DE4135986A1

DE4135986A1 - Verbundhalbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE4135986A1
Application number: DE4135986A
Authority: DE
Inventors: Seung Hwan Moon; Yung Sup Yoon
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1991-04-03
Filing date: 1991-10-31
Publication date: 1992-10-15
Also published as: KR940005454B1; US5181085A; JPH04324691A; KR920020697A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbundhalbleitervorrichtung, insbesondere auf eine Vorrichtung, die durch Ausbilden eines bipolaren Heteroübergangstransistors (HBT) in der Vertikalstruktur einer Laserdiode einen einzelnen Chip bildet.

Seit kurzem hat der Bedarf nach Hochgeschwindigkeitsrechnern, Hochfrequenz- und optischer Kommunkation entsprechend den gesellschaftlichen Entwicklungen in Richtung auf eine Informations-Kommunikationsgesellschaft zugenommen. Herkömmliche Si-Vorrichtungen sind jedoch hinsichtlich der Befriedigung dieses Bedarfs begrenzt. Daher sind Verbundhalbleiter mit besseren Materialeigenschaften in aller Breite untersucht worden.

Unter den Verbundhalbleitern weist die Zusammensetzung GaAs wegen ihrer hohen Elektronenbeweglichkeit und ihren halbisolierenden Eigenschaften eine hohe Betriebsgeschwindigkeit und einen niedrigen Leistungsverbrauch auf, wodurch sie viele Vorteile im Bereich der Militär- und Weltraumkommunikation besitzt.

Durch Nutzung dieser überlegenen Materialeigenschaften von GaAs sind verschiedene Vorrichtungen entwickelt worden. Typische Vorrichtungen dieser Art sind: die Laserdiode (LD), der Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET), der bipolare Heteroübergangstransistor (HBT) und der deltadotierte Feldeffekttransistor (δ-dotierter FET).

Die LD sendet Licht durch Rekombination des Elektrons mit einem Loch im Hauptmedium des P-N-Übergangs aus, wenn ein genügend großer Durchlaßstrom fließt. Da die LD klein ist und kohärentes Licht liefert, wird sie in großem Umfang als Lichtquelle in der optischen Kommunikation und in der optischen Signalverarbeitung verwendet.

Andererseits nutzt der HBT den Heteroübergang eines Emitters mit breiter Energiebandlücke sowie eine Basis mit kleiner Energiebandlücke aus. Dabei wird die Löcherinjektion von der Basis in den Emitter verhindert, so daß die Elektroneninjektion vom Emitter in die Basis einfacher wird, wodurch der Wirkungsgrad der Elektroneninjektion des Emitters erhöht wird, was eine Zunahme des Stromes zur Folge hat.

Der HBT kann also als LD-Treibervorrichtung verwendet werden. Die Treiber- bzw. Steuerverfahren des LD werden entsprechend der Position des HBT unterteilt in die Methode der Innensteuerung und in die Methode der Außensteuerung. Die Außensteuerung erlaubt die Verwendung der hybriden integrierten Schaltung (IC), der LD und des HBT durch Bondieren und Verdrahten, während die Innensteuerung den Einbau der LD und des HBT in das gleiche Chip ermöglicht.

Bei der Außensteuerung treten jedoch einige Probleme auf, in der Weise, daß die Vorrichtungen durch Störsignale fehlerhaft arbeiten, die durch parasitäre Kapazitäten im Hochgeschwindigkeitsbetrieb auftreten, und daß weiter die Kosten und der Flächenbedarf aufgrund des Hybridverfahrens zunehmen.

Daher werden optoelektronische integrierte Schaltungen (OEIC) untersucht, um die genannten Probleme bei der Bildung der LD und des HBT im gleichen Chip zu lösen.

Fig. 1 stellt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Verbundhalbleiters dar. Die Verbundhalbleitervorrichtung ist eine OEIC, bestehend aus einem selbstausgerichteten HBT und einer LD. Die Verbundhalbleitervorrichtung ist in einen HBT-Bereich (H-Bereich) und einen LD-Bereich (L-Bereich) unterteilt. Weiter wird ein gemeinsames, halbisolierendes GaAs-Substrat 1 verwendet.

Eine N⁺-leitende GaAs-Schicht 3, eine N-leitende AlGaAs-Schicht 5, die als Kollektorbereich dient, eine P⁺-leitende GaAs-Schicht 7, die als Basisbereich dient, eine N⁺-leitende AlGaAs-Schicht 9, die als Emitterbereich dient, und eine N⁺-leitende GaAs-Schicht 11, die als Dachbereich dient, werden hintereinander hergestellt.

Die N⁺-leitende GaAs-Schicht 3 bildet ein Subkollektorgebiet im H-Bereich. Eine T-förmige Emittereleketrode 17 wird in einem vorbestimmten Abschnitt der N⁺-leitenden GaAs-Schicht 11 gebildet, die als Dachbereich benutzt wird.

Unter Verwendung dieser Emittereleketrode als Implantierungsmaske wird ein P⁺-Bereich 13 erzeugt, der von der N-leitenden AlGaAs-Schicht 5 überlappt wird.

Auf der Oberfläche des P⁺-Bereiches 13 wird eine Basiselektrode 18 gebildet, während ein Isolationsbereich 15 auf dem exponierten Abschnitt der N⁺-leitenden GaAs-Schicht 3 durch Ionenimplantation von H₂ gebildet wird.

Weiter werden auf dem LD-Bereich (L-Bereich) der N⁺-leitendenden GaAs-Schicht 3 eine N-leitende AlGaAs-Schicht 5, die als Deckbereich dient, eine P-leitende oder N-leitende GaAs-Schicht 23, die als aktive Schicht 23 dient, eine P-leitende AlGaAs-Schicht 25, die als Deckbereich dient, und eine P⁺-leitende GaAs-Schicht 26, die als Dachbereich dient, übereinandergeschichtet. Die N⁺-leitende GaAs-Schicht 3 dient als Pufferschicht.

Auf der P⁺-leitenden GaAs-Schicht 26 wird eine Isolierschicht 28 aufgebracht, mit Ausnahme eines vorbestimmten Abschnittes eines Hochwiderstandsbereiches 27, der von der N-leitenden AlGaAs-Schicht 5 überlappt wird, welche unter der Isolierschicht 28 angebracht ist.

Auf der Isolierschicht 28 wird eine P-leitende Elektrode 29 in Kontakt mit der P⁺-leitenden GaAs-Schicht 26 erzeugt.

Weiter wird eine gemeinsame Elektrode 19 als Kollektorelektrode des HBT sowie eine N-leitende Elektrode des LD im exponierten Graben 21 der N⁺-leitenden GaAs-Schicht 3 zwischen dem HBT-Bereich (H-Bereich) und dem LD-Bereich (L-Bereich) erzeugt.

Die sowohl den HBT als auch die LD im gleichen Chip enthaltende Verbundhalbleitervorrichtung wird als eine OEIC in optischen Kommunikationssystemen verwendet. Bei dieser OEIC sendet die LD Licht aus, während der HBT das Licht verstärkt, um die LD einfach so zu steuern, daß die parasitäre Kapazität minimiert wird. Dadurch wird das anormale Funktionieren sowie die Behinderung während der Hochgeschwindigkeitsoperation verhindert und es werden die Kosten und die Chipfläche verringert.

Beim herkömmlichen Verbundhalbleiter werden jedoch der HBT und die LD in jedem Bereich getrennt voneinander hergestellt, so daß die Chipfläche groß werden kann. Darüber hinaus ist die Struktur kompliziert und die Topologie schlecht.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verbundhalbleitervorrichtung zu schaffen, welche durch Beseitigen des HBT-Bereiches die Chipgesamtfläche minimiert.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Verbundhalbleitervorrichtung mit einer verbesserten Topographie.

Ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Verbundhalbleitervorrichtung mit einem niedrigen Schwellenstrom.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Verbundhalbleitervorrichtung mit einer LD und einem HBT im gleichen Chip geschaffen, die folgende Komponenten aufweist: einen LD-Abschnitt, bestehend aus einem ersten leitenden Verbundhalbleitersubstrat, eine erste Verbundhalbleiterschicht von einem ersten Leitungstyp, die auf dem Verbundhalbleitersubstrat als untere Deckschicht aufgebracht ist, eine zweite Verbundhalbleiterschicht, die auf der ersten Verbundhalbleiterschicht zur Aussendung des Lichtes angebracht ist, eine dritte Verbundhalbleiterschicht vom zweiten Leitungstyp, die auf der zweiten Verbundhalbleiterschicht als obere Deckschicht aufgebracht ist, sowie eine dritte Elektrode; und einen HBT-Abschnitt, bestehend aus einer vierten Verbundhalbleiterschicht vom ersten Leitungstyp, der auf der dritten Verbundhalbleiterschicht als Basisbereich aufgebracht ist, eine fünfte Verbundhalbleiterschicht vom zweiten Leitungstyp, die auf der vierten Verbundhalbleiterschicht als Emitterbereich aufgebracht ist, eine erste Elektrode vom zweiten Leitungstyp, die auf einem vorbestimmten Abschnitt der fünften Verbundhalbleiterschicht gebildet ist, zweite Elektroden vom ersten Leitungstyp, die auf beiden Seiten der ersten Elektrode der fünften Verbundhalbleiterschicht gebildet sind, einen hochdotierten Bereich eines ersten Leitungstyps, der unter den zweiten Elektroden zum Anschließen der dritten Verbundhalbleiterschicht an die vierte Verbundhalbleiterschicht angebracht ist, und eine dritte Verbundhalbleiterschicht, die als Kollektorbereich dient und gemeinsam mit dem LD-Abschnitt benutzt wird.

Nachfolgend wird der wesentliche Gegenstand der Figuren kurz beschrieben.

Fig. 1 stellt eine Querschnittsansicht einer herkömlichen Verbundhalbleitervorrichtung dar;

Fig. 2 stellt eine Querschnittsansicht der bevorzugten Ausführungsform einer Verbundhalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar;

Fig. 3 stellt ein Ersatzschaltbild der Verbundhalbleitervorrichtung der Fig. 2 dar; und

Fig. 4 stellt eine weitere Ausführungsform einer Verbundhalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar.

Nachfolgend werden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 2 stellt eine Querschnittsansicht der bevorzugten Ausführungsform einer Verbundhalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar.

Die in Fig. 2 dargestellte Halbleitervorrichtung ist eine optoelektronische, integrierte Schaltung (OEIC), die einen bipolaren Hybridübergangstransistor (HBT) und eine Laserdiode (LD) im gleichen Chip vereinigt.

Der HBT soll als Treiberkomponente und die LD als optische Komponente arbeiten.

Ein P⁺-leitendes GaAs-Verbundhalbleitersubstrat 31 mit den Flächenindizes <100< ist mit Störatomen, wie Ge oder Zn in einer Dosis von 1×10¹⁷∼1×10¹⁸ Ionen/cm³ dotiert.

Auf dem Substrat 31 sind nacheinander eine erste Verbundhalbleiterschicht 33 von P-leitendem AlxGal-xAs, eine zweite Verbundhalbleiterschicht 35 von P-leitendem Aly Gal-yAs, eine dritte Verbundhalbleiterschicht 37 vom N-leitenden AlxGal-xAs, eine vierte Verbundhalbleiterschicht 39 von P-leitendem GaAs, und eine fünfte Verbundhalbleiterschicht 41 von N-leitendem AlxGal-zAs aufgeschichtet.

Eine erste Elektrode 45 aus Ge/Mo/W ist auf einem vorbestimmten Abschnitt der fünften Verbundhalbleiterschicht 41 gebildet, während eine zweite Elektrode 47 aus Au/Mn zu beiden Seiten der ersten Elektrode 45 gebildet ist.

Unter den zweiten Elektroden 47 ist ein P⁺-leitender Bereich 43 angebracht, der von der dritten Verbundhalbleiterschicht 37 mit einer vorbestimmten Dicke überlappt wird.

Weiter ist unter dem Verbundhalbleitersubstrat 31 eine dritte Elektrode 49 aus Au/Zn gebildet.

Die ersten und die zweiten Elektroden 45 und 47 dienen jeweils als Emitter und Basiselektroden des HBT, während die dritte Elektrode 49 als P-leitende Elektrode des LD dient.

Die zweite Verbundhalbleiterschicht 35 dient als aktives Gebiet zum Aussenden des Lichtes durch Rekombination eines Elektrons und eines Loches, während die erste und die dritte Verbundhalbleiterschicht 33 und 37 als P-leitende und N-leitende Abdeckgebiete zur Führung des ausgesandten Lichtes dienen.

Die Energiebandlücke jeweils der ersten und der dritten Verbundhalbleiterschicht 33 und 37 muß also breiter als diejenige der zweiten Schicht 35 sein, wobei die erste und die dritte Verbundhalbleiterschicht 33 und 37 mehr Al enthalten müssen als die zweite Schicht 35, d. h., das gilt: 1x<Y0. Weiter dient die dritte Verbundhalbleiterschicht 37 als Kollektorbereich des HBT.

Die vierte und die fünfte Verbundhalbleiterschicht 39 bzw. 41 dienen jeweils als Basisbereich bzw. als Emitterbereich des HBT.

Um eine Löcherinjektion von der vierten Verbundhalbleiterschicht 39 in die fünfte Verbundhalbleiterschicht 41 zu verhindern und die Elektroneninjektion von der fünften Verbundhalbleiterschicht 41 in die vierte Verbundhalbleiterschicht 39 zu erleichtern, muß die fünfte Verbundhalbleiterschicht 41 viel Al enthalten.

Allgemein ist der Wert von Z, der die Menge an Al darstellt, umso besser, je größer er ist, wobei er bei der vorliegenden Erfindung fast dem Wert X entspricht, der die Menge an Al in der dritten Verbundhalbleiterschicht 37 darstellt. Darüberhinaus ist die vierte Verbundhalbleiterschicht 39 nur schwach ausgebildet, um einen schnellen Fluß der Löcher zu erzielen.

Wie oben erwähnt, kann die Chipfläche erheblich reduziert werden, da der HBT in die Vertikalstruktur der LD integriert ist; und weiter kann auch die Topographie verbessert werden, da die erste und die zweite Elektrode 45 und 47 auf der fünften Verbundhalbleiterschicht 41 angebracht sind. Fig. 3 stellt das Ersatzschaltbild der in Fig. 2 dargestellten Verbundhalbleitervorrichtung dar.

Die Betriebsweise der in Fig. 2 dargestellten Verbundhalbleitervorrichtung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.

Zwischen die erste Elektrode 5 und die zweite Elektrode 47 wird eine Durchlaßvorspannung angelegt, während zwischen die zweite Elektrode 47 und die dritte Elektrode 49 eine Sperrvorspannung angelegt wird.

Dadurch werden die Löcher in die zweite Elektrode 47 injiziert, fließen durch den P-leitenden Bereich 43 zur vierten Verbundhalbleiterschicht 39; die Elektronen werden in die erste Elektrode 45 injiziert und fließen zur fünften Verbundhalbleiterschicht 41, wobei die Elektronen Majoritätsladungsträger und die Löcher Minoritätsladungsträger sind.

Die Löcher in der vierten Verbundhalbleiterschicht 39 werden also mit einigen Elektronen in der fünften Verbundhalbleiterschicht 41 rekombiniert und bilden den Strompfad. Die verbleibenden Elektronen fließen in die dritte Verbundhalbleiterschicht 37 und werden mit den durch die dritte Elektrode 39 in die zweite Verbundhalbleiterschicht 35 injizierten Löchern unter Aussendung von Licht rekombiniert.

Das ausgesandte Licht wird durch die Energiebandlückendifferenz auf die zweite Verbundhalbleiterschicht 35 begrenzt, wobei seine Intensität proportional zur Anzahl der durch die zweite Elektrode 47 injizierten Löcher ist. Die Lichtstärke der LD kann also durch den HBT gesteuert werden.

Fig. 4 stellt eine weitere Ausführungsform der Verbundhalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist eine sechste Verbundhalbleiterschicht 51 zwischen das Verbundhalbleitersubstrat 31 und die erste Verbundhalbleiterschicht 33 eingefügt, um den Schwellenstrom zu verringern.

Die sechste Verbundhalbleiterschicht 51 aus N-leitendem GaAs ist streifenförmig in einer entsprechenden Position zur senkrechten Achse der ersten Elektrode 45 angebracht. Die sechste Verbundhalbleiterschicht 51 besitzt mit anderen Worten einen streifenförmigen V-Kanal durch Einschneiden des Verbundhalbleitersubstrates 31 bis auf eine vorbestimmte Tiefe, so daß die durch die dritte Elektrode 49 injizierten Löcher nur im V-Kanal fließen können, um den Schwellenstrom zu verringern.

Das Ersatzschaltbild zu Fig. 4 ist in der gleichen Weise aufgebaut wie das der Fig. 3.

Wie oben beschrieben, wird die Topographie der Verbundhalbleitervorrichtung flach, wobei die LD durch den HBT schnell angesteuert wird, da der HBT in der Vertikalstruktur der LD gebildet ist und mit dieser viele Schichten gemeinsam hat. Weiter fließen die Löcher durch Anbringen von Schichten zur Begrenzung des Löcherstromes nur in den vorbestimmten Abschnitt, wodurch der Schwellenstrom verringert wird.

Die vorliegende Erfindung ist also geeignet, die Flächengröße der Verbundhalbleitervorrichtung zu minimieren und eine flache Topographie zu erzielen.

Claims

1. Verbundhalbleitervorrichtung, die eine Laserdiode und einen bipolaren Heteroübergangstransistor im gleichen Chip enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Komponenten aufweist:
einen Laserdiodenabschnitt, bestehend aus:
einem Verbundhalbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps,
eine erste Verbundhalbleiterschicht eines ersten Leitungstyps, die auf dem Verbundhalbleitersubstrat als untere Deckschicht angebracht ist,
eine zweite Verbundhalbleiterschicht, die auf der ersten Verbundhalbleiterschicht zum Aussenden von Licht angebracht ist,
eine dritte Verbundhalbleiterschicht vom zweiten Leitungstyp, die auf der zweiten Verbundhalbleiterschicht als obere Deckschicht angebracht ist, sowie
eine dritte Elektrode, die auf dem genannten Verbundhalbleitertyp gebildet ist; und
einen bipolaren Heteroübergangstransistor, bestehend aus:
eine vierte Verbundhalbleiterschicht eines ersten Leitungstyps, die auf der dritten Halbleiterschicht als Basisbereich aufgebracht ist,
eine fünfte Verbundhalbleiterschicht vom zweiten Leitungstyp, die auf der vierten Verbundhalbleiterschicht als Emitterbereich aufgebracht ist,
eine erste Elektrode des zweiten Leitungstyps, die auf einem vorbestimmten Abschnitt der fünften Verbundhalbleiterschicht gebildet ist,
zweite Elektroden vom ersten Leitungstyp, die zu beiden Seiten der ersten Elektrode auf der fünften Verbundhalbleiterschicht gebildet sind,
einen hochdotierten Bereich vom ersten Leitungstyp unter den zweiten Elektroden, der die dritte Verbundhalbleiterschicht in einer vorbestimmten Tiefe überlappt und zum elektrischen Anschließen der dritten Verbundhalbleiterschicht an die vierte Verbundhalbleiterschicht dient; und
eine dritte Verbundhalbleiterschicht als Kollektorbereich, die gemeinsam vom Laserdiodenabschnitt benutzt wird.

2. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bipolare Heteroübergangstransistor in einer Vertikalstruktur der Laserdiode gebildet ist.

3. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bipolare Heteroübergangstransistor die Laserdiode treibt.

4. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstärke proportional zur Anzahl der in die vierte Verbundhalbleiterschicht injizierten Minoritätsladungsträger ist.

5. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiebandlücke der fünften Verbundhalbleiterschicht im wesentlichen derjenigen der dritten Verbundhalbleiterschicht entspricht.

6. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sechste Verbundhalbleiterschicht zwischen dem Verbundhalbleitersubstrat und der ersten Verbundhalbleiterschicht durch Erstrecken eines V-Kanals und Exponieren des Verbundhalbleitersubstrates gebildet ist.

7. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der V-Kanal in einer entsprechenden Position zur senkrechten Achse der ersten Elektrode angeordnet ist.