DE3610890C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von
Halbleiterbauelementen mit III-V-Verbindungshalbleitern gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In neuerer Zeit hat die Entwicklung von Halbleiterbauelementen (z. B.
integrierten Schaltungen, optoelektronischen
Halbleiterbauelementen, Speichern), die aus III-V-
Verbindungshalbleitern aufgebaut sind, besondere Bedeutung
erlangt. Diese Halbleitermaterialien haben eine Reihe
wünschenswerter Eigenschaften einschließlich höherer
Ladungsträgerbeweglichkeiten und Bauelementminiaturisierungsmöglichkeiten,
vorteilhafter optischer Eigenschaften usw. Bei der
Herstellung von Bauelementen mit III-V-Verbindungshalbleitern ist
es höchst erwünscht, Gebiete hohen spezifischen Widerstands in
dichter Nachbarschaft zu n-leitenden Gebieten zu erzeugen. Dieses
kann zur Ausbildung zahlreicher Arten von Schaltungen oder
integrierten Bauelementen und ebenso zur Isolation eines
Schaltungstyps oder eines Teils einer Schaltung von einem anderen
Teil einer Schaltung verwendet werden. Eine rasche und bequeme
Herstellung solcher Merkmale ist in vielen Anwendungsfällen höchst
wünschenswert.
Ein derartiges Verfahren zur Herstellung von
Halbleiterbauelementen mit III-V-Verbindungshalbleitern ist
beispielsweise aus der US 43 91 651 bekannt.
Aus verschiedenen Veröffentlichungen ist das große Interesse am
Einbau von Wasserstoff in Halbleitermaterialien bekannt. Hierzu
wird beispielsweise verwiesen auf T. S. Shi et al., Physica Status
Solidi A, Vol. 74, Seiten 329 bis 341 (1982). Eine Reihe von
Veröffentlichungen beschreiben die Verwendung von atomarem
Wasserstoff zur Neutralisierung verschiedener tiefer
Energieniveauzentren als Folge von entweder Linien- oder
Punktdefekten in zahlreichen Halbleitern. Hierzu wird
beispielsweise auf J. L. Benton et al. in der US 42 66 986
verwiesen. Außerdem sind Versuche beschrieben worden, Bor-
Flachakzeptoren in Silicium durch atomaren Wasserstoff zu
neutralisieren. Hierzu sei beispielsweise verwiesen auf C. Sah et
al., Applied Physics Letters, Vol. 43, Nr. 2, Seiten 204 bis 206
(15. Juli 1983). Es hat sich jedoch erwiesen, daß diese Resultate
die Folge von Hydroxylionen und nicht die Folge von
Wasserstoffatomen sind, wozu verwiesen wird auf W. L. Hansen et
al., Applied Physics Letters, Vol. 44, Nr. 6, Seiten 606 bis 608
(15. März 1984).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Herstellen eines Halbleiterbauelements der im Oberbegriff des
Anspruchs 1 angegebenen Art anzugeben, mit dem Zonen hohen
Widerstandes an vorbestimmten Stellen erzeugt werden können, wobei
die Möglichkeit bestehen soll, eine Donatorzone teilweise
in eine neutralisierte Zone zurückzuverwandeln.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen
Verfahrensmerkmale.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Neutralisierung
durch den Einbau von atomarem Wasserstoff. Nur Flachdotierstoffe
sind von Interesse (beispiels
weise Silicium, Schwefel, Zinn, Tellur, Selen etc.), und
zwar wegen ihres extensiven Gebrauchs bei der Dotierung
von III-V-Halbleitermaterial und ihrer großen Wirkung
auf die halbleitenden Eigenschaften des Materials. Typischerweise
richtet sich das Interesse auf Dotierstoffe,
die Energieniveaus in einem Bereich von etwa 25 meV unterhalb der Leitungsbandkante
erzeugen, obgleich 150 meV ebenfalls verwendet
werden können. Ebenfalls richtet sich ein Interesse
auf Situationen, in denen die Wasserstoffatome die Dotierstoffe
neutralisieren, da dieses hochstabile Widerstandsgebiete
erzeugt. Die Einführung von atomarem Wasserstoff
erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines Wasserstoffplasmas,
obgleich andere Verfahren (beispielsweise
elektrolytische Einfügung von atomarem Wasserstoff)
ebenfalls benutzt werden können. Es wird angenommen, daß
sich der atomare Wasserstoff an ein Donatoratom bindet,
und zwar unter Bildung eines tiefen Energieniveaus, das
mit dem Elektron gefüllt ist, das sonst für das
Leitungsband geliefert worden wäre. Dieses verringert
die freie Ladungsträgerdichte und erhöht damit den elektrischen
Widerstand in den behandelten Gebieten. Beispielsweise
verringert bei n-leitendem GaAs(Si) (=mit Silicium dotiertem
GaAs) eine Wasserstoffplasma-Exposition bei 250°C
die spezifische Leitfähigkeit für freie Ladungsträger um
mehrere Größenordnungen. Der Effekt kann rückgängig ge
macht werden durch kurzzeitiges (etwa 3 Minuten langes)
Erwärmen des betroffenen Gebietes auf hohe Temperaturen
(typischerweise etwa 420°C). Bei der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich auch das dem
Wasserstoffplasma ausgesetzte Gebiet nach zahlreichen
Methoden, beispielsweise mit Hilfe einer Maskierung, vorzeichnen.
Ebenso kann die Umkehrprozedur selektiv umrissen
erfolgen, beispielsweise mit Hilfe einer wärmereflektierenden
Maske oder mit Hilfe eines Strahlungsbündels (z. B.
Laserstrahles oder Elektronenstrahles), um örtliche Erwärmung
zu erzeugen. Zahlreiche Bauelementarten können unter
Verwendung dieses Verfahrens einschließlich Streifengeometrie-Laser
und integrierte Schaltungen der verschiedensten
Typen hergestellt werden.
Nachstehend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand der
Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigt
Fig. 1 eine Schrägansicht eines im erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Doppelheterostruktur-Lasers
mit Streifengeometrie und
Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt einer Feldeffekttransistor-
(FET-)Schaltung auf einem Halbleiterchip,
bei der die Schaltungsisolation im erfindungsgemäßen
Verfahren erzeugt worden ist.
Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß in n-leitende
III-V-Verbindungen eindiffundierter atomarer Wasserstoff
die Dotierung neutralisiert und den spezifischen
Widerstand des betroffenen Gebietes sehr stark erhöht.
Ein solches Verfahren wird generell am besten oberhalb
200°C bis zu einer oberen Grenze, die durch die Halbleiterstabilität
bestimmt ist, ausgeführt. Gleichfalls wurde
beobachtet, daß die Erwärmung eines dotierten und durch
atomaren Wasserstoff neutralisierten Gebietes auf hohe
Temperaturen (im allgemeinen auf mehr als etwa 275°C)
in Abwesenheit von atomarem Wasserstoff das betroffene
Gebiet in den ursprünglichen n-leitenden Halbleiterzustand
zurücküberführt.
Die Erfindung ist auf III-V-Verbindungshalbleiter mit
Flachdonator-Dotierung anwendbar. Flachdonator-Dotierstoffe
sind jene Dotierstoffe, die Energieniveaus dicht
beim Leitungsband erzeugen. Im allgemeinen werden Energieniveaus
innerhalb eines Bereichs von etwa 25 Millielektronenvolt (meV) unterhalb des
Leitungsbandes wegen eines hohen Dotierwirkungsgrades bevorzugt.
Dabei sind Energieniveaus innerhalb 9 oder sogar
innerhalb 6 meV noch bevorzugter.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann am Substratmaterial
(typischerweise GaAs und InP) oder an einer epitaktischen
Schicht (häufig aus einem binären, ternären oder quaternären
Material), die auf einem Substrat gewachsen ist,
durchgeführt werden. Typische epitaktische Materialien
auf Galliumarsenid sind die folgenden: Galliumarsenid,
Galliumaluminiumarsenid und galliumarsenidgitterangepaßtes
Galliumindiumphosphid. Typische epitaktische Materialien
auf Indiumphosphid sind Indiumphosphid, Indiumgalliumarsenid
(z. B. In0,53Ga0,47As) und Aluminiumindiumarsenid
(z. B. Al0,47In0,53As). Typische Dotierstoffe
für n-leitende III-V-Verbindungshalbleiter sind
Silicium, Schwefel, Zinn und Tellur.
Für InP und phosphorhaltige epitaktische Schichten (beispielsweise
InGaAsP) sollte Vorsorge dafür getroffen werden,
daß einem Oberflächenverlust an Phosphor während
der Behandlung mit atomarem Wasserstoff vorgebeugt wird.
Dieses kann geschehen entweder durch eine gegenüber atomarem
Wasserstoff durchlässige aber gegenüber Phosphor
nicht durchlässige Schutzschicht oder durch Verwendung
einer gasförmigen Phosphorquelle, um eine Verarmung der
InP-Oberfläche zu vermeiden. Andere Verbindungen benötigen
ebenfalls Schutz, beispielsweise InGaAs, wo Arsen weniger
stark als in GaAs gebunden ist.
Allgemein gesprochen dient das Verfahren zum Neutralisieren
von Flachdonatoren in III-V-Halbleiterverbindungen durch die
Einführung von atomarem Wasserstoff in das Gebiet, wo
die Flachdonatoren gelegen sind. Die bevorzugte Temperatur
des III-V-Verbindungshalbleiters liegt dabei zwischen
200 und 400°C, wobei der Bereich von 225 bis 300°C am
meisten bevorzugt ist. Unterhalb etwa 200°C findet die
Donatorenneutralisation unverhältnismäßig langsam statt;
oberhalb etwa 400°C heilt sich der Effekt von selbst
wieder aus, so daß es manchmal schwierig ist, die volle
Donatorneutralisationswirkung zu erhalten. Der Temperaturbereich
von 225 bis 300°C liefert eine rasche und maximale
Neutralisierung der Donatordotierstoffe.
Wie oben angegeben, ist das Verfahren auf massives Material
und auf geschichtetes Material anwendbar. Typische
Anwendungsfälle für massives Material sind üblicherweise
isolierende Oberflächenschichten (beispielsweise auf
GaAs-Substraten) zu erzeugen. Bei Schichtstrukturen muß
hinsichtlich der Eindringtiefe des atomaren Wasserstoffes
aufgepaßt werden. Für schwach dotiertes Material findet
eine Wasserstoffneutralisation bis auf eine beträchtliche
Tiefe (beispielsweise bis auf 2 µm für eine Ladungsträgerkonzentration
von etwa 2×10¹⁵ cm-3) statt. Bei stärker
dotierten Schichten ist die Eindringtiefe etwas niedriger
(typischerweise 0,6 µm für Ladungsträgerkonzentrationen
von 2,4×10¹⁷ cm-3 und etwa 0,4 µm für 2×10¹⁸ cm-3).
Größere Eindringtiefe ist möglich bei höheren Temperaturen
oder längeren Behandlungszeiten.
Außergewöhnlich gute Resultate werden bei siliciumdotiertem
Galliumarsenid mit Dotiertiefen weniger als etwa
100 nm oder sogar 70 nm erhalten. Typischerweise werden
solche Proben hergestellt durch Niederschlagen dünner dotierter
Galliumarsenidschichten auf ein isolierendes
Substrat, wie halbisolierendes Galliumarsenid. Flachionenimplantierte
Proben können ebenfalls benutzt werden. Solche
Proben, insbesondere wenn sie auf Ladungsträgerkonzentrationen
von mehr als etwa 10¹⁷ cm-3 dotiert sind, liefern
große Ausschläge im spezifischen Widerstand und können zur
Vorzeichnung von Schaltungen oder Isolation zahlreicher
Schaltungsteile oder eines integrierten Schaltungsfeldes
dienen.
Ein typisches Wasserstoffplasmaverfahren ist in der Arbeit
von R. P. H. Chang et al., "Hydrogen Plasma Etching of
Semiconductors and Their Oxides" in Journal of Vacuum
Science and Technology, Vol. 20, Nr. 1 (Januar 1982) beschrieben.
Jedoch wird die Wasserstoffeinfügung zwecks
Donatorenneutralisation am besten bei niedrigeren Plasma-
Leistungsdichten ausgeführt, da dann ein Plasmaätzen des
Halbleiters auf einen vernachlässigbaren Wert verringert
wird. Elektrochemische Einführung von atomarem Wasserstoff
ist zur Neutralisierung der elektrischen Aktivität
von Flachdonatoren in III-V-Verbindungshalbleiter ebenfalls
brauchbar. Das elektrochemische Verfahren kann auch
im Temperaturbereich von 200 bis 400°C durchgeführt
werden. Der Bereich bei 250°C (beispielsweise 225 bis
300°C) ist der am meisten bevorzugte Bereich.
Es wurden verschiedene Proben atomarem Wasserstoff ausgesetzt,
und ihre elektrischen Eigenschaften wurden vor und
nach der Behandlung gemessen, um die Wirkung des atomaren
Wasserstoffes auf die elektrischen Eigenschaften dieser
Proben zu demonstrieren und zu zeigen, daß der Effekt auf
atomaren Wasserstoff zurückgeht.
Die Proben wurden mit "A, B, C, . . ." bezeichnet. Alle
Proben waren (100)-orientiertes Galliumarsenid. Die ersten
drei Proben waren im Molekularstrahlepitaxieverfahren gezüchtete
Schichten. Dabei war die Probe A eine 3 µm dicke
Schicht mit einer Ladungsträgerkonzentration von
2,2×10¹⁵ cm-3; die Probe B war eine 1,2 µm dicke Schicht
mit einer anfänglichen Dotierung von 2,4×10¹⁷ cm-3; und
die Probe C war eine 50 nm dicke Schicht mit einer Ladungsträgerkonzentration
von 2×10¹⁸ cm-3. Die Probe D
war ein massiver siliciumdotierter Galliumarsenidkristall,
der im horizontalen Bridgman-Verfahren hergestellt war.
Die Ladungsträgerkonzentration war 1,4×10¹⁸ cm-3. Die
Probe E war eine siliciumplantierte Probe. Die Implantation
wurde auf halbisolierendem, undotiertem Galliumarsenid
ausgeführt, das im Czochralski-Verfahren mit
Flüssigverkapselung gezüchtet war. Beim Implantationsschritt
wurden die Proben 60 keV ²⁹Si-Ionen auf eine
Dosis von 3×10¹² cm-2 ausgesetzt und 20 Minuten lang
in einer gesteuerten As-H₂-Atmosphäre bei 850°C geglüht.
Die Behandlung mit Wasserstoffplasma erfolgte in einem
kapazitiv gekoppelten Parallelplattenreaktor (Technics
PEII), der bei Niederfrequenz (etwa 30 kHz) betrieben wurde.
Diese Niederfrequenz erzeugt ein Bombardement mit
energiereichen Ionen (z. B. mit H₂⁺, H⁺) auf dem Substrat,
ebenso dessen Aussetzen gegenüber atomarem Wasserstoff.
Die Behandlung erfolgte 30 Minuten lang bei 250°C,
einem H₂-Druck von 98,9 Pascal (750 mTorr) und einer
Plasmaleistungsdichte von 0,08 Wcm-2. Die Amplitude der
Niederfrequenzspannung an der angesteuerten Elektrode
betrug 280 Volt. Es wurde mit einem Durchsatz von
100 Standardkubikzentimeter gereinigtem H₂ gearbeitet.
GaAs-Wafer wurden in organischen Lösungsmitteln gereinigt
und in verdünntes HF zur Beseitigung von genetischem
Oxid unmittelbar vor Einsetzen in den kalten Substrattisch
eingetaucht. Eine Erwärmung auf 250°C erfolgte unter
strömendem N₂ bei etwa 66,7 Pascal (500 mTorr). Nach
der Plasmabehandlung wurden die GaAs-Wafer der Abkühlung
unter einer H₂-Atmosphäre bei einem Druck von einigen
hundert Pascal überlassen. Das Ausmaß einer Plasmaätzung
des GaAs wurde ebenfalls bestimmt; es war kleiner als
10 nm. Eine Heliumplasmabehandlung wurde unter identischen
Bedingungen, außer daß die Niederfrequenzamplitude etwas
größer war (300 V) durchgeführt.
Eine elektrochemischer Wasserstoffeinbau erfolgte bei derselben
Temperatur aus einem H₃PO₄-Elektrolyten in einer
einfachen 2-Elektroden-Zelle, die aus einer siliciumimplantierten
GaAs-Kathode und einer Kohlenstoffanode bestand.
Es wurde eine konstante Stromdichte von etwa 10-2
Ampere cm-2 benutzt, wobei allerdings das meiste der geführten
Ladung in die H₂-Entwicklung ging. Ein solches Verfahren
ist bereits zur Neutralisierung tiefer Energieniveauzentren
in kristallinem Silicium benutzt worden
(S. J. Pearton et al., Journal of Applied Physics, Vol. 55,
Seiten 1221 bis 1223 (1984)).
An der Schicht B wurden Hall-Messungen bei 300°K und
77°K unter Verwendung der Methode nach Van der Pauw aus
geführt. Der spezifische Widerstand von Schicht C wurde
abgeleitet aus I-V-Messungen unter Verwendung der Übertragungsleitungsmethode.
Kapazitäts-Spannungs-Messungen
bei 20 kHz wurden bei 300°K zur Untersuchung des Siliciumaktivierungsprofils
in allen Proben (ausgenommen
Schicht C) vor und nach der "Hydrierung" ausgeführt. Für
C-V-Profile wurde eine Quecksilbersonde
zusammen mit einem LCR-Meßgerät benutzt. Bei
nichthydrierten implantierten Proben folgten die elektrisch
aktiven Profile dem erwarteten Profil mit Spitzendotierungsdichten
von etwa 3,5×10¹⁷ cm-3 bei 0,05 µm von der
Oberfläche recht genau. Nach einer Hydrierungsbehandlung
der implantierten Proben entweder im Plasma oder in der
elektrolytischen Zelle war die elektrische Aktivität des
Silicium-Dotierstoffs vollständig neutralisiert, wobei die
implantierte Zone denselben spezifischen Widerstand hatte
wie nichtimplantierte Wafer. Darüberhinaus zeigen die
C-V-Profile der Molekularstrahlepitaxie-Proben A und B
ebenso der n⁺-leitende massive Kristall eine starke Verringerung
der Ladungsträgerkonzentration im dicht bei der
Oberfläche gelegenen Schichtteil. Die Tiefe, auf die die
Ladungsträgerkonzentration modifiziert wurde, steht in
umgekehrter Abhängigkeit vom Niveau der Si-Dotierung. Bei
den beiden höher dotierten Proben trat eine Abnahme der
Ladungsträgerkonzentration im oberflächennahen Bereich von
mehr als einer Größenordnung auf. Der genaue Wert dichter
bei der Oberfläche konnte wegen der großen Raumladungsbreite
bei der Vorspannung Null nicht bestimmt werden,
was ein weiterer Beweis für eine Oberflächenschicht hohen
spezifischen Widerstandes ist. Eine Behandlung der Si-
implantierten Proben im Heliumplasma führt zu keiner
Änderung des Ladungsträgerkonzentrationsprofils. Diese
Resultate zeigen unzweideutig, daß eine Einführung von
Wasserstoff in GaAs(Si) in der Lage ist, die Silicium-
Donatoren zu deaktivieren.
Verschiedene Messungen wurden zur Bestimmung der Wirkung
der Wasserstoffneutralisierung auf Donatoren-Ladungsträger
ausgeführt. Zu diesen Messungen gehörten Hall-Messungen
und Leitfähigkeitsmessungen vor und nach der Wasserstoffdiffusion
bei verschiedenen Temperaturen. Insbesondere
sind die Ladungsträgerdichte und Ladungsträgerbeweglichkeit
vor und nach der Wasserstoffdiffusion signifikant.
Die nachstehende Tabelle zeigt einige der Resultate der
durchgeführten Hall-Messungen und Leitfähigkeitsmessungen
an Proben B und C bei Zimmertemperatur und Temperatur des
flüssigen Stickstoffs. Die Schicht der Probe B und der
Probe C war 1,2 µm bzw. 0,05 µm dick. Vor der Wasserstoffplasmabehandlung
war das Dotierstoffniveau der Schicht
der Probe B 2,4×10¹⁷ cm-3; und die Probe C war auf
2×10¹⁸ cm-3 dotiert. In der Tabelle beziehen sich die
Symbole n(300 K), µ(300 K) und ρ(300 K) auf die Ladungsträgerdichte,
die Ladungsträgerbeweglichkeit bzw.
Leitfähigkeit jeweils bei 300°K.
Für die Probe B ist die angegebene Ladungsträgerkonzentration
ein Mittelwert über die Gesamtdicke von 1,2 µm.
Dieser Wert ist etwa 2mal kleiner als der Anfangswert.
Dieses Verhältnis ist mit dem Umstand in Einklang, daß
Wasserstoff die Siliciumatome innerhalb der ersten 0,5 µm
dieser Schicht deaktiviert. Da die gemessene Beweglichkeit
µ die Ladungsträgerbeweglichkeit in der nicht von
den Wasserstoffatomen erreichten Zone ist, bleibt diese
Größe vor und nach der Hydrierung wie erwartet dieselbe.
Für die stark dotierte Dünnschicht (Schicht C) wird eine
Zunahme des spezifischen Widerstandes um wenigstens sechs
Größenordnungen beobachtet, was eine drastische Abnahme
der Konzentration an freien Ladungsträgern anzeigt.
Die vorstehenden Messungen und Resultate zeigen unzweideutig,
daß eine Diffusion von atomarem Wasserstoff in
mit Flachdonatoren dotierten III-V-Verbindungshalbleitern
die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials im betroffenen
Gebiet drastisch zu verringern und Gebiete hohen Widerstandes
in dotierten III-V-Verbindungshalbleitern zu erzeugen
vermag.
Besonders einleuchtende Anwendungsbeispiele für das erfindungsgemäße
Verfahren sind nachstehend anhand der
Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Doppelheterostruktur-(DH-)Laser 10
mit Streifengeometrie, dessen aktive Zone 19 auf einen
schmalen Kanal unter Verwendung einer Wasserstoff-
Diffusion eingegrenzt ist. Die Laserstruktur 10 ist aufgebaut
aus einem p-GaAs-Substrat 11 nebst Metallelektrode
12 und einer Reihe epitaktischer Schichten, nämlich
p-AlxGa1-xAs 13, n-GaAs oder p-GaAs 14, n-AlxGa1-xAs 15
und n⁺ GaAs 16. Mit atomarem Wasserstoff werden die
Schichten in den Teilen 17 und 18 außerhalb des aktiven
Gebietes in ihrem Widerstand hochgesetzt, während die
aktive Zone 19 ungeändert bleibt. Üblicherweise wird eine
Maske benutzt, um den atomaren Wasserstoff (beispielsweise
von einem Plasma herrührend) am Erreichen der aktiven
Zone zu hindern.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Herstellung
der elektrischen Isolation zwischen Schaltungskomponenten
auf demselben Halbleiterchip benutzt werden. Eine solche
elektrische Isolation wird häufig durch eine Mesastruktur
vorgesehen, d. h. durch eine tatsächliche Materialentfernung,
um einen elektrischen Einfluß von einer FET-
Struktur auf eine benachbarte FET-Struktur zu vermeiden.
Die Verwendung einer Neutralisation mit atomarem Wasserstoff
liefert eine viel leichtere Prozedur mit weniger
Beschädigungswirkung für das Halbleiterwafer, wobei eine
planare Waferoberfläche, die für nachfolgende Verfahrensschritte,
beispielsweise Aufbringen eines Photoresists,
geeigneter ist, beibehalten werden kann.
Ein typisches Beispiel zeigt Fig. 2, nämlich - in Seitenansicht -
einen Teil einer Halbleiterschaltung. Bei der
Schaltung 30 handelt es sich um ein Paar FETs mit gemeinsamer
Elektrode, wobei der eine FET im Anreicherungsmode
und der andere FET im Verarmungsmode betrieben ist. Solche
FET-Paar-Schaltungen sind als Inverter bekannt und werden
verbreitet in zahlreichen Bauelementen einschließlich
digitaler Bauelemente benutzt. Das FET-Paar ist gegenüber
anderen FET-Paaren auf dem selben Chip elektrisch isoliert.
Die FET-Paar-Schaltung 30 ist auf einem nicht dargestellten
halbisolierenden Galliumarsenid-Substrat aufgebaut.
Auf der Oberseite des Substrates befindet sich eine epitaktische
Pufferschicht 31 aus undotiertem Galliumarsenid.
Oberhalb der Pufferschicht befindet sich eine n⁺-AlGaAs-
Schicht 32 (typischerweise eine mit Silicium auf eine
Konzentration von etwa 1,5×10¹⁸ cm-3±50% dotierte
Al0,28Ga0,72As-Schicht), gefolgt von einer n⁺-GaAs-
Schicht 33 (typischerweise mit Silicium auf eine Konzentration
von etwa 2,0×10¹⁸ cm-3±50% dotiert). Typi
sche Dickenwerte der Schichten sind 30 bis 40 nm für
die AlGaAs-Schicht 32 und etwa 50 nm für die GaAs-
Schicht 33. Diese Anordnung erzeugt eine schmale Zone
34 eines zweidimensionalen Elektronengases im undotierten,
halbisolierenden Substrat, wo Dotierstoffelemente
die Elektronenbeweglichkeit nicht einschränken.
Die FET-Paar-Schaltung ist aus zwei FETs (Anreicherungsmoden-
FET und Verarmungsmoden-FET) mit gemeinsamer Elektrode
35 aufgebaut, die als die Drainelektrode des Anreicherungsmoden-
FET′s und als die Sourceelektrode des Verarmungsmoden-
FET′s dient. Die anderen Elektroden des Anreicherungsmoden-
FET′s sind die Gateelektrode 36 und die
Sourceelektrode 37. Für den Verarmungsmoden-FET sind die
Gateelektrode 38 und die Drainelektrode 39 ebenfalls dargestellt.
Dieses FET-Paar ist von ähnlichen Paaren auf
dem Halbleiterchip mit Hilfe einer Zone 40, 41 isoliert,
in der die Donatoren unter Verwendung von atomarem Wasserstoff
neutralisiert worden sind. Typischerweise erfolgt
dieses mit Hilfe einer geeigneten Maskierung und einem
Wasserstoffplasma, um die Wasserstoffimprägnierung auf
den gewünschten Bereich zu begrenzen und so eine Zone
hohen spezifischen Widerstandes zwischen benachbarten
FET-Paaren zu erzeugen.
Ein anderer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung ist die
Verwendung einer Erholungsprozedur, mit der die wasserstoffneutralisierte
Zone in eine n-leitende Zone zurückverwandelt
werden kann. Dieses erfolgt durch Erwärmen,
und zwar generell 1 Sekunde bis 1 Stunde langes
Erwärmen auf einen Temperaturbereich oberhalb 275°C.
Häufig ist eine vollständige Erholung gewünscht,
was bei Temperaturen oberhalb von etwa 385°C innerhalb
weniger Minuten erreicht werden kann. Eine Temperatur von
etwa 420°C ist für sehr rasche Erholung geeignet. Obgleich
höhere Temperaturen ebenfalls zu rascher Erholung führen,
sind übermäßig hohe Temperaturen (beispielsweise oberhalb
800°C) zu vermeiden, um keine Beschädigung von Materialien
oder Schaltungsbauelementen zu verursachen.
Zahlreiche Methoden können zur Durchführung dieses Teils
des vorliegenden Verfahrens benutzt werden.
Eine Wärme- oder Strahlungsabschirmung kann zum Schutze
von Gebieten hohen Widerstandes benutzt werden, so daß
eine Erholung nur gewisser, vorbestimmter Zonen des III-V-
Verbindungshalbleiters sichergestellt ist. Von besonderem
Interesse ist hier die Verwendung eines Lasers, typischerweise
einer solchen Frequenz, daß eine für rasche
Erwärmung auf die Tiefe der Wasserstoffneutralisation geeeignete
Eindringtiefe erhalten wird. Die Verwendung eines
Lasers erlaubt ein Einschreiben der aktiven Gebiete auf
der Oberfläche des Halbleiters unter Verwendung eines
entsprechend geführten Laserstrahls.
Ein typisches Beispiel ist der Streifengeometrielaser
nach Fig. 1. Hier ist es erwünscht, die halbleitende Zone
auf einen Streifen 19 herab zur Mitte des Bauelementes
zu begrenzen. Um dieses zu erreichen, werden die Schichten
13, 14, 15, 16 auf der Oberseite der Struktur atomarem
Wasserstoff ausgesetzt und danach wird ein Laser benutzt,
einen Streifen 19 bis herab zur Mitte der Laserstruktur
zu erwärmen, um diesen Streifen in halbleitendes
Material wieder umzuwandeln.
Claims (13)
1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes aus
wenigstens einem III-V-Verbindungshalbleiter mit einer
dotierten Zone mit einem oder mehreren Donator-
Dotierstoffen, insbesondere zur Herstellung von
Heterostruktur-Lasern oder Feldeffekttransistoren in
Streifengeometrie, wobei die Donator-Dotierstoffe
wenigstens teilweise in einem gewünschten Bereich (19) der
dotierten Zone neutralisiert werden, um den spezifischen
Widerstand eines Bereichs (19) der dotierten Zone zu
erhöhen,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - für die Dotierung Flachdonator-Dotierstoffe verwendet werden, deren Energieniveaus zwischen 0 und 150 Millielektronenvolt (meV) unterhalb der Leitungsbandkante liegen, und
- - die Neutralisierung durch Einbau von atomarem Wasserstoff in den gewünschten Bereich (19) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Energieunterschied zwischen Donatorniveau und
Leitungsbandkante zwischen 0 und 25 meV liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Energieunterschied zwischen Donatorniveau und
Leitungsbandkante zwischen 0 und 6 meV liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Einbau des atomaren Wasserstoffes in die dotierte Zone
bei Temperaturen oberhalb 200°C vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Einbau des atomaren Wasserstoffes in die dotierte Zone
bei Temperaturen zwischen 225 und 300°C vorgenommen
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der III-V-Verbindungshalbleiter ausgewählt wird aus
Galliumarsenid, Galliumaluminiumarsenid und Galliumindiumphosphid
oder aus Indiumphosphid, Indiumgalliumarsenid,
Aluminiumindiumphosphid und Indiumgallium
arsenidphosphid.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
bezüglich des Flachdonator-Dotierstoffes von wenigstens
einem der Elemente Silicium, Schwefel, Zinn, Selen und
Tellur ausgegangen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
Silicium für den Dotierstoff verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Quelle für den in die dotierte Zone eingebauten
atomaren Wasserstoff ein Wasserstoffplasma verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
der atomare Wasserstoff in die dotierte Zone auf elektrochemischem
Wege eingebaut wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch eine Erniedrigung des spezifischen
Widerstandes in wenigstens einem Teil des mit atomarem
Wasserstoff behandelten Teils der dotierten Zone durch
wenigstens eine Sekunde langes Erwärmen auf eine Temperatur
von mehr als 275°C.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Sekunde lang bis eine Stunde lang auf 385 bis 800°C
erwärmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch einen Laser-
oder Elektronenstrahl erfolgt.
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