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"Einrichtung für FlüssiEphasenepitaxieX
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit einer in einem
Reaktionsgefäß durch eine Schmelze aus einer Verbindungshalbleiter-Stoffkomponente
oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel in Verbindung stehenden Anordnung mit
einem die epitaktisch abzuscheidenden Stoffe enthaltenden Spenderkristall und einem
kreisscheibenförmigen Substratkristall für die Flüssigphasenepitaxie einer Verbindungshalbleiterschicht
wobei der Substratkristall an seiner Scheibenrandfläche in einer Spange gehaltert
und in Rotation um die Scheibenachse versetzt ist.
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Eine derartige Einrichtung ist bekannt durch "Nuclear Instruments
and Methods" 101 (1972), Seiten 39-42 und speziell ausgebildet zur Durchführung
der Flüssigphasenepitaxie einer auf einem Substratkristall abgeschiedenen Halbleiterschicht
aus GaBß nach dem sogenannten Travelling-Solvent-Verfahren, bei welchem die Lösungsmittelphase
eine Gallium-Schmelze ist. Nach diesem Verfahren sind GaAs-Schichten mit einer erwünschten
Schichtstärke und hoher Kristallgüte herstellbar zur Verwendung als Gammastrahlungsdetektoren,
welche bei Zimmertemperatur ein nur wenig vermindertes spektrales Auflösungsvermögen
aufweisen.
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Bei der Flüssigphasenepitaxie befindet sich das ReaktionsgefäB mit
Spenderkristall, Schmelze und Substratkristall in einem in einem Ofen eingestellten
Temperaturgefälle, in welchem die herzustellende Schicht durch Abkühlung einer gesättigten
Schmelze
wächst, wobei die erreichte Schichtstärke durch den Niveauunterschied des Temperaturgefälles
bestimmt und begrenzt wird. Die Anwendung des Travelling-Solvent-Verfahrens ermöglicht
die Herstellung von GaAs-Schichten mit einer zur Verwendung als Detektorvolumen
genügenden Schichtstärke. Bei der Durchführung des Verfahrens ist der kreisscheibenförmige
Substratkristall in Rotation um die Scheibenachse versetzt, damit im Reaktionsgefäß
horizontale Temperaturschwankungen ausgeglichen werden und sich somit ein gleichmäßiges
Kristallwachstum und eine homogene Schichtstärke der abgeschiedenen GaAs-Schicht
ergeben. Hierzu trägt auch bei, daß der Ofen das Reaktionsgefäß ganz umschließt
und zur Einstellung des Temperaturgefälles parallel der Gefäßachse verschiebbar
ist. Ferner wird mittels der Anordnung der Halterungsspange für den Substratkristall
das Reinerhalten der Schmelzenoberfläche erleichtert und es wird der Reaktionsraum
zwischen Gefäßwand und rotierendem Substratkristall durch den Rezipient der schmelzflüssigen
Phase abgeschlossen. Dennoch sind bei dieser Einrichtung während der Herstellung
der GaAs-Schicht die Bedingungen für ein stetiges Kristallwachstum, die in einem
starken Abhängigkeitsverhältnis z.B. mit der Lage des Temperaturgefälles stehen,
noch schwierig festzulegen.
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Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit nur einfachen Maßnahmen
und ohne die Aufbauweise der Einrichtung zu verändern die Festlegung dieser Bedingungen
für die Herstellung einer Verbindungshalbleiterschicht zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die im Patentanspruch
1 gekennzeichneten Merkmale.
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Um die Haftfähigkeit einer auf dem Substratkristall aufgebrachten
Passivierungsschicht zu erhöhen, ist diese Schicht einer Ausbildung der Erfindung
gemäß mit Phosphor versetzt und wird beim Aufbringen pyrolitisch gebildet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Scheibenrandfläche
des Substratkristalls mit einer umlaufenden Rille versehen, in welche eine Spange
aus Quarz eingreift.
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Zur Herstellung einer binären oder ternären Verbindungshalbleiterschicht
neben GaAs kommen bekannte einkristalline Substrate in Betracht, und zwar die gebräuchlichen
binären und ternären Verbindungshalbleiter, bei welchen die erfindungsgemäße Maßnahme
generell anwendbar ist, sowie auch Saphire, Silicium und Germanium.
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Andererseits kommen zur Verwendung als Spenderkristall polykristalline
Festkörper in verschiedenen Modifikationen in Betracht, beispielsweise Festkörper,
die polykristalline Partikel enthalten, welche gepreßt oder gesintert sind, sowie
auch Festkörper, die außerdem noch Dotierungsstoffe enthalten, welche in der Schmelze
gelöst und in der Verbindungshalbleiterschicht ebenfalls epitaxial abgeschieden
werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und nachstehend beschrieben. Anhand des Ausführungsbeispiels wird die Erfindung,
soweit sich diese auf eine Einrichtung für Schmelzphasenepitaxie bezieht, sowie
die weiteren Ausbildungen der Erfindung näher erläutert. Die erfindungsgemäße Einrichtung
ist unabhängig von der Art und der stofflichen Zusammensetzung der damit herzustellenden
Verbindungshalbleiterschicht zu sehen und - nun abhängig hiervon - auch von der
Art und der stofflichen Zusammensetzung
eines Substratkristalls
sowie eines Spenderkristalls.
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Die Zeichnung zeigt die wesentlichen Bestandteile der erfindungsgemäßen
Einrichtung. Diese enthält ein Reaktionsgefäß 1 mit einem Hohlzylinder 11, beispielsweise
aus Graphit oder aus einer glasartigen Kohle, und einem den Hohlzylinder einseitig
abschließenden Zylinderkolben 12 aus z.B. Graphit mit einem runden Anschlagflansch
121 und mit einem längs der Gefäßachse eingebrachten Zuführkanal 122 für ein nicht
dargestelltes Thermoelement. Auf der Stirnfläche des Kolbens 12, welche den Gefäßboden
bildet, befindet sich ein polykristalliner Spenderkristall 2.
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Dieser enthält die Stoffkomponenten der herzustellenden Schicht eines
z.B. binären Verbindungshalbleiters, beispielsweise Arsen und Gallium. In dem Hohlzylinder
11 des Reaktionsgefäßes 1 befindet sich eine Schmelze 3, beispielsweise eine Gallium-
oder Zinnschmelze. Durch die Schmelze 3 steht ein den Hohlzylinder 11 andererseits
nahezu abschließender kreisscheibenförmiger Substratkristall 4 mit dem Spenderkristall
in Verbindung. Der Substratkristall kann ein binärer Verbindungshalbleiter sein,
mit einer Stoffkomponente der an der mit der Schmelze 3 in Verbindung stehenden
Hauptfläche des Substratkristalls 4 abzuscheidenden und herzustellenden Schicht
5 eines Verbindungshalbleiters, wie beispielsweise wiederum GaAs . Das Reaktionsgefäß
1 ist über einem Teil seiner Länge von einem nicht dargestellten Ofen umschlossen,
mit welchem ein vom Spenderkristall zum Substratkristall gerichtetes Temperaturgefälle
7 (etwa wie neben der Zeichnungsfigur dargestellt) einstellbar ist, und zwar so,
daß die Schmelze 3 unter dem Substratkristall 4 gesättigt ist. In dem Temperaturgefälle
scheiden sich die in der Schmelze 3 homogen enthaltenen Stoffe an der Hauptfläche
41 des Kristalls 4 ab. Gleichzeitig wandern die im
Spenderkristall
2 enthaltenen Stoffe durch die Schmelze und scheiden sich ebenfalls an der Hauptfläche
41 des Substratkristalls 4 ab. An dieser Hauptfläche bildet sich eine epitaxial
wachsende Verbindungshalbleiterschicht 5 aus.
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Der Substratkristall 4 ist so vorbereitet, daß die Hauptfläche 41
in einer langsam wachsenden Eristallisationsebene liegt, da diese für das flächenhafte
Schichtwachstum günstig ist. Zur Rekristallisation einer dicken GaAS-Schicht 5 aus
einer Ga-Schmelze 3 werden beispielsweise (100) oder (111) B-Ebenen benutzt. Um
an der Hauptfläche 41 örtliche Temperaturunterschiede auszugleichen wie auch zur
Erzeugung gleichmäßigen Schichtwachstums ist der Substratkristall 4 in Rotation
um seine Scheibenachse versetzt.
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Dies geschieht mittels einer Spange 6 aus Quarz, mit welcher der Kristall
4 an seiner Randfläche 42 gehaltert ist.
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In der Randfläche ist eine umlaufende Rille 421 eingebracht, in welche
die Spange 6 eingreift. Infolge der Benetzbarkeit des Kristalls 4 kriecht die gesättigte
Schmelze 3 an die Randfläche 42, an welcher das Schichtwachstum jedoch schneller
vor sich geht als an der Hauptfläche 41, so daß praktisch nur noch diese Randfläche
bewachsen wird aber nicht mehr die Hauptfläche. Durch die Rotation des Kristalls
4 wird überdies die durch Abscheidung an der Randfläche verarmte, åa untersättigte
Schmelze an die wärmere Hauptfläche 41 gerührt, wo eine noch dünne Schicht 5 bei
der Wiedereinstellung des SättlgungsgleichgewEhts von der Schmelze angelöst wird.
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Die Rotation und der thermische Auftrieb führen die an der Hauptfläche
wiedergesättigte Schmelze an die Randfläche zurück, so daß bei geringem Materialtransport
vom Spenderkristall her,.Material überwiegend von der Hauptfläche zur Randfläche
gelangt und dort ein starkes Schichtwachstum zur Folge hat.
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Dieser unerwünschte Vorgang wird am Zustandekommen gehindert,
indem
zumindest die Randfläche 42 aber nicht die Hauptfläche des Kristalls 4 mit einer
Passivierungsschicht 43 aus SiO2 oder aus Si 3N4 versehen wird. Durch diese Maßnahme
wird an der Hauptfläche ein Wachstum einer Verbindungshalbleiterschicht 5 mit hoher
Wachstumsrate ermöglicht, aber eine stetig gewachsene gleichmäßige dicke Schicht
erhalten. Diese Passivierungsschicht wird vor der Durchführung der Schmelzphasenepitaxie
aufgebracht, beispielsweise kann sie pyrolitisch und mit Phosphor versetzt ausgebildet
werden, wodurch die Schicht 43 eine gute Haftfähigkeit auf dem Kristall 4 erhält.