DE1298191B - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkoerpers aus Siliziumkarbid - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkoerpers aus Siliziumkarbid

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DE1298191B
DE1298191B DE1963N0023260 DEN0023260A DE1298191B DE 1298191 B DE1298191 B DE 1298191B DE 1963N0023260 DE1963N0023260 DE 1963N0023260 DE N0023260 A DEN0023260 A DE N0023260A DE 1298191 B DE1298191 B DE 1298191B
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Knippenberg Wilhelm Franciscus
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers aus Siliciumkarbid mit einem pn-übergang durch epitaktisches Aufwachsen von Halbleitermaterial eines bestimmten Leitungstyps auf ein Substrat aus einem Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyps bei einer Temperatur, bei der wenigstens eines der verwendeten Dotierungsmaterialien in dem Halbleitermaterial diffundiert.
Das Aufwachsen des Halbleitermaterials kann auf bekannte Art und Weise, z. B. aus einer Schmelze, durch Aufdampfen, durch Sublimation, durch thermische Zersetzung von Verbindungen in Gas- oder Dampfform oder, bei halbleitenden Verbindungen, auch durch Reaktion der Bestandteile einer solchen Verbindung erfolgen.
Das Substrat selbst kann ebenfalls durch Aufwachsen oder auf eine andere Weise hergestellt werden.
Solche Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von Halbleitermaterial eines bestimmten Leitungstyps auf einem Substrat aus einem Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyps waren für die Halbleitermaterialien Germanium und Silicium ζ. Β. aus Proc. IRE, 48 (1960), 9, S. 1642 und 1643, und der deutschen Patentschrift 865 160 bekannt.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei der Anwendung eines solchen Verfahrens zur Herstellung von Halbleiterkörpern aus Siliciumkarbid der erwartete pnübergang im Halbleiterkörper manchmal nicht entsteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß die Temperatur, bei der die äußere Schicht auf dem Substrat aufwächst, in diesen Fällen so hoch ist, daß das Dotierungsmaterial der aufwachsenden Schicht in das Substrat diffundiert, sich der entstehende pn-übergang also während des Aufwachsens verschiebt und unter Umständen die äußere Begrenzung des Halbleiterkörpers erreicht.
In IBM Techn. Disc. Bull., 3 (1960), 2, S. 45, ist zwar bereits ein Verfahren zum Verschieben eines pn-Uberganges in einem Halbleiterkörper durch geeignete Bemessung der Konzentrationen der Dotierungsmaterialien beschrieben worden, doch wird dabei eine besondere Wärmebehandlung nach dem epitaktischen Aufwachsen des auf einem Substrat eines bestimmten Leitungstyps abgeschiedenen Halbleitermaterials des entgegengesetzten Leitungstyps angewandt.
In Anwendung der oben genannten Erkenntnis wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Konzentrationen der Dotierungsmaterialien in dem Substrat und in dem aufwachsenden Material entsprechend der Bedingung
T1JVn die Summe der Konzentrationen der den Leitungstyp des aufwachsenden Materials bestimmenden Dotierungsmaterialien im Substrat und
Σ2Νη die Summe der Konzentrationen der den Leitungstyp des aufwachsenden Materials bestimmenden Dotierungsmaterialien im aufwachsenden Material.
Durch geeignete Wahl der Dotierungskonzentration, die unabhängig von den verschiedenen Diffusionsgeschwindigkeiten der Dotierungsmaterialien ist, kann ein Verschieben des pn-Uberganges in das Substrat verhindert werden. Da die äußeren Begrenzungen des Substrats unverändert bleiben, könnte sonst der pn-übergang bei einer Verschiebung in das Substrat die gegenüberliegende Grenze erreichen. Bei einer Verschiebung des pn-Uberganges in das anwachsende Material ist diese Gefahr weniger zu befürchten, da die Dicke des angewachsenen Materials dauernd steigt.
Die Konzentrationssummen T1JV11 und/oder I2JV1 können gegebenenfalls gleich Null sein, wobei in dem Substrat keine Dotierungsmaterialien der den Leitungstyp des aufwachsenden Materials bedingenden Art und/oder im aufwachsenden Material keine Dotierungsmaterialien der den Leitungstyp des Substrats bedingenden Art vorhanden sind. Von jeder Art können weiterhin ein oder mehrere Dotierungsmaterialien verwendet werden.
Die Wahl der Konzentrationen der Dotierungsmaterialien beruht auf der Erwägung, daß durch Diffusion jedes Dotierungsmaterials aus der Zone mit der höchsten Konzentration in die Zone mit der niedrigsten Konzentration an der Grenze zwischen dem Substrat und dem aufgewachsenen Material eine Konzentration der Dotierungsmaterialien gleich der halben Summe der beiden zuerst genannten Konzentrationen entsteht, oder, in einer Formel ausgedrückt, eine Konzentration:
JV<U + JV<2)
wobei N^l) die atomare Konzentration eines beliebigen Dotierungsmaterials in dem Substrat und N^2) die atomare Konzentration desselben Dotierungsmaterials im aufwachsenden Material angibt. Eine Summierung sämtlicher Anteile an Dotierungsmaterial der den Leitungstyp des Substrats bedingenden Art ergibt an der Grenze eine Konzentration
V1N1 + T2JV1
T1JV1 + T2JV1 > E1Nn + E2Nn
55
so bemessen werden, daß eine Verschiebung des pn - Überganges während des epitaktischen Aufwachsens in das Substrat hinein ausgeschlossen ist; es bedeutet
2J1N1 die Summe der Konzentrationen der den Leitungstyp des Substrats bestimmenden Dotierungsmaterialien im Substrat,
T2JV1 die Summe der Konzentrationen der den Leitungstyp des Substrats bestimmenden Dotierungsmaterialien im aufwachsenden Material,
der Dotierungsmaterialien der erwähnten Art, und eine Summierung sämtlicher Anteile an Dotierungsmaterial entgegengesetzter Art ergibt an der Grenze eine Konzentration
T1N11 + I2Nn
Wenn diese Konzentrationen einander ausgleichen, so wird an der Grenze die Lage des pn-überganges während des Aufwachsens sich nicht ändern. Ist
E1N1 + E2N1
' 2
größer als
E1Nn + T2JV1,
■7
so erhält die Grenzzone die Leitungsart des Substrats, Fig. 1 bis 12 zeigen schematisch Diagramme des
und der pn-übergang verschiebt sich in die auf- Konzentrationsverlaufs von Dotierungsmaterialien in
wachsende Zone. Ist dem Substrat und im aufgewachsenen Material, wobei
Σ N + Σ N au^ ^er Ordinate die atomaren Konzentrationen der
—-— 1—~—-—- 5 Dotierungsmaterialien und auf der Abszisse der
Abstand in senkrechter Richtung zur Grenzfläche
abweichend von der Wahl der Konzentration nach zwischen dem Substrat und dem aufgewachsenen
der Erfindung kleiner als Material aufgetragen sind;
F ι g. 13 zeigt eine bekannte Vorrichtung zur Her-
XN +ΣΝ io stellung von Siliciumkarbidkristallen;
—— l~2—^-*-> Fig. 14 bis 22 zeigen schematisch Schnitte von
Siliciumkarbidkristallen, welche in einer Vorrichtung
so erhält die Grenzzone die Leitungsart des auf- nach Fig. 13 hergestellt sind;
wachsenden Materials, wobei als ungünstiger Fall ein- F i g. 23 bis 25 zeigen schematisch in Diagrammen treten kann, daß sich der pn-übergang in das Substrat 15 den Konzentrationsverlauf der Dotierungsmaterialien verschiebt und verschwindet. Dies kann insbesondere in den in Fig. 14 bis 22 dargestellten Kristallen, dann eintreten, wenn das Substrat eine Stärke in der wobei auf der Ordinate die atomare Konzentration gleichen Größenordnung wie die der aufwachsenden der Dotierungsmaterialien und auf der Abszisse das Schicht oder eine geringere Stärke als diese aufweist Wachstum der Kristalle aufgetragen sind,
und wenn die Aufwachsgeschwindigkeit in der gleichen 20 Das Prinzip der Erfindung wird an Hand der Größenordnung liegt oder viel geringer ist als die Fig. 1 bis 12 näher erläutert.
Diffusionsgeschwindigkeiten der Dotierungsmateria- In F i g. 1 sind in einem Substrat aus homogenem lien bei der angewendeten Temperatur. Das Substrat Halbleitermaterial des p-Typs die ursprünglichen kann gleichfalls durch Aufwachsen hergestellt sein, Konzentrationen der darin vorhandenen Dotierungsgegebenenfalls als Schicht auf einem Grundkörper aus 25 materialien, und zwar zweier Akzeptoren und eines z. B. Halbleitermaterial anderer Beschaffenheit. Vor- Donators, über dem in der Pfeilrichtung angegebenen zugsweise werden dabei das Substrat und die auf dem Abstand von der Oberfläche des Substrats ausSubstrat aufwachsende Schicht in einem Arbeitsgang getragen, auf den das gleiche Halbleitermaterial, jedoch nacheinander aufgebracht. Vorzugsweise wird wäh- entgegengesetzten Leitungstyps aufwächst. Die ausrend dieses Vorgangs kontinuierlich mit einem oder 30 gezogene Linie 1 stellt die Konzentration JV^1' des mehreren Dotierungsmaterialien dotiert, wobei da- Donators D, die gestrichelte Linie 2 die Konzendurch umdotiert wird, daß ab einem bestimmten tration /Vj1' des Akzeptors Ak, die punktierte Linie 3 Zeitpunkt auch andere Dotierungsmaterialien zu- die Konzentration JVj1J des Akzeptors Am und die geführt werden. Werden eine oder mehrere Dotie- strichpunktierte Linie 4 die gesamte Akzeptorkonzenrungsmaterialien gleicher Art kontinuierlich in einer 35 tration ΣιNAk = JVj1' + NA\jt »dar. Die Konzentration Konzentration XN1 eingebaut und in einem bestimm- N^l) beträgt z.B. 2-1018AtOmCZCm3, die Konzenten Zeitpunkt ein oder mehrere Dotierungsmaterialien tration N\\] 3 · 1018 Atome/cm3 und die Konzentration entgegengesetzter Art zugeführt und auch in einer /Vj1,,) 6 ■ 1018 Atome/cm3.
Konzentration Σ2Νιι eingebaut, so muß die Konzen- Das auf dieses Substrat aufwachsende Material
tration X2Nn derart sein, daß SV1 < Z2]V11 < 2 XN1, 40 des η-Typs enthält die gleichen Dotierungsmaterialien,
damit ein pn-übergang sich bildet und dieser über- jedoch in anderen Konzentrationen. Diese sind in
gang sich nicht in das zuerst gebildete Substrat F i g. 2 aufgetragen, wobei der Pfeil die Richtung des
verschiebt. Aufwachsens andeutet. Die Konzentration N&2) des
Dabei ist XN1 die Summe der Konzentrationen der Donators D beträgt z. B. 4 · 1018AtOmCZCm3 und ist
den Leitungstyp des Substrats bestimmenden Dotie- 45 durch die ausgezogene Linie 5 dargestellt; die Kon-
rungsmaterialien, wie sie kontinuierlich in homogenen zentration NA 2) des Akzeptors Ak beträgt 1 · 1018 AtomeZ
Konzentrationen sowohl im Substrat als auch in dem cm3 und ist durch die gestrichelte Linie 6 dargestellt;
aufwachsenden Material eingebaut werden. die Konzentration Njfä des Akzeptors An, beträgt
Das Verfahren nach der Erfindung ist besonders 2 ■ 1018AtOmCZCm3 und ist durch die punktierte Linie 7
für die Herstellung von Siliciumkarbidkristallen mit 50 dargestellt. Die gesamte Akzeptorkonzentration X2NA
einerti pn-übergang nach einem bekannten, von im aufwachsenden Material ist mit der strichpunk-
J. A. L e 1 y angegebenen Verfahren (niederländische tierten Linie 8 angegeben. In diesem Falle kann
Patentschrift 87 348) geeignet. Nach diesem Ver- [X1N1 + X2N1) geschrieben werden als X1N1 + X2N Λ
fahren werden Siliciumkarbidkristalle an der Innen- = N^ + N\lJ +NAf + NA]] = (3 + 6 + 1 +~2)'·
wand eines mit Schutzgas gefüllten, von Silicium- 55 1018 AtomeZcm3 = 12-1018AtOmCZCm3, und (^1Nn
karbid hoher Reinheit umschlossenen Raumes nieder- + X2Nu) kann geschrieben werden als N^1' + N^2)
geschlagen, der auf eine sehr hohe Temperatur = (2 + 4) · 1018 AtomeZcm3 = 6 · 1018 AtomeZcm3.
(wenigstens 20000C) erwärmt wird. Dem Schutzgas In diesem Falle gilt also, daß ΣιΝι+ X2N1 > XNn
können Akzeptoren, z. B. Aluminium, undZoder + -2^π·
Donatoren, z. B. Stickstoff, zugesetzt werden. Bei so 60 Wenn während des Aufwachsens keine Diffusion
hohen Temperaturen können diese Dotierungsmate- erfolgt, weil die Temperatur, bei der das Material
rialien schnell diffundieren. Insbesondere bei diesem aufwächst, zu niedrig ist, wird sich die Lage des an
Verfahren, bei dem die einmal gebildeten Silicium- der Grenze des Substrats und des aufwachsenden
karbidkristalle nur langsam aufwachsen, hängt es Materials entstandenen pn-Ubergangs während des
stark von der Wahl der Konzentrationen an Donatoren 65 Aufwachsens nicht ändern. Ist die Temperatur wäh-
und Akzeptoren ab, ob sich pn-Ubergänge bilden. rend des Aufwachsens so hoch, daß die Dotierungs-
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen und materialien diffundieren können, so wird durch Diffu-
einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. sion ein allmählicher Konzentrationsübergang jedes
Dotierungsmaterials entstehen. F i g. 3 zeigt den Konzentrationsverlauf der Dotierungsmaterialien an der Grenze zwischen dem Substrat und dem aufgewachsenen Material nach einer bestimmten Zeit I1 gerechnet vom Beginn des Aufwachsens. Der Pfeil gibt die Richtung des Aufwachsens und die senkrechte Linie 9 die Grenze zwischen dem Substrat und dem aufgewachsenen Material an. Die ausgezogene Linie 10, die gestrichelte Linie 11, die punktierte Linie 12 und die strichpunktierte Linie 13 stellen den Konzentrationsverlauf des Donators D, des Akzeptors Ak, des Akzeptors A1n und der beiden Akzeptoren zusammen dar. Jedes Dotierungsmaterial ist aus einer Zone mit hoher Konzentration in eine Zone mit niedrigerer Konzentration eindiffundiert, wobei an der Grenze zwischen dem Substrat und dem aufgewachsenen Material die Konzentration jedes Dotierungsmaterials die halbe Summe der beiden ursprünglichen Konzentrationen beiderseits dieser Grenze beträgt, wie es in F i g. 3 durch die Schnittpunkte der Linien 10, 11 bzw. 12 mit der Linie 9 dargestellt ist, so daß an dieser Grenze die Konzentration des Donators D gleich
2 · 1018 + 4 · 101
= 3 · ΙΟ18 Atome/cm3,
die Konzentration des Akzeptors Ak gleich
NJi1 + Nß» (3 + 1) · 1018
= 2 ■ 1018 Atome/cm3,
die Konzentration des Akzeptors An, gleich
Nj&±N%i _ (6+ 2)-IQ18
2 2
= 4 · 1018 Atome cm3
und die gesamte Akzeptorkonzentration gleich der Summe der Konzentrationen der beiden Akzeptoren, d. h. 6 · 1018 Atome/cm3 wird. An der Grenze ist demnach die gesamte Akzeptorkonzentration, in F i g. 3 durch den Schnittpunkt der Linie 13 und 9 dargestellt, höher als die Donatorkonzentration, so daß die Grenze p-leitend geworden ist, also die gleiche Leitungsart wie das Substrat bekommen hat. Der pn-übergang hat sich in das aufgewachsene Material verschoben und ist in F i g. 3 durch den Schnittpunkt 14 der Linien 10 und 13 dargestellt, wo die Donatorkonzentration gleich der gesamten Akzeptorkonzentration ist.
F i g. 4 zeigt den Konzentrationsverlauf nach einer längeren Zeit f2 seit dem Anfang des Aufwachsens (h > 'ι), wobei die Konzentrationen wieder auf die gleiche Weise wie in F i g. 3 aufgetragen sind. Die Linie 9 stellt wieder die Grenze zwischen dem Substrat und dem aufgewachsenen Material dar, und der Pfeil deutet wieder die Richtung des Aufwachsens an. Der Konzentrationsverlauf des Donators D (ausgezogene Linie 15), des Akzeptors Ak (gestrichelte Linie 16) und des Akzeptors An, (punktierte Linie 17) und weiterhin der Verlauf der gesamten Akzeptorkonzentration (strichpunktierte Linie 18) sind durch weitere Diffusion flacher geworden als nach der Zeit ti (vgl. in Fig. 3 die Linien 10, 11, 12 und 13). Die Konzentrationen der Dotierungsmaterialien an der Grenze haben sich aber nicht geändert. Der in F i g. 4 mit dem Schnittpunkt 19 dargestellte pn-Ubergang hat sich weiter von der Grenze 9 in das aufgewachsene Material verschoben (vgl. Fi g. 3, Schnittpunkt 14). Da die Stärke des aufwachsenden Materials aber zunimmt, bleibt bei weiterem Aufwachsen eine Zone aus Material des η-Typs bestehen. Hierbei wird bemerkt, daß, wenn ζ. Β. Σ1Νι sehr groß im Vergleich zu 2T1JV11 -I- Σ2Νη ist und die Diffusionsgeschwindigkeiten im Vergleich zur Geschwindigkeit des Aufwachsens groß sind, das zuerst aufwachsende Material durch Diffusion sofort die Leitungsart des Substrats annehmen wird. Da bei weiterem Aufwachsen das neu aufwachsende Material stets weiter von dem Substrat entfernt ist, erhält dieses Material, je weiter es von dem Substrat entfernt ist, eine immer geringere Dotierung durch direkte Diffusion aus dem Substrat, während die Konzentrationen der in dem aufwachsenden Material eingebauten Dotierungsmaterialien konstant bleiben. Folglich bekommt das aufwachsende Material im Laufe des Vorgangs doch einen dem Substrat entgegengesetzten Leitungstyp. >
Wenn die Konzentration des Donators D im aufwachsenden Material höher gewählt wird, und zwar dem obigen Beispiel entsprechend 10-1018AtOmC/ cm3, und die Konzentrationen der Akzeptoren im aufwachsenden Material und die Dotierungskonzentrationen in dem Substrat gleich den Konzentrationen im an Hand der F i g. 1 bis 4 besprochenen Falle gewählt werden, so kann ΣιΝν + Σ2Νχ wieder geschrieben werden als ΣιΝΛ + Σ2ΝΛ = Nft + Nft + JVj2,,' + JVj2' = 12 · ΙΟ18 Atome/cm3; Z1JV11 + I2JV11 = Ν,Ϋ] + N^ beträgt dann (2 + 10) · 1018 Atome/ cm3 = 12 · 1018 Atome/cm3, wobei also gilt, daß 1\Νι+Σ2Νι = Σ^η + Σ,Νη.
In Fig. 5 ist, auf gleiche Weise wie in Fig. 1, der Verlauf der ursprünglichen Konzentrationen JV^1' des Donators D (ausgezogene Linie 21), NAk des Akzeptors Ak (gestrichelte Linie 22) und NAm des Akzeptors An, (punktierte Linie 23) in dem ursprünglichen Substrat dargestellt, während die strichpunktierle Linie 24 den Verlauf der gesamten Akzeptorkonzentration ΣιΝΑ darstellt.
In F i g. 6 ist, auf gleiche Weise wie in Fig. 2, der Verlauf der Donatorkonzentration JV^2) (ausgezogene Linie 25), der Konzentration JVj2' an Akzeptor Ak (gestrichelte Linie 26) der Konzentration JVj2J an Akzeptor An, (punktierte Linie 27) und der gesamten Akzeptorkonzentration Σ2ΝΑ (strichpunktierte Linie 28) im aufwachsenden Material für den Fall dargestellt, daß während des Aufwachsens keine Diffusion der Dotierungsmaterialien aufträte.
In F i g. 7 und 8 ist, auf gleiche Weise wie in F i g. 3 und 4, der Verlauf der Konzentration des Donators D (die ausgezogenen Linien 30 und 35), der Konzentration des Akzeptors Ak (die gestrichelten Linien 31 und 36), der Konzentration des Akzeptors Am (der punktierten Linien 32 und 37) und der gesamten Akzeptorkonzentration (die strichpunktierten Linien 33 und 38) an der Grenze zwischen dem Substrat und dem aufgewachsenen Material nach Ablauf einer kürzeren Zeit T1 und einer längeren Zeit t2 seit dem Anfang des Aufwachsens bei einer Temperatur dargestellt, bei der die Dotierungsmaterialien in das Halbleitermaterial eindiffundieren können. Die Ordinate 29
stellt in den beiden Figuren die Grenze zwischen dem Substrat und dem aufgewachsenen Material dar, während die Pfeile die Richtung des Aufwachsens andeuten. Durch Diffusion wird an der Grenze zwischen dem Substrat und dem aufgewachsenen Material die Konzentration jeden Dotierungsmaterials wieder gleich der halben Summe der Konzentrationen dieses Dotierungsmaterials in dem ursprünglichen Substrat und im aufwachsenden Material. Die gesamte Akzeptorkonzentration an der Grenze wird dann gleich
Ma+^Ma = 6 · ΙΟ18 Atome/cm3
und die Donatorkonzentration an der Grenze gleich
~ = 6 · 1018 Atome/cm3.
An der Grenze werden also die Konzentrationen an Akzeptoren und Donatoren einander gleich, was in F i g. 7 durch den auf der Ordinate 29 liegenden Schnittpunkt 34 der Linien 33 und 30 dargestellt ist. In dem Substrat ist die gesamte Konzentration der Akzeptoren überall größer als die Donatorkonzentration, während im aufgewachsenen Material die Donatorkonzentration überall größer als die Akzeptorkonzentration ist und der pn-übergang mit der Grenze 29 zwischen dem Substrat und dem aufgewachsenen Material zusammenfällt. Die Konzentrationen an der Grenze 29 bleiben bei im weiteren Verlauf des Aufwachsens des Halbleitermaterials und der damit einhergehenden weiteren Diffusion der Dotierungsmaterialien konstant, so daß der pn-übergang sich nicht von der Grenze 29 verschiebt. Dies ist in F i g. 8 dargestellt, in der der Schnittpunkt 39 der Linien 38 und 35, der die Lage des pn-Ubergangs wiedergibt, auf der Ordinate 29, der Grenze zwischen dem Substrat und dem aufgewachsenen Material liegt.
Wenn dieselben ursprünglichen Donator- und Akzeptorkonzentrationen in dem Substrat verwendet werden und im aufwachsenden Material zwar die gleichen Akzeptorkonzentrationen wie in den vorher besprochenen Fällen gewählt werden, aber eine noch höhere Donatorkonzentration, z.B. 18 · 1018 Atome/ cm3, so ist 2',N1 + X2N1 gleich X1N Λ = X2N A = 12- 1018 Atome/cm3 und X1N1^X2N11 gleich N},u + N1 1P = 20· 1018 Atome/cm3 zu setzen, so daß X1N1 + X2N1 < X1Nn + X2Nn, fällt in diesem Falle die Wahl der Konzentrationen in dem Substrat und im aufgewachsenen Material außerhalb des Rahmens der Erfindung. F i g. 9 stellt, auf entsprechende Weise wie in F i g. 1 und 5, für diesen Fall den Verlauf der Konzentration des Donators D durch die ausgezogene Linie 41, der Konzentration des Akzeptors Ak durch die gestrichelte Linie 42, der Konzentration des Akzeptors Am durch die punktierte Linie 43 und der gesamten Akzeptorkonzentration in dem ursprünglichen Substrat durch die strichpunktierte Linie44 dar. Fig. 10 zeigt, auf entsprechende Weise wie F i g. 2 und 6, den Verlauf der Konzentration des Donators D durch die ausgezogene Linie 45, der Konzentration des Akzeptors Ak durch die gestrichelte Linie 46, der Konzentration des Akzeptors An, durch die punktierte Linie 47 und der gesamten Akzeptorkonzentration im niedergeschlagenen Material durch die strichpunktierte Linie 48 für den Fall, daß beim Aufwachsen keine Diffusion der Dotierungsmaterialien in das Halbleitermaterial aufgetreten ist.
Fig. 11 und 12 zeigen, auf entsprechende Weise wie F i g. 3 und 7 bzw. 4 und 8, für den Fall, daß während des Niederschiagens Dotierungsmaterial diffundiert, den Verlauf der Konzentration des Donators D durch die ausgezogenen Linien 50 bzw. 55, der Konzentration des Akzeptors Ak durch die gestrichelten Linien 51 bzw. 56, der Konzentration des Akzeptors Am durch die punktierten Linien 52 bzw. 57 und der gesamten Konzentration der Akzeptoren durch die strichpunktierten Linien 53 bzw. 58 in der Nähe der Grenze zwischen dem Substrat und dem aufgewachsenen Material, nachdem seit dem Anfang des Aufwachsens eine kürzere Zeit T1 bzw. eine längere Zeit t2 vergangen ist. Die Ordinate 49 stellt in beiden Figuren die Grenze zwischen dem Substrat und dem aufgewachsenen Material dar, während der Pfeil wieder die Aufwachsrichtung andeutet. Durch Diffusion der Dotierungsmaterialien wird an der Stelle der Grenze 49 die Konzentration jedes Dotierungsmaterials gleich der halben Summe der Konzentrationen dieses Materials in dem ursprünglichen Substrat und im aufwachsenden Material. Diese Konzentrationen bleiben während des weiteren Aufwachsens und der damit einhergehenden weiteren Diffusion der Dotierungsmaterialien konstant. Wie in F i g. 11 und 12 dargestellt, ist dann an der Grenze 49 die Donatorkonzentration, welche gleich
-^— = 10 · ΙΟ18 Atome/cm3
ist, größer als die gesamte Akzeptorkonzentration
Atome/cm3 1
so daß das Halbleitermaterial an der Grenze 49 η-leitend ist und der pn-übergang sich in das Substrat verschoben hat. In F i g. 11 ist der pn-übergang mit 54, dem Schnittpunkt der Linien 53 und 50, und in Fig. 12 mit dem Schnittpunkt 59 der Linien 58 und 55 angedeutet. Fig. 11 und 12 zeigen, wie bei fortgesetzter Diffusion der pn-übergang sich stets weiter in das Substrat verschiebt. Dabei besteht die Möglichkeit, daß schließlich sämtliches Material des Substrats in den Leitungstyp des aufgewachsenen Materials umgesetzt wird und der pn-übergang verschwindet.
Es sei noch bemerkt, daß in den oben besprochenen
Fällen die Erfindung für eine p-leitende Unterlage und ein η-leitendes aufwachsendes Material erläutert wurde. Man kann auch von einem η-leitenden Substrat und einem p-leitenden aufwachsenden Material bei einer Temperatur ausgehen, bei der eine Diffusion der verwendeten Dotierungsmaterialien auftritt. Dabei müssen nach der Erfindung die ursprünglichen Konzentrationen der Dotierungsmaterialien in dem Substrat und die Konzentrationen der Dotierungsmaterialien im aufwachsenden Material derart gewählt werden, daß X1N1 + X2N1 > X1Nn + X2Nn, wobei X1N1 und X2N1 die Summe der Konzentrationen sämtlicher Donatoren in dem Substrat bzw. im aufwachsenden Material und X1Nn und X2Nn die Summe der Konzentrationen sämtlicher Akzeptoren in dem Substrat bzw. im aufwachsenden Material angeben.
Es ist weiterhin einleuchtend, daß es im Rahmen
ίο
der Erfindung möglich ist, die Zahl der Dotierungsmaterialien jeder Art und deren Konzentrationen in dem Substrat und im aufwachsenden Material zu variieren, vorausgesetzt, daß die Formel
Jf1JV1 + E2N1 > E1N11 + E2Nn
erfüllt ist, wobei weiterhin gelten muß, daß T1JV, > E1N11 und daß E2N1 < E2Nn.
Die Erfindung wird weiter an Hand der Herstellung von Siliciumkarbidkristallen nach dem von J. A. Le 1 y angegebenen Verfahren erläutert, bei dem man solche Kristalle an der Innenwand eines von Siliciumkarbid umschlossenen Raumes wachsen läßt, in dem sich ein Schutzgas befindet, dem gegebenenfalls Dotierungsbestandteile zugesetzt sein können. Dieses Verfahren ist unter anderem in der niederländischen Patentschrift 87 348 beschrieben. Die darin gezeichnete Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens wird an Hand der F i g. 13 näher erläutert.
In Fig. 13 bezeichnet 61 einen an einem Ende offenen Zylinder aus Graphit. Auf dem Boden und an den Wänden entlang sind Bruchstücke 62 von Siliciumkarbid aufgestapelt und das Ganze ist mit einem Deckel 63 gleicher Bruchstücke geschlossen.
wachsen. Es hat sich gezeigt, daß alle Kristalle ungefähr gleich schnell wachsen und daß der Größenunterschied zwischen Kristallen derselben Charge fast nur auf die ungleichzeitige Bildung der verschiedenen Kristallkeime zurückzuführen ist, d. h., die größeren Kristalle entstehen früher als die kleineren Kristalle.
Man kann durch eine geeignete Dotierung auf die beschriebene Weise SiliciumkarbidkristaHe mit pn-Ubergängen bilden. Man kann dazu z. B. während der ganzen Erwärmung einen Akzeptor, z. B. Aluminium, und erst ab einem bestimmten Zeitpunkt einen Donator, z. B. Stickstoff, zuführen, wodurch sich auf die zuerst entstandenen p-leitenden Kristalle η-leitendes Siliciumkarbid niederschlägt. Die zuerst entstandenen p-leitenden Kristalle bilden also das Substrat, auf das sich das η-leitende Material niederschlägt.
Fig. 14 bis 16 zeigen Längsschnitte von im Raum 83 der Fig. 13 entstandenen Siliciumkarbidkristallen; dabei wurde die Siliciumkarbidmasse 62 4 Stunden lang auf 25000C in einer Argonatmosphäre mit Aluminium enthaltendem Dampf erwärmt und nach 2stündiger Erhitzung dem Argon Stickstoff zugesetzt. Die dem Argon zugesetzte Stickstoffmenge
Das Gefäß 61 ist auf einen zylinderförmigen Körper 64 25 war derart gewählt, daß im sich niederschlagenden
aus Graphit aufgesetzt, der zur guten Wärmeisolation mit Ruß 65 gefüllt und mit kleinen öffnungen 66 versehen ist. Das Ganze ist von einem etwas weiteren Graphitzylinder 67 mit einer öffnung 68 im Boden 69 umgeben. Das obere Ende des Zylinders 67 ist durch einen Graphitkörper 70 abgeschlossen, in den ein zylinderförmiger Körper 71 aus Graphit eingesetzt ist, der, ebenso wie der Körper 64, mit Ruß 72 gefüllt ist. Weiterhin sind im Körper 70 unter dem zylinderförmigen Körper 71 mehrere Gitter 73 angeordnet. Das Ganze ist zusammen mit einem mit Ruß 74 gefüllten Isolierkörper 75 aus Graphit, der mit einem Kanal 76 versehen ist, in einen Graphitofen 77 gesetzt, der aus einem beiderseits offenen Zylinder besteht, in dem parallel zur Achse über einen großen Teil seiner Länge zwei Sägeschnitte angebracht sind. An dem eingesägten Ende des Graphitzylinders sind an den beiden durch die Sägeschnitte entstandenen Teilen Kupferelektroden 78 mit Wasserkühlung 79 angebracht. Schließlich ist das Ganze von einem Isoliermantel 80 umgeben, der mit Ruß 81 gefüllt ist. An der Unterseite des Geräts kann das bei der Kristallbildung zu verwendende Schutzgas eingeführt werden. Dieses Gas strömt durch das Einlaßrohr 82, Siliciumkarbid zweimal soviel Atome Stickstoff wie Aluminium mit niedergeschlagen wurden. Nach
4 Stunden hatten sich SiliciumkarbidkristaHe gebildet, von denen die größten einen Durchmesser von etwa
5 mm aufwiesen.
In Fig. 23 ist der Konzentrationsverlauf in den gebildeten Kristallen graphisch dargestellt. Die ausgezogene Linie 110 stellt die Akzeptorkonzentration dar, die infolge der konstanten Dotierung mit Aluminium homogen ist. Die Ordinate 111 stellt die Grenze dar, von der ab Stickstoff mit abgesetzt wurde. Der Pfeil deutet die Aufwachsrichtung des Kristalls an. Die strichpunktierte Linie 112 stellt die atomare Stickstoffkonzentration im sich niederschlagenden Material dar für den Fall, daß keine Diffusion von Verunreinigungen erfolgen würde. Diese Konzentration N^2) ist zweimal so groß wie die atomare Aluminiumkonzentration NA. Im folgenden wird der zuerst gewachsene Teil, der nur mit Aluminium dotiert wurde, als das Substrat und der nach dem Zusatz von Stickstoff zum Argon gewachsene Teil als das niedergeschlagene Material bezeichnet. Das Glied EiN1 + E2N1 ist dabei gleich 2 N1, da die Akzeptordotierung in dem Substrat und im sich darauf nieder-
den Kanal 76 und die öffnungen 68 und 66 in den 50 schlagenden Material gleich ist. Das Glied E1Nn
Raum zwischen dem Gefäß 61 und dem Zylinder 67, der durch öffnungen zwischen den Siliciumkarbidstücken 63 mit dem vom Siliciumkarbid umschlossenen Raum 83 in Verbindung steht. Da das Gas nicht unmittelbar durch den Raum 83 hindurchgeführt wird, werden störende Gasströmungen im Raum 83 vermieden. Das Gas strömt dann längs der Gitter 73, an denen mit der Gasströmung mitgeführter Dampf kondensieren kann, und durch die öffnungen 84 nach außen. Das Schutzgas für den Graphitofen 77 kann getrennt in den Raum zwischen dem Graphitzylinder 67 und dem Isoliermantel 80 eingeleitet werden.
Mittels des Graphitofens kann das Siliciumkarbid ist dabei gleich ND 2\ da in dem Substrat die Donatorkonzentration gleich Null ist. Da N&2) hier gleich 2 NA ist, ist das Glied E1N1 + E2Ni gleich dem Glied E1Nn + E2Nn. Wenn die Dotierungsmaterialien diffundieren, bleibt daher der pn-übergang an der Grenze zwischen dem Substrat und dem abgesetzten Material, wie es in F i g. 23 dargestellt ist. Der Konzentrationsverlauf des über den ganzen Kristall homogen verteilten Aluminiums ändert sich durch Diffusion nicht. Der Stickstoff diffundiert aber bei 2500" C vom niedergeschlagenen Material aus in das Substrat. Die gestrichelte Linie 113 stellt schematisch den Konzentrationsverlauf des Stickstoffs in den Kristallen nach der Erwärmung dar. An der Grenze
bis über 2000° C erhitzt werden, wobei im Raum 83 65 zwischen dem Substrat und dem niedergeschlagenen
an der Innenwand SiliciumkarbidkristaHe aufwachsen. Material ist die Stickstoffkonzentration gleich '/2 Nd
Nach mehrstündiger Erhitzung sind auf diese Weise und also gleich NA, so daß an dieser Grenze die
SiliciumkarbidkristaHe verschiedener Größe ge- Akzeptoren und Donatoren einander ausgleichen.
Der pn-übergang, der in F i g. 23 durch den Schnittpunkt 114 der Linien 110 und 113 dargestellt ist, liegt auf der Ordinate 111.
Fig. 14 zeigt einen Längsschnitt durch einen Kristall mit einem Durchmesser von etwa 5 mm. Die Freihandlinie links in der Figur deutet die Keimfläche an der Wand des Raumes 83 (s. Fig. 13) an. Bei diesem Kristall ist der Keim sofort zu Beginn der Erwärmung entstanden. Der Kristall hat einen p-leitenden Kern 90, der während des Dotierens mit Aluminium allein gebildet worden ist. Dieser Kern bildet das Substrat, auf das sich das η-leitende Material 91 niederschlägt. Der pn-übergang 92 liegt an der Grenze zwischen dem Substrat und dem niedergeschlagenen Material. Die Keimfläche des Kristalls ist in Fig. 23 schematisch durch die vertikale Linie 115 dargestellt.
Fig. 15 zeigt einen Längsschnitt durch einen kleineren Kristall mit einem etwas größeren Durchmesser als 3 mm, dessen Keim etwa l'/2 Stunden nach dem Anfang der Erhitzung entstanden ist. Die Stelle, an der dieser Keim sich bildete, ist in F i g. 23 schematisch durch die vertikale Linie 116 dargestellt; der p-leitende Kern 90 ist in Anwachsrichtung klein und die durch Niederschlagen auf diesem Kern gebildete η-leitende Zone 91 verhältnismäßig groß. Der pn-übergang 92 liegt an der Stelle, an der auf das zuerst gebildete p-leitende Substrat n-leitendes Material sich niederschlug. In Fig. 23 stellt die vertikale Linie 117 schematisch die Außenfläche der aufgewachsenen Kristalle dar.
Der Kristall, dessen Längsschnitt in Fi g. 16 dargestellt ist, hat einen Durchmesser von etwa 2 mm. Der Keim dieses Kristalls ist erst entstanden, nachdem bereits Stickstoff dem Argon zugesetzt worden war, so daß dieser Kristall ganz η-leitend ist.
F i g. 24 zeigt, auf gleiche Weise wie F i g. 23, schematisch den Konzentrationsverlauf des Aluminiums und des Stickstoffs in im Raum 83 (s. F i g. 13) gebildeten Kristallen, wenn im Vergleich zum vorher besprochenen Falle dem Argon eine so viel geringere Stickstoffmenge zugesetzt wird, daß die Konzentration N,f] des Stickstoffs im sich niederschlagenden Material zwar noch größer ist als die Aluminiumkonzentration /V4, jedoch kleiner ist als 2 /V1. Die Ordinate 121 stellt schematisch die Grenze des zuerst gebildeten p-leitenden Substrats und des darauf niedergeschlagenen, mit Stickstoff dotierten Materials dar.
Der Verlauf der Aluminiumkonzentration ist durch die ausgezogene Linie 120 und die Stickstoffkonzentration, wie sie entstünde, wenn keine Diffusion aufträte, durch die strichpunktierte Linie 122 dargestellt. Durch Diffusion von Stickstoff wird jedoch an der Grenze zwischen dem ursprünglich p-leitenden Substrat und dem darauf niedergeschlagenen, mit Stickstoff dotierten Material die Stickstoffkonzentration gleich 1J2 ND; diese Konzentration ist kleiner als die Aluminiumkonzentration NA, so daß an dieser Grenze das Material durch Diffusion p-leitend wird. Die gestrichelte Linie 123 stellt den Verlauf der Stickstoffkonzentration in den Kristallen dar. Der pn-übergang hat sich in der Aufwachsrichtung des Kristalls verschoben und ist in Fig. 24 durch den Schnittpunkt 124 der Linie 120 und 123 dargestellt. Bemerkt wird, daß in diesem Falle das Glied E1N1 + E2N1 = 2 N1 größer ist als das Glied .T1JV1, + E2Nn = N„. Die in diesem Falle gebildeten Kristalle sind im Längsschnitt in Fig. 17 bis 19 dargestellt. Fig. 17 zeigt einen Kristall mit einem Durchmesser von etwa 5 mm. Der Keimbeginn ist in Fig. 24 durch die senkrechte Linie 125' dargestellt. Fig. 18 zeigt einen Kristall mit einem etwas größeren Durchmesser als 3 mm, bei dem der Beginn der Keimbildung in Fig. 24 durch die senkrechte Linie 126 dargestellt ist. Das Ende der Kristallbildung ist in F i g. 24 durch die senkrechte Linie 127 dargestellt.
ίο Bei den in Fig. 17 und 18 dargestellten Kristallen ist durch die gestrichelte Linie 96 die Grenze zwischen dem zuerst gebildeten p-leitenden Substrat und dem darauf niedergeschlagenen mit Stickstoff dotierten Material dargestellt. Der ursprüngliche pn-Ubergang hat sich aber von der Grenze 96 aus in der Aufwachsrichtung verschoben, wodurch der p-leitende Kern 93 sich weit in das auf das Substrat niedergeschlagene Material verschoben hat. Der endgültig entstandene pn-übergang ist mit 95 bezeichnet. Der verhältnismäßig dünne η-leitende Randteil ist mit 94 bezeichnet. Da der pn-übergang 95 verhältnismäßig nahe an der Oberfläche liegt, sind die in Fig. 17 und 18 dargestellten Kristalle vorteilhafter zum Herstellen kleiner Halbleitervorrichtungen mit einem pn-übergang als die Kristalle nach Fig. 14 und 15.
In F i g. 19 ist ein Kristall mit einem Durchmesser
von etwa 2 mm im Längsschnitt dargestellt. Dessen Keim ist nach dem Zusatz von Stickstoff zum Argon entstanden und daher n-leitend.
Wenn dem Argon so viel Stickstoff zugesetzt wird, daß in dem sich auf das p-leitende Substrat niederschlagenden Material die Donatorkonzentration N^2' mehr als zweimal der Akzeptorkonzentration wird, so ist das Glied um E1N1 + E2N1 = 2 NA kleiner als
das Glied T1ZV11 + Z2N11 = N},2\ so daß dieser Fall außerhalb des Rahmens der Erfindung fällt. Der Konzentrationsverlauf der dabei entstandenen SiIiciumkarbidkristalle ist auf gleiche Weise wie in F i g. 23 und 24 schematisch in Fig. 25 dargestellt.
Die ausgezogene Linie 130 stellt den Verlauf der Aluminiumkonzentration dar. Die Ordinate 131 stellt die Grenze zwischen dem zuerst gebildeten p-leitenden Substrat und dem darauf niedergeschlagenen, mit Stickstoff dotierten Material dar. Die strichpunktierte Linie 132 stellt den Verlauf der Stickstoffkonzentration für den Fall dar, daß keine Diffusionserscheinungen aufträten. Die gestrichelte Linie 133 stellt schematisch den Verlauf der Stickstoffkonzentration in den Kristallen dar, wie sie infolge der Diffusion während des Anwachsens des Kristalls entsteht. Der ursprünglich an der Grenze zwischen dem Substrat und dem darauf abgesetzten Material gebildete pn-übergang hat sich in das Substrat verschoben und ist durch den Schnittpunkt 134 der Linien 130 und 133 dargestellt. F i g. 20 zeigt einen Kristall mit einem Durchmesser von etwa 5 mm, dessen Keimbildungsbeginn in Fig. 25 durch die senkrechte Linie 135 dargestellt ist. F i g. 21 zeigt einen Kristall mit einem etwas größeren Durchmesser als 3 mm, dessen Keimbildungsbeginn in Fig. 25 durch die senkrechte Linie 136 dargestellt ist. F i g. 22 zeigt einen Kristall mit einem Durchmesser von nahezu 2 mm, dessen Keim erst nach dem Zusatz von Stickstoff zum Argon sich bildete, so daß dieser Kristall völlig η-leitend ist.
Bei den in F i g. 20 und 21 dargestellten Kristallen ist die Grenze zwischen dem zuerst gebildeten, ursprünglich p-leitenden Substrat und dem darauf niedergeschlagenen, mit Stickstoff dotierten Material
durch die gestrichelte Linie 100 dargestellt. Bei dem Kristall nach Fi g. 21 ist das ursprünglich p-leitende Substrat durch das Eindiffundieren von Stickstoff völlig η-leitend geworden, während bei dem Kristall nach F i g. 20 ein sehr kleiner Kern 97 des Substrats p-leitend geblieben ist. Der pn-übergang 99 zwischen dem Kern 97 und der η-leitenden Zone 98 hat nur einen sehr geringen Umfang, so daß in diesem Falle aus einem solchen Kristall nur wenig kleine Körper mit einem pn-übergang herstellbar sind. Weiterhin ist die Ausbeute an Kristallen mit einem pn-übergang geringer als in den beiden vorhergehenden, an Hand der F i g. 14 bis 16 und 23 bzw. der F i g. 17 bis 19 und 24 erläuterten Fällen. Bei einer noch höheren Stickstoffdotierung werden überhaupt keine Kristalle mit pn-übergang erzielt.
Die Konzentrationen der Dotierungsmaterialien in-dem Substrat und in dem sich niederschlagenden Material hängen schon davon ab, auf welche Weise und in welchem Maße Donatoren und Akzeptoren währenddes Niederschiagens zugeführt werden. Dieser Zusammenhang kann durch Versuch bestimmt werden, indem z. B. homogen dotierte Siliciumkarbidkristalle hergestellt werden, ohne daß das Maß der Dotierung geändert und ohne daß andere Dotierungsmaterialien zugeführt werden.
Im folgenden werden zwei Beispiele für die Herstellung von Siliciumkarbidkristallen mit einem pnübergang nach der Erfindung beschrieben, wobei das von J. A. L e 1 y angegebene Verfahren verwendet wird. Danach werden zwei Beispiele für die Herstellung von Siliciumkarbidkristallen nach diesem Verfahren gegeben, bei denen Dotierungen in Konzentrationen angewendet werden, die außerhalb des Rahmens der Erfindung liegen, und bei denen auf ein zuerst gewachsenes Substrat einer bestimmten Leitungsart ein Material entgegengesetzter Leitungsart niedergeschlagen wird, ohne daß schließlich Kristalle mit einem pn-übergang entstehen.
Beispiel I
In der in Fig. 13 dargestellten Vorrichtung werden Bruchstücke reinen Siliciumkarbids (Gehalt an Fremdstoffen weniger als 0,002%) mit einem Gesamtgewicht von etwa 500 g im Graphitzylinder 61 auf die Weise aufgestapelt, wie sie in F i g. 13 mit 62 und 63 angedeutet ist, so daß ein Raum 83 gebildet wird, der völlig von Siliciumkarbid umgeben ist. Auf dem Boden 69 des Graphitzylinders 67 wird um den zylinderförmigen Graphitkörper 64 herum 200 g Aluminiumkarbid (Al4C3) angebracht, worauf der Zylinder 61 auf den Körper 64 gesetzt und das Ganze derart montiert wird, wie es in Fig. 13 dargestellt ist. Die Vorrichtung wird darauf unter einer Vakuumglocke entlüftet und anschließend reines Argon bis zum atmosphärischen Druck eingeführt. Darauf wird unter Beibehaltung des atmosphärischen Drucks Argon mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 ml pro Minute, bei Zimmertemperatur gemessen, durch das Rohr 82 hindurchgeleitet. Anschließend wird mit Hilfe des Graphitofens 77 die Temperatur des Siliciumkarbids in etwa einer Stunde auf 2500 C gebracht. Das Aluminiumkarbid wird dabei vom Graphitofen auf eine Temperatur von 1500 C erwärmt, wobei das Aluminium allmählich aus dem Aluminiumkarbid verdampft und mit der Argonströmung mitgeführt wird. Das Siliciumkarbid wird 4 Stunden lang auf 2500 C gehalten. Nach 2slündiger Erwärmung des Siliciumkarbids auf 25000C wird dem Argon 2,5 Volumprozent Stickstoff zugesetzt und dieses Gasgemisch während der weiteren 2stündigen Erwärmung des Siliciumkarbids durchgeleitet, wonach das Ganze abgekühlt wird. An der Innenwand des Raumes 83 haben sich Siliciumkarbidkristalle gebildet.
Bei dieser Art der Dotierung werden in jedem Kristall Aluminium in einer homogenen Konzen-
To tration NA von 7 ■ 1018 Atome/cm3 und nach dem Zusatz von Stickstoff zum Argon auch Stickstoff in einer Konzentration N&2) von 14 · 1018 Atome/cm3 eingebaut. Die Kristalle mit einem kleineren Durchmesser als 2,5 mm, die nach dem Zusatz von Stickstoff zum Argon entstanden und völlig η-leitend sind, haben eine derartige homogene Stickstoffkonzentration. Diese Kristalle haben einen Aufbau, wie es in F i g. 16 dargestellt ist. Die Kristalle mit einem größeren Durchmesser als 2,5 mm haben pn-Ubergänge und einen Aufbau, wie es in Fi g. 14 und 15 dargestellt ist. Bei den größten Kristallen mit einem Durchmesser von etwa 5 mm hat der p-leitende Kern einen Durchmesser, der etwa die Hälfte des Gesamtdurchmessers des Kristalls beträgt. Dies bedeutet, daß der während der Kristallbildung entstandene pn-übergang sich während des weiteren Wachsens praktisch nicht verschoben hat.
In diesem Falle ist ΣιΝι + Σ2Ν{ = 2W4 gleich .T1JV11 + Σ2Νη = Ng\
Beispiel II
Ebenso wie im Beispiel I werden in einer Vorrichtung nach Fig. 13 500g Bruchstücke reinen Siliciumkarbids (Gehalt an Fremdstoffen weniger als 0,002%) um einen Raum 83 herum aufgebaut, jedoch wird kein Aluminiumkarbid eingebracht. Die zur Erwärmung des Siliciumkarbids auf 2500' C erforderliche Zeitdauer beträgt wieder etwa 1 Stunde, wonach das Siliciumkarbid 4 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten und dann abgekühlt wird. Dem Argon wird während der ganzen Erwärmung Aluminiumchlorid mit einem Partialdruck von 0,1 mm Hg (0,013 Volumprozent) zugesetzt. Die im Raum 83 entstehenden Siliciumkarbidkristalle erhalten dadurch eine homogene Aluminiumkonzentration NA von 1 · 1018 Atome/cm3. Nach 2stündiger Erhitzung des Siliciumkarbids auf 2500 C wird dem Aluminiumchlorid enthaltenden Argon während der weiteren Erwärmung 0,02 Volumprozent Stickstoff zugesetzt, wodurch ab diesem Zeitpunkt sich Siliciumkarbid abzusetzen beginnt, das neben Aluminium auch Stickstoff in einer Konzentration N^ von 1,3 · 1018 Atome cm3 enthält. Das zuerst gebildete Substrat enthält also 1 ■ 1018 Atome Aluminium'cm3, das sich danach niederschlagende Material 1 · 1018 Atome Aluminium cm3 und 1,3 · 1018 Atome Stickstoff'cm3. l\Nt + 1',N1 = 2 NA ist in diesem Falle größer als ΣιΝη + Σ2Νη = N^K Auf diese Weise werden Siliciumkarbidkristalle mit dem Aufbau nach F i g. 17 bis 19 erzielt:
von diesen haben die Kristalle mit einer Größe von mehr als 2,5 mm einen verhältnismäßig nahe am Rand liegenden pn-übergang, während die kleineren Kristalle völlig η-leitend sind. Während des Wachstums der größeren Kristalle hat der ursprünglich entstandene pn-übergang sich in die Aufwachsrichtung dieser Kristalle verschoben.
In den beiden bisherigen Beispielen entstanden in dem Substrat des einen Leitungstyps und im sich
niederschlagenden Material des entgegengesetzten Leitungstyps Dotierungskonzentrationen, die im Rahmen der Erfindung lagen. Zum Vergleich folgen jetzt zwei Beispiele für die Herstellung von Siliciumkarbidkristallen nach dem von J. A. L e 1 y vorgeschlagenen Verfahren, wobei gleichfalls zunächst ein Substrat eines bestimmten Leitungstyps gebildet wurde, auf das anschließend Material entgegengesetzten Leitungstyps niedergeschlagen wurde, bei denen jedoch die Wahl der Dotierungskonzentrationen außerhalb des Rahmens der Erfindung liegt.
Bei beiden Ausführungen wird eine Vorrichtung nach F i g. 13 verwendet. Auch hier dauert die Aufheizung etwa 1 Stunde, und das Siliciumkarbid 62 und 63 wird 4 Stunden lang auf 2500° C gehalten und dann abgekühlt.
Bei der ersten Ausführung wird Siliciumkarbid verwendet, das etwa 0,1% Aluminium enthält, und während der ersten 2 Stunden der Erwärmung auf 2500° C wird eine Strömung von reinem Argon von
1 at mit einer Geschwindigkeit von 100 ml pro Minute und während der nächsten 2 Stunden eine Strömung von reinem Stickstoff von atmosphärischem Druck verwendet. Die an der Innenwand des Raumes gewachsenen Siliciumkarbidkristalle enthalten eine praktisch homogene Aluminiumkonzentration N^ von
2 · 1018 Atome/cm3. Auf das zuerst gebildete p-leitende Substrat mit einer Aluminiumkonzentration wird anschließend Siliciumkarbid mit derselben Konzentration an Aluminium und einer zusätzlichen Stick-Stoffkonzentration von 8 · 1019 Atomen/cm3 abgesetzt. I1N1 + I2N1 ist dabei kleiner als I1N11 + I2Nn = N^2). Die dabei im Raum 83 gewachsenen Kristalle waren alle n-leitend.
Bei der zweiten Ausführung wird von reinem Siliciumkarbid ausgegangen. Während der ersten 2 Stunden der Erwärmung des Siliciumkarbids auf 25OOr C wird Argon mit 0,01 Volumprozent Stickstoff von atmosphärischem Druck mit einer Geschwindigkeit von 100 ml pro Minute durchgeleitet, worauf dem Stickstoff enthaltenden Argon zusätzlich Aluminiumchloriddampf mit einem Partialdruck von 4 mm (etwa 0,53 Volumprozent) zugesetzt wird. Während der ersten 2 Stunden der Erwärmung auf 2500° C werden im Raum 83 η-leitende Siliciumkarbidkristalle mit einer Stickstoffkonzentration ND von 1018 Atomen/ cm3 gebildet, auf die sich dann Siliciumkarbid mit derselben Konzentration ND von 1018AtOmCn Stickstoff/cm3, jedoch mit einer zusätzlichen Konzentration Nj21 von 3 · 1019 Atomen Aluminium/cm3 absetzt. I1N1 + I2Ni = 2 N0 ist dabei kleiner als Z1N11+ Z2Nn = Nj2'. Es zeigte sich, daß die so entstandenen Siliciumkarbidkristalle alle p-leitend waren.
Zu den pn-Ubergängen nach der Erfindung gehören auch diejenigen übergänge, bei denen die p-leitende Zone durch eine schmale Zone aus eigenleitendem Material von der η-leitenden Zone getrennt ist. Es hat sich z. B. ergeben, daß Siliciumkarbidkristalle mit pn - übergängen, die nach dem Verfahren von J. A. L e 1 y hergestellt waren, bisher stets eine solche dünne eigenleitende Zone aufwiesen.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers aus Siliciumkarbid mit einem pn-übergang durch epitaktisches Aufwachsen von Halbleitermaterial eines bestimmten Leitungstyps auf ein Substrat aus einem Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyps bei einer Temperatur, bei der wenigstens eines der verwendeten Dotierungsmaterialien in dem Halbleitermaterial diffundiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen der Dotierungsmaterialien in dem Substrat und in dem aufwachsenden Material entsprechend der Bedingung
I1N1 + Z2N1 > Z1N1, + Σ2Νη
so bemessen werden, daß eine Verschiebung des pn-Uberganges während des epitaktischen Aufwachsens in das Substrat hinein ausgeschlossen ist; es bedeutet
Z1N1 die Summe der Konzentrationen der den Leitungstyp des Substrats bestimmenden Dotierungsmaterialien im Substrat,
Z2N1 die Summe der Konzentrationen der den Leitungstyp des Substrats bestimmenden Dotierungsmaterialien im aufwachsenden Material,
Z1N11 die Summe der Konzentrationen der den Leitungstyp des aufwachsenden Materials bestimmenden Dotierungsmaterialien im Substrat und
I2N11 die Summe der Konzentrationen der den Leitungstyp des aufwachsenden Materials bestimmenden Dotierungsmaterialien im aufwachsenden Material.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch epitaktisches Aufwachsen auf einem Grundkörper hergestellt wird und daß das Substrat und das weitere auf dem Substrat aufwachsende Halbleitermaterial in einem Herstellungsvorgang nacheinander aufgebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des gesamten Herstellungsvorganges ein oder mehrere Dotierungsmaterialien kontinuierlich in homogenen Konzentrationen in das aufwachsende Halbleitermaterial und nach der Bildung des Substrats weitere Dotierungsmaterialien eingebaut werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche ,Dotierungsmaterialien, die während des gesamten Herstellungsvorganges kontinuierlich in homogenen Konzentrationen eingebaut werden, von derselben Art (Donatoren oder Akzeptoren) sind und daß sämtliche anderen Dotierungsmaterialien, die erst nach der Bildung des Substrats eingebaut werden, von einer Art sind, die der der ersten Dotierungsmaterialien entgegengesetzt ist, und daß die Dotierungsmaterialien in Konzentrationen eingebaut werden, für die gilt, daß
Z1N1 < Z2-N11 < 2· ZN1,
wobei bedeutet ZN| die Summe der Konzentrationen der den Leitungstyp des Substrats bestimmenden Dotierungsmaterialien, wie sie kontinuierlich in homogenen Konzentrationen sowohl im Substrat als auch in dem aufwachsenden Material eingebaut werden.
909 526.235
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper an einer Wand eines von Siliciumkarbid umschlossenen Raumes gebildet wird, wobei das Siliciumkarbid auf wenigstens 20000C erhitzt wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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