DE3527269A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtung

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Description

Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung des GaAlAs-Systems, welche unter Verwendung einer Einkristallzüchtmethode für die Bildung von dünnen Schichten hoher Präzision, z.B. durch Molekularstrahlepitaxie oder dgl., hergestellt wird. Insbesondere betrifft sie eine Halbleitervorrichtung, die einen Halbleiter-Laser und/oder einen optischen integrierten Schaltkreis enthält, der mit hochleitfähigen Haloleiöerschiehten mit verbesserter Kristallisation in dem einen stufenförmigen Abschnitt enthaltenden Bereich ausgestattet ist.
Im Zu^e der bemerkenswerten Fortschritte auf den Gebieten der optischen Datenverarbeitung, der Lichtkommunikation, usw. wurden optoelektronische integrierte Schaltkreise (OEIO) entwickelt, die optische üalbleiterelemente, wie Halbleiter-Laser etc., und optische Halbleiterelemente und '/ elektrische Stromkreiselemente auf dem gleichen oubstrat umfassen, und zwar auf der Grundlage der Verwendung der Molekularstrahlepitaxie als Einkristallzuchtmethode, die Kristallschichten mit regulierter und gleichförmiger Dicke liefert. Jedoch wenn Halbleiterschichten mittels Molekularstrahlepitaxie in einem Bereich gezüchtet werden, der einen stufenförmigen .abschnitt innerhalb einer Kristallstruktur aufweist, treten verschiedene Probleme auf.
In Fig. 2 wird ein herkömmlicher Halbleiter-Laser vom GaAlAs-Index-Wellenleitertyp gezeigt, welcher mittels i'lolekularstrahlepitaxie wie folgt hergestellt werden kann: Auf ein n-GaAs-oubstrat 1 werden nacheinander mittels Molekularstrahlepitaxie eine n-GaQ ^AIq ^As-Plattierschicht 2 mit einer Dicke von0,i5/um, eine undotierte GaAs-Aktivschicht 3 mit einer Dicke von 0,1/um, eine p-Gan P7Aln ,As-Plattierschicht 4 mit einer Dicke von 0,15/um, und eine n-GaAs-ötrombegrenzungsschicht mit einer Dicke von C,8/um gezüchtet, worauf die Strom-
\ BAD ORIGINAL *
begrenzungsschicht 5 in. dem Ausmaß geätzt wird, daß die Atzung die Plattierschicht 4- erreicht um einen streifigen Kanal 50 an der Position zu ergeben, die dem Laser-Oscillationsbersich entspricht. Dann wird auf der Strombegrenzungsschicht 5 mit dem streifigen Kanal 50 eine p-Ga
p-GaA oAlo ,As-Plattierschicht 6 mit einer Dicke von U, / υ,5
0,8/um und eine p-GaAs-Abdeckschicht 7 niit einer Dicke von 0,3/um nacheinander mittels Molekularstrahlepitaxie gezüchtet, um so die obere Plattierschicht 6 auf der unteren p-Plattierschicht 4 durch den streifigen Kanal 50 der Strombegrenzungsschicht 5 hindurch zu überlagern, worauf eine Elektrode 8 auf der n-3eite und eine Elektrode 9 auf der p-Seite auf dem Substrat 1 bzw. der Abdeckschicht 7 gebildet werden, so daß ein Halbleiter-Laserelement entsteht.
Jedes der Einkristalle, das mittels der zweiten Molekularstrahlepitaxie züchtmethode in dem vorstehend beschriebenen Verfahren gebildet wurde, mangelt Kontinuität in den Bereichen 10 der oberen Plattierschicht 6 und der Abdeckschicht 7? welche in Übereinstimmung, mit den Winkelteilen in dem streifigen Kanal 50 der Strombegrenzungsschicht 5 gewachsen waren, so daß es als Zwilling angesehen werden kann, der eine ungleichförmige Stromverteilung darin verursacht, wodurch ein unerwünschter Einfluß auf die Stabi- !isation der transversalen Eigenschwingung des üalbleiter-LaSers erhalten wird.
In Fig. 3 wird eine optoelektronische integrierte Schaltung (OEIC) gezeigt, die einen Feldeffekttransistor und einen Halbleiter-Laser enthält und unter Verwendung der Molekularstrahlepitaxie wie folgt hergestellt wird: Auf einem halb-isolierenden, stufenförmigem Substrat 11 vom GaAs-Typ wird eine n-GaAs-.Verdra'atungsscljicht 12 für den späteren elektrischen Anschluß des Feldeffekttransistors an den HaIbleiter-Laser gezüchtet und dann einer 2tζbehandlung unterzogen, um den Bereich der Verdrahtungsschicht 12 auf dem oberen Teil des stufenförmigen Substrats zu entfernen, an welchem der Feldeffekttransistor ang-eordnet werden soll. Dann
BAD ORiGlNAL
werden der Feldeffekttransistor mit einem Source-Bereich. 19» einem Kanalbereich 20, einem Drain-Bereich: 21, einer Source-Elektrode 22, einer Gate-Elektro-ie 23 und einer Drain-Elektrode 24 auf dem Substrat 11 mittels einer Ionen-Einpflanzmethode gebildet, während der Halbleiter-Laser vom Doppelheteroaufbau mit einer n-Gan ^Aln xAs-Plattierschicht 13, einer undotierten GaAs-Aktivschicht 14, einer P-Gan ^Aln ,As-Plattierschicht 15» einer p-GaAs-Abdeckschicht 16, einem SiO2~Film 17 mit einem streifigen Aufbau und eine p-Seitermlektrode 18 auf demselben Substrat 11 mittels epitaxialer Wachstumstechnik gebildet wird, um ein OBIC zu ergeben, wobei, da die Oberseite des Feldeffekttransistors mit joner des Halbleiter-Lasers auf einer Ebene liegt, das Wachstum der Kristalle in dem photolithographischen Verfahren leicht durchführbar ist. Falls jedoch die n-GaAs- Verdrahtungsschicht 12 mittels epitaxialer Molekularstrahlzüchtmethode hergestellt würde, fehlte in dem gemäß den wixtkeligen Teilen des stufenförmigen Substrats 11 gezüchteten Bereich 10 die Kontinuität, so daß anzunehmen wäre, daß es ein Zwilling ist, welcher unerwünschten Einfluß, wie eine Gleichrichtung des transversalen Stromflusses innerhalb der n-GaAs-Schaltschicht ausübt, wenn Silicium als eine η-Verunreinigung für die
n-GaAs-Schicht verwendet xirird.'
25
Die Halbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die die vorstehend beschriebenen Nachteile sowie eine Vielzahl weiterer Nachteile und Mangel des Standes der Technik überwindet, umfaßt ein ,stufenförmiges Substrat und eine mehrfach geschichtete Kristallstruktur, wobei die tJberstruktur-^cziicht aus mehreren mittels Molekularstahlepitaxie gezüchteten dünnen Schichten besteht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die uberstrukturochicht eine Verdrahtungsschicht für den Anschluß eines optischen Halüleiterelementbereichfcs der auf dem unteren Teil des stufenförmigen Substrats ^ebildet ist, an ein elektri-
BAD ORIGINAL
sches Stromkreiselement, das auf dem oberen Teil des stufenförmigen Substrats gebildet ist.
Die Überstruktur-Schicht besteht in einer bevorzugten Äusführunrrsform aus einem System, ausgewählt aus den GaAs und GaAlAs-, GaAs und AlAs-, GaAlAs und AlAs, oder GaAs, GaAlAs und AlAs-Systemen.
Gemäß der Erfindung wird ein Substrat für Halbleiterelemente geschaffen, die ausgezeichnete Betriebskennlinien und -zuverlässigkeit besitzen, wobei eine Überstruktur-Kristallstruktur hoher Qualität und mit hochleitfähigen Halbleiterschichten auf dem stufenförmigen Substrat durch Molekularstrahlepitaxie gebildet werden. 15
Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung eine neue optische Halbleiter-Vorrichtung, die eine überstruktur-Kristallstruktur aufweist.
Die vorliegende Erfindung schafft außerdem ein neues optisches Kalbleiterelement, bei welchem kein Einfluß durch die Stufe einer stufenförmigen Struktur auf die Kristalle gegeben ist, die auf der Stufe mittels einer Einkristallwachstumsmethode für die Bildung dünner Filme mit hoher Präzision, z.B. der Molekularstrahlepitaxie, gezüchtet wurden.
Die Erfindung wird zum besseren Verständnis und zur Darlegung ihrer zahlreichen Ziele und Vorteile anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
Fir. 1 zeirt eine Schnitransicht eines Suostrats mit einem Überstru!
der Erfindung.
einem Überstrukturaufbau für Halbleitervorrichtungen gemäß
Fip;. 2 zeifvt eine Schnittansicht eines herkömmlichen Halbleitei'-Lasora, welcher durch Molekularstrahlepitaxie hergestellt wurde.
BAD ORIGINAL
Fig. 3 zeigt eine ochnittansicht eines herkömmlichen optoelektronischen integrierten Schaltkreises, der mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt wurde.
J?ig· 1 zeigt ein substrat für iialbleiterelemente gemäß der Erfindung, das wie folgt hergestellt
Auf einem halbisolierenden GaAs-Substrat 11, dem vorher durch Ätzen eine Stufenform erteilt worden war, wurde
1.0 eine Überstrukturschicht ^1, zusammengesetzt aus alternierenden Schichten bestehend aus 100 Si-dotierten n-GaAs-Schichten 40 mit einer Dicke von jeweils 5,0 nm und 100 n-Gan C-Aln ,-As-Schichten mit einer Dicke von jeweils 5,0 nm mittels Molekularstrahlepitaxie gebildet. Dann
1.5 wurde, um die Charakteristika der resultierenden'stufenförmigen Überstrukturschicht 31 zu untersuchen, ein Metall aus Au-Ge-Ni unter Verwendung eines Maskenaufdampfverfahrens auf dem oberen Teil und dem unteren Teil der stufenförmigen Überstrukturschicht 31 angeordnet und dann durch Wärmebehandlung odör dgl. legiert, um Elektroden 32 und 33 zu bilden. Es wurde bestätigt, daß die überstrukturschicht 31 ausgezeichnete Leitfähigkeitseigenschaften besitzt, da Gleichrichtung der Strom- und Spannungskennlinien zwischen den Elektroden 32 und 33 nicht beobachtet werden konnten.
Durch die Verwendung eines Substrats mit diesem stufenförmigen Überstrukturaufbau anstelle derVerdrahtungsschicht 12 des OEIC der Fig. 3 kann eine Halbleitervorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich Gleichrichtung erhalten werden.
Außerdem kann anstelle der oberen Plattierschicht 6 der Halbleitervorrichtuni-: von fig. 2 eine Überstrukturschicht bestehend aus 80 3e-dotierten p-GaAs-Scnichten mit einer Dicke von jeweils 5,0 nm und 80 p-Gan /,.AIq gAs-Schichten mit einer Dicke von jeweils 5,0 nm verwendet werden. Diese überstrukturschicht kann als Äquivalent zu einer P-Gan «Alp ,As-Scliicht mit einer AlAs-MoIfraktion von 0,3 im GaAlAs-Mischkristall angesehen xirerden. Bamit
können die vorstehend erwähnten Probleme, wie z.B. die Bildung eines Zwillintcs an den Vinkelteilen 10,gelöst und durch die Überstrukturschicht als obere Plattierschicht der ?ig. 2 ausgezeichnete elektrische Charakteristika erhalten werden.
Das Donatorniveau einer Ga^ Al^As-Schicht, worin χ für die AlAs-MoIfraktion steht, wird bei Anstieg des Wertes χ allmählich tiefer. V/enn χ etwa 0,36 beträgt, ist das Donatorniveau am tiefsten, i.e. etwa 160 meV vom Boden des Leitungsbandes. Im allgemeinen muß beim Absinken des Donatorniveaus ein Anstieg der Elektronendichte unterdrückt werden, der stumpfe (blunt) elektrische Kennlinien der GaAlAs-Schicht verursacht. Andererseits, bei Bildung einer GaAs-GaAlAs-Überstrukturschicht, die aus alternierenden Schichten bestehend aus etwa 10 bis 100 GaAs-Schichten, deren Dicke jeweils nicht mehr als einige mn ist, und etwa 10 bis 100 Ga^ Al As-Schichten, deren Dicke jeweils nicht mehr als einige mn beträgt, würde das Donatorniveau der überstrukturschicht insgesamt nicht tief genug sein, so daß die überstrukturschicht als Äquivalent zu einer Ga^ /o-Al-y/o^s-Schicht von verbesserter elektrischer Dichte angesehen werden kann. Bei Dotierung der GaAs-Schicht mit Si als Donatorverunreinigung wäre das Donatorniveau der erhaltenen Überstrukturschicht auch so klein wie etwa 5 meV. Somit kann eine Überstrukturschicht, die aus alternierenden Schichten von Si-dotierten Mehrfach-GaAs-Schichten und undotierten Mehrfach-GaAlAsochichten zusammengesetzt ist, so daß die Si-Atome von den Al-Atomen isoliert werden können, als Äquivalent zu einer GaAlAs-Schicht mit einer außerordentlich verbesserten ülektronendichte angesehen werden.
Da die Überstrukturschicht mittels Molekularstrahlepitaxie gebildet werden kann, besitzt sie eine hohe Elektronendichte, woraus sich verbesserte elektrische !Eigenschaften ergeben im Vergleich mit einer einzelnen Gax, Al As-Schicht mit einem MischkriStallverhältnis im Bereich von
etwa 0,3 bis etwa 0,5· Die uberstrukturschicht ist aus alternierenden Schichten zusammengesetzt, die aus einer Vielzahl von äußeret dünnen Schichten bestehen, so daß kein Zwilling in den Kristallschichten auftritt, die in Übereinstimmung mit den Winkelbereichen entsprechend des stufenförmigen Untergrunds gewachsen sind, sowie daß jede der PIristallschichten als eine gleichförmige Schicht gezüchtet werden kann. Außerdem, selbst bei Verwendung von Si als Donatorverunreinigung in der GaAs-Schicht, zeigt die sich ergebende uberstrukturschicht keine Quergleichrichtung, sondern die -Elektronen innerhalb der GaAs-Schicht sind über die ganze Uberstrukturschicht durch den Tunneleffekt mit höherer Energie verteilt als das quantisierte Leitungsband, da die Dicke der jeweiligen dünnen Schichten, die die Uberstrukturschicht bilden, geringer ist als die Wellenlänge der einzelnen Elektroden, so daß die Uberstrukturschicht empfindliche elektrische Eigenschäften zeigen kann.
Eine Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Modulationsfunktion, in xvelcher der Feldeffekttransistor und das Halbleiter-Laserelement auf dem stufenförmigen GaAs-Substrat 11 integriert sind, kann hergestellt werden in dem die oben beschriebene Uberstrukturschicht auf dem stufenförmigen GaAs-Substrat 11 angeordnet wird und der Feldeffekttransistor dann auf dem oberen Teil des stufenförmigen Substrats gebildet wird, worauf das Ende der Uberstrukturschicht mit der Drainelektrode des Feldeffekttransistors verbunden wird, während das Doppelheterostruktur-Halbleiterlaserelement auf dem unteren Teil der Stufe der tiberstrukturschicht gebildet wird. Anstelle des Halbleiter-Laserelements kann eine Photodiode für die erfindungs^emäße Halbleitervorrichtung verwendet iverden, wobei die uberstrukturschicht nicht nur als Ladungsträgerinjektionsquelle für das optische Halbleiterelement dient, sondern auch als Verdrahtungsschicht für die Verbindung des optischen Halbleiterelements mit dem Feldeffekttransistor, der als Schalter für das Laserlicht und/oder
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- ΊΟ" -:
die Modulation der Stärke der Laserausgangsleistung des optischen Halbleiterelements dient.
Die Uberstrukturschicht kann, wie vorstehend beschrieben, als eine Schichtkomponente mit gleichförmigen elektrischen Eigenschaften für die Schicht verwendet werden, die die stufenförmigen Bereiche in dem Halbleiter-Laserelement der Doppelheterostruktur und/oder in dem optischen Halbleiterelement der in Fig. 2 gezeigten, mehrschichtigen Kristallstruktur enthält, um eine optische Halbleitervorrichtung mit stabilisierten Betriebseigenschaften zu schaffen. Die Dicke jeder der dünnen Schichten, die die Uberstrukturschicht bilden, kann so geregelt werden, daß der Bandabstand der Uberstrukturschicht geändert wird. Der Eandabstand wird durch eine Differenz zwischen dem Quantelungsniveau der Elektronen und der plus-Löcher im GaAs-Spannungsrohr bestimmt. Diese Quantelungsniveaus hängen von der Dicke der einzelnen, die Uberstrukturschicht bildenden dünnen Schichten ab.
Obwohl nur die Verwendung einer aus GaAs- und GaAlAs-Systemen zusammengesetzte Uberstrukturschicht in OEICs und Halbleiter-Laserelementen in den vorstehenden Beispielen beschrieben wurde , kann die Uberstrukturschicht auch mittels Kombination von GaAs- und AlAs-, der GaAlAs- und AlAs- oder der GaAs-, GaAlAs- und AlAa-Sjsteme gebildet werden.
Als Halbleiterelement können nicht nur die oben angeführten optischen Halbleiterelemente verwendet werden, sondern auch andere Halbleiterelemente mit Haloleiterschichten, die auf der stufenförmigen struktur mittels Molekularstrahlepitaxie gezüchtet werden können.
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Claims (3)

  1. Patentansprüche
    rljL Halbleitervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein stufenförmiges Substrat und eine auf dem Substrat gebildete, mehrschichtige Kristallstruktur umfaßt, wobei die mehrschichtige Kristallstruktur eine Überstrukturschicht ist, die aus alternierenden Schichten aus mehreren dünnen, mittels Molekularstrahlepitaxie gezüchteten Schichten zusammengesetzt ist.
  2. 2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überstrukturschicht aus einem System, ausgewählt aus den GaAs- und GaAlAs-, GaAs- und AlAs-, GaAlAs- und AlAs-, oder GaAs- GaAlAs- und AlAs-Systemen, besteht.
  3. 3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überstrukturschicht eine Verdrahtungs-
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    schicht ist für dio Verbindung eines optischen Halbleiterelementbereichs, der auf dem unteren Teil des stufenförmigen Substrats gebildet ist, mit einem auf dem oberen Teil des stufenförmigen Substrats gebildeten elektrischen Schaltkreiselementbereichs.
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