DE2656532A1 - Verfahren zur herstellung einer heterostrukturhalbleiter-wellenleiteranordnung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer heterostrukturhalbleiter-wellenleiteranordnung

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DE2656532A1 DE19762656532 DE2656532A DE2656532A1 DE 2656532 A1 DE2656532 A1 DE 2656532A1 DE 19762656532 DE19762656532 DE 19762656532 DE 2656532 A DE2656532 A DE 2656532A DE 2656532 A1 DE2656532 A1 DE 2656532A1
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Description

2 6 5 :S 5 3
Patentanwalt
Dipl.-Phys. Leo Thu-1
Postfactt 300 929
7000 Stuttgart 30
P.A. Kirkby 2
INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, New York
Verfahren zur Herstellung einer Heterostrukturhalbleiter-Wellenleiteranordnung
Die Priorität der Anmeldung Nr. 52490/75 vom 22. 12. 1975 in Großbritannien wird beansprucht.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Heterostrukturhalbleiter-Wellenleiteranordnung.
Wellenleiter-Injektionslaser mit einer rippenförmigen Ausbildung der Heterostruktur sind bereits bekannt, siehe z. B.
7 0 9 £ ? 7 / 0 R ? 0 - 2 -
9. Dezember 1976 Go/sp
P.A. Kirkby 2
IEEE Journal of Quantum Electronics, Spezialausgabe, Bd. 11, Nr. 7, Seiten 432 bis 435 (Juli 1975), T.P. Lee: "AlGaAs Double Heterostructure Rib Waveguide Injection Lasers".
Ein Nachteil der dort beschriebenen Anordnung liegt jedoch in ihrem Herstellungsverfahren: Die Epitaxie muß an einer Zwischenstufe angehalten werden, die Vorrichtung muß aus dem Ofen herausgenommen, maskiert, geätzt und wieder in den Ofen hineingelegt werden, um die Epitaxie zu beenden. Auf diese Epitaxieunterbrechung kann mit Sicherheit die schlechte Qualität der zwischen dem später und früher aufgewachsenen Material liegenden Zwischenschicht zurückgeführt werden. Es treten insofern Probleme beim später aufgewachsenen Material auf, als die Kristallisationskernbildung beim später aufgewachsenen Material fehlerhaft verläuft, wenn das Substratmaterial, auf welches das später aufgewachsene Material abgelagert wird, nicht weniger als 0,8 % AlAs enthält. Dieswird auf die Auswirkung der während der Entfernung aus dem Ofen entstandenen Oberflächenoxydation zurückgeführt.
Im Journal of Applied Physics, Bd. 45, Seiten 4899 bis 4906, beschreibt T. Tsukuda in seinem Beitrag "GaAs-Ga Al1- As Buried Heterostructure Injection Lasers" Injektionslaser mit "eingebetteter" Heterostruktur. Diese Struktur gleicht jedoch der oben bereits erwähnten insofern, als bei deren Herstellung die Epitaxie an einer Zwischenstufe angehalten und die Anordnung aus dem Ofen entfernt werden muß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beheben. Dies wird durch ein Herstellungsverfahren erreicht,
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P .A. Kirkby 2
dessen einzelne Schritte im Patentanspruch 1 angegeben sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Injektionslaser des Typs mit eingebetteter Rippe,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Injektionslaser des Typs mit isolierten Streifen und
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Injektionslaser des Typs mit eingebetteter HeteroStruktur.
Die erste und die weiteren epitaktisch abgelagerten Schichten können den entgegengesetzten Leitungstyp besitzen, das Material mit dem höheren Brechungsindex kann aus einem Bereich bestehen oder diesen enthalten, derN das aktive Material eines Injektionslasers oder eines Lichtverstärkers bildet.
Die Erfindung beruht auf einer Neigung, daß sich im Substrat gebildete Rillen in bevorzugter Masse auffüllen, wenn auf diesem Substrat Schichten durch Flüssigphasen-Epitaxie aufgewachsen werden. Wird daher eine Rille der Tiefe a in die Substratoberfläche eingebracht, auf die durch Flüssigphasen-Epitaxie Material aufgebracht wird, so folgt die Tiefe a der Rille im aufgewachsenen Material etwa der Beziehung
a = aQ exp -t/c,
wo t die Dicke des aufgewachsenen Materials, gemessen an einem ebenen Teil des Substrats, und
c die von der Schmelzezusammensetzung und den Wachstumsbedingungen abhängige Abklingkonstante ist.
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.Ο-
Es wurde festgestellt, daß diese Konstante besonders klein ist, wenn ein Substrat verwendet wird, dessen Oberfläche in einer einen niedrigen Index aufweisenden Ebene, z. B. einer 100-Ebene in GaAlAs, liegt. In diesem Falle jedoch erhöht sich die Abklingkonstante beträchtlich, wenn der zwischen der Substratoberfläche und der 100-Ebene eingeschlossene Winkel größer ist als 1/2°. Es wurde z. B. festgestellt, daß, falls eine Substratoberfläche, die zwischen 1/2° bis 3° um die ^JOO/-Richtung gegen die 100-Ebene geneigt ist, mit einer sich im rechten Winkel zur Neigungsachse verlaufenden V-förmigen Rille versehen wird, das in der Oberfläche des aufgewachsenen Materials vorhandene Rillenprofil bei üblichen Wachstumsbedingungen auf 1,5 μπι reduziert wird, wobei die Dicke des aufgewachsenen Materials, gemessen an ebenen Stellen in Rillennähe, ungefähr 2,5 μη beträgt. Eine epitaktisch abgelagerte Schicht weist folglich einen Bereich von größerer Dicke auf, die der Rillenspur in der Oberfläche des darunterliegenden Substrats folgt. Wenn das an diese Schicht angrenzende Material einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als die Schicht, dann weist diese Schicht die optischen Leiteigenschaften eines "Rippen"-Wellenleiters auf.
In manchen Fällen kann auch die Tatsache ausgenutzt werden, daß die Gleichgewichts-Sättigungstemperatur der mit der festen Oberfläche in Berührung stehenden Schmelze bei Flüssigphasen-Epitaxie eine Funktion der Krümmung der zwischen diesen liegenden Zwischenfläche ist. Insbesondere ist die erwähnte Temperatur an konvexen Teilen des Festkörpers höher, an konkaven Teilen niedriger; bei Krümmungen der Oberfläche nur in einer Richtung gilt für die Temperatur die Gleichung
Tr =
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wo T die Gleichgewichtstemperatur in einem Bereich ist, dessen Oberfläche einen Krümmungsradius r aufweist,
T^ die Gleichgewichtstemperatur eines Bereichs mit ebener Oberfläche ist,
Ύ die freie Oberflächenenergie der flüssig-festen Zwischenfläche ist und
L die latente Fusionswärme pro Volumeneinheit angibt.
Bei einer Flüssigphasen-Epitaxie, während welcher die Schmelze in Bezug auf die ebene Oberfläche leicht untersättigt ist, kann daher das epitaktische Wachstum auf einem Streifen entlang dem Rillenboden begrenzt werden, wo die feste Oberfläche konkav ist. Findet dieses Wachstum auf einem Material mit niedrigerem Brechungsindex statt und wird der Streifen durch Aufwachsen einer Schicht niedrigeren Brechungsindex abgedeckt, dann erhält der Streifen die optischen Leiteigenschaften eines "umhüllten" Wellenleiters.
Die durch Krümmungsunterschiede ermöglichte selektive Ablagerung kann auch zur Herstellung komplexer optischer Anordnungen, enthaltend aktive Elemente, Laser oder Lichtverstärker, mit passiven Wellenleitern, verwendet werden. Zu diesem Zwecke ist das Profil der Rille bzw. Rillen an verschiedenen Stellen des Substrats verschieden, so daß eine epitaktische Ablagerung von aktivem Material für Laser oder Lichtverstärker nur in einer Rille oder nur in einem Teil der Rille statt findet.
Das Substrat 10 in Fig. 1 weist eine V-förmige Rille 11 auf, die sich praktisch in einer "110"-Richtung an der Substratoberfläche erstreckt. Diese Oberfläche liegt in einer 100-Ebene, ist jedoch 1/2° bis 3° um eine zur Rillenrichtung
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senkrecht verlaufende Achse geneigt. Das Substrat wird in einem nicht gezeigten Graphittiegel mit mehreren Bohrungen, versehen mit Schmelzen zum Aufwachsen dreier Schichten 12, 13, 14, untergebracht. Der Tiegel kommt in einen Epitaxieofen, wo die drei Schichten ohne unterbrechung aufgewachsen werden. Die Schichten 12 und 14 sind aus GaAlAs entgegengesetzten Leitungstyps. Normalerweise ist das Susbrat vom η-Typ und folglich ist die Schicht 12 η-leitend und die Schicht 14 p-leitend. Die Schicht 13 wächst auf aus einem Material mit niedriger Bandlücke und höherem Brechungsindex als die übrigen zwei Schichten und enthält entweder einen verringerten Gehalt an AlAs oder überhaupt kein AlAs. Die Schichten 12 und 14 sind entgegengesetzten Leitungstyps, um einen pn-übergang nahe der Oberfläche oder innerhalb der Schicht 13 zu bilden; die Schicht 13 ist die aktive Schicht und kann jeden der beiden Leitungstypen aufweisen, wird jedoch gewöhnlich p-leitend aufgewachsen. Die Dotierungspegel der drei Schichten liegen üblicherweise im Bereich von
17 3
5 χ 10 Träger je cm .
Die Schicht 13 ist vorzugsweise 0,2 μπι dick, eine gute seitliche Lichtführung erfordert jedoch, daß der mittlere Teil um etwa 0,02 μπι dicker ist als die Ränder. Diese Verstärkung in der Mitte kann durch die Anpassung der Dicke der darunterliegenden Schicht 12 geregelt werden, da sich dieJTiefe der_sich an der Schichtoberfläche befindenden Rille praktisch exponentiell mit der Schichtdicke ändert. Auch die exponentielle Abklingkonstante kann durch Änderung der Wachstumsbedingungen geregelt werden, indem insbesondere die Wachstumsgeschwindigkeit heraufgesetzt wird, um die Abklingrate mit zunehmender Tiefe zu reduzieren.
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Nach dem Aufwachsen der drei epitaktischen Schichten wird noch eine Isolierschicht 16 gebildet. Diese wird sorgfältig maskiert, um einen genau mit dem Verlauf der darunterliegenden, eingebetteten Rippe überexnstimmenden Kanal wegzuätzen. Nach dem Ätzen wird über die Schicht 16 eine Metallelektrodenschicht 17 gelegt, wodurch ein elektrischer Streifenkontakt mit dem entblößten Teil der Schicht 14 geschaffen wird.
Der Aufbau gemäß Fig. 1 gewährleistet eine bessere seitliche Lichtführung als ein herkömmlicher Streifen-Doppelheterostruktur laser mit ebenen Schichten, da die primäre seitliche Lichtführung im herkömmlichen Streifenlaser auf Dämpfung beruht .
Die Grundstruktur der Fig. 1 wird schrittweise weitergebildet entsprechend den im folgenden beschriebenen Strukturen der Fig. 2 und 3.
Um den Aufbau gemäß Fig. 2 herzustellen, ist es lediglich nötig, eine leichte Änderung der zum Wachstum eines aktiven Materials 13' benötigten Schmelzbedingungen herbeizuführen. Die Übersättigung der Schmelze wird reduziert, so daß sie zwar noch immer in Bezug auf ebene und konkave Oberflächen als übersättigt, in Bezug auf die konkaven Oberflächen an den Seitenteilen der Rille in Schicht 12 jedoch als ungesättigt angesehen werden kann. Die Schicht 13 wird folglich in zwei kein abgelagertes aktives Material enthaltenden Teilen 20 unterbrochen. Zwischen diesen Teilen ist ein Streifen 21 aus aktivem Material vorhanden, eingeschlossen vom Material mit niedrigerem Brechungsindex der Schichten 12 und 14. Die optische Führung des Streifens 21 ist folglich nicht auf die "Rippen"-
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"" fl -"
2656^32
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Struktur, sondern auf seinen Aufbau als "Kern umgeben von Umhüllung aus Material mit niedrigerem Brechungsindex" zurückzuführen .
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erwähnten Anordnung ist der Streifen ca. 17 μπι breit, entlang seiner Mittellinie ungefähr 0,28 μΐη dick und verjüngt sich auf Null in Richtungseiner Kanten. Die flankierenden Teile 20 weisen eine ansteigende Dicke des aktiven Materials bis auf ungefähr 0,15 μπι auf.
Bei dieser Ausführung fließt über den pn-übergang im Teil praktisch kein Strom, da hier der Übergang an beiden Seiten durch das Material höherer Bandlücken der Schichten 12 und eingegrenzt ist, während der übergang im Streifen 21 mindestens an einer Seite an ein aktives Material mit niedrigerer Bandlücke angrenzt. Eine Streifenkontaktelektrode von oben wird jedoch nach wie vor benötigt, um den Stromfluß über den pn-übergang in den Bereichen 23 außerhalb der Streifen 20 zu reduz ieren
Bei der Anordnung der Fig. 3 wird die zur Ausbildung der Anordnung gemäß Fig. 2 führende Modifikation hinsichtlich der Schmelzbedingungen zum Wachstum eines aktiven Materials 13" insofern noch um eine Stufe weitergeführt, als die Schmelze in Bezug auf eine Ebene ungesättigt und lediglich in Bezug auf die konkave Fläche am Boden der Rille in der Oberfläche der Schicht 12 übersättigt ist. Als Resultat ist das Wachstum des aktiven Materials auf den Streifen 31 beschränkt.
In einem besonderen Ausführungsbeispiel dieser Anordnung ist der Streifen 31 ca. 9 μπι breit und entlang seiner Mittellinie etwa 0,15 μπι dick, wobei sich die Dicke in Richtung der Kanten
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-JBf-
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gleichmäßig auf Null verringert.
In der erwähnten Anordnung fließt praktisch kein Strom über den pn-übergang außerhalb des Streifenbereichs, da außerhalb dieses Bereichs der Übergang auf beiden Seiten von eine hohe Bandlücke aufweisendem Material der Schichten 12 und 14 umgeben ist, während er innerhalb des Bereichs mindestens auf einer Seite an das Material 13" mit niedrigerer Bandlücke angrenzt. Die Notwendigkeit eines elektrischen Streifenkontaktes entfällt folglich; dies gilt auch für die Ablagerung der Isolierschicht, ihre Maskierung und Ätzung.
Die Anwendung des Herstellungsverfahrens nach der Erfindung ist nicht nur auf Laser und Lichtverstärker beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf integrierte Schaltungen. Ein Richtkoppler zum Beispiel entsteht dadurch, daß gemäß dem Verfahren nach der Erfindung eine Wellenleitung auf einem Sub strat vorgesehen ist, welches mit zwei Rillen versehen wird, die sich über eine gewisse Länge Seite an Seite sehr nahe aneinander erstrecken. Wird ein pn-übergang im Bereich der Wellenleitung gebildet, so kann die Anordnung als aktives Element verwendet werden, in welchem der Kopplungsfaktor zwischen den Leitern elektrisch beeinflußbar ist. Dies ist dadurch erreichbar, daß der Übergang in Sperrichtung betrieben wird, wodurch eine Verarmungsschicht entsteht, in welcher der Brechungsindex sich ändert, teilweise als Folge des Entzuges von freien Trägern, teilweise durch den durch die Ausdehnung des Feldes in die Sperrschicht bewirkten elektrooptischen Lichteffekt. Kompliziertere integrierte optische Einrichtungen können hergestellt werden, indem Rillen verschiedener Profile vorliegen, so daß aktives Material durch Flüssigphasen-Epitaxie nur in einem bestimmten Teil der Rille abgelagert wird. Es folgt eine weitere Flüssigphasen-Epitaxie, die der Ablagerung von Material mit niedrigerem Brechungs-
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- 10 -
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index vorangeht. Diese weitere Epitaxie wird zur Ablagerung von passivem Material entlang der ganzen Länge der Rille verwendet. Es entsteht so ein Wellenleiteraufbau aus passivem Material, unter welchem sich Bereiche von aktivem Material befinden. Das passive Material hat eine größere Bandlücke als das aktive Material und folglich ist der Strom durch den pn-übergang praktisch auf die aktiven Bereiche beschränkt, welche dadurch eine optische Verstärkung durch erzwungene Emission liefern.
Ein besonders kritischer Punkt bei der Herstellung der Anordnungen gemäß Fig. 2 und 3 ist die Kontrolle der Sättigung der Schmelze, aus welcher das Material mit dem höheren Brechungsindex gebildet wird. Insbesondere muß das schnelle Anfangswachstum beim ersten Kontakt der Schmelze mit der für das epitaktische Wachstum bestimmten Oberfläche in Betracht gezogen werden. Eine gute Steuerung dieses schnellen Anfangswachstums kann mittels eines Epitaxieofens mit regulierbarem Vertikaltemperaturgradient erreicht werden. Der einem bestimmten Material und einer bestimmten Anordnung entsprechende Gradient wird von der Abkühlungsgeschwindigkeit abhängen.
In den Lasern gemäß Fig. 1 und 2 ist der Stromfluß über den pn-übergang durch die Verwendung eines Streifenkontaktes hauptsächlich auf den gewünschten Bereich beschränkt. Außer halb des Bereichs fließt praktisch lediglich ein Leckstrom. Ein solcher Verlust kann reduziert werden, indem durch Mesa technologie die Übergänge in den Leckbereich beseitigt oder indem diese Bereiche z. B. durch Protonenbombardierung in halbisolierendes Material verwandelt werden. Bei Verwendung einer dieser Methoden erübrigt sich die den Streifenkontakt begrenzende Isolierschicht.
8 Patentansprüche 709827/062D
1 Blatt Zeichnung mit 3 Figuren

Claims (8)

  1. P.A. Kirkby 2
    PATENTANSPRÜCHE
    J Verfahren zur Herstellung einer HeteroStrukturhalbleiter- ^ Wellenleiteranordnung, dadurch gekennzeichnet , daß eine erste Schicht (12) aus Halbleitermaterial mittels Flüssigphasen-Epitaxie auf die mit mindestens einer Rille (11) versehene Oberfläche eines Substrats (10)'aufgewachsen wird, wobei die Dicke der Schicht derart bemessen und deren Wachstumsbedingungen so bestimmt werden, daß auf der dem Substrat abgewandten Oberfläche der über der Rille liegenden ersten Schicht (12) eine der erstgenannten Rille (TI) entsprechende Rille entsteht, daß Halbleitermaterial (13, 13', 13.") mit 'höheren Brechungsindex durch Flüssigphasen-Epitaxie auf mindestens einen Teil der Oberfläche der ersten Schicht aufgewachsen wird und daß eine weitere Halbleitermaterial-Schicht (14) auf das Halbleitermaterial (13) mit höherem Brechungsindex mittels Flüssigphasen-Epitaxie aufgewachsen wird, wobei der Brechungsindex der weiteren Schicht (14) kleiner ist als jener des Halbleitermaterials mit höherem Brechungsindex»
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) aus GaAs und das epitaktisch abgelagerte Material aus Ga Al1- As bei χ ^O gebildet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wachstumsbedingungen des Materials (13 ') mit höherem Brechungsindex derart sind, daß jede Flanke der Rille in der Oberfläche der ersten Schicht (12) eine konvexe Oberfläche (20) aufweist, auf deren mindestens einem Teil kein Material mit höherem Brechungsindex abgelagert bleibt (Fig. 2).
    709827/0620. _ _
    265B532
    4-2 -
    P.A. Kirkby 2
  4. 4. Verfahren nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wachstumsbedingungen des Materials (13") mit höherem Brechungsindex derart sind, daß dieses Material nach dem Aufwachsen lediglich in der Rille der ersten Schicht Ct2) abgelagert wird (Fig. 3).
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (12) und die weitere (14) Schicht aus Material von entgegengesetzter Leitfähigkeit gebildet werden.
  6. 6. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet r daß ein Teil eines pn—Überganges an einer der Rillenflanken durch Wegätzen beseitigt wird.
  7. 7. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet r daß ein Teil eines pn-Überganges an einer der Rillenflanken durch die Bildung eines halbisolierenden Materials beseitigt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 4r dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Länge der Rille (11) im Substrat (10) Teile, die verschiedene Profile aufweisen, gebildet werden, derart, daß das Wachstum des Materials mit höherem Brechungsindex nur an einem Teil der Rille der ersten Schicht (12) stattfindet, und daß dem Wachstum der weiteren Schicht ein zusätzliches epitaktisches Wachstum in Flüssigphase eines Materials mit höherem Brechungsindex als jenem der weiteren Schicht über der ganzen Länge der Rille der ersten Schicht, die dem zusätzlichen Wachstum ausgesetzt ist, vorangeht.
    7 0 9 8 2 7 / 0 6 2 0.
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