Herstellung optoelektronischer Bauelemente

Die Herstellung optoelektronischer Bauelemente beginnt mit epitaktischem Kristallwachstum – anders als bei vielen elektronischen Bauelementen reicht hier eine einfache Dotierung des Substrats nicht aus, da die aktive Zone aus mehreren exakt kontrollierten Heteroschichten (Barrieren, Quantum Wells, DBR-Stapel) besteht, deren Dicke und Zusammensetzung die Emissionswellenlänge direkt festlegen. Bereits kleinste Kristalldefekte – Versetzungen, Punktdefekte, Verunreinigungen – wirken als nichtstrahlende Rekombinationszentren und senken die Quanteneffizienz direkt messbar. Während ein MOSFET Defektdichten im Bereich von 10⁴–10⁵ cm⁻² noch toleriert, führen dieselben Defektdichten in einer LED-aktiven-Zone bereits zu spürbaren Effizienzeinbußen; kommerzielle GaN-LEDs benötigen Versetzungsdichten deutlich unter 10⁸–10⁹ cm⁻², idealerweise darunter.

MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, auch MOVPE genannt) ist der Industriestandard für die Massenproduktion. Metallorganische Precursoren – etwa Trimethylgallium (TMGa), Trimethylindium (TMIn), Trimethylaluminium (TMAl) – und Hydride (Ammoniak NH₃ für Stickstoffverbindungen, Arsin AsH₃ oder Phosphin PH₃ für Arsenide/Phosphide) werden im Trägergasstrom (meist Wasserstoff oder Stickstoff) über das auf 600–1100 °C beheizte Substrat geleitet und zersetzen sich dort thermisch (Pyrolyse), wobei die freiwerdenden Atome sich an der Wachstumsfront einbauen. Das Verfahren arbeitet bei Atmosphärendruck oder moderatem Unterdruck, erlaubt hohen Durchsatz bei mehreren Wafern gleichzeitig in Planetenreaktoren und dominiert daher die kommerzielle LED- und Laserfertigung nahezu vollständig.

MBE (Molecular Beam Epitaxy) arbeitet dagegen im Ultrahochvakuum (unter 10⁻¹⁰ mbar) mit Molekularstrahlen aus effusionszellenverdampften Elementen, die ohne chemische Reaktion direkt auf dem Substrat kondensieren. Die Wachstumsrate liegt mit typisch einer Monolage pro Sekunde deutlich unter MOCVD-Raten, dafür lässt sich die Schichtdicke bis auf die Monolage präzise kontrollieren und in situ mittels RHEED (Reflection High-Energy Electron Diffraction) überwachen – die Beugungsreflexe zeigen in Echtzeit, ob die Oberfläche atomar glatt wächst. Wegen des geringeren Durchsatzes und höheren Anlagenaufwands bleibt MBE vor allem der Forschung und Spezialanwendungen mit besonders anspruchsvollen Heterostrukturen vorbehalten, etwa bei VCSEL-DBR-Stapeln mit extrem scharfen Grenzflächen.

Eine zentrale Herausforderung bei beiden Verfahren ist die Gitteranpassung: Wächst man ein Material mit abweichender Gitterkonstante auf einem Substrat, entstehen Verspannungen, die ab einer kritischen Schichtdicke (oft nur wenige Nanometer bei starker Fehlanpassung) durch Versetzungsbildung relaxieren – mit direkt messbarer Auswirkung auf die spätere Bauelementeffizienz. GaN etwa wird mangels wirtschaftlich verfügbarer GaN-Volumensubstrate meist auf Saphir (Al₂O₃) oder SiC aufgewachsen, trotz erheblicher Gitterfehlanpassung von bis zu 16 % bei GaN-auf-Saphir. Eine dünne AlN- oder GaN-Nukleationsschicht bei niedriger Temperatur (500–600 °C) dient dabei als Pufferschicht: Sie wächst zunächst amorph bis polykristallin auf, wird dann ausgeheizt und rekristallisiert, wodurch ein Teil der Verspannung abgebaut wird, bevor das eigentliche einkristalline GaN-Wachstum bei 1000–1100 °C fortgesetzt wird.

Nach dem Epitaxiewachstum liegt zunächst eine durchgehende Schichtstruktur über dem gesamten Wafer vor – für einzeln ansteuerbare Bauelemente muss diese in isolierte Mesa-Strukturen unterteilt werden. Trockenätzverfahren, bei III-V-Materialien meist ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching) mit chlorbasierter Chemie (Cl₂/BCl₃-Gemische, da Fluorchemie bei Ga- und In-Verbindungen keine ausreichend flüchtigen Ätzprodukte bildet), tragen dabei die Schichten bis unterhalb der aktiven Zone ab. Die Ätztiefe liegt typischerweise bei einigen Mikrometern und definiert sowohl die laterale Ausdehnung jedes einzelnen Bauelements als auch die elektrische Isolation benachbarter Strukturen auf demselben Chip – unzureichende Isolation würde zu parasitären Leckströmen zwischen benachbarten LEDs oder Lasern auf demselben Wafer führen.

Anschließend folgt die Kontaktmetallisierung, bei der p- und n-Seite grundverschiedene Anforderungen stellen. Auf der p-Seite kommen meist Ti/Au- oder Ni/Au-Schichtstapel zum Einsatz, oft ergänzt um eine dünne Pt- oder Pd-Zwischenschicht als Diffusionsbarriere; sie müssen einen möglichst niedrigen spezifischen Kontaktwiderstand (im Bereich 10⁻⁵–10⁻⁶ Ω·cm²) bei gleichzeitig guter Stromaufweitung erzielen, was wegen der geringeren Löcherbeweglichkeit in p-Halbleitern technologisch anspruchsvoller ist als bei n-Kontakten. Bei LEDs wird deshalb häufig zusätzlich eine transparente, leitfähige ITO-Schicht (Indium-Zinn-Oxid, Schichtwiderstand typisch 10–30 Ω/sq) zwischen Metallkontakt und p-GaN eingebracht, um den Strom über die gesamte Chipfläche gleichmäßig zu verteilen, ohne die Lichtauskopplung durch großflächige, undurchsichtige Metallisierung zu blockieren – ITO ist im sichtbaren Spektrum zu über 90 % transparent. Die n-Seite erhält typischerweise einen einfacheren Ti/Al-basierten Kontakt mit geringerem Kontaktwiderstand, da n-Halbleiter aufgrund der höheren Elektronenbeweglichkeit und geringeren effektiven Masse ohnehin niedrigere Kontaktbarrieren aufweisen als p-Halbleiter.

Eine Besonderheit der VCSEL-Fertigung ist die Oxidationsapertur, die eines der zentralen Probleme des vertikalen Resonatorkonzepts löst: die Notwendigkeit, den Injektionsstrom auf die kleine aktive Fläche zu konzentrieren. Dazu wird während der Epitaxie gezielt eine dünne, AlAs-reiche Schicht (typisch Al-Gehalt über 98 %) in die Schichtstruktur nahe der aktiven Zone eingebaut. Nach der Mesa-Ätzung wird diese Schicht durch selektive, laterale Nassoxidation bei erhöhter Temperatur in feuchter Stickstoffatmosphäre von den freigelegten Mesa-Kanten her in isolierendes Aluminiumoxid (AlₓOy) umgewandelt – die Oxidationsfront wächst dabei von außen nach innen mit einer material- und temperaturabhängigen, gut kontrollierbaren lateralen Rate, sodass nur eine kleine zentrale Öffnung von wenigen Mikrometern Durchmesser unoxidiert und damit leitfähig bleibt. Diese Apertur zwingt den Strom auf einen eng begrenzten zentralen Bereich der aktiven Zone und wirkt gleichzeitig als optischer Wellenleiter (durch den niedrigeren Brechungsindex des Oxids) – beides notwendig, um bei der kurzen Verstärkungsstrecke des VCSEL trotz kleiner Bauelementfläche die für den Laserbetrieb nötige Stromdichte und transversale Modenkontrolle zu erreichen.

Die charakteristische runde Form des VCSEL-Mesas entsteht dabei durch nichts anderes als die Geometrie der Fotolackmaske im selben ICP-RIE-Ätzschritt: Statt der langen, schmalen Streifenmaske eines Kantenemitters wird der Photoresist durch eine Maske mit kreisförmigen Öffnungen (typischer Durchmesser 15–30 µm) belichtet und entwickelt, sodass runde Lackinseln über den späteren Mesas stehen bleiben. Das anschließende Trockenätzen trägt das unmaskierte Material ab und hinterlässt eine zylindrische Mesa-Säule mit rotationssymmetrischer Seitenwand – genau diese Symmetrie ist Voraussetzung dafür, dass die spätere laterale Nassoxidation gleichmäßig radial von allen Seiten nach innen wächst und eine zentrierte, kreisrunde Apertur bildet.