DE1519804B2 - Verfahren zum Aufwachsen einen Schicht aus Halbleitermaterial auf einen Keimkristall - Google Patents

Description

Bei einem bekannten Verfahren zum Aufwachsen von Halbleitern findet ein geschlossenes Reaktionsrohr Verwendung, in dem ein Halogen, wie Jod, ein einzelner Halbleiterkeimkristall und ein Halbleiterausgangsmaterial eingeschlossen sind. Durch Wärmezufuhr erfolgt ein epitaktisches Aufwachsen des Halbleitermaterials auf dem Keimkristall mittels einer Disproportionierungsreaktion. Bekannt ist ferner ein Verfahren unter Verwendung eines offenen Reaktionsrohres, in dem ein Halbleiterhalogenid wie SiCl₄ oder GeCl₄, mitgeführt in einem Wasserstoffstrom, gasförmig einem einzelnen Halbleiterkeimkristall zugeführt wird, so daß das Halbleiterhalogenid durch den Wasserstoff in der Nähe des Keimkristalls reduziert wird und hierdurch ein epitaktisches Aufwachsen des Halbleiters auf dem Keimkristall hervorruft.

Das Verfahren mit dem geschlossenen Reaktionsrohr unter Ausnutzung der Disproportionierungsreaktion eignet sich jedoch wegen des Abschlusses des Reaktionsrohres nicht für eine Massenproduktion. Die Anwendung dieses Verfahrens ist demgemäß auf Laboratoriumszwecke beschränkt, zumal das Aufwachsen verhältnismäßig langsam vor sich geht. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht ferner darin, daß die Reinheit der Halbleiter-Aufwachsschicht stark von der Reinheit des Halbleiterausgangsmaterials und des Transportgases (wie Jod) abhängt; es ist daher ziemlich schwierig, eine Aufwachsschicht hoher Reinheit zu erzielen.

Das zweite bekannte Verfahren, bei dem ein offenes Reaktionsrohr Verwendung findet und Halbleiterhalogenide mittels Wasserstoff reduziert werden, zeigt zwar eine zufriedenstellende Aufwachsgeschwindigkeit. Die wesentlich höheren Temperaturen, die der Keimkristall bei diesem Verfahren im Vergleich zu dem Verfahren mit geschlossenem Reaktionsrohr aufweist, bringen jedoch den Nachteil mit sich, daß Verunreinigungen des Keimkristalls durch einen Selbstdotiereffekt in die Aufwachsschicht eindringen. Nachteilig ist ferner, daß auch andere im System vorhandene Verunreinigungen in die Aufwachsschicht hineindiffundieren oder an der Substratoberfläche oder an der Oberfläche der Aufwachsschicht adsorbiert werden, so daß keine ideale Aufwachsschicht erzielt wird und sich die Störstellenverteilung verschlechtert. Im Hinblick auf diese Probleme ist es erwünscht, die Substrattemperatur so niedrig wie möglich zu halten.

Demgegenüber wird bei einem Verfahren zum Aufwachsen einer Schicht aus Halbleitermaterial auf einen Keimkristall, bei dem Kristalle aus Ausgangsmaterial und der Keimkristall getrennt voneinander in einem Temperaturgradienten mit einem Reaktionsgas so erhitzt werden, daß eine gasförmige Verbin- dung des Halbleitermaterials oder gasförmige Verbindungen seiner Komponenten gebildet und zum Keimkristall transportiert werden, daß das Halbleitermaterial dort abgeschieden wird und aufwächst, eine Steigerung der Aufwachsgeschwindigkeit bei niedrigen Temperaturen für Ausgangskristalle und Keimkristall ermöglicht, wenn erfindungsgemäß zwischen den Ausgangskristallen und dem Keimkristall ein stationärer Hochtemperaturbereich aufrechterhalten wird, dessen Temperatur sowohl die der Ausgangskristalle als auch die des Keimkristalls übersteigt.

Die Vollkommenheit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten Aufwachsschicht,

d. h. die Freiheit von jeglichen Störungen, wird noch dadurch erhöht, daß die Reaktion trotz der gegenüber bekannten Verfahren niedrigeren Substrattemperatur beschleunigt wird.

F i g. 1 a veranschaulicht einen Längsschnitt durch ein Reaktionsrohr, das am einen Ende offen ist und in dem eine Reduktionsreaktion stattfindet;

F i g. 1 b zeigt die Temperaturverteilung entlang des Reaktionsrohres;

F i g. 2 a und 2 b zeigen die Herstellung einer Halbleiteraufwachsschicht durch eine Disproportionierungsreaktion in einem geschlossenen Reaktionsrohr. Dabei ist Fig. 2a ein vergrößerter Längsschnitt durch das geschlossene Reaktionsrohr und Fig. 2b eine graphische Darstellung der Temperaturverteilung längs des Reaktionsrohres.

In F i g. 1 a und 1 b ist das Grundprinzip der Herstellung einer Aufwachsschicht aus GaAs mittels einer Reduktionsreaktion unter Verwendung eines offenen Reaktionsrohres dargestellt. Elektrische Öfen 1, 2, 3 und 4 umschließen ein Reaktionsrohr 5, das beispielsweise aus Quarz besteht. In dem Rohr 5 sind Galliumjodid 6, Arsen 7 und Keimkristallplättchen 9 aus GaAs in der dargestellten Verteilung angeordnet. Die Temperaturen in dem Rohr 5 werden so gesteuert, daß sich die durch die Kurve 10 in Fig. Ib veranschaulichte Verteilung ergibt. Wird dann ein Strom von Wasserstoffgas 8 durch das Rohr 5 geleitet, so ergibt sich auf den Keimkristallen 9 ein epitaktisches Aufwachsen von GaAs. Die Aufwachsgeschwindigkeit beträgt in diesem Fall 2 bis 5 μ/Std. Diese Aufwachsgeschwindigkeit läßt sich auf 10 bis 12 μ/Std. erhöhen, wenn ein Hochtemperaturbereich von 650° C (vgl. die gestrichelte Kurve 11 in Fig. Ib) vor den Keimkristallplättchen9 aufrechterhalten wird.

Fig. 2a und 2b zeigen das Grundprinzip des Aufwachsens eines Germaniumkristalls mit Hilfe einer Disproportionierungsreaktion unter Verwendung eines geschlossenen Reaktionsrohres. In Fig. 2a umschließt eine Heizeinrichtung 12 ein an beiden Enden geschlossenes Reaktionsrohr 13, das beispielsweise aus Quarz besteht. In dem Rohr 13 sind 5 mg/cm³ Jod, ein Germaniumausgangskristall 14 und ein Germaniumkeimkristall 15 untergebracht. Entspricht die Temperaturverteilung in dem Rohr 13 der Kurve 16 in Fig. 2b, so beträgt die epitaktische Aufwachsgeschwindigkeit für das Germanium auf der Oberfläche des Keimkristalls 15 etwa 5 μ/Std. Wird jedoch zwisehen dem Ausgangskristall 14 und dem Keimkristall 15 ein Hochtemperaturbereich mit einer Temperatur von 700° C erzeugt, wie dies durch die gestrichelte Kurve 17 in Fig. 2b veranschaulicht ist, so vergrößert sich die Aufwachsgeschwindigkeit für die epitaktische Schicht auf einen Wert in der Größenordnung von 8 μ/Std.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich eine einkristalline Aufwachsschicht mit einer Keimkristalltemperatur von weniger als 350⁰C erzeugen, während ohne dem erfindungsgemäß vorgesehenen Hochtemperaturbereich bei einer Keimkristalltemperatur von unter 35O⁰C nur eine polykristalline Aufwachsschicht entsteht.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufwachsen einer Schicht aus Halbleitermaterial auf einen Keimkristall, bei

dem Kristalle aus Ausgangsmaterial und der Keimkristall getrennt voneinander in einem Temperaturgradienten mit einem Reaktionsgas so erhitzt werden, daß eine gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials oder gasförmige Verbindungen seiner Komponenten gebildet und zum Keimkristall transportiert werden, daß das Halbleitermaterial dort abgeschieden wird und aufwächst, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgangskristallen und dem Keimkristall ein stationärer Hochtemperaturbereich aufrechterhalten wird, dessen Temperatur sowohl die der Ausgangskristalle als auch die des Keimkristalls übersteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperaturbereich, in Richtung des Materialtransports gesehen, unmittelbar vor dem Keimkristall aufrechterhalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen