DE1619985A1 - Meteroepitaxiale Mehrschichthalbleiterstruktur - Google Patents

Meteroepitaxiale Mehrschichthalbleiterstruktur

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DE1619985A1
DE1619985A1 DE19671619985 DE1619985A DE1619985A1 DE 1619985 A1 DE1619985 A1 DE 1619985A1 DE 19671619985 DE19671619985 DE 19671619985 DE 1619985 A DE1619985 A DE 1619985A DE 1619985 A1 DE1619985 A1 DE 1619985A1
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thin
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Description

U 486
1619905
Iorth. Aaerican Aviation Inc», Bl Segundo, California,
■ ■ nstu
Heterοepitaxial· Menrschichthalbleiteretruktur
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kalbleiterstruktur und auf ein Verfahren zur Herstellung derselben·
Während bereits verschiedene Versuche zim direkten tfachsenlassen von III~Y-Verbindungen auf elektriech isolierenden Einkrietall-Unterlagen vorgenommen worden sind, waren si· doch wenig erfolg- -reich* Semäss der vorliegenden Erfindung ist man in der Lage, tpitaxialt III-¥-3chichten auf derartigen »onakriatallir^n, *l»ktriech isolierenden 3ul»-
BAD ORiQINAt-
009004/1738
straten. wachsen, zu. lassen· Die erhaltenen Strukturen sind ZoB» als Strahlungsrekombinationslaser brauchbar; auch kann, nan die in Mikrowellen- oder optischen Einrichtungen, einschliesslich von Generatoren und Verstärkern verwenden, bei denen der Gunn-Effekt ausgenutzt wird· Dieser Effekt iet im USA-Patent 3 262 059 ( Gunn } beschrieben·
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer wi· oben beschriebenen Halbleiterstruktur sowie ein HeratellungSTerfahren für dies· Struktur·
Srfindungsgemäss erreicht »an diese· J&iel durch Schaffung eines »onokristallinen, elektrisch isolierenden Substrates, eines dünnen, auf dem Substrat abgeschiedenen Helbleiterfilme, sowie einer auf diesen dünnen FiIa aufgebrachten monokristallinen III-V-Verbindung, und durch ein Verfahren, zu dem die folgenden Sfctfen gehör ens Aufbringen eines dünnen Halbleiter films auf ein monokristallinee Substrat und epitaxiales Wachsenlassen, einer XII-V-Verbindung auf dem äüBnm. PiIm.
Bei einer berorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der dünne film orientiert,und die HI-V-V erbindung eine Halbleiter se nicht, wobei der dünne film epitaxial auf dem Substrat und die XII-V-Verbindung epitaxial auf dem dünnen film abgelagert
" BAD ORIGINAL
009884/173«
V 3 i-
--·---■■"-"·"' Der dünne EiImist vorzugswei se aus. Germanium ο der Silicium, - wobei das Substrat vorzugsweise BeOV Saphir oder Spinell und die ΪΪΪ-^Γ-Verbindung vorzugsweise GaAs, GaP oder InSb aufweist i:: ""■·': '"-.-""- "'.' ,"■■ -.:""."■ ' "■ . ;:: -r ■.··'· -·' In verschiedenen bevorzugten^I^oSlien^der-*" Erfindung, bei denen das Substrat,' der dünne -Film · und die Ill-V-Verbindung BeO,; Ge-b"zwö GaAs atifweisen, -kann die kristallographische OOl-Ebene des GaAs parallel zur 1010-Ebene des BeOj die fcrietal-^ lographische 110-Ebene üeä GaAe parallel * zur 1011-Eb'ene -des". BeO oder die kristallögraphisGhe 119^-Eben^ Äes GaJLs parallel zur- 1014-Ebene des BeO liegen« Bei einer andreren Ausführungsform, wobei das Subsiirat, der dünne Pilni und ui e III-y-Ferbindung^ -: Saphir> Ge*bzwe GaP aufweisen, jcann die kriställographische 111-Ebene des Ge parallel zur- Grundebene des Saphirs liegen, wobei die ikristallogräpliische Hl—Ebene des GaP parallel zur 111-Ebene des Ge verläufto . .. ..■■.-. · .. ■ -l'>: ~ Die Merkmale der Erfindung sind aus der nun folgenden Beschreibung und der Zeichnung er- · sichtlich; beide dienen lediglich erläuternden Zwecken. . ν ' : :
Figur 1 zeigt einen stark vergrösserten Schnitt von einer Verbundstruktur gemäss der Erfindung .
Aus Figur 1 ist zu ersehen, dass die Halbleiter-Mehrschichtstruktur 1 ein Substrat 2 aus elektrisch isolierendem Einkristallmaterial aufweistο Das Substrat 2 besteht vorzugsweise aus BeO; jedoch sind auch andere monokristalline Isoliermaterialien, wie ZoBo ^-Tonerde ( Saphir, AIpO, ) und Spinell z;ufriedenstel]gid. Jedes von diesen ist ein Metalloxid mit entweder kubischer oder hexagonaler kristalliner Struktur· Das Substrat soll so geschnitten sein, dass die Fläche 3, auf die der dünne Halbleiterfilm 4 aufgebracht werden soll, parallel zu einer der Kristallebenea des Substrates 2 liegt. So kann ZoBo bei Verwendung von BeO die Fläche 3 des Substrates 2 parallel zur Ebene (1010), (nil) oder (1014) angesetzt sein.
Früher waren Versuche» eine epitaxiale Schicht aus einer Ill-V-Verbindung direkt auf.einem elektrisch isolierenden. Einkristall-Material, wie z.B* dem Substrat 2, anwachsen zu lassen, erfolglos· Jedoch wurde gefunden, dass, wenn man einen dünnen Film 4 ( siehe Figur 1 ) aus einem Halbleitermaterial euerst auf Fläche 3 des Substrates 2 aufbringt,
. BAD
0098 84/1739
eine ΪΙΙ-V^-yerfcindMiig leicht epitaxial oben aiif diäanea film 4 an?*aeheen g^af3 Eer dänne Film 4 besteht Se, jedoeh fcaiiTi jgait aaoii apdere aiiaiberialiea, wie z*l* &%., -yerwendeiip i^teejad Filme 4 iait ^iner Stärke ψφϊΐ jpia? iöiiiigen Jiuader$ i «m das iSHf^iedeiiasteli -HalibleiliePSieliiciil 5 ^i falls ge»riinseiitj> ßtäifcere lilm
Piliae mit einer Starte von einigen hundert Ängströia zu- diana, lam die Peßtiipmpistg iiirer Orientierung ata^jfa dea?
suchunigen derartiger dünner Filme 4 an, dass das
(4) &3mm orienfifrff
können, wenn der .ff leiterfilm 4 eine Stärke von mehr als einigen hundert Jbigström l^ftben «pljtf# dif SinkristallprJ.entl.e^ rungen »ittela der Lai^HBirtgenwiterspoijjngfljn. fest-* geat^Jlt werden,
Ber dünne Film 4 kann die gaea«§e fläche 3 deej Substrate* 2 überdecken, über dem eilte Schicht § #ui| #iaer JI£^!Mfö!?1^dung #rwjä#s<j|tt ist· Indf jh· ββη ^eateht eine Wirkungsweise des Filmes 4 ansehei~ ntnd darin, trietallkernbildungezentren für das
BAD ORiQiNAL
109884/1731
486
Daraufwachse)?, einer ffionoilqeisiallinen ΪIJ-F-IIaIbleiterpekiehi; yprgussheni dajher brauefit der diinne WtIn 4 pißW die gesamte iOberflfteihe 3 des
lie p^Jaicijif p { ^1βίι§ f
JL Wßi-ßt ßim®
§%&§? ZIX^WrrTßwüiMämg gßw&ßhßßV- ajif dem ditnyien film 4| m*£$ Ww til-r-f^J§rhm^m$ß^f 4ie verwendet w«F#e» Wm$&§ β&&11ββ&β®- §aM9 Sa? und InSb ein, sind aber niohi; auf diase Ibeacliränk-ta Aiblajgerii Icgpii man äißßß Jf I^W#rib||idung#ii apf den diünnen film 4 Z9M^ jantpr Jigm&nämg ei&ejF clae?aiiBenen ^|;ra^|inpp|U?|3jS3.tgi*eis§| yist sie iuniten be-
wird? Jpie JBpitpyie der %Μί?ηΐ 5 wiarde durch ilritersuchungen mit einem Dreikreisgoniometer-
für den dlinnsn film 4 %sxm mm ii«P®a IN^eilben durcli
βΜλ
system. lsi Anwendung dieser Technik ordnet man das
Söfestrat 2 i# #iiiieffl vertikaliBii i^aitib®r an, wd avar iiiit der iläehe 5 |ii eilüer Ji©rissp^|?Ä|iBÄ Ebene dem Aufn&rtfiBtejtt ijyigelEeiir** HfM?Ji anfäiijgliiJiier Evakuierung d$$ SyatemB erhitzt man das Substrat 2 auf 500® ipad QOO^ |3, M»d i» dem Käs©*, wie
BAD ORI01MAL
.-" -7- 18Ί9985 ΐί 486
sich, das fliessende GeK^ zersetzt, lagert sich ein.orientienter kristalliner-Film Von Ge auf dem Substrat ate ·'-- ? ■·" "-'■ ].■■■. ■■'■■■
Die epitaxiale III-V-Halbleiterschicht 5 kann man an der ZweisöMchtkombination, einschliessend das Substrat 2 und den dünnen Film 4,- anwachsen -las's en durch Anwendung einer chemischen Dampf -Übertragungsarbeitsweise über einen Temperatürgradienten. Wird· z.B* SaAs als Material für die Schicht 5 ausgewählt, so kann diese Schicht durch hängende Anordnung der zweischichtigen Kombination über einer GaAs-Feststoffquelle in einer Vakuumkammer epitaxial aufwachsen gelassen werden» wobei der dünne Film 4 der GaAs-Quelle zugekehrt ist. Dichtstehende Anordnung, ..-ZoB* 6,350 mm, ist zwischen ,der GaAs-Quelle und dem dünnen Film 4.erwünscht«
Durchführen kann man die Dampf übertragung von der Materialquelle unter Verwendung von HGl als Transportmittel i^ einem langsam ( z.B. 50 cm /Ά±α0 ) fliessenden H„-(xasstrpm. Die GaAs-Quelle sollte man auf eine Temperatur etwas oberhalb ihrer Zersetzungstemperatur erhitzen, während das Verbundgebilde, zu dem das Substrat 2 und der dünne Film 4 gehören, bei einer Temperatur etwa 50° C bis 100° C niedriger als derjenigen der GaAs-Quelle gehalten wird·
BAD ORiQlNAL
009S84/1739 W ■
Der
Der Transport findet in senkrechter Richtung statte Die HCO. reagiert mit cer GaAs- · Quelle unter Bildung von Chloriden von Ga, die zusammen mit dem gasförmigen Ab über den Temperaturgradienten aur Oberfläche des dünnen films 4 transportiert werden. Es tritt Wiedervereinigung von Ga und As ein; und GaAs lagert sich auf der Oberfläche des dünnen Films 4 ab· In dem Masse, wie das GaAs an den Kristallkernbildungszentren, erstellt durch das Halbleitermaterial des dünnen Films 4, anwächst, kann etwas Oberflächendiffusion eintreten. Aus diesem Grunde ist es erwünscht, eine niedrige GaS-Konzentration zu haben, so dass, während sich das GaAs ablagert, das Material Zeit hat, sich in Form eines Einkristalles anzuordnen· Zu rasches Ablagern von GaAs führt zu einem Anhäufungseffekt, und Mono kristallin! tat wird möglicherweise nicht erreicht». Da der Oberflächendiffusionseffekt ebenfalls temperaturabhängig ist, wobei er mit der Temperatur zunimmt, kann die Abscheidungsgeschwindigkeit entweder durch Variieren der Geschwindigkeit des HCl-Flusses oder durch Ändern der Temperatur der GaAs-Quelle und/oder des Substrates geregelt werden· Die Stärke der angelagerten Schicht 5 wird durch die Zeitdauer der Ablagerung fesfee/legt·
BAD ORIGINAL
009884/1739
Me
Die kristallographlsche Orientierung der III-T-Halbleiterschicht 5 von der Struktur 1 wird beeinflusst durch die besondere Ebene, parallel zu; welcher die Fläche 3 das Substrates 2 geschnitten wurde«. So wurden ZeBe, wenn BeO, Ge und GaAs als Materialien für das Substrat 2den dünnen Film 4 bzw· die Epitaxialschicht 5 verwendet werden, die in der folgenden !Tabelle angeführten kristallographisehen Ebenen als parallel liegend beobachtet· In jedem Falle war der Ge-FiIm zu dünn, um eine Bestimmung seiner Orientierung zu gestatten.
BeO
1010 001
ιοί! ■ 110
10Ϊ4 119
Als ein weiteres Beispiel fürdie erfindungsgemässe monolcristalline Mehrschichtstruktur wurden Binkristallschiciiten von GaP oder Gai.s epitaxial an einem dünnan PiIm 4 aus Germanium und einem. Sube trat 2 aus Saphir auf wache ·η gel aasen. Bei diesen Strukturen, erstellte man das Saphireub- »trat 2 mit atiner Fläche 3 parallel *ur Grundtbene. Der'dünne Garmaniuiaf ilm 4 war hinrtichtnd etark,
*■■■■'■ - BAD ORIGINAL
0098 84/1731
um
um festzustellen, dass seihe kristallographische 111-Ebene parallel zur Saphirgrundebene lag ο Für die III-Y-Sehicht 5, ob GaP oder SaSa, ergab sich, dass ihre lll-Ebene parallel zur lll-Ebene des dünnen Gfermaniumfilms 4 Terlief o
Obgleich die Erfindung im einzelnen beschrieben und erläutert wurde, so ist doch eindeutig zu entnehmen, dass dies nur zum Zwecke der Erklärung und als Beispiel, jedoch nicht als Abgrenzung aufzufassen isto Grundgedanke und Bereich der Erfindung sind nur durch die Ansprüche abgegrenzt.
BAD ORIGINAL
Patentansprüche 009884/1739

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    X* Halbleiterstruktur, gekennzeichnet durch ein monokristallines, elektrisch isolierendes Substrat, einen auf diesem Substrat abgeschiedenen dünnen Halbleiter film und eine auf dem dünnen Film abgeschiedene monokristalline III-V-7erbindung,
    2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Film orientiert ist»
    3ο Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die III-V-Terbiridüng ei&e Halbleiterschicht ist.
    4· Struktur nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Film epitaxial auf dem Substrat abgelagert ist« ^
    5. Struktur nach einem der Ansprüche 1-4,
    ' ■-, -■' ■"..;■ dadurch
    dadurch gekennzeichnet» dass die III-T-Verbindung epitaxial auf dem dünnen PiIm abgelagert isto
    6· Struktur nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne. Film aus Germanium besteht0
    7i Struktur nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Film aus Silicium besteht«
    8» Struktur nach, einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat BeO, Saphir oder Spinell isto -
    9 β Struktur nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dassdie III-V-Verbindung UaAs, GaP oder InSb ist· ■
    10. Struktur stach einem der Ansprüche 1-6, 8 oder 9, worin das Substrat, der dünne Film bzw« die III<-V-Verbindung BeO, Ge bzw· GaAs aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die kristallographische 001-Ebene von GaAs parallel zur 1010-Ebene des BeO verläuft.
    0 0 96 chf 17 3 9 !!.Struktur
    : ; ; IX. Struktur naeh einem der Ansprüche 1-6, 8 oder 9, worin, das Substrat, der dünne bzw. die III-V-Yerbindung BeO, Ge bzwo GaAs aufweisen, dadurch. gekennzeichnet, dass kristallog^- phische HO-Ebene des GaAs parallel zur 10H-Ebene des BeO verläuft„
    12ο Struktur nach einem der Ansprüche 1-6, 8 oder 9, woria das Substrat, der .dünne PiIm, bzw. die III-T-Terbindung BeO,Ge bzw» GaAs aufweisen, dadurch gekannzeichnet, dass die kristallographische 119-Bbene des GaAs parallel zur 1014-Ebehe des.BeO "verlaufto
    13 * Struktur nach einem der Ansprüche 1-6, 8 oder 9, worin das Substrat, der dünne Film bzw. die III-V-Terbindung Saphir, Ge bzw· GaP aufweisen, dadurch gekennzeichnet» dass die kristallographische 111-Ebene des Ge parallel zur Grundebene des gaphirs verläuft, und dass die krfstallographische Hl-Bbene dee GaP parallel zur 111-Ebene des $6 verläuft.
    ; 14. Verfahrem zur Herstellung einer Halblei t^rstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass man.
    elnen
    einen, dünnen Film aus einem Halbleiter auf einem monokristallinen Substrat abscheidet, und dass man eine Ill-V-Verbindung auf dem dünnen Film epitaxial aufwachsen lässtο
    15· Verfahren, nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Film orientiert ist»
    16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne PiIm ein Germaniumfilm ist«
    . BAD original
    0 0 9 8 8 A / 1 7 3 9
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