DE3873283T2

DE3873283T2 - Verfahren, um eine halbleitervorrichtung mit einem ungeordneten uebergitter herzustellen.

Info

Publication number: DE3873283T2
Application number: DE8888311187T
Authority: DE
Inventors: Hisao C O Mitsubishi De Kumabe; Takashi C O Mitsubish Murakami; Kaname C O Mitsubishi De Otaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-11-28
Filing date: 1988-11-25
Publication date: 1993-03-11
Anticipated expiration: 2008-11-26
Also published as: EP0319207A2; EP0319207B1; EP0319207A3; DE3873283D1; JPH01143285A; US5108948A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung mit einem Übergitter, das steuerbar ungeordnet ist, und Benutzen eines solchen Verfahrens zum Erzeugen einer Halbleiterlasereinrichtung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine wichtige Klasse von Halbleiterlasereinrichtungen ist der vergrabene Heteroübergangstyp, und eine wichtige Unterkategorie von diesem Typ enthält Laser, die ein Übergitter als aktive Schicht einsetzen. Solche Einrichtungen haben typischerweise einen zentralen Streifen in der aktiven Schicht von vernünftig genauer Abmessung, der als Resonator dient, und ein Paar von Bereichen, die den zentralen Streifen einbinden, von höherer Bandlücke und niedrigerem Brechungsindex. Ein Grund für das Interesse an vergrabenen Heteroübergangslasern mit Übergitter ist, daß der zentrale Streifen ziemlich einfach gebildet werden kann durch steuerbares Diffundieren von Fremdatomen in die aktive Schicht zum Unordnen der Bereiche, die den zentralen Streifen einschließen. Die diffundierten Fremdatome tendieren durch einen Vorgang, der manchmal als diffusionsinduzierte Unordnung bekannt ist, zum Unordnen der Kristallstruktur des Übergitters, wodurch die gewünschte Bandlücken- und Brechungsindex Diskontinuität zwischen den ungeordneten und nicht-ungeordneten Bereichen bewirkt wird.
Ein bekanntes Verfahren zum steuerbaren Verursachen einer Unordnung eines Übergitters ist in Fig. 3(a) bis 3(d) gezeigt. Fig. 3(a) zeigt eine Mehrschichtstruktur, die während eines epitaxialen Wachstumsverfahren gebildet ist, mit einer GaAs- Pufferschicht 2, die epitaxial auf einem GaAs-Substrat 1 aufgewachsen ist. Danach werden individuelle Schichten aus GaAs und AlxGa1-xAs von ungefähr 10nm (100 Å) Dicke abwechselnd auf der GaAs-Pufferschicht 2 aufgewachsen zum Erzeugen eines AlGaAs-Reihen-Übergitters 3 von ungefähr 0,5 um oder weniger in der Dicke. Wie es wohl bekannt ist, dienen in dem Übergitter die GaAs-Schichten als Quantensenken und die AlGaAs-Schichten als Quantenbarrieren. Bei einer typischen Anwendung können die molaren Mengen des Aluminiums und Galliums in dem AlGaAs ungefähr gleich sein, d. h. x = 0,5.
Nach dem Abschließen des epitaxialen Wachstumsverfahrens wird eine weitere Schicht abgeschieden, die als Quelle für Fremdatome für die Unordnungstätigkeit dient. Bei einer beispielhaften Anwendung wird der Wafer in ein Dampfbeschichtungs- oder ein Sputtergerät gesetzt, und wie in Fig. 3(b) gezeigt ist, wird ein Siliziumfilm 4 durch Dampfbeschichten oder Sputtern erzeugt. Der Siliziumfilm wird in manchen Fällen mit einer Deckschicht wie SiO&sub2; bedeckt. Selektives Steuern der Diffusion wird durch Entfernen eines Mittelstreifens von dem Siliziumfilm 4 bewirkt. Das wird typischerweise bewirkt, in dem eine Maske unter Benutzung photolithographischer Techniken abgeschieden wird, dann der zentrale Streifen weggeätzt wird, so daß ein Paar von Bereichen des Filmes 4 verbleibt, wie in Fig. 3(c) dargestellt ist.
Nachdem so die Quelle der Siliziumfremdatome abgeschieden und bemustert ist, sind verschiedene Techniken zum Diffundieren der Fremdatome von der Schicht 4 in das Übergitter vorhanden. Zum Beispiel kann entweder ein Verfahren des geschlossenen Rohres oder des offenen Rohres eingesetzt werden. Wenn das Verfahren mit geschlossenem Rohr benutzt wird,wird der Wafer in dem in Fig. 3(c) dargestellten Zustand in ein Quarzröhrchen von 16 mm Durchmesser und 20 cm Länge zusammen mit Arsen von ungefähr 40 mg gesetzt. Das Quarzrohr wird auf Vakuum ausgepumpt und auf ungefähr 850ºC erwärmt. Unter diesen Bedingungen beträgt der Dampfdruck von As&sub4; ungefähr 0,3 · 10&sup5; Pa (0,3 atm). Silizium aus dem Siliziumfilm 4 diffundiert dann in den Wafer bis zu einer Tiefe von ungefähr 1 um, wenn es einer Temperatur von ungefähr 850ºC während ungefähr einer Stunde ausgesetzt ist. Längere Heizzeiten oder höhere Heiztemperaturen bewirken, daß die Fremdatome weiter in das Übergitter diffundieren. Das Diffundieren von Siliziumfremdatomen in die Kristallstruktur des Übergitters dient zum Unordnen des Übergitters. Genauer gesagt, die Fremdatome bewirken, daß die Aluminium- und Galliummoleküle sich in dem Gitter bewegen, und die abwechselnden Schichten von GaAs und Al0,5Ga0,5As werden effektiv gemischt, wodurch eine AL0,25Ga0,75As-Kristallstruktur von gleichmäßiger Zusammensetzung erzeugt wird. Fig. 3(d) zeigt den Wafer nach der Unordnung, bei dem der diffundierte Siliziumabschnitt 5 ein ungeordnetes Übergitter erzeugt hat, das aus Al0,25Ga0,75As besteht und mit Siliziumfremdatomen dotiert ist, wobei ein mittlerer undotierter Streifen, der seine geordnete Obergittereigenschaft behält, eingeschlossen ist.
Wenn das Verfahren des offenen Rohres benutzt wird, wird der Wafer erwärmt, während man mit Wasserstoff verdünntes Arsin (AsH&sub3;) oder mit Argon verdünntes Arsin von einer 10%-igen Konzentration mit einer Flußrate von ungefähr 300 cm/min darüberströmen läßt. Bei diesen Verfahren des offenen Rohres wird Silizium ähnlich wie bei dem Verfahren des geschlossenen Rohres diffundiert, und das Übergitter wird steuerbar in Bereichen 5 in Unordnung versetzt, wie in Fig. 3(d) gezeigt ist. Zusätzlich kann dieses Unordnungsverfahren des offenen Rohres ebenfalls unter Benutzung von Germanium anstatt von Silizium als Quelle für Diffusionsfremdatome benutzt werden.
Das Verfahren unterscheidet sich hauptsächlich dadurch, daß Film 4, der nach der epitaxialen Wachstumsphase abgeschieden wird, Germanium anstelle von Silizium ist.
Wie oben angemerkt wurde, ist der Grund, daß steuerbares in Urordnungversetzen eines Übergitters wichtig ist, das der ungeordnete Bereich eine höhere Energiebandlücke als das nichtungeordnete Supergitter aufweist und ebenfalls in einen niedrigeren Brechungsindex hat. Diese Merkmale sind bei einer Lasereinrichtung sehr nützlich, da die höhere Bandlücke die Ladungsträger innerhalb des nicht-ungeordneten Übergitters hält, und der niedrigere Brechungsindex hilft beim Einschließen der Photonen innerhalb des nicht-ungeordneten Bereiches auf eine wellenleiterartige Weise. Fig. 4 zeigt ein Verfahren zum Erzeugen einer Halbleiterlasereinrichtung, das die oben beschriebene Technik der Unordnung nach dem Stand der Technik benutzt. Wie in Fig. 4(a) gezeigt ist, sind eine untere AlGaAs- Verkleidungsschicht 9a, eine aktive AlGaAs-Reihenübergitterschicht 10, eine obere AlGaAs-Verkleidungsschicht 9b und eine GaAs-Kontaktschicht 11 epitaxial auf dem GaAs-Substrat 1 aufgewachsen. Auf die epitaxiale Wachstumsphase folgend wird der Wafer in ein Gerät zum Dampfbeschichten oder Sputtern gesetzt, und wie in Fig. 4(b) gezeigt ist, wird ein Silizium- (oder Germanium-)Film 4 auf der oberen Verkleidungsschicht gebildet. Der Film wird photolithographisch bemustert und, wie in Fig. 4(c) gezeigt ist, zum Entfernen eines Streifens von dem Film 4 geätzt. Der Wafer wird dann durch ein Verfahren des geschlossenen Rohres oder des offenen Rohres erwärmt, wie zuvor beschrieben wurde, woraufhin die Diffusion von Silizium- oder Germaniumatomen zum Stören des Übergitters erzielt wird, wie bei 5 in Fig. 4(d) gezeigt ist. Als nächstes wird, wie in Fig. 4(e) gezeigt ist, der Film 4 durch Ätzen entfernt, und wie in Fig. 4(f) gezeigt ist, werden Elektroden 14 und 15 in elektrischem Kontakt mit dem Halbleiter zum Fertigstellen der Halbieiterlasereinrichtung angebracht. Es ist wichtig, das der Silizium enthaltende Film vorsichtig entfernt wird, bevor die Elektroden angebracht werden, da sie die Bildung eines guten ohmschen Kontaktes zwischen der Elektrode und der Halbleiterkristallstruktur verhindern.
Diffusion von Silizium von einer Siliziumschicht ist in Appl. Phys. Lett., 47 (12, Seiten 1239 bis 1241 (1985)) gezeigt, worin eine Si&sub3;N&sub4;-Maske zum Schützen dieser Flächen der Halbleiterstruktur benutzt wird, die nicht dotiert ist.
Zusätzlich zu den Diffusionsverfahren der festen Phase, die oben beschrieben wurden, kann Dampfphasendiffusion ebenfalls mit gewissen Materialien, wie Zink oder Schwefel zum Unordnen des Übergitters benutzt werden. Da Zink oder Schwefel einen höheren Dampfdruck als Silizium oder Germanium haben, können Zink oder Schwefel in den Wafer diffundiert werden aus der Dampfphase, in dem ein Quarzrohr, das Zink oder Schwefel enthält, erwärmt wird, wodurch die Diffusion erzeugt wird und die Unordnung des Übergitters erreicht wird. Wenn jedoch das Dampfphasendiffusionsverfahren zum steuerbaren Unordnen des Übergitters dienen soll, ist es notwendig, eine Diffusionsmaske auf dem Halbleiter vor der Diffusion zu erzeugen, dann die Maske zu entfernen, bevor die Elektroden an dem Laser angebracht werden können.
Typische Diffusionsmasken sind SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4;, und wie verstanden werden kann, werden dünne Filme aus diesen Materialien typischerweise durch chemisches Dampfabscheiden abgeschieden, ein Verfahren das typischerweise so kompliziert ist, wie das Sputtern oder Verdampfen, das mit Silizium- oder Germaniumfilmen benutzt wird. Nachdem der Film angebracht ist, muß er dann photolithographisch bemustert werden und zum Entfernen der Bereiche benachbart zu dem Mittelstreifen geätzt werden. Dann wird auf die Dampfphasendiffusion bis zu der geeigneten Tiefe folgend das SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4;-Maskenmaterial durch ein Verfahren wie Ätzen entfernt werden. Es ist daher zu verstehen, daß, obwohl das Dotiermittel durch ein Gas bei Dampfphasendiffusion getragen wird anstatt durch einen abgeschiedenen Film wie bei der Festphasendiffusion, macht das Erfordernis des Abscheidens und Bildens der Diffusionsmaske die beiden Verfahren ungefähr gleich kompliziert. Weiterhin tendieren die Resultate der Dampfphasendiffusion dazu, weniger befriedigend zu sein, da die Steilheit der Begrenzungsoberfläche zwischen dem ungeordneten Abschnitt des Supergitters und dem nicht-beeinflußten Abschnitt des Supergitters niedriger ist im Vergleich zu den steileren Begrenzungsoberflächenresultaten, die von der Festphasendiffusion realisiert werden. Als Resultat ist die Diskontinuität im Brechungsindex und der Bandlücken nicht so scharf, wie es gewünscht wird, und somit ist der ungeordnete Bereich weniger effektiv beim Zusammenhalten der Elektronen und Photonen in dem nicht-ungeordneten Bereich. Diffusion von Zink durch ein derartiges Verfahren ist z. B. in EP-A-0 202 089 beschrieben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In Hinblick auf das obige ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen eines Halbleiters mit einem steuerbar ungeordneten Übergitter vorzusehen, das weniger Verfahrensschritte als die oben beschriebenen Verfahren benötigt. Es ist eine zugehörige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solch ein Verfahren vorzusehen, das die gleiche Prozeßausrüstung zu den größtmöglichsten Ausmaß benutzt.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterlasereinrichtung vorzusehen, die ein steuerbar ungeordnetes Halbleiterübergitter aufweist und die mit relativen niedrigen Kosten im Vergleich zu den Einrichtungen des Standes der Technik erzeugt werden kann.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der im folgenden gegebenen detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es sollte jedoch verstanden werden, daß die detaillierte Beschreibung und die speziellen Ausführungsformen nur zum Wege der Darstellung gegeben sind, da verschiedene Änderungen und Modifikationen der Erfindung, wie sie in den angehängten Ansprüche definiert ist, für den Fachmann als dieser detaillierten Beschreibung ersichtlich werden.
Die obigen Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert, die ein Verfahren zum Erzeugen einer Halbleitereinrichtung wie ein Laser mit einem steuerbar ungeordneten Übergitter vorsieht, wie sie in den Ansprüchen 1 bis 14 definiert ist. Ein durch das Verfahren in der Erfindung erzeugter Laser ist in den Ansprüchen 15 bis 18 definiert. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine selendotierte Halbleiterschicht epitaxial in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung zu einer Halbleiterübergitterschicht aufgewachsen. Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die selendotierte Schicht bei der gleichen epitaxialen Wachstumstätigkeit aufgewachsen, die das Übergitter erzeugt. Ein Abschnitt der selendotierten Schicht wird nach Beenden des epitaxialen Wachstumsvorganges zum Bilden des gewünschten Musters wie ein Streifen für den Laser entfernt. Dann wird die Einrichtung erwärmt zum Diffundieren der Selenfremdatome aus der dotierten Schicht. Die Erwärmungsbedingungen wie Zeit und Temperatur werden so gesteuert, daß das Selendotiermittel in einen Teil der Übergitterschicht diffundiert und dabei diesen Teil in Unordnung versetzt, wobei ein nicht-ungeordneter Bereich verbleibt, der durch das Muster der dotierten Schicht bestimmt wird.
Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, das Vakuumabscheidungs- und chemischer Dampfabscheidungsvorgang des Standes der Technik dadurch beseitigt wird, daß das Dotiermittel in dem gleichen epitaxialen Wachstumsvorgang angewendet wird, der das Übergitter bildet. Es ist ein resultierendes Merkmal, daß die selendotierte Schicht nicht vor dem Abscheiden der Elektroden entfernt werden muß, da die dotierte Schicht ein Teil der darunterliegenden Kristallstruktur ist, epitaxial aufgewachsen ist und wegen der Tatsache, daß das Dotiermittel eine elektrische Kontinuität zwischen der Elektrode und den darunterliegenden Halbleiterschichten vorsieht.
Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, das die Steilheit der Grenzen zwischen dem ungeordneten und nicht-ungeordneten Bereichen in der aktiven Schicht so steil sein kann, wie die, die durch Siliziumfestphasendiffusion erreicht werden, und somit kann sie besser sein als jene, die durch Dampfphasendiffusion erreicht werden.
Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, das der Vorgang zum Diffundieren von Fremdatomen in die aktive Schicht wesentliche Steuerung aufgrund der relativ langsamen Rate der Diffusion des Selen durch die Halbleitermaterialien von GaAs-Typ ermöglicht. Somit sind kleine Änderungen in der Diffusionszeit von Wafer zu Wafer kein so signifikanter Anteil der Gesamtzeit wie entsprechende Fehler bei der Benutzung der Verfahren nach dem Stand der Technik, und somit ist die Tiefe der Diffusion gemäß der Erfindung sehr viel besser steuerbar als bei dem Stand der Technik.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1a bis 1c sind Diagramme, die ein Verfahren zum Erzeugen einer Halbleitereinrichtung zeigen, die ein steuerbares ungeordnetes Übergitter gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
Fig. 2(a) bis 2(d) sind Diagramme, die ein Herstellungsvorgang einer Halbleiterlasereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 3(a) bis 3(d) sind Diagramme, die ein Verfahren nach dem Stand der Technik des Herstellens einer Unordnung eines Halbleiterübergitters zeigen;
Fig. 4(a) bis 4(f) sind Diagramme, die ein Herstellungsvorgang einer Halbleiterlasereinrichtung gemäß eines Verfahrens nach dem Stand der Technik zeigen;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das eine Halbleiterlasereinrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine Halbleiterlasereinrichtung gemäß einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es wird jetzt Bezug genommen auf die Zeichnungen und zuerst auf die Fig. 1(a) bis 1(c), dort ist eine Halbleitereinrichtung während verschiedener Stufen ihrer Herstellung gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gezeigt. Zuerst wird, wie in Fig. 1(a) gezeigt ist, eine GaAs-Pufferschicht 2 epitaxial auf einem GaAs-Substrat 1 aufgewachsen, und darauffolgend werden auf GaAs und AlxGA1-xAs von ungefähr 10 nm (100 Å) Dicke abwechselnd epitaxial aufgewachsen zum Erzeugen eines AlGaAs- Reihenübergitters 3 von ungefähr 0,5 um oder weniger in der Die. Wie in dem vorherigen Fall dienen die GaAs-Schichten als Quant-senken und die AlGaAs-Schichten als Quantenbarrieren. Die epitaxiale Wachstumsphase wird fortgesetzt zum Erzeugen einer AlyGa1-yAs-Ätzstoppschicht 6 und einer selendotierten GaAs-Schicht 7, wodurch die in Fig. 1(a) gezeigte Einrichtung erzeugt wird.
Auf die Beendigung der epitaxialen Wachstumsphase wird die Einrichtung dann von der epitaxialen Wachstumskammer entfernt, und die selendotierte GaAs-Schicht 7 wird durch Ätzen bemustert. Insbesondere wird eine Maske photolithographisch auf der selendotierten Schicht 7 in einem vorbestimmten Muster angebracht, in der dargestellten Ausführungsform in der Form eines Mittelstreifens. Die Einrichtung wird dann geätzt zum Entfernen des unmaskierten Mittelstreifens, wodurch die teilweise fertiggestellte Einrichtung erzeugt wird, die in Fig. 1(b) gezeigt ist. Die Ätzstoppschicht 6 von einer anderen Zusammensetzung als die dotierte Halbleiterschicht 7 dient zum Beenden des Ätzprozesses und schützt die darunterliegende Übergitterschicht 3. Nach Bemustern der selendotierten Schicht 7 wird der in Fig. 1(b) gezeigte Wafer erwärmt, entweder durch ein Verfahren des offenen Rohres oder des geschlossenen Rohres, wie zuvor beschrieben wurde, wodurch Se in den Wafer diffundiert und Abschnitte 8 des Übergitters in Unordnung versetzt. Der Abschnitt des Übergitters, der nicht-ungeordnet verbleibt, wird durch das Streifenmuster bestimmt, das in der dotierten Schicht 7 gebildet ist.
Wenn das Verfahren des geschlossenen Rohres zum Erwärmen benutzt wird, wird der Wafer in ein Quarzröhrchen zusammen mit As der gewünschten Menge plaziert. Das Quarzrohr wird auf Vakuum ausgepumpt und versiegelt, dann auf eine Temperatur von ungefähr 850ºC erwärmt. Die Diffusionsgeschwindigkeit von Se hängt von der Fremdatomkonzentration der selendotierten GaAs- Schicht 7 und dem Al-Anteil y der AlyGa1-yAs-Ätzstoppschicht 6 ab. Wenn der molare Aluminiumanteil y gleich etwa 0,42 ist und die Fremdatomkonzentration des Selen ungefähr 6 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ ist, erstreckt sich die Diffusion bis zu einer Tiefe von ungefähr 0,3 um nach Erwärmen auf 850ºC während ungefähr vier Stunden. Durch Diffundieren von Se in das Übergitter auf diese Weise werden die Al-Atome und Ga-Atome in der Übergitterkristallstruktur bewegt, und die Übergitterschicht wird in den ungeordneten Zustand versetzt, wodurch eine AlGaAs-Legierung von gleichmäßiger Zusammensetzung erzielt wird. Wenn ein Verfahren des offenen Rohres benutzt wird, wird Se durch Erwärmen des Rohres auf ungefähr 850º diffundiert, während durch Wasserstoff verdünntes Arsin oder durch Argon verdünntes Arsin durch das erwärmte Rohr strömt. Die erhaltene Struktur ist in Fig. 1(c) gezeigt, bei der die Se-Diffusion in der steuerbaren Unordnung der Abschnitte 8 der Übergitterschicht resultiert hat, wobei der Mittelstreifenbereich 3 in einem nicht-ungeordneten Zustand verblieben ist.
In dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird die selendotierte Halbleiterschicht erzeugt durch ein epitaxiales Aufwachsverfahren. Die Selenkonzentration in diesem Laser beträgt bevorzugt mindestens 5 · 10¹&sup8; cm&supmin;³. Das Übergitter wird dann durch Diffusion von Selen von der selendotierten Halbleiterschicht in das Übergitter in Unordnung versetzt. Die Zeit und die Temperatur des Wärmevorganges werden gesteuert zum Verursachen, daß das Selendotiermittel in die Abschnitte 8 der Übergitterschicht diffundieren und sie dabei in Unordnung versetzen, wobei der Mittelabschnitt 3 in einem nicht-ungeordneten Zustand verbleibt. Durch dieses Verfahren der vorliegenden Erfindung werden der Dampfbeschichtungsprozeß zum Erzeugen eines Siliziumfilmes oder Germaniumfilmes und das darauffolgende Entfernens dieses Filmes, was bei den Unordnungsverfahren des Standes der Technik benötigt wird, nicht länger benötigt. Entsprechend werden der Vorgang des Erzeugens und später Entfernens einer Diffusionsmaske, wie es bei dem Unordnungsverfahren unter Benutzung von Zink oder Schwefel im Stand der Technik der Fall war, nicht länger benötigt. Die Zahl von in dem Herstellungsverfahren enthaltenden Schritten ist somit verringert, wodurch die gesamten Einrichtungskosten verringert werden. Da die Rate der Diffusion von Selen geringer als die anderer Materialien wie Silizium ist, ist die Zeitsteuerung zum Bestimmen des Ausmaßes und der Tiefe der Diffusion genauer.
Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform eine AlyGa1-yAs-Ätzstoppschicht 6 benutzt wird zum Verhindern, das die Übergitterschicht geätzt wird, kann diese Schicht weggelassen werden, obwohl eine feinere Steuerung des Ätzverfahrens nötig ist. Weiterhin kann bei einer anderen Ausführungsform eine selendotierte Schicht unterhalb anstelle oberhalb des Übergitters erzeugt werden zum Bewirken der Diffusion.
Es sei Bezug genommen auf Fig. 2, dort sind Herstellungsverfahrensschritte eines Halbleiterlasers gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Verfahren wird gestartet durch epitaxiales Aufwachsen einer unteren AlGaAs-Verkleidungsschicht 19a vom p-Typ auf ein GaAs-Substrat 16 vom p-Typ. Ein AlGaAs-Übergitter 10 wird dann epitaxial auf dem Wafer durch abwechselndes Schichten von GaAs-Quantensenken und AlxGa1-xAs-Quantenbarrierenschichten aufgewachsen. Eine typische Verwirklichung des molaren Verhältnisses x des Aluminiums in den Barrierenschichten kann ungefähr 0,5 sein, die Senken- und Barrierenschichten können jeweils ungefähr 10 nm (100 Å) dick sein, und die gesamte Übergitterschicht kann ungefähr 0,1 um dick sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine obere AlGaAs-Verkleidungsschicht 19b vom n-Typ von ungefähr 0,9 um auf der Übergitterschicht aufgewachsen, und eine GaAs-Kontaktschicht 11 vom n-Typ von ungefähr 0,5 um auf der Verkleidungsschicht. Die letzte Schicht, die in der epitaxialen Wachstumsphase aufgewachsen wird, ist die selendotierte GaAs- Schicht von ungefähr 1 um mit einer relativ hohen Se-Konzentration von ungefähr 5 · 10¹&sup8; cm&supmin;³. Die selendotierte Schicht 7 wird dann photolithographisch bemustert und zum Erzeugen des in Fig. 2(b) gezeigten Wafers geätzt. In der Ausführungsform nach Fig. 2 kann die Kontaktschicht 11 als ein Ätzstopp dienen, und wie bei der früheren Ausführungsform bestimmt das Muster des Streifens, der in die dotierte Schicht 7 geätzt ist, das Muster des nicht-ungeordneten Bereiches der aktiven Übergitterschicht.
Nach dem Bemustern der dotierten Schicht 7 wird der Diffusionsvorgang für den Wafer ausgeführt, indem entweder ein Verfahren des offenen Rohres oder des geschlossenen Rohres wie zuvor beschrieben benutzt wird, damit das Übergitter gesteuert ungeordnet wird. Wie von Fig. 2(b) und 2(c) gesehen werden kann, muß, damit das Übergitter 10 ungeordnet wird, Se von der selendotierten Schicht 7 durch die 0,5 um der GaAs-Kontaktschicht 11 vom n-Typ, die 0,9 um der oberen AlGaAs-Verkleidungsschicht 19b vom n-Typ und die 0,1 um des AlGaAs-Übergitters 10 diffundiert werden. Somit soll Se mindestens bis zu einer Tiefe von 1,5 um und bevorzugt bis zu einer Tiefe von 1,6 um diffundiert werden, damit ein ausreichender Abschnitt des Übergitters 10 ungeordnet wird, so daß Licht nur in dem nicht-ungeordneten Abschnitt 12 des Übergitters gehalten wird. Eine Diffusionstiefe von 1,6 um kann erreicht werden, in dem die Einrichtung bei einer Temperatur von ungefähr 890 ºC während ungefähr 23 Stunden erwärmt wird. Nachdem das Übergitter 10 ungeordnet worden ist, und ohne das die dotierte Schicht 7 entfernt wird, werden Elektroden 14 und 15 zum Fertigstellen der Halbleiterlasereinrichtung angebracht, wie in Fig. 2(d) gezeigt ist.
Bei der Halbleiterlasereinrichtung dieser Ausführungsform wird ein Abschnitt der aktiven Übergitterschicht 10 ungeordnet durch Se, das von der selendotierten GaAs-Schicht 7 hoher Konzentration diffundiert worden ist. Der Brechungsindex dieses ungeordneten Abschnittes ist geringer als der des nicht-ungeordneten Abschnittes 12, und das erzeugte Licht wird in dem nicht-ungeordneten Abschnitt 12 zusammengehalten, so daß ein Lichtwellenleiter erzeugt wird, und die Quermode der Einrichtung wird dadurch gesteuert. Weiterhin verbleiben in den nicht-ungeordneten Mittelabschnitt des Lasers injizierte Ladungsträger zusammengehalten aufgrund der höheren Bandlücke der Verkleidungsschichten und der ungeordneten Legierungsabschnitte der Übergitterschicht.
Es kann gesehen werden, daß die Produktion einer Halbleiterlasereinrichtung durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung etliche Vorteile gegenüber den Verfahren des Standes der Technik hat. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung benötigt keinen getrennten Dampfbeschichtungsvorgang zum Bilden der Diffusionsschicht, dagegen wird die Schicht durch einen epitaxialen Wachstumsvorgang aufgewachsen, wodurch effektiv Benutzung des gleichen Gerätes gemacht wird, das zum Bilden der anderen Schichten der Einrichtung benutzt wird. Zusätzlich ist der getrennte Schritt des Entfernens der Diffusionsschicht oder einer Diffusionsmaske, nachdem die Diffusion beendet worden ist, gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung nicht nötig. Im Gegenteil, die selendotierte GaAs-Diffusionsschicht kann auf dem Wafer verbleiben, wobei die Elektrode darauf zum Fertigstellen der Halbleiterlasereinrichtung angebracht wird. Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann das Ausmaß und die Tiefe der Diffusion genauer gesteuert werden aufgrund der relativ langsamen Diffusionsrate von Se im Vergleich zu der schnelleren Diffusionsrate von Si oder Ge der Verfahren des Standes der Technik. In der Tat werden, wie noch deutlich ersichtlich wird, bei den meisten Lasereinrichtungen, die gemäß der Erfindung konstruiert sind, aufgrund der Zahl und der Dicke der Schichten, die typischerweise abgeschieden werden, Diffusionstemperaturen von mindestens 800 ºC und Diffusionszeiten von 15 Stunden oder mehr benötigt.
Es wird jetzt Bezug genommen auf Fig. 5, dort ist eine andere Halbleiterlasereinrichtung gezeigt, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt ist. Bei dieser Einrichtung sind die aktive Schicht und das Übergitter durch eine dünne Verkleidungsschicht 29b getrennt. Diese Halbleiterlasereinrichtung wird erzeugt, in dem zuerst epitaxial eine untere AlGaAs-Verkleidungsschicht 29a vom n-Typ auf einem GaAs-Substrat 17 vom n-Typ aufgewachsen wird. Eine aktive AlGaAs-Schicht 18 wird dann epitaxial auf der unteren Verkleidungsschicht aufgewachsen, woraufhin eine obere AlGaAs-Verkleidungsschicht 29b von ungefähr 0,3 um Dicke vom p-Typ folgt. Als nächstes wird eine Lichtleiterschicht 13 mit einem AlGaAs-Reihenübergitter von ungefähr 0,3 um epitaxial aufgewachsen, worauf eine andere obere AlGaAs-Verkleidungsschicht 29c vom p-Typ von ungefähr 0,3 um Dicke folgt, dann eine GaAs-Kontaktschicht von ungefähr 0,5 um Dicke vom p-Typ und eine selendotierte GaAs-Schicht von ungefähr 1 um mit einer Se-Konzentration von ungefähr 5 · 10¹&sup8; cm&supmin;³.
Auf die epitaxiale Wachstumsphase folgend wird die dotierte Schicht 7 wie bei der Ausführungsform von Fig. 4 durch photolithographisches Abscheiden einer Maske bemustert, dann wird ein Mittelstreifen weggeätzt, dessen Muster das Muster des nicht-ungeordneten Bereiches der Übergitterschicht bestimmt. Der Diffusionsvorgang wird dann durchgeführt, in dem das Verfahren von entweder dem offenen oder geschlossenen Rohr benutzt wird, wie zuvor beschrieben worden ist, wobei eine Diffusionstiefe von ungefähr 1,3 um, d. h. durch die Übergitterlichtleiterschicht 13 und in die obere Verkleidungsschicht 29b erreicht wird bei einer Temperatur von ungefähr 890 ºC während ungefähr 15 Stunden. Die Halbleiterlasereinrichtung wird dann durch Anbringen der unteren 14 und oberen 15 Elektrode.
Die aus Fig. 5 gesehen werden kann, ist ein Abschnitt der Lichtleiterschicht 13 durch das Se ungeordnet, das von der selendotierten GaAs-Schicht 7 hoher Konzentration diffundiert worden ist. Die Dicke der oberen Verkleidungsschicht 29b ist weniger als ungefähr 0,5 um, und als Resultat erreicht ein Abschnitt des Lichtes, das an der aktiven Schicht 18 erzeugt ist, die Übergitterlichtleiterschicht 13. Da der ungeordnete Abschnitt der Übergitterlichtleiterschicht einen niedrigeren Brechungsindex als der nicht-ungeordnete Abschnitt aufweist, wird das Licht, das durch die aktive Schicht 18 erzeugt wird und das Übergitter 13 erreicht, in dem nicht-ungeordneten Bereich zusammengehalten, wodurch ein Lichtwellenleiter vorgesehen wird und die Quermode des Betriebes gesteuert wird.
Gemäß der Ausführungsform der Halbleiterlasereinrichtung, die in Fig. 5 gezeigt ist, kann entweder ein GaAs-Substrat vom p- Typ oder n-Typ benutzt werden. Im Gegensatz zu der gerade beschriebenen Struktur, die ein GaAs-Substrat vom n-Typ benutzt ist bei Benutzung eines GaAs-Substrat vom p-Typ die untere Verkleidungsschicht von p-Typmaterial und die oberen Verkleidungsschichten und die Kontaktschicht sind vom n-Typmaterial. Wie es wohl bekannt ist, ist die selendotierte Schicht vom n- Typ. Somit wird die Ausführungsform, die das GaAs-Substrat vom n-Typ benutzt, für einen niedrigeren Schwellenstrom bevorzugt, da ein rückwärts vorgespannter p-n-Übergang zwischen den ungeordneten Bereichen vom n-Typ und der oberen Verkleidungsschicht 29b vom p-Typ gebildet ist. Solch ein rückwärts vorgespannter Übergang an den Bereichen außerhalb des Mittelstreifens funktionieren als Stromblockiermechanismus, wodurch die Laseroszillationsschwelle gesenkt wird.
Fig. 6 stellt eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung dar, die in Kombination mit ungeordneten Bereichen für die Quermodesteuerung benutzt werden kann, wie oben beschrieben wurde. In der Ausführungsform von Fig. 6 wird der ungeordnete Bereich jedoch zum Minimieren der Absorption von Photonen nahe der Laserflächen benutzt, wodurch ein Betrieb bei höherer Leistung ermöglicht wird. Typischerweise wird die Ausführungsform nach Fig. 6 zusammen mit der Quermodesteuerung benutzt, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Zum Zwecke der Vereinfachung der Beschreibung und Illustration wird jedoch die Quermodesteuerung nicht in Fig. 6 gezeigt und ebenfalls nicht die Elektroden.
Wie bei den vorherigen Ausführungsformen werden die Vielfachschichten epitaxial auf den GaAs-Substrat 17 vom n-Typ aufgewachsen, einschließlich der unteren AlGaAs-Verkleidungsschicht 29a vom n-Typ, der Übergitterschicht 10, die aus abwechselnden dünnen Schichten aus GaAs und AlGaAs gebildet sind, der oberen AlGaAs-Verkleidungsschicht 29b vom p-Typ und einer GaAs-Kontaktschicht 20 vom p-Typ, die von einer kontinuierlichen selendotierten GaAs-Schicht 7 gefolgt wird. Bei den dargestellten Ausführungsformen können die aktive Schicht ungefähr 0,1 um Dicke, die obere Verkleidungsschicht ungefähr 0,9 um Dicke und die Kontaktschicht 20 ungefähr 0,5 um Dicke sein, wie es der Fall bei der Ausführungsform von Fig. 2 war. Damit sollte wie bei der Ausführungsform von Fig. 2 zum Erreichen- einer Diffusionstiefe von ungefähr 1,6 um die Diffusion bei einer Temperatur von ungefähr 890 ºC während ungefähr 23 Stunden durchgeführt werden.
Wie aus Fig. 6 zu sehen ist, wird nach der epitaxialen Wachstumsphase und vor der Erwärmung die selendotierte Schicht zum Erzeugen dotierter Bereiche an den Resonatorendoberflächen bemustert. Folglich wird nach dem Diffusionsprozeß, der so gesteuert wird, daß Selenfremdatome in die Übergitterschicht 10 diffundiert werden, ein ungeordneter Abschnitt 21 des Übergitters 10 benachbart zu den Laserflächen erzeugt. Da dieser ungeordnete Abschnitt 21 eine höhere Energiebandlücke als der Übergitter aufweist ist er für das innerhalb des Laserresonators erzeugte Licht durchsichtig. Als Folge wird das Auftreten nicht radiativer Rekombinationen in den Endabschnitten 21 des Lichtleiters wesentlich reduziert (d. h. die Lichtabsorption in dieser Gegend ist reduziert), wodurch die Leistungseintragung und die Wärmeerzeugung in den Endabschnitten 21 verringert wird. Somit kann der Laser bei einer höheren Leistung tätig sein und eine höhere Lichtabgabe erzeugen als wenn die ungeordneten Endabschnitte 21 nicht vorhanden wären.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde die Unordnung eines Übergitters, das GaAs und AlGaAs aufwies, betont, aber das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls an ein InGaAsP-Reihenübergitter oder ein AlGaInP-Reihenübergitter angewandt werden und resultiert in das gleiche Ungeordnetsein des Übergitters. Es sollte nun ersichtlich sein, daß die vor liegende Erfindung ein relativ einfaches, billiges und insbesondere effektives Verfahren zum Herstellen einer Ungeordnetheit eines Übergitters zum Erzeugen einer Halbleiterlasereinrichtung vorsieht. Wie beim Stand der Technik benötigt die vorliegende Erfindung das photolithographische Bemustern einer Schicht und Wegätzen eines Mittelstreifenbereiches dieser Schicht. Jedoch im Gegensatz zum Stand der Technik ist zuerst einmal die Schicht, die weggeätzt wird, sehr viel ökonomischer als beim Stand der Technik abgeschieden, und als zweites muß sie nicht vor dem Bilden von Elektroden entfernt werden.
Insbesondere wird bei dem Diffusionsvorgang im Stand der Technik die Schicht in einen getrennten Gerät entweder durch Vakuumabscheiden oder chemisches Dampfabscheiden abgeschieden, die beide eine Übertragung des Wafers zu einem anderen komplizierten Ausrüstungsteil benötigen. Gemäß der Erfindung wird die Schicht in der gleichen epitaxialen Wachstumsphase gebildet, die das Übergitter bildet.
Als zweiter Punkt müssen gemäß den Verfahren des Standes der Technik die Schichten entfernt werden, da sie nicht Teil der Kristallstruktur sind und oft Isolatoren sind. Als solches können sie nicht zwischen der Lasereinrichtung und ihrer Elektroden belassen werden. Gemäß der Erfindung kann die Schicht jedoch an ihrem Platz gelassen werden, da sie Teil der Kristallstruktur ist - sie ist epitaxial aufgewachsen. Weiterhin ist die Schicht dotiert und daher ist sie so leitend, daß eine Elektrode auf der Oberfläche der dotierten Schicht gebildet werden kann, ohne daß ihre Entfernung notwendig ist.
Schließlich bietet die vorliegende Erfindung eine Feinheit der Steuerung aufgrund der relativ langsamen Diffusionsrate von Selen durch die Schichten in Frage. Tatsächlich wird für die meisten praktischen Einrichtungen, wenn die Konzentration von Selen in der dotierten Schicht und die Dicke der Schichten, durch die es diffundieren muß, in Betracht gezogen wird, der Wärmevorgang selten bei Temperaturen unterhalb 800ºC während Zeitdauern von weniger als 15 Stunden ausgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung mit einem durch einen ungeordneten Bereich gebundenen aktiven Halbleiter- Übergitterbereich, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Durchführen einer epitaxialen Wachstumsphase, die Wachsenlassen einer Übergitterschicht und als letzte Schicht eine selendotierte Halbleiterschicht enthält,

Entfernen eines Abschnittes der selendotierten Halbleiterschicht zum Erzeugen eines Musters darin,

Erwärmen der Halbleitereinrichtung zum Diffundieren des Selendotiermittels von der dotierten Schicht, während die Zeit und Temperatur des Erwärmens gesteuert werdend und dadurch Verursachen, daß das Selendotiermittel in jenen Teil der aktiven Übergitterschicht der selendotierten Schicht unterhalb der selendotierten Schicht diffundiert und ihn dabei in Unordnung versetzt, wobei ein nichtdotierter, nicht-ungeordneter Bereich verbleibt, der durch den entfernten Abschnitt der dotierten Schicht bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Entfernens Erzeugen einer Maske auf der dotierten Schicht und Wegätzen eines nicht-maskierten Abschnittes der dotierten Schicht aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Entfernens Erzeugen einer Maske mit einem Muster in Form eines nicht-maskierten Streifens von vorbestimmter Breite aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die epitaxiale Wachstumsphase Wachsenlassen einer Ätzstoppschicht zwischen der Übergitterschicht und der dotierten Schicht zum Verhindern des Ätzens der Übergitterschicht aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Halbleiterübergitter aus der Gruppe ausgewählt wird, die AlGaAs-, InGaAsP- und AlGaInP-Reihen von Übergittern aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Wachsenlassens der Übergitterschicht Wachsen lassen abwechselnder Schichten von GaAs und AlGaAs aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die selendotierte Halbleiterschicht GaAs aufweist, das mit Selen mit einer Konzentration von mindestens 5 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Erwärmen bei einer Temperatur von mindestens 800ºC während einer Zeitdauer von mindestens 15 Stunden durchgeführt wird.

9. Verfahren zum Herstellen einer vergrabenen Halbleiterheterostruktur-Lasereinrichtung, mit den Schritten:

Durchführen einer epitaxialen Wachstumsphase, die epitaxiales Wachsen lassen auf einem Halbleitersubstrat von aufeinanderfolgenden Schichten einschließlich einer unteren Verkleidungsschicht, einer aktiven Übergitterschicht, einer oberen Verkleidungsschicht und einer selendotierten Halbleiterschicht aufweist;

Ätzen eines streifenförmigen Abschnittes von der selendotierten Halbleiterschicht und Erwärmen der Lasereinrichtung zum Diffundieren von Selen von der selendotierten Halbleiterschicht, während die Zeit und Temperatur des Erwärmens gesteuert werden, und dadurch Verursachen, daß das Selendotiermittel in jene Bereiche der aktiven Übergitterschicht diffundiert und dadurch jene in Unordnung versetzt, die von dem streifenförmigen Bereich der aktiven Übergitterschicht gebunden sind, wobei der streifenförmige Bereich nicht-dotiert und somit nicht-ungeordnet verbleibt.

10. verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Ätzschritt Erzeugen einer Maske auf der dotierten Schicht, wobei der streifenförmige Abschnitt unmaskiert bleibt, und Wegätzen des unmaskierten streifenförmigen Abschnittes der dotierten Schicht aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Halbleiterübergitter aus der Gruppe ausgewählt wird, die AlGaAs-, InGaAsP- und AlGaInP-Reihen von übergittern aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Wachsenlassens der Übergitterschicht Wachsen lassen abwechselnder Schichten von GaAs und AlGaAs aufweist.

13. verfahren nach Anspruch 12, bei dem die selendotierte Halbleiterschicht GaAs aufweist, das mit Selen mit einer Konzentration von mindestens 5 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist.

14. verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Erwärmen bei einer Temperatur von mindestens 800ºC während einer Zeitdauer von mindestens 15 Stunden durchgeführt wird.

15. Halbleiterlaser mit der Kombination von einer epitaxial gewachsenen Struktur, die aus aufeinanderfolgend gewachsenen Schichten auf einem Halbleitersubstrat gebildet ist einschließlich einer unteren Verkleidungsschicht eines ersten Leitungstyps, einer aktiven Schicht mit einem Übergitter aus abwechselnden Quantensenken- und Quantenbarrierenschichten, einer oberen Verkleidungsschicht des zu der unteren Verkleidungsschicht entgegengesetzten Leitungstyps und einer selendotierten Halbleiterschicht, die so bemustert ist, daß eine Fläche davon entfernt worden ist;

Selenfremdatomen, die von der selendotierten Schicht in die obere Verkleidungsschicht und die aktiven Schichten diffundiert sind, wobei die Fremdatome externe ungeordnete Bereiche des Übergitters definieren, die einen mittleren nicht-ungeordneten Streifen binden, der im wesentlichen keine Fremdatome enthält und der Fläche entspricht, in der die selendotierte Halbleiterschicht nicht vorhanden ist;

wobei die ungeordneten Bereiche eine höhere Bandlücke und einen niedrigeren Brechungsindex als der mittlere Bereich aufweisen, wodurch verursacht wird, daß der zentrale Bereich als Resonator wirkt; und

einem Paar von entgegengesetzten Elektroden auf dem Substrat bzw. der selendotierten Schicht.

16. Halbleiterlaser nach Anspruch 15, bei dem das Halbleitersubstrat GaAs ist, das Übergitter aus abwechselnden Schichten von GaAs und AlGaAs gebildet ist und die dotierte Halbleiterschicht GaAs mit hoher Dotierung von Selen ist.

17. Halbleiterlaser nach Anspruch 16, bei dem die Selenkonzentration in der selendotierten Halbleiterschicht mindestens 5 · 10¹&sup8;cm&supmin;³ beträgt.

18. Halbleiterlaser nach Anspruch 15, bei dem das Halbleiterübergitter aus der Gruppe gewählt ist, die AlGaAs-, InGaAsP- und AlGaInP- Reihen von Übergittern aufweist.