DE2533897C3

DE2533897C3 - Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht aus InSb

Info

Publication number: DE2533897C3
Application number: DE2533897A
Authority: DE
Inventors: Tetsu Tokio Oi; Kikuji Kokubunji Tokio Sato; Naoki Kokubunji Tokio Yamamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-08-14
Filing date: 1975-07-29
Publication date: 1980-06-19
Also published as: DE2533897B2; DE2533897A1; JPS5120682A; JPS5329559B2; US4080478A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht aus InSb, bei dem auf einem Substrat, das mindestens eine aus einem isolierenden Material bestehende Fläche aufweist, eine dünne Schicht von polykristallinem InSb ausgebildet wird, auf der dünnen InSb-Schicht ein Oxydfilm erzeugt wird und danach die dünne InSb-Schicht durch Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von InSb in einer aus mindestens einem Inertgas oder Stickstoff bestehenden Atmosphäre und Abkühlung auf Raumtemperatur thermisch behandelt wird.

Um ein magnetisch empfindliches Element mit hoher Empfindlichkeit herzustellen, das aus einer dünnen Schicht von InSb einer Dicke von 3 μηι besteht, ist es erforderlich, eine dünne InSb-Schicht zu erzeugen, deren Kristalle eine Hauptachse von mindestens 3 μίτι aufweisen. Diese Tatsache wurde durch die Anmelderin bereits vorher festgestellt. Um derartige Kristalle zu erzielen, eignet sich das gut bekannte Zonenschmelzverfahren.

Bisher wurde dieses Zonenschmelzverfahren in einem Inertgas hoher Reinheit, wie Helium oder Stickstoff, durchgeführt.

Eine dünne Schicht von InSb, die durch Zonenschmelzen in der vorstehend angegebenen gasförmigen hi Atmosphäre hoher Reinheit hergestellt wurde, hat folgende Eigenschaften: einen Hall-Koeffizienten von bis 300cmVC, eine Elektronenbeweglichkeit von 8000 bis 30 000 cmWs, einen spezifischen Widerstand von 3xlO-³ bis 4χ 10~² Ohm-cm, einen Störpegel eines Brückenelements von 0,6 bis 15 μν und ein Signal/Rausch-Verhältnis (Rauschabstand) von 40-65 dB.

Diese Werte werden bei einer Stromdichte von 5000 A/cm³ und einer magnetischen Flußdichte von lOGaußgemessea

Eine dünne Schicht aus InSb, die diese Werte zeigt, ist jedoch unzufriedenstellend als Material für ein magnetisch empfindliches Element hoher Empfindlichkeit, welches niederen Störpegel oder einen hohen Rauschabstand aufweist Die zufriedenstellenden Werte für ein gutes magnetosensitives Element, insbesondere das Element für einen Hall-Kopf sind folgende: ein Hall-Koeffizient von mehr als 300 cmVC, eine Elektronenbeweglichkeit von mehr als 30000cm²/Vs, ein spezifischer Widerstand von weniger als 1 χ 10~² Ohm -cm, ein Störpegel von weniger als 0,8 μν und einen Rauschabstand von mehr als 70 dB.

Die Eigenschaften der bisher hergestellten dünnen Schichten aus InSb machen diese daher ungeeignet für die praktische Anwendung und insbesondere sind der Störpegel oder der Rauschabstand der bisher erhaltenen dünnen Schichten der Grund dafür, daß diese nicht befriedigend zur Verwendung in einem Hail-Kopf sind.

Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht aus InSb der eingangs genannten Art, die sich für Hall-Generatoren eignet, bekannt Dabei kann der Oxydfilm durch Oxydation der InSb-Schicht mit Hilfe einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erhalten werden (DE-AS 1057 207). Die anschließende thermische Behandlung kann unter anderem auch durch Zonenschmelzen erfolgen. Ebenfalls ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Elektronenbeweglichkeit der Indiumantimonidschicht verbessert werden soll, ist in der US-PS 34 80484 beschrieben. Als alternatives Verfahren ist in dieser US-PS auch angegeben, die Oxydschicht bei dem Erhitzen der dünnen InSb-Schicht auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von InSb dadurch zu bilden, daß die Atmosphäre bei dieser thermischen Behandlung zusätzlich zu einem Edelgas Sauerstoff enthält

Durch die bekannten Verfahren werden zwar gewisse Verbesserungen im Hinblick auf die Rekristallisation der InSb-Schicht erzielt die erhaltenen Werte für die Elektronenbeweglichkeit und den Störpegel sind jedoch noch verbesserungsbedürftig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht aus InSb der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die dünne InSb-Schicht eine verbesserte Elektronenbeweglichkeit hat und daß sie bei ihrer Verwendung in einem hochempfindlichen magnetosensitiven Element einen ausreichend niederen Störpegel aufweist

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die thermische Behandlung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die 1 ppm bis 3 χ 10⁴ ppm Sauerstoff enthält.

Durch die Erfindung wird gegenüber bekannten Verfahren eine stark verbesserte Elektronenbeweglichkeit bis etwa 60O00cm²/V-sec erzielt und darüber hinaus wird der Störpegel verbessert. Die erfindungsgemäß hergestellten InSb-Schichten eignen sich daher zur Verwendung als Hall-Kopf, als Infrarot-Anzeigeelement, als Hall-Element für einen Gleichstrommotor und für andere magnetisch empfindliche Elemente, die einen niederen Störpegel, aber trotzdem keine eerineere

Empfindlichkeit als die bisher üblichen dieser Elemente zeigen.

Wenn die erfindungsgemäß hergestellten dünnen InSb-Schichten für einen Magnetkopf mit Hall-Element verwendet werden, so ist dieser hochempfindlich, hat einen niederen Störpegel bzw. einen hohen Rauschabstand, die etwa vergleichbar mit den entsprechenden Eigenschaften eines hochwertigen Magnetkopfes auf Basis einer Spule sind.

Vorzugsweise erfolgt die thermische Behandlung durch Zonenschmelzen; anstelle des Zonenschmelzen kann jedoch auch gewöhnliches Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von InSb der im Anspruch 1 genannten Atmosphäre erfolgen. Die Eigenschaften der dünnen Schicht sind jedoch etwas besser, wenn anstelle des üblichen Erhitzens ein Zonenschmelzvorgang durchgeführt wird.

Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre zur thermischen Behandlung liegt vorzugsweise i>n Bereich von 1 χ 10ppm bis 3χ iO*ppm (Teile pro 1 Million Teile) und insbesondere im Bereich von 1 χ 10* ppm bis 3 χ 10³ ppm.

Eine Menge bis zu 10^zppm des Sauerstoffes in der Atmosphäre zur thermischen Behandlung kann durch Zugabe der zehnfachen Menge an Wasserdampf, d. h. durch Zugabe einer Wasserdampfmenge bis 10³ ppm, ersetzt werden. Es ist jedoch zu bevorzugen, die Menge des Wasserdampfes bei einem Minimum zu halten, wenn der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre ausreicht

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung, welche die Abhängigkeit des Hall-Koeffizienten, der Elektronenbeweglichkeit und des Störpegels einer dünnen Schicht aus InSb von dem Sauerstoffgehalt zeigt,

F i g. 2 eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Streuung des Störpegels einer dünnen InSb-Schicht und dem Sauerstoffgehalt der Wärmebehandlungsatmosphäre darstellt,

F i g. 3 den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften einer dünnen Schicht aus InSb, wie dem Hall-Koeffizienten, der Elektronenbeweglichkeit dem Störpegel und der Streuung des Störpegels, und der Menge des zugesetzten Wasserdampfes in der Wärmebehandlungsatmosphäre, die etwa 1000 ppm Sauerstoff enthält

F i g. 4 eine graphische Darstellung, die den gleichen Zusammenhang wie Fig.3 zeigt jedoch mit der Abänderung, daß der Sauerstoffgehalt nur 0,1 ppm beträgt

F i g. 5 die graphische Darstellung der Abhängigkeit der Eigenschaften einer dünnen Schicht aus InSb von dem Sauerstoffgehalt und dem zugegebenen Wasserdampf in der Wärmebehandlungsatmosphäre.

Der Hall-Koeffizient Rn. die Elektronenbeweglichkeit μΗ und der Störpegel N von dünnen Schichten aus InSb, die auf ein Substrat aufgetragen sind, weiches aus einem isolierenden Material besteht hängen von der Sauerstoffmenge ab, die in >.'u aus einem Inertgas (in diesem Fall Helium) bestehenden Wärmebehandlungsatmosphäre vorliegt wie in F i g. 1 gezeigt ist

Die Streubereiche der gemessenen Werte sind ebenfalls in F i g. 1 dargestellt

Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, liegt der wünschenswerte Sauerstoffgehalt im Bereich von 1 ppm bis 3x10* ppm, wenn es erforderlich ist daß der erwähnte Störpegel merklich erniedrigt wird. Wenn der Sauerstoffgehalt 1 ppm beträgt, so steigt der Störpegel merklich an. Wenn dagegen der Sauerstoffgehalt einen Wert von mehr als 3 χ 10⁴ ppm annimmt so erhöht sich die Streuung des Störpegels und der Hall-Koeffizient und die Elektronenbeweglichkeit werden drastisch vermindert

Ein Sauerstoffgehalt im Bereich von 10 ppm bis 3 χ 10⁴ ppm ist jedoch wünschenswert wenn ein hoher Hall-Koeffizient und/oder hohe Elektronenbeweglichkeit erforderlich sind, weil diese Eigenschaften außerhalb des vorstehend angegebenen Bereiches für den Sauerstoffgehalt vergleichsweise schlechter werden, wie aus F i g. 1 ersichtlich ist Der Grund dafür, daß der Hall-Koeffizient und die Elektronenbeweglichkeit bei Vierten von mehr als 3 χ 10⁴ ppm, d. h. bei Verwendung von mehr als 3Gew.-% Sauerstoff, beträchtlich verschlechtert werden, besteht darin, daß in diesem Fall eine beträchtliche Menge an metallischem Antimon in der dünnen InSb-Schicht ausgeschieden wird. Wie ferner aus Fig.2 ersichtlich ist, ist die Streuung des Störpegels am geringsten, wenn der Sauerstoffgehalt der Wärmebehandlungsatmosphäre im Bereich von 1(P bis 3 χ 10³ ppm liegt In diesem Bereich des Sauerstoffgehaltes werden auch im Hinblick auf die sonstigen Eigenschaften der dünnen InSb-Schicht die besten Werte erzielt wie in F i g. 1 gezeigt ist Der wünschenswerteste Bereich für den Sauerstoffgehalt der Wärmebehandlungsatmosphäre liegt daher im Bereich von 10² ppm bis 3 χ 10³ ppm. Die Werte der Streuung des Störpegels, AN, in Fig.2 werden aus den Daten berechnet die durch Messung an einer dünnen Schicht aus InSb erhalten wurden, welche in Helium mit einem Gehalt an 1 ppm H2O und verschiedenen Sauerstoffgehalten wärmebehandelt worden ist

Die Streuung des Störpegels, Δ N, wird nach folgender Formel berechnet:

ΔΝ-*&&-■& Wi

in der χι, ~χ und η die einzelnen Werte, den Mittelwert und die Anzahl der einzelnen Werte bedeuten.

In Fig.2 ist auf der Ordinate die Streuung des Störpegels, ΔΝ(μ\\ aufgetragen, während die Abszisse den Sauerstoffgehalt (ppm) in der Wärmebehandlungsatmosphäre angibt

Ein Zusatz von Wasserdampf in einer Menge von weniger als ΙΟ³ ppm zu der Wärmebehandlungsatmosphäre, die einen geeigneten Sauerstoffgehalt hat ist unschädlich, abgesehen davon, daß ein geringfügiger Anstieg des Störpegels und der Streuung des Störpegels eintritt wie aus Tabelle 1 und F i g. 3 ersichtlich ist In F i g. 3 sind auf der Ordinate der Hall-Koeffizient Rh, die Elektronenbeweglichkeit μ« der Störpegel N und die Streuung des Störpegels ΔΝ aufgetragen. Die Abszisse gibt den Zusatz von Wasserdampf zu einer Wärmebehandlungsatmosphäre an, die aus einem Inertgas mit einem Gehalt an 1000 ppm Sauerstoff besteht In Tabelle 1 sind außerdem der Hall-Koetfizient die Elektronenbeweglichkeit und der Störpegel von dünnen InSb-Schichten gezeigt die in einer Atmosphäre mit einem Gehalt an 300 ppm Sauerstoff wärmebehandelt worden sind.

Aus Fig.3 ist ersichtlich, daß die Zugabe einer Wasierdampfmenge von mehr als 10³ ppm zu einer Verminderung des Hall-Koeffizienten und der Elektro-

es nenbeweglichkeit führt und daß ein so hoher Zusatz daher ungeeignet bei der Herstellung einer guten dünnen Schicht aus InSb ist
In F i g. 4 ist der gleiche Zusammenhang wie in F i e .1

dargestellt, mit der Abänderung, daß eine Wärmebehandlungsatmosphäre verwendet wird, die nur 0,1 ppm Sauerstoff enthält. Aus dieser F i g. 4 ist ersichtlich, daß der Störpegel N und seine Streuung, ΔΝ, vermindert werden, wenn der Anteil des zugesetzten Wasserdampfes bis zu einem Wert von 10³ ppm ansteigt, und daß diese Werte wieder ansteigen, wenn der Anteil des zugesetzten Wasserdampfes über Werte von lO^ppm ansteigt.
Ein Wasserdampfzusatz von weniger als 10³ ppm zu

Tabelle 1

der Wärmebehandlungsatmosphäre ist daher nützlich zur Verbesserung der vorstehend angegebenen Eigenschaften, insbesondere des Störpegels und seiner Streuung bzw. Abweichung, eines dünnen InSb-Films, wenn der Sauerstoffgehalt der Wärmebehandlungsatmosphäre zu diesem Zweck nicht hoch genug ist Die Verbesserung dieser Rauscheigenschaften durch Zusatz von Wasserdampf ist jedoch nicht so groß wie die durch Zugabe von Sauerstoff erzielte Verbesserung.

IO

Menge an Wasserdampf

(ppm)

Hall-KocfTizieni

(cmVC)

Elektronenbeweglichkeit Störpegel

15

(cmVVs) (μΥ)

6XlO²	350-500	50000-65 000	0,3-0,5
1 X 10·'	350-500	20 50000-65000	0,3-0,7
5XlO³	250-450	30000-65 000	0,3-1,4

In F i g. 5 ist der Zusammenhang zwischen den der Wärmebehandlungsatmosphäre dargestellt Die in Eigenschaften einer dünnen InSb-Schicht und der 25 Fig. 5 verwendeten Symbole O, x, Δ und Π sind in der

zugesetzten Menge an Sauerstoff und Wasserdampf zu nachstehenden Tabelle 2 aufgeführt

Tabelle 2

Symbol	Störpegel	Hall-Koeffizient	Elektronenbeweglich
			keit
	(μ V)	(cnr/C)	(cm²/Vs)
O	S 0,6	>300	>40000
X	0,6-2	S: 300	>40000
Δ	0,6-2	S 300	30000-40000
D	>2	£Ξ400	<30000

Der Störpegel wird mit Hilfe eines Elements vom Brückentyp bei einer Stromdichte von 5000 A/cm² gemessen. Die Eigenschaften einer Probe, die in einer Atmosphäre wärmebehandelt worden ist, der die in Fig.5 durch das Symbol angegebenen Mengen an Sauerstoff und Wasserdampf zugesetzt waren, sind vergleichsweise schlechter als die Eigenschaften von bisher erhaltenen dünnen Schichten aus InSb. Andererseits sind die Eigenschaften von Proben, die durch die anderen Symbole in F i g. 5 dargestellt werden, besser so ais die von entsprechenden Schichten gemäß dem Stand der Technik.

Die geeigneten Mengen an Sauerstoff und Wasserdampf in der Wärmebehandlungsatmosphäre liegen innerhalb des schraffierten Bereiches der Fig.5. Die Gesamtmenge an Sauerstoff und ein Zehntel der Gesamtmenge an Wasserdampf sollten daher weniger als 3 χ 10* ppm betragen. Anders ausgedrückt, läßt sich der Anteil an Sauerstoff in der Wärmebehandlungsatmosphäre durch Zugabe der zehnfachen Menge an &o Wasserdampf ersetzen. Der obere Grenzwert für die Zugabe von Wasserdampf wurde vorstehend beschrieben. Die vorstehend angegebenen Daten wurden in Versuchen erhalten, in denen als Inertgas für die Wärmebehandlungsatmosphäre Helium verwendet wurde. Die gleichen Ergebnisse worden bei Verwendung von anderen Inertgasen und von Stickstoff erzielt Daraus läßt sich schließen, daß die Wärmebehandlungsatmosphäre, die aus einem Inertgas oder Stickstoff besteht, gemäß eines am stärksten bevorzugten Ausführungsbeispiels lxl0²ppm bis 3xi(fippm Sauerstoff enthalten sollte und eine so geringe Wasserdampfmenge wie möglich. Es ist jedoch in der Praxis schwierig, den Anteil an Wasserdampf auf 0 zu vermindern.

Spezielle Ausführungsbeispiele werden nachstehend beschrieben.

Beispiel 1

Eine 3μτη dicke InSb-Schicht wurde mit Hilfe der bekannten Vakuum-Aufdampfmethode auf ein Substrat aus Natronglas aufgetragen. Danach wurde eine InA-Schicht auf der Oberfläche der InSb-Schicht ausgebildet, indem zuerst In abgelagert und dieses dann in einer oxydierenden Atmosphäre auf 300 bis 350⁰C erhitzt wurde. Danach wurde das Zonenschmelzen der dünnen InSb-Schicht in einer Heliumatmosphäre mit einem Gehalt an etwa 30X) ppm Sauerstoff mit Hilfe der bekannten Heizdraht-Methode durchgeführt Die gebildete dünne InSb-Schicht hatte folgende Eigenschaften: einen Hall-Koeffizienten von 430Cm³ZC, eine Elektronenbeweglichkeit von 65 000 cmWs und einen Störpegel von 0,6 μν. Der Störpegel wurde bei einer Stromdichte von 5000 A/cm³ gemessen. Der Rauschabstand bzw. das Signal/Rausch-Verhältnis betrue 76 dB.

Beispiel 2

Eine 3 μπι dicke InSb-Schicht wurde auf ein Substrat aus Glimmer aufgetragen. Dann wurde auf der Oberfläche der dünnen InSb-Schicht nach der gleichen Verfahrensweise wie im Beispiel 1 eine Schicht aus In₂O₃ ausgebildet. Anschließend wurde die Wärmebehandlung der dünnen Schicht aus InSb bei 54O⁰C mit Hilfe eines elektrischen Ofens in einer Atmosphäre durchgeführt, die etwa 100 ppm Sauerstoff und mindestens eines der Inertgase Helium, Stickstoff, Argon und Krypton enthielt, und zu der etwa 500 ppm Wasserdampf zugesetzt worden waren. Danach wurde die dünne InSb-Schicht mit einer Kühlgeschwindigkeit von 100°C/h auf Raumtemperatur abgekühlt.

Die auf diese Weise erhaltene dünne InSb-Schicht

hatte einen Hall-Koeffizienten von 350cm³/C, eine Elektronenbeweglichkeit von 53 000 cm²/Vs, einen Störpegel von 0,9 μν und ein Signal/Rausch-Verhältnis von 72 dB. Der Störpegel wurde bei einer Stromdichte von 5000 A/cm² gemessen.

Wenn andererseits eine dünne Schicht aus InSb in einem Inertgas hoher Reinheit, dem kein Sauerstoff und kein Wasserdampf zugesetzt worden waren, der Wärmebehandlung unterworfen wurde, so hatte die erhaltene wärmebehandelte InSb-Schicht eine Elektronenbeweglichkeit von 31 000 cmVVs, einen Störpegel von 1,8 μν und ein Signal/Rausch-Verhältnis von 63 dB. Die Werte sind schlechter als die Werte, die mit den gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung hergestellten Proben erzielt werden.

Hierzu 3 BIaK Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht aus InSb, bei dem auf einem Substrat, das mindestens eine aus einem isolierenden Material bestehende Fläche aufweist, eine dünne Schicht von polykristaJ-linem InSb ausgebildet wird, auf der dünnen InSb-Schicht ein Oxydfilm erzeugt wird und danach die dünne InSb-Schicht durch Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von InSb in einer aus mindestens einem Inertgas oder Stickstoff bestehenden Atmosphäre und Abkühlung auf Raumtemperatur thermisch behandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die 1 ppm bis 3 χ 10« ppm Sauerstoff enthält

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung durch Zonenschmelzen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Atmosphäre zur thermischen Behandlung ein Sauerstoffgehalt von 1x10 ppm bis 3x10* ppm aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Atmosphäre zur thermischen Behandlung ein Sauerstoffgehalt von 1 χ 10² ppm bis 3XlO³ ppm aufrechterhalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff in der Atmosphäre zur thermischen Behandlung bis zu einem Anteil von lOZppm durch Zugabe der zehnfachen Menge an Wasserdampf ersetzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas ein Edelgas verwendet wird.

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