-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
optoelektronischen Halbleiteranordnung, wobei eine Oberfläche eines Halbleiterkörpers, der aus einer
Anzahl auf einem Halbleitersubstrat epitaktisch aufgewachsenen Schichten aus
Halbleitermaterial aufgebaut ist, mit einer an die Oberfläche grenzenden obersten Schicht aus
GaAs und einer darunter liegenden InP-haltigen Schicht, mit einer Ätzmaske versehen
wird, woraufhin die oberste Schicht und die darunter liegende Schicht in einem in einer
Gasmischung aus SiCl&sub4; und Ar erzeugten Plasma lokal weggeätzt werden.
-
Eine solche optoelektronische Halbleiteranordnung ist beispielsweise ein
Diodeniaser. In diesem Fall befindet sich beispielsweise eine InP-haltige Schicht aus
(AlxGa1-x)yIn1-yP mit einer Dicke von ungefähr 1 µm unter einer obersten Schicht aus
GaAs mit einer Dicke von ungefähr 0,3 µm. Hierunter gibt es weiterhin eine ungefähr
0,1 µm dicke Schicht aus G0,5In0,5P, auch aktive Schicht genannt, und eine ungefähr
1 µm dicke Schicht aus (AlxGa1-x)yIn1-yP. Die aktive Schicht mit einer Brechzahl von
ungefähr 3,65 liegt zwischen zwei Schichten mit einer niedrigeren Brechzahl von
ungefähr 3,44 (wenn 0,5 < x < 0,8 und 0,4 < y < 0,6) eingeschlossen. Licht mit einer
Wellenlänge von ungefähr 670 nm, das in der aktiven Schicht generiert wird, wird in
der aktiven Schicht in einem solchen Schichtenpaket eingeschlossen. Die oberste Schicht
aus GaAs ist in der Praxis stark dotiert und mit einer Elektrode versehen. Die oberste
Schicht und die darunter liegende Inp-haltige Schicht werden lokal weggeätzt, so daß in
diesen Schichten eine Rippe gebildet wird. Die oberste Schicht ist mit einer Elektrode
versehen. Im Betrieb wird über diese Elektrode ein elektrischer Strom durch die
Schichten geleitet, so daß in dem Abschnitt der aktiven Schicht, der unmittelbar unter der
Rippe liegt, Licht generiert wird. Bei einem Laser wird die Rippe in der obersten
Schicht und in der darunter liegenden Schicht gebildet. Eine hierzu entworfene
Schichtstruktur kann auch als Wellenleiter verwendet werden. In diesem Fall wird das Ätzen
häufig fortgesetzt, bis sich die Rippe auch in die unter der aktiven Schicht liegende
Schicht erstreckt. In die aktive Schicht geleitetes Licht wird dann in der aktiven Schicht
eingeschlossen, genauso wie im Fall der Laserdiode.
-
M.B Stern und P.F. Liao beschreiben in "Reaktive etching of GaAs und
InP using SiCl&sub4;", J. Vac. Sci. Technol. B 1(4), Okt.-Dez. 1983, S. 1053-1055, ein
Verfahren, bei dem eine Ätzmaske aus NiCr auf der Oberfläche von Schichten aus
GaAs und aus InP vorgesehen ist, woraufhin die Schichten in einem Plasma geätzt
werden, das in einer SiCl&sub4; und Ar enthaltenden Gasmischung erzeugt wird. Die
Zufügung von Ar zu der Gasmischung unterdrückt eine erneute Materialabscheidung aus dem
Plasma auf die zu ätzende Oberfläche. Die Zufügung von Ar führt außerdem zu
geätzten Rippen mit verhältnismäßig steilen Kanten.
-
In der Praxis hat sich gezeigt, daß der bekannte Ätzprozeß nicht
zufriedenstellend ist, wenn eine Rippe, wie vorstehend erwähnt, in der obersten Schicht aus
GaAs und in der darunter liegenden Schicht gebildet wird. Besonders beim Ätzen der
InP-haltigen Schicht entsteht eine sehr rauhe Oberfläche mit Hügeln und Mulden, die
örtlich ebenso hoch sind wie die in dieser Schicht gebildete Rippe selbst. Die Wände
der in der Schicht gebildeten Rippe sind auch rauh. Eine optoelektronische
Halbleiteranordnung, die den genannten gewünschten Lichteinschluß aufweist, kann mit dem
beschriebenen bekannten Verfahren nicht realisiert werden.
-
Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, ein Vefahren
zu verschaffen, mit dem den genannten Nachteilen entgegengewirkt wird. Das eingangs
erwähnte Verfahren ist hierzu dadurch gekennzeichnet, daß zu der Gasmischung, in der
das Plasma erzeugt wird, CH&sub4; hinzugefügt wird. Es zeigt sich, daß durch diese
Maßnahme beim Ätzen beider Schichten eine glatte Oberfläche erhalten wurde, insbesondere
beim Ätzen der InP-haltigen Schicht. Die Wände der in den Schichten gebildeten Rippe
sind auch glatt und steil. Eine optoelektronische Anordnung wird erhalten, die infolge
der Maßnahme den gewünschten Lichteinschluß aufweist. Es wird angenommen, daß bei
Verwendung des beschriebenen bekannten Verfahrens die Rauheit der Oberfläche der
geätzten InP-haltigen Schicht durch In-Niederschläge verursacht wird. Angenommen
wird, daß diese Niederschläge beim Ätzen der InP-haltigen Schicht zurückbleiben und
dann in sehr geringem Maß als Masken beim Ätzen dieser Schicht wirken. Die
Zufügung
von CH&sub4; zu der Gasmischung führt zur Bildung von Wasserstofftadikalen in dem
Plasma, die die Indiumniederschläge wegätzen.
-
Eine besonders glatte Oberfläche wird erhalten, wenn erfindungsgemäß
die InP-haltige Schicht von einer Schicht aus (AlxGa1-x)yIn1-yP, mit 0,5 < x < 0,8 und
0,4 < y < 0,6 gebildet wird. Dies gilt insbesondere, wenn 10 bis 40 Vol.-% CH&sub4; zu
der Gasmischung, in der das Plasma erzeugt wird, hinzugefügt wird. Wenn weniger als
Vol.-% CH&sub4; zu dem Plasma hinzugefügt wird, tritt häufig ein leichtes Aufrauhen der
geätzten Oberfläche auf, während ungewünschte Abscheidung von organischem Material
auf der Oberfläche auftritt, wenn mehr als 40 Vol.-% CH&sub4; zu der Gasmischung
hinzugefügt wird. Das genannte organische Material kann den Ätzprozeß örtlich in
unkontrollierter Weise behindern.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
-
Fig. 1 bis 3 schematisch und im Querschnitt einige Schritte bei der
Herstellung einer optoelektronischen Halbleiteranordnung, die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellt wird.
-
Fig. 1 bis 3 zeigen schematisch und im Querschnitt einige Schritte bei der
Herstellung einer optoelektronischen Halbleiteranordnung, in diesem Fall ein
Diodenlaser, wobei eine Oberfläche 1 eines Halbleiterkörpers 2, der aus einer Anzahl auf einem
Halbleitersubstrat 3 epitaktisch aufgewachsenen Schichten 4, 5, 6, 7 aus
Halbleitermaterial aufgebaut ist, mit einer an die Oberfläche grenzenden obersten Schicht 4 aus GaAs
und einer darunter liegenden InP-haltigen Schicht 5, in üblicher Weise mit einer
Ätzmaske 8 aus Photolack versehen wird.
-
Unter einer obersten Schicht 4 aus GaAs mit einer p-Dotierung von 10¹&sup9;
Zn-Atomen pro cm³ und einer Dicke von ungefähr 0,3 µm, gibt es dann beispielsweise
eine InP-haltige Schicht 5 aus (AlxGa1-x)yIn1-yP mit einer p-Dotierung von ungefähr
3.1017 Atomen pro cm³ und einer Dicke von ungefähr 1 µm. Darunter liegt eine
ungefähr 0,1 µm dicke undotierte Schicht 6 aus Ga0,5In0,5P, auch aktive Schicht genannt,
und eine ungefähr 1 µm dicke n-dotierte Schicht 7 aus (AlxGa1-x)yIn1-yP. Diese
Schichten
werden auf einem Substrat 3 aus n-dotiertem GaAs in üblicher Weise mit einem
MOVPE-Prozeß epitaktisch aufgewachsen.
-
Die aktive Schicht 6 mit einer Brechzahl von ungefähr 3,6 liegt zwischen
zwei Schichten 5 und 7 mit einer niedrigeren Brechzahl von ungefähr 3,3 eingeschlossen
(wenn 0,5 < x < 0,8 und 0,4 < y < 0,6). Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr
650 nm, das in der aktiven Schicht generiert worden ist, bleibt in der aktiven Schicht 6
in vertikaler Richtung eingeschlossen.
-
Die oberste Schicht 4 und die darunter liegende InP-haltige Schicht 5
werden lokal weggeätzt, so daß in der obersten Schicht 4 und der darunter liegenden
Schicht 5 eine Rippe 9 gebildet wird. Nach Entfernen der Ätzmaske 8 wird die stark
dotierte oberste Schicht 4 aus GaAs in üblicher Weise mit einer Platin-Elektrode 11
versehen. Im Betrieb wird über die Elektrode 11 ein elektrischer Strom durch die
Schichten geleitet, so daß in dem Abschnitt der aktiven Schicht 6, der unmittelbar unter
der Rippe 9 liegt, Licht generiert wird.
-
Ätzen der obersten Schicht 4 und der darunter liegenden Schicht 5 erfolgt
in einem Plasma, das in einer Gasmischung aus SiCl&sub4; und Ar erzeugt wird, der
erfindungsgemäß CH&sub4; hinzugefügt wird. Es zeigt sich, daß diese Zufügung von CH&sub4; beim
Ätzen beider Schichten 4 und 5 zur Bildung einer glatten Oberfläche führt, insbesondere
beim Ätzen der InP-haltigen Schicht 5. Die Wände 10 der in den Schichten 4 und 5
gebildeten Rippe 9 sind auch glatt und steil. Sie bilden mit der ursprünglichen
Oberfläche 1 einen Winkel von 70º bis 80º, wenn der Halbleiterkörper 2 beim Ätzen auf
einen wassergekühlten Träger gesetzt wird. Vorzugsweise wird jedoch der
Halbleiterkörper beim Ätzen auf eine Temperatur zwischen 100 und 150 ºC erhitzt. In diesem
Fall bilden die Wände 10 der Rippe 9 mit der ursprünglichen Oberfläche 1 einen
Winkel von nahezu 90º.
-
Durch die Zufügung von CH&sub4; zu der Gasmischung, in der das Plasma
gebildet wird, wird erreicht, daß eine optoelektronische Anordnung realisiert werden
kann, die den gewünschten Lichteinschluß aufweist. Es wird angenommen, daß die
Rauheit der Oberfläche der geätzten InP-haltigen Schicht 5 durch In-Niederschläge
verursacht werden könnte. Angenommen wird, daß diese Niederschläge beim Ätzen
dieser Schicht in sehr geringem Maß als Masken wirken können. Die Zufügung von
CH&sub4; zu der Gasmischung führt zur Bildung von Wasserstoffradikalen in dem Plasma,
die die Indiunmiederschläge wegätzen.
-
Eine besonders glatte Oberfläche wird erhalten, wenn erfindungsgemäß
die InP-haltige Schicht 5 von einer Schicht aus (AlxGa1-x)yIn1-yP, mit 0,5 < x < 0,8
und 0,4 < y < 0,6, gebildet wird. Dies gilt insbesondere, wenn 10 bis 40 Vol.-% CH&sub4;
zu der Gasmischung, in der das Plasma erzeugt wird, hinzugefügt wird. Wenn weniger
als 10 Vol.-% CH&sub4; zu dem Plasma hinzugefügt wird, tritt häufig noch immer ein
leichtes Auftauhen der geätzten Oberfläche auf, während eine ungewünschte Abscheidung
von organischem Material auf der Oberfläche auftritt, wenn mehr als 40 Vol.-% CH&sub4; zu
der Gasmischung hinzugefügt wird. Das genannte organische Material kann den
Ätzprozeß örtlich in unkontrollierter Weise verschiechtern.
AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Ein wie oben beschriebener Halbleiterkörper mit einer Schichtstruktur mit
einer ungefähr 0,3 µm dicken obersten Schicht aus GaAs mit einer p-Dotierung von
10¹&sup9; Zn-Atomen pro cm³ und einer darunter liegenden ungefähr 1 µm dicken Schicht
aus (AlxGa1-x)yIn1-yP, mit x = 0,6 und y = 0,5 und einer p-Dotierung von ungefähr
10¹&sup7; Atomen pro cm³ wurde in einem in einer Gasmischung mit 28 Vol.-% SiCl&sub4;,
22 Vol.-% CH&sub4;, und 50 Vol.-% Ar erzeugten Plasma geätzt. Das Plasma wurde
zwlschen zwei parallelen Platten erzeugt, die in einem Abstand von ungefähr 7 cm zuem
ander angeordnet waren und eine Oberfläche von ungefähr 200 cm² hatten. Das Plasma
wurde mit Hilfe einer einen Strom mit einer Frequenz von 13,57 MHz liefernden
Quelle erzeugt. Beim Ätzen wurde eine Energie von 100 W in dem Plasma verbraucht. Der
Halbleiterkörper war auf einer der Platten auf einer Quarzplatte positioniert, die beim
Ätzen mit Wasser gekühlt wurde. Die andere Platte war aus Graphit hergestellt. Eine
streifenförmige Maske mit einer Breite von 1,5 µm, die aus üblichem Photolack
hergestellt war, war auf der obersten Schicht vorhanden. Das Ätzen wurde gestoppt,
nachdem eine Rippe mit einer Höhe von ungefähr 1 µm gebildet worden war. Die Rippe
hatte plane Wände, die mit der ursprünglichen Oberfläche einen Winkel von 70º bis
80º einschlossen. Die geätzte Oberfläche der (AlxGa1-x)yIn1-yP-Schicht was glatt.
-
Wenn der Halbleiterkörper beim Ätzen auf eine Temperatur zwischen 100
und 150 ºC erhitzt wurde, bildeten die Wände 10 der Rippe 9 mit der ursprünglichen
Oberfläche 1 einen Winkel von praktisch 90º.
-
Ähnlich gute Ergebnisse wurden in Plasmen erhalten, die in
Gasmischungen mit i Vol.-% SiCl&sub4;, j Vol.-% CH&sub4; und 100-i-j Vol.-% Ar erreugt worden waren,
wobei i = 25 bis30 und j = 20 bis 25.