DE2166427C3 - Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen einer dotierten GaAs-Dünnschicht - Google Patents

Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen einer dotierten GaAs-Dünnschicht

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen einer dotierten GaAs-Dünnschicht auf einer GaAs- oder AI/3ai_xAs(jr=0^3)-Substratoberfläche im Molekularstrahl-Epitaxieverfahren, bei dem ein Molekularstrahl, der sich aus einem Doterstoff, Gallium und Arsen zusammensetzt, auf die Substratoberfläche bei erhöhter Substratoberflächentemperatur ausreichend lange gerichtet wird, um die Dünnschicht in der gewünschten Dicke epitaktisch aufwachsen zu lassen.
In der US-Patentschrift 36 15 931 ist ein Ungleichgewichts-Epitaxieverfahren zum Züchten von Dünnschichten aus Ill-V-Verbindungen beschrieben, bei dem ein erster Molekularstrahl (oder Molekularstrahlen) der Hauptkomponenten der gewünschten Dünnschicht auf ein Substrat gerichtet wird, das auf etwa 450 bis 6500C vorgeheizt ist und auf unteratmosphärischem Druck gehalten wird. Dieses Verfahren, das Molekularstrahl-Epitaxieverfahren, ermöglicht gesteuertes Wachstum von Dünnschichten in einem großen Dicken-Bereich und ist insbesondere für solche Dünnschichten anwend- &° bar, die weniger als 1 Mikrometer dick sind.
Bei der Herstellung solcher Dünnschichten zur Verwendung in Halbleiter-Bauelementen, beispielsweise im pn-Halbleiterlaser, ist es erwünscht, den Leitfähigkeitstyp der gerade aufwachsenden Dünnschicht steuern zu können. Zu diesem Zweck wird gewöhnlich eine gesonderte Zusatzquelle, die den entsprechenden Dotierstoff enthält, verwendet, um bei Aufheizung einen weiteren Molekularstrahl zu erzeugen, der auf das Substrat gleichzeitig mit dem die Hauptkomponenten enthaltenden Strahl auftrifft
Speziell bei den Halbleiter-Lasern kommen regelmäßig sehr dünne Schichten eines bestimmten Leitungstypus zur Anwendung und gerade hier wäre es wünschenswert, den Leitungstypus der gerade aufwachsenden Schicht beispielsweise von p-Leitung in n-Leitung übergehen zu lassen, ohne daß dazu die Anlage abgeschaltet und insbesondere das Vakuum unterbrochen werden müßte.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich Germanium in III-V-Verbindungen, beispielsweise in Gallium-Arsenid, als amphoterer Dotierstoff verhält und in die im Molekularstrahi-Epitaxieverfahren aufwachsende Galliumarsenidschicht als Donator eintritt, wenn die Oberfläche hohe Arsen-Anteile hat, aber als Akzeptor eintritt, wenn die Oberfläche mit Gallium angereichert ist. Ob die aufwachsende Schicht an der Oberfläche gallium- oder arsenreich ist, hängt vom Intensitätsverhältnis der Ankunftsraten von As und Gallium sowie von der Substrattemperatur ab. Allgemein erzeugen höhere Verhältnisse und höhere Substrattemperaturen eine galliumreiche Oberfläche und umgekehrt.
Demgemäß ist die technische Nutzanwendung dieser Erkenntnis für das Verfahren der einleitend beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß Germanium für den Doterstoff verwendet wird, daß die Temperatur der Substratoberfläche und das Verhältnis der Anteile von Arsen und Gallium in dem Molekularstrahl gegenseitig abgestimmt werden derart, daß auf der Substratoberfläche eine an Arsen reiche Molekularstruktur entsteht, wenn ein Einbau des Germaniums in die Dünnschicht als Donator gewünscht ist sowie derart, daß auf der Substratoberfläche eine an Gallium reiche Molekularstruktur entsteht, wenn ein Einbau des Germaniums in die Dünnschicht als Akzeptor gewünscht wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich ohne weiteres sehr dünne epitaktische Schichten aus GaAs-Verbindungen sowie Mischkristallen hiervon, in einer Dicke bis herab zu 100 bis 200 Ä und wechselndem Leitungstypus züchten, ohne daß dabei die Anlage abgeschaltet werden müßte.
Dieses ist vor allem von Bedeutung bei der Herstellung sogenannter Halbleiter-Injektionslaser mit Doppelheterostruktur, die aus Galliumarsenid und Gailiumaluminiumarsenid hergestellt sind.
So ist Germanium auf der 100-Fläche von Galliumarsenid bei 5700C (oder auf Al/}ai-,As mit x=0,23) η-leitender Dotierstoff für eine Galliumaiiftreffrate von 1 χ lO'Vsec cm2 und eine Arsenauftreffrate von 1 χ 101V sec cm2. Unter denselben Bedingungen, jedoch bei einer Galliurnauftreffrate von 3 χ lO'Vsec cm2, ist Germanium p-leitender Dotierstoff.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum epitaktischen Aufwachen einer dotierten GaAs-Dünnschicht auf einer GaAs- oder Al1Ga1 _,As(x=0,23)-Substratoberfläche im Molekularstrahl-Epitaxieverfahren, bei dem ein Molekularstrahl, der sich aus einem Dotierstoff, Gallium und Arsen zusammensetzt, auf die Substratoberfläche bei erhöhter Substratoberflächentemperatur ausreichend lange gerichtet wird, um die Dünnschicht in der gewünschten Dicke epitaktisch aufwachsen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, daß Germanium für den Dotierstoff verwendet wird, daß die Temperatur der Substratoberfläche und das Verhältnis der Anteile von Arsen und Gallium in dem Molekularstrahl gegenseitig abgestimmt werden, derart, daß auf der Substratoberfläche eine an Arsen reiche Molekularstruktur entsteht, wenn ein Einbau des Germaniums in die Dünnschicht als Donator gewünscht ist sowie derart, daß auf der Substratoberfläche eine an Gallium reiche Molekularstruktur entsteht, wenn ein Einbau des Germaniums in die Dünnschicht als Akzeptor gewünscht wird.
Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einkristalline GaAs-Substrat auf 5700C aufgeheizt wird und daß im Molekularstrahl die Galliumauftreffrate auf 1 χ 10'Vsec cm2 und die Arsenauftreff rate auf 1 χ lO'Vseccm2 eingestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einkristalline GaAs-Substrat auf 5700C aufgeheizt wird und daß im Molekularstrahl die Galliumauftreffrate auf 3 χ 10'Vsec cm2 und die Arsenciuftreffrate auf 1 χ lO'Vseccm2 eingestellt werden.
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