DE2357230C3 - Vorrichtung zum epitaktischen Aufwachsen von Halbleitermaterial aus der flüssigen Phase auf Halbleitersubstraten - Google Patents
Vorrichtung zum epitaktischen Aufwachsen von Halbleitermaterial aus der flüssigen Phase auf HalbleitersubstratenInfo
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B19/00—Liquid-phase epitaxial-layer growth
- C30B19/06—Reaction chambers; Boats for supporting the melt; Substrate holders
- C30B19/061—Tipping system, e.g. by rotation
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Description
unterhalb der Behälter mit den verschiedenen Ausgangslösungen verschoben werden kann. Beide Beispiele
von bekannten Vorrichtungen sind nur für laboratoriumsmäßige Herstellungsverfahren im kleinen Rahmen
geeignet, da sie jeweils die Beschichtung nur eines einzigen Substrates je Charge gestatten.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ei^e Vorrichtung
zum Aufwachsen von mindestens zwei Epitaxieschichten auf einem Substrat anzugeben, mit der in bezug auf
Bedienung, den apparativen und zeitlichen Auf wand und den Durchsatz fabrikmäßig gefertigt werden kann
und mit der Schichten festgelegter Dicke und Zusammensetzung mit fehlerfreien und unbeschädigten Oberflächen
kontrolliert und reproduzierbar aufgewachsen werden können. is
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß sich im
Reaktionsgefäß zwischen den Zylinderendflächen eine auf der Zylinderfläche aufstehende Trennwand erstreckt
mit Abschnitten, deren Projektion ε-jf eine der ZyJinderendflächen Kreisringsektoren mit Zentriwinkeln
zwischen 0 und 360° durchlaufen und daß ein die beiden Enden der Trennwand verbindender Kanal
vorgesehen ist, dessen Projektion auf eine der Zylinderendflächen gegenläufig einen Winkel ergibt,
der gleich der Differenz zwischen größeren ganzzahligen Vielfachen von 360° und der Summe der von allen
Projektionen der Trennwandabschnitte auf die Zylinderendfläche
durchlaufenen Zentriwinkel ist.
Die Bedienung der Vorrichtung ist sehr einfach. Um die eine Schmelze von dem Substrat abzuziehen und die
nächste Schmelze über das Substrat zu schichten, ist es nur notwendig, die Vorrichtung einmal oder mehrmals
vollständig um ihre Achse zu drehen. Auch wenn mehrere Schichten aufgewachsen werden sollen, muß
das Substrat nur einmal aufgeheizt und abgekühlt werden, was den apparativen und zeitlichen Aufwand
stark reduziert. Es ist ohne weiteres möglich, das Reaktionsgefäß so groß zu bauen, daß eine große
Anzahl von Substraten gleichzeitig beschichtet werden können. Es ist einfach, die Prozeßparameter exakt
einzuhalten, wodurch es ohne weiteres möglich ist, daß auch ungelerntes Personal Schichten kontrolliert und
reproduzierbar aufwachsen läßt. Es kommt hinzu, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Vermischung
der einzelnen Schmelzen vollständig vermieden wird. Dazu ist es nicht, wie bei einigen der bekannten
Vorrichtungen, notwendig, die Schmelzen nach dem Aufwachsen von der frisch aufgewachsenen Schicht
abzuschaben, weshalb es bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist, fehlerfreie und
unbeschädigte Oberflächen der aufgewachsenen Schichten zu erzielen. Je nach dem speziellen Anwendungszweck
läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung optimal gestalten. Soll immer dieselbe Schichtenfolge
erzeugt werden, so wird man die erfindungsgemäße Vorrichtung so gestalten, daß der Austausch der
einzelnen Schmelzen mit einem Minimum an vollständigen Umdrehungen des Reaktibnsgefäßes durchgeführt
werden kann. Soll die Vorrichtung für sehr unterschied- δο
liehe Prozesse einsetzbar i>ein, to läßt sie sich auch dafür
ausgestalten, wobei dann allerdini?s in Kauf genommen
werden muß, daß eventuell das Reaktionsgefäß zwei oder mehrmals vollständig gedreht werden muß, bis das
Substrat mit der nächsten Schmelze benetzt wird. Es ist außerdem möglich, das Reaktionsgefäß so auszubilden,
daß gleichzeitig Gruppen von Substraten mit unterschiedlichen Schmelzen benetzt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung für den Fall, daß auf die Substrate Schichten aus zwei
unterschiedlichen Schmelzen aufgewachsen werden sollen, ergeben sich, wenn die Trennwand im Reaktionsraum sich bis zur Höhe eines Drittels des Zylinderdurchmessers
erstreckt, wenn die Trennwand im wesentlichen parallel zur Zylinderachse verläuft, die Substrate
entfernt vom Bereich der Trennwand angeordnet sind und wenn der durch trichterartig an die T-ennwand sich
anschließende Kanalwände gebildete offene Kanal einen Winkel von 3600C durchläuft oder wenn die
Trennwand an ihren Enden achsenparallele Abschnitte und dazwischen einen Abschnitt einschließt, dessen
Projektion auf eine Zylinderendfläche einen Kreisringsektor mit einem Zentriwinkel, der höchstens so groß
ist, daß die Substrate außerhalb des Sektors gerade noch Platz haben, bildet, und wenn sich ein geschlossener
Kanal durch den Sektor der Substrate von einer Mündung in der Trennwand zur anderen Mündung in
der Trennwand erstreckt. Mit dem so ausgestatteten Reaktionsgefäß lassen sich eine große Anzahl von
Substraten gleichzeitig und ausschließlich mit der einen Schmelze beschichten, während sich die andere
Schmelze wenigstens zum größeren Teil so lange in dem Kanal befindet, und bei einer anschließend durchgeführten
vollständigen Drehung des Reaktionsgefäßes wird die andere Schmelze auf die Substrate geschichtet und
die eine Schmelze in den Kanal gefüllt
Da das Material, aus dem das Reaktionsgefäß besteht, möglichst hitzebeständig und durch die Schmelzen nicht
benetzbar sein soll, ist es vorteilhaft, wenn im Fall einer Schmelze aus üblichen Halbleitermaterialien, z. B.
solchen, die Elemente der Gruppe III b und V b des Periodensystems enthalten, das Reaktionsgefäß aus
Graphit oder Glaskohle hergestellt wird und für den Fall, daß das Halbleitermaterial Oxide enthält, das
Reaktionsgefäß aus einem Edelmetall hergestellt wird.
Die Vorrichtung eignet sich in vorteilhafter Weise zur Herstellung von beschichteten Strukturen aus unterschiedlich
zusammengesetzten Schichten aus III-V-Verbindungen. Die Vorrichtung eignet sich deshalb
insbesondere zur Herstellung von lichtemittierenden Dioden, auch solchen, die Epitaxieschichten mit einem
Konzentrationsgradienten senkrecht zur Wachstumsrichtung beinhalten.
Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben.
F i g. 1 illustriert schematisch den äußeren Aufbau des zylindrischen Reaktionsgefäßes,
F i g. 2 zeigt das Oberteil des Reaktionsgefäßes mit darin befindlichen, zu beschichtenden Substraten,
F i g. 3 ist ein Querschnitt achsensenkrecht durch das Reaktionsgefäß,
F i g. 4 zeigt schematisch die Abwicklung des Zylindermantels zur Veranschaulichung der Anordnung
der Trennwände für ein erstes Ausführungsbeispiel, wo sich eine der Ausgangslösungen in einem offenen Kanal
befindet, während die andere Ausgangslösung die Substrate benützt,
F i g. 5 zeigt schematisch die Abwicklung des Zylindermantels zur Veranschaulichung der Anordnung
der Trennwände für ein zweites Ausführungsbeispiel, wo sich eine der Ausgangslösungen in einem geschlossenen
Kanal befindet, während die andere Ausgangslösung die Substrate benetzt
F i g. 6 zeigt schematisch die Abwicklung des Zylindermantels zur Veranschaulichung der Anordnung
der Trennwände für ein drittes Ausführungsbeispiel, wo
die eine der Ausgangslösungen eine erste Gruppe von Substraten benetzt, während gleichzeitig die andere der
Ausgangslösungen eine zweite Gruppe von Substraten benetzt.
F i g. 7 ist eine schematische perspektivische Darstellung des dritten Ausführungsbeispieles der Vorrichtung.
Wie in der perspektivischen Übersichtsbezeichnung der F i g. 1 dargestellt, besteht das zylindrische Reaktionsgefäß
beispielsweise aus zwei Teilen, einem größeren Unterteil 1, das mit der hohlen Achse 2
verbunden ist, und einem kleineren Oberteil 3, das z. B. als Deckel dient. Die beiden Teile können auch etwa
gleich groß sein. Auch kann die Trennungsmöglichkeit in anderer Weise vorgesehen sein, z. B. achsensenkrecht
Dann ist beispielsweise die vordere Stirnwand 7 als Deckel ausgebildet. Wesentlich ist nur die Möglichkeit,
das Reaktionsgefäß öffnen oder teilen zu können, um Zugang zum Inneren zu haben.
F i g. 2 zeigt beispielsweise das als Deckel ausgebildete Oberteil 3 von der Innenseite her mit einer Reihe von
Substraten 4, die längs einer Mantellinie beispielsweise mit Klammern befestigt sind. Diese Anordnung hat den
Vorteil, daß eine Charge von zu beschichtenden Substraten leicht ausgewechselt werden kann, während
die Ausgangslösungen im Unterteil 1 ungestört verbleiben. Der Querschnitt der Fig.3 läßt das leicht
erkennen. Die Lösung 5 wird von dem Vorgang des Einbringens oder Entnehmens von Substraten 4 nicht
gestört. Eine längs einer Mantellinie sich erstreckende Kante oder Rippe 6 dient dazu, bei der Drehung des
Reaktionsgefäßes ein möglichst gleichzeitiges Benetzen aller Substrate 4 zu gewä^'eisten.
Das Reaktionsgefäß wird aus einem Material hergestellt, das chemisch neutral ist und die hohen
Temperaturen des Flüssigphasenepitaxie-Verfahrens aushält In den meisten Fällen genügt Graphit oder
Glaskohle als Werkstoff. Enthält jedoch de* Halbleitermaterial Oxide, so muß als Werkstoff ein Edelmetall
gewählt werden. Die Achse 2 ist hohl ausgebildet und kommuniziert mit dem Innenraum des Reaktionsgefäßes,
um gasförmige Substanzen durchleiten zu können. Diese sind Schutzgase, Reaktionspartner oder Träger
von Dotierungsstoffen. Es ist vorteilhaft das Reaktionsgefäß in einem Quarzglasrohr zu halten, um das
Eindringen von beispielsweise Fremdluft sowie das Entweichen von giftigen oder explosiven Gasen, wie
z. B. AsH3 oder H2, in die Umgebung zu verhindern.
Das drehbare Reaktionsgefäß ist während des Epitaxieprozesses in einer Aufheizvorrichtung mit
regelbarer Wärmezufuhr angeordnet Dies kann beispielsweise ein aufklappbarer Ofen mit rohrförmigen
Innenraum sein, der wegen der in Längsrichtung verlaufenden HcizciciTicnic besonders einfach zu
beschicken ist Besitzt der Ofen ringförmige Heizelemente wie beispielsweise Hochfrequenzheizspulen, so
muß die Apparatur solcher Art aufgebaut sein, das sie sich axial verschieben läßt um in die Aufheizvorrichtung
hineingebracht oder aus dieser entnommen zu werden. Die Wärmezufuhr muß sehr genau regelbar sein, um die
Temperatur beispielsweise auf 0,1° genau oder besser konstant bzw. auf dem programmierten, zeitabhängigen
Sollwert zu halten.
Die Aufheizvorrichtung ist nicht in der Zeichnung dargestellt Sie kann von einer Bauweise sein, die dem
Fachmann bekannt ist Die Beschreibung konzentriert sich im wesentlichen auf die Erläuterung des mechanisch
wirkenden Systems der Trennung der Arbeitsflüssigkeiten in der erfmdungsgemäßen Vorrichtung. Auch die
Antriebsvorrichtung für die Drehung des Reaktionsgefäßes ist nicht in der Zeichnung dargestellt. Sie muß nur
in der Lage sein, so zu wirken, wie es aus den weiter unten erläuterten Verfahrensausführungsbeispielen entnommen
werden kann.
Die F i g. 4, 5 und 5 dienen zur Erklärung verschiedener Konstruktionsprinzipien, welche der mechanischen
Trenneinrichtung für die Flüssigkeiten zugrundeliegen können. Die Darstellung ist in Form einer Abwicklung
des Zylindermantels in die Zeichenebene. Der Umfang der Stirnfläche 7 und der Endfläche 8 des zylindrischen
Reaktionsgefäßes erscheint so in den Darstellungen der F i g. 4, 5 und 6 als links- bzw. rechtsbegrenzende
senkrechte Gerade. Nach einem vollen Zylinderumfang wiederholt sich das Muster. Es ist der Klarheit halber
mehr als ein Zylinderumfang, der einer vollen Umdrehung des Reaktionsgefäßes entspricht, dargestellt.
Die überlappenden Bereiche können leicht abgeschätzt werden durch Vergleich mit der Maßstabseintragung
des Winkels 360° für eine volle Umdrehung.
F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Arbeitslösungen A und
B, von denen beispielsweise die Lösung A die Substrate 4 im Reaktionsraum 9 zu benetzen in der Lage ist
während gleichzeitig die Lösung B sich — getrennt von der Lösung A — in einem offenen Kanal 10 befindet
Nach einer vollen Umdrehung haben beide Lösungen den Platz getauscht, so daß nun die Lösung ßin Kontakt
mit den Substraten steht Die den Reaktionsraum 9 abteilende Trennwand mit den Teilabschnitten 12 und
13 erstreckt sich in radialer Richtung bis zur Höhe von etwa einem Drittel des Zylinderdurchmessers. An einer
Stelle, beispielsweise in der Mitte, gehen die Teilabschnitte 12, 13 in die Kanalwände 14, 15 über. Der so
gebildete Kanal 10 kann mitten durch den Reaktionsraum 9 führen, aber ebensogut auch an einer Seite
vorbeiführen. Der Kanal 10 kann sich bis auf den Grund, d. h. die Zylinderwand erstrecken. Er kann aber auch in
der Art einer Trogbrücke durch den Reaktionsraum geführt sein. Sein Querschnitt muß nur so gewählt sein,
daß er sicher eine entsprechende Menge einer Arbeitsflüssigkeit zeitweilig aufzunehmen vermag. Mit
seiner Mündung 11 durchstößt der Kanal 10 den Teilabschnitt 13. Die Einmündung des Kanals in den
Reaktionsraum erfolgt zweckmäßig oberhalb einer querverlaufenden, rippenartigen Ablaufkante 6, um ein
möglichst gleichzeitiges Benetzen aller Substrate 4 bei der weiteren Drehung des Reaktionsgefäßes sicherzustellen.
Die F i g. 5 betrifft ein Ausführungsbeispiel mit einem geschlossenen Kanal 10, der die Form einer durch den
Reaktionsraum führenden Rohrleitung haben kann. Gleichartige Teile sind mit der. gleicher. Bezugszeichen
wie in F i g. 4 versehen. Eine durchgehende Trennwand 16 begrenzt den die Substrate 4 aufnehmenden
Reaktionsraum 9, der beispielsweise gerade die Lösung A enthalte. In dieser Zeit befindet sich die Lösung B
innerhalb des geschlossenen Kanals 10, der sieh zwischen den die Trennwand 16 durchstoßenden
Mündungen 17 und 18 erstreckt Auch in diesem Beispiel wird der Platz der Lösungen A und B nach jeder vollen
Umdrehung des Reaktionsgefäßes vertauscht
F i g. 6 zeigt in der Zylinderabwicklung ein Ansführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 6ei dem ein mittlerer Abschnitt 19 der Trennwand" zwei
Reaktionsräume 20 und 21 voneinander scheidet die beide je einen Tetf der zu beschichtenden Substrate 4
aufnehmen. Der mittlere Abschnitt 19 der Trennwand
verläuft parallel zu den Endflächen des zylindrischen Reaktionsgefäßes. Sie ist jedoch nicht ganz durchgehend,
bzw. sie enthält eine zentrale öffnung oder Durchbrüche, um den Durchfluß gasförmiger Substanzen,
welche durch die hohle Drehachse 2 geleilet werden, nicht zu unterbinden. Uer Abschnitt 22 der
Trennwand zwischen der Stirnwand 7 und dem mittleren Abschnitt 19 der Trennwand begrenzt den
Reaktionsraum 20; der Abschnitt 23 der Trennwand zwischen dem mittleren Abschnitt 19 der Trennwand
und der Endwand 8 begrenzt den Reaktionsraum 21. Die beiden sich kreuzenden Einmündungen 24 und 25 bzw.
kurzen Kanäle sind dem Zylinderumfang nach etwas gegeneinander versetzt angeordnet, um sicherzustellen,
daß bei der Umdrehung des Reaktionsgefäßes beispielsweise zuerst der Reaktionsraum 21 durch die Mündung
24 von der gerade vorhandenen einen Flüssigkeit geleert wird, bevor durch die Mündung 25 die andere
Flüssigkeit einströmt. Bei diesem Beispiel ist immer die eine der Ausgangslösungen in einem der Reaktionsräu
me, wenn die andere der Ausgangslösungen in dem anderen Reaktionsraum ist. Mit jeder vollendeten
Umdrehung werden die beiden Lösungen miteinander vertauscht. Die perspektivische Darstellung in F i g. 7
gibt einen Überblick auf dieses Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern
versehen. Gegebenenfalls können die beiden Reaktionsräume auch mit verschiedenen Gasen beschickt
werden, wenn die Mündungen 24, 25 mit Sperrklappen oder dergleichen versehen sind.
Nach dem Beschicken Hps Reaktionsgefäßes mit den
Ausgangsmaterialien und mit den Substraten wird das Gefäß zunächst im Ofen in eine Stellung gedreht, in
welcher die Substrate außer Kontakt mit den zu schmelzenden Ausgangsmateriaiien stehen. Der Gasfluß
von beispielsweise Wasse-stoff durch das dicht verschlossene Reaktionsgefäß wird einreguliert, und der
geschlossene Ofen auf eine Temperatur gebracht, die höher als die eigentliche Aufwachstemperatur liegt.
Einige vorbereitende Umdrehungen des Reaktors mit den hoch erhitzten Ausgangslösungen können vorgenommen
werden, um die gestörte oder verunreinigte Oberfläche der zu beschichtenden Substrate zunächst
kontrolliert abzuätzen. Dann wird der Ofen auf die tiefer liegende Aufwachstemperatur eingeregelt. Unter
genauer Einhaltung des Abkühlprogrammes für den Flüssigphasenepitaxieprozeß wird das Reaktionsgefäß
dann so gedreht, daß das epitaktische Aufwachsen der gewünschten Schicht aus der flüssigen Phase erfolgen
kann. Mit geeigneter kontinuierlicher oder alternierender Drehung und dem gegebenenfalls wechselnden
Drehsinn hat man es in der Hand, den Aufwachsprozeß zusätzlich zu beeinflussen. Die relative Bewegung
zwischen Lösung und dem Substrat verringert die Dicke der ungerührten Grenzschicht vor dem Substrat, was
das Kristallwachstum im günstigen Sinne beeinflußt Weiter kann durch die Drehung des Reaktionsgefäßes
die Einwirkungszeit und damit die Dicke der aufwachsenden Schicht sehr genau gesteuert werden. Das ist
insbesondere wichtig bei der Herstellung abwechselnd bo
aufeinanderfolgender sehr dünner Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften. Nach erreichter Schichtdikke
bzw. Struktur findet das langsame Abkühlen auf Raumtemperatur in einer Winkelstellung des Reaktionsgefäßes
statt, in welcher die Substrate außer Kontakt mit der bzw. den Ausgangslösungen stehen.
Die Vorrichtung dient im wesentlichen zur Herstellung von Bauelementen oder geschichteten Strukturen
auf der Basis von lll-V-Verbindungen wie GaAs oder InP. In geschmolzenem Zustand haben die Ausgangslösungen
eine hohe Oberflächenspannung, die bewirkt, daß beispielsweise der Graphit des Reaktionsgefäßes
nicht benetzt wird. Nur deshalb ist eine Vorrichtung der beschriebenen Art auch für alternierende Beschichtungsverfahren
brauchbar. Durch kontinuierliche oder schrittweise Drehung werden die durch gesteuertes
Abkühlen übersättigten Ausgangslösungen mit den zu beschichtenden Substraten in Berührung gebracht. Die
Periodizität der hergestellten Struktur wird durch die Anzahl der vollen Umdrehungen bestimmt. Die Dicke
der einzelnen Schicht hängt von dem Grad der Übersättigung der Ausgangslösungen ab, sowie von
dem Verhältnis der Substratoberfläche zum Volumen der Lösungen und von der Benetzungszeit, welche durch
die Art und Geschwindigkeit der Drehung beeinflußt wird.
Die relative Übersättigung einer Ausgangslösung in der Grenzschicht am wachsenden Kristall wird auf die
Gleichgewichtskonzentration bezogen. Sie wird ausgedrückt durch das dimensionslose Verhältnis von der
Differenz der Konzentration des in dem Hauptvolumen der Lösung Gelösten minus der Gleichgewichtskonzentration,
geteilt durch die Gleichgewichtskonzentration. Die Gleichgewichtskonzentration ist die Konzentration
im Gebiet, wo die kristalline Phase mit der Lösung im Gleichgewicht steht. In Abhängigkeit von solchen
Parametern wie der relativen Übersättigung, der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit der
Lösung relativ zum Substrat kann die lineare Aufwachsgeschwindigkeit normal zur Substratebene auf Werte
eingestellt werden zwischen etwa 1 nm pro Sekunde und 100 nm pro Sekunde. Niedrige Aufwachsgeschwindigkeiten
bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen verwendet man für die Herstellung sehr dünner
Schichten von besonders guter Qualität. Diese sind dann arm an Gitterfehlstellen. Höhere Aufwachsgeschwindigkeiten
bei relativ hoher Temperatur benutzt man für dickere Schichten und größere Ausbeute je Zeiteinheit
Hohe Strömungsgeschwindigkeit ist günstig zum Züchten besonders glatter Kristallschichten. Der Grad
der erreichbaren relativen Übersättigung wird durch einige Faktoren bestimmt die ebenfalls mehr oder
weniger beeinflußbar sind. Die Abkühlgeschwindigkeit wird nach der Liquidustemperatur des entsprechenden
Phasendiagrammes gewählt Von Einfluß ist aber auch das Verhältnis von Substratoberfläche zum Volumen
der Lösung. Die Geschwindigkeit des Materialtransportes kann weiter durch ein Temperaturgefälle im
Reaktionsgefäß beeinflußt werden, wenn mit Nährsubstanz im Temperaturgradienten gearbeitet wird. Weiter
ist die Fiießgeschwindigkeii von durchgeleiieieii Gasen
zu berücksichtigen, falls diese Gase Reaktionspartner oder Dotierungsstoffe enthalten sollten.
Die effektive Fließgeschwindigkeit der Lösung kann auch bei niedrigen Umdrehungszahlen des Reaktionsgefäßes
erhöht werden, wenn das Gefäß nicht fortlaufend gedreht wird, sondern im Winkelbereich von etwa
plus/minus 20° hin- und herbewegt wird, wenn die Substrate gerade von der entsprechenden Ausgangslösung
bedeckt sind. Nach Erreichen der gewünschten Schichtdicke wird das Reaktionsgefäß so gedreht, daß
die Substrate entweder außer Kontakt mit der Lösung kommen oder durch eine andere Ausgangslösung
benetzt werden. Im letzteren Falle kann dann wieder eine Hin- und Herbewegung erfolgen, bis die neue
erwünschte Schichtdicke erreicht ist Die Aufwachstem-
peraturen liegen üblicherweise zwischen etwa 300 und 12OO°C. Die höchste noch brauchbare Umdrehungsgeschwindigkeit
des Reaktionsgefäßes liegt bei etwa 20 Umdrehungen pro Minute. Der durch die Umdrehung
bewirkte Rühreffekt verringert die Dicke der Diffusionsgrenzschicht an der wachsenden Kristallfläche,
weshalb die Aufwachsgeschwindigkeit sehr empfindlich gegenüber möglichen Schwankungen der
Übersättigung wird. Es ist daher unumgänglich notwendig, die Temperatur mit einer Genauigkeit besser als
0,PC einzuregeln. Die erzielbare Schichtdicke kann zwischen etwa 10 nm und mehreren μηι mit engen
Toleranzen eingestellt werden.
Halbleiterstrukturen der in der amerikanischen Literatur »Superlattice« genannten Art haben eine
Periodizität des Leitfähigkeitscharakters in einer Größenordnung kleiner als die freie Weglänge der
Elektronen, beispielsweise etwa 10 nm. Zur Herstellung von Gai _ ,Al1As Strukturen kann beispielsweise
folgendermaßen vorgegangen werden. Es werden zunächst die Ausgangslösungen A und B hergestellt. Die
Lösung A enthält 50 g Ga, 0,05 g Al, 0,01 g Te. Diese Ausgangsmaterialien werden mit so viel reinem GaAs
versetzt, daß die Lösung bei 8250C gesättigt ist. Die Lösung B enthält 50 g Ga, 0,10 g Al und 0,01 g Te. Auch
Lösung B wird in gleicher Weise mit reinem GaAs bei 825° C gesättigt.
Nach Beschicken des Reaktionsgefäßes mit den zu beschichtenden Substraten und den beiden Lösungen A
und B, nach dem Durchspülen mit Schutzgas und gegebenenfalls dem Ätzen der Substratoberflächen
wird die Ausgangstemperatur von 8250C eingestellt. Der Flüssigphasenepitaxieprozeß braucht für die
notwendige relative Übersättigung eine Abkühlgeschwindigkeit von beispielsweise 0,10C je Minute. Mit
Hilfe einer elektronischen Steuerungseinrichtung wird der elektrische Ofen entsprechend dem Abkühlprogramm
geregelt. Die Genauigkeit der Temperaturregelung sollte bei 0,010C liegen. Nach 100 Minuten wird die
Endtemperatur von 815° C erreicht. Die Vorrichtung wird mit einer Umdrehung je Minute gedreht. Auf diese
Weise entstehen etwa 50 Schichten von etwa 60 nm Dicke entsprechend der Zusammensetzung der Lösung
A, abwechselnd mit 50 Schichten der Zusammensetzung B von gleicher Dicke. Sollten dünnere Schichten
erwünscht sein, läßt man die Vorrichtung schneller umlaufen. Auch kann man in diesem Falle mit
geringeren Temperaturen arbeiten.
In ähnlicher Weise können beispielsweise geschichtete Strukturen von GaP hergestellt werden. Ausgangslösung
A zur Herstellung von Schichten mit N-Leitfähigkeit enthält GaP in Ga und ist mit Schwefel dotiert.
U) Ausgangslösung B zur Herstellung von Schichten mit
P-Leitfähigkeit enthält GaP in Ga und ist mit Zink dotiert. Als Substrat wählt man zweckmäßig GaP in (111)
Orientierung. Der Temperaturbereich liegt bei diesem Beispiel zwischen U00°C und 10500C.
Im Falle, daß durch das Auskristallisieren sich die Schmelzlösung während des epitaktischen Aufwachsens
der Schichten zu sehr in ihrer Zusammensetzung verändern sollte, muß der Aufheiz- und Abkühlprozeß
entsprechend geändert werden. Das Temperaturprogramm kann jedoch beibehalten werden, wenn das
verbrauchte Material in geeigneter Weise in die Apparatur nachgeliefert wird, z. B. über die Gasphase
oder durch vorhandene Nährsubstanz.
Andererseits kann die allmähliche Veränderung der Zusammensetzung der Schichten auch erwünscht sein,
wenn man sogenannte »Graded Structures« erzeugen will, d. h. Halbleiteriitrukturen, deren Zusammensetzung
oder Leitfähigkeitscharakteristik sich quer zur Ebene der aufeinanderliegenden Schichten sukzessive verändert.
Solcherart hergestellte Halbleiterstrukturen finden Anwendung beispielsweise als lichtemittierende Dioden,
als Halbleiterlaser mit einstellbarer Wellenlänge und anderes.
Die beschriebene Vorrichtung ist gut geeignet, die zu beschichtenden Substrate alternierend in zwei verschiedene
übersättigte Lösungen zu tauchen, um geschichtete Strukturen epitaktisch aufwachsen zu lassen. Die
Vorrichtung kann nach dem Grundgedanken der Erfindung auch in der Weise ausgebaut werden, daß
mehr als zwei Ausgangslösungen verwendet werden, um kompliziertere geschichtete Strukturen von Halbleitern,
Isolatoren oder Metallen damit herstellen zu können.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Vorrichtung zum epitaktischen Aufwachsen von Halbleitermaterial aus der flüssigen Phase auf
Halbleitersubstraten mit einem zylindrischen, zum öffnen eingerichteten, innerhalb einer Heizeinrichtung
mit regelbarer Wärmezufuhr um die Zylinderachse drehbar angeordneten Reaktionsgefäß zur
Aufnahme der parallel zur Zylinderachse innen auf dem Zylindermantel angeordneten Substrate und
der flüssigen Phase mit einer zum Einlaß bzw. Auslaß von als Schutzgas oder Reaktionspartner dienenden
gasförmigen Stoffen ausgebildeten hohlen Drehachse, dadurch gekennzeichnet, daß sich im
Reaktionsgefäß zwischen den Zylinderendflächen eine auf der Zylinderfläche aufstehende Trennwand
erstreckt mit Abschnitten, deren Projektion auf eine der Zylindarendflächen Kreisringsektoren mn. Zentriwinkeln
zwischen 0 und 360° durchlaufen und daß ein die beiden Enden der Trennwand verbindender
Kanal vorgesehen ist, dessen Projektion auf eine der Zylinderendflächen gegenläufig einen Winkel ergibt,
der gleich der Differenz zwischen größeren ganzzahligen Vielfachen von 360° und der Summe
der von allen Projektionen der Trennwandabschnitte auf die Zylinderendfläche durchlaufenen Zentriwinkel
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsgefäß in Drehrichtung
vor den Substraten eine quer zur Drehrichtung verlaufende, rippenartige Ablaufkante (6) angeordnet
ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (12, 13) im
Reaktionsgefäß (9) sich bis zur Höhe eines Drittels des Zylinder-Durchmessers erstreckt, daß die
Trennwand (12, 13) im wesentlichen parallel zur Zylinderachse verläuft, daß die Substrate entfernt
vom Bereich der Trennwand (12, 13) angeordnet sind und daß der durch trichterartig an die
Trennwand (12,13) sich anschließende Kanalwände (14, 15) gebildete, offene Kanal (10) einen Winkel
von 360° durchläuft.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (16) an ihren
Enden achsenparallele Abschnitte und dazwischen einen Abschnitt einschließt, dessen Projektion auf
eine Zylinderendfläche einen Kreisringsektor mit einem Zentriwinkel, der höchstens so groß ist, daß
die Substrate außerhalb des Sektors gerade noch Platz haben, bildet, und daß sich ein geschlossener
Kanal (10) durch den Sektor der Substrate von einer Mündung (18) in der Trennwand (16) zur anderen
Mündung (18) in der Trennwand (16) erstreckt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Abschnitte (19) der Trennwand,
die senkrecht auf der Achse stehende Kreisringsektoren mit Zentriwinkeln nahe bei 360° C bilden, das
Reaktionsgefäß in Reaktionsräume (20,21), in denen je eine von Achsen parallel zueinander liegenden
Gruppen von Substraten angeordnet sind, unterteilen und daß an den radial verlaufenden Kanten
jeweils zwei Kreisringsektoren miteinander und die äußeren Kreisringsektoren mit den Zylinderendflächen
durch achsenparallel verlaufende Bandabschnitte verbunden sind.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum epitaktischen Aufwachsen von Halbleitermaterial aus der
flüssigen Phase auf Halbleitersubstraten mit einem zylindrischen, zum Öffnen eingerichteten, innerhalb
einer Heizeinrichtung mit regelbarer Wärmezufuhr um die Zylinderachse drehbar angeordneten Reaktionsgefäß
zur Aufnahme der parallel zur Zylinderachse innen auf dem Zylindermantel angeordneten Substrate und
der flüssigen Phase mit einer zum Einlaß bzw. Auslaß von als Schutzgas oder Reaktionspartner dienenden
gasförmigen Stoffen ausgebildeten hohlen Drehachse.
Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von Halbleitermaterial aus der flüssigen Phase unter Verwendung
eines drehbaren Reaktionsgefäßes sind bekannt Eine solche Vorrichtung haben z. B. J. Vilms und
J. P. Garret in der Zeitschrift Solid-State Elektronics,
Band 15, 1972, Seiten 443 bis 455 beschrieben. Das dort
beschriebene Reaktionsgefäß kann in einem temperaturgeregelten Ofen betrieben werden. Seine hohlen
Achsen sind für die Zuleitung bzw. Ableitung gasförmiger Substanzen eingerichtet. Mehrere zu beschichtende
Substrate können im Innern an der Stirnwand des zylindrischen Reaktionsgefäßes oder längs einer Mantellinie
angeordnet sein. Infolge der drehbaren Anordnung der Kammer können die Substrate beliebig in
Kontakt oder außer Kontakt mit der Lösung gebracht werden. Je nach Größe des Reaktors können mit dieser
Vorrichtung ein oder mehrere Substrate gleichzeitig beschichtet werden. Es kann jedoch jeweils nur eine
Schmelze in das Reaktionsgefäß gebracht werden.
Während einem Aufheizzyklus kann deshalb immer nur eine Epitaxieschicht aufgewachsen werden.
Seit einiger Zeit werden aber Strukturen mit mehreren dünnen, aufeinandergeschichteten Epitaxieschichten,
die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden, immer interessanter. Solche Strukturen liegen z. B. in
den »Supcr-Lattice«-Strukturen vor, die für Bauteile, bei denen sehr kleine Schaltzeiten erwünscht sind, Bedeutung
erlangen werden. Bei diesen Strukturen besteht infolge des Aufbaus ein periodisches Potential senkrecht
zur Schichtebene, das besondere Quanteneffekte hervorruft. Zur Erläuterung sei beispielsweise auf den
Aufsatz von L. Esaki und R. Tsu »Superlattice und Negative Differential Conductivity in Semiconductors«
verwiesen, der im Januar 1970 im Band 14, Heft Nr. 1, Seite 61 bis 65 der Zeitschrift IBM Journal of Research
und Development erschienen ist. Epitaktische Strukturen, bei denen sich die Eigenschaften senkrecht zur
Wachstumsrichtung ändern, haben auch auf dem Gebiet der lichtemittierenden Dioden Bedeutung. Verfahren,
derartige Strukturen herzustellen, werden deshalb gebraucht, und es hat nicht an Bemühungen gefehlt, sie
zu entwickeln.
Durch die amerikanische Patentschrift 35 51 219 ist eine Vorrichtung für Epitaxie aus der flüssigen Phase
bekanntgeworden, bei der das zu beschichtende Substrat an der Unterseite eines Schiebers angebracht
ist, womit es abwechselnd von oben her mit einer von zwei Lösung in Kontakt gebracht werden kann. Eine
ähnliche Vorrichtung ist in der amerikanischen Patentschrift 35 65 702 dargestellt. Hier ist das zu beschichtende
Substrat in einem Schieber untergebracht, der
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CH1685072A CH541353A (de) | 1972-11-20 | 1972-11-20 | Vorrichtung zum epitaktischen Abscheiden von Halbleitermaterial durch Flüssigphasenepitaxie aus mindestens zwei Lösungen |
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DE2357230B2 DE2357230B2 (de) | 1981-02-12 |
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