DE3535046C2

DE3535046C2 -

Info

Publication number: DE3535046C2
Application number: DE3535046A
Authority: DE
Inventors: Mototaka Taneya; Sadayoshi Matsui; Mitsuhiro Tenri Nara Jp Matsumoto; Hiroshi Kyoto Jp Hayashi
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1984-10-02
Filing date: 1985-10-01
Publication date: 1989-08-10
Also published as: GB2165093A; JPH0310222B2; JPS6184827A; US4632709A; DE3535046A1; GB2165093B; GB8524230D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen.

Mit der Entwicklung optischer Bauelemente wurde ein Flüssigphasen-Epitaxie-Aufwachsverfahren unter Verwen dung von Halbleitermaterialien der Gruppe III-V (ins besondere von Al_xGa_1-xAs) in weitem Umfange bei der Herstellung von Halbleiter-Laserbauteilen, licht emittierende Dioden usw. angewandt. Diese Bauteile wurden durch ein Epitaxie-Aufwachsen von kristallinen Schichten aus der Flüssigphase auf einem mit Kanälen versehenen Substrat hergestellt, was zu einer Vielzahl von Struk turen führte.

Während dieses Flüssigphasen-Epitaxie-Aufwachsens von kristallinen Schichten auf dem Substrat mit dem Kanal unterliegen jedoch jeweils die Schulterteile an beiden Seiten des Kanales beim Rückschmelzen, was zu einer abgerundeten Form führt. Zur Erläuterung des Problems sei auf die Fig. 4(a) und 4(b) hingewiesen, die einen herkömmlichen Herstellungsprozeß eines Halbleiter-Laser-Bauteiles zeigen, wobei Fig. 4(a) einen Quer schnitt des mit einem oder mehreren Kanälen versehenen Substrates und Fig. 4(b) eine Schnittansicht eines stromblockierenden Halbleiter-Plättchens zeigt. Auf einem p-GaAs-Substrat 1 ist eine stromblockierende n-GaAs-Schicht 2 durch Flüssigphasen- Epitaxie, Molekularstrahl-Epitaxie oder metall-organisch- chemische Dampfabscheidung usw. aufgebracht, worauf die Bildung eines Kanales in der Oberfläche des Substrates 1 unter Anwendung einer Photolithographie und einer Ätz technik (Fig. 4(a)) erfolgt. Darauf werden auf dem resul tierenden Substrat 21 mit dem Kanal eine p-Al_xGa_1-xAs- Überzugsschicht 3, eine Al_yGa_1-yAs-Aktivschicht 4, eine n-Al_xGa_1-xAs-Überzugsschicht 5 und eine n⁺-GaAs-Deck schicht 6 nacheinander durch Flüssigphasen-Epitaxie ge bildet (wobei gilt: 0≦Y≦X≦1) (Fig. 4(b)). Während des aufeinanderfolgenden Aufwachsens der kristallinen Schichten auf dem Substrat 21 mit Kanal, unterliegen die Schulterabschnitte des Kanales beim 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 mit gleichmäßiger Charak teristik zu produzieren, muß das Rückschmelzen in dem Kanal des Substrates während des nachfolgenden Auf wachsens von kristallinen Schichten auf dem Substrat mit Kanal verhindert werden.

Aus der Druckschrift "Heterostructure Lasers", Teil B, Academic Press/New York (1978), Seite 207 bis 217, ist ein Verfahren zum Herstellen von mit Kanälen versehenen Halbleiter-Bauelementen bekannt, das auch die Merkmale c) und d) des Patentanspruchs 1 aufweist. Speziell ist in dieser Schrift ein Verfahren zum Herstellen eines Hetero-Lasers be schrieben worden, bei dem eine aluminiumfreie erste Schicht aus einer Halbleiterverbindung auf einem Halbleitersubstrat epitaktisch aufgewachsen wird, woraufhin ein Kanal, der sich durch dieser erste Schicht erstreckt, ausgebildet wird. Anschließend wird auf der mit mindestens einem Kanal versehenen Seite des Substrats eine aluminium haltige, zweite Halbleiterschicht durch epitaktisches Aufwachsen aus der flüssigen Phase aufgebracht. Diese Druckschrift beschäftigt sich jedoch nicht mit dem Problem der Kanaldeformation und der sich daraus erge benden Bauelementestreuung aufgrund eines Rückschmel zens der Kanalwände.

Die US-PS 40 28 146 offenbart einen Halbleiterlaser, der in seiner Schichtenfolge und in seinem Aufbau im wesent lichen dem Halbleiterlaser entspricht, der durch das in der obigen Entgegenhaltung beschriebene Verfahren her stellbar ist.

Die DE-OS 27 57 470 offenbart ein Verfahren zum Her stellen einer Mehrschichtstruktur für eine GaAs-Laser diode, bei dem Epitaxieschichten aus einer übersättig ten Lösung durch anisotropes Wachstum gewonnen werden.

Die US-PS 43 71 968 ist eine Anordnung von monolithi schen Halbleiter-Injektionslasern bekannt, bei dem auf ein GaAs-Substrat eine GaAlAs-Schicht aufgebracht wird V-förmige Kerben in diese Schicht geätzt werden, bei dem eine GaAlAs-Trennschicht zum optischen und elektrischen Isolieren in die V-förmigen Kerben eingebracht wird, eine GaAs-Schicht als Abschlußschicht aufgetragen wird, und bei dem anschließend metallische Kontakte aufgetra gen werden. Mit Fragen der Reproduzierbarkeit der Laser parameter bzw. mit dem Problem des Rückschmelzens der Kanalwände befaßt sich diese Druckschrift nicht.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegen den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen wie sie aus der eingangs genannten Druckschrift "Hetereostructure Lasers" Teil B usw. bekannt sind, anzugeben, bei dem Halbleiter-Bauelemente mit einer verbesserten Reproduzierbarkeit der Eigen schaften erzielt werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Eine bevorzugte Weiterbildung ist Gegenstand des An spruchs 2.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1(a), 1(b) und 1(c) Schnittansichten zur Erläuterung des Herstel lungsverfahrens von Halbleiterbauelementen nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Grenzbedin gung für das Rückschmelzen in dem kannelier ten Substrat;

Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) Schnittansichten eines weiteren Herstellungs verfahrens für Halbleiterbauelemente nach der Erfindung; und

Fig. 4(a) und 4(b) Schnittansichten eines herkömmlichen Herstell verfahrens von Halbleiterbauelementen.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Das Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelemen ten 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 nachfolgende Kristallwachstum auf diesem führt; auf diesem mit Kanälen versehenen Substrat wird ein Epitaxie-Aufwachsen von kristallinen Schichten ein geleitet, ohne daß der Kanal bzw. die Kanäle des Substrates deformiert werden und zwar durch Verwen dung einer Kristallwachstumslösung mit einer Super sättigung, die hoch genug ist, ein Rückschmelzen der das Al-enthaltenden Halbleiterschicht zu verhindern.

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

Zunächst wird - wie in Fig. 1(a) gezeigt - auf der (100)-Fläche eines p-GaAs-Substrates 11 eine n-Al_zGa_1-zAs-Strom-Blockierungs-Schicht 12 mit einer Dicke von 0,7 µm aufgebracht und dann eine n- oder p-Ga-As-Schutzschicht 13 mit einer Dicke von 0,1 µm und zwar durch aufeinanderfolgendes Flüssigphasen- Epitaxie-Verfahren oder sonstige im Stand der Technik bekannte Kristallwachstumsverfahren. Bei diesem Aufwachsschritt ist das Mischungsverhältnis Z des Mischkristalles in der n-Stromblockierungsschicht 12 aus dem schraffierten Bereich der Fig. 2 ausge wählt und zwar in Abhängigkeit von der Supersätti gung einer Kristallwachstumslösung, die für das nachfolgende Kristallaufwachsen von kristallinen Schichten auf dem mit Kanälen versehenen Substrat 23 (Fig. 1(b)) verwendet wird. In diesem Beispiel ist die Super sättigung Δ T der Kristallwachstumslösung bei 4 Grad und das Mischungsverhältnis Z des gemischten Kristalles in der n-Stromblockierungsschicht 12 bei 0,1. Eine solche Auswahl (d. h. Δ T = 4 Grad) erlaubt eine genaue Steuerung der Dicke der p-Übersetzungsschicht 14 und der aktiven Schicht 15 in dem nachfolgenden Aufwachs prozeß, was zu Bauelementen gleichförmiger Qualität führt.

Der resultierende Schichtkristall wird dann einer photolithographischen Behandlung und einer Ätzbe handlung unterzogen, wie in Fig. 1(b) gezeigt, um einen streifenförmigen Kanal 10 zu bilden, dessen Tiefe bei ungefähr 1,0 µm in der (011)-Richtung des Kristalles liegt und zwar so, daß der Kanal 10 durch die n-Stromblockierungsschicht 12 hindurch geht und das p-GaAs-Substrat 11 erreicht. Dies führt zu einem mit einem Kanal versehenen Substrat 23 für das nach 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 dünne GaAs-Schicht 13 nicht vorhanden sein, wie es bei dem in Fig. 4(a) gezeig ten herkömmlichen mit Kanälen versehenen Substrat 21 der Fall ist, so würden die Benetzungseigenschaften des mit Kanälen versehenen Substrates hinsichtlich der Kristall wachstumslösung beim nachfolgenden Kristallaufwachs 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 folgende Aufwachsen einer zweifachen Heterostruktur aus geführt unter Verwendung des oben erwähnten kannelier ten Substrates 23, zur Bildung der p-Al_xGa_1-xAs-Über zugsschicht 14, der Al_yGa_1-yAs-Aktivschicht 15, der n-Al_xGa_1-xAs-Überzugsschicht 16 und der n⁺-GaAs-Deck schicht 17 (wobei 0 < z < y ≦ x 1). Diese Schichten werden mittels Flüssigphasen-Epitaxie aufgebracht. Die Flüssig phasen-Epitaxie kann wie folgt ausgeführt werden: Jede der Halbleiterkomponenten wird zunächst abgewogen ent sprechend der Zusammensetzung und der Trägerkonzentra tion der entsprechenden kristallinen Schicht und dann in ein verschiebbares Schiffchen gefüllt, welches dann für eine gewisse Zeitdauer in einer gereinigten Wasser stoffatmosphäre bei 800°C gehalten wird, um die Mischung vollständig zu schmelzen. Darauf wird das Schiffchen auf 796°C abgekühlt, um eine Übersättigung der ge schmolzenen Lösung zu erhalten. Die resultierende Kristallwachstumslösung für die erste kristalline Schicht (d. h. die p-Überzugsschicht) 14 wird dann in Kontakt mit dem, d. h. mit Kanälen versehenen, kannelierten Substrat (Fig. 1(b)) ge bracht. Da die Wachstumsgeschwindigkeit der kristal linen Schicht, die anfänglich auf der schrägen Fläche des Kanales 10 wächst, so groß ist, daß dort eine unzureichende Menge der Lösung in den Schulterab schnitten des Kanales 10 (d. h. des Bereiches der (100)- Seite in der Nähe des Kanales 10) vorhanden ist, be steht die Gefahr, daß ein Rückschmelzen der Schulter abschnitte des Kanales 10 auftritt. Da jedoch die n-Stromblockierungsschicht 12 aus dem Al_0,1Ga_0,9As- System nach der Erfindung zusammengesetzt ist, kann das Rückschmelzen in dem Kanal 10 verhindert werden, so daß der Kanal 10 in dem Substrat 23 für das Kristall wachstum mit der p-Überzugsschicht 14 gefüllt ist, welche eine ebene Fläche aufweist, so daß die Anfangs form 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 aus gezeichneter Reproduzierbarkeit hergestellt werden.

Die Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) zeigen ein weiteres Her stellverfahren eines Halbleiterbauelementes nach der Erfindung, bei dem ein Halbleiter-Laser-Array mit einer Vielzahl von streifenförmigen Kanälen (d. h. drei strei fenförmige Kanäle) wie folgt hergestellt werden kann:
Die Bezugszeichen 11 bis 17 in der Fig. 3(a) bis 3(c) bezeichnen die gleichen Schichten wie die Bezugszeichen 11 bis 17 in den Fig. 1(a) bis 1(c). Der geschichtete Kristall der Fig. 3(a) wurde in gleicher Weise herge stellt wie in dem oben beschriebenen Ausführungsbei spiel der Fig. 1(a). Er wird dann einer Photolitho graphie- und einer Ätz-Behandlung unterzogen, um die drei streifenförmigen Kanäle zu bilden. Jeder von ihnen hat eine Breite von 4,2 µm, eine Steigung von 5,0 µm und eine Tiefe von 1,0 µm. Die Kanäle verlaufen in der (011)-Richtung des Kristalles. Darauf folgt durch Aufwachsen eine zweifache Heterostruktur für ein Laser-Bauelement unter den gleichen Bedingungen wie im obigen Beispiel beschrieben. Würde man ein herkömm liches Verfahren auf dieses Beispiel anwenden, so würden die konvexen Teile 100 rückschmelzen und ver loren gehen, was zu einem Halbleiter-Laser-Array füh ren würde, der einen Kanal mit einer Breite von 15 µm hätte. Nach der Erfindung wird dagegen ein Halbleiter- Laser-Array erhalten, bei dem die anfänglichen Formen der konvexen Abschnitte 100 und die Schulterteile der Kanäle beibehalten bleiben. Ihr Schwellenstrom liegt im Bereich von 95 bis 100 mA, was ein kleiner Streu bereich ist. Da diese drei streifenförmigen Kanäle so hergestellt werden können, daß sie die gleiche Form haben, wurde darüber hinaus beobachtet, daß das Fern feldmuster dieser Halbleiter-Laser-Array-Anordnung einen einzigen scharfen Peak aufweist, dessen Strahlungskeulen breite 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 wachsschichten der oben beschriebenen Aus führungsbeispiele 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 Modifi kationen für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich sind, ohne daß sie vom Gegenstand der Erfindung abweichen. Entsprechend sei darauf hingewiesen, daß der Schutz umfang der Ansprüche nicht durch die obige Beschreibung beschränkt wird. Vielmehr sind die Ansprüche so aufzu fassen, daß sie alle patentfähigen Merkmale der Erfin dung umfassen einschließlich aller Merkmale, die vom Fachmann als Äquivalente angesehen werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von mit Kanälen versehenen Halbleiter-Bauelementen mit folgenden Merkmalen:

a) eine Aluminium enthaltende erste Schicht aus einer Halbleiterverbindung wird auf einem Halbleiter substrat epitaktisch aufgewachsen,
b) auf dieser ersten Schicht wird ein aluminiumfreier Halbleiterfilm aufgebracht,
c) auf der Seite des Halbleiterfilmes wird mindestens ein Kanal ausgebildet, der die erste Schicht er reicht oder durch diese hindurchreicht,
d) daraufhin wird auf der mit mindestens einem Kanal versehenen Seite des Substrats eine aluminiumhal tige weitere Halbleiterschicht durch epitaktisches Aufwachsen aus einer flüssigen Phase aufgebracht,
e) wobei die flüssige Phase so übersättigt ist, daß beim Aufwachsen ein Rückschmelzen der Kanalwände in der ersten Schicht vermieden wird.

2. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen nach Anspruch 1, bei dem die weitere Halbleiter schicht eine zweite Halbleiterschicht aufweist, die als aktive Region für das Emittieren von Laserlicht dient, eine dritte Halbleiterschicht aufweist, die unter der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist, und eine vierte Halbleiterschicht aufweist, die über der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist, wobei die dritte und die vierte Schicht ein breiteres ver botenes Band als die zweite Schicht haben, 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.