DE69312415T2 - Herstellungsverfahren für einen Halbleiterlaser mit vergrabener Heterostruktur - Google Patents

Herstellungsverfahren für einen Halbleiterlaser mit vergrabener Heterostruktur

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von Lasern mit III/v vergrabener Heterostruktur (BH).
    • Hintergrund der Erfindung
  • InP-basierte BH-Laser können so aufgebaut sein, daß sie Strahlung in beiden von zwei Wellenlängenbereichen von derzeitigem Interesse bei der Kommunikation über optische Fasern aussenden, nämlich etwa 1,3 µm und etwa 1,55 µm. Derartige Laser sind daher von beträchtlicher kommerzieller Bedeutung. Für eine Beschreibung solcher Laser sehe man zum Beispiel nach bei H. Lipsanen et al., IEEE Photonic Technology Letters, Band 4(7), Seite 673.
  • InP-basierte Laser werden üblicherweise durch einen Prozess hergestellt, der das Niederschlagen eines SiO&sub2; - Maskenstreifens und eine Naßätzung derart beinhaltet, daß ein Mesa unter dem Maskenstreifen übrigbleibt, dem ein typisches epitaxiales Aufwachsen von Stromeinschnürungs- und (Brechungs-) Indexleitschichten aus der Gasphase ("zweites Aufwachsen") nachfolgt.
  • Der konventionelle Prozess hat die Herstellung von Lasern hoher Qualität ermöglicht. Jedoch hat der konventionelle Prozess typischerweise ein geringe Ausbeute, die zu hohen Kosten solcher Laser führt. Ein Hauptgrund für die geringe Ausbeute ist der oben erwähnte Naßätzungsschritt. Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Mesa 10 nach dem Stande der Technik mit einem auf diesem befindlichen SIO&sub2;-Maskenstreifen 11 Die Bezugszeichen 12 bis 14 beziehen sich jeweils auf die Deckschicht, die Bekleidungsschicht und die aktive Schicht der Struktur. Wie zu sehen ist, überragt die Maske den Mesa beträchtlich. Dieses wurde als notwendig befunden, um ein schnelles nichtplanares Wiederaufwachsen zu verhindern, das am Rand von Maske und InP-Schnittstelle auftritt, wenn Maske und Mesa-Deckschicht im wesentlichen die gleiche Breite haben. wegen dieses großen Überhangs ist ein Verlust des Maskenstreifens üblich. Mesas ohne Maskenstreifen sind aber im allgemeinen für eine Weiterverarbeitung ungeeignet. Darüberhinaus schwankt die Breite des Mesa 10 in typischer Weise über den Wafer und erfordert daher das Aussortieren solcher Teile, deren Breite innerhalb spezifizierter Grenzen liegt.
  • GB-A-2 253 304 lehrt, daß Trockenätzung (d. i. reaktives Ionenätzen, RIE) verwendet werden kann, um den Mesa zu definieren, vorausgesetzt, das folgende Abscheiden aus der Gasphase (typisches metal-organisches chemisches Abscheiden aus der Gasphase, MOCVD) umfaßt eine Atmosphäre, die eine Halogen-liefernde Spezies enthält, beispielsweise 1,1,1- Trichloräthan (TCE). Die Erfindung von GB-A-2 253 304 ist eine bedeutsame, da sie zu einem Prozess führt, der eine wesentlich höhere Ausbeute hat, als der konventionelle Prozess. Wir haben jedoch häufig festgestellt, daß die Kenngrößen von solcherart hergestellten Lasern denen der besten analogen üblichen (naßgeätzten) Laser unterlegen waren. In Anbetracht der Bedeutung von InP-basierten BH- Lasern ist es aber wünschenswert, einen Prozess zur Verfügung zu haben, der Trockenätzung und Gasphasenabscheidung verwendet, wie er im wesentlichen in GB-A-2 253 304 offenbart ist und doch Laser mit verbesserter Qualität liefert, wünschenswerter Weise von einer Qualität, die mit derjenigen der besten anlogen konventionellen Laser vergleichbar ist. Diese Anmeldung offenbart einen derartigen Prozess.
    • Die Erfindung
  • Die Erfindung ist in den Patentansprüchen definiert und in einem Prozess zur Herstellung von InP-basierten BH-Lasern verkörpert, der benutzt werden kann, um Laser mit relativ hoher Ausbeute herzustellen, die Kenngrößen aufweisen, die mit den besten analogen Laser nach dem Stand der Technik vergelichbar sind.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 zeigt eine bekannte Mesastruktur mit einem darüber befindlichen Maskenstreifen,
  • Fig. 2 zeigt schematisch eine mittels RIE hergestellte Mesastruktur und
  • Fig. 3 zeigt exemplarische L-I Daten für jeweils Laser nach dem Stande der Technik und für Laser mit mittels RIE hergestelltem Mesa, die ohne und mit dem Ätzungsschritt gemäß der Erfindung hergestellt wurden.
  • Wir glauben zur Zeit, daß die etwas unterlegenen Kenngrößen vieler InP-basierter BH-Laser, die durch einen Prozess hergestellt wurden, der die Bildung der Mesa- Struktur mittels RIE beinhaltet, sich auf das Vorliegen eines Ionenbeschuß-Schadens in der nahen Oberflächenregion des Halbleitermaterials, besonders an den Seitenwänden des Mesa, oder möglicherweise auf Verunreinigungen zurückführen läßt, die durch das R.F.-Plasma auf die Halbleiter- Oberfläche transportiert wurden. Daher ist die Erfindung in einem breiten Aspekt in den Herstellungsprozess eingebunden, der Mesa-Ätzung mittels RIB umfaßt und der für den "zweites Aufwachsen"-Schritt Halbleiter-Substratmaterial verwendet, das frei ist von Schäden durch Ionenbeschuß oder Verschmutzung. Ein Ansatz gemäß der Erfindung umfaßt nach Durchführung des RIE und vor dem zweiten Aufwachsen ein leichtes chemisches Ätzen, das eine wirksame Menge von Halbleitermaterial abträgt, typisch mindestens 10nm, exemplarisch etwa 0,1 µm.
  • Mit einer "wirksamen Menge" meinen wir eine Menge (ausgedrückt in Stärke einer Schicht) deren Abtragung in einer wesentlichen Verbesserung (z.B. mindesten 10 %) des Mittelwertes von mindesten einer Kenngröße der Anordnung (z. B. dem Schwellenwert des Laserstromes bei Raumtemperatur) resultiert, im Vergleich zum Mittelwert der gleichen Kenngröße in ansonsten identischen Lasern, die nicht dem leichten chemischen Ätzen gemäß der Erfindung unterzogen wurden.
  • Der Durchschnittswert einer Kenngröße jeder Anordnung ist vorteilhafterweise der Durchschnittswert über eine Probe von mindestens etwa 10 Anordnungen.
  • Genauer gesagt, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, der einen InP-basierten BH- Laser umfaßt, der das Vorsehen eines Mehrschicht- Halbleiterkörpers (typisch einen Wafer) umfaßt, der InP enthält, wobei auf der Oberfläche des Körpers eine mit Mustern versehene Maskenschicht gebildet und die Oberfläche mit der gemusterten Maskenschicht darauf einem Ionenbeschuß von einem gasförmigen Ätzmedium ausgesetzt wird, so daß auf der Oberfläche mindestens eine Mesa-artige Struktur gebildet wird. Signifikanterweise umfaßt das Verfahren auch das Befeuchten der Oberfläche mit der darauf befindlichen Mesa- Struktur mit einem flüssigen Ätzmedium so, daß eine wirksame Menge von Halbleitermaterial von der Oberfläche entfernt wird, bevor In-und P-haltiges III/V-Halbleitermaterial auf die Oberfläche, aufgewachst wird. Der Aufwachsprozess umfaßt das in Berührungbringen der Oberfläche mit einem Gas, welches eine indiumhaltige organische Verbindung, eine Phosphorquelle und eine weitere organische Verbindung enthält, die ein Halogen enthält (typisch Cl). Der Prozess umfaßt in typischer Weise auch übliche Reinigungsschritte zwischen dem RIE und dem zweiten Aufwachsen. Diese optionalen konventionellen Reinigungsbehandlungen sind bekannt, um Halbleitermaterial in höchstsignifikanten Mengen abzutragen.
  • Die Bedingungen für das "zweite Aufwachsen" können so gwählt sein, wie es in GB-A-2 253 304 beschrieben ist. Die nachfolgenden Prozessschritte können konventionell sein und sie brauchen nicht ausführlich beschrieben zu werden. Wir haben jedoch herausgefunden, daß es zuweilen vorteilhaft ist, vor dem Aussetzen des Wafers in Cl, eine dünne (z. B. etwa 0,1 µm dicke) InP-Schicht aufzuwachesen.
  • Fig. 2 zeigt schematisch einen mittels RIE hergestellten Mesa 20 gemäß der Erfindung, mit einem Maskenstreifen 21, der im wesentlichen die gleiche Breite wie der Mesa hat.
  • Die Fig. 3 bis 5 zeigen Daten hinsichtlich des Laserstromes gegenüber der Laserleistung für Temperaturen von 20 bis 85ºC für jeweils den Stand der Technik (naß geätzt), nur RIE und RIE plus Ätzen gemäß der Erfindung für InP-basierte BH-Laser. Die Verbesserung beim Übergang von "nur RIE" zu "RIE plus Ätzen" geht aus den Fig. 4 und 5 hervor. Die Figuren zeigen, daß Laser, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden, einen Schwellenwert des Stromes haben, der im wesentlichen gleich demjenigen ist, den naß geätzte Lasern haben und mehr als 10 % besser sind, als die "nur RIE"-Laser. Die Figuren zeigen auch, daß die Laser gemäß der Erfindung einen Neigungswirkungsgrad haben, der im wesentlichen gleich dem der naß geätzten Laser (nach dem Stand der Technik) und wesentlich höher als derjenige der "nur RIE"-Laser ist. Schließlich hat der erfindungsgemäße Prozess eine wesentlich höhere (mehr als 10%) Ausbeute als der (Naßätz-) Prozess nach dem Stand der Technik. Mit Ausnahme der angegebenen Unterschiede im Herstellungsprozess der Laser (und den zugehörigen Unterschieden in der Struktur und den Eigenschaften), sind die Laser der Fign. 3 bis 5 identisch.
    • Beispiel 1
  • In einem kommerziell verfügbaren Niederdruck-MOCVD- Reaktor wurde die folgende Schichtstruktur auf einen InP- Wafer aufgewachst, wie es im wesentlichen von D.Coblenz et al. in Applied Physics Letters, Band 59, Seite 405, beschrieben wurde. Eine n-InP-Pufferschicht, eine abgestufte (1,1 µm bis 1,15 µm GaInAsP-Schicht, ein aktiver Bereich, bestehend aus 10 gedehnten Quantenquellen (1,36 µm GaInAsP, jede 6 nm dick), mit 6 nm dicken 1,15 µm GaInAsP- Sperrschichten, die dazwischen liegen, einer 0,7 µm dicken Beschränkungsschicht von p-InP, und eine 0,2 µm dicke Schicht aus GaInAsP. Der Fachmann ist mit der Nomenklatur der Spezifizierung einer quaternären III/V-Verbindung mit Hilfe der entsprechenden Bandabstandsenergie (ausgedrückt als entsprechende Wellenlänge) vertraut.
  • Auf einer solcherart hergestellten Mehrschichtstruktur wurde eine 300 nm SIO&sub2;-Maskenschicht mit konventionellen Mitteln abgeschieden&sub1; gefolgt von konventioneller Lithographie, die zu 2 µm breiten Streifen führte. Die Laser-Mesas wurden mittels eines CH&sub4;/H&sub2; RIE-Prozesses geätzt&sub1; bei einer Leistungsdichte von 0,6 W/cm²&sub1;, einem Druck von 13,3 PA(100 m Torr) und einer 15%igen CH&sub4;-Konzentration, mit -5200 Volt Gleichstrom-Vorspannung. Es ergab sich dabei eine Ätzrate von etwa 40nm/min. Das RIE ergab etwa 1,4 µm breite Mesas, im wesentlichen, wie in Fig. 2 schematisch gezeigt. Nach dem RIE wurde der Wafer in konventioneller Weise einem O&sub2;-Plasma [100 Watt, 1 Stunde bei 6,67 PA (50 m Torr)J zur Entfernung von Kohlenwasserstoff ausgesetzt, gefolgt von von 3 Minuten in konzentrierter H&sub2;SO&sub4;. Diese beiden Behandlungen sind konventionell und bekannt für die Abtragung einer höchstsignifikannten Menge von Halbleitermaterial. Irgendwelche verbliebenen Oxide wurden mittels einer üblichen 10-Sekunden-Ätzung in 10%iger HF : 90 % H&sub2;O. Diesen konventionellen Schritten folgte der neue Schadensbeseitigungs-Schritt, nämlich eine 30-Sekunden Ätzung in 8HBr : 2H&sub2;O&sub2; (30 %) : 90H&sub2;O. Die letzte Ätzung entfernte isotropisch etwas weniger als 100 nm Halbleitermaterial, was ausreichend war, um im wesentlichen alles beschädigte Halbleitermaterial zu entfernen. Die Fachleute werden verstehen, daß die genannten Bedingungen nur beispielhaft waren und daß es wohl noch andere Ätzmittel gibt, die benutzt werden könnten, um das beschädigte Halbleitermaterial zu entfernen.
  • Nach einem zusätzlichen Reinigungsschritt (3 Minuten in konzentrierten H&sub2;SO&sub4;;H&sub2;O-Spülung) wurde der Wafer in einen konventionellen Atmosphärendruck-Aufwachsreaktor für das zweite Aufwachsen (Aufwachsen von Blockierschichten um dem Mesa) eingebracht. Das Aufwachsen der Blockierschichten war konventionell, mit der Ausnahme, daß es als vorteilhaft herausgefunden wurde, den Gasfluß für eine wesentliche Dauer vor dem Aufwachsen auszugleichen und eine kleinere Menge (z. B. weniger als 200 nm) von halbisolierendem InP aufzuwachsen, bevor die Chlorgas-führende Verbindung dem Gasstrom beigemengt wurde.
  • Speziell die Aufwachskammer wurde mit H&sub2; (5000 sccm) für die Dauer von 400 Sekunden ausgespült, gefolgt von einem Ausspülen (Durchlüften) mit Trichloräthan (TCE) bei 2 sccm. Das TCE wurde von einer flüssigen Quelle bei -10ºC abgeleitet. Nach 30 Minuten wurden 120sccm PH&sub3; in H&sub2; (20:80) dem Gasfluß zugeführt, und die Probentemperatur stieg auf 600ºC. Nach Erreichen dieser Temperatur wurden 120 nm von halbisolierendem InP (70 sccm Trimethyl Indium, 3 sccm Ferrocene) in 120 Sekunden aufgewachst. An dieser Stelle wurden die 2 sccm TCE von Abzug in den Gasstrom geschaltet, und das Aufwachsen für die Dauer von 50 Minuten fortgesetzt, was eine 3 µm halbisolierende InP mit planarem Aufwachsens ergab. Nach der Abkühlung unter H&sub2; wurde die Kammer mit N&sub2; gespült und die Probe entnommen.
  • Nach dem konventionellen Entfernen des SIO&sub2;- Maskenstreifens in HF und der quarternären(1,15 µm) Deckschicht durch Ätzen in 4H&sub2;SO&sub4; : H&sub2;O&sub2; (30%) : 1H&sub2;O (48ºC, 15 Sekunden) und Spülen wurden die Proben wieder für das "dritte" (Deckschicht) konventionelle Aufwachsen in die Aufwachskammer gebracht. Die Deckschicht wurde bei 600ºC aufgewachst und besteht aus 1,3 µm P-Typ-InP, bei einer Dotierungsstufe, beginnend mit 5 x 10¹&sup7;/cm³, ansteigend auf 2 x 10¹&sup8;; 0,12 µm InGaAs, dotiert bei 5 x 10¹&sup8;/cm³ und 0,06 µm InGaAs, dotiert bei 2 x 10¹&sup9;/cm³. Nach dem Abkühlen unter PH&sub3;+H&sub2; wurde die Probe auf übliche Weise metallisiert, gereinigt und geprüft. Die Ausbeute an akzeptablen Lasern war wesentlich größer als die der analogen Wafer nach dem Stand der Technik. Die durchschnittlichen (von mehr als 10 Proben) L-I-Kenngrößen der Laser waren im wesentlichen so, wie in Fig. 5 gezeigt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, der einen vergrabenen Heteroübergangs-Laser, der InP umfaßt, enthält, wobei das Verfahren umfaßt:
a) Bereitstellen eines Mehrlagenhalbleiterkörpers, der InP umfaßt, wobei der Körper eine Hauptoberfläche hat,
b) Ausbilden einer strukturierten Maskenschicht (21) an der Oberfläche,
c) Einwirkenlassen eines lonenbeschusses aus einem gasförmigen Ätzmedium auf die Oberfläche mit der strukturierten Maskenschicht an dieser derart, daß wenigstens eine Mesa-artige Struktur (20) an der Oberfläche ausgebildet wird, und
d) Aufwachsen von In- und P-enthaltendem III/V Halbleitermaterial an der Oberfläche, wobei das In- und P-enthaltende Halbleitermaterial durch einen Gasphasenabscheidungsprozeß aufgewachsen wird, welcher das in Kontakt treten der Oberfläche mit einem Abscheidungsgas, das eine Indium-enthaltende organische Zusammensetzung, eine Quelle von Phosphor und eine weitere organische Zusammensetzung, die ein Halogen enthält, umfaßt und das Verfahren gekennzeichnet ist durch
e) in Kontakt treten lassen nach dem Schritt c) und vor dem Schritt d) der Oberfläche mit den Mesa-artigen Anordnungen daran mit einem flüssigen Ätzmedium derart, daß wenigstens 10 nm vom Halbleitermaterial von der Oberfläche entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das flüssige Ätzmedium HBr und H&sub2;O&sub2; umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das flüssige Ätzmedium die Zusammensetzung 8HBr:2H&sub2;O&sub2;(30%) :90H&sub2;O umfaßt.
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