DE68929069T2

DE68929069T2 - Verfahren zur thermischen Strukturierung von Halbleitersubstraten

Info

Publication number: DE68929069T2
Application number: DE68929069T
Authority: DE
Inventors: John E. Epler; Thomas L. Paoli; David W. Treat
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1988-10-13
Filing date: 1989-10-12
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2009-10-13
Also published as: JP2957607B2; EP0364259A3; US4962057A; JPH02144910A; DE68929069D1; EP0364259A2; EP0364259B1

Description

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen die Dampfabscheidung dünner Schichten und insbesondere ein Verfahren zur in situ-Änderung oder Modifizierung der geometrischen Struktur eines Halbleiterbauteils beim epitaxialen Aufwachsen oder während einer Unterbrechung im Epitaxialwachsschritt mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD) und insbesondere ein Verfahren zur in situ-strahlungsunterstützten Verdampfung oder Desorption oder Vaporisierung (im folgenden als "photoinduzierte Verdampfungsverstärkung" bezeichnet) von strukturierten oder ausgewählten Volumina von Oberflächenkristallmaterial aus einem Film eines einzelnen Elementes (beispielsweise Si oder Ge) oder eines binären, ternären und anderen Verbindungshalbleitern dünner Filme, wie etwa II-VI- oder III-V-Verbindungen (z. B. ZnSe oder GaAs) oder Legierungen (z. B. AlXGa1-xAs), prinzipiell nach deren epitaxialen Kristallwachstum, aber auch während ihres epitaxialen Kristallwachstums bei der Dampfphasenepitaxie (VPE) oder metallorganischen chemischen Dampfabscheidung (MOCVD) oder Molekularstrahlepitaxie (MBE).
Änderungen in der Wachstumsrate werden durch Ändern der Temperatur der Wachstumsfläche mittels Änderungen in der Strahlintensität oder Leistungsdichte oder den Substrattemperaturen oder Kombinationen davon erreicht. Änderungen in den Substrattemperaturen an verschiedenen Wachstumsflächenpositionen können durch eine verschiedene Laserstrahlintensität beim Bestrahlen durch eine Maske oder mittels Strahlabtastung im Verhältnis zur Verweilzeit hervorgerufen werden, so daß verschiedene Wachstumsratenverstärkungen an verschiedenen Wachstumsflächenpositionen erhalten werden können, woraus verschiedene Schichtdicken oder stoichiometrische Inhalte an diesen verschiedenen Positionen resultieren.
Das selektive Verändern von Wachstumsratenverstärkungen in verschiedenen Regionen einer epitaxial gewachsenen Schicht, das in situ-Verändern der Geometrie, der Bandlücke, den Eigenschaften des Berechnungsindex und anderen elektrischen und optischen Eigenschaften der Schicht ist ebenfalls mit ausreichender optischer Intensität bei geeigneten Substrattemperaturen möglich. Diese Wirkung wird durch die exponentielle Abhängigkeit der Verdampfungsrate von der Temperatur und dem damit begleitenden begrenzenden Effekt auf die Wachstumsrate ermöglicht. Für den speziellen Fall von GaAs sei auf Fig. 2 im Artikel von D. H. Reep et al., "Electrical Properties of Organometallic Chemical Vapor Deposited GaAs Epitaxial Layers", Journal of the Electrochemical Sociefy, Vol. 131 (11), S. 2697-2702, November 1984 verweisen.
Eine wesentliche Aufgabe dieser Erfindung ist es, solche Desorptionsbedingungen bereitzustellen, wobei die Verdampfungsrate von abgeschiedenen Bestandteilen sowohl während der Wachstumsrate der Schicht, um die effektive Wachstumsrate zu verringern, als auch nach dem Aufwachsen der Schicht deutlich zu verstärken, um in beiden Fällen Stellen auf der Schicht zur Verfügung zu stellen, die in Vergleich zu anderen Gebieten auf der Schicht eine reduzierte Dicke aufweisen. Diese Anordnung zur Desorption wird hierin als "photoinduzierte Verdampfungsverstärkung" bezeichnet.
Bekannte photoinduzierte Verdampfungsprozesse für das Entfernen von Material können für gewöhnlich als entweder photothermische oder photochemische Verdampfung eingestuft werden. Eine Beispiel der photothermischen Verdampfung ist in US-A-4,388,517 zu finden, wobei die Strukturierung in einer abgeschiedenen Metalloberschicht erreicht werden kann, indem eine isolierende Unterschicht mit geringer thermischer Leitfähigkeit verwendet wird, die vor der Ablagerung der Metalloberschicht strukturiert wurde, um Gebiete einer dazwischen liegenden Grundschicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit frei- bzw. offenzulegen. Die Bestrahlung mit hoher Intensität wie etwa einem Laserstrahl bewirkt die Supplimation der abgeschiedenen Metalloberschicht in Gebieten mit geringer thermischer Leitfähigkeit, während jene Bereiche der Metalloberschicht, die über Bereichen der Grundschicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit strukturiert sind, intakt bleiben, wodurch eine metallisierte Oberschichtstruktur gebildet wird, die mit der in der isolierenden Unterschicht gebildeten Struktur übereinstimmt. Hohe optische Leistungsdichten (0,5 bis 5 Joule/cm²) werden verwendet, um wirksam 10 nm dicke Metallschichten zu entfernen, wobei dies im wesentlich mehr einen Prozeß zum Maskenbilden als einen Prozeß zur strukturierten Kristallablösung erfordert.
Apppplied Physics Letter, Vol. 52 (12), März 1988, Seiten 966-968 "Laser-modified molecular beam epitaxial growth of (Al) GaAs an GaAs und (Ca, Sr) F&sub2;/GaAs substrates" von CWTu et al offenbart, einen Laserstrahl auf ein bestimmtes Substrat zu richten, das bedeutet, ein (Ca, Sr)/F&sub2; Gitter, während MBE Wachstum von GaAs darauf stattfindet, ist effektiv, um solch ein Wachstum zu verhindern.
Weiterhin wurden Untersuchungen bezüglich der Verdampfung von Verbindungshalbleitem wie etwa die kongruente Verdampfung von GaAs unter Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsbedingungen, durchgeführt. Es sei beispielweise verwiesen auf C. T. Foxon et al. (The Evaporation of GaAs Unter Equilibrium an dNonequilibrium Conditions Using a Modulated Beam Technique", Journal of Physical Chemistry and Solids, Vol. 34, Seiten 1693-1701 (1973). Eine Verringerung der Nettowachstumsrate von GaAs in MBE über 640ºC wurde von R. Fischer et al. "Incorporation Rates of Gallium and Aluminium on GaAs During Moleculasr Beam Epitaxy at High Substrate Temperatures", Jounal of Applied Physics. Volumen 54(5), Seiten 2508-2510, Mai 1983 beobachtet, die der Ga Verdampfung zugerechnet wird. Die Fachleute auf dem Gebiet thermischer Verdampfung haben ebenfalls das Schicht für Schicht Wachstum und Desorption von GaAs und AlGaAs untersucht und dabei beobachtet, daß die Wachstumsraten wie auch die Supplemation oder Verdampfungsraten für diese Verbindungen in einem MBE Hochvakuumsystem eine Funktion der Substrattemperatur und des auftreffenden Arsenfiusses ist. Vergleiche dazu die Artikel von J. M. Van Hove et al. "Mass-Action Control of AlGaAs und GaAs Wachstum in Molecular Beam Epitaxy", Applied Physics Letters, Vol. 47(7), Seite 726- 728, 1. Oktober 1985 und T. Kojima et al. "Layer-By-Layer sublimation Observed By Reflection High-Energy Electron Diffraction Intensity Oscillation in a Molecular Beam Epitaxy System", Applied Physics Letters, Volumen 47(3), Seiten 286-288, 1. August 1985. Die Ergebnisse sind in quanitativer Übereinstimmung mit der Masse- Wirkungsanalyse von R. Heckingbottom "Thermodynamic Aspects of Molecular Beam Epitaxy: High Temperature Growth in the GaAs/Ga1-xAlxAs System", Journal of Vacuum Science and Technology B, Vol. 3(2), Seiten 572-575, März/April 1985.
Weitere Techniken in der MBE Prozessierung unter Verwendung thermischer Verdampfung wurden angewandt, um ein Muster in Heterostrukturen bereitzustellen. In einem Falle wurden mehrere GaAs-Quantenpotentialschichten, die durch AlGaAs Trennschichten getrennt sind, in MBE auf ein GaAs Substrat aufgewachsen, das auf einen geschützten Träger montiert war, so daß sich über das befestigte Substrat eine Temperaturdifferenz ausbildet. Auf diese Weise ist die Dicke der abgeschiedenen GaAs und AlGaAs Schichten kleiner über abgeschiedenen Bereichen auf festem Substrat mit einem 30ºC bis 50ºC höheren Temperaturgradienten über der Substrattemperatur im Vergleich zu benachbarten Gebieten über Trägervertiefungen. Vergleiche dazu W. D. k Goddhue et al. "Planar Quantum wells With Spatially Dependent thicknesses and Al Content", Journal of Vacuum Sciene and Technology B, Vol. 6(3), Seiten 846-849, Mai/Juni 1988. Es wurde festgestellt, daß mit Quantenpotentialstrukturen, die bei über 700ºC aufgewachsen wurden, die Dicke dieser abwechselnden Potential/Barriereschichten sinkt, wenn die Temperatur ansteigt.
Im anderen Falle, der durch zwei Beispiele dargestellt wird, wird Strukturierung durch Quasi-insitu-Wärmeprozessieren erreicht, wobei thermisches Ätzen angewendet wird, um GaAs selektiv zu entfernen. In einem Beispiel wird eine n-GaAs-Schicht über einer p-AlGaAs-Schicht zuerst in einen bestimmten Bereich selektiv chemisch geätzt und anschließend thermisch geätzt, um das verbleibende dünne GaAs aus dem chemischen Ätzen zu entfernen, bevor mit dem Wiederwachstum der p-AlGaAs-Schicht fortgefahren wird. Dadurch wird ein vergrabener umgekehrt vorgespannnter Stromeinschlußmechanismus in einer Laserdoppelheterostruktur erzeugt. H. Tanaka et al. Single-Longitudinal-Mode Self Aligned AlGa(A5) Double-Heterostructure Lasers Fabricated by Molecular Beam Epitaxy", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 24, Seiten L89-L90, 1985. Im anderen Beispiel wird eine GaAs/AlGaAs Heterostruktur, die teilweise von einer Metallschicht abgedeckt ist, anisotrop thermisch geätzt, womit die Fähigkeit zur Bauelementeherstellung im submicronierter Bereich demonstriert wird. A. C. Warren et al. "Masked, Anisotropic Thermal Etching and Regrowth for In Situ Patterning of Compound Semiconducotrs", Applied Physics Letters, Vol 51 (22), Seiten 1818-1820, 30. Novemer 1987. In diesen beiden Beispielen wurden die AlGaAs- Maskenschichten als ein Ätzstopp erkannt, um für die gewünschte geometrische Anordnung in thermisch geätztem GaAs zu sorgen, obwohl ebenfalls bekannt ist, daß bei geeigenten Desorptionsparametern AlGaAs ebenfalls bei höheren Temperaturen und unterschiedlichen Umgebungsbedingungen im Gegensatz zu GaAs thermisch geätzt werden kann.
Keine dieser Verdampfungs/Desorptionstechniken verwendet allerdings photoinduzierte Verdampfung als ein Verfahren in einem Schichtabscheidungssystem, um schrittweise in kleinem Maßstabe die Schichtdicke in strukturierten oder ausgewählten Stellen auf der Wachstumsoberfläche sowohl während oder nach dem Schichtwachstum zu reduzieren, um damit eine glatte strukturierte Oberflächenform zu bilden, was eine wesentliche Aufgabe dieser Erfindung ist.
Photochemische Prozesse betreffend gibt es eine Vielzahl von bekannten photochemischen oder Photoätztechniken, die sich auf chemische Entfernung oder Abtragung von Materialien von Schichtoberflächen oder Bereichen beziehen und als "mikrochemische Laserverfahren" bezeichnet und im Artikel von F. Micheli und I. W. Boyd, "Laser Microfabrication of Thin Films: Part Part Three", Optics and Laser Technology, Part Three: Vol. 19(2), Seiten 75-82, April 1987 offenbart sind. Ein solcher Prozeß, auf den in diesen Artikel hingewiesen wird, wird ablösender Photozerfall (APD) genannt und ist im Artikel von R. Srinivasan mit dem Titel "Kinetics of the Ablative Photodexomposition of Organic Polymers in the Far Ultraviolet (193 nm)", Jounral of Vacuum Science and Technology B, Vol. 1 (4), 923-926, Oktober/Dezember 1983 beschrieben. Diese photochemischen Prozesse und Ablösungsprozesse sollten nicht mit der vorliegenden Erfindung verwechselt werden, da diese Erfindung hauptsächlich ein Verfahren behandelt, das photothermisch Material aus einer Schichtoberfläche desorbiert oder verdampft, im Gegensatz zu Prozessen, auf die oben hingewiesen wurde, die im wesentlichen mit photochemischer oder photoablösender Entfernung von Material auf Schichtoberflächen befaßt sind. Obwohl das vorliegende Verfahren möglicherweise einige photochemische Effekte mit einschließt, besteht die wesentlich Wirkung in der Ausführung des Verfahrens dieser Erfindung in der photothermischen Verdampfung.
EP-A-130,847 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines photoelektrischen Konversionsbauteils einschließlich des Schritts zur Formung einer nicht einkristallinen Halbleiterschicht, einer transparenten oder nichttransparenten Schicht, oder eines Beschichtungselements, das aus transparenten oder nichttransparenten Schichten zusammengesetzt ist, durch Strukturierung mit einem Laserstrahl, der eine Wellenlänge von höchstens 600 nm, einen Strahlfleckdurchmesser von 3 bis 60 um und eine Pulsbreite von 50 ns aufweist.
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind Bereitstellen von in situ- Verdampfung von ausgewählten Oberflächenbereichen oder Schichten von Verbindungshalbleitern ohne Zerstörung der Aufwachsbedingungen des Systems, das Anwenden von photoinduzierter Verdampungsverstärkung in chemischer Dampfabscheidungsepitaxi und weiterhin das Anwenden dieses Verfahrens in der Herstellung von Halbleiterbauelementen wie etwa Halbleiterlaser mit mehreren emittierten Lichtwellenlängen oder Laseranordnungen, Laser und Laserarrays mit vergrabenen Heteroübergängen und Lasergeräten mit vergrabenen rückwärts vorgespannten Übergängen zum Stromanschluß.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur thermischen Strukturierung, um strukturiertes Dünnen von ausgewählten Bereichen einer Halbleitermaterialschicht während oder nach dessen epitaxialen Aufwachsens auf einem Substrat in situ bereit zu stellen, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Halten der Temperatur der Halbleiterschicht unter der zum Einleiten thermischer Verdampfung von Bestandteilen der Schicht notwendigen Temperatur, wobei die Temperatur teilweise von der die Schicht umgebenden Atmosphäre abhängt; Bestrahlen ausgewählter Gebiete der Schicht unter geeigneten Bedingungen mit Strahlungen oder Partikeln, die ausreichend Energie aufweisen, um die Temperatur der ausgewählten Gebiete über ein Niveau zu heben, das ausreicht, thermisches Verdampfen des Halbleitermaterials in jenen Gebieten zu bewirken, wobei die besagten Bedingungen die Anwesenheit der Umgebungsatmosphäre mit einschließen, und Fortführen der Bestrahlung kontinuierlich oder intermittierend für eine ausreichende Zeitdauer, um das Halbleitermaterial in den ausgewählten Bereichen auf eine gewünschte Tiefe oder restliche Dicke zu verdampfen.
Erfindungsgemäß wird die in situ Entfernung oder Dünnung von Bereichen oder gesamter ausgewählter Bereiche abgeschiedener Schichten erreicht, indem eine Strahlungsenergiequelle auf einen Fleck oder einen Strahlungsbereich auf der Aufwachsoberfläche eines Substrats oder einem Befestigungsmittel in einem chemischen Dampfabscheidungsreaktorsystem, beispielsweise einem MOCVD-System, gerichtet wird. Da das vorliegende Verfahren ein in situ- Verfahren ist, wird die Aufwachsoberfläche niemals einer unerwünschten oder schädigenden Umgebung zwischen der Bildung von aufeinanderfolgenden dünnen Schichten ausgesetzt. Die Energiequelle kann beispielsweise ein AR+ Laserstrahl, ein YAG Laserstrahl, ein CO&sub2; Laserstrahl oder ein Exzimerlaserstrahl, eine Hochleistungslampe oder eine Kombination der vorangegangenen Elemente sein. Intensitätsveränderungen eines Gausschen Strahlprofiles oder Variationen in der Intensität des Energiequellenstrahlflecks an ausgewählten Bereichen an der Aufwachsoberfläche verstärken selektiv die Verdampfung von kristallinem Ablagerungsmaterial an ausgewählten Stellen auf der Aufwachsoberfläche nach dem Aufwachsen, oder verringern selektiv die Wachstumsrate kristalliner Ablagerung an ausgewählten Stellen auf der Aufwachsoberfläche während des Aufwachsens, wenn eine Strahlintensität und Leistung und eine geeignete Systemtemperatur vorgegeben sind. Die intensive Strahlung aus der Energiequelle desorbiert oder bewirkt Verdampfung von aufeinanderfolgenden atomaren Monoschichten oder verbundenen Atomen aus der Kristalloberfläche im wesentlichen durch thermische Verdampfung, obwohl dies möglicherweise minimal photochemisch ergänzt wird, abhängig von der Photonenergie auf der Oberfläche und den molekularen Bindungskräften des Kristalls und der Anwesenheit einer Gasumgebung. Eine wichtige Eigenschaft des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist, daß die desorbierten Atome von der Aufwachsoberfläche nicht in Klumpfen oder Fragmenten entfernt werden, sondern Atomschicht nach Atomschicht relativ gleichmäßig und systematisch entfernt werden; dies kann als "Monoschichtabschälung" charakterisiert werden, woraus eine Oberflächenform mit glatter Struktur und molekularer Kontinuität resultiert. In diesem Sinne ist das erfindungsgemäße Verfahren analog zum Entfernen oder Ätzen von kristallinen Material als Gegenspieler zum Abscheiden kristallinen Materials zu bezeichnen und ist der Gegenspieler zur Laser-Abscheidungsstrukturierung, in der Entfernung nach dem Aufwachsen oder eine reduzierte Aufwachsrate während des Aufwachsens negatives Wachstumsstrukturieren liefert.
Grundsätzlich wird dann ein negativer Wachstumsstrukturierungsprozeß mit einem positiven Wachstumsprozeß verknüpft, um selektives Dünnen von Bereichen von Halbleiterschichten in dreidimensionalen Kristallstrukturen bereitzustellen, wobei das Verfahren lediglich durch die funktionalen Möglichkeiten des Aufwachsreaktors begrenzt ist. Selektives monotones Vergrößern und Verringern von Schichtdicken kann, wenn die Bestrahlung für eine vorbestimmte Zeitdauer stationär bleibt, mit Bestrahlung der Aufwachsoberfläche erreicht werden, die durch eine strukturierte Maske oder alternativ durch Modulieren und Scannen über die Aufwachsoberfläche des Strahlflecks oder mehrerer Strahlflecke erreicht wurde. Die von dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Änderungen oder Variationen in der Schichtdicke sind in der Herstellung von Halbleiterbauteilen mit Bereichen unterschiedlicher geometrischer, elektrischer und optischer Eigenschaften, die in situ in einer oder mehreren Halbleiterschichten eines solchen Bauteils erzeugt wurden, verwendbar Insbesondere die durch photoinduzierte Verdampfungsverstärkung gebotene genaue Steuerung erlaubt eine reproduzierbare Regelung und resultiert in der Auswahl gewünschter lokaler Bereichsdicken von Halbleiterschichten oder Filmen von Halbleiterbauteilen und den genauen Wechseln in den Quanteneffekten von dünnen Schichten für Halbleiterbauteilen wie etwa beispielsweise Laserarrays mit mehreren Wellenlängen mit emittierenden Elementen, die unterschiedliche vorgewählte individuelle Betriebswellenlängen haben.
Man würde vermuten oder vorhersagen, daß die Verwendung von Verdampfungstechnik in situ während oder nach dem Schichtaufwachsen in CVD unter Verwendung der intensiven Wärme eines Laserstrahls, um die Oberflächenbereiche der Aufwachsoberfläche photothermisch aufzuheizen, um molekulare Verdampfung zu erzwingen oder die Verdampfungsrate von molekularen Bestandteilen aus der Oberfläche der Schicht zu variieren, eine aufgerauhte Oberfläche oder aprubte Materialgrenzflächen erzeugen und die Gitterstruktur beschädigen würde. Es zeigt sich aber, daß dies nicht wichtig ist, wenn die Lehre der vorliegenden Erfindung befolgt wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines MOCVD Reaktorsystems, das beim Ausüben der vorliegenden Erfindung genutzt wird;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren MOCVD Reaktorsystems, das zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Laserstrahlflecks, wenn dieser moduliert und über die Aufwachsoberfläche gescannt wird, um selektive Verdampfung durch Photowechselwirkung zu erzeugen;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Bestrahlung der Aufwachsoberfläche, die durch eine strukturierte Maske erreicht wird, um Verdampfung zu induzieren;
Fig. 5 ein TEM mikrographisches Bild des Wellenleiterbereichs einer auf Wafer gewachsenen Struktur, die das Verfahren dieser Erfindung in Beispiel 2 darstellt;
Fig. 6 photolumineszente (PL) Spektren von vier Position entlang des laserstrukturierten Wafers in Beispiel 1;
Fig. 7 eine graphische Darstellung einer Laserwellenlänge und einer Schwellwertstromdichte als eine Funktion des Ortes entlang des Wafers in Beispiel 1;
Fig. 8 die Emissionsspektren von vier einzelnen Laserbauteilen entlang einer Schwelle des Wafers der in Fig. 5 gezeigten Heterostrukturanordnung;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer dünnen Schicht während oder nach deren Abscheidung, wobei selektive Geometriedünnung der Schicht unter in situ Verwendung photoinduzierter Dampfverstärkung erreicht wird;
Fig. 9a und 9b schematische Darstellungen von gedünnten Geometrien in ausgewählten Gebieten einer Schicht, die durch Änderungen im Bestrahlungsprofil gebildet sind;
Fig. 10a und 10b schematische Darstellungen von gedünnten Geometrien in einem ausgewählten Bereich einer Schicht, die die Gegenstücke zu den in Fig. 9a und 9b dargestellten Profilen sind;
Fig. 11 eine weitere schematische Darstellung einer gedünnten Geometrie in einem ausgewählten Bereich einer Schicht gemäß den Lehren dieser Erfindung;
Fig. 12 eine weitere schematische Darstellung einer gedünnten Geometrie in einem ausgewählten Bereich einer Schicht gemäß den Lehren dieser Erfindung;
Fig. 13 eine schematische Darstellung einer gedünnten Geometrie in einem ausgewählten Bereich einer Schicht mit einer Geometrie, die der in Fig. 12 gezeigten ähnlich ist, aber ein unterschiedliches Profil hat;
Fig. 14 eine schematische Darstellung einer gedünnten Geometrie in einem ausgewählten Bereich einer Schicht mit einer Geometrie, die invers ist zu der in Fig. 12 gezeigten;
Fig. 15 eine schematische Darstellung einer lateralen Seitenerhebung einer Laserheterostruktur mit vergrabenen rückwärts vorgespannten Stromanschluß, der gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung geformt wurde, und
Fig. 16 eine schematische Darstellung einer länglichen Seitenerhebung einer Laserheterostruktur mit transparenten Fenstergebieten, die durch das Verfahren dieser Erfindung gebildet wurden.
Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein schematisches Diagramm eines MOCVD-Systems 10 mit einer laserunterstützten Aufwachskammer 11 gezeigt ist, die zur MOCVD-Prozessierung bei der praktischen Anwendung dieser Erfindung benutzt wird. Die Kammer 11 kann eine Quarzröhre sein, die ein transparentes Quarzfenster 13 an ihrer Unterseite mit einem Graphitaufnehmer 12, der in der Kammer 11 angeordnet ist, auf dem ein Substrat oder ein Befestigungselement 14 mit einem Quarzbefestigungsring befestigt ist, beinhaltet. Die exponierte nach unten zeigende Oberfläche des Substrats 14 wird als Aufwachsoberfläche bezeichnet. Der Aufnehmer 12 wird induktiv mit einer externen RF-Spule 16 geheizt, die über Leitung 19 mit RF- Kontroller 17 verbunden ist, der wiederum über Leitung 21 zum Computer 29 verbunden ist, um selektiv unter Programmsteuerung die Temperaturbedingung an der Aufwachsoberfläche des Substrats 14 zu variieren. Gaseinlaßöffnungen 18, 20, 22 und 24 sind in der Nähe der Unterseite der Kammer 11 angeordnet, um jeweils als Einlaßquellen für die Gase Trimethylaluminium (TMA), Trimethylgallium (TMG), AsH3 und H&sub2; als Trägergase zu fungieren. Diese Quellen können ebenfalls Dopanten wie etwa H&sub2;Se einschließen. Die Flußrate, Volumen und Zusammensetzung dieser Quellengase bleibt über Steuerleitungen 18a, 20a, 22a und 24a zu Gasquellen 18', 20, 22' und 24' durch Computer 29 unter programmierter Kontrolle. Diese Gase werden in der Nähe der Einlaßöffnungen 18-24 bei 30 gemischt und fließen sofort aufwärts zur Kammer 11, wie dies durch die Pfeile in Fig. 1 angezeigt ist, und verlassen schließlich die Kammer bei den Austrittsöffnungen 32. Das Aufwärtsfließen der Gasmischung verhindert Abscheidungen an der Wand in der unteren Hälfte der Kammer 11.
Die Aufwachsbedingungen für konventionelles MOCVD werden beobachtet und sind gut bekannt. Die Gasmischung strömt aufwärts durch Kammer 11 und ein Teil der Gase kontaktiert die Hauptaufwachsoberfläche des Substrats 14 und die metallischen Atome zerfallen aus den reaktiven Gasverbindungen oder kondensieren an der Aufwachsoberfläche als eine epitaxial abgeschiedene Schicht, z. B. GaAs, wenn die Quelle 18 über Computer 29 abgeschaltet wird, oder GaAlAs, wenn alle Quellen 18-24 über Computer 29 in Betrieb sind.
Die Ausgestaltung der MOCVD-Systems bietet einen ungestörten optischen Zugang für einen CW oder gepulsten Strahl oder Strahlen 26, 26A und 26B aus der Energiequelle 27 durch das Quarzfenster 13, die mittels Obektivlinse 15 auf die Aufwachsoberfläche des Substrats 14 fokussiert werden. Der Strahl 26 kann aus einer oder mehreren Arten von Lichtenergiequellen bestehen, um photothermische Verdampfung hervorzubringen, wie etwa eine Hochleistungsquecksilber- oder Xenonlampe, ein CO&sub2;-Laser, ein Ar&spplus;- Laser, ein YAG-Laser, ein Excimerlaser und auch ein Hochleistungsfestkörperlaser (z. B. 30 mW - 5 W) oder ähnliches. Die Quelle 27 kann daher ein Laser oder eine Kombination aus Lasern oder eine Kombination aus Laser und Hochleistungslampen sein, die einen Hochleistungsausgangsstrahl 26 erzeugen. Im Falle von Festkörperlasern können die Leilstungsmerkmale eines Einzelstrahlers erhöht werden, indem die Strahlfleckgröße herunterfokussiert wird, um die Intensität zu erhöhen, oder durch Anwendung der zusätzlichen Leistung in Fernfeld von mehreren Strahlern in einem phasenfesten Laserarray in Kombination mit Herunterfokussieren der Strahlfleckgröße, um die Intensität zu erhöhen.
Im Falle von Lampen oder Laserstrahlquellen mit einem großen Strahldurchmesser wird die Aufwachsoberfläche des Substrats 14 mit einer hochintensiven, alles überdeckenden Bestrahlung durch eine Maske 31 mit einem vorbestimmten Muster bestrahlt, um die Aufwachsoberfläche selektiv zu bestrahlen und photounterstützte Verdampfung in diesen Gebieten zu liefern. Vorzugsweise ist die Lampe auch eine Quelle mit rascher Pulsfolge, um eine Stoßausgangsleistung zu erhalten.
In dem Falle, daß die Quelle 27 ein Laser ist, kann der Laserstrahl 26 beispielsweise auf eine Strahlfleckgröße von 1,0 mm fokussiert werden und auf dis Aufwachsoberfläche des Substrats 14 während des Aufwachsens der GaAs- und GaAlAs-Materialschichten fokussiert werden. Der Laserstrahl 26 kann mittels Scanner 28, der als ein galvanometrisch kontrollierter drehbarer Spiegel dargestellt ist, gescannt werden. Der Laserstrahlfleck kann beispielsweise leicht durch den Spiegel 28 "vibriert" werden, um eine Ungleichförmigkeit im optischen Intensitätsprofils des Strahls 26, die für gewöhnlich ein Gaussianprofil ist, räumlich zu mitteln. Der Spiegel 28 kann alternativ auch ein drehbares Prisma sein. Der Spiegel 28 kann mit einer Drehung A betrieben werden, um in der X-Richtung zu scannen und zeitlich in der Z-Ebene bewegt zu werden, um in der Z-Richtung zu scannen, um eine orthogonale Strahlabtastung in der X-Z-Ebene zu erhaltenl. Anstelle des Spiegels 28 können zwei galvanometrisch gesteuerte Spiegel verwendet werden, um ein orthogonales Abtasten in der X-Z-Ebene zu erhalten. Weiterhin kann der Scanner 28 alternativ ein X-Z-Rasterscansystem mit einer schnellen Wiederholungsrate sein.
Der Laser 27 und der Scanner 28 werden über Computer 29 programmgesteuert betrieben, wobei die Strahlintensität und die Strahl-Ein- und Aus-Zustände über Steuerleitung 25 zur Quelle 27 moduliert werden können, und das X-Z-Muster oder der Abtastweg des Strahlflecks auf der Aufwachsoberfläche des Substrats 14 wird über Steuerleitung 23 zum Scanner 28 gesteuert.
Die Einfügung in Fig. 1 ist eine Vergrößerung eines Gebiets des Substrats 14, das den Brennpunkt des Strahls 26 auf die Aufwachsoberfläche des Substrats mit einschließt. Wie in dem eingefügten Bild gezeigt ist, kann das Substrat 14 zunächst mit einer Erstschicht 14a GaAs oder GaAlAs ausgestattet sein, wobei anschließend eine Schicht 34 aus GaAs oder GaAlAs ausgeschieden wird. Im Einschub von Fig. 1 ist der Fall einer abgeschiedenen GaAs-Schicht dargestellt; wenn der Strahl 26 mit geeigneter Intensität und Leistungsdichte zusammen mit einer geeigneten Substrattemperatur am Aufnehmer 12 und gewünschten TMA-Gastransportverhältnis [TMA]/([TMA] + [TMG]), gegeben ist, erfahren die von fokussierten Strahl 26 bestrahlten Gebiete der Schicht 34 eine geringere Gesamtschichtwachstumsrate als benachbarte unbestrahlte Gebiete der Schicht 34 oder erfahren eine Desorptionswirkung und Verdampfung von Elementbestandteilen nach dem Aufwachsen der Schicht 34, was sich im dünneren Gebiet 34a der Schicht 34 niederschlägt. Somit wird bei Anwesenheit geeigneter Voraussetzungen das Gebiet 34a, das von einem Strahl bzw. Strahlen 26, 26a und 26b bestrahlt wird, entweder eine verringerte Wachstumsrate oder Verdampfung von GaAs, wie dem auch sei, im Gebiet 34a hervorbringen. Insbesondere nach dem Aufwachsen der Schicht 34, wenn der Strahl 26 mit geeigneter Intensität und Leistungsdichte zusammen mit einer geeigneten Gasumgebung und Gastransportverhältnis sowie Substrattemperatur gegeben ist, erfahren bestrahlte Gebiete der Schicht 34 eine Dünnung oder Entfernung von molekularen Monoschichten von zuvor aufgewachsenem kristallinem Material, die als dünnere Bereiche 34a repräsentiert sind.
Um das Abtasten der Aufwachsoberfläche zu erleichtern, kann mehr als ein Strahl auf die Substratoberfläche fokussiert werden und diese abtasten. Mehr Strahlenabtastung kann mit mehreren Strahlenquellen oder Verwendung eines Strahlteilers zur Erzeugung mehrerer Strahlen, so daß simultanes Bestrahlen unterschiedlicher Oberflächengebiete des Substrats 14 mit gleicher oder unterschiedlichen Strahlungsdichten und/oder der selben oder unterschiedlichen Verweilzeit auf solchen Gebieten erreicht werden kann, bereitgestellt werden. Ein Beispiel eines Systems mit mehrfach aufgeteilten Strahl ist in US-A-4,762,402 gezeigt. Ein Beispiel mit mehreren Strahlquellen ist in Fig. 2 gezeigt, wobei System 10' einen Doppelstrahlfestkörperlaser beinhaltet. Das System 10' beinhaltet identische Komponenten als das in Fig. 1 gezeigte System 10 und ist daher mit den gleichen Bezugszeichen gezeigt und deren Beschreibung ist ebenso auf Fig. 2 anwendbar. Das Systems 10' ist im wesentlichen das gleiche mit Ausnahme der Anordnung des Scanners 28A, der ein Halbleiterlaserarray 27A mit beispielsweise zwei Strahlern 27B und 27C umfaßt, die jeweils die Strahlen 26A und 26B, die auf ein polygonales Prisma mit Spiegeloberflächen 26C gerichtet sind, liefert (diese sind als zwei Polygone, wobei eins größer ist als das andere zum Zwecke der individuellen Identifizierung der zwei gescannten Strahlen ausgeführt, obwohl solch ein doppeltes Polygon eine Alternative für die optische Funktion ist). Obwohl das Laserarray 27A mit dualen Strahlen gezeigt ist, liegt es innerhalb des Bereichs dieser Ausführungsform, ein Laserarray mit mehreren Strahlern und Ausgangsstrahlen zum simultanen Scannen auf der Aufwachsoberfläche des Substrats 14 vorzusehen. Der Vorteil der Verwendung eines Diodenlasers ist dessen kleine Größe, die einen leichten optischen Zugang und einfaches Ausrichten für die Anwendung in Verbindung mit Kammer 11 gestattet.
Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit oder inkrementalen Bewegung des Scanners 28A wird mittels Computer 29 über Scannerkontroller 28B in Verbindung mit Modulation der Strahler 27B und 27C des Laserarrays 27A erreicht. Computer 29 ist in dieser Verbindung mit dem Kontroller 28B über Kabel 23 und zum Laserarray 27A über Leitungen 25 verbunden. Der Kontroller 28B beinhaltet einen Scannermmotor, der Prisma 26C rotiert oder dessen Drehbewegung inkremental weiter bewegt und mit den Strahlen 26A und 26B das Substrat 14 in der X-Richtung abtastet; Kontroller 28B beinhaltet auch einen Indiziermechanismus, um das abtastende Prisma 26C lateral in der Z-Richtung weiter zu bewegen. Die Strahlen 26A und 26B werden in diesem Zusammenhang durch die Spiegeloberflächen des Scanners 28A gefaltet, über die Linsen 15 zur Bildung von Strahlflecken auf der Aufwachsoberfläche fokussiert und in der X-Ebene abtastend über die Aufwachsoberfläche des Substrats 14 bewegt. Der Scanner 28A kann ebenfalls rasch in der Z-Richtung und außerhalb der Ebene in Fig. 2 indiziert werden, um andere Abtastwege über das Substrat 14 in der X-Richtung zu liefern. Der Computer 29 ist programmiert, um die Intensität und Leistung des Lasserarrays 27A zu modullieren, um den nötigen Grad an photothermischen Verdampfungserfordernissen und resultierende Verdampfungswirkungen, die an adressierten Orten auf der Aufwachsoberfläche erwünscht sind, zu erreichen, wobei gleichzeitig die Rotationsgeschwindigkeit und das Indizieren in der Z-Richtung des Scannerpolygons 226C gesteuert wird, um die gewünschte Strahlverweilzeit für jeden dieser Oberflächenorte zu liefern. Dieses rotierende Abtasten könnte daher inkremental oder kontinuierlich abhängig von der gewünschten Anwendung oder gewünschten Verweildauer mit wiederholten Abtastungen, die über die gesamte Aufwachsoberfläche des Substrats 14 während des Aufwachsens der Schicht durchgeführt werden, erreicht werden.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Beispiel einer ausgeführten Verfahrensweise, jeweils im Zusammenhang mit Scanner 28 oder 28A für die photoinduzierte Verdampfungsverstärkung von ausgewählten Schichtbereichen 34. In Fig. 3 werden Strahl 26 oder Strahlen 26A und 26 B (nicht gezeigt) inkrementiert oder kontinuierlich abtastend in der X-Richtung bewegt mit einer vorbestimmten Verweilzeit mit eingeschalteten Strahl an ausgewählten Orten 34B, die photoinduzierte Verdampfungsverstärkung auf Oberflächenmonoschichten von GaAs erlauben, um beispielsweise aufeinander folgende dünnere Bereiche 34A in der Schicht 34 in der X- Richtung des Substrats 14 zu erzeugen. Die Ausbildung der Bereiche 34A wird erreicht mit einer Strahlverweilzeit, die ausreicht, eine gewünschte Tiefe der Schichtdünnung zu erzielen, oder durch kontinuierlich wiederholtes Abtasten der gesamten Substratoberfläche mit Strahl-Ein-Zeiten an jeder Position 34B, wobei dies solange ausgeführt wird, bis die gewünschte Tiefe der Schichtdünnung erreicht ist.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Beispiel einer ausgeführten Verfahrensweise in Verbindung mit einer stationären Strahl- und/oder Lampenbestrahlung, durch 26 bezeichnet, durch Blenden der Maske 31, um photoinduzierte Verdampfung von GaAs-Monoschichten beispielsweise an den Orten 34B zu bewirken. Die Strahlverweilzeit reicht aus, um die gewünschte Tiefe der Schichtdünnung mittels photoinduzierter Verdampungsverstärkung zu erreichen, wie dies an den Bereichen 34A gekennzeichnet ist.
Als eine Alternative kann eine Maske ohne Blenden in 31 verwendet werden und diese kann langsam aus oder in die Position bewegt werden, um diese dem Strahl 26 auszusetzen, so daß ein monotones Ansteigen oder Abfallen der Schichtdicke über die Schichtoberfläche erreicht werden kann, was durch den Verdampfungsgradienten und die durch die sich seitlich bewegende Maske produzierte Bestrahlungszeit erzeugt wird. Dies ist eine spezielle Technik zur Herstellung der in Fig. 11 gezeigten monoton geneigten Oberfläche.
In all den Fällen der zuvor erwähnten Scannern des Strahlungstyps sollte die Wiederholrate des Scanners so hoch wie die Wachstumsrate, die an der Aufwachsoberfläche auftreten, sein, wobei die Aufwachsrate mehrere Male pro Sekunde oder mehr im Vergleich zum MOCVD-System 10 sein kann und mindestens ungefähr ein fünfmaliges komplettes Überstreichen der Aufwachsoberfläche eines konventionellen Substratwafers pro Sekunde erfordert. Verdampfungsverstärkung hat eine geringere Prozeßrate, da kleine Änderungen in der Prozeßtemperatur, die von der Quelle 27 in Kombination mit der vorherrschenden Substrattempertatur TS eingebracht werden, große Änderungen in der Oberflächenverdampfung an der Aufwachsoberfläche hervorrufen.
Experimente mit der selektiven photothermischen Verdampfung von Bereichen nach deren epitaxialen Aufwachsens demonstrieren, daß bei Temperaturen über 825ºC, insbesondere um 1000ºC und mehr in einer umgebenen Atmosphäre, die von einem fokussierten 3 mm Laserstrahl mit einer Leistung von 5 W erzeugt wurde, für GaAs eine Verdampfungsrate von 0,1 nm pro Sekunde oder eine Entfernung von einer atomaren Monoschicht des Materials an der Oberfläche alle vier Sekunden erhalten werden kann. Die Verdampfungsrate kann von ungefähr 0,1 nm pro Sekunde bis ungefähr 1,0 nm pro Sekunde verändert werden, abhängig von den Betriebstemperaturen am Substrat (T) und des Strahlflecks (TL) und dem speziellen Material, beispielsweise GaAs oder AlGaAs. Auf jeden Fall liegt die Betriebstemperatur für AlGaAs höher als die für GaAs, weil der Al-Gehalt im AlGaAs eine geringere Verdampfungsrate bewirkt, da GaAs einen höheren Dampfdruck als InAlGaAs hat. Höhere Verdampfungsraten erfordern höhere Temperaturen, die dann beginnen einen Punkt zu erreichen, an dem Beschädigung des Kristalls auftreten kann; zum einen durch steile thermische Gradienten in der Schicht, die den Kristall belasten, und zweitens durch Schmelzen des Materials und möglicherweise ein Ablösen hervorrufen; dies sind unerwünschte Bedingungen. Beispielsweise tritt kongruente Verdampfung von GaAs bei ungefähr 950ºC in einer Umgebungsatmosphärenmischung von AsH&sub3; und H&sub2; (andernfalls bei ungefähr 680ºC in Vakuum) auf und GaAs beginnt bei etwa 1240ºC zu schmelzen.
Eine komplette Entfernung von beispielsweise einem 9 bis 10 nm dicken Quantenpotentialfleck aus GaAs mittels eines YAG-Laserstrahls mit 3 mm Durchmesser mit einer Leistung von ungefähr 5 W nimmt ungefähr 1,5 Minuten Verweilzeit in Anspruch, wobei die gesamte Temperatur, die von induzierten Heizen des Substrats und der Strahlintensität erzeugt wird, 1050ºC betragen kann. Es wurden allerdings zu wenige Daten erhalten, um den Bereich der Verdampfungsverstärkung für diese speziellen Bedingungen genauer zu bestimmen. In jeden Falle ist die Verdampfungsverstärkungsrate umso größer, je größer die Substrat/Strahlflecktempertaurdifferenz aufgrund einer höheren Laserleistung ist.
Während der Verdampfungverstärkung fließt im allgemeinen ein Umgebungsgasgemisch durch die Kammer 11, um Nebenprodukte des Verdampfungsprozesses zu entfernen und das Beibehalten des Gleichgewichtszustands im Verdampfungsmechanismus zu unterstüzten. Im Falle von GaAs wird beispielsweise die TMG-Quelle bei Abschluß des Schichtaufwachsens abgeschaltet und AsH&sub3; und H&sub2; Quellen werden während der photinduzierten Verdampfungsverstärkung weiter betrieben.
Obwohl die vorangegangenen Erörterungen in Verbindung mit den Halbleitern GaAs und GaAlAs beschrieben wurden, können andere III-V bei der Anwendung dieser Erfindung verwendet werden wie etwa InGaP, InGaAsP, GaAlAsP, InGaAlP, InGaAlAsP, GaAlSb; andere Legierungen können bei der Umsetzung der Erfindung verwendet werden wie etwa Gruppe II-VI Materialien wie beispielsweise ZnSe, ZnSSe und CdS. Gruppe IV Materialien, in besonderen Maße Si und Ge können ebenfalls beim Anwenden der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Der grundlegende Mechanismus, der in der photoinduzierten Verdampfungsverstärkung erwünscht ist, liegt in der an der Aufwachsoberfläche absorbierten Wärme. Es wird angenommen, obwohl dies letztlich noch nicht durch Experiment bestätigt ist, daß, um einen reineren photothermischen Prozeß mit Laserstrahlquellen zu erreichen, es wünschenswert ist, von UV- und kurzwelligen Strahlungen Abstand zu nehmen, weil die hohen Photonenergien dieser kurzwelligen Strahlungsquellen mit hoher Stoßleistung den Prozeß in dem Bereich photochemischer Prozesse treiben. Solche Prozesse verursachen das Aufbrechen chemischer Bindungen an der Oberfläche auf molekularer Ebene und rufen, mit genügender Wärme, eine Form von Oberlfächenabtragung hervor, die nicht Aufgabe dieser Erfindung ist. Abtragungseffekt sind nicht erwünscht, weil der Prozeß des Abtragens das Entfernen von Materialfragmenten mit einschließt, wodurch abrupte Grenzflächen mit dem umgebenden Material anstelle einer Strukturwirkung mit graduellen räumlichen Übergängen von Material in das umgebende Material erzeugt werden.
Mit dem Fortschreiten von längeren Wellenlängen zu kürzeren Wellenlängen wird ebenfalls ein Punkt erreicht, an dem Wärmeabsorption in der Aufwachsoberfläche relativ schnell anzuwachsen beginnt und zunehmend ansteigt, in dem Maße, wie die Wellenlänge kürzer wird. Vorteilhafterweise bewegt man sich in der Verstärkungsmethode dieser Erfindung zu längeren Wellenlängen hin, um die Eindringtiefe von Wärme in die Schicht zu steigern, wodurch ein gradueller thermischer Gradient über den Hauptschichtbereich oder der Dicke (z. B. einige nm bis zu 2 um) erzeugt wird; der hervorgerufene thermische Gradient wird daher keine Kristallschäden aufgrund des thermischen Ausdehnungsunterschieds hervorrufen. Bei der Umsetzung dieser Erfindung muß daher die Anpassung der Wellenlänge der Laserquelle in Betracht gezogen werden, um eine effiziente Absorption der Energie in den Schichtbereich zu bewirken, ohne Schaden hervorzurufen.
Dieser Lösungsansatz mit tiefer Absorption und ausgedehntem thermischen Gradienten im Schichthauptbereich sorgt für einen sehr sanften Verdampfungsprozeß in bezug auf lokales Aufheizen eines ausgewählten Bereichs der Schicht. Wenn kürzere Wellenlängen verwendet werden, wird die Wärme im wesentlichen an der Oberfläche mit einem steilen thermischen Gradienten durch die Schichtdicke hindurch absorbiert. Solch ein Wärmegradient ist für hauptsächlich ablösungs- und photochemische Prozesse besser geeignet. Unsere aktuellen Experimente demonstrieren, daß AR+ Laser (λ = 0,5 um) und YAG-Laser (X = 1,6 um) in geeigneter Weise für Verdampfungsverstärkung funktionieren, der YAG-Laser ist aber möglicherweise aufgrund seiner längeren Wellenlänge vorzuziehen, vorausgesetzt, daß ein ausreichendes Leistungsniveau vorgesehen ist (begrenzt beispielsweise durch 5 W - 50 W). Ausreichende Leistungsniveaus können durch die Anordnung zweier Laserstrahlen 26 aus der Quelle 27 erreicht werden, was durch eine Kombination von AR&spplus; Laser und YAG-Laser erzielt wurde.
Neben der Berücksichtigung der Leuchtquellenwellenlängen, ist auch die Laserintensität, die Leistungsdichte bzw. Fluenz und die Verweilzeit auf einer speziellen Oberflächenposition oder Fleck zu berücksichtigen. Die Menge des von einer abgeschiedenen Schicht verdampften Materials ist eine Funktion der Verweilzeit des Strahls an einer Position der an der Schichtoberfläche absorbierten optischen Leistung. Die Größe des Brennpunkts des Laserstrahlflecks spielt ebenfalls eine Rolle. In unserem aktuellen Experiment liegen die Strahlfleckgrößen im Bereich von 35 um - 4 mm. Wenn der Laserstrahl in kleinere Strahlfleckgrößen fokussiert wird, ändert sich die Strahlfleckgröße wie das Quadrat des Strahlfleckdurchmessers und die Verdampfungsrate ändert sich exponentiell bezüglich der Strahlflecktemperatur (vgl. T. Kojima et al. supra), so daß daher kleine Änderungen in der Strahlfleckgröße große Änderungen in der Verdampfungsratenverstärkung bewirken. Somit sorgt eine kleine Reduzierung der Strahlfleckgröße an der Aufwachsoberfläche, z. B. 10%, für einen viel größeren Anstieg in der Verdampfungsverstärkung, z. B. 40%.
Die Nebenprodukte vom Einzelschicht-Materialabtrag von bestrahlten Punkten der Aufwachsoberfläche werden durch die Umgebungsgase, die in diesem System fließen, abtransportiert. Im vorliegenden Falle würde dies während des Aufwachsens der Schicht durch pyrolisierte Gase, die von der Aufnehmerregion 15 wegfließen, oder nach dem Aufwachsen durch Anwenden eines kontinuierlichen Flusses einer AsH&sub3;/H&sub2;- Umgebungsatmosphäre in der Reaktorkammer 11 erreicht. Es wird angenommen, daß der As-Fluß in der Umgebungsatmosphäre während der Verdampfungsverstärkung als eine As-Quelle für As-Verdampfung aus der Schichtoberfläche wirkt, wobei dieses Verdampfen mit schnellerer Geschwindigkeit als derjenigen mit Ga auftritt und ein Gleichgewichtszustand im Verdampfungsprozeß, d. h. eine As-stabilisierte Oberfläche, liefert. Die Nettowirkung besteht in einer kongruenten Verdampfung von GaAs ohne Rückstand von Ga-Tröpfchen, so daß diese Ga und As Bestandteile von dem Fluß des AsH&sub3;/H&sub2;Umgebungsgases weggetragen werden. Im Falle von Verdampfungsverstärkung von InGaP oder InSb kann die Umgebungsatmosphäre beispielsweise Phosphin oder H&sub3;Sb sein. Im Falle von Verdampfungsverstärkung von II- VI Verbindungsschichten, wie etwa ZnSe und CdS kann die Umgebungsatmosphäre jeweils H&sub2;Se und H&sub2;S sein. In all diesen Fällen würde die Konzentration der Umgebungsquellengase so eingestellt werden, daß der Verdampfungsprozeß kongruent oder die Nettoverdampfungswirkung jeder verdampfenden Spezies gleich sein würde, d. h. das Gleichgewicht im Verdampfungsprozeß würde beibehalten. Obwohl das Verfahren zur Verdampfungsverstärkung in Zusammenhang mit der Anwesenheit einer umgebenden Atmosphäre erörtert wurde, zeigt unsere Arbeit, daß der Prozeß ebenso ohne diese Umgebung wirksam ist, wie im Falle einer inerten Gasumgebung, obwohl die gleichmäßige Anwendung des Prozesses nicht so deutlich herausgestellt wird.
Fig. 9 repräsentiert eine einzelne Halbleiterschicht 40 nach dem Aufwachsen innerhalb des MOCVD-Systems aus Fig. 1. Der Strahl 26 mit einem Intensitätsprofil mit Gauss'scher Form wird auf die Schichtoberfläche 40 fokussiert. Beispielsweise kann der Strahlfleck an der Oberfläche der Schicht einen Durchmesser von 2-3 mm haben. Der Strahl kann dann in einer geraden Richtung durch den Scanner 28 oszilliert oder vibriert werden, um einen ovalen Bestrahlungsfleck auf der Schichtoberfläche mit einem Intensitätsprofil der gleichen ovalen Konfiguration zu produzieren. Der Strahl kann stationär bleiben, und dabei eine ovale Rille 42 in der Schicht 40 erzeugen, oder kann in gerader Richtung abtastend, beispielsweise aus der Ebene aus Fig. 9 heraus, bewegt werden, um eine längliche Mulde 42 in der Schichtoberfläche zu bilden. Abhängig von der Verweilzeit und dem gewünschten Ausmaß an Materialabtag kann ein Profil 42 mit ausgewählter Tiefe in der Oberfläche der Schicht 40 erzeugt werden. Pfeile 44 repräsentieren die Nebenprodukte der Materialverdampfung aus der Oberfläche der Schicht 40 während der Verdampfungsverstärkung. Aufgrund der resultierenden sich ändernden Intensität entlang des länglichen Profils des Strahls 26 entspricht das Verdampfungsprofil im wesentlichen diesem Profil und formt eine gedünnte Region 42 mit einer konkaven Unterseite 46 mit schrägen Kanten 48. Es ist somit mit dem Verfahren dieser Erfindung möglich, gedünnte Schichtregionen mit einem Profil mit monoton wachsender und sinkender Dicke mit spitz zulaufenden Kanten je nach Bedarf zu produzieren, indem ein Strahl 26 mit einem im wesentlichen übereinstimmenden Profil bereitgestellt wird oder indem das Strahlprofil modifiziert wird wie etwa mit starken Oszillationen oder Vibrationen oder mittels Maskentechniken.
In einem speziellen Beispiel ist die Schicht 40 ein einzelnes Quantenpotential mit einer anfänglichen Dicke von 10 nm mit einer gedünnten Region 42 mit einer kontinuierlichen räumlichen Variation in der Dicke von den Bereichen 48 zum Zentrum 46, die durch photoinduzierte Verdampfungsverstärkung mittels eines Gauss-förmigen Strahls 26 erzeugt wird, wobei schließlich die Zentrumsdicke bei 46 Bnm beträgt. Das dünnere Quantenpotential zeigt in Konsistenz mit dem Quantengrößeneffekt eine höhere Bandlückenenergie. Aufgrund der räumlichen Strukturierung der Energiebandlücke in seitlicher Richtung entlang der Schicht 40, ist es möglich, über die 3 mm der Region 42 mehrere Laserstrahler mit unterschiedlicher Emissionsenergie und folglich unterschiedlichen Betriebswellenlängen vorzusehen, wie dies im folgenden Beispiel 1 illustriert wird.
Das folgende Beispiel 1 ist ein spezielles Beispiel der obigen Methode der photoinduzierten Verdampfungsverstärkung. Dieses spezielle Beispiel ist zum Zwecke der Verdeutlichung eines Verfahrens zur Anwendung photoinduzierter Verdampfungsverstärkung nach epitaxialen Aufwachsen, die Verwendung finden kann beim Ausführen der Aufgaben der vorliegenden Erfindung; dieses Beispiel beabsichtigt nicht und sollte auch nicht so aufgefaßt werden, die Erfindung auf eine spezielle Form von Verstärkung wie sie hierin erörtert wird, zu begrenzen, da jede gewählte Halbleiterverbindung und Strahlungsquelle oder -quellen eine anfängliche Festlegung der Parameter für die gewählte Methode benötigen, wie etwa Temperatur der Aufwachsratenverstärkung, Überdruck, Gaszusammensetzungsverhältnisse, Substrattemperatur etc.

BEISPIEL 1

In diesem Verfahren wird die strukturierte Verdampfung von GaAs demonstriert, indem kombinierte Ar&spplus; und Nd: YAG-Laserstrahlen verwendet werden, um die Oberfläche einer GaAs-AlGaAs Heterostruktur lokal in einem MOCVD-Reaktor des in Fig. 1 gezeigten Typs zu erwärmen. Die photoinduzierte Verdampfungsverstärkung wird auf eine vergrabene Schicht, insbesondere auf eine aktive Schicht mit Quantenpotential innerhalb einer GaAs-AlGaAs Heterostruktur angewendet. Die Dünnung des Quantenpotentials verstärkt den Quantengrößeneffekt und strukturiert somit die Energiebandlücke des Quantenpotentials räumlich. Die Emissionswellenlänge von Laserdioden, die aus den lasererwärmten Bereichen des Kristalls hergestellt wurden, sind mit dem Energiebandlückenprofil, das durch die Verdampfungsverstärkung bekannt ist, korreliert. In der hier ausgeführten Form beeinträchtigt die photoinduzierte Verdampfungsverstärkung die Qualität des Kristalls nicht und gestattet die Herstellung von Laserdiodenbalken mit mehreren Wellenlängen von hoher Qualität.
Das Aufwachsen der GaAs-AlGaAs Heterostrukturen wird in einer Atmosphärendruck- Kammer 11 mit invertiertem Abzug aus Fig. 1 durchgeführt. In Kammer 11 zeigt das GaAs-Substrat nach unten und wird vom Gewicht des Graphitaufnehmers 12 gegen die Kante des Quarzhalters 15 gedrückt. Der Aufnehmer 12 wird induktiv mit der externen RF-Spule 16 auf die Temperatur % aufgeheizt. Wie vorher erläutert wurde, sind die Dualgaseinlaßöffnungen 18-24 in der Nähe der optischen Fensterplatte 13 an der Unterseite der Kammer 1 angeordnet. Das Fenster 13 ist für die CW Ar+ und Nd : YAG- Laserstrahlen durchlässig. Der Ar&spplus;-Laser wird in der TEM00-Mode mit einer einzelnen Linie bei 514,5 nm mit einer Ausgangsleistung von 2,4 W betrieben. Der Nd : YAG-Laser weist einen Multimodenstrahl mit S. OW Ausgangsleistung auf. Die Laser sind so angeordnet, daß sie auf der Probenoberläche übereinstimmen, um ein maximales Ansteigen der Temperatur der Heterostrukturoberfläche zu bewerkstelligen. Wie zuvor bereits angedeutet wurde, scheint die photoinduzierte Verdampfungsverstärkung ein rein thermischer Prozeß zu sein und die experimentellen Ergebnisse werden nicht der Kombination von sichtbarer und Infrarotstrahlung zugeordnet. Ähnliche Effekte wurden in diesem Zusammenhang beobachtet, bei Verwendung lediglich des Nd : YAG-Lasers oder lediglich des Ar&spplus;-Lasers als photothermische Quelle.
Um die Wirkung der photoinduzierten Verdampfungsverstärkung abzuschätzen und um ein potentiell nützliches Bauteil darzustellen, wird das Verfahren auf das Quantenpotential innerhalb einer doppelten Laserheterostruktur mit separaten Einschluß, die gut bekannt sind, angewendet. Der Querschnitt des Wellenleitergebiet einer doppelten Laserheterostruktur mit separaten Einschluß, aufgenommen mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM), ist in Fig. 5 an vier verschiedenen Positionen relativ zu den Laserstrahlen mit 3 mm Durchmessern, d. h. an vier Positionen entlang des lasertleckdesorbierten Gebietes der Probe, gezeigt. Die Quantenpotentialdicke und Abstand vom Fleckzentrum sind jeweils die folgenden: (a) 7,4 nm; 0,1 mm, (b) 8,5 nm; 0,7 mm, (c) 11,3 nm; 1,3 mm und 13,6 nm; 2,7 mm. Die verwendete TEM-Technik beruht auf Winkeleinfall; die vertikalen Bänder in der Darstellung sind Frenel- Interferenzringe.
Die in Fig. 5 gezeigten Kristallschichten sind jeweils bei der optimalen Temperatur von 800ºC in MOCVD aufgewachsen. Diese Schichten umfassen in der Reihenfolge des Aufwachsens eine Se-dotierte GaAs-Pufferschicht (0,3 um dick), eine Se-dotierte Al0,8Ga0,2As tiefer einschließende Schicht (1,0 um dick), eine undotierte As0,4Ga0,6As Wellenleiterschicht (0,6 um dick) und ein GaAs-Quantenpotential (13,6 nm dick).
Nach dem Aufwachsen des GaAs Quantenpotentials wird eine 1%ige ArsenlWasserstoffmischung in die Reaktorkammer 11 eingeführt. Die Substrattemperatur TS wird auf 825C erhöht und die kombinierten Laserstrahlen werden auf die Aufwachsoberfläche fokussiert. Der Laserstrahlfleck wird leicht durch den Spiegel 28 "in Vibration" versetzt, um jegliche Ungleichmäßigkeit in der optischen Intensität räumlich zu mitteln. Das GaAs wird für 90sec lang auf der GaAs-Oberfläche mit einer stark erhöhten Rate innerhalb der Einschlüsse der laser-erhitzen Flecken von der Oberfläche verdampft. Es wird vermutet, daß ein Temperaturanstieg von ungefähr 200ºC, d. h. von 825ºC auf ungefähr 1030C, an diesem mitgeführten Fleck auftritt. Eine vernachlässigbare Dünnung der Quantenpotentialschicht kann im zum Laserfleck benachbarten Bereich der GaAs-Oberfläche auftreten, aber dies ist so unbedeutend, daß es kaum wahrnehmbar ist. Nach 90sec wird die Substrattemperatur TS auf 800ºC zurückgestellt oder reduziert und das Aufwachsen der Struktur wird fortgesetzt. Die verbleibenden aufgewachsenen Schichten sind eine weitere Al0,4Ga0,6As- Wellenleiterschicht (0,6 um dick), eine Mg-dotierte Al0,8Ga0,2As obere Einschlußschicht (0.9 um dick) und eine Mg-dotierte GaAs-Abschlußschicht.
Gemäß Fig. 5 offenbaren Messungen, daß 6,2 nm GaAs mit einer Rate von 1 Monoschicht pro 4 Sekunden in der Nähe des Zentrums der GaAs-Oberfläche, die zuvor mit dem Laserfleck mitgeführt wurde, verdampft wurde. Wie zuvor angedeutet wurde, wurde die Temperatur dieses Fleckes auf etwa 1030ºC grob abgeschätzt. Selbstverständlich beeinflussen Unterschiede im effektiven As-Überdruck diese Abschätzung. Weiterhin zeigen Messungen, daß die GaAs-Quantenpotentialdicke graduell bei 0.7 mm vom Zentrum des Fleckes auf (b) 8,5 nm ansteigt, bei 1,3 mm Abstand vom Fleckzentrum auf (c) 11,3 nm und bei 2,7 mm Abstand vom Zentrum des Fleckes auf (d) 13,6 nm ansteigt. Das 13,6 nm-Quantenpotential repräsentiert den üblichen Wert. Zu bemerken ist, daß die TEM-Vergrößerung in Fig. 6 nahezu konstant ist, so daß der Anstieg der Wellenleitergröße hauptsächlich ein Ergebnis des dickeren Quantenpotentials ist. Ein vollständigeres Bild der Potentialgröße wird in den elektrolumineszenten Daten, die unten erläutert werden, gegeben. Von der Struktur hergestellte Proben, die mit TEM untersucht wurden, zeigen keinen Einschnitt in der Kristallqualität an der Stelle der photoinduzierten Verdampfung.
In Fig. 6 demonstrieren die Photoluminiszenzspektren bei Raumtemperatur von vier Positionen entlang des Lasers aus Fig. 5 die Änderung der Energiebandlücke. Ein stationärer Ar+-Laserstrahl mit geringer Leistung wird verwendet, um die Probe anzuregen, und jedes Spektrum repräsentiert einen Durchschnitt über eine 100 um- Fläche. Der Abstand vom Fleckzentrum und die Emissionsmaxima sind jeweils: (a) 0,1 mm; 792 nm, (b) 0,9 mm; 805 nm, (c) 1,1 mm; 819 nm und (d) 5,0 mm; 831 nm. Der Anstieg in der Photonenergie entspricht den verstärkten Quantengrößeneffekt des mit Laserverdampfung verstärkten GaAs-Quantenpotentials.
Die Kurve (a) in Fig. 6 ist das Spektrum der Nähe des Zentrums des Laserflecks. Das Emissionsmaximum bei 792 nm entspricht ungefähr dem 7,4 nm GaAs-Quantumpotential aus der obigen Fig. 5. Die Kurven (b) und (c) in Fig. 6, die heller gezeichnet sind, sind Spektren im abgestuften Bereich des GaAs-Quantenpotentials. Die PL-Intensitäten sind relativ konstant und weisen nicht auf Probleme in der Kristallqualität hin. In Kurve (d) in Fig. 6 ist das PL-Spektrum des Durchschnitts für die Position 5 mm vom Fleckzentrum entfernt, was außerhalb des Laserfleckbereichs ist, gezeigt. Der Emissionspeak von 832 nm ist konsistent mit dem anfänglich gewachsenen 13,6 nm dicken Quantenpotential.
Nachdem das obige PL-Testen durchgeführt war, wurden einige von den Wafer erhaltene Balken in konventioneller Weise zu mehreren Weitbereichlasern prozessiert. Nachdem die cm-langen Balken abgespalten sind, wird jeder Weitbereichslaser mit flachen Sägeschnitten senkrecht zu den Laserflächen elektrisch isoliert. Jeder Weitbereichslaser ist 250 um breit und 250 um lang. Der Schwellwertstrom und die Emissionswellenlänge als eine Funktion des Ortes entlang eines Waferbalkens sind in Fig. 7 gezeigt. Die Größe des verdampften oder desorbierten Gebietes entspricht der Strahlfleckgröße des Laserstrahls auf der Probe. Das leichte Absinken in der Schwellwertstromdichte im Laserstrahlfleck ist ein Ergebnis besserer Optimierung der Quantenpotential-Laserstruktur. Die Abnahme in der Laserwellenlänge entspricht der Reduzierung der Dicke des Quantenpotentials.
Ähnlich zu den PL-Daten in Fig. 6 zeigt die Emissionswellenlänge ein Absinken von der 830 nm-Emission im Bereich außerhalb des Gebiets des bestrahlten Fleckes auf 792 nm im Zentrum des Gebiets des bestrahlten Fleckes. Die abgestuften aktiven Gebiete der unterschiedlichen Laserbauteile strahlen bei unterschiedlichen Zwischenwellenlängen. Die Schwellwertstromdichte variiert von 500 Alcm² im Bereich außerhalb des Strahlflecks bis 480 Alcm² im Zentrum des Laserflecks. Die Erfahrung mit verschiedenen Wafern, einige davon mit AlGaAs-Quantenpotentialen als aktive Gebiete, zeigen, daß der Prozeß der photoinduzierten Verdampfungsverstärkung nicht den Schwellwertstrom erhöht, sondern zeigt lediglich, daß die Struktur und die Aufwachsbedingungen noch nicht vollkommen optimiert sind, um Schwellwertstromdichten im Bereich von 300 A/cm² zu liefern. Die Daten in Fig. 7 repräsentieren alle anderen hergestellten Bauteile entlang der Länge des Waferbalkens. Es ist anzumerken, daß mindestens acht individuell adressierbare Wellenlängen von einer Hälfte eines Waferbalkens erhalten werden können. Die Form der Wellenlängenverschiebung ist eine vernünftige Darstellung des erwarteten Intensitätsprofils. Neuere Daten zeigen, daß thermische Strahlung bis unter 50 um Fleckdurchmesser nicht dominiert. Die leichte Verschiebung des Schwellwerts zeigt, daß die optimale Quantenpotentialgröße geringer als 13.6 nm ist und daß keine signifikante Verschlechterung in der Kristallqualität aufgetreten ist. Tatsächlich ist der Verdampfungsprozeß höchst wahrscheinlich der 90 Sekunden Bestrahlung vorzuziehen. Die vom Betrieb dieser Laser erzeugten Intensitäts/Stromkurven verhalten sich wie erwartet mit einem scharfen Einschaltansteig und einem relativ konstanten Anstieg.
Die Emissionsspektren von vier der entlang eines Waferbalkens hergestellten Laserbauteile sind in Fig. 8 gezeigt. Diese Daten wurden unter gepulster Anregung mit einem Strom von 300 mA, der in jedes Bauteil eingeprägt wurde, aufgenommen. Ein CW-Betrieb würde entweder stromeinschließende Streifen oder Wärmesenken erfordem. Die Daten in Fig. 8 wurden entsprechend der unterschiedlichen Schwellwertströme korrigiert. Die durch die Profile (a) und (d) repräsentierten Bauteile arbeiten mit einem einzelnen Satz an Moden über das Bauteil. Die von den Stufengebieten hergestellten Laserbauteile zeigen allerdings eine gewisse Tendenz, mit zwei Sätzen von Moden, die in der Mittenwellenlänge voneinander versetzt sind, wie das von dem Gradient in Fig. 7 erwartet wird, zu arbeiten. Die Bauteile sind senkrecht zu den Schlitzen angeordnet, so daß ein Satz von Moden räumlich gefiltert wird. Die breite spektrale Trennung der individuell adressierbaren Laser deutet auf die potentielle Anwendbarkeit dieser Bauteile auf Wellenlänge gemulitplexte Kommunikationsmittel hin.
Es wird nun auf diverse weitere mögliche Geometrien und strukturelle Anordnungen zur Anwendung des Verfahrens dieser Erfindung hingewiesen und diese in den Fig. 10-16 dargestellt.
Die Fig. 10 und 11 repräsentieren Ausführungsformen, in denen das Strahlprofil modifiziert ist, um gedünnte Bereiche in der Schicht zu liefern, die lineare Oberflächenänderungen oder abrupte Oberflächenänderungen in dem gedünnten Profil darstellen. Dies kann durch die Verwendung spezieller Optiken an der Position der Linsen in Fig. 1 oder durch die Verwendung eines Strahls 26 mit linear geänderen Identitätsprofil oder linar geänderter Verweilzeit oder eine Kombination davon erreicht werden.
In den Fig. 9A und 9B wird die Schicht 50 so dargestellt, daß diese an einer darunterliegenden Schicht oder Befestigungselement 52 abgeschieden wurde. Ein Bereich 54 der Schicht 50 wird mittels Verdampfungsverstärkung in Kammer 11 entfernt, wobei die Pfeile die Verdampfung von Monoschichten und Bestandteilen des Halbleitermaterials repräsentieren. In beiden Figuren wird die Verdampfung sich in das darunterliegende Befestigungselement 52 gezeigt, obwohl der Verdampfungätzprozeß auf dem Bereich der Schicht 50 begrenzt werden kann. Der V-förmige lineare Anstieg in Fig. 9A wird durch einen eng fokussierten mit variierender Verweilzeit abtastenden Strahl erreicht. Im Falle von Fig. 9B wird der Strahl so geformt, daß dieser eine breit fokussierte Linienquelle mit im wesentlichen gleichförmigen Intensitätsquerschnitt ist. Dies kann durch Abdeckung der Kanten des Strahls oder durch Verwendung bekannter Optiken erreicht werden. Das resultierende dünnende Profil in der Schicht 50 ist ein kreisförmiges Potential, wenn ein stationärer Strahl angewendet wird, oder eine V- förmige Rille oder Vertiefung mit vertikalen Wänden, wenn ein linear abtastend bewegter Strahl verwendet wird. Die Strukturen aus Fig. 9 haben eine große Verwendbarkeit in Halbleiterbauteilen zur Bereitstellung interner Strom- oder optischen Wellenleitereigenschaften innerhalb der Halbleiterstruktur, die zum Betrieb des Bauteils nützlich sind.
Die Fig. 10A und 10B sind die Gegenspieler der jeweils in den Fig. 9A und 9B gezeigten geometrischen Profile. Die Schicht 60 wird auf einer darunter liegenden Schicht oder Befestigungselement 62 abgeschiedene Schicht dargestellt. Bereiche der Schicht 60 über den Oberflächen 64, 64A, 66A und 66 werden mittels Verdampfungsverstärkung in Kammer 11 entfernt, wobei die Pfeile die Verdampfung von Monoschichten und Bestandteilen des Materials repräsentieren. In beiden Figuren wird die Verdampfung sich in die darunter liegende Befestigungsschicht 62 erstreckend dargestellt, wobei lediglich ein kleiner Bereich der anfänglichen Schicht 60 zurückbleibt, obwohl der Verdampfungsätzprozeß auf dem Bereich der Schicht 60 begrenzt werden kann. Der V- förmige lineare Anstieg bei 64A und 66A in Fig. 10A wird durch einen stark fokussierten Strahl mit wechselnder Verweilzeit erreicht. Die Bereiche 64 und 66 werden durch eine stationäre Bestrahlung oder einen sich wiederholt über die Oberfläche der Schicht abtastend bewegenden Strahl erhalten. Die Bereiche 64 und 66 können ebenfalls durch eine breit fokussierte Linienquelle mit im wesentlichen gleichförmigen Intensitätsquerschnitt gebildet werden. Dies kann durch Abdecken der Randbereiche des Strahls oder durch Verwendung bekannter Optiken erreicht werden. Das resultierende dünnende Profil in der Schicht 60 ist ein kreisförmiges Grübchen oder eine Erhöhung, wenn ein stationärer Strahl verwendet wird, oder eine V-förmige längliche Erhöhung oder eine Erhöhung mit vertikalen Wänden, wenn ein sich linear abtastend bewegender Strahl verwendet wird.
Die Struktur der Schicht 70 in Fig. 11 wurde bezüglich ihres linearen Profils vorher bereits erwähnt. Die Bedeutung dieses monoton ansteigenden Oberflächenprofils in Halbleiterbauteilen liegt beispielsweise in der Herstellung linearer Laserarrays mit mehreren Strahlern, wobei die Schicht 70 monotone Änderungen im Quantengrößeneffekt liefern würde, die nützlich in der Bereitstellung mehrerer Laserstrahler unterschiedlicher Betriebswellenlänge wäre, wie dies in bezug zu Beispiel 1 dargestellt wurde.
Das lineare Profil der Schicht 70 kann durch die Verwendung spezieller Optiken durch Abtasten des bewegenden Strahls 26 über die Schichtoberfläche mit sich monoton ändernder Intensität oder mit sich monoton ändernder Verweilzeit oder einer Kombination der beiden erreicht werden. Dieses linear ansteigende Profil kann auch durch die Verwendung einer stationären linearen Linienquelle 72 mit im wesentlichen gleichförmiger Intensität mit einer Maske 74, die langsam in der Richtung des Pfeils 76 während der Zeit der Bestrahlung bewegt wird, erzeugt werden, wobei ein monoton anwachsender thermischer Bestrahlungsgradient des Strahls auf der Schicht 70 erzeugt wird, wobei der Startpunkt am linken Rand der Schicht 70 ist, wie in Fig. 11 dargestellt.
Die Fig. 12-14 repräsentieren andere Schichtprofile, die bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung möglich sind, wobei die gedünnte Region das Profil des Strahlintensitätsprofils annimmt. Beispielsweise hat die Schicht 80 in Fig. 12 einen gedünnten Bereich 82 mit konkaver Form, leichter seitlich spitz zulaufender Veränderung im Gegensatz zur Schicht 86 in Fig. 13, die einen gedünnten Bereich 88 mit konkaver, seitlich schnell anwachsender Form aufweist. Die Änderung der Krümmung der Profile 82 und 88 wird mit Strahlprofilen erreicht, die modifiziert wurden, so daß sie entsprechende Intensitätsprofile aufweisen, was wiederum durch Tiefenfokussierung und mit Optiken erreicht werden kann.
Fig. 14 ist der Gegensatz zu Fig. 12, wobei die Schicht 90 eine konvex geformte, sich allmählich seitlich Variation 92 aufweist, die durch einen stark fokussierten Strahl mit einer sich ändernden Verweilzeit oder mit einer sich ändernden Intensitätsveränderung, die sich linear zwischen einem maximalen Niveau an Zeit oder Intensität und einen minimalen Niveau an Zeit oder Intensität bewegt, geformt wird. Die Schicht 90 ist daher im Zentrum des Profils 92 am dicksten, wobei das minimale Niveau an Zeit oder Intensität während des Abtastens des Strahls beibehalten wurde.
Die Fig. 15 und 16 illustrieren zwei Laserheterostrukturen, die in MOCVD und zur Verwendung von photoinduzierter Verdampfungsverstärkung hergestellt wurden. Insbesondere ist die Laserheterostruktur 100 in Fig. 15 im wesentlichen identisch zu der in H. Tanaka et al. supra dargestellten Laserstruktur, mit der Ausnahme, daß bei der Anwendung des Verfahrens dieser Erfindung der separate externe chemische Ätzschritt nicht notwendig ist, und keine Ätzstoppmaske oder andere Maskenstrukturierung wie die in A. C. Warren et al. supra erforderlich ist.
Der Laser 100 umfaßt einen einzelnen Strahl 101, der beispielsweise ein Substrat 102, auf dem die folgenden Schichten oder Gebiete unter Verwendung des in Fig. 1 gezeigten MOCVD-Reaktors abgeschieden wurden, aufweist: Eine Hüllenschicht 104 aus n-Ga1-xAlxAs; ein aktives Gebiet 106, das undotiert oder p-Typ dotiert oder n-Typ dotiert ist und das eine relativ dünne konventionelle Doppelheterostruktur (DH) aktive Schicht oder ein einzelnes Quantenpotential aus entweder GaAs oder Ga, yAlyAs, wobei y sehr klein und x > y ist, oder eine Mehrfach- Quantenpotentialstruktur mit abwechselnden Potentialschichten aus GaAs oder Ga1. yAlyAs und entsprechenden Barriereschichten aus entweder AlAs oder Ga1-zAs, wobei x, y' > y oder eine separate einzelne oder Vielfach- Quantenpotentialstruktur in einer seperaten Einschlußkavität umfaßt; eine Hüllenschicht 108 aus p-Ga, ZAlZAs, wobei x, z, y' > y; eine N-GaAs-Schicht 110, die von einer weiteren Hüllenschicht 112 aus p-Ga, ZAlzAs, die eine Erweiterung der Schicht 108 ist und schließlich Schlußschicht 110 aus p-GaAs. Die Herstellung dieser Schichten geht während des Aufwachsens der Schicht 110 weiter, an der die Dauer des epitaxialen Aufwachsens unterbrochen wird, die TMG-Quelle zur Kammer 11 abgeschaltet wird, die Substrattemperatur auf 825ºC erhöht und der Strahl 26 auf einen länglichen Bereich 111 der Schicht 110 fokussiet und abtastend in der X-Richtung aus der Ebene aus Fig. 15 für eine Zeitdauer von beispielsweise 0,1 nm/sec bewegt wird, die ausreicht, den Bereich 11 thermisch zur Grenzfläche 113 an der Schicht 108 zu verdampfen. Die Temperatur im Bereich 111 während des Verdampfungsprozesses in der As/H- Umgebungsatmosphäre kann bei ungefähr 1000ºC bis 1030ºC liegen. Nach der Entfernung des GaAs-Bereichs 11 wird das epitaxiale Aufwachsen mit der Abscheidung der Schichten 112 und 114 fortgesetzt. Der p-Ga, ZAlZAs-Bereich 11 durch n-GaAs-Schicht 110 bildet einen rückwärts vorgespannten p-n-Übergang 115, um für einen Stromeinschluß zum aktiven Gebiet 117 des Lasers 100 zu sorgen. Ein geeignetes Protonenbobardement und eine Metallisierung können dann an den äußeren Oberflächen der Schicht 114 und Substrat 103 in bekannter Weise durchgeführt werden. Somit gestattet das von der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Verfahren ein vollständiges in situ- Prozessieren von vergrabenen dreidimensionalen geometrischen Anordnungen in Halbleiterbauelementen ohne jegliches Entfernen aus oder Bewegen der Halbleiterstruktur in der Kammer 11.
Der Laser 120 in Fig. 16 ist als ein Fensterlaser bekannt und kann einen oder mehreren benachbart angeordneten Strahlern aufgebaut sein. Der Laser 100 umfaßt ein Substrat 120, auf dem die folgenden Schichten oder Bereiche unter Verwendung des in Fig. 1 gezeigten MOCVD-Reaktors abgeschieden wurden: eine Hüllschicht 124 aus n-Ga1-xAlxAs; ein aktiver Bereich 126, der undotiert oder p-Typ- dotiert oder n-Typ- dotiert sein kann und eine relativ dünne konventionelle doppelte Heterostruktur (DH) aktive Schicht oder ein einzelnes Quantenpotential aus entweder GaAs oder Ga, yAlyAs, wobei y sehr klein ist und x > y, oder eine mehrfach Quantenpotentialstruktur aus abwechselnden Potentialschichten GaAs oder Ga1- yAlyAs und entsprechenden Barriereschichten aus entweder AlAs oder Ga1-yAly-A5, wobei x, y' > y oder einer separaten einzelnen oder mehrfach Quantenpotentialstruktur in einer separaten Einschlußkavität umfassen kann; eine Hüllschicht 128 aus p-Ga1-zAlzAs, wobei x, z, y' > y; und einer Schlußschicht 130 aus p+ GaAs. Die Herstellung dieser Schichten wird während des Aufwachsens der Schicht 126 fortgesetzt, bei der das epitaxiale Aufwachsen unterbrochen wird, die TMG-Quelle zur Kammer 11 ausgeschaltet wird, die Substrattemperatur auf 825ºC erhöht und der Strahl 26 auf einen länglichen Bereich 127 an beiden Enden der Schicht 126 fokussiert wird und abtastend in der X-Richtung aus der Ebene aus Fig. 16 für eine Zeitperiode von beispielsweise 0,1 nm pro Sekunde bewegt wird, die ausreicht, um einen Teil der Schicht 126 in den Bereichen 127 thermisch zu verdampfen. Die Temperatur im Bereich 127 während des Verdampfungsprozesses in der As/H Umgebungsatmosphäre beträgt ungefähr 1000ºC bis 1030ºC. Nach der Entfernung eines Teils der GaAs-Bereiche 127 wird das epitaxiale Aufwachsen mit der Abscheidung der Schichten 128 und 130 fortgesetzt. Die gedünnten Bereiche 127 bilden transparente, passive Wellenleiter, die für zu den Spiegelflächen 129 fortschreitende Strahlung nicht absorbierend sind.
Schlußfolgerung: Eine neue Laserstrukturierungstechnik wird demonstriert und ist fähig, Schichten von Verbindungshalbleitern dünner zu machen, um untern anderem die Energiebandlücke des Kristalls zu modifizieren. Einige Anwendungen, dieser Bauteile, beispielsweise ein Mehrfachwellenlängenlaser basierend auf dem gleichen Effekt, schließen Kommunikation inklusive des Wellenlängenmultiplexen, kontinuierlich verstellbare spektroskopische Quellen und spezielle Formen von mehrfach Wellenlängendetektoren ein.

Claims

1. Verfahren zum thermischen Mustererzeugen zum Bereitstellen von strukturierter Dünnung von ausgewählten Bereichen einer Halbleitermaterialschicht, wobei das Verfahren mit dem Substrat in situ während oder zwischen und nach Epitaxieaufwachsschritten der Schicht auf ein Substrat (14) ausgeführt wird, mit den Schritten:

Erwärmen des Substrats und Halten der Halbleiterschichttemperatur auf einer für epitaxiales Aufwachsen erforderlichen Temperatur, aber unterhalb einer für thermisches Verdampfen von Komponenten der Schicht erforderlichen Temperatur, wobei die Temperatur von der die Schicht umgebenden Atmosphäre abhängt;

Bestrahlen ausgewählter Bereiche der Schicht mit einem Strahlenbündel, das bewirkt, daß die Temperatur der ausgewählten Bereiche der Schicht lokal über ein Niveau ansteigt, das thermisches Verdampfen des aufgewachsenen Halbleitermaterials der Schicht in diesen Bereichen verursacht, wobei das Niveau ausreicht, thermisches Verdampfen abhängig von der umgebenden Atmosphäre zu bewirken, und

kontinuierliches oder intermittierendes Aufrechterhalten des bestrahlenden Strahls für eine Zeitdauer, um das Halbleitermaterial in den ausgewählten Bereichen bis zu einer gewünschten Tiefe oder restlichen Dicke zu verdampfen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, welches Konfigurieren des Intensitätsprofils des Strahls einschließt, die der gewünschte Konfiguration der in den ausgewählten Bereichen gewünschten geometrischen Verdünnung entspricht.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Strahlenergieprofil einen im wesentlichen Gausschen Querschnitt aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Strahlenergieprofil linear ist.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial eine Gruppe-III-V-Verbindung ist und die umgebende Atmosphäre AsH&sub3;/H&sub2;, PH&sub3; oder H&sub3;Sb ist oder umfaßt, oder wobei das Halbleitermaterial eine Gruppe-II-VI-Verbindung ist und die umgebende Atmosphäre H&sub2;Se oder H&sub2;S ist oder umfaßt.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden fotoinduzierte Verdampfungsverstärkung zwischen Schritten epitaxialen Aufwachsens der Halbleitermaterlalschicht verwendenden Ansprüche, mit den Schritten:

Bereitstellen eines Systems zur chemischen Dampfabscheidung mit einer Reaktionskammer (11);

Einleiten von reaktiven Gasen mit darin enthaltenen Abscheidungskomponenten in die Reaktionskammer;

Anbringen eines eine den reaktiven Gasen ausgesetzte Hauptoberfläche zum Aufwachsen umfassendes Substrats (14) in der Reaktionskammer;

epitaxiales Abscheiden einer Halbleitermaterialschicht auf dem Substrat durch die Pyrolyse der reaktiven Gase;

Bestrahlen ausgewählter Bereiche der Schicht mit einem Strahl mit Strahlung oder Teilchen mit ausreichender Leistungsdichte und Verweilzeit, um die Dicke der abgeschiedenen Schicht in den ausgewählten Bereichen durch Verdampfung der Schicht zu reduzieren, um somit ein Muster von Schichtbereichen, deren Dicke geringer als diejenige von benachbarten nicht bestrahlten Schichtbereichen ist, zu erzeugen, und anschließend Fortsetzen des epitaxialen Aufwachsens über der in situ gemusterten Schicht.