WO2000034990A1 - Herstellung von mehrschichtigen halbleiterstrukturen mittels trägergasumschaltung - Google Patents

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WO2000034990A1
WO2000034990A1 PCT/EP1999/009122 EP9909122W WO0034990A1 WO 2000034990 A1 WO2000034990 A1 WO 2000034990A1 EP 9909122 W EP9909122 W EP 9909122W WO 0034990 A1 WO0034990 A1 WO 0034990A1
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Eckart Kuphal
Stephan Jochum
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing multilayer semiconductor structures by epitaxy of solids-forming process gases diluted in a carrier gas on a substrate heated to produce the layers, with which the mixture of carrier gas and the process gases is brought into contact.
  • a carrier substrate
  • binary stoichiometric compounds and ternary or quaternary non-stoichiometric mixed crystals consisting of elements from groups III (aluminum, gall
  • semiconductors with binary connections are GaAs, GaN, InP or ZnSe.
  • Ternary semiconductors are e.g. AlGaAs, GalnAs, GalnP, AlGaN or InAsSb.
  • Quaternary semiconductors include GalnAsP, AlGalnAs, AlGalnP or MgZnSSe.
  • the method according to the invention relates to the production of multiple layers, ie layer structures consisting of semiconductor layers of different compositions, which are deposited in succession from solid-forming substances (process gases). These layers can be lattice-matched as bulk layers or as quantum films or lattice-mismatched on suitable substrates, for example GaAs, InP or sapphire. During production, the process gases are changed at the beginning of a new shift or the Gas flows reset.
  • process gases are changed at the beginning of a new shift or the Gas flows reset.
  • the layer thicknesses and, in the case of non-stoichiometric mixed crystals, the chemical composition of the individual layers of the layer structure must meet certain requirements with regard to their lateral homogeneity over the wafer surface. These requirements apply especially to the layers within the layer structure, which have a great influence on the properties of the component.
  • the active layer of a laser diode is an example of this.
  • the separation time and consumption of process gases are also important for production using MOVPE. A higher growth rate reduces the duration of a growth process and saves expensive process gas.
  • the chemical elements required for the desired layer structure are passed as gaseous compounds (process gases) diluted in a carrier gas (e.g. hydrogen) at a defined pressure into a reactor chamber, where they heat up on a hot susceptor, disintegrate and on a hot one Substrate are deposited as a single-crystalline film.
  • a carrier gas e.g. hydrogen
  • the layer thickness and chemical composition of the epitaxial layers are generally not completely homogeneous.
  • An inhomogeneous chemical composition can only occur with ternary and quaternary mixed crystals, but in principle not with binary stoichiometric compounds.
  • the lateral inhomogeneity has i.a. The following reasons: The process gases separate on all hot surfaces, i.e. on the
  • the geometry of the reactor chamber and the gas inlet system are designed in such a way that the gas mixture is mixed as well as possible and flows over the substrate at a homogeneous speed.
  • the substrate rotates during the deposition to compensate for inhomogeneities.
  • the heating and the shape of the susceptor are designed so that the gas mixture and the substrate have a temperature which is as homogeneous as possible.
  • the layer homogeneity is optimized by a suitable choice of the 5 process parameters. These include the substrate temperature, the reactor pressure, the mean flow rate and the type and partial pressure of the process gases and the carrier gas.
  • Hydrogen is usually used as the carrier gas for the MOVPE.
  • Nitrogen as a carrier gas has only recently been used in a few
  • the proportion of carrier gas in the total flow of MOVPE is usually over 90%.
  • the physical properties of the carrier gas therefore have a strong influence on the growth process and on the lateral homogeneity. This is explained in more detail below.
  • Jochum S. et al. Very high compositional homogeneity of 1.55 ⁇ m strain-compensated InGaAsP MQW structures by MOVPE under N 2 atmosphere
  • the homogeneity of the layers produced is better under N 2 carrier gas than under H 2 .
  • the reason for this is that, on the one hand, the thermal conductivity of N 2 is lower by a factor of 6.6 than that of H 2 , which means that the vertical temperature gradient over the susceptor is steeper. This causes a reduction in the deposition on the reactor walls and less depletion of the gas phase, which improves the homogeneity.
  • the diffusion of the process gases through the carrier gas N 2 is less than through H 2 .
  • the thickness of the diffusion boundary layer ⁇ in N 2 is thus thinner. This means that only a small layer height of the gas flowing over the substrate contributes to epitaxial growth. This reduces the influence of the reactor ceiling and the reactor side walls, which also improves the homogeneity.
  • the carrier gas N 2 has the disadvantage that the growth rate r g is lower than under H 2 .
  • the ratio of the growth rates r g (N 2 ) / r g (H 2 ) is given by the ratio in the case of the diffusion-limited growth that is usually used the above-mentioned diffusion boundary layer thicknesses ⁇ , which in turn are proportional to the root of the diffusion coefficient D of the process gas under consideration in the carrier gas.
  • the growth rate under H 2 is well o twice as high under N 2 under the same growth conditions. This is equivalent to halving the
  • the gas costs are essentially determined by the costs of the process gases and not the carrier gas. Furthermore, with a higher growth rate, the installation efficiency (the amount of material deposited on the substrate based on the amount of process gas used) 5 is higher, and thus less exhaust gas is generated from unused
  • the carrier gas H 2 is therefore preferable to the N 2 because of the shorter manufacturing time, the lower gas costs and the lower disposal costs.
  • Part of the doping atoms can diffuse out of layers within the layer structure which are doped with strongly diffusing elements (eg zinc) during the epitaxy process at high temperature into layers below or above. This undesirable out-diffusion is less, the shorter the epitaxial process, ie the larger r g .
  • the carrier gas hydrogen is preferable to nitrogen.
  • the object of the present invention is to provide a method which enables economical mass production of multilayer semiconductor structures of good lateral homogeneity with a short production time and low material consumption.
  • This object is achieved by changing between different carrier gases to produce different layers.
  • layers within the layer structure to be produced which require a high degree of lateral homogeneity can be deposited with a carrier gas, for example nitrogen, which is favorable for this purpose, whereas layers which only require a low degree of lateral homogeneity, but are deposited at a higher growth rate because of their large layer thickness are to be manufactured with a different carrier gas, such as hydrogen.
  • the advantages of both carrier gases can be used in the same production process in the respective layer.
  • Switchable valves are provided for changing the carrier gases, which control the inflow of the carrier gases into the reactor.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention is that hydrogen and nitrogen are used as carrier gases.
  • the use of other carrier gases is not excluded.
  • mixtures of carrier gases in different mixing ratios are used as different carrier gases.
  • the physical properties of these gas mixtures result from the weighted averaging of the properties of the pure gases. This results in the influence of the mixture ratio on the layer homogeneity and the growth rate.
  • a first layer of a conductivity type (n or p) is applied to the substrate in order to form the active ones Layer using predominantly nitrogen as the carrier gas, a second, thinner mixed crystal layer sequence is applied and that finally, using predominantly hydrogen as the carrier gas, at least 0 another thick layer of the other conductivity type (p or n) is applied.
  • Fig. 1 shows the behavior of the layer homogeneity when using N 2 and H 2 as a carrier gas
  • FIG. 2 shows the structure of a laser structure produced using the method according to the invention.
  • N 2 compared to H 2 as carrier gas in two deposition attempts with otherwise identical process parameters.
  • the wavelength of the photoluminescence is a measure of the homogeneity of the chemical composition and the layer thicknesses of this layer structure.
  • the photoluminescence wavelength lambda was measured point by point over 40 mm along the diameter (x) of a 50 mm disk.
  • the standard deviation ⁇ (lambda) of the wavelength from the mean is 0.55 nm below N 2 and 6.50 nm below H 2
  • the difference delta lambda between maximum and minimum wavelength is 2.0 nm below N 2 and 20.5 nm below H 2 .
  • the carrier gas N 2 is therefore preferable to the H 2 .
  • the semiconductor layer structures for the production of optical and electronic components generally contain thin mixed crystal layers, which require very good lateral homogeneity, and thick binary layers, in which the homogeneity requirements are only low.
  • the method according to the invention is explained using the example of a semiconductor laser structure produced by epitaxy. 2 schematically shows the typical structure of a laser structure on an InP substrate 1 (thickness 350 ⁇ m). First, a thick binary buffer layer 2 (thickness approx. 500 nm) made of InP is deposited on the substrate 1 under predominantly H 2 as the carrier gas. This is followed by the thin MQW layer structure 3 (thickness approx.
  • the active layer 3 must be very homogeneous because the compositions and layer thicknesses of this layer 3 determine the wavelength of the laser radiation.
  • the active layer is therefore deposited under predominantly N 2 as the carrier gas.
  • This is followed by a thick binary cladding layer 4 (thickness approx. 2000 nm) made of InP, which in turn is deposited under predominantly H 2 as the carrier gas.
  • the composition of the thick binary layers 2, 4 cannot fluctuate, since the InP is a stoichiometric compound; an inhomogeneity of the InP layer thicknesses, which results from the use of hydrogen as carrier gas, is not critical for the component.
  • an inhomogeneity of the InP layer thicknesses which results from the use of hydrogen as carrier gas, is not critical for the component.
  • the p-n junction required in a laser diode is generated in that the buffer layer 2 is n-doped and the cladding layer 4 is p-doped or vice versa.
  • the zinc usually used for InP as p-type dopant has an increased diffusivity at the deposition temperature, so that a disturbing out-diffusion into the active layer 3 can take place. This behavior is minimized by the fact that the entire deposition process is relatively short, since almost the entire layer thickness takes place under hydrogen as the carrier gas at an increased growth rate.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen aus Verbindungshalbleitern durch Epitaxie feststoffbildender, in einem Trägergas verdünnter Prozeßgase auf einem zur Herstellung der Schichten erhitzten Substrat, mit welchem das Gemisch aus Trägergas und den Prozeßgasen in Kontakt gebracht wird, wird zur Herstellung unterschiedlicher Schichten zwischen unterschiedlichen Trägergasen, im besonderen Wasserstoff und Stickstoff, gewechselt, oder es werden unterschiedliche Mischungen der Trägergase verwendet.

Description

HERSTELLUNG VON MEHRSCHICHTIGEN HALBLEITERSTRUKTUREN MITTELS TRÄGERGASUMSCHALTUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen durch Epitaxie feststoffbildender, in einem Trägergas verdünnter Prozeßgase auf einem zur Herstellung der Schichten erhitzten Substrat, mit welchem das Gemisch aus Trägergas und den Prozeßgasen in Kontakt gebracht wird.
Zur Herstellung von Haibleiterschichten mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (metalorganic vapor phase epitaxy = MOVPE oder metalorganic chemical vapor deposition = MOCVD) auf einem Träger (Substrat) eignen sich insbesondere Halbleiter bestehend aus lll-V- und ll-VI- Verbindungen, d.h. binäre stöchiometrische Verbindungen sowie ternäre oder quaternäre nichtstöchiometrische Mischkristalle, bestehend aus Elementen der Gruppen III (Aluminium, Gallium, Indium) und V (Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon) des Periodensystems sowie solche aus Elementen der Gruppen II (Magnesium, Zink, Cadmium, Quecksilber) und VI (Schwefel, Selen, Tellur). Einige Beispiele für Halbleiter mit binären Verbindungen sind GaAs, GaN, InP oder ZnSe. Ternäre Halbleiter sind z.B. AlGaAs, GalnAs, GalnP, AlGaN oder InAsSb. Unter die quatemären Halbleiter fallen GalnAsP, AlGalnAs, AlGalnP oder MgZnSSe.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Herstellung von Mehrfachschichten, d.h. Schichtstrukturen bestehend aus Haibleiterschichten unterschiedlicher Zusammensetzung, die in einem Arbeitsgang aus feststoffbildenden Substanzen (Prozeßgasen) nacheinander abgeschieden werden. Diese Schichten können als Volumenschichten oder als Quantenfilme gitterangepaßt oder gitterfehlangepaßt auf geeigneten Substraten, z.B. GaAs, InP oder Saphir, abgeschieden werden. Während der Fertigung werden die Prozeßgase jeweils zu Beginn einer neuen Schicht gewechselt oder die Gasflüsse neu eingestellt.
Für die Verwendung derartiger Schichtstrukturen zur Produktion optischer oder elektronischer Bauelemente müssen die Schichtdicken und bei nichtstöchiometnschen Mischkristallen auch die chemische Zusammensetzung der einzelnen Schichten der Schichtstruktur gewissen Anforderungen bezüglich ihrer lateralen Homogenität über die Waferfläche genügen. Diese Anforderungen gelten speziell für die Schichten innerhalb der Schichtstruktur, welche großen Einfluß auf die Eigenschaften des Bauelements haben. Die aktive Schicht einer Laserdiode ist dafür ein Beispiel. Je höher die Homogenität ist, umso höher ist die Fertigungsausbeute von Bauelementen mit den geforderten Kenndaten und umso geringer ist der erforderliche Kontrollaufwand bei der Produktion. Wichtig sind für die Produktion mittels MOVPE aber auch die Abscheidedauer und Verbrauch von Prozeßgasen. Eine höhere Wachstumsrate verringert die Dauer eines Wachstumsprozesses und spart teures Prozeßgas.
Bei dem bekannten Epitaxieverfahren MOVPE werden die für die gewünschte Schichtstruktur erforderlichen chemischen Elemente als gasförmige Verbindungen (Prozeßgase) verdünnt in einem Trägergas (z.B. Wasserstoff) bei definiertem Druck in eine Reaktorkammer geleitet, wo sie sich an einem heißen Suszeptor erhitzen, zerfallen und auf einem heißen Substrat als einkristalliner Film abgeschieden werden.
Bei der MOVPE sind die Schichtdicke und die chemische Zusammensetzung der epitaktischen Schichten im allgemeinen nicht völlig homogen. Eine inhomogene chemische Zusammensetzung kann nur bei temären und quatemären Mischkristallen auftreten, prinzipiell jedoch nicht bei binären stöchiometrischen Verbindungen. Die laterale Inhomogenität hat u.a. folgende Gründe: Die Prozeßgase scheiden sich an allen heißen Flächen, also auf dem
Substrat, dem Suszeptor und an den Seitenwänden und der Decke der Reaktorkammer ab. Die Prozeßgase erfahren somit eine Verarmung in Strömungsrichtung und wegen der Abscheidung an den Seitenwänden auch eine Verarmung quer zur Strömungsrichtung. Beides bewirkt eine Schichtinhomogenität. Ferner führen lokale Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeit, der Gastemperatur und der Substrattemperatur zu 5 inhomogener Abscheidung.
Um eine möglichst gute Homogenität zu erreichen, werden bekanntermaßen folgende Maßnahmen getroffen: Die Geometrie der Reaktorkammer und des Gaseinlaßsystems werden so konstruiert, daß das Gasgemisch möglichst gut 0 vermischt und mit homogener Geschwindigkeit über das Substrat strömt. Das Substrat rotiert während der Abscheidung, um Inhomogenitäten auszugleichen. Die Heizung und die Form des Suszeptors werden so ausgelegt, daß das Gasgemisch und das Substrat eine möglichst homogene Temperatur haben. Ferner wird die Schichthomogenität durch geeignete Wahl der 5 Prozeßparameter optimiert. Dazu gehören die Substrattemperatur, der Reaktordruck, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit sowie die Art und der Partialdruck der Prozeßgase und des Trägergases.
Als Trägergas für die MOVPE wird üblicherweise Wasserstoff verwendet. o Stickstoff als Trägergas wird lediglich seit kurzem in einigen wenigen
Forschungslabors eingesetzt. Die Bevorzugung des Wasserstoffs rührt daher, daß die erforderliche Gasreinheit bei H2 seit Jahrzehnten mittels Palladium- Diffusionszellen erreichbar ist, während N2 von der notwendigen Reinheit mit vertretbarem Aufwand erst seit wenigen Jahren mittels sogenannter Getter- 5 Zellen erzeugt werden kann.
Der Anteil des Trägergases am Gesamtstrom bei der MOVPE liegt in der Regel über 90 %. Die physikalischen Eigenschaften des Trägergases haben daher einen starken Einfluß auf den Wachstumsprozeß und auf die laterale 0 Homogenität. Dies wird unten genauer erläutert. In Jochum S. et al. "Very high compositional homogeneity of 1.55 μm strain- compensated InGaAsP MQW structures by MOVPE under N2 atmosphere", Proc. Int. Conf. MOVPE IX, La Jolla, USA, 5/31/98-6/4/98, J. Crystal Growth (im Druck) wird beschrieben, wie N2 als Trägergas bei der Fertigung von Laserdioden eingesetzt wird. Siehe dazu ferner Piataev, V. et al.: "Strain- compensated MQW InGaAsP/InGaAsP gain- and index-coupled laser arrays grown by MOVPE under N2". Proc. 10th Int. Conf. InP and Related Materials, Tsukuba, Japan, May 1998, IEEE Catalog #98H36129, S. 357 und Kuphal, E. et al.: "Higher yield of 1.55 μm DFB lasers through MOVPE growth under N2 atmosphere with excellent homogeneity". Proc. 4th Int. Workshop EXMATEC, Cardiff, Wales, 21.-24. Juni 1998, J. Mater. Science and Engineering (im Druck).
Die Homogenität der gefertigten Schichten ist unter N2-Trägergas besser als unter H2. Dies ist dadurch zu begründen, daß zum einen die Wärmeleitfähigkeit von N2 um den Faktor 6,6 geringer als diejenige von H2 ist, was bewirkt, daß der vertikale Temperaturgradient über dem Suszeptor steiler ist. Dies bewirkt eine Verringerung der Deposition an den Reaktorwänden und eine geringere Verarmung der Gasphase, was die Homogenität verbessert. Zweitens ist die Diffusion der Prozeßgase durch das Trägergas N2 geringer als durch H2. Damit ist auch die Dicke der Diffusionsgrenzschicht δ in N2 dünner. Dies bedeutet, daß nur eine geringe Schichthöhe des über dem Substrat strömenden Gases zum epitaktischen Wachstum beiträgt. Damit wird der Einfluß der Reaktordecke und der Reaktorseitenwände vermindert, was die Homogenität ebenfalls verbessert.
Das Trägergas N2 hat jedoch den Nachteil, daß die Wachstumsrate rg kleiner ist als unter H2.
Das Verhältnis der Wachstumsraten rg (N2) / rg (H2) ist bei dem üblicherweise angewendeten diffusionsbegrenzten Wachstum gegeben durch das Verhältnis der oben erwähnten Diffusionsgrenzschichtdicken δ, welche wiederum proportional zur Wurzel aus dem Diffusionskoeffizienten D des betrachteten Prozeßgases im Trägergas sind. Für das Beispiel des Prozeßgases Trimethylgallium (TMGa) gilt: 5 rg (N2) / rg (H2) = δ (Na) / δ (H2) = (DN2,TMGa/ DH2,™Ga)1/2 = 0,49. (1 a)
Für das Prozeßgas Trimethylindium (TMIn) ergibt sich entsprechend:
0 rg (N2) / rg (H2) = 0,48. (1b)
Eine große Zahl von InGaAsP-Proben wurde unter Verwendung von TMGa und TMIn abgeschieden. Der Mittelwert der Verhältnisse der experimentell bestimmten Wachstumsraten unter N2 und H2 beträgt in sehr guter 5 Übereinstimmung mit den theoretischen Werten nach Gleichung (1):
rg (N2) / rg (H2) = 0,48 ± 0,02. (2)
Die Wachstumsrate unter H2 ist also bei gleichen Wachstumsbedingungen gut o doppelt so hoch wie unter N2. Dies ist gleichbedeutend mit einer Halbierung der
Wachstumszeit und des Gasverbrauchs. Die Gaskosten sind im wesentlichen bestimmt durch die Kosten der Prozeßgase und nicht des Trägergases. Ferner ist bei einer höheren Wachstumsrate die Einbaueffizienz (die auf dem Substrat abgeschiedene Materialmenge bezogen auf die eingesetzte Prozeßgasmenge) 5 höher, und somit entsteht auch weniger Abgas von unverbrauchten
Prozeßgasen. Diese Abgase müssen chemisch gebunden und umweltgerecht entsorgt werden, was ebenfalls kostenintensiv ist. Vom Standpunkt der wirtschaftlichen Produktion aus gesehen ist also das Trägergas H2 dem N2 vorzuziehen wegen der kürzeren Fertigungszeit, der geringeren Gaskosten und 0 der geringeren Entsorgungskosten. Aus Schichten innerhalb der Schichtstruktur, die mit stark diffundierenden Elementen (z.B. Zink) dotiert sind, kann ein Teil der Dotieratome während des Epitaxieprozesses bei hoher Temperatur in darunter- oder darüberliegende Schichten ausdiffundieren. Diese unerwünschte Ausdiffusion ist umso geringer, je kürzer der Epitaxieprozeß andauert, d.h. je größer rg ist. Auch im Hinblick auf minimale Ausdiffusion ist demnach das Trägergas Wasserstoff dem Stickstoff vorzuziehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches eine wirtschaftliche Massenfertigung mehrschichtiger Halbleiterstrukturen von guter lateraler Homogenität bei geringer Fertigungsdauer und geringem Materialverbrauch ermöglicht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Herstellung unterschiedlicher Schichten zwischen unterschiedlichen Trägergasen gewechselt wird. Auf diese Weise können Schichten innerhalb der herzustellenden Schichtstruktur, die eine hohe laterale Homogenität erfordern, mit einem dafür günstigen Trägergas, beispielsweise Stickstoff, abgeschieden werden, wohingegen Schichten, welche nur eine geringe laterale Homogenität erfordern, aber wegen ihrer großen Schichtdicke mit einer höheren Wachstumsrate abgeschieden werden sollen, mit einem anderen Trägergas, wie Wasserstoff, gefertigt werden.
Indem beispielsweise die Trägergase H2 und N2 während der Wachstumsprozesse der einzelnen Schichten gewechselt werden, können die Vorteile beider Trägergase im gleichen Fertigungsgang in der jeweiligen Schicht genutzt werden. Für den Wechsel der Trägergase sind schaltbare Ventile vorgesehen, welche den Zustrom der Trägergase in den Reaktor steuern.
Insbesondere können auch die Fertigungsdauer und damit die Herstellkosten erheblich verkürzt werden, da für Strukturen, welche hochgenaue dünne Schichten aufweisen, ein für diese Schichten gut geeignetes Trägergas verwendet werden kann. Zur Fertigung der übrigen, dickeren Schichten werden weiterhin Trägergase verwendet, welche eine hohe Wachstumsrate ermöglichen. i Aufgrund der durch Wechseln der Trägergase ermöglichten guten Homogenität der dünneren Schichten erhöht sich die Fertigungsausbeute bei der Herstellung mehrschichtiger Halbleiterstrukturen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erheblich gegenüber den bislang verwendeten Verfahren. 0
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß als Trägergase Wasserstoff und Stickstoff verwendet werden. Die Verwendung anderer Trägergase ist jedoch nicht ausgeschlossen.
5 Bei einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß als unterschiedliche Trägergase Mischungen von Trägergasen in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen verwendet werden. Die physikalischen Eigenschaften dieser Gasmischungen resultieren aus der gewichteten Mittelung der Eigenschaften der reinen Gase. Daraus ergibt sich der Einfluß des o Mischungsverhältnisses auf die Schichthomogenität und die Wachstumsrate.
Zur Herstellung von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen, beispielsweise einer Laserdiode, ist bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß unter Verwendung von überwiegend Wasserstoff als 5 Trägergas eine erste Schicht von einem Leitfähigkeitstyp (n oder p) auf das Substrat aufgebracht wird, daß zur Bildung der aktiven Schicht unter Verwendung von überwiegend Stickstoff als Trägergas eine zweite, dünnere Mischkristall-Schichtenfolge aufgebracht wird und daß schließlich wiederum unter Verwendung von überwiegend Wasserstoff als Trägergas wenigstens 0 eine weitere, dicke Schicht vom anderen Leitfähigkeitstyp (p oder n) aufgebracht wird. Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon wird anhand mehrerer Figuren nachfolgend beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 das Verhalten der Schichthomogenität bei Verwendung von N2 und H2 als Trägergas und
Fig. 2 den Aufbau einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Laserstruktur.
Fig. 1 zeigt die drastische Verbesserung der Schichthomogenität bei
Verwendung von N2 gegenüber H2 als Trägergas bei zwei Abscheideversuchen mit ansonsten identischen Prozeßparametern. Abgeschieden wurden kompensiert verspannte InGaAsP-Vielfachpotentialtopf (multi-quantum well = MQW)-Strukturen, welche eine Wellenlänge der Photolumineszenz von ca. 1550 nm aufweisen und für die Erzeugung von Laserdioden für die optische Nachrichtentechnik verwendet werden. Die Wellenlänge der Photolumineszenz ist ein Maß für die Homogenität der chemischen Zusammensetzung und der Schichtdicken dieser Schichtstruktur. In Fig. 1 wurde die Photolumineszenzwellenlänge lambda punktweise über 40 mm längs des Durchmessers (x) einer 50 mm-Scheibe gemessen. Die Standardabweichung σ (lambda) der Wellenlänge vom Mittelwert beträgt in diesem Beispiel 0.55 nm unter N2 und 6.50 nm unter H2, und die Differenz Delta lambda zwischen maximaler und minimaler Wellenlänge beträgt 2.0 nm unter N2 und 20.5 nm unter H2. Um eine sehr gute laterale Homogenität zu erzielen, ist demnach das Trägergas N2 dem H2 vorzuziehen.
Die Halbleiterschichtstrukturen zur Herstellung von optischen und elektronischen Bauelementen, wie etwa Laserdioden, optische Wellenleiter oder Transistoren, enthalten in der Regel dünne Mischkristallschichten, die eine sehr gute laterale Homogenität erfordern, und dicke binäre Schichten, bei denen die Homogenitätsanforderungen nur gering sind. Das erfindungsgemäße Verfahren wird am Beispiel einer durch Epitaxie erzeugten Halbleiterlaserstruktur erläutert. Fig. 2 zeigt schematisch den typischen Aufbau einer Laserstruktur auf einem InP-Substrat 1 (Dicke 350 μm). Auf dem Substrat 1 wird zunächst eine dicke binäre Pufferschicht 2 (Dicke ca. 500 nm) aus InP unter überwiegend H2 als Trägergas abgeschieden. Es folgt die als aktive Schicht dienende dünne MQW-Schichtstruktur 3 (Dicke ca. 200 nm) mit alternierend aufgeschichteten InGaAsP-Schichten verschiedener quatemärer Zusammensetzung mit hoher Anforderung an die Homogenität. Die aktive Schicht 3 muß sehr homogen sein, weil die Zusammensetzungen und Schichtdicken dieser Schicht 3 die Wellenlänge der Laserstrahlung bestimmen. Die aktive Schicht wird daher unter überwiegend N2 als Trägergas abgeschieden. Darüber folgt eine dicke binäre Mantelschicht 4 (Dicke ca. 2000 nm) aus InP, die wiederum unter überwiegend H2 als Trägergas abgeschieden wird. Bei den dicken binären Schichten 2, 4 kann in diesem Fall keine Schwankung der Zusammensetzung auftreten, da das InP eine stöchiometrische Verbindung ist; eine Inhomogenität der InP-Schichtdicken, welche aus der Verwendung von Wasserstoff als Trägergas resultiert, ist für das Bauelement nicht kritisch. Somit werden zur Fertigung der Laserdiode gemäß Fig. 2 zusammen über 90 % der gesamten Schichtdicke mit der durch die Verwendung von H2 als Trägergas erhöhten Wachstumsrate gefertigt.
Der in einer Laserdiode erforderliche p-n-Übergang wird dadurch erzeugt, daß die Pufferschicht 2 n-dotiert und die Mantelschicht 4 p-dotiert wird oder umgekehrt. Das für InP als p-Dotierstoff üblicherweise verwendete Zink weist ein erhöhtes Diffusionsvermögen bei der Abscheidetemperatur auf, so daß eine störende Ausdiffusion in die aktive Schicht 3 stattfinden kann. Dieses Verhalten wird dadurch minimiert, daß der gesamte Abscheideprozeß relativ kurz ist, da fast die gesamte Schichtdicke bei erhöhter Wachstumsrate unter Wasserstoff als Trägergas stattfindet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen durch Epitaxie feststoffbildender, in einem Trägergas verdünnter Prozeßgase auf einem zur Herstellung der Schichten erhitzten Substrat, mit welchem das Gemisch aus Trägergas und den Prozeßgasen in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung unterschiedlicher Schichten (2, 3, 4) zwischen unterschiedlichen Trägergasen gewechselt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Trägergase Wasserstoff und Stickstoff verwendet werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als unterschiedliche Trägergase Mischungen von Trägergasen in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen verwendet werden.
4. Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen durch Epitaxie feststoffbildender, in einem Trägergas verdünnter Prozeßgase auf einem zur Herstellung der Schichten erhitzten Substrat, mit welchem das Gemisch aus Trägergas und den Prozeßgasen in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung von überwiegend Wasserstoff als Trägergas eine erste Schicht (2) von einem Leitfähigkeitstyp (n oder p) auf das Substrat (1 ) aufgebracht wird, daß zur Bildung der aktiven Schicht unter Verwendung von überwiegend Stickstoff als Trägergas eine zweite, dünnere Mischkristall-Schichtenfolge (3) aufgebracht wird und daß schließlich wiederum unter Verwendung von überwiegend Wasserstoff als Trägergas wenigstens eine weitere, dicke Schicht (4) vom anderen Leitfähigkeitstyp (p oder n) aufgebracht wird.
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