DE69510583T2 - Galliumoxid-Beschichtung für optoelektronische Bauelemente - Google Patents

Galliumoxid-Beschichtung für optoelektronische Bauelemente

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft elektronische und optoelektronische Bauelemente, die mit einer Galliumoxid- Beschichtung für eine verbesserte Funktion ausgestattet sind.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Dielektrische Beschichtungen spielen für das Erreichen gewünschter Leistungsmerkmale für optoelektronische Halbleiterbauelemente vom Typ III-V oder II-VI eine wichtige Rolle. Dichte, eng gepackte dünne Filme (oder Dünnschichten) sind erforderlich, um die Oberfläche, z. B. lichtemittierende oder -aufnehmende Facetten, optoelektronischer Bauelemente vor einer Verunreinigung oder Oxidation zu schützen. Antireflexionsbeschichtungen (AR) sind bei lichtemittierenden oder -aufnehmenden Facetten erforderlich, um die Quantenausbeute optoelektronischer Bauteile zu erhöhen. Dünne dielektrische Filme, die eine niedrige Bandlückenmitten- Grenzflächen-Zustandsdichte aufweisen, sind erforderlich, insbesondere an lichtemittierenden Facetten, um nichtstrahlende Energieverlustprozesse, z. B. eine Trägerrekombination, über Grenzflächenzustände zu minimieren. Trägerrekombinationen sind bekannt, um einen Prozeß bei Laserfacetten einzuleiten, der thermisches Weglaufen genannt wird, und dann ein Versagen der Bauteils verursacht, insbesondere wenn mit hoher optischer Leistung gearbeitet wird. Inversionskanal-Feldeffektbauteile benötigen dielektrische Filme, die ein nicht festes (unpinned) Fermi- Energieniveau und eine niedrige Grenzflächen-Zustandsdichte unterhalb der Bandlückenmitte (p-Kanal-Bauteil) oder über der Bandlückenmitte (n-Kanal-Bauteil) an der Grenzfläche Dielektrikum/Halbleiter bereitstellen. Ferner sind hysteresefreie Spannungen Kapazitäts-Spannungs-Eigenschaften mit einer hervorragenden Reproduzierbarkeit der Flachbandspannung, eine geringe Flachband- Spannungsverschiebung und eine geringe Frequenzstreuung erforderlich. Ferner machen die Passivierung der Zustände an freigelegten Oberflächen der elektronischen Bauteile vom Typ III-V eine niedrige Bandlückenmitten-Grenzflächen- Zustandsdichte erforderlich.
  • Für derartige Schichten sind die verschiedensten Materialien vorgeschlagen worden, die ZrO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, SiOx, SiNx, SiNxOy, durch Y&sub2;O&sub3; stabilisiertes ZrO&sub2;, Borsilikat-Glas und Galliumoxid umfassen. Die SiO&sub2; und SiNx-Schichten werden gewöhnlich durch Sputtern abgeschieden, was zu einer Beschädigung der Halbleiteroberfläche führen kann. Eine Elektronenstrahlabscheidung der Beschichtungen, z. B. aus Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2;, macht die Zugabe von Sauerstoff nötig, um die richtige Stöchiometrie für einen gewünschten Brechungsindex zu erhalten. Diese Anforderung macht es schwierig, eine reproduzierbare Schicht zu bilden.
  • Al&sub2;O&sub3;, SiOx, SiNx, SiNxOy und Borsilikat-Glasschichten werden mit dielektrischen Eigenschaften hergestellt, zeigen aber nahe der Bandlückenmitte ein festes (pinned) Fermi- Energieniveau, mit einer Bandlückenmitten-Zustandsdichte von über 10¹³ cm&supmin;² eV&supmin;¹, wenn sie an freiliegenden Halbleiterschichten vom Typ III-V abgeschieden werden. Die Bandlückenmitten-Grenzflächen-Zustandsdichte liegt in einem Bereich zwischen 7 · 10¹¹ cm&supmin;² eV&supmin;¹ und 10¹³ cm&supmin;² eV&supmin;¹, wenn sie an GaAs-Proben, welche zuvor abgeschieden wurden, mittels Flüssig- oder Trocken- Oberflächenpassivierungstechniken behandelt wurden. Die Langzeitstabilität der flüssig passivierten Halbleiter/Dielektrikum- Grenzflächen unter thermischer Spannung ist bis jetzt nicht untersucht worden. Außerdem verhinderten eine große Hysterese (wenigstens einige Volt), nicht reproduzierbare Flachbandspannungsverschiebungen (wenigstens einige Volt), große Frequenzstreuungen der Kapazität und hohe Grenzflächen-Zustandsdichten nahe der Valenz- oder Leitungsbandkante die Herstellung Inversionskanal- Feldeffekt-Bauelemente auf Halbleiterbauteilen vom Typ III-V. Andererseits ergeben dünne Galliumoxid-Filme, die in einem Sauerstoffhochfrequenzplasma in einem Vakuumsystem in Verbindung mit einer GaAs-Oberfläche abgeschieden werden und vorher mittels H&sub2; - und N&sub2;-Plasma behandelt worden sind, Dielektrikum/GaAs-Grenzflächen mit Bandlückenmitten-Zustandsdichten von deutlich unter 10¹¹ cm&supmin;² eV&supmin;¹. Die Realisierung Inversionskanal-Feldeffekt- Bauelemente wurde in diesem Fall durch eine große Hysterese (≥ 2 V), eine nicht reproduzierbare Flachbandspannungsverschiebung (zwischen 2 und 10 V) und mit Verlust behafteten Galliumoxid-Filmen verhindert.
  • Applied Physics Letter, Band 54, Nr. 4, 23.01.1989, Seiten 332 bis 334 von Callegari et al. offenbart die Abscheidung eines Galliumoxid-Films auf GaAs-Wafern mittels Elektronenstrahlenverdampfung des Galliums in einem Sauerstoff-HF-Plasma.
  • Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Schutz- und optische Antireflexions-Beschichtung bereitzustellen, die eine niedrige Bandlückenmitten- Grenzflächen-Zustandsdichte aufweist, wenn sie an freiliegenden Halbleiteroberflächen vom Typ III-V, insbesondere an lichtemittierenden Facetten abgeschieden wird für eine verbesserte Zuverlässigkeit der Bauelemente. Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen dünnen dielektrischen Film in Feldeffektbauelementen für Inversionskanalanwendungen auf Halbleitersubstraten vom Typ III-V bereitzustellen. Die Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beanspruchte Verfahren gelöst. Bevorzugte Ausführungsförmen werden in den Ansprüchen 2 bis 13 beansprucht.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung verkörpert ein optoelektronisches Halbleiterbauelement vom Typ III-V oder II-VI, das eine Dünnfilmbeschichtung mit geeigneten optischen Eigenschaften umfaßt, die eine niedrige Bandlückenmitten-Grenzflächen- Zustandsdichte bereitstellt. Die Erfindung verkörpert ferner ein Feldeffektbauteil für Inversionskanalanwendungen auf Halbleitern vom Typ III-V oder II-VI, die einen dünnen dielektrischen Film umfassen, der die erforderlichen Grenzflächeneigenschaften aufweist. Ein Teil der Bauelementstruktur ist auch für die Passivierung der Zustände an freigelegten Oberflächen eines elektronischen Bauelementes vom Typ III-V anwendbar. Der dünne Film umfaßt einen gleichmäßigen, homogenen, dichten, dünnen, dielektrischen Film aus stöchiometrischem Galliumoxid (Ga&sub2;O&sub3;), der durch eine Elektronenstrahlverdampfung einer monokristallinen, hochreinen Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Komplexverbindung auf Substraten bei einer Temperatur innerhalb eines Bereiches von 40 bis 370ºC und einem Umgebungsdruck von oder über 1,3332 · 10&supmin;&sup8; Pa (1 · 10&supmin;¹&sup0; Torr) hergestellt wird.
    • Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Halbleiterbauelementes vom Typ III-V oder II-VI gemäß einem Gesichtspunkt einer Ausführungsform der Erfindung;
  • Fig. 2 ein Diagramm eines Brechungsindexes als Funktion der Substrattemperatur während der Abscheidung der Ga&sub2;O&sub3;-Filme;
  • Fig. 3 ein Diagramm des Reflexionsvermögens als Funktion der Wellenlänge eines Ga&sub2;O&sub3;-Films mit einer Dicke von 125 nm auf GaAs;
  • Fig. 4 ein Diagramm einer Hochfrequenzkapazität als Funktion einer Vorspannung für Au/Ti/Ga&sub2;O&sub3;/n-Typ- GaAs (Kurve 41) und
  • Au/Ti/Ga&sub2;O&sub3;/n-Typ-Ga0,5P (Kurve 42)
  • Metall/Isolator/Halbleiter-Strukturen, gemessen bei 300 K;
  • Fig. 5 ein Diagramm des optischen Ausgangssignals als Funktion des Gleichstroms für einen In0,2Ga0,8As/GaAs-Quantentopf-Laser mit Stegwellenleiter, der bei 0,98 um emittiert, und zwar vor (Kurve 51) und nach (Kurve 52) einer Facettenbeschichtung;
  • Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Feldeffektbauelementes für Inversionskanalanwendungen;
  • Fig. 7 ein Diagramm einer Grenzflächen-Zustandsdichte in Abhängigkeit der Bandlückenenergie des in Fig. 6 dargestellten Feldeffektbauelementes, das unter einer Gruppe von Abscheidungsparametertypen hergestellt wird; und
  • Fig. 8 ein Diagramm der Grenzflächen-Zustandsdichte als Funktion der Bandlückenenergie des in Fig. 6 gezeigten Feldeffekt-Bauteils, das mit unterschiedlichen Gruppen von Abscheidungsparametertypen hergestellt wird.
  • Es ist verständlich, daß diese Figuren aus Gründen der Darstellung nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeigt sind.
    • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • In Fig. 1 wird ein, einen Gesichtspunkt der Erfindung verkörperndes Halbleiterbauelement schematisch dargestellt. Das Bauelement 10 kann ein beliebiger Laser vom Typ III-V oder II-VI, eine lichtemittierende Diode oder ein Photodetektor sein. Dieser Laser kann ein auf GaAs basierender verteilter Rückkopplungslaser (distributed feedback laser, DFB), ein Laser mit einer, in einem kanalisierten Substrat vergrabenen Heterostruktur (channeledsubstrate buried heterostructure, CSBH) oder ein Quantentopf- Laser mit Stegwellenleiter sein. Derartige Strukturen sind auf dem Gebiet bekannt und werden folglich nicht im einzelnen beschrieben.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist das Bauelement 10 ein Quantentopf-Laser mit Stegwellenleiter. Auf einer Spiegelfacette eines Halbleiterlaserkörpers 11 ist eine Beschichtung 12 ausgebildet, die in diesem Beispiel eine Antireflexionsschicht (AR-Schicht) mit einer Dicke von etwa λ/4n oder ungeraden Vielfachen davon ist, wobei λ die Wellenlänge des emittierten Lichtes und n der Brechungsindex der Beschichtung sind. Im Falle einer Photodetektoranordnung ist λ die Wellenlänge des empfangenen Lichtes. Auf der anderen Facette befindet sich eine Beschichtung 13 mit hohem Reflexionsvermögen (HR-Beschichtung) aus einem geeigneten Material, z. B. sich abwechselnde Schichten aus Si und Ga&sub2;O&sub3;. Als Ergebnis dieser zwei Beschichtungen ist der Laser in der Lage, einen Strahl von der AR-beschichteten Facette mit einer höheren Leistung zu emittieren, als es der Fall bei einer unbeschichteten Facette wäre. Bei einem Laser mit Stegwellenleiter ist eine Restreflexion von 1% bis 10% an der AR-beschichteten Facette wünschenswert. Wenn der Laser vom DFB-Typ ist, verhindert die AR-Beschichtung auch die normalen Fabry-Perot-Moden der Laserkavität, so daß eine einzelne Längs-Moden-Emission erzeugt wird. Bei Systemen, bei denen der Laser optisch gepumpt wird, können beide Laserfacetten mit der AR-Schicht beschichtet werden, so daß ein Laserverstärker erzeugt wird. Die Ga&sub2;O&sub3;-Schicht 12 kann auch als Beschichtung funktionieren, die das Reflexionsvermögen nicht ändert, falls die abgeschiedene Dicke ein gerades Vielfaches von λ/2n ist. Eine derartige Beschichtung wird Passivierungsbeschichtung genannt. In diesem Fall sind beide Facetten beschichtet und die Schicht dient zum Verhindern eines Abbaus der Facetten, was aufgrund des Betriebs mit hohen optischen Leistungen auftreten könnte oder aber bei der Anwendung von Stromimpulsen, die höher als normal sind.
  • Gemäß dem Hauptmerkmal der Erfindung umfaßt die Beschichtung, egal ob sie als eine AR-, HR- oder Passivierungsschicht verwendet wird, stöchiometrisches Ga&sub2;O&sub3;, das durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden wird. Qualitativ hochwertige, dielektrische Ga&sub2;O&sub3;-Dünnfilme werden durch eine Technik abgeschieden, die eine Elektronenstrahlverdampfung einer monokristallinen, hochreinen Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Komplexverbindung verwendet. Die Elektronenstrahlabscheidung wird im wesentlichen gemäß den bekannten Techniken durchgeführt. Siehe z. B. US-PS-4,749,255.
  • Das Quellenmaterial wird in einem Standard- oder Edel- Schmelztiegel hergestellt, der sich in einer evakuierten Verdampfungskammer befindet. Ferner umfaßt die Verdampfungskammer eine Elektronenquelle und einen Halter zum Tragen wenigstens einer zu beschichtenden Halbleiterkörperfacette. Der Elektronenstrahl wird auf das Quellenmaterial gerichtet, um eine Verdampfung des Materials und eine Abscheidung an den zu beschichtenden Oberflächen zu bewirken. Die Elektronenstrahlverdampfung verursacht keine merklichen Beschädigungen an der Halbleiteroberfläche und ermöglicht in situ ein Überwachen der Schichtendicke.
  • Bei einem bestimmten Beispiel wurden eine Anzahl von Stegwellenleiterlasern mit einer InGaAs/GaAs-Struktur, die aktive InGaAs-Bereiche umfassen, die Licht bei 0,98 um emittieren, in der Vakuumkammer der Verdampfungsvorrichtung angeordnet. Die Laseroberflächen, anders als die mit Ga&sub2;O&sub3; zu beschichtenden Spiegelfacetten, wurden durch eine Maskierung, z. B. aus rostfreiem Stahl oder Resist beschichtet. Die Quelle für die zu verdampfende Schicht wurde im Schmelztiegel nahe dem Filament, so angeordnet, daß ein durch das Filament emittierter Elektronenstrahl auf die Quelle auftrifft. Der Druck in der Kammer liegt typischerweise bei oder über 1,3332 · 10&supmin;&sup8; P (1 · 10&supmin;¹&sup0; Torr).
  • Die Elektronenbombardierung des Quellen-Materials wurde gestartet und solange fortgeführt, bis eine Schicht mit einer gewünschten Dicke auf der Laserfacette (oder Facetten) aufgedampft war. Davon abhängig, ob die Facettenbeschichtung als AR-, HR- oder Passivierungsbeschichtung verwendet wurde, wurde die aufgedampfte Dicke gemäß den gewünschten Eigenschaften eingestellt. Die Dicke wurde durch einen Quarzkristalloszillator überwacht.
  • Die Facettenbeschichtungen wurden an den gegenüberliegenden Enden des Körpers 11 durch ein Verfahren zum Abscheiden eines Galliumoxid-Films abgeschieden, wie in der EP-A-95 301 750.6 offenbart.
  • Die Facettenbeschichtungen wurden durch eine Elektronenstrahlverdamfpung von Ga&sub2;O&sub3; unter Verwendung einer monokristallinen, hochreinen Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Komplexverbindung abgeschieden. Diese Quelle kombiniert das relativ kovalente Oxid Ga&sub2;O&sub3;, welches in der Nähe von 2000 K verdampft, mit dem Pretransitionsoxid Gd&sub2;O&sub3;, welches einen Siedepunkt (> 4000 K) deutlich über der vorhergehenden Temperatur aufweist. Die komplexere Verbindung Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2; (Schmelzpunkt -2000 K) dekrepitiert während der Wärmebehandlung, wobei sich das hochreine Ga&sub2;O&sub3; langsam freisetzt. Der Umgebungsdruck in der Verdampfungskammer (kein Ausgasen von O&sub2;) betrug 0,00013332 bis 0,00026664 Pa (1 bis 2 · 10&supmin;&sup6; Torr). Umgebungsdrücke so niedrig wie 1,3332 · 10&supmin;&sup8; Pa oder 1, 3332 · 10&supmin;&sup9; Pa (1 · 10&supmin;¹&sup0; oder 1 · 10&supmin;¹¹ Torr) sind möglich. Die Abscheidungsrate, die bei 0,05 nm pro Sekunde aufrechterhalten wurde, und die Filmdicke wurden während der Abscheidung mit einem Kristalldicken-Meßgerät gemessen.
  • Unter Einsatz dieses Verfahrens wurden die Facetten der In0,2Ga0,8As/GaAs-Quantentopf-Laser mit qualitativ hochwertigen Ga&sub2;O&sub3;-Filmen beschichtet. Die so abgeschiedenen Laserfacettenbeschichtungen haben niedrige Grenzflächen- Zustandsdichten aufgewiesen. Die abgeschiedenen Ga&sub2;O&sub3;-Filme zeigen eine hervorragende Homogenität. Dies wurde durch eine Auger-Tiefen-Profilierung demonstriert, wie in der vorstehend erwähnten, gleichzeitig anhängigen US-Anmeldung beschrieben. Die Messungen zeigen ferner, innerhalb der Grenzen der Auger- Spektroskopie, daß die Filme stöchiometrisch sind. Verunreinigungen, inklusive Gd, welches als die vorherrschende Verunreinigung in unseren Ga&sub2;O&sub3;-Filmen angesehen wird, konnten mittels der Auger-Analyse (Empfindlichkeit 0,1%) keine festgestellt werden. Der durch SIMS geschätzte Gd-Gehalt hatte eine Größenordnung von 0,1%.
  • Optische und elektrische Eigenschaften der Ga&sub2;O&sub3;-Filme wurden bestimmt, bevor diese Filme zum Beschichten der Laserfacetten verwendet wurden. Für diese Zwecke wurden homogene dielektrische Ga&sub2;O&sub3;-Filme mit hoher Qualität und Dicken zwischen 4 und 400 nm abgeschieden an
  • a) Si-Wafern, die durch eine TiW-Schicht mit einer Dicke von 90 nm bedeckt waren;
  • b) n+-GaAs-Substraten und
  • c) Quarzglas, um die elektrischen und optischen Eigenschaften dieser Filme zu bestimmen.
  • Anschließend wurden Laserfacetten bei Substrattemperaturen TS von unter 50ºC, z. B. 40ºC, ohne überschüssigen Sauerstoff, und unterhalb 150ºC, z. B. bei 125ºC, mit einem Sauerstoffpartialdruck von pox = 0,026664 Pa (2 · 10&supmin;&sup4; Torr) in der Verdampfungskammer beschichtet. Der Brechungsindex wurde durch Reflexions-, Transmissions- und elipsometrischen Messungen bestimmt. Die Transmission der Ga&sub2;O&sub3;-Filme an Quarzglasproben, wurde durch eine Wolfram-Halogenlampe in Verbindung mit einem Monochromator gemessen. Die Reflexionsmessungen wurden unter Einsatz eines optischen Anritsu-Spektrum-Analysierers MS9001B1 und einer Wolfram- Halogenlampe ausgeführt. Die Wellenlänge wurde zwischen 0,6 und 1,2 um abgetastet und die Ergebnisse sowohl der Transmission- und Reflexionsmessungen wurden anschließend an ein theoretisches Modell für einen absorbierenden dielektrischen Film gefitted.
  • Bei einem besonderen Beispiel wurden auf GaAs-basierende Stegwellenleiter-Laserstrukturen, die bei 980 nm emittieren, untersucht. Der beispielhafte Stegwellenleiterlaser umfasst einen aktiven In0,2Ga0,8As-Quantentopfbereich mit einer Dicke von 80 Å, optische Einschlußschichten aus undotiertem GaAs mit einer Dicke von 0,1 um und Ga0,5In0,5P-Mantelschichten mit einer Dicke von 1,2 um. Das berechnete Reflexionsvermögen R eines sprunghaften Übergangs von zwei Medien mit einem Brechungsindex n&sub1; (Luft) bzw. n&sub3; (Halbleitermaterial vom Typ III-V), die durch eine Antireflexionsbeschichtung mit einem Brechungsindex n&sub2; und einer Dicke von λ/4n&sub2; oder einem ungeraden Vielfachen davon, voneinander getrennt werden, ist durch
  • gegeben.
  • Gemäß der vorstehenden Gleichung werden Antireflexionsbeschichtungen (Reflexionsvermögens = 0) durch eine Facettenbeschichtung mit n&sub2; = 1,88; 1,80 und 1,89 auf GaAs, Ga0,5In0,5P bzw. In0,2Ga0,8As bei einer Wellenlänge von 980 nm bereitgestellt.
  • Fig. 2 zeigt eine Kurve des Brechungsindexes als Funktion der Substrattemperatur während der Abscheidung von Ga&sub2;O&sub3;-Filmen, die bei einem Umgebungsdruck von 0,00013332 Pa bis 0,00026664 Pa (1 bis 2 · 10&supmin;&sup6; Torr) ohne Sauerstoffüberschuß (Kurve 21) und bei 0,026664 Pa (2 · 10&supmin;&sup4; Torr) Sauerstoff (Kurve 22) in der Verdampfungskammer abgeschieden werden. Die Brechungsindices der Ga&sub2;O&sub3;-Filme, die bei 0,026664 Pa (2 · 10&supmin;&sup4; Torr) Sauerstoff in der Verdampfungskammer abgeschieden werden, betragen 1,78; 1,80; 1,87 und 1,87 für Substrattemperaturen während der Abscheidung von TS = 40; 125; 250 bzw. 370ºC. Die bei einem Umgebungsdruck von 0,00013332 Pa bis 0,00026664 Pa (1 bis 2 · 10&supmin;&sup6; Torr) ohne Sauerstoffüberschuß abgeschiedenen Ga&sub2;O&sub3;-Filme weisen einen Brechungsindex von 1,91 auf, wenn sie bei einer Substrattemperatur von 40ºC abgeschieden werden und der Reflexionsindex ist komplex (2,06 + 10,1), wenn sie bei einer Substrattemperatur von 125º C abgeschieden werden. Folglich stellen die, durch dieses Herstellungsverfahren abgeschiedenen Ga&sub2;O&sub3;-Beschichtungen über einen weiten Bereich der Abscheidungsbedingungen die erforderlichen Brechungsindices bereit. Der imaginäre Teil des Brechungsindex wird durch den Meßpunkt 23 in Fig. 2 dargestellt.
  • Exemplarisch wurde das Reflexionsvermögen einer Ga&sub2;O&sub3;- Schicht mit einer Dicke von 1250 Å, die an einem GaAs- Substrat abgeschieden worden ist und das während der Abscheidung bei 125ºC mit einem O&sub2;-Teildruck von 0,026664 Pa (2 · 10&supmin;&sup4; Torr) in der Verdampfungskammer gehalten wurde, untersucht. Fig. 3 zeigt das entsprechende Diagramm des Reflexionsvermögens als Funktion der Wellenlänge. Da Stegwellenleiterlaser Beschichtungen mit niedrigem Reflexionsvermögen benötigen, wurde die Dicke der Ga&sub2;O&sub3;- Beschichtung so gestaltet, daß man eine Reflexion von 0,5% bei einer Wellenlänge von 980 nm erhält. Die minimale Reflexion beträgt 0,05% bei einer Wellenlänge von 907 nm bei der Ga&sub2;O&sub3;-Beschichtung mit einem Brechungsindex von 1,80. An anderen Proben wurden Minimalreflexionsvermögens von 0,03% gemessen.
  • Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Hochfrequenzkapazität als Funktion einer Vorspannung für Au/Ti/Ga&sub2;O&sub3;/n-Typ-GaAs (Kurve 41) und für Au/Ti/Ga&sub2;O&sub3;/n-Typ-Ga0,5In0,5P (Kurve 42) Metall/Isolator/Halbleiter-Strukturen, gemessen bei 300 K. Die Ga&sub2;O&sub3;-Filme wurden an freiliegenden Substraten bei Substrattemperaturen von 350ºC (Kurve 41) und 125ºC (Kurve 42) und einem Druck von 0,026664 Pa (2 · 10&supmin;&sup4; Torr) Sauerstoff in der Verdampfungskammer abgeschieden. Die bei einer Frequenz von 1 MHz bei 300 K gemessenen kapazitiven Eigenschaften, offenbaren ein nicht festes Fermi-Niveau und eine Bandlückenmitten-Grenzflächen-Zustandsdichte von etwa 1012 cm&supmin;² eV&supmin;¹ bei GaAs/Ga&sub2;O&sub3;- und von weniger als 10¹¹ cm&supmin;² eV&supmin;¹ bei Ga0,5In0,5P/Ga&sub2;O&sub3;-Halbleiter/Dielektikum-Grenzflächen. Da die Grenzflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit direkt proportional zur Bandlückenmitten-Grenzflächen-Zustandsdichte ist, sind die Energieverlusteprozesse, wie die Rekombination über Grenzflächenzustände um ein oder zwei Größenordnungen im Vergleich zu anderen Beschichtungen, die an freiliegenden Proben abgeschieden werden, reduziert.
  • Eine indirekte Messung der Grenzflächen- Rekombinationsgeschwindigkeit sind Messungen der Photolumineszenzintensität. Die Ga&sub2;O&sub3;-Beschichtungen an freiliegenden GaAs- und freiliegenden Ga0,5In0,5P-Substraten, die bei Substrattemperaturen von 350ºC bzw. 125ºC und bei 0,026664 Pa (2 · 10&supmin;&sup4; Torr) Sauerstoff in der Verdampfungskammer abgeschieden werden, führen zu einem Ansteigen der Photolumineszenzintensität um einen Faktor von 1,4 bis 1,7, verglichen mit identischen unbeschichteten Proben. Andere Beschichtungen, z. B. Al&sub2;O&sub3;, SiOx, SiNx, ZrO&sub2; und Y&sub2;O&sub3;-stabilisierendes ZrO&sub2;, die an freiliegenden GaAs-Proben abgeschieden werden, bewirken keinen Anstieg der Photolumineszenzintensität im Vergleich zu unbeschichteten GaAs-Proben.
  • Fig. 5 zeigt ein Diagramm eines optischen Ausgangssignals als Funktion des Gleichstroms für einen In0,2Ga0,8As/GaAs-Quantentopf-Laser mit Stegwellenleitern, der bei 0,98 um emittiert, vor der Facettenbeschichtung (Kurve 51) und danach (Kurve 52). Der Steg des Lasers ist 5 um breit und 500 um lang. Die Laserfacetten wurden mit Ga&sub2;O&sub3;-Filmen beschichtet, die bei Substrattemperaturen von 125ºC mit einem Sauerstoffpartialdruck von 0,026664 Pa (2 · 10&supmin;&sup4; Torr) in der Verdampfungskammer abgeschieden wurden. Vor Abscheidung des Filmes wurden die Laserfacetten mit Ethylalkohol gereinigt. Die Dicke der vorderen Facettenbeschichtung betrug 125 nm, wodurch sich ein gemessenes und berechnetes Reflexionsvermögen von 0,5% bzw. 0,75% ergibt. Eine dünne Schutzschicht mit einer Dicke von 35 nm (Dicke < < &lambda;/4n&sub2;) mit einem gemessenen Reflexionsvermögen von 29% wurde an der hinteren Facette abgeschieden. Das Intensitätsverhältnis (Kurve 53) charakterisiert das Verhältnis zwischen den externen optischen Intensitäten an der vorderen Facette nach und vor der Beschichtung. Die relative Quantenausbeute steigt um 51% nach dem Beschichten der Facette.
  • Es ist ersichtlich, daß, obwohl vorstehend spezielle Bespiele zum Beschichten von Laserfacetten beschrieben worden sind, die Erfindung auch für das Beschichten von Oberflächen lichtemittierender Bauteile, z. B. lichtemittierender Dioden und Photodetektoren, verwendbar ist. Obwohl die Bauteilstrukturen in GaAs-Substraten mit mehreren Schichten aus InP, InGaAs und GaAs ausgebildet wurden, ist die Erfindung im wesentlichen auf Halbleitermaterialien vom Typ III-V anwendbar, egal ob binär, ternär oder quartär, und kann auf Strukturen angewendet werden, die Halbleiter vom Typ II- VI umfassen.
  • Die Erfindung betrifft ferner elektronische Halbleiterbauteile vom Typ III-V und II-VI, im speziellen Feldeffektbauteile für Inversionskanalanwendungen und Passivierung von Zuständen an freigelegten Oberflächen elektronischer Bauteile. Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines Feldeffektbauteils 60 für Inversionskanalanwendungen, mit Einrichtungen zum Anlegen einer Steuerspannung oder Vorspannung an eine Metallfeldplatte 61, die einen elektrischen Anschluß 62 und einen Leiter 63 umfaßt. Ein dünner dielektrischer Film 64 umfaßt eine gleichmäßige, homogene, dichte, dielektrische Ga&sub2;O&sub3;-Schicht, die durch Elektronenstrahlverdampfung eines Einzelkristalls einer Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2; Komplexverbindung mit hoher Reinheit ex situ oder in situ abgeschieden wird. Der Ausdruck in situ (im Gegensatz zu ex situ) charakterisiert die Abscheidung des dünnen dielektrischen Ga&sub2;O&sub3;-Films an einer MBE-gewachsenen Halbleiterschicht, ohne die UHV-Umgebung zu verlassen. Das Verfahren zum Abscheiden des dünnen dielektrischen Ga&sub2;O&sub3;-Films funktioniert wie oben beschrieben und wird in der EP-A-0 674 344 offenbart. Der Halbleiter 65 vom Typ III-V ist für Anwendungen mit p-invertiertem Kanal oder n-invertiertem Kanal schwach n-dotiert bzw. schwach p-dotiert. Ein ohmscher Kontakt 66 vervollständigt den Schaltkreis. Die Funktionsweise derartiger Bauteile ist aus der Si-MOSFET-Technologie bekannt und wird folglich nicht im einzelnen beschrieben (siehe z. B. S. M. Sze, "Physics of semiconductor devices", John Wiley & Sons, Seite 366, New York 1981).
  • Bei einem besonderen Beispiel wurden Ga&sub2;O&sub3;-Dünnfilme ex situ an freiliegenden GaAs-Substraten vom n-Typ durch das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren abgeschieden. Die GaAs-Substrate wurden während der Abscheidung auf 350ºC mit einem O&sub2;-Partialdruck von 0,026664 Pa (2 · 10&supmin;&sup4; Torr) in der Verdampfungskammer gehalten. Das Bauelement wurde durch Herstellung von Au/Ti-Flecken 61 mit unterschiedlichen Durchmessern (50, 100, 200, 500 um) an der Oberseite der Ga&sub2;O&sub3;-Dünnfilme 64 durch Verdampfung durch eine Schattenmaske hindurch und durch Bereitstellen eines ohmschen Rückseitenkontaktes 66 vervollständigt. Hochfrequenz-(1 MHz) Kapazitäts-Spannungs-Messungen zeigten ein nicht festes Fermi-Niveau, eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Flachbandspannung und keine feststellbare Flachbandspannungsverschiebung. Die Hysterese war sehr gering, typischerweise einige 10 mV oder weniger. Fig. 7 ist ein Diagramm der entsprechenden Grenzflächen-Zustandsdichte als Funktion der Bandlückenenergie mit einer Dotierungskonzentration des Substrates von 1,6 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ (Kurve 71) und 8,6 · 10¹&sup6; cm³ (Kurve 72). Grenzflächen- Zustände Dit waren unterhalb der Bandmittenlücke mit den Hochfrequenzmessungen nach dem Terman-Verfahren nicht feststellbar
  • wobei Ci die Kapazität der dielektrischen Schicht pro Flächeneinheit, q die Einheitsladung, V* und V die gemessenen bzw. berechneten Vorspannungspunkte am gleichen Halbleiteroberflächenpotential &psi;s = &psi;so sind, d. h. bei identisch hohen Frequenzkapazitäten (T. M. Terman, "An investigation of surface at a silicon/silicon oxide interface employing metal-oxide-silicon diodes", Solid-State Elect., Band 5, Seite 285 (1962)). Die Auflösungsgrenze dieses Verfahrens liegt bei etwa 10¹¹ cm&supmin;² eV&supmin;¹. Die aus Fig. 7 bestimmte Bandlückenmitten-Grenzflächen-Zustandsdichte liegt unter 10¹² cm&supmin;² eV&supmin;¹.
  • Bei einem weiteren Beispiel wurden die dünnen Ga&sub2;O&sub3;- Filme ex situ an freiliegenden Ga0,5In0,5P-Substraten vom n-Typ durch das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren abgeschieden. Die GaAs-Substrate wurden während der Abscheidung bei 125ºC mit einem O&sub2;-Partialdruck von 0,026664 Pa (2 · 10&supmin;&sup4; Torr) in der Verdampfungskammer gehalten. Der spezifische Widerstand ist 4 · 10¹² Ohm cm, die dielektrische Konstante 10,2 und die Gleichspannungs-Durchbruchsfeldstärke des Ga&sub2;O&sub3;-Dünnfilms ist 1,91 MV/cm. Die Frequenzstreuung der Kapazität betrug weniger als 5% unterhalb der Bandmittenlücke im Meßbereich zwischen 500 Hz und 1 MHz. Wieder zeigten die Hochfrequenz-Kapazitäts-Spannungs-Messungen (1 MHz) ein nicht festes Fermi-Niveau, eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Flachbandspannung und eine nicht feststellbare Flachbandspannungsverschiebung. Die Hysterese war sehr gering, typischerweise einige 10 mV oder weniger. Fig. 8 ist ein Diagramm einer entsprechenden Grenzflächen-Zustandsdichte als Funktion der Bandlückenenergie mit einer Dotierungskonzentration des Substrates von 3 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ (Kurve 81) und 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ (Kurve 82). Die Bandlückenmitten- Grenzflächen-Zustandsdichte liegt deutlich unter 10¹¹ cm&supmin;² eV&supmin;¹ und die Grenzflächen-Zustandsdichte wächst in Richtung der Valenzbandkante auf Werte, die typischerweise bei hervorragenden Si/SiO&sub2;-Grenzflächen gefunden werden.
  • Wie in beiden Beispielen demonstriert, erfüllt das offenbarte Feldeffektbauteil alle Anforderungen, z. B. das nicht feste Fermi-Niveau, eine sehr geringe Dichte der Grenzflächen-Zustände unterhalb der Bandmittenlücke (p- invertierter Kanal), eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Flachbandspannung, keine feststellbare Flachbandspannungsverschiebung, eine geringe Hysterese (typischerweise einige 10 mV oder weniger) und geringe Frequenzstreuung der Kapazität zwischen 500 Hz und 1 MHz (weniger als 5%) für Inversionskanalanendungen.
  • Ferner sind dünne Ga&sub2;O&sub3;-Filme, die durch das Herstellungsverfahren abgeschieden werden, nützlich für die Zustandspassivierung an freiliegenden Oberflächen eines beliebigen elektronischen Bauteils vom Typ III-V. Die Grenzflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit ist direkt proportional zur Bandlückenmitten-Grenzflächen- Zustandsdichte. Da die demonstrierte Bandlückenmitten- Grenzflächen-Zustandsdichte für GaAs/Ga&sub2;O&sub3;-Grenzfläche unter 10¹² cm&supmin;² eV&supmin;¹ und für Ga0,5In0,5/Ga&sub2;O&sub3;-Grenzflächen deutlich unter 10¹¹ cm&supmin;² eV&supmin;¹ liegt, werden die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Bauteils durch geringe Grenzflächen- Rekombinationsgeschwindigkeiten verbessert.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Einrichtung mit einer Halbleiteroberfläche mit einem III-V- und/oder II/VI-Verbindungshalbleiter und einer Galliumoxidbeschichtung an wenigstens einem Bereich der Oberfläche, bei welcher das Galliumoxid ein dünner Film ist aus stöchiometrischem Ga&sub2;O&sub3; mit niedriger Bandlückenmitten- Grenzflächen-Zustandsdichte, welche auch als Midgap Interface State Density bezeichnet wird, wobei die Ga&sub2;O&sub3;- Beschichtung auf Halbleiterflächen durch Elektronenstrahlenverdampfung unter Einsatz einer hochreinen Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Einkristallquelle abgeschieden wird, die Halbleiteroberfläche in einem Bereich von 40 bis 370º C und die Umgebungsdrücke bei etwa 1,332 · 10&supmin;&sup8; Pa (1 · 10&supmin;¹&sup0; Torr) gehalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der dünne Film aus Ga&sub2;O&sub3; auf der Oberfläche bei Temperaturen unterhalb von 50º C und einem Umgebungsdruck von 0,00013332 Pa bis 0,00026664 Pa (1 bis 2 · 10&supmin;&sup6; Torr) ohne Einleitung von zusätzlichem O&sub2; in die Abscheidungskammer abgeschieden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Temperatur etwa 40ºC beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der dünne Film aus Ga&sub2;O&sub3; auf der Oberfläche bei einer Temperatur, die unter 150ºC gehalten wird, und bei einer Einleitung von zusätzlichem O&sub2; mit einem Sauerstoff-Partialdruck von 0,026664 Pa (2 · 10&supmin;&sup4; Torr) abgeschieden wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Temperatur bei etwa 125ºC liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Halbleiteroberfläche aus einer lichtemittierenden und einer lichtaufnehmenden Oberfläche ausgewählt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Einrichtung ein Laser ist und die Ga&sub2;O&sub3;-Beschichtung eine Antireflexionsbeschichtung ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Antireflexionsbeschichtung einer Kristallfläche des Lasers ist, wobei eine andere Kristallfläche mit sich abwechselnden Schichten aus Silicium und Ga&sub2;O&sub3; beschichtet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem sich die Ga&sub2;O&sub3;- Beschichtung auf einer Oberfläche einer Einrichtung befindet, die aus lichtemittierenden Dioden und Photodetektoren ausgewählt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Beschichtung mit einer Grenzflächen-Zustandsdichte nahe der Bandlückenmitten in einem Bereich von 1 · 10¹³ bis 7 · 10¹¹ cm&supmin;² eV&supmin;¹ abgeschieden wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Einrichtung ein Feldeffektbauteil für Inversionskanalanwendungen an III-V- und II-VI-Verbindungshalbleitern ist, wobei die Einrichtung einen Halbleiterkörper, eine Ga&sub2;O&sub3;-Schicht an dem Körper und Elektroden zum Körper und der Ga&sub2;O&sub3;-Schicht umfaßt, wobei die Ga&sub2;O&sub3;-Schicht durch Elektronenstrahlenverdampfung unter Einsatz eines Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Kristalls an Halbleitersubstraten bei etwa 125ºC mit einem O&sub2;- Partialdruck von 0,026664 Pa (2 · 10&supmin;&sup4; Torr) abgeschieden wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Ga&sub2;O&sub3;-Schicht durch Elektronenstrahlenverdampfung unter Einsatz eines Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Kristalls auf GaAs-Substraten bei etwa 350ºC mit einem O&sub2;-Partialdruck von 0,026664 Pa (2 · 10&supmin;&sup4; Torr) abgeschieden wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die Ga&sub2;O&sub3;-Schicht einen mittleren Bandlückenübergang mit einer Zustandsdichte von unter 1 · 10¹² cm&supmin;² eV&supmin;¹ aufweist.
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