SE511314C2 - Framställning av heterobipolär transistor och laserdiod på samma substrat - Google Patents

Description

20 25 511314 2 framställda komponentema. Nackdelen är, att tillverkningsmetoderna blir ofta mycket kom- plexa med mycket stort antal processteg. Metod 3. resulterar i en enklare tillverkning, men också måste oftast en kompromiss göras vad gäller prestanda mellan de olika komponenter, som skall framställas.

En teknik, som ofta har nämnts i litteraturen, är att för lasern övergå från vertikal injek- tion till lateral injektion och en sådan laser benämns LCI-laser ("Lateral Current Injection laser“). Man definierar då de olika n- och p-dopade skikten med hjälp av diffusion eller im- plantation, som sker selektivt på olika delar av en substratyta, och kan därmed skapa både la- ser och transistor från samma substrat eller chip. Denna metod har använts för integration av laser och FET, se den ovan nämnda artikeln av C.P. Lee et al., och av laser och HBT, se N.

Bar-Chaim, Ch. I-Iarder, J. Katz, S. Margalit, A. Yariv, I. Ury, "Monolithic integration of a GaAlAs buried-heterostructure laser and a bipolar phototransistor", Appl. Phys. Lett., 40(7), 556, (1982). En nackdel med denna teknik är dock, att resultatet är en ny typ av laser och/el- ler transistor. Ett annat koncept, se T. Fukuzawa, M. Nakamura, M. Hirao, T. Kuroda, and J. Umeda, ”Monolithic integration of a GaAlAs injection laser with a Schottky-gate field effect transistor", Appl. Phys. Lett., 36(3), 181, (1980), som har använts, är att först växa laserstrukturen och ovanpå denna ett odopat skikt, från vilket man kan realisera en FET. För att få kontakt med det övre p-skiktet på lasem diffunderar man sedan p-dopning (i det här fal- let zink) genom det odopade skíktet.

REDoGöRELsB FÖR UPPFINNINGEN Det är ett syfte med uppñnningen att anvisa ett förfarande, med vars hjälp det är möjligt att på enkelt sätt framställa transistorer och lasrar på samma substrat eller chip utan att pre- standa hos transistorer eller lasrar försämras på grund av det gemensamma framställnings- Sättet.

Vid framställning av transistorer och lasrar på samma substrat utgår man från en grund- struktur med en lämpligt vald följd av ovanpå varandra anbragta halvledande lager och när- mare bestämt utgår man från en huvudsakligen "konventionell" HÉBT-struktur, som sedan kon- verteras till laser på vissa områden på chipet. Lasem blir därmed av typen vertikal injektion och kommer därmed att kunna få samma prestanda som diskreta lasrar. Konvertering till la- serstruktur sker med hjälp av Zn-diffusion. Fördelen härmed är, att man erhåller i stort sett samma struktur för lasern och HBTzn, som om de var individuellt optimerade. Liknande strukturer har utförts i GaAs/GaAlAs, se J. Katz, N. Bar-Chaim, P. C. Chen, S. Margalit, I.

Ury, D. Wilt, M. Yust, A. Yariv, "A monolithic integration of GaAs/GaAlAs bipolar transis- tor and heterostructure laser", Appl. Phys. Lett., 37(2), 211, (1980), men med bl a den skill- naden, att lasems aktiva område är beläget i HBT:ns bas, jämfört med den här föreslagna, där den aktiva regionen är belägen i kollektom, vilket ger större frihet vid utformningen av komponenterna och gör att individuell optimering av de båda komponentema kan utföras.

En heterobipolär transistor I-IBT och en laserdiod LD tillverkas från en gemensam epi- taxiell struktur. Transistom kan färdigställas från materialet, som det är efter fullbordan av 10 15 20 25 511314 3 epitaxistegen. För att framställa laserdioden ändras strukturen genom indiffusion av zink, så att det översta materiallagren byter dopningstyp från n-typ till p-typ. Detta utförs på selektera- de areor av en wafer, så att transistorer och laserdioder på så sätt monolitiskt integreras.

FIGURBESKRIVNING Uppñnningen skall nu beskrivas som ett ej begränsande utföringsexempel med hänvis- ning till de bifogade ritningama, i vilka: Fig. 1 är en schematisk sektion genom en följd av skikt anbragta på varandra, Fig. 2 är en sektion genom följden i fig. 1, som visar indiffusion för ästadkommande av struktur lämplig för en laser, Fig. 3 är ett schematiskt tvärsnitt av en transistor tillverkad ur skiktföljden i fig. 1, Fig. 4 är ett schematiskt tvärsnitt av en laser tillverkad ur skiktföljden i fig. 1 modifie- rad enligt fig. 2, Fig. 5 är ett diagram över Zn-koncentration som funktion av djupet under ytan för indiffusionen enligt fig. 2, Fig. 6 är ett banddiagram för transistorn enligt fig. 3 i jämvikt, Fig. 7 är ett banddiagram för en framspänd laser enligt fig. 4, Fig. 8 är ett diagram över den uppmätta strömmen ICE mellan kollektor och emitter för transistorn enligt fig. 3 i gemensam-ernitter-koppling som funktion av spänningen VCE mellan kollektor och emitter, Fig. 9 är ett diagram över ljuseffekten avgiven av lasern enligt fig. 4 som funktion av den elektriska strömmen.

BESKRIVNING Av FÖREDRAGEN UTFöRINGsFoRM I fig. 1 visas ett schematiskt tvärsnitt genom en gemensam epitaxiell lagersekvens, som är lämpad för framställning av l-lBTzer och laserdioder på samma substrat och som realiserad i ett materialsystem baserat på indiumfosfid InP. Alla skikt visas här för enkelhets skull med samma tjocklek, medan vid utförande av strukturen givetvis skikten har olika tjocklekar bero- ende på deras avsedda funktion, material, dopning, etc. Den epitaxiella strukturen växes med metallorganisk gasfasepitaxiMOVPE eller med hjälp av någon liknande metod, med vilken god kontroll över lagertjocklek såväl som dopnivå kan erhållas. Substratet kan vara av n-InP men det kan vara mer fördelaktigt att använda semi-isolerande (järndopad) InP för att under- lätta monolitisk integration av ett flertal transistorer och laserdioder, dvs att ett flertal struk- turer, som fungerar som transistorer eller laserdioder uppbyggs på samma chip. Den epitaxi- ella strukturen består av ett antal lager med varierande material, tjocklek, samt dopning som är av p-typ eller n-typ. Generellt behövs ett material med relativt brett bandgap, här InP, ett material med smalare bandgap och högre brytningsindex, här InGaAsP (med fotolurniniscens- våglängd ÄPL = 1,3 pm) förkortat Q(1.3), samt ett optiskt aktivt material, här InGaAsP (XPL = 1,55 um) förkortat Q(l.55). Dessutom kan ett material med relativt litet bandgap användas för reduktion av kontaktresistanser, här InGaAs.

Strukturen består av, se fig. 1, 10 15 20 25 511 314 - ett buffertlager 1 av n-InP, - ett högdopat n-InP-lager 2, - ett lågdopat n-InP-lager 3, - ett lågdopat n-Q(1.3) lager 4, - ett odopat kvantbrunnspaket 5 innefattande en eller flera spända eller ospända kvant- brunnar omgivna av spända eller ospända barriärer. Paketet 5 innefattar sålunda i det före- dragna fallet ett flertal relativt tunna lager växlande mellan två olika typer. Hela paketet är utformat att ha nettospänning lika med noll, dvs det är spänningskompenserat, - ett högdopat p-Q( 1.3) lager 6, - ett lågdopat n-InP-lager 7, - ett högdopat n-InP-lager 8 och - högst upp ett högdopat n-InGaAs lager 9.

Lager 3, 4 och 5 utgör kollektom och lager 6 basen i den HBT, som skall framställas.

Heteroövergångarna finns mellan lager 3 och 4 och mellan lager 6 och 7. I laserkonfiguratio- nen utgör lager 5 det aktiva området och lager 4 och 6 vågledardelen.

Efter det att den epitaxiska strukturen i ñg. l framställts, utförs för att framställa en laserdiod ett diffusionssteg, se ñg. 2, vid vilket zink från gasformig dietylzink (DEZn) eller från annan lämplig zinkkälla indiffunderas, jämför pilen 21, vid en temperatur, ett tryck och en tid, som ger ett diffusionsdjup minst motsvarande lager 7, 8 och 9 i ñg. 1. Där zinken har trängt in, inkorporeras detta i materialets struktur och verkar som en acceptor för elektroner.

Vid tillräcklig koncentration kompenserar detta för n-dopningen i de övre sldkten och ytterli- gare zink leder till, att materialet i dessa skikt blir p-dopat. För att selektera areor på wafem, där diffusion skall ske, täcks hela wafem med kiselnitrid SiN, se lagret 22, och areor i detta skikt öppnas inom avsedda områden med hjälp av litografi, där alltså SiN avlägsnas. De areor, som täcks av SiN, förblir sedan opåverkade av zinkdiffusionen, se ñg. 2.

Sedan åstadkoms genom en kombination av torretsning och våtetsning av medelst lito- grafi utvalda areor en separation av de strukturer, som skall fungerar som HBT, och dem, som skall bli laserdioder, genom att spår åstadkoms ända ned till substratet.

Såsom framgått ovan, erhålls HBT:n direkt genom definition i sidled ur lagerföljden enligt ñg. 1. HBT:n har vertikal utformning och har kontakter till kollektor, basen och emit- tem vid resp. lager, se fig. 3. Den avgränsas i sidled av ett spår med två mellansteg, ett vid lagrets 2 övre yta och ett vid lagrets 6 övre yta. På dessa steg är kollektorkontakten 12 resp. baskontakten ll deponerade. Det spår, som är beläget utanför kollektorkontakten 12 skall, såsom antytts ovan när det gäller avgränsning i sidled av strukturer, sträcka sig in i substra- tet. Kollektorkontakten 12 skulle med ett n-InP-substrat också kunna vara belägen på sub- stratets undersida. Ernitterkontakten 13 är belägen på det översta lagrets yttre yta. De olika lagrens funktion är - lagret 2 fungerar som kollektorkontaktlager, - kollektom utgörs av lagren 3 - 5, 511314 - lagret 6 är transistoms bas, - emittern utgörs av lagret 7, - lagren 8 och 9 är kontaktlager.

Det som skiljer denna struktur från en konventionell HBT är, att bandgapet för materia- s let i basen måste vara stort nog för att inte absorbera det ljus, som emitteras från lasems kvantbrunnar, när strukturen är modifierad till en laser. Detta får till följd, att bandgapsdis- kontinuiteten i valensbandet mellan basen och emittern minskar. Det skall dock tilläggas, att man fortfarande har en tillräckligt hög diskontinuitet, för att transistoms strömförstärkriing inte skall nämnvärt påverkas. En ytterligare skillnad är förekomsten av kvantbrunnspaketet, w som ligger i kollektom. Detta påverkar dock inte märkbart egenskaperna (ej DC) hos transis- torn. Inga uppenbara skillnader föreligger i funktionen av en komponent utformad på ovan beskrivet sätt och en konventionell HBT av högprestandatyp.

Den struktur, som framställs med hjälp av den i samband med fig. 2 beskrivna diffu- sionsprocessen, resulterar efter definition i sidled och med kontakteringsorgan i en laserdiod. rs Laserdioden har en n-kontakt, som i det fall att substratet är semi-isolerande, är identisk med och belägen på samma yta som kollektorkontakten 12. Om substratet är n-InP kan kontakten deponeras på substratets baksida eller undersida, såsom visas vid 14 i fig. 4. Lasem har en p- kontakt 15 ovanpå det översta lagret 9 i lagerföljden. De olika lagrens funktion är då, se fig. 4: zo - skikten l - 3 utgör mantel och kontaktlager, - undre separat avgränsande heterostruktur ("separate conñnement heterostructurc“) SCH i lagret 4, - lagret 5 är det aktiva området, - övre separat avgränsande heterostruktur SCH i lager 6, zs - lager 7 och 8 bildar en mantel eller cladding, - skiktet 9 är ett kontaktlager.

Denna struktur innehåller alla de delar, som en konventionell kvantbrunnslaser av dub- belheterostrukturtyp skall ha, och är i stort sett identisk med de standardstrukturer, som an- vänds för avancerade lasrar för våglängden 1,55 pm. En skillnad är den höga p-dopningen, ao som fmns i det övre lagret i den övre heterostrukturen och är nödvändig för HBT:n och som skulle kunna ge upphov till försämrade prestanda för lasem. Vid måttliga dopnivåer har emel- lertid fullgoda resultat erhållits och simuleringar pekar på, att med en förbättrad strukturde- sign kan nivån höjas ytterligare. Vid de separata heterostrukturerna i lagren 4 och 6 ligger heteroövergångarna för motsvarande transistor. Både lasems aktiva område i lagret 5 och den :s undre n-SCH i lagret 4 ligger i motsvarande transistors kollektorområde. Lagret 6, som bildar den övre p-SCH, utgör basen i motsvarande transistor.

Vid ett praktiskt försök framställdes den i fig. 1 visade epitaxiella grundstrukturen med hjälp av metallorganisk gasfasepitaxi MOVPE av lågtryckstyp vid 680°C på ett n-InP-sub- strat. Zink indiffunderades med DEZn som källa och med ett övertryck av fosñn PH3 och 10 15 20 25 511 314 6 med vätgas som bärargas. Temperaturen hölls vid 475° och övertrycket var 100 mbar under lh 20 min. En zinkkoncentration i InP-lagren överstigande 1-1018 erhölls, se diagrammet i fig. 5. Uppbyggnaden av de framställda strukturema framgår av tabellema nedan.

För framställning av en HBT anbragtes en emitterkontakt av Ti/Pt/Au genom föräng- ning och lift-off (vad är detta ???) på vanligt sätt och metallen utnyttjades sedan som mask vid etsning ned till basskiktet 6 med hjälp av reaktiv jonetsning (RIE) i ett vätgas-metan- plasma följt av selektiv våtetsning baserad på I-ICkHZO. Sedan anbragtes en baskontakt av Pt/Ti/Pt/Au på samma sätt som ernitterkontakten. En kiselnitridmask deñnierades och täckte bas- och emitterkontaktema. Med hjälp av torretsning avlägsnades partier av bas- och kollek- torlagren omkring den centrala strukturen för bildning av väsentligen strukturen enligt fig. 3.

Kollektorkontakten anbragtes på substratets undersida genom fórångning av Ni/AuGe. I fig. 8 visas den uppmätta strömmen ICE frän kollektor till emitter för den erhållna transistom insatt i gemensam-ernitter-koppling som funktion av spänningen VCE mellan kollektor och emitter för basströmmama IB = 0,20, 0,40, ..., 100 pA.

Tillverkning av en laserdiod av ridge-typ ur grundstrukturen startade med att 3 pm bre- da remsor mönstrades på den övre ytan för att avgränsa laserstrukturen och sedan anbragtes en övre kontakt pà den övre ytan på samma sätt som för emitterkontakten ovan. Metallkon- takten användes sedan som mask vid torretsning ned till lasems p-mantel. Selektiv vätetsning användes ned till etsstopplagret för att fullborda laserns ridge-struktur. För passivering och plangöring deponerades sedan ett 1,5 pm tjockt kiselnitridlager med hjälp PECVD (jämför passiveringsomrádena 16 i fig. 4). Wafem polerades ned till en tjocklek av ca 120 pm och en bottenkontakt av AuGe/Ni/'Ti/Pt/Au anbragtes genom förängning. Lasem avdelades sedan ge- nom klyvning och monterades på en kiselbärare, vilken tjänstgjorde som värmesänka. I fig. 9 visas ett diagram över den framställda lasems avgivna ljuseffekt som funktion av injicerad ström.

Tabell 1. HBT-Struktur Lager Kontakt Emitter Distanslager Bas 10 Kollektor Kollektor 16 K011ekt01' Subkollektor Material InGaAs InP InGaAsP (Ä = lßpm) InP InGaAsP ()\=1,3;1m) InGaAsP (Ä =1,3p.m) QXInGaAsP-(Ä = 1 ,3;1m)-barriârlager, dragspânning 0,9% , 8xInGaAsP-()\= 1,55;1m)-kvantbrunns- lager, tryckspânning 1% InGaAsP (X =1,3pm) InP InP Tabell 2. Laserdiodstruktur Lager zo KOMRICI Mantel Etsstoppl.

Mantel p-SCH zs p-SCH Aktivt lager :ao n-SCH Mantel Mantel Material InGaAs InP InGaAsP (Å =1,3;1m) InP InGaAsP ()\= 1 ,3;,1m) InGaAsP ()\=1,3pm) 9xInGaAsP-()\= lßpmybarriårlager, dragspänning 0,996, SXInGaAsP-(X = 1 ,55um)-kvantbrunns- lager, tryckspånning 1 % InGaAsP ()\=1,3pm) InP InP 511 314 Tjocklek [Hm] 50 1300 200 80 40 200 500 Tjocklek [nm] 50 1300 200 80 40 200 500 Dopning (cm-ä 1115-101* 1111018 n:1-1018 n:5- 1017 odopad p:4-1018 odopad odopad n: 1- 1017 n:1~1017 n:1-1018 Dopning [cm-ß] odopad odopad n: 1- 1017 n: 1- 1017 1111-1018 511314 s Beräknade banddiagram för elektroner/hål visas i fig. 6 och 7, där fig. 6 visar ett li-and- diagram för HBT-strukturen i jämvikt och fig. 7 visar ett banddiagram fór lascrdiodstrukturen under framspânning.

Claims (15)

10 15 25 35 511 314 9 PATENTKRAV

1. Förfarande för framställning av en transistor och en laserdiod på samma substrat, k ä n n e t e c k n a t av att först uppbyggs en lagerföljd över substratets yta, vilken lager- följd är vald, så att vid en därefter utförd avgränsning av en första selekterad yta i sidled en transistorstruktur erhålls, att vid en andra selekterad yta ändras dopning i övre lager i lager- följden genom indiffusion och att vid den andra selekterade ytan en avgränsning i sidled utförs, så att härigenom en laserstruktur erhålls.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att lagerföljden uppbyggs, så att ett lager i lagerföljden, vilket ingår i en kollektor i transistorstrukturen, som erhålls genom avgränsning den första selekterade ytan i sidled, är utformat, så att vid avgränsningen av den andra selekterade ytan detta lager bildar en kvantbrunnsstruktur eller ett aktivt område för laserstrukturen.

3. Förfarande enligt något av krav 1 - 2, k ä n n e t e c k n a t av att vid indiffusionen ändras dopningstypen från n-dopning till p-dopning eller omvänt i de övre lagren.

4. Förfarande enligt något av krav 1 - 3, k ä n n e t e c k n at av att lagerföljden uppbyggs med minst en heteroövergång, så att transistorstrukturen blir en heterobipolär tran- sistor.

5. Förfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att lagerföljden uppbyggs med en heteroövergång belägen mellan emitter och bas i den heterobipolära transistorn.

6. Förfarande enligt något av krav 1 - S, k ä n n etec k n at av att lagerföljden uppbyggs, så att ett lager, vilket tillsammans med ett direkt närbeläget lager bildar en hetero- övergång däremellan, bildar i laserstrukturen en separat avgränsande heterostruktur (SCH) för ett aktivt område i laserstrukturen.

7. Förfarande enligt något av krav 1 - 6, k ä n n e t e c k n at av att lagerföljden uppbyggs, så att ett lager, vilket ingår i kollektom i laserstrukturen, bildar en separat avgrän- sande heterostruktur av n-typ (n-SCH) för det aktiva området i laserstrukturen.

8. Förfarande enligt något av krav 1 - 7, kä n n e te c k n at av att lagerföljden uppbyggs, så att ett lager, vilket ingår i basen i laserstrukturen, bildar en separat avgränsande heterostruktur av p-typ (p-SCH) för det aktiva området i laserstrukturen.

9. Substrat innefattande en därpå anordnad lagerföljd av olika halvledarmaterial på en yta av substratet, k ä n n e t e c k n a t av att lagerföljden innefattar lager i sådan ordnings- följd och med sådan sammansättning och dopning, att lagerföljden vid avgränsning av en förs- ta selekterad yta i sidled ger en transistorstruktur och att för en indiffusion av ett förutbestämt dopämne i övre lager i lagerföljden vid en selekterad andra yta med därav följande ändring av dopningen i dessa övre lager och vid avgränsning i sidled av den andra selekterade ytan lager- följden ger en laserstruktur.

10. Substrat enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a t av att lagerföljden är framställd med lager i sådan ordningsföljd och med sådan sammansättning och dopning, att lager, som vid avgränsning i sidled av den första selekterade ytan bildar kollektor i transistorstrukturen, in- 10 15 20 511 314 10 nefattar ett lager utformat att bilda en kvantbrunnsstruktur eller ett aktivt område för laser- strukturen.

11. Substrat enligt något av krav 9 - 10, k ä n n e t e c k n a t av att lagerföljden in- nefattar lager i sådan ordningsföljd och med sådan sammansättning och dopning, att vid indif- fusionen av det förutbestämda dopâmnet ändras dopningstypen från n-dopning till p-dopning eller omvänt i de övre lagren.

12. Substrat enligt något av krav 9 - 10, k ä n n e te c k n at av att lagerföljden in- nefattar lager i sådan ordningsföljd och med sådan sammansättning och dopning, att minst en heteroövergång bildas vid avgränsning av den första selekterade ytan i sidled, varigenom tran- sistorstrukturen blir en heterobipolår transistor.

13. Substrat enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a t av att lagerföljden innefattar lager i sådan ordningsföljd och med sådan sammansättning och dopning, att en heteroövergång bil- das, vilken år belägen mellan lager, vilka bildar emitter och bas hos transistorstrukturen er- hållen vid avgränsning av den första selekterade ytan.

14. Substrat enligt något av krav 9 - 13, k â n n e t e c k n at av att lager, som ingår i kollektorn hos transistorstrukturen erhållen vid avgränsning av den första selekterade ytan, vid indiffusionen och avgränsningen av den andra selekterade ytan bildar en separat avgrän- sande heterostruktur av n-typ (n-SCH) för ett aktivt område i laserstrukturen.

15. Substrat enligt något av lcrav 9 - 14, k ä n n e t e c k n a t av att lager, som ingår i basen hos transistorstrukturen erhållen vid avgränsning av den första selekterade ytan, vid in- diffusionen och avgränsning av den andra selekterade ytan bildar en separat avgränsande hete- rostruktur av p-typ (p-SCH) för ett aktivt område i laserstrukturen.