächst ganz flächig eine Hilfsmasken­ schicht 12 aus InP vorzugsweise epitaktisch abgeschieden, was zweckmäßigerweise in einem Arbeitsgang während des Epitaxie­ wachstums der gesamten Grundstruktur erfolgt. Die Schicht 12 besteht aus gegenüber der Kontaktschicht 6 selektiv ätzbarem Material und besitzt eine Stärke von etwa 0,2 µm. Die Hilfs­ maskenschicht 12 begünstigt bzw. vereinfacht die nachfolgende Fertigung des Steges 7 im Sinne einer Verringerung der Anzahl von Prozess-Schritten, und unterstützt im übrigen die Defini­ tion einer sauberen Abhebekante beim abschließenden Abhebe­ schritt, kann jedoch auch weggelassen werden, ohne vom erfin­ dungsgemäßen Prinzip abzuweichen. Auf die ganzflächig abge­ schiedene Hilfsmaskenschicht 12 wird Photolackmaterial aufge­ tragen, auf herkömmliche Weise photolithographisch belichtet und zur Ausbildung einer Grabenmaske 13 strukturiert, die für die folgenden Ätzschritte den Oberflächenbereich definiert, in welchem der in der umgebenden Grundstruktur versenkte Stegwellenleiter entstehen soll. In einer nachfolgenden naß­ chemischen Ätzung wird zunächst die Hilfsmaskenschicht 12 an den von der Grabenmaske 13 nicht abgedeckten Stellen ent­ fernt. Die Strukturierung der Hilfsmaske 12 ist in Fig. 1 schematisch dargestellt.

Daran anschließend kann gemäß Fig. 2 unter Verwendung der Grabenmaske 12, 13 die Kontaktschicht 6 zur Dickenkorrektur naß-chemisch wenigstens angeätzt werden, wobei dieser Ätz­ schritt im Prinzip auch weggelassen werden kann.

Nachfolgend wird die bei den weiteren Schritten nicht mehr benötigte Fotolackmaske 13 entfernt, wobei die strukturierte Schicht 12 im Folgenden die Funktion der Grabenmaske über­ nimmt.

Daran anschließend wird vermittels herkömmlicher Phototechnik innerhalb des Grabenbereichs 14, vorzugsweise mittig eine streifenförmige Stegmaske 15 aus Photolack ausgebildet, wel­ che die Lage des zu ätzenden Wellenleitersteges definiert (Fig. 3).

Im nachfolgenden Prozeß-Schritt wird gemäß Fig. 4 unter Verwendung der Stegmaske 15 und der Hilfsmaskenschicht 12 als Abdeckmasken die Kontaktschicht 6 selektiv durch einen naß­ chemischen Prozeß mit exakt definierter Stegmaskenunterät­ zung dahingehend geätzt, daß das Ausmaß der Unterätzung an den mit der Bezugsziffer 16 bezeichneten Stellen weder von der Haftung der Photolackmaske 15 noch von lokalen Störungen der Kontaktschicht 6, noch von mikroskopischen Ungleichmäßig­ keiten der Photolackflanken 17 beeinflußt wird. Dieser Ätz­ prozeß definiert die oberen seitlichen Abmessungen sowie die Homogenität der Breite des entstehenden Steges und bewirkt in Folge der Maskierungswirkung der Hilfsmaskenschicht 12 im Au­ ßenbereich des Grabens eine Einbettung des Steges durch das unveränderte Epitaxie-Schichtensystem angrenzend an die in der ersten Phototechnik definierten Grabenabschnitte seitlich des Steges.

Zur naß-chemischen Ätzung der Kontaktschicht 6 wird vorzugs­ weise eine Schwefelsäure Wasserstoffperoxid-Wasser-Ätzlösung verwendet, wobei die Ätzung selektiv gegenüber dem Material der zweiten Mantelschicht 5 erfolgt, d. h. der Ätzvorgang kommt in vertikaler Richtung an der zu ätztenden Schicht 6 unmittelbar folgenden Grenzfläche der zweiten Mantelschicht 5 aufgrund der materialspezifischen Selektivität der Ätzlösung zum Stehen (Ätzstopwirkung der zweiten Mantelschicht 5 gegen­ über der gewählten Ätzlösung). Gleichzeitig besteht ausrei­ chende chemische Selektivität der gewählten Ätzlösung gegen­ über der Grabenmaske 12, so daß das Material der Hilfsmas­ kenschicht 12 bei der Ätzung der Kontaktschicht 6 innerhalb der Nachweisgrenze nicht angegriffen wird. Vorteilhafterweise sind die Seitenwände der streifenförmigen Photolack-Stegmaske 15, und im übrigen auch die Seitenwände der Grabenmaske 12 parallel zu den kristallographischen Richtungen [011] oder [0] orientiert. Mit diesem Ätzschritt gelingt eine gleich­ mäßig laterale Unterätzung der Photolack-Stegmaske 15, wobei die Flankenwinkel der geätzten Kontaktschicht 6 an den mit der Bezugsziffer 15 angedeuteten Stellen eindeutig durch die kristallographisch bedingten Eigenschaften des Kontakt­ schichtmaterials vorgegeben bzw. bestimmt werden. Der Grad der Unterätzung der Kontaktschicht 6 an den Stellen 16 be­ stimmt gleichzeitig in eindeutiger Weise die Breite des nach­ folgend vervollständigten Wellenleitersteges 7. Die erfin­ dungsgemäß von Vorteil ausgenutzte Unterätzung der Kontakt­ schicht 6 kann dabei so gewählt werden, daß es beim nachfol­ genden Abscheiden der Passivierungsschicht 9 nicht zu einer unerwünschten Verkleinerung der ohmschen Kontaktfläche auf der Oberseite 10 des Steges kommt. Im Zuge der mehr oder we­ niger ausgeprägten Flankenbildung an den Stellen 16 wird ef­ fektiv die Grenzfläche zwischen der später aufgebrachten Me­ tallisierung 11 und der Kontaktschicht 6 an der Oberseite 10 vergrößert, so daß der Kontaktwiderstand letztlich sogar ge­ ringer eingestellt werden kann.

Daran anschließend erfolgt gemäß Fig. 5 eine selektive naß­ chemische Ätzung der zweiten Mantelschicht 5 zur Ausformung des Stegwellenleiters mit in weiten Grenzen veränderbarer Flankenform. Hierbei wird die reproduzierbar erzielbare Steg­ form außer durch die festgelegte Kristallrichtung und die vorgehende Kontaktschichtätzung insbesondere durch die Ätzlö­ sung, die Ätzzeit und die Ätztemperatur, im Hinblick auf die Tiefe des Steges unter Umständen auch durch den konkreten Aufbau der Epitaxie-Schichtenfolge bestimmt. Aufgrund einer geeignet aufeinander abgestimmten Ätzlösung und Materialzu­ sammensetzung wird bei diesem Prozess-Schritt gleichzeitig die restliche Hilfsmaskenschicht 12 im Außenbereich des Gra­ bens entfernt. Wegen der chemischen Selektivität dieses Ätz­ prozesses übernimmt nach vollständiger Auflösung der Hilfs­ maskenschicht 12 die noch verbleibende Kontaktschicht 6 die weitere Maskierungsfunktion. Zur naß-chemischen Ätzung der zweiten Mantelschicht 5 wird in bevorzugter Weise eine Phos­ phor-Salzsäure-Lösung verwendet, wobei aufgrund der chemi­ schen Selektivität das Material der Kontaktschicht 6 und die unterhalb der zweiten Mantel Schicht 5 angeordnete Schicht 4 von dieser Ätzlösung nicht angegriffen wird. Die Schicht 4 dient somit bei diesem Ätzschritt wiederum als Ätzstop. Bei der naß-chemischen Ätzung der zweiten Mantel Schicht 5 findet keine Überätzung gegenüber der als Maske wirkenden Kontakt­ schicht 6 statt, so daß die im vorhergehenden Ätzschritt eingestellte Unterätzung der Kontaktschicht 6 an den Stellen 16 eindeutig die Stegbreite des Wellenleitersteges 7 be­ stimmt.

Daran anschließend wird gemäß Fig. 6 eine Passivierungs­ schicht aus Al₂O₃ ganz flächig und kantenkonform auf die sich ergebende Gesamtstruktur vermittels einem ionenstrahlgestütz­ ten Sputter-Prozess aufgebracht, wobei an den mit der Bezugs­ ziffer 16 bezeichneten Stellen technologisch sauber definier­ te Lücken in der Passivierungsschicht 9 verbleiben, durch die im nachfolgenden Abhebeschritt das im Abhebeprozeß zum Ein­ satz gelangende Lösungsmittel ohne Weiteres eindringen kann.

Fig. 7 zeigt den entsprechenden Zustand nach dem Abheben des auf der Photolackoberfläche gesputterten Al₂O₃-Materials durch Auflösen des Photolacks der Stegmaske 15 in einem ge­ eigneten Lösungsmittel unter Ausnutzung der gezielten Un­ terätzung des Photolacks während der vorhergehenden Kontakt­ schichtätzung.

In einem abschließenden Metallisierungsschritt wird gemäß Fig. 8 eine Metallisierungsschicht 11 für den elektrischen An­ schluß des Steges 7 aufgebracht.

Bezugszeichenliste

1 Metal-Clad-Ridge-Waveguide (-MCRW-) Laservorrichtung
2 Halbleiter-Substrat
3 erste Mantelschicht
4 aktive Zone
5 zweite Mantelschicht
6 Kontaktschicht
7 Steg
8 Graben
9 Passivierungsschicht
10 Oberseite
11 Metallisierungsschicht
12 Hilfsmaskenschicht
13 Grabenmaske
14 Grabenbereich
15 Stegmaske
16 Unterätzung
17 Photolackflanken

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung eines Stegwellenleiters in III-V-Verbindungshalbleiter-Schichtstrukturen, mit den Schritten:

• - Fertigen einer auf einem Halbleiter-Substrat (2) insbeson­ dere durch epitaktisches Aufwachsen ausgebildeten Grund­ struktur mit einer ersten Mantelschicht (3), einer auf der ersten Mantelschicht (3) abgeschiedenen aktiven Zone (4) bestehend aus einheitlichem Material oder aus einer Wech­ selfolge von Quantentöpfen und Barrieren, einer auf der ak­ tiven Zone (4) abgeschiedenen zweiten Mantelschicht (5) und einer auf der zweiten Mantelschicht (5) abgeschiedenen Kon­ taktschicht (6);
• - ganzflächiges Abscheiden und Strukturieren einer Grabenmas­ ke (12, 13) zur Festlegung eines Grabenbereiches (14), der eine vielfache Breite eines nachfolgend innerhalb des Gra­ benbereiches (14) aus der zweiten Mantelschicht (5) und der Kontaktschicht (6) zu erzeugenden Steges (7) besitzt;
• - Ausbilden einer im Wesentlichen streifenförmigen Stegmaske (15) innerhalb des Grabenbereichs (14);
• - selektives Ätzen der Kontaktschicht (6) und der zweiten Mantelschicht (5) unter Verwendung der Grabenmaske und der Stegmaske (15) als Abdeckmasken zur Ausbildung des Steges (7) des Stegwellenleiters bei gleichzeitiger Ausbildung ei­ nes Grabens (8) innerhalb des Grabenbereiches (14);
• - im Wesentlichen kantenkonformes Abscheiden einer Passivie­ rungsschicht (9) aus elektrisch isolierendem Material;
• - Abheben des auf der Stegmaske (15) abgeschiedenen Materials der Passivierungsschicht (9) durch Entfernen des unterlie­ genden Maskenmaterials der Stegmaske (15); und
• - Abscheiden einer Metallisierungsschicht (11) für den elek­ trischen Anschluß des Steges (7)

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen der Kontaktschicht (6) und der zweiten Mantel­ schicht (5) zur Ausbildung des Steges (7) des Stegwellenlei­ ters naß-chemisch erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen der Kontaktschicht (6) und der zweiten Mantel­ schicht (5) in zwei voneinander getrennten Ätzschritten mit unterschiedlichen Ätzlösungen durchgeführt wird, wobei die Ätzung der jeweiligen Schicht selektiv gegenüber dem jeweils unterliegenden Material durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim naß-chemischen Ätzen der Kontaktschicht (6) das von der Stegmaske (15) abgedeckte Material unterätzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur naß-chemischen der Kontaktschicht (6) eine Schwefelsäure-Wasserstoffperoxid-Wasser-Ätzlösung ver­ wendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur naß-chemischen Ätzung der zweiten Mantelschicht (5) eine Phosphorsäure-Salzsäure-Ätzlösung ver­ wendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei der Ätzung der zweiten Mantelschicht (5) keine Unterätzung gegenüber der als Ätzmaske wirkenden, strukturierten Kontaktschicht (6) erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche naß-chemische Ätzvor­ gänge in vertikaler Richtung an der zu ätzenden Schicht un­ mittelbar folgenden Grenzschicht aufgrund der materialspezi­ fischen Selektivität der Ätzlösungen zu stehen kommen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flankenwinkel der Kontaktschicht (6) eindeutig durch die kristallographisch bedingten Eigenschaf­ ten des Kontaktschichtmaterials vorgegeben bzw. bestimmt wer­ den.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch die Stegmaske (15) in einem selbst­ justierendem Prozeß die Stegposition innerhalb des Grabens festgelegt wird, bezüglich der Breite des Steges aber ledig­ lich der maximale Wert vorbestimmt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Grabenmaske eine aus Halbleitermateri­ al bestehende Schicht aufweist und die Stegmaske (15) eine Photolackmaske darstellt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Orientierung der Stegmaske (15) und/oder Grabenmaske parallel zu den kristallographischen Richtungen [011] oder 011] ausgerichtet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Passivierungsschicht (9) Al₂O₃ auf­ weist und vermittels einem ionenstrahlgestützten Sputter-Prozeß-Schritt (16) ganzflächig abgeschieden wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf die Grundstruktur für die Ausbildung der Grabenmaske ganzflächig eine Hilfmaskenschicht (12) abge­ schieden wird, die zur Festlegung des Grabenbereiches (14) selektiv geätzt wird.

15. Halbleiterlaservorrichtung mit einer auf einem Halblei­ ter-Substrat (2) insbesondere durch epitaktisches Aufwachsen ausgebildeten Grundstruktur mit einer ersten Mantelschicht (3), einer auf der ersten Mantelschicht (3) abgeschiedenen aktiven Zone (4) bestehend aus einheitlichem Material oder aus einer Wechselfolge von Quantentöpfen und Barrieren, einer auf der aktiven Zone (4) abgeschiedenen zweiten Mantelschicht (5), und einer auf der zweiten Mantelschicht (5) abgeschiede­ nen Kontaktschicht (6), wobei die zweite Mantelschicht (5) und die Kontaktschicht (6) über dem laseraktiven Bereich zu einem im Wesentlichen streifenförmigen Steg (7) eines Steg­ wellenleiters gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (7) des Stegwellenleiters innerhalb eines in der zweiten Mantelschicht (5) und der Kontaktschicht (6) gefer­ tigten Grabens (8) gebildet ist, wobei die Breite des Grabens (8) ein vielfaches der Breite des Steges (7) besitzt.

16. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die außerhalb des Grabenbereiches (14) liegenden Bestandteile der Kontaktschicht (6), die Seitenwän­ de und Böden des Grabens (8), sowie die Seitenwände des aus der zweiten Mantelschicht (5) und der Kontaktschicht (6) ge­ bildeten Steges (7) im Wesentlichen kantenkonform durch eine Passivierungsschicht (9) aus elektrisch isolierendem Material überdeckt sind, und eine auf der Passivierungsschicht (9) und der von der Passivierungsschicht (9) nicht abgedeckten Ober­ seite (10) des Steges (7) abgeschiedene Metallisierungs­ schicht (11) für den elektrischen Anschluß des Steges (7) vorgesehen ist.

17. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Passivierungsschicht (9) Al₂O₃ auf­ weist.

18. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Mantelschicht (5) InP aufweist, und die Kontaktschicht (6) InGaAs aufweist.