DE2507357C2

DE2507357C2 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2507357C2
Application number: DE2507357A
Authority: DE
Inventors: Toshihisa Musashino Tokyo Tsukada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-03-04
Filing date: 1975-02-20
Publication date: 1983-08-11
Also published as: FR2263624B1; NL165891B; JPS5248066B2; DE2507357A1; GB1502953A; FR2263624A1; NL7501990A; NL165891C; JPS50119584A

Description

dadurch gekennzeichnet,

(d) daß die zweite Halbleiterschicht (12) an ihrer Oberfläche oxidiert ist, -»o

(e) daß die dritte Halbleiterschicht (13) aus einem Material besteht, das von dem Material Her laseraktiven Schicht (I) verschieden ist und einen größeren Bandabstand aufweist als dieses,

(f) daß in der zweiten Halbleiterschicht (12) sowie in dem daran angrenzenden Bereich der dritten Halblsiterschicht (13) eine Halbleiterzone (14) des zweiten Leitungstyps gebildet ist, die eine höhere Störstoffkonzentration hat als der übrige Teil der zweiten Halbleiterschicht (12), und

(g) daß auf der Halbleiterzone (14) und dem Halbleiterkörper (4) Metallschichten (7, 8) angeordnet sind.

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2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die laseraktive Schicht (1) aus Ga,-,ALAs (mit 0<y£ 1), der Halbleiterkörper (4) aus GaAs, und die drei Halbleiterschichten (11, 12, 13) aus Ga₁,,AI₁As (mit Q<x£\ und x>y) oder bo Gai-.AI.Asi-gP, (mit 0<x<l; 0<«7< 1 und x>y) bestehen.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht (12) aus Gai_,Al,As (mit 0<xS 1) und die dritte Halbleiterschicht (13) aus Ga,-,AUAs (mit 0<z< 1 und z> Abbestellt.

4. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

(a)

(b)

(C)

(d)

auf einer Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers (4) der mehrschichtige Halbleiterkristall gezüchtet wird,

der Halbleiterkristall unter Bildung der Mesastruktur und Freilegung der Oberfläche des Halbleiterkörpers (4) selektiv geätzt und dabei die zweite Halbleiterschicht (12) an ihrer Oberfläche oxidiert wird,
auf den Seitenflächen der Mesastruktur und der freigelegten Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers (4), nicht aber auf der oxidierten Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (12) eine dritte Halbleiterschicht (13) epitaktisch gezüchtet wird, und

in mindestens einen Teil der zweiten Haibleiterschicht (12) sowie in den daran angrenzenden Bereich der dritten Halbieiterschicht (13) selektiv Störstoffe eindiffundiert werden, die die niederohmige Halbleiterzone (14) bilden.

Ein Halbleiterbauelement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 21 37 892 (insbesondere deren Fig. 12 und 13) bekannt. Bei diesem Halbleiterbauelement ist der Mesa-Halbleiterkristall mit seiner zwischen zwei Halbleiterschichten angeordneten laseraktiven Schicht an seiner einen Oberfläche auf einem Substrat aufgebracht, an seiner anderen Oberfläche mit einer Deckschicht versehen, über die er mit einer Metallschicht in Verbindung steht, und an seinen Seitenflächen mit einer weiteren Schicht bedeckt.

Zur Erzielung des für eine optische Eingrenzung der laseraktiven Schicht und sine gute Quantenausbeute erforderlichen Brechungsindex- und Bandabstand-Unterschiedes zwischen der laseraktiven Schicht und der ihre Seitenflächen bedeckenden Schicht ist es nötig, für die bedeckende Schicht ein Halbleitermaterial zu verwenden. Derartige Halbleitermaterialien werden bekanntlich durch epitaktisches Wachstum auf den jeweiligen Unterschichten gezüchtet. In der praktischen Herstellung wächst aber diese die Seitenflächen bedeckende Schicht nicht nur an den Seitenflächen der laseraktiven Zone, sondern auch an der Deckschicht auf, so daß der gesamte Mesa-Halbleiterkristall und die angrenzende Oberfläche des Substrats mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Schicht überzogen ist. Um nun den Mesa-Kristall von außen her zu kontaktieren, ist es erforderlich, die bedeckende Schicht an der Außenfläche wegzuätzen. Ein solcher Ätzvorgang ist jedoch praktisch nicht so genau steuerbar, daß einerseits die bedeckende Schicht weggeätzt wird, andererseits die darunter liegenden sehr dünnen Schichten nicht angegriffen werden. Vielmehr kann es leicht passieren, daß der Ätzvorgang bis in die darunterliegenden Schichten und möglicherweise bis in die laseraktive Zone eingreift, was zu unerwünschten Beeinträchtigungen des Laserbetriebs führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Halbleiterbauelement der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, daß seine laseraktive Schicht zur Erzielung einer hohen Quantenausbeute auf allen Seiten von einem Halbleitermaterial mit größerem Bandab-

stand begrenzt ist und daß es sich ohne kritische Genauigkeitsanforderungen mit guter Qualität herstellen und mit gutem Wirkungsgrad betreiben läßt.

Die im Kenr.zeichnungsteil des Patentanspruchs 1 genannte, erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe nutzt die bisher nicht berücksichtigte Tatsache aus, daß die die Seitenflächen des Mesa-Kristalls und die Substrat-Hauptoberfläche bedeckende Halbleiterschicht auf der vom Substrat abgewandten Oberfläche des Mesa-Krista!'s nicht wächst, wenn diese Oberfläche von einer Aluminium enthaltenden und oxidierten Halbleiterschicht gebildet wird. Diese (zweite) HaIbieitersrisicht wirkt also beim Züchten der dritten Halbleiterschicht als Maske. Um nun trotz des an sich verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstands der aluminiumhaltigen zweiten Halbleiterschicht einen guten ohmschen Kontakt zwischen dem Halbleiterkristall und der als Anschlußeiektrode dienenden Metallschicht zu gewährleisten, ist in der zweiten Halbleiterschicht sowie dem daran angrenzenden Bereich der dritten Halbleiterschicht eine Halbleiterzone mit höherer Störstoffkonzentration ausgebildet. Bei dem dazu erfolgenden Eindiffundieren zusätzlicher ftlörstofie liegt die von der dritten Halbleiterschicht nicht bedeckte zweite Halbleiterschicht erkennbar frei, so daß der Diffusionsvorgang ohne Schwierigkeit durchführbar ist.

In der oben diskutierten deutschen Offenlegungsschrift 21 37 892 ist zwar gesagt, daß die an der Oberfläche des Mesa-Halbleiterkristalls vorhandene Deckschicht nur dann erforderlich ist, wenn die darunter liegende zweite Halbleiterschicht nicht korrosionsfest ist. Wie die Anmelderin jedoch erkannt hat, findet dann, wenn die zweite Halbleiterschicht aluminiumhaltig ist und der Luft ausgesetzt wird, ein Oxidationsvorgang statt, so daß die Deckschicht im Sinne dieser Druckschrift erforderlich ist.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 21 65 539 und aus der US-Patentschrift Nr. 37 80 358 ist zwar die Verwendung eines Halbleitermaterials mit gegenüber der laseraktiv ;n Schicht größerem Bandabstand zur Eingrenzung der Elektronen auf die laseraktive Schicht bekannt. Die Schwierigkeiten, mit denen sich die Erfindung befaßt und die dann auftreten, wenn versucht wird, derartige Ha'bleiterschichten auf allen Seiten eines Mesa-Kristallaufbaus anzubringen, sind jedoch in diesen Druckschriften weder angesprochen noch gelöst.

Ferner ist aus »Optics and Laser Technology«. Dezember 1972, Seiten 273 bis 280, insbesondere Fig. 11, ein Halbleiterlaser mit fünfschichtiger Mesa-Struktur bekannt, deren äußerste Schichten eine höhere Störstoffdotierung aufweisen. Auch aus dieser Druckschrift ist jedoch kein Hinweis darauf zu entnehmen, daß eine solche höher dotierte Schicht zur Vermeidung der oben erläuterten Schwierigkeiten bei der Kontaktierung der Mesa-Struktur mit einer Elektrode und damit zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe zu verwenden sei.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements sind in den übrigen Patentansprüchen gekennzeichnet.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Halbleiterbauelements; und

Fig. 2a bis 2d vier aufeinanderfolgende Stadien bei der Herstellung des Halbleiterbauelements nach Fig. 1. Gemäß F i g. 1 ist auf der Oberfläche eines n-GaAs-Substrates 4 ein mehrschichtiger Laserkristallstreifcn aus den Schichten 11, 1 und 12 aufgebracht. Direkt aui der Substratoberfläche liegt die n-Ga0fAI0.4AsftssP0.02-Schicht 11, auf der die GaAs-Schicht 1 liegt Auf dieser GaAs-Schicht 1 ist wiederum eine p-Gao.6Alo.4AsoasPo.02-Schicht 12 aufgebracht. Die freibleibende Oberfläche des Substrates 4 und der Mesastreifen sind mit einer η-leitenden oder undotierten Ga0.6Al0.4As05sP0.02- oder Ga_o.4Alo.bAsos7Po.o3-Schicht 13 bedeckt Ein p+-Dotierungsbereich 14 ist in der in F i g. 1 erkenntlichen Welse in den Schichten 12 und 13 ausgebildet Auf der Schicht

13 ist eine SiOi-Schicht 15 in der Weise ausgebildet, daß ein Teil der Oberfläche des Dotierungsbereiches 14 freibleibt Auf der Oberfläche der SiO₂-Schicht 15 und des freiliegenden Oberflächenbereiches des Dotierungsbereiches 14 ist eine Metallschicht 7 so aufgebracht, daß sie einen elektrischen Kontakt zum Dotierungsbereich

14 herstellt. Auf der rückwärtigen Oberfläche des Substrates 4 ist eine Metallschicht 8 aufgebracht. Die einander gegenüberliegenden Endflächen 9 und 10 sind parallel zueinander, so daß ein Hohlraumresonator für den Laser gebildet wird.

Zur Herstellung dieser Struktur werden auf die Oberfläche des n-GaAs-Substrates 4 in an sich bekannter Weise aus flüssiger Phase nacheinander eine n-Gao.oAio..iAso.98Po.o2-Schicht 11, eine undotierte GaAs-Schicht 1 und eine p-Gao.e · Alo^AsoasPo^-Schicht 12 epitaktisch aufgewachsen (Fig.2a). Durch selektives Ätzen wird aus den Schichten 11, 1 und 12 unter Freilegung der Oberfläche des GaAs-Substrates 4 ein Mesastreifen hergestellt (F i g. 2b). Auf den Oberflächen des Substrates 4 und des Mesakristalls wird dann eine n-Schicht 13 gebildet. Dabei wird diese Schicht in der aus F i g. 2c ersichtlichen Weise nicht auf der Schicht 12 gebildet, da ein kristallines Aufwachsen auf Aluminium enthaltenden III-V-Halbleiterverbindungen außerordentlich schwierig ist. Die Oberflächen der n-Schieht 13 und der p-Schicht 12 werden dann mit einer SiO₂-Schicht 15 bedeckt. Die Schicht 15 wird anschließend in der Weise selektiv geätzt, daß zumindest ein Teil der Oberfläche der p-Schicht 12 freiliegt Durch das so hergestellte Fenster wird Zn in die freiliegende Gao.eAlo^AsosePo.ic-Schicht unter Bildung eines p-Dotierungsbereiches 14 eindiffundiert. Auf der SiOj-Schicht

15 und dem p-Dotierungsbereich 14 wird eine elektrisch leitende Schicht 7 niedergeschlagen. Auf der rückwärtigen Oberfläche des GaAs-Subsirates 4 wird eine elektrisch leitende Schicht 8 aufgebracht (F i g. 2d).

Die in Fig. 1 gezeigte Struktur weist vor allem den Vorteil auf, daß die Diffusionsfront des auf dem Mesastreifen erzeugten Dotierungsbereiches 14 die Laserschicht 1 nicht erreicht. Fertigungstechnisch läßt sicli die in Fig. 1 gezeigte Struktur außerdem insofern einfach darstellen, als die Tiefe der Diffusionsfront nicht besonders sorgfältig gesteuert werden muß. Selbst wenn bei der Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Struktur die Diffusionsfront bis auf die Schicht 1 durchgreifen sollte, wird noch immer eine Struktur ausreichender Qualität erhalten, während ein in weiteren Bereichen früheres Abfangen der fortschreitenden Diffusionsfront eine Struktur mit noch besseren Kenndaten liefert.

In einem weiteren, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung be: 'eht der mehrschichtige Mesakristallstreifen aus einer n-GaAlAs-Schicht. einer p-GaAs-Schicht und einer p-GaAIAs-Schicht. Der Mesaslreifcn

ist auf der Oberfläche eines n-GaAs-Substrates aufgebracht. Die Seitenflächen der Mesastruktur und die nicht von der Mesastruktur bedeckte Oberfläche des GaAs-Substrates sind mit einer n-GaAlAs-Schicht bedeckt. In dieser n-GaAlAs-Schicht und in der p-GaAIAs-Schicht ist ein p-leitcnder Dotierungsbereich ausgebildet.

Nach der Bildung des mehrschichtigen Kristalls mit Mesastruktur läßt sich die GaAIAs-Schicht nicht auf der GaAIAs-Schicht. sondern lediglich auf der Oberfläche des GaAs-Substrates und auf den seitlichen Oberflächen des Mesaslreifens herstellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit

(a) einem Halbleiterkörper (4) eines ersten Leitungstyps aus einer kein Aluminium enthaltenden Verbindung von Elementen der III. und V. Gruppe des Periodensystems,

(b) einem auf einer Hauptoberfläche des Halb- in leiterkörpers (4) angeordneten mehrschichtigen Mesa-Halbleiterkristall, der

(bl) eine laseraktive Schicht (1),

(b2) eine zwischen der laseraktiven Schicht (1) und der Hauptoberfläche angeordnete p. erste Halbleiterschicht (11) aus einem Material des ersten Leitungstyps umfaßt, das von dem Material der laseraktiven Schicht (1) verschieden ist und einen größeren Bandabstand hat als dieses, und >o

(b3) eine auf der von der Haüptobcrfläche abgewandten Oberfläche der laseraktiven Schicht (1) angeordnete, die oberste Schicht des Mesa-Halbleiterkristalls bildende zweite Halbleiterschicht (12) aus einem Aluminium enthaltenden Material umfaßt, das einen zu dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten zweiten Leitungstyp und einen größeren Bandabstand als das Material der laseraktiven Schicht (1) w ai !'weist, sowie

(c) einer die übrige Hauptoberfläche und die Seiten der laseraktiven Schicht (1), nicht aber die oberste Fläche dre Me-sa-Halbieiterkristalls bedeckenden dritten Halbieiterschicht (13), jj