DE1544274C3 - Vorrichtung zum Herstellen einkristalliner, epitaktischer Aufwachsschichten aus halbleitenden Verbindungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Herstellen einkristalliner, epitaktischer Aufwachsschichten aus halbleitenden Verbindungen mit stöchiometrischer Zusammensetzung durch Abscheiden aus der Gasphase, bestehend aus einem Reaktionsgefäß mit heizbaren Teilen für die Aufnahme der Komponenten und des Trägerkristalls.

Aus der britischen Pateritschrift 996 020 ist die Herstellung von einkristallinen epitaktischen Aufwachsschichten aus halbleitenden Verbindungen durch Verdampfung einer Komponente, gegebenenfalls Transport mittels eines Reaktionsgases zu einer anderen Stelle des Reaktionsgefäßes, an der die Reaktion mit der ebenfalls in die Dampfphase überführten zweiten Komponente stattfindet und.durch Abscheidung der aus der Umsetzung herrührenden halbleitenden Verbindung in fester Form auf einen Trägerkristall zu entnehmen. Die hierfür geeignete Vorrichtung ist horizontal gelagert und besteht aus Quarz.

Aus der USA.-Patentschrift 3 153 600 ist eine Vorrichtung, bestehend aus einem" Reaktionsgefäß mit heizbaren Teilen für die Aufnahme der Komponenten und des Trägerkristalls, auf deni abgeschieden wird, zu entnehmen. Dieses Reaktionsgefäß ist evakuierbar und besteht aus einer Grundplatte mit einer aufgesetzten Glocke.

Die Herstellung halbleitender Verbindungen durch Umsetzung in der Gasphase ist bei Verwendung von . Reaktionsgefäßen aus Quarz, wie sie allgemein üblich ist, mit dem Nachteil behaftet, daß die Umsetzung bei relativ hohen Temperaturen durchgeführt werden muß, so daß das Einschleppen von Verunreinigungen aus dem Reaktionsgefäß praktisch nicht vermieden werden kann. Vor allem wirkt es sich nachteilig aus, daß die in Dampfform vorliegenden Komponenten mit dem Silicium der Quarzgefäße bei der hohen Reaktionstemperatur teilweise reagieren, so daß Silicium in die entstehende Verbindung eingebaut wird.

Diese Nachteile lassen sich vermeiden, wenn man nach der Lehre der Erfindung vorgeht und zum Herstellen einkristalliner, epitaktischer Aufwachsschichten aus halbleitenden Verbindungen eine Vorrichtung benützt, welche sich dadurch auszeichnet, daß das aus Graphit bestehende Reaktionsgefäß im untersten Teil zur Aufnahme der ersten, in elementarer Form vorliegenden Komponente der darzustellenden Verbindung als Topf ausgebildet ist, der mittlere Teil als Kamin darauf angeordnet ist und der oberste Teil als Deckel ausgebildet ist, bei dem auf der Innenseite des Deckelrandes Hohlräume vorgesehen sind, die für die Aufnahme der zweiten Komponente dienen, während der innere Teil des Deckels für die Aufnahme .des be-

.': weglich angeordneten Trägerkristalls vorgesehen ist.
Bei einer besonders günstigen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung ist eine mit dem Trägerkristall verbundene Einrichtung zum Abziehen des Trägerkristalls vorgesehen. Der Kristall wächst dann gleichmäßig weiter, so lange die Reaktion fortgeführt wird, so daß auf diese Weise stabförmige Kristalle, die anschließend in die für die herzustellenden Bauelemente erforderlichen Formkörper zerlegt werden, hergestellt werden können. Als Trägerkristall eignen sich einkristalline Scheibchen aus der abzuscheidenden halbleitehdeil Verbindung, oder aber aus einem von der abzuscheidenden Verbindung verschiedenen Material. So läßt sich beispielsweise durch die Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung hergestelltes Galliumarsenid oder eine andere Verbindung gleichen Typs auf einem Trägerkristall aus. Germanium oder Silicium abscheiden, .

Die entsprechend bearbeiteten Formkörper aus diesem Material werden dann zii. einem aus mehreren Teilen gebildeten Reaktionsgefäß zusammengesetzt. Die Beheizung kann entweder durch direkten Stromdurchgang oder mit Hilfe einer Induktionsheizung ι erfolgen. Wird das Reaktionsgefäß durch direkten Stromdurchgang beheizt, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einzelne Zonen des Reaktionsgefäßes zusätzlich induktiv zu beheizen.. Das gesamte Reaktionsgefäß wird bei der Durchführung des Verfahrens in eine Quarzglocke eingebracht,, die es ermöglicht, die Umsetzung in einer entsprechend ausgewählten inerten

Gasatmosphäre vorzunehmen. . ' ■ ■· .

Aus den durch die erfindüngsgemäße Vorrichtung hergestellten, aus halbleitenden Verbindungen bestehenden, · epitaktischen Aμfwachsschichten lassen sich praktisch" alle Halbleiterbauelemente wie Gleichrichter, Transistoren oder dergleichen herstellen. Außerdem können Halbleiterbauelemente hergestellt werden, bei denen eine oder mehrere Schichten aus '■ halbleitenden Verbindungen, die durch die im Vorhergehenden beschriebene Vorrichtung dargestellt worden sind, bestehen.
Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den an

Hand der Fig. ί und 2 beschriebenen Ausführungsbeispielen hervor. : -.;.-.

In Fig. 1 ist ein zur Herstellung einer halbleitenden Verbindung nach der Lehre der Erfindung geeignetes Reaktionsgefäß schematisch dargestellt. Als eigentliches Reaktionsgefäß dient der aus Graphit bestehende Topf 1, der aus drei Teilen besteht. Der untere Teil 2 des Topfes dient zur Aufnahme der einen Komponente; im vorliegenden Beispiel handelt es sich hierbei um Arsen, das in Form kleiner Brocken oder Kügelchen 3 auf dem Boden des Topfes aufgelegt ist. Auf dem Teil 2 des Topfes 1 sind die einen geringeren Durchmesser aufweisenden Teile 4 und 5 aufgesetzt. Der Teil 5 ist dabei rohrförmig ausgebildet und ist

durch eine Graphilbrücke6 hindurchgefühlt. Die gesamte, aus Topfl und Brücke6 bestehende Anordnung ist auf eine weitere Graphitbrücke 7, die zur Beheizung des Graphittopfes I dient, aufgesetzt. Die Brücke7 ist mit Stromzuführungen8, die mit einer in der Figur nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden werden, ausgestattet. Die Stromzuführungen sind außerdem mit einer Kühleinrichtung 9 ausgestattet. Zwischen dem Graphittopf 1 und der Graphitbrücke 7 ist eine dünne Isolierscheibe 10 vorgesehen. Den oberen Abschluß des Reaktionsgefäßes (Topfl) bildet ein als Träger für die Aufwachsschicht dienender scheibenförmiger Trägerll, der aus einem Halbleitermaterial, welches entweder eine von dem abzuscheidenden Material abweichende Zusammensetzung aufweist, oder aber dem abzuscheidenden Material entspricht, besteht. Der Trägerll ist durch einen Graphitring 12 in einen bestimmten Abstand von der Heizbrücke 6 gehalten. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß der eigentliche Reaktionsraum, d.h. der Raum zwisehen Graphitbrücke6 und Trägerll, praktisch nur von Graphit bzw. von Halbleitermaterial umschlossen ist. Da die aus Graphit bestehenden Formkörper, d. h. die Teile 2,4 und 5, bei Temperaturen oberhalb 3000° C ausgeglüht werden können, läßt sich die Einschleppung von Verunreinigungen aus dem Reaktionsgefäß praktisch vollständig unterbinden. Das Ausglühen wird zweckmäßigerweise entweder in Wasserstoff oder aber in Gegenwart der als transportierendes Medium verwendeten Reaktionsgase vorgenommen. In dem Reaktionsraum 13, der von der Graphitbrücke 6, dem Graphitring 12 und dem Trägerll umschlossen wird, wird Gallium in Form kleiner Kügelchen 14 eingebracht. Durch Erhitzen des Topfes 1 wird das Arsen 3 in die Dampfphase übergeführt. Die Überführung kann dabei entweder durch Erhitzen auf die Verdampfungstemperatur des Arsens oder aber durch die Umsetzung mit einem geeigneten Transportgas erfolgen. Das dampfförmige Arsen (bzw. die dampfförmigen Arsenverbindungen) steigt nun in dem kaminartig gebildeten Teil 4 des Topfes 1 nach oben und gelangt durch den rohrförmigen Teil 5 in den Reaktionsraum 13. Dort findet eine Umsetzung mit dem in elementarer Form vorliegenden Gallium 14 statt. Das dabei entstehende Galliumarsenid schlägt sich nunmehr auf dem Trägerll nieder und wächst auf dem Träger aus Halbleitermaterial in einkristalliner Form auf. Wird der Träger 11 beweglich angeordnet, so kann die Schichtdicke beliebig vergrößert werden. In diesem Fall wird der Träger nach Maßgabe des Kristall-Wachstums nach oben aus dem Reaktionsgefäß bewegt. Dazu ist gemäß Fig. 2 eine Abziehvorrichtung 21 vorgesehen. Die Vorrichtung kann dabei einer Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen aus der Schmelze nachgebildet sein. Bei der in Fig. 2 dargestellten Apparatur wird ein ebenfalls aus Graphit bestehendes Reaktionsgefaß 22, das in seinem unteren Teil 23 einen größeren Querschnitt aufweist als in dem kaminartig ausgebildeten Oberteil 24, auf eine Halterung 25, die beispielsweise aus einem Ring aus Isoliermaterial besteht, aufgesetzt. Der obere Teil des Reaktionsgefäßes ragt in ein zweites Reaktionsgefäß 26, welches ebenfalls aus Graphit besteht. Dieses · Gefäß 26 besteht aus einem topfartigen Unterteil 27 und einem Deckel 28, der in seiner Mitte eine Öffnung 29 aufweist. Oberhalb der Öffnung29 wird ein Trägerkristall 11, der über die Verbindung21 mit einer in der Figur nicht dargestellten Abziehvorrichtung verbunden ist, angebracht. Zur Beheizung der Rcaktionsgefaßc23 und 26 dienen die Induktionsspulen30 und 31, die in bekannter Weise mit Spannungsquellen verbunden sind. Außerdem ist eine Induktionsspule32 vorgesehen, die zur Erhitzung des entstehenden Halbleiterkristalls dient, der an dem Trägerll anwächst und nach Maßgabe des Kristallwachstums aus dem Reaktionsgefaß26 gezogen wird. Der Kristall ist in der Figur mit 33 bezeichnet. Die Induktionsspulen 30,31 und 32 werden dabei derart gesteuert, daß ein für die Durchführung der Reaktion notwendiges Temperaturgefälle in dem Reaktionsraum, der durch die Gefäße 23 und 26 gebildet wird, entsteht. Zur Abstützung.des Reaktionsgefäßes26 ist außerdem eine Halterung 34, die ebenfalls aus einem Isoliermaterial bestehen kann, vorgesehen. Die gesamte Anordnung wird zur Durchführung der Reaktion in ein rohrförmiges Quarzgefäß 35, das mit den Ein- und Austrittsöffnungen 36 und 37 für das Reaktionsgas ausgestattet ist, eingebracht. Am oberen Ende des rohrförmigen Quarzgefäßes 35 ist eine Dichtung 38 vorgesehen, die eine nahezu gasdichte Durchführung der Verbindungsglieder 21 zur Ziehvorrichtung gestattet.

Zum Betrieb der Vorrichtung wird nunmehr in das Reaktionsgefäß 23 elementares Arsen 41 eingebracht. Durch Beheizen des Gefäßes 23 verdampft Arsen bzw. setzt sich mit dem Transportgas unter Bildung von Arsenchlorid bzw. bei VerwendungeinesWasserdampf-Wasserstoffgemisches ·νοη Arsentrioxid um. Dieses steigt durch den kaminartig ausgebildeten Teil 24 nach oben und gelangt in das Reaktionsgefäß 26. In diesem befindet sich metallisches Gallium 40, das bei einer Temperatur von etwa 1000° C mit dem Arsen unter Bildung von Galliumarsenid reagiert. Dieses wird in Gegenwart des Transportgases (J₂ oder ein Wasserdampf-Wasserstoffgemisch) auf den am oberen Ende befindlichen Trägerkristall 11 niedergeschlagen. Dort kommt es zur Ausbildung einer epitaktischen Aufwachsschicht. Um die Herstellung größerer Schichtdicken zu ermöglichen, wird die auf dem Trägerkristall 11 aufwachsende Schicht 34 langsam in Richtung des Pfeiles 39 nach- oben bewegt. Erfolgt die Bewegung des Trägerkristalls nach Maßgabe des Kristall-Wachstums, so gelingt es, Aufwachsschichten zu erzeugen, deren Schichtdicke so groß ist, daß stabförmige Kristalle erhalten werden. Je nachdem, ob ein Trägerkristall aus dem gleichen oder einem anderen Halbleitermaterial verwendet wird, erhält man einheitliche Galliumarsenidkristalle oder aber Kristalle mit HeteroÜbergängen. Die Auswahl des Trägerkristalls richtet sich nach dem jeweiligen Verwendungszweck der entstehenden halbleitenden Verbindung.

Selbstverständlich können außer Galliumarsenid auch andere halbleitende Verbindungen wie beispielsweise Indiumantimonid, Indiumphosphid oder aber A"B^VI-Verbindungen wie Zink- oder Cadmiumsulfid hergestellt werden. Der besondere Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß hochreines Material mit stöchiometrischer Zusammensetzung hergestellt werden kann, da einmal durch die Umsetzung in die Gasphase die Stöchiometrie der entstehenden Verbindung gewahrt werden kann, und zum anderen durch die Möglichkeit, das Gefäßmaterial bei Temperaturen oberhalb 3000° C in Gegenwart der Transportgase auszuglühen, die Herstellung hochreinen Materials frei von Silicium und anderen störenden Verunreinigungen gewährleistet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Herstellen einkristalliner, epitaktischer Aufwachsschichten aus halbleitenden Verbindungen mit stöchiometrischer Zusammensetzung durch Abscheiden aus der Gasphase, bestehend aus einem Reaktionsgefäß mit heizbaren Teilen für die Aufnahme der Komponenten und des Trägerkristalls, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Graphit bestehende Reaktionsgefäß im untersten Teil zur Aufnahme der ersten, in elementarer Form Vorliegenden Komponente;der darzustellenden Verbindung als Topf ausgebildet ist,; der mittlere Teil als Kamin darauf angeordnet ist und der oberste Teil als Deckel ausgebildet ist, bei dem auf der Innenseite des Deckelrändes Hohlräume vorgesehen sind, die. für die. Aufnahme der zweiten Komponente dienen, während der innere Teil des Deckels für die Aufnahme des beweglich angeordneten Trägerkristalls vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit dem Trägerkristall verbundene Einrichtung zum Abziehen des Trägerkristalls.