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Die
Erfindung betrifft eine Technologie für die Züchtung
von Halbleiternitridheterostrukturen mittels des Verfahrens der
Molekularstrahlepitaxie (MSE) und kann bei der Herstellung von unterschiedlichen optischen
und Elektrogeräten und -vorrichtungen eingesetzt werden.
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Stand der Technik
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Es
ist ein Verfahren für die Züchtung einer mehrschichtigen
Halbleiternitridheterostruktur, welche ein Substrat und die höher
liegenden Halbleiterschichten enthält, bekannt. Das Verfahren
besteht aus der Erwärmung des Substrats im Vakuum und der
Zufuhr der Ströme von Ammoniak und Metallen der III. Gruppe.
Das Substrat wird aus Siliziumkarbid, Saphir, Galliumarsenid, Silizium,
Zinkoxid und sonstigen Werkstoffen ausgeführt. Die Züchtung
von Halbleiterschichten erfolgt bei t = 550–850°C
und dem Druck ~10
–5 mm Hg. Die
Zufuhr von Ammoniak erfolgt bei dem Volumenstrom 2–15 cm
3/min,
US 6146458 A . Ein Mangel dieses Verfahrens
besteht in der ziemlich hohen Dichte von eigenen Defekten (nicht
den Störstellen) des Kristallgitters, bedingt durch die
niedrige Temperatur, bei der die Züchtung von Halbleiterschichten
einer Heterostruktur erfolgt.
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Es
ist ein Verfahren für die Züchtung einer mehrschichtigen
Halbleiternitridheterostruktur bekannt, die ein Substrat, die darauf
liegende Templetschicht und die höher liegenden Halbleiterschichten enthält,
welches die Erwärmung des Substrats bis t = 900°C
enthält, dabei wird auf das Substrat Ammoniak für
die Modifizierung der Substratoberfläche und die Auslösung
der oberflächlichen Rekonstruktion (4 × 4) zugeführt;
danach wird die Templetschicht gebildet, wozu auf die Oberfläche
des Substrats abwechselnd Al-Atom-Strom und NH
3-Strom
bis zum Erreichen der oberflächlichen Rekonstruktion (1 × 1)
zugeführt werden; danach wird der Al-Atom- und NH
3-Strom zusammen bis zum Erreichen der vorgegebenen
Dichte der Templetschicht zugeführt, dabei wird das Verhältnis
von NH
3/Al ~60 aufrechterhalten; danach
werden die höher liegenden Schichten der Heterostruktur
durch das Verfahren der Molekularstrahlepitaxie gezüchtet,
US 6391748 B1 .
Diese technische Lösung diente als Prototyp für
die vorliegende Erfindung.
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Ein
Mangel des Prototyps besteht in der hohen Dichte von eigenen Defekten
des Kristallgitters der Templetschicht. Das wird dadurch erklärt,
dass bei der verhältnismäßig niedrigen
Temperatur der Substraterwärmung (maximal 900°C)
die oberflächliche Beweglichkeit von Al- und N-Atomen,
die bei der Ammoniakzerlegung entstehen, für eine effiziente Koaleszenz
von Keiminseln in der Templetschicht nicht ausreichend ist. Zugleich
kann die Temperatur für die Züchtung von Heterostrukturschichten
bei dem in dem Prototypverfahren vorgesehenen Verhältnis
von NH3/Al ~60 nicht höher als
900°C wegen der Verrauung der Schichtoberfläche
infolge deren thermischen Instabilität bei dem genannten
Verhältnis sein. Wie es bekannt ist, ist die Epitaxie eine
Bedingung für die Kopplung des Substrats und der Kristallschichten
darauf, deswegen lösen die Defekte der Templetschicht unvermeidlich
die Defekte der höher liegenden Halbleiterschichten, die
während der Epitaxie gebildet werden, aus.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung zugrunde liegt die Aufgabe der Senkung der
Dichte von eigenen Defekten des Kristallgitters der Templetschicht
und dadurch die Erhöhung der Qualität von oben
liegenden Halbleiterschichten der Heterostruktur.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in dem Verfahren der
Züchtung einer mehrschichtigen Halbleiternitridheterostruktur,
die ein Substrat mit der Templetschicht und oben liegenden Halbleiterschichten
enthält, welches die Heizung des Substrats, die Nitridierung
der Oberflächenschicht des Substrats durch die Zufuhr des
Ammoniakstroms auf die Oberfläche des Substrats, die Bildung
einer Templetschicht auf der Oberfläche des Substrats durch
die gleichzeitige Zufuhr von Al-Atomen-Strom und NH3-Strom
bis zum Erreichen der vorgegebenen Dichte der Templetschicht und
die anschließende Züchtung der höher
liegenden Halbleiterschichten mittels des Verfahrens der Molekularstrahlepitaxie aufweist,
das Substrat bis zur Temperatur von 1100–1200°C
erwärmt wird, und die Ströme von Ammoniak und
Aluminium im Verhältnis von NH3/Al
= 100–400 zugeführt werden.
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Der
Antragsteller hat keine technischen Lösungen ausfindig
gemacht, die mit der vorliegenden Erfindung identisch sind. Das
gestattet die Folgerung, dass diese dem Kriterium „Neuheit” (N)
entspricht.
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Die
Umsetzung von kennzeichnenden Merkmalen der Erfindung bedingt eine
wichtige neue Eigenschaft des Verfahrens, die darin besteht, dass
die demgemäß gezüchtete mehrschichtige
Halbleiternitridheterostruktur eine wesentlich kleinere Dichte von eigenen
Defekten des Kristallgitters der Templetschicht aufweist; dementsprechend
wird die Qualität der höher liegenden Halbleiterschichten
der Heterostruktur erhöht. Das wird dadurch erklärt,
dass bei der Substraterwärmung auf die ziemlich hohe Temperatur
(1100–1200°C) die oberflächliche Beweglichkeit
von Al- und N-Atomen zunimmt, was eine effiziente Koaleszenz von
Keiminseln in der Templetschicht sicherstellt. Ferner wird dadurch,
dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Al-
und NH3-Ströme im dem Verhältnis
NH3/Al = 100–400 zugeführt werden,
die thermische Instabilität der Heterostrukturschichten
bei der oben genannten hohen Temperatur verhindert, und dementsprechend
kommt es zu keiner Verrauung von deren Oberfläche. Die
genannten Umstände lassen der Meinung des Anmelders nach
die Folgerung zu, dass die erfindungsgemäße technische
Lösung dem Kriterium „Erfindungshöhe” (IS)
entspricht.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird die Erfindung durch eine detaillierte Beschreibung der Beispiele
ihrer Ausführung mit Hinweisen auf die Zeichnung, die das
Schema zur Veranschaulichung der Verfahrenumsetzung zeigt, erklärt.
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Beste Variante der Ausführung
der Erfindung
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In
der Vakuumkammer 1 wird ein kristallines Substrat 2 der
mehrschichtigen Halbleiternitridheterostruktur angeordnet. Für
die Aufrechterhaltung des Hochvakuums werden im Prozess die Kriopanels 3 mit
dem flüssigen Stickstoff eingesetzt. Die Handhabung und
die Erwärmung des Substrats 2 erfolgt mit Hilfe
des Manipulators 4. Die Ausgangsreagenzien in Form von
Atombündeln der Metalle der III. Gruppe (Al, Ga, In) und
legierenden Beimischungen (Si, Mg) werden auf das Substrat 2 aus
dem Verdampfer 5 zugeführt, und die Zufuhr des
gasförmigen Ammoniaks erfolgt durch die Gaseinfuhr 6.
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Zuerst
wird das Substrat 2 auf die Temperatur von 1100–1200°C
erwärmt. Danach wird auf die erwärmte Oberfläche
des Substrats 2 der Ammoniakstrom durch die Gaseinfuhr 6 zugeführt,
dabei erfolgt die Nitridierung der oberflächlichen Substratschicht. Danach
wird auf der Oberfläche des Substrats 2 eine Templetschicht
gebildet, welche die Kopplung des Substrats mit den höher
liegenden Halbleiterschichten verbessert. Dazu wird auf die Oberfläche
des Substrats 2 gleichzeitig der Al-Atom-Strom aus dem Verdampfer 5 und
der Strom des gasförmigen Ammoniaks durch die Gaseinfuhr 6 zugeführt.
Das Verhältnis von NH3 und Al ist
eine maßlose Größe, die in den Grenzen
von 100–400 aufrechterhalten wird. Dieses Verhältnis
stellt die Relation der Anzahl von NH3-Partikeln
und der Anzahl der AL-Atome, die auf 1 cm2 der
Substratoberfläche kommen, dar. Die Zufuhr der Al- und
NH3-Ströme wird beim Erreichen
der vorgegebenen Dichte der Tempelschicht AlN gestoppt. Die Züchtung
der höher liegenden Halbleiterschichten erfolgt mittels
des bekannten Verfahrens der Molekularstrahlepitaxie. Dabei werden
auf die Oberfläche der Templetschicht gleichzeitig mit
dem Ammoniakstrom, welcher durch die Gaseinfuhr 6 zugeführt
wird, aus dem Verdampfer 5 die Ströme von Reagenzien
und legierenden Beimischungen zugeführt, in dem in jedem
Fall gewünschten Verhältnis.
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Beispiel 1
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Auf
dem Substrat aus dem Saphir der Kristallorientierung (0001) ist
es notwendig, eine Heterostruktur mit dem zweidimensionalen Elektronengas (DEG)
zu züchten. Die Halbleiterschichten der Heterostruktur
sollen aus einer isolierenden Schicht der variablen Zusammensetzung
AlGaN mit der Dicke von 0,5–1,0 μm, einer Kanalschicht
GaN mit der Dicke von 100 Nm und einer Schicht Al0,3Ga0,7N mit der Dicke von 25 Nm bestehen. Nach
der Nitridisierung der Oberfläche von Saphirsubstrat wird
eine Templetschicht AlN bei der Temperatur von 1150°C und
dem Verhältnis der Ströme von NH3/Al
= 200 gezüchtet, danach werden die nachfolgenden Schichten
durch das MSE-Verfahren gezüchtet. Dank der Umsetzung von
kennzeichnenden Merkmalen wird das Verfahren der Heterostrukturbildung
durch folgende Parameter gekennzeichnet: die Breite auf der Halbhöhe
der Taumelkurve (FWHM(0002)), gemessen mit der Methode der Röntgendiffraktometrie
der aktiven GaN-Schicht, beträgt 280–320 aresec.
Quadratische Mittelabweichung der Oberflächenrauheit (RMS),
gemessen mit der Methode der Atomkraftmikroskopie beträgt
5–7 Nm. Die Dichte der Defekte des Kristallgitters, bewertet
nach der Dichte der durchwachsenden Fehlstellen dthr,
gemessen mit der Methode der durchlichtenden Elektronenmikroskopie,
beträgt in diesem Beispiel ~5 × 108 cm–2. Elektrophysische Eigenschaften
von DEG, gemessen mit der Methode von Van-der-Pau betrugen: Elektronenschichtkonzentration
ns ≈ (1,5–1,7) × 1013 cm–2;
Elektronenbeweglichkeit μ ≈ 1100–1200
cm2/V·s.
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Die
Parameter der Heterostruktur von analogem Aufbau, die durch die
MSE-Methode beim Einsatz des Prototypverfahren erhalten werden,
betragen zum Vergleich FWHM(0002) = 500–600 aresec, RMS
= 20–25 Nm, dthr ~5 × 109 – 1 × 1010 cm–2; ns ≈ (1,2–1,4) × 1013 cm–2; μ ≈ 500–600
cm2/V·s. Auf solche Weise kann
der Einsatz der Erfindung die Dichte der Defekte wesentlich reduzieren
und im Ganzen die Qualität der mehrschichtigen Heteronitridstruktur verbessern.
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Beispiel 2
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Auf
dem Substrat aus Silizium der Kristallorientierung (111) wird eine
Heterostruktur mit DEG gezüchtet, ähnlich der
beschriebenen im Beispiel 1. Die Temperatur der Substraterwärmung – 1150°C,
das Verhältnis der NH3/Al-Ströme
= 200. Die erhaltene Heterostruktur wird durch folgenden Parameter
gekennzeichnet: FWHM(0002) = 300–330 aresec; RMS 15–17
Nm; dthr ~(1–5) × 109 cm–2;
ns ≈ (1,4–1,6) × 1013 cm–2; μ ≈ 950–1050
cm2/V·s. Auf solche Weise lässt der
Einsatz der Erfindung die mehrschichtigen Nitridheterostrukturen
von verbesserter Qualität und auf Si(111)-Substraten erhalten,
die durch einen größeren im Vergleich zu Saphir
(0001) Grad der Diskrepanz des Kristallgitters mit den Schichten
der Nitridheterostrukturen gekennzeichnet werden, was auch ohne
Einsatz der vorliegenden Erfindung zur vergrößerten
Dichte der eigenen Defekte führt.
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Beispiel 3
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Auf
dem Substrat aus Saphir der Kristallorientierung (0001) wird eine
Heterostruktur mit DEG gezüchtet, ähnlich der
beschriebenen im Beispiel 1. Die Templetschicht AlN ist bei der
Temperatur von 1100°C und dem Verhältnis der Ströme
von NH3/Al = 100 gezüchtet. Die erhaltene Heterostruktur
wird durch folgende Parameter gekennzeichnet: FWHM(0002) = 280–300
aresec; RMS 8–10 Nm; dthr ~–1 × 109 cm–2;
ns ≈ (1.5–1.7) × 1013 cm–2; μ ≈ 1000–1050
cm2/V·s. Auf solche Weise stellen
die Mindestwerte der in der Erfindung genannten Substraterwärmungstemperatur
und des Verhältnisses von NH3/Al-Strömen
die Minderung der Defektendichte und die Verbesserung der Heterostruktureigenschaften
sicher.
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Beispiel 4
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Auf
dem Substrat aus Saphir der Kristallorientierung (0001) wird eine
Heterostruktur mit DEG gezüchtet, ähnlich der
beschriebenen im Beispiel 1. Die Templetschicht AlN ist bei der
Temperatur von 1200°C und dem Verhältnis der Ströme
von NH3/Al = 400 gezüchtet. Die erhaltene Heterostruktur
wird durch folgende Parameter gekennzeichnet: FWHM(0002) = 250–290
aresec; RMS 10–12 Nm; dthr ~5 × 108 – 1 × 109 cm–2; ns ≈ (1,2–1,4) × 1013 cm–2; μ ≈ 1120–1250
cm2/V·s. Auf solche Weise stellen
die Maximalwerte der in der Erfindung genannten Substraterwärmungstemperatur
und des Verhältnisses von NH3/Al-Strömen
die Minderung der Defektendichte und die Verbesserung der Heterostruktureigenschaften
sicher.
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Beispiel 5
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Auf
dem Substrat aus Saphir der Kristallorientierung (0001) wird eine
Heterostruktur mit DEG gezüchtet, ähnlich der
beschriebenen im Beispiel 1 und dadurch gekennzeichnet, dass die
Templetschicht AlN bei der Temperatur von 1250°C, NH3/Al = 400 gezüchtet ist. Die erhaltene
Heterostruktur wird durch folgende Parameter gekennzeichnet: FWHM(0002)
= 260–280 aresec; RMS 25–37 Nm; dthr ~(1–5) × 109 cm–2;
ns ≈ (1,4–1,6) × 1013 cm–2; μ ≈ 1000–1050
cm2/V·s. Trotz der DEG-Parameter
und kristallinen Qualität der Struktur, die ähnlich
den aus dem Beispiel 1 sind, ist die Rauheit der Heterostrukturoberfläche
mangelhaft für die Herstellung von Transistorenkaskaden
mit der Peripherielänge über 300 μm.
Auf solche Weise führt die Überschreitung der
oberen Grenze der Substraterwärmungstemperatur zur Verschlechterung
der Heterostruktureigenschaften.
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Beispiel 6
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Auf
dem Substrat aus Saphir der Kristallorientierung (0001) wird eine
Heterostruktur mit DEC gezüchtet, ähnlich der
beschriebenen im Beispiel 1 und dadurch gekennzeichnet, dass die
Templetschicht AlN bei der Temperatur von 1050°C, NH3/Al = 200 gezüchtet ist. Die erhaltene
Heterostruktur wird durch folgende Parameter gekennzeichnet: FWHM(0002)
= 350–380 aresec; RMS 6–8 Nm; dthr ~5 × 109 – 1 × 1010cm–2; ns ≈ (1,2–1,4) × 1013 cm–2; μ ≈ 700–800
cm2/V·s. Trotz der im Vergleich
zum Beispiel 1 verminderten Rauheit der Heterostrukturoberfläche,
ist die kristalline Qualität und die Defektdichte darin
wesentlich schlechter, was zur Reduzierung der Elektronenbeweglichkeit
im DEC führt. Auf solche Weise führt die Unterschreitung der
unteren Grenze der Substrattemperatur zur Verschlechterung der Heterostruktureigenschaften.
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Beispiel 7
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Auf
dem Substrat aus Saphir der Kristallorientierung (0001) wird eine
Heterostruktur mit DEG gezüchtet, ähnlich der
beschriebenen im Beispiel 1. Die Templetschicht AlN ist bei der
Temperatur von 1050°C und dem Verhältnis der Ströme
von NH3/Al = 80 gezüchtet. Die
erhaltene Heterostruktur wird durch folgenden Parameter gekennzeichnet: FWHM(0002)
= 250–300 aresec; RMS 36–40 Nm; dthr ~1 × 109 cm–2;
ns ≈ (1,2–1,4) × 1013 cm–2; μ ≈ 500–600 cm2/V·s.
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Im
Vergleich zu dem Beispiel 1 ist die Rauheit der Heterostrukturoberfläche
wesentlich höher, was zur Reduzierung der Elektronenbeweglichkeit
im DEG führen wird. Auf solche Weise führt die
Senkung des Verhältnisses der Ströme von NH3/Al zur Verschlechterung der Heterostruktureigenschaften.
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Beispiel 8
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Auf
dem Substrat aus Saphir der Kristallorientierung (0001) wird eine
Heterostruktur mit DEG gezüchtet, ähnlich der
beschriebenen im Beispiel 1; die Templetschicht AlN ist bei der
Temperatur von 1050°C und dem Verhältnis der Ströme
von NH3/Al = 420 gezüchtet. In
diesem Falle wird während der Züchtung der Templetschicht
die Senkung der Züchtungsgeschwindigkeit beobachtet, die
mit der Verletzung der Regime des kollisionsfreien (ballistischen) Durchflugs
von Partikeln bei der Erhöhung des Gesamtdrucks in der
Kammer verbunden ist. Die Erhöhung des Drucks führt
auch zur Verschlechterung der oberflächlichen Beweglichkeit
der Partikeln auf der Züchtungsoberfläche, was
unvermeidlich zur Degradierung der Heterostruktureigenschaften führt.
Die erhaltene Heterostruktur wird durch folgende Parameter gekennzeichnet:
FWHM(0002) = 350–400 aresec; RMS 25–30 Nm; dthr ~(1–6) × 109 cm–2;
ns ≈ (1,0–1,2) × 1013 cm–2; μ ≈ 400–500
cm2/V·s. Auf solche Weise führt
die Erhöhung des Verhältnisses der Ströme
von NH3/Al über die obere Grenze zur
Verschlechterung der Heterostruktureigenschaften und zum gestiegenen
Verschleiß der Anlagen.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Für
die Umsetzung der Erfindung werden bekannte Materialien und gewöhnliche
Werkanlagen verwendet, was, der Meinung des Anmelders nach, die
Entsprechung des Kriteriums „Industrielle Anwendbarkeit” (IA)
bedingt.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft eine Technologie für die Züchtung
von Halbleiternitridheterostrukturen mittels des Verfahrens der
Molekularstrahlepitaxie (MSE) und kann bei der Herstellung von unterschiedlichen optischen
und Elektrogeräten und -vorrichtungen eingesetzt werden.
Der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt die Aufgabe der Senkung
der Dichte von eigenen Defekten des Kristallgitters der Templetschicht und
dadurch die Erhöhung der Qualität von oben liegenden
Halbleiterschichten der Heterostruktur. Entsprechend der Erfindung
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in dem Verfahren
der Züchtung einer mehrschichtigen Halbleiternitridheterostruktur,
die ein Substrat 2 mit der Templetschicht und oben liegenden Halbleiterschichten
enthält, welches die Heizung des Substrats, die Nitridierung
der Oberflächenschicht des Substrats durch die Zufuhr des
Ammoniakstroms auf die Oberfläche des Substrats, die Bildung
einer Templetschicht auf der Oberfläche des Substrats durch
die gleichzeitige Zufuhr von Al-Atomen-Strom und NH3-Strom
bis zum Erreichen der vorgegebenen Dichte der Templetschicht und
die anschließende Züchtung der höher
liegenden Halbleiterschichten mittels des Verfahrens der Molekularstrahlepitaxie
aufweist, das Substrat 2 bis zu einer Temperatur von 1100–1200°C
erwärmt wird, und die Ströme von Ammoniak und
Aluminium im Verhältnis von NH3/Al
= 100–400 zugeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6146458
A [0002]
- - US 6391748 B1 [0003]