DE2641347C2 - Verfahren zur Herstellung von epitaxialen Schichten auf einkristallinen Substraten - Google Patents

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

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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 _ »Al_AAs-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 4^r> . 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

b^r) 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 2^r> 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)

Patentansprüche:

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.