DE2227883C2 - Flüssigphasenepitaxieverfahren - Google Patents

Flüssigphasenepitaxieverfahren

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Description

dadurch gekennzeichnet,
e) daß die Aluminiumkonzentration χ der Epitaxialschicht (30) kleiner ist als die Aluminiumkonzentration y der weiteren Schicht (33), und
f) daß die weitere Schicht (33) mit Hilfe eines die Epitaxialschicht (30) nicht angreifenden Ätzmittels wieder vollständig von der Epitaxialschicht (30) entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (33) mit Salzsäure geätzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen der Epitaxialschicht (30) eine Oberfläche des Substrats (28,32) mit einer Lösung (34, 36) aus in geschmolzenem Gallium gelösten Galliumarsenid in Verbindung gebracht und die Lösung sodann soweit abgekühlt wird, daß auf der Oberfläche des Substrats eine Schicht aus einkristallinem Galliumarsenid niedergeschlagen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen der weiteren Schicht (33) die Oberfläche der Epitaxialschicht (30) mit einer Lösung (38) aus in geschmolzenem Gallium gelösten Galliumarsenid und Aluminium in Berührung gebracht und die Lösung sodann soweit abgekühlt wird, daß auf der Epitaxialschicht eine Schicht (33) aus einkristallinem Aluminiumgalliumarsenid entsteht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für das Niederschlagen der Epitaxialschicht (30) und der weiteren Schicht (33) notwendigen Lösungen (34,36,38) getrennt in einem Ofenschiffchen (12) untergebracht werden und daß zunächst das Substrat (32) mittels eines Schiebers (22) dem Einfluß der die Epitaxialschicht (30) bildenden Lösung (34, 36) und dann die Epitaxialschicht dem Einfluß der die weitere Schicht (33) bildenden Lösung (38) ausgesetzt wird.
Die Erfindung betrifft ein Flüssigphasenepitaxieverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 35 37 029 bereits bekannt.
Verfahren dieser Art werden zum Herstellen bestimmter Bauteile aus Verbindungshalbleitern der III. und V. Gruppe des Periodensystems der Elemente, z. B. lichtaussendender oder Elektronen übertragender Bauelemente, eingesetzt. Mit dem Verfahren wird eine Epitaxialschicht aus einkristallinem Halbleitermaterial auf einem Substrat erzeugt, wobei die Oberfläche des Substrats mit einer Lösung eines in einem geschmolzenen Lösungsmetall gelösten Halbleitermaterial in Berührung gebracht und die Lösung soweit abgekühlt wird, daß ein Teil des Halbleitermaterials in der Lösung ausfällt und sich auf dem Substrat als Epitaxialschicht abscheidet, woraufhin der Rest der Lösung vom Substrat entfernt wird. Die Lösung kann auch Dotierstoffe enthalten, die zusammen mit dem Halbleitermaterial niedergeschlagen werden, so daß eine Epitaxialschicht des jeweils gewünschten Leitungstyps entsteht. Es können schließlich zwei oder mehrere Epitaxialschichten übereinander abgeschieden werden, so daß ein Halbleiterbauteil mit der jeweils gewünschten Struktur entsteht beispielsweise ein Halbleiterbauelement mit einem oder mehreren PN-Übergängen zwischen benachbarten Epitaxialschichten entgegengesetzten Leitungstyps.
Eine zum Ausführen der Flüssigphasenepitaxie geeignete Vorrichtung wird in der US-PS 35 65 702 beschrieben. Sie kann aus einem aus hitzebeständigem Mcterial bestehenden Ofenschiffchen mit mehreren an seiner Oberfläche angeordneten Ausnehmungen und einem Schieber, ebenfalls aus hitzebeständigem Material, hergestellt sein, der in einer sich im Bereich der Böden der Ausnehmungen erstreckenden Führung zu verschieben ist. Zum Betrieb dieser Vorrichtung wird in eine Ausnehmung des Ofenschiffchens eine Lösung eingebracht und ein Substrat in eine Vertiefung des Schiebers gelegt. Der Schieber wird sodann in eine Position gebracht, in der das Substrat in den Bereich der Ausnehmung gelangt, so daß die Substratoberfläche mit der Lösung in Berührung kommt. Sobald die Epitaxialschicht auf dem Substrat niedergeschlagen ist, wird der Schieber weiterbewegt, um das Substrat wieder aus der Ausnehmung zu entfernen. Sollen mehrere Epitaxialschichten auf dem Substrat niedergeschlagen werden, so werden getrennte Lösungen in getrennten Ausnehmungen vorgesehen und das Substrat mittels des Schiebers nacheinander in jede der Ausnehmungen gebracht, um die Epitaxialschichten aufeinander niederschlagen zu können.
Obwohl diese Vorrichtung zum Herstellen von Epitaxialschichten durch Flüssigphasenepitaxie zufriedenstellend arbeitet, besitzt sie doch einen Nachteil. Wenn nämlich der Schieber bewegt wird, um das Substrat nach Aufbringen einer Epitaxialschicht aus der Ausnehmung zu bewegen, verbleibt auf der Oberfläche der Epitaxialschicht ein dünner, mit dem Substrat mitbewegter Film der in der Ausnehmung befindlichen Lösung. Der dünne Lösungsfilm bringt zwar gewisse positive Effekte mit sich, das gilt jedoch nicht immer beim Entfernen des Substrats aus der letzten Ausnehmung, wenn dort die letzte Epitaxialschicht niedergeschlagen wird. Der danach auf der Oberfläche der letzten Epitaxialschicht verbleibende dünne Lösungsfilm kann nämlich dazu führen, daß willkürlich und in unkontrollierter Weise auf der Oberfläche der letzten Epitaxialschicht beim Abkühlen des Substrats sich einiges Halbleitermaterial niederschlägt. Dieser unkontrollierte Niederschlag hat eine rauhe Oberfläche der letzten Epitaxialschicht zur Folge.
In der US-PS 35 37 029 wild daher erwähnt, die epitaxial niedergeschlagene Halbleiteroberfläche mechanisch oder chemisch zu polieren, um eine glatte, ebene Oberfläche zu erhalten. Dabei hat sich jedoch
herausgestellt, daß ein mechanisches Polieren der Oberfläche der Epitaxiaischicht zu mechanischen Dti'ekten in den Epitaxialplättchen führt, die sich durch die gesamte Epitaxiaischicht fortpflanzen und die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauteils negativ beeinflussen, insbesondere dann, wenn die Epitaxiaischicht relativ dünn ist. Obgleich mechanisches Polieren zu einer glatten Oberfläche führt, ist dieses Verfahren schwer zu steuern und besitzt zudem den Nachteil, dat häufig zwar glatte aber leicht gewölbte Oberflächen entstehen.
In der US-PS 34 29 756 wird ein Verfahren zum Herstellen einer Epitaxiaischicht aus einkristallinem Galliumphosphid durch Gasphasenepitaxie beschrieben, bei dem auf der Oberfläche eines Galliumarsenidkristalls eine Galliumphosphidschicht aufgebracht wird und der Galliumarsenidkristall danach mit Hilfe eines das Galliumphosphid nicht angreifenden Ätzmittels, nämlich Salpetersäure, vollständig wieder entfernt wird. Es bleibt dann zwar die glatte und ebene Unterseite der Galliumphosphidschicht übrig, das Verfahren ist aber sehr aufwendig, da es das Aufwachsen des Galliumphosphids bis zu selbsttragender Stärke voraussetzt und das ebenfalls langwierige Abätzen des urspünglichen Substrats erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine durch Flüssigphasenepitaxie auf einem Substrat niedergeschlagene Epitaxiaischicht mit ebener, glatter Oberfläche herzustellen, ohne daß es hierzu erforderlich wäre, die Epitaxiaischicht mit einer selbsttragenden Stärke niederzuschlagen und/oder das Substrat abzutragen bzw. abzuätzen. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.
Durch das Aufbringen der weiteren Schicht wird erreicht, daß sich die rauhe Oberfläche nicht auf der eigentlich gewünschten Epitaxiaischicht sondern auf einer Hilfsschicht bi'det. Da diese Hilfsschicht sehr dünn auszubilden ist, läßt sie sich auf einfache Weise derart abtragen, daß eine glatte ebene Oberfläche der eigentlichen obersten Epitaxiaischicht verbleibt. Daß die erfindungsgemäße Verfahrensweise möglich ist, hat seinen Grund im wesentlichen darin, daß die Aluminiumkonzentrationen der Epitaxiaischicht kleiner als in der darauf aufgebrachten Hilfsschicht gehalten wird; hierdurch wird es nämlich möglich, die Hilfsschicht problemlos abzuätzen, ohne die erwünschte Epitaxiaischicht anzugreifen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung, im Längsschnitt;
Fig. 2 bis 5 ein Halbleiterbauteil in schematischem Querschnitt während verschiedener Verfahrensstufer.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung als Ganzes mit 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 besteht aus einem Ofenschiffchen 12 aus inertem, hitzebeständigem Material, wie Graphit, das an seiner Oberseite drei Ausnehmungen 14, 16 und 18 aufweist. In Längsrichtung des Ofenschiffchens 12 erstreckt sich unter den Ausnehmungen 14, 16 und 18 eine Führung 20, in der ein Schieber 22 aus hitzebeständigem Material bewegbar gelagert ist. Der Schieber 22 ist nahe seinem einen Ende oberseitig mit einer Vertiefung 24 versehen, die in ihren Abmessungen und in ihrer Form so ausgebildet ist. daß sie ein Substrat 32 in flacher Lage aufnehmen kann. Allerdings ist die
ίο
Vertiefung tiefer als das Substrat dick ist, so daß die Oberfläche des Substrats unterhalb der Oberkante der Vertiefung liegt.
Nachfolgend wird die Erfindung am Beispiel der Herstellung einer lichtaussendenden Halbleiterdiode 26 erläutert, die gemäß Fig. 5 zwei aufeinander angeordnete Epitaxialschichten 28 und 30 auf einem Substrat 32 besitzt. Das Substrat 32 besteht aus n-Ieitendem Galüum-Arsenid. Die erste Epitaxialsckicht 28 besteht aus p-leitendem Aluminium-Gallium-Arsenid- während die zweite Epitaxiaischicht 30 mit glatter, flacher Oberfläche aus p-leitendem Gallium-Arsenid besteht.
Um die Diode 26 in der Vorrichtung 10 herzustellen, wird zunächst das Substrat 32 in der Vertiefung 24 des Schiebers 22 untergebracht und in die Ausnehmung 14 eine erste, in die Ausnehmung 16 eine zweite und in die Ausnehmung 18 eine dritte Charge gegeben. Die erste Charge besteht aus einer Mischung aus Gallium als Lösungsmetall, Gallium-Arsenid, Aluminium und einem Dotierungsstoff des p-Typs, wie Zink. Die zweite Charge besteht aus einer Mischung aus Gallium, Gallium-Arsenid und einem Dotierungsstoff des p-Typs, wie Zink. Die dritte Charge besteht schließlich aus einer Mischung aus Gallium, Gallium-Arsenid und Aluminium. Aluminium ist in der dritten Charge mit etwa 1% oder mehr, vorzugsweise mindestens 1,5 Gew.-% vorhanden. Die Ingredienzien der Chargen können bei Raumtemperatur in granulierter Festform vorliegen.
Das beladene Ofenschiffchen 12 wird sodann in einen nicht dargestellten Ofen gebracht, der von hochreinem Wasserstoff durchströmt wird. Die Temperatur des Ofens wird soweit erhöht, daß der Inhalt des Ofenschiffchens auf eine Temperatur erhitzt wird, die über dem Schmelzpunkt derlngredienzien der Chargen, im allgemeinen zwischen 800 und 950° C liegt. Bei dieser Temperatur entsteht aus der ersten Charge die erste Lösung 34, die aus in geschmolzenem Gallium gelöstem Gallium-Arsenid, Aluminium und Zink besteht. Aus der zweiten Charge entsteht die aus in geschmolzenem Gallium gelöstem Gallium-Arsenid und Zink bestehende zweite Lösund 36, während die aus der dritten Charge entstandene dritte Lösung 38 aus in geschmolzenem Gallium gelöstem Gallium-Arsenid und Aluminium besteht. Der Ofen wird auf dieser Temperatur solange gehalten, bis sichergestellt ist, daß die Chargen völlig geschmolzen und die Lösungen gleichmäßig gemischt sind. Sodann wird die Ofenheizung abgestellt, um das Schiffchen 12 und seinen Inhalt abzukühlen.
Der Schieber 22 wird dann in Richtung des Pfeiles 40 (vgl. Fig. 1) bewegt, wodurch das Substrat 32 in die erste Ausnehmung 14 und somit die Oberfläche des Substrats mit der ersten Lösung 34 in Kontakt gelangt. Während sich die erste Lösung 34 weiter abKÜhlt, fällt ein Teil des Gallium-Arsenids in der Lösung aus und schlägt sich auf dem Substrat 32 nieder, wodurch die erste Epitaxiaischicht 28 gemäß F i g. 2 entsteht. Ein Teil des Aluminiums in der ersten Lösung 34 wird in die erste Epitaxiaischicht eingelagert, anstelle einiger Galüumionen, so daß die erste Epitaxiaischicht als gemischter Halbleiter Aluminium-Gallium-Arsenid mit der Formel Gai _ ,Al1As angesehen werden kann, wobei Af kleiner als 1 ist. In dem Kristallgitter der ersten Epitaxiaischicht 28 ist auch ein Teil des in der ersten Lösung befindlichen Zinks eingelagert, so daß die erste Epitaxiaischicht p-leitend ist.
Nachdem die erste Epitaxiaischicht 28 die gewünschle Dicke erreicht hat, wird der Schieber 22 nochmals in Richtung des Pfeiles 40 bewegt, um das Substrat 32 von
der ersten Ausnehmung 14 in die zweite Ausnehmung 16 zu bewegen. Sobald das Substrat 32 die zweite Ausnehmung 16 erreicht hat, wird die erste Epitaxialschicht 28 mit der zweiten Lösung 36 in Berührung gebracht. Weiteres Abkühlen der zweiten Lösung 36 führt dazu, daß ein Teil des Gallium-Arsenids der zweiten Lösung ausfällt und sich auf der ersten Schicht 28 niederschlägt, so daß die zweite Epitaxialschicht 30 gemäß Fig. 3 entsteht. Ein Teil des Zinks der zweiten Lösung 36 wird dabei in das Gitter der zweiten Epitaxialschicht 30 eingelagert, so daß diese Schicht 30 p-leitend wird.
Nachdem die zweite Epitaxialschicht 30 die gewünschte Dicke erreicht hat, wird der Schieber nochmals in Richtung des Pfeils 40 bewegt, wodurch das Substrat 32 aus der zweiten Ausnehmung 16 in die dritte Ausnehmung 18 gelangt. Hier kommt dann die zweite Epitaxialschicht mit der dritten Lösung 39 in Berührung. Weiteres Abkühlen der dritten Lösung 38 führt zum Ausfällen von Gallium-Arsenid der dritten Lösung, das sich auf der zweiten Epitaxialschicht 30 niederschlägt und zur Bildung einer dritten Epitaxialschicht 33 gemäß Fig. 4 führt. Ein Teil des Aluminiums in der dritten Lösung gelangt in die dritte Epitaxialschicht 33 und ersetzt dort einige der Galliumionen, so daß die dritte Epitaxialschicht als Aluminium-Gallium-Arsenid anzusehen ist. Wegen der Konzentration des Aluminiums in der dritten Lösung besitzt das Aluminium-Gallium-Arsenid der dritten Epitaxialschicht die Formel Gai _ »ALAS, wobei y größer als ungefähr 0,3 jedoch kleiner als 1 ist. Nachdem die dritte Epitaxialschicht 33 fertiggestellt ist, wird der Schieber 22 nochmals in Richtung des Pfeiles 40 bewegt, um das Substrat aus der dritten Ausnehmung 18 zu entfernen und in beschichteter Form aus dem Schieber nehmen zu können.
Die dritte Epitaxialschicht 33 wird sodann mit Hilfe eines Ätzmittels entfernt, das die zweite Epiiaxialschicht 30 nicht angreift. Zum Ätzen von Aluminium-Gallium-Arsenid mit einem relativ hohen Gehalt an Aluminium, d. h. Gai _ ^AIvAs mit y größer als ungefähr 0,3, jedoch kleiner als 1, ist kochende Salzsäure geeignet, die jedoch weder Gallium-Arsenid noch Aluminiuni-Galliuni-Arse· nid mit relativ niedriger Konzentration an Aluminium d. h. Gai _ (Al,As mit * kleiner als 0,3 angreift. Durcr Eintauchen der dritten Epitaxialschicht 33 in kochende Salzsäure wird die Schicht 33 weggeätzt und dit Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht 30 freigelegt, se daß das in F i g. 5 dargestellte Halbleiterbauteil 2f entsteht. Es hat sich herausgestellt, daß durch da; erfindungsgemäße Verfahren nach Entfernen dei dritten Epitaxialschicht 33 die freigelegte Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht außerordentlich glatt unc eben wird, und insbesondere kein weiteres Polierer benötigt.
Obwohl vorstehend die Erfindung am Beispiel der Herstellung eines lichiausäendenden '-iaiblciterbauieil; mit zwei Epilaxialschichten erläutert wurde, ist sie selbstverständlich auch zum Herstellen anderer Halbleiterbauteile mit einer oder mehreren durch Flüssigphasen-Epitaxie hergestellten Epitaxialschichten anwendbar. In jedem FaU wird nach Bilden der letzten füi den jeweiligen Aufbau des Halbleiters notwendiger Epitaxialschichten auf diese mittels Flüssigphasen-Epitaxie eine zusätzliche Schicht aufgebracht, die aus einem Halbleitermaterial besteht, das mit Hilfe eines das Material der letzten Epitaxialschicht nicht angreifender Ätzmittels entfernt wird, und die eine Kristallgitter-Struktur besitzt, die der der letzten Epitaxialschichi angepaßt ist. Die gesamte zusätzliche Schicht wird dann mit dem genannten Ätzmittel weggeätzt, so daß die Oberfläche der letzten Epitaxialschicht freigelegt wird. In jedem Fall besitzt bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die letzte Epitaxialschicht eine glatte und völlig flache, weiteres Polieren nicht erforderlich machende Oberfläche. Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet somit die Möglichkeit der Herstellung von Halbleiterbauteilen mittels der Flüssigphasen-Epitaxie ohne das Erfordernis eines zusätzlichen Bearbeitungsganges für die gewünschte Qualität der Oberflächenbeschaffenheit.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Flüssigphasenepitaxieverfahren
a) zum Herstellen einer Epitaxialschicht (30) aus Aluminiumgalliumarsenid,
b) der Formel Gai _ AAl»As mit χ kleiner als 1,
c) auf einem Substrat (32), bei dem auf die Epitaxialschicht (30) eine weitere, aus einem ein der Epitaxialschicht (30) angepaßtes Kristallgit- Ό ter aufweisenden, einkristallinen Aluminiumgalliumarsenid
d) der Formel Gai _ y\LAs mit y kleiner als 1 bestehende Schicht (33) aufgewachsen wird,
DE2227883A 1971-06-18 1972-06-08 Flüssigphasenepitaxieverfahren Expired DE2227883C2 (de)

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