DE3750076T2

DE3750076T2 - Verfahren zur Veränderung der Eigenschften von Halbleitern.

Info

Publication number: DE3750076T2
Application number: DE3750076T
Authority: DE
Inventors: Robert D Burnham; John E Epler
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1986-11-21
Filing date: 1987-11-18
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2007-11-19
Also published as: EP0269359A3; EP0269359A2; EP0269359B1; DE3750076D1; JP2608567B2; US4771010A; JPS63197396A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren zur Veränderung der Eigenschaften von Schichten durch Energiestrahlung (energy beam induced layer disordering; EBILD). Die Erfindung betrifft insbesondere die Verwendung einer Direktschreib-Energiestrahlung zum selektiven Schmelzen von Regionen in einer Halbleiter-Heterostruktur unter Herstellung eines Musters einer im wesentlichen homogenen Legierung, die nützlich ist zur Fabrikation einer Vorrichtung.
Halbleiter-Verbindungsproben, deren Verwendung zur Fabrikation einer Vorrichtung beabsichtigt wird, läßt man in Form eines Einkristalls wachsen, der aus zwei oder mehr heterogenen Schichten unterschiedlicher Legierungszusammensetzung, Dicke und Konzentration an Verunreinigungen und/oder unterschiedlichen Typs besteht. Bei Veränderung der Parameter dieses Kristalls bestimmen die elektrischen und optischen Eigenschaften der Kristallschichten die Struktur der Vorrichtung in Richtung senkrecht zur Ebene der wie gewachsenen Schichten. Außerdem müssen derartige Modifikationen parallel zur Ebene der wie gewachsenen Schichten mit einem Muster einer Auflösung im Mikron- Bereich aufgebracht werden. Typischerweise wurden hierfür extensiv herkömmliche photolithographische Verfahrensweisen eingesetzt, um derartige Seiten-Modifikationen zu bewirken. Beispielsweise folgt einer photolithographischen Musteraufbringung von Zink oder Silicium auf GaAlAs eine oberflächeninitiierte, durch eine Verunreinigung induzierte Eigenschaftsveränderung (impurity-induced disordering; IID) über eine Hochtemperaturdiffusion einer Verunreinigung, die eine Veränderung der Schicht hervorruft. Verwiesen wird auf "W. D. Laidig et al., Disorder of an AlAs-GaAs Superlattice by Impurity Diffusion, Applied Physics Letters 38 (10) (15. Mai 1981), 776 bis 778" und US-Patent Nr. 4,378,255 (Zinkdiffusion) sowie "J. J: Coleman et al., Disorder of an AlAs-GaAs Superlattice by Silicon Implantation, Applied Physics Letters 40 (10) (15. Mai 1982), 904 bis 906" und US- Patent Nr. 4,511,408 (Siliciumionen-Implantation oder Siliciumdiffusion). IID ist ein Verfahren, in dem eine Verunreinigung wie beispielsweise Si thermisch dazu gebracht wird, durch zwei oder mehr Heterostrukturschichten einer Probe wie beispielsweise Mehrschichtenanordnungen aus GaAlAs, hindurchzudiffundieren, wobei die isoelektronischen Bestandteile der Schichten verändert werden, beispielsweise durch Eindiffundieren von Ga-Al in die GaAlAs-Schichten, so daß eine neue homogene Legierung in Bereichen der Schichten gebildet wird, die der Diffusionsbehandlung unterzogen werden. Die Einzelheiten des Mechanismus der Eigenschaftsveränderung (disordering) werden derzeit noch nicht vollständig verstanden. Beispielsweise weiß niemand, warum die Si-Verunreinigung dazu führt, daß eine Interdiffusion von Elementen schnell erfolgt. Die Aufbringung eines Musters erfolgt unter Anwendung von Maskierungstechniken, so daß eine Diffusion in ausgewählten Bereichen erfolgt, die der Verunreinigung während des Diffusionsprozesses ausgesetzt sind. Die die Veränderung hervorrufende Verunreinigung kann auch mittels eines Ionenimplantationsverfahrens durch eine Maske aufgebracht werden, wobei die implantierten Ionen eine Spezies der Ionenstrahlung sind. Diesem Verfahren folgt ein Temperschritt, um eine Eigenschaftsveränderung der Heterostrukturschichten in den Bereichen des Implantats zu bewirken, und die Schädigung, die auftritt, herauszutempern, was nicht immer möglich ist. In jedem der Fälle erfolgt die Eigenschaftsveränderung bei Temperaturen, die unter der Temperatur liegen, die für eine übliche signifikante Al-Ga-Interdiffusion ohne die diffundierte oder implantierte Verunreinigung erforderlich sind.
So stellt das IID-Verfahren ein zur Musteraufbringung geeignetes Verfahren zur lokalen Vermischung von Halbleiter-Legierungsschichten bereit, ohne daß man Einbußen bei der Kristallqualität hinnehmen muß. Die Migration der implantierten oder eindiffundierten Verunreinigung im Wege eines thermischen Tempervorgangs ruft eine in Querrichtung (also quer zu den sich parallel in dem wie gewachsenen Kristall erstreckenden Schichten) verlaufende Modifikation bei Bandlücke, Wellenlänge oder Brechungsindex der Heterostrukturbereiche einer Probe hervor, die der Behandlung unterworfen wird. Das IID-Verfahren wurde erfolgreich bei der Herstellung von Niedrigschwellen-Lasern mit verborgener Heterostruktur (buried heterostructure; BH) angewendet und erlaubt die Herstellung anderer optoelektronischer Vorrichtungen wie beispielsweise optischer Wellenleiter. In diesem Zusammenhang wird auf den Artikel von Robert L. Thornton et al., Optoelectronic Device Structures Fabricated by Impurity Induced Disordering in "Journal of Crystal Growth 77 (1986), 612 bis 628" verwiesen. Dieses IID-Verfahren wird nachfolgend als "oberflächeninitiiertes IID-Verfahren (surface-initiated IID)" bezeichnet, da bei der praktischen Durchführung des Verfahrens die Verunreinigung in die Oberfläche der Probe diffundiert wird.
Ein Problem bei der Anwendung des oberflächeninitiierten IID-Verfahrens besteht jedoch darin, daß die Tiefe oder seitliche Ausdehnung oder Breite der hinsichtlich der Eigenschaften veränderten Bereiche nicht in einfacher Weise in Bezug auf die Länge der Zeit zur Diffusion oder zum Tempern vorhersagbar oder bestimmbar ist. Außerdem erfordert der Einsatz des oberflächeninitiierten IID-Verfahrens, wie er durch diese Druckschriften gelehrt wird, die Anwendung eines Maskierschrittes und die Bildung von Masken. Dies ist jedoch ein zeitaufwendiger und teurer Zwischenschritt, und er ist hinsichtlich der Dimensionen beschränkt durch die eingesetzten Möglichkeiten oder Anlagen zur Ausbildung einer solchen Maske.
Eine Verfahrensweise unter Einsatz von Direktschreib-Energiestrahlung wäre effizienter und nutzbringender, da sie den Vorteil hätte, daß komplexe Muster per Computer erzeugt werden könnten und die Strahlung selektiv auf Bereiche der Halbleiterstruktur während des epitaxialen Wachstums oder der Herstellung der Vorrichtung aufgebracht werden könnte. Dem folgte ein Testen der Vorrichtung ohne die Notwendigkeit der Anwendung eines Zwischenschritts der Maskenbildung. Außerdem sorgt bei Anwendung eines Direktschreibsystems ein im Handel erhältlicher Niedrigenergie-CW-Strahl für eine ausreichend hohe Energiedichte zum Schmelzen der Kristallstruktur, ohne daß dies von einer signifikanten Schädigung des Kristalls begleitet ist.
Außerdem bestehen keine Probleme im Hinblick auf eine ungeeignete Registrierung eines Musters, da die Strahlung in Bezug auf die Probe über eine in hohem Maße genaue Computersteuerung indexiert ist. Außerdem kann - wie oben beschrieben - ein Direktschreibverfahren direkt unter Bewirken einer unmittelbaren Änderung des Halbleiterkristalls bis zu einer praktischen Tiefe von etwa 1,5 um aufgebracht werden.
Nicht zu reden davon, daß Bemühungen im Hinblick auf Forschung und Entwicklung in diesem Bereich der Technik nicht in Bezug auf strahlungsunterstützte Direktschreib- Verfahrensweisen erfolgten. Beispielsweise offenbart die US-A 4,159,414 ein Verfahren unter Bewirken laserinduzierter Veränderungen in einer vorher abgeschiedenen Verbindung durch Reduzieren der Verbindung. Dabei werden ausgewählte Bereiche der abgeschiedenen Verbindung zum elementaren Zustand, z. B. zum metallischen Zustand, reduziert. Auch in dem Artikel von L. D. Laude, Laser Induced Synthesis of Compound Semiconductors in "Material Research Symposion Proceedings 23 (1984), 611 bis 620" wird darüber berichtet, daß die Bestandteile von Verbindungen wie beispielsweise AlSb, AlAs, CdTe, CdSe, ZnTe, ZnSe und GeSe&sub2; zuerst unabhängig voneinander auf ein Glassubstrat als getrennte dünne amorphe Filme verdampft werden und dann einem Laserstrahl ausgesetzt werden, um sie im Rahmen eines Verfahrens, von dem man annimmt, daß es ein Festphasenverfahren ist, d. h. ein Verfahren, bei dem ein Schmelzen nicht auftritt, in eine kristalline Verbindung zu überführen. Das Verfahren schließt die örtliche Bildung einer Legierung per se und nicht die lokale Modifizierung einer Legierung in einem System ein.
Ein weiteres Feld im Bereich der strahlungsunterstützten Direktschreibverfahren war die Verwendung von Energie aus einer Laserlichtquelle bei der Photolyse und Pyrolyse unter Bewirken einer Abscheidung eines Materials aus der gasförmigen Phase auf eine Substratoberfläche. Im Fall einer Photolyse wird eine gasförmigen Verbindung des abzuscheidenden Materials in eine Kammer oberhalb der Oberfläche eines Substrats eingeführt, und eine Energiequelle in Form von Laserlicht wird zum Zersetzen der gasförmigen Verbindung eingesetzt. Die Verbindung absorbiert einen Teil der einfallenden Laserenergie bei einer ausgewählten Wellenlänge. Dies führt zur Photozersetzung (lichtinduzierten Zersetzung) der Verbindung in der Nähe der Oberfläche des Substrats und zur Abgabe eines Bestandteils der Verbindung zur Abscheidung auf der Substratoberfläche. Beispielhaft wird verwiesen auf US-A 4,606,932 und die US-A 4,340,617 und die Arbeiten von D. J. Ehrlich et al. im Lincoln Laboratory beim MIT. Beispielhaft verwiesen wird auf "D. J. Ehrlich et al., Direct Writing of Regions of High Doping on Semiconductors by UV- Laser Photodeposition, Applied Physics Letters 36 (11) (1. Juni 1980), 916 bis 918" und "D. J. Ehrlich et al., Summary Abstract: Photodeposition of Metal Films with Ultraviolett Laser Light, Journal of Vacuum Science Technology 20 (3) (März 1982), 738 bis 739"
Im Fall einer Pyrolyse wird die Zersetzung der gasförmigen Verbindung durch Erwärmen der Substratoberfläche unterstützt. Beispielhaft verwiesen wird auf die Druckschriften "Herman et al., Materials Research Society Symposium Proceedings 17 (1983)" und "Herman et al., Materials Research Society Conference, Boston, MA (15. November 1983)". Eine Kombination aus Photolyse und Pyrolyse wird gelehrt in der US-A 4,505,949.
Eine weitere Gruppe von strahlungsunterstützten Direktschreib-Verfahrensweisen ist das Laser-Tempern unter erneutem Schmelzen eines amorphen oder polykristallinen Materials wie beispielsweise von amorphem Silicium oder amorphem GaAs und die Umwandlung eines solchen Materials in ein Einkristallmaterial. Hierzu wird verwiesen auf die US-A 4,330,363 und die US-A 4,388,145.
Eine weitere Gruppe von strahlungsunterstützten Direktschreib-Verfahrensweisen ist das Laser-Tempern zur Wiederherstellung der Kristallstruktur, die durch eine vorangehenden Implantation einer Verunreinigung beschädigt wurde, sowie zur elektrischen Aktivierung der implantierten Verunreinigung. Hierzu wird beispielsweise verwiesen auf "G. A. Kachurin et al., Annealing of Implanted Layers by a Scanning Lyser Beam, Soviet Physics Semiconductor 10 (10) (Oktober 1976), 1128 bis 1130"; "E. I. Shtyrokov et. al., Local Laser Annealing of Implantation Doped Semiconductor Layers, Soviet Physics Semiconductor 9 (10) (1976), 1309 bis 1310" sowie die US-A 4,151,008.
Strahlungsunterstützte Direktschreibverfahren wurden auch auf das Schmelzen dotierter Halbleiter-Oberflächenschichten mittels lasergepulster Strahlung zur Verteilung der Verunreinigung in der Schicht angewendet. Hierzu wird verwiesen auf die US-A 4,181,538 und die US-A 4,542,580 sowie auf "G. A. Kachurin et al., Diffusion of Impurities as a Result of Laser Annealing of Implanted Layers, Soviet Physics Semiconductor 11(3) (März 1977), 350 bis 352". Ein fokussierter Laserstrahl wurde auch zur Diffusion einer Verunreinigung von einem Bereich einer Halbleiterstruktur in einen anderen Bereich ohne Schmelzen angewendet, wie sich beispielsweise aus der US-A 4,318,752 ergibt.
Natürlich wurden auch andere Arten von Energiestrahlen für strahlungsunterstützte Direktschreibtechniken eingesetzt. Elektronenstrahl-Verfahrensweisen werden allgemein bei der Lithographie zur Erzeugung einer Maske und bei Photoresist-Bestrahlung verwendet. Ionenstrahl-Verfahrensweisen wurden entwickelt für das maschinelle Bearbeiten oder Ätzen oder als Hilfsmittel zum Implantieren. Dies ergibt sich beispielsweise aus der US-A 4,334,139 und aus "K. Ishida et al., Japanese Journal of Applied Physics 25 (9) (1986), 1783 bis 17 ".
Soweit derzeit bekannt, erfolgte noch keine erfolgreiche Entwicklung Energiestrahlungsunterstützter Direktschreib-Verfahrensweisen zur praktischen Verwirklichung einer musterweisen thermischen Veränderung von Eigenschaften oder Verunreinigungs-induzierten Veränderung von Eigenschaften in Bezug auf Halbleiter-Heterostrukturen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, wird das Verfahren einer durch Energiestrahlung induzierten Veränderung der Eigenschaften von Schichten (energy beam induced layer disordering; EBILD) angewendet, um
(a) lokal in einem abgetasteten Muster Bereiche einer im festen Zustand befindlichen Halbleiterstruktur zu schmelzen und dadurch eine Legierung einer intermediären Zusammensetzung mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften zu erzeugen und/oder
(b) signifikant große Mengen einer Verunreinigung, die in einer Einkapselungs- Oberflächenschicht einer im festen Zustand befindlichen Halbleiter-Heterostruktur zugegen sind, in Bereiche der Heterostruktur über Absorption der Verunreinigung in eine flüssige Legierungsschmelze unter Bildung von Bereichen mit unterschiedlichen optischen und/oder elektrischen Eigenschaften einzubauen, und
(c) danach gegebenenfalls das IID-Verfahren anzuwenden, um die Grenzflächen hinsichtlich der Eigenschaften veränderter Bereich/wie gewachsener Bereich des anfänglich geschmolzenen Bereichs zu vergrößern oder auszudehnen.
Als eine zu IID analoge Direktschreib-Verfahrensweise ist EBILD ein flexibles und lebensfähiges Verfahren mit hoher Wichtigkeit für eine kontinuierliche Reproduzierbarkeit und eine hohe Ausbeute bei der Herstellung optoelektronischer Vorrichtungen und mit dünnen Filmen versehener elektronischer und optoelektronischer Schaltungselemente.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung führt zur selektiven Umwandlung von Bereichen einer Halbleiter-Heterostruktur in eine hinsichtlich der Eigenschaften veränderte Legierung, die unterschiedliche Bandlücken- und Brechungsindex-Eigenschaften zeigt. Dabei stellt man eine Halbleiterstruktur mit wenigstens zwei benachbarten Schichten oder Materialien bereit, die heterogen unähnlich hinsichtlich ihrer Legierungszusammensetzung sind, jedoch aus demselben Einkristall in Bezug auf die Legierungszusammensetzung bestehen. Man tastet dabei die Struktur mit einer Energiestrahlung wie beispielsweise mit einem Laserstrahl, einem Elektronenstrahl oder einem Ionenstrahl ab, um selektiv wenigstens einen Teil der Schichten oder Materialien in die flüssige Phase oder in den flüssigen Zustand zu überführen. So wird eine hinsichtlich ihrer Eigenschaften geänderte Legierung aufgrund einer Interdiffusion isoelektronischer Bestandteile gebildet, wobei die neue Legierung die gemittelten elementaren Bestandteile beider Schichten und Materialien umfaßt, ohne daß irgendeine signifikante Schädigung des Kristalls auftritt. Im Ergebnis haben die Bereiche der Struktur, die mit dem Energiestrahl abgetastet wurde, unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich der Bandlücke und des Brechungsindex, verglichen mit benachbarten Bereichen der Struktur, die nicht durch den Energiestrahl abgetastet wurden.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung führt dazu, daß selektiv Verunreinigungselemente in die umkristallisierten Bereiche des Halbleiterkristalls eingebaut werden, indem man eine Halbleiter-Heterostruktur mit wenigstens zwei heterogenen Schichten bereitstellt und eine Verkapselungs-Oberflächenschicht oder einen Verkapselungs-Oberflächenbereich auf einer der heterogenen Schichten bildet, die die verkapselte Verunreinigung als hauptsächliche oder alleinige Komponente aufweisen. Unter "hauptsächliche Komponente" wird verstanden, daß die Gegenwart der Verunreinigung solche Konzentrationswerte erreicht, daß daraus eine Verbindung oder Legierung dieses Bestandteils gebildet wird.
Im nächsten Schritt wird die Schicht oder der Bereich und Teile der darunter liegenden heterogenen Schichten in einem Muster unter Erzeugung eines hinsichtlich der Eigenschaften veränderten Legierungsbereichs mit einer hohen Konzentration der Verunreinigung geschmolzen. Wenn gewünscht, kann der hinsichtlich der Eigenschaften veränderte Bereich, der in den heterogenen Schichten gebildet wurde, durch diesen Schritt der Veränderung der Eigenschaften in flüssiger Phase vergrößert oder ausgedehnt werden, indem man danach einen thermischen Diffusions-Temperschritt ein schließt, währenddessen die ursprüngliche Grenzfläche zwischen hinsichtlich der Eigenschaften verändertem Bereich und wie gewachsenen Bereich des anfänglich gebildeten, hinsichtlich der Eigenschaften veränderten Legierungsbereichs sich in vorhersagbarer Weise ausdehnt oder wandert. Dieser weitere Schritt der Veränderung der Eigenschaften mittels des IID-Verfahrens ist isotrop oder in einigen Fällen anisotrop. Zusätzlich kann die Verunreinigung über das EBILD-Verfahren mit dem Zweck eingebaut werden, die gewünschten Bereiche des spezifischen Widerstands oder der spezifischen Leitfähigkeit in den Kristallschichten mit einem Muster zu versehen, um beispielsweise einen Pfad hoher Leitfähigkeit für einen Stromfluß innerhalb der Kristallstruktur bereitzustellen.
Auch kann die vorliegende Erfindung angewendet werden, um die Verunreinigung aus einer Verkapselungsschicht in eine Probe einzubauen, wobei ausgewählte Bereiche der darunter liegenden Probe unter Zustandebringen der Absorption der Verunreinigung in die Schmelze geschmolzen werden. Ein derartiger Einbau kann in eine Einzelschicht der Probe oder in mehr als eine Schicht der Probe erfolgen, um eine Veränderung der Eigenschaften sowie einen Einbau der Verunreinigung über diese Verfahrensweise zustandezubringen.
Gekennzeichnet in Bezug auf seine einfachste Form sorgt das Verfahren zum Einbau einer Verunreinigung im Rahmen der vorliegenden Erfindung für einen derartigen Einbau aus einer in fester Phase vorliegenden Ausgangssubstanz für die Verunreinigung unter Verwendung einer Flüssigphasen-Verfahrensweise unter Zuhilfenahme von Energiestrahlung. Dadurch wird eine Absorption der Verunreinigung durch darunter liegende Bestandteile in einem gewünschten Muster unter Herstellung von Bereichen bewirkt, die hinsichtlich ihrer Eigenschaften verändert sein können und unterschiedliche elektrische Eigenschaften oder optische Eigenschaften oder beides besitzen, verglichen mit Bereichen, die nicht Teil des abgetasteten Musters sind.
In der Vergangenheit wurde eine laserunterstützte Diffusion einer Verunreinigung versucht. Es war jedoch allgemeine Annahme, daß zu dem Ziel, zu bewirken, daß eine erfolgreiche Diffusion und eine Veränderung der Eigenschaften eines Heterostrukturbereichs eintrat, ein erneutes Schmelzen der involvierten kristallinen Schichten oder Materialien vermieden werden mußte, wie dies der Fall ist bei einer herkömmlichen Diffusion unter Bewirken einer Veränderung der Eigenschaften, z. B. wie beschrieben in der US-A 4,378,255. Versuche, ein derartiges laserunterstütztes Verfahren anzuwenden, waren ohne Schmelzen der Heterostruktur nicht erfolgreich. Im Ergebnis wurde an dieser Fragestellung nicht weitergearbeitet. Es wurde jedoch gefunden, daß die Durchführung des Verfahrens in der flüssigen Phase oder im flüssigen Zustand zu einer Vermischung der Verunreinigung unter Induzierung einer Eigenschaftsveränderung innerhalb der Heterostruktur-Element- Bestandteile unter Bildung einer neuen Legierung und Bereitstellung eines großen Keimpunkts führt, von dem aus das nachfolgende IID-Verfahren in in hohem Maße gesteuerter Weise und mit einer vorhersagbaren Fortpflanzungsgeschwindigkeit weiterschreitet. Tatsächlich wird die Geschwindigkeit der Ausdehnung des anfänglichen geschmolzenen, hinsichtlich der Eigenschaften veränderten Bereichs in hohem Maße durch diese Verfahrensweise verbessert, verglichen mit dem herkömmlichen IID-Verfahren, was die Anwendung von IID-Verfahrensweisen für eine erfolgreiche Herstellung von Halbleitervorrichtungen praktisch geeignet macht.
Es gibt signifikante Hindernisse dafür, daß die herkömmliche IID-Verfahrensweise eine nützliche Technologie zur modernen Fabrikation von Halbleitervorrichtungen wird, da es keinen praktischen Weg gibt, das Ausmaß der Tiefe und des seitlichen Fortschreitens oder Wandern des Prozesses der Veränderung der Eigenschaften in einer Halbleitervorrichtung auf Basis einer kontinuierlichen Reproduzierbarkeit einzustellen und dadurch zufriedenstellende Produktausbeuten sicherzustellen. Durch die Natur des Anfangszustands der eingebauten Verunreinigung in einen "Keim"-Bereich oder "Knoten"-Bereich der Heterostruktur stellt das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorgehensweise zum Einstellen dieser Wanderung in systematischer und kontinuierlicher Weise bereit, so daß in einfacher Weise eine fortgeschrittene Bestimmung bezüglich der gewünschten Tiefe und des seitlichen Fortschreitens der vergrößerten oder gedehnten Änderung der Eigenschaften im Wege eines nachfolgenden IID-Verfahrens bewirkt wird.
Es sollte angemerkt werden, daß das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Formulierung einer Legierung einer mittleren Zusammensetzung aus einer heterogenen Einkristallprobe einschließt, wobei die Schichten ein gemeinsames Kristallgitter bilden. Dies erfolgt durch lokales Schmelzen ausgewählter Bereiche der Probe in einem Abtast- Strahlungsmuster. Im Fall der Arbeit von L. D. Laude (siehe oben) werden separate amorphe Filme der Elementarbestandteile ohne Schmelzen erwärmt, um die Bildung von Kristalliten zu ermöglichen, die aus einer Legierung der Bestandteile bestehen, um einen polykristallinen Film in Bereichen dieser Filme, die durch die Strahlung abgetastet werden, zu erzeugen.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt auch den Einbau einer Verunreinigung in eine Halbleiterstruktur zum Zweck der Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Bereiche, die durch die Strahlung abgetastet werden, ein. Die US-A 4,542,580 betrifft den Einbau von Verunreinigungen. Jedoch werden dieselben oder unterschiedliche Verunreinigungen zuerst in Form amorpher Filme oder Überzüge in ausgewählten Bereichen der Probe abgeschieden. Dem folgt ein Schmelzen der Filme, was eine Diffusion der Verunreinigung in die Probe in den ausgewählten Bereichen im Wege des Temperns aufgrund des Erhitzens aus den Filmen oder aus dem Überzug hervorruft. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von dem der US-A 4,542,580 insofern, als die vorliegende Erfindung folgende Schritte einschließt:
(a) Einbau einer Verunreinigung über ein mittels Abtaststrahlung erhaltenes Muster, der auf eine Verunreinigungs-Einkapselungs-Oberflächenschicht gerichtet ist, die auf der Oberfläche der Probe zugegen ist; und
(b) die Verunreinigung, die in einer Einkapselungs-Oberflächenschicht zugegen ist, wird in die Probe absorbiert durch Schmelzen darunter liegender Bereiche der Probe, die durch die Strahlung abgetastet werden, und es bildet sich bei Umkristallisieren ein dotierter Bereich, in dem die Verunreinigung in den gesamten Bereich dispergiert ist.
Bei dem Verfahren der US-A 4,542,580 kommt ein Einbau einer Verunreinigung in ein Abtaststrahlmuster oder Schmelzen der Probe zum Induzieren der Absorption der Verunreinigung nicht in Betracht.
In Bezug auf die Beschreibung der vorliegenden Erfindung versteht es sich, daß der Begriff "Heterostruktur" eine Einkristall-Halbleiterprobe mit zwei oder mehr Schichten aus unterschiedlichen Legierungen oder mit einer unterschiedlichen Legierungszusammensetzung bedeutet, beispielsweise AlAs oder GaAlAs auf GaAs, oder Si oder Ge auf GaAs oder CdS auf ZnSe, usw. Außerdem wird dann, wenn der Begriff "heterogene Schicht(en)" verwendet wird, Bezug genommen auf die heterogene Natur der Schichten in Bezug aufeinander und nicht in Bezug auf die Zusammensetzung innerhalb einer Schicht an sich.
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer computergesteuerten X-Y-Tafelvorrichtung, die zur praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Fig. 2 ist ein Abtastelektronenmikroskop-Bild (scanning electron microscope; SEM) einer Aufsicht einer Probe, die mit der Vorrichtung von Fig. 1 abgetastet wird.
Fig. 3 ist ein SEM-Bild einer Querschnittsansicht eines Lasers mit verborgener Heterostruktur (buried heterostructure; BH), der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Fig. 4 ist ein SEM-Bild eines Querschnitts einer lasergescannten GaAs-Ga1-xAlxAs- Übergitter-Probe eines Lasers, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung abgetastet wurde.
Fig. 5a ist ein SEM-Bild eines Lasers aus einer GaAs-Ga1-xAlxAs-Übergifter-Probe in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5b ist ein SEM-Bild des Querschnitts der in Fig. 4a gezeigten Probe nach der IID- Behandlung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5c ist eine vergrößerte SEM-Ansicht eines Teils von Fig. 5b und veranschaulicht die Schärfe des IID-Übergangs an der Grenzfläche zwischen hinsichtlich der Eigenschaften verändertem Bereich und wie gewachsenen Bereich der Probe.
Fig. 6 ist eine graphische Veranschaulichung der Tiefe (Kurven a, c) und Halbbreite (Kurven a, b) des hinsichtlich der Eigenschaften veränderten Bereichs in Fig. 5 vor (Kurven a, b) und nach (Kurven c, d) der IID-Verfahrensweise.
Fig. 7a ist ein SEM-Bild des Querschnitts eines Lasers mit einer verborgenen Heterostruktur (buried heterostructure; BH), der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Fig. 7b ist eine vergrößerte SEM-Ansicht der auf der linken Seite in Fig. 7a gezeigten, hinsichtlich der Eigenschaften veränderten Bereichs der Laserstruktur.
Fig. 8 ist eine graphische Veranschaulichung der optischen Energie gegen den Injektionsstrom, die bei Betreiben eines Lasers mit verborgener Heterostruktur (buried heterostructure; BH) mit der in Fig. 6 gezeigten Struktur gezeigt wird.
Fig. 9 ist das Weitfeld-Strahlungsmuster für einen Laser mit verborgener Heterostruktur (buried heterostructure; BH) mit der in Fig. 6 gezeigten Struktur.
Fig. 10 ist ein SEM-Bild eines anderen Lasers mit verborgener Heterostruktur (buried heterostructure; BH), der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde und die anisotrope Natur beim IID-Verfahren veranschaulicht.
Fig. 11 ist ein im Querschnitt gesehenes schematisches Diagramm des Lasers mit verborgener Heterostruktur (buried heterostructure; BH) mit der in Fig. 10 gezeigten Struktur, das die Laserstruktur unmittelbar nach der Veränderung der Eigenschaften durch Strahlung zeigt.
Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht der Laserstruktur mit verborgener Heterostruktur (buried heterostructui:e; BH) gemäß Fig. 11 nach der IID-Vehandlung und mit Stromkontakten und Protonenimplantation an ausgewählten Stellen unter Vervollständigung des Herstellungsweges.
Fig. 13 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 12.
Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen. Darin ist eine Abtast-Tafel 12 gezeigt, die unter Steuerung eines Computers in der Lage ist, in der X-Richtung in der Y-Richtung 11 A und 11 B inkremental indexiert zu werden. Eine Probe wie beispielsweise die Heterostruktur 10 wird auf die Oberfläche der Tafel 12 montiert und wird einem stationären, eng fokussierten Laserstrahl 14 ausgesetzt, sobald die Tafel 12 unter Steuerung des Computers orthogonal indexiert wird. Alternativ dazu bliebe zum Behandeln nach den EBILD-Verfahren in einem Wachstumsreaktor die Probe in dem Reaktor stationär, und der lokale Punkt des Laserstrahls wird unter Steuerung mit dem Computer in orthogonal zueinander angeordneten Richtungen verschoben. Der Strahl 14 ist typischerweise ein Ar&spplus;-Laserstrahl und kann beispielsweise eine Wellenlänge von 488 nm bei einer Energieleistung von 300 mW aufweisen, was zu einem fokussierten Lichtpunkt mit einer Größe von 1 um führt. Dies könnte beispielsweise die Anwendung eines Kr&spplus;-Lasers mit einer Wellenlänge von 649 nm unter Schmelzen verborgener Kristallschichten unter einer transparenten Oberflächenschicht der Probe einschließen. Die Wellenlänge des Laserstrahls 14 wird so gewählt, daß sie in dem Bereich von Ultraviolett bis Fern-Infrarot liegt, solange sie ein Energieniveau aufweist, das oberhalb der Energiebandlücke der Kristallprobe liegt, die behandelt wird. Der Strahl 14 wird durch einen Spiegel 16 abgelenkt und auf die Probe 10 mittels einer sphärischen Linse 18 fokussiert. Die Indexierungsgeschwindigkeit der Tafel 12 kann etwa 100 um/s betragen. Der Bereich der Indexierungsgeschwindigkeit liegt bei etwa 20 um/s bis etwa 200 um/s. Bei einer Größe des Lichtpunkts von 1 Mm ist 200 um/s in etwa die maximale Geschwindigkeit der Indexierung, ohne daß die Temperatur der Probe 10 erhöht wird. Das Energieniveau, die Abtastgeschwindigkeit und die Größe des Lichtpunkts des Strahls 14 werden so eingestellt, daß sie ein Schmelzen des Kristalls an der Oberfläche der Probe im Mikrometerbereich induzieren. In dem Maße, wie die Probe 10 relativ zu dem Strahl 14 bewegt wird, erfolgt ein vorübergehendes Schmelzen der Probe 10 entlang der Abtastspur des Laserstrahl- Lichtpunkts auf der Probe, wie dies bei 20 in Fig. 1 veranschaulicht ist. Fig. 2 ist eine SEM-Photographie des Abtastmusters auf der Probe 10, das ein vorübergehendes Schmelzspurmuster von Abtastlinien 13 auf 8 um-Zentren zeigt.
Während aus Gründen der Veranschaulichung der ausgewählte Energiestrahl ein Laserstrahl ist, können auch andere Typen von Energiestrahlung verwendet werden, um für die Behandlung zur Veränderung der Eigenschaften nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu sorgen. Beispielsweise können als Strahl 14 ein Ionenstrahl oder ein Elektronenstrahl oder ein akustischer Strahl oder irgendeine lokale Heizquelle verwendet werden, deren Wirkung eng fokussiert und abgetastet werden kann und eine ausreichende Energie und Intensität aufweist, um ein Schmelzen der Probe zu induzieren. Die Verwendung eines Ionenstrahls zum Einbau von Verunreinigungen oder von Elementen als Spezies der Ionenstrahlung stellt keinen Energiestrahl dar, der bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung in Betracht kommt. In diesem Zusammenhang ist auf die Druckschrift von K. Ishida et al., a. a. O., zu verweisen.
Probe 10 kann eine Heterostruktur umfassen, die beispielsweise wenigstens zwei Schichten aufweist, die hinsichtlich ihrer Legierungszusammensetzung heterogen sind (die Heterostrukturschichten können einen elementaren Bestandteil, eine Verbindung oder eine Legierung umfassen). Ein Beispiel einer derartigen Struktur ist ein Paar von Schichten, die jeweils GaAs und Ga1-xAlxAs umfassen, oder ein Quantenloch-Merkmal (quantum well feature), das eine einzelne Schicht aus GaAs oder Ga1-xAlxAs umfaßt, mit daran angrenzenden Heteroverbundschichten oder Übergittern, die alternierende Schichten aus GaAs und AlAs oder GaAs und Ga1-xAlxAs oder Ga1-xAlxAs und Ga1-yAlyAs umfassen, worin x < y ist. Bei Aufbringen eines Strahls 14 werden die Bereiche der Schichten, die durch den Strahl 14 abgetastet werden, schnell in die flüssige Phase oder ihren flüssigen Zustand umgewandelt, und die Kristallschichten vermischen sich miteinander, wodurch eine im wesentlichen homogene Legierung, die die Bestandteile beider Schichten umfaßt, entlang dem Abtast- oder Spurmuster gebildet wird. Wenn beispielsweise die Schichten GaAs und Ga0,2Al0,8As sind, ist die resultierende Legierung in dem Spurmuster homogen Ga0,6Al0,4As aufgrund der Vermischung der Ga- und Al-Atome in der Schmelzspur. Dies ist also eine Form der Modifikation in Querrichtung der Bandlücken- und Brechungsindex-Eigenschaften der durch die Strahlungsspur verfolgten Bereiche wobei diese Eigenschaften verschieden sind, verglichen mit den Bereichen, in denen der Strahl nicht entlanggefahren ist.
Es wird nun Bezug auf Fig. 3 genommen. Diese zeigt einen Laser mit verborgener Heterostruktur (buried heterostructure; BH), der unter Anwendung des vorstehend beschriebenen EBILD-Verfahrens hergestellt wurde. Der BH-Laser 19 umfaßt ein n-GaAs- Substrat 21, auf dem epitaxial die folgenden Schichten unter Anwendung eines herkömmlichen MOCVD-Verfahrens abgeschieden wurden: n-GaAs-Pufferschicht 23, n-Ga1-xAlxAs- Verbundschicht 25, undotierter aktiver Bereich 27, der ein Quantenloch (quantum well) aus GaAs, einer p-Ga1-xAlxAs-Verbundschicht 31 und eine p&spplus;-GaAs-Abdeckschicht 33 umfaßt. Wie in diesem Bereich der Technik wohlbekannt ist, kann der aktive Bereich 27 auch entweder eine einzelne aktive Schicht sein, die keine Quantengrößen-Effekte zeigt, oder ein Mehrfachquantenloch (multiple quantum well) oder ein treppenstufenartiges Quantenloch (stair step quantum well) sein. Nach Beendigung des epitaxialen Wachstums dieser Schichten wird die Vorrichtung von Fig. 1 zum Schmelzen der Kristallbereiche in der Abdeckschicht 33, der Verbundschicht 31 und dem aktiven Bereich 27 unter Bildung eines Paars räumlich voneinander getrennter, hinsichtlich ihrer Eigenschaften veränderter Legierungsbereiche 35 in einer Richtung aus der Ebene von Fig. 3 heraus eingesetzt. Hinsichtlich ihrer Eigenschaften veränderte Bereiche 35 bestehen aus einer gemittelten Legierung aus Ga1-x'Alx'As, worin x' > x gilt, die eine breitere Bandlücke und einen niedrigeren Wert des Brechungsindex aufweist, verglichen mit dem restlichen Wellenleiterbereich zwischen Regionen 35, die ein Wellenleiterbereich 37 für den Betrieb als Laser nach vollständigem Anschluß der Stromkontakte und Implantation von Protonen zur Strombeschränkung in dem Wellenleiterbereich bilden. Dieses in zwei Schritten ablaufende Verfahren kann auch zur Bildung von mit einem Muster versehenen Bereichen der Leitfähigkeit in Strukturen von Vorrichtungen angewendet werden, in dem ausgewählte Bereiche unter Einbau einer Verunreinigung in diese Bereiche geschmolzen werden, um die Höhe der spezifischen Leitfähigkeit dieser Bereiche zu verändern. So wird also dieses in zwei Schritten ablaufende EBILD-Verfahren summarisch wie folgt zusammengefaßt:
(1) Bereitstellung einer Halbleiter-Heterostruktur; und
(2) Anwendung eines Abtast-Energiestrahls unter Computersteuerung, der auf die Probe fokussiert ist, um selektiv die Eigenschaften von Bereichen der Probe durch Umwandlung eines Teils der darunter liegenden Kristallstruktur in ihre flüssige Phase zu verändern.
Wo angemessen, kann die Heterostruktur auf eine Temperatur gerade unterhalb der Temperatur erwärmt werden, die zur Erreichung einer schnellen thermischen Eigenschaftsänderung erforderlich ist, beispielsweise im Bereich von 600ºC bis 1000ºC, um die Umwandlung in die flüssige Phase zu erleichtern. Die Anwendung dieses Verfahrens hat bedeutende Vorteile insbesondere gegenüber der Anwendung des IID-Verfahrens als solchem. Zum einen ist das Verfahren oder die Verfahrensweise gemäß der vorliegenden Erfindung ein Direktschreibverfahren, d. h. Halbleitervorrichtungen und -strukturen können mit einer Präzision im Mikrometerbereich unter Anwendung des Abtastmusters eines Energiestrahls geschaffen werden. Photolithographische Maskierverfahren sind nicht erforderlich. Im Fall der Gegenwart oberflächeninitiierter Verunreinigungen, wie dies in der US-A 2,378,255 und der US-A 4,511,408 und den vielen Publikationen, die derzeit im Bereich der Durchführung dieses IID-Verfahrens existieren, ist anfänglich in gewissem Umfang eine Definition der Oberfläche zum Kontakt der Oberfläche mit einer Verunreinigung zur Diffusion oder Implantation in die Probe erforderlich. Dies ist bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich. Zum zweiten können durch Verändern der Laserenergie (W/cm²) oder der Geschwindigkeit des Abtastens oder der Größe des Lichtpunkts der Strahlung oder einer Kombination dieser Merkmale die Tiefe der Grenzfläche zwischen dem hinsichtlich seiner Eigenschaften veränderten Bereich und dem wie gewachsenen Bereich gesteuert werden. Zum dritten tritt ein sehr scharfer Übergang an der Grenzfläche zwischen dem hinsichtlich der Eigenschaften veränderten Bereich und den wie gewachsenen Bereich auf, beispielsweise von einer Breite von 20 nm, verglichen mit dem eigentlichen IID-Verfahren und mit bekannten BH-Strukturen an der Grenzfläche des aktiven Bereichs, worin die Grenzfläche 70 bis 80 nm breit ist. Schmale Übergangsgrenzen werden ein sehr wichtiges Ziel, wenn es um aktive Bereiche schmaler Breiten von 5 um oder weniger gibt.
Wenn außerdem eine Verunreinigung auf der Oberfläche der Probe in einer Verkapselungsschicht oder innerhalb der Grenze des oberen Bereichs oder der Oberflächenschicht der Probe 10 abgeschieden ist, wird die Verunreinigung in die Kristallschmelze in einer Konzentration eingebaut, die gleich der Flüssiglöslichkeit der Verunreinigung in der Legierung ist. Die flüssige GaAlAs-Schmelze kann die Verkapselungsschicht zersetzen und lösliche Spezies in die Schmelze absorbieren. Die Schwierigkeit eines Transports einer Verunreinigung durch eine Kristallgrenzfläche in die Kristallstruktur, wie sie beim IID- Verfahren auftritt, wird dadurch vermieden. Außerdem sinkt auch die Diffusionszeit in hohem Maße, und die Reproduzierbarkeit wird gegenüber dem eigentlichen IID-Verfahren erhöht.
Bei Verfestigung bleibt die Verunreinigung in der musterartig aufgebrachten Legierung in großen Konzentrationen, d. h. in Konzentrationen, die absichtlich diejenigen einer normalen Dotierung überschreiten und gleich sind der Festlöslichkeit des Materials. Um ein Beispiel einer derartigen, in Form eines Musters aufzubringenden Probe zu geben: Die Probe 10 kann GaAs-Ga1-xAlxAs-Schichten oder ein Übergitter (superlattice) aus GaAs-Ga1-xAlxAs umfassen, die anfänglich mit einem dünnen Film einer Verunreinigung oder einer Verunreinigung, die in einer Oberflächenschicht eingekapselt ist, z. B. Si, SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4; oder ZnAs, beschichtet sein. Die Probe wird danach in der in Fig. 1 veranschaulichten Weise abgetastet. Zur Einkapselung in die Oberflächenschicht können mehr als eine Verunreinigung oder eine Kombination von Verunreinigungen ausgewählt werden. Die Verunreinigungen, die in der Verkapselungs-Oberflächenschicht für die Verbindungen und Legierungen der Gruppen 111 bis V des Periodensystems der Elemente enthalten sein können, können beispielsweise Ge, Se, Mg, O, S, Be, Te, Si, Mn, Zn, Cd, Sn, Cr oder V oder deren Mischungen sein. Die Verunreinigung wird in die Kristallschmelze in Bereichen, die von dem Strahl 14 aufgezeichnet werden, eingebaut, und die Verunreinigung wird in die Kristallschmelze in einer Konzentration eingebaut, die gleich ist der Flüssiglöslichkeit der Verunreinigung in der durch das Vermischen der heterogenen Schichten miteinander hergestellten Legierung. Bei Verfestigung liegt die Verunreinigung in großen Konzentrationen in der Legierung vor, beispielsweise im Fall von Si in einem Bereich von etwa 10¹&sup8; bis 10²¹ Atome/cm³.
Wenn Verbindungen anderer Gruppen als der Gruppen III bis V in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise Verbindungen der Gruppen II bis VI des Periodensystems, kann die obige Liste von Verunreinigungen so erweitert werden, daß sie B, N, C, Al, P, Ga, As, In, Sb Hg, Pb und Bi einschließt.
Die Verwendung der Begriffe "Verkapselungs-Oberflächenschicht für die Verunreinigung" in dem in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Kontext bedeutet, daß die Oberflächenschicht, die die Probe oder Struktur bedeckt, eine Verbindung oder ein Element der gewünschten Verunreinigung bei der Herstellung zum nachfolgenden Einbau in darunter liegende Schichten über die flüssige Phase ist. Es ist also die darunter liegende Struktur und nicht die Verunreinigung, die eingekapselt ist. Die Verunreinigungs-Einkapselungs- Oberflächenschicht kann verschiedene Formen annehmen. Die Verunreinigung kann direkt auf der Oberfläche der Probe entweder durch Sputtern, Verdampfen oder Abscheiden aus der Dampfphase abgeschieden werden. Andererseits kann die Verunreinigung, z. B. Si, durch Sputtern, Verdampfen oder Abscheiden aus der Dampfphase in Form einer Verbindungsschicht abgeschieden werden, z. B. Si&sub3;N&sub4;. Diese wird beim Abtasten mit der Strahlung pyrolytisch und chemisch zersetzt. Außerdem kann die Verunreinigung in hohen Konzentrationsmengen in Form von Clustern oder Spikes, die in dem oberen Bereich der Probe oder in der obersten Schicht der Probe enthalten sind, während des epitaxialen Wachstums der Probe abgeschieden werden, z. B. Si-Cluster, die in eine obere GaAs- Schicht eingebettet sind. Außerdem kann die Verunreinigung als Monoschicht oder Submonoschicht oder in Abstand voneinander angeordnete mehrere derartige Schichten im oberen Bereich der Probe oder in der oberen Schicht der Probe während des epitaxialen Wachstums der Probe angeordnet werden. Alle diese Beispiele werden nachfolgend bezeichnet als "Einkapselungs-Oberflächenschicht mit einer Verunreinigung".
Die Verunreinigung wird in der Verkapselungsschicht in überschüssig großen Mengen bereitgestellt, d. h. in einer Menge, die offenbar reichlich und in übermäßiger Menge vorhanden ist, um eine in fester Phase vorliegende Ausgangssubstanz für die Verunreinigung zum Einbau und zur nachfolgenden Veränderung der Eigenschaften oder zur Veränderung der spezifischen Leitfähigkeit bereitzustellen.
Die Gegenwart der Verunreinigung in derart großen Konzentrationen führt zu einigen Vorteilen. Beispielsweise kann mit einem Einbau von Si in eine Probe 10 aus GaAs- Ga1-xAlxAs eine Erweiterung oder Wanderung der Grenzfläche veränderter Bereich/wie gewachsener Bereich durch Anwendung des IID-Verfahrens bewirkt werden. Die Probe 10 kann auf eine bestimmte Temperatur, beispielsweise im Bereich von 800ºC bis 900ºC, für eine ausreichende Zeit erwärmt werden, um zu erreichen, daß hohe Konzentrationen der Si- Verunreinigung tiefer in die Probe diffundieren und damit entweder isotrop oder anisotrop den Bereich der hinsichtlich seiner Eigenschaften veränderten Legierung vom ursprünglichen Bereich der erneuten Schmelze des Kristalls bis zu einer Tiefe von einigen Mikrometern zu vergrößern. Durch Steuerung der Laserleistung (W/cm²) oder der Geschwindigkeit des Abtastens des Strahls 14 kann die Tiefe und seitliche Breite der Grenzfläche hinsichtlich seiner Eigenschaften veränderter Bereich/wie gewachsener Bereich variiert werden und im Hinblick auf die endgültige Position der Grenzfläche in der Heterostruktur bestimmt werden.
Die Einbeziehung einer Verunreinigung in die hinsichtlich der Eigenschaften veränderten Schmelze kann auch zum Zweck der Ausbildung einer neuen Legierung erfolgen, die die Verunreinigung und die Bestandteile der Schmelze umfaßt.
Dieses aus drei Schritten bestehende Verfahren wird wie folgt summarisch zusammengefaßt:
(1) Bereitstellung einer Oberflächenschicht mit einer verkapselten Verunreinigung;
(2) Anwendung von Abtast-Energiestrahlung unter Computersteuerung, die auf die Probe fokussiert ist, um Bereiche der Probe selektiv durch Umwandlung eines Teils der darunter liegenden Kristallstruktur in die flüssige Phase hinsichtlich der Eigenschaften zu verändern, sowie Einbau großer Konzentrationen der Verunreinigung in den Bereich der erneuten Schmelze; und
(3) Anwendung des IID-Verfahrens, um die Grenzfläche hinsichtlich der Eigenschaften veränderter Bereich/wie gewachsener Bereich des erneut geschmolzenen und anfänglich hinsichtlich seiner Eigenschaften veränderten Bereichs weiter in die Kristallmasse der Probe auszudehnen oder zu vergrößern.
Die Anwendung dieses Verfahrens hat einige schwerwiegende Vorteile insbesondere gegenüber der Anwendung des IID-Verfahrens als solchem. Zum einen ist die Verfahrensweise oder Vorgehensweise gemäß der vorliegenden Erfindung ein Direktschreibverfahren. Das bedeutet, daß Halbleitervorrichtungen und -strukturen mit im Mikrometerbereich liegender Präzision unter Verwendung des Abtastmusters eines Energiestrahls geschaffen werden können. Photolithographische Maskenverfahren sind nicht nötig. Im Fall einer oberflächeninitiierten Verunreinigung, wie sie in den Druckschriften US-A 2,378,255 und 4,5 11,408 und in den vielen anderen Publikationen gelehrt wird, die derzeit im Bereich dieses IID-Verfahrens existieren, ist anfänglich in gewissem Umfang eine Definition der Oberfläche zum Kontakt der Oberfläche mit einer Verunreinigung zur Diffusion oder Implantation in die Probe erforderlich. Dies ist bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.
Zum zweiten sind im Bereich der Probe in hohem Maße gesteuerte Tiefen und Breiten des Bereichs veränderter Eigenschaften möglich, da die anfängliche Einbringung einer hohen Konzentration der Verunreinigung innerhalb des Kristalls wie ein "unbeschränkter" Vorrat für die Verunreinigung wirkt und einen homomorphen Knoten- oder Keimbereich für die nachfolgende einheitliche Dispergierung der Verunreinigung in dem Probenkristall zur eigenschaftsverändernden Wanderung der Grenzfläche hinsichtlich der Eigenschaften veränderter Bereich/wie gewachsener Bereich wirkt. Es wurde gefunden, daß durch Starten des IID-Verfahrens mit einem homogenen Knoten oder Keim einer hohen Konzentration an Verunreinigung in der Legierung, der durch ein anfängliches Schmelzen in der Probe erzeugt wurde, die Ausdehnung oder Vergrößerung dieses Knotens oder Keims und nachfolgend der Kristallschichten beim oberflächeninitiierten IID-Verfahren möglich ist. Beim EBILD-Verfahren wird die Verunreinigung anfänglich über ein erneutes Schmelzen eingebaut, so daß der Widerstand der Oberfläche gegen eine Diffusion beim nachfolgenden IID-Verfahren keine Rolle spielt. Dies führt zu kürzeren Temperzeiten, wenn danach das IID-Verfahren angewendet wird. Zum dritten ist für das EBILD-Verfahren eine stark verkürzte Temperzeit erforderlich, verglichen mit dem oberflächeninitiierten IID-Verfahren. Beispielsweise beträgt die Zeit der weiteren Wanderung der Grenzfläche hinsichtlich der Eigenschaften veränderter Bereich/wie gewachsener Bereich des Verunreinigungs- /Legierungsknotens in die Probe für eine zusätzliche Tiefe von 1 um bei Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung etwa 1,0 h, während dann, wenn das oberflächeninitiierte IID-Verfahren als solches angewendet wird, die Zeit zur Erreichung derselben Tiefe signifikant länger ist, z. B. etwa 8 oder mehr Stunden. Im allgemeinen betrugen die Temperzeiten beim IID-Verfahren 8 h bis manchmal sogar 32 h. Demgegenüber liegen die Temperzeiten beim EBILD-Verfahren zwischen 0,5 und 8 h. Die kürzere Temperperiode führt zu der Wahrscheinlichkeit, daß keine signifikanten Veränderungen des Kristalls oder kein Abbau eintritt, verglichen mit den bei hoher Temperatur ablaufenden, längeren Temperzeiten beim IID-Verfahren.
Zum vierten ist wegen der vorstehend genannten vier Vorteile mit der Anwendung des EBILD-Verfahrens der vorliegenden Erfindung eine im vollen industriellen Umfang ablaufende Fabrikation von Halbleitervorrichtungen auf kontinuierlicher, reproduzierbarer Basis möglich, was aus praktischer Sicht nicht möglich ist, wenn man das oberflächeninitiierte IID-Verfahren anwendet. Diese vier Vorteile existieren wegen der unterschiedlichen Anfangsbedingungen, die vor der Anwendung des Schritts des IID-Verfahrens existieren. Die Verunreinigung - um mit dieser zu beginnen - wurde in hoher Konzentration nahezu homogen in den Kristallbereich eingebaut. Außerdem liegt die Verunreinigung mehr als reichlicher Menge zur nachfolgenden Veränderung der Eigenschaften vor, so daß irgendwelche Probleme, die mit der molekularen Grenzfläche am Zusammentreffen der Oberflächenschicht mit der obersten Schicht der Heterostruktur oder zwischen nachfolgenden Heterostrukturschichten der Heterostruktur verbunden sind, vermieden werden. Ein Beispiel eines derartigen Problems ist die reduzierte Fusionsgeschwindigkeit, die bei dem IID- Verfahren als solchem beobachtet wird, bei gelegentlichem Blockieren der Diffusion durch undotierte Schichten, die in der Heterostruktur zugegen sind.
Zusätzlich zum Mischen von Übergitterschichten oder anderen Heterostrukturschichten baut so das EBILD-Verfahren Verunreinigungen, die in der Verkapselungs-Oberflächenschicht zugegen sind, in das nachgewachsene Material ein. Beispielsweise ist das Laser-Energieniveau von 300 mW (äquivalent etwa 1300ºC bei einem auf 1 um fokussierten Lichtpunkt) nicht ausreichend zum Schmelzen von Si (Schmelzpunkt von etwa 1412ºC). Trotzdem löst sich elementares Si, das in einer Verkapselungs-Oberflächenschicht zugegen ist, in die GaAlAs-Schmelze in großen Konzentrationen, z. B. Si mit etwa 10²&sup0; Atomen/cm³. Ein nachfolgender thermischer Temperschritt führt dazu, daß sich das IID-Verfahren von dem nachgewachsenen Bereich verbreitet. So kann die Grenzfläche des hinsichtlich seiner Eigenschaften veränderten Bereichs/wie gewachsenen Bereichs in steuerbarer Weise und in vorhersagbarer Weise über die Grenzfläche des nachgewachsenen Bereichs/wie gewachsenen Bereichs hinaus bewegt werden, und das EBILD-Verfahren dient als in hohem Maße gesteuertes Direktschreibverfahren für eine IID-Behandlung unter Musterbildung.
Es wird nun auf die restlichen Figuren Bezug genommen, die die Anwendung der Verfahrensweise, die die vorliegende Erfindung umfaßt, unter Bezugnahme auf Proben veranschaulicht, die durch das Verfahren hergestellt werden. Wie Fachleuten in diesem Bereich der Technik offenbar ist, erfolgt die Anwendung dieses Verfahrens unter Bezugnahme auf diese Beispiele nur aus Gründen der Deutlichkeit und beschränkt die Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Form.
Fig. 4 zeigt eine Scanning- Elektronenmikroskopie-Photographie (S EM-Photographie) eines in hohem Maße vergrößerten Querschnitts der Übergitterprobe 30 nach Abtasten bei 100 um/s mit einem 300 mW-Laserstrahl 14 mit einer Größe des fokussierten Lichtpunkts von l um. Das wie gewachsene Übergitter 32 umfaßt undotierte GaAs-Schichten 32 a (die helleren seitlichen Schichten in Bereich 32 von Fig. 4), von denen jede eine Dicke von etwa 35 nm hat, abwechselnd mit Ga1-xAlxAs-Schichten 32 b, von denen jede eine Dicke von etwa 35 nm aufweist und worin die Bruchzahl x für Kationen gleich 0,8 war. Der helle Bereich oben auf dem Übergitter 32 sind Verkapselungs-Oberflächenschichten 34, die eine erste Schicht aus Si, das auf dem Übergitter 32 durch Verdampfen abgeschieden wurde und eine Dicke von etwa 50 nm aufweist, und eine zweite Abdeckschicht aus Si&sub3;N&sub4; mit einer Dicke von etwa 150 nm umfaßt. In Fig. 4 ist die offensichtlich auftretende Welligkeit oder Nichteinheitlichkeit der Übergitterschichten ein Artefakt des Scanning-Elektrononenmikroskops (SEM). Der durch die Abtaststrahlung gebildete, hinsichtlich seiner Eigenschaften veränderte Bereich 36 ist 3 um breit und umfaßt umkristallisiertes Ga1-xAlxAs, worin die Molenbruchzahl x nun etwa 0,4 ist. Dieses wurde im Nachgang des Abtast-Energiestrahls gebildet. In der flüssigen Phase mischen sich die Kristallschichten aus GaAs und AlxGa1-xAs schnell vor der erneuten Kristallisation, so daß der nachgewachsene Bereich 36 im wesentlichen homogen erscheint. In dem nachgewachsenen Bereich 36 werden die schwachen Wirbelmuster, von denen angenommen wird, daß sie in gewissem Umfang ein nicht vollstandiges Vermischen anzeigen, nur bei hohen Laser-Energiewerten beobachtet. Da die in Fig. 4 gezeigte Probe mit einer gegenüber Defekten empfindlichen A-B-Ätzung gefärbt ist, zeigt die Glattheit des nachgewachsenen Bereichs 36 die Abwesenheit irgendwelcher starken Kristallschäden. Wenn Schäden auftreten, sind dunkle Punkte deutlich sichtbar, und zwar üblicherweise nahe der Oberfläche im Zentrum des nachgewachsenen Bereichs 36. Der homogene Kristallbereich 36 zeigt einen sehr scharfen Übergang einer Breite von etwa 340 nm an der Grenzfläche 38 der hinsichtlich ihrer Eigenschaften geänderten und wie gewachsenen Bereiche.
Die Verunreinigung wie beispielsweise Si kann eine wichtige Rolle im EBILD-Verfahren spielen. Es ist anzumerken, daß diese Art der Abtastung mit Laserstrahlung eine inhärente Instabilität aufweist, da das Reflexionsvermögen der Probe dramatisch beim Einsetzen des Schmelzens des Kristallmaterials ansteigt. Als Ergebnis zeigt sich üblicherweise eine "negative Rückkopplung", was bei einem oszillierenden Schmelzmuster auf der Probenoberfläche endet. Da die Si-Schicht nicht vollständig schmilzt, liefert sie ein konstanteres Niveau der optischen Absorption und dämpft so die Bildung dieser Oszillationen. Die Beobachtung zahlreicher abgetasteter Proben zeigt eine gleichzeitige Reduktion der thermisch induzierten Schädigung in dem erneut geschmolzenen, wie gewachsenen Kristall an. Außerdem verringert die Gegenwart der Verunreinigungsschicht aus elementarem Si den Wert der Laserenergie zum Schmelzen um etwa 40%, verglichen mit dem Fall, in dem keine Verunreinigungs-Verkapselungsschicht verwendet wird. Darüber hinaus dienen die Si-Si&sub3;Ni&sub4;- Oberflächenschichten 34 als bessere Antireflexionsschichten für geschmolzenes GaAlAs als Si&sub3;Ni&sub4; als solches.
Wegen des Fehlens irgendeiner Oberflächen-Diffusionsbarriere und der hohen Si- Konzentration in dem umkristallisierten Bereich 36 kann der Bereich 36 als ausgezeichnete Quelle für den nachfolgenden IID-Temperschritt dienen. In Fig. 5 ist ein mit einem SEM aufgenommener Querschnitt nach dem Abtasten (Fig. 5a) und nach einem folgenden thermischen Temperschritt bei 850ºC über 8 h (Fig. 5b) gezeigt. Der Energiewert des Abtast-Laserstrahls betrug 400 mW, und die Abtast-Geschwindigkeit betrug 100 um/s. Der nachgewachsene Bereich 36 in Fig. 5a hat eine Tiefe von 0,5 um und eine Halbbreite von 1,0 um. Nach dem Abtasten mit Strahlung werden die Si-Si&sub3;N&sub4;-Oberflächenschichten 34 in einem CF&sub4;/O&sub2;-Plasma entfernt, und eine Schicht aus Si&sub3;N&sub4; - ohne Gegenwart irgendeiner Schicht von elementarem Si - wird als Abdeckschicht für den nachfolgenden IID- Temperschritt abgeschieden, um das Abdiffundieren von Arsen von der Probe zu verhindern. Diese Verfahrensweise ist in diesem Bereich der Technik wohlbekannt.
Nach einem Temperschritt für 8 h bei 850ºC hat der ursprüngliche, Si-induzierte, hinsichtlich seiner Eigenschaften veränderte Bereich 36 - wie dies in Fig. 5b gezeigt ist - die Kristallgrenzfläche 38 des hin sichtlich seiner Eigenschaften veränderten Bereichs/wie gewachsenen Bereichs etwa 2,3 um tiefer in die Kristallstruktur bis zu einer neuen Grenzfläche 38' ausgedehnt. Während dieses Temperverfahren s diffundierte eine ausreichende Menge der Si-Verunreinigung von der Si&sub3;N&sub4;-Abdeckschicht 40 in den Oberflächenbereich der Probe 30, um einen 1 um tiefen Bereich 42 im Bereich der gesamten Probe zu verändern. Das Profil des anfänglichen nachgewachsenen Bereichs 36 ist im Zentrum von Bereich 36' von Fig. 5b ersichtlich. Ebenfalls in Fig. 5b gezeigt ist das Oszillationsmuster 44 in der Oberflächenspur des Abtast-Laserstrahls 14 und die Kontur der ursprünglichen Grenzfläche 38 zwischen dem hin sichtlich seiner Eigenschaften veränderten und dem wie gewachsenen Bereich. Fig. 5c ist eine noch mehr vergrößerte Ansicht der Grenzfläche 38' zwischen dem hinsichtlich der Eigenschaften veränderten und dem wie gewachsenen Bereich. Die Schärfe des Übergangs beträgt etwa 70 nm (Breite). Dies steht in vorteilhaftem Vergleich mit Standardergebnissen vom oberflächeninitiierten IID- Verfahren. Jedoch kann durch Veränderung der Menge der Laserenergie relativ zur Abtastgeschwindigkeit und Einstellen der Länge der Zeit des nachfolgenden IID-Temperschritts die Tiefe der Grenzfläche 38' im Anschluß an den nachfolgenden IID-Temperschritt präzise vorausgesagt und auf die gewünschte Tiefe und seitliche Penetration eingestellt werden. Außerdem ist die Zeitdauer bis zum Erhalt einer gegebenen Tiefe der Eigenschaftsveränderung beim EBILD-Verfahren im Vergleich zum IID-Verfahren signifikant kürzer.
In Fig. 6 sind die Tiefe D und die Halbbreite H des hinsichtlich seiner Eigenschaften veränderten Bereichs 36 vor dem IID-Verfahren über thermisches Tempern gemessen worden, wie dies durch Kurve (a) (die für die Tiefe steht) und Kurve (b) (die für die Halbbreite steht) als eine Funktion der Energie des Energiestrahls wiedergegeben ist. Die Kurven (c) bzw. (d) geben die Tiefe D und Halbbreite H des hinsichtlich seiner Eigenschaften veränderten Bereichs 36' wieder, die gemessen wurden nach IID-Behandlung über thermisches Tempern, als Funktion der Energie des Energiestrahls wieder. Die Messungen, aufgenommen von den SEM-Querschnitten der gemessenen Proben, zeigen das Einsetzen des Schmelzens bei einem Wert der Laserenergie von 175 mW an. Wenn der Energiewert erhöht wird, erhöht sich die Schmelztiefe linear mit einer ungefähren Steigung von 2,3 um/W.
Die Tiefe und seitliche Ausdehnung der Grenzfläche 38 zwischen dem hinsichtlich seiner Eigenschaften veränderten Bereich und dem wie gewachsenen Bereich ist relativ gut voraussagbar in Bezug auf die Menge der anfänglich angewendeten optischen Energie des Energiestrahls. Von Wichtigkeit ist jedoch, daß steigende Anteile thermisch induzierter Schädigung der Kristallstruktur bei Werten der optischen Energie oberhalb von 4 mW beobachtet werden.
Wie vorstehend angegeben, zeigen Messungen an, daß die Länge der Diffusion der Si- Verunreinigung bei thermischem Tempern im Rahmen des IID-Verfahrens etwa 2,5 um beträgt, entsprechend einer Diffusionskonstante von 2,0·10¹² cm²/s. Dieser Wert ist etwas größer als in Berichten wiedergegebene Ergebnisse für das oberflächeninitiierte IID- Verfahren worin die Konzentration an Si-Verunreinigung in dem hinsichtlich seiner Eigenschaften veränderten Material niedriger ist und der Prozeß der Diffusion der Verunreinigung wahrscheinlich bei anfänglichem Einführen an der Oberfläche der Probe verzögert ist. Anzumerken ist, daß große Konzentrationen an Si die Diffusionskonstante erhöhen und die Empfindlichkeit der Diffusion gegenüber Unterschieden in den Kristallparametern wie beispielsweise der Prozentmenge Al, die in den Heterostrukturschichten zugegen ist, minimiert. So erhöht die Gegenwart übermäßig hoher Mengen der Verunreinigung die Zuverlässigkeit der vorhersagbaren Bestimmung der Tiefe und seitlichen Ausdehnung der EBILD-Eigenschaftsveränderung, die in der Kristallmasse bewirkt wird.
Um also einige der vorstehend genannten Vorteile gegenüber dem oberflächeninitiierten IID- Verfahren zu wiederholen: Die Vorteile der Verwendung eines Laser-Abtastsystems zum Einbau einer Verunreinigung wie beispielsweise Si, das in hoher Konzentration in einer Verkapselungs-Oberflächenschicht zugegen ist, sind dreifach. Zum einen schmilzt die Si- Verunreinigung nicht während der Flüssigphase-Schmelze des Spurenmusters auf der Probe, sondern löst sich schnell in die darunter liegende geschmolzene, hinsichtlich ihrer Eigenschaften veränderte Legierung. Dies eliminiert die Schwierigkeiten, die an der Si- GaAs-Grenzfläche auftreten könnten, beispielsweise während des oberflächeninitiierten IID- Verfahrens, wobei die Si-Verunreinigung mit einer größeren Geschwindigkeit seitlich entlang einer solchen Grenzfläche in die Kristallmasse der Probe diffundiert. Zum zweiten kann das Muster für die Aufbringung der Si-Verunreinigung mit einem Direktschreibverfahren aufgebracht werden, ohne daß die Notwendigkeit für irgendein photolithographisches Verfahren besteht. Diese Möglichkeit ist wichtig, damit ein in situ ablaufendes Fabrikationsverfahren für integrierte optoelektronische Schaltkreise in der Kristallwachstumskammer bereitgestellt werden kann. Zum dritten ist die erforderliche Diffusionszeit um etwa 4 bis 8 h gegenüber dem normalen oberflächeninitiierten IID-Verfahren verringert, d. h. der am Schluß ablaufende Schritt zur Veränderung der Eigenschaften in dem EBILD-Verfahren verläuft in hervorragender Weise unter Bereitstellung eines anfänglichen Knotens aus hinsichtlich der Eigenschaften veränderter Legierung und Verunreinigung. Außerdem erweist sich die Variation der Tiefe der Eigenschaftsveränderung über Änderungen der Laserenergie oder der Abtastgeschwindigkeit oder der Größe des Laserlichtpunkts als nützlich bei der Herstellung einzigartiger integrierter Vorrichtungen, die monolithisch verschiedene Tiefenwerte der veränderten Bereiche in den Halbleiter-Heterostrukturen erfordern.
Bei Halbleiter-Laservorrichtungen ist es wohlbekannt, daß Quantenloch-Laser mit verdeckter Heterostruktur (buried heterostructure; BH) den niedrigsten Schwellenstrom und die höchste Effizienz von allen Formen von Festkörper-Diodenlasern gemäß dem derzeitigen Stand der Technik zeigen. Jedoch wird das EBILD-Verfahren gemaß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Niedrigschwellen-(6 mA)-BH-Heterostruktur-Lasern eingesetzt, in denen der Schritt der photolithographischen Herstellung von Masken, der bei dem oberflächeninitiierten IID-Verfahren erforderlich ist, eliminiert ist und die Zeitdauer der Anwendung des nachfolgenden thermischen IID-Temperschritts signifikant reduziert ist. Dadurch werden mögliche Effekte der Schädigung des Kristalls verringert. Während das Auftreten des Laser- Wellenleiters sehr ähnlich den Wirkungen ist, die bei Anwendung des oberflächeninitiierten IID-Verfahrens möglich sind, schließen die Vorteile des EBILD-Verfahrens die in hohem Maße verringerte Temperzeit ein, die bei der Herstellung der verdeckten Heterostruktur erforderlich ist. Außerdem wird das EBILD-Verfahren durch eine Direktschreibfähigkeit bewirkt, bei der ein Linienmuster der Eigenschaftsveränderung leicht mit Präzision im kleinen Mikrobereich erzeugt werden kann, der bei veränderter Tiefe und Halbwertsbreite gesteuert ist, was nicht in einfacher Weise mit dem oberflächeninitiierten IID-Verfahren möglich war.
Fig. 7a ist eine SEM-Photographie des Querschnitts eines BH-Lasers, der unter Anwendung des EBILD-Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Die epitaxialen Schichten des BH-Lasers, der aus Probe 50 gebildet wurde, wurden in herkömmlicher Weise über metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) aufgebracht und bilden eine getrennte Einschluß-Doppel-Heterostruktur, die aus einer mit Se dotierten GaAs-Pufferschicht 53 mit einer Dicke von etwa 300 nm auf einem GaAs- Substrat 52, einer mit Se dotierten unteren Einschluß- oder Verbundschicht 54 aus Ga0,15Al0,85As mit einer Dicke von etwa 1,0 um, einem aktiven Treppenstufen-Quantenlochbereich 56, der ein einzelnes Quantenloch aus GaAs mit einer ungefähren Decke von 10 nm in einem undortierten Al0,25Ga0,75As-Wellenleiterbereich einer Dicke von etwa 150 nm, eine mit Mg dotierte obere Einschluß- oder Verbundschicht 58 aus Al0,85Ga0,15As mit einer Dicke von etwa 900 nm und eine mit Zn dotierte GaAs-Abdeckschicht 60 einer Dicke von etwa 150 nm umfaßt. Zum Schluß werden aus Si (Dicke: 40 nm) und Si&sub3;N&sub4; (Dicke: 90 nm) bestehende Verkapselungs-Oberflächenschicht 62 und 64 durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase abgeschieden.
Nach Kristallwachstum erfolgte eine Laserstrahl-Abtastung unter Bereitstellung von Bereichen niedriger Bandlücke und höheren Brechungsindex unter Bildung eines optischen Wellenleiters und eines verdeckten aktiven Bereichs für die Lasertätigkeit. Die Abtastgeschwindigkeit betrug 100 um/s, und die anfängliche Energie an der Probenoberfläche betrug etwa 200 mW. Dieser Energiewert wurde eingestellt, um zu erreichen, daß der geschmolzene umkristallisierte Bereich 66 etwa 1,0 um tief und etwa 1,8 um breit wurde. Zur Herstellung von aus einem Streifen bestehenden BH-Laservorrichtung umfaßt das Abtastmuster Linienpaare hinsichtlich ihrer Eigenschaften geänderter Bereiche 65, die mit Si gemischt sind, wobei jede geänderte Linie von einer anderen um 8 um entfernt ist und auf 0,5 nm-Zentren angeordnet ist. Obwohl das laserinduzierte Nachwachsen aus der flüssigen Phase die Kristall-Heterostruktur-Probe 50 bis hinunter zu dem aktiven Bereich 56 verändert, dehnte ein darauf folgender thermischer Temperschritt bei 850ºC für eine Zeit von 0,7 h die hinsichtlich ihrer Eigenschaften veränderten Bereiche 65 durch den aktiven Bereich 56 unter Schaffung einer Wellenleiterstruktur 66 zwischen diesen Bereichen aus, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist.
Unter Verbesserung der charakteristischen elektrischen Eigenschaften des Lasers 50 wird Zn in die obere Einschlußschicht 58 diffundiert. Nach der Diffusion wird eine dicke Photoresist-Schicht verwendet, um die Oberfläche des Wellenleiterbereichs 66 selektiv zwischen den Abtastbereichen 60 zu schützen. Ein nachfolgendes Bombardieren mit Protonen (PBB) in den Bereich 68 in Fig. 7b beschränkt effektiv die Strominjektion auf den Wellenleiterbereich 66. Die Probe 50 wird danach in herkömmlicher Weise zu diskreten Laservorrichtungen mit einer Länge von 0,25 mm und einer Breite von 0,5 mm verarbeitet.
Der durch die hinsichtlich ihrer Eigenschaften geänderten Bereiche 65 in Fig. 7a gebildete Wellenleiterbereich 66 ist eine etwa 4,5 um breiter Wellenleiter. Die geänderten Bereiche 65 aus Ga1-x'Alx'As haben einen Molenbruch x' von etwa 0,7 und zeigen einen ziemlich scharfen Übergang an der Grenzfläche 69 zwischen hinsichtlich der Eigenschaften geänderten Bereich und wie gewachsenen Bereich von etwa 100 nm. Der Rückgang des Brechungsindex und der Anstieg der Bandlücke der veränderten Bereiche 65 sorgen für die seitliche optische und Trägerbeschränkung, die für den BH-Laserbetrieb erforderlich ist.
Fig. 7b ist eine vergrößerte Ansicht des hinsichtlich der Eigenschaften Bereichs 65 in Fig. 7a zur linken Seite (wie in der Figur anzuschauen) des Wellenleiters 66. Das Bombardieren mit Protonen (PBB) wird durch Pfeile 72 angezeigt und wird auf die Bereiche gerichtet, die dem Wellenleiter 66 benachbart sind, um wirksam den Strom in diesen Bereichen zu blockieren und den Strom zu dem Wellenleiter 66 zu beschränken. Die charakteristischen Licht-gegen-Strom-Eigenschaften für zwei so hergestellte BH-Laservorrichtungen sind in Fig. 8 zusammen mit spektralen Daten gezeigt. Die Kurve a in Fig. 8 ist eine L-I-Kurve für Pulsstrombedingungen und veranschaulicht, daß der Schwellenstrom Ith der getesteten Vorrichtung etwa 6,2 mA beträgt. Die Kurve b in Fig. 8 ist eine L-I- Kurve für CW-Strombedingungen. Der CW-Schwellenstrom beträgt 8,5 mA, und die maximale CW-Ausgangsenergie beträgt etwa 20 mW. Kurve c in Fig. 8 ist eine L-I-Kurve für Pulsstrombedingungen und stammt von derselben BH-Laservorrichtung wie die Daten für Kurve a. Jedoch wurde der optische Ausgang um den Faktor 10 verringert, um zu veranschaulichen, daß ein Betrieb bei hohen Peakströmen möglich ist. Anzumerken ist, daß diese BH-Laservorrichtung bei einem Pulsstromwert arbeitet, der über das 39-fache des Stromschwellenwerts beträgt und einen maximalen Energieausstoß von über 10 mW hat. Die lineare Steigung zeigt eine gute Trägerbeschränkung im aktiven Bereich 56 an.
In Fig. 8 sind spektrale Daten bei zwei Werten der Stromimpulse gezeigt. Bei 8 mA in dem bei d gezeigten Spektrum arbeitet die BH-Vorrichtung mit einigen gleichmäßig im Abstand voneinander angeordneten Längs-Betriebsarten, während bei 25 mA in dem bei e gezeigten Spektrum die Vorrichtung in einer einzigen Längs-Betriebsart arbeitet. Der einzelne Betrieb in Längs-Betriebsart bei b ist charakteristisch für Index-geleitete Laser.
In Fig. 9 ist das Fernfeldmuster für einen BH-Laser des in Fig. 7a veranschaulichten Typs bei einem CW-Betrieb mit einem Injektionsstrom von 20 mA veranschaulicht. Das Fernfeldmuster sowohl parallel (Kurve a) als auch im rechten Winkel (Kurve b) zur p-n- Grenzschicht ist ziemlich glatt und nichtssagend, was einen Laserbetrieb in einer einzigen Quer- und Lateral-Betriebsart anzeigt. Dies wird außerdem gestützt durch visuelle Beobachtung des Fernfeldes mit einem Infrarotbetrachter. Der Vollwinkel bei halbem Maximum von 19º für Kurve 8 zeigt eine Emitterbreite von etwa 3 um an. Dies ist in ziemlich guter Übereinstimmung mit einem 4,5 um breiten Wellenleiter 66.
Es wird nun auf die Fig. 10 bis 12 Bezug genommen, in denen eine weitere BH- Laserstruktur 70 gezeigt ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet wurde und gekennzeichnet ist durch anisotrop ausgeführte, hinsichtlich der Eigenschaften veränderte Bereiche unter Bildung des Wellenleiter- und Träger-Injektionsbereichs für das Funktionieren des Lasers, die zwischen Paaren derartiger Bereiche gebildet sind. Die Laserstruktur 70 kann ein Multi-Emitter-Laser sein, von dem nur vier Emitter 96 gezeigt sind. Wie in Fig. 11 veranschaulicht, umfaßt der BH-Laser 70 ein GaAs-Substrat 72, auf dem über herkömmliche metallorganische chemische Abscheidung aus der Dampfphase (MOCVD) die folgenden Schichten abgeschieden sind: Eine dünne Pufferschicht 73 aus n-GaAs, ein n-dotierte Ga1-xAlxAs-Verbundschicht 74, worin x beispielsweise 0,85 sein kann und ein undotierter Quantenlochbereich 78 aus GaAs, einer p-dotierten Ga1-xAlxAs-Verbundschicht 80, worin x beispielsweise 0,85 sein kann, und einer Abdeckschicht 82 aus p&spplus;-GaAs. Wie vorher bereits unter Bezugnahme auf Fig. 3 angezeigt, kann der aktive Bereich 78 verschiedene Formen annehmen, einschließlich mehrerer Schichten. Eine Schicht 84 aus Si&sub3;N&sub4; wird dann durch Verdampfung oben auf der Abdeckschicht 82 gebildet. Die Verwendung der Si&sub3;N&sub4;- Verbindung als Verunreinigungs-Verkapselungsschicht führt gegenüber Si selbst zu einer geringeren Menge an eingebautem Si und führt damit ihrerseits zu dem anisotropen Effekt in der undotierten und n-Typ-dotierten Schicht der BH-Laserstruktur 70, insbesondere in den n-dotierten Bereichen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich Si als die Eigenschaften verändernde Verunreinigung durch n-dotierte Bereiche mit einer größeren Geschwindigkeit bewegt, verglichen mit p-dotierten Bereichen. Zum Beispiel sind die Verbundschichten 74 und 80 900 nm dick, die Wellenleiterschicht ist 50 nm dick und der aktive Bereich 78 ist 1 nm dick.
Die hinsichtlich ihrer Eigenschaften veränderten Bereiche 88 mit aufgeblähter Form, wie sie in Fig. 12 gezeigt sind, werden unter Anwendung des EBILD-Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet. Zuerst wird unter Anwendung der Vorrichtung von Fig. 1 ein Strahl 14 unter Computersteuerung fokussiert, um räumliche und parallele Bereiche 88 A zu verändern, die selektiv in Fig. 11 gezeigt ist. Die Abtastgeschwindigkeit kann 100 um/s sein. Die Hitze der Strahlung wandelt einen Teil der Abdeckschichten 82 und die Verbundschicht 80 in die flüssige Phase um, wobei die Verbindung und die Legierung dieser Schichten gemischt werden und Si in den Bereich 88 A eingemischt wird. Sehr wenig Si muß von der Si-Schicht 82 freigesetzt werden, z. B. in der Größenordnung von einer oder zwei Si-Monoschichten. Es wird angenommen, daß das Si&sub3;N&sub4; versetzt wird und der Stickstoff in die Gasphase freigesetzt wird.
Das Ausmaß der Eigenschaftsveränderung ergibt sich aus der Grenzfläche 88' zwischen hinsichtlich der Eigenschaften veränderten Bereich und wie gewachsenem Bereich. Die Bereiche 88 A funktionieren als Keim für das weitere Verfahren unter weiterem Ausdehnen der Grenzfläche 88' in die Kristallmasse. Die Laserstruktur 70 wird einem Temperschritt bei 850ºC für eine Zeit von 1 h unterworfen, wodurch die Bereiche 88 A so vergrößert werden, daß sie die Form der hinsichtlich der Eigenschaften veränderten Bereiche 88 annehmen, wie sie in Fig. 12 gezeigt ist. Diese Ausdehnung der Grenzfläche 88' zu einer neuen Grenzfläche 88'' wird durch die Diffusion des in die Bereiche 88 A eingemischten Siliciums in benachbarte Bereiche des Kristalls hervorgerufen. Die Ausdehnung der Grenzflächen 88 sind hinsichtlich ihres Umfangs größer in Bereichen, die bei 90 angezeigt sind, da die Si-Verunreinigung schneller in undotierte und p-dotierte Materialien diffundiert, verglichen mit n-dotierten Materialien. Aus dieser Erscheinung wird ein Vorteil gezogen, um die Wellenleiterbereiche 92 zwischen hinsichtlich ihrer Eigenschaften veränderten Bereichen 90 zu bilden, die die verdeckten kurzen aktiven Bereichsegmente 78' des aktiven Bereichs 78 bilden. Auf diesem Wege werden Wellenleiter 92 gebildet, da hinsichtlich ihrer Eigenschaften veränderte Bereiche 88 eine breitere Bandlücke und einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen, verglichen mit vergleichbaren Teilen in den Wellenleiterbereichen 92.
Nach Entfernen der Si&sub3;N&sub4;-Schicht 84 wird die Laserstruktur 70 durch Bildung der Protonenimplantations-Bereiche 94 für Sperrpumpenstrom zu Wellenleiterbereichen 92 und Verdampfung von herkömmlichen Pumpenkontakten 85 und 86 vervollstandigt. Die emittierenden Bereiche eines Multi-Emitter-Lasers 70 sind bei den Emittern 96 veranschaulicht.
Veränderte Bereiche 88 in den Fig. 10 und 12 umfassen im wesentlichen homogenes Ga1-x'Alx'As/Si, worin x etwa 0,65 ist und die Si-Konzentration bei 10²&sup0; Atomen/cm³ liegt. Besonders angemerkt wird wiederum, daß hinsichtlich der Eigenschaften veränderte Bereiche 88 an ihren unteren, einander gegenüberliegenden Enden 90 anisotrop, insbesondere seitlich, während des IID-Verfahrens gewandert sind. Diese anisotrope Vorgang ist in hohem Maße wünschenswert, da er beschränkte Wellenleiterbereiche bei 92 ausbildet.
Fig. 10 zeigt die BH-Laserstruktur 70 unmittelbar nach Abschluß des EBILD-Verfahrens und ist daher mit Fig. 12 vergleichbar. Die dünnen Linien in Fig. 10 bei 77 sind aktiver Bereich 78, und die dünne Linie 83 quer über den oberen Teil der Struktur ist die Verunreinigungs-Verkapselungs-Oberflächenschicht 84, die später durch Ätzen und anschließende Bildung des Kontakts 85 beseitigt wird. In Fig. 10 ist anzumerken, daß hinsichtlich der Eigenschaften veränderte Bereiche 88 bei Kontur 89 gezeigt sind.
Die Konzentration der Verunreinigung, die in die Kristallstruktur eingebaut werden soll, kann anhand des Typs der eingesetzten Verkapselungsschicht gewählt werden. Beispielsweise führt eine Si&sub3;N&sub4;-Verkapselung zu einer Zwischenkonzentration von etwa 10&sup9; Atomen/cm³. Dies ist eine ausreichend verringerte Konzentration, um eine größere Inhibierung der Si- Diffusion in GaAlAs des p-Typs, verglichen mit GaAlAs des n-Typs, bereitzustellen. Die resultierende Wirkung ist anisotrop, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Darin erstrecken sich die hinsichtlich ihrer Eigenschaften veränderten Bereiche 88 mehr seitlich in die Verbundschicht 74 des p-Typs von Laser 70. Das in zwei Schritten oder drei Schritten ablaufende Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch ausschließlich für den Einbau der Verunreinigung unter Veränderung des spezifischen Widerstands eines Bereichs einer Halbleiterstruktur verwendet werden. Beispielsweise können Längs- oder Querabschnitte einer Halbleiterschicht oder mehrerer Halbleiterschichten epitaxial ohne ein Dotierungsmittel unter Bildung von Bereichen mit hohem elektrischen Widerstand abgeschieden werden. Eine Verunreinigung kann musterartig in ausgewählte Bereiche der Schicht durch Veränderung der Eigenschaft unter Einfluß von Energiestrahlung aufgebracht und der hinsichtlich seiner Eigenschaften veränderte Bereich weiter in vorbestimmtem Ausmaß durch nachfolgende IID- Behandlung vergrößert werden. Die behandelten, hinsichtlich ihrer Eigenschaften veränderten Bereiche haben eine höhere Leitfähigkeit, verglichen mit benachbarten Bereichen, so daß ein musterartiger Stromsperrweg durch diese und in diesen behandelten Bereichen geschaffen wird.
Ein spezielles Beispiel der vorstehend genannten Anwendung tritt in Verbindung mit einer Abdeckschicht 82 in Fig. 12 auf. Beispielhaft kann in Fig. 13 der untere Teil 82 A der Schicht 82 in seinem gesamten Umfang p&spplus;-dotiert werden, während der untere Bereich 82 A dieser Schicht 82 undotiert bleibt. Dies wird dadurch erreicht, daß man die Zufuhr für Dotierungsmittel des p-Typs zu dem MOCVD-Reaktor während des Wachstums des Schichtteils 82 B ausschaltet. Nach allen anderen Verfahrensschritten nach Entfernung der Si&sub3;N&sub4;-Schicht 84, jedoch vor der Implantation von Protonen 94, wird eine Verunreinigungs- Verkapselungsschicht 100 einer Verunreinigung des p-Typs oder einer Verbindung davon über den Bereichen des Wellenleiters 92 abgeschieden, und es wird eine flache, selektive Abtastung mit Strahlung bewirkt, um über eine flüssige Phase die Verunreinigung des p- Typs mit wenigstens einem Teil, wenn nicht mit der Gesamtmenge des undotierten Teils 82 B der Abdeckschicht 82 zu vermischen, wodurch dotierte Bereiche 98 höherer elektrischer Leitfähigkeit gebildet werden, verglichen mit angrenzenden Bereichen, die nicht durch die Strahlung 14 abgetastet wurden. Die flache Eigenschaftsveränderung kann weiter in die Schicht 82 und den Wellenleiter 92 durch nachfolgende IID-Behandlung ausgedehnt werden. So kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Bildung von Stromsperrkanälen für eine gewünschte Länge der Wellenleiterregion 92 eingesetzt werden. Die Festphasenverunreinigung des p-Typs sind Zn oder Mg. Wie in Fig. 13 veranschaulicht wird, kann beispielsweise Zn oder ZnAs vor der EBILD-Behandlung abgeschieden werden.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß das offenbarte EBILD-Verfahren eine Herstellung optoelektronischer Vorrichtungen mit hoher Qualität ermöglicht. Die Fähigkeit, GaAlAs-GaAs-Kristallschichten selektiv in einem gewünschten Muster in der Heterostrukturprobe in steuerbarer Weise hinsichtlich der Eigenschaften zu verändern, eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung von Vorrichtungen und für die Integration. Eine computergesteuerte Abtast-Tafel mit einem fokussierten Energiestrahl wie beispielsweise einem Ar&spplus;-Laserstrahl wird als lokalisierte Wärmequelle verwendet, die in der Lage ist, die Eigenschaften von GaAlAs-Kristallschichten im Mikronmaßstab in einem gewünschten Muster zu verändern. Der Schmelz- und Nachwachsverfahrensschritt im Anschluß an die Anwendung der Strahlung erfolgen glatt und werden dadurch gesteuert, daß man den Wert der Laserenergie überwacht oder Änderungen anbringt oder eine entsprechende Überwachung oder Anbringung von Änderungen in Bezug auf die Abtastgeschwindigkeit und die Größe des Laserpunkts erfolgen. Der Übergang zwischen hinsichtlich der Eigenschaften verändertem und wie gewachsenem Kristall ist scharf und regelmäßig, und bei niedrigen Energiewerten gibt es kein Anzeichen für ernsthafte Beschädigungen des Kristalls. Außerdem wird Silicium, das Verunreinigung in der Oberflächenschicht zugegen ist, in den nachgewachsenen Kristall eingebaut und nimmt an der nachfolgenden Eigenschaftsänderung teil, wenn die Probe danach getempert wird. So ist das EBILD-Verfahren in der Lage, direkt Muster für das nachfolgende IID-Verfahren zu beschreiben. Die unter Anwendung dieses Verfahrens hergestellten BH-Laser zeigen einen niedrigen Schwellenstrom, eine ausgeprägte Fähigkeit bei der Verarbeitung von Strom und über einen begrenzten Strombereich eine einzige Betriebsweise.

Claims

1. Verfahren zum selektiven Umwandeln wenigstens eines Bereiches einer Halbleiterstruktur in einen Bereich homogener Zusammensetzung, der unterschiedliche Bandlücken- und Brechungsindex-Eigenschaften zeigt, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß man

(a) eine Einkristall-Halbleiter-Heterostruktur mit wenigstens zwei heterogenen Schichten bereitstellt und

(b) die Heterostruktur mit einem Energiestrahl abtastet, um wenigstens einen ausgewählten Bereich der Schichten selektiv in eine flüssige Phase zu überführen und so einen Bereich homogener Zusammensetzung zu bilden, der von den heterogenen Schichten in dem ausgewählten Bereich der Schichten, die durch den Strahl abgetastet wurden, abgeleitet ist, und damit den ausgewählten Bereich in einen homogenen Bereich mit unterschiedlichen Bandlücken- und Brechungsindex-Eigenschaften umwandelt, verglichen mit Bereichen der Schichten, die nicht durch den Strahl abgetastet wurden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, welches den Schritt einschließt, daß man die Heterostruktur vor oder während des Abtastens auf eine Hintergrundtemperatur erwärmt, die gerade unterhalb der Temperatur liegt, die zum Erreichen des schnellen thermischen Veränderns der Eigenschaften der Struktur erforderlich ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin die Struktur auf 600ºC bis 1000ºC erwärmt wird.

4. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, worin die Heterostrukturschichten jeweils einen elementaren Bestandteil, eine Verbindung oder eine Legierung umfassen.

5. Verfahren zum selektiven Umwandeln wenigstens eines Bereichs einer Halbleiterstruktur in einen Bereich homogener Zusammensetzung, der verschiedene Bandlücken- und Brechungsindex-Eigenschaften zeigt, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß man

(a) eine Einkristall-Halbleiter-Heterostruktur mit wenigstens zwei heterogenen Schichten bereitstellt;

(b) eine Verkapselungs-Oberflächenschicht auf der Heterostruktur bereitstellt;

(c) ein Ausgangsprodukt eines Materials in die Verkapselungs-Oberflächenschicht einarbeitet, das in der Lage ist, die Eigenschaften der Heterostruktur zu verändern; und

(d) die Heterostruktur mit einem Energiestrahl abtastet, um wenigstens einen ausgewählten Bereich der Schichten selektiv in eine flüssige Phase zu überführen und so einen Bereich homogener Zusammensetzung zu bilden, der von den heterogenen Schichten in dem ausgewählten Bereich, die durch den Strahl abgetastet wurden, abgeleitet ist, und damit den ausgewählten Bereich in einen homogenen Bereich mit unterschiedlichen Bandlücken- und Brechungsindex-Eigenschaften umwandelt, verglichen mit Bereichen der Schichten, die nicht durch den Strahl abgetastet wurden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, welches den Schritt einschließt, daß man die Heterostruktur tempert, um die Ausdehnung der Grenzfläche zwischen hinsichtlich der Eigenschaften verändertem Bereich und wie gewachsenem Bereich des hinsichtlich der Eigenschaften veränderten homogenen Bereichs weiter in die Struktur zu bewirken.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin die Heterostruktur bei einer Temperatur von 800ºC bis 900ºC getempert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder nach den Ansprüchen 5 und 6, worin das Ausgangsmaterial für das die Eigenschaften verändernde Material im wesentlichen aus einer die Eigenschaften verändernden Verunreinigung besteht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, worin das Ausgangsmaterial eine Konzentration an die Eigenschaften veränderndem Material im Bereich von 10¹&sup8; Atomen/cm³ bis 10²¹ Atomen/cm³ aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, welches den Schritt einschließt, daß man die Heterostruktur während des Abtastens auf eine Hintergrundtemperatur gerade unterhalb der Temperatur erwärmt, die zum Erreichen einer schnellen thermischen Eigenschaftsänderung erforderlich ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin die Heterostruktur auf 600ºC bis 1000ºC erwärmt wird.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 11, worin die Heterostruktur Verbindungen oder Legierungen der Elemente der Gruppen II bis VI des Periodensystems umfaßt.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 12, worin die Heterostruktur ein Loch-Merkmal einschließt, das eine Einzel-Quantenloch-Struktur, eine Mehrfach-Quantenloch-Struktur oder eine separate Einzel- oder Mehrfach-Sperr-Quantenloch-Struktur einschließt.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 11, worin die Heterostruktur ein Loch-Merkmal einschließt, das eine Einzel-Quantenloch-Struktur, eine Mehrfach-Quantenloch-Struktur oder eine separate Einzel- oder Mehrfach-Sperr-Quantenloch-Struktur einschließt, das Lochschichten aus GaAs oder Ga1-xAlxAs und Barriereschichten aus AlAs oder Ga1-yAlyAs aufweist, worin die Beziehung gilt: y > x.

15. Verfahren nach Anspruch 14, worin das die Eigenschaften verändernde Material Ge, Se, Mg, O, S, Be, Te, Si, Mn, Zn, Cd, Sn, Cr oder V oder Mischungen daraus ist.

16. Verfahren nach Anspruch 12, worin das die Eigenschaften verändernde Material B, N, C, Al, P, Ga, As, In, Sb, Hg, Pb oder Bi oder Mischungen daraus ist.

17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Energiestrahl einen Laserstrahl, einen Elektronenstrahl, einen Ionenstrahl und/oder einen akustischen Strahl umfaßt.