DE1944985C - Verfahren und Vorrichtung zum Zuchten einer Schicht aus Quecksilber cadmiumtellund - Google Patents

Description

4. Verfahren nati. den Ansprüchen 1 bis 3, da- werden.

durch gekennzeichnet, daß das Dar'pfgemisch auf 30 Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Elemente ;r. die binäre Verbindungen unterbindende Tempe- getrennten, von Transportgas durchströmten öfe.·' ratur während des Mischens der get ennten Gas- verdampft werden, ströme erhitzt wird. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfir,

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- dungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus den Patentrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 mit einem Sub- 35 ansprüchen.

strat, das in einer ein Temperaturgefälle aufwei- Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführ unt

senden Reaktionskammer angeordnet ist, dadurch des Verfahrens bestent darin, daß du» Mittel zur Er gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des zeugung des Temperaturgefälles aus einer das Sub Temperaturgefälles aus einer das Substrat (58) strat unter den Kondensationspunkt der Einzel unter den Kondensationspunkt der Einzelelemente 40 elemente abkühlenden Kühlvorrichtung und aus einer abkühlenden Kühlvorrichtung (60, 61) und aus Heizvorrichtung mit zwei getrennt regelbaren, die einer Heizvorrichtung mit zwei getrennt regel- Reaktionskammer umgebenden und in deren Längsbaren, die Reaktionskammer (50) umgebenden richtung so gegeneinander verschiebbaren Heizspulen und in dertn Längsrichtung so gegeneinander vcr- bestehen, daß im Bereich des Substrats zwischen beischiebbaren Heizspulen (51, 52) bestehen, daß im 45 den Heizspulen ein Spalt auftritt. Bereich des Substrats (58) zwischen beiden Heiz- Die erfindungsgemäße Methode gestattet ein schneispulen ein Spalt (70) auftritt. les Kristallwachstum bei niedrigen Drücken, die eine

große Sicherheit gewährleisten. Es lassen sich relativ ausgedehnte Epitaxieschichten gleichmäßiger Zusam-

50 mensetzung herstellen. Ein zusätzlicher Vorteil der

erfiudungsgemäßen Methode erwächst aus der Tatsache, üaß elementare Bestandteile verwendet werden, die während der Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten verdampft werden und wieder kondensieren. Auf einer Schicht aus Quecksilbercadmiumtellurid auf 55 diese Weise wird gewährleistet, daß Verunreinigungen einem Substrat, bei dem ein Quecksilber, Cadmium ausgeschlossen werden, wie sie beispielsweise in Form und Tellur enthaltender Dampf gebildet und mit dem von Kupfer auftreten, das auch bei höchster Reinheit in einem Temperaturgefälle angeordneten Substrat in in den Bestandteilen vorhanden sein kann. Berührung gebracht wird. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung

Die bekannten Methoden zur Kristallzüchtung aus 60 ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung ceder Gasphase, bei denen die übersättigten heißen vorzugter Ausführungsbeispiele, wie sie in der Zeich-Gase an einem kühleren Substrat kondensieren, haben nung dargestellt sind. Es zeigt den Nachteil, daß sich nur kleine Kristalle herstellen F i g. 1 ein Schnittbild einer Vorrichtung zum Auf

lassen, die über ihre gesamte Ausdehnung gleiche Zu- wachsen aus der Dampfphase gemäß der Erfindung sammcnsctzung und einkristallinc Struktur zeigen. 65 F i g. 2 eine Teilansicht der in der Vorrichtung ge Bekannte Methoden verwenden Stoffe, die eine Dis- maß F i g. 1 verwendeten Mischkammer, prcportionierung eingehen, oder andere chemische F i g. 3 eine Teilansicht der in der Vorrichtung ge

Stoffe, wie Halogene und ihre Verbindungen. Diese maß Fig. 1 verwendeten Reaktionskammer mit darii

eingezeichneten, die Temperaturverteilung wiedergebenden Linien bei einer bestimmten Stellung der Heizspulen,

Fig. 4 den Temperaturverlauf entlang der Mitieilinie der Reaktionskammer.

Die erfindungsgemäße, in F i g. I dargestellte Vorrichtung zum Aufwachsen von Quecksilbercadmiumtellurid-Epitaxieschichten aus der Dampfphase setzt sich aus den Öfen 10,11 und 12 für die Quellenmaterialien, einem dazu parallel angeschlossenen Vorratsbehälter 13 für ein inertes Transportgas und aus einem Ofen 14 für die Mischkammer zusammen, der seinerseits mit einem Ofen 15 für die Reaküonskam_mer verbunden ist. Der Ofen 15 steht außerdem mit einem System 16 in Verbindung, über das das inerte Transportgas an die Atmosphäre abgeführt wird. Der Ofen 10 besteht aus einer Quarzkammer 17. die von einer Heizspule 18 umgeben ist. Ein Vorrat 19 von elerrntarem Cadmium, vorzugsweise in einem Quarzschi.L-hen untergebrachte Cadmium-Kügtlchen, befinde! sich in der Heizzone. Eine nicht dargestellte, steuerbare Stromversorgung ist an die Heizspule 18 aniifNchlossen und liefert die Wärme, die zur Verdau pfung des Cadmiums in das die Kammer 17 dui hströmende Transportgas benötigt wird. Die Zufut ' des als Transportgas verwendeten Wasserstoffs in iüe Kammer 17 erfolgt über eine über eine Dichtu 21 angeschlossene Rohrleitung 20. die über eint η D'.Kchflußmesser 22 und ein Ventil 23 an eine für alle dr· ι Öfen gemeinsame Rohrleitung 24 angeschlossen

Auch Ofen 11 besteht aus einer Quarzkammer 25 nm einer Heizspule 26. Die Heizspule 26 ist in gleicht τ Weise wie Heizspule 18 des Ofens 10 an eine suuerbare Stromversorgung angeschlossen. Ein Vorr.T 27 von elementarem Tellur, vorzugsweise in f.r.em Quarzschiffchen angeordnete Tellur-Kügclchen, befindet sich in der von der Heizspule 26 versorgten Heizzone, wird verdampft und dem durch die Kammer 25 strömenden Transportgas zugeführt. Die Zufuhr des Transportgases zum Ofen 11 erfolgt über une Rohrleitung 28, die über eine Dichtung 29, einen Durchflußmesser 30 und ein Ventil 31 mit der gemeinsamen Rohrleitung 24 verbunden ist. Ofen 12 besteht aus einer als T-Stück ausgebildeten Quarzkammer 32. Ein Anschluß dieser Quärzkammer steht über eine Dichtung 33, eine Ronrleitung 34, einen Durchflußmesser 35 und ein Ventil 36 mit der gemeinsamen Rohrleitung 24 in Verbindung. Der andere Anschluß der Quarzkammer 32 ist an den Quecksilberbehälter 37 angeschlossen. Unter dem Einfluß der Schwerkraft wird dem Quecksilberbehälter 37 über eine Rohrleitung 40 von einem Vorratsbehälter 39 Quecksilber 38 zugeführt. Den Quecksilberbehälter 37 und den gesamten Bereich der Quarzkammer 32 umgibt eine Heizspule 41, die an eine geeignete, steuerbare Stromversorgung angeschlossen ist. Das Quecksilber wird bei bestimmter Temperatur und bestimmtem Druck verdampft und dem durch die Quarzkammer 32 strömenden Transportgas zugeführt. Las Verbindungsstück der Quarzkammer 32 zum Quecksilberbehälter 37 ist relativ lang, und die Windungen der Spule 41 sind so angeordnet, daß die Quecksilberdämpfe vor ihrer Zuführung zum Transportgas in geeignetem Maße vorerhitzt werden. Die Strömung des als Transportgas verwendeten Wasserstoffs wird beispielsweise über einen an die gemeinsame Rohrleitung 24 angeschlossenen Blasenzähler 42 zum Zwecke der Steuerung kontrolliert.

In bevorzugter Ausführungsform enthält der Ofen 14 eine zylindrische Quarzkammer 43. Diese befindet

sich in ihrer ganzen Länge in einer Heizspule 44, tiie an eine nicht dargestellte, steuerbare Stromversorgung angeschlossen ist. Auf diese Weise kann die Temperatur in der Mischkammer 43 unabhängig so eingestellt werden, daß eine zweckmäßige Kontrolle

ίο der zugeführten Komponenten sichergestellt ist. Wie insbesondere aus F i g. 2 zu ersehen ist, ist der Eingang 45 der Mischkammer 43 mit den Ausgängen der Quarzkammern 17, 25 und 32 der öfen 10, 11 und 12 verbunden. Um eine gute Vermischung und

gleichmäßige Verteilung der Einzelbestandteile im Wasserstoffstrom zu erzielen, sind in der Mischkammer 43 eine Reihe von Leitwanden 46 bis 49 ange bracht, die eine Verwirbelung -<er Gaskompontinten beim Verlassen der Mischkammer oewirken.

Im betrachteten Ausführungsbeispiel bestehen die Leiiwände aus vier an der Innenwand der Mischkammer J3 angeordneten Vorsprüngen; selbstverständlich sind hinsichtlich der Formgebung und Anzahl der Leitwände verschiedene Variationen möglich. Die Herstellung der Leitwände kann dadurch erfolgen, daß die Mischkammer zum Zwecke der Erweichung seiner Wandung erhitzt wird. Anschließend werden keilförmige Werkzeuge von außen in die Wandung eingedrückt, so daß sich bis zur Mittellinie der Mischkammer erstreckende Ausbuchtungen in der Kammer gebildet werden. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. stehen sich die Leitwände 46 und 47 in der Längsachse der Mischkammer etwas versetzt gegenüber. Die Leitwände 48 und 49 sind entsprechend ausgebildet, nur daß ihre Lage gegenüber den Leitwänden 46 und 47 um 90^c gedreht ist. Die Versetzung der Leitwände in Längsrichtung ist von der durchströmenden Ciasmenge abhängig, sie ist in jedem Falle so zu wählte, riuß eine vollkommene Vermischung und damit eine gleichmäßige Verteilung der Einzelbestandteile im Transportgas gewährleistet ist. Werden die Leitwände 46 bis 49 in der beschriebenen Weise hergestellt, so ist darauf zu achten, daß die oberen Kanten und ebenso die an der Wandung der Mischkammer gelegenen Teile sich diametral gegenüberliegen. Isc dies nicht der Fall, so verläuft ein Teil der Strömung unbeeinflußt um die Leitwände herum, und die angestrebte Vermischung ist nicht mehr gewährleistet.

Der Ofen 15 besteht aus einer zylindrischen Reaktionskammer 50 aus Quarz. Die Reaktionskammer ist von einem Paar koaxialer Heizspulen 51 und 52 umgeben. Die Reaktionskammer erthält eine in ihrer Lage relativ zu den Heizspulen verstellbare Aufnah-

mevorrichtung für das Substrat 58, auf dem eine epitaktische Schicht aufgewachsen werden soll. Die Reaktionskammer 50 ist vorteilhafterweise mit einem entfernbaren Abschlußteil 53 versehen, der eine zentrale öffnunf aufweist und mit dem restlichen Teil

der Reaktionskammer über eine Dichtung 54 verbunden ist. Die Aufnahmevorrichtung für das Substrat enthält eine zylindrische Säule 56, die durch die zentrale Öffnung im Abschlußteil 53 in die Reaktionskammer eingeführt ist. Zum Zweck der Abdichtung

sind zwischen Säule 56 und Abschlußteil 53 Ringe 57 eingelegt. Ein Substrat 58 wird beispielsweise durch einen Federbügel 59 auf der Aufnahmevorrichtung festgehalten. Als Kühlvorrichtung ist ein über einer

wird der Wasserstoffstrom mit Cadmium-

^ ^ ^. _{dcm dcr Aufwachs B cinselzt}.

spulen 51 und 52 J^^HSahi ⁵ Sobald sämtliche Systeme der Einrichtung in dieser

Steuermittel f?^¹?* ^c"· ^S, Aufwa^hspreSß er- Weise arbeiten, entsteht auf der Oberfläche des Sub-

wird dicAu^i^Ä^rdenAufwMrispr cinkristallinc, ternäre Epitaxieschicht.

5«rf^ertf™TJ^f"^^c;^£SM daßeieiii Nach einer bestimmten, von der gewünschten

dem .st ^d'^e ""«P^ulef R°_aSn_Skammer 50 ver- *, Epitaxieschicht abhängigen Betriebszeit werden die

der LangsmrhUing der R«"»ⁿ»^am™^er _{s )e 51} <£cn _{10 un}d 11 sowie der Ofen 14 und der Ofen 15

schiebbar ist. Wird die Spu,e 52 von aer ap _ausgcschaltet. Ofen 12 bleibt jedoch eingeschaltet, um

^^^SiS^SS^wi«! der in L Reaktionskammer 50 den Quecksilberdampf-

70. ^Ou™JJ™°™?3° beeinflußt, so daß druck aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise wird ver- ^™TrSmn^nseuung Trauf dem a_S hindert, daß nach Sperrung der Kühlmittelzufuhr zum

eine Steuerung der ™^m^^g_nΓ ermöglicht Kühlzylinder 60 Quecksilber aus der aufgewachsenen

Substrat 58 gebildeten Epitaxiescn.cni erm j, Epitaxieschicht verdampft. Ofen 12 wird so lange in

"vor der Durchführung eines.Aufwachsprozesses ξ^^^^¹^^^^

l.che ^*™¹^¹* °^ul^ äKktur ausge- schaltet und die Einrichtung geöffnet.

aK^rtuSSfiw^ Bei Anwendung dieser Verfahrensschritte lassen

t 58 muß po»^ε« uno gere | Epitaxieschichten aus HgCdTe bHden. Beispiels-

2?η«ι weise rind bei Verwendung von Wasserstoff als

S„^S^«^ü^Ädie«taitten ist. 35 Transportgas in einer Strömungsmenge von,60 cm* Der Shic Kristall 58 wird dann mit Hilfe des proMinute und bei einem Spalt70 von 1 cm folgende iederuSi 59 am Kopf der Säule 56 befestigt und Temperaturen emzustellen: durch die öffnung im Abschlußteil 53 in die Reaktionskammer SO eingeführt. In ähnlicher Weise (Cadmium) 305

^£lSnffi^*Z^ OfenllUr) .! 430

Öfen 10 und 11 gebracht. Der Ofen wird bis zur ge- Ofen 12 (Quecksilber) 310

wünschten Höhe mit Quecksilber 38 gefüllt. Ofen 14 (Mischzone) 850

Nach der Durchführung dieser Verfahrensschntte ^_{n lg (Hei} ,_{e 51) 800}

und vollkommener Abdichtung sämtlicher AnscMu«! 45 (Heizspule 52) 530

wird das System über das Ventil 69 bis zu einem be- ν Η

stimmten Unterdruck evakuiert, so daß oxydierende Substrat 480

Gase und Venmreinigiingen entfernt we^-J™¹¹ AFfSSSfter-S* 3. Es fa, d.ra„, WnZu-^_n, _M ei« Mtades,^-

a\c Snole67 enlzündcl wird. Zu diesem Zeil- Start-Temperatur eingehalten werden muß, um em

«ird Ventil 69 wieder geschlossen. Nunmehr dnkristaffines Wachstum zu gewährleisten. Sinkt bei

b Atzung des Substrats 58 durch- den oben angeführten Ofentemperaturen die Substrat-

Ät d^ Oberfläche zusätzlich zu lemperalnr wesentlich unter den Wert von 450« C. ηΧπ-η Utes kann mit der Hinrichtung gemäß 55 so kann bereits cm unregelmäßiges KnstaHwachstum

V Ϊ \ daduieh erfolgen daß der Ofen 15, der Ofen erasetan. Die stöchiometrische Zusammensetzung

14 und die öfen 10 und 12 eingeschaltet werden. der Epitaxieschicht kann dadurch kontrolliert werden,

O'en 11 whd dabei nicht eingeschaltet. Die Spule 52 daß die Temperatur und damit der Überdruck im

wird an die Spule51 hcranbewegt, so daß zwischen Cadmium enthaltenden Ofenl« festgehalten und beiden kein Spalt 70 vorhanden ist. Nunmehr werden 60 dann die Menge des im Gasstrom enthaltenen Tellurs

die öfen auf eine geeignete Temperatur eingestellt variiert wird. Sind die Anteile von Tellur und Cad-

und diese so lange aufrechterhalten, bis das Substrat ramm infolge der relativ geringen Substrattempe-

58 eine spiegelnde Oberfläche erhält, was durch das ratur gleich groß, so würde CdTe entstehen, und es

Sk-htfcnstcr 63 zu beobachten ist. wä^{rc nur} w™'g ^TeH^ar ^r «^me Reaktion mit Queck-Nach diesem Vcrfahrensschritt wird die Heizspule 65 silber vorhanden. Wird mehr Tellur als vorhandenes

52 entlang der Reaktionskammer von der Heizspule Cadmium zugeführt, so ist einiges Tellur für eine Re-

51 wtebcwcgl, so daß der angestrebte Spalt 70 auf- aktton mit Quecksilber frei, und es wird Quecksilber

tritt Die Heizspulen 51 und 52 werden erregt und der in die wachsende Kristallstruktur eingebaut, ist die

7 " 8

Subslratlempcratur ausreichend niedrig, so reicht die Einzelbestandteilc auf, und sie kondensieren auf der Übersättigung von Tellur und Quecksilber in der Gas- Oberfläche des Substrats, da sie dieser sehr nahe sind, phase aus, um eine vollkommene Reaktion auf dem Wie sich weiterhin aus Fig. 3 ergibt, verlaufen die Substrat herbeizuführen. Unter den beschriebenen Linien gleicher Temperatur oberhalb der Oberfläche Bedingungen beeinflußt ein Anheben der Subtrattem- 5 des Substrats 58 im wesentlichen parallel zur Obcrpera'rr um 20 bis 50° C zwar nicht die Tellur-Cad- fläche, die bevorzugterweise eben ist und eine gleichr I mium-Rcaktion, aber es wird die Menge des im förmige Temperatur annimmt. Da das Wachstum eine r I wachsenden Kristall chemisch reagierenden Queck- Funktion der Substrattemperatur ist, sichert eine über silbers verändert. Die chemische Zusammensetzung die Substratoberfläche gleichförmig verlaufende Temkann demnach dadurch gesteuert werden, daß das io peratur die Gleichförmigkeit der Zusammensetzung Mengenverhältnis der Bestandteile in der Gasphase der gebildeten Oberflächenschicht. Die beschriebenen eingestellt wird und daß die Substrattemperatur kon- Temperaturprofile sind durch Einstellung des im Betrollicrt wird. ^re'^cn der Substratoberfläche gelegenen Spaltes 70 zwi-Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufwachsen sehen den beiden Heizspulen 51 und 52 erzielbar, ternärer Epitaxieschichten von Quecksilbercadmium- 15 Wäre die Reaktionskammer lediglich von einer eintellurid macht es erforderlich, daß so nahe wie mög- zigen Heizspule umgeben, sw würde sich ein Tempelich am Substrat ein außerordentlich steil verlau- raturprofi! mit gekrümmtem Verlauf der Isothermen fender Temperaturgradient erzeugt wird. Das Substrat ergeben. Damit würde sich quer über die Oberfläche muß auf eine bestimmte minimale Temperatur abge- des Substrats ein Temperaturgradient einstellen, so kühlt werden und gleichzeitig so dicht wie möglich an ao daß die Zusammensetzung der Epitaxieschicht untcrdie Misch temperatur herangebracht werden. Auf diese schiedlich wäre. Aus einer derartigen Epitaxieschicht Weise wird eine Verarmung an Cadmium und Tellur herausgeschnittene Teile weisen somit unterschieddurch spontane Kristallisationskernbildung vor dem liehe Halbleitereigenschaften auf, so daß ihrer Ver-Erreichen des Substrats verhindert. Ein Beispiel eines Wendung wesentliche Probleme entgegenstehen. Tempcraturprofils bei einer Spaltbreite von 1 cm, von as Durch Anwendung eines erfindungsgemäß eingeden Heizspulen 51 und 52 bewirkten Temperaturen stellten Spaltes zwischen zwei die Reaktionskammer von 800 und 530⁰C, einer Substrattemperatur von umgebenden Heizspulen lassen sich die Linien kon-48P"" C und bei einer Durchflußmenge von 30 cm^s stanter Temperatur so verflachen, daß aus einer einpro Minute ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Die zigen Epitaxieschicht eine Vielzahl von Kristallen geKurve 71 zeigt den Temperaturveriauf entlang der 30 schnitten werden kann, die im wesentlichen gieichc Mittellinie der Reaktionskammer 50 in der Heizzone Halbleitereigenschaften aufweisen, der Spule 51 bis zur Oberfläche des Substrats 58. Wie Im betrachteten Ausführungsbeispiel wurde CdTe dargestellt, fällt die Temperatur der Gasmischung in- als Substrat verwendet. In entsprechender Weise nerhalb einer Strecke von etwa 1 bis etwa 0,5 cm vor lassen sich auch Materialien wie PbTe und SnTe verder Substratoberfläche von über 600 auf unter 35 wenden. Als Transportgas kann außer Wasserstoff 500⁰C Beim Passieren dieses steilen Temperatur- auch Argon oder Mischungen von Argon und Wassergradienten tritt eine Übersättigung der Dämpfe der stoff verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Stoffe dienen als Transportmittel für die elementaren Patentansprüche: Bestandteile, aus denen die Kristalle erzeugt werden. Dabei tritt unter anderem der Nachteil auf, daß die

1. Verfahren zum Züchten einer Schicht aus gebildeten Epitaxieschichten Anteile des verwendeten Quecksilbercadmiumtellurid auf einem Substrat, 5 Halogens enthalten, so daß die Kristallstruktur gebei dem ein Quecksilber, Cadmium und Tellur stört wird.

enthaltender Dampf gebildet und mit dem in Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Methode

einem Temperaturgefälle angeordneten Substrat ,um Züchten einer Schicht aus Quecksilbercadnrum-

in Berührung gebracht wird, dadurch ge- tellurid anzugeben, die über eine relativ große Fläche

kennzeichnet, daß der Dampf im Gemisch io gleiche Zusammensetzung und Gitterstruktur auf-

mit einem inerten Transportgas angewandt und weist, wobei nur relativ niedrige Drücke und Tempe-

auf eine binäre Verbindungen unterbindende raturen erforderlich sind und keine disproportionie-

Temperatur erhitzt wird und daß das Temperatur- rendcn Stoffe verwendet werden müssen,

gefälle bei der Abscheidung so aufrechterhalten Diebe Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

wird, daß es in unmittelbarer Nähe der Substrat- 15 gelöst, daß der Dampf im Gemisch mit einem inerten

oberfläche steil verläuft und parallel zu dieser Transportgas angewandt und auf eine binäre Verbin-

veriaufende Linien gleicher Temperatur aufweist. düngen unterbindende Temperatur erhitzt wird und

2. Verfahren rvch Anspruch 1, dadurch ge- daß das Temperaturgefälle bei der Abscheidung so kennzeichnet, daß das Dampfgemisch so gebildet aufrechterhalten wird, daß es in unmittelbarer Nähe wird, daß zunächst die Dämpfe der verschiedenen 30 der Substratoberfläche steil verläuft und parallel zu Elemente einzeln getrennten Transportgasströmen dieser verlaufende Linien gleicher Temperatur auizugesetzt werden und diese Ströme in einer Misch- weist.

kammer bis zur gleichmäßigen Verteilung der Vorteilhaft wird das Verfahren dadurch, daß da-

Elemente im Transportgas gemischt werden. Dampfgemisch so gebildet wird, daß zunächst die

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2. 25 Dämpfe der verschiedenen Elemente einzeln getrenn dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente in ge- ten Transportgasströmen zugesetzt werden und diese trennten, von Transportgas durchströmten Öfen Ströme in einer Mischkammer bis zur gleichmäßige verdampft werden. Verteilung der Elemente im Transportgas gemisch