DE3535046A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiter-bauelementen - Google Patents

Description

Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen

Priorität: 02. Oktober 1984, Japan, Nr. 59-206930

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Erfindung gibt dabei ein solches Verfahrer, an, bei dem ein Flüssigphasen-Epitaxie-Aufwachsen erreicht werden kann, ohne daß in dem Substrat, welches Kanäle aufweist (im folgenden kanneliertes Substrat), ein Rückschmelzen auftritt, da das kannelierte Substrat eine Halbleiterschicht aufweist, die Aluminium enthält.

Stand der Technik

Mit der Entwicklung optischer Bauelemente wurde ein Flüssigphasen-Epitaxie-Aufwachsverfahren unter Verwendung von Halbleitermaterialien der Gruppe III-V (insbesondere von Al Ga_1- As) in weitem Umfange bei der Herstellung von Halbleiter-Laserbauteilen, lichtemittierenden Dioden usv. angewandt. Diese Bauteile wurden durch ein Epitaxie-Aufwachsen von kristallinen Schichten aus der Flüssigphase auf einem kannelierten Substrat hergestellt, was zu einer Vielzahl von Strukturen führte.

Während dieses Flüssigph isen-Epitaxie-Aufwachsens von kristallinen Schichten eaf dem Substrat mit dem Kanal unterliegen jedoch jewei 's die Schulterteile an beiden Seiten des Kanales einen Rückschmelzen, was zu einer abgerundeten Form führt. Die Figurer 4(a) und 4(b) zeigen einen herkömmlich<;n Herstellungsprozeß eines Halbleiter-Laser-Bauteiles, wobei Fig. 4(a) einen Querschnitt des kannelierten Substrates und Fig. 4(b) eine Schnittansicht eines stromblockierenden Plättchens (wafer) zeigt. Auf einem p-GaAs-Substrat 1 ist eine stromblockierende n-GaA?-Schicht 2 durch Flüssigphasen-Epitaxie, Molekularstrahl-Epitaxie oder metall-organischchemische Dampfabscheidung usw. aufgebracht, worauf die Bildung eines Kanales ir der Oberfläche des Substrates unter Anwendung einer Plrotolithographie und einer Ätz-

gO technik (Fig. 4(a)) erfolgt. Darauf werden auf dem resultierenden Substrat 21 mit. dem Kanal eine p-Al Ga₁ As-Uberzugschicht 3, eine Al ,Ga., As-Aktivschicht 4, eine η-Al Ga₁ AS-Uberzugsschicht 5 und eine η -GaAs-Deck-

X χ—X

schicht 6 nacheinander durch Flüssigphasen-Epitaxie gebildet (wobei gilt: O^Y<X<1) (Fig. 4(b)). Während des r aufeinanderfolgenden Aufwachsens der kristallinen Schichten auf dem Sudstr at 21 mit Kanal, unterliegen

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die Schulterabschnitte des Kanales einem Rückschmelzen in die Kristallwachstumslösung, was zu einer abgerundeten Form führt, so daß sich die Breite des Kanales in einem gewissen Ausmaß vergrößert, was zu Änderungen

der Breite des Injektionsgebietes für den elektrischen Strom und/oder eines optischen Wellenleiters führt, woraus eine große Vielzahl von Bauteil-Charakteristiken resultieren. Um Bauteile mj t gleichmäßiger Charak- IQ teristik zu produzieren, mn f> das Rückschmelzen in dem Kanal des Substrates während des nachfolgenden Aufwachsens von kristallinen Schichten auf dem Substrat mit Kanal verhindert werden,

Zusammenfassung der Erfindung

Das Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach der Erfindung vermeidet die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik sowie eine Vielzahl weiterer Nachteile und besteht aus folgenden Schritten 1- Auf einer ersten Halbleiterschicht, die Aluminium enthält, wird ein dünnor Halbleiterfilm, der kein Aluminium enthält, aufcrebracht;

2. in dem dünnen Halbleiterfilm werden ein oder mehrere Kanäle so ausgebildet, daß der oder die Kanäle durch die erste Halbleiterschicht reichen oder hindurchgehen, wan zu einem Substrat mit Kanalbildung führt für das nachfolgende Kristallwachstum darauf; und

3. es wird ein Epitaxie-Aufwachsen von kristallinen gO Schichten auf dem Substrat mit dem Kanal durchgeführt unter Verwendung einer Kristallwachstumslösung mit einer Supers;ättigung, die hoch genug ist, daß ein Rückschmelzen der ersten Halbleiterschicht verhindert wird. In einem bevorzugten Aus-

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führungsbeispiel hat das Substrat eine Vielzahl streifenförmiger Kanäle.

Die kristallinen Schichten enthalten in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine zweite Halbleiterschicht, die als aktive Region für das Emittieren von Laserlicht dient, eine dritte Halbleiterschicht, die unter der zweiten Halbleiterschicht liegt sowie eine vierte Halbleiterschicht, die über der zweiten Halbleiterschicht liegt, wob^i die dritte und vierte Schicht ein breiteres verbotenes Band haben als die zweite Schicht und wobei die Polarität der dritten Schicht von der der vierten Schicht verschieden ist und wobei schließlich die erste Schicht ein engeres verbotenes Band als die zweite Schicht hat. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das Substrat eine Vielzahl streifenförmiger Kanäle.

Kurz zusammengefaßt ermöglicht die hier beschriebene Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen anzugeben, bei dem das Aufwachsen von kristallinen Halbleiters^hichten durch Flüssigphasen-Epitaxie erreicht werden kann, ohne daß der Kanal auf dem Substrat deformiert ⁱ.'ird, so daß die Herstellung von Bauelementen sehr genau gesteuert bzw. überwacht werden kann, womit man e ne hohe Ausbeute erhält.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

QQ Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt: _.

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Fig. l(a) , 1 (b) und l(c)

Schnittansichten zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens von Halbleiterbauelementen nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Grenzbedingung für das Rückschmelzen in dem kannelierten Substrat;
Fig. 3 (a) , 3 (b) -und 3(e)

1Ö Schnittansichten eines v/eiteren Herstellungsverfahrens für Halbleiterbauelemente nach der Erfindung; und
Fig. 4(a) und 4(b)

Schnittansichten eines herkömmlichen Herstell-Verfahrens von HfLbleiterbauelernenten.

Beschreibung bevorzugter Auoführungsbeispiele Das Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen nach der Erfindung besteht in folgenden Schritten:

Auf einer Halbleiterschicht, die Al enthält, wird ein dünner Halbleiterfilm, der kein Al enthält, aufgebracht; auf dem dünnen Halbleiterfilm werden ein oder mehrere Kanäle in solcher Weise aufgebracht, daß der Kanal oder die Kanäle durch die Al-enthaltende Halbleiterschicht reicht bzw. hindurchgeht, was zu einem kannelierten Substrat für das nach.fo-lger.de Kristallwachstum auf diesem führt; auf diesem kannelierten Substrat wird ein Epitaxie-Aufwachsen vor kristallinen Schichten eingeleitet, ohne daß der Kanal bzw. die Kanäle des Substrates deformiert werden und zwar durch Verwendung einer Kristallwachstumslösung mit einer Supersättigung, die hoch genug ist, ein Rückschmelzen der das Al-enthaltenden Halbleiterschicht zu verhindern.

Die Fig. 1(a), 1(b) und l(c) zeigen das Herstellverfahren für Halbleiterbauelemente nach der Erfindung.

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-δι

Zunächst wird - wie in Fig. 1(a) gezeigt - auf der (100)-Fläche eines p-GaAs-Substrates 11 eine η-Al Ga₁ As-Strom-Blockierungs-Schicht 12 mit einer

Z A~ Z

Dicke von 0,7 μΐη aufgebracht und dann eine n- oder p-GaAs-Schutzschicht 13 mit einer Dicke von 0,1 μΐη und zwar durch aufeinanderfolgendes Flüssigphasen-Epitaxie-Verfahren oder sonstige im Stand der Technik bekannte Kristallwachstmisverfahren. Bei diesem

IQ Aufwachsschritt ist das Mischungsverhältnis Z des Mischkristalles in der n-Stromblockierungsschicht 12 aus dem schraffierten Bereich der Fig. 2 ausgewählt und zwar in Abhängigkeit von der Supersättigung einer Kristallwachstumslösung, die für das nachfolgende Kristallaufwachsen von kristallinen Schichten auf dem kannelierten Substrat 23 (Fig. 1(b)) verwendet wird. In diesem Beispiel ist die Supersättigung ΔΤ der Kristallwachstumslcsung bei 4 Grad und das Mischungsverhältnis Z des gemischten Kristalles iⁿ der n-Stromblockierun'/sschicht 12 bei 0,1. Eine solche Auswahl (d.h.AT=4 Grad) erlaubt eine genaue Steuerung der Dicke der p-überzugsschicht 14 und der aktiven Schicht 15 in den, nachfolgenden Aufwachsprozeß, was zu Bauelementen gleichförmiger Qualität führt.

Der resultierende Schichtkristall wird dann einer photolithographischen Behandlung und einer Ätzbehandlung unterzogen, wie in Fig. 1(b) gezeigt, um

gO einen streifenförmigen Kanal 10 zu bilden, dessen Tiefe bei ungefähr 1,0 um in der (011)-Richtung des Kristalles liegt und zwa:: so, daß der Kanal 10 durch die n-Stromblockierungssehicht 12 hindurch geht und das p-GaAs-Substrat 11 erreicht. Dies führt zu einem

q5 mit einem Kanal versehenen Substrat 23 für das nach-

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folgende Kristallaufwachsen auf diesem, bei dem nur ein Teil des die Aluminium enthaltende Schicht 12, die blossgelegt ist, die abgeschrägte Fläche des Kanales 10 bildet, während die gesamte ebene Fläche der das Aluminium enthaltenden Schicht 12 mit der dünnen GaAs-Schicht 13 bedeckt ist, welche dazu dient, die das Aluminium enthaltende Schicht 12 gegen Oxidation zu schützen. Würde die dünr·? GaAs-Schicht 13 nicht vorhanden sein, wie es bei dem in Fig. 4(a) gezeigten herkömmlichen kannelierten Substrat 21 der Fall ist, so würden die Benetzungseigenschaften des kannelierten Substrates hinsichtlich der Kristallwachstumslösung beim nachfolgenden Kristallaufwachs-

]_5 prozeß verringert, was zu einem lediglich partiellen Aufwachsen der kristallinen Schichten in der Nähe des Kanales führen würde.

Dann wird, wie in Fig. 1(c) gezeigt, das aufeinander-2Q folgende Aufwachsen einer zweifachen HeteroStruktur ausgeführt unter Verwendung des oben erwähnten kannelierten Substrates 23, zur Bildung der p-Al Ga₁ As-Überzugsschicht 14., der Al Ga- As-Aktivschicht 15, der η-Al Ga₁ As-Uberzugsschicht 16 und der η -GaAs-Deck-

X χ ~"X

schicht 17 (wobei 0<z<y<xl). Diese Schichten werden mittels Flüssigphasen-Epitaxie aufgebracht. Die Flüssigphasen-Epitaxie kann wie folgt ausgeführt werden: Jede der Halbleiterkomponenten wird zunächst abgewogen entsprechend der Zusammensetzung und der Trägerkonzentra-

go tion der entsprechenden kristallinen Schicht und dann in ein verschiebbares Schiffchen gefüllt, welches dann für eine gewisse Zeitdauer in einer gereinigten Wasserstoffatmosphäre bei 800⁰C gehalten wird, um die Mischung vollständig zu Schmelzern. Darauf wird das Schiffchen

gg auf 796°C abgekühlt, um eine Supersättigung der ge-

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schmolzenen Lösung zu erhalten. Die resultierende Kristallwachstumslösung für die erste kristalline Schicht (d.h. die p-Uberzugsschicht) 14 wird dann in Kontakt mit dem kannelierten Substrat (Fig. 1(b)) gebracht. Da die Wachstumsgeschwindigkeit der kristallinen Schicht, die anfänglich auf der schrägen Fläche des Kanales 10 wächst, so groß ist, daß dort eine unzureichende Menge der Lösung in den Schulterabschnitten des Kanales 10 (d.h. des Bereiches der (100)-Seite in der Nähe des Kanales 10) vorhanden ist, besteht die Gefahr, daß ein Rückschmelzen der Schulterabschnitte des Kanales 10 auftritt. Da jedoch die n-Stromblockierungsschicht 12 aus dem Al_n -,Ga_{n Q}As-

^g System nach der Erfindung zusammengesetzt ist, kann das Rückschmelzen in dem Kanal 10 verhindert werden, so daß der Kanal 10 in dom Substrat 23 für das Kristallwachstum mit der p-überzugsschicht 14 gefüllt ist, welche eine ebene Fläche aufweist, so daß die Anfangsform für den Kanal 10 ohne Deformation beibehalten werden kann.

Bei Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens konnte ein Halbleiter-Laser mit einer Oszillationswellenlänge von 780 nm und einem Schwellenstrom von 30 mA mit ausgezeichneter Reproduzierbarkeit hergestellt werden.

Die Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) zeigen ein weiteres Herstellverfahren eines Halbleiterbauelementes nach der

OQ Erfindung, bei dem ein Halbleiter-Laser-Array mit einer Vielzahl von streifenför:nigen Kanälen (d.h. drei streifenförmige Kanäle) wie folgt hergestellt werden kann: Die Bezugszeichen 11 bis 17 in den Fig. 3(a) bis 3 (c) bezeichnen die gleichen Schichten wie die Bezugszeichen

gc 11 bis 17 in den Fig. l(a) bis 1 (c). Der geschichtete

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- li -

Kristall der Fig. 3(a) wurde in gleicher Weise hergestellt wie in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fig. 1 (a). Er wird dann einer Photolithographie- und einer Ätz-Behandlung unterzogen, um die drei streifenförmigen Kanäle zu bilden. Jeder von ihnen hat eine Breite von 4,2 μΐη, eine Steigung von 5,0 μΐη und eine Tiefe von 1,0 um. Die Kanäle verlaufen in der (011)-Richtung des Krittalles. Darauf folgt durch Aufwachsen eine zweifache Heterostruktur für ein Laser-Bauelement unter den gleichen Bedingungen wie im obigen Beispiel beschrieben. Würde man ein herkömmliches Verfahren auf dieses Beispiel anwenden, so würden die konvexen Teile 100 rückschmelzen und verloren gehen, was zu einem Halbleiter-Laser-Array führen würde, der einen Kanal mit einer Breite von 15 μπι hätte. Nach der Erfindung wird dagegen ein Halbleiter-Laser-Array erhalten, bei dam die anfänglichen Formen der konvexen Abschnitte 10n und die Schulterteile der Kanäle beibehalten bleiben. Ihr Schwellenstrom liegt im Bereich von 95 bis 100 m\_t was ein kleiner Streubereich ist. Da diese drei streifenförmigen Kanäle so hergestellt werden können, daß sie die gleiche Form haben, wurde darüber hinaus beobachtet, daß das Fernfeldmuster dieser Halbleiter-Laser-Array-Anordnung einen einzigen scharfen Peak aufweist, dessen Strahlungskeulenbreite beim halben Maximum auf ungefähr 3° liegt und dessen optische Phasenverschiebung zwischen benachbarten streifenförmigen Kanälen bei 0° liegt.

Verschiedene Modifikationen der Halbleiteranordnung nach der Erfindung können folgendes beinhalten:

(i) Bauelemente., die so aufgebaut sind, daß sie eine Struktur mit einer Polarität haben, die von der Polarität des Substrates und der Auf-

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wachsschichten der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verschieden sind.

(ii) Weitere Halbleiter-Laser und/oder Halbleiter-Bauelemente mit einem mit Kanälen versehenem Substrat.

(iii) Bauelemente mit anderen Halbleitermaterialien, die Aluminium enthalten.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß weitere Modifikationen für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich sind, ohne daß sie vom Gegenstand der Erfindung abweichen. Entsprechend sei darauf hingewiesen, daß der Schutzumfang der Ansprüche nicht durch die obige Beschreibung beschränkt wird. Vielmehr sind die Ansprüche so aufzufassen, daß sie alle patentfähigen Merkmale der Erfindung umfassen einschließlich aller Merkmale, die vom Fachmann als Äquivalente angesehen werden.

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Claims (4)

PATENTANWÄLTE RR. von SAMSON-HIMMELSTJERNA DtPL.-PHYS. DR. TAM AXEL von BÜLOW DIPL. ING., DIPL.-WIRTSCH.-ING. SAMSON & BÜLOW PATENTANW \LTSXANZLEI W1DENMAYERSTR.5 D-8O0OMÜNCHEN22 TELEFON: 0 89/22 94 61 TELEGRAMM: SAMPAT TELEX: 521 4940egsad TELEFAX: 0 89/29 94 65 SAMSON 4 BÜLOW · PATEOTANWALTSKAnZLB ■ WWeNMAYEBSTR. 5 D-βΟΧ MÜNCHEN S." Anmelder: SHARP KABUSHIKI KAISHA 22-22, Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka 545 Japan IHR ZEICHEN UNSER ZEICHEN S 46/1-B 85 Pat vB/ha DATUM- 01. Oktober 1985 Verfahren zur Hercteilung von Halbleiter-Bau lementen Priorität: 02. Oktober 1984, Japan, Nr. 59-206930 Patentansprüche Verfahren zur Herstelling von Halbleiter-Bauelementen mit folgender Schritten:

1) Ausbilden eines dünnen Halbleiterfilmes, der kein Aluminium enthält, auf einer ersten Halbleiterschicht, die Aluminium enthält,

2) Ausbilden eines Kanales oder mehrerer Kanäle auf dem dünnen Halbleiterfilm und zwar so, daß der Kanal bzw. die Kanäle durch die erste Halbleiterschicht reichen bzw. durch sie hindurchgehen, was zu einem mit einem oder mehreren Kanrlen versehenen Substrat

führt, für ein nachfolgendes Kristallwachstum auf diesem, und
3) Durchführen eines epitaktischen AufWachsens kristalliner Schichten auf dem mit dem Kanal oder den Kanälen versehenen Substrat unter Verwendung einer Kristall-Wachstumslösung, die eine SuperSättigung hat, die hoch genug ist, ein Rückschmelzen der ersten Halbleiterschicht zu verhindern.

2. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kristallinen Schichten eine zweite Halbleiterschicht aufweisen, die als aktive Region für das

Emittieren von Laserlicht dient, eine dritte HaIb-

* leiterschicht, die unter der zweiten Halbleiter

schicht angeordnet ist und eine vierte Halbleiterschicht, die über d^r zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist, WOb¹I die dritte und die vierte Schicht ein breiteres verbotenes Band haben als die zweite Schicht, wobei die Polarität der dritten Schicht von der der vierten Schicht verschieden ist und wobei die erste Schicht ein schmaleres verbotenes Band als die zweite Schicht hat.

3. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Vielzahl streifenförmiger

go Kanäle hat.

4. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen nach Ansprucli 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Vielzahl streifenförmiger

g'g ·' Kanäle hat.

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