DE2705904A1 - Vorrichtung zur epitaxial-zuechtung von periodischen halbleiterstrukturen aus der gasphase - Google Patents

Vorrichtung zur epitaxial-zuechtung von periodischen halbleiterstrukturen aus der gasphase

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DE2705904A1 DE19772705904 DE2705904A DE2705904A1 DE 2705904 A1 DE2705904 A1 DE 2705904A1 DE 19772705904 DE19772705904 DE 19772705904 DE 2705904 A DE2705904 A DE 2705904A DE 2705904 A1 DE2705904 A1 DE 2705904A1
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    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
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Description

  • Beschreibung
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Herstellung von Halbleiterwerkstoffen und Strukturen auf deren Grundlage, genauer auf eine Vorrichtung zur Epitaxial-Züchtung von periodischen Halbleiterstrukturen aus der Gasphase.
  • Bekannt sind Vorrichtungen, deren Funktionsprinzip auf der Epitaxial-ZUchtung von periodischen Halbleiterstrukturen aus Gasphase mittels einer raschen periodischen Änderung der Konzcntration der zu variierenden Komponente in einem Gasstrom berulit, der von Quellen der Ausgangsstoffe an den jeweiligen Schichtträger gelangt.
  • Die bekannte Vorrichtung zur Epitaxial-Züchtung von periodischen Halbleiterstrukturen aus der Gasphase enthält einen senkrechten mit Gas gefüllten Röhrenreaktor, versehen mit einem Eintritt und Austritt für Gas, das ein Reagens zur Durchführung einer chemischen Transportreaktion aufweist; weiterhin eine im Reaktor angebrachte erste Scheibe, die eine Außen- und Arbeitsoberfläche zur Anbringung des Jeweiligen Schichtträgers hat und mechanisch mit einem Elektromotor zur Drehung der ersten Scheibe verbunden ist, der außerhalb des Reaktors liegt und die Drehung der ersten Scheibe um die senkrechte Achse des Reaktors sichert; Stoffquellen, aus denen sich die Schichten der auszubildenden periodischen Halbleiterstruktur zusammensetzen; einen Mechanismus, der die vorgegebene Aufeinanderfolge des Eintritts von Stoffen von den Quellen zu einem Schichtträger sichert, und Erhitzer für Quellen und Schichtträger, die die Temperaturdifferenz derselben schaffen (siehe z.B.
  • A. E. Blakslee, C. F. Aliotta, "Man-made superlattice crystals" IBM G. Research and Development, 1970, v. 14, Nr. 6, p. 686-688).
  • Der Mechanismus, der die vorgegebene Aufeinanderfolge des Eintreffens von Ausgangsstoffen von Quellen zu einem Schichtträger sichert, wird in Form eines außerhalb des Reaktors liegenden Injektionssystems ausgeführt, das mit einem dreigängigen Solenoidventil versehen ist, das-ittels eines elektronischen Zeitrelais geschaltet wird.
  • Das Injektionssystem der bekannten Vorrichtung ist zur Absicherung einer schnellen Dosierung der Komponenten der Gasphase gedacht, wobei ihr Verhältnis durch die Stellung des genannten dreigängigen Solenoidventils bestimmt wird, das den Eintritt von Ausgangsstoffen von den außerhalb des Reaktors liegenden Quellen regelt.
  • Das erwähnte elektronische Zeitrelais des Injektionssystems ist zur Vorgabe der periodischen Einschaltung des Solenoidventils und der Dauer des Injektionszyklus der Zuführung von Gasmischung jeder Zusammensetzung zu dem Reaktor vorgesehen, die den Zusammensetzungen der sich abwechselnden Schichten in der Jeweiligen periodisch gezüchteten Struktur entspricht.
  • Unter Zuhilfenahme einer elektronischen Überwachung, die die Dauer des Injektionszyklus vorgibt, kann man nicht nur die Schichtstärke in einer periodischen Struktur, sondern auch das Konzentrationsverhältnis der zu variierenden Komponenten in den sich abwechselnden Schichten einer periodischen Struktur steuern.
  • Kennzeichnendes Merkmal der bekannten Vorrichtung besteht in einem geringen Rauminhalt des Reaktors (in der Größenordnung von etwa 100 cm3), was auf die Notwendigkeit zurück;uführen ist, den schnellen Wechsel der Gasphase beim Ubergang vom Wachstum der Schicht mit einer Zusammensetzung zum Wachstum der Schicht zu einer anderen Zusammensetzung zu sichern.
  • Ein weiteres kennzeichnendes Merkmal der Vorrichtung besteht darin, daß ein Teil von Quellen (die die leichtflüchtigen Komponenten der Jeweiligen periodischen Struktur liefern) außerhalb des Reaktors angeordnet ist.
  • Eine schwerflüchtige Komponenten liefernde Quelle wird innerhalb des Reaktors angebracht und ihre Temperatur wird mittels eines außerhalb des Reaktors liegenden Erhitzers aufrechterhalten. Ein Erhitzer des Schichtträgers ist ebenfalls außerhalb des Reaktors angebracht.
  • Die bekannte Vorrichtung wird zur Epitaxial-Züchtung einer periodischen Struktur vom "Supergitter"-Typ auf der Grundlage von festen Lösungen von GaAs1~xPx mit aufeinanderfolgenden Werten von x (wo "x" Molanteil von Galliumphosphid in fester Lösung ist) eingesetzt.
  • Als Arsen- und Phosphorquellen sind in der bekannten Vorrichtung Ballone mit Phosphin PH3 und Arsin AsH3, gemischt mit Wasserstoff vorgesehen. Der Strom von Arsin ist konstant, während der Strom von Phosphin mit Hilfe des dreigängigen Solenoidventils periodisch geändert wird.
  • Als Galliumquelle dient metallisches Gallium, das in einer Schale im oberen Teil des Reaktors angeordnet ist.
  • Zur Durchführung der chemischen Transportreaktion von Gallium von einer Quelle zum Schichtträger wird dem Reaktor ein Gasgemisch (H2 + HCl) zugeführt, wobei Wasserstoffchlorid HCl ein chemisches Reagens für die Durchführung der Transportreaktion darstellt.
  • Die Temperatur der Galliumquelle beträgt 9000C und die des Schichtträgers 7600C.
  • Wenn der Rauminhalt vom Injektionssystem, von Zufuhrungsrohren und vom Röhrenreaktor selbst ausreichend gering ist (in der Größenordnung von etwa 100 cm3) und der Verbrauch an Gasgemisch durch den Reaktor ausreichend groß ist (in der Größenordnung von etwa 1000 cm3 (min)), so ermöglicht es die bekannte Vorrichtung, einen schnellen periodischen Wechsel der Zusammensetzung der Gasphase im Rauminhalt des Reaktors und eine entsprechende Aufeinanderfolge der x-Werte von Schicht zu Schicht bei Epitaxial-Züchtung einer festen Lösung von GaAs1 -xx durchzuführen.
  • Mit Hilfe der beschriebenen bekannten Vorrichtung wurde die Züchtung periodischer Haibleiterstrukturen mit einer Periode, die im Bereich von 225 i bis 1000 2 liegt, und mit einer Amplitude von "x" der periodischen Änderung des Gehalts an Galliumphosphid von 0,1 bis 0,4 Molanteile vorgenommen.
  • Bei Dauer des InJektionszyklus von 2 Sekunden und bei Geschwindigkeit des Epitaxial-Wachstums von 40 mkm/h erfolgte die Züchtung von Schichten mit einer Stärke von 110 i mit einer Abweichung nicht über 1% für die Stärke vom Mittelwert in der gesamten ausgebildeten periodischen Struktur.
  • Ebenfalls mit Hilfe der bekannten Vorrichtung wurde eine Struktur auf der Grundlage von CdxHgl,Te ausgebildet.
  • Hierdurch kann die oben beschriebene bekannte Vorrichtung zur Ausbildung periodischer Halbleiterstrukturen auf der Grundlage fester Lösungen unterschiedlicher Natur eingesetzt werden, obwohl es in Jedem einzelnen Fall notwendig ist, gasförmige Ausgangsstoffe als Quellen für Halbleiterkomponenten zu verwenden.
  • Abgesehen davon, daß mit Hilfe der bekannten Vorrichtung eine Struktur ausgebildet werden kann, die die erforderlichen Eigenschaften und Vorteile aufweist, haften Jedoch der bekannten früher erwähnten technischen Lösung einige Mängel an, die auf ihre konstruktive Beschaffenheit zurückzuführen sind. Hauptnachteil der bekannten Konstruktion besteht darin, daß es nicht möglich ist, mittels Solenoidventils gasförmige Komponenten in Portionen zu dosieren, die geringer als die Komponentenmenge in einer Epitaxial-Schicht mit einer Stärke von 110 i sind.
  • Der Dosierungsvorgang ist nicht möglich, wenn das Volumen des in einem Zyklus durchströmenden Gases mit dem effektiven Rauminhalt des Ventils selbst vergleichbar ist, was bei einer Dauer des Injektionszyklus von unter 2 Sekunden der Fall ist. Dabei gerät die Steuerung der Amplitude der periodischen Änderung des Phosphorgehaltes im Reaktorvolumen und in der gezüchteten periodischen Struktur außer Kontrolle, wodurch die Züchtung periodischer Strukturen mit einer Periode unter 200 2 und mit einer Stärke einzelner Schichten unter 100 i, das heißt qualitativ neuer periodischer Strukturen vom "Supergitter"-Typ, ernsthaft erschwert wird, weil dort das Auftreten neuer Wirkungen in Quanten-Dimension möglich ist.
  • Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht in der geringen Leistung der bekannten Vorrichtung, welche auf das sehr kleine Reaktorvolumen zurückzuführen ist, um so schnell wie möglich den periodischen Wechsel der Gasphase im Reaktor bei Züchtung periodischer Strukturen vom "Supergitter"-Typ mit einer Periode in der Größenordnung von etwa 200 i und darunter durchzuführen. Deswegen kann man in den Reaktor der bekannten Vorrichtung, der einen Durchmesser von 15 mm hat, nur einen Schichtträger üblicher Größe aufgeben und dementsprechend die Epitaxial-Züchtung lediglich einer periodischen Struktur durchführen.
  • Infolge geringer Leistung ist die bekannte Vorrichtung für eine breite industriemäßige Herstellung von periodischen Halbleiterstrukturen ungeeignet.
  • Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht darin, daß die Wahl von Stoffen, die die Komponenten der gezüchteten periodischen Strukturen liefern, dadurch beschränkt ist, daß zum Dosieren lediglich leichtflüchtige Stoffe und Verbindungen verwendet werden können.
  • Diese Stoffe und Verbindungen sollen vorher synthetisiert werden, einen für Elektronik üblichen hohen Reinheitsgrad haben und nicht mit dem.Werkstoff des Solenoidventils und mit dem Werkstoff der Rohre reagieren, die die Quellen leichtflüchtiger Stoffe mit dem Solenoidventil und dem Reaktor verbinden.
  • Der genannte Nachteil schränkt bedeutend den Kreis von Halbleitersystemen ein, auf deren Grundlage periodische Strukturen hergestellt werden können.
  • Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht darin, daß es nicht möglich ist, die Anteile an Grundkomponenten in Gasphase, die zur Zusammensetzung einer festen Halbleiterlösung gehören, und die Anteile an legierenden Beimengungen getrennt zu steuern. Dieser Nachteil ermöglicht es nicht, die Verteilung legierender Beimengungen in der ausgebildeten Halbleiterstruktur unabhängig von der Verteilung der Grundkomponenten der festen Lösung zu steuern. Hierdurch ist es mit Hilfe der bekannten Vorrichtung nur möglich, die einfachsten periodischen Strukturen zu erzeugen und keine komplizierten auszubilden, in denen zum Beispiel Heteroübergänge mit p-n-Ubergängen oder n-n+-Ubergängen kombiniert werden.
  • Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht auch darin, daß sie lediglich erlaubt, die Zusammensetzung der Gasphase über der gesamten Oberfläche eines Schichtträgers zu verändern. Die Vorrichtung stellt deswegen nicht die Steuerung der Hauptkenndaten einer periodischen Struktur (Amplitude und Dauer der Änderung der Zusammensetzung) auf einzelnen bestimmten Abschnitten eines Schichttrågers sicher. Die bekannte Vorrichtung ermöglicht es zum Beispiel nicht, eine periodische Struktur mit gesetzmäßiger Änderung der Periodendauer in Richtung von einem Rand des Schichtträgers zum anderen zu züchten.
  • Dieser Nachteil hängt damit zusammen, daß die Veränderung der Gasphase im Prozeß des Wachstums auf einmal in dem gesamten Rauminhalt des Reaktors erfolgt.
  • Un zuletzt besteht noch ein Nachteil der bekannten Vorrichtung darin, daß es mit ihr nicht möglich ist, die Veränderung der Zusammensetzung in einer periodischen Struktur beim Übergang von Schicht zu Schicht fein zu regeln und das Konzentrationsprofil einer beliebigen vorgegebenen Art zu bilden. Dieser Nachteil ist darauf zurückzuführen, daß dem Prozeß der Ausbildung eines Konzentrationsprofils, das durch Umschalten des Solenoidventils vorgegeben wird, schwer regelbare Prozesse der Vermischung gasförmiger Komponenten im Ventil selbst, in Verbindungsrohren und im Reaktorvolumen überlagert werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Epitaxial-ZUchtung von periodischen Halbleiterstrukturen aus der Gasphase zu entwickeln, deren konstruktive Ausbildung, insbesondere die Ausbildung des Mechanismus, der die vorgegebene Aufeinanderfolge des Eintritts von Stoffen von den Quellen zu einem Schichtträger bewirkt, sichert, und bei der eine neue Anordnung der Quellen und des Schichtträgers gegeneinander und gegenüber dem Erhitzer eine hohe Leistung der Vorrichtung gewährleistet und es ermöglicht, periodische Halbleiterstrukturen unter Anwendung einer großen Auswahl von Halbleiterstoffen mit einer Schichtstärke bis 50 i und mit anderen erforderlichen Eigenschaften auszubilden.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Epitaxial-Züchtung von periodischen Halbleiterstrukturen.gelöst, die aus einem mit Gas gefüllten senkrechten Röhrenreaktor besteht, der mit einem Eintritt und einem Austritt für Gas versehen ist, das in seiner Zusammensetzung Reagenzien für die Durchführung der chemischen Transportreaktion enthält, welche Vorrichtung eine im Reaktor angebrachte erste Scheibe enthält, die eine Außenoberfläche und eine Arbeitsfläche zur Anbringung eines Schichtträgers hat und mechanisch mit einem Elektromotor zur Drehung der ersten Scheibe verbunden ist, der außerhalb des Reaktors liegt und die Drehung der ersten Scheibe rings um die senkrechte Achse des Reaktors sichert, die weiter Quellen von Stoffen enthält, die die Schichten der zu züchtenden periodischen Halbleiterstruktur ausbilden, die weiter einen Mechanismus hat, der die vorgegebene Aufeinanderfolge des Eintreffens von Stoffen von den Quellen zum Schichtträger gewähr2eisten, und die Erhitzer für die Quellen und den Schichtträger aufweist, die eine Temperaturdifferenz in denselben schaffen, und welche Vorrichtung erfindungsgemäß, eine innerhalb des Reaktors in der Nähe der ersten Scheibe und gleichachsig mit ihr eine zweite Scheibe mit dem gleichen Durchmesser hat, die eine Außenoberfläche und eine zur Arbeitsfläche der ersten Scheibe parallele Arbeitsfläche aufweist mit darauf angebrachten aneinander angrenzenden und in der Richtung der Bewegung der zweiten Scheibe sich abwechselnden mindestens zweien Quellen aus unterschiedlichen Halbleiterstoffen, und bei der mindestens ein Schichtträger an der Arbeitsfläche in der Nähe der Peripherie der ersten Scheibe angeordnet wird; die Vorrichtung hat ferner einen Elektromotor zur Drehung der zweiten Scheibe, die außerhalb des Reaktors liegt und mechanisch lit der zweiten Scheibe gekoppelt ist, wodurch er ihre Drehung um die vertikale Achse des Reaktors sichert und in Verbindung mit dem ersten Elektromotor einen Mechanismus darstellt, der die vorgegebene Aufeinanderfolge des Eintreffens von Stoffen von den Quellen zu dem Schichtträger gewährleistet, und welcher Mechanismus einen Antrieb zur Versetzung der Scheibe längs der Reaktorachse bildet, der mechanisch mit einer der Scheiben verbunden ist, wobei der Erhitzer des Schichtträgers im Reaktor in der Nähe der Außenoberfläche der ersten Scheibe befestigt ist, und wobei beide Erhitzer eine flache Erhitzungsfront aufweisen, die ein Temperaturfeld mit flachen isothermischen Oberflächen sichert, die parallel den Arbeitsflächen der Scheiben verlaufen; dabei wird mindestens eine der erwähnten Quellen aus dem ersten Halbleiterstoff gefertigt, dessen Zusammensetzung der Zusammensetzung der ersten Gruppe von Schichten der auszubildenden periodischen Halbleiterstruktur entspricht, mindestens eine der Quellen wird aus dem zweiten Halbleiterstoff gefertigt, dessen Zusammensetzung der Zusammensetzung der Schichten entspricht, die die Schichten der ersten Gruppe abwechseln, und die Scheiben werden mit einem Spalt zwischen den Oberflächen des Jeweiligen Schichtträgers und der Jeweiligen Quelle angeordnet, der im Bereich von 20 mkm bis 5 mm gewählt ist.
  • Zweckmäßigerweise soll Jeder Erhitzer in Form einer stromführenden Wendel ausgeführt sein, die mit elektrischem Strom erhitzt und mit einer Hülle aus einem Stoff geschützt wird, der gegenüber dem Gasmedium innerhalb des Reaktors inert ist.
  • Es ist ebenfalls zweckmäßig, die mechanische Verbindung der ersten Scheibe mit dem Elektromotor zur Drehung der ersten Scheibe mittels einer ersten Stange zu bewerkstelligen, dessen eines Ende fest in der Mitte der ersten Scheibe und senkrecht zu. ihrer Arbeitsfläche angebracht ist; die erste Stange wird zweckmäßigerweise aus dem Reaktor hinausgeführt und außerhalb des Reaktors mit Einstellschrauben angeschraubt, während das andere Ende der ersten Stange kinematisch mit dem Elektromotor zur Drehung der ersten Scheibe verbunden wird. Die mechanische Verbindung der zweiten Scheibe mit dem Elektromotor zu ihrer Drehung wird mittels einer zweiten Stange bewirkt, deren eines Ende fest in der Mitte der zweiten Scheibe und senkrecht zu ihrer Arbeitsflächc befestigt wird. Die zweite Stange ist zweckmäßig aus dem Reaktor herausgeführt und außerhalb des Reaktors mit Einstellschrauben angedrückt, während das andere Ende der zweiten Stange kinematisch mit dem Elektromotor zur Drehung der zweiten Scheibe zu verbinden ist. Dabei soll der Antrieb zur Versetzung der Scheibe längs der Reaktorachse kinematisch mit dem zweiten Ende der ersten Stange gekoppelt sein.
  • Nicht weniger zweckmäßig ist es, die Vorrichtung mit einem zusätzlichen Antrieb zur Versetzung der Scheibe längs der Reaktorachse zu versehen, der kinematisch mit dem zweiten Ende der zweiten Stange gekoppelt ist.
  • Es ist auch nützlich, die erste Scheibe mit einer Zentralbohrung zu versehen, und die mechanische Verbindung der ersten Scheibe mit dem Elektromotor zu ihrer Drehung mittels einer Hohlwelle zu bewerkstelligen, deren eines Ende starr in der Zentralbohrung der ersten Scheibe und senkrecht zu ihrer Arbeitsfläche zu befestigen ist, und das zweite Ende außerhalb des Reaktors kinematisch mit dem Elektromotor zur Drehung der ersten Scheibe zu koppeln ist. Die mechanische Verbindung der zweiten Scheibe mit dem Elektromotor zu ihrer Drehung ist zweckmäßigerweise mittels einer weiteren Stange zu realisieren, deren Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser der Hohlwelle ist. Das erste Ende der Stange ist mit der Mitte der Arbeitsfläche der zweiten Scheibe zu verbinden, die Stange ist innerhalb der Hohlwelle anzubringen und relativ drehbar mit bezug auf die Welle zu zentrieren, wobei ein abdichtendes Element aus dem aweiten Ende der Hohlwelle herauszuführen ist. Das zweite Ende der Stange soll kinematisch mit dem Elektromotor zur Drehung der zweiten Scheibe und mit einem Antrieb zur Versetzung der Scheibe längs der Reaktorachse gekoppelt sein.
  • Ebenfalls zweckmäßig ist es, das erste Ende der Stange starr in der Mitte der Arbeitsfläche der zweiten Scheibe zu befestigen.
  • Weiterhin ist es dienlich, die erste und die zweite Scheibe in der zentralen Zone, in der Nähe der Befestigung der Hohlwelle und der Stange entsprechend mit Bohrungen zu versehen, deren Achsen parallel zur Reaktorachse laufen und die für die Zuführung von Gas aus der zentralen Zone des Raumes zwischen den Scheiben während ihrer Drehung vorgesehen sind.
  • Außerdem ist es zweckmäßig, in der zweiten Scheibe an ihrer Arbeitsfläche Vertiefungen auszuführen, die an der Peripherie der zweiten Scheibe anliegen und für die Anbringung von Quellen in denselben vorgesehen sind. Dabei soll die Oberfläche der in der entsprechenden Vertiefung liegenden Quelle niedriger als die Arbeitsoberfläche der Scheibe um einen solchen Abstand ausgeführt werden, der im Bereich von 20 mkm bis 5 mm zu wählen ist.
  • Zweckmäßig ist es ferner, in der ersten Scheibe Vertiefungen an ihrer Arbeitsoberfläche auszuführen, die an der Peripherie der ersten Scheibe anliegen und zur Anordnung von Schichtträgern in denselben bestimmt sind, wobei die Oberfläche des in einer entsprechenden Vertiefung liegenden Schichtträgers niedriger als die Arbeitsoberfläche der Scheibe um denJenigen Abstand auszuführen ist, der im Bereich von 50 bis 500 mkm zu wählen ist.
  • Empfehlenswert sind die Vertiefungen an der ersten Scheibe derartig auszuführen, daß sich ihre Pro3ektion auf die zweite Scheibe im Bereich der Vertiefungen der zweiten Scheibe befindet.
  • Empfehlenswert ist es ferner, die erste und die zweite Scheibe in Berührung mit den Arbeitsflächen zu bringen, und es ist dabei zweckmäßig, die Stange mittels eines Gelenkes mit dem Zentrum der Arbeitsfläche der zweiten Scheibe zu verbinden.
  • Dienlicherweise ist die Anbringungsstelle Jeder Quelle mit einem an der zweiten Scheibe ausgeführten Bördel zu begrenzen, dessen Höhe über die Quellenoberfläche in einem Bereich von 0,5 bis 5 mm gewählt werden soll.
  • Zweckmäßigerweise ist auch die Ebene der Quellenoberfläche zur Ebene der Schichtträgeroberfläche unter einem Winkel von 100 anzubringen.
  • Ebenfalls nützlich ist es, mindestens an einer der Quellen eine Abdeckung auszuführen, die die Oberfläche derselben überdeckt und mit Fenstern versehen ist, deren Anzahl, Abmessungen und Anordnung an der Oberfläche der Jeweiligen Quelle durch die erforderliche Geschwindigkeit der Übertragung von Stoff von verschiedenen Abschnitten der Quellen zum Schichtträger festgelegt wird.
  • Zuletzt ist es zweckmäßig, mindestens eine der Quellen mit veränderlicher Zusammensetzung mit einem Gradienten auszuführen, der rechtwinklig zur Oberfläche der Quelle gerichtet ist.
  • Der Hauptvorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht in einer präzisen Steuerung der Menge von Stoffen, die zu einem Schichtträger in bestimmter Aufeinanderfolge von verschiedenen Quellen gelangen,in einem breiten Bereich. Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht es, eine präzise Dosierung von den sich abwechselnden Komponenten beim Niederschlagen an einem Schichtträger bis zur Einspeisung in Portionen vorzunehmen, die in der Stofflfias.e nicht mehr als 10 Monoatonschichten eines wachsenden Kristalls entsprechen. Hierdurch kann die Stärke der Schichten in einer periodischen Struktur mindestens in einem Bereich von 50 i bis 10.000 R variiert werden.
  • Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht darin, daß die Präzision und die untere Dosierungsgrenze der sich abwechselnden Stoffe, die zu einem Schichtträger von verschiedenen Quellen gelangen, nicht von dem Rauminhalt eines Reaktors und von der Anzahl der Schichtträger abhängt, die sich zu gleicher Zeit im Reaktor befinden.
  • Hierdurch kann die vorgeschlagene Vorrichtung eine hohe Leistung des technologischen Prozesses ohne Verschlechterung der Kenndaten der ausgebildeten periodischen Strukturen gewährleisten. Deshalb kann die vorgeschlagene Vorrichtung nicht nur unter Laborbedingungen, sondern auch für industriemäßige Herstellung periodischer Strukturen unterschiedlichen Typs eingesetzt werden.
  • Ein wichtiger Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht auch in der Möglichkeit, als Quellen feste monolithische und pulverartige Halbleiterstoffe zu verwenden, was den Kreis von Halbleiterstoffen erweitert, auf deren Grundlage periodische Strukturen ausgebildet werden können.
  • Ein weiterer wichtiger Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht in der Möglichkeit der gleichzeitigen und unabhängigen Steuerung der abwechselnden Zuführung verschiedener Stoffe zu einem Schichtträger von einer großen Anzahl von Quellen. Dabei kann die Reihenfolge verschiedener Komponenten nach unterschiedlichen Gesetzmäßigkeiten durchgeführt werden. Hierdurch entsteht die Möglichkeit für Epitaxial-Züchtung periodischer Strukturen komplizierten Typs, in denen zum Beispiel gleichzeitig und nach unterschiedlichen Gesetzmäßigkeiten sowohl legierende Beimengungen, die den Typ der Leitfähigkeit und die Konzentration von Ladungsträgern bestimmen, als auch Grundkomponenten einer festen Halbleiterlösung, die die Breite der Verbindungszone verändern, aufeinanderfolgen.
  • Eine weitere wichtige Eigenschaft der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht in ihrer Fähigkeit, zeitlich nach einem bestimmten Gesetz und mit einer hohen Präzision die Geschwindigkeit der Zuführung von den sich abwechselnden Stoffen zu einem Schichtträger zu verändern. Dadurch ermöglicht die vorgeschlagene Vorrichtung, das erwünschte Konzentrationsprofil der Aufteilung der Komponenten einer periodischen Struktur beim Übergang von einer Schicht zur anderen zu erhalten.
  • Noch ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht darin, daß die Zuführung von Halbleiterstoffen von verschiedenen Quellen sowohl gleichmäßig auf die gesamte Fläche eines Schichtträgers als auch nur auf bestimmte von vorneherein gewählte Abschnitte der Schichtträgeroberfläche erfolgen kann. Es besteht auch die Möglichkeit, gesetzmäßig die Geschwindigkeit der Zuführung von Stoffen längs einer bestimmten Richtung auf der Oberfläche eines Schichtträgers zu verändern.
  • Das ermöglicht, periodische Strukturen mit veränderlichem Wert der Schichtstärke und der Periode einer Struktur in vorgegebener Richtung auf der Oberfläche eines Schichtträgers zu züchten.
  • Noch ein Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht darin, daß die Amplitude der Veränderung der Zusammensetzung bei Zuf Uhrung von sich abwechselnden Stoffströmen von verschiedenen Quellen zu einem Schichtträger allmählich nach einem vorgegebenen Gesetz verändert werden kann. Das führt zu einer entsprechenden Modulation der Amplitude der Veränderung der Zusammensetzung in einer wachsenden periodischen Struktur.
  • Dadurch besteht die Möglichkeit, eine solche allmähliche Änderung der Amplitude der Zusammensetzung einer periodischen Struktur zu sichern, die Diffusionsprozesce in fester Phase vollständig kompensiert, die zur Verwaschung periodischer Strukturen mit geringem Wert der Periode, zum Beispiel periodischer Strukturen vom "Supergitter"-Typ mit einer Periode in einer Größenordnung von etwa 100 i führen.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand konkreter AusfUhrungsbeispiele und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen: Fig. 1 Gesamtansicht der ersten Variante der konstruktiven Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, im Schnitt längs der Achse eines vertikalen Röhrenreaktors; Fig. 2 Scheiben mit Erhitzern der Quelle und des Schichtträgers, im Schnitt längs der Achse eines Röhrenreaktors; Fig. 3 dito, erfindungsgemäß, in Draufsicht; Fig. 4 Gesamtansicht einer anderen Variante der konstruktiven Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, im Schnitt längs der Achse eines vertikalen Röhrenreaktors; Fig. 5 eine AusfUhrungsvariante der Scheiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die auf Fig. 1 im Schnitt längs der Reaktorachse abgebildet ist; Fig. 6 eine andere Ausftihrungsvariante der Scheiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die auf Fig. 4 im Schnitt längs der Reaktorachse abgebildet ist; Fig. 7 eine dritte Ausführngsvariante der Scheiben der Vorrichtung, im Schnitt längs der Reaktorachse; Fig. 8 Ansicht nach Pfeilen A auf Fig. 7; Fig. 9 Gesamtansicht noch einer weiteren Variante der konstruktiven Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, im Schnitt längs der Achse des vertikalen Röhrenreaktors; Fig. 10 eine Variante der Ausführung einer Scheibe mit Quellen, die mit Bördeln begrenzt sind, in Draufsicht; Fig. 11 dito, im Schnitt nach der Linie x-x der Fig. 10; Fig. 12 eine Scheibe der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Vertiefungen für einen Schichtträger aufweist, die gewinkelt ausgeführt werden, im Schnitt längs der Reaktorachse; Fig. 13 einen Abschnitt mit Kontaktabdeckung, in Draufsicht; Fig. 14 eine Scheibe mit Quellen zur Epitaxial-Züchtung von periodischen Halbleiterstruuturen aus der Gasphase, im Schnitt längs der Reaktorachse; Fig. 15 schematisch eine periodische Halbleiterstruktur, die auf einem Schichtträger epitaxial mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezüchtet wurde, im Schnitt; Fig. 16 schematisch eine andere periodische Halbleiterstruktur, gezüchtet auf einem Schichtträger epitaxial mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung, im Schnitt; Fig. 17 eine Scheibe mit anderen Quellen zur Epitaxial-ZUchtung periodischer Halbleiterstrukturen aus Gasphase, in Draufsicht; Fig. 18 schematisch eine dritte periodische Halbleiterstruktur, gezüchtet auf einem Schichtträger epitaxial mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung und angeordnet auf der ersten Scheibe, im Schnitt; Die Vorrichtung zur Epitaxial-Züchtung von periodischen Halbleiterstrukturen aus der Gasphase enthält einen vertikalen Röhrenreaktor 1 (Fig. 1), gefüllt mit Gas.
  • Der Reaktor 1 besteht aus einem zylindrischen Quarzrohr 2 mit an seinen Stirnseiten angebrachten wassergekühlten Flanschen 3 und 4, die den Reaktor 1 hermetisch abschließen. Im Flansch 3 ist ein Eintrittsrohrstutzen 5 für Einführung von Gas in den Reaktor 1 und im Flansch 4 ein Austrittsrolzansatz 6 für den Austritt von Gas aus dem Reaktor 1 ausgeführt.
  • Der durch den Reaktor 1 durchströmende Gas strom hat in seiner Zusammensetzung ein chemisches Reagens für eine chemische Transportreaktion.
  • Innerhalb des Reaktors 1 ist eine Scheibe 7 angebracht, die eine Außenfläche 8 und eine Arbeitsoberfläche 9 aufweist.
  • An der Arbeitsfläche 9 innerhalb der Scheibe 7 an deren Peripherie sind Schichtträger 10 angeordnet.
  • Im Zentrum der Außenoberfläche 8 der Scheibe 7 ist senkrecht zu ihrer Arbeitsoberfläche 9 eine Stange 11 befestigt, die durch eine Öffnung 12 mit sicher wirkender Dichtung 13 aus dem Reaktor 1 herausgeführt wird.
  • Außerhalb des Reaktors 1 ist die Stange 11 mittels Einstellschrauben 14 geführt. Das Ende der Stange 11 ist durch ein Stirnradgetriebe 15 und ein Getriebe 16 mechanisch mit der Ausgangswelle eines Elektromotors 17 verbunden, zur Drehung der Scheibe 7.
  • Außerdem ist innerhalb des Reaktors 1 gleichachsig mit der Scheibe 7 und in der Nnhe von ihr eine Scheibe 18 mit dem gleichen Durchmesser angebracht.
  • Die Scheibe 18 weist eine Außenoberfläche 19 und eine Arbeitsoberfläche 20 auf.
  • An der Arbeitsfläche 20, die der Arbeitsfläche 9 der Scheibe 7 zugewandt und parallel zu ihr ist, werden in der Nähe an der Peripherie dieser Oberfläche 20 mindestens zwei Quellen 21 und 22 aus verschiedenen Halbleiterstoffen angeordnet.
  • Im Zentrum der Außenoberfläche 19 der Scheibe 18 ist senkrecht zu ihrer Arbeitsfläche 20 eine Stange 23 befestigt, die durch eine Öffnung 24 mit sicher wirkender Dichtung 25 aus dem Reaktor 1 herausgeführt ist.
  • außerhalb des Reaktors 1 wird die Stange 23 mittels Einstellschrauben 26 geführt.
  • Das Ende der Stange 23 wird mittels eines Stirnradgetriebes 27 und eines Getriebes 28 mechanisch mit der Ausgangswelle eines Elektromotors 29 gekoppelt, für die Drehung der Scheibe 18.
  • Das zweite Ende der Stange 11 wird auch mechanisch mittels einer Leitspindel 30 mit einem Antrieb 31 zur Versetzung der Scheibe 7 längs der Achse X des Reaktors 1 verbunden. Der Antrieb 31 kann als ein Handantrieb ausgeführt werden.
  • Das zweite Ende der Stange 23 wird mechanisch mittels einer Leitspindel 32 mit einem Antrieb 33 zur Versetzung der Scheibe 18 längs der Achse X des Reaktors 1 verbunden. Dcr Antrieb 33 kann auch als Handantrieb ausgeführt werden.
  • Für die Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung ist es Jedoch ausreichend, nur einen der Antriebe 31 und 33 zu verwenden, obwohl zwei Antriebe das gegenseitige Annähern und Entfernen der Scheiben 7 und 18 sowie ihre Bewegung gegenüber den entsprechenden Erhitzern erleichtert.
  • Die Vorrichtung enthält einen Erhitzer 34 des Jeweiligen Schichtträgers, dessen elektrische Anschlüsse durch Bohrungen 35 mit elektrischer Isolation im Flansch 4 aus dem Reaktor 1 geführt sind, sowie einen Erhitzer 36 für eine Quelle, für dessen elektrische Anschlüsse im Flansch 3 Bohrungen 37 mit elektrischer Isolation vorgesehen sind.
  • Die beiden Erhitzer 34 und 36 weisen eine flache Heizfläche auf und sichern ein Temperaturfeld mit flachen isothermischen Oberflächen, die parallel zu den Arbeitsflächen 9 und 20 und der Scheiben 7 bzw. 18 sind.
  • Zwischen dem Erhitzer 36 einer Quelle und dem Flansch 3 wird eine Wärmeabschirmung 38 befestigt, die zur Reduzierung von Wärmeverlusten vom Erhitzer 36 zum Flansch 3 dient; und zwischen dem Erhitzer 34 eines Schichtträgers und dem Flansch 4 wird an einem Stützzylinder 39 eine andere Wärme abs chirmung 40 aufgestellt, die zur Reduzierung von Wärmeverlusten vom Erhitzer 34 zum Flansch 4 vorgesehen ist.
  • Die Abschirmungen 38 und 40 können aus solchen Stoffen wie Graphit sowie Molybdän- und Titanblech hergestellt sein.
  • Die Scheiben 7 und 18 werden relativ zueinander so angeordnet, daß der Luftspalt nischen den Oberflächen des Schichtträgers 10 und der über ihm liegenden Quelle 22 eine Größe hat, die im Bereich von 50 mkm bis 5 mm gewählt wird.
  • Die an der Arbeitsoberfläche 20 der Scheibe 18 angebrachte Quelle 21 wird aus dem ersten Halbleiterstoff ausgeführt, dessen Zusammensetzung der Zusammensetzung der ersten Gruppe von Schichten der auszubildenden periodischen Halbleiterstruktur entspricht.
  • Die andere Quelle 22 wird aus dem zweiten Halbleiterstoff ausgeführt, dessen Zusammensetzung der Zusammensetzung von Schichten entspricht, die die Schichten der ersten Gruppe abwechseln.
  • Jeder der Erhitzer 34 und 36 wird in Form einer stromführenden Wendel 41 (Fig. 2) ausgeführt, die mit elektrischem Strom erhitzt und mit einer Hülle 42 aus einem Stoff geschützt wird, der gegenüber dem Gasmedium innerhalb des Reaktors 1 (Fig. 1) inert ist.
  • Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, bilden die stromführende Wendel 41 zusammen mit der Hülle 42 eine Heizwendel mit einer flachen Heizfläche, dabei wird die Hülle 42 in diesem konkreten Beispiel aus Quarz ausgeführt.
  • In Fig. 4 ist ein weiteres Ausftlhrungsbeispiel der Vorrichtung zur Epitaxial-Züchtung von periodischen Halbleiterstrukturen aus der Gasphase abgebildet, in der die Scheibe 7 mit einer Zentralbohrung mit einem darin eingebrachten Ende einer Hohlwelle 43 versehen ist, die starr in dieser Bohrung senkrecht zur Arbeitsflhche der Scheibe 7 befestiet ist.
  • Die Hohlwelle 43 wird aus dem Reaktor 1 durch eine Öffnung 44 mit einer dicht schließenden Dichtung 45 herausgeführt.
  • Außerhalb des Reaktors 1 ist das Ende der Hohlwelle 43 mechanisch mittels des Zahnradgetriebes 15 und des Getriebes 16 mit der Ausgangswelle des Elektromotors 17 zur Drehung der Scheibe 7 verbunden.
  • Im Zentrum der Arbeitsfläche 20 der Scheibe 18 wird senkrecht zu dieser Oberfläche eine Stange 46 befestigt, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Hohlwelle 43 ist.
  • Die Stange 46, die mit ihrem einen Ende im Zentrum der Arbeitsfläche 20 starr befestigt wird, liegt innerhalb der Hohlwelle 43, ist innerhalb derselben relativ drehbar zur Welle 43 zentriert und durch eine Dichtung 47 aus dem zweiten Ende der Hohlwelle 43 herausgeführt.
  • Das zweite Ende der Stange 46 wird durch das zylindrische Zahnradgetriebe 27 und das Getriebe 28 mechanisch mit der Ausgangswelle des Elektromotors 29 zur Drehung der Scheibe 18 verbunden.
  • Dasselbe Ende der Stange 46 wird mechanisch mittels einer Leitspindel 32 mit dem Antrieb 33 zur Versetzung der Scheibe 18 langs der Achse X des Reaktors 1 verbunden.
  • Die Scheiben 7 und 18 der Vorrichtung, die in Fig. 1 abgebildet ist, sind starr an den Stangen 11 bzw. 23 befestigt, und weisen in der Zentralzone in der Nähe der Befestigung dieser Stangen 11 und 23 (Fig. 5) durchgehende Bohrungen 48 auf.
  • Die Achse Jeder der Bohrungen 48, die für das ZufUhren von Gas zum Zentralabschnitt des Spaltes zwischen den Scheiben 7 und 18 bei ihrer Drehung vorgesehen sind, ist parallel zur Achse X des Reaktors 1 (Fig. 1).
  • Die Anzahl der Bohrungen 48 (Fig. 5) an Jeder Scheibe 7 und 18 beträgt mindestens zwei, und die Bohrungen 48 sind in den Scheiben 7 und 18 symmetrisch zur Achse X des Reaktors 1 ( Fig. 1) angeordnet.
  • In Fig. 6 sind die Scheiben 7 und 18 der Vorrichtung nach Fig.
  • 4 gezeigt.
  • In den Scheiben 7 und 18 der zweiten Variante der Vorrichtung sind ebenfalls durchgehende Bohrungen 48 ausgeführt, die in der Zentralzone der Scheibe 7 in der Nähe der Befestigung der Hohlwelle 43 und in der Zentralzone der Scheibe 18 in der Nähe der Befestigung der Stange 46 liegen, und die für die Zuführung von Gas zur Zentralzone des Spaltes zwischen den Scheiben 7 und 18 bei ihrer Drehung vorgesehen sind.
  • Die Bohrungen 48 sind parallel zur Achse X des Reaktors 1 (Fig.
  • 1).
  • In Fig. 7 ist im Schnitt eine weitere Ausführungsvariante der Scheiben 7 und 18 abgebildet. Hier sind an der Arbeitsfläche 20 der Scheibe 18 an ihrer Peripherie die aneinandergrenzenden Vertiefungen ausgeführt, die für das Unterbringen der Quellen 21 und 22 vorgesehen sind. An Rändern der Vertiefungen sind Bördel 49 zum Festhalten der Quellen 21 und 22 in den Vertiefungen in der erforderlichen Tiefe gegenüber der Arbeitsfläche der Scheibe 18 vorgesehen.
  • Die Oberfläche der Quelle 21 und 22, die in einer Vertiefung liegt, ist um einen Abstand niederiger als die Arbeitsfläche 20 der Scheibe 18 angebracht, der im Bereich von 50 mkm bis 5 mm gewählt ist.
  • Die Form der Quellen 21 und 22 kann beliebig sein.
  • In Fig. 8 ist gezeigt, daB die Quellen 21 und 22 die Form abgeschnittener Sektoren halben, die im schmalen Teil eines Kreisbogens begrenzt sind, dessen Zentrum mit dem Zentrum der Scheibe 18 übereinstimmt.
  • Diese Sektoren liegen aneinander an, wobei sich die Quellen 21 des ersten Halbleiterstoffes mit den Quellen 22 des zweiten Halbleiterstoffes abwechseln.
  • An dor Arbeitsfläche 9 (Fig. 7) der Scheibe 7 sind Vertiefungen ausgeführt, die an der Peripherie der Scheibe 7 aneinanderliegend angebracht sind.
  • Diese Vertiefungen sind für Schichtträger 10 gedacht, wobei die Größe jeder Vertiefung so ist, daß die Oberfläche des darin angebrachten Schichtträgers 10 niedriger als die Oberfläche 9 der Scheibe 7 um einen Abstand liegt, der im Bereich von 50 bis 500 mkm gewählt wird.
  • Wie aus Fig. 7 hervorgeht, sind unter einer entsprechenden Vertiefung der Quellen 21 und 22 die Vertiefungen der Schichtträger 10 angeordnet, wobei die Form der letzteren Vertiefungen derartig ausgeführt ist, daß ihre ProJektion auf die Scheibe 18 nicht über die Grenzen der Vertiefungen der Quellen 21 und 22 hinausreicht.
  • In Fig. 9 ist eine dritte Ausführungsvariante der Vorrichtung abgebildet, wo sich Scheiben 7 und 18 in Berührung mit den Oberflächen 9 und 20 befinden.
  • Dabei überdecken die Vertiefungen der Quellen 21 und 22 die Vertiefungen der Schichtträger 10, wie aus Fig. 7 zu ersehen ist.
  • Im übrigen ist die in Fig. 9 abgebildete Vorrichtung genauso ausgeführt, wie mit bezug auf Fig. 4 beschrieben wurde, jedoch ist die Stange 46 (Fig. 9), die mit dem Zentrum der Arbeitsoberfläche 20 der Scheibe 18 verbunden ist, im Zentrum der Scheibe 18 mittels eines Gelenkes 50 befestigt.
  • In dieser Ausführungsvariante stellen sowohl die Quellen 21 und 22 als auch die Schichtträger 10 feste Platten in Form von abgeschnittenen Sektoren dar, die im schmalen Teil durch den Kreisbogen begrenzt sind, dessen Zentrum mit den Zentren der Scheiben 7 und 18 übereinstimmt.
  • Außerdem können die Quellen 21 und 22, die Schichtträger 10 und die entsprechenden Vertiefungen die Form der Scheiben haben.
  • In Fig. 10 ist noch eine weitere AusfUhrungsvariante der Scheibe 18 mit Quellen 51 und 52 abgebildet. Die Quellen 51 stellen ein Pulver des ersten Halbleiterstoffes dar und die sie abwechselnden Quellen 52 werden aus dem zweiten Halbleiterstoff als feste Platten in Form eines abgeschnittenen Sektors ausgeführt, dabei wird die Stelle der Anbringung 3eder der Quellen 51 und 52 mit einem Bördel 53 begrenzt, dessen Höhe über der Quellenoberfläche im Bereich von 0,5 bis 5 mm gewählt ist.
  • Fig. 11 stellt den Schnitt nach der Linie x-x auf Fig. 10 dar, auf dem die die Quellen 51 und 52 begrenzenden Bördel zu sehen sind, wobei die Scheibe 18 (Fig. 1) unter der Scheibe 7 liegen soll.
  • Die Oberflächenebene der Quellen 21 und 22 (Fig. 12) kann im Winkel zur Oberflächenebene des Schichtträgers 10 angebracht sein.
  • Hierzu sind in der Scheibe 7 Vertiefungen für Schichtträger 10 ausgeführt, deren Ebene unter einem Winkel zur Arbeitsfläche 9 der Scheibe 7 angeordnet ist.
  • Insofern die Oberfläche der Quellen 21 und 22 parallel zur Arbeitsoberfläche 9 der Scheibe 7 ist, wird die Oberfläche eines Jeden Schichtträgers in bezug auf die Oberfläche einer entsprechenden Quelle um den Winkel y geneigt, der im Bereich von Oo bis 100 gewählt werden kann.
  • In Fig. 13 ist ein Teil der Scheibe 18 abgebildet, die auf Fig.
  • 10 gezeigt ist. In diesem Fall ist die Quelle 52 mit einer Kontaktabdeckung 54 mit Fenstern 55 versehen. Die Dichte der Anordnung der runden Fenster 55 ist in Radialrichtung von der maximalen Größe in der Nähe vom Zentrum der Scheibe 18 bis zur minimalen Größe in der Nähe der Peripherie der Scheibe 18 geändert.
  • Die Gesetzmäßigkeit der Anordnungsdichte der Fenster 55, ihre Form und Abmessungen können jedoch beliebig sein und in Übereinstimmung mit der erforderlichen Geschwindigkeit der Ubertragung des Halbleiterstoffes von verschiedenen Abschnitten der Quelle 52 aber in einem solchen Bereich gewählt werden, daß der größte Querschnitt der Fenster 55 in der Kontaktabdeckung 54 und der Abstand zwischen den Kanten der benachbarten Fenster 55 wesentlich geringer (zum Beispiel um das 3- bis 6-fache) als die Größe des Spaltes zwischen den Oberflächen des Schichtträgers 10 (Fig. 13) und der Quelle 22 ist.
  • Hierbei ist die Möglichkeit der Überdeckung der Oberfläche mit einer derartigen Kontaktabdeckung 54 (Fig. 13) der beiden monolithischen Quellen 21 und 22 vorgesehen, die in Fig. 8 abgebildet sind, deren Zusammensetzung der ersten.und der zweiten Gruppe von Schichten einer auszubildenden periodischen Halbleiterstruktur entsprechen.
  • Die Kontaktabdeckung 54 (Fig. 13) kann aus Stoffen ausgeführt sein, die gegenüber dem Halbleiterstoff einer entsprechenden Quelle 52 und gegenüber dem Jeweiligen chemischen Trägerreagens inert sind, das im Gasmedium, das den Reaktor 1 (Fig. 1) ausfüllt, vertreten ist. Ein solches Material kann Si02 und Al2O3 sein.
  • Die Fenster 55 (Fig. 13) werden in erwünschter Form und Abmessungen in der die Quelle 52 überdeckenden Abdeckung 54 mittels des bekannten Fotolithografieverfahrens gefertigt.
  • In Fig. 14 wird mit Strichelung bedingt angegeben, das der Stoff der Quelle 21 eine veränderliche chemische Zusammensetzung aufweist, wobei der Gradient der Zusammensetzung senkrecht zur Oberfläche der Quelle 21 gerichtet ist.
  • Die Erfindung sieht ebenfalls die Möglichkeit der Ausführung sämtlicher Quellen 21 und 22 mit einem Zusammensetzungsgradienten vor, der parallel zur Oberfläche der Jeweiligen Quelle gerichtet ist. Die Größe des Gradienten der Zusammensetzung der Quellen 21 und 22 wird ausgehend von der erwünschten Größe des Modulierens der Zusammensetzung der Schichten einer periodischen Halbleiterstruktur gewählt.
  • Die Vorrichtung zur Epitaxial-Züchtung von periodischen Halbleiterstrukturen aus der Gasphase, abgebildet in Fig. 1, hat folgende Funktionsweise.
  • Die Parallelität und Gleichachsigkeit der Scheiben 7 und 18 wird mit Hilfe der Einstellschrauben 14 und 26 geregelt.
  • An den Scheiben 7 und 18 werden die Schichtträger 10 und die Quellen 21 bzw. 22 angeordnet. Zum Verdrängen von Luft wird der Reaktor 1 mit einem Gasgemisch gespült, das Wasserstoff bzw. ein chemisch.inertes Gas enthält. Den Erhitzern 34 und 36 wird elektrische Spannung zugeführt und so geregelt, daß die Scheiben 7 und 18 bis zu-einer ausreichend hohen Temperatur erhitzt werden, bei der eine chemische Transportreaktion erfolgen kann.
  • Als geeignet für die Mehrheit von Halbleiterstoffen erscheint der Temperaturbereich von 7000 bis 10000C. Zur Absicherung einer gerichteten Übertragung des jeweiligen Stoffes von den Quellen 21 und 22 zu den Schichtträgern 10 soll zwischen den Scheiben 7 und 18 eine Temperaturdifferenz im Bereich von 5 bis SO0C gewährleistet sein, die eine entsprechende Temperaturdifferenz zwischen den Quellen 21 und 22 einerseits und den Schichtträgern 10 andererseits verursacht.
  • Nach Einstellen des erforderlichen Temperaturzustandes der Schichtträger 10 und der Quellen 21 und 22 wird dem durch den Reaktor 1 passierenden Gasstrom ein Reagens zugegeben, das den Verlauf einer chemischen Transportreaktion sichert.
  • Unter Zuhilfenahme der Antriebe 33 und 31 werden die Scheiben 7 und 18 einander nähergebracht und zwischen den Arbeitsflächen 9 und 20 der Scheiben ein solcher Luftspalt eingestellt, daß sich der Abstand zwischen den Oberflächen des Schichtträgers 10 und der über ihm liegenden Quelle 22 im Bereich von 50 Mikron bis 5 mm befindet.
  • Kleine Abstände (von 50 bis 200 mkm) werden in den Fällen eingestellt, wenn es erforderlich ist, eine periodische Struktur mit einer sehr geringen Periode, z.B. von 100 i und darunter auszubilden.
  • Hinterher wird die Scheibe 7 mittels Einschaltung des Elektromotors 17 zur Drehung gebracht. Bei der Drehung der Scheibe 7 läuft der Schichtträger 10 abwechselnd unter den Quellen 21 und 22 durch, so daß sich die Schichten eines Halbleiterstoffes aus der Quelle 21 und des anderen Halbleiterstoffes aus der Quelle 22 abwechselnd an dem Schichtträger 10 absetzen.
  • Hierdurch entsteht eine periodische Halbleiterstruktur 56, die schematisch in Fig. 15 abgebildet ist.
  • Die Zusammensetzung der ersten Gruppe von Schichten 57 der auszubildenden periodischen Struktur 56 entspricht der Zusammensetzung der Quelle 21 (Fig. 1) und die Zusammensetzung der anderen Gruppe von Schichten 58 (Fig. 15) entspricht der Zusammensetzung-der Quelle 22 (Fig. 1).
  • Bei Kristallisation der sich absetzenden Schichten 57 und 58 (Fig. 15) reproduziert ihre kristallographische Orientierung die kristallographische Orientierung des Schichtträgers 10, der aus einem Stoff mit genügend nahen kristallographischen Kennlinien zu den Kennlinien der Werkstoffe der Quellen 21 und 22 (Fig. 1) hergestellt sein soll. Das sichert Epitaxial-Wachstum einer periodischen Struktur auf dem einkristallinen Schichtträger 10, dessen Stoff in Übereinstimmung mit den bekannten Kriterien für das Epitaxial-Zusaimenwachsen von Kristallen gewählt wird.
  • Wenn die Scheiben 7 und 18 die erforderliche Anzahl von Drehungen ausgeführt haben, die von der erwtlnschten Anzahl der sich abwechselnden Schichten der ersten und zweiten Gruppe in der periodischen Struktur 56 (Fig. 15) bestimmt wird, wird der Elektromotor 17 (Fig. 1) abgeschaltet, die Scheiben 7 und 18 werden mit Hilfe der Antriebe 31 und 33 in eine große Entfernung (zum Beispiel von 1 bis 5 cm) auseinandergebracht und die. Stromversorgung der Erhitzer 34 und 36 wird abgeschaltet.
  • Nach Abkühlung der Scheiben 7 und 18 und der darauf angeordneten Quellen 21 und 22 sowie der Schichtträger 10 mit den ausgebildeten periodischen Strukturen bis zur Raumtemperatur wird der Reaktor 1 geöffnet, indem die Flansche 3 und 4 auseinander bewegt und die Schichtträger 10 mit den darauf gezüchteten periodischen Strukturen herausgenommen.
  • Hinterher werden auf die Scheibe 7 neue Schichtträger 10 gelegt, der Reaktor 1 wird durch Annäherung der Flansche 3 und 4 hermetisch geschlossen und der Produktionszyklus in der gleichen Reihenfolge von Operationen, wie oben beschrieben durchgeführt.
  • Durch Variieren der Geschwindigkeit der Epitaxial-Züchtung mittels Regelung der Temperatur der Scheiben 7 und 18 und ihrer Temperaturdifferenz sowie durch Änderung der Drehgeschwindigkeit der Scheibe 7 gegenüber der Scheibe 18, der Anzahl der in ihrer Zusammensetzung unterschiedlichen Quellen 21 und 22 und ihrer Ordnung auf der Scheibe 18 kann man die Stärke der Schichten 57 und 58 (Fig. 15) Jeder Gruppe, die die periodische Struktur 56 ausbilden, die Reihenfolge ihres Wechsels in der periodischen Struktur 56 steuern. Die Stärke jeder Schicht 57 und 58 ist proportional der Geschwindigkeit der chemischen Übertragung eines Stoffes von den Quellen 21 und 22 (Fig. 1) zum Schichtträger 10 und der Verweilzeit des Schichtträgers 10 in der Nähe der entsprechenden Quelle 21 und 22, die durch die Größe der Quelle 21 und 22 und die Drehgeschwindigkeit der Scheibe 7 in bezug auf die Scheibe 18 festgelegt wird. Zur Erweiterung des Steuerbereiches der Geschwindigkeit gegenüber der Drehung der Scheibe 7 ist es zweckmäßig, gleichzeitig die Drehung der Scheibe 18 mit Hilfe des Elektromotors 29 vorzunehmen. Dann wird die Geschwindigkeit der relativen Drehung gleich der Summe der Drehgeschwindigkeit der Scheiben 7 und 18 bei ihrer Drehung in entgegengesetzten Richtungen und der Differenz ihrer Drehgeschwindigkeiten bei Drehung in einer und derselben Richtung sein.
  • Die Anzahl verschiedener Quellen 21 und 22, ihre relativen Abmessungen und die Reihenfolge ihrer Anordnung an der Scheibe 18 können ausgehend von der erforderlichen Zusammensetzung und des Gefüges einer gezüchteten periodischen Struktur gewählt werden.
  • Die Quellen 21 und 22 können Halbleiterstoffe mit unterschiedlicher Breite der verbotenen Zone enthalten, was z.B. für Ausbildung periodischer Strukturen vom Supergitter"-Typ sowie für Bildung von Laser-Gebrauchselementen mit periodischer Wellenleiterstruktur erforderlich ist. Die Quellen 21 und 22 können sich auch nach dem Typ der Leitfähigkeit ihrer entsprechenden Halbleiterstoffe unterscheiden, aus denen sie gefertigt sind. Solche Quellen wie 21 und 22 sind zweckmäßigerweise zur Ausbildung periodischer p-n-Strukturen einzusetzen.
  • Die Quellen 21 und 22 können sich auch nach der Konzentration von Ladungsträgern, nach der Beweglichkeit der Ladungsträger und nach der Lebensdauer der Ladungsträger unterscheiden, die durch unterschiedliche Konzentration einer aktiven legierenden Rekombinationsbeimengung in den Quellen 21 und 22 bedingt ist.
  • Zum Vorteil der Erfindung gehört eine leicht ausführbare Programmierung der periodischen Änderung irgendeiner der charakteristischen Halbleiterkenngrößen, bzw. einiger solcher Kenngrößen gleichzeitig in der Stärke einer periodischen Struktur durch eine entsprechende Anordnung der Quellen 21 und 22 an der Scheibe 18.
  • Die Geschwindigkeitsdifferenz der chemischen Übertragung der in ihrer Zusammensetzung unterschiedlichen Quellen 21 und 22 wird, falls in der periodischen Struktur 56 (Fig. 15) die Schichten 57 und 58 von gleicher Stärke erzeugt werden sollen, durch die Wahl der Abmessungen der Quellen 21 und 22 (Fig. 1) so ausgeglichen, daß die Quelle 21 des Stoffes, der durch eine schnelle Übertragung gekennzeichnet ist, sich in der Nähe des Schichtträgers 10 während einer geringeren Zeit als die Quelle 22 mit einem sich langsam übertragenden Stoff befindet. Das gleiche Ergebnis wird auch durch eine programmierte Änderung der Drehgeschwindigkeit der Motoren 17 und 29 erreicht. Die geringste Anzahl der Quellen 21 und 22 ist gleich zwei und die geringste Anzahl von Schichtträgern 10 ist gleich eins. Diese technische Lösung begrenzt jedoch nicht die Vergrößerung der Anzahl von Quellen 21 und 22 und der Anzahl von Schichtträgern 10, insbesondere wenn die Durchmesser des Reaktors 1 und der Scheiben 7 und 18 ausreichend groß sind. Die Vergrößerung der Anzahl der an der Scheibe 7 untergebrachten Schichtträger 10 führt zur Steigerung der Leistungsfähigkeit des Prozesses der Epitaxial-Züchtung periodischer Strukturen. Dabei verschlechtert die Vergrößerung der Abmessungen des Reaktors 1 nicht die Steuerung des Prozesses der Epitaxial-Züchtung und sie verhindert nicht die Ausbildung von periodischen Strukturen 56 (Fig. 15) mit einer sehr geringen Periode, z.B. von 100 i.
  • Das ist darauf zurückzuführen, daß es für den Übergang von der Züchtung einer Schicht 57 der periodischen Struktur 56 zu einer Schicht 58 erforderlich ist, lediglich über dem Schichtträger 10 (Fig. 1) eine Quelle 21 durch eine andere zu ersetzen, ohne dabei die Zusammensetzung der Gasphase im gesamten Rauminhalt des Reaktors 1 zu ändern.
  • Darin besteht ein großer Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung, da die Präzision der Dosierung von sich abwechselnden Stoffen, die von verschiedenen Quellen 21 und 22 bei der relativen Drehung der Scheiben 7 und 18 zum Schichtträger 10 gelangen, nicht von dem Rauminhalt des Reaktors 1 und von der Anzahl der Schichtträger 10 abhängt, die sich gleichzeitig auf der Scheibe 7 befinden.
  • Um die Reporudzierbarkeit der Stärke der Schichten 57 und 58 (Fig. 15) in periodischen Strukturen 56 auf sämtlichen Schichtträgern 10 (Fig.1) und'auf allen Abschnitten Jedes Schichtträgers 10 sicherzustellen, werden die Scheiben 7 und 18 aus einem wärmeleitenden Material (Graphit oder glasartigem Kohlenstoff) zwecks Erreichung einer gleichmäßigen Erwärmung der gesamten Oberfläche der Schichtträger 10 gefertigt. Dem gleichen Ziel dient die spezielle Form der Erhitzer 34 und 36, die eine flache Heizebene sichern. Die Wärmeabschirmungen 38 und 40 verringern Wärmeverluste auf dem Weg von den Erhitzern 34 und 36 zu den Flanschen 3 und 4 und fördern eine gleichmäßigere Erwärmung der Scheiben 7 und 18. Die Abschirmungen 38 und 40 werden aus Graphit, Molybdän, Quarz, das mit einer Kohlenstoffschicht überzogen ist, oder aus anderen Materialien gefertigt, die in bezug auf das Gasmedium innerhalb des Reaktors 1 chemisch inert sind.
  • In Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Epitaxial-Züchtung periodischer Halbleiterstrukturen aus der Gasphase abgebildet.
  • Die Eigenart dieser Vorrichtung besteht im Fortlassen von Einstellschrauben 14 und 26 (Fig. 1), da die Parallelität und Gleichachsigkeit der Scheiben 7 und 18 in diesem Fall durch die koaxiale Anbringung der Stange 46 (Fig. 4), auf der die Scheibe 18 befestigt ist, innerhalb der Hohlwelle 43, auf der die Scheibe 7 befestigt ist, gesichert ist.
  • Der. Vorteil einer derartigen Ausführung der Vorrichtung besteht darin, daß die Einstellung der Parallelitat der Arbeitsoberfläche 9 und 20 und der Gieichachsigkeit der Scheiben 7 und 18 vereinfacht sind.
  • In der in Fig. 4 abgebildeten Vorrichtung ist der einzige Antrieb 33 zur Versetzung der Scheibe 18 zwecks Regelung der Spaltgröße zwischen den Oberflächen des Schichtträgers 10 und der Quelle 22 ausreichend. Die Funktionsweise der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung weist keine anderen Unterschiede gegenüber der Arbeitsweise der Vorrichtung auf, die in Fig. 1 abgebildet ist.
  • In Fig. 5 ist eine Ausführungsvariante der Scheiben 7 und 18 der Vorrichtung zur Epitaxial-Züchtung periodischer Halbleiterstrukturen aus der Gasphase gezeigt. Zum kennzeichnenden Merkmal dieser Ausführung gehören durchgehende Bohrungen 48 im zentralen Bereich der Scheiben 7 und 18. Beim Fehlen der durchgehenden Bohrungen 48 zwischen den sich drehenden Scheiben 7 und 18 entstehen radiale entgegengesetzt gerichtete Gasströme, und zwar an der Oberfläche der sich schneller drehenden Scheibe 7 sind die Ströme zentrifugal und an der Oberfläche der sich langsamer drehenden Scheibe 18 zentripetal gerichtet. Die Geschwindigkeit der Ströme ist um so größer, je größer die Drehgeschwindigkeit der Scheiben 7 und 18 ist.
  • Das Zusammenwirken dieser Ströme führt zur Entstehung unerwürischter Gasverwirbelungen, die eine Drehung von Diffusionsströmen verursachen, die die Jeweiligen Stoffe von den Quellen 21 und 22 mit unterschiedlicher Zusammensetzung zu den Schichtträgern 10 übertragen.
  • Hierdurch können lokale Inhomogenitätserscheinungen in der Zusammensetzung wachsender Epitaxial-Strukturen auftreten, die die Qualität und Reproduzierbarkeit ihrer Kennwerte verschlechtern.
  • Die Ausführung der Scheiben 7 und 18 mit durchgehenden Bohrungen 48 in zentraler Zone ermöglicht es, den Gasstrom an die zentrale Zone des Spaltes zeischen den Scheiben 7 und 18 zu ftiiwen, dadurch die Entstehung eines zentrifugalen Stromes an der Oberfläche der sich langsamer drehenden Scheibe 18 zu beseitigen, Gasverwirbelungen im Spalt zwischen den Scheiben 7 und 18 zu liquidieren und hierdurch eine Steigerung der Homogenität der Kennwerte von periodischen Halbleiterstrukturen zu erreichen.
  • In Fig. 6 ist eine andere Ausführungsvariante der Scheiben 7 und 18 gezeigt, die ebenfalls mit durchgehenden Bohrungen 48 mit den oben beschriebenen Funktionen versehen sind.
  • Die Schichtträger 10 und die Quellen 21 und 22 sind an den Oberflächen der entsprechenden Scheiben 7 und 18 mittels bekannter Mittel befestigt.
  • In Fig. 7 wird noch eine weitere Ausführungsvariante der Scheiben 7 und 18 im Schnitt gezeigt.
  • Dadurch, daß die Vertiefungen in der Scheibe 18 aneinander liegen und die Quellen 21 und 22 auch nebeneinander liegen, erfolgt der Prozeß der Kristallisation bei aufeinanderfolgendem Passieren des Schichtträgers 10 unter den Quellen 21 und 22 auch beim Übergang des Schichtträgers 10 von der Quelle 21 zur Quelle 22 kontinuierlich.
  • Die Kontinuität des Kristallisationsprozesses und Aufrechterhaltung der konstanten Kristallisationsgeschwindigkeit tragen zur Verbesserung der Qualität der gezüchteten Epitaxial-Strukturen bei, weil dadurch die Möglichkeit einer unkontrollierbaren Entstehung von Strukturfehlern und die Adsorption von nicht kontrollierbaren Beimischungen beim Aufhören der Kristallisation oder bei Verlangsamung der Kristallisationsgeschwindigkeit ausgeschlossen wird. Aus Fig. 8 ist zu ersehen, daß die Quellen 21 und 22, die die Form abgeschnittener Sektoren aufweisen, dicht aneinander liegen, damit die Kontinuität des Kristallisationsprozesses bei Bewegung des Schichtträgers 10 (Fig. 7) von der Quelle 21 zur Quelle 22 gesichert ist.
  • Dabei sollen, wie aus Fig. 7 zu ersehen ist, die Abmessungen des Schichtträgers 10 längs des Halbmessers der Scheibe 7 so sein, daß die Projektion des Schichtträgers 10, der in einer Vertiefung in der Scheibe 7 angeordnet ist, auf die Scheibe 18 nicht außerhalb der Vertiefungen Jeder der Quellen 21 und 22 liegt.
  • Auf Fig. 9 ist eine dritte Ausführungsvariante der Vorrichtung zur Epitaxial-Züchtung periodischer Halbleiterstrukturen abgebildet.
  • Das kennzeichnende Merkmal dieser konstruktiven Ausführung besteht darin, daß die Scheiben 7 und 18 die flachen Arbeitsflächen 9 und 20 berühren.
  • Infolge.ainer derartigen Ausführung wird sehr leicht die Parallelität und Gleichachsigkeit der Scheiben 7 und 18 erreicht, die aus verschleißfesten Werkstoffen hergestellt sind, z.B. aus glasartigem Kohlenstoff. Im übrigen unterscheidet sich die Arbeitsweise dieser Vorrichtung nicht von der Arbeitsweise der in Fig. 1 und 4 abgebildeten Vorrichtungen.
  • Ein wichtiger Vorteil einer derartigen Vorrichtung ist der, daß der Verlust an Stoffen der Quelle 21 oder 22 infolge des Mitreißens durch Gasströme aus dem Spalt zwischen den Scheiben 7 und 18 vollständig ausgeschlossen ist, wie es beim Betrieb der in Fig. 1 und 4 abgebildeten Vorrichtungen der Fall ist.
  • Außerdem wird ein unkontrollierbares Vermischen der in die Gasphase von den verschiedenen Quellen 21 und 22 eintretenden Stoffe wesentlich verringert, was ein sträkeres Konzentrationsprofil der schichtweisen Änderung der Zusammensetzung in der periodischen Struktur 56 (Fig. 15) fördert und die Möglichkeit der Ausbildung periodischer Strukturen mit einer sehr kleinen Periode, z.B. von 100 ß, gewährleistet.
  • Die Figuren 10 und 11 sind eine Draufsicht und ein Schnitt der Scheibe 7 mit den darauf angeordneten Quellen 51 und 52.
  • Hier besteht die Quelle 51 aus einem pulverartigen Halbleiterstoff. Sie kann auch aus einem Gemisch von Körnern zweier beziehungsweise mehrerer Halbleiterstoffe bestehen.
  • Die Quelle 52 stellt eine feste einkristalline Platte dar, die aus einem einkristallinen Halbleiterblock ausgeschnitten ist.
  • Als Beispiel für den Einsatz derartiger Quellen 51 und 52 kann die Ausbildung einer Laser-Struktur mit periodischen Wellenleiterschichten dienen. Eine derartige Struktur besteht aus sich abwechselnden Schichten von GaAs und GaAs0>9P0,1.
  • Bei einer Epitaxial-ZUchtul,g ist die Quelle 52 in Form einer einkristallinen GaAs-Platte ausgeführt, und die Quelle 51 setzt sich aus einem pulverartigen Gemisch von GaAs- und GaP-Körnern zusammen, die sich in einem Molverhältnis 9:1 befinden, was dem GaAs- und GaP-Verhältnis in einer festen Lösung äquivalent ist, die mit GaAs0,9P0,1 bezeichnet wird. Die Korngröße der pulverartigen Quelle 51 wird mindestens umd as 2-fache kleiner als der Abstand zwischen den Oberflächen der Quelle 51 und eines entsprechenden Schichtträgers gewählt.
  • Aus Fig. 10 und 11 ist zu ersehen, daß die Stelle der Anbringung Jeder Quelle 51 und 52 durch ein Bördel 53 begrenzt ist.
  • Die Bördel 53 dienen der Aufrechterhaltung einer ständigen Diffusionsübertragung eines Stoffes von der Quelle 51 und 52 zu einem entsprechenden Schichtträger trotz dem allmählichen Verbrauch an Stoff der Quelle 51 und 52 im Prozeß der Epitaxial-Züchtung und der damit verbundenen Abstandsänderung zwischen der Quelle 51 und 52 und dem entsprechenden Schichtträger.
  • Die Bördel 53 sind besonders nützlich bei einer Anwendung von pulverartigen Quellen 51, weil in diesem Fall die Geschwindigkeit des Verbrauchs an festen 52 und pulverartigen 51 Quellen sich stark unterscheidet, und außerdem das Zerstreuen des pulverartigen Gemisches auf der sich drehenden Scheibe 7 verhindert ist.
  • Bei einem Spalt zwischen den Oberflächen eines entsprechenden Schichtträgers und der Quelle 51 und 52 über 500 Mikron trägt der Einsatz von Bördeln 53 zur Erzeugung stärkerer Übergänge bei schichtartiger Änderung der Zusammensetzung einer periodischen Epitaxial-Struktur bei.
  • Auf Fig. 12 ist die Anordnung der Oberfläche der Schichtträger 10 unter einem spitzen Winkel Cxs zur Arbeitsfläche 9 der Scheibe 7 und zu ihr parallelen Oberfläche der Quellen 21 und 22 gezeigt. Eine derartige Anordnung ist für die Ausbildung periodischer Strukturen mit veränderlicher Größe einer Periode in der Länge des Schichtträgers 10 in Radialrichtung bei Anbringung des Schichtträgers 10 auf der Scheibe 7 zweckmäßig.
  • Die Größe des Winkels Cc ist zweckmäßigerweise in einem Bereich von 0 bis 100 zu wählen, weil eine weitere Vergrößerung des Winkels äußerst große Verluste an Stoff aus dem Spalt zwischen der Quelle 21 und 22 und dem Schichtträger 10 sowie Verwaschung einer periodischen Struktur verursacht.
  • Wie aus Fig. 16 zu ersehen ist, weisen die Schichten 59 und 60 der gezüchteten periodischen Struktur eine veränderliche Stärke in der Länge des Schichtträgers 10 auf. Entsprechend veränderlich ist auch die Größe der Periode, die der Summe der Stärken von zwei aneinanderliegenden Schichten 59 und 60 gleich ist. Dabei ist die Periode in dem Abschnitt derJenigen Struktur besonders wichtig, der bei ihrer Epitaxial-Anstückung auf den Schichtträger 10 sich in einem geringeren Abstand von den Quellen 21 und 22 (Fig. 12) befand.
  • Bei einer Größe des Winkels tÄ' über 100 wird der Spalt zwischen den entgegengesetzten Abschnitten des Schichtträgers 10 und der Quellen 21 und 22 zu groß (über 5 mm), was ein unerwünschtes Vermischen der von verschiedenen Quellen 21 und 22 gelangenden Stoffen in der Gasphase verursacht.
  • Die Größe der Periode einer Struktur ist am größten an dem Rand des Schichtträgers, der dem Zentrum der Scheibe 7 bei Epitaxial-Züchtung einer Struktur zugekehrt ist. Der kleinste Wert der Periode wird an dem Rand des Schichtträgers 10 beobachtet, der der Peripherie der Scheibe 7 zugekehrt ist, das heißt an dem Rand, der am weitesten von der Quelle 21 und 22 entfernt ist. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, daß die Größe der Periode einer periodischen Struktur der Geschasindigkeit des Wachstums der Schichten 59 und 60 (Fig. 16) proportional ist. Die Geschwindigkeit des Wachstums der Schichten 59 und 60 ist ihrerseits der Geschwindigkeit der chemischen Übertragung eines Stoffes von der Quelle 21 und 22 (Fig. 12) zum Schichtträger 10 proportional, und die letztere ist dem Temperaturgradienten zwischen den Quellen 21 und 22 und dem Schichtträger 10 proportional und demnach dem Abstand zwischen dem gegebenen Abschnitt des Schichtträgers 10 und der Quelle 21 und 22 bei konstanten Temperaturverhältnissen umgekehrt proportional.
  • Periodische Halbleiterstrukturen mit veränderlichem Wert der Periode an einer Musterfläche haben bei Forschungsarbeiten eine große Bedeutung.
  • Es reicht aus, anstelle Dutzenden von Mustern mit unterschiedlichen Perioden nur ein bzw. zwei Muster mit einer in der Fläche veränderlichen Periode zu untersuchen.
  • Vorteil einer derartigen Ausführung der Scheibe 7, wie in Fig.
  • 12 gezeigt, besteht darin, daß die Steuerung der Stoffübertragung zu verschiedenen Abschnitten der Oberfläche des Schichtträgers 10 unter Bedingungen einer vollständigen chemischen Homogenität der Oberfläche der Quelle 21 und 22 erreicht wird.
  • Die Steuerung der Geschwindigkeit der Stoffübertragung von der Quelle 52 (Fig. 13) zu den einzelnen Abschnitten eines entsprechenden Schichtträgers 10 (Fig. 1) kann auch mit Hilfe einer die Oberfläche der Quelle 52 (Fig.13) bedeckenden Kontaktabdeckung 54 erfolgen, in der Fenster 55 bestimmter Größe ausgeführt sind.
  • Die Dichte der Anordnung derselben an der Oberfläche der Quelle 52, das heißt die Anzahl der Fenster 55, bezogen auf eine Flächeneinheit der Oberfläche der Quelle 52, bestimmt die Geschwindigkeit der Stoffübertragung von der Quelle 52 zu dem naheliegenden Teil der Oberfläche eines entsprechenden Schichtträgers 10 (Fig. 1).
  • Die Geschwindigkeit der Stoffübertragung von der Quelle 52 (Fig. 13) zu einem entsprechenden Schichtträger 10 (Fig. 1) ist dem Anteil der freien Oberfläche der Quelle 52 (Fig. 13) proportional. Deswegen wird die auf dem Schichtträger 10 (Fig. 1) wachsende Epitaxial-Schicht des Stoffes von der Quelle 52 (Fig. 13) eine maximale Stärke an dem Rand des Schichtträgers 10 (Fig. 1) aufweisen, der dem Zentrum der Scheibe 7 zugekehrt ist, wo die Dichte der Anbringung der Fenster 55 (Fig. 13) die größte ist.
  • In Abhängigkeit von der erwünschten Gesetzmäßigkeit der Veränderung der Stärke einer Epitaxial-Schicht von einem Rand des Schichtträgers 10 (Fig. 1) zum anderen stellt sich die Gesetzmäßigkeit der Veränderung des Anteils der freien Oberfläche der Quelle 52 (Fig. 13) in Radialrichtung ein.
  • Der Anteil der freien Oberfläche wird seinerseits durch die Anzahl und die Abmessungen der Fenster 55 auf dem gegebenen Abschnitt der Quelle 52 bestimmt.
  • Die Form der Fenster 55 kann unterschiedlich sein, vorzuziehen ist aber eine runde Form, weil solche Form eine höhere Festigkeit der Kontaktabdeckung 54 beim allmählichen Verbrauch an Stoff der Quelle 52 unter der Abdeckung 54 fördert.
  • Als Stoff für die Abdeckung 54 können Überzuge verwendet werden, die gegenüber dem Halbleitermaterial der Quelle 52 und gegenüber dem Gasmedium im Reaktor 1 (Fig. 1) inert sind. Zu solchen Ueberzügen gehören z.B. SiO2- und Al203-Überzüge. Das Auftragen von Kontaktabdeckungen 54 (Fig. 13) und die Ausführung von Fenstern 55 in denselben erfolgt mit Hilfe des bekannen Fotolithographie-Verfahrens, das in der elektronischen Industrie weit verbreitet ist.
  • Zur Gewährleistung einer fließenden Anderung der Stärke der Epitaxial-Schichten 59 und 60 (Fig. 16) in der Fläche einer Epitaxial-Struktur werden die Abmessungen der Fenster 55 (Fig.
  • 13) und der Abstand zwischen ihnen begrenzt, und zwar müssen der größte Querschnitt der Fenster 55 und der Abstand zwischen den Rändern der benachbarten Fenster 55 bedeutend kleiner (mindestens um das 3- bis 6-fache) als die Größe des Spaltes zwischen den Oberflächen eines entsprechenden Schichtträgers 10 (Fig. 1) und der Quelle 52 (Fig. 13) sein.
  • Der Vorteil einer derartigen Ausführung der Quelle 52 besteht darin, daß die Steuerung der Stoffübertragung zu verschiedenen Abschnitten der Oberfläche eines entsprechenden Schichtträgers 10 (Fig. 1) unter Bedingungen des konstanten Abstandes zwischen der Quelle 52 (Fig. 13) und dem Schichtträger 10 (Fig. 1) erzielt wird, deswegen führt das nicht zur Verschlechterung der Qualität der Jeweiligen periodischen Struktur.
  • In Fig. 14 ist noch eine weitere Ausführungsvariante der Quelle 21 gezeigt, mit deren Hilfe es möglich ist, die Zusammensetzung einer Epitaxial-Schicht im Prozeß ihres Wachstums zu ändern und eine periodische Struktur nach Amplitude der periodischen Änderung der Zusammensetzung von einer Schicht zur anderen zu modulieren. Im Maße des Verbrauchs an Stoff der Quelle 21 verändert sich kontinuierlich die Zusammensetzung des Stoffes, der von ihrer Oberfläche in die Gasphase übergeht.
  • Entsprechend erfolgt auch die Veränderung der Zusammensetzung der Gruppe von Schichten einer periodischen Struktur, die sich aus dem von der Quelle 21 eintretenden Stoff ausbilden.
  • Eine derartige Ausführung der Quelle 21 ermöglicht es, die Amplitude der Änderung der Zusammensetzung einer periodischen Struktur im Frozeß ihres Wachstums zu steuern. Das ist besonders bei Züchtung periodischer Strukturen vom "Supergitter"-Typ mit einer sehr kleinen Periode (in der Größenordnung von etwa 100 i) wichtig, wo die Diffusion in fester Phase die Amplitude der Änderung der Zusammensetzung in den ersten gezüchteten Schichten gegenüber den zuletzt gezüchteten Schichten verringert. Die Anwendung der Quelle 21 mit einem bestimmten Gradienten der Zusammensetzung, der senkrecht zur Oberfläche der Quelle 21 ist, ermöglicht es, die schadhafte Einwirkung der Diffusionsverwaschung des " "Supergitters" auszugleichen und ein "Supergitter" mit verbesserter Qualität infolge der Erhöhung der Homogenität der Amplitude der periodischen Veränderung der Zusammensetzung in der Stärke des "Supergitters" zu erzeugen.
  • Die Form der Quellen soll nicht unbedingt durch die auf Fig.
  • 8, 11 und 13 gezeigten begrenzt sein. Die Quellen können eine beliebige Form haben, die der Anforderung der Aufeinanderfolge wenigstens eines Teils der Oberflächen der Quellen in der Drehrichtung der Scheibe 18 entspricht.
  • In Fig. 17 ist eine Scheibe 18 abgebildet, auf der zwei Quellen aus verschiedenen Halbleiterstoffen angebracht sind. Die Quelle eines dieser Stoffe ist in Form einer geometrischen Figur ausgeführt, die sich aus einem Ring 61 und den an ihm anliegenden abgeschnittenen Sektoren 62 zusammensetzt. Die Quelle aus einem anderen Halbleiterstoff ist in Form einer geometrischen Figur ausgeführt, die aus einem Kreis 63 und den an ihm anliegenden abgeschnittenen Sektoren 64 und 65 besteht.
  • In Fig. 18 ist die Scheibe 7 mit Schichtträgern 10 im Schnitt abgebildet. Daraus geht hervor, daß die Radialabmessung jedes Schichtträgers 10 ausreichend groß ist, damit an seinen entgegengesetzten Rändern Epitaxial-Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung gleichzeitig wachsen konnten, die den sich unterscheidenden Quellen entsprechen.
  • Bei Drehung der Scheibe 18 wächst im mittleren Teil der Oberfläche des Schichtträgers 10 eine Epitaxial-Schicht, die eine periodische Struktur 66 enthält, am peripherischen Teil der Oberfläche des Schichtträgers 10 entsteht ein durchgehender Abschnitt 67 aus dem ersten Halbleiterstoff und im anderen Teil der Oberfläche des Schichtträgers, der dem Zentrum der Scheibe 7 zugedreht ist, entsteht ein durchgehender Abschnitt 68 aus einem anderen Halbleiterstoff.
  • Hierdurch bildet sich eine in ihrem Volumen zusammengesetzte Epitaxial-Struktur aus, in der sich abwechselnde Schichten, die die periodische Struktur 66 bilden, entsprechende Abschnitte 67 und 68 verbinden.
  • Wenn die Quellen aus Halbleiterstoffen von verschiedenem Laitfähigkeitstyp ausgeführt sind, so wird die gezüchtete Struktur parallel geschaltete p-n-Ubergänge darstellen. Eine derartige Struktur wird eine erhöhte elektrische Kapazität aufweisen, die der Summenfläche der p-n-Übergänge und demzufolge der Anzahl der Schichten in der periodischen Struktur 66 proportional ist. Eine derartige Struktur kann zum Beispiel zur Herstellung von Kernteilchen-Detektoren verwendet werden. Leerseite

Claims (16)

  1. VORRICHTUNG ZUR EPITAXIAL-ZÜCHTUNG VON PERlODISCFLEN HALBLEITERSTRUKTUREN AUS DER GASSE Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Epitaxial-Züchtung von periodischen Halbleiterstrukturen aus der Gasphase, bestehend aus einem mit Gas gefüllten senkrechten Röhrenreaktor, versehen mit einem Ein- und Austritt für Gas, das in seiner Zusammensetzung ein Reagens für Durchführung einer chemischen Transportreaktion aufweist, bestehend aus einer ersten im Reaktor liegenden Scheibe, die eine Außenoberfläche und eine Arbeitsoberfläche zur Anbringung eines Schichtträgers hat und mechanisch mit einem Elektromotor zur Drehung der ersten Scheibe gekoppelt ist, der außerhalb des Reaktors angebracht ist und die Drehung der ersten Scheibe um die senkrechte Reaktorachse sichert, bestehend aus Quellen, die die Schichten einer gezüchteten periodischen Halbleiterstruktur ausbilden, ferner bestehend aus einem Mechanismus, der die vorgegebene Aufeinanderfolge des Eintreffens von Stoffen von den Quellen zum Schichtträger sichert, und aus Erhitzern für Quellen und Schichtträger, die die Temperaturdifferenz der letzteren schaffen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Vorrichtung eine innerhalb des Reaktors (1) in der Nähe der ersten Scheibe (7) und gleichachsig mit ihr angebrachte zweite Scheibe (18) mit dem gleichen Durchmesser hat, die eine Außenoberfläche (19) und eine parallel zur Arbeitsfläche (9) der ersten Scheibe (7) liegende Arbeitsfläche (20) hat mit mindestens zwei darauf angeordneten, aneinanderliegenden und sich in der Drehrichtung der zweiten Scheibe (18) abwechselnden Quellen (21 und 22) aus verschiedenen Halbleiterstoffen, wobei mindestens ein Schicbtträger (10) an der Arbeitsfläche (9) in der Nähe der Peripherie der ersten Scheibe (7) angeordnet ist, weiterhin einen Elektromotor (29) zur Drehung der zweiten Scheibe (18) hat, der außerhalb des Reaktors (1) liegt und mechanisch mit der zweiten Scheibe (18) gekoppelt ist, indem er ihre Drehung rings um die senkrechte Reaktorachse sichert und in Verbindung mit dem ersten Elektromotor (17) einen Mechanismus darstellt, der die vorgegebene Aufeinanderfolge des Eintritts von Stoffen von den Quellen (21 und 22) zu einem Schichtträger (10) gewährleistet, und einen Antrieb (31) zur Versetzung der Scheibe (7 und 18) längs der Achse des Reaktors (1) hat, welcher Antrieb mechanisch mit einer der Scheiben (7 und 18) verbunden ist, wobei der eine Erhitzer (34) des Schichtträgers (10) im Reaktor (1) in der Nähe der Außenoberfläche (8) der ersten Scheibe (7), der andere Erhitzer (36) der Quellcn (21 und 22) im Reaktor (1) in der Nähe der Außenoberfläche (19) der zweiten Scheibe (18) befestigt ist, und die beiden Erhitzer (34 und 36) eine flache Erhitzungsfront aufweisen, die ein Tempcraturfeld mit flachen isothermischen Oberflachen sichert, die zu den Arbeitsflächen (9 und 20) der Scheiben (7 und 18) parallcl verlaufen, wobei mindestens eine der Quellen (21) aus einem Halbleiterstoff gefertigt ist, dessen Zusammensetzung der Zusammensetzung der ersten Gruppe von Schichten (57) der zu züchtenden periodischen Halbleiterstruktur (56) entspricht und mindestens eine der Quellen (22) aus einem zweiten Halbleiterstoff gefertigt wird, dessen Zusammensetzung der Zusammensetzung von Schichten (58) entspricht, die die Schichten (57) der ersten Gruppe der Schichten der Struktur (56) abwechseln, und wobei die Scheiben (7 und 18) mit einem Spalt zwischen den Oberflächen des Schichtträgers (10) und der Quelle (21 und 22) angeordnet sind, der im Bereich von 50 mkm bis 5 mm gewählt wird.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß Jeder Erhitzer (34 und 36) die Form einer stromleitenden Wendel (41) hat, die mit elektrischem Strom erhitzt und mit einer Hülle (42) aus dem Stoff geschützt ist, der gegenüber dem Gasmedium innerhalb des Reaktors (1) inert ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die mechanische Verbindung der ersten Scheibe (7) mit dem Elektromotor (17) zur Drehung der ersten Scheibe (7) mittels einer ersten Stange (11) erfolgt, deren eines Ende starr im Zentrum der Außenoberfläche der ersten Scheibe (7) senkrecht zu ihrer Arbeitsfläche (9) befestigt ist, die erste Stange (11) aus dem Reaktor (1) herausgeführt außerhalb des Reaktors (1) mit Einstellschrauben (14) abgestützt ist, das andere Ende der ersten Stange (11) mit dem Elektromotor (17) zur Drehung der ersten Scheibe (7) kinematisch verbunden ist, und eine mechanische Verbindung der zweiten Scheibe (18) mit dem Elektromotor (19) zur Drehung der zweiten Scheibe (18) mittels der zweiten Stange (23) vorgesehen ist, deren eines Ende starr im Zentrum der Außenoberfläche (19) der zweiten Scheibe (18) senkrecht zu ihrer Arbeitsfläche (20) befestigt ist, die zweite Stange (23) aus dem Reaktor (1) herausgeführt und außerhalb des Reaktors (1) durch Einstellschrauben (26) abgestützt ist, und das zweite Ende der Stange (23) mit dem Elektromotor (29) zur Drehung der zweiten Scheibe (18) kinematisch verbunden ist, wobei der Antrieb (31) zur Versetzung der Scheibe längs der Achse des Reaktors (1) kinematisch mit dem zweiten Bunde der ersten Stange (11) verbunden ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß sie einen zusätzlichen Antrieb (33) zur Versetzung der Scheibe längs der Achse des Reaktors (1) hat, der mit dem zweiten Ende der zweiten Stange (23) kinenatisch verbunden ist,
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die erste Scheibe mit einer Zentralbohrung versehen ist, und die mechanische Verbindung der ersten Scheibe (7) mit dem Elektromotor (17) zu ihrer Drehung mittels einer }Hohlwelle (43) vorgesehen ist, deren eines Ende in der Zentralbohrung der ersten Scheibe (7) senkrecht zu ihrer Arbeitsoberfläche (9) starr befestigt ist, und das zweite Ende außerhalb des Reaktors (1) kinematisch mit dem Elektromotor (17) zur Drehung der ersten Scheibe (7) gekoppelt ist, daß die mechanische Verbindung der zweiten Scheibe (18) mit dem Elektromotor (29) zu iherer Drehung mittels einer Stange (46) vorgesehen ist, deren Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser der Hohlwelle (43) ist, deren erstes Ende mit dem Zentrum der Arbeitsoberfläche (20) der zweiten Scheibe (18) verbunden ist, die Stange (46) innerhalb der Hohlwelle (43) angeordnet ist, mit der Möglichkeit der relativen Drehung der Welle (43) und der Stange (46) zentriert und durch ein abdichtendes Element aus dem zweiten Ende der Hohlwelle (43) herausgeführt ist, und das zweite Ende der Stange (46) kinematisch mit dem Elektromotor (29) zur Drehung der zweiten Scheibe (18) und mit dem Antrieb (33) zur Versetzung der Scheibe (18) längs der Achse des Reaktors (1) verbunden ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das erste Ende der Stange (46) starr im Zentrum der Arbeitsoberfläche (20) der zweiten Scheibe (18) befestigt ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die erste und die zweite Scheibe (7 und 18) in der zentralen Zone in der Nähe von der Befestigung der Stangen (11 und 23) durchgehende Bohrungen (48) aufweisen, deren Achsen parallel zur Achse des Reaktors (1) laufen, die für Zuführung von Gas zur Zentralzone des Spaltes zwischen den Scheiben (7 und 18) während ihrer Drehung vorgesehen sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die erste und die zweite Scheibe (7 und 18) in der zentralen Zone in der Nähe von der Befestigung der Hohlwelle (43) und der Stange (46) entsprechend durchgehende Bohrungen (48) aufweisen, deren Achsen parallel zur Achse des Reaktors (1) laufen, die für Zuführung von Gas zur Zentralzone des Spaltes zwischen den Scheiben (7 und 18) während ihrer Drehung vorgesehen sind.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die zweite Scheibe (18) Vertiefungen an ihrer Arbeitsoberfläche hat, die an der Peripherie der zweiten Scheibe (18) aneinanderliegend ausgeführt sind und für Anbringung von Quellen (21 und 22) in denselben vorgesehen sind, wobei die Oberfläche der Quelle (21 und 22), die in einer entsprechenden Vertiefung angebracht ist, niedriger als die Arbeitsoberfläche (20) der Scheibe (18) um den Abstand liegt, der im Bereich von 20 mkm bis 5 mm gewählt ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß die erste Scheibe (7) an der Arbeitsoberfläche (9) Vertiefungen hat, die an der Peripherie der ersten Scheibe (7) aneinanderliegend ausgeführt sind und für Anbringung von Schichtträgern (10) in denselben vorgesehen sind, wobei die Oberfläche des Jeweiligen Schichtträgers (10), der in der entsprechenden Vertiefung angeordnet ist, niedriger als die Arbeitsoberfläche (9) der Scheibe (7) um den Abstand liegt, der im Bereich von 50 bis 500 mkm gewählt ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Vertiefungen in der ersten Scheibe (7) mit einer solchen Form ausgeführt sind, daß ihre Pro3ektion auf die zweite Scheibe (18) in den Grenzen der Vertiefungen der zweiten Scheibe (18) liegt.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die erste und zweite Scheibe (7 und 18) die Arbeitsoberflächen (9 und 20) berUhren und die Stange (46) mit dem Zentrum der Arbeitsoberfläche (20) der zweiten Scheibe angelenkt verbunden ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, d a d u r c h g e -k en n z e i c h n e t , daß die Stelle der Anbringung 3eder Quelle (51 und 52) durch einen Bördel (53) an der zweiten Scheibe (18) begrenzt ist, dessen Höhe über die Oberfläche der Quelle (51 und 52) im Bereich von 0,5 bis 5 mm gewählt ist.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Ebene der Oberfläche der Quellen (51 und 52) unter einem Winkel, der kleiner als 100 ist, zur Ebene der Oberfläche des Schichtträgers (10), angebracht ist.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß mindestens eine Quelle (52) mit einer Abdeckung (54) an ihrer Oberfläche versehen ist, die Fenster (55) aufweist, deren Anzahl, Abmessungen und Anordnung durch die Geschwindigkeit der Übertragung des Stoffes von verschiedenen Abschnitten der Quelle (52) zum Schichtträger (10) bestimmt sind.
  16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß mindestens eine Quelle (21) eine veränderliche Zusammensetzung bezüglich des Gradienten aufweist, der senkrecht zur Oberfläche der Quelle (21) gerichtet ist.
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