DE69201891T2 - Verfahren zum Herstellen eines planaren Halbleiterlasers mit vergrabener Streifenstruktur. - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines planaren Halbleiterlasers mit vergrabener Streifenstruktur.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser vom Typ eines eingebetteten Bands. Die Halbleiterstruktur eines solchen Lasers wird international als "planar buried heterojunction" (PBH) bezeichnet.
  • Bekannte Verfahren zur Herstellung eines solchen Lasers enthalten Verfahrensschritte zum Aufwachsen von Schichten, während denen die Dicke von Halbleiterschichten durch epitaxiales Aufbringen von Material dieser Schichten wächst. In wenigen Worten kann dieses Verfahren folgendermaßen beschrieben werden:
  • - Aufwachsen von Halbleiterschichten einer binären Zusammensetzung, dann einer quaternären Zusammensetzung und dann wieder einer binären Zusammensetzung auf einem Substrat. So ergibt sich eine doppelte Heterostruktur.
  • - Definition eines Laserbands in der Schicht mit quarternärer Zusammensetzung durch chemisches Abätzen ausgehend von der Oberseite des Substrats unter Verwendung einer dielektrischen Maske.
  • - Aufwachsen von zwei seitlichen Halbleiterschichten, um das Laserband einzuschließen und einzubetten.
  • Für diesen Verfahrensschritt des Aufwachsens von seitlichen Schichten kann man sogenannte selektive Aufwachsmethoden verwenden, die verschiedene Nachteile wie z.B. einen begrenzten Wirkungsgrad besitzen. Man kann auch eine nicht-selektive Aufwachsmethode einsetzen, bei der das Halbleitermaterial nicht nur auf den Seiten des Laserbands, sondern auch oberhalb des Laserbands wächst, indem eine störende Ablagerung erzeugt wird. In diesem Fall ist es bekannt, vor der endgültigen Herstellung des Laserbands eine Entfernungs-Hilfsschicht aufwachsen zu lassen (manchmal Lift-Off-Schicht genannt), deren unter der störenden Ablagerung verbleibender Teil später chemisch und selektiv ausgeätzt werden kann, um diese störende Ablagerung abzutrennen und zu entfernen. Ein solches Verfahren ist in den Druckschriften Patent Abstracts of Japan, Vol. 12, No 449 (E-686) vom 25. November 1988 und JP-A-63 177 493 vom 21.7.1988 (Nippon Telegraph & Telephone Corp. NTT) beschrieben. Die Wirksamkeit dieses Verfahrens scheint nicht sehr zuverlässig zu sein.
  • Die vorliegende Erfindung hat im wesentlichen folgende Ziele:
  • - Erhöhung des Wirkungsgrads eines Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers von planaren Typ mit eingebettetem Laserband,
  • - möglicher Einsatz der nicht-selektiven Wachstumsmethoden mit hohem Wirkungsgrad im Rahmen dieses Verfahrens,
  • - und ganz allgemein die Möglichkeit der Verwendung der Methoden, die Vorteile bezüglich der früher verwendeten Methoden im Rahmen dieses Verfahrens bieten.
  • Gemäß dieser Erfindung bildet man die seitlichen Halbleiterschichten durch eine nicht-selektive Wachstumsmethode und bildet Durchgangszwischenräume für ein selektives Ätzmittel, das ein Entfernungs-Hilfsband unter dem störenden Überhang entfernt, welches bei Verwendung dieser nicht-selektiven Methode über dem Laserband entstanden ist.
  • Mit Hilfe der schematischen beiliegenden Figuren wird nun beschrieben, wie die Erfindung implementiert werden kann, wobei die erwähnten und dargestellten Elemente und Maßnahmen nicht beschränkend zu verstehen sind. Wenn ein Element in mehreren Figuren vorkommt, wird es mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Wenn eine Schicht mit einer Bezugszahl versehen ist, kann ein Teil dieser Schicht durch dieselbe Bezugszahl und dem zusätzlichen Buchstaben A bezeichnet werden.
  • Die Figuren 1A bis 1G zeigen im Schnitt ein Halbleitersubstrat nach den verschiedenen Verfahrensschritten zur Herstellung eines Lasers gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren, wie es in Anspruch 1 definiert ist, enthält zuerst einen Verfahrensschritt, bei dem eine untere Einschließungsschicht 1 aus einem Halbleiter-Basismaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps gebildet wird.
  • Dann enthält das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte:
  • - Aufwachsen einer aktiven Schicht 2 aus einem aktiven Material, Aufwachsen einer ersten oberen Einschließungsschicht 3 bestehend aus dem Basismaterial, das hier den zweiten Leitfähigkeitstyp hat,
  • - Abätzen zur Definition des Bands. Bei diesem Ätzvorgang werden lokal mindestens die aktive Schicht und die erste obere Einschließungsschicht entfernt, indem zwei Täler 20 zu beiden Seiten eines Laserbands 2A entstehen und ein verbleibender Bereich diese aktive Schicht bildet. Dieses Band und die darüberliegenden Schichten bilden ein reliefartig vorstehendes Plateau 22, das über zwei Flanken 24 in diese beiden Täler übergeht,
  • - Aufwachsen von seitlichen Schichten 6, 7 bestehend aus einem seitlichen Material, das das Laserband umgibt.
  • Die Brechungsindices, Leitfähigkeitstypen und spezifischen elektrischen Widerstände der Einschließungsschicht, der aktiven und der seitlichen Schichten werden zumindest in Teilen dieser Schichten so gewählt, daß sich eine optische Einschließung des Lichts im Laserband ergibt und daß der Durchgang eines elektrischen Speisestroms zwischen diesen Einschließungsschichten durch dieses Laserband lokalisiert wird und dort Ladungsträger injiziert, die die Verstärkung eines Lichts erlaubt, das der Laser aussenden soll.
  • - Ein letzter Verfahrensschritt besteht in der Bildung von elektrischen Anschlußmitteln 30, 32, 34, um den Speisestrom durchfließen zu lassen.
  • Nun werden ganz allgemein Maßnahmen beschrieben, die mit der Verwendung der nicht-selektiven Wachstumsmethoden in Verbindung stehen: Zwei Aufwachs-Verfahrensschritte werden nach dem Aufwachsen einer ersten oberen Einschließungsschicht und vor dem Atzen zur Definition des Bandes durchgeführt:
  • - Aufwachsen einer Entfernungs-Hilfsschicht 4 bestehend aus einem Entfernungs-Hilfsmaterial, das selektiv chemisch entfernt werden kann,
  • - und Aufwachsen einer Schutzschicht auf dieser Entfernungs- Hilfsschicht (Figur 1A).
  • Bei dem Ätzen zur Definition des Bands werden dann diese Entfernungs-Hilfsschichten und Schutzschichten zu beiden Seiten des Laserbands 2A entfernt, indem diese Schichten nur noch oberhalb dieses Bandes in Form von Entfernungs-Hilfsbändern 4A und Schutzbändern 5A verbleiben, die die Oberseite des Plateaus 22 oberhalb des Bandes bilden. Dieses Plateau besitzt auch ein oberes Einschließungsband 3A, das aus dem verbleibenden Teil der ersten oberen Einschließungsschicht 3 (Figur 1B) gebildet wird.
  • Das Aufwachsen von seitlichen Schichten erfolgt dann mit Hilfe einer nicht-selektiven Wachstumsmethode, die das seitliche Material nicht nur in den Tälern 20 zur Bildung der seitlichen Schichten 6 und 7 wachsen läßt, sondern auch auf dem Schutzband 5A, indem störende Ablagerungen 6A, 7A oberhalb des Plateaus 22 gebildet werden (siehe Figur 1D).
  • Dieses Verfahren enthält weiter einen Verfahrensschritt des Unter-Ätzens, der nach dem Ätzen zur Definition des Bandes und vor dem Aufwachsen der seitlichen Schichten erfolgt. Dieser Verfahrensschritt des Unter-Ätzens erfolgt mit Hilfe eines Entfernungs-Ätzmittels, das selektiv das Entfernungs-Hilfsmaterial angreift, um zwei seitliche Zonen des Entfernungs-Hilfsbandes 4A zu entfernen. Es ergibt sich so eine Aushöhlung 26 (Figur 1C) unter jedem Rand der störenden Ablagerung 6A, 7A, so daß beim Aufwachsen von seitlichen Schichten dann zwei Abstände 28 zwischen einerseits dem Teil des seitlichen Materials, das diese Ablagerung 6A, 7A bildet, und andererseits den beiden seitlichen Schichten 6 und 7 ergibt. Diese Abstände bilden Durchlässe zu den Rändern des Entfernungs-Hilfsbands 4A (Figur 2D), die von außen zugänglich sind und später verwendet werden.
  • Dieses Verfahren enthält nämlich nach dem Aufwachsen der seitlichen Schichten und vor der Bildung von elektrischen Anschlußmitteln einen Verfahrensschritt zur Entfernung der Ablagerung mit Hilfe eines Entfernungs-Ätzmittels. Während dieses Verfahrensschritts gelangt dieses Mittel durch die Durchlässe 28 und erreicht die Ränder des Entfernungs-Hilfsbands 4A. Es setzt die Entfernung dieses Bands fort und trennt die störende Ablagerung 6A, 7A des ersten oberen Einschließungsbands 3A ab. Diese Trennung erlaubt eine spätere Entfernung dieser Ablagerung.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf den Fall, daß das aktive Material 2 für das Entfernungs- Ätzmittel empfindlich ist. In diesem Fall enthält das Verfahren nach dem Ätzen zur Definition des Bandes und vor der Unter-Ätzung einen Verfahrensschritt, bei dem die Ränder des Laserbands 2A geschützt werden. Vorzugsweise enthält dieser Verfahrensschritt zum Schutz des Bandes seinerseits die folgenden Verfahrensschritte:
  • - Aufbringen einer Schicht aus einem schützenden Harz 36 auf die Täler 20, das Plateau 22 und dessen Flanken 24, wobei dieses Harz einen Schutz gegen das Entfernungs-Ätzmittel bildet,
  • - Abtragung dieses Harzes, so daß es nur noch in diesen Tälern und auf dem unteren Bereich dieser Flanken verbleibt, der die Ränder des Laserbands bildet.
  • Vorzugsweise bezieht sich dieser Abtragungsschritt des Harzes nur auf das Plateau 22 und dessen unmittelbare Umgebung. Danach folgt dann ein Verfahrensschritt, bei dem das Schutzharz 36 in Fließbedingungen gebracht wird, so daß es vorübergehend eine ausreichende Fließfähigkeit bekommt, damit seine Oberflächenspannungskräfte das Harz zum Plateau ansteigen lassen und die Höhe des Plateaus entlang der Flanken 24 vergrößern und vergleichmäßigen. Dieser Verfahrensschritt erfolgt beispielsweise durch Erwärmung.
  • Die verschiedenen Maßnahmen werden bevorzugt in folgendem Fall angewandt: Das Basismaterial und das seitliche Material haben eine intrinsisch binäre Zusammensetzung und bestehen insbesondere aus Indiumphosphid oder Galliumarsenid mit geeigneten unterschiedlichen Dotierungen, um die oben angegebenen Schichten zu bilden. Das aktive Material und das Entfernungs-Hilfsmaterial besitzen eine intrinsisch ternäre und/oder quaternäre Zusammensetzung, zu der außerdem Gallium, Aluminium und/oder Arsen gehören.
  • Nun wird die zeitliche Aufeinanderfolge der oben erwähnten Verfahrensschritte in dem besonderen Rahmen eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Figur 1A zeigt das Ergebnis eines ersten Wachstums- Verfahrensschritts. Auf ein Halbleitermaterial aus Indiumphosphid mit n-Dotierung, das die untere Einschließungsschicht 1 bildet, werden verschiedene Operationen angewandt, während denen insbesondere nacheinander die folgenden Schichten aufgebracht werden:
  • - die aktive Schicht 2 (Dicke 100 bis 300 nm) beispielsweise aus dem Material GaInAsP. Diese Schicht bildet die doppelte Heterostruktur des Lasers.
  • - Die erste obere Einschließungsschicht 3 (zum Beispiel InP mit p-Dotierung) einer Dicke von 800 nm.
  • - Die Entfernungs-Hilfsschicht 4. Sie soll die Entfernung durch eine international unter der Bezeichnung "lift-off" bekannte Methode erlauben. Das Entfernungs-Hilfsmaterial dieser Schicht ist beispielsweise Indium-Galliumarsenid InGaAs mit einer Dicke von etwa 300 nm.
  • - Die Schutzschicht 5 aus InP mit einer Dicke von 300 mn. Diese Schicht schützt die Schicht 4.
  • Die Ätzung ergibt dann die Begrenzung des Laserbands 2A. Sie bildet gleichzeitig das Plateau 22, auch Mesa genannt, mit einer Breite von z.B. 100 bis 300 nm (Figur 1B). Man verwendet klassische Ätztechniken.
  • Dann erfolgt der Verfahrensschritt des Schutzes des Laserbands. Hierzu bringt man eine Schutzharzschicht auf, die dann in einer Zone einschließlich des Plateaus abgetragen wird. Nachdem diese Schicht flüssig gemacht wurde, nimmt sie die in Figur 1C dargestellte Form an und bildet einen Schutz für die Ränder des Laserbands 2A, ohne die Ränder des Entfernungs-Hilfsbands 4A zu bedecken.
  • Dann erfolgt mit Hilfe eines Entfernungs-Ätzmittels bekannter Zusammensetzung (z.B. H&sub2;SO&sub4;, H&sub2;O&sub2;, H&sub2;O in Volumenanteilen 1 : 1 : 20 bei Umgebungstemperatur während 20 Sekunden) eine selektive chemische Abätzung, die den Verfahrensschritt des Unter-Ätzens des Bands 4A bildet. Das Ergebnis ist in Figur 1C zu sehen.
  • Das Aufwachsen der seitlichen Schichten 6 und 7, die eine p-Dotierung bzw. n-Dotierung besitzen, erlaubt die Einbettung des Laserbands 2A. Das seitliche Material dieser Schichten ist lndiumphosphid InP. Die verwendete Aufwachsmethode besitzt keinen selektiven Charakter. Es kann sich insbesondere um eine EJM-Methode (Molekularstrahl-Epitaxie) oder eine EPVOM-Methode handeln (Epitaxie von organometallischen Stoffen in der Dampfphase), die insbesondere unter atmosphärischem Druck abläuft. Diese nicht-selektive Methode führt zum Aufwachsen einer Ablagerung bestehend aus Bändern 6A und 7A auf dem Plateau 22, d.h. auf dem Band 5A. Der Verfahrensschritt des Unterätzens erlaubt es, eine Diskontinuität des seitlichen Materials zwischen dieser Ablagerung und den seitlichen Schichten herbeizuführen. Diese Diskontinuität bildet die oben erwähnten Abstände 28. Es sei bemerkt, daß man die Schichten 6 und 7 durch eine Folge von Schichten mit einer halbisolierenden und mit Eisen dotierten Schicht aus Indiumphosphid InP ersetzen kann.
  • Während des Verfahrensschritts der Entfernung erlaubt ein selektiver Angriff des Bands 4A die Entfernung dieses Bandes mit Hilfe des gleichen Mittels, das während einer größeren Dauer als vorher verwendet wird, wodurch die Ablagerung 6A, 7A (Figur 1E) entfernt werden kann.
  • Dann läßt man eine zweite obere Einschließungsschicht 8 und eine Kontaktschicht 9 aufwachsen. So erhält man die vollständige Halbleiterstruktur eines Lasers mit eingebettetem Band (Figur 1F).
  • Die Herstellung des endgültigen Laserbauteils ergibt sich durch die üblichen technologischen Verfahren, die das Aufbringen und Abätzen einer dielektrischen Schicht 32 und das Aufbringen von Elektroden 30 und 34 enthalten, um elektrische Anschlußmittel zu bilden.
  • Die Erfindung ist nicht auf den oben beschriebenen Laser begrenzt, der Licht einer Wellenlänge von 1,5 Mikrometer aussendet und der nur als Beispiel herangezogen wurde.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines planaren Halbleiterlasers mit eingebettetem Laserband, wobei das Verfahren einen Verfahrensschritt der Bildung einer unteren Einschließungsschicht (1), die aus einem Halbleiter-Basismaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps gebildet wird, und dann weitere Schritte aufweist, von denen einige das Aufwachsen von Schichten betreffen, um Epitaxial-Halbleiterschichten auf darunterliegende Schichten aufzubringen, wobei diese weiteren Schritte insbesondere folgender Art sind:
- Aufwachsen einer aktiven Schicht (2) aus einem aktiven Material,
- dann Aufwachsen einer ersten oberen Einschließungsschicht (3) bestehend aus dem Basismaterial, das den zweiten Leitfähigkeitstyp hat,
- dann Aufwachsen einer Entfernungs-Hilfsschicht (4) bestehend aus einem Entfernungs-Hilfsmaterial, das selektiv auf chemische Weise entfernt werden kann,
- Abätzen zur Definition des Bandes, wobei lokal mindestens die aktive Schicht (2), die erste obere Einschließungsschicht (3) und die Entfernungs-Hilfsschicht entfernt werden und sich zwei Täler (20) zu beiden Seiten eines dann reliefartig vorstehenden Plateaus (22) bilden, wobei dieses Plateau über zwei Flanken (24) in diese beiden Täler übergeht und ein Laserband (2A), ein oberes Einschließungsband (3A) und ein Entfernungs- Hilfsband (4A) enthält, die aus den verbleibenden Bereichen der aktiven Schicht, der ersten oberen Einschließungsschicht und der Entfernungs-Hilfsschicht gebildet werden,
- Aufwachsen von seitlichen Schichten (6, 7) aus einem seitlichen Material, um das Laserband zu umgeben, wobei dieser Schritt durch eine nicht-selektive Wachstumsmethode erfolgt, bei der das seitliche Material nicht nur in den Tälern wächst, um die seitlichen Schichten (6, 7) zu bilden, sondern auch auf diesem Plateau (22), indem eine störende Ablagerung (6A, 7A) auf diesem Plateau erfolgt, wobei die Brechungsindices, die Leitfähigkeitstypen und die spezifischen elektrischen Widerstände der Einschließungsschicht, der aktiven und der seitlichen Schichten zumindest in Teilen dieser Schichten so gewählt werden, daß sich eine optische Einschließung des Lichts in diesem Laserband ergibt und daß der Durchgang eines elektrischen Speisestroms zwischen diesen Einschließungsschichten durch das Laserband lokalisiert wird und dort eine Lichtverstärkung erlaubt,
- dann Entfernung der störenden Ablagerung mit Hilfe eines Entfernungs-Ätzmittels enthält, das selektiv das Entfernungs- Hilfsmaterial angreift, um das Entfernungs-Hilfsband (4A) zu zerstören und die störende Ablagerung (6A, 7A) vom ersten oberen Einschließungsband (3A) zu trennen,
- und Bildung von elektrischen Anschlußmitteln (30, 32, 34), um den Speisestrom durchfließen zu lassen,
- dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren außerdem vor dem Abätzen zur Definition des Laserbands einen Schritt aufweist, bei dem eine Schutzschicht (5) auf die Entfernungs-Hilfsschicht (4) so aufgebracht wird, daß beim Abätzen zur Definition des Laserbands dann auch diese Schutzschicht zu beiden Seiten des Laserbands (2A) entfernt wird, so daß nur noch oberhalb dieses Bands ein Schutzband (5A) verbleibt, das das Plateau (22) oberhalb des Bandes (3) bildet,
- wobei das Verfahren weiter nach dem Abätzen zur Definition des Laserbands und vor dem Aufwachsen von seitlichen Schichten einen Verfahrensschritt des Unterätzens aufweist, der mit Hilfe eines Entfernungs-Ätzmittels erfolgt, um zwei seitliche Zonen des Entfernungs-Hilfsbands (4A) zu entfernen und eine Höhlung (26) unter jedem der Ränder der störenden Ablagerung (6A, 7A) zu bilden, so daß sich beim Aufwachsen von seitlichen Schichten zwei Abstände (28) zwischen den Bereichen des seitlichen Materials, die diese Ablagerung (6A, 7A) bilden, und den beiden seitlichen Schichten (6, 7) ergeben und daß während der Entfernung der Ablagerung das Entfernungs-Ätzmittel durch diese Abstände (28) eindringt, um das Entfernungs-Hilfsband (4A) zu zerstören.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das aktive Material (2) für das Entfernungs-Ätzmittel empfindlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt des Ätzens der Definition des Laserbands und vor dem Unter-Ätzen ein Verfahrensschritt eingefügt wird, bei dem die Ränder des Laserbands (2A) geschützt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Schutzes des Laserbands seinerseits die folgenden Verfahrensschritt aufweist:
- Aufbringen einer Schutzschicht (36) aus Harz auf die Täler (20), das Plateau (22) und dessen Flanken (24), wobei dieses Harz einen Schutz gegen das Entfernungs-Ätzmittel bildet,
- und Abtragen des Harzes, so daß es nur in den Tälern und auf einem unteren Bereich der Flanken verbleibt, der die Ränder des Laserbands (2A) enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Abtragens des Harzes auf das Plateau (22) und dessen unmittelbare Umgebung begrenzt wird und auf diesen Verfahrensschritt ein Verfahrensschritt folgt, bei dem das Schutzharz (36) flüssig gemacht wird, derart, daß es vorübergehend ausreichend flüssig wird, damit seine Oberflächenspannungskräfte dieses Harz zum Plateau wandern lassen und dessen Höhe entlang der Flanken (24) des Plateaus vergrößern und vergleichmäßigen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Basismaterial und das seitliche Material die gleiche intrinsisch binäre Zusammensetzung besitzen und das aktive Material sowie das Entfernungs-Hilfsmaterial intrinsisch binär und/ode quaternär zusammengesetzt sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Basismaterial und das seitliche Material Indiumphosphid oder Galliumarsenid sind und das aktive Material sowie das Entfernungs-Hilfsmaterial außerdem Gallium, Aluminium und/oder Arsen enthalten.
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