DE68920853T2

DE68920853T2 - Verfahren für das Wachstum von epitaxialen Schichten.

Info

Publication number: DE68920853T2
Application number: DE68920853T
Authority: DE
Inventors: Toshio Fujii; Adarsh Sandhu
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-11-28
Filing date: 1989-11-24
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2009-11-25
Also published as: EP0377281B1; DE68920853D1; US5476811A; EP0377281A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, und insbesondere auf ein Epitaxieverfahren zum Aufwachsen einer Vielzahl von Epitaxieschichten mit voneinander verschiedenen Eigenschaften auf einem gemeinsamen Substrat in einem kontinuierlichen Verfahren, das zur Herstellung einer Halbleiteranordnung geeignet ist, wie einer Laserdiode vom Streifentyp oder einer sogenannten Laserdiode mit Wellenleiter mit abgestuftem Index mit separat-Begrenzungs-Heterostruktur (GRIN-SCH), bei der eine aktive Schicht von Mantelschichten umgeben ist.
Laserdioden werden derzeit auf verschiedenen Gebieten verbreitet verwendet, wie in der optischen Telekommunikation, optischen Informationsspeicherung auf und Reproduktion von optischen Aufzeichnungsmedien, wie Compact Disks oder Laser Disks, optischen Messung verschiedener Größen, Steuerung verschiedener Systeme und dgl.
Bei den meisten dieser Anwendungen wird gegenwärtig eine sogenannte Laserdiode vom Streifentyp verwendet, bei der das Licht in einer streifenförmigen schmalen aktiven Schicht begrenzt wird, die vertikal und lateral von Mantelschichten umgeben ist. Durch das derartige Konstruieren einer Laserdiode wird eine effiziente Laseroszillation als Folge der Begrenzung des Lichts in einer derartig schmalen aktiven Zone realisiert.
Zur Begrenzung des Lichts in der aktiven Schicht ist es notwendig, die Mantelschichten mit einem niedrigen Brechungsindex derart zu bilden, daß die Mantelschichten die aktive Schicht umgeben. Dies bedeutet, daß die aktive Schicht nicht nur durch ein Paar von Mantelschichten, eine an der Oberseite und eine an der Unterseite, sandwichartig angeordnet ist, sondern auch lateral durch ein Paar von Mantelschichten begrenzt werden muß. Ferner ist es zur Verbesserung der Effizienz der Trägerinjektion erwünscht, daß der elektrische Strom oder in die aktive Schicht injizierte Träger lateral begrenzt werden, so daß die Träger auf einem Teil der Mantelschicht in Kontakt mit der aktiven Schicht konzentriert sind. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die Mantelschicht in Zonen mit unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen zu bilden.
Herkömmlich kann die Bildung derartiger Mantelschichten, welche die aktive Schicht lateral begrenzen, nicht gleichzeitig mit der Bildung der aktiven Schicht erfolgen. Ähnlich kann die Bildung einer Mantelschicht, die lateral in eine Vielzahl von Zonen mit unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen geteilt ist, nicht unmittelbar vor oder nach der Bildung der aktiven Schicht durchgeführt werden, ohne den Prozeß des Kristallwachstums zu unterbrechen. So wird bei der Bildung einer Struktur mit einer aktiven Schicht, die vertikal und lateral von Mantelschichten umgeben ist, in einem Epitaxiesystem zum epitaktischen Aufwachsen von Kristallschichten, wie einem Molekularstrahlepitaxie (MBE)- Kristallwachstumssystem, eine teilweise fertiggestellte Laserdiode einmal aus dem System herausgenommen und verschiedenen Verfahren, wie Tafelbergbildung, Isolatorfilmabscheidung, Ionenimplantation, Verunreinigungsdotierung und Diffusion, usw., unterworfen. Nachdem diese Verfahren vollendet sind, wird die Laserdiode zum Epitaxiesystem zur weiteren Bildung von Epitaxieschichten zurückgeführt. Klarerweise ist der Schritt des Entnehmens der teilweise fertiggestellten Laserdiode aus dem Epitaxiesystem für weitere Verfahren unerwünscht, da ein derartiger Schritt und andere Verfahren, die außerhalb des Epitaxiesystem durchgeführt werden, dazu tendieren, Defekte in der Laserdiode zu verursachen. Dadurch wird die Produktausbeute verringert.
In der Zwischenzeit gibt es eine sogenannte GRIN-SCH- Laserdiode mit einer dünnen aktiven Schicht aus Galliumarsenid (GaAs), die eine isolierte Quantenmulden-Struktur bildet. Bei dieser Laserdiode ist ein Paar von Mantelschichten aus Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) vorgesehen, um die aktive Schicht sandwichartig anzuordnen, und die Zusammensetzung der Mantelschicht ist derart graduell abgestuft, daß der Aluminium (Al)-Gehalt an einer Seite der Mantelschicht in Kontakt mit der aktiven Schicht niedrig ist, während sich der Gehalt mit zunehmender Distanz von der aktiven Schicht allmählich erhöht. Als Folge einer derartigen Konstruktion wird die Abnahme des optischen Begrenzungsfaktors, der die Effizienz der Begrenzung des Lichts in der aktiven Schicht angibt, verhindert, und damit wird die Konstruktion einer Laserdiode mit niedriger Schwellenstromdichte möglich.
Herkömmlich wurde eine derartige graduell abgestufte Mantelschicht, die bei der GRIN-SCH-Laserdiode verwendet wird, durch die Änderung der Durchflußrate eines Quellgases von Al in bezug auf jene von Gallium (Ga) mit dem Fortschreiten des Kristallwachstums der Mantelschicht gebildet, wenn die Mantelschicht durch eine metallorganische chemische Dampfabscheidungs (MOCVD)-Technik aufgewachsen wird. Wenn die Mantelschicht hingegen durch MBE aufgewachsen wird, werden die Temperatur einer Zelle zum Halten eines Al-Quellmaterials und die Temperatur einer Zelle zum Halten eines Ga-Quellmaterials geändert, so daß ein gewünschtes Zusammensetzungsprofil erhalten wird.
Bei der derzeit verfügbaren MOCVD- oder MBE-Technik besteht jedoch insofern ein Problem, als, obwohl diese Techniken eine zufriedenstellende Steuerung des Al-Gehalts vorsehen, solange die Zusammensetzung durch die gesamte Mantelschicht konstant ist, eine genaue Steuerung der Durchflußrate der Quellgase oder der Temperatur der Quellmaterialien in einem ausreichenden Ausmaß, um ein zufriedenstellendes Zusammensetzungsprofil vorzusehen, äußerst schwierig ist, da eine derartige Steuerung des Wachstums indirekt erfolgt und nicht direkt am Substrat durchgeführt wird, wo das Wachstum auftritt.
J. App. Phys., Bd.63, Nr.3, 1.2.88., S.743-748, offenbart eine MBE von Si-dotiertem GaAs gleichzeitig auf (100), (311)A und (311)B GaAs Substraten. Si wird primär als Donator für ein Wachstum auf (100) und (311)B Substraten, jedoch primär als Akzeptor für ein Wachstum auf (311)B Substraten eingeschlossen, wodurch die aufgewachsenen Schichten ein n-Typ bzw. p-Typ werden.
Appl. Phys. Lett., Bd.47, Nr.12, 15.12.85., S.1309- 1311, offenbart ein ähnliches MBE-Verfahren unter Verwendung von (100) und (111)A GaAs-Substraten, auf denen Si-dotiertes GaAs abgeschieden wird, um laterale n-p-n-Strukturen zu bilden.
Appl. Phys. Lett., Bd.50, Nr.17, 27.4.87., S.1149-1151, betrifft das Einschließen von Kohlenstoff bei einer MOCVD von AlGaAs-Filmen auf (100), (311)A und (311)B GaAs-Substraten. Es wird geoffenbart, daß eine minimale Kohlenstoff-Kontamination bei (311)B Substraten auftritt.
IBM T.D.B., Bd.31, Nr.2, Juli 1988, S.240, offenbart eine Laserstruktur, bei welcher eine aktive QW-GaAs-Schicht zwischen zwei AlGaAs-Mantelschichten eingebettet ist. Der zentrale Teil der GaAs-Schicht liegt auf einer (100) GaAs- Substratfläche, und als Spiegel dienende Endteile liegen auf (411) Flächen, wodurch eine reduzierte Dicke der Endteile bewirkt wird.
Die EP-A-0 261 262 offenbart einen Streifenlaser mit transversalem Übergang, der eine durch MBE abgeschiedene aktive GaAs-Schicht, die über (111)A und (100) Flächen eines GaAs-Substrats gebildet ist, aufweist, wobei p-n-Homoübergänge an den Schnittlinien dieser Flächen vorliegen.
Die WO-A-87/00694 offenbart eine Heterostrukturanordnung mit einem Tafelberg, der (100) und (111)A Flächen eines Gruppe III-V-Substrats aufweist. Der Tafelberg wird einem chemischen Gruppe III-V-Reagens ausgesetzt, um in Abhängigkeit vom verwendeten Gruppe V-Material Gruppe III-V-Schichten auf einer oder beiden Flächen zu bilden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung vorgesehen, welches ein Epitaxieverfahren zum gleichzeitigen Aufwachsen einer Vielzahl von Epitaxieschichten mit voneinander verschiedenen Eigenschaften auf einem gemeinsamen Substrat umfaßt, welches Verfahren die Schritte enthält: Bilden zumindest einer ersten Kristallfläche und einer zweiten Kristallfläche, die kristallographisch zueinander nicht äquivalent sind, auf dem genannten Substrat, und Einbringen von Teilchen, die Elementbestandteile der Epitaxieschichten umfassen, in eine Zone nahe beim Substrat;
dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Teilchen metallorganische Moleküle, welche die Epitaxieschichten bildende Elemente enthalten, umfassen, wobei das Verfahren die weiteren Schritte beinhaltet: Zersetzen der metallorganischen Moleküle, um das oder jedes Element darin freizusetzen, und Abscheiden der freigesetzten Elemente auf den genannten ersten und zweiten Kristallflächen, so daß eine erste Epitaxieschicht und eine zweite Epitaxieschicht, die sich voneinander in der chemischen Zusammensetzung unterscheiden, wobei jene chemischen Zusammensetzungen ausgeschlossen sind, die sich nur im Leitfähigkeitstyp unterscheiden, auf der ersten bzw. zweiten Kristallfläche aufgewachsen werden, und wobei im genannten Zersetzungs- und Abscheidungsschritt die Wachstumsrate der ersten und zweiten Epitaxieschicht durch die Einstellung der Temperatur und/oder des Dampfdrucks der genannten Elemente gesteuert wird, bei denen die Epitaxie auftritt, um die Zersetzungsrate der metallorganischen Moleküle und daher die Zufuhr der Elemente zur Bildung der Epitaxieschichten zu regulieren.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleiteranordnung vorgesehen, welches ein Epitaxieverfahren zum aufeinanderfolgenden Aufwachsen einer Vielzahl von Epitaxieschichten mit voneinander verschiedenen Eigenschaften auf einer Hauptoberfläche eines Substrats umfaßt, wobei die genannte Hauptoberfläche durch eine Kombination von drei Miller-Indizes repräsentiert wird, welches Verfahren die Schritte umfaßt:-
Einbringen von Teilchen, die Elementbestandteile der Epitaxieschichten umfassen, in eine Zone nahe beim Substrat, wobei die genannten Teilchen metallorganische Moleküle, welche die Epitaxieschichten bildende Elemente enthalten, umfassen;
Zersetzen der metallorganischen Moleküle, um das oder jedes Element darin freizusetzen; und
Abscheiden der freigesetzten Elemente auf dem genannten Substrat, so daß eine erste Epitaxieschicht und eine zweite Epitaxieschicht, die sich voneinander in der chemischen Zusammensetzung unterscheiden, aufeinanderfolgend auf dem Substrat aufgewachsen werden;
dadurch gekennzeichnet, daß im Abscheidungsschritt die Wachstumsrate der ersten und zweiten Epitaxieschichten durch die Einstellung der Temperatur, bei der die Epitaxie auftritt, gesteuert wird, um die Zersetzungsrate der metallorganischen Moleküle und daher die Zufuhr der Elemente zur Bildung der Epitaxieschichten zu regulieren, wodurch die ersten und zweiten Epitaxieschichten mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen aus den gleichen Teilchen gebildet werden.
Wie nachstehend detailliert erläutert, kann mittels der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Epitaxieschichten, die sich in der chemischen Zusammensetzung voneinander unterscheiden, gleichzeitig auf einem Substrat aufgewachsen werden, wobei die Epitaxiekristallschichten auch verschiedene Leitfähigkeitstypen aufweisen. Dies kann durch das Steuern der Temperatur des Wachstums (z.B. Substrattemperatur) oder des Dampfdrucks des (der) abgeschiedenen Elements (Elemente) erzielt werden.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Herstellung einer Laserdiode vor, mit einer aktiven Schicht, die lateral und vertikal von Mantelschichten umgeben ist, bei welchem Verfahren die Laserdiode in einem Epitaxiesystem erzeugt werden kann, ohne sie während des Herstellungsverfahrens aus dem System zu nehmen.
Mittels der vorliegenden Erfindung kann das Zusammensetzungsprofil einer graduell abgestuften Schicht genau zur Zeit des Wachstums der Schicht gesteuert werden. Beispielsweise kann eine Laserdiode mit einer GRIN-SCH-Struktur hergestellt werden, welche eine aktive GaAs-Schicht aufweist, die durch ein Paar von graduell abgestuften Schichten mit einer Zusammensetzung AlxGa1-xAs sandwichartig angeordnet wird, wobei der Al-Gehalt durch die graduell abgestuften Schichten mit einem genau gesteuerten Zusammensetzungsprofil allmählich geändert wird.
Wie nachstehend erläutert, wird bei einem weiteren Verfahren der Erfindung die Zusammensetzung einer auf einem GaAs-Substrat aufgewachsenen GaAlAs-Schicht, wobei entweder eine (311)A Fläche oder eine (311)B Fläche durch metallorganische Molekularstrahlepitaxie, bei der zumindest Al und Ga abgeschieden werden, freigelegt wird, durch das Regulieren der Temperatur des GaAs-Substrats gesteuert.
Ähnlich kann ein gewünschtes Zusammensetzungsprofil für graduell abgestufte GaAlAs-Schichten auf einem GaAs-Substrat erhalten werden, indem einfach die Temperatur des GaAs-Substrats gesteuert wird.
Anhand von Beispielen wird auf die beigeschlossenen Zeichnungen bezuggenommen, in denen:
Fig.1 eine schematische Ansicht ist, die ein metallorganisches Molekularstrahlepitaxie-Kristallwachsstumssystem zeigt, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig.2 eine graphische Darstellung ist, die eine Zusammensetzungsveränderung einer durch das System in Fig.1 auf verschiedenen Kristallflächen eines GaAs-Kristalls aufgewachsenen Epitaxieschicht zeigt, wenn die Wachstumstemperatur geändert wird;
Fig.3 eine Schnittansicht ist, die eine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellte Laserdiode zeigt;
Fig.4 eine Darstellung ist, die ein Zusammensetzungsprofil der Laserdiode in Fig.3 zeigt;
Fig.5 eine graphische Darstellung ist, die eine im System in Fig.1 verwendete Temperaturkurve zur Realisierung des Zusammensetzungsprofils in Fig.4 für die Laserdiode in Fig.3 zeigt;
Fig.6(A) bis (D) Darstellungen sind, die Schritte des Freilegens einer Kristallfläche, wie (311)A oder (311)B, auf einem Teil einer Hauptfläche eines GaAs-Substrats, das durch die (100) Kristallebene definiert wird, zeigen;
Fig.7 eine Schnittansicht ist, welche die Struktur einer gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellten Laserdiode zeigt;
Fig.8 eine graphische Darstellung ist, die eine Beziehung zwischen der Verunreinigungskonzentrationshöhe und dem As-Dampfdruck in verschiedenen Flächen einer auf einem Substrat aufgewachsenen Epitaxieschicht zeigt, wobei verschiedene Kristallflächen freigelegt werden;
Fig.9 eine Darstellung ist, welche die Beziehung in Fig.8 zusammenfaßt und eine Beziehung zwischen dem Leitfähigkeitstyp und As-Dampfdruck auf verschiedenen Kristallflächen des Substrats zeigt; und
Fig.10 eine Schnittansicht ist, die eine Laserdiode gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig.1 zeigt ein MBE-Kirstallwachstumssystem, das bei der vorliegenden Erfindung zum Aufwachsen von Kristallschichten verwendet wird. Mit Bezugnahme auf die Zeichnung umfaßt das System eine Reaktionskammer 10, die von einer Diffusionspumpe (nicht veranschaulicht) durch eine Abzugsleitung 12 evakuiert wird. In der Reaktionskammer 10 ist ein Halter 14 aus Molybdän vorgesehen, und ein GaAs-Substrat 16, auf dem das Wachstum der Epitaxieschichten erfolgen soll, wird vom Halter 14 gehalten. Der Halter 14 ist in einen Heizer 18 eingebettet, und die Temperatur des Substrats 16 wird durch das Steuern des elektrischen Stroms, der durch den Heizer 18 fließt, reguliert. Ferner sind eine hochenergetische Reflexionselektronenbeugungs (RHEED)-kanone 20 und ein entsprechender RHEED-Schirm 22 in der Kammer 10 in einem oberen bzw. einem unteren Teil zur Überwachung des Zustands der auf dem Substrat 16 aufgewachsenen Kristallschichten vorgesehen.
Zum Einbringen von Elementen, die auf dem Substrat abzuscheiden sind, für ein Epitaxie ist die Kammer 10 mit Zellen 24, 25, 26 und 27 versehen, wobei die erste Zelle 24 festes Beryllium enthält, das als Quelle von Be, einem p-Typ-Dotierungsmittel, dient, und die dritte Zelle 26 enthält festes Arsen, das als As-Quelle dient. Ferner sind ein Rohr 25a zum Einbringen von Triethylaluminium (TEA), einem gasförmigen Al-Quellmaterial, und ein Rohr 25b zum Einbringen von Trietyhlgallium (TEG), einem gasförmigen Ga-Quellmaterial, in der zweiten Zelle 25 vorgesehen. Die Menge an TEA und TEG in der Reaktionskammer 10 wird durch Ventile 25c und 25d eingestellt, die mit den Rohren 25a bzw. 25b verbunden sind. Außerdem enthält die vierte Zelle 27 festes Silicium (Si) als Quelle von Si, das üblicherweise als n-Typ-Dotierungsmittel dient. Ferner ist jede Zelle 24 bis 26 mit Schiebern 28 bis 31 versehen, um die Zufuhr der Quellmaterialien oder Elemente in die Reaktionskammer 10 zu steuern.
Ferner ist die Innenfläche der Reaktionskammer 10 mit Ausnahme der Abzugsleitung 12, der RHEED-Kanone 20, des RHEED-Schirms 22 und der Zellen 24 bis 27 mit einer flüssigen Stickstoffhülle 32 bedeckt.
Unter Verwendung des Kristallwachstumssystems in Fig.1 führten die Anmelder der vorliegenden Erfindung Forschungen über das Aufwachsen von GaAlAS-Epitaxieschichten mit der Zusammensetzung AlxGa1-xAs auf dem GaAs-Substrat 16 mit interessanten Ergebnissen durch, wie mit Bezugnahme auf Fig.2 beschrieben wird.
Zuerst werden die in den Forschungen durchgeführten Versuche beschrieben. In einem Versuch wurden ein GaAs-Substrat mit einer (100) Fläche und zwei andere GaAs-Substrate, eines mit einer (311)A Fläche und eines mit einer (311)B Fläche, hergestellt. Jedes Substrat wurde auf dem Halter 14 des Systems in Fig.1 als Substrat 16 gehalten, und vom Heizer 18 auf eine vorherbestimmte Temperatur erhitzt. Während des Erhitzens wurden die Schieber 29 und 30 geöffnet, und die beiden Ventile 25c und 25d wurden geöffnet. Dementsprechend wurde eine GaAlAs-Epitaxieschicht mit der Zusammensetzung AlxGa1-xAS auf dem Substrat 16 aufgewachsen.
Fig.2 zeigt den Zusammensetzungsparameter x, der den Al- Gehalt als Funktion der zum Aufwachsen der GaAlAs-Schicht verwendeten Temperatur repräsentiert. Es ist zu beachten, daß das Wachstum unter einem auf 2,26 mPa (1,7 x 10&supmin;&sup5; Torr) eingestellten As-Dampfdruck erfolgte.
Fig.2 zeigt das Ergebnis des Versuchs für jede Kristallfläche (100), (311)A und (311)B. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ändert sich der Al-Zusammensetzungsparameter x mit der Wachstumstemperatur nicht signifikant, wenn die Epitaxieschicht auf der (100) Fläche des Substrats aufgewachsen wird. Wenn die Epitaxieschicht hingegen auf der (311)A Fläche aufgewachsen wird, ergibt sich eine starke Korrelation zwischen dem Zusammensetzungsparameter x und der Wachstumstemperatur, so daß der Zusammensetzungsparameter x ansprechend auf die Erhöhung der Wachstumstemperatur von etwa 520ºC auf etwa 630ºC von etwa 0,1 auf etwa 0,27 zunimmt. Wenn die Epitaxieschicht ferner auf der (311)B Fläche aufgewachsen wird, sinkt der Zusammensetzungsparameter x ansprechend auf die Wachstumstemperaturerhöhung von etwa 520ºC auf etwa 630ºC von etwa 0,22 auf 0,05.
Das Ergebnis in Fig.2 legt nahe, daß durch die geeignete Steuerung der Wachstumstemperatur während der Epitaxie einer GaAlAs-Schicht auf der (311)A oder (311)B Fläche eines GaAs-Substrats eine Halbleiteranordnung konstruiert werden kann, die eine graduell abgestufte GaAlAs-Schicht mit einem gewünschten Zusammensetzungsprofil aufweist.
Als nächstes wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für eine GRIN-SCH-Laserdiode beschrieben, bei der die vorhergehende Entdeckung verwendet wird.
Fig.3 zeigt eine Schnittansicht einer GRIN-SCH-Laserdiode, die gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellt wird. Mit Bezugnahme auf Fig.3 wird die Laserdiode zuerst durch das Halten eines GaAs-Substrats 40 auf dem Halter 14 des Systems in Fig.1 und Erhitzen des Substrats auf 630ºC gebildet. In dieser Ausführungsform legt das GaAs- Substrat 40 die (311)A Fläche frei. Als nächstes werden die Schieber 29 bis 31 geöffnet, und gleichzeitig wird das Ventil 25d geöffnet. Dementsprechend werden Ga und As zusammen mit Si, das als n-Typ-Dotierungsmittel dient, in die Reaktionskammer eingebracht, und eine GaAs-Pufferschicht 42 vom n-Typ wird epitaktisch in einer Dicke von etwa 3 um auf dem Substrat aufgewachsen. Ferner wird das Ventil 25c zum Einbringen von TEA geöffnet, und eine n-Typ-Mantelschicht 44 aus Al0,3Ga0,7As wird bei der gleichen Temperatur in einer Dicke von etwa 1,3 um auf der Pufferschicht 42 gebildet.
Nach der Bildung der Mantelschicht 44 wird die Temperatur des Substrats 40 gemäß einer in Fig.5 dargestellten Kurve A für ein Zeitintervall, das von einem Moment t1 zu einem Moment t2 reicht, gesteuert, während die Epitaxie fortgesetzt wird. Es ist zu beachten, daß Fig.5 ein für die Epitaxie der graduell abgestuften Schichten in der Laserdiode verwendetes Temperaturprofil zeigt. So wird im ersten Moment t1 die Temperatur des Substrats 40 auf 630ºC gesetzt, und die Temperatur wird allmählich gemäß der Kurve A gesenkt, während das Wachstum fortschreitet, bis der Moment t2 erreicht ist, in dem die Temperatur auf 560ºC gesetzt wird. Durch die Festlegung der Zeitskala zwischen dem Moment t1 und dem Moment t2 mit 40 Minuten wird eine graduell abgestufte Schicht 46 aus n-Typ-AlxGa1-xAs in einer Dicke von 0,2 um mit einem Zusammensetzungsprofil, bei dem sich der Parameter x allmählich von 0,30 auf 0,18 ändert, aufgewachsen.
Nachdem die graduell abgestufte Schicht 46 aufgewachsen ist, werden der Schieber 31 und das Ventil 25c geschlossen. Folglich wird eine dünne, undotierte, aktive GaAs-Schicht 48 auf der graduell abgestuften Schicht 46 in einer Dicke von etwa 3 bis 10 nm aufgewachsen. Die Temperatur für das Wachstum der aktiven Schicht kann von der vorhergehenden Temperatur von 560ºC verschieden sein.
Als nächstes wird das Ventil 25c wiederum geöffnet, und der Schieber 28 wird zum Einbringen des p-Typ-Dotierungsmittels Be geöffnet. Ferner wird, während die Temperatur entlang der Kurve A von einem Moment t3 zu einem Moment t4 allmählich von 560ºC auf 630ºC erhöht wird, eine graduell abgestufte AlGaAs-Schicht 50 vom p-Typ mit der Zusammensetzung AlxGa1-xAs mit einem umgekehrten Zusammensetzungsprofil verglichen mit der graduell abgestuften Schicht 46 auf der aktiven GaAs-Schicht 48 vom p-Typ in einer Dicke von etwa 0,2 um aufgewachsen. Es ist zu beachten, daß das Zeitintervall zwischen dem Moment t3 und dem Moment t4 identisch ist mit jenem zwischen dem Moment t1 und dem Moment t2, und so ist die zum Aufwachsen der graduell abgestuften Schicht 50 verwendete Temperaturkurve die Umkehr des Teils der Kurve A zwischen dem Moment t1 und dem Moment t2.
Ferner wird eine weitere Mantelschicht 52 aus p-Typ- GaAlAs mit der Zusammensetzung Al0,3Ga0,7As auf der Schicht 50 in einer Dicke von etwa 1,3 um aufgewachsen, während die Temperatur des Substrats 40 bei 630ºC gehalten wird. Außerdem wird das Ventil 25c geschlossen, und eine p-Typ-GaAs- Schicht 54 wird auf der p-Typ-Schicht 52 in einer Dicke von etwa 0,3 um aufgewachsen, und die GRIN-SCH-Laserdiode ist fertiggestellt.
Fig.4 zeigt die Energiebandstruktur der GRIN-SCH-Laserdiode, die wie beschrieben hergestellt wird. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, wird die Energielücke zwischen dem Leitungsband Ec und dem Valenzband Ev allmählich in Entsprechung zur allmählichen Zusammensetzungsveränderung der graduell abgestuften Schichten 44 und 52 geändert. Zusammen mit der allmählichen Änderung der Bandstruktur an sich ändert sich auch der Brechungsindex allmählich, und es wird eine wirksame Begrenzung von Photonen sowie Trägern in der aktiven Schicht erzielt.
Das vorhergehende Verfahren kann ähnlich bei dem Fall verwendet werden, wenn das GaAs-Substrat 40 die frei liegende (311)B Fläche aufweist, und das Wachstum der Epitaxieschichten auf dieser (311)B Fläche erfolgt, außer daß die zum Aufwachsen der graduell abgestuften Schichten 46 und 50 eingesetzte Temperaturkurve nicht die Kurve A ist, sondern stattdessen eine andere, ebenfalls in Fig.5 gezeigte Kurve B verwendet wird. So wird im ersten Moment t1 die Temperatur des Substrats 40 auf 520ºC gesetzt, und die Temperatur wird mit dem Wachstum der Schicht 46 allmählich auf 620ºC erhöht, ausgehend vom Moment t1. Ansprechend auf die Epitaxie, die an sich in einer Dicke von etwa 0,2 um erfolgt, ändert sich der Zusammensetzungsparameter x der graduell abgestuften Schicht 46 allmählich von 0,23 auf 0,05. Wenn die graduell abgestufte Schicht 50 auf der aktiven Schicht 48 aufgewachsen wird, fällt hingegen die Temperatur des Substrats 40 oder die Temperatur der Epitaxie entlang der Kurve B von 620ºC im Moment t3 auf 520ºC im Moment t4. Ansprechend auf das Wachstum wird ein Zusammensetzungsprofil im Bereich von 0,05 bis 0,23 für die graduell abgestufte Schicht 50 erhalten.
Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die erste Ausführungsform eine genaue Steuerung des Zusammensetzungsprofils der Epitaxieschicht durch die Regulierung der Temperatur des Substrats. Es ist zu beachten, daß die Substrattemperatur mittels der Steuerung des durch den Heizer 18 fließenden Stroms genau reguliert werden kann.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, Gemäß der zweiten Ausführungsform wird die (100) Fläche eines GaAs-Substrats durch Ätzen mit Rillen versehen, so daß eine (311)A Fläche oder eine (311B) Fläche aus GaAs-Kristall zusätzlich zur (100) Fläche freigelegt wird, und eine Epitaxie von GaAlAs- Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen gleichzeitig auf den verschiedenen Kristallflächen erfolgt.
Fig.6(A) bis (D) zeigen eine Serie von Schritten zum Freilegen der (311)A Fläche oder der (311)B Fläche durch Ätzen. Mit Bezugnahme auf die Zeichnung wird ein durch die (100) Fläche definiertes GaAs-Substrat 60 in einem Schritt in Fig.6(A) hergestellt, und das so erzeugte Substrat 60 wird gänzlich mit einer Maskenschicht 62 bedeckt, die Siliciumoxid oder Siliciumnitrid umfassen kann. Als nächstes wird die Maskenschicht 62 gemustert, so daß ein Teil der Schicht 62, welcher der Zone entspricht, in der eine die (311)A oder (311)B Fläche freilegende Rille zu bilden ist, photolithographisch entfernt wird. Folglich wird eine in Fig.6(B) gezeigte Struktur erhalten. Ferner wird die Struktur in Fig.6(B) einem anisotropen Ätzen unter Verwendung einer Mischung von Phosphorsäure (H&sub3;PO&sub4;), Wasserstoffperoxid (H&sub2;O&sub2;) und Wasser (H&sub2;O) mit einem Mischverhältnis von 50:1:50 unterworfen. Die obige Mischung wirkt anisotrop auf die freiliegende (100) Fläche, und daher wird eine in Fig.6(C) dargestellte Struktur, in der eine die (311)A oder (311)B Fläche freilegende Rille gebildet ist, erhalten, wie in Fig.6(C) gezeigt. Nachdem die Fläche (311)A oder (311)B freiliegt, wird die Maskenschicht 62 entfernt, und das Substrat 60, wie in Fig.6(D) dargestellt, wird erhalten.
Das so erhaltene Substrat 60 wird in das metallorganische Molekularstrahlepitaxie-Kristallwachstumssystem in Fig.1 als Substrat 16 eingebracht, und die Abscheidung von GaAlAs wird ähnlich wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt. Dadurch werden die Zusammensetzung der auf der (100) Fläche aufgewachsenen GaAlAs-Schichten und die Zusammensetzung der auf der (311)A und (311)B Fläche aufgewachsenen aus dem mit Bezugnahme auf Fig.2 bereits beschriebenen Grund unterschiedlich.
So wird, wenn das Substrat 60 die (100) Fläche und die (311)A Fläche freilegt, eine GaAlAs-Kristallschicht mit der Zusammensetzung Al0,25Ga0,75As auf der (100) Fläche des Substrats aufgewachsen, während eine GaAlAs-Kristallschicht mit der Zusammensetzung Al0,1Ga0,9As auf der (311)A Fläche aufgewachsen wird, indem die Temperatur des Substrats auf 520ºC gesetzt wird. Wenn das Substrat 60 die (311)B Fläche zusätzlich zur (100) Fläche freilegt, wird hingegen eine GaAlAs- Kristallschicht mit der Zusammensetzung Al0,32Ga0,68As auf der (100) Fläche aufgewachsen, und gleichzeitig wird eine GaAlAs-Kristallschicht mit der Zusammensetzung Al0,05Ga0,95As auf der (311)B Fläche aufgewachsen, vorausgesetzt, daß die Temperatur des Substrats 60 auf 630ºC eingestellt wird.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung einer Laserdiode vom Streifentyp unter Verwendung des vorhergehenden Epitaxieverfahrens mit Bezugnahme auf Fig.7 beschrieben.
Zuerst wird ein mit der (100) Fläche definiertes GaAs- Substrat 70 einem anisotropen Ätzen ähnlich den mit Bezugnahme auf Fig.6(A) bis (D) beschriebenen Verfahren ausgesetzt, so daß die (311)A oder (311)B Fläche entlang einem streifenartigen Teil, der auf der (100) Fläche verläuft, freigelegt wird. Nachstehend erfolgt eine Beschreibung für einen Fall, in dem die (311)B Fläche entlang dem streifenartigen Teil auf der (100) Fläche des Substrats 70 freigelegt wird.
Das als solches hergestellte Substrat 70 wird zuerst in das Epitaxiesystem in Fig.1 eingebracht, wo das Substrat 70 auf dem Halter 14 ähnlich dem Substrat 16 gehalten wird. Als nächstes wird der Heizer 18 mit Energie versorgt, so daß die Temperatur des Substrats 70 bei 520ºC gehalten wird, und die Schieber 29 bis 31 werden geöffnet. Gleichzeitig wird das Ventil 25d geöffnet, und eine Pufferschicht 72 aus n&spplus;-Typ- GaAs wird epitaktisch in einer Dicke von etwa 2 um auf dem Substrat 70 aufgewachsen. In der Pufferschicht 72 wird die Verunreinigungskonzentrationshöhe auf etwa 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ reguliert. Es ist zu beachten, daß die so auf dem Substrat 70 aufgewachsene Pufferschicht 72 eine (100) Oberfläche und eine (311)B Oberfläche in Entsprechung zum Substrat 70 freilegt.
Als nächstes wird die Temperatur des Substrats 70 bei 520ºC gehalten, und zusätzlich wird das Ventil 25c geöffnet. Folglich wird eine Mantelschicht 74 von etwa 1,5 um aus n-Typ-GaAlAs auf der Pufferschicht 72 aufgewachsen. Da die Temperatur des Substrats auf 520ºC gesetzt wird, ist die Zusammensetzung der GaAlAs-Schicht 74 zwischen einem auf der (100) Fläche aufgewachsenen Teil der Schicht 74 und einem auf der (311)B Fläche aufgewachsenen Teil nicht wesentlich unterschiedlich (siehe Fig.2). So ist die Zusammensetzung der Schicht 74 gleichmäßig, und sie weist die Zusammensetzung Al0,25Ga0,75As auf. Die Verunreinigungskonzentrationshöhe der Schicht 74 beträgt etwa 3 x 10¹&sup7; cm&supmin;³. Da die Schicht 74 epitaktisch aufgewachsen wird, wird die Schicht 74 durch eine (100) Oberfläche, die der (100) Oberfläche der Pufferschicht 72 entspricht, und durch eine (311)B Oberfläche, die der (311)B Oberfläche des Puffers 72 entspricht, definiert.
Als nächstes wird die Temperatur des Substrats auf etwa 630ºC angehoben, indem der durch den Heizer 18 fließende Strom erhöht wird. Wenn die Temperatur 630ºC erreicht hat, wird der Schieber 31 geschlossen, und eine Epitaxieschicht 76 aus p-Typ-GaAlAs wird auf der Mantelschicht 74 in einer Dicke von etwa 0,1 um aufgewachsen. Da die Temperatur auf 630ºC gesetzt wird, ist die Zusammensetzung der Epitaxieschicht 76 zwischen einem die (100) Oberfläche bedeckenden Teil 76a und einem die (311)B Oberfläche der Mantelschicht 574 bedeckenden Teil 76b unterschiedlich (siehe Fig.2). So hat der auf der (100) Fläche der Mantelschicht 74 gebildete Teil 76a die Zusammensetzung Al0,05Ga0,68As, während der auf der (311)B Fläche der Mantelschicht 74 gebildete Teil 76b die Zusammensetzung Al0,05Ga0,95As aufweist. Da der Teil 76a mit einem erhöhten Al-Gehalt verglichen mit dem Teil 76b einen reduzierten Brechungsindex verglichen mit dem Teil 76b zeigt, dient der Teil 76a als optische Begrenzungsschicht zur Begrenzung optischer Strahlung im Teil 76b, der seinerseits als aktive Schicht dient. Es ist zu beachten, daß die aktive Schicht 76b eine eingeschränkte Breite aufweist und entlang der streifenartigen (311)B Fläche, die auf dem Substrat 70 definiert ist, verläuft. So wird eine Struktur, in der die aktive Schicht 76b lateral durch ein Paar von optischen Begrenzungsschichten 76a begrenzt wird, durch einen einzelnen Schritt des Aufwachsens der Schicht 76 erhalten.
Als nächstes wird die Temperatur des Substrats 70 auf die vorherige Temperatur von 520ºC reduziert, und eine p-Typ-GaAlAs-Schicht 78 mit der Zusammensetzung Al0,25Ga0,75As wird auf der Epitaxieschicht 76 aufgewachsen. Es ist zu beachten, daß es keinen wesentlichen Unterschied der Zusammensetzung zwischen einem die optische Begrenzungsschicht 76a bedeckenden Teil der Schicht 78 und einem die aktive Schicht 76b bedeckenden Teil der Schicht 78 zu eben scheint, da das Wachstum der Schicht 78 bei 520ºC durchgeführt wird. Die Schicht 78 wird in einer Dicke von etwa 1,5 um mit einer Verunreinigungskonzentrationshöhe von etwa 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ aufgewachsen.
Als nächstes wird das Ventil 25c geschlossen, während die Temperatur des GaAs-Substrats 70 bei 520ºC gehalten wird, und eine p&spplus;-Typ-GaAs-Schicht 80 mit einer Verunreinigungskonzentrationshöhe von etwa 1 x 10¹&sup9; cm&supmin;³ wird in einer Dicke von etwa 0,5 um auf der Schicht 78 aufgewachsen. So wird die Laserdiode, in der die aktive Schicht 76b vertikal und lateral von Mantelschichten 74, 78 und 76a umgeben ist, erhalten.
Die so erhaltene Laserdiode hat insofern einen Vorteil, als das Licht wirksam in der aktiven Schicht begrenzt wird, die vertikal und lateral von den Mantel schichten umgeben ist, und die Oszillationseffizienz wird erhöht. Das besonders wichtige Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß die Laserdiode mit einem derartigen vorteilhaften Merkmal hergestellt wird, ohne daß die teilweise fertiggestellte Laserdiode aus dem Epitaxie-Kristallwachstumssystem in Fig.1 während des Herstellungsschritts herausgenommen wird.
Bei der Konstruktion der streifenartigen Laserdiode auf dem Substrat 70, in dem die (311)A Fläche anstatt der(311)B Fläche freiliegt, ist grundsätzlich ein identisches Verfahren verwendbar, ausgenommen die Steuerung der Temperatur des Substrats 70. So wird das Wachstum der Schichten 72, 74, 78 und 80 bei 630ºC durchgeführt, während das Wachstum der p-Typ-Epitaxieschicht 76 bei 520ºC erfolgt. Wie aus Fig.2 ersichtlich ist, sind die so aufgewachsene n-Typ-GaAlAs-Mantelschicht 74 und die p-Typ-GaAlAs-Mantelschicht 78 homogen, und die Zusammensetzung ist Al0,3Ga0,7As, egal ob die Schicht auf der (100) Fläche oder auf der (311)A Fläche aufgewachsen wird, wohingegen die auf der Mantelschicht 74 aufgewachsene Epitaxieschicht 76 vom p-Typ heterogen ist, so daß der erste Teil 76a davon auf der (100) Fläche der darunterliegenden Mantelschicht ?4 die Zusammensetzung Al0,1Ga0,9As erhält, und der zweite Teil 76b auf der (311)A Fläche der Schicht 74 die Zusammensetzung Al0,05Ga0,95As erhält, ähnlich wie bei der vorhergehenden Ausführungsform. So dient der zweite Teil 76b als aktive Schicht, und der erste Teil 76a dient als optische Begrenzungsschicht oder Mantelschicht. Mit anderen Worten wird eine Laserdiode mit einer mit der vorhergehenden Ausführungsform identischen Struktur erhalten.
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit Ergebnissen von Forschungen beschrieben, die von den Anmeldern über das Aufwachsen einer Epitaxieschicht aus GaAs, dotiert mit 51, auf verschiedenen Kristallflächen eines GaAs-Substrats durchgeführt wurden, wobei der As-Dampfdruck geändert wurde. Bei den vorliegenden Forschungen wurden Substrate, welche die (100) Fläche, (110) Fläche, (111)A Fläche, (111)B Fläche, (311)A Fläche und (311)B Fläche freilegen, verwendet.
In den Versuchen wurde jedes Substrat auf dem Halter 14 des Kristallwachstumssystem in Fig.1 als Substrat 16 gehalten, und die Schieber 29, 30 und 31 wurden geöffnet. Gleichzeitig wurde das Ventil 25a geöffnet, und die Zellen 26 und 27 wurden erhitzt. Folglich wurde eine GaAs-Epitaxieschicht auf dem Substrat 16 aufgewachsen. Während des Wachstums wurde die Temperatur des Substrats 16 bei 580ºC gehalten, und die Durchflußrate von TEG wurde konstant gehalten.
Fig.8 zeigt eine Beziehung zwischen der Verunreinigungskonzentrationshöhe der so auf dem Substrat aufgewachsenen Epitaxieschicht und dem für das Wachstum verwendeten As-Dampfdruck. In Fig.8 werden die auf verschiedenen Kristallflächen aufgewachsenen Epitaxieschichten durch verschiedene Symbole unterschieden, und der Leitfähigkeitstyp der erhaltenen Epitaxieschicht ist ebenfalls angegeben. Wie aus Fig.8 hervorgeht, wird der Leitfähigkeitstyp der Epitaxieschicht durch den zur Zeit des Wachstums der Epitaxieschichten verwendeten As-Dampfdruck geändert. Eine derartige Änderung des Leitfähigkeitstyps tritt als Folge des Eindringens von Si in die Ga-Stelle oder in die As-Stelle auf. So wird, wenn Si in die Ga-Stelle eintritt, Si negativ aufgeladen und dient als Donator, während, wenn Si in die As-Stelle eintritt, Si positiv aufgeladen wird und als Akzeptor dient.
Fig.9 faßt das Ergebnis in Fig.8 in einer Form zusammen, die leichter verständlich ist. Ähnlich Fig.8 gilt die in dieser Zeichnung gezeigte Beziehung für den Fall, in dem das Wachstum bei 580ºC erfolgt. Wie aus Fig.9 ersichtlich ist, tendiert die Epitaxieschicht dazu, die p-Typ-Leitfähigkeit in einer relativ niedrigen As-Dampfdruckzone zu zeigen, wohingegen eine Tendenz des Auftretens des n-Typs besteht, wenn der As-Dampfdruck erhöht wird. Der kritische As-Dampfdruck, bei dem der Übergang zwischen dem p-Typ und dem n-Typ auftritt, ändert sich in Abhängigkeit von der Kristallfläche des Substrats, auf der das Wachstum durchgeführt wird. So tritt der Übergang vom p-Typ zum n-Typ bei einem As-Druck von etwa 1,3 mPa (1 x 10&supmin;&sup5; Torr) auf, wenn die Epitaxieschicht auf der (100), (110) oder (111)A Fläche aufgewachsen wird, während der Übergang bei etwa 4 mPa (3 x 10&supmin;&sup5; Torr) auftritt, wenn die Epitaxieschicht auf der (311)A Fläche aufgewachsen wird. Wenn die Epitaxieschicht auf der (111)B Fläche oder auf der (311)B Fläche aufgewachsen wird, bleibt der Leitfähigkeitstyp der n-Typ über den gesamten vorhergehenden Dampfdruckbereich.
Ferner wird angenommen, daß die Änderung des Leitfähigkeitstyps nicht nur vom As-Dampfdruck allein abhängt, sondern außerdem von der Ga-Zufuhrrate abhängig ist. So wird der Leitfähigkeitstyp der auf dem GaAs-Substrat aufgewachsenen GaAs-Epitaxieschicht letztlich durch das Verhältnis des Arsen-Dampfdrucks und der Ga-Zufuhrrate bestimmt.
Unter Verwendung der obigen Entdeckung ist es möglich, Epitaxieschichten mit unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen auf dem gleichen Substrat aufzuwachsen, indem der As-Dampfdruck richtig ausgewählt wird, und indem das Substrat bearbeitet wird, so daß das Substrat verschiedene Kristallflächen freilegt. Das Verfahren zum Freilegen der (311)A oder (311)B Fläche auf der (100) GaAs-Fläche wurde bereits mit Bezugnahme auf Fig.6(A) bis (D) beschrieben. So können eine p-Typ-Epitaxieschicht aus GaAs auf der (311)A Fläche und gleichzeitig eine n-Typ-Epitaxieschicht aus GaAs auf der (100), (110), (111)A, (111)B oder (311)B Fläche des Substrats aufgewachsen werden, indem der Dampfdruck auf etwa 1,3 bis 2,7 mPa (1 bis 2 x 10&supmin;&sup5; Torr) gesetzt wird. In diesem Fall kann eine Schicht mit hohem spezifischen Widerstand auf der (111)A Fläche gebildet werden. Wenn der Arsen-Dampfdruck niedriger eingestellt wird als der obige Wert von etwa 1,3 mPa (1 x 10&supmin;&sup5; Torr), wird hingegen die p-Typ-GaAs- Epitaxieschicht auf der (100), (110), (111)A oder (311)A Fläche aufgewachsen, und gleichzeitig wird die n-Typ-GaAs- Schicht auf der (111)B oder (311)B Fläche aufgewachsen.
Ferner ist es durch das Kombinieren des Ergebnisses in Fig.2, welche die Zusammensetzungsveränderung der auf einem Substrat aufgewachsenen Epitaxieschicht als Funktion der Temperatur des Substrats zeigt, möglich, eine GaAlAs-Epitaxieschicht mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und verschiedenen Leitfähigkeitstypen auf einem einzelnen GaAs- Substrat aufzuwachsen, indem die Temperatur des Kristallwachstums und der As-Dampfdruck gesteuert werden.
Als nächstes wird mit Bezugnahme auf Fig.10 das Verfahren zur Herstellung einer streifenartigen Laserdiode beschrieben, bei welchem die obigen Ergebnisse verwendet werden.
In einem ersten Schritt wird ein p&spplus;-Typ-Substrat 90 hergestellt, so daß das Substrat durch die (100) Fläche definiert wird, außer einer schmalen, streifenartigen Zone, in der die (311)A Fläche durch Ätzen ähnlich dem Fall der Laserdiode in Fig.7 freigelegt wird. Das Substrat 90 wird in das metallorganische Molekularstrahlepitaxiesystem in Fig.1 eingebracht, und wird auf den Halter 14 als Substrat 16 gesetzt. Ferner wird die Temperatur des Substrats 16 vom Heizer 18 bei etwa 630ºC reguliert, und die Schieber 29, 30 und 31 werden geöffnet. Außerdem wird das Ventil 25d geöffnet, wobei das Ventil 25c geschlossen bleibt. Folglich werden Ga, As und Si in die Reaktionskammer 10 eingebracht, und eine Pufferschicht 92 aus GaAs wird epitaktisch in einer Dicke von etwa 2 um auf dem Substrat 90 aufgewachsen. Während dieses Schritts wird der As-Dampfdruck bei etwa 2,3 mPa (1,7 x 10&supmin;&sup5; Torr) gehalten, und ein auf der (100) Fläche des Substrats 90 aufgewachsener Teil 92a der Pufferschicht 92 wird n-Typ-dotiert, während ein auf der (311)A Fläche aufgewachsener Teil 92b p-Typ-dotiert wird. Es ist zu beachten, daß der Pufferschichtteil 92a mit einer (100) Oberfläche definiert wird, und der Pufferschichtteil 92b mit einer (311)A Oberfläche definiert wird. Im obigen Schritt ist zu beachten, daß der Pufferschichtteil 92a und der Pufferschichtteil 92b gleichzeitig zur Zeit des Aufwachsens der Pufferschicht 92 aufgewachsen werden.
Als nächstes wird der As-Dampfdruck bei etwa 2,3 mPa (1,7 x 10&supmin;&sup5; Torr) gehalten, und das Ventil 25c wird geöffnet, während die Temperatur des Substrats 90 bei 630ºC gehalten wird. Dementsprechend wird eine GaAlAs-Mantelschicht 94 mit der Zusammensetzung AlxGa1-xAS in einer Dicke von etwa 1,5 um auf der darunterliegenden Pufferschicht 92 aufgewachsen. Da die Temperatur des Substrats bei 630ºC gehalten wird, ist die Zusammensetzung der Mantelschicht 94 gleichmäßig und wird durch Al0,32Ga0,68As repräsentiert. Da das Wachstum bei einem Arsen-Dampfdruck von 2,3 mPa (1,7 x 10&supmin;&sup5; Torr) durchgeführt wird, geht ferner aus Fig.9 hervor, daß ein auf der (100) Oberfläche des Pufferschichtteils 92a aufgewachsener Teil 94a n-Typ-dotiert wird, während ein auf der (311)A Oberfläche des Pufferschichtteils 92b aufgewachsener Teil 94b der Pufferschicht 94 p-Typ-dotiert wird. Es ist zu beachten, daß der Mantelschichtteil 94a durch eine (100) Oberfläche definiert wird, und der Mantelschichtteil 94b durch eine (311)A Oberfläche definiert wird. Der Mantelschichtteil 94a und der Mantelschichtteil 94b werden gleichzeitig aufgewachsen, wenn die Mantelschicht 94 auf die Pufferschicht 92 aufgewachsen wird.
Als nächstes wird der Schieber 28 geöffnet, und als p-Typ-Dotierungsmittel dienendes Be wird in die Reaktionskammer 10 eingebracht, während der Arsen-Dampfdruck bei 2,3 mPa (1,7 x 10&supmin;&sup5; Torr) gehalten wird. Ferner wird die Temperatur des Substrats 90 auf 520ºC reduziert. Folglich wird eine GaAlAs-Epitaxieschicht 96 mit der Zusammensetzung AlxGaAl&sub2;As in einer Dicke von etwa 0,1 um auf der Mantelschicht 94 aufgewachsen. Die so aufgewachsene Epitaxieschicht 96 wird durchgehend p-Typ-dotiert, die Zusammensetzung ist jedoch unterschiedlich in einer Zone 96a, die auf dem die (100) Fläche freilegenden Mantelschichtteil 94a aufgewachsen wird, wo die Zone 96a die Zusammensetzung Al0,25Ga0,75As aufweist, und in einer Zone 96b, die auf dem die (311)A Fläche freilegenden Mantelschichtteil 94b aufgewachsen wird, wobei die Zone 96b die Zusammensetzung Al0,1Ga0,9As aufweist. Ähnlich der vorstehenden, in Fig.7 gezeigten Ausführungsform werden die Zone 96a und die Zone 96b gleichzeitig gebildet, wenn die Epitaxieschicht 96 aufgewachsen wird, und die Zonen 96a an beiden Seiten der Zone 96b dienen als optische Begrenzungsschicht mit niedrigem Brechungsindex, und die Zone 96b dient als aktive Schicht mit hohem Brechungsindex.
Als nächstes wird der Schieber 28 geschlossen, wird der As-Dampfdruck auf etwa 6 mPa (4,5 x 10&supmin;&sup5; Torr) erhöht und wird die Temperatur des Substrats 90 erneut auf etwa 630ºC angehoben. Unter dieser Bedingung wird eine weitere Mantelschicht 98 aus p-Typ-GaAlAs mit der Zusammensetzung Al0,32Ga0,68As in einer Dicke von etwa 1,5 um auf der Epitaxieschicht 96 aufgewachsen, egal ob die Schicht 98 auf der mit einer (100) Oberfläche definierten Zone 96a oder auf der mit einer (311)A Oberfläche definierten Zone 96b aufgewachsen wird, wie aus der in Fig.2 und 9 gezeigten Beziehung hervorgeht.
Ferner wird das Ventil 25c geschlossen, während die Temperatur des Substrats 90 bei 630ºC gehalten wird, und der As-Dampfdruck auf dem vorigen Wert von 6 mPa (4,5 x 10&supmin;&sup5; Torr) gehalten wird, und eine n-Typ-GaAs-Kappenschicht 100 wird in einer Dicke von etwa 1 um auf der Mantelschicht 98 aufgewachsen. Nach der Abscheidung der Kappenschicht 100 ist die streifenartige Laserdiode fertiggestellt.
Die so konstruierte Laserdiode hat insbesondere insofern verschiedene vorteilhafte Merkmale, als die Injektion des Trägers in die aktive Schicht 96b, die von Mantelschichten umgeben ist, vorzugsweise durch den Mantelschichtteil 94b benachbart der aktiven Schicht 96b durchgeführt wird, indem der Strom auf diese Zone konzentriert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Laserdiode mit einer derartigen Struktur hergestellt werden, ohne daß die teilweise fertiggestellte Laserdiode aus dem Epitaxie-Kristallwachstumssystem während des Herstellungsschritts herausgenommen wird. Folglich wird die Ausbeute der Laserdiode erhöht, und die Kosten der Laserdiode werden verringert.
Ferner ist zu beachten, daß die As-Quelle nicht auf das obige feste Arsen-Material beschränkt ist, sondern auch ein gasförmiges Material, wie metallorganische As-Moleküle, für die As-Zufuhr verwendet werden kann.
Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Herstellung der Laserdiode vom Streifentyp beschränkt, sondern kann bei der Herstellung jedes Typs von Halbleiteranordnungen verwendet werden, bei dem eine GaAlAs-Schicht mit einer Vielzahl von Subzonen, in denen die Zusammensetzungen voneinander abweichen, enthalten ist.
Ferner kann die vorliegende Erfindung zur Herstellung von Halbleiteranordnungen allgemein bei der Epitaxie von Kristallschichten auf einem Substrat eingesetzt werden, solange das Kristallwachstum durch die Zersetzung metallorganischer Moleküle an der Substratfläche gesteuert wird.
Das gasförmige Quellmaterial für Al und Ga ist nicht auf TEA und TEG beschränkt, sondern es können auch andere Materialien, wie Trimethylaluminium und Trisobutylaluminium als Al-Quelle verwendet werden, und Trimethylgallium kann auch als Ga-Quelle verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, welches ein Epitaxieverfahren zum gleichzeitigen Aufwachsen einer Vielzahl von Epitaxieschichten mit voneinander verschiedenen Eigenschaften auf einem gemeinsamen Substrat (70, 90) umfaßt, welches Verfahren die Schritte enthält: Bilden zumindest einer ersten Kristallfläche und einer zweiten Kristallfläche, die kristallographisch zueinander nicht äquivalent sind, auf dem genannten Substrat, und Einbringen von Teilchen, die Elementbestandteile der Epitaxieschichten umfassen, in eine Zone nahe beim Substrat;

dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Teilchen metallorganische Moleküle, welche die Epitaxieschichten bildende Elemente enthalten, umfassen, wobei das Verfahren die weiteren Schritte beinhaltet: Zersetzen der metallorganischen Moleküle, um das oder jedes Element darin freizusetzen, und Abscheiden der freigesetzten Elemente auf den genannten ersten und zweiten Kristallflächen, so daß eine erste Epitaxieschicht (76a, 92a, 94a, 96a) und eine zweite Epitaxieschicht (76b, 92b, 94b, 96b), die sich voneinander in der chemischen Zusammensetzung unterscheiden, wobei jene chemischen Zusammensetzungen ausgeschlossen sind, die sich nur im Leitfähigkeitstyp unterscheiden, auf der ersten bzw. zweiten Kristallflächen aufgewachsen werden, und wobei bei den genannten Zersetzungs- und Abscheidungsschritten die Wachstumsrate der ersten und zweiten Epitaxieschichten durch die Einstellung der Temperatur und/oder des Dampfdrucks der genannten Elemente gesteuert wird, bei denen die Epitaxie auftritt, um die Zersetzungsrate der metallorganischen Moleküle und daher die Zufuhr von Elementen zur Bildung der Epitaxieschichten zu regulieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die genannten ersten Epitaxieschichten (76a, 92a, 94a, 96a) und zweiten Epitaxieschichten (76b, 92b, 94b, 96b) Galliumaluminiumarsenid umfassen, und das genannte Substrat (70, 90) Galliumarsenid umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die genannte erste Kristallfläche eine (100) Galliumarsenid-Fläche ist, und die genannte zweite Kristallfläche eine (311)A oder (311)B Galliumarsenid-Fläche ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die genannten metallorganischen Moleküle Triethyialuminium und Triethylgallium umfassen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der genannte Schritt des Freilegens der ersten und zweiten Kristallflächen einen Schritt des Anwendens eines anisotropen Ätzens auf das Substrat (60) umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das genannte anisotrope Ätzen mit einer Ätzlösung, die eine Mischung von Phosphorsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser umfaßt, durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der genannte Abscheidungsschritt das Steuern der Temperatur des Substrats (70), bei der die Epitaxie auftritt, umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der genannte Abscheidungsschritt das Steuern des Dampfdrucks eines der Elemente, unter dem die Epitaxie auftritt, umfaßt, und bei welchem die erste Epitaxieschicht (92a, 94a) und die zweite Epitaxieschicht (92b, 94b) auch unterschiedliche Leitfähigkeitstypen aufweisen.

9. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der genannte Abscheidungsschritt das Steuern des Dampfdrucks von Arsen, das als eines der Teilchen eingebracht wird, umfaßt, so daß die auf der (100) Fläche des Galliumarsenid-Substrats (90) aufgewachsene, erste Epitaxieschicht (92a, 94a) dotiert wird, um ein n-Typ zu werden, und die auf der (311)A Fläche des Galliumarsenid-Substrats aufgewachsene, zweite Epitaxieschicht (92b, 94b) dotiert wird, um ein p-Typ zu werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der genannte Abscheidungsschritt so erzielt wird, daß die durch die Zersetzung der metallorganischen Moleküle freigesetzten Elemente unter einem gesteuerten Druck eines der Elemente abgeschieden werden, um die Zusammensetzung und den Leitfähigkeitstyp der erhaltenen Epitaxieschicht zu bestimmen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem das genannte Substrat Galliumarsenid umfaßt, wobei eine der (100), (110), (111)A und (311)A Kristallflächen als genannte vorherbestimmte Kristallfläche definiert wird, und die genannten Epitaxieschichten Galliumaluminiumarsenid umfassen.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die genannte Halbleiteranordnung eine Laserdiode ist, wobei der genannte Schritt der Bildung der ersten und zweiten Kristallflächen enthält: Definieren einer streifenartigen Zone in einem Teil des Galliumarsenid-Substrats (70, 72), die durch eine als erste Kristallfläche dienende (100) Fläche begrenzt wird, so daß die streifenartige Zone eine als zweite Kristallfläche dienende (311)A oder (311)B Fläche freilegt, welcher Zersetzungs- und Abscheidungsschritt umfassen:--

Aufwachsen einer anfänglichen Epitaxieschicht (74) aus Aluminiumgalliumarsenid mit einer Zusammensetzung AlxGa1-xAs, wobei der Zusammensetzungsparameter x durch metallorganische Molekularstrahlepitaxie, die bei einer ersten vorherbestimmten Temperatur durchgeführt wird, auf einen ersten Wert x1 gesetzt wird, auf dem Substrat, wobei bei der genannten metallorganischen Molekularstrahlepitaxie zumindest Aluminium und Gallium als Folge der Zersetzung der einer Zone nahe beim Substrat zugefuhrten, metallorganischen Moleküle abgeschieden werden;

Aufwachsen der genannten ersten Epitaxieschicht (76a) aus Galliumaluminiumarsenid mit der Zusammensetzung AlxGa1-xAs, wobei der Zusammensetzungsparameter x auf einen zweiten Wert x2, der kleiner ist als der vorhergehende erste Wert x1, gesetzt wird, auf einem Teil der anfänglichen Epitaxieschicht, die auf der genannten streifenartigen Zone aufgewachsen ist, durch metallorganische Molekularstrahlepitaxie, die bei einer zweiten vorherbestimmten Temperatur, die von der ersten vorherbestimmten Temperatur verschieden ist, durchgeführt wird, und gleichzeitiges Aufwachsen eines Paares von genannten zweiten Epitaxieschichten (76b) aus Galliumaluminiumarsenid mit der Zusammensetzung AlxGa1-xAs, wobei der Zusammensetzungsparameter x auf einen dritten Wert x3, der größer ist als der vorhergehende zweite Wert x2, gesetzt wird, auf der anfänglichen Epitaxieschicht in einer die streifenartige Zone ausschließenden Zone, so daß die erste Epitaxieschicht lateral durch das genannte Paar von zweiten Epitaxieschichten sandwichartig angeordnet wird; und

Aufwachsen einer weiteren Epitaxieschicht (78) aus Galliumaluminiumarsenid mit einer Zusammensetzung, die mit jener der anfänglichen Epitaxieschicht identisch ist, auf den genannten ersten und zweiten Epitaxieschichten, indem eine metallorganische Molekularstrahlepitaxie bei der genannten ersten vorherbestimmten Temperatur durchgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die genannte streifenartige Zone die (311)B Fläche freilegt, und die genannte zweite vorherbestimmte Temperatur höher eingestellt wird als die erste vorherbestimmte Temperatur.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die erste vorherbestimmte Temperatur auf etwa 520ºC eingestellt wird, und die zweite vorherbestimmte Temperatur auf etwa 630ºC eingestellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die genannte streifenartige Zone die (311)A Fläche freilegt, und die genannte zweite vorherbestimmte Temperatur niedriger eingestellt wird als die erste vorherbestimmte Temperatur.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem die erste vorherbestimmte Temperatur auf etwa 630ºC eingestellt wird, und die zweite vorherbestimmte Temperatur auf etwa 520ºC eingestellt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die genannte Halbleiteranordnung eine Laserdiode ist, wobei der genannte Schritt des Definierens der genannten streifenartigen Zone die (311)A Fläche freilegt, und der genannte Zersetzungs- und Abscheidungsschritt umfassen:--

Aufwachsen einer ersten Pufferschicht (92b) aus p-Typ- Galliumarsenid auf der genannten streifenartigen Zone, indem eine erste metallorganische Molekularstrahlepitaxie zum Abscheiden von zumindest Gallium, Arsen und einem n-Typ-Dotierungsmittel unter einem Arsen-Dampfdruck, der auf ein erstes vorherbestimmtes Niveau gesetzt wird, durchgeführt wird, und gleichzeitiges Aufwachsen eines Paares von zweiten Pufferschichten (92a) aus n-Typ-Galliumarsenid auf einem Teil des Substrats, der die streifenartige Zone ausschließt, so daß die zweiten Pufferschichten die erste Pufferschicht lateral sandwichartig anordnen;

Aufwachsen einer ersten Mantelschicht (94b) aus p-Typ- Galliumaluminiumarsenid mit der Zusammensetzung AlxGa1-xAs, wobei der Zusammensetzungsparameter x auf einen ersten Wert x1 gesetzt wird, auf der ersten Pufferschicht, indem eine zweite metallorganische Molekularstrahlepitaxie zum Abscheiden von Aluminium, Gallium, Arsen und des n-Typ-Dotierungsmittels durchgeführt wird, wobei der Arsen-Dampfdruck auf das erste vorherbestimmte Niveau gesetzt wird, und gleichzeitiges Aufwachsen eines Paares von zweiten Mantelschichten (94a) aus n-Typ-Galliumaluminiumarsenid mit einer Zusammensetzung, die mit jener der ersten Mantelschicht identisch ist, auf den genannten zweiten Pufferschichten, so daß die zweiten Mantel schichten die erste Mantelschicht lateral sandwichartig anordnen;

Aufwachsen, als genannte erste Epitaxieschicht, einer aktiven Schicht (96b) aus p-Typ-Galliumaluminiumarsenid mit der Zusammensetzung AlxGa1-xAs, wobei der Zusammensetzungs-Parameter x auf einen zweiten Wert x2, der kleiner ist als der vorhergehende Wert x1, gesetzt wird, auf der ersten Mantelschicht, indem die zweite metallorganische Molekularstrahlepitaxie durchgeführt wird, und gleichzeitiges Aufwachsen, als genannte zweite Epitaxieschicht, eines Paares von dritten Mantelschichten (96a) p-Typ-Galliumaluminiumarsenid mit der Zusammensetzung AlxGa1-xAs, wobei der Zusammensetzungsparameter auf einen dritten Wert x3, der größer ist als der vorhergehende zweite Wert x2, gesetzt wird, auf den genannten zweiten Mantelschichten, so daß die dritten Mantel schichten die aktive Schicht lateral sandwichartig anordnen;

Aufwachsen einer vierten Mantelschicht (98) aus n-Typ- Galliumaluminiumarsenid mit einer Zusammensetzung, die mit jener der ersten Mantelschichten identisch ist, um die genannte aktive Schicht und die genannten dritten und vierten Mantelschichten zu bedecken, indem die zweite metallorganische Molekularstrahlepitaxie durchgeführt wird, wobei der Arsen-Dampfdruck auf ein zweites vorherbestimmtes Niveau gesetzt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem der genannte Schritt des Aufwachsens der aktiven Schicht (96b) unter einem Arsen-Dampfdruck, der auf das erste vorherbestimmte Niveau gesetzt wird, durchgeführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem die genannten Schritte des Aufwachsens der ersten und zweiten Pufferschichten (92a, 92b), der ersten und zweiten Mantelschichten (94a, 94b) und der vierten Mantelschicht (98) bei einer ersten vorherbestimmten Temperatur durchgeführt werden, während der genannte Schritt des Aufwachsens der aktiven Schicht (96b) und der dritten Mantelschichten (96a) bei einer zweiten vorherbestimmten Temperatur, die niedriger ist als die erste vorherbestimmte Temperatur, durchgeführt wird.

20. Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleiteranordnung, welches ein Epitaxieverfahren zum aufeinanderfolgenden Aufwachsen einer Vielzahl von Epitaxieschichten mit voneinander verschiedenen Eigenschaften auf einer Hauptoberfläche eines Substrats (40) umfaßt, wobei die genannte Hauptoberfläche durch eine Kombination von drei Miller- Indizes repräsentiert wird, welches Verfahren die Schritte umfaßt:--

Einbringen von Teilchen, die Bestandteilelemente der Epitaxieschichten umfassen, in eine Zone nahe beim Substrat, wobei die genannten Teilchen metallorganische Moleküle, welche die Epitaxieschichten bildende Elemente enthalten, umfassen;

Zersetzen der metallorganischen Moleküle, um das oder jedes Element darin freizusetzen; und

Abscheiden der freigesetzten Elemente auf dem genannten Substrat, so daß eine erste Epitaxieschicht (46) und eine zweite Epitaxieschicht (50), die sich voneinander in der chemischen Zusammensetzung unterscheiden, aufeinanderfolgend auf dem Substrat aufgewachsen werden;

dadurch gekennzeichnet, daß im Abscheidungsschritt die Wachstumsrate der ersten und zweiten Epitaxieschichten durch die Einstellung der Temperatur, bei der die Epitaxie auftritt, gesteuert wird, um die Zersetzungsrate der metallorganischen Moleküle und daher die Zufuhr der Elemente zur Bildung der Epitaxieschichten zu regulieren, wodurch die ersten und zweiten Epitaxieschichten mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen aus den gleichen Teilchen gebildet werden, wobei die chemischen Zusammensetzungen, die sich nur im Leitfähigkeitstyp unterscheiden, ausgeschlossen sind.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem das Epitaxieverfahren verwendet wird, um eine Galiiumaluminiumarsenid-Schicht auf einer (311)A oder (311)B Fläche eines Galliumarsenid-Substrats (40) aufzuwachsen, wobei die metallorganischen Moleküle Aluminium und Gallium enthalten, und bei welchem der Abscheidungsschritt das Abscheiden von Aluminium und Gallium auf dem Substrat umfaßt, während die Temperatur des Substrats gesteuert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem die Temperatur des Substrats in einem Bereich zwischen 520ºC und 630ºC gesteuert wird.