DE2404276B2 - Verfahren zum Aufwachsen einer einkristallinen Schicht aus Halbleitermaterial auf ein Substrat - Google Patents
Verfahren zum Aufwachsen einer einkristallinen Schicht aus Halbleitermaterial auf ein SubstratInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufwachsen einer Schicht auf ein Substrat entsprechend
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Insbesondere in der Halbleitertechnik wird bekanntlich die Epitaxie iuis der Gasphase meistens durch
Aufwachsen auf einem Substrat aus einer aus einem massiven einkristallinen Halbleitermaterialstab ausgeschnittenen
Scheibe durchgeführt. In gewissen Fällen ist jedoch das Substrat epitaktisch, d. h. selber durch
epitaktisches Aufwachsen auf einem ersten einkristallinen Halbleitersubstrat erhalten.
Es ist jedoch möglich, daß sich ein Halbleitersubstrat
in der Luft mit einer dünnen haftenden Oxidschicht überzieht, die sich schwer entfernen läßt und die es
unmöglich macht, auf diesem Substrat durch Epitaxie aus der Gasphase ein Halbleitermaterial aufwachsen zu
lassen.
Dies ist insbesondere der Fall, wenn das Substrat aus einer Halbleiterverbindung besteht, die neben mindestens
einem anderen Element das Element Aluminium enthält, da dieses Element oxidiert wenn es mit Luft in
Kontakt ist und eine komplexe Aluminiumoxidschicht liefert, auf der epitaktisches Aufwachsen praktisch nicht
stattfinden kann.
Von den Halbleiterverbindungen dieses Typs seien z. B. Gallium-Aluminium-Arsenid, Aluminiumarsenid
und Aluminiumphosphid erwähnt
Aus der US-PS 34 29 756 ist es bekannt, zur Herstellung möglichst fehlerfreier, flacher Einkristalle,
ίο z. B. aus Aluminiumarsenid, einen scKichtförmigen
einkristallinen Halbleiterkörper durch epitaktisches Aufwachsen auf ein Substrat, ζ. Β. Galliumarsenid, und
anschließendes Abätzen des Substrats herzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das
möglichst einfach durchführbar ist
Dabei wird die Tatsache berücksichtigt, daß es möglich ist, eine epitaktische Schicht aus in der Luft
nichtstabilem Material mit Hilfe des Trägers, auf dem sie hergestellt wird, zu schützen.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen
Merkmaie gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Verfahren nach der Erfindung weist den wesentlichen Vorteil auf, daß es einfach ist und keine
zusätzlichen oder komplizierten Bearbeitungen notwendig macht. Dieses Verfahren ermöglicht es, ein
epitaktisches Aufwachsen auf Körpern durchzuführen, auf denen bisher eine ununterbrochene epitaktische und
homogene Schicht gar nicht oder nur mit großen Schwierigkeiten angebracht werden konnte.
So ist z. B. ein epitaktisches Aufwachsen eines
J5 ternären Halbleitermaterials, wie z. B. Gallium-Indium-Arsenid,
(Ga, In)As, auf einem einkristallinen Substrat aus einem ternären Halbleitermaterial, wie Gallium-Aluminium-Arsenid,(Ga,
AI)As. möglich.
Es sei bemerkt, daß das Material des Substrats oft aus einer nur kleinen Zahl von möglichen Materialien
gewählt werden muß. Die Wahl isi durch verschiedene
Hindernisse weiter eingeschränkt, von denen sich eine Anzahl auf die Epitaxie selber, z. B. in bezug auf die
Gitterkonstanten und die Möglichkeit zum Erhalten des Substrats selber und der mechanischen Eigenschaften
desselben beziehen, während sich andere Hindernisse auf den etwaigen Gebrauch der Scheiben beziehen,
insbesondere wenn es sich um optoelektronische Elemente handelt.
Auch wenn die Gitterkonstante von (Ga1 AI)As und
von (Ga, In)As a priori die Epitaxie eines dieser Materialien auf dem anderen gestatten, ist die Lösung
dieses Problems schwierig, weil es unmöglich ist, (Ga, AI)As in einer anderen Form als der epitaktischen
Schicht auf GaAs zu erhalten.
Bisher konnte dieses Material nur mit großen Schwierigkeiten als Substrat erhalten werden, weil es in
der Luft mit einer haftenden Schicht aus komplexen Aluminiumoxiden überzogen wurde.
M) Die vorliegende Erfindung schafft u. a. auch eine
Lösung für dieses Problem.
Danach erfolgt das Aufwachsen einer Schicht aus Gallium-Indium-Arsenid (Ga, In)As, auf einem Substrat
aus Gallium-Aluminium-Arsenid, (Ga, AI)As, dadurch, daß von einem Träger aus einem Halbleitermaterial
vom Ill-V-Typ, wie z. B. Galliumarsenid, GaAs, ausgegangen wird, auf dem durch Epitaxie eine Schicht aus
Gallium-Aluminium-Arsenid aufgewachsen wird (Ga,
Al)As. Dann wird die Dicke des Galliumarsenidträgers
auf einen sehr geringen Wert herabgesetzt Die Scheibe, die aus dem Träger aus Galliumarsenid, GaAs, und der
genannten Schicht aus Gallium-AIuminium-Arsenid,
(Ga, Al)As, besteht, wird in eine geeignete, nicht-oxidierende
Atmosphäre eingeführt Dann wird durch Ätzung in der genannten Atmosphäre die verbleibende Schicht
des genannten Trägers aus Galliumarsenid, GaAs, entfernt, wonach man durch Epitaxie aus der Gasphase
auf der so freigelegten Fläche der Schicht aus Gallium-Alum'i.iium-Arsenid, (Ga, Al)As, eine einkristalline
Schicht aus Galliurn-Indium-Arsenid, (Ga, In)As, anwachsen IaBt
Das Gallium-Aluminium-Arsenid, (Ga, Al)As, hat eine
Gitterkonstante, die nur eine geringe Abweichung in bezug auf die von Gallium-Indium-Arsenid, (Ga, In)As,
aufweist Eine wirksame Schicht aus GalUum-lndium-Arsenid,
(Ga, In)As, hoher Kristallgüte kann also
erhalten werden. Das System Gallium-AIuminium-Arsenid/Gallium-Indium-Arsenid
ist für die Herstellung von Transmissionsphotokathoden besonders geeignet.
Es ist zwar bereits bekannt. Anordnungen dadurch herzustellen, daß eine oder mehrere epiiaktische
Schichten auf einem einkristallinen Substrat gebildet werden, das dann teilweise oder vollständig entfernt :s
wird. Insbesondere in der DE-OS 21 63 075 ist eine Anordnung beschrieben, bei deren Bildung von einem
epitaktischen einkristallinen Halbleitersubstrat ausgegangen wird, das aus einem Träger vom III-V-Typ aus
z. B. Galliumarsenid besteht und auf dem eine so einkristalline epitaktische Schicht aus einer ternären
Verbindung, wie (Ga, AI)As, angebracht ist, auf deren freier Fläche man ein Halbleitermaterial vom III-V-Typ
anwachsen läßt, das ebenfalls Galliumarsenid sein kann.
Um den Konzentrationsgradienten der ternären )=>
Schicht in bezug auf die freie Fläche der Schicht umzukehren und auf diese Weise die besseren optischen
Bedingungen zu benutzen, wird nach dieser Patentanmeldung der einkristalline Träger entfernt und die letzte
niedergeschlagene Schicht als mechanischer Träger und die ternäre Schicht als wirksamer Teil verwendet.
Nach der vorliegenden Erfindung wird der Träger vollständig von einer epitaktischen Scheibe entfernt und
statt dessen die einkristalline Halbleiterscl.icht abgelagert,
die erhalten werden soll und die durch Epitaxie aus r. der Gasphase auf der Fläche der durch Entfernung des
anfänglichen Trägers freigelegten epitaktischen Schicht gebildet wird. Die mechanische Festigkeit wird dann
durch die epitaktische Schicht erhalten, die zum Substrat geworden ist. v>
Die Erfindung wird nunmehr an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Die
Beschreibung bezieht sich auf die Herstellung einer Scheibe, uie durch eine Schicht aus Gallium-Indium-Arsenid
(Ga, In)As, auf einer Schicht aus Gallium-Alumini- v>
um-Arsenid, (Ga, AI)As, gebildet wird.
Fig. 1, 2, 3 und 4 zeigen eine Halbleiterscheibe in verschiedenen Stufen ihrer Herstellung.
Der Einfachheit halber sind gleiche Teile in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffem bezeichnet. Der wi
Deutlichkeit halber sind die Dicken der verschiedenen Schichten der Anordnung übertrieben groß dargestellt,
und die Figuren nicht maßstäblich gezeichnet.
Fig. 1 zeigt einen einkristallinen Träger I1 der z. B.
vorzugsweise aus Galliumarsenid bestehen kann und br>
aus einem massiven einkristallinen Stab ausgeschnitten ist. Auf diesem Träger I ist unter Verwendung
bekannter Verfahren durch Epitaxie aus der flüssigen Phase z. B. eine Schicht 2 aus in der Luft nichtstabilem
Halbleitermaterial aufgewachsen, die im beschriebenen Beispiel aus Gallium-Aluminium-Arsenid, (Ga, AI)As,
besteht und auf der man epitaktisch das gewünschte Halbleitermaterial anwachsen läßt Die Dicke des
Trägers 1 kann z. B. zwischen 50 μπι und 1 mm liegen
(diese Dicke ist nicht sehr wichtig, weil der genannte Träger während der anschließenden Bearbeitungen
entfernt wird), während die Dicke der Schicht 2 aus nichtstabilem Material zwischen 10 μπι und 500 μίτι
liegen kann. 3 bezeichnet die dem Träger 1 und der Schicht 2 aus nichtstabilem Material gemeinsame
Fläche. Das nichtstabile Material 2 wird schnell in einer oxidierenden Atmosphäre mit einer Schicht aus
komplexen Oxiden 4 überzogen.
Fig.2 zeigt die Scheibe nach Herabsetzung der
Dicke des Trägers 1. Das nichtstabile Material 2 und die Schicht aus komplexen Oxiden 4 weisen nach wie vor
die gleiche Dicke auf, während die Dicke des Trägers 1 auf einen Wert in der Größenordnung von 10 μπι (von 5
bis 15 μπ;) durch bekannte Vorgänge, wie z. B. eine
mechanochemische Polierbearbeitv/ >j, herabgesetzt ist
Danach wird die Scheibe in eineni Peakior in einer
nichtoxidierenden Atmosphäre eingeführt, z. B. dadurch, daß sie umgekehrt wird, um die nachher
durchzuführenden Bearbeitungen zu erleichtern.
Dan ^ch wird die verbleibende Schicht des Trägers 1
geätzt, bis sie völlig verschwunden ist, dann ist die Scheibe nach F i g. 3 erhalten. Die Ätzung erfolgt durch
bekannte Techniken, z. B. auf chemischem Wege mit Hilfe eines gasförmigen Wasserstoffhalogenides, wie
z. B. Wasserstoffchiorid (HCl).
Dieses Wasserstoffchlorid kann vorzugsweise innerhalb des Reaktors durch Reaktion von Arsentrichlorid,
AsCIj, mit Wasserstoff erhalten werden; dann wird »in situ« verdünntes Wasserstoffchlorid mit einem Pprtialdruck
in der Größenordnung von 3 · 10~2 bar und mehr im allgemeinen zwischen 03 und 5 ■ 10~2 bar erhalten.
Die Ätzung erfolgt bei einer Temperatur in der Größenordnung von 7000C und mehr im allgemeinen
bei einer Temperatur zwischen 650°C und 75O°C; die
Ätzgeschwindigkeit liegt dann zwischen 0,5 und 3 μιτι/min. Auf diese Weise wird die Fläche 3 der Schicht
aus nichtstabilem Material freigelegt.
Dann wird dazu übergegangen, durch Epitaxie aus der Dampfphase auf der so freigelegten Fläche 3 eine
Schicht aus Halbleitermaterial 5, wie Gallium-Indium-Arsenid, aufzuwachsen, deren Dicke zwischen 0,5 und
10 μίτι liegen kann.
Die genannte Epitaxie aus der Gasphase kann vorzugsweise durch das sog. Trichloridverfahren erfolgen,
bei dem Arsenirichlorid, (AsCI), zersetzt wird, um Salzsäure zu erhalten, die durch Reaktion mit der
Galliumquelle die Bildung von Galliumarsenid und ebenso durch Reaktion mit der Indiumquelle die Bildung
von Indiumarsenid, InAs, gestattet. Die genannte Epitaxie kann vorzugsweise bei der auch für die Ätzung
angewandten Temperatur erfolgen, was einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung ist.
Auf diese Weise und unter derartigen Bedingungen können Scheiben erhalten werden, von denen eine in
Fig.4 dargestellt ist. Diese Scheibe enthält eine wirksame Schicht 5 aus Halbleitermaterial von Gallium-Indium-Arsenid,
(Ga, In)As, das epitakusch auf einem Substrat 2 aus Gallium-Aluminium-Arsenid, (Ga, AI)As,
niedergeschlagen ist, das am oberen Teil eine Schicht 4 aus komplexen Aluminiumoxiden enthält, die sehr stabil
und sehr gut haftend ist.
Das Vorhandensein der Schicht komplexer Aluminiumoxide ergibt den Vorteil, daß die Oberfläche des
Substrats aus Gallium-Aluminium-Arsenid. (Ga, AI)As.
geschützt und daß vermieden wird, daß sich auf dieser Oberfläche eine nicht gewünschte epitaktische Schicht
aus Gallium-Indium-Arsenid bildet. In gewissen Fällen
und zur Versteifung der Schicht komplexer Aluminiumoxide wird letztere mit Siliciumoxid überzogen.
Die zuletzt genannten Scheiben können für Transmissionsphotokathoden
verwendet werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zum Aufwachsen einer einkristallinen Schicht aus Halbleitermaterial durch Gasphasenepitaxie
auf ein Substrat aus einem in der Luft nichtstabilen Halbleiter-Material, dadurch gekennzeichnet,
daß auf einem Träger (1) ims einem einkristallinen Material mit geeigneter Kristallstruktur
durch Epitaxie eine Schicht (2) aus dem nicht-stabilen Material aufgewachsen wird, wonach
der Träger (1) auf eine sehr geringe Dicke reduziert, dann die aus dem Träger (I) und der Schicht (2)
bestehende Scheibe in eine nicht-oxidierende Atmosphäre eingeführt und durch Ätzung der Rest des
Trägers entfernt wird, wonach schließlich auf der freigelegten Fläche (3) der Schicht (2) durch
Gasphasenepitaxie die einkristalline Schicht (5) aufgewachsen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mit einem gasförmigen Ätzmittel geätzt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Träger (i)
Galliumarsenid, für die Schicht (2) Gallium-AIuminiumarsenid,
für die Schicht (5) Gallium-Indiumarsenid eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ätzung der Träger auf eine
Dicke von zwischen 5 und 10 μίτι reduziert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtoxydierende Atmosphäre
einen Halogenwasserstoff mit einem Partialdruck zwischen 0,5 jnd 5 ■ 10~2 Atm. enthält.
6. Verfahren nach Anspn?°h 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ätzung bei einer Temperatur zwischen 650 und 750"C durch,? führt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasphasen-Epitaxie von Galliiiim-Indium-Arsenid
bei einer Temperatur zwischen 650 und 7500C durchgeführt wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Ätzung
und die Gasphasen-Epitaxie bei der gleichen Temperatur durchgeführt werden.
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |