DE3123228A1

DE3123228A1 - Epitaxialbauelement mit verminderter versetzungsdichte

Info

Publication number: DE3123228A1
Application number: DE19813123228
Authority: DE
Inventors: Subhash 07901 Indiana N.J. Mahajan
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1980-06-16
Filing date: 1981-06-11
Publication date: 1982-03-25
Also published as: NL8102870A; CA1165851A; GB2080619A; IT8122301A0; IT1138389B; FR2484706A1; JPS5727025A; FR2484706B1; GB2080619B

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Epitaxialbauelemente mit verringerter Versetzungsdichte; die Bauelemente besitzen eine auf einem dotierten Substrat aufgewachsene dünne Pufferschicht.

In der modernen Technologie werden mehr und mehr Halbleiterbauelemente verwendet. Speziell werden derzeitig optoelektronische Bauelemente, z. B. Leuchtdioden, Laserelemente und
Fotodetektoren extensiv verwendet. Entweder werden solche
Bauelemente heute schon eingesetzt oder es ist beabsichtigt, diese Bauelemente zukünftig in optischen Kommunikationssystemen unter Verwendung von Glasfasern, integrierten optischen Einrichtungen und Opto-Isolatoren zu verwenden.

Mit der Erkenntnis, daß die Verluste und die Materialdisjpersion in optischen Fasern durch Verwendung von Wellenlängen zwischen 1,1 und 1,6 Mikrometer minimal gehalten v/erden können, steigt das Interesse an Bauelementen, bei denen InGaAsP zum Einsatz gelangt, weil solche Bauelemente mit in dem interessierenden Bereich liegenden Bandabständen gefertigt werden können. Die Fertigung dieser Bauelemente erfolgt häufig durch Flüssigphasen-Epitaxialwachstum, die Fertigung wird erschwert durch verschiedene Faktoren wie z. B. durch thermische Zersetzung

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von Substraten vor Einleitung des Wachstums. Die thermische Zersetzung erfolgt durch die Bildung unerwünschter Indiumküßelchen und Einschlüsse in dem Bauelement, ohne daß geeignete Verarbeitungsschritte vorgesehen sind, um die Kügelchen und Einschlüsse zu beseitigen.

Wenngleich zum Herstellen derartiger Bauelemente viele Strukturen bekannt sind, besitzen die meisten Bauelementstrukturen derzeitig ein oder mehrere epitaktisch gewachsene Halbleiterschichten, deren Gitter an das Gitter des darunterliegenden Substrats angepaßt ist. Eür die InGaAsP-Familie wurden Geometrien entwickelt, bei denen typischerweise eine das Indiumphosphidsubstrat kontaktierende Indiumphosphidschicht, eine aktive quaternäre Schicht und eine Deckschicht vorgesehen sind, bei der es sich um Indiumphosphid handeln kann. Es können v/eitere Schichten vorhanden sein. Die erste Indiumphosphid™ schicht, die für gewöhnlich als Pufferschicht bezeichnet wird, war im allgemeinen relativ dick im Hinblick auf den Wunsch, das Wachsen der aktiven Schicht auf Material hoher Qualität einzuleiten, d. h., auf Material ohne einen Indiumüberschuß. So z. B. ist Applied Physics Letters 35, Seiten 577-580, 15. Oktober 1979 ein InGaAsP-Mesa-Streifen-Laser zu entnehmen, bei dom eine sieben Mikrometer starke InP-Schicht auf einem zinndotierten (4 χ 10 /cm ) Indiumpliosphid-Substrat aufgewachsen ist. In IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-14, Seiten 95-98, Februar 1978 ist ein InGaAsP-Doppelheterostruktur-

Laser beschrieben, bei dem eine 15 Mikrometer starke Indiumphosphidschicht auf ein zinndotiertes (5 χ 10 /cm ) Indiumphosphid-Substrat aufgewachsen ist. Gelegentlich wurde auch von dünneren Schichten berichtet. So z. B. ist in Applied Physics Letters 28, Seiten 709-711, 15. Juni 1976, ein IriGaAsP-Doppelheterostruktur-Laser beschrieben, bei dem auf einem zinndotierten (4 χ 10 /cm ) Indiumphosphid-Substrat eine 2 Mikrometer starke Indiunphosphidschicht aufgewachsen ist; die Autoren dieses Artikels berichteten irpäter (vergl. Applied Physics Letters 30, Seiten 429-431, 15. April 1977) die Verwendung von stärkeren Pufferschichten von offensichtlich mehr als 5 Mikrometern in ihren Bauelementen. Es wurden schwefeldotierte Substrate verwendet. So z. B. wird in Electronics Letters 15, Seiten 606-607, 13. September 1979 von einem InGaAsP-Heterostruktur-Laser berichtet, bei dem eine dicke Pufferschicht auf einem S-dotierten (Fremdstoffkonzentration nicht angegeben) InP-Substrat mit einer Ätz-

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grubendichte von etwa 10 /cm aufgewachsen war.

Für in Betracht zu ziehende Anwendungsfälle sollte die Lebensdauer von Bauelementen tausende von Arbeitsstunden ohne Fehler oder beträchtliche Verschlechterung betragen. Derzeitig machen sich verschiedene Fehlermechanismen bemerkbar, die zur Herabsetzung der Bauelemente-Lebensdauer und zur verschlechterten Bauelement-Leistung beitragen. Die Mechanismen werden noch nicht vollständig verstanden, sie

werden jedoch Kristall-Fehlanordnungen zugerechnet. So z. B. können Versetzungen als nichtstrahlende Rekombinationszentren wirken und Dunkellinien-Defekte hervorrufen. Es wurde herausgefunden, daß gewisse Dotierstoffe die Versetzungsdichte von als Substrate geeigneten gewachsenen InP-Einkristallen herabsetzen können. Beispielsweise wird in Journal of Applied Physics 47, Seiten 3374-3376, Juli 1976 berichtet, daß Indiumphosphidkristalle verringerte Versetzungsdichten aufweisen, falls sie mit Zn, S oder Te dotiert werden. Als spezielle Trägerkonzentrationen wurde ein Bereich zwischen 1,4 bis 5,4 χ 10 /cm- berichtet. Bei der Verminderung von Versetzungen war Zn am meisten wirksam, wobei die Versetzungsdichte drastisch herabgesetzt v/erden konnte, wenn die Zn-Konzentration 10 /cnr überschritt. Es wurde hierbei angenommen, daß die Anzahl von Versetzungen reduziert wurde aufgrund von festen Bindungen zwischen den Fremdatomen und den Wirtsatomen. Aufgrund der stärkeren Bindung wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von durch thermische Gradienten hervorgerufene Stufenversetzungen (Gleitversetzungen) herabgesetzt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können Bauelemente mit verminderten Versetzungsdichten in Epitaxialschichten hergestellt werden durch Aufwachsen einer dünnen Pufferschicht in innigem Kontakt mit einem S-dotiertem InP-Substrat, welches zum Vermindern der Versetzungsdichte dotiert wurde. Das Bauclomont umfaßt weiterhin wenigstens eine zusätzliche Epitaxialschicht, die auf der Pufferschicht aufgewachsen ist. Das

Wachstum dieser und weiterer Schichten kann nach derzeitig üblichen Methoden erfolgen. Die Pufferschicht kann so dünn sein, wie es sich mit einer vollständigen Abdeckung des Substrats verträgt, sie sollte dünner als 10 Mikrometer sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Substrat um schwefeldotiertes Indiumphosphid, die Pufferschicht ist Indiumphosphid mit einer Dicke von etwa 2 Mikrometern. Der bevorzugte Bereich der Fremdatomkonzentration in dem Substrat liegt zwischen 2 χ 10 und

1Q 'S
10 vcm . Es zeigte sich, daß die Schwefelkonzentration innerhalb dieses Bereichs die Versetzungsdichte in der Pufferschicht minimiert.

Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Bauelements.

Die Erfindung soll an Hand von Bauelementen mit gitterangepaßten Epitaxialschichten aus In_-1 Ga As„P, „ (mit

ι —χ χ y ι —y

χ und y_ gleich oder größer als 0,0 und kleiner oder gleich 1,0) auf mit S dotierten InP-Substraten beschrieben werden. Bauelemente mit solchen Schichten sind deshalb von Interesse, weil es möglich ist, den Bandabstand einzustellen und damit die Emissions- und Absorptionswellenlängen innerhalb des derzeitig für elektrooptisch^ Bauelemente gewünschten Bereichs zwischen 1,1 und 1,6 Mikrometer« Derzeitige Glasfasern

zeigen sowohl cine niedrige Dämpfung und eine minimale Materialdispersion innerhalb dieses Wellenlängenbereichs. In Betracht kommende Bauelemente sind Laserelemente, Leuchtdioden und Fotodetektoren.

Die Figur zeigt im Querschnitt ein Bauelement 1 nach der vorliegenden Erfindung. Aus Gründen der klaren Darstellung sind die Einzelheiten des Bauelements nicht maßstabsgerecht dargestellt. Das Bauelement 1 enthält ein Substrat 3, eine auf dieser befindliche Epitaxial-Pufferschicht 5 und wenigstens eine auf der Pufferschicht befindliche aktive Schicht 7. Bei der aktiven Schicht handelt es sich typischerweise um InGaAsP. Das Bauelement kann weiterhin in an sich bekannter Weise zusätzliche aktive Schichten, eine Deckschicht, ebenfalls aus

Jn,, ,Ga AsP_-1 sowie ohmsche Kontakte für das Substrat und ι —χ χ y ι —y

die Deckschicht enthalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Substrat 3 um Indiumphosphid mit S als versetzungsvermindernden Dotierstoff. Die Konzentration von S sollte innerhalb des Bereichs von etwa 2 χ 10 bis 10 /cm liegen. Wenn die Konzentration von S niedriger ist, ist der Dotierstoff beim Vermindern der Versetzungsdichte weniger wirksam als Konzentrationen innerhalb des spezifizierten Bereichs, während höhere Dotierpegel wahrscheinlich bewirken, daß etwas S nur· der Manr.e ausfällt.

Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält die Pufferschicht 5 Indiumphosphid, d. h., es gilt x=y=O, und die Schicht 5 kann weiterhin geeignete n- oder p-Dotierstoffe wie z. B. Sn oder Te und Zn oder Cd für den n- bzw. p- Typ enthalten. Die Dicke der Schicht 3 sollte weniger als 10 Mikrometer betragen. Die Pufferschicht verringert im allgemeinen nicht die Versetzungsdichte ausgehend von derjenigen im Substrat, sie kann aber die Versetzungsdichte erhöhen aufgrund von Versetzungen, die in der Rifferschicht in Gang gesetzt wurden. Eine Dicke von mehr als 10 Mikrometer kann zu höheren Versetzungsdichten führen. Folglich ist es wünschenswert, daß die Schicht 5 so dünn ist, wie es sich mit dem Abdecken des Substrats 3 verträgt. Es zeigte sich, daß eine Dicke von 2 Mikrometer gute Ergebnisse brachte.

Die aktive Schicht 7 wird nach derzeitig Anwendung findenden Verfahren aufgewachsen, beispielsweise so, wie es in Applied Physics Letters, 31, Seiten 40-42, 1. Juli 1977 für Leuchtdioden beschrieben ist, wie es in Applied Physics Letters 33, Seiten 314-316, Ip. August 1975 für Laser beschrieben ist, und wie es in Japenese Journal of Applied Physics 17, Seiten 2065-2066, November 1977 für Fotodetektoren beschrieben ist. Bei der Schicht 7 handelt es sich typischerweise um In,, _r Ga_xAs P₁ , wobei χ und v. beide gleich oder größer als 0,0 und kleiner oder gleich 1,0 sind. Wenngleich nur eine einzelne

Schicht dargestellt ist, so versteht es sich, daß mehrere Schichten vorhanden sein können. Die zusätzlichen Schichten umfassen typischerweise das quaternäre In^__x^a As P^ . In üblicher Weise können auch ohmsehe Kontakte hinzugefügt werden.

Im Folgenden wird die Herstellung von Bauelementen erläutert. Unter Anwendung der LEC-Methode (liquid-encapsulated-Czochralski-Methode) werden Zuchtkeim-InP-Einkristalle, die entlang der <111> -Richtung orientiert sind, gezüchtet. Die Kristalle werden mit Schwefel bis -zu einer Konzentration zwischen 2 χ 10 /cnr und 1 χ 10 7ci dotiert. Aus den gewachsenen Kristallen werden parallel zu der (001)-Ebene Scheiben geschnitten und dann mittels bekannter chemischer und mechanischer Methoden poliert.

Dann wird auf dem Substrat mit Flüssigphasen-Epitaxie unter Anwendung bekannter Methoden eirio InP-Spitaxial-Pufferschicht von weniger als 10 Mikrometer Stärke aufgewachsen. Kurz gesagt: mit dem InP-Substrat wird eine Lösung aus Indium und Phosphor in Berührung gebracht, und es wird das Abkühlen bei gesteuerter Kühlgeschwindigkeit begonnen. Die Anfangstemperatur liegt typischerv.'cise zwischen 670 und 650 ⁰C, das Abkühlen erfolgt bei einer Kühlgeschwindigkeit zwischen 1 und 0,2 °C/min., wobei die Zeit von der gewünschten Dicke abhängt. Dann wird die aktive Schicht 7 unter Anwendung der Flüssigphasen-Ivoitoxiomsthocen hergestellt, welche in den oben zu der Schicht

angegebenen Literaturstellen beschrieben sind. Auf der Schicht 7 können weitere Schichten aufgewachsen werden, weiterhin können ohmsche Kontakte hinzugefügt werden.

Die Qualität der Epitaxialschicht wurde mit derjenigen des stark dotierten Substrats durch Ätzgrubenbildung und Durchlässigkeits-Kathodolumineszenz (TCL) korreliert. Die erwähnte TCL-Methode ist beschrieben in Applied Physics Letters 34, Seiten 476-478, 1. April 1979. Beide Verfahren haben sich als geeignet erwiesen zum Ausmachen von Versetzungen in InP. Es wurde herausgefunden, daß in der Mehrheit der Fälle eine Eins-zu-eins-Reproduktion der Fehlordnungen während des epitaktischen Wachstums der dünnen Pufferschicht erfolgte. Weiterhin wurde herausgefunden, daf3 die 10-Mikrometer-Pufferschichten höhere Versetzungsdichten aufwiesen als die darunterliegenden Substrate, obwohl die 2—Mikrometer-Pufferschichten eine engere Entsprechung mit der Substrat-Versetzungsdichte hatten.

In der beschriebenen Weise wurden außerdem InP-Epitaxialschichten auf Sn- und Zn-dotierten Substraten aufgewachser... Eine Untersuchung dieser Schichten durch Anwendung des Ätzgruben- und TCL-Verfahrens zeigte, daß die Anzahl von Fehlern in diesen Schichten ausreichend groß war, um feststellen zu können, daß die Schichten minderwertiger waren als die auf S-dotierten Substraten gewachsenen Schichten. Dies gibt zu erkennen, daß die Substratauswahl nicht auf der Grundlage

des Dotierstoffs, welcher die Substratversetzüngsdichte minimiert, erfolgen kann. Es wird angenommen, daß Zn Ausfälle des Substrats hervorruft, welche zu nichtstrahlenden Rekombinationszentren in der Pufferschicht führen.

Wenngleich die Erfindung an Hand von auf S-dotierten (OOi)-InP-Substraten aufgewachsenem InP beschrieben wurde, so kommen auch andere Ausführungsformen in Betracht. Beispielsweise können andere Kristallorientierungen verwendet werden als (001). Als weiteres Beispiel sei angegeben, daß auch andere Materialien als InP für die Pufferschicht gewählt werden können, falls eine geeignete Gitteranpassung vorliegt.

Claims

Patentansprüche

/y. Bauelement, mit einem S-dotierten InP-Substrat und mehreren Epitaxialwachstumsschichten, wobei - in vom Substrat ausgehender Reihenfolge - eine Pufferschicht

und wenigstens eine weitere Epitaxialwachstumsschicht j

j vorgesehen sind, . ·

dadurch gekennzeichnet, daß die S-Konzentration zwischen

18 / ⁷y 1Q /3

2x10 /cnr und 1x10 ^/cmr liegt und die Dicke der Pufferschicht gleich oder weniger als 10 Mikrometer ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht In,, Ga As_-1JP.* „

ι—χ χ y ι —y

umfaßt, mit 0<x<1 und 0<$<Λ.
3. Bauelement nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß χ gleich 0,0 und y_ gleich 0,0 sind.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht (5) eine Dicke von etwa 2 Mikrometer aufweist.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Epitaxialschichteine aktive Schicht (7) auf der Pufferschicht (5) aufweist.
6. Bauelement nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht In^^Ga^AsJP,. umfaßt, mit 0<x<1 und OKyXI.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Epitaxialschicht weiterhin eine Deckschicht aufweist, die In^ Ga As„P. „ um-

i~"X χ y i"~y

faßt, mit 0_<x_<1 und CKyjM.