DE3686047T2

DE3686047T2 - Monolithische halbleiterstruktur bestehend aus einem laser und einem feldeffekttransistor und deren herstellungsverfahren.

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Publication number: DE3686047T2
Application number: DE8686402973T
Authority: DE
Inventors: Francois Alexandre; Francois Brillouet; Krishna Rao
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-01-06
Filing date: 1986-12-31
Publication date: 1993-01-07
Anticipated expiration: 2007-01-01
Also published as: JPS62160785A; FR2592739B1; EP0232662B1; US4766472A; EP0232662A1; DE3686047D1; FR2592739A1

Description

Die vorliegende Erfindung hat eine planare monolithische Halbleiterstruktur aus einem Laser und einem Feldeffekttransistor zum Gegenstand, wobei dieser Transistor Bestandteil der Steuer- oder Modulationsschaltung des Lasers ist. Sie hat ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung dieser Struktur zum Gegenstand.
Die erfindungsgemäße Laserquelle und ihre integrierte Steuerschaltung ist hauptsächlich im Bereich der Telemetrie, der integrierten Optik und der Telekommunikation durch Lichtleiter anwendbar.
Der Erfindung betrifft insbesondere eine planare integrierte Laser-Feldeffekttransistor-Struktur, die auf einem Substrat aus III-V-Halbleitermaterial hergestellt wird.
In den meisten bekannten Lösungen zur Integration einer Laserquelle und eines Feldeffekttransistors werden die Halbleiterschicht, die den leitfähigen Kanal des Transistors darstellt, und die Halbleiterschicht, in der die elektrischen Anschlüsse des Transistors ausgebildet sind, zusätzlich zum Wachstum der Halbleiterschichten des Lasers durch Epitaxie oder Implantation hergestellt.
Als bekannte Integrationslösungen seien die im Artikel von I. URY und K. Y. LAU in Appl. Phys. Lett. 41 (2), vom 15. Juli 1982, S. 126-128 mit dem Titel "Very high frequency GaAlAs laser field-effect transistor monolithic integrated circuit" beschriebene und die im Artiken von T. SANADA et al. in Appl. Phys. Lett. 46 (3) von Februar 1985, S. 226-228 mit dem Titel "Monolithic Integration of a low threshold current quantum well laser and a driver circuit on a GaAs substrate" beschriebene zitiert. In diesen beiden Integrationslösungen werden der Laser und der Transistor auf demselben Halbleitersubstrat aus GaAs nebeneinander angeordnet. Im übrigen ist die Ebene des pn-Überganges des Lasers diejenige der auf das Substrat epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschichten. Der Laser wird Laser mit vertikaler Elektroneninjektion genannt.
Zur Zeit ist die Technik, die eine Laserstruktur mit vertikaler Elektroneninjektion verwendet, die einzige, die die Herstellung eines Lasers mit Heteroübergang erlaubt. Die Vorteile einer derartigen Laserstruktur sind insbesondere ein geringer Schwellenstrom und daher eine geringe Wärmedissipation, sowie hoher differentieller Wirkungsgrad und daher die Erforderlichkeit nur eines geringen Modulationsstromes. Darüber hinaus weisen die entsprechenden Laser-Feldeffekttransistor- Strukturen geringe Wärmeempfindlichkeit auf; sie können bei hohen Temperaturen arbeiten.
Die Leistungsfähigkeit dieser integrierten Laser-Feldeffekttransistor-Strukturen ist also der der diskreten Bauelemente nahe. Zur Herstellung eines Transistors mit kurzem Gate (mit einer Breite von höchstens 1 um), also eines Transistors mit hoher Transkonduktanz, ist es erforderlich, den Laser am Boden eines Loches auszubilden, wenn der genannte Laser neben dem Transistor angeordnet ist. Hierüber sei auf den oben erwähnten Artikel von T. SANADA et al. verwiesen.
Leider ist diese Technik relativ schwierig und verursacht insbesondere Probleme im Photolithographieverfahren bei der Herstellung der Harzmaske, die dazu dient, die Abmessungen des Gates des Transistors festzulegen. Diese Technik ist nur schwer reproduzierbar. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Herstellung des Transistors müssen die Halbleiterschichten dieser Komponente nach der Epitaxie der Halbleiterschichten des Lasers hergestellt werden, bei zusätzlichen Epitaxien oder Ionenimplantationen.
Die Ausbildung des pn-Überganges eines Lasers durch Diffusion von Dotierungsatomen in die aufgewachsenen Schichten der Laserstruktur wird insbesondere in einem Artikel von J. K. CARNEY et al. im GaAs IC Symposium von 1982. Seiten 38 bis 41, mit dem Titel "Monolithic optoelectronic/electronic circuits" beschrieben.
Eine andere Halbleiterstruktur mit einem auf demselben III-V-Substrat integrierten Laser und Feldeffekttransistor wird in der Schrift von T. FUKUZAWA et al.: "Monolithic integration of GaAIAs injection laser with a schottky-gate field effect transistor". Applied Physics Letters, Band 36, n. 3, 1. Februar 1980, Seiten 181-183, American Institute of Physics, New York, USA, beschrieben.
Ebenfalls bekannt sind getrennte Laser-Strukturen auf GaAs, in denen die Ebene der Elektroneninjektion auf den aufgewachsenen Halbleiterschichten senkrecht steht, bei denen der pn-Übergang des Lasers durch Diffusion von Dotierungsmaterial in diese Halbleiterschichten erzeugt wird. Eine derartige Struktur, die als mit transversaler Injektion bezeichnet wird (abgekürzt TJS), ist insbesondere im Artikel von H. KUMABE et al. im Jap. Jour. of Appl. Phys. Band 18 (1979), Ergänzungsband 18-1, Seiten 371-375, mit dem Title "High temperature single mode CW operation with a TJS laser using a semi- insulating GaAs substrate" beschrieben worden.
Leider hat diese Laserstruktur den Nachteil eines Kontaktes auf der p-Zone des Lasers, isoliert auf einer Mesa. Im übrigen ist diese Struktur eine Struktur mit Homoübergang, d.h. mit einem erheblich höheren Schwellenstrom, als dem von Laserstrukturen mit Heteroübergang, und mit einem geringeren differentiellen Wirkungsgrad, als Strukturen mit Heteroübergang (25% statt 35% pro Seite). Außerdem weist diese Struktur mit transversaler Injektion eine kritische Betriebstemperatur auf, jenseits der der Schwellenstrom sehr schnell anwächst; dies beruht auf paralleler Leitung der Einschlußschichten des Lasers, die neben dessen aktiver Schicht liegen.
Zum Ausgleich sind die Modulationsfrequenzen dieses Lasers und der durchgelassene Frequenzbereich angesichts der geringen Störkapazitäten und der geringen Berührungswiderstände auf der p-Zone, die über eine große Oberfläche verteilt sind, sehr hoch.
Die Erfindung hat eine monolithische Halbleiterstruktur eines Lasers und eines Feldeffekttransistors zum Gegenstand, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, die es erlauben, den verschiedenen oben genannten Nachteilen abzuhelfen. Insbesondere ermöglicht sie eine wirkliche Integration des Lasers und des Feldeffekttransistors in einer vollkommen ebenen Struktur und aufgrund einer einzigen Epitaxie des halbleitenden Substrats.
Insbesondere hat die Erfindung eine monolithische Halbleiterstruktur zum Gegenstand, wie sie im Patentanspruch 1 definiert wird, in einem monokristallinen halbleitenden Substrat ausgebildet, bestehend aus einer ersten, einer zweiten und einer dritten in dieser Reihenfolge auf einem monokristallinen halbleitenden Substrat übereinander angeordneten Halbleiterschicht, wobei die erste und die dritte Schicht nicht dotiert sind und die zweite Schicht ein verbotenes Band aufweist, das niedriger ist, als die verbotenen Bänder der ersten und der dritten Schicht und die die aktive Schicht des Lasers und den leitfähigen Kanal des Transistors darstellt.
In der weiteren Beschreibung wird die zweite Halbleiterschicht auch als aktive Schicht bezeichnet.
Die erfindungsgemäße Struktur ist viel einfacher, als die des Standes der Technik.
Vorteilhafterweise enthält der Laser zwei Metallelektroden, die in einer Ebene parallel zu den Halbleiterschichten angeordnet sind, wobei die Source und der Drain des Transistors mit in dieser Ebene angeordneten ohmschen Kontakten versehen sind.
Um den Berührungswiderstand zwischen den Halbleiterschichten und den Elektroden einerseits und den ohmschen Kontakten andererseits möglichst klein zu halten, enthält die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur vorteilhafterweise über der dritten Halbleiterschicht eine vierte Halbleiterschicht, die ein verbotenes Band aufweist, das niedriger ist, als das der ersten und dritten Schicht.
Die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur wird in einem monokristallinen Substrat aus III-V-Material ausgebildet, bei dem es sich um InP, GaAs, GaSb, InAs oder InSb handeln kann.
Im Fall eines Substrates aus GaAs werden die erste, die zweite und die dritte Halbleiterschicht aus nicht dotiertem Ga1-xAlxAs, aus n-dotiertem Ga1-yAlyAs bzw. aus nicht dotiertem Ga1-zAlzAs hergestellt, wobei 0< x≤1, 0≤y< 1 und 0< z≤1 und x und z größer als y sind. Außerdem besteht die vierte Halbleiterschicht aus undotiertem GaAs.
Mit einer derartigen Struktur erhält man eine Laserquelle, die insbesondere mit einer Wellenlänge von 0,85 um abstrahlt. Diese Struktur kann dann im Bereich der Telekommunikationstechnik auf kurze Entfernungen verwendet werden.
Unter undotierter Schicht oder undotiertem Material sind Schichten oder Materialien zu verstehen, die nicht absichtlich dotiert worden sind. Die Restverunreinigungen dieser Schichten oder Materialien in der Größenordnung von 10¹&sup5; bis 10¹&sup6; Atomen/cm³ sind vom n- oder p-leitenden Typ. Sie stammen aus den Epitaxieverfahren zur Herstellung der Schichten und aus den Ausgangsprodukten, die nicht hundertprozentig rein sind.
Im Fall eines Substrates aus InP können die erste, die zweite, die dritte und die vierte Halbleiterschicht aus undotiertem InP, aus n-dotiertem IntGa1-tAst'P1-t' mit 0≤t< 1 und 0< t'< 1, aus undotiertem InP bzw. aus undotiertem InP oder InsGa1-sAs mit 0< s< 1 bestehen. Mit einer derartigen Struktur erhält man eine Laserquelle, die je nach den Werten von t und t' eine Wellenlänge von 1,3 oder 1,55 um aussendet. Diese Struktur kann in der Telekommunikationstechnik für Übertragungen über weite Strecken verwendet werden.
Gemäß einer vorgezogenen Ausführungsform der Erfindung besteht die Struktur auf einem Substrat aus GaAs aus:
- einer ersten Halbleiterschicht aus nicht dotiertem Ga1-xAlxAs mit 0,2 ≤ x ≤ 0,7, beschichtet mit einer zweiten Halbleiterschicht aus n-dotiertem Ga1-yAlyAs mit 0 ≤ y ≤ 0,15, die die aktive Schicht des Lasers und den Kanal des Transistors bildet,
- einer dritten Halbleiterschicht aus nicht dotiertem Ga1-zAlzAs mit 0,2 ≤ z ≤ 0,7, die die zweite Schicht bedeckt,
- einer vierten Halbleiterschicht aus nicht dotiertem GaAs, die die dritte Schicht bedeckt,
- einer ersten p-dotierten Zone, einer zweiten und einer dritten n-dotierten Zone, die in der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Schicht ausgebildet und senkrecht zu diesen Schichten angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Zone zwischen sich das aktive Gebiet des Lasers und die zweite und die dritte Zone, die den Drain bzw. die Source des Transistors bilden, zwischen sich den Kanal des Transistors einschließen,
- einer Elektrode aus AuZn, die die p-Zone bedeckt,
- einem ohmschen Kontakt aus AuGeNi, der jede der n- dotierten Zonen bedeckt, und
- einem Gate aus TiPtAu, das sich auf dem Kanal des Transistors befindet.
Diese Struktur unterscheidet sich insbesondere von den bekannten Strukturen dadurch, daß die erste, dritte und vierte Schicht nicht dotiert sind. In diesem Fall sind die Verhältnisse R&sub3;/R&sub2; und R&sub1;/R&sub2;, wobei R&sub1;, R&sub2; und R&sub3; die Widerstände der ersten, dritten bzw. vierten Schicht sind, um mindestens den Faktor 10 größer, als die der Schichten des Standes der Technik (o.g. Artikel von KUMABE). Dies ermöglicht einen Betrieb bei höherer Temperatur. Darüber hinaus sind die Störkapazitäten dieser Struktur geringer, als die der vorbekannten Strukturen, was einen Betrieb in einem höheren durchgelassenen Frequenzbereich erlaubt.
Um zu erreichen, daß die durch die Laserquelle ausgesandte Lichtintensität hoch und der Schwellenstrom dieser Quelle niedrig ist, wird die aktive Halbleiterschicht der integrierten Struktur vorzugsweise in Form eines aus zwei Folgen einander abwechselnder dünner Halbleiterschichten unterschiedlicher Zusammensetzung, d.h. mit unterschiedlichen Werten für y, bestehenden "Übergitters" ausgebildet. Diese im oben angegebenen Artikel von Sanada beschriebene und in der angelsächsischen Terminologie "multi-quantum well" (MQW) genannte Technik ermöglicht außerdem infolge eine höheren differentiellen Wirkungsgrades die Verwendung geringerer Ströme zur Modulation des Lasers. Darüber hinaus ermöglicht sie die Erzeugung eines schneller arbeitenden Feldeffekttransistors, als eines herkömmlichen Transistors, im Gegensatz zum Quantentransistor.
Außerdem weist die entsprechende integrierte Struktur eine noch geringer Wärmeempfindlichkeit (To) auf.
In einer anderen Variante ist die aktive Halbleiterschicht der Struktur eine Schicht, deren Zusammensetzung y sich progressiv über die Dicke der Schicht ändert. Diese Technik (die ebenfalls im Artikel von SANADA beschrieben wird) ist in der angelsächsischen Terminologie unter der Bezeichnung GRINSCH (graded index separate confinement heterostructure) allgemein bekannt.
Damit der Lichteinschluß maximal wird, weist die aktive Halbleiterschicht eine relativ geringe Dicke auf. Wenn diese Schicht eine herkömmliche Struktur hat (konstantes y), liegt die Dicke zwischen 50 nm und 500 nm. Bei einer Quantenschicht (veränderliches y) liegt die Dicke zwischen 10 nm und 50 nm.
Zur Verringerung der Schwellenspannung des Feldeffekttransistors wird dessen Gate vorteilhafterweise in einer geringeren Höhe angeordnet, als die ohmschen Kontakte der Source und des Drain.
Die Erfindung hat ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Halbleiterstruktur eines Lasers und eines Feldeffekttransistors zum Gegenstand, wie sie oben beschrieben wurde.
Erfindungsgemäß ist dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht,
- eine erste, eine zweite und eine dritte Halbleiterschicht in dieser Reihenfolge auf das Substrat epitaktisch aufzutragen, wobei die erste und die dritte Schicht nicht dotiert sind und die zweite Schicht ein verbotenes Band aufweist, das niedriger ist, als die verbotenen Bänder der ersten und der dritten Schicht und die die aktive Schicht des Lasers und den leitfähigen Kanal des Transistors darstellt,
- Ionen in die Halbleiterschichten einzuführen, um eine erste Zone einer ersten Leitungsart, eine zweite und eine dritte Zone einer zweiten Leitungsart senkrecht zu den Ebenen der Halbleiterschichten verlaufend auszubilden, wobei die erste und die zweite Zone zwischen sich das aktive Gebiet des Lasers einschließen, die zweite und die dritte Zone den Drain bzw. die Source des Transistors bilden und zwischen sich den Kanal des Transistors einschließen, und
- die Elektroden des Lasers, die ohmschen Kontakte der Source und des Drain des Transistors, sowie das Gate des Transistors auszubilden.
Dieses Verfahren ist leicht durchzuführen und alle Schritte dieses Verfahrens sind unkritisch; est ist reproduzierbar.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden sich besser aus der folgenden Beschreibung ergeben, die erläuternd und nicht einschränkend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt.
Es zeigen:
- Fig. 1 bis 11 die verschiedenen Herstellungsschritte einer erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur, wobei die Fig. 1 bis 10 Längsschnittansichten sind und die Fig. 11 eine perspektivische Ansicht.
- Fig. 12 eine Variante der Ausführung des Feldeffekttransistors der erfindungsgemäßen Struktur.
- Fig. 13 eine Kurve, die die Veränderungen der Zusammensetzung y der aktiven Schicht der erfindungsgemäßen Struktur in Abhängigkeit von der Tiefe p dieser Schicht gemäß einer ersten Variante angibt, und
- Fig. 14 eine Kurve, die die Veränderung der Zusammensetzung y der aktiven Schicht der erfindungsgemäßen Struktur in Abhängigkeit von der Tiefe dieser Schicht gemäß einer zweiten Variante angibt.
Die hierunter folgende Beschreibung bezieht sich auf eine erfindungsgemäße planare Struktur in AlGaAs/GaAs, da diese Art Material am häufigsten verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch auf andere III-V-Strukturen anwendbar und zwar insbesonder auf Strukturen in InGaAsP/InP oder GaAsP/GaAs.
Die erfindungsgemäße monolithische Struktur wird, wie in Fig. 1 bis 11 dargestellt, auf einem durch Spaltung erzeugten Substrat 2 aus monokristallinem und halbleitendem GaAs mit einer Breite L (Fig. 11) von beispielsweise 300 um, einer Länge von 1000 um und einer Dicke von 300 um ausgebildet. Dieses Substrat 2 hat beispielsweise eine Kristallorientierung (001) entlang seiner Dicke und eine Orientierung (110) entlang seiner Breite.
Auf dem Substrat 2 werden durch Epitaxie, wie in Fig. 1 dargestellt, vier Halbleiterschichten, eine auf der anderen, ausgebildet, die, vom Substrat beginnend, die Bezugsnummern 4, 6, 8 und 10 tragen. Die Schicht 4 wird aus nicht absichtlich dotiertem Ga1-xAlxAs mit 0 < x ≤ 1 und beispielsweise 0,2 ≤ x ≤ 0,7 hergestellt. Diese Halbleiterschicht 4 weist eine Dicke von ungefähr 0,5 um auf.
Die zweite Halbleiterschicht 6, die die aktive Schicht des Lasers und den Kanal des Feldeffekttransistors bildet, wird aus n-dotiertem Ga1-yAlyAs mit 0 ≤ y < 1 hergestellt. Insbesondere gilt für y: 0 ≤ y ≤ 0,15. Die n-Dotierung dieser Halbleiterschicht 6 kann mit Silizium oder Zinn in einer Konzentration von einigen 10¹&sup7; Atomen/cm³ erfolgen. Diese Schicht 6 weist eine Dicke von ungefähr 0,15 um auf.
Die dritte Halbleiterschicht 8 wird aus nicht absichtlich dotiertem Ga1-zAlzAs mit 0 < z ≤ 1 hergestellt. Insbesondere gilt für z: 0,2 ≤ z ≤ 0,7. Diese Halbleiterschicht muß eine möglichst geringe Dicke aufweisen, um die nacheinander erfolgenden Ionenimplantation oder -diffusionen in der aktiven Schicht 6 zu ermöglichen. Eine Dicke von ungefähr 0,5 um ist gut geeignet.
Die vierte Halbleiterschicht wird aus nicht absichtlich dotiertem GaAs hergestellt. Sie weist eine Dicke von ungefähr 0,1 um auf.
Diese vier Halbleiterschichten 4, 6, 8, 10 werden vorteilhafterweise durch chemische Epitaxie aus der Gasphase mittels metallorganischer Verbindungen, bekannt unter der Abkürzung MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) oder durch Molekularstrahlepitaxie, bekannt unter der Abkürzung MBE (Molecular Beam Epitaxy), hergestellt.
Da die Schichten 6 und 10 einen geringeren Aluminiumgehalt haben, als die Schichten 4 und 8, weisen sie ein niedrigeres verbotenes Band auf, als die Schichten 4 und 8; sie stellen die aktive Schicht der integrierten Halbleiterstruktur bzw. die Schicht für den elektrischen Kontakt des Lasers und des Feldeffekttransistors dar. Die Halbleiterschichten 4 und 8 stellen die Schichten zum Einschluß der Elektronen und also des in der aktiven Schicht des Lasers erzeugten Lichtes dar.
Eine typische Zusammensetzung der vier auf dem isolierenden Substrat epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschichten ist:
- Schicht 4 aus Al0,6Ga0,4As,
- Schicht 6 aus Al0,08Ga0,92As, mit Silizium in einer Konzentration von 5-10¹&sup7; Atomen/cm³ dotiert,
- Schicht 8 aus Al0,6Ga0,4As, und
- Schicht 10 aus GaAs.
Nach dem Auftragen der vier Halbleiterschichten werden der pn-Übergang des Lasers, die Source und der Drain des Feldeffekttransistors durch Ionenimplantation oder -diffusion in den vier Halbleiterschichten ausgebildet. Zur Ausbildung des pn-Überganges des Lasers werden zweierlei Ionen unterschiedlicher Leitungsart, n und p, verwendet und zur Ausbildung der Source und des Drain des Transistors entweder n- leitende Ionen oder p-leitende Ionen.
Zu diesem Zweck wird zunächst nach den herkömmlichen Verfahren der Photolithographie eine Harzmaske 12 mit zwei Öffnungen 14 und 16 hergestellt, wie in Fig. 2 dargestellt. Diese Öffnungen definieren die Abmessungen des aktiven Gebietes oder Kanals des Feldeffekttransistors bzw. die Abmessungen des aktiven Gebietes des Lasers. Das verwendete Harz ist beispielweise ein positives Harz auf Phenol- Formaldehyd-Basis, das von Shippley unter der Nummer AZ 1350 H vertrieben wird. Die Öffnungen 14 und 16 in diesem Harz haben eine Breite zwischen 3 und 5 um und eine Länge, die der Breite L des Substrates 2 gleich ist.
Mit Hilfe der Harzmaske 12 erfolgt eine Ätzung der Halbleiterschicht 10, die darin besteht, nicht mit Harz bedeckte Bereiche dieser Schicht zu entfernen. Diese Ätzung kann durch eine selektive, d.h. nur die Schicht 10 angreifende chemische Behandlung erfolgen. Als Ätzmittel kann eine Mischung aus NH&sub4;OH, H&sub2;O&sub2; und H&sub2;O im Volumenverhältnis 1:7:16 verwendet werden. Anschließend wird die Harzmaske 12 durch chemische Lösung beispielsweise mit Aceton entfernt.
Der nächste Schritt des Verfahrens besteht, wie in Fig. 3 dargestellt, darin, eine Isolatorschicht 18 auf die ganze Struktur aufzubringen. Diese Isolatorschicht 18, die eine Dicke von ungefähr 200 nm aufweist, kann aus Siliziumdioxid (SiO&sub2;) oder aus Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) hergestellt werden. Diese Isolatorschicht 18 kann durch ein Verfahren zur chemischen Ablagerung aus der Gasphase (CVD) aufgebracht werden. Die Ablagerungstemperatur für eine Schicht aus Si&sub3;N&sub4; liegt in der Größenordnung von 400ºC und für eine Schicht aus SiO&sub2; in der Größenordnung von 400ºC.
Danach wird auf der Isolatorschicht 18 eine Harzmaske 20, beispielsweise eine Maske aus positivem Harz derselben Zusammensetzung, wie die oben genannte Maske 12, hergestellt. Diese Maske 20 weist Öffnungen 22 und 24 auf, deren Abmessungen die der Source und des Drain des auszubildenden Feldeffekttransistors sind. Die Breite dieser Öffnungen liegt in der Größenordnung von 200 um.
Durch diese Harzmaske 20 erfolgt anschließend, wie in Fig. 4 dargestellt, eine Ätzung der Isolatorschicht 18, die darin besteht, die nicht mit Harz 20 bedeckten Bereiche dieser Schicht zu entfernen. Im Fall einer Schicht 18 aus Si&sub3;N&sub4; kann diese Ätzung durch ein Ionenreaktionsverfahren unter Verwendung eines Plasma aus CF&sub4; mit 8% O&sub2; erfolgen.
Danach erfolgt eine Ionenimplantation oder -diffusion in den vier Halbleiterschichten 4, 6, 8 und 10 und senkrecht zu diesen Schichten, um die Source 26 und den Drain 28 des Transistors auszubilden, wobei die geätzte Isolatorschicht 18 für diese Ionenimplantation oder -diffusion als Maske dient. Die eindiffundierten oder implantierten Bereiche 26 und 28 begrenzen zwischen sich das aktive Gebiet 27 des Kanals des Transistors, wobei dieses Gebiet 27 in der aktiven Schicht 6 der Struktur liegt. Die Breite dieses aktiven Gebietes ist der Breite L des Substrates gleich.
Die Ausbildung einer n-leitenden Source und eines n-leitenden Drain erfolgt mittels einer Implantation oder Diffusion von Schwefel oder Zinn. Im Spezialfall des Eindiffundierens von Schwefel kann diese in einem halb geschlossenen Tiegel bei Atmosphärendruck und 850ºC während 4 Stunden unter einer Spülung mit Gas erfolgen, das aus 15% H&sub2; und 85% Ar besteht. Diese Diffusionstechnik erlaubt es, n-Schichten von ungefähr 0,9 um mit 5.10¹&sup7; bis 2.10¹&sup8; Schwefelatomen/cm³ zu erzeugen.
Wenn die Source und der Drain des Transistors durch Ionenimplantation ausgebildet werden, kann diese ohne Verwendung einer als Implantationsmaske geätzten Isolationsschicht 18 erfolgen, und zwar unter Verwendung des Harzes 20 als Implantationsmaske. Die Tiefe der Implantation der Ionen steht mit der Energie des Ionenstrahls in Zusammenhang.
Nach Ausbildung der Source 26 und des Drain 28 des Feldeffekttransistors unter Verwendung der geätzten Isolatorschicht 18 als Maske wird diese Isolatorschicht, im Fall einer Schicht aus Si&sub3;N&sub4; mittels eines reaktiven Plasma aus CF&sub4; mit 8% O&sub2;, entfernt.
Auf der erhaltenen Struktur wird dann, wie in Fig. 5 dargestellt, eine weitere Isolatorschicht von 30 bis 200 nm aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid abgelagert. Die Ablagerung erfolgt unter denselben Bedingungen, wie die der Schicht 18.
Auf dieser Isolatorschicht 30 wird aus insbesondere positivem Harz 32 mit den herkömmlichen Verfahren der Photolithographie eine Maske mit einer Öffnung 34 ausgebildet. Diese Öffnung 34 mit einer Breite von ungefähr 200 um erlaubt es, die Abmessungen der p-Zone des pn-Überganges des Lasers festzulegen, wobei die n-Zone 28 den anderen Teil des genannten pn-Überganges darstellt.
Dann werden die nicht mit Harz 32 bedeckten Bereiche der Isolationsschicht 30 unter denselben Bedingungen, wie oben, im Fall einer Schicht 30 aus Si&sub3;N&sub4; durch Plasmaätzung mit CF&sub4; und 8% O&sub2; entfernt. Danach wird die Harzmaske 32 auf chemischem Wege entfernt.
Wie in Fig. 6 dargestellt, erfolgt anschließend das Eindiffundieren oder die Implantation von p-leitenden Ionen in die vier Halbleiterschichten 4, 6, 8, 10, um die p-Zone 36 des Lasers auszubilden. Die eindiffundierte oder implantierte n-Zone 28 und p-Zone 36 begrenzen zwischen sich das aktive Gebiet 37 des Lasers, wobei sich dieses Gebiet 37 in der aktiven Schicht 6 der Struktur befindet. Die Länge des aktiven Gebietes des Lasers ist der Breite L des Substrates gleich.
Die verwendeten Ionen können Zink- oder Berylliumionen sein. Im Fall der Verwendung von Zink kann dieses bei Atmosphärendruck in einem halb geschlossenen Tiegel bei einer Temperatur in der Größenordnung von 650ºC während 2 Stunden eindiffundiert werden. Diese Diffusionstechnik erlaubt die Herstellung einer p-Zone 36 von ungefähr 0,9 um mit 5.10¹&sup7; bis 10¹&sup9; Atomen/cm³.
Wenn diese p-Zone durch Ionenimplantation ausgebildet wird, kann diese unter Verwendung der Harzmaske 32 als Implantationsmaske erfolgen.
Um zu vermeiden, daß sich die Diffusion der Zink- oder Berylliumionen während der Ausbildung der n-Zonen durch Diffusion fortsetzt, erfolgt die p-Diffusion vorzugsweise an zweiter Stelle; die p-Diffusion erfolgt nämlich bei einer erheblich geringeren Temperatur als der, die für die n-Diffusion erforderlich ist.
Wie oben gesagt, ist es möglich, statt eines n-Kanal-Feldeffekttransistors einen p-Kanal-Feldeffekttransistor zu verwenden. In diesem Fall wären die Zonen 26 und 28 p- leitend und die Zone 36 n-leitend.
Nach Ausbildung der p-Zone 36 unter Verwendung der Isolatorschicht 30 als Diffusionsmaske wird diese Schicht 30, beispielsweise mit einem reaktiven Plasma aus CF&sub4; und 8% O&sub2; im Fall einer Schicht aus Si&sub3;N&sub4;, entfernt.
Die folgenden Schritte bestehen darin, die Elektrode des Lasers und die ohmschen Kontakte der Source und des Drain des Feldeffekttransistors herzustellen.
Wie in Fig. 7 dargestellt, werden zunächst die ohmschen Kontakte der Source 26 und des Drain 28 des Transistors hergestellt, indem auf der Struktur eine Harzmaske 38 mit Öffnungen 40, 42, die die Abmessungen der ohmschen Kontakte der Source bzw. des Drain festlegen, aufgetragen wird. Diese Fenster 40 und 42 liegen den n-Zonen genau gegenüber und haben dieselben Abmessungen, wie diese Zonen.
Anschließend wird auf die Harzschicht 38 eine Metallablagerung 44 von ungefähr 50 nm aufgebracht. Diese Metallablagerung 44 besteht beispielsweise aus mindestens zwei übereinanderliegenden Metallschichten, die in der Lage sind, durch Legierung eine einzige Metallschicht zu bilden. Insbesondere kann diese Schicht aus einer Nichelschicht, einer Germaniumschicht und einer Goldschicht bestehen, um ohmsche Kontakte aus AuGeNi zu erzeugen.
Danach wird die Harzschicht 38 beispielsweise in Aceton gelöst, wobei mit ihr die Teile der Metallablagerung 44 entfernt werden, die sich auf ihr befinden. Diese Technik selektiven Auftragens ist in der angelsächsischen Terminologie unter dem Namen "lift-off" bekannt. Die erzeugte Struktur ist in Fig. 8 dargestellt. Die ohmschen Kontakte der Source 26 und des Drain 28 des Transistors haben die Bezugsnummern 46 und 48.
Mit derselben "lift-off"-Technik wird auf der p-Zone 36 des Lasers eine Elektrode 50 mit beispielsweise einer Dicke von 50 nm ausgebildet. Diese Elektrode 50 wird insbesondere aus AuZn hergestellt, wobei dieses Material durch Legierung einer Goldschicht und einer darüberliegenden Zinkschicht erzeugt wird.
Es ist anzumerken, daß diese Metallablagerung 50 vor der Herstellung der Metallablagerung 44 aufgetragen werden könnte. Im übrigen stellt der ohmsche Kontakt 48 des Drains des Transistors auch die Elektrode der n-Zone des pn-Überganges des Lasers dar.
Nach Herstellung der Metallablagerungen des Lasers und des Transistors wird während ungefähr 30 min erneut bei einer Temperatur von 560ºC erhitzt, um die leitenden Schichten durch Legierung in ohmsche Kontakte umzusetzen.
Die Tatsache, daß der Laser und der Feldeffekttransistor durch Ionenimplantation oder -diffusion in denselben auf demselben Substrat epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschichten ausgebildet wird, und insbesondere, daß der Kanal des Transistors und die aktive Schicht des Lasers in derselben Halbleiterschicht 4 ausgebildet werden und die ohmschen Kontakte der Source und des Drain des Transistors und des Lasers in derselben Halbleiterschicht 10, erlaubt die Herstellung einer planaren Struktur. Die Elektrode 50 des Lasers und die ohmschen Kontakte 46, 48 der Source und des Drain des Transistors sind tatsächlich koplanar. Diese planare Struktur wird es ermöglichen, für den Feldeffekttransistor ohne jegliche Schwierigkeit ein kurzes Gate beispielsweise in der Größenordnung von 1um herzustellen.
Die folgenden Schritte des Verfahrens beziehen sich auf die Herstellung eines begrabenen kurzen Gates. Die Verwendung eines begrabenen Gates erlaubt, wenn die Dicke der Halbleiterschicht 8 sie ermöglicht, die Schwellenspannung des Transistors zu verringern.
Nach dem erneuten Erhitzen bei 560ºC wird, wir in Fig. 9 dargestellt, auf der Struktur eine Harzmaske 52 insbesondere aus positivem Harz mit einer über und gegenüber dem aktiven Gebiet 37 des Feldeffekttransistors angeordneten Öffnung 54 hergestellt. Die Breite dieser Öffnung ist geringfügig kleiner, als die des aktiven Gebietes.
Durch diese Maske 52, die mit den herkömmlichen Verfahren der Photolithographie hergestellt wurde, erfolgt eine Ätzung des nicht mit Harz bedeckten Bereiches der Halbleiterschicht 8 über eine Tiefe von ungefähr 0,4 um. Diese Ätzung kann durch selektive chemische Behandlung unter Verwendung beispielsweise einer Lösing von H&sub3;PO&sub4;-H&sub2;O&sub2;-H&sub2;O) (6:3:100) erfolgen.
Nach Ätzung der Schicht 8 und anschließender Entfernung der Harzschicht 52 erfolgt das Auftragen des Gates des Transistors beispielsweise in "lift-off"-Technik. Zu diesem Zweck bringt man, wie in Fig. 10 dargestellt, auf die ganze Struktur eine Harzschicht 56, insbesondere eines positiven Harzes, auf und bildet mit den herkömmlichen Verfahren der Photolithographie eine Öffnung 58 von ungefähr 1 um Breite aus. Diese Öffnung 58 definiert die Abmessungen des Gates des zu erzeugenden Transistors. Danach wird die Harzschicht 56 mit einer Metallablagerung 60, bestehend beispielsweise aus drei übereinanderliegenden Schichten aus Titan, Platin und Gold, bedeckt. Die Verwendung dreier übereinanderliegender Schichten ermöglicht die Schaffung eines guten Schottky- Kontaktes. Diese Metallablagerung 60 weist eine Dicke von ungefähr 200 nm auf. Dann wird die Harzmaske 56 mit Aceton entfernt. Die endgültige Struktur ist in Fig. 11 perspektivisch dargestellt.
In dieser Figur trägt der Laser mit dem pn-Übergang 36, 28 die Bezugsnummer 62. Um seine Funktionsweise, durch transversale Elektroneninjektion, zu symbolisieren, wurde im aktiven Gebiet 37 des Lasers ein Pfeil f dargestellt. In Fig. 11 trägt der Feldeffekttransistor mit der Source 26, dem Drain 28 und dem Gate 59 die allgemeine Bezugsnummer 64.
Eine bemerkenswerte Eigenschaft dieser monolithischen Struktur ist, daß die n-Zone 28 gleichzeitig als n-Zone des pn- Überganges des Lasers und als Drain des Feldeffekttransistors dient. Ebenso dient der ohmsche Kontakt 48 gleichzeitig als Elektrode des Lasers und als ohmscher Kontakt des Drain des Transistors.
Außerdem erstreckten sich die Elektroden 50 und 48 des Lasers von einer Seite der Struktur bis zur gegenüberliegenden Seite.
Die vorangehende Beschreibung bezog sich auf eine monolithische Struktur, in der das Gate 59 des Transistors begraben war. Es ist jedoch, wie in Fig. 13 dargestellt, möglich, das Gate des Transistors herzustellen, ohne vorher die Halbleiterschicht 8 zu ätzen.
Die vorangehend beschriebene erfindungsgemäße monolithische Struktur wies eine aktive Halbleiterschicht 6 aus n- dotiertem Ga1-yAlyAs auf, in der y über die ganze Dicke der Schicht einen konstanten Wert hatte. Die aktive Schicht 6 war herkömmlicher Art. Insbesondere hatte y, üblicherweise Zusammensetzung genannt, den Wert 0,08. Um jedoch den seitlichen Einschluß der Elektronen zu verbessern, insbesondere zwischen der p-Zone 36 und der n-Zone 28 des Lasers, und also die Lichtintensität des in der Schicht 6 ausgesandten Lichtes und damit den Schwellenstrom des Lasers zu erhöhen, ist es möglich, die Halbleiterschicht 6 als Quantenschicht herzustellen, d.h. aus einem Material, dessen Zusammensetzung y über die Dicke der Schicht veränderlich ist. Diese Veränderung von y als Funktion der Tiefe p der Schicht kann die Form einer Rechteckfunktion, wie in Fig. 13 dargestellt, oder die Form eines Trichters, wie in Fig. 14 dargestellt, annehmen.
Die Veränderungen der Zusammensetzung y der Halbleiterschicht 6, wie sie in Fig. 13 dargestellt ist, können durch abwechselndes Auftragen zweier Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung, beispielsweise y=0 und y=0,3, erzeugt werden, wobei diese beiden unterschiedlichen Schichten eine gleiche Dicke beispielsweise in der Größenordnung von 10 nm aufweisen. Die Schichten mit der Zusammensetzung y=0 sind vorzugsweise nicht dotiert und die Schichten mit der Zusammensetzung y=0,3 sind vorzugsweise n-dotiert.
Die Quantenhalbleiterschicht kann eine Gesamtdicke von 70 nm aufweisen. Diese Halbleiterschicht vom Typ eines Übergitters, die für die Elektronen eine Folge von Potentialwällen und Potentialmulden (multi-quantum well in angelsächsischer Terminologie) darstellt, erlaubt nicht nur, die Abstrahlungseigenschaften des Lasers zu verbessern, sondern auch die Funktionseigenschaften des Feldeffekttransistors. Insbesondere wird die Funktionsgeschwindigkeit erhöht; dies beruht auf der erhöhten Beweglichkeit der in einer zweidimensionalen Potentialmulde eingeschlossenen Ladungsträger.
Einer der Gründe für die Verbesserung der Abstrahlungseigenschaften des Lasers beruht auf der Bildung einer selektiven Regellosigkeit der Legierung in den p- und n-Zonen bei der Ionenimplantation oder -diffusion, die zur Ausbildung eines Heteroüberganges in der Ebene der Diffusions- oder Implantationsfront führt.
Die aktive Schicht 6 der erfindungsgemäßen Struktur, deren Zusammensetzung y sich progressiv als Funktion der Tiefe p dieser Schicht ändert, wie es in Fig. 14 dargestellt ist, ist unter der Abkürzung GRINSCH bekannt.
Die vorangehende Beschreibung wurde selbstverständlich nur als erläuterndes Beispiel angegeben, während Änderungen jeglicher Art in Erwägung gezogen werden können, ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können Dicke, Dotierung und Zusammensetzung der verschiedenen Halbleiterschichten der erfindungsgemäßen Laser-Feldeffekttransistor-Struktur geändert werden.

Claims

1. Monolithische Halbleiterstruktur aus einem Laser (62) und einem Feldeffekttransistor (64), eine Source (26), einen Drain (28) und ein Gate (59) enthaltend und in einem halbleitenden monokristallinen Substrat (2) ausgebildet, bestehend aus: einer ersten (4), einer zweiten (6) und einer dritten (8) in dieser Reihenfolge übereinander angeordneten Halbleiterschicht, wobei die erste und die dritte Schicht nicht dotiert sind und die zweite Schicht (6) ein verbotenes Band aufweist, das niedriger ist, als die verbotenen Bänder der ersten (4) und der dritten (8) Schicht und die die aktive Schicht des Lasers (62) und den leitfähigen Kanal (27) des Transistors (64) darstellt, einer ersten Zone (36) einer ersten Leitungsart, einer zweiten (28) und einer dritten (26) Zone einer zweiten Leitungsart, ausgebildet in der ersten (4), zweiten (6) und dritten (8) Halbleiterschicht und senkrecht zu diesen Schichten verlaufend, wobei die erste (36) und die zweite (28) Zone zwischen sich das aktive Gebiet (37) des Lasers einschließen, die zweite (28) und die dritte (26) Zone den Drain (28) bzw. die Source (26) des Transistors bilden und zwischen sich den Kanal (27) des genannten Transistors einschließen.

2. Halbleiterstruktur gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (62) Metallelektroden (48, 50) enthält, die in einer Ebene parallel zu den Halbleiterschichten (4, 6, 8) angeordnet sind, wobei die Source (26) und der Drain (28) des Transistors (64) mit in dieser Ebene angeordneten ohmschen Kontakten (46, 48) versehen sind.

3. Halbleiterstruktur gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Halbleiterschicht (8) teilweise mit einer vierten Halbleiterschicht (10) bedeckt ist, die als elektrische Kontaktschicht für den Laser (62) und für den Transistor (64) dient, wobei diese vierte Schicht (10) ein verbotenes Band aufweist, das niedriger ist, als das der ersten (4) und dritten Schicht (8).

4. Halbleiterstruktur gemäß irgendeinem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (4), die zweite (6) und die dritte Halbleiterschicht (8) aus nicht dotiertem Ga1-xAlxAs, aus dotiertem Ga1-yAlyAs bzw. aus nicht dotiertem Ga1-zAlzAs bestehen, wobei 0 < x ≤ 1, 0 ≤ y < 1 und 0 < z ≤ 1 und x und z größer als y sind.

5. Halbleiterstruktur gemäß Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß x und z aus dem Bereich zwischen 0,2 und 0,7 und y aus dem Bereich zwischen 0 und 0,15 gewählt werden.

6. Halbleiterstruktur gemäß Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Halbleiterschicht (10) aus nicht dotiertem GaAs besteht.

7. Halbleiterstruktur gemäß irgendeinem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) aus GaAs besteht.

8. Halbleiterstruktur gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einem Substrat (2) aus GaAs besteht aus:

- einer ersten Halbleiterschicht (4) aus nicht dotiertem Ga1-xAlxAs mit 0,2 ≤ x ≤ 0,7, beschichtet mit einer zweiten Halbleiterschicht (6) aus N-dotiertem Ga1-yAlyAs mit 0 ≤ y ≤ 0,15, die die aktive Schicht des Lasers (62) und den Kanal (27) des Transistors (64) bildet,

- einer dritten Halbleiterschicht (8) aus nicht dotiertem Ga1-zAlzAs mit 0 ,2≤ z ≤ 0,7, die die zweite Schicht (6) bedeckt,

- einer vierten Halbleiterschicht (10) aus nicht dotiertem GaAs, die die dritte Schicht (8) bedeckt,

- einer ersten p-dotierten Zone (36), einer zwieten (28) und einer dritten (26) n-dotierten Zone, die in der ersten (4), der zweiten (6), der dritten (8) und der vierten Schicht (10) ausgebildet und senkrecht zu diesen Schichten angeordnet sind, wobei die erste (36) und die zweite Zone (28) zwischen sich das aktive Gebiet des Lasers einschließen, die zweite (28) und die dritte Zone (26), die den Drain (28) bzw. die Source (26) des Transistors bilden, zwischen sich den Kanal (27) des Transistors einschließen,

- einer Elektrode (50) aus AuZn, die die p-Zone (36) bedeckt,

- einem ohmschen Kontakt (48, 46) aus AuGeNi, der jede der n-dotierten Zonen (28, 26) bedeckt, und

- einem Gate (59) aus TiPtAu, der sich auf dem Kanal (27) des Transistors befindet.

9. Halbleiterstruktur gemäß irgendeinem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht (6) ein aus zwei Folgen einander abwechselnder dünner Halbleiterschichten unterschiedlicher Zusammensetzung bestehendes "Übergitter" ist.

10. Halbleiterstruktur gemäß irgendeinem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht (6) eine Schicht ist, deren Zusammensetzung sich fortschreitend über die Dicke der Schicht verändert.

11. Halbleiterstruktur gemäß irgendeinem der Patentansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Gate (59) des Transistors auf einer geringeren Höhe befindet, als die ohmschen Kontakte (46, 48) der Source und des Drain des Transistors.

12. Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Halbleiterstruktur aus einem Laser (62) und einem Feldeffekttransistor (64) auf einem halbleitenden monokristallinen Substrat (2), bestehend aus folgenden Schritten:

- epitaktisches Aufwachsen einer ersten (4), einer zweiten (6) und einer dritten Halbleiterschicht (8) in dieser Reihenfolge auf das Substrat, wobei die erste und die dritte Schicht nicht dotiert sind und die zweite Schicht (6) ein verbotenes Band aufweist, das niedriger ist, als die verbotenen Bänder der ersten (4) und der dritten (8) Schicht und die die aktive Schicht des Lasers (62) und den Kanal (27) des Transistors (64) darstellt,

- Einführen von Ionen in die Halbleiterschichten (4, 6, 8), um dort eine erste Zone (36) einer ersten Leitungsart, eine zweite (28) und eine dritte (26) Zone einer zweiten Leitungsart senkrecht zu den Ebenen der Halbleiterschichten verlaufend auszubilden, wobei die erste (36) und die zweite (28) Zone zwischen sich das aktive Gebiet (37) des Lasers einschließen, die zweite (28) und die dritte (26) Zone den Drain bzw. die Source des Transistors bilden und zwischen sich den Kanal (27) des genannten Transistors einschließen, und

- Ausbilden der Elektroden (50) des Lasers, der ohmschen Kontakte (46, 48) der Source und des Drain des Transistors, sowie des Gate (59) des Transistors.

13. Herstellungsverfahren gemäß Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf die dritte Schicht (8) durch Epitaxie eine vierte Halbleiterschicht (10) aufgebracht wird, um die Kontakte der Elektroden des Lasers, der Source und des Drain des Transistors auszubilden, wobei diese vierte Schicht (10) ein verbotenes Band aufweist, das niedriger ist, als das der ersten (4) und das der dritten Halbleiterschicht (8).

14. Herstellungsverfahren gemäß Patentanspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gate (59) des Transistors nach partieller Gravur des zwischen der zweiten (28) und der dritten Zone (26) liegenden Bereichs der dritten Schicht (8) ausbildet.