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Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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A. E. Blakslee, C. F. Aliotta, "Man-made superlattice crystals" IBM
G. Research and Development, 1970, v. 14, Nr. 6, p. 686-688).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Als Galliumquelle dient metallisches Gallium, das in einer Schale
im oberen Teil des Reaktors angeordnet ist.
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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.
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Die Temperatur der Galliumquelle beträgt 9000C und die des
Schichtträgers
7600C.
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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.
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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.
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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.
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Ebenfalls mit Hilfe der bekannten Vorrichtung wurde eine Struktur
auf der Grundlage von CdxHgl,Te ausgebildet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Infolge geringer Leistung ist die bekannte Vorrichtung für eine
breite
industriemäßige Herstellung von periodischen Halbleiterstrukturen ungeeignet.
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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.
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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.
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Der genannte Nachteil schränkt bedeutend den Kreis von Halbleitersystemen
ein, auf deren Grundlage periodische Strukturen hergestellt werden können.
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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.
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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.
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Dieser Nachteil hängt damit zusammen, daß die Veränderung der Gasphase
im Prozeß des Wachstums auf einmal in dem gesamten Rauminhalt des Reaktors erfolgt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ebenfalls zweckmäßig ist es, das erste Ende der Stange starr in der
Mitte der Arbeitsfläche der zweiten Scheibe zu befestigen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zweckmäßigerweise ist auch die Ebene der Quellenoberfläche zur Ebene
der Schichtträgeroberfläche unter einem Winkel von 100 anzubringen.
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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.
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Zuletzt ist es zweckmäßig, mindestens eine der Quellen mit veränderlicher
Zusammensetzung mit einem Gradienten auszuführen, der rechtwinklig zur Oberfläche
der Quelle gerichtet ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das ermöglicht, periodische Strukturen mit veränderlichem Wert der
Schichtstärke und der Periode einer Struktur in vorgegebener Richtung auf der Oberfläche
eines Schichtträgers zu züchten.
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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.
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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.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand konkreter AusfUhrungsbeispiele
und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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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.
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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.
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Der durch den Reaktor 1 durchströmende Gas strom hat in seiner Zusammensetzung
ein chemisches Reagens für eine chemische Transportreaktion.
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Innerhalb des Reaktors 1 ist eine Scheibe 7 angebracht, die eine Außenfläche
8 und eine Arbeitsoberfläche 9 aufweist.
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An der Arbeitsfläche 9 innerhalb der Scheibe 7 an deren Peripherie
sind Schichtträger 10 angeordnet.
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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.
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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.
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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.
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Die Scheibe 18 weist eine Außenoberfläche 19 und eine Arbeitsoberfläche
20 auf.
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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.
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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.
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außerhalb des Reaktors 1 wird die Stange 23 mittels Einstellschrauben
26 geführt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Abschirmungen 38 und 40 können aus solchen Stoffen wie Graphit
sowie Molybdän- und Titanblech hergestellt sein.
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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.
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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.
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Die andere Quelle 22 wird aus dem zweiten Halbleiterstoff ausgeführt,
dessen Zusammensetzung der Zusammensetzung von Schichten entspricht, die die Schichten
der ersten Gruppe abwechseln.
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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.
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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.
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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.
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Die Hohlwelle 43 wird aus dem Reaktor 1 durch eine Öffnung 44 mit
einer dicht schließenden Dichtung 45 herausgeführt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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In Fig. 6 sind die Scheiben 7 und 18 der Vorrichtung nach Fig.
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4 gezeigt.
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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.
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Die Bohrungen 48 sind parallel zur Achse X des Reaktors 1 (Fig.
-
1).
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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.
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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.
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Die Form der Quellen 21 und 22 kann beliebig sein.
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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.
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Diese Sektoren liegen aneinander an, wobei sich die Quellen 21 des
ersten Halbleiterstoffes mit den Quellen 22 des zweiten Halbleiterstoffes abwechseln.
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An dor Arbeitsfläche 9 (Fig. 7) der Scheibe 7 sind Vertiefungen ausgeführt,
die an der Peripherie der Scheibe 7 aneinanderliegend angebracht sind.
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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.
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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.
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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.
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Dabei überdecken die Vertiefungen der Quellen 21 und 22 die Vertiefungen
der Schichtträger 10, wie aus Fig. 7 zu ersehen ist.
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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.
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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.
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Außerdem können die Quellen 21 und 22, die Schichtträger 10 und die
entsprechenden Vertiefungen die Form der Scheiben haben.
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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.
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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.
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Die Oberflächenebene der Quellen 21 und 22 (Fig. 12) kann im Winkel
zur Oberflächenebene des Schichtträgers 10 angebracht sein.
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Hierzu sind in der Scheibe 7 Vertiefungen für Schichtträger 10 ausgeführt,
deren Ebene unter einem Winkel zur Arbeitsfläche 9 der Scheibe 7 angeordnet ist.
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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.
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In Fig. 13 ist ein Teil der Scheibe 18 abgebildet, die auf Fig.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Fenster 55 (Fig. 13) werden in erwünschter Form und Abmessungen
in der die Quelle 52 überdeckenden Abdeckung 54 mittels des bekannten Fotolithografieverfahrens
gefertigt.
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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.
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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.
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Die Vorrichtung zur Epitaxial-Züchtung von periodischen Halbleiterstrukturen
aus der Gasphase, abgebildet in Fig. 1, hat folgende Funktionsweise.
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Die Parallelität und Gleichachsigkeit der Scheiben 7 und 18 wird mit
Hilfe der Einstellschrauben 14 und 26 geregelt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Hierdurch entsteht eine periodische Halbleiterstruktur 56, die schematisch
in Fig. 15 abgebildet ist.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur
Epitaxial-Züchtung periodischer Halbleiterstrukturen aus der Gasphase abgebildet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Hierdurch können lokale Inhomogenitätserscheinungen in der Zusammensetzung
wachsender Epitaxial-Strukturen auftreten, die die Qualität und Reproduzierbarkeit
ihrer Kennwerte verschlechtern.
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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.
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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.
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Die Schichtträger 10 und die Quellen 21 und 22 sind an den Oberflächen
der entsprechenden Scheiben 7 und 18 mittels bekannter Mittel befestigt.
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In Fig. 7 wird noch eine weitere Ausführungsvariante der Scheiben
7 und 18 im Schnitt gezeigt.
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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.
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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.
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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.
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Auf Fig. 9 ist eine dritte Ausführungsvariante der Vorrichtung zur
Epitaxial-Züchtung periodischer Halbleiterstrukturen abgebildet.
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Das kennzeichnende Merkmal dieser konstruktiven Ausführung besteht
darin, daß die Scheiben 7 und 18 die flachen Arbeitsflächen 9 und 20 berühren.
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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.
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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.
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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.
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Die Figuren 10 und 11 sind eine Draufsicht und ein Schnitt der Scheibe
7 mit den darauf angeordneten Quellen 51 und 52.
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Hier besteht die Quelle 51 aus einem pulverartigen Halbleiterstoff.
Sie kann auch aus einem Gemisch von Körnern zweier beziehungsweise mehrerer Halbleiterstoffe
bestehen.
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Die Quelle 52 stellt eine feste einkristalline Platte dar, die aus
einem einkristallinen Halbleiterblock ausgeschnitten ist.
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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.
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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.
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Aus Fig. 10 und 11 ist zu ersehen, daß die Stelle der Anbringung Jeder
Quelle 51 und 52 durch ein Bördel 53 begrenzt ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Periodische Halbleiterstrukturen mit veränderlichem Wert der Periode
an einer Musterfläche haben bei Forschungsarbeiten eine große Bedeutung.
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Es reicht aus, anstelle Dutzenden von Mustern mit unterschiedlichen
Perioden nur ein bzw. zwei Muster mit einer in der Fläche veränderlichen Periode
zu untersuchen.
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Vorteil einer derartigen Ausführung der Scheibe 7, wie in Fig.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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Der Anteil der freien Oberfläche wird seinerseits durch die Anzahl
und die Abmessungen der Fenster 55 auf dem gegebenen Abschnitt der Quelle 52 bestimmt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Form der Quellen soll nicht unbedingt durch die auf Fig.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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