DE2347481C2

DE2347481C2 - Verfahren zum selektiven Ätzen einer bestimmten Schicht eines Al↓x↓Ga↓1↓↓-↓↓x↓As-Vielschichtkörpers

Info

Publication number: DE2347481C2
Application number: DE2347481A
Authority: DE
Inventors: John Cameron Chatham N.J. Dyment; Ralph Andre Morristown N.J. Logan; Bertram Westfield N.J. Schwartz
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-09-25
Filing date: 1973-09-21
Publication date: 1982-11-11
Also published as: FR2200374A1; DE2347481A1; JPS4973080A; JPS5716736B2; CA979790A; GB1436603A; FR2200374B1; US3801391A

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

— der Aluminiumgehalt (x\) der bestimmten Schicht (12) auf einen Wert zwischen 0 und 0,25 beschränkt wird und

— der Aluminiumgchalt fa) einer zur bestimmten Schicht (12) benachbarten Schicht (11, 13) so gewählt wird, daß er um mindestens 0,020 denjenigen der bestimmten Schicht übersteigt (X₇ - χι ^ 0.020).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumgehalt (χτ) der benachbarten Schicht (11,13) den Aluminiumgehalt (x\) der bestimmten Schicht (12) um mindestens 0,085 [x₂ — JTt > r> 085] übersteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des H2O2 innerhalb eines Bereiches von 10 Dis 70 Gew.-% der a Lösung gewählt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des H₂O₂ zu 30 Gew.-% der Lösung gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, to dadurch gekennzeichnet, daß NH4OH als Stoff, der in wäßriger Lösung Hydroxidionen bildet, verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung während ^ des Eintauchens der Einrichtung in die Lösung bewegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung durch Drehung des Vielschichtkörpers erzeugt wird, während dieser in der Lösung eingetaucht ist.

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum selektiven Ätzen einer bestimmten Schicht eines AI₁Ga] _ ,As-Vielschichtkörpers mit χ von 0 bis 0,7 der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Vielschichtkörper unter Benutzung von AUGai _ ,As mit X von 0 bis 0,7 haben sich von großer Bedeutung bei Halbleiterinjektionslasern, insbesondere bei jenen mit Doppelheterostruktur (DH) erwiesen. Ein solcher DH-Laser umfaßt eine dünne n- oder p-GaAs-Schicht zwischen einer n-AIGaAs-Schicht und einer p-AIGaAs-Schicht, wobei die n-AIGaAs-Schicht auf der anderen Seite wieder von einer n-GaAs-Schicht zu Kontaktierungszwecken, zur mechanischen Unterstützung, zur Wärmeabfuhr und dergleichen begrenzt ist Die Lichtemission und die Injektion von Minoritätsladungsträgern in einem solchen DH-Laser sind auf die dünne GaAs-Schicht (die deshalb auch als aktive Zone bezeichnet wird) beschränkt, was zu einer starken Verringerung der für stimulierte Emission erforderlichen Stromdichte führt (siehe beispielsweise Panish und Hayashi »A New Class of Diode Lasers«, Scientific American, 225 (1971), 32—40). Eine ähnliche Struktur zur Verwendung als passiver Wellenleiter ist Gegenstand der eigenen gleichrangigen Patentanmeldung P 23 47 802.6. Es handelt sich dabei wiederum um eine DH-Struktur aus einer n-GaAs-Schicht zwischen einer p-AIGaAs-Schicht und einer n-AIGaAs-Schicht, die ihrerseits auf einem n-GaAs-Substrat aufgewachsen ist. Die Schichten sind photolithographisch zum Erhalt einer Mesa-Struktur geätzt, um Licht in Moden niedriger Ordnung im Wellenleiter übertragen zu können. Einer der damit erzielten Hauptvorteüe besteht in der Möglichkeit, das Ganze in ein integriertes optisches System beispielsweise aus einem Licht-Emitter, einem Phasenmodulator, einem Wellenleiter und einem Detektor einzubeziehen, wobei diese Bauelemente sämtlich gleichzeitig erzeugt werden.

Unabhängig davon, ob der Vielschichtkörper als aktives Bauelement der vorstehend beschriebenen Art oder als passiver Wellenleiter verwendet wird, ist es wünschenswert, die Abmessungen der GaAs-Zone so klein wie möglich zu halten. Im aktiven Bauelement werden dadurch hohe Stromdichten bei niedrigem Gesamtstromfluß und deshalb eine längere Lebensdauer ermöglicht. Die verringerte Fläche verkleinert außerdem die Kapazität und ermöglicht so einen Betrieb bei höheren Frequenzen. Beim passiven Wellenleiter ermöglicht eine kleine Fläche eine Übertragung von Moden niedriger Ordnung oder selbst einer einzelnen Ordnung. Obwohl die Dicke der Schicht durch epitaktisches Wachstum aus flüssiger Phase sehr klein gehalten werden kann, kann die Breite der Schicht nicht so leicht gesteuert werden. Die Ätzung einer Mesa-Struktur allein kann nicht adäquat sein, da die Breitenabmessung durch die bei lithographischen Methoden mögliche Zeichnungsschärfe begrenzt wird. Außerdem ist es oft wünschenswert, die GaAs-Zone auf Dimensionen zu verringern, welche die nachfolgende Kontaktierung auf einer Mesastruktur unmöglich werden läßt.

Es besteht daher in solchen Fäljen das Bedürfnis nach einem Verfahren zur selektiven Ätzung eines bestimmten Materials in einer Struktur, während andere Materialien dieser Struktur im wesentlichen unbetroffen bleiben.

Aus J. Electrochem. Soc. 117 i(l970), Nr. 8, S. 1094-1097, ist es bekannt, dicke, p-leitende GaAs-Substrate unter dünnen η-leitenden GaAsi _ ,P.-Schichten (x zwischen 0 und 1) elektrolytisch abzuätzen, wenn mit wäßriger NaOH-Lösung als Elektrolyt gearbeitet wird. Dabei werden auch Schichten aus InP, In₁Ga! - .P und AljGai _ ,As als erfolgreich ätzbar erwähnt. Der Zweck dieser Ätzung wird dort in erster Linie darin gesehen, die Güte der η-Seite des pn-Überganges oder dessen Tiefe beurteilen zu können.

Aus IBM Techn. Discl. Bull. 12(1966) 427 ist es ferner bekannt, η-leitendes GaAs mit einer wäßrigen Lösung von H2O2 und NH4OH zu ätzen. Diese Lösung ist bei Einstellung ihres pH-Wertes auf 7 auch dafür bekannt, als Poliermittel für GaAs und p-AI,Gai _ ,As dienen zu können (vgl. J. Electrochem. Soc. 118 (1971), Nr. 8,

S, 1346-1350),

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, für das AIGaAs-System ein Verfahren zur selektiven Ätzung einer bestimmten Schicht eines aus zwei oder mehreren Schichten zusammengesetzten Vielschichtkörpers bereitzustellen, wobei jede Schicht eine Zusammensetzung entsprechend der allgemeinen Formel AUGa, _ ,As mit χzwi5chen 0 und 0,7 hat, um so insbesondere die Herstellung von DH-Strukturen einfacher und genauer reproduzierbar in der Breitenabmessung gestalten zu können und dabei die Kontaktierung von Mesastrukturen nicht zu beeinträchtigen.

Gernäß der Erfindung ist diese Aufgabe für das Verfahren der vorausgesetzten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemaßen Verfahren läßt sich, wie nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird, ein Vielschichtkörper, beispielsweise ein DH-Laser oder ein passiver Wellenleiter mit einer Breite seiner aktiven Zone bzw. der lichtleitenden Schicht von etwa 1 Mikrometer ohne Schwierigkeiten herstellen, wobei die Möglichkeit einer gegebenenfalls erforderlichen Kontaktierung erhalten bleibt

Besondere Ausführungsarten des erfindungs'- emäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen

F i g. 1 und 2 jeweilige Querschnitte durch ein Beispiel eines AUGai _ »As-Vielschichtkörpers vor und nach dessen Behandlung im vorliegenden Verfahren und

Fig.3 ein Diagramm zur Darstellung der Ätzgeschwindigkeit von AIXJa₁ _ ,As-Schichten als Funktion der Aluminium-Konzentration.

Das in Fig. 1 gezeigte Bauelement besitzt ein n-GaAs-Substrat 10, auf dem eine AIGaAs-Schicht 11 aufgewachsen ist. Auf dieser ist eine n-GaAs-Schicht 12 aufgewachsen, gefolgt von einer p-AIGaAs-Schicht 13. Alle drei Schichten können nach bekannten Flüssigphasen oder Molekularstrahl-Epilaxieverfahren erzeugt werden. Die Schichten werden zur Ausformung einer Mesa-Struktur geätzt, wie gezeigt. Wenn beispielsweise angenommen wird, daß die GaAs-Schicht 12 als Wellenleiter benutzt werden soll, ist ihre Dicke in der Größenordnung von 1 μτη und die Breite ungefähr 5 μπι. Die AlGaAs-Schichten 11 und 13, welche die Strahlung auf den Wellenleiter eingrenzen, sind ungefähr 2 μιη dick.

Wie erwäiint, ist es wünschenswert, den Querschnitt der GaAs-Zone 12 auf eine Abmessung einzuengen, die gewöhnlich nicht mit photolithographischen Techniken und einer nachfolgenden Kontaktierung verträglich ist. Hierzu wird nun die GaAs-Schicht im vorliegenden Verfahreti selektiv geätzt, während die AIGaAs-Schichten 11 und 12 relativ unbeeinirächtigt bleiben.

Das Bauelement wird in eine wäßrige Lösung von 30 Gew.-% H2O2 eingetaucht, die auf einen pH-Wert von 7 durch Zufügung von ungefähr 1 m! konzentrierter NH₄OH in 700 ml Lösung eingestellt ist. Die H₂O₂-Konzentration von 30 Gew.-% ist bequem, weil kommerziell erhältlich. Die H2O2-Konzentration kann aber auch im Bereich von 10—70% liegen. Die Einstellung des pH-Wertes kann auch durch andere Hydroxydionen liefernde Stoffe erfolgen. NH₄OH wird deshalb bevorzugt, weil es keine Kationen enthält, welche das GaAs-Material vergiften könnten. Der pH-Wert der Lösung sollte zwischen 6 und 8 liegen, da anderenfalls die GaAs/AIGaAi-Orenzflächc nicht genügend definiert wird. Die Ätzung von reinem GaAs erfolgt mit etva I μΐτι/h im ruhenden Ätzmittel, Im bewegten Äivrniittel werden etwa 6 μηι/h erzielt und glattere Ätzoberflächen erhalten. Dieses ist vermutlich auf eine Bildung dünner Oxydschichten bei ruhendem Ätzmittel zurückzuführen, während eine Bewegung dieses Oxyd wegspült. Die im ruhenden Ätzmittel auf der Oberfläche gebildeten Oxydhäute führen ferner zu allmählich abnehmender Ätzgeschwindigkeit. Die Bewegung kann durch zahlreiche Mittel erfolgen, beispielsweise Rühren

oder Drehen des Bandenendes im Ätzmittel. Im vorliegenden Beispiel wird der Vielschichtkörper in der Nähe des Randes einer Quarzscheibe von etwa 5 cm Durchmesser befestigt und so in der Lösung bewegt, daß die Längsdimension der Mesa-Gebilde senkrecht zum Durchmesser waren. Während der Ätzung rotiert die Scheibe in einem geneigten Becher mit einem Ätzmittel, und zwar bei ungefähr 60 Umdrehungen pro Minute.

Die erhaltene Struktur ist in Fig.2 gezeigt. Nach

ungefähr 20 Minuten in bewegter Ätzlösung ist die Schicht 12 aus GaAs auf eine Breite von genau 1 μιτι verringert, während die danebenlieppnden Schichten von AIGaAs im wesentlichen unbeeir.trächtigt geblieben sind. Der Wellenleiter ist nun in dtr Lage, eine Einzelmodenstrahlung zu übertragen. Zusätzlich kann ein Ohm'scher Kontakt ohne die Notwendigkeit der Maskierung angebracht werden. Da der p-n-Obergang zwischen den Schichten 12 und 13 vom Rand der Mesa-Struktur zurückversetzt ist, kann das Metall über die gesamte Oberfläche des Mesa-Gebildes aufgedampft werden, ohne daß der Übergang kurzgeschlossen wird. Zwar wurde bisher die Ätzung einer Zone aus reinem GaAs in einem Vielschichtkörper beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die aktive Zone beispielsweise eines DH-Lasers geringe Al-Anteile enthält und das Verfahren auch auf solche Strukturen anwendbar ist. Die Ätzgeschwindigkeit ist eine Funktion der Konzentration des Aluminium in der Schicht. Dieses ist im Diagramm nach F i g. 2 dargestellt.

DH-Laser mit unterschiedlichen Al-Konzentrationen in der aktiven p-Zone wurden in eine ruhende Ätzlösung gestellt, und nach 15 Minuten entnommen. Der Ätzgrad jeder aktiven Zone wurde durch Elektronenabtastmikroskopaufnahmen geschätzt und die Ätzgeschwindigkeit in 0,1 nm/min wurde auf eine halblogarithmische Skala als Funktion der Aluminiumkonzentra:iqn der aktiven Zone aufgetragen. Man sieht, daß die Ätzgeschwindigkeit eine nichtlineare Funktion der Aluminiumkonzentration ist, und zwar ergibt sich eine größere Abhängigkeit bei niedrigen Konzentrationen, während sie für Konzentrationen größer als χ = 0,25 fast konstant wird. Die maximale, in einer aktiven Zone gewünschte Aluminiiimkonzentration beträgt χ - 0,2 Innerhalb dieses Bereiches ist es möglich, zahlreicht Vielschichtkörper zu konstruieren, wobei die Aluminiumkonzentration der zu ätzenden Schicht von der höheren Konzentration der angrenzenden Schichten so weit verschieden ist, daß das jeweils gewünschte unterschiedliche Ätzverhalten für die betrachtete

bo Vorrichtung erhalten wird. In den meisten Fällen ist ein Unterschied in den Ätzgeschwindigkeiten von mindestens 10:1 vorzuziehen, was bedeutet, daß hierfür die Differenz zwischen der Aluminiumkonzentration der zu ätzenden Schicht und der benachbarten Schicht

to mindestens ungefähr 0,085 sein muß. In manchen Fällen kann jedoch auch ein Unterschied in den Ätzgeschwindigkeiten von nur 2 : ! ausreichen und die zugehörige Mindestdifferenz der betrachteten Aluminiumkon/en-

tration ist ungefähr 0,C2.

Die beschriebenen Ätzvorgänge sind bei Raumtemperatur durchgeführt worden. Eine Erwärmung der Lösung führt zu einer Zunahme der Ätzgeschwindigkeit, ader das selektive Ätzverhalten des Systems wird beibehalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zum selektiven Ätzen einer bestimmten Schicht eines Vielschichtkörpers aus zwei oder mehr Schichten, wobei

— jede Schicht eine Zusammensetzung gemäß der allgemeinen Formel AI»Gai - «As mit * von 0 bis 0,7 aufweist und

— der Vielschichtkörper während einer Zeitdauer, die zum Ätzen der bestimmten Schicht ausreicht, mit einer wäßrigen Lösung von H₂O₂ und eines in wäßriger Lösung Hydroxidionen bildenden Stoffes mit einem pH-Wert von 6 bis 8 als Ätzlösung in Berührung gebracht wird,