DE2641347C2 - Verfahren zur Herstellung von epitaxialen Schichten auf einkristallinen Substraten - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von epitaxialen Schichten auf einkristallinen SubstratenInfo
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Abstract
Zur Herstellung bestimmter Halbleiterbauelemente, z. B. zur Herstellung von Lumineszenzdioden oder Laserdioden, ist es notwendig, auf einen Halbleiterkristall eine oder mehrere Schichten aus Halbleitermaterial epitaxial abzuscheiden. Aufgabe der Erfindung ist es, fuer das Fluessigphasen-Epitaxieverfahren Massnahmen anzugeben, durch die beim Abschieben einer Schmelze eine Schmelzverschleppung vermieden wird und mit der beim Abscheiden mehrerer epitaxialer Schichten aufeinander scharfe Heterogrenzen erreicht werden koennen. Erfindungsgemaess werden fuer die Schiebeepitaxie Substrate ausgewaehlt, die so gespalten bzw. zurechtgesaegt sind, dass die Begrenzungskanten der Substratoberflaeche nicht solche Kanten sind, an denen bevorzugt schnelles Kantenwachstum auftritt. Dementsprechend zurechtgeschnittene Substrate werden so in das Schiebeepitaxiegeraet gelegt, dass das Verschieben der Schmelze ueber solche Kanten des Substrates bzw. der aufgewachsenen epitaxialen Schichten hinweg erfolgt, an denen das Kantenwachstum sehr gering ist. An solchen Kanten bilden sich dann bei dem Epitaxieprozess keine oder nur sehr kleine Wuelste aus, so dass beim Abschieben der Schmelze keine Schmelzreste auf der Oberflaeche des Kristalls verbleiben. ...U.S.W
Description
55
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von epitaxialen Schichten auf einkristallinen Substraten,
wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher angegeben
ist.
Zur Herstellung bestimmter Halbleiterbauelemente, t>o
z. B. zur Herstellung von Lumineszenzdioden oder Laserdioden, ist es notwendig, auf einen Halbleitcrkristall
eine oder mehrere Schichten aus Halbleitermaterial epitaxial abzuscheiden. Insbesondere zur Herstellung von
Halbleiterbauelementen aus intermetallischen 111-V- ιλ
Verbindungen und deren Legierungen wird dazu die Technik der »Flüssigphascn-Schiebfepitaxie« angewendet.
Bei dieser Methode wird mit Hilfe eines Schiebers eine Schmelze, die das abzuscheidende Material enthüll,
auf die Oberfläche eines Substrats aufgeschoben und sodann durch leichtes Abkühlen der Schmelze Material
auf der Substratobcrfläche abgeschieden. Sobald mit dem Abscheiden die vorgesehene Schichtdicke erreicht
ist, wird mit Hilfe des Schiebers die restliche Schmelze
von der Substratoberfläche bzw. der aufgewachsenen epitaxialen Schicht abgeschoben. Ein solches Schiebeepitaxie-Verfahren
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind beispielsweise in der
US-Patentschrift 37 53 801 beschrieben. Bei der Herstellung von Laserdioden mit HeteroStruktur ist es notwendig,
aufeinander mehrere Schichten epitaxial abzuscheiden. Diese Schichten unterscheiden sich dabei in
ihrer Zusammensetzung, z. B. bei einer GaAs-(GaAl)As-Schichlfolgc
in Aluminiumgehalt. Die Eigenschaften einer solchen LaserdioJc werden dabei u. a. auch davon
bestimmt, wie scharf an einem Heteroübcrgang /wischen
zwei epitaxialen Schichten sich die Zusammensetzung ändert Laserdioden mit guten optischen und elektrischen
Eigenschaften erfordern sehr scharfe Hetcrogrcnzen. Bei dem gebräuchlichen Schiebeepitaxie-Verfahren
entstehen unscharfe Heterogrenzen dadurch, daß z. B. beim Abschieben einer Gai _ »AlAAs-Schicht
(0 < χ < 1)die Schmelze nicht vollständig von der aufgewachsenen
epitaxialen GaAlAs-Schicht entfernt wird, sondern daß Schmelzenreste verschleppt werden. Diese
Schmelzenreste verbleiben auf der Oberfläche der abgeschiedenen epitaxialen Schicht und mischen sich mit
der danach zum Abscheiden der nächsten epitaxialen GaAs-Schicht aufgeschobenen neuen GaAs-Schmelze.
Das hat zur Folge, daß am HeteroÜbergang von der Gai _ »AUAs-Schicht zu der GaAs-Schicht der Aluminiumgehalt
an der Heterogrenze nicht abrupt auf Null absinkt, sondern daß sich innerhalb eines Bereiches 0,1
bis 0,15 μπι der Aluminiumgehalt stetig von χ auf 0 ändert.
Solche unscharfen Heteroübergänge führen bei Laserdioden zu stark streuenden Schwellcnstromdichlen
und niedrigen (differenticllen) äußeren Wirkungsgraden.
Im Zusammenhang mit der Schiebeepitaxie ist es aus der DE-OS 24 25 747 bekannt, falsches oder ungewolltes
dendritisches Wachstum am Rande des Substrats dadurch zu vermeiden, daß man die Oberfläche des Substrats
in einem Slrcifcnbereich entlang seiner einen Kante derart abdeckt, daß dort keinerlei Aufwachsen
erfolgt. Es soll damit erreicht werden, daß beim Abschieben der Schmelze die neu aufgewachsene Schicht
nicht durch abbrechende Dendrite verkratzt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, für das Flüssigphasen-Epitaxieverfahren
Maßnahmen anzugeben, durch die beim Abschieben einer Schmelze eine Schmelzverschleppung
und/oder das Zerkratzen der Oberfläche durch abbrechende Dendrite vermieden wird und mit
denen beim Abscheiden mehrerer epitaxialer Schichten aufeinander scharfe Heterogrenzen erreicht werden
können.
Diese Aufgabe wird mit einem im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahren erfindungsgemäß gelöst.
Die Erfindung geht von der Feststellung aus, daß die Schmelzverschlcppung bei der Schiebeepitaxie durch
unrcgelTiäßige Aufwachsungen am Rande der abgeschiedenen
epitaxialcn Schicht verursacht wird. Das Wulstwachsnim tritt an den Rändern der abgeschiedenen
epitaxialen Schicht auf, da der BeneUungswinkel
der Schmelze mit dem Substrat gröüer ;ils ein rechter
Winkel ist, und dadurch die Ränder ein gröUeres Kin-/ugsgebiet
für das abzuscheidende Material haben als
der übrige Teil der Scheibe. Da die Schmelze über diese wulstigen Ränder hinweggeschoben werden muß, bleiben
aufgrund der Oberflächenspannung der Schmelze an diesen wulstartigen Rändern Schmelzres.e hängen.
Die Stärke der Schmelzenverschleppung hängt von der Grolle des Spaltes zwischen dem Boden des Schmelzenschiebers
und der Oberfläche des Substrates bzw. der Oberfläche der aufgewachsenen epitaxialen Schicht ah.
Dieser Spalt kann nicht beliebig klein gehalten werden, denn es könnf*/\ an solchen Wulsten beim Abschieben
der Schmelze von dem Schieber Wulstteile abgebrochen werden, die die Oberfläche der aufgewachsenen
epitaxialen Schicht zerkratzen. Solche Kratzer führen zu Kristallbaufehlern, die wiederum für Degradationsphänomene von Laserdioden verantwortlich sind.
Der Erfindung liegt weiter die Erkenntnis zugrunde, daß das an Kanten des Substrates bzw. der aufgewachsenen
epitaxialen Schicht stattfindende Wulstwachstum nicht in allen Raumrichtungen gleichmäßig h,., sondern
daß die Geschwindigkeit des Kristallwachstums an Kanten von der räumlichen Orientierung dieser Kanten
abhängig ist. Das Wulstwachstum (bzw. Kantenwachstum) wird besonders stark, wenn sich an den Wulst eine
Tangentialebene legen läßt, die parallel zu einer für das Kristallwachstum singulären Kristallfläche verläuft. Eine
solche singuläre Kristallfläche ist z. B. bei GaAs die (111)-Fläche. Der Wulst wächst bei diesem Beispiel
durch Ausbildung der singulären Fläche. Erfindungsgemäß werden daher für die Schiebeepitaxie Substrate
ausgewählt, die so gespalten bzw. zurechtgesägt sind, daß die Begrenzungskanten der Substratoberfiäche
nicht solche Kanten sind, an denen bevorzugt schnelles Kantenwachstum auftritt. Dementsprechend zurechtgeschnittene
Substrate werden so in das Schiebeepitaxiegerät gelegt, daß das Verschieben der Schmelze über
solche Kanten des Substrates bzw. der aufgewachsenen epitaxialen Schichten hinweg erfolgt, an denen das Kantenwachslum
sehr gering ist. An solchen Kanten bilden sich dann bei dem Epilaxieprozeß keine oder nur sehr
kleine Wülste aus, so daß beim Abschieben der Schmelze keine Schmelzreste auf der Oberfläche des Kristalls
verbleiben. Ein Wulstwachstum, das an den Ecken des Substrates bzw. der aufgewachsenen Kristallschicht
entsteht oder das an Kanten stattfindet, die parallel zur Verschieberichtung der Schmelze liegen, wirkt sich
nach den im Zusammenhang mit der Erfindung vorgenommenen Untersuchungen nur unwesentlich auf eine
Schmelzverschleppung aus; sie wird im überwiegenden Maße von Wulsten bestimmt, die senkrecht zur Verschieberichtung
der Schmelze liegen und über die Schmelze hinweggeschoben werden muß.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Insbesondere bei der
Herstellung von Ill-V-Halbleiterkristallen, die eine
Zinkblende-Gitterstruktur aufweisen und bei denen das Schichtwachstum in einer (111)-Richtung erfolgen soll,
ist es vorteilhaft, das Substrat so in die Schiebeepitaxie-Apparalur
zu legen, daß die Schieberichtung der Schmelze senkrecht zu einer in einer (HO)-Fläche liegenden
Kristallkantc erfolgt. Soll das Kristallwachstum in einer (100)-Richtung erfolgen, so wird der Subslralkiistall
so zurechlgeschnillen und so in die Sehiebcepitaxie-Apparalur
gclcg1, daß die Bcgrenzungskanlc, die
senkrecht /ur Vcrschieberiehuing der .Schmelze verlauft,
in einem Winke' zwischen 15" und 4T zu einer (110)-Richiung liegt, vorzugsweise in einem Winkel von
4r> . Im letzteren !-"all l'vgt die Kante in(100)-Richtung.
Im folgenden wird Peschriebcn und anhand der Figuren
näher erläutert, wie das erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt wird.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine
Vorrichtung zur Durchführung des Schiebeepitaxie-Verfahrens.
F i g. 2 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer solchen Vorrichtung.
F i g. 3 zeigt schematisch, wie bei einem GaAs-Kristall
Wulstwachstum auftritt
ίο Die Fig.4—10 zeigen in schematischer Darstellung,
wie Kristalle mit Zinkblende-Kristallgitterstruktur gespalten werden und mit welcher Orientierung sie zur
Richtung des Aufschiebens bzw. des A'oschiebens der Schmelze in die Schiebeepitaxie-Apparatur eingelegt
werden. Dabei zeigen die Fig.5 und 6 das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, und die F i g. 7
und 8 sowie die Fig.9 und 10 zeigen zwei gemäß der
Erfindung ausgeführten Verfahren.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Herstellung einer GaAlAs-Epitaxie-Schicht auf einem GaAs-Substrat
erläutert. Eine Schiebeepitaxie-Apparatur, die zur Herstellung solcher epitaxialer Schichten dient, ist
schematisch in F i g. 1 und in F i g. 2 dargestellt. Sie besteht aus einer Trägerplatte 1, in der sich Vertiefungen 2
befinden. In diesen Vertiefungen 2 liegen die Substratkristalle 3. Auf der Trägerplatte 1 befindet sich ein
Schieber 6, in dem Öffnungen 7 vorhanden sind. In diesen öffnungen 7 befindet sich die Schmelze 8, aus der
heraus die epitaxiale Schicht 4 auf dem Substrat 3 abgeschieden werden soll. Die Temperatur der Schmelze und
des Substrates beträgt etwa 8000C. Durch Abkühlung
wird eine Schicht auf dem Substrat abgeschieden. Sobald beim Abscheiden die vorgesehene Schichtdicke der
epitaxialen Schicht 4 erreicht ist, wird durch Verschieben des Schiebers 6 in der Richtung V die Schmelze 8
von der aufgewachsenen Schicht 4 abgeschoben. Nach dem Stand der Technik v/erden die GaAs-Substratkristalle
durch Spalten auf die gewünschte Form gebracht. Die seitlichen Begrenzungsflächen eines Substrates,
dessen Oberflächennormalc /V0 in (100)-Richtung zeigt,
sind dann Spaltflächen S1, Si', S2, S2' (F i g. 3, F i g. 4). Die
Richtung des Auf- bzw. Abschiebens der Schmelze erfolgt nach dem Stand der Technik senkrecht zu dem
einen Paar und parallel zu dem anderen Paar dieser
<r> Spaltflächen. Die Spaltflächen liegen parallel zu
(HO)-Kristallebenen Ei, E2 (Fig.4). Die Länge dieser
Ebenen in der von (IIO)-Ebenen begrenzten Einheitszelle des Kristalls ist in den F i g. 5 und 6 dargestellt. Bei
solchen seitlichen Substratbegrenzungsflächen entstehen beim Aufwachsen der epitaxialen Schicht 4 an allen
Schichträndern Wülste 5, die quer zur Verschieberichtung verlaufen, da sich an die Ränder Tangentialebenen
Ti, 71' (Fig.3) legen lassen, die parallel zu (lll)-Kristallflächen
verlaufen.
Die Wülste behindern das Abschieben der Schmelze 8, so daß Reste der GaAlAs-Schmelze auf der abgeschiedenen
Schicht verbleiben, die sich mit der dann aufgeschobenen GaAs-Schmelze mischen und somit zu
einem unscharfen HeteroÜbergang führen. Weiter können in ungünstigen Fällen die Wülste so stark ausgebildet
sein, daß der Schieber 6 beim Abschieben gegen diese Wülste stößt, so daß Teile davon abbrechen. Beim
Abschicben der Schmelze können diese abgebrochenen Teile der Wülste 5 die Oberfläche der epitaxialen
br) Schicht 4 zerkratzen und dadurch unbrauchbar machen.
Um dieses störende Wulsiwachsium zu vermeiden,
wird gemäß der Erfindung ein Substrat mit Zinkblendc-Ciitterstruklur,
z.B. ein GaAs-Substrat. dessen Oberfiä-
ehe eine(100)-l-läche ist. so zurechtgcschnitten. z. B.
gesägt, daß die seitlichen Begrenzungsfläehen Si und
Si' mit einer (lOO)-Kristallfläche einen Winkel zwischen
15° und vorzugsweise 45" einschließen. Im letzteren Fall verlaufen diese seitlichen Bcgren- r>
zungsflachen ΛΊ, Si' dann parallel zu (lOO)-Kristallflächcn.
Die beiden anderen seitlichen Begrenzungsflächen S2, Sj' werden senkreehl zu den Flachen Si,
Si' gelegt und sie verlaufen damit in der bevorzugten Ausführung ebenfalls in einem Winkel von 45" ge- in
gen eine (1 !O)-Kristallfläche. Das so zurechigesägtc
Substrat wird nun derart in die Schiebeepitaxie-Apparatur eingelegt, daß die Richtung V, unter der die
Schmelze auf das Substrat aufgeschoben wird und abgeschoben wird, senkrecht zu den Flachen S; und !5
Si' verläuft. In den F i g. 7 und 8 ist im Kristallmodcll
dargestellt, wie die zu den Begrenzungsflächen Si, Si' parallele Kristallfläche Ei, sowie die zu den Bcgrenzungsflächen
S2, S2' parallele Kristallfläche E2
durch das Kristallgitter verlaufen.
Soll das Epitaxialwachstum bei einem GaAs-Substrat in einer (111)-Richtung erfolgen, so wird ein
Substrat mit einer (111 )-orientierten Oberfläche gemäß
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung so geschnitten, daß die seitlichen Begrcnzungsflächen 2r>
Si, Si' (Fig.4) (HO)-Spaltflächen des Kristalls sind.
Senkrecht zu diesen Spaltflächen werden die beiden anderen Begrcnzungsflächen Sj, S2' gelegt, wozu der
Kristall entsprechend gesägt wird. In den F i g. 9 und 10 ist dargestellt, wie die zu den Begrenzungsflächen jo
Si, Si' parallele Kristallfläche Ei, sowie die zu den
Begrenzungsflächen S2, S2' parallele Kristallflächc
E2 durch den Kristall verläuft. Das Substrat wird nun
so in die Schiebeepitaxie-Apparatur gelegt, daß die Schieberichtung V senkrecht zu den Begrenzungsflächen
Si, Si' und damit senkrecht zu einer (110)-Kristailfläche verläuft (F i g. 4). Bei dieser Lage
des Substrates sind die Kanten 12, über die die Schmelze aufgeschoben bzw. abgeschoben wird,
Schnittkanten von (110)-Ebenen mit der (111)-Oberflächenebene
des Substrates. An diese Kanten 12 können keine (lll)-Tangentialebenen gelegt werden,
so daß an diesen Kanten kein Wulstwachstum auftritt. Die beiden anderen seitlichen Begrenzungsflächen
S2 und S2' verlaufen in diesem Beispiel senkrecht
zu den Begrcnzungsflächen Si und Si'. Sie schneiden bei der bevorzugten Ausführung die
(lll)-Oberflächenebene des Substrates in (HO)-Kanten. Eine (11 l)-orienlierte Tangentialebene
mit einer vom Substrat wegzeigenden Normalen f\'i (vgl. F i g. 3) kann irs diesem FaH nur an eine dieser
Kanten gelegt werden. Für die andere dieser beiden Kanten kommt nur eine (100)- Ebene als Tangentialebene
in Frage. In einer zur Schieberichtung V parallelen Richtung wachsen daher beim Epitaxieprozeß
ein kleiner Wulst 9 und ein starker Wulst 5 (vgl. F i g. 2). Diese in Schieberichtung V liegenden Wülste
führen jedoch nicht zu einer störenden Schmelzenverschleppung.
Vorzugsweise ist die Erfindung bei einem Substrat der Zusammensetzung Ga1AIi _ »As,Pi ~, anzuwenden,
bei derO < χ < 1 undO < y < 1 ist
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung von epitaxialen Schichten auf einkristallinen Substraten mit wenigstens
zwei zueinander parallelen Kanten nach der Flüssigphasen-Schiebeepitaxie, bei dem auf die
Oberfläche eines einkristallinen Substrates mittels eines Schiebers eine Schmelze aufgeschoben wird,
bei dem aus der Schmelze auf das Substrat Material als einkristalline, epitaxiale Schicht abgeschieden
wird und bei dem nach Abscheiden der epitaxialen Schicht die Schmelze mittels des Schiebers von dem
Substrat und der darauf abgeschiedenen Schicht wieder abgeschoben wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Aufschicben und/oder Abschieben
der Schmelze (8) über solche zwei zueinander
parallele Begrenzungskanten (12) hinweg erfolgt, an denen kein bevorzugtes Wulstwachstum in
einer solchen Richtung Ni, N\' auftritt, die zu diesen
Begrenzungskanten (12) senkrecht verläuft und vom Innern des Substratkristalles nach außen zeigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daB das Aufschieben und/oder das Abschieben der Schmelze (8) in einer zu den Begrenzungskanten
(12) senkrechten Schieberichtung (V) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Substratkristall (3) mit
Zinkblende-Gitterstruktur und einer (111 )-orientierten
Oberfläche (11) die Schmelze (8) über eine in eine (UO)-Gitterebene liegende Begrenzungskante
(12) der Oberfläche in (110)-Richtung aufgeschoben
und/oder abgeschoben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gckennzeichnet,
daß bei einem Substratkristall (3) mit Zinkblende-Gitterstruktur und einer (1 ^-orientierten
Oberfläche (11) die Schmelze (8) über eine Begrenzungskante (12) dieser Oberfläche aufgeschoben
oder abgeschoben wird, die in einem Winkel von etwa 15° bis 45" zu einer (110)-Richtung des Substratkristalls
verläuft.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratkristall so geschnitten
wird, daß die Begrenzungskante (12) in einer (100)-Richtung des Kristalles liegt, und daß das Aufschieben
und/oder Abschieben der Schmelze senkrecht zu dieser Begrenzungskante erfolgt.
6. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 zur Herstellung von Halbleiterkristallen
mit HeteroStruktur.
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