DE2127658B2

DE2127658B2 -

Info

Publication number: DE2127658B2
Application number: DE2127658A
Authority: DE
Inventors: Dennis Glendon Princeton N.J. Fisher (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1970-09-04
Filing date: 1971-06-03
Publication date: 1979-03-29
Also published as: FR2105234B1; GB1321005A; US3669735A; FR2105234A1; JPS5120153B1; DE2127658A1; NL7106981A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist besonders günstig, wenn es sich bei dem Halbleiter um eine III-V-Verbindung handelt.

Halbleiterverbindungen, die jeweils ein oder mehrere Elemente aus den Gruppen IUA und VA des periodischen Systems enthalten, haben sich als besonders brauchbar zum Emittieren von Elektronen in ein Vakuum erwiesen. Solche Elektronenquellen haben einen ungewöhnlich hohen Emissionswirkungsgrad, da die Oberflächen dieser Halbleiter mit einem stark &o elektronegativen und einem stark elektropositiven Material wie z. B. Sauerstoff bzw. Zäsium aktiviert werden können, wodurch eine wirksame negative Elektronenaffinität hervorgerufen wird. Halbleiterelektronenquellen und Verfahren zu ihrer Aktivierung durch eine Sensibilisierung mit Materialien niedriger Austrittsarbeit zur Erhöhung der Photoemission sind bereits bekannt, beispielsweise aus der US-PS 33 87 161.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (»Applied Physics Letters«, Bd. 14(1969), Seiten 275—277) wird ein GaAs-Kristall zunächst zur Beseitigung von Verunreinigungen auf etwa 650" C erhitzt dann nach Abkühlung auf Raumtemperatur mit Cäsium und Sauerstoff behandelt, sodann erneut auf die Reinigungstemperatur von etwa 650⁰C erhitzt und danach wieder mit Cäsium und/oder Sauerstoff sensibilisiert, bis die dabei jeweils gemessenen Emissionsmaxima keine weitere Steigerung mehr ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses bekannte Verfahren so weiterzubilden, daß die an sich schon recht hohe .Photoemission eines Halbleiters, insbesondere einer III-V-Verbindung, noch weiter gesteigert wird.

Diese Aufgabe wird durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst

Die Erfindung hai den Vorteil, daß die Photoemission sich auf wesentlich höhere Werte steigern läßt als bisher, z.B. im Falle von GaAs auf mehr als 1400 Mikroampere/Lumen.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nun näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise schematische und teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer Vorrichtung zum Aktivieren eines Halbleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig.2 e^;n Flußdiagramm des mit der Vorrichtung nach F i g. 1 durchgeführten Verfahrens.

In der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung wird eine schichtförmige Probe 10 aus Indiumgalliumarsenid (Ino,i5Gao,85As), die eine Fläche von etwa 1 cm² und eine Dicke von etwa 25 μπι hat, epitaxial auf einer Stirnfläche eines 0,51 mm dicken Galliumarsenidkristallsubstrates 12 gezüchtet. Das Substrat 12 ist mit der Probe 10 in einer Höchstvakuumkammer 14 angeordnet, die an ihrem Eingang an eine Zerstäubungs-Ionenvakuumpume 16 angeschlossen ist. Die Pumpe 16 weist eine Leistung von etwa 500 Liter/Sekunde auf und arbeitet Kontinuierlich während des gesamten Aktivierungsvorgangs, um die Probe 10 in einem relativ hohen Vakuum zu halten, das durch ein lonisationsmanometer gemesser, wird. In der Nähe der der Probe 10 abgewandten Stirnfläche des Substrates 12 ist eine Schleife aus einem Widerstandsheizdraht 18 montiert. Durch die Wand der Kammer 14 erstreckt sich ein geschlossenes Rohr 20, das an seinem äußeren Ende eine geringe Menge 21 metallischen Zäsiums enthält.

Normalerweise ist das Rohr 20 in einen Kolben 22 mit flüssigem Stickstoff eingetaucht, wodurch verhindert wird, daß unerwünschtes Zäsium in das Vakuumsystem verdampft. Durch die Wand der Kammer 14 erstreckt sich ferner ein geschlossenes Rohr 24 aus reinem Silber, das an seinem äußeren Ende zugeschmolzen ist. Auf das Silberrohr 24 ist eine elektrisch isolierende Hülse 26 geschoben, um welche die Wicklung eines Widerstandsheizelementes 28 gelegt ist. Wenn das Silberrohr 24 durch das Heizelement 28 erhitzt wird, gelangt reiner Sauerstoff aus der Atmosphäre durch das Silberrohr hindurch in die Kammer 14. Weiterhin enthält die Kammerwand ein Fenster 30. Eine außerhalb der Kammer angeordnete 1/200 Lumen-Lichtquelle 32 beleuchtet durch das Fenster 30 hindurch die Probe. Die Photoemission der Probe 10 wird von einer in ihrer Nähe befindlichen Anode 36 gesammelt und durch ein Strommeßgerät 34 gemessen.

Beim ersten Schritt des durch das Flußdiagramm in Fig.2 dargestellten Verfahrens wird die Probe 10

ungefähr eine Minute lang auf eine Reinigungstemperatur von etwa 630⁰C erhitzt. Danach wird sie auf die Raumtemperatur von etwa 25°C abgekühlt und mit Zäsium und Sauerstoff allgemein wie folgt sensibilisiert: Durch Entfernung des Kolbens 24 mit flüssigem ■> Stickstoff und durch Erhitzen des das Zäsium enthaltenden Rohres 20 wird eine geringe Menge an Zäsiumdampf in die Kammer 14 eingeführt Wenn festgestellt wird, daß die Photoemission der Probe 10 einen Spitzenwert überschreitet, wird durch Erhitzen des Silberrohrrs 24 zusätzlich zum Zäsium Sauerstoff in das System geleitet Wenn man feststellt daß die Photoemission ansteigt und einen neuen Spitzenwert erreicht der höher als das erste Maximum ist wird die Sauerstoffzufuhr abgestellt während weiterhin Zäsium zugeführt wird, bis ein dritter Spitzenwert festgestellt wird, der höher ist als die beiden vorhergehenden Maxima Diese Vorgänge werden abwechselnd fortgesetzt, bis zwischen einem und dem nächstfolgenden Maximum keine wesentliche Steigerung iiiehr auftritt Normalerweise ergeben nur zwischen 10 und !5 Zyklen eine wesentliche Steigerung von Maximum zu Maximum.

Nach Abschluß dieses Sensibilisierungsschrittes wird die Probe 10 etwa eine Minute lang auf eine Temperatur 2^r> von etwa 535° C erhitzt Dann wird sie wieder auf Raumtemperatur abgekühlt und erneut wie beim oben beschriebenen ersten Sensibilisierungsschritt mit Zäsium und Sauerstoff sensibilisiert

Das hier beschriebene Verfahren führt zu einer w höchst überraschenden und starken Steigerung der Photoemission eines Halbleiters im Vergleich mit bekannten Verfahren. Die in Mikroampere pro Lumen ausdrückbare Photoemission einiger Proben wie Indiumgalliumarsenid kann doppelt so groß sein wie r> diejenige einer ähnlichen Probe, die nach bekannten Verfahren aktiviert worden ist. Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich zwischen der Photoemission von in bekannter Weise behandelten Proben und derjenigen von erfindungsgemäß aktivierten Proben. In der mit A bezeichneten Spalte sind in Mikroampere pro Lumen die maximalen Photoemissionswerte gesonderter Proben angegeben, die mit Zäsium und Sauerstoff entweder nach einem einzigen Erhitzungsschritt oder nach jeder von einer oder mehreren zusätzlichen Erhitzungen bei 4^r> zunehmend höheren Temperaturen sensibilisiert wurden. Die mit B bezeichnete Spalte zeigt die maximale Photoemission in Mikroampere pro Lumen der gleichen Proben, die aber nach Erhitzen auf eine niedrigere Temperatür erneut mit Zäsium und Sauerstoff sensibili- w siert wurden.

Material Zahl

Probe
Material

Zahl

InGaAs

Photoemission	B
(jxa/Lumen)	860
A	860
450	920
450	860
590	1440
380	1560
1110
1150

Photoemission
(jjta/Lumen)

A B

GaAs
GaAs

3
4

1200
1080

Während bei dem beschriebenen- Beispiel die Halbleiteroberfläche mit dem stark elektropositiven Zäsium und dem stark elektronegativen Sauerstoff sensibilisiert wurden, eignen sich zum Durchführen des Verfahrens auch andere Kombinationen von stark elektropositiven und stark elektronegativen Elementen. Zu ersteren zählen beispielsweise Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle wie Zäsium und Barium. Beispiele für stark elektronegative Elemente sind Chalcogene und Halogene wie Sauerstoff und Fluor.

Obwohl es wünschenswert ist, die gesamte Aktivierung bei einem Höchstvakuum von 1,3 · 10-⁸mbaroder einem noch geringeren Druck durchzuführen, ist dies nicht unbedingt notwendig. Bei einem schwächeren Vakuum kann jedoch eine weitergehende Reinigung erforderlich sein, beispielsweise eine längere Dauer der ersten Erhitzung.

Zum Reinigen einer Halbleiterprobe vor der Aktivierung sind verschiedene Methoden bekannt. W-V-HaIbleiter werden gewöhnlich dadurch gereinigt, daß sie in einem Vakuum auf mindestens 600⁰C erhitzt werden. Das hier beschriebene Verfahren scheint nicht von einem speziellen Reinigungsverfahren abhängig zu sein. Eine andere bekannte, zum Erreichen einer sauberen Halbleiterprobe geeignete Reinigungsmethode besteht beispielsweise in der Bombardierung mit einem inerten Gas wie Argon und anschließendem Glühen. Diese Methode wird häufig bei Silicium angewandt, da Silicium durch Erhitzen bei hohen Temperaturen nicht ohne weiteres sauber wird. Die Sensibilisierung sollte für beste Ergebnisse bei einer Temperatur der Probe von weniger als 200° C durchgeführt werden.

Beim angegebenen Beispiel wurde die Temperatur der Probe mit einer geeichten infrarotempfindlichen optischen Vorrichtung gemessen. Es können auch andere Vorrichtungen wie z. B. ein Thermoelement verwendet werden.

Allerdings ist nicht gewährleistet daß die verschiedenen verfügbaren Temperaturmeßvorrichtungen jeweils die absolute oder wirkliche Temperatur der Probe wiedergeben. Von den beim vorliegenden Beispiel gemessenen Temperaturen dürfte die wirkliche Temperatur der Probe aber um nicht mehr als etwa 10⁰C abweichen. Der Temperaturbereich des Erhitzungsschrittes, der beim vorliegenden Verfahren gemessen wurde, betrug 470°C ± 10°C bis 590⁰C ± 10°C. Erhitzungstemperaturen im mittleren Teil dieses Bereiches in der Nähe von 535⁰C haben eine wesentlich bessere Elektronenemission der Probe zur Folge als Temperaturen an den Enden des Bereiches. Alle Temperaturwerte des genannten Bereiches führen aber zu einer gewissen Verbesserung. Die optimale Temperatur ändert sich etwas mit der Zeitdauer, während welcher die Probe auf dieser Temperatur gehalten wird. Niedrigere Temperaturen erfordern im allgemeinen eine längere Zeit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aktivieren einer Halbleiterelektronenquelle, bei dem die Oberfläche eines Halbleiterkörpers mindestens mit einem stark elektronegativen Material und einem stark elektropositiven Material zur Steigerung der Elektronenemissionsfähigkeit sensibilisiert wird, danach der Halbleiterkörper erhitzt und wieder abgekühlt wird und die Oberfläche dann zur weiteren Steigerung ihrer Elektronenemissionsfähigkeit mindestens mit einer stark elektropositiven Substanz erneut sensibilisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper zwischen den Sensibilisierungen auf eine Temperatur im Bereich zwischen 470⁰C ± 10^oCund590°C ± 10⁰Cerhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 4aß vor der ersten Sensibilisierung die Halbleiteroberfläche zur Beseitigung von Verunreinigungen etwa eine Minute lang oder länger auf eine Reinigungstemperatur erhitzt wird, die in der Nähe der Zersetzungstemperatur des Halbleiterkörpers liegt, aber etwas niedriger als diese ist

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung zwischen den Sensibilisierungen in einem Vakuum durchgeführt wird, dessen Druck 1,3 ■ 10~⁸ mbar oder weniger beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungstemperatur mindestens 600° C beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Verfahren in einem Vakuum durchgeführt wird, dessen Druck etwa 1,3 · 10~⁸ mbar oder weniger }5 beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Sensibilisierungen mit Zäsium und Sauerstoff durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach der ersten Sensibilisierung eine Erhitzung auf etwa 535°C und eine Abkühlung auf weniger als 200⁰C erfolgt.