DE2529747C3 - Verfahren zur Erzeugung von epitaktischen Aufwachsungen aus der flussigen Phase - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von epitaktischen Aufwachsungen aus der flussigen Phase

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Description

Die Erfindung betriff; ein Verfahren zur Erzeugung von epitaktischen GaAs- und AUGai-»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. C a ρ i k berichteten, daß sich ein GaAs-Al^Gai-^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 TemDeratur. 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 AlvGai .,As-Kristall einer vorbestimmten Zusammensetzung auf das GaAs-Einkristdl-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 kürzer) 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 GaAIAs-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 Kristailaufwachsschicht 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
4r> 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, Gallium als Hauptkomponente enthaltende Lösung durch Einführen von AsCb in die epitaktische Lösung mit Arsen gesättigt wird. Dabei reagiert das AsCb mit H2, das zur Bildung von As4 und HCI 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 Aufgabe 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 erhältlich sein soll, das eine hohe Übergangsqualität mit weniger Fehlern an den Grenzflächen zwischen dem Substrat und der ersten epitaktischen Schicht sowie zwischen den eüitaktischen Schichten besitzt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man bei der epitaktischen Abscheidung auf einer Al„Gai-,As-Schicht zusammen mit dem reduzierenden Gas oder dem Inertgas gasförmiges GaCl durch das Reaktionsrohr leitet
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet in Gegenwart einer GaCl-Atmosphäre, die das »Benetzen« an den 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 Halbleiterlasern, Lichtemissionsdioden oder Lichtleiten) anwenden läßt, wobei eine Elementstruktur (insbesondere mii 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.
F i g. 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;
F i g. 3a bis 3f erläutern die aus der flüssigen Phase erfolgende Züchtung einer vierschichtigen epitaktisehen 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 4U 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 I/C2 eines p-n-Übergangs (der durch Aufwachsenlassen einer epitaktischen A OjGao.;As-Schicht aus der flüssigen Phase auf ein AlojGaojAs-Substrat nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurde), und
Fig. 7a his 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 1 ist der aus Kohle bestehende Schiffs- bzw. 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 ζιτ Aufnahme der für die Flüssigphasen-Züchtung eingesetzten Chargen der Schmelzen I, II, III bzw. IV dienen. Die Schmelzchargen werden so angeordnet, daß sie nach Maßgabe der Verschiebung des Schlittens 3 mit dem im Schiffskörper 2 befindlichen einkristalünen Halbleitersubstrat 5 richtig 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. 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
I geleitet Im Durchperlungsgefäß 13 befindet sich flüssiges AsCU 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 weichen 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 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 10%igen 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, 0,00* g Ai und 0,0005 g Te), der Schmelze II (4 g Ga, 0,26 g GaAs und 0,0005 g Te), der Schmelze HI (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-J Torr beträgt. Danach leitet man mit Hilfe eines Palladiumfilms 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 cm3/min 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).
Venn die durch ein im Schiffskörper 2 angebrachtes Thermoelement angezeigte Temperatur SOO0C übersteigt, senkt man die Durchflußmenge des Wasserstoffs auf 30 cm3/min und öffnet die an beiden Seiten des Durchperlungsgefäßes 13 befindliche η Hähne 10 bzw.
I1 so weit, daß das Wassersioffgas das Gefäß 13, in dem
<;'ch flüssiges Arsentrichlorid befindet, durchströmen kann. Die Folge ist, daß ein AsClj-Gas enthaltender Wasserstoffstrom in das Reaktionsrohr 1 eingespeist wird. Dieses Mischgas reagiert bei der im Reaktion1-rohr herrschenden Tempeiaturen 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 \on GaCI reagiert. Es muß eine für die vorgenannten Umsetzungen ausreichende Galliummenge (z. B. 20 g) vorhanden sein. Das GaCI wird durch den Wasserstoff-Mroin zum Schiffskörper 2 übergeführt und ätzt vermutlich die Außenflächen der Schmelzen 6 und die Oberflächenschicht des GaAs-Substrals 5 an, wodurch vorhandene Oxidfilme beseitigt und die Bildung neuer Oxidfiime verhindert werden.
Die Vorrichtung wird unter den vorgenannten Bedingungen etwa 20 Min. bei 8700C gehalten, anschließend allmählich (TC/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 840° C erreicht hat, verschiebt man den Schlitten 3 bis zu der ;n Fig.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 Il 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 820°C 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.ssAs-Schicht, eine zweite GaAs-Schicht, eine dritte Alo.osGaossAs-Schicht und eine vierte GaAs-Schicht aufgebracht sind.
Im vorstehend beschriebenen Beispiel wurde AsCU zusammen mit Wasserstoff eingesetzt. Auch bei Verwendung von GaCU oder HCl anstelle von AsCh oder von Argon anstelle von Wasserstoff bildet sich jedoch letztlich im Wachstums-Reaktionsbereich GaCl-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 AICI3, NH4F 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 F i g. 1 in den folgenden Merkmaien. Gemäß F i g. 1 ist das Gallium 8 im Reaktionsrohr 1 angeordnet, während gemäß F ig. 2 AlCl3, NH4F oder NH4Cl innerhalb des Reaktionsrohres 1 an einer vom Wasserstoffstrom erfaßten Stulle angeordnet sind. Bei der in i- i g. 2 gezeigten Vorrichtung werden ferner der Sirömungsregler 12 und das Durchperlungsgefäß 13
■Ί nicht benötigt. Die Bau- und Arbeitsweise des Kohle-Schiffskörpers 2, des Kohle-Schliitens 3, der Schmel/ebehäUer 6 u. a sind gleich wie gemäß den F i g. I und 3.
Beim Roirieb der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung wird der Schiffskörper 2. in dem das Substrat 5 angebracht ist und auf dem der Schütten 3 montiert ist. im Reaktionsrohr 1 fest angebracht. Der Schlitten 3 enthält Chargen der Schmelzen 6'. in einer geeigneten Distanz vom Schiffskörper 2 befindet sich das Körbchen
ι1) 18, welches das Aluniiniumchlorid (AICI3) 19 enthält. Anschließend wird gereinigter Wasserstoff über den HrEinhß 20 analog Fig. 1 in das Reaktionsrohr 1 eingespeist und über den Auslaß 16 abgelassen, so daG ein gleichbleibender Wasserstoffstrom erzielt wird Danach gibt man die gesamte Vorrichtung in einer elektrischen Ofen und züchtet analog den F i g. I und 3 auf dem Substrat 5 mehrere epitaktische Kristallschichten. Dabei wird ein geeigneter Anteil des im Körbchen 18 befindlichen Aluminiumchlorids bei einer vorbe-
r> stimmten Temperatur verdampft und durch den Wasserstoffstrom zum Schiffskörper.2 übergeführt. Das Aluminiumchlorid wirkt beim Kontakt des kristallinen Substrats 5 mit der Schmelze 6' als Fließmittel, das die Benetzung des Substrats mit der Schmelze verbessert
)o Man erhält eine Halbleitervorrichtung, bei der die Oberflächen des kristallinen Substrats und der einzelner Schichten eine gute Qualität aufweisen.
Auch bei Verwendung von Ammoniumfluorid odei Ammoniumchlorid anstelle von Aluminiumchlorid odet von Argon anstelle von Wasserstoff läßt sich die Erfindung in ähnlicher Weise in die Praxis umsetzen wobei entsprechende Resultate wie bei dem durch F i g. 2 erläuterten Beispiel erzielt werden.
Anschließend werden zum Vergleich der Ergebnisse die mit Hilfe der erfindungsgemäßen bzw. dei herkömmlichen Methode zur Züchtung epitaktischei Kristalle erzielt werden, eine AlojGaojAs-Schicht und eine GaAs-Schicht epitaktisch auf ein GaAs-Substrat 5 unter denselben Bedingungen wie gemäß Fig. 1 aufwachsen gelassen, wobei man jedoch lediglich Wasserstoffgas und kein AsCh in das Reaktionsrohr 1 einspeist. Wie F i g. 4a zeigt, weist die Oberfläche einer nach dieser herkömmlichen Methode gezüchteten epitaktischen Kristallschicht 21 einen Rest-Oxidfilm 22 auf. Demgegenüber zeigt die Oberfläche einer erfindungsgemäß (Beispiel gemäß Fig. 1) gezüchteten epitaktischen Kristallschicht 21 keinen Rest-Oxidfilm (vgl. F i g. 4b).
Die F i g. 5a und 5b zeigen die Oberflächenbeschaffenheit von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. nach dem herkömmlichen Verfahren gezüchteter epitaktischen Kristallschichten. Bei der in Fig.5a veranschaulichten Halbleitervorrichtung wurde eine Al^GaojAs-Schicht 24 epitaktisch auf ein GaAs-Substrat 23 aufwachsen gelassen und der Luft ausgesetzt wonach eine AlcosGat^sAs-Schicht 25 gemäß F i g. 1 epitaktisch auf dem Substrat bzw. auf der erstgenannten Schicht abgeschieden wurde. Die Oberfläche der AloOsGaossAs-Schicht 25 erwies sich als völlig glatt Im Gegensatz dazu weist eine epitaktische AIo.05Gao.95As-Schicht, welche unter analogen Bedingungen, jedoch ohne Einführung von GaCl* HCl oder AsCb in das Reaktionsrohr 1 gezüchtet wurde, an der Oberfläche
zahlreiche insel- oder pyramidenförmige A
Kristalle 26 auf (vgl. F i g. 5b). Eine starke Tendenz zur Bildung einer solchen inseliörniigen epitaktischen Aufwachsschicht 26 besteht insbesondere dann, wenn der Wafer mit der Luft in Berührung kommt sowie wenn er einen erhöhten Aluminiumgehali aufweist. Wenn man den Wafer längere Zeit der Luft aussetzt, stößt selbst die Erzeugung einer inselförmigen Aufwachsschiclit 26 auf Schwierigkeiten. Im Gegensatz dazu kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren selbst dann eine AI,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 epitakiischen Aufwachsschicht einer erfindungsgemäß hergestellten Halbleitervorrichtung glatt ist und daß daher eine gute Übergangsqualität mit weniger Grenzflächenfehlern erzielt wird, wurde ein p-n-Übergang duirch epitaktisches Aufwachsenlassen einer Alo.3Gao.7As-Schicht auf eine AlcuGawAs-Schicht erzeugt. Die C-K-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. S ze. Physics of Semiconductor Devices, John Wiley and Sons Inc., 1969, Seite 90)
C =
1 (I ,„ ± V)
(pH/cnr)
in der Vh, die Eigenspannung. ± V die angelegte Spannung, qdie Elektronenladung, ε* die Dielektrizitätskonstante und Nb die effektive Dichte einer verwendeten Verunreinigung bedeutet. Die obige Gleichung kann somit auch wie folgt geschrieben werden:
C2
i ± 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 Al»Gai _»As-Schicht mit ^=0,3 bis 0,4 Licht mit einer Wellenlänge von 6700 Ä oder darüber hindurchläßt, während eine GaAs-Schicht für Licht mit einer Wellenlänge von 9000 Ä oder darunter nicht durchlässig ist. Die Photolumineszenzdiagramme wurden dadurch erhalten, daß man die Oberfläche des GaAs-Substrats durch die AI,Gai-,As-Schicht mit einer diese Schicht, nicht jedoch das GaAs-Substrat durchdringenden Lichtart (beispielsweise Licht einer Wellenlänge von 6764 Ä oder einer Wellenlänge von 7993 Ä 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. 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 lOVcm2, während die Oberfläche der in herkömmlicher Weise erzeugten epitaktischen Schicht eine Fehlerdichte von 103/cm2 besaß.
Das nachstehende Beispiel erläutert die erfindungsgemäße Herstellung eines Elements des verdeckten bzw. eingebetteten Typs. Bisher wurde es als schwierig angesehen, eine epitaklische GaAs- oder AI1Ga1-»As-Schicht direkt aus der flüssigen Phase auf ein AKGa i_ ,As-Substrat aufwachsen zu lassen. Eine derartige direkte epitaktische Züchtung wurde insbesondere dann für unmöglich gehalten, wenn das AI*Gat_,As-Substrat der Luft ausgesetzt worden war. Die herkömmliche Arbeitsweise bestand daher darin, die Oberfläche des Al,Gai_,As-Substrats aufzuschmelzen und anschließend die epitaktische Züchtung durchzuführen. Zu diesem Zweck brachte man eine zum 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 aufgrund des Aufschmelzen* deformiert, worunter die Genauigkeit bei der Waferherstellung stark leidet.
Demgegenüber wird erfindungsgemäß (vgl. F i g. 7a) selbst dann, wenn ein AI,Gai _ ,As-Substrat 28 auf ein GaAs-Substrat 27 und anschließend eine aktive GaAs- oder AKGai-,As-Schicht 29 auf das Substrat 28 epitaklisch aufwachsen gelassen werden, eine gleichmäßige Qualität der aktiven Schicht 29 erzielt. Auf die aktive Schicht 29 wird in herkömmlicher Weise ein dünner SiO^-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 AUGai-.As-Aufwachsschicht 30 und eine epitaktische GaAs-Aufwachsschicht 31 zu erzeugen (vgl. F i g. 7c).
Da das erfindungsgemäße Verfahren somit keinerlei Aufschmelzung erfordert, kann auf dem Substrat durch Ätzung ein feines Muster erzeugt werden. Daher kann die Waferherstellung mit extremer Präzision und erhöhter Ausbeute erfolgen, was für die Erzeugung von z. B. Halbleiterlasern, Lichtemissionsdioden oder Lichtleitern des verdeckten bzw. eingebetteten Typs von großem Vorteil ist.
Wie vorstehend näher erläutert wurde, können erfindungsgemäß GaAs- oder AIGaAs-Schichten leicht epitaktisch auf eine AIGaAs-Schicht mit einem Alumini-
I 9 10
pi; umgehalt von mindestens 10% aufwachsen. Dies ist Arbeitsweise an der Oberfläche der zur epitaktischen
|;f: sogar dann möglich, wenn die AlGaAs-Schicht der Luft Kristallzüchtung verwendeten Schmelze ein Oxidfilm.
j ausgesetzt oder verschiedenen Behandlungen, wie einer Die sich dabei ergebende ungleichmäßige Oberfläche
';, Ätzung, unterworfen wurde. Ferner weist die Grenzflä- kann beim Einsatz des Gleitschiffchens zu einer
r! ehe der erfindungsgemäß erzeugten epitaktischen j Schädigung der Waferoberfläche führen, wodurch die
K Aufwachsschicht eine deutlich verringerte Fehlerdichte Qualität der Kristallaufwachsungen stark beeinträchtigt
?! auf, so daß eine gute Übergangs- bzw. Schichtqualitäl wird. Im Gegensatz dazu wird die Bildung eines
: erzielt wird. Daher erlaubt die Erfindung die Herstel- Oxidfilms beim erfindungsgemäßen Verfahren unter-
j: lung von Halbleiterlasern, Lichtemissionsdioden u. a. drückt, weshalb die genannten Probleme der herkömm-
|i mit guten Eigenschaften, z. B. verlängerter Gebrauchs- ι ο liehen Arbeitsweisen nicht auftreten,
dauer. Außerdem bildet sich bei der herkömmlichen
Hierzu 5 Bhitt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Erzeugung von epitaktischen GaAs- und Al^Gai _,As-Auf wachsungen (0<a<!) 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 AijGai-iAs-Schicht zusammen mit dem reduzierenden Gas oder dem Inertgas gasförmiges GaCl durch das Reaktionsrohr leitet
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die AlxGa, _»As-Schicht de.- Luft ausgesetzt worden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das GaCl durch Überleiten von AsCb 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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