DE19747996C1 - Verfahren zur epitaktischen Herstellung von semiisolierenden III-V Verbindungshalbleitern - Google Patents
Verfahren zur epitaktischen Herstellung von semiisolierenden III-V VerbindungshalbleiternInfo
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Description
Semiisolierende, d. h. intrinsisch leitende, III-V Verbindungshalbleiter, wie z. B. InP,
werden derzeit zum Teil durch Dotierung mit Fe hergestellt und dienen als Substrat
material oder zum Überwachsen von Bauelementstrukturen sowie für Bauelement
schichten. Dabei besitzt Fe im allgemeinen einen hohen Diffusionskoeffizienten,
welcher speziell in Verbindung und in Kontakt mit p-Typ Schichten stark erhöht ist
[Wol94]. Ferner ist durch die Fe-Dotierung nur eine Kompensation von Elektronen
gewährleistet, was die Anwendungsmöglichkeiten einschränkt. Alternativen zur Fe-
Dotierung von InP gibt es zur Zeit nicht. Dotierung mit Ti, einem tiefen Donator,
führt nur zur Kompensation von Akzeptoren [Den86]. Dotierung mit Cu oder Cl
[Gar95, Leo92] führt zur Clusterbildung jedoch nicht zur Ausbildung von in der Nähe
der Bandkante liegenden tiefen Energieniveaus. Versuchen, semiisolierende InP-
Einkristalle durch die Dotierung mit in der Regel weniger diffusiven 4d- oder 5d-
Übergangsmetallen herzustellen, waren bisher erfolglos. Bei der Kristallherstellung
mit dem LEC- oder dem GF-Verfahren bilden sich meist Übergangsmetall-Phosphor
Ausscheidungen, und es kann auch keine eindeutig mit der Dotierung korrelierte
Absenkung der Ladungsträgerkonzentration beobachtet werden [Coc85, Bre87].
Neuere Versuche, mittels MOCVD 4d- und 5d-Übergangsmetalle zu dotieren,
ergeben bei Ru, Os und Rh Dotierung elektrisch aktive Konzentrationen über
1×1015 cm⁻3. Bei der Rh-Dotierung zeigt sich eine deutliche Erhöhung der elektrisch
aktiven Konzentration durch Verwendung von Stickstoffträgergas [Dad97].
Von großer Bedeutung für die Hochintegration von elektronischen und opto
elektronischen Bauelementen (z. B. Transistoren, Photodioden, Halbleiterlasern, etc.)
ist das Vorhandensein hochohmiger, kapazitätsarmer Schichten, um Bauelemente
elektrisch voneinander zu isolieren, ohne durch einen zusätzlichen Kapazitätsbeitrag
negativen Einfluß auf die Hochfrequenzeigenschaften zu nehmen.
Das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren beruht auf der Dotierung von III-V
Verbindungshalbleitern in Epitaxieverfahren, wie z. B. der MOCVD oder der MOMBE,
mit Ru zur Erzielung hochohmiger Schichten, wobei als Gruppe-V Ausgangsstoff ein
Precursor mit weniger als drei direkt am Gruppe-V Element gebundenen Wasserstoff
atomen eingesetzt wird. Zur Ru-Dotierung in diesen Verfahren ist meist der Einsatz
einer flüchtigen Rutheniumverbindung, wie der in Unteranspruch 3 genannten metall
organischen Rutheniumverbindung Bis(ν5-2,4-dimethylpentadienyl)ruthenium(II),
notwendig. Die in diesen Verfahren mit Ru dotierten Schichten sind im Gegensatz zur
Dotierung mit Fe oder Ti hochohmig sowohl bei Elektronen als auch bei
Löcherinjektion. Die spezifischen Widerstände solcher Ru dotierter Schichten mit
einer Ru-Konzentration über 1×1017cm⁻3 liegen bei Elektroneninjektion bei 1×106 Ωcm
und bei Löcherinjektion über 5×108 Ωcm. Ruthenium als Dotand besitzt darüber
hinaus einen um ca. 4 Größenordnungen geringeren Diffusionskoeffizienten als Fe
und führt daher nicht zur bei Fe beobachteten äußerst unerwünschten Eindiffusion in
Bauelementstrukturen. Die rutheniumdotierten Schichten können sowohl als
isolierende Schicht zwischen, über oder unter Bauelementen als auch als aktive Bau
elementschicht, z. B. für MSM- oder PIN-Photodetektoren, verwendet werden.
Der angegebene Unteranspruch 4 stellt eine Ausführungsmöglichkeit des in Patent
anspruch 1 angegebenen Verfahrens mit Herstellungsmethoden, wie z. B. der MOCVD
oder der MOMBE, dar. Hier werden als Ausgangsstoffe für die Gruppe-V Elemente
meist Hydride wie PH3 oder AsH3 verwendet. Durch den Einsatz von sogenannten
"alternativen Precursorn", wie TBP oder TBAs bzw. DTBP oder DTBAs, kann die
elektrisch aktive Konzentration an tiefen rutheniuminduzierten Störstellen wesentlich
erhöht werden, wodurch sich die semiisolierenden Eigenschaften des Materials
verbessern.
Der Unteranspruch 2 betrifft alle Herstellungsprozesse, in denen ein Trägergas zum
Transport der Ausgangsmaterialien zum Substrat verwendet wird. Durch ein inertes
Trägergas anstelle von z. B. H2 kann eine Erhöhung der elektrisch aktiven ruthenium
induzierten Störstellenkonzentration erreicht und die Semiisolierung verbessert
werden.
AsH3
: Arsenwasserstoff (Arsin)
Cl: Chlor
Cu: Kupfer
DTBAs: Ditertiärbutylarsin, (C4
Cl: Chlor
Cu: Kupfer
DTBAs: Ditertiärbutylarsin, (C4
H9
)2
AsH
DTBP: Ditertiärbutylphosphin (C4
DTBP: Ditertiärbutylphosphin (C4
H9
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PH
Fe: Eisen
GF: Gradient-Freeze
InP: Indium-Phosphid
Inx
Fe: Eisen
GF: Gradient-Freeze
InP: Indium-Phosphid
Inx
Ga1-x
As: Indium-Gallium-Arsenid
LEC: Liquid-Encapsulated-Czochralski
MOCVD: Metal Organic Chemical Vaporphase Deposition (Metallorganische Gasphasenepitaxie)
MOMBE: Metal Organic Molecular Beam Epitaxy (Metallorganische Molekularstrahlepitaxie)
MSM-Photodetektoren: Metal Semiconductor Metal-Photodetektoren
Os: Osmium
PH3
LEC: Liquid-Encapsulated-Czochralski
MOCVD: Metal Organic Chemical Vaporphase Deposition (Metallorganische Gasphasenepitaxie)
MOMBE: Metal Organic Molecular Beam Epitaxy (Metallorganische Molekularstrahlepitaxie)
MSM-Photodetektoren: Metal Semiconductor Metal-Photodetektoren
Os: Osmium
PH3
: Phosphorwasserstoff (Phosphin)
PIN-Photodetektoren: Photodetektoren einer Abfolge von p-Typ, intrinsisch leitendem (semiisolierendem) und n-Typ Halbleitermaterial
Rh: Rhodium
Ru: Ruthenium
TBAs: Tertiärbutylarsin, (C4
PIN-Photodetektoren: Photodetektoren einer Abfolge von p-Typ, intrinsisch leitendem (semiisolierendem) und n-Typ Halbleitermaterial
Rh: Rhodium
Ru: Ruthenium
TBAs: Tertiärbutylarsin, (C4
H9
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TBP: Tertiärbutylphosphin, (C4
H9
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Ti: Titan
[Bre87] G. Bremond, A. Nouailhat, G. Guillot, Y. Toudic, B. Lambert, M.
Gauneau, R. Coquille, and B. Deveaud, Semicond. Sci. Technol. 2, 772
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[Den86] US 4774554.
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[Leo92] R.P. Leon, M. Kaminska, Kin Man Yu, and E.R. Weber, Phys. Rev. B 46, 12460 (1992).
[Wol94] T. Wolf, T. Zinke, A. Krost, H. Scheffler, H. Ullrich, P. Harde, and D. Bimberg, J. Appl. Phys. 75, 3870 (1994).
[Coc85] B. Cockayne, W.R. MacEwan, I.R. Harris, and N.A. Smith, J. of Mat. Sci. Lett. 4, 704 (1985).
[Dad97] A. Dadgar, L. Köhne, J. Y. Hyeon, T. Grundemann, O. Stenzel, M. Straßburg, M. Kuttler, R. Heitz, D. Bimberg, and H. Schumann, J. Cryst. Growth 170, 173 (1997).
[Den86] US 4774554.
[Gar95] N.F. Gardner, Q.J Hartmann, J.E. Baker, and G.E. Stillman, Appl. Phys. Lett. 67, 3004 (1995).
[Leo92] R.P. Leon, M. Kaminska, Kin Man Yu, and E.R. Weber, Phys. Rev. B 46, 12460 (1992).
[Wol94] T. Wolf, T. Zinke, A. Krost, H. Scheffler, H. Ullrich, P. Harde, and D. Bimberg, J. Appl. Phys. 75, 3870 (1994).
Claims (4)
1. Verfahren zur epitaktischen Herstellung von semiisolierenden III-V Verbindungs
halbleitern, bei dem der Halbleiter mit Ruthenium dotiert wird,
gekennzeichnet durch Verwendung von Gruppe-V Ausgangsstoffen mit weniger
als drei direkt am Gruppe-V Element des Precursors gebundenen
Wasserstoffatomen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch Verwendung von Inertgas als Trägergas.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet
durch Verwendung von Bis(η5-2,4-dimethylpentadienyl)ruthenium(II) als
Ruthenium-Ausgangsstoff.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
gekennzeichnet
durch Verwendung von Tertiärbutylphosphin, Tertiärbutylarsin, Ditertiärbutyl
phosphin oder Ditertiärbutylarsin als Gruppe-V Ausgangsstoff.
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