DE2214224C3 - Verfahren zur Bildung von pn-Übergängen in III-V-Halbleiter-Einkristallen - Google Patents

Verfahren zur Bildung von pn-Übergängen in III-V-Halbleiter-Einkristallen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1.
Zur Herstellung von elektrolumineszierenden Halbleiterbauelemente, z. B. von LEDs, Koppelelementen u. a., ist es erforderlich, im Ausgangskristall des Halbleitermaterials pn-Übergänge zu schaffen.
Es ist bekannt, solche pn-Übergänge für Lumineszenzdioden dadurch herzustellen, daß man von Halbleiterkristallen ausgeht, die mit Donatoreigenschaften entwickelnden Elementen dotiert sind, wie Schwefel, Selen oder Tellur, und später eine entsprechende Menge Zink- und/oder Cadmiumatome eindiffundieren läßt. Auf diese Weise hergestellte Dioden besitzen den Nachteil, daß nach einer Betriebszeit von mehreren tausend Stunden ein Leistungsabfall der abgegebenen Strahlung von mehr als der Hälfte des ursprünglichen Wertes festzustellen ist.
Es wurde weiterhin beobachtet, daß auf Zwischengitterplätzen sitzende Akzeptoratome unter dem Einfluß der eigenen Strahlung wandern und die Ursache einer nicht strahlenden Rekombination bilden, so daß sich die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauelementes laufend verändern. Diesem Mangel wird — wie in der DT-OS 20 10 745 veröffentlicht - dadurch abgeholfen, daß ein η leitender Galliumarsenid-Einkristall unter erhöhtem Arsendampfdmck gezogen wird. Es besteht zunächst ein Galliumarsenid-Einkristall, der dadurch ausgezeichnet ist, daß er einen größeren Arsengehalt aufweist, als das stöchiometrische Verhältnis vorschreibt und daneben Galliumleerstellen besitzt. Eine anschließende Diffusion von Akzeptoratomen geschieht dann in erster Linie über Galliumleerstellen und nicht über Zwischengitterplätze. Die bisher bekannten Herstellungsverfahren von Galliumarsenid-Einkristallen mit Arsenüberschuß sind in der technischen Ausführung insbesondere für Einkristalle mit größeren Durchmessern sehr aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, pn-Übergänge in IH-V-Halbleitereinkristallen für elektrolumineszierende Halbleiterbauelemente zu scharfen und die Dotierung des Halbleitermaterials mit einem Element der zweiten Gruppe des Periodensystems so zu lenken, daß diese Atome an Galliumleerstellen der Einkristalle eingebaut werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst
Als Material für elektrolumineszierende Halbleitersysteme können bei dem Verfahren nach der Erfindung dabei sowohl Einkristalle binärer III-V-Halbleiter-Verbindungen wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) und Borphosphid (BP) als auch Einkristalle ternärer bzw. quarternärer Halbleiterverbindungen wie Galliumaluminumarsenid [(GaAl)As], Galliumarsenidphosphid [Ga(AsP)], Indiumgalliumphosphid [InGa)P], Indiumaluminiumphosphid [(InAl)P], Aluminiumgalliumphophid [(AlGa)P], Galliumindiumarsenid [(GaIn)AsJ Indiumaluminiumarsenid [(InAl)AsJ GaI-liumaluminiumarsenidphosphid [(AgAl) (AsP)] und GaI-liumaluminiumnitridphosphid [(GaAl) (NP)] verwendet werden.
Für Schutzschichten kommen alle in der Halbleitertechnik üblichen Maskierungsschichten in Betracht Es muß lediglich eine Halbdurchlässigkeit für die Elemente der III-V-Halbleiter-Verbindung vorausgesetzt werden, d. h. die verwendete Schutzschicht muß die Elemente der dritten Gruppe des Periodensystems passieren lassen, während sie die Elemente der fünften Gruppe des Periodensystems zurückhält.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung haben sich Siliciumdioxid-Schutzschichten in einer Stärke von 500Ä bis 1500A als besonders geeignet erwiesen. Aber auch die Verwendung von Schutzschichten aus Aluminiumoxid oder Siliciumnitrid oder einem gemischten Oxid von Siliciumdioxid und Phosphorpentoxid in entsprechend der Durchlässigkeit für die einzelnen Elemente abgestimmten Schichtdicken sind möglich. Bei einer gegebenen Schichtdicke sind Siliciumdioxid-Schutzschichten bei einer nachfolgenden Dotierung mit Zinkatomen durch Diffusion am durchlässigsten; es folgen dann Schutzschichten aus Siliciumdioxid-Phosphorpentoxid, Aluminiumoxid und Siliciumnitrid.
Die Temperung wird vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 500° und 1000° C vorgenommen und die Temperungszeit beträgt 1 bis 5 Stunden.
Als Element der zweiten Gruppe des Periodensystems zum Dotieren des Halbleiterkristalls wird bevorzugt Zink und/oder Magnesium und/oder Cadmium verwendet.
An Hand des Ausführungsbeispiel wird das Verfahren nach der Erfindung näher beschrieben.
Auf eine durch eine geeignete Polierätzung vorbehandelte Oberfläche einer Galliumarsenidscheibe wird allseitig eine Siliciumdioxid-Schutzschicht aufgebracht. Für das Aufbringen der Schutzschicht stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Besonders geeignet sind Sputter-Verfahren, das Reaktiv-Sputtern als auch das Hochfrequenz-Sputtern, und Pyrolyse-Verfahren durch Zersetzung von Siliciumwasserstoff- bzw. organischen Siliciumverbindungen. Die Halbleiterscheibe wird danach in einem Formiergasstrom, der aus 80% Wasserstoff- und 20% Stickstoff-Gas besteht, bei einer Temperatur von 700 bis 900° C getempert. Während der Temperung, die vorzugsweise 2 Stunden dauert, diffundieren Galliumatome durch die Siüciumdioxid- -Schicht aus dem Kristall aus. Arsenatome werden jedoch gehindert aus dem Kristall auszutreten.
Die sich im allgemeinen anschließende Dotierung mit
nach
- -ΰΐ ιαιιι vir
ausgeführt werden. Als Diffusionsquelle wird bei den einzelnen Verfahren elementares Zink in arsenhaltiger Atmosphäre oder Zinkarsenid in ebenfalls arsenhaltiger Atmosphäre oder eine flüssige Legierung aus Zink, Gallium und Arsen benutzt Daneben ist aber auch die Anwendung eines paint-on-Verfahrens bzw. spin-on-Verfahrens mit einen Gemisch von organischen Zink- und organischen Siliciumverbindungen als Diffusionsquelle möglich.
Weiterhin kann auch das Austreten und Eindringen
von Gallium- bzw. Zinkatomen gleichzeitig vorgenom-
S men werden. Für eine solche Simultan-Ein- und Ausdiffusion wird die mit Siliciumdioxid bedeckte Scheibe in einer Ampulle in Zinkarsenid-Dampf erhitzt.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Bildung von pn-Obergängen in III-V-Halbleiter-Einkri: lallen durch Eindiffundieren von Elemente der zweiten Gruppe des Periodensy- S stems, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Einkristall allseitig eine Schutzschicht in einer Dicke aufgebracht wird, die bei einer anschließenden Temperung in einer Wasserstoff-Stickstoff-Atmosphäre III-Element-AtomedurchläßtundV-Element- Atome zurückhält, und daß nach der Teir.perung dem Einkristall durch die Schutzschicht hindurch mit den Elementen der zweiten Gruppe des Periodensystems dotiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- '5 zeichnet, daß die Temperung in einem aus 80% Wasserstoff und 20% Stickstoff bestehenden Gasstrom 1 bis 5 Stunden lang bei einer Temperung zwischen 500 und 1000° C vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzschicht aus Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid oder Siliciumnitrid oder Siliciumdioxid und Phosphorpentoxid auf dem Einkristall aufgebracht wird.
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