DE2005271A1

DE2005271A1 - Verfahren zur Vermeidung von Selbstdiffusionsvorgängen durch Ausdiffusion von Störstellensubstanzen aus dem Substrat bbei der Durchführung von epitaktischen ZUchtungsprozessen

Info

Publication number: DE2005271A1
Application number: DE19702005271
Authority: DE
Inventors: Edward Stanley Poughkeepsie N.Y. Wajda (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-02-27
Filing date: 1970-02-05
Publication date: 1970-09-10
Also published as: DE2005271B2; FR2032448A1; US3660180A; FR2032448B1; DE2005271C3; GB1234179A; JPS49386B1

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 29. Januar 1970 si/du

Anmelderin: International Business l-lachines

Corporation, Armonk, U.Y. 10504

Ämtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket FI 968 084

Verfahren zur Vermeidung von Selbstdiffusionsvorgängen durch Ausdiffusion von Störstellensubstanzen aus dem Substrat bei der Durchführung von epitaktischen Züchtungot-^ozessen

Bei üer Herstellung von Halbleitervorrichtungen, insbesondere von monolithisch integrierten Strukturen werden in starfcfem Ausmaße Verfahren zur Herstellung von epitaktischen Halbleiterschichten benutzt, bei deren Durchführung die Ausdehnung des Halbleitersubstrates durch erheblichen Materialtransport meist wesentlich erweitert wird und oft spurenweise Donator- oder Akzeptorsubstanzen zur Eingliederung von Prt-übergängen zugesetzt werden. Die Bildung derartiger Übergänge geht im wesentlichen in der Art vonstatten, daß eine Schicht aus Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps auf ein Halbleitersubstrat des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps epitaktisch, d.h,

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kompatibel mit dessen kristallographischer Struktur aufgebracht wird. Bei allen Verfahren der genannten Art spielen Diffusionsvorgänge eine wesentliche Rolle.

Bei epitaktischen Uiederschlagsprozessen, wie sie bei lierstellungs· prozessen für Halbleiterbauelemente und monolithische Strukturen vorkommen, wird das rlaterial auf ein monokristallines Substrat aufgebracht, wobei beide Schichten im kristailographischen Sinne einander ähnlich sind, so daß sich bei der Aufbringung monokristalline Schichten bilaen, d.h. Schichten deren Struktur und kristalline Orientierung festgelegt ist durch diejenige des Substrates, i^ine typische Anwendung derartiger epitaktischer i,iederschlagsprozesse betrifft die Herstellung einer Siliziumschicht auf einem Siliziuiasubstrat welches allgemein als Halbleiterplättchen oder Wafer bezeicanet wird. Hierzu wird z.B. ein chemisches Reduktionsverfahren, beispielsweise unter Benutzung der Reduktion von Siliziuintetrachlorid durch Wasserstoff benutzt. Dieser Prozeß kann in einer Atmosphäre durchgeführt werden, die bei Dedarf eine bestimmte Dotiersubstanz enthält, die einen aefinierten Leitfähigkeitstyp erzeugt. Als Dotiersubstanz können z.B. Phosphor, Bor, Arsen, usw. benutzt werden, je nachdem, welcher Leitfähigkeitstyp jeweils gewünscht wird.

Wird z.B. eine epitaktische Schicht aus P-leitendem Silizium gewünscht, so benutzt man eine Borverbindung, beispielsweise

Bjr (Diboran) oder BBr₀ (Bortribromid) welches der Atmosphäre 2 6 J

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zugesetzt wird, in welcher der Aufvachsprozeß durchgeführt vzerden soll. Meist erfolgt eine vorherige -iischung mit äera reduzierten Gas z.jp. mit wasserstoff, wobei die genannten Substanzen als «.kzei torstörstoffe wirken, wird umgekehrt eine Ij-ieitende epitaktische Schient gewünscht, so kann man Arsen- oder Phosphorverbindungen in die Atmosphäre einbringen, in der dar epitaktische x^aifvacnsprozeß durchgeführt wird. Hierzu geeignete Substanzen sind z.B. As«., (Arsin) oder PJtI_ (Phosphin). Ira. allgemeinen jedoch üixiu epitaktische Lüchtungsverfahren auch auf andere i,:albleiterinaterialien, eingeschlossen Germanium und die Halbleitersubstanzen eier Ill-V-Verbindungen, wie beispielsweise Galliumphosphid und Galliumarsenid anwendbar.

Lei einem typischen epitaktischen iiiederschlagsprozeß ruht das als Substrat dienende Siliziurapläfctchen auf einer Unterlage, die in einem röhrenförmigen Reaktionsgefäß aus Quarz befestigt ist, in aera das Halbleiterplättchen aufgeheizt wird. Die Auf heizung erfolgt aurca Wärmeleitung aus der Unterlage heraus, die selbst mittels iiochtrequenzenergie aufgeheizt wird. 3ei Arbeitstemperaturen von etwa 1150 C wird dampfförmiges Siliziumtetrachlorid durch das Reaktionsrohr hindurchgeführt, wobei als reduzierendes Gas Wasserstoff benutzt wird, welches eine geeignete i'ienge an Stör stoff en, wie PH ,. B^II₆, ^AsII3 ^usw· enthalten kann. Bei den Arbeitstemperaturen wira das Siliziumtetrachlorid durch aas Wasserstoffgas reduziert, v/odurch sich in der Nähe der Oberfläche des Substrates Silizium epitaktisch ausscheidet, was entweder in Form von reinem n„ ro, 009837/1896

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oder mit Störstellen versetztem Material stattfindet.

Die Durchführung derartiger epitaktischer Niederschlagsprozesse bei den genannten erhöhten Temperaturen etwa in der Gegend von 115O°C weisen aber einige Wachteile auf/ worüber Näheres z.B. aus dem US-Patent 3 189 4 94 zu ersehen ist. Eines der hierbei auftretenden Probleme wird allgemein als Selbstdiffusion bezeichnet und tritt hauptsächlich auf bei epitaktischen Prozessen, bei denen dampfförmige Stoffe über Halbleitersubstrate hinweggeführt werden, die ihrerseits sehr starke Störstellenkonzentrationen besitzen, wobei die Nachteile besonders störend dann zu Tage treten, wenn die zu zersetzenden Dämpfe selbst einen nur verhältnismäßig geringen Anteil an Dotiersubstanzen aufweisen. Bei den oben genannten erhöhten Temperaturen ergibt sich eine Aus- bzw. *<ückdiffusion der Dotierstoffe aus dem stark dotierten Substrat in uie zur Durchführung des epitaktischen Prozesses darüberhinwegströmenden Atmosphäre, wodurch deren Zusammensetzung in unerwünschter Weise geändert wird. Durch dieses Phänomen ergeben sich unerwünschte /abweichungen von den an sich gewünschten ijalbleitereigenschaften (Widerstandswerte usw.) und in extremen Fällen kann sogar eine Umkehr des Leitfahigkeitstyps im Substrat und in der epitaktischen Schicht selbst eintreten. Wird ein Gasstrom zur epitaktischen üuchtuny benutzt, so wird uieser in progressiver Vveise mit ötorstellenatomen angereichert unu zwar in dem Maj?e, wie diese aus uer in dem Substrat enthaltenen Dotiersubstanz ausdiffundieren, Hierbei ergibt sich eine stärkere Dotierung der epitaktischen

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iMiederschläge in Richtung des Gasstromes, so daß bei den fertiggestellten Produkten nicht mehr vertretbare Variationen der Kaltleiter- bzw. Bauelementeeigenschaften, insbesondere der spezifischen Leitfähigkeiten auftreten.

In denjenigen Fällen, in denen die epitaktische aufgezüchtete Schicht und das Substrat vorn einen der entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sein sollten, ist aufgrund des oben beschriebenen üusdiffusionsvorganges sowohl mit einer Kompensation des spezifischen Widerstandes als auch im Extremfall mit einer Umkehr des Leitfähigkeitstyps zu rechnen.

Die genannten Schwierigkeiten wiegen besonders schwer bei einem Substrat, in welchem bereits P- und/oder N-leitende Zonen eingebettet sind, da eine auf diese aufgezüchtete epitaktische Schicht besonders starken ungewollten Veränderungen ausgesetzt ist. Hierbei kann eine Kompensation durch Selbstdiffusion erfolgen und zwar ist die Wahrscheinlichkeit hierfür in der ersten Zeit des epitaktischen Aufwachsvorganges besonders hoch. In der genannten Aufwachsperiode können unerwünschte unkontrollierte Schichten entstehen, innerhalb derer sowohl die gewünschte Geometrie der Zonen als auch die üotierungskonzentrationen und die epitaktischen Aufwacheraten außer Kontrolle geraten können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches es gestattet, epitaktische Schichten so Docket Pi 968 084 0 0 9 8 3 7/1896

auf Ilalbleitersubstrate aufzubringen, daß die obengenannten Nachteile, die im wesentlichen auf einer ungewünschten Ausdiffusion von Dotierungssubstanzen aus dem zu beschichtenden Halbleitersubstrat bestehen, vermieden v/erden. Insbesonderes soll das Verfahren auch gestatten, ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps in unkontrollierter Weise mit einer epitaktischen Schicht des entgegengesetzten Leitfahigkeitstypes zu versehen.

Das die genannte Aufgabe lösende Verfahren besteht im wesentlichen aus der Kombination zweier an sich in der Halbleiterprozeßtechnik bekannter Verfahren und ist dadurch gekennzeichnet, daß im Räumen einer bekannten Prozeßführung auf das integrierte Schaltstrukturen mit unterschiedlichen Stürstellenkonzentrationen enthaltende Substrat eine erste, verhältnismäßig dünne monokristalline zusananenhängende Schicht aus eigenleitenaem oder nur schwach fremdleitendem Halbleitermaterial epitaktisch aufgebracht wird und daß auf diese erste Schicht eine zweite, stärkere Halbleiterschicht wiederum epitaktisch bezüglich der ersten Schicht aufgebracht wird.

Einzelheiten des Verfahrens nach der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Fign. 1 bis 4 hervor. Diese Figuren stellen Querschnitte durch eine als Ausführungsbeispiel gewählte Halbleiterkonfiguration nach Vollendung verschiedener Verfahrensschritte dar.

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IVie aus den Figuren hervorgeht, ist als Ausführungsbeispiel ein ü-dotiertes Substrat 1 gewählt/ welches zwei eingebettete dotierte Zonen 2 und 3 enthält, die ihrerseits N - und P⁺-leitend sind. In Fig. 1 ist das monokristalline Substrat 1 aus Silizium gezeigt, welches eine Dicke von etwa 200 u besitzt, und das in konventioneller weise so mit einer N-Leitfähigkeit erzeugenden Dotiersubstanz behandelt ist, daß sich ein spezifischer Widerstand von mindestens ϋ,1ιΩ<· cm einstellt. In vielen Fällen wird auch eine spezifische Leitfähigkeit zwischen etwa 0*005 bis 0,0IuDj* cm gewählt. Die Lingliederung der stark dotierten Zonen 1 und 2 geschieht mittels bekannter Diffusionsverfahren. Die Strukturgebung der eingebetten Zonen erfolgt durch Benutzung wohlbekannter Maskierungsverfahren unter Verwendung einer zur gewünschten Leitfähigkeit führenden Dotiersubstanz, wie Arsen oder Phosphor. Kit diesen Substanzen können auch hohe Dotierungskonzentrationen er-

20 zielt werden, die normalerweise in dem Bereich von etwa 1 · 10 Atone/cm³ bis etwa 1Ö * 10 Atome/dir* liegen. Hierdurch ergibt sich ein verhältnismäßig niedriger spezifischer Widerstand im Bereich von etwa & · 1O~⁴ bis 3 · ΙΟ""⁴ ιΠι · cm. I'.'ie aus der Fig. ersichtlica, ist die Zone 2 von gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat 1. Durch die unterschiedliche Dotierung ergibt sich so ein w⁺-ii-übergang 4, eine Konfiguration, die in monolithischen oder integrierten Schaltungen auch zur Verbesserung der übergangsleitfUhigkeiten in Kontaktierunyszonen benutzt wird. Die P⁺-?,one 3, welche ainen j'⁺.i-übergang 5 bildet, kann ebenfalls unter liuhilfeiiahi'tt.i bekannter iiaskierungsvarfahren durcii Diffusion erstellt

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werden, wobei eine Dotiersubstanz benutzt wird, die zum P-Leitfähigkeitstyp führt/ beispielsv/eise Eor, mit deia ebenfalls verhältnismäßig leicht hohe Dotierungskonzentrationen erzielbar sind, die sich im gebiet von etwa 2 · 10 Atome/cm erstrecken, wodurch sich wiederum eine verhältnismäßig geringe spezifische Leitfähigkeit im Bereich von etwa 7 · lo""* «_TL · cm ergibt. Die P⁺-Leitfähigkeit der Zone 3 ist dem Leitfähigkeitstyp des Substrats entgegengesetzt/ eine !Configuration, die in integrierten Schaltungen vielfach auch zur Realisierung von kapazitäten benutzt wird. Die letzte Bemerkung wurde zur iSrlauterung der allgemeinen Anwendbarkeit des Erfinäungsgedankens innerhalb der integrierten Ilalbleitertechnik gemacht. Line weitere Änwendungsmoglichkeit bestünde beispielsweise darin, daß das Substrat keine der beiden eingebetteten gut leitenden Zonen 2 und 3 besitzt und daß lediglich die Aufgabe gestellt ist, das Substrat 1 mit einer epitaktischen Schicht 6 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu überziehen und so insgesamt einen PN-Übergang herzustellen. Weiterhin wäre auch der Fall denkbar, daß nur eine der beiden Zonen 2 oder 3 vor Aufbringung der epitaktischen Schicht 7 vorhanden ist. In jedem Fall jedoch handelt es sich um die epitaktische Aufbringung von dotierten Halbleitermaterialien auf ein ebenfalls dotiertes Substrat.

Im nächsten Verfahrensschritt, der in Fig. 3 gezeigt ist, wird eine dünne Schicht aus Silizium, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise eine Dotierung auf die Oberfläche des Substrats

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unter Benutzung von wohlbekannten Kathodenzerstäubungsverfahren aufgebracht. Derartige Verfahren sind z.B. im US-Patent 3021 271 beschrieben. Ls ergibt sich die Schicht 6 mit einem verhältnismäßig hohen spezifischen V7iderstand und mit einer monokristallinen Struktur in einer Orientierung, welche die kristallographische Fortsetzung der Struktur und der Orientierung des Substrats 1 darstellt. Das speziell zur Aufbringung dieser Schicht benutzte Verfahren ist nicht kritisch, so daß man ohne weiteres die im obengenannten Patent genannten Maßnahmen anwenden kann. Im allgemeinen wird man, wie dort beschrieben, sowohl das Siliziumsubstrat 1 der Fig. 2 als auch die Siliziumquelle innerhalb der Kathodenzerstäubungsapparatur vor der eigentlichen Durchführung des Aufstäubens einem Ionenbeschuß aussetzen, um verunreinigende Substanzen auf der Oberfläche der benutzen Materialien zu beseitigen. Anschließend wird die eigentliche Kathodenzerstäubung bei Temperaturen in der Größenordnung von 3OO°C bis 5OO°C durchgeführt. Andererseits kann die dünne Schicht 6 mit hohem spezifischen Widerstand auch unter Zusatz einer Dotiersubstanz, beispielsweise von Bor, erzeugt werden, wobei die StorStellenkonzentrationen sich im Bereich von etwa 2 · 10 ⁴ bis 1 * 10 ^ Atome/cm³ bewegt. Dieses entspricht spezifischen Widerständen in der Größenordnung von 100 <-Qj · cm bis IlOj · cm. Diese Werte liegen wesentlich höher als es für den spezifischen Widerstand der P⁺-leitenden Zone 3 der Fall ist. In ähnlicher Weise können natürlich auch Dotierungsaubstanzen benutzt v/erden, die zum N-Leitfähigkeitstyp führen.

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Vorzugsweise wird eine verhältnisraäßig kleine Dickenabmessung der aufgestäubten P-leitenden Schicht/ normalerweise in einem Bereich von etwa lOüO bis 5000 A gewählt. Us hat sich herausgestellt, daß bereits derartig dünne, durch Kathodenzerstäubung aufgebrachte epitaktische Schichten während anschließend durchgeführter epitaktischer Niederschlagsprozesse wirkungsvoll eine Ausdiffusion von Dotierungssubstanzen aus dem Substrat zu verhindern vermögen, ein Sachverhalt, der in Anbetracht der verhältnisraäßig geringen mit Kathodenzerstäubungsverfahren erreichbaren Aufwachsraten (etwa 0,5 u pro Stunde) als besonders günstig zu betrachten ist. Die optimal einzuhaltende Dicke der aufzustäubenden Schicht hängt natürlich ab von der Oberflächengröße der eingebetteten Ii - und P⁺-leitenden Zonen 2 und 3, von ihrem gegenseitigen Abstand, ihren relativen Störstellenkonzentrationen sowie von der Störstellenkonzentration des Substrates 1. Im allgemeinen ziehen größere dotierte Flächenbereiche auch einen größeren, durch Ausdiffusion bewirkten selbstdotierenden Effekt nach sich. Dasselbe gilt von näher beieinandergelegenen eingebetteten dotierten Zonen, insbesondere, wenn sie höhere Dotierungskonzentrationen aufweisen.

Die Durchführung des Niederschlagsverfahrens der P~-leitenden Schicht 6 durch Aufstäuben bei niederen Temperaturen vermindert wirkungsvoll die Auediffusion von Störstellensubstanzen aus dem Substrat, eine Tatsache, die angesichts der exponentiellen Abhängigkeit der Diffusionsraten von der Diffusionstemperatur nicht

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veiter verwundert. Da dia uathodenaufstäubung nicht in der gleichen Atmosphäre wie die anschließenden epitaktischen Prozesse durchgeführt wiru, besteht das Problem der Verunreinigung durch Selbstdotierunc/ für die aufgestäubte Schicht nicht.

Im anschließenden Verfahrensschritt/ der in Fig. 4 erläutert ist, wire auf die durch Kathodenzerstäubung aufgebrachte dünne P leitende schicht 6 eine v/eitere P~-leitende bchicht 7 epitaktisch «.ufcjebraCiit, die im wesentlichen die gleiche Störstellenkonzentration und damit etwa den gleichen spezifischen V/iderstand aufweist, wie die darunterliegende aufgestäubte Schicht.

Das speziell zur Aufzüchtung der epitaktischen Schicht benutzte Verfahren ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht kritisch und üs kann irgendeines der bekannten Verfahren benutzt v/erden. Typischerweise werden beim Ausführungsbeispiel die Substrate auf eine Graphitunterlage aufgebracht, die ihrerseits in einem röhrenförmigen Reaktionsgefäß aus Quarz mit einem Durclimesser von etwa 10 cm angebracht ist. Die Unterlage und damit die darauf aufliegenden Substrate werden induktiv geheizt durch Ankoppeln an das elektromagnetische Feld einer Hochfrequenzspule, wobei man Temperaturen bis zu 115ü°C erzeugt und allgemein Temperaturen verwendet, die normalerweise zwischen 1OOO°C und 12Oü°C liegen, während gleichzeitig ein VJaaserstoffstrom durch das Reaktionsgefäß geleitet wird, um eine völlige -entfernung von Oxyden und anderen, die Oberfläche verunreinigenden Substanzen zu gewährleisten. Anschließend

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wird ein Gasstrom eingespeist, der aus 99,5 Vol.% Wasserstoff und 0,5 % Siliziumtetrachlorid sowie aus definierten Spuren (weniger als 1/1000 %o) einer Dotierungssubstanz wie Diboran besteht. Die Atmosphäre mit den genannten Komponenten wird bei Umgebungstemperaturen mit einer Flußrate von etwa 30 l/min über die Substanz geleitet, bis die gewünschte Dicke der aufzuwachsenden epitaktischen kristallinen Schicht erreicht ist. Die Dicke liegt aus praktischen Gründen normalerweise in dem Gebiet von etwa 1 bis 5 li. Bei den Versuchen wurde eine 2 u dicke epitaktische P~- leitende Schicht 7, wie sie in der Fig. 4 gezeigt ist, durch einen im vorgehenden charakterisierten Gasstrom durch das Reaktionsgefäß erhalten, wobei dieser über eine Zeit von etwa 10 min. aufrecht erhalten v/urde.

Der Druck im Reaktionsgefäß entspricht im wesentlichen der Normalatmosphäre bei konstanter Temperatur und wird für epitaktische Niederschläge von Silizium normalerweise bei einer Temperatur zwischen 1100⁰C und 1200°c angewendet. Andererseits erhält man epitaktische Niederschläge aus Germanium auf einem monokristallinen Substrat aus dem gleichen Material durch Anwendung von Niederschlagstemperaturen zwischen 700°C und 900°C.

Werden eigenleitende, d.h. undotierte epitaktische Schichten gewünscht, so entfällt die dem Gasstrom zuzusetzende Dotiersubstanz, und in umgekehrter Weise wird zur Erzeugung einer epitaktischen Schicht mit Η-Leitfähigkeit eine diesen Leitfähigkeits-

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typ hervorrufende Störstellensubstanz benutzt, beispielsweise Phosphor- oder Arsenwasserstoff. Im allgemeinen können verschiedene Störstellenkonzentrationen benutzt werden, wobei diese im einzelnen abhängen von den gewünschten Eigenschaften der niederzuschlagenden epitaktischen Schichten.

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Claims

P A T E N T A H S P Il Ü C H E

1. Verfahren zur Vermeidung der Selbstdiffusion durch Ausdiffusion von Störstellensubstanzen aus dem Suostrat, bei der Durchführung von epitaktischen 2üchtungsprozessen« dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen einer bekannten Prozeßführung auf das integrierte Schaltstrukturen mit unterschiedlichen Störstellenkonzentrationen enthaltende Substrat eine erste, verhältnismäßig dünne monokristalline, zusammenhängende Schicht aus eigenleitendem oder nur schwach fremdleitendem Halbleitermaterial epitaktisch aufgebracht wird und daß auf diese erste Schicht eine zweite, stärkere Kalbleiterschicht wiederum epitaktisch bezüglich der ersten Schicht aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht durch Kathodenzerstäubung bei verhältnismäßig niederen Temperaturen auf das Substrat und die zweite halbleiterschic.:- mittels eines bekannten thermischen Aufzüchtungsverfahrens auf die erste Schicht aufgebracht wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, upitaktisch aufgestäubte HaIbleiterschicht eine Dicke von 1000 ft bis 5000 8, die

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zweite, durch ein bekanntes thermisches Verfahren aufgebrachte epitaktische Halbleiterschicht eine Dicke von 1 u bis 5 u besitzt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstäubung der ersten Halbleiterschicht bei Temperaturen unter 5OO°C erfolgt.

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