DE3709134A1

DE3709134A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE3709134A1
Application number: DE19873709134
Authority: DE
Inventors: Toshiro Hayakawa; Takahiro Suyama; Masafumi Kondo; Kohsei Takahashi; Saburo Yamamoto
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-10-14
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1988-09-29
Also published as: JPH0473610B2; GB2202371B; GB2202371A; GB8706194D0; JPS6288318A

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Halbleiterbauelement, das durch Bildung einer qualitativ hochwertigen Epitaxieschicht auf einem Einkristallsubstrat mit Hilfe des MBE-Verfahrens (Mo lecular Beam Epitaxy-Verfahrens) erhalten wird.

In jüngster Zeit wurden erhebliche Fortschritte im Bereich der MBE-Wachstumstechnologie erzielt, so daß es möglich wurde, extrem dünne Epitaxischichten herzustellen, bei spielsweise monomolekulare Schichten mit einer Dicke von 1 nm oder weniger. Aufgrund dieser Fortschritte in der MBE- Wachstumstechnologie konnten Halbleiterbauelemente erzeugt werden, bei denen ein neuer Effekt ausgenutzt wird, der bei einer Elementstruktur mit einer sehr dünnen Schicht auf tritt, welche nur schwer mit dem konventionellen Flüssig phasen-Epitaxie-Wachstumsverfahren (LPE-Verfahren) herge stellt werden kann. Als typisches Beispiel sei ein GaAs/AlGaAs quantum well (QW)-Laser genannt. Bei diesem QW- Laser tritt das Phänomen auf, daß die Quantisierungsordnung durch die aktive Schicht bestimmt wird, deren Dicke auf un ter 10 nm im Vergleich zur Dicke eines konventionellen DH- Lasers bzw. Doppelheteroübergangs-Lasers eingestellt wird, die mehrere 10 nm stark ist. Gegenüber einem konventionel len DH-Laser weist ein QW-Laser einen niedrigeren Schwel lenstrom, eine gute Temperaturcharakteristik und eine aus gezeichnete Übertragungscharakteristik auf. Bezüglich der neuen Technologie sei auf folgende Literaturstellen verwie sen: (1) W. T. Tsang, Physics Letters, Band 39, Nr. 10, Seite 786 (1981); (2) N. K. Dutta, Journal of Applied Phy sics, Band 53, Nr. 11, Seite 7211 (1982); (3) H. Iwamura, T. Saku, T. Ishibashi, K. Otsuka, Y. Horikoshi, Electronics Letters, Band 19, Nr. 5, Seite 180 (1983).

Ein weiteres repräsentatives Halbleiterbauelement, das mit Hilfe des MBE-Verfahrens hergestellt wird, ist der Feldef fekttransistor (FET), bei dem die hohe Beweglichkeit des Sekundärelektronengases an der Grenzfläche zwischen GaAs und AlGaAs ausgenutzt wird (vgl. T. Mimura et al., Japn. J. Appl. Phys., Band 19, Seite L225 (1980)). Im Zusammenhang mit der Herstellung dieser Halbleiterbauelemente unter An wendung des MBE-Verfahrens ist es bekannt, daß die kristal linen Eigenschaften der aufgewachsenen Schichten die Bau elementeigenschaften in erheblicher Weise beeinflussen. Insbesondere bei einem Bauelement mit einer GaAs/AlGaAs- Verbindung ist es wichtig, die kristallinen Eigenschaften des AlGaAs zu verbessern, wobei die kristallinen Eigen schaften des Al enthaltenden AlGaAs stark von den Wachs tumsbedingungen abhängen (vgl. W. T. Tsang et al., Appl. Phys. Lett., Band 36, Seite 118 (1980)).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiter bauelement mit geringem Schwellenstrom und ausgezeichneter Temperaturcharakteristik sowie Übergangscharakteristik durch Verbesserung der kristallinen Eigenschaften der Epi taxieschicht zu schaffen, die mit Hilfe eines Molekular strahl-Epitaxieverfahrens (MBE-Verfahrens) hergestellt wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausge staltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent nehmen.

Ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung mit einem Ein kristallsubstrat und einer Epitaxieschicht, die mit Hilfe eines Molekularstrahl-Epitaxieverfahrens auf eine ebene Seite des Einkristallsubstrats aufgebracht wurde, zeichnet sich dadurch aus, daß die ebene Seite des Einkristallsub strats gegenüber der Ebene (111)B unter einem Winkel von 0,1 bis 1,0 Grad verläuft. Vorzugsweise besteht das Einkri stallsubstrat aus folgenden Verbindungen: GaAs, GaSb, InAs, InP, GaP oder InSb. Die Epitaxischicht besteht vorzugswei se aus einer III-IV-Halbleiterverbindung.

Um die kristallinen Eigenschaften der Epitaxieschicht ver bessern zu können, die mit Hilfe des MBE-Verfahrens herge stellt wird, wurden von den Erfindern zunächst verschiedene Epitaxieschichten aus Al_xGa_l-xAs mit x = 0,2 bis 0,8 auf unterschiedliche ebene Seiten verschiedener GaAs-Substrate aufgebracht. Es wurde herausgefunden, daß bei einer Sub strattemperatur von 720°C oder höher eine hochqualitative aufgewachsene Epitaxieschicht mit perfekter spiegelglatter Oberfläche auf der konventionell benutzten Ebene (001) er halten wird. Dagegen konnten auf den Ebenen (011) und (111)B nur rauhe Epitaxieschichten gebildet werden. Wie in Fig. 1 gezeigt, wurde weiterhin die Ebene (111)B des Sub strats vor dem Aufbringen der Epitaxieschicht während des Ätzvorgangs mittels einer Lösung aus Schwefelsäure, wäßri gem Wasserstoffperoxid und Wasser an den Seitenbereichen abgetragen, so daß außerhalb der Ebene (111)B liegende wei tere Flächen erhalten wurden, und zwar mit einem sich kon tinuierlich ändernden Winkel gegenüber der Ebene (111)B. Auf die so erhaltene Struktur wurde in ähnlicher Weise wie oben eine Epitaxieschicht aufgebracht. Zu Vergleichs zwecken wurde ferner eine Epitaxieschicht auf einem exakt orientierten (001)-Substrat gebildet. Entsprechend der Fig. 2 wurde eine Al_0,7Ga_0,3As-Schicht 32 mit einer Dicke von 2 µm durch einen entsprechenden Wachstumsvorgang auf einem GaAs-Substrat 31 erzeugt. Anschließend wurde auf der Schicht 32 eine GaAs-Quanten-Potentialtopf-Schicht 33 mit einer Dicke von 8 nm gebildet. Auf diese Schicht 33 wurde anschließend eine Al_0,7Ga_0,3As-Schicht 34 mit einer Dicke von 100 nm durch einen Wachstumsvorgang aufgebracht. Die kristalline Form der Al_0,7Ga_0,3As-Schicht 32 wurde dann an hand der Lumineszenzcharakteristik der Quanten-Potential topf-Schicht 33 bewertet.

Lag der Desorientierungswinkel des planaren Azimutbereichs bzw. Seitenbereichs des GaAs-Substrats 31 gegenüber der Ebene (111)B in einem Bereich von 0,1 bis 1,0 Grad, so konnte eine gleichmäßig aufgewachsene Epitaxieschicht mit perfekt spiegelglatter Oberfläche beobachtet werden. Bei größeren oder kleineren Winkeln wurde die Oberfläche jedoch wieder rauh. Lag der Fehlorientierungswinkel im Bereich von 0,1 bis 1,0 Grad, so konnte entsprechend der Fig. 3 bei Raumtemperatur und Anregung mit Hilfe eines Ar-Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 514,5 nm zwecks Messung der Lumi neszensausbeute in der Quanten-Potentialtopf-Schicht 33 ei ne Lumineszenzausbeute bestimmt werden, die um eine Größen ordnung oder mehr über derjenigen lag, die in anderen Be reichen erhalten wurde. Hierdurch wurde bestätigt, daß die aufgewachsene Schicht dieses Bereichs eine hohe Qualität aufweist. Zwar wurde auch bei einer durch Aufwachsen auf der Ebene (001) des Substrats erzeugten Schicht eine spie gelglatte Oberfläche festgestellt, jedoch lag hier die In tensität der Lumineszenz der Quanten-Potentialtopf-Schicht 33 in der gleichen Größenordnung wie die bei einer rauhen aufgewachsenen Schicht auf der Ebene (111)B. Es wurde also gefunden, daß die Lumineszenz einer spiegelglatt aufgewach senen Schicht nur in einem Bereich überhöht ist, der gegen über der Ebene (111)B desorientiert ist. Daß die Lumines zenzausbeute des rauh aufgewachsenen Teils auf der Ebene (111)B relativ hoch und nahezu gleich derjenigen der Ebene (001) ist, liegt daran, daß die rauhe Oberfläche durch lo kale Oberflächendefekte erhalten wird, und daß ansonsten die Oberfläche mit Ausnahme der defekten Bereiche spiegel glatt ist, so daß sich eine hohe Lumineszenz ergibt.

Es wurde also festgestellt, daß qualitativ hochwertige Schichten auf Ebenen erzeugbar sind, die gegenüber der Ebe ne (111)B um 0,1 bis 1,0 Grad fehl- bzw. desorientiert sind, also unter einem Winkel von 0,1 bis 1,0 Grad relativ zur Ebene (111)B verlaufen. Qualitativ hochwertige Epita xieschichten konnten durch einen geeigneten Wachstumsvor gang auf den Randbereichen des Substrats gebildet werden, die zuvor abgetragen wurden, und zwar unabhängig von der Richtung. Die Richtung der Fehlorientierung bzw. des Fehl orientierungswinkels hat somit keinen Einfluß auf die Güte der Epitaxieschicht.

Auf der Basis der oben beschriebenen Erkenntnisse lassen sich qualitativ hochwertige Halbleiterbauelemente herstel len, bei denen eine durch ein Molekularstrahl-Epitaxiever fahren hergestellte Epitaxieschicht auf einem Substrat liegt, dessen planare Seite um 0,1 bis 1,0 Grad gegenüber der Ebene (111)B fehlorientiert bzw. geneigt ist. Die Epi taxieschicht läßt sich daher mit besserer Qualität herstel len, so daß das Halbleiterbauelement verbesserte Eigen schaften und insbesondere einen geringeren Schwellenstrom aufweist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch ein GaAs-Substrat zur Erläuterung der Abhängigkeit der Qualität einer darauf aufgebrachten Epitaxie schicht vom Neigungswinkel der Substratoberfläche,

Fig. 2 einen schematisch dargestellten Querschnitt einer Struktur zur Bestimmung der Güte der Epitaxie schicht,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der Photolumineszenzausbeute einer Quanten-Potential topf-Schicht vom Fehlorientierungswinkel gegenüber der Ebene (111)B des Substrats,

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Halbleiterlasers gemäß einer ersten Ausführungsform des Halbleiter bauelements nach der Erfindung,

Fig. 5(a) eine Schwellenstromdichteverteilung eines Halb leiterlasers mit einer um 0,5 Grad gegenüber der Ebene (111)B geneigten Ebene,

Fig. 5(b) eine zum Vergleich dargestellte Schwellenstrom dichteverteilung einer Halbleiterschicht, die in konventioneller Weise auf der Ebene (100) eines Substrats liegt, und

Fig. 6 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement nach einem weiteren Aus führungsbeispiel der Erfindung.

Im folgenden wird anhand der Fig. 4 ein Querschnitt durch eine Halbleiterschichtstruktur vom sogenannten GRIN-SCH-Typ (graded index separate confinement heterostructure) be schrieben. Auf ein n-GaAs-Substrat 1 (Si: 10¹⁸ cm^-3 Zu satz), das um 0,5 Grad von der Ebene (111)B zur Ebene (110) fehlorientiert bzw. geneigt ist, wurden der Reihe nach durch ein Molekularstrahl-Epitaxieverfahren (MBE-Verfahren) folgende Schichten aufgebracht: eine n-GaAs-Pufferschicht 2 mit einer Dicke von 0,5 µm, eine n-Al_yGa_l-yAs-Pufferschicht 12 vom Gittertyp (y gleichmäßig ansteigend von 0,1 bis 0,7, 0,2 µm), eine n-Al_0,7Ga_0,3As-Zwischenschicht 3 (1 µm) (clad layer), eine undotierte Al_xGa_l-xAs-optische Wellenleiter schicht 4 (0,15 µm), eine undotierte GaAs-Quanten-Poten tialtopf-Schicht 5 (7 nm), eine undotierte Al_xGa_l-xAs-opti sche Wellenleiterschicht 6 (0,15 µm), eine p-Al_0,7Ga_0,3As- Zwischen- bzw. -Abdeckschicht 7 (1 µm) (clad layer), und eine p-GaAs-Kappenschicht 8 (0,5 µm dick). Als Dotierungs substanz für die Schichten vom n-Typ diente Silicium mit Si = 10¹⁸ cm^-3, während als Dotierungssubstanz für die Schich ten vom p-Typ Beryllium diente mit Be = 10¹⁸ cm^-3. Die maxi male Clad-Geschwindigkeit betrug 1,4 µm pro Stunde in den Clad-Schichten 3 und 7. Das Flußverhältnis zwischen den Gruppen V/III betrug 3. Zum Vergleich mit dem Ausführungs beispiel wurden n-GaAs-Substrate mit exakt eingestellten Ebenen (100) und (111)B auf Mo-Halteeinrichtungen befestigt bzw. mit diesen verklebt und in gleicher Weise mit einer Schichtstruktur versehen.

Die optischen Führungsschichten 4 und 6 wurden so variiert, daß ein Al-Mischungsverhältnis mit einem parabolischen Ver lauf von 0,7 bis 0,2 erhalten wurde, und zwar von den Zwi schenschichten 3 und 7 bis zur Quanten-Potentialtopf- Schicht 5. Nach Abschluß des Wachstumsvorgangs zur Erzeu gung der Schichtstruktur wurden auf der n-Seite durch Auf dampfen eine AuGe-Ni-Legierungsschicht 11 und auf der p- Seite eine AuZn-Schicht 10 gebildet. Aus dem entsprechenden Wafer wurde ein Laser mit einer Gesamtoberflächenelektrode, mit einer Resonatorlänge von 490 µm und mit einer Breite von 150 bis 200 µm erzeugt. Fig. 5(a) zeigt in Form von Balken die Verteilung der Schwellenstromdichte eines Elements auf einer um 0,5 Grad gegenüber der Ebene (111)B geneigten Ebene entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, während Fig. 5(b) die Verteilung der Schwellen stromdichte eines Elements zeigt, bei dem die Ebene (100) exakt eingestellt ist. Die mittlere Schwellenstromdichte Jth betrug 178 A/cm² auf der um 0,5 Grad gegenüber der Ebe ne (111)B geneigten Ebene, war also niedriger als die Schwellenstromdichte von 201 A/cm², die bei der exakt ein gestellten Ebene (100) erhalten wurde. Die minimale Schwel lenstromdichte Jth bei der um 0,5 Grad gegenüber der Ebene (111)B geneigten Ebene betrug 166 A/cm² und stellt den bis her veröffentlichten tiefsten Wert dar.

Zu Vergleichszwecken sei auf die folgenden Werte bei ähnli chen Strukturen mit einer Resonatorlänge L hingewiesen:

1. Jth = 170 A/cm² (L = 500 µm): R. I. Burnham, W. Streifer, T. L. Paoli, und N. Holonyok, Jr., J. Crystal Growth, Band 68, Seite 370 (1984).
2. Jth = 175 A/cm² (L = 450 µm): T. Fuji, S. Hiyamizu, S. Yamakoshi und T. Ishikawa, J. Vac. Sci. Technol., Band B3, Seite 776 (1985).

Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Quanten-Potentialtopf breite schmal und beträgt 6 nm. Ferner wurde durch die Er finder eine Schwellenstromdichte Jth von 166 A/cm² bei ei ner Quanten-Potentialtopfbreite von 6 nm im Zusammenhang mit einer exakt eingestellten (100) Ebene erhalten, so daß eine weitere Verminderung des Schwellenwerts erzielt werden kann, wenn demgegenüber die Quanten-Potentialtopfbreite auf der um 0,5 Grad gegenüber der Ebene (111)B versetzten Ebene weiter vermindert wird. Es sei bemerkt, daß bei allen Ele menten mit einer exakt eingestellten (111)B Kristallebene die Schwellenstromdichte Jth mehr als 300 A/cm² betrug, wo bei die Oberfläche nicht glatt war.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nach folgend anhand der Fig. 6 näher beschrieben. Hierbei han delt es sich um eine Halbleiterschicht mit Elektrodenstrei fen. In ähnlicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel wurde auch hier ein n-GaAs-Substrat 1 verwendet, dessen Ebe ne um 0,5 Grad gegenüder der Kristallebene (111)B fehl orientiert bzw. geneigt oder versetzt war. Mit Hilfe eines MBE-Verfahrens wurden auf dem Substrat der Reihe nach fol gende weitere Schichten gebildet: eine n-GaAs-Pufferschicht 2 (0,5 µm dick), eine n-Al_yGa_l-yAs-Pufferschicht 12 mit ei ner Gitterstruktur, wobei y Werte von 0,1 bis 0,7 annimmt und die Schicht 12 eine Dicke von 0,2 µm aufweist, eine n- Al_0,7Ga_0,3As-Zwischenschicht 3 (Dicke = 1 µm), eine undo tierte Al_xGa_l-xAs-optische Führungsschicht 4 mit x = 0,7 bis 0,2 und einer Dicke von 0,2 µm, eine undotierte Mehr fach-Quanten-Potentialtopfschicht 21, eine undotierte Al_xGa_l-xAs-optische Führungsschicht 6 mit x = 0,2 bis 0,7 und einer Dicke von 0,2 µm, eine p-Al_0,7Ga_0,3As-Zwischen schicht 7 mit einer Dicke von 1 µm, eine p-GaAs-Kappen schicht 8 mit einer Dicke von 0,5 µm und eine n- Al_0,5Ga_0,5As-Stromblockierungsschicht 9 mit einer Dicke von 0,8 µm. Zu Vergleichszwecken wurde eine ähnliche Struktur ebenfalls auf einem Substrat mit einer exakt eingestellten (100) Kristallebene erzeugt. Das Dotierungsmaterial und die Wachstumsbedingungen wurden wie beim ersten Ausführungsbei spiel gewählt. Die Mehrfach-Quanten-Potentialtopfschicht 21 (MQW-Schicht bzw. multiple quantum well layer) besteht aus vier GaAs-Quantenschichten mit einer Dicke bzw. Breite von 7 nm und drei As_0,2Ga_0,8As-Barrierenschichten mit einer Dicke bzw. Breite von 4 nm. Nach Abschluß des Wachstumsvor gangs zur Erzeugung der gesamten Schichtstruktur wurde die Stromblockierungsschicht 9 bereichsweise weggeätzt, um ei nen Streifen mit einer Breite von 5 µm zu bilden. Der Ätz vorgang erfolgte unter Anwendung von Fluorwasserstoffsäure (HF). Innerhalb des weggeätzten Streifens wurden Strom streifen 20 gebildet, wobei die n-Seite durch Aufdampfen mit einer AuGe-Ni-Legierungsschicht 11 und die p-Seite mit einer AuZn-Legierungsschicht 10 versehen wurden. Die Schich ten 10 und 20 konnten in einem Vorgang erzeugt werden.

Dieser Laser gemäß Fig. 6 mit einer Resonatorlänge von 250 µm schwingt bei einem niedrigen Schwellenstrom von Jth = 49 bis 58 mA, was umgewandelt bezüglich der Gesamtoberflächen elektrode einer Schwellenstromdichte von Jth = 375 bis 444 A/cm² entspricht. Das Vergleichsbauelement mit der exakt eingestellten Kristallebene (100) wies dagegen einen Schwellenstrom von Jth = 60 bis 75 mA auf, was bezogen auf die volle Oberflächenelektrode einer Schwellenstromdichte von Jth = 460 bis 574 A/cm² entspricht.

Wie der vorangegangenen Beschreibung bezüglich der beiden Ausführungsbeispiele der Erfindung klar zu entnehmen ist, konnte der Schwellenstrom der Quanten-Potentialtopf-Halb leiterschicht erheblich vermindert werden, und zwar im Ver gleich zu Halbleiterbauelementen, bei denen eine Schicht struktur auf einer exakt eingestellten (100) Kristallebene des Substrats gebildet wird. Vorstehend wurden lediglich AlGaAs-Quanten-Potentialtopf-Halbleiterlaser beschrieben, worauf die Erfindung aber nicht beschränkt ist. Grundsätz lich ist die Erfindung auf alle Halbleiterbauelemente an wendbar, zu deren Aufbau Halbleiterschichten aus III/V-Ver bindungen mit Hilfe eines Molekularstrahl-Epitaxieverfah rens hergestellt werden. So können die Halbleiterbauele mente nach der Erfindung auch GaAs/AlGaAs-Verbindungen auf einem GaAs-Substrat, zweidimensionale Elektronengas-Feldef fekttransistoren, InAlAs/InGaAs-Schichten in einem InP-Sub strat, usw. betreffen.

Claims

1. Halbleiterbauelement, mit

- einem Einkristallsubstrat (1) und
- einer Epitaxieschicht (5, 21), die mit Hilfe eines Mole kularstrahl-Epitaxieverfahrens auf eine ebene Seite des Einkristallsubstrats (1) aufgebracht wurde,

dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Seite des Einkri stallsubstrats (1) gegenüber seiner Kristallebene (111)B unter einem Winkel von 0,1 bis 1,0 Grad verläuft.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Einkristallsubstrat (1) aus folgenden Verbindungen aufgebaut ist: GaAs, GaSb, InAs, InP, GaP oder InSb.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxieschicht (5, 21) aus einer III-V Halbleiterverbindung aufgebaut ist.