DE60209610T2 - Verfahren zur Herstellung eines InGaAsN Halbleiters mit hoher Qualität - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochqualitativer InGaAsN-Halbleitervorrichtungen mittels metallorganischer chemischer Dampfabscheidung.
  • InGaAsN ist ein vielversprechendes Material für eine Vielzahl von Halbleiteranwendungen. InGaAsN ist auf dem Gebiet der kantenemittierenden Lasern mit langer Wellenlänge und auf dem Gebiet der oberflächenimitierenden Laser mit vertikaler Kavität (VCSEL), wie in der Druckschrift WO 01/52373 offenbart ist, für die optische Kommunikation nützlich, da das Material leicht auf GaAs-Wafer wachsen kann, wodurch sich ein größerer Versatz des Leitungsbands ergibt, und die Verwendung von stark reflektierenden verteilten Bragg-Reflektoren (DBRs) aus GaAs/AlAs ermöglicht wird.
  • Eine Anzahl von Forschungsgruppen haben den Betrieb mit kontinuierlicher Welle (CW) bei Raumtemperatur von InGaAsN-VCSELs mit VCSELs ermöglicht, die unter Verwendung von Molekularstrahl-Epitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) hergestellt wurden. Es wurde ferner ein Betrieb mit kontinuierlicher Welle bei Raumtemperatur von InGaAsN-VCSELs ermöglicht, die unter Verwendung von metallorganischer chemischer Dampfabscheidung (MOCVD) hergestellt wurden, wobei Dimethylhydrazin (DMHy) als Stickstoffquelle verwendet wurde. MOCVD wird gegenüber MBE als Wachstumstechnik zum Erreichen von Massenproduktionen bevorzugt. Um die kommerzielle Verwendung von InGaAsN-VCSELs zu erreichen, sind weitere Verbesserungen der Leistungsfähigkeit der Vorrichtungen notwendig, beispielsweise die Verringerung der Schwellspannungsdichte und die Erhöhung der Lebenszeit der Vorrichtung.
  • In den Electronic Letters, Band 33, 1997, Seite 1386 wurde von Sato et al. berichtet, daß die Oberflächenmorphologie des aktiven Bereichs des InGaAsN, das direkt auf die Uberzugsschicht aus AlGaAs mittels MOCVD gewachsen ist, puderähnlich erscheint, wobei dies dreidimensionales Wachstum anzeigt. Den Electronic Letters, Band 36, 2000, Seite 1776, von Kawaguchi et al. ist zu entnehmen, daß kontinuierliches MOCVD-Wachstum von InGaAsN-Schichten auf GaAs/AlGaAs-Schichten zu einer schlechten optischen Qualität der InGaAsN-Schicht führt, während das Ubergehen auf einen Prozeß mit zwei Reaktoren zu wesentlich besseren optischen Qualitäten der InGaAsN-Schicht führt. In den IEEE Photonics Technology Letters, Band 12, 1999, Seite 1386, berichten Sato et al. von guten Ergebnissen mit stark vorgespannten (strained) Stegstreifen-Laser (ridge stripe Laser) aus GaInAsN mittels MOCVD unter Verwendung von aluminiumfreien Uberzugsschichten. Dieser Ansatz ist für VCSELs nicht dienlich, da der stark reflektierende AlGaAs/GaAs DBR-Spiegel nicht verwendet werden kann.
  • ABRISS DER ERFINDUNG
  • Untersuchungen mit sekundärer Ionenmassenspektroskopie (secondary ion mass spectroscopy, SIMS) haben gezeigt, daß übliches Aufwachsen durch metallorganische chemische Dampfabscheidung (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) von aktiven Schichten aus InGaAsN auf GaAs/AlGaAs-Schichten zu einer wesentlichen Aluminiumkontaminierung (nahezu ein Prozent) führt und für einen Leistungsfähigkeitsverlust in einer Vielzahl von Halbleitervorrichtungen verantwortlich ist. Schlechte optische Eigenschaften von aktiven InGaAsN-Bereichen für InGaAsN-Kantenemitter in InGaAsN-VCSELs sowie die unerwartet geringe Stromverstärkung bei Bipolartransistoren sind der Aluminiumkontamination der aktiven Bereiche zuzurechnen. Bei InGaAsN-Solarzellen und InGaAsN-Photodetektorstrukturen (vergleiche beispielsweise R.R. King et al., Conference Record of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2000, Seite 998 und J.B. Heroux et al., Applied Physics Letters, Band 75, 19999, Seite 2716) führt die Eliminierung von Aluminiumkontamination zu InGaAsN-Absorptionsschichten mit höherer Qualität, welche zu höheren Quanteneffizienten für solche Halbleitervorrichtungen führt. Ferner zeigen aktive Bereiche aus InGaAsN, die über AlGaAs-Schichten angeordnet sind, eine höhere Einbindung von Stickstoff und Kohlenstoff, als aktive Bereiche aus InGaAsN, die ohne darunterliegende AlGaAs-Schichten gewachsen sind. Es sind erfindungsgemäße Ausführungen offenbart, die dazu dienen, das Einführen von Aluminium in die InGaAsN-Schichten zu vermeiden.
  • Erfindungsgemäß wachsen beide Schichten in der Halbleiterstruktur, deren Wachstum dazu dient, daß Al-Getteratome bzw. Getter für Al-enthaltende Moleküle oder Chemikalien in die MOCVD-Kammer mittels Flußgasen eingeführt werden können, die den Al-Getteratome bzw. den Getter für Al-enthaltende Molekülen dienen. Diese Verfahren verringern die Al-Menge, die in die N-enthaltenden Schichten eingebracht ist und führen zu Qualitätsverbesserungen der InGaAsN-Schicht einschließlich glätterer Oberflächenstruktur, verbesserten optischen Qualitäten und einen geringeren Grad an Rekombinationszentren, beispielsweise durch Einfügen von O und C, welches typischerweise mit dem Einbringen von Al einhergeht.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1a zeigt eine Seitenansicht eines typischen MOCVD-Reaktors gemäß der Erfindung.
  • 1b zeigt eine Aufsicht eines typischen MOCVD-Reaktors gemäß der Erfindung.
  • 2 zeigt eine Anordnung des chemischen Zuführungssystems für den typischen MOCVD-Reaktor der 1a und 1b.
  • 3 zeigt eine Teststruktur gemäß der Erfindung.
  • 4 zeigt eine Teststruktur gemäß der Erfindung.
  • 5 zeigt eine kantenemittierende Laserstruktur gemäß der Erfindung.
  • 6 zeigt eine oberflächenemittierende Laserstruktur mit vertikaler Kavität gemäß der Erfindung.
  • 7 zeigt eine Hetero-Bipolartransistorstruktur gemäß der Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Es sind erfindungsgemäße Verfahren offenbart, die das Einbringen von Al durch das Wachstum von Al-enthaltenden Schichten, beispielsweise AlGaAs-Schichten, in aktive InGaAsN-Schichten steuern, welche kontinuierlich auf GaAs/AlGaAs wachsen. Diese Verfahren umfassen typischerweise entweder das Wachstum von Schichten innerhalb der Halbleitervorrichtung, das den Al-Getteratomen bzw. Getter für Al-enthaltende Molekülen (getter Al atoms/Al containing molecules) dient, oder das Einbringen von Chemikalien in die MOCVD-Kammer mittels Flußgasen, welche den Al-Getteratomen bzw. Getter für Al-enthaltende Moleküle ohne damit einhergehendem Schichtwachstum dienen.
  • Erfindungsgemäß können Schichten, deren Wachstum auch für Al-Getteratome oder für Al-enthaltende Moleküle vorgesehene Getter funktioniert, jederzeit vor dem Wachstum der InGaAsN-Schicht oder zwischen dem Wachstum der aktiven InGaAsN-Schicht und der vorher gewachsenen AlGaAs-Schicht wachsen, um die Al-Kontamination der aktiven InGaAsN-Schicht zu reduzieren. Typischerweise sind Schichten geeignet, deren Wachstum Atome/Moleküle involviert, die effektiver mit Al oder Al-enthaltenden Molekülen als mit As-Atomen oder As-enthaltenden Molekülen reagieren. Insbesondere ist das Wachstum von Schichten, welche N- und/oder P-Atome enthalten, bei der Verringerung der Al-Kontamination typischerweise effektiv, wenn die gesamte Menge der in den MOCVD-Reaktor eingeführten N- und/oder P-Atome größer als die Menge an Al-Atomen ist, die in den MOCVD-Reaktor vor dem Wachstum der aktiven InGaAsN-Schicht eingeführt werden. Daher sind die jeweiligen Gesamtmengen vom MOCVD-Reaktor abhängig. Die Flußrate der Al-Getter-Chemikalie und die Anwendungszeit ermittelt sich durch Einstellen der gesamten Menge von durch den Fluß eingeführte N und/oder P Getter-Atomen, beispielsweise derart, daß diese größer als die Gesamtmenge von in die Reaktorkammer eingeführtem Aluminium ist. Es sollte bemerkt werden, daß es erfindungsgemäß effektiv ist, dieses Verfahren anzuwenden, auch wenn Al-Schichten in der Vorrichtungsstruktur nur nach dem Wachstum der aktiven InGaAsN-Schicht wachsen, da bei kommerziellen Anwendungen die Reaktoren wiederholt zum Wachstum der gleichen Vorrichtungsstruktur verwendet werden, wobei dies zu einer Al-Kontamination durch den vorherigen Prozeß führt.
  • Erfindungsgemäß können Chemikalien mit diesen Al-Getteratomen Getter für Al-enthaltende Moleküle mittels Flußgasen in den MOCVD-Reaktor jederzeit vor dem Wachstum der InGaAsN-Schicht oder jederzeit vor dem Wachstum der InGaAsN-Schicht und nach dem Wachstum der AlGaAsN-Schicht eingeführt werden, um die Al-Kontamination der InGaAsN-Schicht zu verringern. Typischerweise werden Chemikalien, welche effektiver mit Al-Atomen/Al-enthaltenden Molekülen als mit As-Atomen oder As-enthaltenden Molekülen reagieren, mittels in den MOCVD-Reaktor eingebrachtes Flußgas jederzeit eingeführt werden, bevor das Wachstum der InGaAsN-Schicht stattfindet, oder bevor das Wachstum der InGaAsN-Schicht und nachdem Wachstum der AlGaAs-Schicht stattfindet. Insbesondere ist das Einführen von Chemikalien, die N- und/oder P-Atome enthalten, mittels Flußgase in den MOCVD-Reaktor hinein typischerweise effektiv, wenn die Gesamtmenge an N- und/oder P-Atomen in den Chemikalien größer als die Gesamtmenge von Al-Atomen ist, die eingeführt wurde, bevor die InGaAsN-Schicht wächst.
  • Gemäß der Erfindung können jegliche Halbleitervorrichtungen unter Verwendung von InGaAsN-Schichten und Aluminium enthaltende Schichten wie AlGaAs, AlGaInP und AlGaIn-AsP hergestellt werden, indem ein einzelner MOCVD-Reaktorprozeß verwendet wird, wobei sich hochqualitative InGaAsN-Schichten mit einem geringen Grad an Al-Kontamination ergeben. Beispielsweise führen Solarzellen und Photodetektor-Vorrichtungsstrukturen unter Verwendung von hochqualitativen absorbierenden InGaAsN-Schichten zu höheren Quantenwirkungsgraden, während bipolare Transistoren unter Verwendung von InGaAsN-Kollektor- und -Basisschichten weniger von vorliegenden Rekombinationsschichten beeinträchtigt sind, die zu geringer Stromverstärkung führen.
  • Gemäß der Erfindung zeigt die 1a eine Innenansicht eines MOCVD-Reaktors 120 mit einer Abluftleitung 180. Der MOCVD-Reaktor 120 ist ein Quarzreaktor mit kalter Wand. Die Injektion einer Gruppe-III-quelle findet an dem Eingang 125 statt, und die Injektion einer Gruppe-V-quelle tritt an dem Eingang 130 auf. Gruppe-III-gase und Gruppe-V-gase mischen sich nach dem Durchlaufen der Öffnungen 187 und 188. Die Öffnungen 187 und 188 sind jeweils Rechtecke mit einer Größe von 13 cm × 2 cm. Die vertikale Höhe 143 des MOCVD-Reaktors 120 beträgt ungefähr 4,5 cm, während die Abmessung 144 ungefähr 3 cm beträgt. Die Abmessung 148 beträgt ungefähr 7 cm und stellt den Abstand zwischen dem Ort dar, an dem sich die Gruppe-III-gase und Gruppe-V-gase zu mischen beginnen, und dem Ort, an dem die vertikale Verengung des MOCVD-Reaktors 120 beginnt. Die Abmessung 147 beträgt ungefähr 7 cm, wobei ein SiC-beschichteter Graphitsuszeptor 170 einen Durchmesser von ungefähr 11 cm bei einer Dicke 145 von ungefähr 1,5 cm aufweist. Das Substrat 175 ist auf dem Suszeptor 170 positioniert, wie es in den 1a und 1b dargestellt ist. Bezugnehmend auf 1b beträgt die seitliche Abmessung 185 des MOCVD-Reaktors 120 ungefähr 13 cm, während die Abmessung 149 ungefähr 1,5 cm beträgt.
  • Erfindungsgemäß zeigt die 2 eine Anordnung der Chemikalien und Leitungen, die in den MOCVD-Reaktor 120 eingespeist werden. Der MOCVD-Reaktor 120 ist typischerweise ein Quarzreaktor mit kalter Wand. Die Ventile 250, 251, 252 und 253 steuern und leiten den Fluß der jeweiligen Tanks 231, 232, 233 und 234. Die Ventile 254, 255, 256, 257, 258, 259 und 260 steuern und leiten von den jeweiligen Rührern 235, 236, 237, 238, 239, 240 und 241 stammenden Fluß. Der Eingang 210 dient dem Einführen von H2-Trägergas in den MOCVD-Reaktor 120 über die Leitung 212 in den Eingang 130 des MOCVD-Reaktors 120. Die Lei tung 212 dient ferner typischerweise zum Einführen von Tertiär-Butylarsin (TBA), das vom Rührer 235 stammt, und von Dimethylhydrazin (DMHy), welches vom Rührer 236 stammt, über den Eingang 130 in den MOCVD-Reaktor 120. Die Ventile 254 und 255 leiten den Fluß der jeweiligen Rührer 235 und 236 entweder in die Leitung 212 oder in die Lüftungsleitung 220. Die Lüftungsleitungen 220 sind mit der Entlüftungsleitung 180 verbunden. Die Leitung 221 dient dem Einbringen von H2 in die Rührer 235 und 236, während die Leitung 222 dazu dient, H2 in die Rührer 237, 238, 239, 240 und 241 einzubringen. Die Leitung 211 dient dazu, NH3 aus dem Tank 231, AsH3 von Tank 232, PH3 von Tank 233 und Si2H6 von Tank 234 über den Eingang 130 in den MOVCD-Reaktor 120 einzubringen.
  • Die Ventile 250, 251, 252 und 253 leiten den Fluß von den Tanks 231, 232, 233 bzw. 234 entweder in die Leitung 211 oder in die Belüftungsleitung 220. Die Leitung 213 dient dazu, typischerweise Trimethylgallium (TMGa) von dem Rührer 237, Triethylgallium (TEGa) von dem Rührer 238, Trimethylaluminium (TMAl) von dem Rührer 239, Trimethylindium (TMIn) von dem Rührer 240 und CBr4 von dem Rührer 241 über den Einlaß 125 in den MOCVD-Reaktor 120 einzubringen. Die Ventile 256, 257, 258, 259 und 260 leiten den Fluß von den jeweiligen Rührern 237, 238, 239, 240 und 241 entweder in die Leitung 213 oder in die Belüftungsleitung 220. Es ist zu bemerken, daß in keiner der Leitungen Rückfluß auftritt, da eine mechanische Pumpe (nicht dargestellt) den Druck in dem Reaktor 120 bei ungefähr 100 mbar hält.
  • 3 zeigt eine Teststruktur 300 mit InGaAsN-Quantentopf-Photolumineszenz (PL) in einer erfindungsgemäßen Ausführung. Zum Wachstum der Teststruktur 300 wächst eine GaAs-Pufferschicht 325 mit einer typischen Dicke im Bereich von ungefähr 1000 bis 5000 Å auf GaAs-Substrat 320 bei Umgebungsbedingungen mit einer Temperatur im Bereich von ungefähr 600 bis 800°C unter Verwendung von Trimethylgallium (TMGa) und Arsin (AsH3) bei einem Umgebungsdruck von ungefähr 50 bis 400 mbar H2. Daraufhin wächst eine Al0,3Ga0,7As-Schicht 330 mit einer Dicke von typischerweise 0,9 μm auf der GaAs-Pufferschicht 325 durch Einbringen von Trimethylaluminium (TMAl). Das Einbringen von TMAl wird daraufhin beendet, und eine GaAs-Schicht 335 wächst auf eine Dicke im Bereich von 50 bis 300 Å. Die gesamte Menge an zugeführtem TMAl liegt bei ungefähr 4 × 10-4 Mol. Nach dem Wachstum der GaAs-Schicht 335 wird der Wachstumsprozeß unterbrochen, indem die Zuführung von TMGa unterbrochen wird. Ein AsH3-Fluß von typischerweise ungefähr 300 sccm wird kontinuierlich in einen MOCVD-Reaktor, beispielsweise in den MOCVD- Reaktor 120 eingeführt, um eine Beeinträchtigung der exponierten Oberfläche der GaAs-Schicht 335 zu verhindern. Die Oberflächenbeeinträchtigung ist typischerweise ein Problem, wenn die Temperatur ungefähr 400°C übersteigt und sollte vermieden werden.
  • Daraufhin wird typischerweise NH3 (Ammoniak) mit einer typischen Flußrate von ungefähr 500 sccm eingebracht, bei einer Temperatur und einem Druck im Bereich von 400 bis 700°C und 50 bis 1000 mbar, bzw. typischerweise 500 bis 600°C und 100 mbar. NH3 ist hinsichtlich der Kosten und Reinheit attraktiv. Die Anwendungszeit für NH3 kann variiert werden und reicht typischerweise von einer halben Minute bis ungefähr 4 Minuten. Längere Anwendungszeiten verringern die Menge an Aluminium in der Umgebung, das zum Einbringen in die InGaAsN-Schicht 350 und InGaAsN-Schicht 360 zur Verfügung steht. Eine Anwendungszeit von einer halben Minute bei einer Flußrate von ungefähr 500 sccm bringt ungefähr 1 × 10-2 Mol N-Atome ein, während eine Anwendungszeit von ungefähr 4 Minuten bei einer Flußrate von ungefähr 500 sccm ungefähr 8 × 10-2 Mol N-Atomen in den MOCVD-Reaktor 120 einbringt. Die Menge an eingebrachten N-Atomen verändert sich linear mit der Anwendungszeit. Die ausgewählte Zeit und Flußrate für NH3 gewährleisten, daß die Gesamtmenge an N-Atomen größer als die Gesamtmenge an Al-Atomen ist, die in den MOCVD-Reaktor 120 vor dem InGaAsN-Wachstum eingeführt wird. Gemäß einer Ausführung der Erfindung reagiert NH3 auch bei Raumtemperatur stark mit TMAl, d.h. der Al-Quelle, die für das Wachstum der Al-enthaltenden Schichten verwendet wird. NH3 hat ferner eine sehr hohe Pyrolysetemperatur im Vergleich zu der Wachstumstemperatur von GaAs-basierendem Material, so daß das unerwünschte Einfügen von N in die Oberfläche der GaAs-Schichten während des NH3-Flusses minimiert ist. NH3 ist ferner aus Gründen der Kosten und Reinheit attraktiv. NH3 kann durch eine Anzahl anderer Chemikalien ersetzt werden, die Stickstoffatome oder Phosphoratome enthalten, und die stark mit Al-Quellen reagieren, um die Al-Getter-Funktion auszufüllen, beispielsweise Monomethylamin, Dimethylamin, Hydrazin, Monomethylhydrazin, Dimethylhydrazin, Tertiär-Butylhydrazin, Phenylhydrazin, Phosphin oder Tertiär-Butylphosphin. Im allgemeinen können stark mit Aluminiumquellen reagierende Chemikalien verwendet werden, um die Al-Getter-Funktion auszuführen, soweit die Chemikalien keinen starken nachteiligen Effekt auf die Halbleiterschichten haben.
  • Nach dem NH3-Fluß wird das Wachstum der GaAs-Schicht 336 fortgeführt. Mit der Verringerung der Temperatur auf ungefähr 500 bis 600°C wächst eine GaAs-Wellenleiterschicht 336 bis auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 1000 bis 2000 Å an. Nach dem Abschluß des Wachstums der GaAs-Schicht 336 wächst die aktive InGaAsN-Schicht 350 auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 60 bis 100 Å bei einer Temperatur im Bereich von 500 bis 600°C unter Verwendung von Triethylgallium (TEGa), Trimethylindium (TMIn), Tertiär-Butylarsin (TBAs) und Dimethylhydrazin (DMHy). Es wird ein Verhältnis von DMHy/(DMHy + TBAs) im Bereich zwischen 0,95 und 0,99 zum Wachstum der aktiven InGaAsN-Schichten 350 und 360 verwendet. Zwischen die aktive InGaAsN-Schicht 350 und die aktive InGaAsN-Schicht 360 wird eine GaAs-Barriereschicht 355 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 100 bis 300 Å eingefügt. Daraufhin wächst bei einer Temperatur von ungefähr 500 bis 600°C die aktive InGaAsN-Schicht 360 auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 60 bis 100 Å unter Verwendung von Triethylgallium (TEGa), Trimethylindium (TMIn), Tertiär-Butylarsin (TBAs) und Dimethylhydrazin (DMHy). Nach dem Wachstum der aktiven InGaAsN-Schicht 360 wächst eine GaAs-Wellenleiterschicht 370 auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 1000 bis 2000 Å, während die Temperatur auf ungefähr 600 bis 800°C erhöht wird, unter Verwendung von Trimethylgallium (TMGa) und Arsin (AsH3) bei einem Umgebungsdruck im Bereich von ungefähr 50 bis 1000 mbar H2. Daraufhin wächst eine Al0,3Ga0,7As-Schicht 360 durch Einführen von TMAl auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 1000 bis 2000 Å, und das Wachstum wird mit einer GaAs-Deckschicht 390 abgeschlossen, die bis auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 50 bis 300 Å anwächst.
  • In der 4 ist eine weitere Ausführung gemäß der Erfindung dargestellt. Die Teststruktur 400 ähnelt der Teststruktur 300, wobei jedoch in der Teststruktur 400 eine nicht-aktive GaAsN-Schicht mit einer typischen Dicke von ungefähr 600 Å nach dem Wachstum der GaAs-Schicht 335 hinzugefügt wird. GaAsN kann in der nicht-aktiven Schicht 450 durch GaAsP substituiert werden. Die GaAs-Schicht 335 wird wie oben beschrieben aufgebracht. Daraufhin wächst die nicht-aktive GaAsN-Schicht 450 durch Hinzufügen von TMGa und AsH3 bei einer kontinuierlichen Flußrate von ungefähr 300 sccm und durch Hinzufügen von NH3 mit einer Flußrate von ungefähr 500 sccm für ungefähr 4 Minuten, während die Wachstumstemperatur auf einen Bereich von 500 bis 600°C verringert wird. Vor dem Wachstum der aktiven InGaAsN-Schicht 350 wächst als nächstes, wie oben beschrieben, die GaAs-Schicht 436 auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 400 bis 1000 Å. Die ausgewählte Zeit und Flußrate des NH3 gewährleistet, daß die Gesamtmenge an N-Atomen größer als die Gesamtmenge an Al-Atomen ist, die in den Reaktor 120 vor dem Wachstum des InGaAsN eingeführt wird. Alle darauffolgenden Schritte sind die gleichen, wie sie oben für die Teststruktur 300 beschrieben wurden.
  • Falls in der nicht-aktiven Schicht InGaP durch GaAsN substituiert wird, werden statt TMGa und AsH3 TMGa, Trimethylindium (TMIn) und PH3 bei einer Flußrate von 500 sccm zugeführt. Die typische Dicke liegt nach wie vor bei ungefähr 600 Å. Für das InGaP-Wachstum wird die Temperatur typischerweise bei 700°C gehalten. Nach dem Abschluß des InGaP-Wachstums werden TMGa und AsH3 zugeführt, um Wachstum der GaAs-Schicht vorzusehen, die eine Dicke im Bereich von ungefähr 400 bis 1000 Å hat, während die Temperatur für das Wachstum der aktiven InGaAsN-Schicht 350 typischerweise auf einen Bereich von ungefähr 500 bis 600°C verringert wird. Alle darauffolgenden Schritte sind die gleichen, wie sie oben für die Teststruktur 300 beschrieben wurden.
  • Die 5 zeigt eine kantenemittierende Laserstruktur 500 in einer Ausführung gemäß der Erfindung. Auf das GaAs-Substrat 520 wächst eine Si-dotierte GaAs-Schicht 525 mit einem typischen Si-Dotierungsniveau im Bereich von 1,0 × 101 bis 5 × 1018 cm-3 auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 1000 bis 5000 Å bei einer Temperatur von 600 bis 800°C unter Verwendung von TMGa, AsH3 und Si2H6 bei einem Umgebungsdruck von 100 mbar H2. Daraufhin wächst auf der Si-dotierten GaAs-Schicht 525 eine Si-dotierte AlxGa1-xAs-Überzugsschicht 530, wobei x im Bereich von ungefähr 0,2 bis 0,8 liegt, bei einem Si-Dotierungsniveau im Bereich von 1,0 × 101 bis 5 × 1018 cm-3, durch zusätzliches Zuführen von TMAl, um eine Si-dotierte AlxGa1-xAs-Überzugsschicht 530 mit einer Dicke von ungefähr 1,5 μm vorzusehen. Die Gesamtmenge von zugeführtem TMAl liegt im Bereich zwischen ungefähr 5 × 10-4 Mol und 2 × 10-3 Mol. Durch Beenden der Zuführung von TMAl und Si2H6 wächst eine undotierte, nicht-aktive GaAs-Schicht 535 auf der Si-dotierten AlxGa1-xAs-Überzugsschicht 530 auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 50 bis 300 Å. Darauf wächst eine nicht-aktive GaAs1-xNx-Schicht 337, wobei x im Bereich von ungefähr 0 bis 0,1 liegt, auf eine typische Dicke von ungefähr 600 Å durch Zuführen von TMGa, 300 sccm AsH3 und 500 sccm NH3 für typischerweise ungefähr 4 Minuten, während die Wachstumstemperatur auf ungefähr 500 bis 600°C verringert wird. Die Gesamtmenge von eingeführtem NH3 liegt typischerweise bei 8 × 10-2 Mol, wobei dies mehr als zehnmal mehr als die Menge an TMAl ist, die typischerweise bei kantenemittierenden Laserstrukturen 500 zum Wachstum der unteren AlGaAs-Schicht 530 verwendet wird, wenn ein MOCVD-Reaktor 120 verwendet wird. Erfindungsgemäß kann das GaAs1-xNx in der nicht-aktiven Schicht 537 durch GaAsP, GaAsNP, InGaP, InGaAsP, InGaAsPN, InGaAsN oder ähnlichen Verbindungen ersetzt werden. Ferner kann statt des Wachstums der nicht-aktiven GaAs1-xNx-Schicht 537 ein NH3-Fluß zusammen mit der Unterbrechung des Wachstums als Aluminium-Getter verwendet werden. Der NH3-Fluß zusammen mit der Unterbrechung des Wachstums ergibt typischerweise eine undotierte GaAs-Schicht 538, die auf eine typische Dicke im Bereich von 1000 bis 2000 Å wächst, um eine Anpassung für die nicht-aktive GaAs1-xNx-Schicht 537 vorzusehen. Daher ist die Dicke der undotierten GaAs-Schicht 538 in dem Fall des NH3-Flusses zusammen mit der Unterbrechung des Wachstums ungefähr gleich der kombinierten Dicke der nicht-aktiven GaAs1-xNx-Schicht 537 und der undotierten GaAs-Schicht 538 für den Fall, daß das Wachstum nicht unterbrochen wird.
  • Über die GaAsN-Schicht 537 wächst eine undotierte GaAs-Schicht 538 mit einer Dicke im Bereich von 400 bis 1000 Å, woraufhin eine aktive InGaAsN-Schicht 550 auf eine Dicke im Bereich von 60 bis 100 Å bei einer Temperatur von ungefähr 500 bis 600°C, unter Verwendung von TEGa, TMIn, TBAs und DMHy anwächst. Das Verhältnis von DMHy/(DMHy + TBAs) wird für das Wachstum von InGaAsN typischerweise auf einen Bereich von ungefähr 0,95 bis 0,99 eingestellt. Über die aktive InGaAsN-Schicht 550 wächst eine GaAs-Barriereschicht 555 auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 100 bis 300 Å. Daraufhin wächst auf der GaAs-Schicht 555 eine aktive InGaAsN-Schicht 560 auf eine Dicke im Bereich von 60 bis 100 Å, wobei dies bei einer Temperatur von 500 bis 600°C unter Verwendung von TEGa, TMIn, TBAs und DMHy stattfindet. Das Verhältnis von DMHy/(DMHy + TBAs) wird für das Wachstum von InGaAsN auf einen Bereich von ungefähr 0,95 bis 0,99 eingestellt. Nach dem Wachstum der aktiven InGaAsN-Schicht 560 wächst eine undotierte GaAs-Wellenleiterschicht 570 auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 1000 bis 2000 Å, während die Temperatur auf ungefähr 600 bis 800°C erhöht wird. Auf der undotierten GaAs-Schicht 570 wächst eine C-dotierte AlxGa1-xAs-Überzugsschicht 580, wobei x typischerweise im Bereich von 0,2 bis 0,8 und ein typisches C-Dotierungsniveau typischerweise im Bereich von 1,0 × 101 bis 5 × 1018 cm-3 liegt, unter zusätzlichem Hinzufügen von TMAl und CBr4 in den MOCVD-Reaktor 120 auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 1,5 bis 2,5 μm. Schließlich wächst eine stark C-dotierte GaAs-Kontaktschicht 590 mit einem Dotierungsniveau im Bereich von 5,0 × 1018 bis 1,0a × 1020 auf der C-dotierten Al0,3Ga0,7-As-Schicht 580 bis zu einer Dicke im Bereich von ungefähr 500 bis 2000 Å an.
  • Großflächige Laserdioden werden aus der kantenemittierenden Laserstruktur 500 durch Spaltbildung von Kristallflächen senkrecht zur Lichtemissionsrichtung hergestellt. Falls erwünscht, kann auf die gespaltenen Kristallflächen eine dielektrische Beschichtung aufge bracht werden. Die Laserdiodengröße ist ein Laserstreifen mit einer Breite von ungefähr 50 μm und einer Kavitätslänge von ungefähr 500 μm. Die Schwellwert-Stromdichte, die sich für die resultierende Laserdiode ergibt, liegt ungefähr bei 1,23 kA/cm2 bei einer Wellenlänge von ungefähr 1,323 μm. Mit erfindungsgemäßen Ausführungen können hochqualitative kantenemittierende InGaAsN-Laser erhalten werden.
  • Die 6 zeigt eine oberflächenemittierende Laserstruktur 600 vertikaler Kavität in einer Ausführung gemäß der Erfindung. Auf dem GaAs-Substrat 620 wächst eine Si-dotierte GaAs-Pufferschicht 625 mit einem Dotierungsniveau typischerweise im Bereich von 1,0 × 1017 bis 5,0 × 1018 cm-3 bei einer Temperatur von ungefähr 600 bis 800°C auf eine Dicke im Bereich von 1000 bis 5000 Å. Nach dem Wachstum der Si-dotierten GaAs-Pufferschicht 625 wächst die untere N-Typ-DBR-Spiegelstruktur 630. Die N-Typ-DBR-Spiegelschicht 630 besteht typischer aus ungefähr 35 bis 45 Paaren alternierender Schichten, typischerweise aus Si-dotierten AlxGa1-xAs-Schichten 631 und Si-dotierten GaAs-Schichten 632, die typischerweise in einem Bereich von 5,0 × 1017 bis 5,0 × 1018 cm-3 typischerweise mit Si-dotiert sind. Eine Si-dotierte AlxGa1-xAs-Schicht 631 wächst auf eine typische Dicke, die einem Viertel der Emissionswellenlänge entspricht, wobei x zwischen 0,8 und 1 liegt. Die Si-dotierte GaAs-Schicht 632 wächst auf eine typische Dicke, die einem Viertel der Emissionswellenlänge entspricht, mit einem Gradientenbereich von ungefähr 100 bis 300 Å an jeder Grenzfläche. Das Gradientenprofil ist typischerweise linear zu der Entfernung von der Grenzfläche. Der Gradientenbereich dient zur Verringerung einer Hetero-Schicht zwischen den AlGaAs- und GaAs-Schichten, wodurch sich geringere Betriebsspannungen für die VCSEL-Vorrichtung ergeben. Die Gesamtmenge an TMAl, die dem MOCVD-Reaktor 120 zugeführt wird, um die AlGaAs-Schichten wachsen zu lassen, liegt typischerweise bei 7 × 10-3 Mol. Nach dem Abschluß des Wachstums einer n-Typ-DBR-Spiegelstruktur 630 wächst eine GaAs-Schicht 635 auf eine typische Dicke im Bereich von ungefähr 50 bis 300 Å an. Nach dem Wachstum der GaAs-Schicht 635 wird das Wachstum unterbrochen, indem die Zuführung von TMGa unterbrochen wird, während typischerweise ungefähr 300 sccm AsH3 kontinuierlich in den MOCVD-Reaktor 120 zugeführt werden, um eine Oberflächenbeeinträchtigung vorzubeugen.
  • Daraufhin wird NH3 bei einer Flußrate von typischerweise ungefähr 500 sccm bei einer typischen Temperatur und einem Druck von 600°C bzw. 100 mbar für ungefähr 4 Minuten zugeführt. Die Gesamtmenge an eingeführtem NH3 liegt typischerweise bei 8 × 10-2 Mol, wobei dies ungefähr zehnmal größer als die Menge an TMAl ist, die typischerweise für das Wachs tum der Al-enthaltenden Schichten, welche die DBR-Spiegelstruktur 630 bilden, zugeführt wird, wenn ein MOCVD-Reaktor 120 verwendet wird. Alternativ kann zum Binden bzw. Gettern des Al der Fluß von NH3 durch das Wachstum einer GaAsN-Schicht substituiert werden, wie oben beschrieben ist. Das GaAsN kann ferner beispielsweise durch GaAsP, GaAsNP, InGaP, InGaAsP, InGaAsPN oder InGaAsN ersetzt werden. Nach Abschluß des NH3-Flusses wächst eine GaAs-Schicht 636 auf einer Dicke von ungefähr 1600 Å an, während die Temperatur typischerweise auf ungefähr 500 bis 600°C verringert wird. Daraufhin wächst die aktive InGaAsN-Quantentopfschicht 650 auf einer Dicke im Bereich von ungefähr 60 bis 100 Å unter Verwendung von TEGa, TMIn, TBAs und DMHy an. Das Verhältnis von DMHy/(DMHy × TBAs), welches im Bereich von ungefähr 0,95 bis 0,99 liegt, wird typischerweise zum Wachstum der aktiven InGaAsN-Quantentopfschicht 650 verwendet. Auf der aktiven InGaAsN-Quantentopfschicht 650 wächst eine GaAs-Barriereschicht 651 auf eine Dicke im Bereich von 50 bis 300 Å. Daraufhin wächst eine aktive Quantentopfschicht 660 auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 60 bis 100 Å unter Verwendung von TEGa, TMIn, TBAs und DMHy an. Das Verhältnis von DMHy/(DMHy + TBAs) liegt im Bereich von ungefähr 0,95 und 0,99 und wird typischerweise zum Wachstum der aktiven InGaAsN-Quantentopfschicht 660 verwendet. Die GaAs-Barriereschicht 661 wächst auf der aktiven InGaAsN-Quantentopfschicht 660 auf eine Dicke im Bereich von 50 bis 400 Å an. Daraufhin wächst die aktive InGaAsN-Quantentopfschicht 670 auf eine Dicke im Bereich von 60 bis 100 Å unter Verwendung von TEGa, TMIn, TBAs und DMHy. Das Verhältnis von DMHy/(DMHy + TBAs) liegt im Bereich von ungefähr 0,95 bis 0,99 und wird typischerweise zum Wachstum der aktiven InGaAsN-Quantentopfschicht 670 verwendet. Die gesamte Anzahl an Quantentöpfen sowie die Dicke der aktiven Quantentopfschichten 650, 660, 670 und der Barriereschichten 651, 661 können hinsichtlich der besten Ergebnisse eingestellt werden. Der Abstand von der ersten aktiven Quantentopfschicht, beispielsweise zwischen der aktiven Quantentopfschicht 650 und der letzten aktiven Quantentopfschicht, beispielsweise die aktive Quantentopfschicht 670, wird auf kleiner gleich 600 Å festgelegt. Die Dicke der GaAs-Überzugsschicht 636 und der GaAs-Schicht 680 wird typischerweise eingestellt, um die Schichten, welche sich von der ersten Quantentopfschicht zu der letzten Quantentopfschicht erstrecken, beispielsweise die aktive Quantentopfschicht 650, welche sich zur aktiven Quantentopfschicht 670 erstreckt, bei einem Maximum der stehenden Welle in der Kavität vorzusehen.
  • Nach dem Wachstum der aktiven InGaAsN-Schicht 670 wächst eine GaAs-Schicht 680 auf eine Dicke von ungefähr 1600 Å, während die Temperatur typischerweise auf 600 bis 800°C erhöht wird. Daraufhin wächst eine p-Typ-DBR-Spiegelstruktur 690. Die p-Typ-DBR-Spiegelstruktur 690 besteht aus 20 bis 35 Paaren alternierender Schichten, von denen eine C-dotierte AlxGa1-xAs-Schicht 691 (mit x typischerweise zwischen 0,8 und 1) und eine C-dotierte AlyGa1-xAs-Schicht 692 (mit y typischerweise zwischen 0 und 0,2) typische Schichtpaare sind, und wobei die C-Dotierung typischerweise im Bereich von 5,0 × 1017 bis 5,0 × 1018 cm-3 liegt. Die C-dotierte AlxGa1-xAs-Schicht 691 wächst auf eine Dicke, die typischerweise einem Viertel der Emissionswellenlänge entspricht. Die C-dotierte AlyGa1-yAs-Schicht 692 wächst auf eine Dicke, die einem Viertel der Emissionswellenlänge entspricht, mit einem linearen Gradientenbereich von ungefähr 100 bis 300 Å an jeder Grenzfläche. Schließlich wird das Wachstum abgeschlossen, indem eine stark C-dotierte GaAs-Kontaktschicht 695 auf eine Dicke im Bereich von ungefähr 500 bis 1000 Å wächst. Die C-dotierte GaAs-Kontaktschicht 695 ist typischerweise im Bereich von 5,0 × 1018 bis 1,0 × 1020 cm-3 dotiert.
  • Typischerweise wird die C-dotierte AlxGa1-xAs-Schicht 685 verwendet, um die lateral oxidierten Schichten zur optischen Führung und zur Stromführung vorzusehen. Der Wert für x für die C-dotierte AlxGa1-xAs-Schicht 685 wird höher gewählt als der Wert von x, welcher für alle anderen C-dotierten AlxGa1-xAs-Schichten in der Struktur gewählt wird, da die Oxidationsrate stark von der Aluminiummenge der C-dotierten AlxGa1-xAs-Schicht 685 abhängt. Details hierzu sind in dem Patent US 5,896,408 zu finden. Ferner kann zur Realisierung einer Stromeingrenzung Ionenimplantierung verwendet werden, entweder alleine oder in Verbindung mit der seitlich oxidierten Schicht.
  • Die 7 zeigt eine Hetero-Bipolartransistorstruktur 700 in einer Ausführung gemäß der Erfindung. In diesem Fall wird vor dem Wachstum der N-enthaltenden Schichten kein TMAl eingeführt, so daß während eines einzelnen Laufs des MOCVD-Reaktors keine Al-Kontamination stattfindet. Jedoch werden in typischen kommerziellen Anwendungen Reaktoren wiederholt verwendet, wobei der MOCVD-Reaktor typischerweise TMAl akkumuliert, das von den (dem) vorherigen Läufen (Lauf) verbleibt. Daher liegt für die N-enthaltenden Schichten eine Al-Kontaminationsquelle nach dem ersten Lauf vor, wobei Ausführungen gemäß der Erfindung die Prozeßwiederholbarkeit verbessern und die Rekombinationszentren in den InGaAsN-Schichten 750 und 760 reduzieren (vergl. 7).
  • Auf dem GaAs 720 wächst eine undotierte GaAs-Pufferschicht 725 auf eine Dicke im Bereich von 1000 bis 5000 Å an. Auf der GaAs-Pufferschicht 725 wächst eine C-dotierte GaAs-Subkollektorschicht 730, die im Bereich von 5 × 1017 – 5 × 1018 cm-3 dotiert ist, auf eine Dicke im Bereich von 3000 bis 7000 Å bei einer typischen Dicke von ungefähr 5000 Å und einer Temperatur im Bereich von 600 bis 800°C. Das Wachstum wird beendet, indem die Zuführung von TMGa und CBr4 abgestellt wird. Daraufhin wird ein Fluß von NH3 bei einer typischen Flußrate von ungefähr 500 sccm zusammen mit dem Fluß von AsH3 bei einer typischen Flußrate von ungefähr 300 sccm für eine Zeitdauer von ungefähr 4 Minuten in den MOCVD-Reaktor 120 eingeführt, während die Wachstumstemperatur auf den Bereich von ungefähr 550 bis 560°C verringert ist. Die gewählte Zeit und Flußrate des NH3 gewährleistet, daß die Gesamtanzahl der N-Atome größer als die Gesamtanzahl der Al-Atome ist, die in den Reaktor 120 eingeführt werden, nachdem der vorherige NH3-Fluß in den Reaktor 120 eingeführt wurde. Nachdem die Wachstumstemperatur in dem korrekten Bereich von ungefähr 550 bis 650°C vorliegt, und der Fluß des NH3-Gases beendet ist, wächst die C-dotierte InGaAsN-Kollektorschicht 750 auf eine typische Dicke im Bereich von ungefähr 1000 bis 5000 Å auf der C-dotierten GaAs-Subkollektorschicht 730, bei Dotierungsniveaus im Bereich von 5,0 × 1017 bis 5,0 × 1018 cm-3. Daraufhin wächst die Si-dotierte InGaAsN-Basisschicht 760 auf eine Dicke im Bereich von 500 bis 2000 Å an. Die Si-dotierte InGaAsN-Basisschicht 760 wird typischerweise im Bereich von 5,0 × 1017 bis 5,0 × 1018 cm-3 dotiert. Auf der Si-dotierten InGaAsN-Basisschicht 760 wächst eine C-dotierte AlGaAs-Emitterschicht 780 typischerweise auf eine Dicke im Bereich von 500 bis 2000 Å. Zwischen die Si-dotierte InGaAsN-Basisschicht 760 und die C-dotierte AlGaAs-Emitterschicht 780 kann, wie in 7 dargestellt ist, eine nicht-dotierte AlGaAs-Abstandsschicht 770 mit einer typischen Dicke von ungefähr 50 Å eingefügt werden. Das C-Dotierungsniveau in der AlGaAs-Emitterschicht 780 liegt im Bereich zwischen 5,0 × 1017 – 5,0 × 1018 cm-3. Schließlich wird das Wachstum abgeschlossen, indem eine C-dotierte GaAs-Kontaktschicht 790 mit einer Dicke im Bereich von 500 bis 3000 Å wächst. Das C-Dotierungsniveau in der GaAs-Kontaktschicht 790 liegt im Bereich zwischen ungefähr 5,0 × 1018 – 1,0 × 1020 cm-3.
  • Während die Erfindung in Verbindung mit spezifischen Ausführungen beschrieben wurde, ist dem Fachmann ersichtlich, daß zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Variationen aus der vorangehenden Beschreibung zu entnehmen sind. Dementsprechend soll die Erfindung alle diese Alternativen, Modifikationen und Variationen umfassen, die in den Umfang der angefügten Ansprüche fallen.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Aufwachsen mittels metallorganischer chemischer Dampfabscheidung in einer einzelnen Reaktorkammer für eine Halbleiterstruktur mit einer Schicht, die Indium, Gallium, Arsen und Stickstoff umfaßt, wobei das Verfahren das Einbringen einer Aluminiumgetter-Chemikalie in die einzelne Reaktorkammer nach dem Aufwachsen einer aluminiumenthaltenden Halbleiterschicht und vor dem Aufwachsen einer Schicht, die Indium, Gallium, Arsen und Stickstoff aufweist, umfaßt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumgetter-Chemikalie Stickstoffatome umfaßt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumgetter-Chemikalie Phosphoratome umfaßt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumgetter-Chemikalie Dimethylhydrazin ist.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine Anzahl von Aluminiumgetter-Atomen in der Aluminiumgetter-Chemikalie, welche in die Reaktorkammer eingeführt wurde, größer als die Anzahl von Aluminiumatomen ist, die in die Reaktorkammer zum Aufwachsen der aluminiumenthaltenden Halbleiterschicht ist.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, das ferner das Einbringen eines Arsen-Vorläufers in die Reaktorkammer im wesentlichen zur gleichen Zeit wie das Einbringen der Aluminiumgetter-Chemikalie in die Reaktorkammer umfaßt.
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