DE2163075A1 - - Google Patents
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Description
M. DAViD
Anmelder: N. V. PHiIfG1 GLOZiLAMPiNFABRIEKEN
Akte: PHU- 5561
Akte: PHU- 5561
Anmeldung vom« 17. DeZo 1971
2153075
FPTrX. 556 T
Va/3VH«
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Halbleiterkörpers, der
mindestens ein Substrat aus einem einkristallinen Halbleitermaterial und eine wirksame Schicht aus einer einkristallinen
tertiären Verbindung enthält, die aus einem Element aus der fünften Spalte des periodischen Systems
von Mendelejew und zwei Elementen aus der dritten Spalte dieses periodischen Systems besteht, in welcher Schicht
zwischen den beiden Elementen aus der dritten Spalte das atomare Verhältnis zwischen dem Element, dessen Atom den
kleinsten Radius aufweist, und dem Element, dessen Atom den grössten Radius aufweist, in der Nähe des erwähnten
Substrats minimal ist, in der Dickenrichtung der erwähnten
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ternären Schicht zunimmt und seinen Höchstwert ar. der de^
erwähnten Substrat gegenüber liegenden Flächen derselben Schicht erreicht.
Es ist bekannt, dass die ternären Krista?.Ie eine
bestimmte Anzahl besonderer physikalischer Eigenschaften
aufweisen, durch die sie für industrielle Anwendungen und
namentlich für die Halbleiterindustrie, z.B. auf dem Gebiet der optischen Elektronik, besonders geeignet sind. Was
wenigstens die optische Elektronik anbelangt, sind diese
Eigenschaften stark von Aenderungpn in den Konzentrationen der Bestandteile der Kristalle an verschiedenen Punkten
ihres Volumens abhängig. Es ist bekannt, dass derartige Aenderungen häufig sehr gleichmässig verlaufen, was sich in
einer kontinuierlichen Aenderung des Verhältnisses zwischen
den Konzentrationen der vorhandenen Bontandteile längs der Wachstumsachsen der Kristalle äussert. Dies ist der Tatsache
zuzuschreiben, dass von zwei Elementen derselben chemischen Klasse - z.B. zwei Elementen mit amphotorem Charakter, sich
das Element mit der stärksten Reaktivität, d.h. das Element, dessen Atom den kleinsten Radius aufweist, zuerst
während der Herstellung eines Kristalls ablagert und dass die Konzentration dieses Elements bei zunehmender Dicke
der Ablagerung gleichmässig abnimmt.
Insbesondere wurde gefunden, dass bei Ynwachsen durch Epitaxie in der Flüssigkeitsphase eines ternären
Kristalls aus Gallium- und Aluminiumarsenid (Ga-Al-As), das zwei amphotore Elemente, und zwar Gallium und Aluminium,.
enthSlt, das Aluminium, dessen Atom einen kleineren Radius
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1:.5561
als den des Galliumatoms aufweist, verhältnismässig schneller als das erwähnte Gallium niederschlägt, während die Konzentration
an Arsen konstant bleibt.
Aus dieser ungleichmässigen, aber kontinuierlichen
Verteilung der Konzentrationen längs der Wachstumsachse eines ternären Kristalls folgt, dass längs einer gewählten
Bezugsfläche dieses Kristalls bestimmte physikalische Eigenschaften des erwähnten Kristalls nicht gleich sind.
Die optische Durchlässigkeit in der Richtung der Vachstumsachse kann z.B. nicht gleich der in der entgegengesetzten
Richtung sein.
Es kann also für verschiedene Anwendungen und
insbesondere für die optische Elektronik wichtig sein, dass
man über temäre Kristalle verfügt, in denen die Konzentrationsprofile der T3estandteile, von den Substraten her gesehen, im
Vergleich zu denen, die bei Anwachsen der erwähnten Kristalle
durch Epitaxie in der Flüssigkeitsphase erhalten werden, umgekehrt sind.
In "Journal of the Electrochemical Society", von
März 1966 (Heft 113, Xr.3) ist ein Verfahren zur Herstellung
von Gallium» und Aluminiumarsenidkristallen "durch epitaktisches
Anwachfpn in einer Joddampfphase" beschrieben, durch
das Kristalle erhalten werden, in denen die Aluminiumkonzentration, vcn den Substrat her gesehen, mit der Kristallablagerung
zunimmt«
Vach diesem Verfahren gewährleistet Jod, das mit Sauerstoff in einer zugeschmolzenen Flasche gemischt wird,
die einerseits eine Quelle von Aluminiumarsenid- oder Gallium-
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- h - FPF^:. 556" c.
arsenidpulver oder ein Gemisch des Galliumarsenidpulvers mit Aluminiumkörnern und andererseits die Substrate aus
Galliumarsenid enthält, den Transport von der Quelle zu den Substraten und das epitaktische Anwachsen der Ga-Al-As-Schicht.
Dieser Vachsvorgang in der Dampfphase weist zwei wesentliche Nachteile auf.
An erster Stelle wird der Niederschlagvorgang ir.itsehr
niedriger Geschwindigkeit durchgeführt: es wird z.B. eine Anwachszeit von 6h Stunden für die Bildung einer Kristall
schicht mit einer Dicke von nahezu 260/um erwähnt.
Andererseits hat die Erfahrung gezeigt, dass die Ergebnisse schwer reproduzierbar sind und dass die erhaltenen
Schichten nichts weniger als homogen sind.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung, bei dem ein ternärer Kristall durch Epitaxie in der Flüssigkeitsphase
angewachsen wird, ermöglicht es, die erwähnten Nachteile zu vermeiden.
Das Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Halbleiterkörpers, der mindestens ein Substrat aus einem
einkristallinen Halbleitermaterial und eine wirksame Schicht aus einer einkristallinen ternären Verbindung enthält, die
aus einem Element aus der fünften Spalte des periodischen Systems von Mendelejew und zwei Elementen aus der dritten
Spalte dieses periodischen Systems besteht, in welcher Schicht zwischen den beiden Elementen aus der dritten Spalte das
atomare Verhältnis zwischen dem Element, dessen Atom den kleinsten Radius aufweist, und dem "lement, dessen Atom
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- "j - FVTr;. 556* c.
den grössten Radius aufweist, in der N'ähe des erwähnten
Substrats minimal ist, in der Dickenrichtung der erwähnten ternären Schicht zunimmt und seinen Höchstwert an der dem
erwähnten Substrat gegenüber liegenden Fläche dieser Schicht erreicht, ist dadurch gekennzeichnet, dass atif einer ersten
Fläche einer Scheibe aus einem einkristallinen Halbleitermaterial zunächst durch Epitaxie in der Flüssigkeitsphase
die erwähnte wirksame Schicht niedergeschlagen wird, wonach auf dieser wirksamen Schicht das .erwähnte Substrat angebracht
und dann von der zweiten frei gelassenen Fläche der Scheibe her, die Scheibe entfernt wird.
Eine derartige Struktur weist zwei Vorteile auf. Einerseits wird die Schicht aus der ternären Verbindung
unmittelbar längs ihrer Fläche, die den ersten während der Epitaxie durchgeführten Kristallablagerungen entspricht,
physikalisch zugänglich, was der Hauptzweck der Erfindung ist, während die Struktur andererseits eine grosse mechanische
Festigkeit aufweist.
Die mechanische Festigkeit der Struktur ist auf das Vorhandensein des auf der aus der ternären Verbindung
bestehenden Schicht niedergeschlagenen Substrats zurückzuführen. Wenn die Scheibe, von der ausgegangen wird, völlig
entfernt werden würde, ohne dass zuvor die ternäre Schicht abgedeckt werden würde, würde man selbstverständlich und
wunschgemäss die ersten niedergeschlagenen Schichtteile
erreichen; die erhaltene Anordnung wäre dann aber infolge ihres ungenügenden mechanischen Zusammenhangs praktisch
völlig unbrauchbar.
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Die Struktur nach der Erfindung kann als aus
verschiedenen Halbleitermaterialien zusammengesetzt betrachtet
werden, wobei sich nur die Probleme des Zusammenhangs zwischen den angrenzenden Materialien und der etwaigen
Kontaktanschlüsse auf diesen Materialien ergeben. ')ie erwähnten Materialien können derart dotiert werden, dass auf
den zwischen den Flächen liegenden Pegeln Uebergänge gebildet
werden.
Andererseits kann bei einer gleichen Struktur die Ausgangshalbleiterscheibe derart selektiv entfernt werden,
dass verschiedene Zugangsflachen auf der ternären Schicht
gebildet werden.
Vorzugsweise wird das erwähnte Substrat aus einer binären Verbindung eines Elements aus der fünften Spalte
des periodischen Systems von Mendelejew und eines Elements aus der dritten Spalte dieses periodischen Systems hergestel1t,
Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsforin wird
die Scheibe aus einer binären Verbindung eines Elements aus der fünften Spalte des periodischen Systems von Mendelejew
und eines Elements aus der dritten Spalte des erwähnten periodischen Systems hergestellt.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen elektrolumineszierenden Halbleiterkörper, der durch das
Verfahren nach der Erfindung hergestellt ist, und auf eine elektrolumineszierende Halbleiteranordnung mit einem derartigen
Halbleiterkörper.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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- 7 - FPFX.5501C
^'!63075
Fig. 1 bis 3 schematisch und im Schnitt einen Halbleiterkörper nach der Erfindung in drei verschiedenen
Herstellungsstufen, und
Fig. k auf gleiche Weise einen Kalbleiterkörper
nach der Erfindung in einer anderen möglichen Ausführungsform.
Es sei bemerkt, dass die Abmessungen auf den
Zeichnungen und die gegenseitigen Verhältnisse der Bestandteile der Wirklichkeit nicht entsprechen, sondern derart
gewählt sind, dass die Zeichnungen deutlich sind.
In Fig. 1 wird auf einem Substrat 10 aus Halbleitermaterial eine einkristalline Schicht 1 1 eines temSren
Stoffes niedergeschlagen, der zwei Elemente aus der dritten Spalte des periodischen Systems von Mendelejew und ein
Element aus der fünften Spalte dieses periodischen Systems
enthält.
Die Scheibe 10 besteht z.B. aus einer binären
Verbindung ITT-V, wie Galliumarsenid, während die Schicht
aus Gallir.m- und Aluminiumarsenid besteht. Die Ablagerung
dieser letzteren Schicht auf Galliumarsenid erfolgt durch die Technik der Epitaxie in der Flüssigkeitsphase.
ΟΙ·,·:! eich der angenommene Ablagerungsvorgang Hir
die Erfindin," nicht wesentlich j st, wird dennoch kurz der
Vorgang beschließen, der normalerweise bei der Ablagerung
von Galliumarsenid und Aluminiumarsenid durch Epitaxie in
der Flüssigkeitsphase durchgeführt wird.
In einem Tiegel werden z.B. einerseits die zu
überziehende Scheibe und andererseits Aluminium- und Galliumars
enidkrisJ:aJ j e mit einem bestirnten Aluminiumanteil
209829/092 Ί BAD ORIGINAL
- 8 - FFHX.5561C.
(im allgemeinen 0,3 bis 0,8 Gew.^) angebracht.
Der Tiegel wird in einen Ofen gesetzt, in dem eine Temperatur in der Grossenordnung von 800°C bis 900°C vorherrscht.
Wenn die gewählte Temperatur im Tiegel erreicht ist, und die Gallium- und Aluminumarsenidkristalle flüssig
geworden sind, werden die Flüssigkeit und das Substrat miteinander in Berührung gebracht. Die Tiegeltemperatur wird
dann sehr gleichmässig (in der Grössenordnung von 0,5 bis
1°C/min) herabgesetzt und während dieser Abkühlungsphase wächst auf der Scheibe eine einkristalline feste epitaktische
Schicht aus Gallium- und Aluminumarsenid an.
Es ist günstig, wenn ein Tiegel verwendet wird, der eine Form aufweist, wie sie in der französischen Patentschrift
1,000.341 beschrieben ist; dieser Tiegel enthält zwei Abteile, die durch eine bewegbare, einen Teil eines
ausserhalb des Tiegels liegenden Steuerungsmittels bildende Querwand voneinander getrennt sind, mit deren Hilfe die
Scheibe und das flüssige Aluminium- und Galliumarsenid miteinander
in Berührung gebracht werden können, indem einfach die erwähnte Querwand verschoben wird, ohne dass die Lage
des Tiegels im Ofen geändert wird.
Die physikalischen Bedingungen, unter denen die Bearbeitung durchgeführt wird (Konzentration von Aluminiumkristallen,
Temperaixir, bei der das Substrat und die Flüssigkeit
miteinander in Berührung gebracht werden, Abkühlungsgeschwindigkeit, usw.), können je nach den für die epitaktische
Ablagerung verlangten Eigenschaften sehr verschieden sein,
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- 9 - F1PHN.j^öiC
Auf vielerlei Weise und entsprechend den obenerwähnten Daten in bezug auf die respektiven Reaktivitäten von
Gallium und Aluminium, von denen die eine niedriger als die andere ist, nimmt die Aluminiumlconzentration in der Dickenrichtung
der Schicht 11 von der Grenzfläche 10a zwischen der Scheibe 10 und der erwähnten Schicht 11 an gleichmässig- ab.
Anschliessend wird auf der Schicht 11 ein Substrat
niedergeschlagen, das aus dem gleichen Material wie die
Scheibe 10 oder aus einem von diesem Material verschiedenen I Material besteht, wobei die Wahl von der Art der Schicht 11
und von den Haftungsmöglichkeiten an dieser Schicht, sowie von dem beabsichtigten physikalischen Zweck abhängig ist.
(Siehe Fig. 2).
In dem beschriebenen Beispiel einer Schicht 11 aus Gallium- und Aluminiumarsenid kann das Substrat 12 aus einer
binären Verbindung UI-V, z.B. Galliumarsenid, hergestellt werden, welches Material auch für die Scheibe 10 verwendet
wird, während die Ablagerung epitaktisch erfolgen kann.
Da das Substrat 12 nachher als mechanische Abstützung
für das Gebilde dienen muss, soll es eiüe Dicke von vorzugsweise
mindestens 100 min aufweisen. Da hingegen die Schicht 1
mechanisch durchaus nicht von Bedeutung ist, kann deren Dicke beliebig gewählt werden und einige Mikrons bis zu einigen
zehn Mikrons betragen, je nach den Anforderungen, die die auf diese Weise hergestellte Anordnung erfüllen muss.
Dann wird die Scheibe 10 durch mechanisches Schleifen
und/oder chemisches Äetzen teilweise oder vollständig entfernt, damit schliesslich Strukturen der in Fig. 3 dargestellten Art
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(in der die Scheibe tO vollständig: entfernt ist) oder
der in Fig. k dargestellten Art (in eier die Stjheib=} ar>.
einigen Stellen mit einer bestimmten "Dicke zurückgeblieben
ist und eine Oberflächenschicht bildet;) erhal ber. wirf'or,
Unabhängig von dem Ausmass der Entfernung der Scheibe 5. st
nun die endgültige Struktur derartig, dass die Schicht !*
unmittelbar über die Fläche zugä-.v;.1 i ;h ist, die d' η erster.
während der Epitaxie erhaltenen KristaLLniodirschlS^sn entspricht.
Beim Entfernen der Scheibe kann auch «in '"eil d'.iin
wirksamen Schicht entfernt werden.
Durch geeignete Dotierung der nacheinander niedergeschlagenen
Materialien lassen sich au*' bekaimVi ΐί» ί >f;
verschiedene Halbleiteranordnungen, insbuiionflero elektrolumineszierend
e Anordnungen, erhalten. Ein Ueb M'g-iag kam
2.B. auf dem Pegel der Grenzfläche zwj.jr.hen d«x· Schicht;
und dem Substrat 12 dadurch erhalten werden, dass für die Schicht 11 der n-Leitfähigkeltstyp und fur die ^c hie'.it 12
der p-Leitfähigkeitstyp gewählt wird, oder umgekehrt.
Dieser Uebergang kann auch dadurch erhalten werden, dass eine geeignete Verunreinigung in die Schicht 11 eindLffundiert
wird, nachdem diese Schicht niedergeschlagen und bevor sie mit dem Substrat 12 überzogen worden ist. Auch kann ein
pn-Uebergang nach Entfernung der Scheibe dadtirch gebildet werden, dass eine Verunreinigung über die dem Substrat gegenüber
liegende FlSche der wirksamen Schicht eindiffundiert wird.
Andererseits können die einkristalline'Scheibe
und das Substrat 12 entweder die gleiche oder eine verschiedene Zusammensetzung aufweisen und in den beiden Fällen
209829/0921
BAD ORIGlNA!
- 11 - FPHN.556
verschiedene oder gleiche Verunreinigungen vom gleichen
Leitfähdßkeitstyp oder von entgegengesetzten Leitfähigkeit?^
ypen enthalten.
Dde elektrolumineszierende Halbleiteranordnung
nach der Lrfindung wird dadurch erhalten, dass der Halbled
terkl-rpei mii Stromleitern und gegebenenfalls mit
einer Umhüllung versehen wird.
2 0 9 8 2 9 / 0 S 2 1 ßAp ORIGINAL
Claims (6)
- PATENTANSPRÜCHE;/1. Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Halbleiterkörpers, der mindestens ein Substrat aus einem einkristallinen Halbleitermaterial und eine wirksame Schicht aus einer einkristallinen ternSren Verbindung enthält, die aus einem Element aus der fünften Spalte des periodischen Systems von Mendelejew und zwei Elementen aus der dritten Spalte dieses periodischen Systems besteht, in welcher Schicht zwischen den beiden Elementen aus der dritten Spalte das atomare Arerhältnis zwischen dem Element, dessen Atom den kleinsten Radius aufweist, und dem Element, dessen Atom den grössten Radius aufweist, in der Nähe des erwähnten Substrats minimal ist, in der Dickenrichtung der erwähnten ternären Schicht zunimmt und seinen Höchstwert an der dem erwähnten Substrat gegenüber liegenden Fläche derselben Schicht erreicht, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer ersten Fläche eine Scheibe aus einem einkristallinen Halbleitermaterial zunächst durch Epitaxie in der Flüssigkeitsphase die erwähnte wirksame Schicht niedergeschlagen wird, wonach auf dieser wirksamen Schicht das erwähnte Substrat angebracht und dann von der zweiten frei gelassenen Fläche der Scheibe her die erwähnte Scheibe entfernt wird.
- 2. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte Substrat aus einer binären Verbindung eines Elements aus der fünften Spalte des periodischen Systems von Mendelejew und eines Elements aus der dritten Spalte dieses periodischen Systems hergestellt ist.209829/0921- 13 - ■FPHX.5561c.
- 3. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe aus einer binären Verbindung eines Elements aus der fünften Spalte des periodischen Systems von Mendelejew und eines Elements aus der dritten Spalte dieses periodischen Systems hergestellt ist.
- 4. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers nach den Ansprüchen 2 und 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsscheibe und das Substrat aus Galliumarsenid hergestellt werden.
- 5· Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ternäre Verbindung der wirksamen Schicht erhalten wird, indem von den Elementen Arsen, Gallium und Aluminium ausgegangen wird,
- 6. Monolithischer Halbleiterkörper, der durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt ist. 7· Elektrolumineszierende Halbleiteranordnung mit einem monolithischen Halbleiterkörper nach Anspruch 6.209829/0921Leerseite
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Citations (2)
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1971
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| "Journal of Applied Physics", Bd. 37, 1966, H. 10, S. 3733 bis 3740 * |
| "Journal of Electrochemical society", Bd. 113, Nr. 3, März 1966, S. 249-254 * |
Also Published As
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