DE2522921A1

DE2522921A1 - Molekularstrahl-epitaxie

Info

Publication number: DE2522921A1
Application number: DE19752522921
Authority: DE
Inventors: Masakazu Fukai; Seiichi Nagata
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1974-05-23
Filing date: 1975-05-23
Publication date: 1975-11-27
Also published as: DE2522921C3; GB1515571A; FR2272488B1; FR2272488A1; DE2522921B2; CA1011885A

Description

DR. BERG DIPL.-iNÜ. STAPF

DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR 9 C O O Q O PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 8602 45

Anwaltsakte 26 094 23. M/W 1975

Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd. Osaka / Japan

Molekularstrahl-Epitaxie

Die Erfindung betrifft eine Molekularstrahl-Epitaxie zum Aufwachsen dünner epitaxialer Schichten aus chemischen Halbleiterverbindungen und deren Mischkristallen,

Es ist ein Molekularstrahl-Epitaxieverfahren bekannt, bei welchem ein erster Molekularstrahl oder Strahlen der Verbindungselemente bzw. Komponenten der geforderten Schicht auf ein Trägermaterial bzw. ein Substrat (im folgenden wird nur noch von Substrat gesprochen) gerichtet sind, welches auf eine vorbestimmte Temperatur vorerwärmt und auf einem unter dem atmosphärischen Druck liegenden Druck gehalten ist. Dieses Verfahren

- 2 VII/XX/ha

"(089)988272 8 München 80, Mauerkircheistraße 45 Banken: Bayerische Vereinsbank München 453100

987043 Telegramme: BERGSTAPFPATENT München Hypo-Bank München 3892623

983310 TELEX: 0524560 MRCd-, _Λ , _η . λ λ « ·. Postscheck München 65343-»08

ist zum Aufwachsen von dünnen epitaxialen Schichten von Verbindungen der Gruppen III und V, sogenannter III-V-Halblei terverbindungen und deren Mischkristallen verwendet worden. Im allgemeinen sind die III-Halbleiterverbindungen Al, Ga und In und die V-Halbleiterverbindungen P, As und Sb.

Im Unterschied zu den im Gleichgewicht befindlichen flüssigen und Gasphasen-Epitaxieverfahren ist das Molekularstrahl-Epitaxieverfahren ein nicht im Gleichgewicht liegendes in stabiles Epitaxieverfahren , so daß die Kristall-Aufwachsgeschwindigkeit bzw. die -Wachstumsrate unabhängig von der Substrattemperatur ist. Infolgedessen werden vorzugsweise Elemente der Gruppe III und der Gruppe V mit einem verhältnismäßig niedrigen Dampfdruck zum Aufwachsen einer dünnen epitaxialen Schicht auf einem Ga-Substrat verwendet, dessen Haftkoeffizient beinahe eins ist. Die Elemente der Gruppe IV, deren Haftkoeffizient ebenfalls beinahe eins ist und deren Dampfdruck verhältnismäßig niedrig ist, können ohne weiteres unabhängig von der Oberflächenstruktur der aufzuwachsenden Schicht dotiert werden. Das heißt, Si und Sn sind n-leiten- de Dotierungsmittel, während Ge ein amphoterisch.es Do tie rungsmittel ist. Wenn Ge bei dem epitaxialen Molekularstrahl-Wachsen hinzugefügt wird, bei welchem die Oberflächenstruktur hinsichtlich As stabilisiert ist, ist Ge ein η-leitendes Dotierungsmittel; bei einem epitaxialen Molekularstrahl-Wachsen, um eine Ga-stabilisierte Oberflächenstruktur zu erhalten, wird Ge ein p-leitendes Dotierungsmittel.

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Während des epitaxialen An- oder Aufwachsens ist die Oberflächenstruktur eine Funktion der Substrattemperatur und des Intensitätsverhältnisses des Molekularstrahls von Elementen der Gruppe III zu dem Molekularstrahl von Elementen der Gruppe V.

Bei dem üblichen, herkömmlichen Molekularstrahl-Epitaxieverfahren zum Aufwachsen einer GaAs-Schicht werden Ga- und As-Molekularstrahlen auf die atomarpaubere Oberfläche eines Substrats gerichtet, das auf eine vorbestimmte Temperatur vorerwärmt und auf einem unter dem atmosphärischen Druck liegenden Druck gehalten ist. Beinahe alle Ga-Atome, welche einen niedrigen Dampfdruck besitzen, haften an dem Substrat (da der Haftkoeffizient 1 ist). Während mit Ga kombiniertes bzw. verbundenes As an der Substratoberfläche haften kann, wird das nicht mit Ga kombinierte bzw. verbundene As von dem Substrat reflektiert bzw. abgewiesen . Wenn daher das Verhältnis der Intensität des As-Molekularstrahls zu der des Ga-Molekularstrahls höher als eins ist, dann wird das stöchiometrische Kristallwachsen bewirkt. Da das Substrat auf einem unter dem atmosphärischen Druck liegenden Druck gehalten und erwärmt wird, wird es verdampft, jedoch infolge d«r Verdampfung des Substrats können die Wirkungen falsch eingeschätzt werden, wenn die Menge bzw. Anzahl der auf die Substratoberfläche auftreffenden Atome größer als die Verdampfung ist. Infolgedessen ist im Unterschied zum epitaxialen, flüssigen und Gasphasen-Wachsen die Kristall-Wachstumsrate von der

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Substrattemperatur und von der Anzahl der auf die Substratoberfläche auftreffenden Ga-Atome unabhängig. Das epitaxiale Wachsen einer GaAs-Schicht kann weitergehen, wenn die Sub strattemperatur in dem Bereich zwischen 450 C und 65O C gehalten wird.

Die Oberflächenstruktur ist eine Funktion von zwei Parame tern, (l) des Verhältnisses (C=I /I) der Intensität I^ des As₂-Molekularstrahls zu der Intensität I₂ des Ga-Molekularstrahls und (2) der Substrattermperatur (Ts). Wenn die Substrattemperatur (Ts) gesenkt wird, wenn das Intensitätsverhältnis (C) auf einem konstanten Wert gehalten wird, dann
ist die Substratstruktur bzw. -oberfläche hinsichtlich des
As stabilisiert. Wenn andererseits die Substrattemperatur
(Ts) erhöht wird, ist die Substratoberfläche hinsichtlich
des Ga stabilisiert. Wenn das Intensitätsverhältnis (C) erhöht wird, wenn die Substrattemperatur (Ts) auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, dann ist die Substratoberfläche hinsichtlich des As stabilisiert. Wenn sich das Intensitätsverhältnis (C) eins nähert, dann ist die Substratoberfläche hinsichtlich des Ga stabilisiert. Freie Ga-Atome sind sehr
wenige an der hinsichtlich As stabilisierten Oberfläche vorhanden, welche im wesentlichen mit As-Atomen bedeckt ist.
Die hinsichtlich Ga stabilisierte Oberfläche ist dann im
wesentlichen mit Ga-Atomen bedeckt. Die vorerwähnte Tatsache, daß die Oberflächenstruktur entsprechend der Substrattemperaturänderung geändert werden kann, zeigt, daß die thermische

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Verbindung von As- und Ga-Atomen auf der äußersten Oberfläche des Substrats nicht ausreichend stabilisiert ist, so daß As-Atome immer von der hinsichtlich As stabilisierten Oberfläche emittiert bzw. abgegeben und mit dem As-Molekularstrahl, welcher auf die Substratoberfläche aufgetroffen ist, ausge tauscht werden.

Bei der Herstellung von Halbleitern ist es wesentlich, bei den Verbindungshalbleiter-Kristallschichten die Dotierungskonzentration oder den Leitfähigkeitstyp und bei den Schichten aus Mischkristallen die Zusammensetzung des Mischkristalls zu steuern. In der US-PS 3 76l 310 sind mittels des Molekularstrahlverfahrens Germanium dotierte, epitaxiale Schichten offenbart, wobei durch Steuern der zwei Parameter, nämlich des Molekularstrahl-Intensitätsverhältnisses (C) und der Substrattemperatur (Ts) es möglich ist, eine einzige Dotierquelle zu verwenden, um sowohl eine n- als auch eine ρ -Leitfähigkeit in einander abwechselnden, benachbarten Schichten zu schaffen, ohne daß das System abgeschaltet werden muß. Jedoch können entweder eine n- oder eine p-Leitfähigkeit nur in Richtung der Stärke der dünnen epitaxialen Schicht geschaffen werden; jedoch weist eine Kristallebene immer dieselbe Leitfähigkeit auf. Mit anderen Worten die Kristallstruktur kann nur in Richtung der Schichtstärke geändert werden und bleibt dieselbe in derselben Kristallebene. Infolgedessen ist es gemäß diesem Verfahren möglich, nur zwei dimensionale Halbleiter herzustellen.

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Bei dem herkömmlichen selektiven Aufwachsverfahren unter Anwendung der Lithographietechniken ist der Verfahrensschritt zum Abdecken der Substratoberfläche für selektives, epitaxiales Aufwachsen verschieden von dem Verfahrensschritt des epitaxialen Aufwachsens. Infolgedessen sind die selektiven epitaxialen Aufwachsverfahren sehr kompliziert und weisen den Nachteil auf, daß die Komponenten des Photolacks oder der Abdeckschicht in der epitaxialen Schicht gelöst werden, welche eine andere Zusammensetzung aufweist, so daß die epitaxiale Schicht verschmutzt wird. Infolgedessen wachsen die epitaxialen Schichten nur an vorher ausgewählten Flächenbereichen, so daß zwischen den epitaxialen Schichten und den während des epitaxialen Aufwachsens abgedeckten Flächenbereichen bestimmte Verfahrensschritte durchgeführt werden. Es ist daher äußerst schwierig, mehrschichtige Halbleiter herzustellen.

Bei den herkömmlichen Molekularstrahl-Epitaxieverfahren werden die Substrattemperatur und/oder das Intensitätsverhältnis während des epitaxialen Aufwachsens geändert, so daß die Zusammensetzung des Mischkristalls in Richtung des Kristallaufwachsens, jedoch nicht in derselben Ebene geändert werden kann.

Gemäß der Erfindung soll daher eine Molekularstrahl-Epitaxie bzw. ein Epitaxieverfahren geschaffen werden, bei welchem eine ebene Verbindungshalblexterschicht gleichzeitig mit

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derselben Geschwindigkeit über einer Kristallebene aufwachsen kann, wenn die vorher ausgewählte Zone oder die Zonen, geändert werden, damit sie eine Leitfähigkeit aufweisen, welche der des übrigen Bereichs entgegengesetzt ist. Ferner soll eine Molekularstrahl-Epitaxie geschaffen werden, bei welcher Kristallschichten auf der Kristall-Substratoberfläche mit derselben Geschwindigkeit sowohl in den vorher ausgewählten Zonen als auch in der Restzone aufgewachsen sind, so daß mehrschichtige Halbleiter mit einer ebenen Oberfläche hergestellt werden können.

Ferner soll eine Molekularstrahl-Epitaxie zum Aufwachsen der Schichten von Mischkristallen aus Halbleiterverbindungen geschaffen werden, bei welcher die vorher ausgewählte Zone oder die Zonen einem konzentrierten Energiebeschuß, bei spielsweise mit Elektronen- oder Laserstrahlen ausgesetzt werden, wobei die vorher ausgewählten Zonen die Zusammensetzungen aufweisen können, welche sich von denen des Restbe reichs unterscheiden, welcher keinem Beschüß mit Elektronenoder Laserstrahlen ausgesetzt worden ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsfor<m der Erfindung sind die Substrattemperatur (Ts) und das Molekularstrahl-Intensität sverhältnis (C) so gewählt, daß die Oberflächenstruktur hinsichtlich des Elements der Gruppe V während des epitaxialen Aufwachsens der Schichten aus Elementen der Gruppe III und der Gruppe V, der sogenannten III-V Elemente, stabili -

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siert ist, und daß der Molekularstrahl eines araopheteren Dotierungsmittels auf die Substratoberfläche gerichtet wird, so daß der Kristall mit einer n-Leitfähigkeit aufwachsen kann. Gleichzeitig wird die vorher ausgewählte Zone dem konzentrierten Energiebeschuß, beispielsweise mittels Elektronen- und Laserstrahlen ausgesetzt, um die Oberflächenstruktur an der Oberfläche, struktur zu ändern, welche hinsieht lieh des Elementes der Gruppe V stabilisiert ist. Infolgedessen ist das amophetere Dotierungsmittel ein n-leitendes Dotierungsmittel an der hinsichtlich des Elementes der Gruppe V stabilisierten Oberflächensturktur, welche nicht dem Elektronen- oder Laserstrahlbeschuß ausgesetzt ist; es ist jedoch ein p-leitendes Dotierungsmittel an der Oberflächenstruktur, welche hinsichtlich des Elements der Gruppe III stabilisiert und dem Elektronen- oder Laserstrahlbeschuß ausgesetzt ist. Zusätzlich zu den Molekularstrahlen aus Elementen der Gruppe III und der Gruppe V, der sogenannten III-V-Elemente, wird ein zusätzlicher Molekularstrahl, welcher ein Dotiermittel der Gruppe IV, ein sogenanntes IV-Dotiermittel aufweist, gleichzeitig auf die Substratoberfläche gerichtet, wenn der vorher ausgewählte Bereich dem Elektronenoder Laserstrahlbeschuß ausgesetzt ist, und das Intensitätsverhältnis (C) der Molekularstrahlen aus Elementen der Gruppe III und der Gruppe V, der sogenannten III-V-Molekularstrahlen, wird entsprechend gesteuert, so daß die voher ausgewählte Zone die Leitfähigkeit aufweisen kann, welcher der des übrigen Bereichs entgegengesetzt ist.

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Gemäß der Erfindung wird somit mit einem Molekularstrahl-Epitaxieverfahren, wenn epitaxiale Schichten der III-V-Halb-1exterverbindungen oder Mischkristalle hieraus an einer Kristall-Substratoberfläche aufwachsen, um durch das Molekularstrahl-Epitaxieverfahren eine hinsichtlich des Elements der Gruppe V stabilisierte Oberflächenstruktur zu erhalten, eine ausgewählte Stelle oder eine ausgewählte Zone auf der Sub stratoberflache örtlich auf eine Temperatur, welche höher als die Substrattemperatur ist, mittels konzentrierter Energie, beispielsweise mittels eines Elektronen- oder Laserstrahls^ erhitzt. Die ausgewählte, dem Beschüß durch einen Elektro nen- oder Laserstrahl ausgesetzte Stelle oder diese Zone wird dann η-leitend, während der übrige Bereich p-leitend ist. Bei einer epitaxialen Schicht eines Mischkristalls weist die ausgewählte Stelle oder die Zone, welche dem Beschüß durch einen Elektronen- oder Laserstrahl ausgesetzt sind, einen Komponentenzusammensetzung auf, welche sich von der des übrigen Bereichs unterscheidet. Hierdurch wird es möglich, eine Stelle oder eine Zone mit der entgegengesetzten Leitfähigkeit, einer n-Leitfähigkeit oder einer Zusammensetzung auszuwählen, welche sich von der des übrigen Bereichs unterscheidet, und um gleichzeitig eine derartige Stelle oder eine derartige Zone zu bilden, wenn der übrige Bereich der epitaxialen Schicht aufwächst.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Aus führungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnun-

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gen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig.l eine schaubildliche Darstellung einer Einrichtung zur Durchführung des Molekularstrahl-Epitaxieverfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Substrats, auf dessen Oberfläche epitaxial Schichten aufgewachsen sind, wobei die Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform der Erfin dung verwendet ist;

Fig.3 in vergrößertem Maßstab eine Schnittansicht durch die Fig.2;

Fig.4 eine schaubildliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform zur Durchführung des Molekularstrahl-Epitaxieverfahrens gemäß der Erfindung; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung, anhand welcher ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert wird.

In den Figuren sind die gleichen bzw. einander entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

In Fig.l ist eine schaubildliche Darstellung einer Einrich-

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tung zur Durchführung des Molekularstrahl-Epitaxieverfahrens gemäß der Erfindung dargestellt. Hierbei weist die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens folgende Einrichtungen auf: eine Vakuumkammer 1, welche auf eine Temperatur in der Größenordnung von etwa 350 C erhitzt wird, um die Gase aus ihrer Innenwand zu entfernen, und welche dann auf ein sehr hohes Vakuum in der Größenordnung von 10 Torr gebracht wird; ein Substrat 2,auf dessen Hauptoberfläche eine epitaxiale Schicht aufwächst, und welche an einem Halter 3 angebracht ist, der innen eine Heizeinrichtung zum Vorerwärmen des Substrats 2 auf eine vorbestimmte Temperatur aufweist; eine Art von außerhalb der Kammer 1 betätigbarer. Revolverkopf 4, um das Substrat 2 in die Stellung für das epitaxiale Aufwachsen und in die Stellung zu bringen, in welcher das Substrat eingebracht bzw. herausgenommen werden kann; eine Ionenzerstäubungseinrichtung 5 zur Schaffung der atomar reinen Aufwachsoberfläche des Substrats 2; ein Vierpol-Massenspektrometer 6 zum Überwachen der von den Molekularstrahlkanonen oder Quellen 7a oder 7b abgegebenen Molekularstrahlen und zum Analysieren der Restgase; Molekularstrahlkanonen 7a und 7b in Form von Knudsen-Elementen, welche die geforderten Kristallkomponenten aufweisen und unabhängig voneinander erwärmt werden, um die Molekularstrahlen mit der geforderten Intensität zu erzeugen; ein Gefäß bzw. eine Abschirmung 8, welche flüssigen Stickstoff enthält, welches nicht nur zum Aufnehmen und Absorbieren von unerwünschten Molekülen durch Abkühlung, sondern auch dazu verwendet wird, die Abnahme des

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Vakuums in der Vakuumkammer 1 zu verhindern, wenn die Molekularstrahlquellen 7a und 7b erwärmt sind; eine Elektronenkanone 9» um den energiereichen oder Elektronenstrahl auf eine vorher ausgewählte Stelle oder Zone auf der Substratoberfläche zu konzentrieren, um diese dann auf eine höhere Temperatur als den übrigen Bereich zu erwärmen. Der von der Elektronenkanone 9 abgegebene Elektronenstrahl ist unter einem rechten Winkel auf die ausgewählte Stelle oder Zone gerichtet, wodurch die hinsichtlich des Elementes der Gruppe V stabilisierte Oberflächenstruktur während des epitaxtalen Schichtaufwachsens in eine hinsichtlich des Elementes Gruppe III stabilisierte Oberflächenstruktur geändert werden kann. Ferner ist noch ein Sekundärelektronen-Vervielfacher zum Fühlen der Stelle oder Zone vorgesehen, welche dem Elektronenstrahlbeschuß ausgesetzt ist, wobei die durch den Elektronenstrahlbeschuß abgegebenen Sekundärelektronen ge fühlt werden. Eine energiereiche Elektronenkanone 11 ist vorgesehen, um den Elektronenstrdi1 unter einem kleinen Einfallswinkel auf die Oberfläche des Substrats 2 zu richten, so daß die Oberflächenstruktur anhand desBildes beobachtet werden kann, das durch die gebeugten Elektroden auf einem Leuchtschirm 12 geschaffen wird. Schließlich ist noch ein zylindrischer Spiegel-Elektronenanalysator 13 zum Überwa chen der Verschmutzung der Substratoberfläche und ein Verschluß Ik für den Molekularstrahl vorgesehen.

Zusätzlich zu den vorbeschriebenen Einrichtungen weist die

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in Fig.l dargestellte Einrichtung noch eine nicht dargestellte Elektronenstrahl-Steuereinrichtung, um nicht nur die Elektronenstrahlablenkung, sondern auch dessen Intensität zu steuern, und eine (ebenfalls nicht dargestellte) Anzeigeeinrichtung auf, um nicht nur die dem Elektronenstrahlbeschuß ausgesetzte Stelle oder Zone, sondern auch deren Intensität wiederzugeben und anzuzeigen. Die letzterwähnte Steuerschaltung weist eine Kathodenstrahlröhre auf und lenkt deren Elektrodenstrahl synchron mit dem Elektrodenstrahl-Ablenksignal ab, welches in der ersterwähnten Steuerschaltung erzeugt wird, und moduliert die Elektronenstrahlintensität in der Kathodenstrahlröhre entsprechend dem Ausgang von dem Sekundärelektronen-Vervielfacher 10, wodurch ein eins-eins-Verhältnis zwischen der dem Elektronenbeschuß ausgesetzten Stelle des Substrats 2 und dem Lichtfleck auf dem Schirmträger der Kathodenstrahlröhre und zwischen der Intensität des Elektronenstrahlbeschusses und der des Lichtflecks auf dem Schirmträger der Kathodenstrahlröhre gebildet werden kann.

Nachstehend wird nunmehr ein Beispiel für das Aufwachsen einer amphoteren IV-Verunreinigung bzw. Störstelle oder einer mit Ga-As dotierten Ge epitaxialen Schicht auf einer Haupt fläche eines entlang der (001)-Ebene durchgeschnittenen Ga-As-Substrats beschrieben.

Als erstes wurde hierzu, wie in Fig.2 dargestellt, ein rechteckiges Ga-As-Substrat vorbereitet, welches entlang der (001)-

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Ebene geschnitten ist, welche in den 110- und 110-Richtungen ausgerichtet ist. Die Oberfläche des Substrats 2 wurde mit Oiamantpaste poliert und dann mit einer Brom-Methanol-Lösung geätzt, bevor das Substratplättchen 2 an dem Revolverkopf 4 angebracht wurde. Hierauf wurde Ge in die Molekularstrahlkanone "]&. und GaAs in die Kanone 7b gefüllt. Nachdem die Vakuumkammer zur Desorption etwa zehn Stunden lang erhitzt worden war, wurde die Kammer 1 auf ein sehr hohes Vakuum in der Größenordnung von 10" Torr gebracht. Die Oberfläche des Sub strats wurde dann für einen Ätzvorgang auf 63O C erhitzt und wurde dann mit der Ionenzerstäubungseinrichtung 5 besprüht. Ob die Substratoberfläche atomar rein war oder nicht, wurde dann mittels des Auger-Analysators 13 festgestellt.

Danach wurde das Substratplättchen 2 auf 530 C erhitzt, und es wurde dann flüssiger Stickstoff in das Gefäß bzw. die Abschirmung 8 eingebracht. Nachdem die GaAs-Molekularstrahlquelle oder -kanone 7a auf 83O C und die Ge-Molekularstrahlquelle oder -kanone 7b auf 78O C erhitzt war, wurde der Verschluß l4 geöffnet, um die Malekularstrahlen auf das Substrat 2 zum Aufwachsen einer ersten epitaxialen Schicht 20 zu richten. Zum Aufwachsen einer zweiten epitaxialen Schicht 21 unter denselben Bedingungen wurde mittels des Elektronenstrahls 30 mit einer Geschwindigkeit von 3^eV und mit einem Durchmesser von etwa 200,uin in der (HO-) Richtung eine vorher ausgewählte Stelle oder Zone 22 abgetastet. Die dem Elektronenstrahl beschuß ausgesetzte, vorher ausgewählte Stelle oder Zone wur-

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de p-leitend, während der übrige Bereich 21, der nicht dem Elektronenstrahlbeschuß ausgesetzt war, η-leitend wurde. In diesem Beispiel wurde nur eine Elektronenkanone für eine fortlaufende Abstrahlung des Elektronenstrahls verwendet; selbstverständlich können jedoch auch eine Anzahl Elektronenkanonen verwendet werden, um eine Anzahl Stellen oder Zonen gleichzeitig zu bombardieren und dies kann auch mit impulsförmigen Elektronenstrahlbeschüssen erreicht werden.

Bei dem Beispiel ist somit, wie in Fig.3 dargestellt, die erste η-leitende epitaxiale Schicht 20 auf dem Substrat 2 unter den vorbeschriebenen Bedingungen aufgewachsen, und danach ist dann die zweite η-leitende Schicht 21 unter den gleichen Bedingungen aufgewachsen, wobei mittels des Elektronenstrahls gleichzeitig die geforderte Zone 22 beschossen worden ist. Nur die vorher ausgewählte Zone 22 wird auf eine höhere Temperatur erhitzt und wird dadurch p-leitend. In ähnlicher Weise können aufeinander eine Anzahl epitaxialer Schichten auf wachsen.

Gemäß der Erfindung kann eine epitaxiale Schicht einer bestimmten Leitfähigkeit und mit einer gleichmäßigen Stärke zusammen mit vorher ausgewählten Stellen oder Zonen der entgegengesetzten Leitfähigkeit aufwachsen und es können ferner nacheinander eine Anzahl epitaxialer Schichten übereinander auf der Substratoberfläche aufwachsen. Dps heißt_fdurch ein einziges Verfahren kann eine epitaxiale Schicht der einen

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Leitfähigkeit zusammen mit einer oder einer Anzahl vorher ausgewählter Stellen oder Zonen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufwachsen. Die Stellen oder Zonen der ent gegengesetzten Leitfähigkeit können frei gewählt werden, so daß die dreidimensionalen Halbleiter frei bemessen und hergestellt werden können.

Die zweite, in Fig.k dargestellte Ausführungsform weist im wesentlichen den in Fig.l dargestellten Aufbau auf, außer daß statt des Elektronenstrahls ein Laserstrahl auf die Substratoberfläche gerichtet wird. In dieser Ausführungsförm wird der von einem Argonlaser 15 abgegebene Laserstrahl 16 mittels eines Spiegels 17 durch einen Laserstrahldurchgang 19 auf die Substratoberfläche gerichtet, um eine bestimmte Stelle örtlich zu erwärmen. In dieser Einrichtung wächst die erste η-leitende Schicht 20 auf dem Substrat 2 unter denselben Bedingungen wie die bei dem in Verbindung mit der in Fig, 1 dargestellten Einrichtung beschriebenen Beispiel; danach wächst die zweite η-leitende epitaxiale Schicht 21 unter denselben Bedingungen bei einem Beschüß in der (110)-Richtung durch den Laserstrahl 16 auf. Die dem Laserstrahlbeschuß ausgesetzte Stelle oder Zone wird dann p-leitend.

Anhand von Fig.5 wird ein Beispiel zum Ändern des Verhältnisses zwischen den III-V-Verbindungen bei Verwendung der in Fig.l dargestellten Einrichtung beschrieben. Bei den epitaxialen Aufwachsen des Mischkristalls GaAs P₁ mittels der

Ji X ^ Ji

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GaP- und GaAs-Molekularstrahlen ist es bekannt, daß die folgende Beziehung einzuhalten ist:

ι - χ

wobei k/l-x gleich dem Verhältnis As zu P_n in der epitaxialen Schicht, P. /P₁₃ das Verhältnis der Intensität des As₀-

^AS2 ^F2 ²

Molekülarstrahls zu der Intensität des P₀-Molekularstrahls ist und K = k,2 ist.

Versuche haben gezeigt, daß die Substratoberfläche bezüglich des Elements der Gruppe V stabilisiert ist, wenn die epitaxialen Schichten unter den vorbeschriebenen Bedingungen aufgewachsen sind. Wenn jedoch der Ga-Molekularstrahl zusätzlich verwendet wurde, wurde die Proportionalitätskonstante K verkleinert. Insbesondere wurden die Temperatur des Substrats und die Intensität der III-V-Molekularstrahlen so festgelegt, daß das Substrat bezüglich des Elements der Gruppe V stabilisiert, war. Danach wurde die geforderte Stelle oder Zone auf der Substratoberfläche dem Elektronenbeschuß ausgesetzt, so daß sie bezüglich des Elements der Gruppe III stabilisiert wir de. Das Verhältnis (x) der hinsichtlich des Elements der Gruppe V stabilisierten, epitaxialen Schicht unterscheidet sich von dem Verhältnis der bezüglich des Elements der Gruppe III stabilisierten, epitaxialen Schicht. Dies ist im einzelnen in Verbindung mit dem Aufwachsen der epitaxialen Schicht aus

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GaAs P₁ auf der (OOl)-Oberflache des GaAs-Substrats beschrieben.

Wie in Fig.5 dargestellt, wurde ein rechteckiges GaAs-Substratplättchen vorbereitet, welches entlang der (001)-Ebene geschnitten worden ist, wobei die Schnittflächen in den (110)· und den (110)-Richtungen verlaufen. Die Substratoberfläche wurde mit Diamantpaste poliert, mit einer Brom-Methanol-Lösung geätzt und dann an dem Revolverkopf k angebracht. Hierauf wurde GaP in die Molekularstrahlkanone 7a und GaAs in die Kanone 7b gefüllt. Die in Fig.1 dargestellte Vakuumkammer 1 wurde auf ein entsprechendes Vakuum gebracht und dann zehn Stunden lang erhitzt, um Gase zu beseitigen. Danach wurde die Substraoberflache einer Argonbesprühung ausgesetzt, und die Vakuumkammer 1 wurde auf ein hohes Vakuum gebracht. Das Substrat 2 wurde dann zum Ätzen seiner Oberfläche auf 630 C gebracht. Danach wurde die Substratoberfläche mittels der Ionenzerstäubungseinrichtung 5 einer Ionenätzung ausgesetzt. Die atomar reine Substratoberfläche wurde dann mittels des Analysators 13 bestätigt. Das Substrat 2 wurde dann auf 63O C gehalten und es wurde flüssiger Stickstoff eingebracht. Die GaAs-Molekularstrahlkanone wurde auf 83O C und die GaP-MoIekularStrahlkanone auf 800°C erhitzt. Der Verschluß Ik wurde dann geöffnet, um die GaAs- und die GaP- Molekularstrahlen auf die Substratoberfläche zu richten, damit eine epitaxiale Schicht kO aufwächst. Danach wurden die GaAs- und Ga-P₃-MoIekularstrahlen gleichzeitig auf die Substratoberfläche gerich-

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tet, wenn mittels des Elektronenstrahls mit einer Geschwindigkeit von 3keV und einem Durchmesser von etwa 200 ,um eine ausgewählte Stelle k2 in der (110)-Richtung beschossen wurde. Die dem Elektronenstrahlbeschuß ausgesetzte Stelle oder Zone enthielt mehr P als die Zone, welche dem Elektronenstrahlbeschuß nicht ausgesetzt war. In diesem Beispiel wurde der Elektronenstrahl 30 getastet,· selbstverständlich kann aber auch die Elektronenstrahlkanone so angeordnet sein, daß nur eine ausgewählte feste Stelle beschossen wird, und es können auch impulsförmige Elektronenstrahlbeschüsse vorgesehen sein. Zusätzlich zu den Ga-As- und Ga-P-Molekularstrahlen wurde ein Al-Molekularstrahl zum Aufwachsen der epitaxialen Schicht von vier Elementen verwendet. Die Ga-As- und Ga-P-MolekularstrahL-kanonen wurden auf die vorbeschriebenen Temperaturen erwärmt, und eine Al-MolekularStrahlkanone wurde auf 96O C erwärmt.

/Gruppe

Die hinsichtlich des Elements der V stabilisierte Substratoberfläche wurde dann dadurch erhalten. Wenn die Elektronenstrahlintensität so gesteuert wurde, daß die hinsichtlich des Elements der Gruppe III stabilisierte Oberfläche erhalten wurde, dann wurde festgestellt, daß der Gehalt an P in der dem Elektronenstrahlbeschuß ausgesetzten Zone größer ist als der Gehalt der Zone, welche dem Elektronenstrahlbeschuß nicht ausgesetzt war.

Wie vorbeschrieben, können gemäß der Erfindung durch eine epitaxiales Aufwachsen epitaxiale Schichten mit einer Zone oder einer Anzahl Zonen mit verschiednen Zusammensetzungsverhält-

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nissen aufwachsen, und die Zone oder die Zonen mit verschiedenen Zusammensetzungsverhältnissen können frei in dem dreidimensionalen Raum gewählt werden. Bei den herkömmlichen lithographischen Verfahren, bei welchen eine Schicht nur in einer vorher ausgewählten zweidimensionalen Zone aufwächst, wird die Schichtoberfläche unvermeidlich abgestuft. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch eine epitaxiale Schicht mit ebener Oberfläche aufwachsen, und es kann eine mehrlagige epitaxiale Schicht erhalten werden, in welcher eine oder eine Anzahl epitaxialer Schichten mit verschiedenen Zusammensetzungsverhältnissen an irgendwelchen geforderten Stellen und in einer geforderten Stärke frei aufwachsen können. Infolgedessen können dreidimensionale Halbleiter geplant und hergestellt werden, so daß hierdurch neue und verbesserte elektronische Einrichtungen geschaffen werden können.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

{ 1.j Molekularstrahl-Epitaxie, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Hauptoberfläche eines KristallsubstratSj welches im Vakuum auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt ist, ein erster Molekularstrahl, welcher Elemente aufweist, die eine Verbindungshalbleiterschicht bilden, und ein zweiter Molekularstrahl gerichtet werden, welcher ein Dotierelement aufweist, wobei eine ausgewählte Zone der einen Hauptebene des Substrats durch die konzentrierte Energie erhitzt wird, wodurch die ausgewählte Zone eine Leitfähigkeit haben kann, welche der des übrigen Bereichs entgegengesetzt ist.
2. Molekularstrahl-Epitaxie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungshalbleiterschicht eine III-V-Halbleiterschicht aufweist.
3. Molekularstrahl-Epitaxie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dall die Elemente, welche die Verbindungshalbleiterschicht bilden, 6a und As sind.
4. Molekularstrahl-Epitaxie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallsubstrat ein 6a-As-Kristallsubstrat aufweist.

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5· Molekularstrahl-Epitaxie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die konzentrierte Energie ein Elektronenstrahl ist.
6. Molekularstrahl-Epitaxie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrierte Energie ein Laserstrahl ist.
7. Molekularstrahl-Epitaxie nach Anspruch 1, dadurch g e kennz ei chn e t, daß die ausgewählte Zone p-leitend ist, während der übrige Bereich η-leitend ist.
8. Molekularstrahl-Epitaxie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierelement Ge ist.
9. Molekularstrahl-Epitaxie, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Hauptfläche eines Kristallsubstrats, welches auf eine vorbestimmte Temperatur vorerwärmt ist, eine Anzahl Molekularstrahlen gerichtet werden, welche eine Anzahl Elemente aufweisen, um eine Verbindungshalbleiter-Mischkristallschicht zu bilden, während eine vorher ausgewählte Zone einer Hauptfläche mittels konzentrierter Energie erwärmt wird, wodurch die vorher ausgewählte Zone eine Mischkristallzusanunensetzung aufweist, welche von der des übrigen Bereichs verschieden ist.
10.Molekularstrahl-Epitaxie nach Anspruch 9» dadurch g e -

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k e η η ζ eichnet, daß die chemische, halbleitende Mischkristallschicht eine chemische, halbleitende III-V-Mischkristallschicht aufweist.
11. Molekularstrahl-Epitaxie nach Anspruch 9i dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Halbleiterschicht GaAs P. aufweist, und daß die Größe χ in der vorher ausgewählten Zone kleiner als die Größe χ in dem übrigen Bereich ist.
12. Molekularstrahl-Epitaxie nach Anspruch 9i dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallsubstrat ein GaAs-Kristallsubstret aufweist.

13· Molekularstrahl-Epitaxie nach Anspruch 9» dadurch g ekennzeichnet, daß die konzentrierte Energie ein Elektronenstrahl ist.

1^. Molekularstrahl-Epitaxie nach Anspruch 9i dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrierte Energie ein Laserstrahl ist.

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