DE4010133A1 - Halbleiterbauteil mit zn-diffusionsschicht und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Halbleiterbauteil mit zn-diffusionsschicht und verfahren zu dessen herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil aus einem III- V-Verbindungshalbleiter mit Zn-Diffusionsschicht und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils.
Ein Halbleiterlaser aus AlGaInP weist die kürzeste Emis­ sionswellenlänge aller III-V-Verbindungshalbleiter auf. Sie beträgt 0,63 µm. Ein solcher Laser ist interessant, da er anstelle eines Helium-Neon-Lasers verwendet werden kann. Während des Herstellvorgangs des Lasers wird Zn oder der­ gleichen in Halbleiterschichten eindiffundiert, um deren Brechungsindex oder Leitfähigkeitstyp zu ändern.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein be­ kanntes Halbleiterbauteil mit Zn-Diffusionsschicht in AlGaInP.
Auf einem Substrat 1 aus GaAs sind eine Folgeschicht 2 aus Al0,25Ga0,25In0,5P, eine Diffusionsmaskenschicht 4 aus Si3N4, eine Mischschicht 5 aus ZnO und SiO2 und eine Schutzschicht 6 aus SiO2 aufgebracht. Zn ist in einem Diffusionsbereich 7 eindiffundiert.
Das Eindiffundieren geschieht wie folgt.
Die vorstehend beschriebene Schichtenfolge wird in einem Diffusionsofen angeordnet und in Stickstoff- oder Wasser­ stoffatmosphäre bei etwa 570°C für etwa 1 Stunde geheizt. Dabei diffundiert Zn von der Mischschicht 5 mit einer Tiefe von etwa 1,3 µm in die darunterliegende Schicht 2. Um die Diffusionstiefe möglichst genau einzustellen, ist es erfor­ derlich, die Diffusionstemperatur und die Temperzeit genau zu überwachen. Außerdem hängt die Diffusionskonzentration von diesen Größen ab.
Selbst bei sehr genauem Überwachen von Zeit und Temperatur beim Diffusionsvorgang ist es beim bekannten Aufbau nicht möglich, die Diffusionstiefe mit hoher Genauigkeit einzu­ stellen, da diese auch noch von Toleranzen in der Filmdicke und der Zusammensetzung der AlGaInP-Schicht abhängt. Wird die Temperatur erniedrigt, um die Diffusionsgeschwindigkeit zu erniedrigen und dadurch in bezug auf die Diffusionszeit weniger kritischen Anforderungen genügen zu müssen, ergeben sich Schwierigkeiten, weil die Zn-Konzentration im Diffu­ sionsbereich erniedrigt wird, was negative Auswirkungen auf die Bauteileigenschaften hat.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß als Diffusionsmas­ kenschicht in der Regel eine solche aus Si3N4 verwendet wird, die durch CVD oder Sputtern hergestellt wird, also nicht innerhalb der Kristallwachstumsvorrichtung selbst auf­ gebracht werden kann. Dies verkompliziert den Herstellungs­ ablauf und erniedrigt den Wirkungsgrad.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiter­ bauteil eines III-V-Verbindungshalbleiters mit Zn-Diffu­ sionsschicht anzugeben, das bei einfacher Herstellbarkeit gut reproduzierbare Eigenschaften aufweist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Her­ stellen eines solchen Bauteils anzugeben.
Die Erfindung ist für das Bauteil durch die Merkmale von An­ spruch 1 und für zwei unterschiedliche Herstellverfahren durch die Merkmale der Ansprüche 2 bzw. 3 gegeben.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil zeichnet sich dadurch aus, daß die Diffusionsmaskenschicht und/oder eine Diffu­ sionsbegrenzungsschicht aus Al x Ga1- x As (0×1) bestehen. Schichten aus diesem Material können innerhalb der Kristall­ wachstumsvorrichtung aufgebracht werden. Wenn eine Diffu­ sionsbegrenzungsschicht aus diesem Material vorhanden ist, hängt die Diffusionstiefe nicht mehr maßgeblich von Diffu­ sionszeit und Diffusionstemperatur ab. Die Verwendung des genannten Materials in Abläufen, die mit dem Diffusionsvor­ gang zu tun haben, führt also zu erheblicher Steigerung des Wirkungsgrades beim Herstellen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Fig. 1-4 näher veranschaulicht. Fig. 5 zum Stand der Technik wurde bereits erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Halb­ leiterbauteil mit Diffusionsbegrenzungsschicht;
Fig. 2(a)-2(d) schematische Querschnitte durch Schicht­ folgen, wie sie beim Herstellen eines Lasers mit einer Dif­ fusionsmaskenschicht aus GaAs erhalten werden;
Fig. 3(a)-3(d) schematische Querschnitte von Schichtfol­ gen, wie sie beim Herstellen einer Laserdiode mit einer Dif­ fusionsmaskenschicht und einer Diffusionsbegrenzungsschicht aus GaAs erhalten werden;
Fig. 4 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischenDif­ fusionstiefe und Zeit darstellt; und
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch ein bekann­ tes Halbleiterbauteil ohne Diffusionsbegrenzungsschicht.
Der Querschnitt gemäß Fig. 1 durch einen Verbindungshalblei­ ter dient zum Erläutern eines Verfahrens zum Eindiffundieren von Zn. Der Halbleiter weist ein Substrat 1 aus GaAs und eine Folgeschicht Al0,25Ga0,25In0,5P auf, die durch MOCVD oder MBE auf dem Substrat abgeschieden ist. Darüber ist eine Diffusionsbegrenzungsschicht 3 aus AlGaAs vorhanden. Über dieser Schicht ist der restliche Teil der Folgeschicht 2 aufgebracht. Die obere Folgeschicht 2 ist teilweise durch eine Diffusionsmaske 4 aus Si3N4 abgedeckt. Darüber befindet sich eine Mischschicht 5 von ZnO und SiO2, die mit einer Dicke von 1500 Å (1,5 nm) durch Sputtern aufgebracht ist. Das Gewichtsverhältnis von ZnO zu SiO2 ist 9 : 1. Ganz oben befindet sich eine Schutzschicht 6 aus SiO2, die durch Sput­ tern mit einer Dicke von 1000 Å (1 nm) aufgebracht ist. In den oberen Bereich der Folgeschicht 2 ist Zn eindiffundiert. Der Diffusionsbereich trägt das Bezugszeichen 7.
Fig. 4 veranschaulicht Diffusionsgeschwindigkeiten von Zn in AlGaInP und GaAs.
Wenn Zn in Al0,25Ga0,25In0,5P bei einer Temperatur von 570°C für eine Stunde in Stickstoff- oder Wasserstoffatmosphäre aus der Mischschicht 5 eindiffundiert wird, wird eine Diffu­ sionstiefe von 1,3 µm erreicht. Wird bei denselben Bedingun­ gen in GaAs eindiffundiert, ist die Diffusionstiefe nur 0,4 µm. Bei einer Temperatur von 630°C wird für das Eindif­ fundieren in den erstgenannten Verbindungshalbleiter eine Tiefe von 9 µm erhalten, während für das Eindiffundieren in GaAs nur eine Tiefe von 1 µm erreicht wird.
Es wird nun ein Fall beschrieben, gemäß dem die Diffusions­ tiefe auf 1,3 µm begrenzt wird.
Beim Aufbau gemäß Fig. 1 wird die Diffusionsbegrenzungs­ schicht 3 in einer Tiefe von 1,3 µm unter der Oberfläche der Schicht 2 aus Al0,25Ga0,25In0,5P angeordnet. Die Filmdicke der Diffusionsbegrenzungsschicht 3 ist etwa 0,1 µm. Wenn Diffusion bei 570°C für eine Stunde ausgeführt wird, dif­ fundiert Zn mit einer Tiefe von etwa 1,3 µm ein. Die Diffu­ sionstiefe hängt jedoch von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. Temperaturtoleranzen oder Toleranzen in der Filmdicke und Zusammensetzung der Schicht 2. Infolgedessen erreicht die Diffusionsfront die Diffusionsbegrenzungsschicht nicht überall, sondern nur in einem begrenzten Bereich. Wenn die Diffusion ein bißchen länger ausgeführt wird, z. B. für 70- 80 Minuten, erreicht die Diffusionsfront die Diffusionsbe­ grenzungsschicht 2 in der ganzen Waferfläche. Da jedoch die Diffusionsgeschwindigkeit von Zn in der Diffusionsbegren­ zungsschicht 3 begrenzt ist, wird im wesentlichen überall eine Diffusionstiefe erreicht, die der Lage der Diffusions­ begrenzungsschicht 3 entspricht. Dadurch läßt sich die Dif­ fusionstiefe mit hoher Genauigkeit in einem gesamten Wafer einstellen.
Das erste Ausführungsbeispiel betraf ein Halbleiterbauteil mit einer Schicht aus AlGaAs als Diffusionsbegrenzungs­ schicht für Zn. Es wird nun anhand der Fig. 2(a) bis 2(d) ein Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem eine Al x Ga1- x As (0×1)-Schicht als Diffusionsmaske verwendet wird.
Fig. 2(d) zeigt den Querschnitt einer Schichtfolge mit fol­ genden Schichten: einem Substrat 21 aus GaAs vom N-Typ, eine untere Abdeckschicht 8 aus Al0,25Ga0,25In0,5P vom N-Typ, eine aktive Schicht 9 aus Ga0,5In0,5P vom N-Typ, eine obere Abdeckschicht 10 aus Al0,25Ga0,25In0,5P vom N-Typ, eine Stromblockierschicht aus Al0,25Ga0,25In0,5P vom P-Typ, eine Deckschicht 12 aus Ga0,5In0,5P vom N-Typ, eine Diffusions­ maskenschicht 13 aus GaAs, eine Mischschicht 5 aus ZnO : SiO2 und eine Schutzschicht 6 aus SiO2. In der oberen Abdeck­ schicht 10, der Stromblockierschicht 11 und der Deckschicht 12 ist ein Diffusionsbereich 7 ausgebildet. Ein solcher liegt auch zwischen der Diffusionsmaskenschicht 13 und der Mischschicht 5 vor.
Der Herstellvorgang für dieses Bauteil ist der folgende.
Zunächst werden auf das Substrat 21 die untere Abdeckschicht 8, die aktive Schicht 9, die obere Abdeckschicht 10, die Stromblockierschicht 11, die Deckschicht 12 und die Diffu­ sionsmaskenschicht 13 aufgewachsen (Fig. 2(a)). Anschließend wird von der Diffusionsmaskenschicht 13 ein Teil weggeätzt (Fig. 2(b)). Durch Sputtern werden anschließend die Misch­ schicht 5 aus ZnO : SiO2 und die Schutzschicht 6 aus SiO2 aufgebracht (Fig. 2(c)). Das so hergestellte Wafer wird dann in einen Diffusionsofen gesetzt und Diffusion aus der Misch­ schicht 5 erfolgt so lange, bis die Diffusionsfront die ak­ tive Schicht 9 erreicht. Bei der so hergestellten Laserdiode erhält der Diffusionsbereich in der aktiven Schicht 9 einen anderen Brechungsindex als in Bereichen, in denen kein Zn eindiffundiert ist. Dadurch läßt sich die Transversalmode des Lasers steuern.
Beim herkömmlichen Herstellverfahren wird ein Film aus Si3N4 für die Diffusionsmaske verwendet. Dies macht es erforder­ lich, die Schichtfolgeanordnung, die bis einschließlich der Deckschicht 12 hergestellt ist, der Kristallwachstumsanlage zu entnehmen, um den Si3N4-Film aufzusputtern. Beim eben be­ schriebenen Ausführungsbeispiel wird jedoch eine Schicht aus GaAs verwendet, das für Zn eine geringere Diffusionsge­ schwindigkeit aufweist als AlGaInP. Auf die Deckschicht 12 kann die Maskenschicht 13 aus GaAs direkt in derselben Vor­ richtung aufgewachsen werden, was den Herstellvorgang er­ leichtert und die Zuverlässigkeit der Herstellung verbes­ sert.
Gemäß einer dritten Ausführungsform wird eine Schicht aus Al x Ga1- x As (0×1) sowohl für die Diffusionsbegrenzungs­ schicht wie auch für die Diffusionsmaske verwendet. Dieses Ausführungsbeispiel wird anhand der Fig. 3(a) bis 3(d) be­ schrieben. Es handelt sich um eine Laserdiode, bei der durch den im folgenden beschriebenen Aufbau die Transversalmode gesteuert wird und der Strompfad verengt wird.
Das Bauteil gemäß dem Schnittbild von Fig. 3(d) weist fol­ gende Schichten auf: ein Substrat 31 aus GaAs vom P-Typ, eine Abdeckschicht 38 aus Al0,25Ga0,25In0,5P vom P-Typ, eine aktive Schicht 39 aus Ga0,5In0,5P vom N-Typ, Abdeckschichten 40 a und 40 b aus Al0,25Ga0,25In0,5P vom N-Typ, eine Diffu­ sionsbegrenzungsschicht 23 a aus AlGaAs vom N-Typ, eine Lichtleitschicht 41 aus einem GaInP/AlGaInP-Übergitter, eine Deckschicht 42 aus Ga0,5In0,5P vom N-Typ, eine Mischschicht 5 aus ZnO : SiO2 und eine Schutzschicht 6 aus SiO2. Außerdem ist auf der Deckschicht 42 zentrisch eine Diffusionsmasken­ schicht 23 b aus GaAs vorhanden.
Der Herstellablauf für einen Laser mit dieser Schichtfolge wird nun erläutert.
Es werden zunächst die Schichten bis einschließlich der Dif­ fusionsmaskenschicht 23 b auf das Substrat 31 aufgewachsen (Fig. 3(a)). Anschließend wird so viel von der Diffusions­ maskenschicht 23 b weggeätzt, daß nur noch ein Streifen ste­ henbleibt (Fig. 3(b)). Durch Sputtern werden dann die Misch­ schicht 5 aus ZnO : SiO2 und die Schutzschicht 6 aus SiO2 aufgebracht. Schließlich wird der Wafer in einem Diffusions­ ofen erhitzt, um Zn aus der Mischschicht 5 einzudiffundie­ ren. Das Zn diffundiert bis in die Diffusionsbegrenzungs­ schicht 23 a ein.
Die Funktion der so aufgebauten Laserdiode wird nun erläu­ tert. Das Übergitter der Lichtleitschicht 41 erfährt im Zn- Diffusionsbereich eine Erniedrigung seiner Ordnung. Dieser Bereich weist dann einen geringeren Brechungsindex auf als der Bereich ohne eindiffundiertes Zn. Da die Schichtdicke der Abdeckschicht 40 a aus AlGaInP vom N-Typ nur etwa 0,25 µm beträgt, tritt Licht aus der aktiven Schicht 39 in die Lichtleitschicht 41 ein. Dadurch wird eine Brechungsindex­ verteilung in Querrichtung erzielt, was die Lichtführung be­ wirkt. Das in der aktiven Schicht 39 erzeugte Licht wird demgemäß nicht nur in Dickenrichtung durch die untere Ab­ deckschicht 40 a und die obere Abdeckschicht 40 b begrenzt, sondern es wird auch in Querrichtung begrenzt, wodurch die Transversalmode gesteuert werden kann. Weiterhin ist zu be­ achten, daß das Eindiffundieren von Zn zum P-Typ führt, wo­ durch ein Bereich mit dem Zn-Diffusionsbereich 7, der unte­ ren Abdeckschicht 40 a aus AlGaInP vom N-Typ und der aktiven Schicht 39 aus GaInP vom N-Typ und der Abdeckschicht 38 aus AlGaInP vom P-Typ eine pnp-Struktur bilden, durch die kein Strom fließt. Dadurch wird ein verengter Strompfad im Mit­ tenbereich des Wafers gebildet, der den Strom auf den Mit­ tenbereich konzentriert.
Beim Herstellen dieser Laserstruktur wirkt sich die Diffu­ sionsbegrenzungsschicht 23 a stark aus. Wäre die Diffusion nicht tief genug, würde das Übergitter in der Lichtleit­ schicht 41 nicht ausreichend stark in seiner Ordnung ge­ stört, wodurch keine ausreichende Brechungsindexverteilung in Querrichtung erzielt würde. Wäre dagegen die Diffusions­ tiefe so groß, daß sie bis zur Abdeckschicht 38 aus AlGaInP vom P-Typ reichen würde, würde Strom vom Diffusionsbereich durch diese Schicht fließen und der Laser würde kein Licht emittieren. Es ist also sehr wichtig, die Diffusionstiefe möglichst genau zu steuern, was die Wichtigkeit der Diffu­ sionsbegrenzungsschicht 23 a hervorhebt.
Beim Ausführungsbeispiel wurde Zn in Al0,25Ga0,25In0,5P ein­ diffundiert. Das Eindiffundieren kann jedoch auch in eine Verbindung AlGaInP mit anderer Zusammensetzung erfolgen.
Die Ausführungsbeispiele dienten zum Veranschaulichen, daß es von Vorteil ist, eine Al x Ga1- x As (0×1)-Schicht als Diffusionsbegrenzungsschicht oder als Diffusionsmasken­ schicht beim Eindiffundieren von Zn zu verwenden, da die Diffusionsgeschwindigkeit von Zn in diesem Material geringer ist als die in AlGaInP. Wird das Material als Diffusionsbe­ grenzungsschicht verwendet, läßt sich die Diffusionstiefe genau einstellen. Wird das Material als Diffusionsmaske ver­ wendet, bringt dies den Vorteil, daß die Diffusionsmaske unmittelbar in der Kristallwachstumsvorrichtung hergestellt werden kann, also nicht in einem gesonderten Prozeß aufge­ sputtert werden muß.

Claims (6)

1. Halbleiterbauteil aus AlGaInP mit einer Zn-Diffu­ sionsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß als Diffusionsbe­ grenzungsschicht (3) und/oder als Diffusionsmaskenschicht (4) eine Schicht aus Al x Ga1- x As (0×1) verwendet wird.
2. Verfahren zum Herstellen einer Laserdiode mit dem Aufbau des Bauteils gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß
  • - zunächst eine untere Abdeckschicht, eine aktive Schicht, eine obere Abdeckschicht, eine Stromblockierschicht, eine Deckschicht und die Diffusionsmaskenschicht aus Al x Ga1- x As (0×1) auf ein Substrat aufgewachsen werden,
  • - ein Teil der Diffusionsmaskenschicht abgeätzt wird,
  • - ein Mischfilm mit einer Zn-Verbindung und eine Schutz­ schicht auf die Diffusionsmaskenschicht und die teilweise freigelegte Deckschicht aufgewachsen werden,
  • - und Zn aus der Mischschicht in den Wafer eindiffundiert wird, bis die Diffusionsfront die aktive Schicht erreicht.
3. Verfahren zum Herstellen einer Laserdiode mit dem Aufbau des Bauteils gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß
  • - zunächst eine untere Abdeckschicht, eine aktive Schicht, eine obere Abdeckschicht, eine Al x Ga1- x As (0×1)- Diffusionsbegrenzungsschicht, eine Lichtleitschicht, eine weitere obere Abdeckschicht, eine Deckschicht und eine Al x Ga1- x As (0×1)-Diffusionsmaskenschicht auf ein Substrat aufgewachsen werden,
  • - ein Teil der Diffusionsmaskenschicht so abgeätzt wird, daß ein Streifen verbleibt,
  • - eine Mischschicht mit einer Zn-Verbindung und eine Schutz­ schicht auf dem Diffusionsmaskenstreifen und dem freige­ legten Teil der Deckschicht abgeschieden werden,
  • - und Zn aus der Mischschicht in den Wafer eindiffundiert wird, bis die Diffusionsfront die Diffusionsbegrenzungs­ schicht erreicht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus GaAs besteht, die un­ tere und die obere Abdeckschicht und die Strombegrenzungs­ schicht aus Al0,25Ga0,25In0,5P bestehen, die aktive Schicht und die Deckschicht aus Ga0,5In0,5P bestehen und die Diffu­ sionsmaskenschicht aus GaAs besteht.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtleitschicht durch ein GaInP/AlGaInP- Übergitter gebildet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mischschicht ZnO und SiO2 enthält und die Schutzschicht durch SiO2 gebildet wird.
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