СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ Советский патент 1996 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении лазеров, суперлюминесцентных источников излучения, фотоприемников и оптических интегральных схем для волоконно-оптических линий связи.

Целью изобретения является снижение порогового тока и повышение дифференциальной квантовой эффективности за счет снижения токов утечки, повышения безопасности труда обслуживающего персонала и упрощения процесса изготовления лазеров за счет отсутствия необходимости точного контроля газовых потоков в операции газофазной эпитаксии.

Использование селенида цинка в качестве материала слоя между полосками позволяет создавать гетероструктуры ZnSe/InP, Zn/Se/GaAs, ZnSe/AlGaAs, ZnSe/A³B⁵ с высоким удельным электросопротивлением порядка 10⁵ 10¹⁰ Ом•см, что практически устраняет токи утечки гетеропереход ZnSe/InР, ZnSe/GaAs и снижает рабочий ток через гетеропереход мезаполоски InP/GaInAsP, GaAs/AlGaAs при возрастании квантовой эффективности и сохранении модового состава излучения. Кроме того, в случае осаждения селенида цинка методом вакуумно-термического напыления используется широко распространенное и простое вакуумное оборудование, что позволяет исключить из технологического цикла агрессивные и токсичные вещества, и тем самым повысить безопасность обслуживающего персонала и загрязнение окружающей среды. Кроме того, температуру выращенной ранее многослойной мезаполосковой структуры при осаждении селенида цинка этим методом поддерживают в диапазоне 70-40^oC, что позволяет избежать короткого замыкания и снижения квантовой эффективности лазерных диодов за счет диффузии легирующей примеси при повторных термообработках на этапе заращивания мезаполосков газовой эпитаксией, в то время как в способе-прототипе при использовании метода жидкофазной и газофазной эпитаксий температура роста 650-680^oC, что приводит к неконтролируемым диффузионным процессам между p-n-гетеропереходами и, как следствие, к снижению излучательных характеристик приборов. Снижение температуры мезаструктуры ниже 70^oC приводит к отслаиванию слоя ZnSе от фосфида индия. Превышение температуры мезаструктуры более 400^oC приводит к испарению легколетучего компонента фосфида и смещению p-n-перехода исходной мезаструктуры за счет диффузии акцепторской примеси.

П р и м е р 1. Мезаполосковые зарощенные лазеры изготавливали следующим образом.

На подложке n⁺InP(Sn n 1•10¹⁸ см^-3, ориентированной в плоскости (100), последовательно осаждали из жидкой фазы эпитаксиальный слой n⁺InP (Sn n 5•10¹⁷ cм^-3, слой нелегированного твердого раствора Ga_0,28In_0,72As_0,63Р_0,37 (n 5•10¹⁶ cм^-3, изопериодного с фосфидом индия, слой р-InP (Zn, р 5•10¹⁷ cм^-3 и контактный слой р⁺ Ga_0,10In_0,90As_0,23Р_0,77 (Zn, P 1•10¹⁸ cм^-3).

Температуру начала роста устанавливали 675^oC, скорость снижения температуры при осаждении слоев фосфида индия 0,7 град/мин, а при осаждении слоев твердого раствора 0,3 град/мин. На поверхность верхнего слоя гетероструктуры наносили маскирующий слой SiO₂, в котором методом фотолитографии формировали полоски шириной 8 мкм. Химическим травлением в смеси Br₂-CH₃COOН в полученной гетерокомпозиции изготавливали мезаструктуру (травление прекращали при достижении подложки InP (с установленным шагом, равным 400 мкм).

Такую структуру загружали в установку вакуумно-термического напыления и при достижении вакуума 1•10^-7 мм рт.ст. выращивали пленки селенида цинка при температуре подложки (гетероструктуры с мезой) 70^oC.

В первом случае используют в качестве источника нелегированный, поликристаллический cеленид цинка. Это позволило получать напыляемые пленки селенида цинка с удельным электросопротивлением ρ 10¹⁰ Ом•см.

Во втором случае используют в качестве источника селенид цинка, легированный примесью Mn до концентрации 8•10^-3 ат. Это позволило получить удельное электросопротивление напыляемых слоев селенида цинка 10⁵ Ом•см.

В третьем случае используют в качестве источника селенид цинка, легированный примесью Cu до концентрации 8•10^-3 ат. что приводит к удельному сопротивлению напыляемых слоев селенида цинка 10⁷ Ом•см.

П р и м е р 2. Мезаполосковые зарощенные суперлюминесцентные источники излучения изготавливали следующим образом.

На подложке р⁺InP (Zn, 1•10¹⁸ см^-3), ориентированной в плоскости (100), последовательно осаждали из жидкой фазы эпитаксиальные слои р⁺InP (Zn, 1•10¹⁸ cм^-3), нелегированного твердого раствора Ga_0,28In_0,72As_0,63P_0,37 (n 5•10¹⁶ см^-3, изопериодного с фосфидом индия, и n⁺InP (Sn, 1•10¹⁸ cм^-3); температура начала роста 690^oC, скорость снижения температуры в системе при осаждении фосфида индия 0,7 град/мин, а при осаждении слоя твердого раствора 0,3 град/мин.

На поверхность выращенного слоя гетероструктуры наносится маскирующий слой SiO₂, в котором методом фотолитографии формировались полоски шириной 17 мкм с шагом 400 мкм. Химическим травлением в смеси Br₂ + CH₃COOН в полученной гетерокомпозиции изготавливалась мезаполосковая гетероструктура (травление прекращались при достижении подложки InP).

Такая структура загружалась в установку вакуумно-термического напыления и при достижении вакуума 1•10^-7 мм рт.ст. выращивались пленки селенида цинка.

1) В качестве источника использовали нелегированный поликристаллический селенид цинка. Это позволяло получить напыляемые пленки селенида с удельным сопротивлением 1•10⁹ Ом•см. Температуру гетероструктуры с мезой (подложки) поддерживали 120^oC.

2) В качестве источника использовали селенид цинка с легирующей примесью Mn концентрации 2•10^-3 ат. Это привело к получению слоев селенида цинка с удельным электросопротивлением 10⁸ Ом•см. Температуру гетероструктуры с мезой (подложки) поддерживали 150^oC.

3) В качестве источника использовали селенид цинка с легирующей примесью Cu 2•10³ ат. Это позволяло получать пленки селенида цинка с удельным электросопротивлением 10⁷ Ом•см. Температуру мезаструктуры (подложки) поддерживали 400^oC.

П р и м е р 3. Мезаполосковые лазеры изготавливали следующим способом.

На подложке n⁺GaAs (Si 1•10¹⁸ cм^-3), ориентированной в плоскости (100), последовательно осаждали из жидкой фазы эпитаксиальный слой n⁺GaAs (Те, 6•10¹⁷ см^-3), эпитаксиальный слой твердого раствора n⁺Al_0,3Ga_0,7As (Те, 5•10¹⁷ cм^-3), эпитаксиальный слой nAl_0,05Ga_0,95As, специально нелегированный (n 1•10¹⁶ cм^-3, эпитаксиальный слой p⁺ Al_0,3Ga_0,7As (Ga 5•10¹⁷ cм^-3), контактный слой р⁺GaAs (Ga 5•10¹⁸ см^-3).

Температуру начала роста поддерживали 865^oC, скорость снижения температуры 0,2 град/мин. На поверхность эпитаксиального слоя р⁺ GaAs наносили маскирующий слой SiO₂, в котором методом фотолитографии формировали полоски шириной 5 мкм с шагом 400 мкм. Химическим травлением в полученной гетерокомпозиции изготавливались мезаструктуры (травление прекращали при достижении подложки GaAs).

Такую структуру загружали в установку вакуумно-термического напыления и при достижении вакуума 1•10^-7 мм рт.ст. выращивали пленки селенида цинка.

1). В качестве источника использовали нелегированный поликристалл селенида цинка. Температура мезаструктуры составляла 220^oC. Были получены слои селенида цинка с удельным электросопротивлением 10₁₀ Ом•см.

2). В качестве источника использовался селенид цинка, легированный Mn концентрации 5•10^-3 ат. Температура мезаструктуры (подложки) составляла 350^oC. Были получены слои селенида цинка с удельным электросопротивлением 10⁸ Ом•см.

3) В качестве источника использовался селенид цинка, легированный Сu концентрации 5•10^-3 ат. Температура мезаструктуры (подложки) составляла 230^oC. Были получены слои селенида цинка с удельным электросопротивлением 1•10⁷ Ом•см.

После заращивания мезаструктур методом химического травления удаляли защитный слой SiO₂, напыляли и вжигали металлические контакты К n-области Au-Sn, к р-области Au-Zn. Затем мезаструктура раскалывалась на образцы с длиной резонатора Фабри-Перо 250 мкм.

Исследование излучательных характеристик изготовленных лазерных диодов показало, что спектр излучения при токе 1,1_Iпор cостоит практически из одной продольной моды с длиной волны излучения l 1,3020 мкм (для лазеров в системе InP(GaInAsP) и l 0,8305 мкм (для лазеров в системе GaAs (AlGaAs).

В примере 1 (пороговый ток лазеров в режиме непрерывной генерации при комнатной температуре составил от 15 до 25 мА (для нелегированных образцов - 15 мА, для легированных Сu 20 мА, для легированных Mn 25 мА). Дифференциальная квантовая эффективность от 40 до 54% Наивысшее значение квантовой эффективности 54% на грань составили образцы, зарощенные селенидом цинка, специально нелегированным.

В примере 3 пороговый ток лазеров в режиме непрерывной генерации при комнатной температуре составил 12-28 мА (для нелегированных образцов I_пор 12 мА, для легированных Сu I_пор 18 мА, для образцов, легированных Mn, I_пор 28 мА). Дифференциальная квантовая эффективность составила от 35 до 58% Наивысшее значение дифференциальной квантовой эффективности 58% на грань составили образцы, зарощенные селенидом цинка, специально нелегированием. Излучательные характеристики прочих равных условиях определяли достигаемой величиной электросопротивления на гетеропереходе ZnSe/InP; ZnSe/GaAs.

Таким образом, мезаполосковые зарощенные лазеры с использованием гетероперехода ZnSe/InP; ZnSe/GaAs имеют более низкие пороговые токи и более высокие значения дифференциальной квантовой эффективности по сравнению с лазерами, изготовленными сочетанием жидкофазной и газофазной эпитаксии фосфида индия (30-40% на грань и I_пор 150 мА при 300К) за счет более совершенной изоляции гетероперехода InP/ZnSe; ZnSe/GaAs.

В то же время значительно упрощается процесс изготовления лазеров, поскольку используется простое оборудование вакуум-термического напыления, и из технологического цикла выводятся агрессивные и токсичные газообразные вещества, работа с которыми требует особых мер безопасности и создает проблему их дальнейшей утилизации: используемые при изготовлении мезаполосковых зарощенных лазеров, а также исключение специальных мер защиты обслуживающего персонала, окружающей среды и утилизации отходов, приводит к снижению стоимости лазеров.

Использование: электронная техника. Сущность изобретения: на подложке А³В⁵ последовательно осаждают эпитаксиальный слой, слой нелегированного твердого раствора соединения А³B⁵, слой А³B⁵ противоположного типа проводимости относительно первого слоя А³В⁵ и контактный слой, формируют локальные омические контакты и по крайней мере к одной из поверхностей структуры барьерные области, а также омические контакты к р-и n-областям структуры. Барьерные области формируют из селенида цинка с удельным сопротивлением 10⁵ - 10¹⁰ Ом•cм. осажденного методом вакуумно-термического напыления при температуре подложки 70 - 400^oC. 1 з. п. ф-лы.

1. Способ изготовления полупроводниковых оптоэлектронных приборов на основе многослойной структуры из соединений A³B⁵ и их твердых растворов с локальными омическими контактами, включающий образование по крайней мере к одной из поверхностей структуры барьерных областей и изготовление омических контактов к p- и n-областям структуры, отличающийся тем, что, с целью снижения порогового тока, повышения дифференциальной квантовой эффективности мезаполосковых зарощенных лазеров и повышения безопасности обслуживающего персонала при упрощении технологии, барьерные области выполняют из селенида цинка с удельным электросопротивлением ρ 10₅ 10₁₀ Ом•см. 2. Способ по п. 1 отличающийся тем, что с целью уменьшения взаимной диффузии компонентов, селенид цинка осаждают методом вакуумно-термического напыления при температуре подложки 70 400^oC.