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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Epitaxiewafer aus GaAs (Galliumarsenid)
zur Herstellung einer Infrarotlicht-ausbildenden Diode (LED). Infrarot-LEDs
werden auf einem GaAs-Einkristallwafer hergestellt. Obwohl die vorliegende
Erfindung direkt eine Verbesserung des GaAs-Epitaxiewafers betrifft, liegt
das Wesen der vorliegenden Erfindung in den vorhergehenden Schritten
bei der Herstellung des Epitaxiewafers. Die Erfindung läßt sich
durch die Epitaxieschritte nicht vollständig verstehen. Daher sollen kurz
die Schritte zur Herstellung von GaAs überlegt werden, um die Probleme
zu verdeutlichen, aufgrund derer die vorliegende Erfindung nötig ist.
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Ein
GaAs-Einkristallrohblock wird aus einem GaAs-Polykristall (oder
aus einem Ga-Material und einem As-Material synthetisiert) durch
ein horizontales Bridgman-Verfahren (HB) hergestellt, ein vertikales
Bridgman-Verfahren (VB), oder ein Flüssigkeitseinkapselungs-Czochralski-Verfahren
(LEC). Die Kristallorientierung von GaAs-Rohblöcken kann durch die Orientierung
eines Impfkristalls festgelegt werden. Die Kristallstruktur wachsender
Rohblöcke folgt
der Kristallorientierung des Impfkristalls. Man läßt die GaAs-Kristalle
im allgemeinen in einer Richtung eines niedrigen Spiegelindex wachsen,
beispielsweise in der Richtung {100} oder der Richtung {111}.
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In
der Kristallographie ist es üblich,
daß ein Index
mit runden Klammern (...) eine einzelne Ebene bezeichnet, ein Index
mit geschweiften Klammern {...} eine gemeinsame Ebene, ein Index
mit eckigen Klammern [...] eine einzelne Richtung, und ein Index in
spitzen Klammern <...> eine gemeinsame Richtung.
Eine Gruppe von drei ganzen Zahlen in den Klammern wird als "Spiegelindex" oder "Ebenenindex" bezeichnet. Ein
Wafer, der eine Oberfläche
aufweist, die zu einer Ebene mit einem niedrigen Spiegelindex geneigt
ist, wird manchmal als "Wafer
außerhalb
des Winkels" bezeichnet.
Der Wafer außerhalb
eines Winkels kann nicht durch einen Spiegelindex bezeichnet werden,
da bei dem Wafer die regelmäßige Periodizität verloren
gegangen ist. Der Neigungswinkel θ gegenüber der Ebene mit niedrigem Spiegelindex,
auf welche er sich bezieht, wird als "Winkel außerhalb" bezeichnet.
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Ein
gewachsener GaAs-Rohblock wird zu einem zylindrischen Rohblock Zylinderschleifen
umgeformt. Der zylindrische Einkristallrohblock wird in mehrere
dünne,
runde Kristallplatten geschnitten. Die dünne Platte wird als "geschnittener Wafer" bezeichnet. Die
Oberfläche
des geschnittenen Wafers wird in vielen Fällen so festgelegt, daß sie eine
{100} Oberfläche
aufweist, da ein {100} Wafer es Geräteherstellern erlaubt, die
natürliche
Spaltbildung zum Schneiden eines bearbeiteten Wafers in Gerätechips auszunutzen.
Die Spaltebenen von GaAs werden durch {0-1-1} bezeichnet, und liegen
senkrecht zur Oberfläche
{100}. Die Spaltebenen sind zueinander orthogonal. Daher stellt
{100} eine nützliche
Ebene für
die Oberfläche
von Wafern dar. Mechanisches Polieren, Lappen und Ätzen wandeln
die geschnittenen Wafer {100} in Spiegelwafer um, welche ebene, glatte
Oberflächen
wie ein Spiegel aufweisen. Flüssigkeitsphaseneptaxieprozesse
stellen Epitaxiewafer aus den GaAs-Wafern her, durch Aufschichten
mit Verunreinigungen dotierter GaAs-Schichten und mit Verunreinigungen
dotierten AlGaAs-Schichten auf dem GaAs-Wafer. Waferhersteller führen die
Epitaxieprozesse von den GaAs-Wafern bis zu den Epitaxiewafern durch.
Gerätehersteller
kaufen die Epitaxiewafer, erzeugen mehrere Geräte auf dem Epitaxiewafer durch
Ausbildung von Elektroden, p-Bereichen oder n-Bereichen durch Photolithographie
usw., schneiden den bearbeiteten Wafer in einzelne Chips, und stellen
Infrarot-LEDs dadurch her, daß die
Chips in Gehäusen
untergebracht werden.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
eine Verbesserung der Schritte zur Herstellung von Epitaxiewafern
vor. GaAs-Epitaxiewafer werden dadurch hergestellt, daß Verunreinigungen
des Typs n und Verunreinigungen des Typs p in die Epitaxieschichten auf
den Ausgangs-GaAs-Wafern eindotiert werden. Es gibt einige Arten
von Verunreinigungen des n-Typs und des p-Typs für GaAs-Kristalle. Mit der vorliegenden
Erfindung wird kein Epitaxiewafer mit beliebigen Verunreinigungen
angestrebt. Die vorliegende Erfindung begrenzt die Verunreinigung
nur auf Si. Si ist eine "amphotere" Verunreinigung für GaAs. Si
ist eine Verunreinigung des n-Typs bei einer Temperatur oberhalb
einer kritischen Temperatur Tc, jedoch ist Si eine Verunreinigung
des p-Typs bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur
Tc. Die Verunreinigung des n-Typs liefert Elektronen an die Matrix.
Die Verunreinigung des p-Typs liefert Löcher an die Matrix. Die kritische
Temperatur Tc wird manchmal als umgekehrte Temperatur bezeichnet. Da
sich die Rolle von Si in Abhängigkeit
von der Temperatur ändert,
wird Si hier als amphotere Verunreinigung bezeichnet. Eine Tatsache,
die im Falle des Eindotierens unterschiedlicher Verunreinigungen
ohne Bedeutung ist, führt
zu einem ernsthaften Problem, wenn die amphotere Verunreinigung
zur Herstellung sowohl der n-Bereiche als auch der p-Bereiche eindotiert
wird. Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Lösung dieses Problems versucht,
das bei dem Dotieren mit einer amphoteren Verunreinigung auftritt. Allerdings
erfordert die vorliegende Erfindung einen Kunstgriff bei dem Schritt
der Herstellung geschnittener Wafer, der dem Schritt der Herstellung
von Epitaxiewafern vorausgeht.
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GaAs-Wafer
im allgemeinen als {100}-Wafer hergestellt. In der Praxis treten
jedoch bei dem Waferschneiden einige Fehler auf. Die Anforderung
an den GaAs-Wafer ist durch {100} ± δ gegeben, wobei δ die Toleranz
für die
Abweichung der Oberflächung von
der {100}-Ebene darstellt. Die Anforderung {100} ± δ verdeutlicht,
daß {100}-Wafer
die besten sind, jedoch jene Wafer, die eine geringe Abweichung
von ± δ aufweisen,
nicht die besten darstellen, sondern zulässig sind. Im allgemeinen sind
die {100}-GaAs-Wafer am besten. Nunmehr der zugehörige Stand
der Technik erläutert.
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➀ In
dem japanischen offengelegten Patent Nr. 57-1221 "Monolithische Hybridhalbleitergeräte und Verfahren
zu deren Herstellung",
Anmelderin: Fujitsu Corporation, Erfinder: Kenzo Akita, Itsuo Umezu,
wird vorgeschlagen, daß die
Dampfphaseneptaxie einen GaAs-wafer außerhalb des Winkels bevorzugt,
der um drei Grad bis sieben Grad gegenüber {100} geneigt ist (was
durch {100} + 3° ~
7° Wafer
außerhalb
des Winkels bezeichnet wird), wogegen die Flüssigkeitsphasenepitaxie einen
exakten {100}-GaAs-Wafer bevorzugt. Die Dampfphaseneptaxie ist zur
Herstellung von Gunn-Dioden geeignet, und die Flüssigkeitsphasenepitaxie wird
zur Herstellung einer LED, einer LD oder einer PD bevorzugt. Das
Dokument schlägt
einen Hybridwafer vor, der abwechselnd Teile (100) und Teile mit
(100) + 3° ~
7° außerhalb
des Winkels aufweist. Der Wafer ist ein komplizierter Mehrfachstufenwafer,
der aus Schrägteilen
und geraden Teilen besteht. Das Hybridgerät wird dadurch hergestellt,
daß eine
Gunn-Diode auf den Schrägteilen
durch Dampfphaseneptaxie hergestellt wird, und Photodioden auf den
geraden Teilen durch die Flüssigkeitsphasenepitaxie
hergestellt werden. Bei den geraden Teilen wird eine Toleranz von ± 0,5 Grad
als Abweichung von der exakten {100}-Ebene zugelassen. ➀ schreibt
vor, daß der
exakte {100}-Wafer die Flüssigkeitsphasenepitaxie
für die PDs
am meisten bevorzugt. ➀ läßt Wafer außerhalb des Winkels nicht zu.
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➁ Das
japanische offengelegte Patent Nr. 7-302740 "Einkristall-GaAs-Wafer für Flüssigkeitsphasenepitaxie", Anmelderin: Sumitomo
Electric Industries LTD, Shin-etsu Semiconductor LTD, Erfinder:
Kazuhiko Oida, Makoto Kawasaki, gibt an, daß bisherige GaAs-Wafer mit
einer Toleranz von ± 0,5 Grad
zugelassen wurden, jedoch der Wert von ± 0,5 Grad zu groß für die Toleranz
von GaAs-Wafern ist. Eine derartig starke Neigung von ± 0,5 Grad
führt zu einer
starken Oberflächenrauhigkeit.
Daher schlägt ➁ vor,
daß die
Toleranz von ± 0,5
Grad auf ± 0,2
Grad verringert werden soll, um die Spiegeloberfläche beizubehalten.
Es werden mit Zn dotierte p-Typ-GaAs-Wafer mit (100) ± 0,2 Grad
und mit Si dotierte n-Typ-GaAs-Wafer mit (100) ± 0,2 Grad vorgeschlagen. Über den
Verwendungszweck der Wafer findet sich keine Angabe. Auch ➁ schlägt GaAs-Wafer
mit exakt (100) als die beste Wahl vor. Der neue Vorschlag besteht
darin, die Toleranz von 0,5 Grad bis 0,2 Grad zu verringern. ➁ schließt Wafer
außerhalb
des Winkels aus, ähnlich
wie ➀.
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➂ Japanisches
offengelegtes Patent Nr. 9-18052 "Epitaxiewafer und lichtemittierende
Diode", Anmelderin:
Hitachi
Wiring LTD., Erfinder: Sachiya Shibata, Seiji Mizuniwa, Yukio Sasaki
schlägt
vor, die Herstellung lichtemittierender Dioden durch hintereinander
Aufschichten einer p-Mantelschicht, einer p-Aktivschicht, einer
n-Mantelschicht auf einem p-GaAs-Substrat (Wafer)
zu versuchen. Der Grund für
den Einsatz eines Substrats des p-Typs besteht darin, daß das Ziel in
der Herstellung einer LED mit Bodenreflexion besteht. Anderenfalls
werden LEDs mit Bodenemission dadurch hergestellt, daß durch
Epitaxie eine p-Typ-GaAlAs-Mantelschicht, eine p-Typ-GaAlAs-Aktivschicht, eine
n-Typ-GaAlAs-Mantelschicht auf ein GaAs-Substrat des p-Typs aufgeschichtet werden,
und der Boden des p-Typs-GaAs-Wafers abgeschliffen wird. In ➂ wird
ausgeführt,
daß im
Falle des exakten (100)-GaAs-Substrats dann, wenn die p-Typ-Mantelschicht ausreichend
dick ist (mehr als 100 μm),
eine wellenförmige
Morphologie auftritt, wobei Facetten auf der p-Mantelschicht auftreten. Der Grund für das Auftauchen
der wellenförmigen
Rauhigkeit wird der Tatsache zugeschrieben, daß die vertikale Wachstumsgeschwindigkeit
(aufwärts)
höher ist
als die horizontale Wachstumsgeschwindigkeit (seitlich), wodurch
Stufen in der dicken Mantelschicht erzeugt werden.
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In ➂ wird
ausgeführt "im Falle des exakten (100)-Wafers
sind wenige Schritte und eine Knicke zulassende Kernerzeugung auf der
(100)-Oberfläche vorhanden.
Der Kristall wächst
nicht, bis eine hohe Überschußsättigung
erfolgt. Wenn die Schmelze eine hohe Überschußsättigung in einem kritischen
Zustand erreicht, wächst
der Kristall plötzlich
zum Ausgleich der Überschußsättigung.
Dann hält
das Wachstum für
eine Weile an, bis die Schmelze erneut die Überschußsättigung erreicht. Wenn die Überschußsättigung
den kritischen Zustand erreicht, wächst der Kristall erneut plötzlich.
Das Wachstum und der Stillstand werden intermittierend wiederholt. Das
intermittierende Wachstum erzeugt die Stufen und die Rauhigkeit
der Oberfläche".
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Wenn
es sich beim p-GaAs-Substrat um den exakten GaAs-(100)-Wafer handelt,
so betont ➂, daß die
exakte (100)-Oberfläche
die Oberflächenmorphologie
beeinträchtigt.
Um die Beeinträchtigung
der Morphologie zu verhindern gibt an, daß der Substratwafer ein p-GaAs-Wafer
außerhalb
des Winkels sein sollte, bei welchem die b-Achse [010] um 0,25 bis
2 Grad zu der a-Achse [100] geneigt ist, und die c-Achse [001] um
0 bis 2 Grad zur a-Achse [100] geneigt ist. Die Summe des Winkels
außerhalb
(Neigung) beträgt
0,25 bis 2,8 Grad. Durch den Wafer außerhalb des Winkels verschwinden
die wellenförmigen
Muster auf der Epitaxieschicht (bei der p-Mantelschicht mit einer
Dicke von mehr als 100 μm).
Allerdings ist der Winkel außerhalb
nur bei der sehr dicken Epitaxieschicht mit einer Dicke von mehr
als 100 μm
bei der Flüssigkeitsphasenepitaxie
in einem Fall wirksam, bei welchem eine p-Typ-GaAlAs-Mantelschicht auf
dem p-GaAs-Substrat wächst. ➂ empfiehlt
immer noch das exakte (100)-GaAs-Substrat für dünne Epitaxieschichten, welche
mittels Flüssigkeitsphasenepitaxie
wachsen. In ➂ wird behauptet, daß ein GaAs-Wafer mit (100) ± mehr
als 1 Grad für MOVPE (metallorganische
Dampfphaseneptaxie) geeignet ist. Aus ➂ erhält man zahlreiche
Aufschlüsse.
Allerdings schlägt ➂ immer
noch das exakte (100)-GaAs-Substrat als das am besten geeignetste zum
Aufwachsen einer dünnen
Epitaxieschicht auf dem p-GaAs-Wafer durch die Flüssigkeitsphasenepitaxie
vor.
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➃ japanisches
offengelegtes Patent Nr. 59-117111 "Flüssigkeitsphasenepitaxie
von Verbundleitern",
Anmelderin: Mitsubishi Electric LTD., Erfinder: Toshio Tanaka, Toshio
Togawa, Saburo Takamiya, schlägt
eine Verbesserung des Substrats zur Herstellung von Laserdioden
(LDs) auf einem n-Typ-GaAs-Substrat (Wafer) vor. Die LDs werden auf
einem Epitaxiewafer durch Aufeinanderschichten mittels Epitaxie
einer mit Te-dotierten n-AlGaAs-Mantelschicht, einer undotierten
n-GaAs-Aktivschicht, einer mit Ge dotierten p-AlGaAs-Mantelschicht
und einer mit Ge dotierten p-GaAs-Kontaktschicht hintereinander
auf einem mit Si-dotierten n-Typ-(100)-GaAs-Wafer (Substrat) mittels
Flüssigkeitsphasenepitaxie
hergestellt. In ➃ wird auf das Problem der Beeinträchtigung
der Oberflächenmorphologie
durch Muster in Form von Wellen, kleiner Wellen oder Fischschuppen
hingewiesen.
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Die
Muster in Form kleiner Wellen traten zwischen dem (100)-n-GaAs-Substrat
und der mit Te dotierten n-AlGaAs-Mantelschicht auf. Die Störung in Form
kleiner Wellen der Oberflächenmorphologie führt zu einem
ernsthaften Problem, da es sich bei dem Gerät nicht um eine LED sondern
um eine LD handelt. In ➃ wird angenommen, daß das exakte (100)-GaAs-Substrat
zum Auftreten der kleinen Wellen auf der Oberfläche der Epitaxieschicht führt. In ➃ wird
eine Lösung
vorgeschlagen, nämlich
den mit Si dotierten n-Typ-GaAs-Wafer um 1 Grad gegenüber der
(100)-Ebene zu neigen. Es wurde geschildert, daß eine ebene, glatte Oberfläche dann
erhalten wurde, wenn eine mit Te dotierte n-Typ-AlGaAs-Mantelschicht
auf einem Wafer mit (100) + 1 ° außerhalb des
Winkels angeordnet wurde. In ➃ wird allgemein ein Wafer
des Typs (100) + 0,2 bis 5 ° außerhalb
des Winkels aus GaAs vorgeschlagen.
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In ➄,
dem japanischen Patent Nr. 2914246 "Epitaxiewafer und Halbleiterlichtemissionsgeräte", Anmelderin: Showa
Denko LTD., Erfinder: Atsushi Yoshinaga, wird ein GaAs-Wafer des
Typs (100) + 0,5 bis 5 ° außerhalb
des Winkels bei der Herstellung von Laserdioden (LDs) vorgeschlagen,
durch ein Verfahren, welches am besten die Umkehrung des natürlichen
Leitungstyps von amphoterem Si einsetzt, durch Aufschichten mit
einer Si-dotierten AlGaAs-n-Typ-Schicht und einer mit Si-dotierten
AlGaAs-p-Typ-Schicht auf ein n-Typ-GaAs-Substrat mittels Flüssigkeitsphasenepitaxie.
Bei dem voranstehend geschilderten Druckschriften ➀, ➁, ➂ und ➃ wurden
unterschiedliche Dotierstoffe zur Herstellung von Schichten des
n-Typs und des p-Typs verwendet. Anders als ➀, ➁, ➂ und ➃ wird
bei ➄ Si als amphotere Verunreinigung zur Herstellung der
Laser sowohl des n-Typs als auch des p-Typs eingesetzt. ➄ stimmt
mit der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Auswahl der Verunreinigung überein.
Der Grund dafür,
warum die Orientierung des GaAs-Substrats von (100) abweichen sollte,
wurde damit angegeben, daß verhindert
werden sollte, daß ein "blitzförmiger" Thyristor in dem
pn-Übergang
auftaucht. Die Erzeugung eines abnormen pn-Übergangs in dem Epitaxiewafer
wird in ➄ als "blitzförmiger" Thyristor bezeichnet,
wegen der Form eines abnorm wachsenden pn-Übergangs, der schräg gegenüber einem
Teil des normalen horizontalen pn-Übergangs entsteht. 5 zeigt einen Schnitt durch
einen Epitaxiewafer zur Verdeutlichung des Auftretens des Blitz-Thyristors.
Der Epitaxiewafer besteht aus einem n-GaAs-Substrat, einer n-GaAs-Schicht
und einer p-GaAs-Schicht, die durch Epitaxie auf dem n-GaAs-Substrat
aufgeschichtet werden. Wenn unterschiedliche Arten an Dotierstoffen
verwendet werden, tritt eine derartige Abnormität niemals auf. Wenn der pn-Übergang
durch Dotieren des GaAs-Substrats mit amphoterem Si durch Steuern
der Temperatur hergestellt wird, führen Temperaturschwankungen
manchmal zum Auftreten der Abnormität gemäß 5. Die Form des parasitären pn-Übergangs
gleicht jener eines Blitzes. Ein Vertikalschnitt zur Oberfläche enthält drei
pn-Übergänge und
einen Schichtaufbau n-p-n-p. Der n-p-n-p-Schichtaufbau ist ähnlich wie
beim Thyristor (einer von SCRs). Die Abnormität stellt ein inhärentes Problem
bei dem Verfahren mit Umkehrung des natürlichen Leitungstyps unter
Verwendung des amphoteren Dotierstoffes Si dar. In ➄ wird
angegeben, daß das
exakte (100)-GaAs-Substrat leicht zu dem Blitz-Thyristor bei dem
Verfahren mit Umkehrung des natürlichen
Leitungstyps führt.
Jene Teile, welche den Thyristor enthalten, können weder verkauft noch eingesetzt
bei Epitaxiewafern zur Herstellung lichtemittierender Geräte werden,
da der doppelte pn-Übergang
einen Stromfluß verhindert.
In ➄ wird ausgeführt,
daß ein
GaAs-Wafer außerhalb
des Winkels, bei welchem eine Oberfläche um 0,5 Grad bis 5 Grad
gegenüber
der (100)-Ebene geneigt ist, dazu fähig ist, das Auftauchen des
Blitz-Thyristors in einem Epitaxiewafer zu verhindern, der von dem
Wafer außerhalb
des Winkels ausgeht. In ➄ wird erläutert, daß ein Winkel außerhalb,
der kleiner als 0,5 Grad ist, das Auftreten des Blitz-Thyristors
zuläßt, und
daß ein
Winkel außerhalb
von mehr als 5 Grad dazu führt, daß eine starke
Oberflächenrauhigkeit
des Wafers auftritt. Die Rauhigkeit verhindert, daß Hersteller
lichtemittierende Geräte
auf dem unebenen Epitaxiewafer herstellen können. Ein Wafer mit einem Winkel von
0,5 Grad außerhalb
kann zum Auftreten des Blitz-Thyristors führen. Allerdings ist die Länge der Abnormität geringer
als 50 μm.
Der GaAs-Wafer kann auf jeden Fall zur Herstellung von Geräten verwendet
werden. Daher wird in ➄ darauf hingewiesen, daß der bevorzugte
Bereich für
den Winkel außerhalb
zwischen 0,5 Grad und 5 Grad liegt.
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Es
gibt zahlreiche Dotierstoffe, welche bei GaAs-Kristallen zur Leitung
des n-Typs oder des p-Typs führen,
beispielsweise Zink (Zn), Germanium (Ge), oder Tellur (Te). Die
Dotierstoffe führen
zu einem definierten Leitungszustand, da sie ein bestimmtes Atom
ersetzen, entweder Ga oder As. Sie können sicher als Dotierstoff
des n-Typs oder des p-Typs bezeichnet werden. Si stellt dagegen
einen seltsamen Dotierstoff dar. Si wirkt als Dotierstoff des n-Typs
durch Ersetzen des Ga-Ortes, wirkt jedoch andererseits als Dotierstoff
des p-Typs durch Ersetzen des As-Ortes. Die Temperatur legt fest,
ob Si die Rolle eines Dotierstoffes des p-Typs oder des n-Typs in
GaAs spielt. Daher wird Si als amphoterer Dotierstoff bezeichnet.
Die Änderung
des Leitungstyps, die durch die Temperaturänderung hervorgerufen wird, wird
als Umkehrung der natürlichen
Leitung (des natürlichen
Leitungstyps) bezeichnet.
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Die
Flüssigkeitsphasenepitaxie
ist ein Filmwachstumsverfahren, bei welchem ein Feststoffmaterial
in einer Schmelze erwärmt
wird, ein Substrat in Berührung
mit der erwärmten
Schmelze gebracht wird, die Temperatur der Schmelze abgesenkt wird, ein
thermisches Gleichgewicht zwischen der Schmelze und dem Substrat
aufrechterhalten wird, ein Teil der Schmelze in Berührung mit
der Oberfläche
des Substrats sich verfestigt, und ein Epitaxiefilm auf dem Substratkristall
erzeugt wird. Die Flüssigkeitsphasenepitaxie
stellt das älteste
Verfahren unter den Epitaxiewachstumsverfahren dar. Allerdings ist
die Flüssigkeitsphasenepitaxie
immer noch das beste Filmkristallwachstumsverfahren zur Herstellung
von LEDs. Die Flüssigkeitsphasenepitaxie
(LPE) kann in verschiedene Versionen unterteilt werden. Die Vertikalflüssigkeitsphaseneptaxie
ist ein Verfahren, bei welchem Epitaxiefilme dadurch wachsen, daß eine in Vertikalrichtung
lange Wanne vorbereitet wird, die mit zahlreichen parallelen Schlitzen
versehene Seitenwände
aufweist, vertikal mehrere Wafer so aufbewahrt werden, daß sie in
die Schlitze in horizontaler Ausrichtung eingeführt werden, eine Schmelze aus einem
erwärmten
Material in die Wanne eingegeben wird, die Wafer in Berührung mit
der erwärmten Schmelze
gebracht werden, die Temperatur der Schmelze mit einer Geschwindigkeit
verringert wird, durch welche das Wärmegleichgewicht aufrechterhalten
werden kann, und ein Teil der Schmelze auf dem Substrat verfestigt
wird. Da sich die Wafer in Vertikalrichtung in der Wanne ausrichten,
wird das Verfahren als "vertikale
LPE" bezeichnet.
Bei einem einzigen Posten können
etwa 50 bis 100 Wafer zu Epitaxiewafern verarbeitet werden (vgl.
das japanische offengelegte Patent Nr. 59-128298). Horizontalflüssigkeitseptaxie
ist ein Verfahren, bei welchem Epitaxiefilme so aufwachsen, daß eine horizontale Platte
vorbereitet wird, die mehrere wenig tiefe Löcher aufweist, sowie ein horizontales
Gleitstück,
das mit mehreren Hohlräumen
versehen ist, um auf der Platte zu gleiten, ein Wafer in dem wenig
flachen Loch aufbewahrt wird, Feststoffmaterialien den Hohlräumen des
Gleitstücks
zugeführt
werden, das Gleitstück
und die Platte erwärmt
werden, um die Feststoffmaterialien in eine Materialschmelze in
den Hohlräumen
umzuwandeln, das Gleitstück
auf der Platte bewegt wird, um einen Teil der Schmelze in Berührung mit
dem GaAs-Wafer zu bringen, die Temperatur mit einer Geschwindigkeit
abgesenkt wird, bei welcher das Wärmegleichgewicht aufrechterhalten
wird, das Schmelzmaterial auf der Oberfläche des Wafers verfestigt wird,
das Gleitstück
bewegt wird, um den Wafer in Berührung
mit der nächsten Materialschmelze
zu bringen, ein weiterer Dünnfilm auf
dem ersten Epitaxiefilm erzeugt wird, die voranstehenden Prozesse
bei den folgenden Hohlräumen wiederholt
werden, und Epitaxiefilme auf dem Substrat aufwachsen. Neben diesen
beiden Verfahren gibt es andere Versionen, die zur Kategorie der
Flüssigkeitsphasenepitaxie
gehören.
Die Erfindung kann bei jeglicher Flüssigkeitsphasenepitaxie eingesetzt
werden.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Epitaxiewafer, der eine mit Si
dotierte Schicht des n-Typs aufweist, und eine mit Si dotierte Schicht
des p-Typs, als Ausgangswafer zur Herstellung infraroter LEDs. Si
ist eine amphotere Verunreinigung für AlGaAs und GaAs, welche in
Abhängigkeit
von der Temperatur entweder als n-Verunreinigung oder als p-Verunreinigung
wirkt. Si verhält
sich bei höherer Temperatur
als Verunreinigung des n-Typs, und bei niedrigerer Temperatur als
Verunreinigung des p-Typs. Der Temperaturschwellenwert wird als
Umkehrtemperatur Tc bezeichnet. Unter Nutzung der amphoteren Eigenschaft
erzeugt die Flüssigkeitsphasenepitaxie
eine n-Schicht, eine p-Schicht und einen pn-Übergang mit einem einzigen
Dotiermittel Si durch Regeln des Absinkens der Temperatur. Durch LPE
auf Si-Grundlage kann ein Schmelzhohlraum bei dem Gleitstück entfallen.
Die Einrichtung kann dadurch vereinfacht werden, daß Si als
Dotierstoff eingesetzt wird. Nachstehend erfolgt eine kurze Erläuterung
der Flüssigkeitsphasenepitaxie
zur Herstellung eines mit Si dotierten GaAs-Epitaxiewafers. Die
Flüssigkeitsphasenepitaxie
verringert die Schmelztemperatur der Materialschmelze erheblich weniger
als die inhärente
Schmelztemperatur von GaAs, durch Mischung von GaAs mit einem geeigneten
Lösungsmittel.
Streng genommen handelt es sich bei der Schmelze bei der LPE um
eine Lösung,
die aus einem Lösungsmittel
und einem gelösten
Stoff besteht. Hierbei wird Ga als Lösungsmittel verwendet, da GaAs
in einer Ga-Schmelze lösbar
ist. Der gelöste
Stoff ist AlGaAs oder GaAs. Ga weist einen niedrigen Schmelzpunkt
auf. Eine Ga-Schmelze kann GaAs und AlGaAs bei einer Temperatur
lösen, die
weit unterhalb des Schmelzpunkts (1238 °C) von GaAs liegt. Wenn GaAs-Feststoff
der Ga-Schmelze hinzugegeben wird, wird GaAs bis zu einer Konzentration
herauf gelöst,
welche als "Sättigungskonzentration" bezeichnet wird.
Die Sättigungskonzentration hängt von
der Temperatur ab. Eine Ga-Schmelze, welche GaAs enthält, wird
nachstehend als Ga-Lösung
bezeichnet, um sie von der reinen Ga-Schmelze zu unterscheiden.
Die Ga-Schmelze sollte Si als Dotierstoff in geringer Konzentration
enthalten. Daher enthält
die Ga-Lösung
Ga (Lösungsmittel),
GaAs (gelöster
Stoff), und Si (Dotierstoff). 1 zeigt
die Änderung
der Temperatur des GaAs-Wafers bei dem Schritt der Flüssigkeitsphasenepitaxie.
Auf der Abszisse ist die Zeit t aufgetragen. Die Ordinate gibt die Temperatur
T der Ga-Lösung
an.
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[LPE-Verfahren mit Si-dotiertem
GaAs]
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1.
Als Beispiel wird das horizontale LPE-Verfahren erläutert, um
die Probleme bei der bisherigen LPE mit Si-Dotierung zu verdeutlichen.
Das gleiche Problem tritt bei dem vertikalen LPE-Verfahren auf.
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Im
Falle der horizontalen LPE wird ein n-Typ-GaAs-Wafer (Substrat)
in ein wenig tiefes Loch auf der Platte eingesetzt. Eine Ga-Lösung, welche GaAs
und Si in Sättigungskonzentration
enthält,
wird in einem Hohlraum des Gleitstücks aufbewahrt. Das Gleitstück wird
auf die Platte auf einem Punkt aufgesetzt, der von dem Wafer in
dem Loch getrennt ist. Die Platte und das Gleitstück werden
in einen Ofen eingebracht. Der Ofen erwärmt die Platte und das Gleitstück bis zu
einer bestimmten Temperatur zum Start des Epitaxiewachstums. Die
Wachstumsstarttemperatur (a) beträgt beispielsweise 950 °C. Die Temperatur
wird für
einen bestimmten Zeitraum aufrechterhalten (t = a ~ t = b). Bei
t = b werden das GaAs und die mit Si gesättigte Ga-Lösung in Kontakt mit dem Wafer
gebracht, durch Bewegung des Gleitstücks auf der Platte. Die Temperatur
wird weiterhin für
einen Zeitraum zwischen t = b und t = c aufrechterhalten, beispielsweise
eine Stunde, während
die mit GaAs gesättigte
Ga-Lösung
in Kontakt mit dem Wafer bleibt.
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Im
Falle des vertikalen LPE-Verfahrens werden einige hundert GaAs-Wafer
in einer vertikalen Kassette aufbewahrt. Die Kassette wird in einer
Wanne aufbewahrt. Die Kassette und die Wanne werden in einem Ofen
erwärmt.
Eine mit GaAs gesättigte Ga-Lösung wird
der Wanne in dem Ofen bei t = b zugeführt. Die mit GaAs gesättigte Ga-Lösung gelangt in
Kontakt mit den Wafern für
einen Zeitraum (t = b bis t = c). Die vertikale LPE und die horizontale
LPE weisen entsprechende Schritte in Bezug auf die Temperaturänderung
und das Filmwachstum in den folgenden Prozessen auf.
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2.
Nachdem der Wafer in Kontakt mit der Ga-Lösung gelangt, beginnt die Temperatur
der Ga-Lösung
bei t = c abzusinken, mit einer Abkühlrate von etwa –2 °C/min bis –3 °C/min. Die
Absenkung der Temperatur verringert die Ga-Sättigungskonzentration in der
Ga-Lösung.
Die Abnahme der Ga-Sättigungskonzentration
erzeugt zusätzlichen GaAs-Feststoff.
Der zusätzliche
GaAs-Feststoff mit Si schlägt
sich auf dem GaAs-Wafer nieder, von t = c über t = d bis t = e in 1. Da die Temperatur höher ist
als Tc, nehmen Si-Atome die Orte von Ga ein. Das Si, welches Ga
ersetzt hat, wird ein Dotierstoff des n-Typs durch Abgabe von Elektronen.
Daher wächst ein
GaAs-Film des n-Typs auf dem GaAs. Wenn GaAs und Si in dem GaAs-Wafer
absorbiert werden, nimmt die Konzentration von GaAs und Si ab. Da
die Temperatur abnimmt, nimmt auch die GaAs-Sättigungskonzentration ab. Wenn
die Temperatur so geregelt wird, daß die Abnahme der GaAs-Konzentration
infolge des Epitaxiewachstums an die Abnahme der GaAs-Sättigungskonzentration
angeglichen wird, geht das Epitaxiewachstum in der Ga-Lösung mit
der GaAs-Sättigungskonzentration
weiter. Im Idealfall wird die Ga-Lösung entlang der Kurve c-d-e-f-g-h
abgekühlt,
unter Aufrechterhaltung der GaAs-Sättigungskonzentration. Die
GaAs-Schicht des n-Typs wächst
ständig
auf dem GaAs-Wafer.
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3.
Am Punkt e sinkt die Temperatur auf die Umkehrtemperatur Tc ab (etwa
850 °C).
Das Wachstum der GaAs-Schicht des n-Typs hört auf. Der Zeitraum c-e beträgt etwa
eine Stunde. Die Rolle des Si ändert
sich am Punkt e. Danach wirkt Si als p-Dotierstoff, indem es die
Orte von As einnimmt. Dann beginnt GaAs des p-Typs auf der GaAs-Schicht
des n-Typs zu wachsen. Ein pn-Übergang
wird dazwischen dem n-GaAs und dem p-GaAs erzeugt. Die obere Oberfläche des
GaAs des n-Typs, die bei t = e auftaucht, wird der pn-Übergang.
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4.
Wenn die Temperatur T niedriger ist als Tc (T < Tc), gehen Si-Atome in die Orte von
As in einer Epitaxiewachstumsschicht hinein, und erzeugen Akzeptorniveaus.
Die wachsende Schicht wird zu einem Kristall des p-Typs. Während die
Temperatur der Lösung
entlang der Kurve e-f-g absinkt, wächst eine GaAs-Schicht des
p-Typs auf der darunter befindlichen n-GaAs-Schicht.
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5.
Der Temperaturabfall wird geregelt, um die Sättigungskonzentration von GaAs
in der Ga-Lösung aufrecht
zu erhalten, wie dies voranstehend geschildert wurde. Wenn die Temperatur
eine vorbestimmte Temperatur Tg erreicht, wird die Ga-Lösung von
dem GaAs-Wafer getrennt (t = g). Die Trennung des GaAs-Wafers von
der Ga-Lösung
unterbricht das Wachstum der GaAs-Schicht des p-Typs. Das Epitaxiewachstum
ist beendet. Es wird ein Epitaxiewafer erhalten, der einen pn-Übergang aufweist.
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Wenn
die Flüssigkeitsphaseneptaxiefilme auf
einem exakten {100}-GaAs-Wafer erzeugt werden, ist die Oberfläche des
Epitaxiefilms glatt und eben. Wenn es sich beim Substrat dagegen
um einen GaAs-Wafer außerhalb
des Winkels handelt, dessen Oberfläche in Bezug auf {100} geneigt
ist, tritt bei derselben Flüssigkeitsphasenepitaxie
eine unregelmäßige Morphologie,
die durch die Bündelung
von Stufen hervorgerufen wird, auf der Oberfläche des Epitaxiefilms auf.
Die unregelmäßige Oberfläche stört die Ausbildung
von Elektroden auf der Oberfläche.
Um das Auftreten der unregelmäßigen Oberfläche zu vermeiden,
haben Waferhersteller exakte {100}-GaAs-Wafer als Substrat bei der
Flüssigkeitsphasenepitaxie
eingesetzt. Von exakten {100}-Wafern wurde angenommen, daß sie das
beste Substrat für
die LPE darstellen. In der Praxis wurden {100}-GaAs-Wafer mit einem
Fehler innerhalb der Toleranz verwendet. Die ideale Orientierung
des Ausgangssubstrats war {100}, um eine zufriedenstellende Oberflächenmorphologie
zu erhalten. Tatsächlich wurde
bei dem Prozeß des
Spaltens des GaAs-Rohblocks in Wafer die Klinge der Spaltvorrichtung
auf die exakten {100}-Ebenen in dem Rohblock gerichtet (beispielsweise
im japanischen offengelegten Patent Nr. 7-302740).
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Der
Erfinder betrachtete einen Schnitt durch einen Epitaxiewafer, der
auf einem exakten (100)-GaAs-Wafer mittels Flüssigkeitsphasenepitaxie unter
Verwendung von Si als Dotierstoff hergestellt wurde. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt einschließlich einer
Abnormität.
Dies stellt ein Beispiel für
den Schnitt dar. Es gibt zahlreiche andere Versionen in dem Schnitt.
Das n-GaAs am Boden ist ein exaktes (100)-GaAs-Substrat. Die nächste Schicht
ist eine n-GaAs-Schicht, die auf dem n-GaAs-Substrat aufgewachsen ist, mit einer
siliziumhaltigen Ga-Lösung
bei höherer
Temperatur. Oben befindet sich eine p-GaAs-Schicht, die auf der n-GaAs-Schicht
gewachsen ist, mit derselben siliziumhaltigen Ga-Lösung bei
niedrigerer Temperatur. Das GaAs-Substrat
ist jenes Teil, welches sandwichartig zwischen der Linie m und der
Linie q eingeschlossen ist. Der mittlere Teil, der sandwichartig
zwischen der Linie q und der Linie r eingeschlossen ist, ist die
n-GaAs-Schicht. Das obere Teil, welches sandwichartig zwischen der
Linie r und der Linie System eingeschlossen ist, ist die p-GaAs-Schicht.
Die Linie r ist der pn-Übergang.
Die Linie r sollte im Falle eines normalen Wachstums eine gerade
Linie sein. Bei dem abnormen Wachstum, im Falle des Epitaxiewafers,
der aus einem exakten (100)-GaAs-Substrat hergestellt wird, ist
die Linie r eine diskontinuierlich gefaltete Linie EFGHIJ.
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Im
Normalfall beträgt
die Dicke der n-GaAs-Schicht 36 μm,
und die Dicke der p-GaAs-Schicht 42 μm. Die Tiefe des pn-Übergangs sollte nämlich 42 μm gegenüber der
oberen Oberfläche
betragen. Allerdings weicht der pn-Übergang nach oben gegenüber dem
normalen Niveau im Teil GH ab. Die Tiefe des pn-Übergangs GH ist 20 μm. Statt
dessen weist die n-GaAs-Schicht eine hohe Dicke von 56 μm bei GH
auf. Der pn-Übergang
weicht nach oben um 20 μm
bei GH ab. Es ist eine Diskrepanz von 2 μm bezüglich der Summe der Dicken
zwischen GH und den anderen Teilen vorhanden. Diese Diskrepanz ist
Meßfehlern
zuzuschreiben.
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Die
normalen Teile HJ und EG des Wafers können als Substrate zur Herstellung
von LEDs verwendet erden. Das zentrale Teil FI weist eine übermäßig dicke
n-Schicht und eine übermäßig dünne p-Schicht
auf. Das Teil FI kann dadurch in LEDs umgewandelt werden, daß oben und
unten Elektroden ausgebildet werden.
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Bei
den Seitenteilen GF und IH treten schwerwiegendere Defekte auf,
da der pn-Übergang dreifach
gefaltet ist, und die n-Schicht in die p-Schicht eindringt. Würden Elektroden
oben und unten bei GF und IH ausgebildet, können die Geräte keine
LEDs sein. Die Teile GF und IH weisen den komplexen Aufbau von n-p-n-p
auf. Wenn eine Spannung zwischen der p-Elektrode und der n-Elektrode
angelegt wird, verhindern die mittleren, umgekehrten pn-Übergänge GF und
IH, die einen hohen Widerstand aufweisen, einen Fluß des Treiberstroms
durch die pn-Übergänge. Es
wird kein Elektronen-Lochpaar erzeugt. Kein Übergang tritt zwischen dem
Valenzband und dem Leitungsband auf. Dann wird kein Licht erzeugt.
Die lokal auftretende n-p-n-p-Struktur wird als Thyristorstruktur
bezeichnet.
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Die
Thyristorteile GF und IH sind schlechte Teile, die überhaupt
nicht als Ausgangssubstrat zur Herstellung von LEDs dienen können. Bei
dem Beispiel beträgt
die Breite von GF 600 μm,
und die Breite von IH 900 μm.
Das mittlere Teil FI, welches kein Thyristor ist, jedoch in Bezug
auf die Tiefe des pn-Übergangs
nicht dem Standard entspricht, kann nicht als Substrat für LEDs verkauft
werden. FI weist eine Breite von 2100 μm auf. Daher stellen die Teile
GH = GF + FI + IH Ausschußteile
dar. Die Breite des Verlustes beträgt bei dem Beispiel 3600 μm.
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Ein
derartiger Defekt tritt häufig
bei dem Epitaxiewachstum auf GaAs-Wafern des Typs {100} ±0,02° auf. Hierbei
ist mit "±0,02°" die Toleranz in
Bezug auf den maximal zulässigen
Fehler gemeint. Die ideale Orientierung beträgt exakt {100}.
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Nunmehr
erfolgt eine Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
zum Erreichen der voranstehend genannten Ziele gemäß dem Zweck
der Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
die Verwendung eines Wafers des Typs {100} mit einem Winkel außerhalb
von 0,03 bis 0,15 Grad vor, als Ausgangssubstrat zur Herstellung
eines Epitaxiewafers, welche eine GaAs-Schicht oder AlGaAs-Schicht des
n-Typs aufweist, eine GaAs-Schicht oder AlGaAs-Schicht des p-Typs,
und einen pn-Übergang, mittels
Flüssigkeitsphasenepitaxie
unter Einsatz des amphoteren Dotierstoffs Si.
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Weiterhin
schlägt
die vorliegende Erfindung einen GaAs-Flüssigkeitsphaseneptaxiewafer
vor, des Typs {100} mit einem Winkel außerhalb von 0,03 bis 0,15 Grad,
eine Schicht des n-Typs aus GaAs oder AlGaAs, die auf dem GaAs-Wafer
mittels Flüssigkeitsphasenepitaxie
unter Verwendung von Si als Dotierstoff des n-Typs aufwächst, eine
Schicht aus GaAs oder AlGaAs des p-Typs, die auf der Schicht aus GaAs oder
AlGaRs des n-Typs mittels Flüssigkeitsphasenepitaxie
unter Verwendung von Si als Dotierstoff des p-Typs aufwächst, und
einen pn-Übergang.
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Der
Winkel außerhalb
von {100} wird mit θ bezeichnet.
Der Ausgangswafer gemäß der vorliegenden
Erfindung kann kurz dadurch charakterisiert werden, daß die Ungleichung
0,03° ≤ θ ≤ 0,15° erfüllt ist.
Wenn eine Schneidvorrichtung einen GaAs-Rohblock des n-Typs in dünne Wafer
schneidet, zielt die Klinge der Schneidvorrichtung nicht auf exakt
{100}, sondern zielt auf eine Ebene, die in Bezug auf {100} um 0,03
Grad bis 0,15 Grad geneigt ist. Die Richtung der Neigung ist willkürlich. Alle
Richtungen sind äquivalent.
Die Waferoberfläche
kann gegenüber
(100) in Richtung auf [110], [101], [111] oder eine frei wählbare Richtung
geneigt sein. Die Erhöhung
des Winkels (des Winkels außerhalb) θ der Waferoberfläche verringert
die Wahrscheinlichkeit für
das Auftreten defekter Teile in den Epitaxiewafern. In dem angegebenen
Bereich zwischen 0,03 Grad und 0,15 Grad führt ein Winkel θ außerhalb
von mehr als 0,10 Grad dazu, daß die
Defektwahrscheinlichkeit auf einen Wert nahe an Null verringert
wird. Ein Winkel außerhalb von θ von mehr
als 0,2 Grad unterdrückt
perfekt die Defektwahrscheinlichkeit auf Null.
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Durch
eine andere Bedingung wird jedoch der Umfang des Winkels außerhalb
eingeschränkt. Ein
zu großer
Winkel θ außerhalb
führt zu
zahlreichen hohen Stufen auf dem Epitaxiewafer. Es ist schwierig,
Elektroden auf einer unregelmäßigen Oberfläche auszubilden,
welche zahlreiche Stufen enthält.
Die Herstellung der Elektroden macht es wünschenswert, einen kleineren
Winkel θ außerhalb zu
wählen.
Daher ist die Obergrenze auf 0,2 Grad festgelegt. Der minimale Winkel
außerhalb,
der dazu wirksam ist, das Auftreten der Abnormität des pn-Übergangs zu unterdrücken, beträgt 0,02
Grad. Daher liegt bei einer erläuternden
Ausführungsform, die
nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, der Wert von θ im Bereich
von 0,02 Grad bis 0,2 Grad (0,02° ≤ θ ≤ 0,2°). In der
Praxis sind bei der tatsächlichen
Herstellung Herstellungsfehler vorhanden. Zur Berücksichtigung
des Fehlers sollte eine Toleranz α festgelegt
werden. Die Festlegung der Toleranz hängt von der Spaltmaschine und
dem eingesetzten Verfahren ab. In der Praxis sollte die Klinge der
Schneidvorrichtung aus Sicherheitsgründen auf eine Ebene zielen, die
gegenüber
{100} um einen Winkel zwischen 0,02° +α und 0,2° –α geneigt ist.
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Ein
geeigneter Bereich für
den Winkel außerhalb
des GaAs-Wafers, gemäß der vorliegenden
Erfindung, beträgt
zwischen 0,03 Grad bis 0,15 Grad (0,03 ≤ θ ≤ 0,15).
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Nunmehr
werden Vorteile der vorliegenden Erfindung erläutert. Bei der Erfindung findet
ein Epitaxiewachstum von mit Si dotierten GaAs-Schichten oder von
mit Si dotierten AlGaAs-Schichten statt, auf einem GaAs-Wafer des
Typs {100} ±0,03° bis ±0,15° in Bezug
auf den Winkel außerhalb,
durch Flüssigkeitsphasenepitaxie
unter Verwendung des amphoteren Dotierstoffes Si. Durch den Winkel
außerhalb wird
die Abnormität
eines keilförmigen
pn-Übergangs vollständig ausgeschlossen.
Der Winkel außerhalb ist
so klein (kleiner als 0,15 Grad), daß eine zufriedenstellende Oberflächenmorphologie
des Epitaxiewafers aufrechterhalten wird. Die Oberflächenmorphologie
stört nicht
die Ausbildung von Elektroden. Die vorliegende Erfindung unterdrückt das
Auftreten der Abnormität
in Bezug auf den pn-Übergang,
und erhöht
die Rate nutzbarer Teile eines Epitaxiewafers.
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Beispiele
für die
Erfindung werden unter Bezugnahme auf die verschiedenen Figuren
der beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Es zeigt:
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1 ein
Diagramm der zeitabhängigen Änderung
der Temperatur der Ga-Lösung
bei der Flüssigkeitsphasenepitaxie
zur Herstellung von GaAs-Schichten mit amphoterem Si als Dotierstoff, wobei
auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Temperatur der
Ga-Lösung
aufgetragen ist;
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2 einen
Schnitt eines Epitaxiewafers (GaAs), der durch Flüssigkeitsphasenepitaxie
unter Verwendung von Si als amphoterem Dotierstoff hergestellt wurde,
um eine Abnormität
des pn-Übergangs
zu zeigen;
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3 einen
vergrößerten Schnitt
des (100)-GaAs-Substrats, welches Außerhalbfacetten (Kanten) und
Facetten aufweist, zur Erläuterung
des Wachstums einer GaAs-Schicht
auf dem Substrat;
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4 ein
Diagramm, welches die Häufigkeit des
Auftretens keilförmiger
pn-Übergänge (partieller Thyristoren) in
Epitaxiewafern zeigt, die durch Übereinanderschichten
einer mit Si-dotierten Ga-Lösung mittels
Flüssigkeitsphasenepitaxie
auf GaAs-Wafern mit einem Winkel außerhalb auftreten, deren Winkel außerhalb
von 0 Grad bis 0,25 Grad in Einheitsschritten von 0,01 Grad geändert werden,
wobei auf der Abszisse die Rate (Prozent) für das Auftreten einer Abnormität des pn-Übergangs
aufgetragen ist, und auf der Ordinate der Winkel außerhalb
(Grad);
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5 einen
vereinfachten Schnitt durch eine Epitaxiewafer, der einen abnormen
pn-Übergang
aufweist, um das Auftreten des Blitz-Thyristors zu erläutern, der
in dem japanischen Patent Nr. 2914246 geschildert wurde;
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6 einen
Schnitt durch einen Epitaxiewafer, welcher Außerhalbfacetten (Ränder) und
Facetten aufweist, zur Erläuterung
der Richtung eines wachsenden Epitaxiefilms und der Richtung der wachsenden
Stufen, wie dies im japanischen Patent Nr. 2914246 beschrieben wurde.
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Die
Beziehung zwischen dem Winkel außerhalb und dem abnormen Zustand
des pn-Übergangs wird
dadurch untersucht, daß ein
GaAs-Einkristallrohblock in 25 unterschiedliche Arten von (100)-GaAs-Wafern
mit einem Winkel außerhalb
geschnitten werden, die einen Winkel außerhalb zwischen 0 Grad und
0,25 Grad aufweisen, in Schritteinheiten von 0,01 Grad, man dann
mit Si-dotierte GaAs-Schichten des n-Typs aufwachsen läßt, sowie mit
Si-dotierte GaAs-Schichten des p-Typs, auf den GaAs-Wafern mit einem
Winkel außerhalb,
die pn-Übergänge in Abschnitten
untersucht werden, und die Häufigkeit
des Auftauchens abnormer pn-Übergänge für jede Art
eines Winkels außerhalb gezählt wird. 4 zeigt
die Versuchsergebnisse. Auf der Ordinate sind die Winkel Θ außerhalb
des GaAs-Wafers des Substrats aufgetragen. Die Ordinate ist von
0 Grad bis 0,25 Grad numeriert, mit einer Schritteinheit von 0,01
Grad, entsprechend dem Winkel außerhalb des Ausgangssubstratwafers
aus GaAs. Die Abszisse gibt die Häufigkeit (%) schlechter Epitaxiewafer
an, bei denen zumindest ein abnormer pn-Übergang bei den pn-Übergängen auftaucht.
Ein Wafer, der in zumindest einem pn-Übergang eine Abnormität aufweist,
wird den schlechten Wafern zugerechnet, unabhängig von der Anzahl oder der
Fläche der
abnormen Zustände.
Die Häufigkeit
ist der Quotient der Anzahl an schlechten Wafern und der Anzahl sämtlicher
Epitaxiewafer.
-
Bei
den exakten (100)-GaAs-Wafern tritt eine sehr hohe Rate von 32 %
des Auftretens abnormer pn-Übergänge auf.
32 % der exakten (100)-Epitaxiewafer enthält nämlich zumindest einen abnormen
Zustand (Keilform) eines pn-Übergangs.
Aus diesem Grund weist die vorliegende Erfindung die exakten (100)-GaAs-Wafer
zurück.
Die Rate des Auftretens für
einen abnormen Zustand mit Keilform beträgt immer noch 28 % für die Wafer
des Typs (100) mit einen Winkel außerhalb von ± 0,01 °. Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden auch diese Wafer mit einem Winkel außerhalb
des Typs (100) ± 0,01 ° zurückgewiesen.
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Die
Rate des Auftretens eines abnormen pn-Übergangs beträgt 8 % für die Wafer
mit einen Winkel außerhalb
des Typs (100) ± 0,02 °. Die vorliegende
Erfindung läßt die Wafer
mit einem Winkel außerhalb
des Typs (100) ± 0,02 ° aus Ausgangswafern für die Flüssigkeitsphasenepitaxie
unter Verwendung der amphoteren Verunreinigung Si zu. Wenn der Winkel θ außerhalb
0,02° überschreitet,
sinkt die Rate des Auftretens eines abnormen pn-Übergangs schnell ab. Bei den
Wafern mit einem Winkel außerhalb
des Typs (100) ±0,04° beträgt die Rate
des Auftretens eines abnormen pn-Übergangs 1%. Die Rate des Auftretens
eines abnormen pn-Übergangs
(Keil) sinkt auf 4% für
die Wafer mit einem Winkel außerhalb
des Typs (100) ±0,05° ab. Bei
den Wafern mit einem Winkel außerhalb
des Typs (100) ±0,07° ist keine
Rate für
das Auftreten eines abnormen pn-Übergangs
(Keil) festzustellen. Die Rate des Auftretens eines abnormen pn-Übergangs
(keilförmig)
ist gleich Null für
Wafer mit einem Winkel außerhalb
des Typs (100) ±0,09° ~ 0,25°. Die Abnormität in Keilform
tritt selten bei Wafern mit Winkeln außerhalb zwischen 0,02 Grad
bis 0,25 Grad auf.
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Je
größer der
Winkel außerhalb
gegenüber (100)
der Ausgangs-GaAs-Wafer
ansteigt, desto weniger verringert sich die Rate des Auftretens
eines abnormen pn-Übergangs.
Wenn jedoch der Winkel außerhalb
gegenüber
(100) der GaAs-Substrate 0,2 Grad überschreitet, beeinträchtigt das
Auftreten wellenförmiger
Muster, stufenförmiger
Muster oder rauher Muster die Morphologie der Oberfläche der
Epitaxiewafer. Die rauhe Morphologie führt zu Schwierigkeiten bei
der Herstellung von Elektroden auf den Oberflächen der Wafer. Ein großer Winkel
außerhalb erhöht die Anzahl
an Stufen auf der Oberfläche
des Substratwafers, und führt
zur Bündelung
der Stufen auf den mittels Epitaxie aufgewachsenen Filmen. Eine
rauhe Morphologie mit Fischschuppenmustern tritt bei den Oberflächen der
Epitaxiewafer auf.
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Aus
dem Versuch hat der Erfinder geschlossen, daß der bevorzugte Winkel θ außerhalb
für die GaAs-Wafer
für die Flüssigkeitsphasenepitaxie
unter Verwendung von amphoterem Si als Dotierstoff 0,03 Grad bis
0,15 Grad beträgt
(0,03 ≤ θ ≤ 0,15), um
das Auftreten abnormer pn-Übergänge zu verhindern, und
Flüssigkeitsphasenepitaxiewafer
herzustellen, die eine zufriedenstellende Oberflächenmorphologie aufweisen.
Daher schlägt
die vorliegende Erfindung einen GaAs-Wafer mit einem Winkel außerhalb
des Typs {100} ±0,03
bis 0,15 Grad als Ausgangswafer für die Flüssigkeitsphasenepitaxie unter
Verwendung von Si als amphoterer Verunreinigung zur Herstellung
eines Epitaxiewafers vor. Darüber
hinaus schlägt
die vorliegende Erfindung einen Epitaxie-GaAs-Wafer vor, der einen
GaAs-Wafer mit einem Winkel außerhalb
von {100} ±0,03
bis 0,15 Grad umfaßt,
eine GaAs- oder AlGaAs-Schicht des n-Typs, die auf dem GaAs-Wafer
mittels Flüssigkeitsphasenepitaxie
unter Verwendung von Si als Dotierstoff des Typs n hergestellt wird,
eine GaAs- oder AlGaAs-Schicht des p-Typs, die auf der GaAs-Schicht des n-Typs
mittels Flüssigkeitsphasenepitaxie
unter Verwendung von Si als Dotierstoff des Typs p hergestellt wird,
und einen pn-Übergang
zwischen GaAs oder AlGaAs des Typs n und der GaAs- oder AlGaAs-Schicht
des Typs p.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
die Verwendung der Wafer mit einem Winkel außerhalb vor, um das Auftreten
eines abnormen pn-Übergangs
in Epitaxieschichten zu vermeiden. Der Grund für das Auftreten eines derartig
abnormen pn-Übergangs
in Form eines Keils (2) ist bislang noch nicht klar. Nachstehend
ist eine Vermutung des Erfinders über den Grund angegeben, der
zum Auftritt eines abnormen pn-Übergangs
führt (partielle
Thyristoranordnung). 3 zeigt das Epitaxiewachstum
auf dem exakten (100)-Wafer. Das Wachstum von GaAs umfaßt horizontales
Wachstum und vertikales Wachstum auf der Oberfläche.
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(1) Horizontales Wachstum
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Der
(100)-Wafer weist eine Oberfläche ABCD
auf. Obwohl die Oberfläche
makroskopisch eben parallel zu (100) ist, weist die Oberfläche mikroskopisch
zahlreiche Stufen auf. 3 zeigt den mikroskopischen
Aufbau in Form von Stufen. Hierbei werden zwei Teile einer Stufe
definiert. Eine Stufe besteht aus einer breiten horizontalen Facette
und einer kleinen Auswärtsfacette
(Rand). Die horizontalen Facetten liegen parallel zu (100). Die
Auswärtsfacette (der
Rand) weist einen Abfall mit einer Höhe gleich der Gitterkonstanten
auf. Der mittlere Teil BC ist eine Facette von exakt (100). Abfallende
Stufen folgen dem mittleren Teil BC in beiden Richtungen. Einzelne Facetten
sind auf (100) gerichtet, jedoch weisen die Linie AB und die Linie
BC von (100) ab. Die Gitterorientierung ist lokal durch die Gitterverzerrung
oder die Waferkrümmung
gestört.
Hierbei wird eine quadratische Verzerrung angenommen. Wenn die Kristallorientierung
geringfügig
gegenüber
(100) abweicht, wird eine Anzahl an Stufen in der Schrägoberfläche ausgerichtet.
Da die Höhe
H des Randes nur in der Größenordnung
der Größe eines
Atoms liegt, tauchen zahlreiche Stufen auf den Gefällen auf.
Die Facette weist eine (100)-Oberfläche auf. Die Länge S der
Facette ist ausreichend groß,
damit sich 1/Θ Atome
in der Schrägrichtung
ausrichten können.
Die Höhe
des Randes und die Länge
der Facette stehen daher in einer Beziehung gemäß der Gleichung H = SΘ.
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Der
GaAs-Wafer steht in Kontakt mit der Ga-Lösung. Die Ga-Lösung enthält GaAs in Sättigungskonzentration
und Si als Dotierstoff. Wenn die Temperatur abnimmt, wird die Ga-Lösung durch GaAs übersättigt. Zusätzliche
GaAs-Moleküle
und Si-Atome, die aus der Ga-Lösung
ausgestoßen
werden, werden an den Rändern
auf den Stufen absorbiert. Die Ränder
weisen eine Anziehungskraft für freie
Moleküle
und Atome auf. Die Facette hat keine Anziehungskraft. Die Ränder breiten
sich zu den offenen Seiten hin aus. Wenn das bis zum nächsten Rand
fortschreitet, wird eine Schicht durch die absorbierten Moleküle und Atome
verstärkt,
welche die Facetten bedecken.
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Die
Facetten werden schichtweise von den Rändern aus mit GaAs und Si bedeckt.
Das Wachstum geht in den horizontalen Richtungen weiter. GaAs-Moleküle und Si-Atome
haften nicht an beliebigen Punkten auf der Facette an, sondern werden
selektiv an den Rändern
absorbiert. Das Wachstum beginnt an den Rändern. Wenn sämtliche
Facetten mit einer einzigen Schicht aus GaAs-Molekülen und Si-Atomen
abgedeckt sind, erhält
die Epitaxieschicht insgesamt eine Schicht. Die Facetten erstrecken
sich auf der offenen Seite in den horizontalen Richtungen, durch
Einfang zusätzlicher
GaAs-Moleküle
und Si-Atome, die aus der übersättigten
Ga-Lösung
ausgefallen sind. Die Wiederholungen des horizontalen Wachstums
führen
zur Erzeugung einer Epitaxieschicht. Das horizontale Wachstum tritt
auf den schrägen
Teilen AB und CD auf.
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(2) Vertikales Wachstum
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Die
ebene, exakte (100)-Ebene BC weist nur eine ebene Facette auf, ist
jedoch mit keinem Rand versehen, der GaAs-Moleküle und Si-Atome zur Adsorption
einlädt.
Da die Facette keine Anziehungswirkung aufweist, werden GaAs-Moleküle nicht
auf der exakten (100)-Ebene BC niedergeschlagen. Die Sättigungskonzentration
ist nicht dazu ausreichend, daß sich
GaAs-Moleküle
auf BC niederschlagen könnten. Eine
zusätzliche Übersättigung
ermöglicht
es, daß GaAs-Moleküle und Si-Atome auf
der (100)-Ebene BC ausfallen können.
Wenn die Konzentration eine übersättigte Konzentration
erreicht, beginnt das vertikale Wachstum.
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Nunmehr
werden das vertikale Wachstum und das horizontale Wachstum miteinander
verbunden. Da sich das vertikale Wachstum nicht auf die Ränder stützen kann,
erfordert das vertikale Wachstum eine höhere Energie als das horizontale
Wachstum. Das vertikale Wachstum versucht daher, die Energie dadurch
zu verringern, daß Ga-Orte
durch Si-Atome in dem GaAs-Kristall ersetzt werden. Si wirkt nämlich als
Dotierstoff des Typs n für
das Wachstum von GaAs. In den Schrägteilen AB und CD verhält sich,
da die Temperatur ausreichend hoch ist, Si als Dotierstoff des Typs
n. Obwohl das vertikale Wachstum auf dem exakten (100)-Teil BC schwach ist,
durchzieht das horizontale Wachstum die Schrägteile AB und CD. Das horizontale
Wachstum geht nach außen
hin weiter. Wenn der Winkel Θ außerhalb größer ist,
breitet sich das horizontale Wachstum schneller aus. Da das vertikale
Wachstum langsamer und das horizontale Wachstum erheblich schneller ist,
erstreckt sich das ebene Teil BC zu beiden Seiten. Es entwickelt
sich die Linie BC. Die Schwierigkeit des vertikalen Wachstums hält an. Die
GaAs-Schicht des n-Typs breitet sich in beiden Richtungen aus, da
Si als Dotierstoff des Typs n eindotiert ist. Die Temperatur sinkt
bis zur Umkehrtemperatur Tc ab. Unterhalb von Tc ersetzen Si-Atome
die As-Orte als ein Dotierstoff des Typs p. Auf den Schrägteilen
wächst
eine GaAs-Schicht des Typs p mit hoher Geschwindigkeit. Auf dem
ebenen Teil BC werden jedoch Si-Atome das erste Mal bei einer überschüssigen Übersättigungskonzentration
absorbiert. Si-Atome ersetzen immer noch die Ga-Orte als ein Dotierstoff
des Typs n. Eine n-GaAs-Schicht wächst auf dem ebenen (100)-Teil
BC.
-
Obwohl
es sich um Teile desselben Substrats handelt, wächst eine n-GaAs-Schicht auf
dem ebenen Teil BC, jedoch wachsen p-GaAs-Schichten auf den Schrägteilen
AB und CD aus derselben Ga-Lösung,
welche GaAs und Si enthält.
Darüber
hinaus breitet sich das ebene Teil BC in beiden Richtungen aus,
wenn das Wachstum weitergeht. Si ist ein n-Dotierstoff auf BC, jedoch
stellt Si einen p-Dotierstoff auf AB und CD dar. Da das vertikale
Wachstum auf BC langsamer vor sich geht als das horizontale Wachstum
auf AB und CD, zieht sich das linke Schrägteil AB nach links zurück, zieht
sich das rechte Schrägteil
AB nach rechts zurück,
und erweitert sich das ebene Teil BC in beiden Richtungen. Obwohl
die Temperatur absinkt, entwickelt sich der Bereich BC des Typs
n, und wird der Bereich des Typs p schmäler. Eine derartige Wachstumsanomalie
kann den keilförmigen
pn-Übergang
(partielle Thyristoranordnung) FGHI ausbilden, wie dies in 2 gezeigt
ist.
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Die
horizontale Wachstumsgeschwindigkeit wird mit "w" bezeichnet,
und die vertikale Wachstumsgeschwindigkeit durch "u". Die horizontale Wachstumsgeschwindigkeit
w ist höher,
da sie von den Rändern
ausgeht. Die vertikale Wachstumsgeschwindigkeit u ist langsamer,
da das Wachstum beim Ausgleich der Übersättigung in der Ga-Lösung oberhalb
von BC beginnt. Das vertikale Wachstum hängt von der Temperatur T ab.
Die Übersättigung stellt
einen instabilen Zustand dar. Es gibt eine Temperaturgrenze dafür, daß die Ga-Lösung die Übersättigung
aufrechterhalten kann. Der Punkt B verschiebt sich um (-wdt) in
der x-Richtung in einem infinitesimalen Zeitraum dt. Der Punkt B
verschiebt sich um (udt) in der y-Richtung in einem infinitesimalen
Zeitraum dt. Die Verschiebung des Punktes B und des Punktes C legt
die Linien FG und IH in 2 fest. Der Neigungswinkel der
Linien FG und IH beträgt
daher tan-1(u/w).
-
Wenn
die Temperatur weiter absinkt, können Si-Atome
in der übersättigten
Ga-Lösung
nicht die Ga-Orte besetzen, sondern besetzen die As-Orte ebenfalls
auf BC. Daher wird eine Schicht des p-Typs auf dem ebenen Teil BC
aufwachsen. Ein zusätzlicher
pn-Übergang
GH taucht plötzlich
auf dem (100)-Teil BC auf. Die voranstehend geschilderten Ereignisse
können
der Grund dafür
sein, daß der
abnorme pn-Übergang
in 2 entsteht. Wenn die voranstehend geschilderte
Vermutung richtig ist, würde die
quadratische Verzerrung (konvexe Verzerrung) ABCD in 3 dazu
führen,
daß der
abnorme pn-Übergang
(keilförmig)
mit partiellen Thyristoranordnungen entsteht. Die Ausschaltung des
ebenen (100)-Teils
BC würde
dazu wirksam sein, das Auftreten der Abnormität des pn-Übergangs zu verhindern. Die
konvexe Form tritt infolge der Tatsache auf, daß die Seitenteile AB und CD
zu unterschiedlichen Richtungen hin geneigt sind. Um das obere ebene
Teil BC auszuschalten, sollten die Seitenteile AB und CD Neigungen
zu einer gemeinsamen Richtung hin aufweisen, und sollten Stufen
in derselben Richtung haben. Wenn sich die Teile AB und CD zu einer
gemeinsamen Richtung hin neigen, stellt der mittlere BC nicht mehr
eine Spitze dar. Daher sollten Spitzenteile aus der Oberfläche ausgeschlossen
werden, um die Abnormität
des pn-Übergangs
auszuschalten. Aus demselben Grund sollten Bodenteile aus der Oberfläche ausgeschlossen
werden, da eine Anzahl von M Böden
eine Anzahl von M Oberseiten auf einer durchgehenden Oberfläche erfordern
würden.
Obwohl er makroskopisch eben und glatt aussieht, enthält der exakte
(100)-Wafer zahlreiche mikroskopische Böden und zahlreiche mikroskopische
Oberseiten, welche zum Auftreten der Abnormität des pn-Übergangs führen würden.
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Wenn
sich die Oberfläche
des Substrats schräg
zur (100)-Ebene in einem endlichen Winkel erstrecken würde, könnten die
Oberseiten oder Böden
auf der Oberfläche
nicht mehr existieren. Ohne BC oben würde keine Abnormität des pn-Übergangs auftreten.
Um wieviel Grad sollte die Oberfläche des Wafers geneigt sein?
Nur Versuche legen den Umfang des zu bevorzugenden Winkels außerhalb
fest. Der Erfinder hat das in 4 dargestellte
Experiment durchgeführt,
welches das Ergebnis von Messungen bei annähernd 10.000 GaAs-Epitaxiewafern darstellt. 4 zeigt,
daß ein
Winkel außerhalb
von 0,02° in ausreichender
Weise einen abnormen pn-Übergang verhindern
kann. Das Experiment verdeutlicht, daß der maximale Winkel für die Schrägteile wie
AB und CD etwa 0,02 Grad beträgt.
Ist die Oberfläche
des Wafers um einen Winkel von mehr als 0,02 Grad geneigt ausgebildet,
ist das (100)-Teil BC mit Neigungen nach unten an beiden Seiten
nicht mehr vorhanden. Sämtliche
(100)-Teile weisen eine aufsteigende Neigung an einer Seite und
eine absteigende Neigung an der anderen Seite auf. Die (100)-Teile
stellen daher nicht die Oberseiten oder die Böden dar, mit Ausnahme der End-(100)-Ebenen.
Da kein Maximum in der kontinuierlichen Oberfläche vorhanden ist, ist das
vertikale Wachstum verboten. Nur das horizontale Wachstum tritt
auf. Auch die Übersättigung
ist verboten. Die Ausschaltung der Übersättigung führt zu einer eindeutigen Beziehung
zwischen der Temperatur und der Umkehr des Leitungstyps von Si.
Das Vorhandensein der eindeutigen Beziehung schließt den abnormen
Thyristoraufbau bei dem pn-Übergang
aus. Der pn-Übergang
ist in einer ebenen Ebene über
dem gesamten Wafer gemäß der vorliegenden
Erfindung vorhanden.
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Gemäß einer
erläuternden
Ausführungsform,
die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, werden die Oberflächen von
GaAs-Wafern um 0,02 Grad bis 0,2 Grad zur {100}-Ebene geneigt, um
den abnormen, keilförmigen
pn-Übergang
auszuschalten.
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Ein
Bereich des Winkels außerhalb
reicht, gemäß der vorliegenden
Erfindung, von ±0,03° bis ±0,15° (0,03° ≤ θ ≤ 0,15°).
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Der
voranstehend geschilderte Stand der Technik ➄ (japanisches
Patent Nr. 2914246) sollte erneut diskutiert werden, da in ➄ ein
Epitaxiewafer beschrieben wird, der ein GaAs-Substrat aufweist,
eine Schicht aus GaAs oder AlGaAs, die auf dem GaAs-Substrat mittels
Flüssigkeitsphasenepitaxie aufwächst, und
einen pn-Übergang,
der unter Nutzung der natürlichen
Umkehr von Si in der Epitaxieschicht hergestellt wird, wobei der
GaAs-Einkristallwafer eine Oberfläche aufweist, die gegenüber (100)
um einen Winkel zwischen 0,5 Grad bis 5 Grad geneigt ausgebildet
ist. Der Stand der Technik ➄ zeichnet sich durch 0,5° ≤ θ ≤ 5° aus. In ➄ ist
das Problem angesprochen, daß der
abnorme pn-Übergang in
der mit Silizium dotierten Schicht aus GaAs oder AlGaAs auftaucht,
die auf einem (100)-GaAs-Substrat aufwächst. 5 zeigt
die Abnormität
des pn-Übergangs
gemäß ➄.
In ➄ wird der abnorme pn-Übergang als "Blitz-Thyristor" bezeichnet. In ➄ werden
Wafer mit einem Winkel außerhalb
gemäß 0,5° ≤ θ ≤ 5° vorgeschlagen,
nur um das Auftreten einer Abnormität des pn-Übergangs zu verhindern. Auch
die vorliegende Erfindung schlägt
Wafer mit einem Winkel außerhalb
gemäß 0,03° ≤ θ ≤ 0,15° vor, um
das Auftreten einer Abnormität
des pn-Übergangs
zu verhindern. Der Zweck scheint der gleiche zu sein. Der Umfang
des bevorzugten Winkels außerhalb
ist allerdings zwischen ➄ und der vorliegenden Erfindung
vollständig
verschieden. Die vorliegende Erfindung schlägt einen kleineren Winkel außerhalb
von 0,03° ≤ θ ≤ 0,15° vor. Die
Obergrenze 0,15 Grad ist so festgelegt, daß das Auftreten einer rauhen
Oberfläche
verhindert wird. Ein Winkel außerhalb
von mehr als 0,15 Grad würde
zu einer schlechteren Oberflächenmorphologie
bei der vorliegenden Erfindung führen.
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Allerdings
wird in ➄ ein erheblich größerer Winkel außerhalb
von 0,5° ≤ θ ≤ 5° vorgeschlagen.
In ➄ wird ausgeführt,
daß die
Untergrenze von 0,5° darin
liegt, daß eine
Beeinträchtigung
der Morphologie verhindert werden soll, und daß ein Winkel außerhalb von
weniger als 0,5° zu
einer schlechten Morphologie führen
würde.
In ➄ wird ausgeführt,
daß ein
gewünschter
Winkel außerhalb
etwa fünf
mal bis zwölf mal
so groß ist
wie gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Der
Vergleich der vorliegenden Erfindung mit ➄ führt zu einem
schwierigen Problem. Warum unterscheiden sich die gewünschten
Winkel außerhalb zwischen
der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik ➄ 0,5° ≤ θ ≤ 5°? Was führt zu dem
Unterschied zwischen 0,03° ≤ θ ≤ 0,15° und 0,5° ≤ θ ≤ 5°? Kurz gefaßt ist der
Grund in dem Unterschied der zu überwindenden
Abnormität
des pn-Übergangs
zu sehen. In ➄ ist angestrebt, den blitzförmigen Thyristor gemäß 5 auszuschalten.
Mit der vorliegenden Erfindung wird jedoch angestrebt, die Abnormität des keilförmigen pn-Übergangs
auszuschalten, wie dies in 2 gezeigt
ist.
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Der
Unterschied in Bezug auf die betreffenden Abnormitäten des
pn-Übergangs
führt tatsächlich zu
den Unterschieden zwischen 0,02° ≤ Θ ≤ 0,2° und 0,5 ° ≤ Θ ≤ 5 °. Der blitzförmige Thyristor
besteht aus zwei Linien (des pn-Übergangs),
die schräg
zu denselben Richtungen in 5 verlaufen. 6 ist ein
vergrößerter Schnitt
des GaAs-Substrats zur Erläuterung
der Erzeugung des abnormen pn-Übergangs
(Blitz-Thyristors) von ➄. Die Oberfläche von ➄ enthält weder
obere Teile (wie BC in 2) noch untere Teile, sondern
enthält
nur Stufen, die monoton nach rechts hin absinken.
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Vorher
wurde bezüglich
der vorliegenden Erfindung geschildert, daß der Gradient der Linie FG durch
tan-1(u/w) gegeben ist, wobei w die horizontale Wachstumsgeschwindigkeit
von den Rändern
aus ist, und u die vertikale Wachstumsgeschwindigkeit auf dem oberen
Teil BC. Die vorliegende Erfindung legt eindeutig den Schrägwinkel
des pn-Übergangs auf
tan-1(u/w) fest. Gemäß der vorliegenden Erfindung
kann kein anderer Winkel der Schrägwinkel des pn-Übergangs
sein. Das Ende der Übersättigung
erzeugt den nach oben verschobenen, horizontalen pn-Übergang
GH in 2. Der Kreuzungswinkel FGH beträgt ebenfalls
tan-1(u/w), da GH parallel zu EF verläuft. Es
ist nur ein Schrägwinkel
des pn-Übergangs
gemäß der vorliegenden
Erfindung vorhanden. Der blitzförmige
Thyristor tritt bei der vorliegenden Erfindung nicht auf. Das Hauptproblem
ist die Abnormität
in Bezug auf die Dicke von FI (2100 μm) der zu dicken n-Schicht und
der zu dünnen
p-Schicht. Die seitlichen Thyristoren GF und IH sind nur sekundär signifikant.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt
die Steigung in der Nähe
von x = 0 der quadratischen Kurve y = -β x2,
welche die Oberfläche
angibt, wie dies in 3 gezeigt ist. Der Durchmesser des
exakten {100}-Teils BC ist mit "d" bezeichnet. Die linke
Seite AB weist einen Gradienten +βd
auf, und die rechte CD einen Gradienten –βd. Die Gradienten +βd und –βd führen zu
der keilförmigen
Abnormität FGHI
in 2. Allgemeiner ausgedrückt führt das Vorhandensein der bidirektionalen
Gradienten zum Auftreten der keilförmigen Abnormität. Das Vorhandensein
bidirektionaler Gradienten (positiver und negativer Gradienten)
entspricht dem Vorhandensein einer Oberseite oder einer Unterseite.
Anders ausgedrückt
führt das
Vorhandensein der Oberseite BC zur Abnormität des pn-Übergangs. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Oberfläche
in einem Winkel von mehr als βd
gegenüber
der ursprünglichen
Situation geneigt, um die obere oder untere (100)-Ebene aus der
Oberfläche
auszuschließen.
Der Winkel außerhalb
(die Oberflächenneigung)
vernichtet sämtliche
negativen Gradienten oder sämtliche
positiven Gradienten. Nur in einer Richtung verlaufende Neigungen
können
nicht den keilförmigen,
abnormen pn-Übergang
hervorrufen.
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Im
Gegensatz fehlt bei ➄ das ebene Teil BC von 2 von
Anfang an. ➄ beginnt mit dem Substrat, bei welchem die
Stufen in einer Richtung ausgerichtet sind, wie dies in 6 gezeigt
ist. In 6 enthält die Oberfläche unterschiedliche
Arten von Stufen. Die obere Stufe umfaßt eine obere Facette und einen
unteren Rand. Die untere Stufe umfaßt eine untere Facette und
einen unteren Rand. Die vertikale Wachstumsgeschwindigkeit auf der
oberen Facette wird durch u1 bezeichnet.
Die vertikale Wachstumsgeschwindigkeit auf der unteren Facette wird durch
u2 bezeichnet. Die Übersättigung ist schwächer auf
der oberen Facette als auf der unteren Facette, da die Temperatur
der Ga-Lösung
nach unten hin abnimmt. Die Übersättigung erleichtert
das vertikale Wachstum. Daher ist u1 kleiner
als u2 (u1<u2).
Die obere Stufe und die untere Stufe wachsen schräg mit einer
Geschwindigkeit w in der Horizontalrichtung und mit einer Geschwindigkeit
u1 oder u2 in der
Vertikalrichtung. Da die vertikalen Wachstumsgeschwindigkeiten verschieden
sind, sind die Schrägwinkel des
Wachstums für
die obere Facette und für
die untere Facette unterschiedlich. Die obere Facette wächst in
dem Schrägwinkel
von tan-1(u1/w).
Die untere Facette wächst
in dem Schrägwinkel
tan-1 (u2/w).
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Zwei
Schrägwinkel
ergeben die Schräglinien in 5.
Die beiden Schräglinien
treffen sich, wegen der Beziehung tan-1(u1/w) < tan-1(u2/w). Der Kreuzungspunkt
entspricht dem Ende des Blitz-Thyristors von 5. Wie aus 6 hervorgeht,
ist nur an dem positiven Teil x>0
auf der quadratischen Kurve y = –βx2 interessiert.
Der Fußpunkt
des Blitz-Thyristors ist gegeben durch x = c bis x = c+d. Die Breite
der Abnormität
beträgt "d" an dem Fuß. Die Steigung der Oberfläche beträgt 2βc bei x =
c, 2βc+2βd bei x =
c+d und 2βc+βd bei x =
c+d/2. In ➄ wurde angenommen, daß dann, wenn die Oberfläche in entgegengesetzter Richtung
um einen Winkel von mehr als 2βc+βd geneigt
würde,
die Differenz bezüglich
der Übersättigung
ausgeschaltet wurde, und die Abnormität entfallen würde. Bei
der Entfernung c des Thyristors gegenüber x = 0 wird angenommen,
daß sie
gleich der Breite FI von 2 ist. Daher ist der Winkel
außerhalb,
der bei ➄ erforderlich ist, größer als das Doppelte des Winkels
außerhalb
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die
voranstehenden Überlegungen
stellen eine Vermutung des Erfinders der vorliegenden Erfindung
dar, um die Unterschiede in Bezug auf den Winkel außerhalb
zwischen 0,5° ~
5°, wie
gemäß vorgeschlagen,
und 0,03° ~
0,15° zu
erläutern,
wie gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagen. Die betreffenden Abnormitäten des
pn-Übergangs
sind bei ➄ und der vorliegenden Erfindung unterschiedlich. Bei ➄ wurde
eine seltene Abnormität
des pn-Übergangs
beachtet, welche zu dem Blitz-Thyristor von 5 führt. Dagegen
versucht die vorliegende Erfindung das Auftreten einer keilförmigen Abnormität (einer
Abnormität
in Bezug auf die Dicke) zu verhindern. Die Einrichtungen zum Vermeiden
der Abnormitäten sind
ebenfalls bei ➄ und der vorliegenden Erfindung verschieden.