DE2163075C2 - Verfahren zur Herstellung von elektrolumineszierenden Halbleiterbauelementen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von elektrolumineszierenden HalbleiterbauelementenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, daß die ternären Kristalle bestimmte
physikalische Eigenschaften aufweisen, durch die sie für industrielle Anwendungen und namentlich für die
Halbleiterindustrie, ζ. B. auf dem Gebiet der optischen Elektronik, besonders geeignet sind. Was wenigstens die
optische Elektronik anbelangt, sind diese Eigenschaften stark von Änderungen in den Konzentrationen der
Bestandteile der Kristalle an verschiedenen Punkten ihres Volumens abhängig. Es ist bekannt, daß derartige
Änderungen häufig sehr gleichmäßig verlaufen, was sich in einer kontinuierlichen Änderung des Verhältnisses
!wischen den Konzentrationen der vorhandenen Bestandteile längs der Wachstumsachsen der Kristalle
lußert. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, daß von
ewei Elementen derselben chemischen Klasse - z. B.
zwei Elementen mit amphöterem Charakter = 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 Anwachsen
ίο
durch Epitaxie in der Flüssigphase eines ternären Kristalls aus Gallium- und Aluminiumarsenid (Ga-Al-As),
das zwei amphotere Elemente, und zwar Gallium und Aluminium, enthält, das Aluminium, dessen Atom
einen kleineren Radius als den des Galliumatoms aufweist, verhältnismäßig schneller als das erwähnte
Gallium niederschlägt, während die Konzentration an Arsen konstant bleibt
Aus dieser ungleichmäßigen, aber kontinui?rlichen 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 Wachstumsachse 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 ternäre Kristalle verfügt, in denen die Konzentrationsprofile der Bestandteile, von den Substraten
her gesehen, im Vergleich zu denen, die bei Anwachsen der erwähnten Kristalle durch Epitaxie in
der Flüssigphase erhallen werden, umgekehrt sind.
Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches ist aus »Journal of Applied Physics« 37 (1965) 10,
3733-40 bekannt.
Nach diesem Verfahren gewährleistet Jod, das mit Sauerstoff in einer zugeschmolzenen Flasche gemischt
wird, die einerseits eine Quelle von Aluminiumarsenid- oder Galliumarsenidpulver oder ein Gemisch des
GalliumarsenidpuWers 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 Wachsvorgang in der Dampfphase weist zwei wesentliche Nachteile auf.
An erster Stelle wird der Niederschlagvorgang mit sehr niedriger Geschwindigkeit durchgeführt: es wird
z. B. eine Anwachszeit von 64 Stunden für die Bildung einer Kristallschicht mit einer Dicke wn nahezu 260 μπι
erwähnt.
Andererseits hat die Erfahrung gezeigt, daß die Ergebnisse schwer reproduzierbar sind und daß die
erhaltenen Schichten inhomogen sind.
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß es aus der US-PS 33 70 980 bekannt ist. Einkristallfilme auf
polykristallinen Substraten dadurch herzustellen, daß der Einknstaüfilm zunächst epitaktisch auf einen
Einknstallkörper ar/gewachsen. dann der Einkristallfilm
mit einem polykristallinen Film bedeckt und schließlich der Finkristallkörper von dem Einkristallfilm
entfernt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das
Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszugestalten, daß ein elektrolumineszierendes Halbleiterbauelement
mit einem monolithischen, stabilen Halbleiterkörper, hei dem die Fläche, an der das
atomare Verhältnis von Aluminium zu Gallium seinen Höchstwert hat. zumindest teilweise frei zugänglich ist.
schnell und gut reprodnerbar hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkfriale gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unterarisprüchen,
Ein so hergestellter Halbleiterkörper weist insbesondere zwei Vorteile auf.
Einerseits wird die Schicht aus der ternären
Verbindung unmittelbar längs ihrer Flüche, 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 ausgegan- iu
gen 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 ungenügen- ι >
den mechanischen Zusammenhangs praktisch völlig unbrauchbar.
Der erfindungsgemäß hergestellte Halbleiterkörper für ein elektrolumineszierendes Halbleiterbauelement
kann als aus verschiedenen Halbleitermaterialien zusammengesetzt betrachtet werden, wobei sich nur die
Probleme des Zusammenhangs zwischen den angrenzenden Materialien und den etwaigen Kontaktanschlüssen
auf diesen Materialien ergeben. Die erwähnten Materialien können derart dotiert werden, daß in
zwischen den Flächen liegenden Ebenen Obergänge gebildet werden.
Die Ausgangshalbleiterscheibe kann derart selektiv entfernt werden, daß verschiedene Zugangsflächen auf
der ternären Schicht gebildet werden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 bis 3 schematisch und im Schnitt einen erfindungsgemäß hergestellten Halbleiterkörper in drei
verschiedenen Herstellungsstufen, und
F i g. 4 auf gleiche Weise einen erfindungsgemäß hergestellten Halbleiterkörper 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 11 eines ternären Stoffes niedergeschlagen, der Aluminium, Gallium und
Arsen enthält.
Die Scheibe 10 besteht z. B. aus einer binären Ill-V-Verbindung, wie Galliumarsenid, während die
Schicht 11 aus Gallium- und Aluminiumarsenid besteht. Die Ablagerung dieser letzteren Schicht auf Galliumarsenid
erfolgt durch die Technik der Epitaxie in der Flüssigkeitsphase.
Obgleich der angenommene Ablagerungsvorgang für die Erfindung nicht wesentlich ist. wird dennoch kurz
der Vorgang beschrieben, der normalerweise bei der Ablagerung von Galliumarsenid und Aluminiumarsenid
durch Epitaxie in der Flüssigkeitsphase durchgeführt wird.
In einem Tiege1 werden z. B. einerseits die zu
überziehende Scheibe und andererseits Aluminium= und Galliumarsenidkristalle mit einem bestimmten Aluminiümanteil
(Im allgemeinen 03 bis 0,8 GeWr0A) angebracht.
Der Tiegel wird in einen Ofen gesetzt, in dem eine Temperatur in der Größenordnung von 8000C bis
90O0C vorherrscht. Wenn die gewählte Temperatur im
Tiegel erreicht ist, und die Gallium- und Aluminiumarsenidkristalle
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
l°C/min) herabgesetzt und während dieser Abkühlungsphase wächst auf der Scheibe eine einkristalline
feste epitaktische Schicht aus Gallium- und Aluminiumarsenid an.
Es ist günstig, wenn ein Tiegel verwendet wird, der eine Form aufweist, wie sie in der französischen
Patentschrift 16 00 341 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 ces Tiegels im Ofen
geändert wird.
Die physikalischen Bedingungen, unter denen die Bearbeitung durchgeführt wird (>
nzenti ation von Aluminium, Temperatur, bei der das Srbstrai und die
Flüssigkeit miteinander in Berührung gebracht werden, Abkühlungsgeschwindigkeit, usw.), können je nach den
für die epitaktische Ablagerung verlangten Eigenschaften sehr verschieden sein.
Auf vielerlei Weise beeinflußbar und entsprechend der Abscheidungsgeschwindigkeit von Gallium und
Aluminium, von denen die erste niedriger als die zweite ist, nimmt die Alurniniumkonzentratiow 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 12
niedergeschlagen, das aus dem gleichen Material wie die Scheibe 10 oder aus einem von diesem Material
verschiedenen 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 F i g. 2).
In dem beschriebenen Beispiel einer Schicht 11 aus Gaiiium- und Aluminiumarsenid kann das Substrat 12
aus einer binären HIV-Verbindung, z. B. Galliumarsenid,
hergestellt werden, welches Material auch für die
Scheibe 10 verwendet wird, während d>e Ablagerung
epitaktisch erfolgen kann.
Da das Substrat 12 nachher als mechanische Abstützung für das Gebilde dienen muß. soll es eine
Dicke von vorzugsweise mindestens 100 μΓη aufweisen.
Da hingegen die Schicht 11 mechanisch nicht von Bedeutung ist. kann deren Dicke beliebig gewählt
werden und einige μπι bis zu einigen zehn μπι betragen,
je nach den Anforderungen, die die auf diese Weise h^rgc >trllte Anordnung erfüllen muß.
Dann wird die Scheibe 10 durch mechanisches Schleifen und/odei chemisches Ätzen teilv. eise oder
vollständig entfernt, damit schließlich Strukturen der in Fig. 5 dargestellten Art (in der die Scheibe 10
vollständig entfe; nt ist) oder der in F i g. 4 dargestellten
Art (in der die Scheibe an einigen Stellen mit einer bestimmten Dicke zurückgeblieben ist und eine
Oberflächenschicht bildet) erhalten werden. Uitabhängig
von dem Ausmaß der Entfernung der Scheibe ist nun die endgültige Struktur derartig, daß die Schicht 11
Unmittelbar über d'e Fläche zugänglich ist, die den
ersten während der Epitaxie erhaltenen Kristallniederschlägen entspricht. Beim Entfernen der Scheibe kann
auch ein Teil der wirksamen Schicht entfernt werden.
Durch geeignete Dotierung der nacheinander niedergeschlagenen Materialien lassen sich auf bekannte
Weise elektrolumineszierende Anordnungen erhalten. Ein Übergang kann z. B. auf der Ebene der Grenzfläche
zwischen der Schicht 11 und dem Substrat 12 dadurch erhalten werden, daß für die Schicht 11 der N-Leitungstyp
und für die Schicht 12 der P-Leitungstyp gewählt wird, oder umgekehrt. Dieser Übergang kann auch
dadurch erhalten werden, daß eine geeignete Verunreinigung in die Schicht 11 eindiffundiert wird, nachdem
diese Schicht niedergeschlagen und bevor sie mit dem Substrat 12 überzogen worden ist. Auch kann ein
PN-Übergang nach Entfernung der Seheibe dadurch gebildet werden, daß eine Verunreinigung über die dem
Substrat gegenüber liegende Fläche der wirksamen Schicht eindiffundiert wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung von elektrolumineszierenden
Halbleiterbauelementen mit einem monolithischen Halbleiterkörper, der mindestens ein
Substrat aus einem einkristallinen Halbleitermaterial und eine elektro-optisch wirksame Schicht aus
einem einkristallinen Mischkristall aus ternären Verbindungen wechselnder Zusammensetzung aus
Aluminium, Gallium und Arsen enthält, derart, daß in
der Schicht das atomare Verhältnis von Aluminium zu Gallium in der Nähe des Substrats minimal ist, in
der Dickenrichtung der wirksamen Schicht zunimmt und seinen Höchstwert an der dem Substrat
gegenüberliegenden Fläche der wirksamen Schicht erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß auf
einer ersten Fläche einer Scheibe (10) aus einem einkristallinen Halbleitermaterial zunächst die wirksame
Schicht (11) durch Flüssigphasenepitaxie niedergeschlagen wird, wonach auf dieser wirksamen
Schicht das Substrat (12) angebracht und dann von der zweiten, freigelassenen Fläche der Scheibe
(10) her diese Scheibe zumindest teilweise entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (12) aus einer binären Verbindung eines Elementes a^s der fünften Spalte
des periodischen Systems und eines Elementes aus der dritten Spalte des periodischen Systems gebildet
wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch geke inzeichnet, daß die Scheibe (10) aus
einer binären Verbindung ein·"', Elementes aus der fünften Spalte des periodischen Systems und eines
Elementes aus der dritten Späh- des periodischen Systems verwendet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3.
dadurch gekennzeichnet, daß eine Scheibe (10) und ein Substrat (12) aus Galliumarsenid verwendet
werden.
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D2 | Grant after examination | ||
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