DE3441057C2

DE3441057C2 - Verfahren zur Herstellung eines lichtabstrahlenden Halbleiterelements

Info

Publication number: DE3441057C2
Application number: DE3441057A
Authority: DE
Inventors: Ryoichi Hirano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1983-11-09
Filing date: 1984-11-09
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2004-11-10
Also published as: DE3441057A1; US4637845A; JPS60102790A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung eines lichtabstrahlenden Halbleiterelements.

Wenn bei einem derartigen Verfahren eine gewachsene Schicht auf einer Oberfläche vorgesehen ist, die einer hohen Umgebungstemperatur zur Bildung eines p-n-Übergangs in der Kristallgrenzschicht ausgesetzt ist, befindet sich das abstrahlende Halbleiterelement mit einer solchen Grenzschicht (im folgenden als die exponierte p-n-Übergangsgrenzschicht bezeichnet) in einem Zustand, in dem die Spannung in Vorwärtsrichtung in der exponierten p-n-Übergangsgrenzschicht allmählich sinkt (schlechter wird), wenn dieser Übergang mit einem Vorwärtsstrom versorgt wird. Es wurde festgestellt, daß eine solche Verschlechterung mit der Anhebung der Übertragungstemperatur oder der Vergrößerung der Leitungsstromdichte zunimmt. In Applied Physics Letters 43 (2), Seiten 187 bis 189 (Juli 1983) ist ein Beitrag veröffentlicht, der sich mit einem verbesserten Aufbau befaßt. Dieser Beitrag schlägt einen Aufbau eines Halbleiterlasers vom BC- Typ vor, bei dem die exponierte Oberfläche und die p-n- Übergangsgrenzschicht getrennt sind.

Eine Beschreibung des Aufbaus dieses bekannten lichtabstrahlenden Halbleiterelements, Halbleiterlaser vom BC-Typ genannt, und dessen Herstellungsverfahren wird mit Bezug auf die Fig. 1, 2A bis 2C, 3A und 3B gegeben.

Der Halbleiterlaser vom BC-Typ weist eine p-Elektrode 1, eine n-Elektrode 2, ein n-InP-Substrat 3, eine p-InP-Schicht 4, eine n-InP-Überzugsschicht 5, eine n- oder p-InGaAsP-aktive Schicht 6 und eine p-InP-Überzugsschicht 7 auf. Wie in Fig. 2A gezeigt ist, wird eine p-InP-Schicht 4 auf dem Halbleitersubstrat 3 durch das erste Anwachsen oder Diffusion gebildet. Dann wird, wie in Fig. 2B gezeigt, eine Rille 8 in dem Substrat 3 und der p-InP- Schicht 4 gebildet. Danach werden, wie in Fig. 2C gezeigt ist, eine n-InP-Überzugsschicht 5, eine n- oder p-InGaAsP-Schicht 6 und eine p-InP-Überzugsschicht 7 nacheinander durch ein zweites Anwachsen in den Bereichen, die die inneren und äußeren Teile der Rille 8 überdecken, gebildet.

Unter der Annahme, daß die Ladungsträgerkonzentration der p-Typ-Verunreinigung in der p-InP-Überzugsschicht 7 Np ist und daß die Ladungsträgerkonzentration der n-Typ-Verunreinigung in der n-InP-Überzugsschicht 5 Nn ist, werden die Werte von Np und Nn so eingestellt, daß diese der Bedingung Np<Nn genügen. Desweiteren ist die Ladungsträgerkonzentration in der p-InP- Schicht 4 größer gewählt als in der n-InP-Überzugsschicht 5. Die p-Typ-Verunreinigung, z. B. Zn, wird dabei zum Zwecke der Erleichterung der Diffusion gewählt. Unter diesen Bedingungen wird während der Zeit des Anwachsens der p-InP-Überzugsschicht 7 auf den inneren und äußeren Teilen der Rille 8 oder durch eine Wärmebehandlung nach dem Anwachsen die Diffusion der Verunreinigung bewirkt, so daß die in Fig. 3A gezeigten Positionen A, B, C und D der p-n-Übergangsgrenzschicht, die zunächst der Atmosphäre ausgesetzt sind, zu den in Fig. 3B gezeigten Positionen A′, B′, C′ und D′ in der n-InP-Überzugsschicht 5 bewegt werden können.

Durch Wegbewegen der p-n-Übergänge von den exponierten Grenzschichten durch Diffusion, wie oben beschrieben, werden solche exponierten p-n-Übergangsgrenzschichten, die als Faktor der Verschlechterung der elektrischen Charakteristik während der Betriebszeit bei hohen Temperaturen erkannt wurden, dazu veranlaßt, zu verschwinden. Folglich kann durch eine solche Bewegung der Grenzschichten eine andauernde Lichterzeugung bei hohen Temperaturen von z. B. 80°C erhalten werden, während es herkömmlicherweise schwierig war, eine andauernde Lichterzeugung bei einer Temperatur von größer als 60°C zu erhalten. Durch eine genauere Prüfung bei einer höheren Temperatur wurde jedoch erkannt, daß die Verschlechterung der Charakteristik nicht vollständig verhindert werden kann.

Insbesondere wurde bei der Durchführung eines Betriebsversuchs mit konstanter Lichtabgabe für einige tausend Stunden mit den Bedingungen von 80°C und einer Lichtabgabe auf der Oberfläche von SmW, eine Vergrößerung des Schwingungsschwellenstroms festgestellt. Durch die Untersuchung der Ursache solcher Verschlechterung wurde geklärt, daß verstreute (linear in der Tiefenrichtung) verschlechterte Teile im Zwischenbereich zwischen der exponierten Grenzschicht und den verschobenen p-n-Übergangsgrenzschichten in den Teilen, die in Fig. 3B als X-Punkte gekennzeichnet sind, existieren, und daß Leckströme in diesen Teilen auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines lichtabstrahlenden Halbleiterelements mit verbesserter elektrischer Charakteristik anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 oder 2 gekennzeichnete Verfahren gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 3 bis 5 gekennzeichnet.

Da die p-n-Übergänge von den exponierten Grenzschichten durch Diffusion zum Zeitpunkt der Wärmebehandlung wegbewegt werden, werden daher die elektrischen Charakteristiken des Elements selbst bei Leitung für viele Stunden bei hoher Temperatur nicht verschlechtert, und somit ergibt sich ein lichtabstrahlendes Halbleiterelement, das ausgezeichnete Eigenschaften besitzt.

In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird als Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps Zn verwendet.

Im weiteren folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht des Aufbaus eines herkömmlichen lichtabstrahlenden Halbleiterelements vom BC-Typ;

Fig. 2A bis 2C Schnittansichten des herkömmlichen lichtabstrahlenden Halbleiterelements vom BC-Typ zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens;

Fig. 3A und 3B Schnittansichten des in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen lichtaussendenden Halbleiterelements vom BC-Typ in vergrößertem Maßstab;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines Teils eines nach einer Ausführungsform der Erfindung hergestellten Halbleiterelementes;

Fig. 5A und 5B Schnittansichten von Schnitten des Herstellungsverfahrens der Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittansicht eines nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung hergestellten Halbleiterelementes und

Fig. 7 eine Schnittansicht eines nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung hergestellten Halbleiterelementes.

Zunächst wird anhand von Fig. 4 der Aufbau eines Halbleiterelementes beschrieben. Das lichtabstrahlende Halbleiterelement weist eine p- Elektrode 1, eine n-Elektrode 2, ein p-InP-Substrat 10 des ersten Leitfähigkeitstyps, eine p-InP-Schicht 11, eine p-InP-Überzugsschicht 12 als erste Halbleiterschicht, eine p- oder n-InGaAsP-aktive Schicht 13 als eine zweite Halbleiterschicht und eine n-InP-Überzugsschicht 14 als eine dritte Halbleiterschicht auf.

Das in Fig. 4 gezeigte lichtaussendende Halbleiterelement wird entsprechend dem in den Fig. 5A und 5B gezeigten Herstellungsverfahren hergestellt. Insbesondere wird zunächst, wie in Fig. 5A gezeigt, eine p-InP-Schicht 11 auf dem Substrat 10 durch ein erstes Anwachsen oder Diffusion gebildet (oder durch Verwendung des Substrats selbst). Dann wird, wie in Fig. 5B gezeigt, eine Rille 15 in dem Substrat 10 und der P-InP-Schicht 11 gebildet. Anschließend werden eine p-InP-Überzugsschicht 12, eine p- oder n-InGaAsP-Schicht 13 und eine n-InP-Überzugsschicht 14 nacheinander in der Rille 15 durch ein zweites Aufwachsen gebildet, wobei die n-InP-Überzugsschicht 14 auch benachbart zu der Rille 15 gebildet wird.

Bei diesem Herstellungsverfahren werden unter der Annahme, daß die Ladungsträgerkonzentration der Verunreinigung vom p-Typ in der p-InP-Schicht 11 Np ist und daß die Ladungsträgerkonzentration der Verunreinigung vom n-Typ in der n-InP- Überzugsschicht 14 Nn ist, die Werte von Np und Nn so eingestellt, daß Np<Nn gilt, wodurch die jeweiligen Schichten 12, 13 und 14 in der Rille 15 gebildet werden. Zusätzlich wird als Verunreinigung vom p-Typ Zn gewählt, so daß damit die Diffusion vereinfacht wird. Unter diesen Bedingungen können zum Zeitpunkt des Anwachsens der n-InP-Überzugsschicht 14 in und benachbart zu der Rille 15 oder durch Diffusion, die durch eine Wärmebehandlung nach dem Anwachsen bewirkt wird, die Position E-F-G und H-I-J der anfangs exponierten p-n-Übergangsgrenzschicht z. B. zu den Positionen E′-F′-G′ und H′- I′-J′ in der n-InP-Schicht 14, wie in Fig. 4 gezeigt ist, verschoben werden.

Durch so von den exponierten Grenzflächen durch Diffusion wegverschobene p-n-Übergänge verschwinden die Teile der Überschneidung zwischen den exponierten Grenzschichten und den p-n-Übergangsgrenzschichten, die als Ursache für die Verschlechterung während des Hochtemperaturbetriebs erkannt wurden. Folglich kann in dieser Ausführungsform der elektrische Strom in der p- oder n-InGaAsP-Schicht 13, die als aktiver Bereich dient, angesammelt werden und dementsprechend können die dem Element eigenen Charakteristiken erhalten werden, ohne daß diese durch die Leitung für viele Stunden bei hoher Temperatur zerstört werden.

Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die einen wesentlichen Teil einer anderen Ausführungsform zeigt. In der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform werden eine n-InP- Schicht 16 auf dem p-InP-Substrat 10 und die p-InP-Schicht 11 auf der n-InP-Schicht 16 so gebildet, daß die Rille 15 in dem p-InP-Substrat 10, der n-InP-Schicht 16 und der p-InP-Schicht 11 gebildet wird. Der andere Aufbau ist der gleiche wie in der Ausführungsform, die in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist.

Fig. 7 ist eine Schnittansicht, die einen wesentlichen Teil einer weiteren Ausführungsform zeigt. In der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform wird die Rille 15, in dem p-InP-Substrat 10 gebildet. Der andere Aufbau ist der gleiche wie in der Ausführungsform, die in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines lichtabstrahlenden Halbleiterlementes durch Flüssigkeitsepitaxie, mit folgenden Schritten:

a) Bilden einer Rille (15) in einem Halbleiterkörper (10, 11) von einem ersten Leitungstyp mit einer ebenen Oberfläche von der Oberfläche ausgehend,
b) Bilden einer ersten Halbleiterschicht (12) des ersten Leitungstyps in der Rille (15),
c) Bilden einer aktiven zweiten Halbleiterschicht (13) des ersten oder zweiten Leitungstyps auf der ersten Halbleiterschicht (12),
d) Bilden einer dritten Halbleiterschicht (14) des zweiten Leitungstyps auf der zweiten Halbleiterschicht (13) in der Rille (15) und auf der der Rille (15) benachbarten Oberfläche des Halbleiterkörpers (10, 11), wobei die drei Halbleiterschichten (12, 13, 14) mit den Seitenwandungen der Rille (15) in Berührung stehen, und
e) wobei die Ladungsträgerkonzentration der Dotierstoffe im Halbleiterkörper (10, 11) höher gewählt wird als die Ladungsträgerkonzentration der Dotierstoffe in der dritten Halbleiterschicht (14), so daß der p-n-Übergang zwischen dem Halbleiterkörper (10, 11) und der dritten Halbleiterschicht (14) aufgrund von Diffusion bei der Flüssigkeitsepitaxie oder durch Wärmebehandlung in die dritte Halbleiterschicht (14) verschoben wird. (Fig. 4, 7)

2. Verfahren zur Herstellung eines lichtabstrahlenden Halbleiterelementes durch Flüssigkeitsepitaxie, mit folgenden Schritten:

a) Bilden einer Rille (15) in einem Halbleiterkörper (10, 11) mit einer ebenen Oberfläche von der Oberfläche ausgehend, wobei an die ebenen Oberflächen eine Oberflächenschicht von einem ersten Leitungstyp angrenzt,
b) Bilden einer ersten Halbleiterschicht (12) des ersten Leitungstypes in der Rille (15),
c) Bilden einer aktiven zweiten Halbleiterschicht (13) des ersten oder zweiten Leitungstypes auf der ersten Halbleiterschicht (12),
d) Bilden einer dritten Halbleiterschicht (14) des zweiten Leitungstypes auf der zweiten Halbleiterschicht (13) in der Rille (15) und auf der der Rille (15) benachbarten Oberfläche des Halbleiterkörpers (10, 11), wobei die drei Halbleiterschichten (12, 13, 14) mit den Seitenwandungen der Rille (15) in Berührung stehen, und
e) wobei die Ladungsträgerkonzentration der Dotierstoffe in der Oberflächenschicht (11) höher gewählt wird als die Ladungsträgerkonzentration der Dotierstoffe in der dritten Halbleiterschicht (14), so daß der p-n-Übergang zwischen der Oberflächenschicht (11) und der dritten Halbleiterschicht (14) aufgrund von Diffusion bei der Flüssigkeitsepitaxie oder durch Wärmebehandlung in die dritte Halbleiterschicht (14) verschoben wird. (Fig. 6)

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (10) eine an die ebene Oberfläche anschließende Oberflächenschicht (11) vom ersten Leitungstyp aufweist und die Rille (15) durch diese hindurch gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine an die Oberflächenschicht angrenzende Zwischenschicht (16) vom zweiten Leitungstyp vorgesehen ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierstoff für den ersten Leitungstyp Zn eingesetzt wird, wobei für die aktive Schicht (13) InGaAsP verwendet wird und für die anderen Schichten InP verwendet wird.