DE69534700T2 - Halbleiteranordnungen und verfahren - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Halbleitervorrichtungen und insbesondere auf Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen unter Verwendungen von III-V-Halbleitermaterialien sowie auf Vorrichtungen, die derartige Verfahren anwenden. Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der US-Regierung gemacht, zuerkannt vom Verteidigungsministerium unter DAAL03-92-G-0264 und zuerkannt von der Nationalen Wissenschaftsstiftung unter ECD 89-43166 und DMR 89-20538. Die US-Regierung hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise Transistoren, Licht-Sender und -Detektoren, die unter Verwendung von III-V-Halbleitermaterialien hergestellt wurden, sind wegen ihrer Eigenschaften, wie große Geschwindigkeit, geringe Verluste, rauscharmer Betrieb und relativ wirksame Erzeugung und Detektion von Licht, wissenschaftlich und wirtschaftlich wichtig geworden. Beispielsweise werden III-V-lichtemittierende Dioden und Laserdioden kommerziell für verschiedene Anwendungen verkauft.
  • Lange haben der sogenannte katastrophale optische Schaden (COD: catastrophic optical damage) und die aus der Sperrschichterhitzung resultierende niedrige Leistungssättigung die maximale Ausgangsleistung begrenzt, die bei Halbleiterla sern erhältlich war [siehe C.H. Henry et al., J. Appl. Phys. 50, 3721 (1979)]. Zur Abmilderung dieser Effekte wurde eine Vielzahl von unterschiedlichen „Fenster"-Lasern mit höheren COD-Niveaus erfolgreich hergestellt. Die Fenster können dazu dienen, schädliche Strompegel an den oder nahe den Laserkristallflächen (cleaves) zu verhindern. Diese schließen nichtabsorbierende Fenster ein, die durch sowohl Zn- als auch Si-Unreinheiten-induzierte Schichten-Unregelmäßigkeiten (IILD: impurity induce layer disordering) erzeugt wurden [siehe Y. Suzuki et al., Electron. Lett. 20, 383 (1984); R.L. Thornton et al., Appl. Phys. Lett. 49, 1572 (1986); W.D. Laidig et al., Appl. Phys. Lett. 38, 776 (1981); and D. G. Deppe und N. Holonyak, Jr., J. Appl. Phys. 64, R93 (1988)] sowie durch Ätzen und ein erneutes Kristallwachstum [siehe J. Unger et al. Electron. Lett. 22, 279 (1986)]. Zn-gestörte Fenster leiden typischerweise an einer signifikanten Absorption freier Ladungsträger in der aktiven Schicht. Fenster, die durch Si-IILD oder durch Ätzen und erneutes Kristallwachstum gebildet werden, sind mehr durch die Diffusionsverluste nahe den Fensterübergangsbereichen begrenzt, was in erhöhten Laser-Schwellenwerten und verringerten Wirkungsgraden resultiert. Kleinere Verbesserungen in dem COD-Pegel sind auch nachgewiesen worden mit Absorptionsstrom-blockierenden Fenstern [siehe T. Shibutani et al., J. Quantum Elecron. QE-23, 760 (1987)]. In allen vorstehenden Fällen werden die Fensterbereiche durch planare oder nicht-planare Bearbeitungen (von variierender Komplexität) definiert, gefolgt von dem Abteilen (cleaving) von Laserstäben nahe dem Mittelpunkt der Fensterbereiche. Dies führt notwendigerweise zu Fenstern von variierender Länge, die groß genug sind, um leicht zu spalten.
  • Es gehört zu den Zielen der vorliegenden Erfindung, die Herstellung von III-V-Halbleiter-lichtemittierenden Geräten und anderen Geräten zu verbessern, deren Herstellung zu erleich tern und Geräte zu erhalten, die verbesserte Betriebseigenschaften sowie eine verbesserte Zuverlässigkeit und Lebensdauer aufweisen.
  • Bei der Herstellung von III-V-Halbleitervorrichtungen ist es üblich, Schichten auf einem Substrat abzulagern, um eine Struktur eines relativ großen Oberflächenbereichs (manchmal als „Kristall" bezeichnet) zu bilden, die bearbeitet und getrennt wird, wie beispielsweise durch Abspalten und/oder Sägen und/oder Ätzen in viele einzelne Einheiten oder Gruppen von Einheiten mit einer relativ kleinen Fläche. [Diese können manchmal auf einer gemeinsamen Unterlage bleiben.] Der Anmelder hat gefunden, dass die Trennung des Kristalls und/oder andere Bearbeitungsvorgänge zu mikroskopischen Brüchen und anderen strukturellen Defekten führen können, die einen schädlichen Effekt auf den endgültigen Betrieb der hergestellten Geräte haben können.
  • Es gehört auch zu den Zielen der vorliegenden Erfindung, die Herstellung von III-V-Halbleitervorrichtungen zu verbessern, um den Effekt struktureller Defekte zu minimieren.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf verbesserte Techniken und Vorrichtungen, die unter anderem ein Aluminiumenthaltendes Halbleitermaterial und ein natürliches Aluminiumoxid einsetzen, das in dem Halbleitermaterial gebildet wird.
  • In dem US-Patent 5 262 360 von N. Holonyak, Jr. und J. Dallesasse, das auf dieselben Rechtsnachfolger übertragen wurde, wie die vorliegende Anmeldung, ist eine Technik der Bildung einer qualitativ hochwertigen, stabilen und kompakten Naturoxidschicht aus einem Aluminium-tragenden Gruppe-III-V- Halbleitermaterial offenbart. [Es kann auch Bezug genommen werden auf Dallesasse et al., Appl. Phys. Lett. 57 (26) 2844-6, 24. Dezember 1990; Dallesasse et al., Appl. Phys. Lett 58 (4), 394-396, 28. Februar 1991; Dallesasse et al., Appl. Phys. Lett 58 (8), 834-836, 25. Februar 1991; sowie Sugg et al., Appl. Phys. Lett. 58 (11), 1199-1201, 18. März 1991.] Die Technik umfasst es, ein Aluminum-enthaltendes Gruppe-III-V-Halbleitermaterial einer Wasser-enthaltenden Umgebung und einer Temperatur von mindestens 375°C auszusetzen, um mindestens einen Teil des Aluminium-enthaltenden Gruppe-III-V-Halbleitermaterials in ein natürliches Oxid umzuwandeln. Die Dicke der dadurch gebildeten Naturoxidschicht ist im Wesentlichen die gleiche oder kleiner wie die Dicke des Teils des Aluminium-enthaltenden III-V-Halbleitermaterials, das in das Naturoxid umgewandelt ist. Die so gewachsene Naturoxidschicht ist stabiler als Oxidschichten, die nach früheren Verfahren gebildet wurden, was beispielsweise bedeutet, dass sie unter den Bedingungen einer normalen Verwendung und Atmosphäreneinwirkung nicht nachlassen. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass das Naturoxid verbesserte Betriebs- und Leistungseigenschaften aufweist, beispielsweise in Bezug auf die Metallanhaftung und dielektrische Eigenschaften. Die natürlichen Oxide wurden als nützlich beschrieben in Lasern, Transistoren, Kondensatoren, Wellenleitern sowie in anderen elektrischen und optoelektrischen Geräten. Wasserfreie Aluminiumoxide wurden dafür bekannt, dass sie einen relativ geringen Brechungsindex aufweisen (weniger als ungefähr 2,0) und der Brechungsindex kann verwendet werden, um die wasserfreien Oxidformen von den wasserhaltigen Oxiden mit einem höheren Index zu unterscheiden, die üblicherweise aufgrund von Eigenschaften, wie Ausdehnung und Instabilität, für Halbleiteranwendungen ungeeignet sind.
  • Der Anmelder hat entdeckt, dass Vorteile in dem Gerätebetrieb, der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer erzielt werden können, indem man Oxidation implementiert, um ein natürliches Aluminiumoxid zu erhalten, nachdem eine Einhefte (oder Einheiten) metallisiert worden sind (und die Geräteherstellung normalerweise beendet oder nahezu beendet ist). Zusätzlich zu den Vorteilen, von denen gezeigt wird, dass sie dadurch entstehen, dass relativ höherwertiges Aluminiumlegierungsmaterial in der Anordnung selektiv oxidiert wird, nachdem die Herstellung fast vollständig ist, liefert die Oxidation-nach-Metallisierung hiervon einen Dichtungseffekt für die Anordnung, wobei es wirkt, um Risse und andere Defekte abzudichten, die in der bearbeiteten Anordnung vorhanden sind. Die Bildung des isolierenden natürlichen Oxidmaterials in den Rissen und Defekten minimiert nicht nur einen unerwünschten Ladungsträgerstrom an solchen Defekten, sondern es wird auch ein degenerativer Effekt verringert oder beseitigt, wodurch solcher Strom zu noch weiteren Schäden führt. Die Anwesenheit der resultierenden relativ stabilen Schicht natürlichen Oxids in diesen Defekten verringert oder beseitigt also die schädliche langfristige Oxidation (Hydrolyse), die zu einer Verschlechterung des Gerätes führen kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren offenbart zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, umfassend die folgenden Schritte: Bilden einer Struktur, die Schichten eines III-V-Halbleitermaterials enthält, wobei mindestens eine der Schichten ein Aluminium-enthaltendes III-V-Halbleitermaterial ist; Anbringen von Metallelektroden an der Struktur, um eine metallisierte Halbleiterstruktur zu bilden; und Erhitzen der metallisierten Struktur in einer Wasserenthaltenden Umgebung, um einen Teil des Aluminium-enthaltenden III-V-Halbleitermaterials in ein natürliches Aluminiumoxid umzuwandeln. [Die hier verwendeten Metallelektroden und Metallisierungen schließen elektrisch leitfähige Metalle und Materialien ein, die solche leitfähigen Metalle enthalten.] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Erhitzungsschritt die Erhitzung auf eine Temperatur von mindestens 375°C in einer Umgebung, die ein inertes Gas und Wasserdampf aufweist. Die Erhitzung erfolgt vorzugsweise auf eine Temperatur, die geringer ist als eine Temperatur, bei der sich die Elektroden deformieren. In den meisten, aber nicht allen, Fällen erfolgt die Erhitzung auf eine Temperatur von weniger als 550°C.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren dargelegt zur Herstellung eines Halbleiterlasergeräts, umfassend die folgenden Schritte: a) Ablagerung von aufeinanderfolgenden Schichten von III-V-Halbleitermaterial, um ein unteres begrenzendes Gebiet, ein aktives Gebiet und ein oberes begrenzendes Gebiet zu erhalten, wobei mindestens eines der begrenzenden Gebiete eine Schicht von Aluminium-enthaltenden III-V-Halbleitermaterial enthält; b) Anbringung von oberen und unteren Metallisierungen an der in Schritt (a) enthaltenen Struktur, wobei die obere Metallisierung eine Vielzahl von Streifen enthält, die mit der in Schritt (a) erhaltenen Struktur in Kontakt stehen; c) Teilung der in Schritt (b) erhaltenen Struktur quer zu den Streifen; und d) Erhitzen der metallisierten Struktur in einer Wasserenthaltenden Umgebung, um einen Teil des Aluminiumenthaltenden III-V-Halbleitermaterials in ein natürliches Aluminiumoxid umzuwandeln. In einem Ausführungsbeispiel dieser Ausführungsformen der Erfindung wird mindestens eines der begrenzenden Gebiete durch Ablagerung von Schichten von Aluminium-enthaltendem III-V-Halbleitermaterial mit unterschiedlichen Aluminiumanteilen gebildet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Schichten aus Aluminium-enthaltendem III-V-Halbleitermaterial Aluminum-Gallium-Arsenid und der Erhitzungsschritt umfasst die Erhitzung für eine Zeit, die ausrei chend ist, um in der oberen Aluminiumfraktionsschicht eine seitliche Oxidzacke zu bilden.
  • Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlicher ersichtlich, wenn diese in Verbindung zu den beiliegenden Zeichnungen gesetzt wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Fotografie der Oberfläche eines gespaltenen AlxGa1-xAs-GaAs-InyGa1-yAs-QWH-Kristalls nach einer „feuchten" Oxidation (425°C, 1h). Die vergrabenen Oxide bilden sich anisotrop, beginnend an den ausgesetzten Kanten einer Al0,9Ga0,1As-Schicht und gehen in seitlicher Richtung weiter in den Kristall hinein. Die Kanten treten entlang der (110)-Teilung und entlang Bruchstellen an der Oberfläche des Kristalls auf. Pfeile werden verwendet, um die oxidierten Bereiche zu beschreiben.
  • 2 ist eine Fotografie (Aufsicht) der (110)-gespaltenen Kante eines AlxGa1-xAs-GaAs-InyGa1-yAs-QWH (a) wie gewachsen, (b) oxidiert (425°C, 1h), sowie (c) oxidiert (425°C, 2h). Das Oxid erstreckt sich ungefähr 3,5 μm in den Kristall hinein bei (b) und ungefähr 7 μm in den Kristall hinein bei der längeren Oxidationszeit von (c).
  • 3 ist ein Bild eines Rasterelektronenmikroskops (SEM: Scanning electron microscope) eines verfärbten Querschnitts eine QWH-Kristalls, der von einer gespaltenen Oberfläche kantenoxidiert ist (425°C, 2h). Die Oxidation verbraucht ungefähr 7,5 μm der ausgesetzten Al0,9Ga0,1As-Schicht, wie die Reaktion in seitlicher Richtung (nach links) in den Kristall hinein fortschreitet. Der Oxidzacken erweitert sich nahe der Spaltkante, da die umgebende Al0,7Ga0,3As-Schichten zu oxidieren beginnen.
  • 4 zeigt kontinuierliche 300 K L-I-Kurven für AlXGa1-xAs-GaAs-InyGa1-yAs-QWH-Laser mit einem Oxidfenster (siehe 3) mit (a) keinen Fenstern, (b) ungefähr 4μm-langen Fenstern und (c) ungefähr 7,5μm-langen Fenstern. Die längeren Fenster verringern effektiv die Erhitzung an den Laser-Facetten, was zu erhöhten maximalen Ausgangsleistungen führt. Als Referenz zeigt der Einsatz das Longitudinal-Moden-Spektrum eines Gerätes ohne Fenster unterhalb des Schwellenwerts (15 mA) und oberhalb des Schwellenwerts (25 mA).
  • 5 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht des Lasergeräts, das in Verbindung mit den 1 bis 4 beschrieben wird und das entsprechend einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird.
  • 6 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines licht-emittierenden Diodengeräts, das entsprechend einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden kann.
  • 7 ist eine vereinfachte Querschnittansicht eines Transistorgeräts, das entsprechend einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden kann.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In einem Ausführungsbeispiel hiervon wird ein quantenmechanischer Potenzialtopf eines Heterostruktur-Kristalls durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD: metalorganic chemical vapor deposition) [siehe R.D. Dupius et al., in Proceedings of the International Symposium on GaAs and Related Compounds, editiert von C.M. Wolfe (Institut für Physik, London, 1979) Seiten 1-9; M.J. Ludowise, J. Appl. Phys. 58, R31 (1985)] auf (100)-n-Typ-GaAs-Substraten in einem modifizierten Emcore GS 3000 Reaktor gezüchtet. Der Wachstumsdruck beträgt ungefähr 90 Torr (1 Torr = 133,3 Pa) und die Wachstumstemperatur ist 760°C. Die Dotierungssubstanzquellen, die verwendet werden, sind Si2H6 und CCl4. Zuerst wird eine ungefähr 0,1 μm-n-Typ GaAs-Pufferschicht gezüchtet, gefolgt von einer unteren Begrenzungsschicht eines n-Typ-Komposits aus ungefähr 0,5 μm Al0,7Ga0,3As und ungefähr 0,5 μm Al0,4Ga0,6As. Ein 2000-Angström-Wellenleiterbereich wird als nächstes gezüchtet und hat eine 75 Angström gespannte Schicht von InyGa1-yAs (λ von ungefähr 960 nm) mit einem quantenmechanischen Potenzialtopf, in der Mitte von 960 Angström (1 Angström = 0,1 nm) von Gags, der weiterhin beschränkt wird von 480 Angström von Al0,15Ga0,85As auf jeder Seite. Die obere begrenzende Schicht eines p-Typs besteht zunächst aus ungefähr 0,5 μm von Al0,4Ga0,6As und dann ungefähr 1000 Angström von Al0,9Ga0,1As (die Schicht für nachfolgende Oxidation) zwischen einem Paar von ungefähr 1500 Angström Schichten Al0,7Ga0,3As. Schließlich wird eine Deckschicht von ungefähr 1000 Angström eines p-Typs von GaAs gezüchtet, die eine stark Kohlenstoff-dotierte Kontaktschicht enthält, die bei 550°C gezüchtet wird.
  • In dem vorliegenden Beispiel beginnt die Laserherstellung mit der Musterbildung von ungefähr 12 μm breiten lichtundurchlässigen Streifen auf der Kristalloberfläche. Die Streifen maskieren das Mesa-Ätzen (1:8:160, H2SO4:H2O2:H2O, 2,5 Minuten), das bis auf ungefähr 1500 Angström alles von der oberen begrenzenden Schicht des p-Typs außerhalb der Streifen entfernt, was zu ungefähr 10,5 μm breiten Graten führt. Die lichtundurchlässige Schicht wird dann entfernt und eine Si3N4-Schicht wird durch chemische Gasphasenabscheidung bei 700°C über dem gesamten Kristall abgelagert. Ein weiterer fotolithografischer Schritt und CF4-Plasmaätzen werden verwendet, um ungefähr 4 μm Kontaktöffnungen in dem Si3N4 zentriert auf den 10,5 μm Graten zu definieren. Nachdem die lichtundurchlässige Schicht wiederum entfernt worden ist, wird der Kristall auf ungefähr 100 μm geschliffen und poliert. Die n-Seiten-Metallisierung wird als nächstes ausgeführt und besteht aus einer Ge-Ag-In-Legierung (600°C, 10 Sekunden) gefolgt von dem Ti-Pt-Au der p-Seiten-Metallisierung. Der Kristall wird dann in Stäbe (ungefähr 500 μm lange Hohlräume) gespalten, die für die Oxidation bereit sind.
  • Einige der metallisierten Stäbe werden in einen Oxidationsofen (425°C) gesetzt, der mit einem H2O-Dampf-gesättigten N2-Strom beschickt wird. Gleichzeitig werden auch Muster eines unbearbeiteten Kristalls (unisolierte Oberfläche) mit frisch gespaltenen Kanten in den Oxidationsofen gesetzt, um Vergleichsmuster zu liefern. Eine Fotografie der Oberfläche des unbearbeiteten Kristalls nach einer Oxidation bei 425°C für eine Stunde ist in 1 gezeigt. Die rechte Seite der Fotografie zeigt die grobe Markierung, die verwendet wird, um die Kristallspaltung zu initiieren. Ein Teil der Ritzmarkierung verursacht einen Anriss, der sich entlang der Kristalloberfläche (diagonal zur linken) ausbreitet, bevor er die (110)-Spaltkante erreicht. In den Bereichen, wo hochlegiertes AlxGa1-xAs entblößt wird, d.h. entlang der Anrissmarkierung, entlang Bruchstellen und entlang der Spaltkante, wird das AlxGa1-xAs in ein qualitativ hochwertiges isolierendes natürliches Oxid umgewandelt, wie in der Aufsicht von 1 dargestellt ist. Die Oxidation ist anisotropisch und „verbraucht" vorzugsweise die Al0,9Ga0,1As-Schicht nahe den Kristallkanten (sowie Bruchstellen und Rissen) und schreitet ungefähr 4 μm in seitlicher Richtung unter den unteren Legierungsdeckschichten voran. Die Ausdehnung des Oxids ist von der Kristalloberfläche sichtbar, da der geringe Index (n ungefähr 1,63) des natürlichen Oxids die oxidierten Bereiche stärker reflektierend macht als den Rest des Kristalls. Die GaAs-Deckschicht liefert eine effektive Maske für eine Oberflächenoxidation bei 425°C [siehe J.M. Dalesasse et al. Appl. Phys. Lett. 58, 394 (1991)]. Wie in 1 offensichtlich ist, neigt das Oxid dazu, kleine Bruchstellen („Ox"-Markierung, sichtbar im Original) elektrisch zu isolieren, die auf der Kristalloberfläche kaum sichtbar sind. So bildet das Oxid eine Abdichtung oder einen „Schutzring", der dazu neigt, eine Strominjektion aus beschädigten Bereichen des Kristalls zu blockieren.
  • Die Oxidationsbedingungen steuern den Umfang (das Ausmaß) der elektrischen Isolierung nahe den (110)-Spaltkanten. Drei Fotografien der QWH-Kristalloberfläche werden in 2 verglichen. Die Fotografie (a) zeigt eine gespaltene Kante des As-gezüchteten Kristalls, während die Fotografien (b) und (c) von Mustern (unbearbeiteten Kristallen) stammen, die bei 425°C für 1 bzw. 2 Stunden gespalten und oxidiert wurden. Das seitlich gewachsene Oxid erstreckt sich (b) ungefähr 3,5 und (c) ungefähr 7 μm von der (110)-Spaltkante in den Kristall hinein. Für längere Oxidationszeiten verdickt sich die anisotrope Oxidschicht nahe der Spaltkante, da sich die die Al0,9Ga0,1As-umgebenden Al0,7Ga0,3As-Schichten beginnen zu oxidieren. Dies ist ersichtlich aus 2(c) als Verdunkelung angrenzend an die (110)-Spaltkante.
  • In 3 ist ein Rasterelektronenmikroskopbild (SEM: scanning electron microscope) eines gefärbten Kristallquerschnitts dargestellt. Ein unbearbeiteter QWH-Kristall wird geteilt und in seitlicher Richtung oxidiert (425°C, 2 h). Das in 3 gezeigte resultierende Oxid ist ungefähr 7,5 μm lang und variiert kontinuierlich in der Dicke von ungefähr 0,45 μm an der (110)-Spaltkante bis ungefähr 1000 Angström an der Spitze des Oxidzackens. Die anisotrope Natur der Oxidation führt zu einer schnellen Oxidation der dünnen (ungefähr 1000 Angström) Al0,9Ga0,1As-Schicht und einer allmählicheren Oxidation der umgebenden Al0,7Ga0,3As-Schichten. Sowohl der Wellenleiter als auch die umgebenden Al0,4Ga0,6As-Schichten bleiben im Wesentlichen unoxidiert, da sie eine geringere Aluminiumzusammensetzung aufweisen. Die helle Linie, die in 3 links des Oxidzackens erscheint, ist ein Artefakt der Verfärbung.
  • Es ist zu vermuten, dass die metallisierten Stäbe genau so oxidieren, wie die in den 1-3 dargestellten Vergleichsmuster, da die Anfangsbedingungen (frisch gespaltene Kanten) und die Oxidationszeiten und Temperaturen konstant gehalten werden. Auch zeigt die Erfahrung des Anmelders mit tatsächlichen Querschnitten keine Unterschiede in dem Oxidationsverhalten der metallisierten und nicht-metallisierten Muster. Die Oxidationstemperatur ist gering genug, um ein Schmelzen oder eine erneute Legierungsbildung der Metallisierungen zu vermeiden.
  • Licht-Strom-Eigenschaften (L-I) (gepulste Anregung, 1% Tastverhältnis) der metallisierten AlxGa1-xAs-GaAs-InyGa1-yAs-QWH-Laserdioden werden vor der „Fenster"-Oxidation gemessen. Auf jedem Stab werden einzelne Einheiten durch oberflächliche Sägeschnitte isoliert. Typische Schwellenwertströme für diese 10,5 μm breiten Grat-Wellenleitereinheiten sind ungefähr 25 mA für ungefähr 500 μm lange Hohlräume. Nach der Oxidationsprozedur, welche die stromblockierenden Facettenfenster bildet, werden die L-I-Eigenschaften jeder Diode erneut gemessen. Bei Stäben, die bei 425°C für eine Stunde (ungefähr 4 μm lange Fenster) oxidiert wurden, erhöhen sich die Schwellenwertströme typischerweise um ungefähr 0,5 mA. Die Schwellen- wertströme von Stäben, die bei 425°C für 2 Stunden (ungefähr 7,5 μm lange Fenster) oder bei 450°C für 45 Minuten (ungefähr 6,5 μm lange Fenster) oxidiert wurden, erhöhen sich um ungefähr 1,5 mA. Der differenzielle Quantenwirkungsgrad bleibt nach allen Oxidationen fast unverändert. Verluste in den ungepumpten Fensterbereichen verursachen die geringfügig größeren gepulsten Schwellenwertströme der oxidierten Laserstäbe. Die Strom-Spannung-Eigenschaften (I-V) werden durch den Oxidationsprozess nicht beeinflusst. Der Reihenwiderstand der Dioden ist ungefähr 3 Ohm.
  • Nachdem die Fensteroxidationen beendet sind, werden die Laserstäbe zu Würfeln geformt und die einzelnen Dioden werden für einen Continuous-Wave-Betrieb (cw) mit der p-Seite nach unten auf In-beschichtete Kupferwärmesenken montiert. Es werden auch sechs Nicht-Fenster-Vergleichsdioden (aus vier unterschiedlichen nicht-oxidierten Stäben) montiert. Alle Nicht-Fenster-Geräte werden bis zum Durchbrennen durch COD cw-angesteuert. Die Leistung, bei der COD auftritt, variiert für unbeschichtete Nicht-Fenster-Laser von 150 bis 192 mw/Facette. In 4(a) ist die L-I-Charakteristik (cw 300 K) des besten (mit der höchsten Leistung) getesteten Nicht-Fenster-Geräts gezeigt. Dieses Gerät versagt durch COD (192 mw/Facette) bei einem Strom von 580 mA (10,5 kA/cm2).
  • In 4(b) ist eine typische L-I-Charakteristik für ein Oxid-Fenster-Gerät (ungefähr 4 μm langes Fenster) gezeigt. Bevor ein COD auftritt, arbeiten diese Geräte typischerweise bis ungefähr 190 mw/Facette, einer Leistung gleich derjenigen des besten Nicht-Fenster-Geräts. Die Geräte mit 4 μm langen Fenstern versagen bei dieser Leistung jedoch nicht abrupt. Stattdessen verursacht die Erhitzung ein Abknicken der L-I-Kurve mit einem Versagen durch COD bei 690 mA (12,8 kA/cm2).
  • Dies ist eine 20% größere Stromdichte beim Versagen als bei jedem der getesteten Nicht-Fenster-Geräte.
  • In 4(c) ist die L-I-Charakteristik einer typischen Oxid-Fenster-QWH-Diode mit längeren (ungefähr 7,5 μm) Fenstern gezeigt. Diese Diode areitet bis 232 mW/Facette, bevor bei einer Stromdichte von 15 kA/cm2 ein katastrophales Versagen auftritt. Die längeren Fenster sind beim Blockieren der Strominjektion (und der Reduzierung der Erhitzung) nahe den Laserfacetten effektiver, was zu höheren Maximalausgangsleistungen als bei den kürzeren Fensterlasern führt. Das beste Gerät mit längeren Fenstern arbeitet (ohne Versagen) bis 248 mW/Facette bei einem Strom von ungefähr 1,1 A (18,2 kA/cm2). Dies ist eine ungefähr 25%-ige Verbesserung in der maximalen Ausgangsleistung gegenüber dem besten Nicht-Fenster-Gerät. Der gesamte externe differenzielle Quantenwirkungsgrad (n) ist ungefähr 60% für alle drei Geräte (ungefähr 500 μm Hohlräume), die in 4 gezeigt sind. Die Schwellenwertströme aller drei Geräte sind 24-26 mA. Der Einsatz in 4 zeigt das longitudinale Modenspektrum eines Nicht-Fenster-Geräts unterhalb eines Schwellenwerts von 15 mA und oberhalb eines Schwellenwerts von 25 mA. Nahfeldmuster (NF: near field) sowohl der Fenster als auch der Nicht-Fenster-Geräte sind typischerweise einzackig mit einer Halbmaximumsbreite (FWHM: full width at half maximum) von 10-11 μm. Diese FWHM entspricht der Breite (ungefähr 10,5 μm) dieser Gradwellenleitergeräte. Die in diesem Beispiel untersuchten Fenster sind zu kurz, um eine Verbreiterung der NF zu verursachen, was die Leistungsdichte an den Laserfacetten verringert und weiterhin die maximale Ausgangsleistung erhöht. Deshalb glaubt man, dass ein Großteil der Verbesserungen in den Fenstergeräten dieses Beispiels der verringerten Erhitzung an den Laserfacetten zugeschrieben werden kann, d.h. einer Verringerung der Strominjektion nahe den Spaltkanten des Geräts.
  • 5 ist ein vereinfachtes Querschnittsdiagramm eines metallisierten und oxidierten Geräts, das wie vorstehend beschrieben hergestellt wurde. Der Querschnitt ist in Längsrichtung entlang der Laserstreifen aufgenommen. In dem Diagramm aus 5 wird die untere Elektrode mit 505 bezeichnet, die untere begrenzende Schicht vom n-Typ wird mit 530 bezeichnet und die Schichten des aktiven Gebiets (an der p-n-Sperrschicht, wo Ladungsträgerrekombination auftritt und Licht erzeugt wird) sind mit 540 wiedergegeben. Die oberen begrenzenden Schichten vom p-Typ sind mit 550 bezeichnet und die leitfähige Deckschicht ist mit 560 bezeichnet und die obere Metallisierung ist mit 565 bezeichnet. Die linke Spaltkante ist mit 571 bezeichnet und die rechte Spaltkante ist mit 572 bezeichnet. In der Darstellung von 5 werden die Oxidationszacken (Fenster) wie vorstehend beschrieben durch seitliche Oxidation gebildet, hauptsächlich in der 1000 Angström-Schicht des oberen begrenzenden Gebiets mit einem hohen Aluminiumanteil und sind mit 581 bzw. 582 wiedergegeben. Die kleinen vertikalen Pfeile geben Strom wieder und verdeutlichen, wie die Fenster im Allgemeinen zu verstehen sind, um den Stromfluss nahe den gespaltenen Fenstern zu verstehen.
  • Das vorstehende Beispiel verdeutlicht die Vorteile der Erfindung bei einem III-V-Halbleiterlaser, jedoch versteht es sich, dass die Vorteile auch bei anderen III-V-Halbleitergeräten anfallen, wie beispielsweise Nicht-Laser-Lichtsender (wie lichtemittierende Dioden), Lichtdetektoren (wie Fotodioden) und Transistoren (wie Feldeffekttransistoren).
  • 6 verdeutlicht in vereinfachter Form ein Beispiel einer lichtemittierenden Diode eines Typs, der unter Verwendung der Technik der Erfindung hergestellt werden kann. In diesem Bei spiel kann die Struktur hinsichtlich Geometrie und Materialien ähnlich zu derjenigen der Laserdiode sein, die in Verbindung mit den 1-5 beschrieben wurde, abgesehen davon, dass es keine abgespaltenen Fenster gibt. Die lichtemittierende Diode enthält die folgende Struktur: eine untere Elektrode 605, untere begrenzende Schichten 630 vom n-Typ, Schichten 640 eines aktiven Gebiets, obere begrenzende Schichten 650 vom p-Typ, eine leitfähige Deckschicht 660 und eine obere Metallisierung 665.
  • Im Fall dieser lichtemittierenden Diode kann die Herstellung ähnlich derjenigen des Laserdiodenbeispiels sein, jedoch ist das Abspalten zum Erhalten reflektierender Facetten nicht erforderlich und die Aufteilung eines Kristalls in Teile kann beispielsweise durch Sägen und/oder Ätzen implementiert werden. Auch wird die obere Elektrode typischerweise nicht einen Streifen enthalten und kann beispielsweise eine Öffnung für austretendes Licht aufweisen, obwohl Licht von jedem Teil (z.B. Oberseite, Unterseite oder Seiten) des Gerätes emittiert werden kann. In diesem Beispiel hat die Diode Oxidzacken, die wie vorstehend beschrieben gebildet werden, und kann wiederum den Strom nahe den Gerätekanten reduzieren, um die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Gerätes zu verbessern. Der vorteilhafte Abdichtungseffekt am Ende oder nahe dem Ende der Bearbeitung und nach der Metallisierung bietet dieselben Vorteile, die vorstehend beschrieben wurden, d.h. die Oxidation des Geräts dient dazu, Bruchstellen und andere strukturelle Defekte in jedem Teil des aus Aluminum enthaltendem III-V-Material gebildeten Teil abzudichten, das der Oxidation direkt oder durch Bruchstelen oder Oxidationswachstum ausgesetzt ist.
  • 7 verdeutlicht in vereinfachter Form einen Feldeffekttransistor, der unter Verwendung der Techniken der Erfindung hergestellt werden kann, wobei ein Aluminium enthaltendes III-V-Halbleitermaterial in einem Gebiet/Gebieten des Gerätes nach einer Metallisierung oxidiert wird, um ein natürliches Oxid zu erhalten. In 7 ist ein Kanalgebiet 730 auf einem Substrat 720 abgelagert und Source-, Drain- und Gate-Gebiete sind unter metallisierten Elektroden 741, 742 bzw. 743 definiert. An der Source und der Drain können geeignete Diffusionen (nicht gezeigt) vorgesehen sein. In dem dargestellten Beispiel kann eine Schicht mit einem relativ hohen Aluminiumanteil (z.B. Al0,9Ga0,1As) Aluminium-Gallium-Arsenid vor der Metallisierung über dem Gate-Gebiet abgelagert und definiert werden. Dann kann nach der Metallisierung (und, falls gewünscht, einer Aufteilung des Kristalls mit mehreren darauf gebildeten Geräten) in der vorstehend beschriebenen Weise eine feuchte Oxidation implementiert werden, um eine qualitativ hochwertige Isolationsschicht 750 zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanal zu bilden. Wiederum dient die Oxidation des Gerätes dazu, Bruchstellen und andere strukturelle Defekte in jedem aus Aluminum enthaltendem III-V-Material gebildeten Bereich des Geräts abzudichten, der der Oxidation direkt oder über Bruchstellen oder Oxidationswachstum ausgesetzt ist.
  • Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, jedoch können für den Fachmann Abwandlungen auftreten. Beispielsweise versteht es sich, dass die Techniken hier bei der Herstellung anderer Gerätekonfigurationen anwendbar sind und dass andere Materialien eingesetzt werden können, was mit den nachfolgenden Ansprüchen übereinstimmend ist.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit den Schritten: Bilden einer Struktur, die Schichten eines III-V-Halbleitermaterials umfasst, wobei mindestens eine der Schichten ein Aluminium-enthaltendes III-V-Halbleitermaterial ist; Anbringen von Metallelektroden an der Struktur, um eine metallisierte Halbleiterstruktur zu bilden und Erhitzen der metallisierten Struktur in einer wasserenthaltenden Umgebung, um mindestens einen Teil des Aluminiumenthaltenden III-V-Halbleitermaterials in ein natürliches Aluminiumoxid umzuwandeln.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Erhitzungsschritt das Erhitzen auf eine Temperatur von mindestens 375° Celsius umfasst.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Umgebung ein inertes Gas und Wasserdampf umfasst.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Erhitzungsschritt die Erhitzung auf eine Temperatur umfasst, die geringer ist als eine Temperatur, bei der sich die Elektroden verformen würden.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Erhitzungsschritt die Erhitzung auf eine Temperatur von weniger als 550° Celsius umfasst.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 3, weiterhin umfassend den Schritt der Trennung der metallisierten Struktur in mehrere Teile vor dem Erhitzungsschritt.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Schritt der Bildung einer Schichten von III-V-Halbleitermaterial umfassenden Struktur die Ablagerung mindestens einer Vielzahl von Schichten eines Aluminium-enthaltenden III-V-Materials umfasst, das verschiedene Aluminiumanteile enthält.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schichten von III-V-Halbleitermaterial entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen aufweisen und die Metallelektroden mit den Schichten elektrisch gekoppelt sind, wobei die Vorrichtung eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung ist.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Verfahren zur Bildung einer lichtemittierenden Vorrichtung die Bildung einer Struktur einschließt, die umfasst: mindestens eine Halbleiterschicht, die ein unteres begrenzendes Gebiet definiert; mindestens eine Halbleiterschicht, die ein oberes begrenzendes Gebiet definiert und mindestens eine Halbleiterschicht zwischen dem oberen und unteren begrenzenden Gebiet, welche ein Halbleiter-aktives Gebiet definiert, wobei mindestens eines der begrenzenden Gebiete die mindestens eine Schicht des Aluminium-enthaltenden III-V-Halbleitermaterials einschließt und wobei der Schritt der Anbringung der Metallelektroden an die Struktur das Anbringen von unteren und oberen Metallelektroden an die Struktur einschließt, die elektrisch mit dem unteren bzw. oberen begrenzenden Gebiet verbunden sind.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 6, wobei der Schritt der Bildung der Struktur als Schritt (a) die Ablage von aufeinanderfolgenden Schichten von III-V-Halbleitermaterial einschließt, um ein unteres begrenzendes Gebiet, ein aktives Gebiet und ein oberes begrenzendes Gebiet zu erhalten, wobei mindestens eines der begrenzenden Gebiete die mindestens eine Schicht von Aluminium-enthaltendem III-V-Halbleitermaterial enthält; und wobei der Schritt des Anbringens der Metallelektroden als einen Schritt (b) das Anbringen von oberen und unteren Metallisierungen an der in dem Schritt (a) erhaltenen Struktur einschließt, wobei die obere Metallisierung eine Vielzahl von Streifen enthält, die mit der in dem Schritt (a) erhaltenen Struktur verbunden sind und wobei das Verfahren weiterhin vor dem Schritt der Erhitzung der metallisierten Struktur in einer Wasser-enthaltenden Umgebung als einen Schritt (c) die Teilung der in dem Schritt (b) erhaltenen Struktur quer zu den Streifen umfasst.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei mindestens eines der begrenzenden Gebiete durch Ablage von Schichten des Aluminium enthaltenden III-V-Halbleitermaterials mit verschiedenen Aluminium-Anteilen gebildet wird.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Schichten des Aluminium-enthaltenden III-V-Halbleitermaterials Aluminium-Gallium-Arsenid sind und bei dem der Erhitzungsschritt die Erhitzung für eine Zeit umfasst, die ausreichend ist, um einen seitlichen Oxidzacken in der Schicht mit dem größeren Aluminiumanteil zu bilden.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei der Erhitzungsschritt die Erhitzung auf eine Temperatur von mindestens 375° Celsius umfasst in einer Umgebung, die ein inertes Gas und Wasserdampf umfasst.
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