DE2529747B2 - Verfahren zur Erzeugung von epitaktischen Aufwachsungen aus der flüssigen Phase - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von epitaktischen Aufwachsungen aus der flüssigen Phase

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von epitaktischen GaAs- und Al^Gai-,As-Aufwachsungen (0<χ<1) aus der flüssigen Phase, wobei man in einem Reaktionsrohr unter Hindurchleiten eines reduzierenden Gases oder Inertgases entsprechende Schmelzen mit Hilfe eines Gleitschiffchens der Reihe nach mit einem Substrat in Berührung bringt.
Es wurden bereits zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Gruppe-III-V-Halbleitern durch Aufwachsenlassen epitaktischer Kristallschichten aus der flüssigen Phase vorgeschlagen; Beispiele dafür sind das Nelson-, Gleitschiffchen- und Drehschiffchenverfahren. B. I. Miller, E. Pinkas, I. Hayashi und R. J. Capik berichteten, daß sich ein GaAs-Al^}ai-,As-Doppel-Heterostruktur (DH)-Injektionslaser durch Züchtung epitaktischer Kristalle aus der flüssigen Phase herstellen läßt (vgl. J. Appl. Phys. Band 43, Nr. 6 [Juni 1972], Seiten 2817—2826). Bei der herkömmlichen Gleitschiffchenmethode (einem mit einem Gleitschiffchen bzw. Führungsschlitten arbeitenden Verfahren zur Züchtung epitaktischer Kristalle aus der flüssigen Phase) verwendet man beispielsweise als Substrat einen GaAs-Einkristall und als Schmelze eine Lösung aus Ga, GaAs, Al und einem Dotierungsmittel in Form von Te, Zn oder Ge. Die Komponenten werden in solchen Anteilen eingewogen, daß das Mengenverhältnis der Bestandteile der epitaktischen Schicht den gewünschten Wert erreicht. Man gibt das GaAs-Einkristall-Substrat und die vorgenannte Lösung in ein Quarz-Reaktionsrohr, in welchem eine reduzierende oder inerte Atmosphäre (wie von Wasserstoff oder Argon) herrscht und erhitzt auf eine hohe Temperatur. Nachdem man die ternäre Lösung von Al-Ga-As eine zeitlang bei einer bestimmten Temperatur gehalten und in den Gleichgewichtszustand gebracht hat, bringt man sie mit dem Substrat in Berührung. Bei der anschließend mit richtiger Geschwindigkeit vorgenommenen Abkühlung scheidet sich aus der Lösung infolge von Übersättigung ein AljGai-jtAs-Kristall einer vorbestimmten Zusammensetzung auf das GaAs-Einkristall-Substrat ab. Auf diese Weise bildet sich am Substrat eine epitaktische Schicht.
ίο Um mehrere Schichten nach dem vorgenannten Gleitschiffchenverfahren aufwachsen zu lassen, bringt man eine das Kristallwachstum bewirkende Lösung extrem kurzzeitig (z. B. 0,5 Sek. oder kurzer) mit dem Substrat in Berührung und entfernt sie sofort nach Kristallbildung. Anschließend verwendet man eine weitere Lösung für die nächste Kristallzüchtung, mit deren Hilfe man die zweite epitaktische Kristallschicht auf das Substrat abscheidet. Durch wiederholte Vornahme dieses Arbeitsprozesses erhält man schließlieh die gewünschte Gesamtstruktur epitaktischer Aufwachsschichten. Bei der aus der flüssigen Phase erfolgenden Züchtung epitaktischer GaAs- oder AlGaAs-Kristallschichten auf der GaAlAs-Kristallschicht läßt sich jedoch häufig kein gleichmäßiges Wachstum erzielen. Selbst wenn die epitaktische Züchtung in einer Wasserstoffatomosphäre durchgeführt wird, wobei man die Oberfläche einer AlGaAs-Schicht, auf der eine epitaktische Kristallschicht aufwachsen soll, 30 Sek. oder länger der Wasserstoffatmosphäre aussetzt, erfolgt kein gleichmäßiges epitaktisches Kristallwachsen einer GaAs- oder AlGaAs-Schicht auf der AlGaAs-Oberfläche. Diese Tendenz macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn der Aluminiumgehalt der GaAlAs-Schicht mehr als 10% beträgt. Dies ist vermutlich auf die Verunreinigung (Oxidation) des Aluminiums durch einen geringen Fremdsubstanzanteil (Sauerstoff) in der Wasserstoffatmosphäre zurückzuführen.
Wenn von einer aus der flüssigen Phase erzeugten epitaktischen Kristallaufwachsschicht bei einer Halbleitervorrichtung Gebrauch gemacht wird, kommt es häufig vor, daß die AlGaAs-Schicht der Luft ausgesetzt wird. Für einen derartigen Fall wurde es bisher als unmöglich erachtet, eine epitaktische GaAs- oder AlGaAs-Kristallschicht aus der flüssigen Phase aufwachsen zu lassen. Dieses Problem wird auch von dem Verfahren nach der DE-AS 21 47 657 nicht gelöst. Dabei handelt es sich um ein Verfahren der Flüssigphasen-Schmelzepitaxie von GaAs, wobei die epitaktische,
so Gallium als Hauptkomponente enthaltende Lösung durch Einführen von AsCU in die epitaktische Lösung mit Arsen gesättigt wird. Dabei reagiert das AsCb mit H2, das zur Bildung von As4 und HCl eingeführt wird, wobei die Galliumschmelze mit dem so erzeugten AS4 gesättigt wird. Die Qualität des nach dem bekannten Verfahren erhaltenen Produktes läßt ferner zu wünschen übrig.
Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Ausgabe zugrunde, das eingangs wiedergegebene Verfahren so auszugestalten, daß es selbst dann durchführbar ist, wenn die AlGaAs-Schicht der Luft ausgesetzt oder verschiedenen Nachbehandlungen (z. B. einer Ätzung) unterworfen wurde, wobei nach diesem Verfahren ein Produkt
b5 erhältlich sein soll, das eine hohe Überga.ngsqualität mit weniger Fehlern an den Grenzflächen zwischen dem Substrat und der ersten epitaktischen Schicht sowie zwischen den epitaktischen Schichten besitzt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man bei der epitaktischen Abscheidung auf einer AljGai -»As-Schicht zusammen mit dem reduzierenden Gas oder dem Inertgas gasförmiges GaCl durch das Reaktionsrohr leitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet in Gegenwart einer GaCI-Atmosphäre, die das »Benetzen« an cien Grenzflächen zwischen der Substratoberfläche und der epitaktischen Lösung und zwischen der gebildeten epitaktischen Schicht und der epitaktischen Lösung merklich verbessert, was zur Herstellung einer qualitativ hochwertigen epitaktischen Schichtstruktur führt.
Schließlich wird durch die Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Züchtung einer epitaktischen GaAs- oder AlGaAs-Schicht aus der flüssigen Phase auf der AlGaAs-Schicht mit vorbestimmten Anteilen geschaffen, das sich zur Erzeugung von Elementen des verdeckten bzw. eingebetteten Typs (wie Halbleiterlasen·, Lichtemissionsdioden oder Lichtleitern) anwenden läßt, wobei eine Elementstruktur (insbesondere mit einer aktiven Schicht) mit einer Deckschicht versehen und zuvor der Luft ausgesetzt und verschiedenen Behandlungen unterworfen werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung für die Züchtung eines epitaktischen Kristalls aus der flüssigen Phase gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
F i g. 2 zeigt ebenfalls eine Vorrichtung zur Züchtung eines epitaktischen Kristalls aus der flüssigen Phase gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig.3a bis 3f erläutern die aus der flüssigen Phase erfolgende Züchtung einer vierschichtigen epitaktischen Kristallstruktur nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig.4a und 4b veranschaulichen den Zustand der Rückstände auf gemäß dem Stand der Technik bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Scheiben (Wafers);
F i g. 5a und 5b zeigen Querschnitte durch die erfindungsgemäß bzw. nach der herkömmlichen Methode erzeugten epitaktischen Wafers;
F i g. 6 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der angelegten Spannung und MC2 eines p-n-Übergangs (der durch Aufwachsenlassen einer epitaktischen AlojGao^As-Schicht aus der flüssigen Phase auf ein AlujGaojAs-Substrat nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurde), und
F ι g. 7a bis 7c erläutern die erfindungsgemäße Herstellung eines Elements des eingebetteten (»buried«) Typs.
Die nachstehende beispielhafte Erläuterung dient dem besseren Verständnis der Erfindung. F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, mit deren Hilfe ein epitaktisches Kristall aus der flüssigen Phase mit Hilfe eines Gleitschiffchens bzw. Führungsschlittens auf ein Halbleitersubstrat aufwachsen gelassen wird. Im Reaktionsrohr t ist der aus Kohle bestehende Schiffsbzw. Führungskörper (Gleit-Schiffchen) 2 angebracht. Der ebenfalls aus Kohle bestehende Gleiter bzw. Schlitten 3 ist am Schiffskörper 2 in dessen Längsrichtung gleitfähig montiert und kann mit Hilfe der an einem Ende des Schlittens 3 angebrachten Schubstange 4 bewegt werden. Im Schlitten 3 befinden sich vier Schmelzebehälter 6, die zur Aufnahme der für die Flüssigphasen-Züchtung eingesetzten Chargen der Schmelzen I1II, III bzw. IV dienen. Die Schmelzchargen werden so angeordnet, daß sie nach Maßgabe der Verschiebung des Schlittens 3 mit dem im Schiffskörper 2 befindlichen einkristallinen Halbleitersubstrat 5 richtig
ο in Berührung kommen. In der Nähe eines Endes des Schiffskörpers 2 befindet sich das Körbchen 7, in welchem sich das Galliummetall 8 befindet.
Das Reaktionsrohr 1 kann von einer Seite her mit Wasserstoff und Arsentrichloridgas beschickt werden.
ίο Beim Betrieb wird gereinigter Wasserstoff zunächst durch das Rohr 9, anschließend — unter Betätigung der beiden Dreiwegehähne 10 bzw. 11 — in den Strömungsregler 12 oder das Durchperlungsgefäß 13 und schließlich durch das Rohr 14 in das Reaktionsrohr 1 geleitet. Im Durchperlungsgefäß 13 befindet sich flüssiges AsCb 15, das in Gasform zusammen mit dem Wasserstoff durch das Rohr 14 in das Reaktionsrohr 1 eingespeist wird. Am anderen Ende des Reaktionsrohres 1 befindet sich der Auslaß 16, über welchen die im Reaktionsrohr 1 befindlichen Gase durch das Rohr 17 nach außen abgelassen werden können.
Es soll nun die Arbeitsweise der Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Züchtung epitaktischer Kristallschichten erläutert werden. Das mit Silizium dotierte n-GaAs-Einkristall-Substrat 5, dessen Abmessungen
10 mm χ 10 mm χ 0,5 mm betragen, wird an einer vorbestimmten Stelle des Schiffskörpers 2 befestigt. Das Substrat 5 wurde durch Zerschneiden des n-GaAs-Einkristalls an der < 001 >-Ebene, Abschleifen der
jo erhaltenen Einkristallfläche in einem Ausmaß von 20 μ mit Aluminiumoxid einer Korngröße von etwa 5 μ, anschließendes Abschleifen mit Aluminiumoxid einer Korngröße von 0,3 μ bis zur Erzielung einer spiegelblanken Beschaffenheit, Ätzen mit einer lO°/oigen Brom/Methanollösung und Abätzen der Einkristallfläche in einem Ausmaß von 10 μ hergestellt. Die Schmelzbehälter 6 des Schlittens 3 werden mit der Schmelze I (enthaltend 4 g Ga, 0,22 g GaAs, 0,004 g Al und 0,0005 g Te), der Schmelze II (4 g Ga, 0,26 g GaAs und 0,0005 g Te), der Schmelze III (4 g Ga, 0,20 g GaAs, 0,004 g Al und 0,08 g Ge) und der Schmelze IV (4 g Ga, 0,25 g GaAs und 0,08 g Ge) von der linken Seite her in der angegebenen Reihenfolge beschickt. Anschließend befinden sich die Schmelzen innerhalb des Reaktionsrohrs 1 in der durch F i g. 3a veranschaulichten Position. Hierauf wird die im Reaktionsrohr befindliche Gasatmosphäre mit Hilfe einer Vakuumpumpe abgesaugt, bis der Druck im Reaktionsrohr etwa 10~3 Torr beträgt. Danach leitet man mit Hilfe eines Palladiumfilms
so gereinigtes Wasserstoffgas ein. Nachdem man sich überzeugt hat, daß der Wasserstoffdruck im Reaktionsrohr 1 den Außendruck übersteigt, öffnet man einen am Rohr 17 angebrachten (nicht gezeigten) äußeren Hahn in dem Maße, daß im Reaktionsrohr 1 ein ständiger Wasserstoffstrom von etwa 200 cmVmin herrscht. Man gibt das Reaktionsrohr 1 in einen elektrischen Ofen und stellt dessen Temperatur so ein, daß der Schiffskörper 2 eine Temperatur von 870° C erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Temperatur am gesamten Schiffskörper 2, dessen Länge etwa 200 mm beträgt, gleichmäßig gehalten (maximale Temperaturschwankung ±0,5° C).
Wenn die durch ein im Schiffskörper 2 angebrachtes Thermoelement angezeigte Temperatur 800° C übersteigt, senkt man die Durchflußmenge des Wasserstoffs auf 30 cm3/min und öffnet die an beiden Seiten des Durchperlungsgefäßes 13 befindlichen Hähne 10 bzw.
11 so weit, daß das Wasserstoffgas das Gefäß 13, in dem
sich flüssiges Arsentrichlorid befindet, durchströmen kann. Die Folge ist, daß ein AsCb-Gas enthaltender Wasserstoffstrom in das Reaktionsrohr 1 eingespeist wird. Dieses Mischgas reagiert bei den im Reaktionsrohr herrschenden Temperaturen zu HCI und As4-Gas. Das As4 wird durch das in der Nähe des Schiffskörpers 2 befindliche Gallium 8 adsorbiert, während der Chlorwasserstoff mit dem Gallium 8 zu einem Subhalogenid von GaCl reagiert. Es muß eine für die vorgenannten Umsetzungen ausreichende Galliummenge (z. B. 20 g) vorhanden sein. Das GaCl wird durch den Wasserstoffstrom zum Schiffskörper 2 übergeführt und ätzt vermutlich die Außenflächen der Schmelzen 6 und die Oberflächenschicht des GaAs-Substrats 5 an, wodurch vorhandene Oxidfilme beseitigt und die Bildung neuer Oxidfilme verhindert werden.
Die Vorrichtung wird unter den vorgenannten Bedingungen etwa 20 Min. bei 870°C gehalten, anschließend allmählich (rC/min) auf 845°C abgekühlt, 20 Min. bei 845°C gehalten und schließlich allmählich (0,5°C/min) weiter abgekühlt. Wenn die Vorrichtung eine Temperatur von 8400C erreicht hat, verschiebt man den Schlitten 3 bis zu der in F i g. 3b gezeigten Stellung, bei der die Schmelze I mit dem GaAs-Substrat 5 in Berührung kommt; die Folge ist, daß die erste Schicht am Substrat 5 zu wachsen beginnt. Man läßt die erste Schicht so lange aufwachsen, bis die Temperatur der Vorrichtung auf 8300C abgesunken ist. Anschließend schiebt man den Schlitten 3 weiter und bringt die Schmelze II mit dem Substrat 5 in Berührung (vgl. F i g. 3c), um die zweite Schicht aufwachsen zu lassen. Man läßt das Wachstum der zweiten Schicht so lange erfolgen, bis die Temperatur der Vorrichtung auf 829,5° C abgesunken ist (eine Minute). Danach bringt man alsbald die Schmelze III gemäß Fig.3d mit dem Substrat 5 in Kontakt und läßt die dritte Schicht bis zum Absinken der Temperatur der Vorrichtung auf 822°C aufwachsen. Als nächstes bringt man die Schmelze IV gemäß F i g. 3e mit dem Substrat 5 in Berührung und läßt somit die vierte Schicht aufwachsen, bis die Temperatur 82O0C erreicht hat. Schließlich wird das Substrat abgewischt, damit der epitaktische Wachstumsprozeß zum Abschluß kommt (vgl. Fig.3f). Zu diesem Zeitpunkt schließt man die Hähne 10 und 11, damit das Reaktionsrohr 1 lediglich von gereinigtem Wasserstoff mit einem Durchsatz von 200cm3/min durchströmt wird. Anschließend entnimmt man das Reaktionsrohr 1 aus dem elektrischen Ofen. Man erhält eine Halbleitervorrichtung mit einem GaAs-Substrat, auf das eine erste Alo.osGao.gsAs-Schicht, eine zweite GaAs-Schicht, eine dritte Alo.osGao.gsAs-Schicht und eine vierte GaAs-Schicht aufgebracht sind.
Im vorstehend beschriebenen Beispiel wurde AsCb zusammen mit Wasserstoff eingesetzt. Auch bei Verwendung von GaCLi oder HCI anstelle von AsCb oder von Argon anstelle von Wasserstoff bildet sich jedoch letztlich im Wachstums-Reaktionsbereich GaCI-Gas. Auch in diesen Fällen läßt sich die Erfindung somit in die Praxis umsetzen, wobei ähnliche Resultate wie im vorstehenden Beispiel erzielt werden.
F i g. 2 erläutert eine Ausführungsform, bei dem gasförmiges AICIj, NH«F oder NH4CI dem reduzierenden Wasserstoffgas beigemischt wird. Die in F i g. 2 gezeigte Vorrichtung zur Züchtung epitaktischer Kristalle aus der flüssigen Phase unterscheidet sich von jener der Fig. 1 in den folgenden Merkmalen. Gemäß F i g. 1 ist das Gallium 8 im Reaktionsrohr 1 angeordnet, während gemäß Fig.2 AICI3, NH4F oder NH4CI innerhalb des Reaktionsrohres 1 an einer von Wasserstoffstrom erfaßten Stelle angeordnet sind. Be der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung werden ferner dei Strömungsregler 12 und das Durchperlungsgefäß 1:
") nicht benötigt. Die Bau- und Arbeitsweise de:
Kohle-Schiffskörpers 2, des Kohle-Schlittens 3, dei Schmelzebehälter 6 u. a. sind gleich wie gemäß der F i g. 1 und 3.
Beim Betrieb der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtunf wird der Schiffskörper 2, in dem das Substrat ί angebracht ist und auf dem der Schlitten 3 montiert ist im Reaktionsrohr 1 fest angebracht. Der Schlitten 1 enthält Chargen der Schmelzen 6'. In einer geeigneter Distanz vom Schiffskörper 2 befindet sich das Körbcher
r> 18, welches das Aluminiumchlorid (AICI3) 19 enthält Anschließend wird gereinigter Wasserstoff über der H2-Einlaß 20 analog Fig. 1 in das Reaktionsrohr 1 eingespeist und über den Auslaß 16 abgelassen, so dai ein gleichbleibender Wasserstoffstrom erzielt wird Danach gibt man die gesamte Vorrichtung in einer elektrischen Ofen und züchtet analog den F i g. 1 und 2 auf dem Substrat 5 mehrere epitaktische Kristallschich ten. Dabei wird ein geeigneter Anteil des im Körbcher 18 befindlichen Aluminiumchlorids bei einer vorbe
2) stimmten Temperatur verdampft und durch der Wasserstoffstrom zum Schiffskörper 2 übergeführt. Da: Aluminiumchlorid wirkt beim Kontakt des kristalliner Substrats 5 mit der Schmelze 6' als Fließmittel, das di< Benetzung des Substrats mit der Schmelze verbessert Man erhält eine Halbleitervorrichtung, bei der di< Oberflächen des kristallinen Substrats und der einzelner Schichten eine gute Qualität aufweisen.
Auch bei Verwendung von Ammoniumfluorid ode Ammoniumchlorid anstelle von Aluminiumchlorid ode von Argon anstelle von Wasserstoff läßt sich di< Erfindung in ähnlicher Weise in die Praxis umsetzer wobei entsprechende Resultate wie bei dem durcl F i g. 2 erläuterten Beispiel erzielt werden.
Anschließend werden zum Vergleich der Ergebnisse die mit Hilfe der erfindungsgemäßen bzw. de herkömmlichen Methode zur Züchtung epitaktische Kristalle erzielt werden, eine AlojGaojAs-Schicht um eine GaAs-Schicht epitaktisch auf ein GaAs-Substrat'. unter denselben Bedingungen wie gemäß Fig.
aufwachsen gelassen, wobei man jedoch lediglicl Wasserstoffgas und kein AsCb in das Reaktionsrohr einspeist. Wie F i g. 4a zeigt, weist die Oberfläche eine nach dieser herkömmlichen Methode gezüchtete! epitaktischen Kristallschicht 21 einen Rest-Oxidfilm 2.
auf. Demgegenüber zeigt die Oberfläche einer erfin dungsgemäß (Beispiel gemäß Fig. 1) gezüchtetei epitaktischen Kristallschicht 21 keinen Rest-Oxidfiln (vgl. F i g. 4b).
Die F i g. 5a und 5b zeigen die Oberflächenbeschaf fenheit von nach dem erfindungsgemäßen Verfahrei bzw. nach dem herkömmlichen Verfahren gezüchtetei epitaktischen Kristallschichten. Bei der in Fig.5; veranschaulichten Halbleitervorrichtung wurde eini AlojGaojAs-Schicht 24 epitaktisch auf ein GaAs-Sub
fao strat 23 aufwachsen gelassen und der Luft ausgesetz wonach eine Alo.osGao.isAs-Schicht 25 gemäß Fig. epitaktisch auf dem Substrat bzw. auf der erstgenannte! Schicht abgeschieden wurde. Die Oberfläche de Alo.osGaossAs-Schicht 25 erwies sich als völlig glatt. In
br> Gegensatz dazu weist eine epitaktische Alo.osGaossAs Schicht, welche unter analogen Bedingungen, jedocl ohne Einführung von GaCb, HCI oder AsCb in da Reaktionsrohr 1 gezüchtet wurde, an der Oberfläch
zahlreiche insel- oder pyramidenförmige Alo.osGao.qsAs-Kristalle 26 auf (vgl. Fig. 5b). Eine starke Tendenz zur Bildung einer solchen inselförmigen epitaktischen Aufwachsschicht 26 besteht insbesondere dann, wenn der Wafer mit der Luft in Berührung kommt sowie wenn er einen erhöhten Aluminiumgehalt aufweist. Wenn man den Wafer längere Zeit der Luft aussetzt, stößt selbst die Erzeugung einer inselförmigen Aufwachsschicht 26 auf Schwierigkeiten. Im Gegensatz dazu kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren selbst dann eine Al»Gai _,As-Schicht 24 oder eine GaAs-Schicht mit gleichmäßiger bzw. glatter Oberfläche, wie in Fig.5a gezeigt, erzeugt werden, wenn die AI*Gai-»As-Schicht 24 längere Zeit der Luft ausgesetzt wurde.
Um nachzuweisen, daß die Oberfläche der epitaktischen Aufwachsschicht einer erfindungsgemäß hergestellten Halbleitervorrichtung glatt ist und daß daher eine gute Übergangsqualität mit weniger Grenzflächenfehlern erzielt wird, wurde ein p-n-Übergang durch epitaktisches Aufwachsenlassen einer Alo.3Gao.7As-Schicht auf eine A^Ga^As-Schicht erzeugt. Die C- ^-Beziehung dieses p-n-Übergangs wurde gemessen; die Ergebnisse sind in Fig. 6 graphisch dargestellt, in der die Gerade A einer Diode mit einer Fläche von 350 μ χ 460 μ und die Gerade B einer Diode mit einer Fläche von 460 μ χ 460 μ zugeordnet sind. Aus F i g. 6 geht hervor, daß die Werte für 1/C2 bei beiden Dioden eine im wesentlichen lineare Funktion der angelegten Spannungen darstellen, wobei die Eigenspannung (built-in-voltage) von 1,9 V den Ausgangspunkt bildet. Bei einem plötzlichen bzw. sprunghaften Übergang errechnet sich die Sperrschicht- bzw. Verarmungsrandschichtkapazität »C« nach folgender Gleichung (vgl. S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley and Sons Inc., 1969, Seite 90)
in der V^ die Eigenspannung, + V die angelegte Spannung, qdie Elektronenladung, ts die Dielektrizitätskonstante und Nb die effektive Dichte einer verwendeten Verunreinigung bedeutet. Die obige Gleichung kann somit auch wie folgt geschrieben werden:
c~
V).
Man erkennt, daß der sprunghafte Übergang bei einer linearen 1/C2-V-Beziehung gleichmäßig ist.
Ferner wurde zur Feststellung des Vorliegens von Grenzflächenfehlern am Übergang der erfindungsgemäß hergestellten Halbleitervorrichtung ein Photolumineszenz-Strahlungsdiagramm von dieser aufgenommen. Es wurde ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Diagramm erhalten, woraus hervorgeht, daß der Übergang der Halbleitervorrichtung keine Grenzflächenfehler aufweist. Demgegenüber war das Photolumineszenzdiagramm der in herkömmlicher Weise hergestellten Halbleitervorrichtung ungleichmäßig ausgeleuchtet und wies zahlreiche dunkle Flecken (mindestens lOVcm2) auf. Bei der Aufnahme der Strahlungsdiagramme wurde davon Gebrauch gemacht, daß eine AI»Gai _*As-Schicht mit Af-0,3 bis 0,4 Licht mit einer Wellenlänge von 6700 A oder darüber hindurchläßt, während eine GaAs-Schicht für Licht mit einer Wellenlänge von 9000 A oder darunter nicht durchlässig ist. Die Photolumineszenzdiagramme wurden dadurch erhalten, daß man die Oberfläche des GaAs-Substrats durch die Al,Gai - ,As-Schicht mit einer diese Schicht, nicht jedoch das GaAs-Substrat durchdringenden Lichtart (beispielsweise Licht einer Wellenlänge von 6764 A 3 oder einer Wellenlänge von 7993 A eines Krypton-Lasers) anregte, den vom Substrat emittierten Lichtstrahl mit Hilfe einer Objektivlinse verbreiterte, das vergrößerte Lichtbild mit einem IR-empfindlichen Vidicon auffing und mit einem Fernsehmonitor aufzeichnete.
in Die Oberfläche der erfindungsgemäß erzeugten epitaktischen Schicht ergab nicht nur keine dunklen Flecken am Photolumineszenzdiagramm, sondern wies auch eine geringere Fehlerdichte auf. Letztere betrug höchstens 102/cm2, während die Oberfläche der in
ii herkömmlicher Weise erzeugten epitaktischen Schicht eine Fehlerdichte von lOVcm2 besaß.
Das nachstehende Beispiel erläutert die erfindungsgemäße Herstellung eines Elements des verdeckten bzw. eingebetteten Typs. Bisher wurde es als schwierig
2» angesehen, eine epitaktische GaAs- oder AltGai -,As-Schicht direkt aus der flüssigen Phase auf ein AI,Gai-.,As-Substrat aufwachsen zu lassen. Eine derartige direkte epitaktische Züchtung wurde insbesondere dann für unmöglich gehalten, wenn das Al,Gai-»As-Substrat der Luft ausgesetzt worden war. Die herkömmliche Arbeitsweise bestand daher darin, die Oberfläche des A^Gai^As-Substrats aufzuschmelzen und anschließend die epitaktische Züchtung durchzuführen. Zu diesem Zweck brachte man eine zum
jo Aufschmelzen des Substrats bzw. zur Züchtung der ersten Schicht dienende Schmelze mit dem Al^Gai _,As-Substrat in Berührung. Durch die damit verbundene Temperaturerhöhung des Substrats wurde dessen Oberfläche um einige μ (oder mehr) aufgeschmolzen.
Auf diese Weise wurde die erste epitaktische Aufwachsschicht erzeugt. Da diese Methode jedoch auf einer Aufschmelzung beruht, besitzt sie nur einen geringen Anwendungsspielraum. Ferner wird das erzielte Muster selbst im Falle einer Feinbearbeitung des Substrats
4(i aufgrund des Aufschmelzens deformiert, worunter die Genauigkeit bei der Waferherstellung stark leidet.
Demgegenüber wird erfindungsgemäß (vgl. F i g. 7a) selbst dann, wenn ein Al,Gai-,As-Substrat 28 auf ein GaAs-Substrat 27 und anschließend eine aktive GaAs- oder Al<Gai_ ,As-Schicht 29 auf das Substrat 28 epitaktisch aufwachsen gelassen werden, eine gleichmäßige Qualität der aktiven Schicht 29 erzielt. Auf die aktive Schicht 29 wird in herkömmlicher Weise ein dünner SiO2-Film aufgebracht, wonach man ein streifenförmiges SiO2-Muster darauf erzeugt und die aktive Schicht 29 mit einer 10%igen Brom/Methanol-Ätzlösung abätzt, so daß ein entsprechender streifenförmiger Rest (Breite 2 bis 3 μ) zurückbleibt (vgl. F i g. 7b). Auf dem streifenförmigen Schichtrest braucht man dann lediglich erfindungsgemäß eine epitaktische Al,Gai_,As-Aufwachsschicht 30 und eine epitaktischc GaAs-Aufwachsschicht 31 zu erzeugen (vgl. F i g. 7c).
Da das erfindungsgemäße Verfahren somit keinerlei Aufschmelzung erfordert, kann auf dem Substrat durch
ω) Ätzung ein feines Muster erzeugt werden. Daher kann die Waferherstellung mit extremer Präzision und erhöhter Ausbeute erfolgen, was für die Erzeugung vor z. B. Halbleiterlasern, Lichtemissionsdioden oder Lichtleitern des verdeckten bzw. eingebetteten Typs vor
h-i großem Vorteil ist.
Wie vorstehend näher erläutert wurde, könncr erfindungsgemäß GaAs- oder AlGaAs-Schichten leichi epitaktisch auf eine AIGaAs-Schicht mit einem Alumini'
umgehalt von mindestens 10% aufwachsen. Dies ist sogar dann möglich, wenn die AlGaAs-Schicht der Luft ausgesetzt oder verschiedenen Behandlungen, wie einer Ätzung, unterworfen wurde. Ferner weist die Grenzfläche der erfindungsgemäß erzeugten epitaktischen Aufwachsschicht eine deutlich verringerte Fehlerdichte auf, so daß eine gute Übergangs- bzw. Schichtqualität erzielt wird. Daher erlaubt die Erfindung die Herstellung von Halbleiterlasern, Lichtemissionsdioden u. a. mit guten Eigenschaften, z. B. verlängerter Gebrauchsdauer. Außerdem bildet sich bei der herkömmlichen
10
Arbeitsweise an der Oberfläche der zur epitaktischen Kristallzüchtung verwendeten Schmelze ein Oxidfilm. Die sich dabei ergebende ungleichmäßige Oberfläche kann beim Einsatz des Gleitschiffchens zu einer Schädigung der Waferoberfläche führen, wodurch die Qualität der Kristallaufwachsungen stark beeinträchtigt wird. Im Gegensatz dazu wird die Bildung eines Oxidfilms beim erfindungsgemäßen Verfahren unterdrückt, weshalb die genannten Probleme der herkömmliehen Arbeitsweisen nicht auftreten.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Erzeugung von epitaktischen GaAs- und AUGai--,As-Aufwachsungen (0<*<l) aus der flüssigen Phase, wobei man in einem Reaktionsrohr unter Hindurchleiten eines reduzierenden Gases oder Inertgases entsprechende Schmelzen mit Hilfe eines Gleitschiffchens der Reihe nach mit einem Substrat in Berührung bringt, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der epitaktischen Abscheidung auf einer Al/jai-,As-Schicht zusammen mit dem reduzierenden Gas oder dem Inertgas gasförmiges GaCl durch das Reaktionsrohr leitet
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die AUGai- »As-Schicht der Luft ausgesetzt worden ist
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das GaCl durch Überleiten von AsCl3 oder HCl über ein Galliummetall enthaltendes Schiffchen bildet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur für das Gleitschiffchen auf 822 bis 880° C einregelt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das GaCl durch Erhitzen eines Mischgases aus GaCb und Wasserstoff bildet.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das GaCl durch Erhitzen eines Mischgases aus Aluminiumchlorid und Wasserstoff bildet
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