Способ изготовления полупроводникового светоизлучающего элемента

 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано в производстве полупроводниковых лазерных диодов и светодиодов. Для упрощения технологических процессов при изготовлении полупроводникового светоизлучающего элемента при обеспечения его долговечности и снижении себестоимости в известном способе изготовления полупроводникового светоизлучающего элемента, включающем выращивание на полупроводниковой подложке эпитаксиальной структуры, нанесение на структуру маски, травление в маске окна, проведение диффузии легирующих примесей в структуру через окно в маске, снятие маски, нанесение контактов, скалывание пластин на кристаллы, посадку кристалла на теплоотвод, в качестве маски на эпитаксиальную структуру наносят дополнительный полупроводниковый слой из материала, обладающего способностью к селективному травлению, толщиной, определяемой из условия d₂>d₁·(v₂/v₁), где d₁ - суммарная толщина эпитаксиальных слоев, через которые необходимо провести диффузию легирующих примесей; d₂ - толщина дополнительного полупроводникового слоя; v₁ - средняя скорость диффузии легирующих примесей в эпитаксиальных слоях структуры; v₂ - средняя скорость диффузии легирующих примесей в дополнительном полупроводниковом слое.

Изобретение относится к полупроводниковой электроникe и может быть использовано для изготовления светоизлучающих элементов, в частности лазерных диодов или светодиодов.

Известен способ изготовления полупроводникового лазера (см. патент Великобритании N 2021307, кл. H 01 S 3/19), включающий выращивание на полупроводниковой подложке эпитаксиальной полупроводниковой структуры, вытравливание в структуре канавки ("окна"), проведение диффузии легирующих примесей в структуру, нанесение контактов, скалывание пластины на кристаллы, посадку кристалла на теплоотвод. При этом диффузия легирующих примесей происходит в контактный слой. В области канавки диффузионный фронт деформируется, образуя узкий токопроводящий слой, подводящий ток накачки к узкому участку активной области. Структура становится подобной лазеру с очень узким полосковым контактом, причем данный полосковый контакт располагается на расстоянии менее или равном 1 мкм от активной области. В целях избежания неблагоприятного воздействия со стороны канавки и омического контакта на активный слой расстояние нижней части канавки от активной области должно быть не менее 2 мкм.

Особенностью и недостатком данного способа изготовления полупроводникового лазера является то, что вытравленная канавка в структуре затем остается в конструкции лазерного кристалла. Наличие же указанной канавки в контактном слое в непосредственной близости от активной области и находящейся между накачиваемым участком активной области, где происходит основное тепловыделение, и теплоотводом, на котором смонтирован лазерный кристалл, ухудшает теплоперенос из активной области в медный теплоотвод. Поэтому форма и размеры упомянутой канавки в контактном слое должны соответствовать определенным требованиям. Данным способом возможно получение надежно работающих (без больших перегревов активной области) лазеров только с очень узким полосковым контактом, так называемых лазеров с V-образной канавкой, ширина полоскового контакта в которых не превышает 5 мкм, что приводит к очень узким значениям полуширины распределения излучения в ближней зоне и к искривлению волнового фронта в плоскости, параллельной p-n переходу. В связи с этим распределение излучения в дальней зоне в указанной плоскости имеет двухлепестковый (двухгорбый) характер и поэтому резко ограничивает область применения V-образных лазеров (см. G. Arnold et al., Long-Torm Behavior of V-Groove Lasers at Elevated Temperature; IEEE J. of Quant Electron, vol. QE-17; N 5, p. 759-762, 1981; M. Nakamura and STS JI, "Single-Mode saiconductor injection lasers for optical fiber communications" IEEE J. of Quant. Electron, vol. QE-17, N 6, p. 994-1005, 1981).

Вышеуказанным способом возможно изготовление лишь лазеров с очень узким полосковым контактом, в структуре лазерного кристалла которых имеются потенциально возможные зародыши дефектов. Имеются в виду дно или углы канавки, вблизи которых возможны рождение и распространение внутрь структуры дефектов типа темных линий и образование дефектов по зеркальным граням при скалывании на кромках, которые снижают излучательные свойства и в конечном итоге выводят лазеры из строя. Недостатком данного способа является также то, что полученные этим способом лазеры являются минимальными, обычно не более 5 мВт с одной грани из-за принципиальной ограниченности плотности мощности для долговечных лазеров. Поэтому лазеры, изготовленные указанным способом, имеют ограничения в применении.

Лазеры с планарным контактным слоем, лишенные указанных недостатков, являются более предпочтительными, чем лазеры с V-образной канавкой, если в них возможно получение тех преимуществ, которыми обладают V-образные лазеры.

Известен способ создания лазерного диода с планарным полосковым контактом (N. Jonezu et al. "A GaAs-GaAlAs double heterostructure planar stripe laser", Japan Journal Appl. Phys., vol. 12, p. 1585-1592, 1973), в котором на полупроводниковой подложке выращивают эпитаксиальную структуру. Затем на структуру наносят диффузионную маску, методом фотолитографии вытравливают в ней окно в виде полоска, через которое методом диффузии легирующих примесей создают участок для подведения тока накачки в активную область. После проведения диффузии маску удаляют, вакуумным напылением наносят контакты, скалывают пластину на кристаллы, производят посадку кристаллов на теплоотвод.

Недостатком способа является наличие неизбежной аномальной боковой диффузии легирующих примесей под маску, что приводит к увеличению ширины полоскового контакта и как следствие к расширению накачиваемого участка активной области и широкому распределению излучения в ближней зоне. При этом ток накачки становится большим, а распределение излучения в ближней и дальней зонах неустойчивым к изменениям тока накачки и температуры. Поэтому светоизлучающие элементы, в частности лазерные диоды и светодиоды, изготовленные данным способом, непригодны в применениях, где требуется стабильность излучения в широком интервале токов накачки и температуры. Кроме того, во многих применениях, таких как волоконно-оптические системы, системы записи и считывания информации, требуются ограниченные размеры излучающей области (≅10-15 мкм), что также ограничивает область применения лазеров и светодиодов, изготовленных указанным способом. Этот способ трудоемок и включает технологический процесс, требующий дорогостоящего оборудования для нанесения диэлектрических пленок или использование расчетного процесса.

Для изготовления путем диффузии легирующих примесей планарных полосковых лазеров с шириной полоскового контакта в пределах от 3 до 10 мкм (именно такие размеры наиболее эффективны для применений в волоконно-оптических системах записи и считывания информации) можно использовать метод селективной диффузии в полупроводники, описанный в патенте Великобритании N 2168194, кл. H 01 L 21/223, 21/302. Этот способ, взятый в качестве прототипа предлагаемого изобретения, позволяет исключить аномальную боковую диффузию и свести к минимуму отношение где У - ширина поперечной диффузии, Z - глубина вертикальной диффузии. Для обычного способа диффузии через окно указанное отношение больше четырех (α ≥ 4). Способ изготовления полупроводникового светоизлучающего элемента методом селективной диффузии по патенту Великобритании включает следующие операции: выращивание на полупроводниковой подложке эпитаксиальной структуры; химическая обработка поверхности структуры с последующей отмывкой в ультразвуковой ванне (последовательно в воде, ацетоне, трихлорэтилене, ацетоне и спирте); нанесение плазмохимическим осаждением (РАСУД) диэлектрической пленки, которая служит в качестве диффузионной маски; травление окна в маске; проведение диффузии легирующих примесей в структуру через окно в маске; снятие маски; нанесение контактов; скалывание на кристаллы; посадка кристаллов на теплоотводы.

Недостатком прототипа является то, что перед плазмохимическим осаждением диэлектрических пленок требуется проведение трудоемкого процесса химической обработки поверхности полупроводниковой структуры с последующей отмывкой в ультразвуковой ванне последовательно в нескольких средах. Кроме того, сам процесс плазмохимического осаждения диэлектрических пленок является трудоемким и экологически нечистым, проводится в несколько этапов при разных режимах и требует наличия дорогостоящего оборудования.

Все перечисленные недостатки заявленным техническим решением устраняются.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в упрощении технологических процессов при изготовлении полупроводникового светоизлучающего элемента при обеспечении его долговечности и снижения себестоимости.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе изготовления полупроводникового светоизлучающего элемента, включающем выращивание на полупроводниковой подложке эпитаксиальной структуры, нанесение на структуру маски, травление в маске окна, проведение диффузии легирующих примесей, скалывание пластин на кристаллы, посадку кристалла на теплоотвод, в качестве маски на эпитаксиальную структуру наносят дополнительный полупроводниковый слой из материала, обладающего способностью к селективному травлению, толщиной, определяемой из условия где d₁ - суммарная толщина эпитаксиальных слоев, через которые необходимо провести диффузию легирующих примесей; d₂ - толщина дополнительного полупроводникового слоя; v₁ - средняя скорость диффузии легирующих примесей в эпитаксиальных слоях, через которые необходимо провести диффузию легирующих примесей; v₂ - скорость диффузии легирующих примесей в дополнительном полупроводниковом слое.

Использование в качестве диффузионной маски дополнительного полупроводникового слоя позволяет исключить из процесса трудоемкую операцию химической обработки поверхности структуры с последующей отмывкой в ультразвуковой ванне и операцию плазмохимического осаждения диэлектрической пленки с использованием дорогостоящего и громоздкого оборудования.

Для повышения производительности предлагаемого способа и полного исключения появления аномально большой диффузии легирующих примесей под маску дополнительный полупроводниковый слой выращивают на эпитаксиальных слоях структуры в одном процессе эпитаксии (например, жидкостной или газофазной), что исключает возможность окисления или загрязнения границы раздела между дополнительным и контактным слоями. Причиной аномально большой боковой диффузии является наличие между диффузионной маской и полупроводниковым слоем эпитаксиальной структуры кислородсодержащих слоев собственного окисла полупроводника, в частности для GaAs это Ga₂O₃. Собственный окисел полупроводника является неустойчивым и в процессе проведения диффузии при высоких температурах (~ 650^oC) разлагается. Кислородсодержащий слой полупроводника с толщиной в несколько десятков ангстрем неизбежно образуется при контакте поверхности полупроводника с кислородом или воздухом, а также в процессе нанесения диэлектрических пленок, содержащих кислород (например, SiO, SiO₂, Al₂O₃ и т.д.). Поскольку в заявленном способе дополнительный полупроводниковый слой наращивают в едином процессе эпитаксии, кислородсодержащий слой полупроводника не образуется.

Путем проведения обычной фотолитографии в выращенном дополнительном полупроводниковом слое формируют диффузионное окно, после чего осуществляют диффузию легирующих примесей внутрь эпитаксиальных слоев. Легирующая примесь диффундирует одновременно как в эпитаксиальные слои структуры, так и в дополнительный полупроводниковый слой. В зависимости от толщины эпитаксиальных слоев структуры и скорости диффузии в них легирующей примеси можно выбрать толщину дополнительного слоя такой, чтобы граница диффузии вне окна оставалась бы в дополнительном слое. Граница диффузии легирующей примеси вне окна будет оставаться в дополнительном полупроводниковом слое только в том случае, если толщина дополнительного слоя (d₂) будет больше произведения v₂·t, где v₂ - скорость диффузии в дополнительном слое, а t - время диффузии, определяемое глубиной диффузии в эпитаксиальных слоях (d₁) и средней скоростью диффузии в этих слоях (v₁) как Таким образом, условие, при котором легирующие примеси остаются в дополнительном слое, можно записать так: После проведения диффузии легирующих примесей дополнительный слой с помощью селективных к нему травителей удаляют. Вместе с дополнительным слоем удаляются и внедренные в него легирующие примеси, остается планарный контактный слой эпитаксиальной структуры с образованными в нем полосковыми областями.

В предлагаемом способе изготовления полупроводниковых лазерных диодов и светодиодов возможно соответствующим подбором травителей формировать диффузионные окна разной формы поперечного сечения, что позволяет варьировать ширину полоскового контакта при заданной первоначальной ширине фотошаблона. Таким образом, выбрав, например, треугольную форму поперечного сечения травления дополнительного слоя, возможно изготовить планарный полосковый контакт уже ширины первоначальной фотолитографической маски, что принципиально невозможно получить в известных способах изготовления полосковых лазеров с планарными (без углубления) контактными слоями.

Пример. На подложке из GaAs, легированной Si (~2·10¹⁸) методом жидкофазной эпитаксии, выращивалась гетероструктура, состоящая последовательно из следующих слоев (по отношению к подложке):
1-й слой - n-GaAs
2-й слой - n-Ga_0,7Al_0,3As
3-й слой - p-Ga_0,95Al_0,05As
4-й слой - p-Ga_0,7Al_0,3As
5-й слой - n-GaAs
6-й слой (дополнительный) - n-Ga_1-xAl_xAs
Состав алюминия в последнем слое (6) выбирался в пределах от 50 до 80%, т.е. 0,5≅x≅0,8.

После выращивания гетероструктуры в последнем слое методом обычной фотолитографии вытравливали канавки (окна) в виде полосок вдоль кристаллографического направления (100). Травление проводили в соляной кислоте, которая травит слой Ga_1-xAl_xAs при x≥0,4.

После травления окна пластину помещали в реактор, где проводили процесс диффузии цинка в присутствии газа-носителя водорода при температуре 650^oC. При этом время процесса диффузии выбирали из расчета полного прохождения фронта диффузии 5-го слоя (n-GaAs). Так как скорость диффузии в слоях с содержанием A больше, чем в слоях GaAs, и толщина 5-го слоя выбиралась в пределах 0,5-1,0 мкм, то глубина диффузии в 6-м слое (дополнительном) составила 1,5-3,0 мкм. Поэтому толщина 6-го слоя выбиралась в пределах 3-4 мкм. Таким образом, вне полосковой области диффундирующие в структуру примеси оставались в последнем (6-м) слое.

По окончании процесса диффузии последний слой (Ga_1-xAl_xAs с 0,5≅x≅0,8) удалялся селективным травителем - горячей фосфорной или соляной кислотой, а на планарный слой n-GaAS с диффузионными полосковыми областями наносился омический контакт, включающий последовательное нанесение металлических слоев Pd, Va, Ni, Au.

Разделением полученной структуры на отдельные кристаллы (лазерные или светодиодные в зависимости от типа фотошаблонов) и посадкой каждого кристалла на медный теплоотвод с использованием припоя изготавливались лазерные диоды или торцевые светодиоды в зависимости от типа кристалла.

Ширина полоскового контакта, которая задается первоначальной шириной фотошаблона, формой вытравленной в дополнительном слое канавки и временем диффузии, в данном случае выбиралась от 5 до 20 мкм. Следы аномальной боковой диффузии во всех изготовленных структурах не наблюдались. Ширина поперечной диффузии и глубина вертикальной диффузии в слое n-GaAs были равны друг другу, т.е. отношение было равно 1, независимо от ширины полоска (У - ширина поперечной диффузии, Z - глубина вертикальной диффузии).

В качестве базового объекта принят способ, описанный в патенте Великобритании N 2168194. Ориентировочный расчет показывает, что за счет исключения трудоемких процессов и отказа от использования дорогостоящего и энергоемкого оборудования годовой экономический эффект составит примерно 90 тыс.рублей.

В настоящее время по заявляемому способу проведены лабораторные испытания, давшие положительный результат, на основании которого будут проведены производственные испытания.

Формула изобретения

Способ изготовления полупроводникового светоизлучающего элемента, включающий выращивание на полупроводниковой подложке эпитаксиальной структуры, нанесение на структуру маски, травление в маске окна, проведение диффузии легирующих примесей в структуру через окно в маске, снятие маски, нанесение контактов, скалывание пластин на кристаллы, посадку кристалла на теплоотвод, отличающийся тем, что в качестве маски на эпитаксиальную структуру наносят дополнительный полупроводниковый слой из материала, обладающего способностью к селективному травлению, толщиной, определяемой из условия
d₂ > d₁·(ν₂/ν₁),
где d₁ - суммарная толщина эпитаксиальных слоев, через которые необходимо провести диффузию легирующих примесей;
d₂ - толщина дополнительного полупроводникового слоя;
ν₁ - средняя скорость диффузии легирующих примесей в эпитаксиальных слоях структуры;
ν₂ - средняя скорость диффузии легирующих примесей в дополнительном полупроводниковом слое.