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Verfahren zum Herstellen von dotierten, einkristallinen Halbleiterschichten
Es ist bekannt, einkristalline Halbleiterschichten durch Aufwachsen aus der Gasphase
auf einem Träger aus dem gleichen Material herzustellen. Bei den bisher üblich-en
Verfahren wurde der Träger in ebner die zu zersetzende gasförmige Verbindung enthaltenden
Atmosphäre erhitzt, so daß der Halbleiterstoff auf der ganzen frei-en Oberfläche
des Trägers aufwächst.
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Demgegenüber kann bei einem Verfahren zum Herstellen von dotierten,
einkristallinen, insbesonde-re dünnen halbleitenden Schichten durch thermische Zersetzung
einer gasförmigen Verbindung des Halbleiterstoffes und Niederschlagen des Halbleiterstoffes
auf einem plattenförmigen, erhitzten Träger, mit gegenüber dem Halbleiter verschiedener
Gitterstruktur, wobei ineiner schmalen, in der Größenordnun.g von Millimetern breiten
Zone der Halbleiterstoff abgeschieden und davon ausgehend die Zone übew den Träger
geführt wird, trotz des, andersartigen Trägers die dotierte Schicht einkristallin
erhalten werden, wenn erfindungsgemäß auf dem Träger ein Keimkristall aufgebracht
wird, der so orientiert ist, daß die Wachstumsgeschwindigkeit in Richtung der ausgedehnten
Oberfläche des Trägers viel größer ist aus senkrecht zu dieser, wenn von dem Kehnkristall
ausgehend abgeschieden wird und wenn dem Reaktionsgas gasförmige Verbindungen eines
Dotierungsstoffes zugemischt werden.
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Man kann dabei so vorgehen, daß das mit dotierenden Stoffen vermischte
Reaktionsgas mittels einer schneidenförmigen Düse, aus der die zu zersetzende Verbindung
ausströmt, vom Keimkristall ausgehend, den Träger entlanggeführt wird.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß mehrere nebeneinander angeordnete,
schneidenförmige Düsen den Träger entlanggeführt werden, wobei z. B. das aus zwei
benachbarten Düsen ausströmende Reaktionsgasgemisch Dotierungsstoff enthält, die
je-
weils den entgegengesetzten Leitungstyp erzeugen, so daß aufeinanderfolgende
p- bzw. n-dotierteSchichten abgeschieden werden.
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Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht --in gezie,Ites Niederschlagen
auf Teilen der Oberfläche des Trägers. Außerdem hat es noch den weiteren wesentlichen
Vorteil, daß die niedergeschlagene Schicht unabhängig von der Gitterstruktur des
Trägers ist, da der Kristall nicht auf dem Träger aufwächst, sondern das Einkristallwachstum
sich, von einem auf dem Träger angeordneten Keimkristall ausgehend, flächenförmig
ausbreitet.
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Der Träger kann also aus Quarz, Keramik oder einem Metall, z. B. Tantal.,
sein. Es ist günstig, wenn in der schmalen Zone, in der die Zersetzung und das Niederschlagen
erfolgen, ein schräg zur ausgedehnten Oberfläche verlaufender Tempe,raturgradient
aufrechterhalten wird, durch den bewirkt wird, daß die Wachstumsgeschwindigkeit
an der Schichtoberfläche am größten ist. Durch diese Maßnahme wird eine Wachstumsstörung
durch die an der Oberfläche der Unterlage niedergeschlagene Schicht weitgehend vermieden.
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Eine nähere Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand einiger
besonders günstiger Ausführungsbeispiele gegeben.
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In F i g. 1 ist ein z. B. aus Quarz bestehender plattenförmiger
Träger 2 dargestellt, auf dessen ausgedehnter Oberfläche 15 ein Keimkristall
1 angeordnet ist. Der Einkristall 1 ist so orientiert, daß die Kristallwachstumsgeschwindigkeit
in der durch den Pfeil 12 angegebenen Richtung viel größer ist als senkrecht zu
dieser Richtung. Bei Kristallen mit Diamantgitter ist also die in der Ebene
15 liegende Kristallebene des Keimkristalls die [111]-Ebene und die in der
Wachstumsrichtung, also senkrecht zur Oberfläche 15 liegenden Ebene die [112]-Ebene.
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Der Träger mit dem Keimkristall befindet sich z. B in einer Atmosphäre,
die ein Gemisch aus einer gasförmigen Verbindung des zu zersetzenden Halbleitermate,rials
und einem Dotierungsstoff enthält, z. B. eine Halogenverbindung oder eine Wasserstoffverbindung
des Siliciums (Z- B- S'C'41 SiH2C'" S'j4' sm 4) oder des Germaniums (z. B. GeC14,
GeH2C121 GeJ., GeH4) oder gasförmige Verbindungen aus Elementen der III. und V.
Gruppe des Periodensystems sowie gasförmige Verbindungen der gewählten Dotierungsstoffe.
Der Träger befindet sich auf einer so tiefen Temperatur, daß keine Abscheidung erfolgt.
Durch eine Heizvorrichtung, z- B. durch einen Infrarotstrahler 4, der sich senkrecht
zur Richtung des
Pfeiles 14, insbesondere von einem Ende des Trägers
bis zum anderen, erstreckt, wird eine7 schmale Zone des Trägers auf die Zersetzungstemperatur
erhitzt, so daß nur in dieser schmalen erhitzten Zone (Hochtemperaturzone) der Halbleiterstoff
zur Abscheidung gebracht wird. Der InfraTotstrahler wird, ausgehend vom Keimkristall
1, in Richtung des Pfeiles 12 am Träger entlanggefährt. Das Wachstum der
einkristallinen, Aufwachsschicht 3 breitet sich, vom Keimkristall ausgehend,
flächenförmig aus. Zur Erhitzung der Zone wird dabei entweder die Heizvorrichtung
am Träger entlanggeführt, oder der Träger wird über die Heizvorrichtung hinweggeführt.
Die Geschwindigkeit, mit -der die Temperaturzone wandert, ist dabei im wesentlichen
durch die Aufheizgeschwindigkeit des Trägers auf die;Zersetzungstemperatur durch
die Heizvorrichtung bestimmt. Statt eines Infrarotstrahlers kann, wann der Träger
aus einem geeigneten Material besteht, auch eine Hochfrequenzspule zum Aufheizen
verwendet werden. Die Aufheizung der schmalen Zone kann aber auch durch -eine Gasentladung
zwischen dem Träger und -einer an der Oberfläche 15 des Trägers entlanggeführten
Elektrode erfolgen.
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Durch die Heizvorxichtu-ng wird ein Temperaturgradient im Träger erzeugt.
Dieser wird zweckmäßig so gewählt, daß die Temperatur an der Oberfläche
15
des Trägers innerhalb der schmalen Zone so hoch ist, daß eine maximale,
Abscheidung erfolgt.
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In F i g. 2 ist eine andere Ausführungsform der Erffridung
dargestellt. Der z. B. wieder aus Quarz bestehende Träger 2, auf dem der Einkristallkeim
1
aufgebracht ist, befindet sich an einer Oberfläche 15
auf einer Temperatur,
bei der die Abscheidung des Halbleiterstoffes zusammen mit den dotierenden Zusätzen
erfolgt. Zur Bildung der Einkristallschicht 3
wird eine schneidenförmige Düse,
aus der das zu zersetz-ende Reaktionsgasgemisch ausströmt, vom Keimkristall ausgehend,
in Richtung des Pfeiles 11 den
Träger ontlanggeführt.
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Mittels dieser schneidenförmigen Absclieidedüse wird, von einem flächenhaften
schmalen Einkristall 1
ausgehend, eine einkristalline Aufwachsschicht
3 erzeugt, die sich durch die oben angegebene Onentierung des Keimkristalls
mit bevorzugt-er Wachstumsrichtung auf der Oberfläche 15 des Trägers ausbreitet.
Die Dotierung der Aufwachsschicht richtet sich dabei jeweils nach den im Reaktionsgas
enthaltenen Zusätzen. Die Düse 5 ist von einem Mantel 7 umgeben, durch
den ein inertes Gas, z. B. Stickstoff, in Richtung der Pfeile 9 und
10 strömt, um Wachstumsstörungen an den Stellen niederer Temperatur zu unterbinden.
Das zu zersetzende Gasgemisch strömt in Richtung des Pfeiles 6 durch die
durch eine Wandu#ng 8 in zwei Karnmern getrennte Düse 5.
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In F i g. 3 ist die Anordnung gemäß F i g. 2 von oben
gesehen dargestellt. Man kann auf dieser Figur erkennen, wie die Halbleiterschicht,
vom Keimkristall 1 ausgehend, flächenförmig weiterwächst.
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Es ist bei dem in Zusammenhang mit der Fig. 2 beschriebenen
Verfahren aber auch möglich, nur je-
weils die schmale, Zone des Trägers,
die sich unterhalb der Düse befindet, durch eine der in Zusammen, hang mit F i
g. 1 beschriebenen. Heizvorrichtungen aufzuheizen, wobei die übrigen Teile
der Trägeroberfläche sich auf einer unterhalb der Zersetzungstemperatur liegenden
Temperatur befinden. Diese Heizvorrichtung wird dann analog dem in Zusammenhang
mit F i g. 1 beschriebenen Verfahren mit der gleichen Geschwindigkeit wie
die Düse, vom Keimkristall ausgehend, in Richtung des Pfeiles 11 bewegt.
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Während des Niederschlagens von dotiertem Halbleiterstoff kann gleichzeitig
ein Dotierungsstoff aus dem Träger selbst in die niedergeschlagene Schicht eindiffundiert
werden.
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Als Träger kann z. B. ein zuvor mit Bor behandeltes und mit Wasserstoff
beladenes Tantalblech verwendet werden.
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Die Verwendung eines Trägers, der bei der Reaktionstemperatur Wasserstoff
abgibt, ist vor allem bei der Zersetzung von mit Dotierungsstoffen vermischten Siliciumtetrachloriddämpfen
unter Bildung von dotierten Siliciumschichten günstig. Man kann z. B. ein mit einer
definierten Wasserstoffmenge beladenes Tantalblech als Träger verwenden. Bei Erhitzung
des Trägers oder einer schmalen Zone des Trägers auf die Zersetzungstemperatur gibt
der Träger den reduzierend wirkenden Wasserstoff ab. Da die Abscheidung durch die
Menge des vom Träger abgegebenen Wasserstoffs begrenzt ist, kann die Dicke der Schicht
durch diese Maßnahme gesteuert werden. Dabei ist die Menge des abgegebenen Wasserstoffs
nicht nur vonder zurBeladung verwendetenWasserstoffmenge, sondern auch von der Dicke
der bereits abgeschiedenen Halbleiterschicht bestimmt, da durch diese hindurch dir,
Diffasion des Wasserstoffs erfolgen muß.
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Beim Verfahren gemäß der vorliegenden Erflindung bildet sich die dotierte,
einkristalline halbleitende Schicht3 nur auf den Teilen des Trägers, die während
des Verfahrens durch die Heizvorrichtung auf die Zersetzungstemperatur erhitzt werden,
bzw. nur auf den Teilen der Oberfläche, auf die die zu zersetzende, gasförmigeVerbindung
z. B. mittels einer Düse geleitet wird. Es können mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung also auch halbleitende Schichten erzeugt werden, die nicht den ganzen
Träger bedecken bzw. deren geonictrische, Ausdehnung auf den einzelnen Teilen der
Oberfläche verschieden groß ist.
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Dies ist vor allem bei der Herstellung von Festkörperschaltkreisen
von Vorteil, bei denen die aktiven und passiven Elemente einer Schaltung in einem
Träger, der z. B. aus einem Halbleiter, z. B. Silicium oder Germanium, oder aus
Keramik besteht, enthalten sind. Zur Herstellung derartiger Bauelemente ist das
Verfahren besonders günstig, da dann z. B. eine Abdeckung des aus einem Halbleiter,
aus Keramik oder einem Metall bestehenden Trägers, wie sie bisher beim Aufdampfen
der verschiedenen Schichten notwendig war, fortfallen kann.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auch zur Herstellung von Solarbattenen
oder Großflächengleichrichtern sowie für die Massenfertigung von Bauelementen von
großer Bedeutung. Durch Zerteilen eines z. B. mit untereinander p-n-übergänge aufweisenden
Schichten versehenen Trägers kann z. B. eine große Zahl von Transistoren oder Dioden
in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Dabei kann der Träger z. B. gleich als
elektrischer Kontakt für eine Schicht dienen.