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Vertikale Dampfphasen-Aufwachsvorrichtung, insbesondere
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zur Herstellung einer Verbund-Halbleiterschicht Beschreibung Die
Erfindung betrifft eine vertikale Dampfphasen-Aufwachsvorrichtung für das aus der
Dampfphase heraus erfolgende Züchten oder Aufwachsen einer Verbund-Halbleiterschicht
aus Galliumarsenid oder einem Galliumarsenid als Hauptkomponente enthaltenden Material.
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Für das Dampfphasen-Aufwachsen einer Verbund-Halbleiterschicht aus
z.B. Galliumarsenid (GaAs) ist ein Verfahren bekannt, das mit der thermischen Crackung
von Trimethylgallium (TMG) (eine Art organischen Galliums) und Arsenwasserstoff
( AsH3) arbeitet. Bei der Durchführung dieses Verfahrens wird in neuerer Zeit anstelle
eines horizontalen Reaktors ein vertikaler Dampfphasen-Aufwachsreaktor verwendet,
weil dabei keine größere Menge an Zufuhr- oder Speisegas erforderlich ist. Bei diesem
Vertikalreaktor wird ein Speisegas praktisch lotrecht auf die Proben, d.h.
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Kristallsubstrate, herabgeführt, und da die Zufuhrrichtung
des
Speisegases mit der Richtung übereinstimmt, in welcher das Dampfphasen-Aufwachsenstattfindet,
kann dieses Aufwachsen mit einer kleineren Menge an Speisegas erfolgen.
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Da beim Vertikalreaktor ein etwas größerer Abstand zwischen dem Kristallsubstrat
und einer oberhalb seines Trägers angeordneten Gaseinlaßöffnung erforderlich ist,
steigt ein Teil des in der Nähe des Substrats erwärmten Gases hoch, wobei eine Konvektionserscheinung
entsteht und sich die folgenden Probleme ergeben: 1. Es tritt eine Dickenänderung
in der gezüchteten bzw. aufgewachsenen Schicht auf, weil eine gleichmäßige Strömung
des Gases im Reaktor verhindert wird.
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2. Ein Teil des verbrauchten Gases strömt zum stromaufseitigen Teil
des Reaktors und führt dabei zu einer Verunreinigung des Speisegases.
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3. Die thermische Crackung des frischen Speisegases erfolgt durch
einen Teil des zum oberen Teil des Reaktor strömenden, erwärmten Gases, so daß andere
Produkte als das gewünschte Galliumarsenid entstehen. Infolgedessen verringert sich
die Aufwachsgeschwindigkeit der aus der Dampfphase gezüchteten Schicht.
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Wenn eine solche Konvektion im Reaktor auftritt, wird die Dickengleichmäßigkeit
der gezüchteten Schicht beeinträchtigt; außerdem bildet sich die Schicht nur mit
niedrigerer Geschwindigkeit und mit geringerem Reinheitsgrad. Die Auswirkungen der
Konvektion sind besonders bei größerem Durchmesser des Reaktors auffällig, weshalb
üblicherweise ein Reaktor mit einem Innendurchmesser von etwa 6 cm benutzt wird.
Aus diesem Grund ist es nicht möglich, mehrere Aufwachsschichten
gleichzeitig
herzustellen und damit eine gute Produktionsleistung zu erreichen; dies bedeutet,
daß der theoretische Vorteil des Dampfphasen-Aufwachsverfahrens mit thermischer
Crackung mit dem bisherigen Vertikalreaktor nicht realisiert werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines verbesserten vertikalen
Dampfphasen-Aufwachsreaktors, mit dem hochreine Schichten mit gleichmäßiger Dicke
und mit hohem Ausbringen unter Verwendung einer kleineren Speisegasmenge, aber mit
guter Betriebsfähigkeit gezüchtet werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten
Merkmale gelöst.
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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung
einer Dampfphasen-Aufwachsvorrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine teilweise
weggebrochene Schnittansicht eines Hauptteils der Vorrichtung nach Fig. 1, Fig.2A
eine perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform des bei der Vorrichtung
nach Fig. 1 verwendeten Trägers, Fig.3A und 3B graphische Darstellungen der Beziehung
zwischen einer Änderung der Elektronenkonzentrat ionen und einer Änderung der Dicke
der gezüchteten Galliumarsenidschichten in Abhängigkeit von der position in der
Vorrichtung nach
Fig. 1, Fig.4A und 4B den Fig. 3A und 3B entsprechende
graphische Darstellungen, die für eine bisherige Vorrichtung gelten, Fig. 5 eine
graphische Darstellung des Hall-Widerstands von Hall-Elementen, die einmal mittels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung und zum anderen mittels einer bisherigen Vorrichtung
hergestellt wurden, Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer
Änderung der Elektronenkonzentration einer gezüchteten Schicht und der Änderung
der Trimethylgallium-Konzentration in einem Gasgemisch und Fig. 7 eine graphische
Darstellung der Beziehung zwischen der Änderung der Mobilität in einer gezüchteten
Schicht bei Raumtemperatur und der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gasgemisches.
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Im folgenden ist anhand der Figuren ein Galliumarsenid-Dampfphasenaufwachsverfahren
(gallium-arsenide vaporphase growth method) in Verbindung mit einer vertikalen Dampfphasen-Aufwachsvorrichtung
erläutert.
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Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Dampfphasen- bzw.
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Aufdampf-Reaktor 10 weist einen zylindrischen oberen Abschnitt 11
kleineren Durchmessers, einen zylindrischen unteren Abschnitt 12 größeren Durchmessers
und einen diese beiden Abschnitte konzentrisch miteinander verbindenden, sich verjüngenden
bzw. konischen Ubergangsteil 13 auf. Der obere Reaktorabschnitt 11 enthält eine
zylindrische
obere Kammer 11a mit einem Innendurchmesser D1 von etwa 10 cm und einer Seitenquerschnittsfläche
von 102 x tr cm2 während der untere Reaktorab-4 schnitt 12 eine zylindrische untere
Kammer 12a mit einem Innendurchmesser D2 von etwa 15 cm und einer Seitenquerschnittsfläche
von 152 x 'cm2 festlegt. In der unteren Kammer 12a und nahe der oberen Kammer 11a
ist ein Träger 14 angeordnet, der auf einer durch einen Motor 16 antreibbaren Welle
15 montiert und durch diese in Drehung versetzbar ist. Bei der dargestellten Ausführungsform
sind auf dem Träger 14 mehrere Proben bzw. Werkstücke, z.B. Galliumarsenid-Substrate
angeordnet. Der Träger 14 besteht aus einem Körper 17 aus Graphit, einer die Außenfläche
des Körpers 17 bedeckenden Schutzschicht 18 aus Siliziumkarbid und einer auf die
Schutzschicht 18 aufgebrachten, abnehnibaren Siliziumplatte oder -scheibe 19. Das
Aufdampfen erfolgt mit auf der Siliziumplatte 19 befindlichen Subtraten Der Träger
14 kann aus einem Säulenkörper bestehen, dessen Außendurchmesser größer ist als
der Innendurchmesser der oberen Kammer 11a, aber kleiner als der Innendurchmesser
der unteren Kammer 12a. Der Träger 14 ist konzentrisch zum unteren Reaktorabschnitt
angeordnet, so daß seine Außenfläche an allen Stellen gleich weit von der Innenfläche
der unteren Kammer 12a entfernt ist. Im Mittelteil der Oberseite des oberen Abschnitts
11 ist ein Gaseinlaß 20 vorgesehen, an den eine Gaszufuhrleitung 21 angeschlossen
ist, über welche ein Gas zugeführt wird. In der oberen Kammer 11a ist in einem vorbestimmten
Abstand von der Innenfläche der Oberseite des oberen Reaktorabschnitts 11 eine aus
durchsichtigem Quarz bestehende Diffusions-bzw. Streuplatte 22 angeordnet, die eine
scheibenförmige Konfiguration besitzt und konzentrisch zum Gaseinlaß
20
liegt, so daß ihre Außenumfangsfläche an allen Stellen mit einem kleinen Abstand
gleich weit von der Innenfläche der oberen Kammer 11a angeordnet ist. Die Streuplatte
22 bewirkt eine Streuung bzw.
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Verteilung des aus dem Gaseinlaß zuströmenden Gases.
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Mit dem Unterteil des unteren Reaktorabschnitts 12 ist eine Gasauslaßleitung
22A verbunden. Das über clic Gasleitung 21 zugeführte Gas durchströmt den Reaktor
in Abwärtsrichtung und wird über die Auslaßleitung 22A abgeführt. An die Gaszufuhrleitung
ist über ein Strömungs- oder Durchsatzmengen-Regelventil ein Gasvorrat angeschlossen,
der bei der dargestellten Ausführungsform einen Vorrat 23 für Schwefelwasserstoffgas
(H2S) als mit Wasserstoff verdünntes Dotierungsgas, einen Vorrat 24 für Arsenwasserstoffgas
(arsine gas) (AsH3), mit Wasserstoff verdünnt, einen Vorrat 25 für gasförmigen Wasserstoff
(H2) und einen Vorrat 26 für Trimethylgallium (TMG), mittels des gasförmigen Wasserstoffs
vom Wasserstoff-Vorrat 25 verdampft, umfaßt. Schwefelwasserstoff (H2S) und Trimethylgallium
(TMG) werden im Reaktor thermisch gecrackt, um das Aufdampfen von Galliumarsenid
zu ermöglichen. Dabei dient der gasförmige Wasserstoff als Trägergas.
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Gemäß Fig. 1 ist eine Hochfrequenzspule 33 zur Erwärmung der Probe
über den Träger 14 auf Aufwachs- bzw.
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Aufdampftemperatur vorgesehen.
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Obgleich bei der dargestellten Ausführungsform die Oberseite des Trägers
14 flach ist, kann sie gemäß Fig. 2A auch dreidimensional geformt sein, so daß mehrere
Proben gleichzeitig behandelt werden können. Gemäß Fig.
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2A wird ein Träger 14 in Form einer vierseitigen Pyramide mit vier
schrägen Seitenflächen 14a verwendet, auf welche Proben, d.h. Werkstücke, auflegbar
sind.
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An jeder Grundlinienkante dieser Pyramide ist jeweils eine Rippe 14b
angeformt, durch welche ein Herabrutschen
der Probe verhindert
wird. Die Spitze der vierseitigen Pyramide ist abgerundet, damit sich das Gasgemisch
gleichmäßig über die Seitenflächen der Pyramide verteilen kann.
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Im folgenden ist die Bildung einer Galliumarsenid-Aufwachsschicht
mittels des beschriebenen Reaktors erläutert.
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Galliumarsenid-Substrate mit hohem Widerstand, die jeweils eine 10
cm2 große, hochglanzpolierte Oberfläche mit einer Flächenorientierung (100) besitzen,
werden mit einem organischen Lösungsmittel gewaschen und mit einer Ätzlösung auf
Schwefelsäurebasis chemisch geätzt. Vorzugsweise wird ein Galliumarsenid-Substrat
mit einer Flächenorientierung (100) +50 benutzt Mehrere derartige Substrate werden
auf den Träger 14 aufgelegt und mittels der Hochfrequenzspule 33 auf eine Temperatur
von etwa 7000C erwärmt. Das Dampfphasen-Aufwachsen bzw. -Aufdampfen erfolgt dabei
in der Weise, daß über den Gaseinlaß 20 in den Reaktor ein Gasgemisch in Abwärtsrichtung
eingeführt wird, dessen Gesamtmenge 15 1/min beträgt und das 4,62% Trimethylgallium,
mit Wasserstoff vom betreffenden Vorrat verdünnt, 5% Arsenwasserstoffgas (600 ml/min),
mit Wasserstoff verdünnt, und gasförmigen Wasserstoff (Trägergas) vom betreffenden
Vorrat enthält. Die Aufwachszeit wird auf 60 min eingestellt, so daß entsprechende
Galliumarsenidschichten mit einer Dicke von etwa 10 m erhalten werden.
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Die Ergebnisse von Messungen der Dickenänderung der gezüchteten Schichten,
vom Reaktorzentrum aus gemessen, und der Änderung oder Schwankung der Elektronenkonzentration
finden sich in den Fig. 3A und 3B. Zu Vergleichszwecken
wurden
Versuche unter identischen Bedingungen durchgeführt, jedoch unter Verwendung eines
herkömmlichen Reaktors mit gleichbleibendem Innendurchmesser, d.h. ohne Trennung
zwischen oberem und unterem Abschnitt bzw. Kammer. Die entsprechenden Ergebnisse
finden sich in den Fig. 4A und 4B. Ein Vergleich zwischen Fig. 3A und Fig. 4A zeigt,
daß die auf die erfindungsgemäße Weise gezüchtete Schicht eine Dicke von 10 ßm +
0,5 mßm besitzt. Die Dicke der mit der bisherigen Vorrichtung erhaltenen Schicht
beträgt maximal 7 ßm mit einer Tendenz zur Abnahme der Dicke mit zunehmender Entfernung
vom Reaktorzentrum. Aus diesem Grund ist für die Bildung der gewünschten, 10 Am
dicken Schicht eine längere Zeitspanne nötig, wobei in diesem Fall auch nur die
im Bereich des Zentrums des Reaktors entstandenen Schichten brauchbar sind. Weiterhin
lassen die Fig. 3A und 4A erkennen, daß im erfindungsgemäßen Fall die Elektronenkonzentration
im Zentrum 8 x 1014/cm3 mit einer Abweichung von +11% beträgt, während bei der bisherigen
Vorrichtung eine sehr große Abweichung der Elektronenkonzentration zu beobachten
ist und die gezüchtete Schicht im Bereich des Reaktor zentrums vom p-Typ ist.
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Im wesentlichen dieselben Ergebnisse lassen sich mit dem erfindungsgemäßen
Reaktor erzielen, wenn die Seitenquerschnittsfläche der oberen Kammer weniger als
200 cm2 beträgt und die Seitenquerschnittsfläche der unteren Kammer weniger als
das Vierfache derjenigen der oberen Kammer beträgt. Wenn die Seitenquerschnittsfläche
der oberen Kammer bei mehr als 200 cm2 liegt, tritt eine betonte Konvektion des
Gases auf, wobei die Dickengleichmäßigkeit der gezüchteten Schicht sowie die Elektronen-Verteilungskonzentration
die Tendenz gemäß
den Fig. 4A und 4B zeigen. Diese Tendenz ist
auch dann zu beobachten, wenn die Seitenquerschnittsfläche der unteren Kammer mehr
als das Vierfache derjenigen der oberen Kammer beträgt.
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Versuche haben gezeigt, daß zur Erzielung einer einwandfreien Aufwachsschicht
die folgenden Punkte zu beachten sind: 1. Die Fläche eines Spalts zwischen der Innenfläche
des Reaktors und der Außenumfangsfläche des Trägers, in Richtung des kleinsten Querschnitts
des Spalts gesehen, muß genauso groß oder kleiner sein als die Seitenquerschnittsfläche
der oberen Kammer.
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Wenn diese Spaltfläche größer ist als die Seitenquerschnittsfläche
der oberen Kammer, kann Konvektion auftreten, so daß sich keine guten Ergebnisse
erzielen lassen. Die genannte Spaltfläche ist eine integrierte Größe, in Richtung
des kleinsten Querschnitts des Spalts ermittelt.
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Fig. 5 veranschaulicht die Änderung des Hall-Widerstands Rdwl Q )
von Hall-Elementen, vom Reaktorzentrum aus gemessen, wobei diese Elemente durch
Bildung von Dampfphasen-Aufwachsschichten nach demselben Verfahren und mittels eines
Reaktors, dessen obere Kammer eine Seitenquerschnittsfläche entsprechend der genannten
Spaltfläche zwischen der Außenumfangsfläche des Trägers und der Innenfläche des'Reaktors
besitzt, sowie eines Reaktors erhalten wurden, dessen obere Kammer eine Seitenquerschnittsfläche
entsprechend der Hälfte der genannten Spaltfläche besitzt. In Fig. 5 gelten die
Kurve A für den ersteren und die Kurve B für den letzteren Fall.
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Aus Fig. 5 geht hervor, daß der Hall-Widerstand im erstgenannten
Fall unabhängig von der Entfernung vom Reaktorzentrum im wesentlichen gleichmäßig
ist.
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2. An der Innenfläche der Oberseite der oberen Kammer muß ein Mittel,
etwa eine Streuplatte, zur Einführung des Gasgemisches nach unten in den Reaktor
vorgesehen sein.
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3. Die Höhle der oberen Kammer muß das 1,5- bis 2,5-fache ihres Durchmessers
betragen.
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4. Beim Aufwachsen des Galliumarsenids beträgt die Konzentration an
organischem Gallium in dem in den Reaktor eingeführten Gasgemisch 0,005 bis 0,05
Vol.-%, bezogen auf gasförmigen Wasserstoff. Bei einer Konzentration von unter 0,005
Vol.-% ergibt sich eine große Schwankung der Elektronenkonzentration in der gezüchteten
Schicht. Wenn die Konzentration mehr als 0,05 Vol.-% beträgt, treten Schwankungen
oder Abweichungen der Elekronenkonzentration auf, und der Kristallzustand (crystal
state) an der Oberfläche der gezüchteten Schicht wird verschlechtert.
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Unter Änderung der TMG-Konzentration wurde ein Dampfphasen-Aufwachsen
unter folgenden Bedingungen durchgeführt: i) Aufwachstemperatur 7200C ii) AsH3/TMG-Molverhältnis
15 iii) H2S/TMG-Molverhältnis 0,001 iv) Trägergas gasförmiger Wasserstoff v) Strömungsgeschwindigkeit
des Gasgemisches 1 cm/s.
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Fig. 6 zeigt die Verteilung der Elektronenkonzentration in der bei
diesem Versuch gebildeten Aufwachsschicht.
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5. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches beträgt 0,5 - 4 cm/s.
Wenn die Strömungsgeschwindigkeit ausserhalb dieses Bereichs liegt, verschlechtert
sich die Kristallinität, und es tritt eine Tendenz zu verringerter Mobilität auf.
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Fig. 6 veranschaulicht die Mobilität einer gezüchteten Schicht, die
durch Dampfphasen-Aufwachsen von Galliumarsenid bei Änderung der Strömungsgeschwindigkeit
des Gasgemisches unter folgenden Bedingungen hergestellt wurde: i) Aufwachstemperatur
7200C ii) TMG-Konzentration 0,02% iii) AsH3/TMG-Molverhältnis 15 iv) H2S/TMG-Molverhältnis
0,001 6. Das Gasgemisch wird im Reaktor auf einem Druck von unter 100 mm Hg gehalten.
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Das Innere des Aufwachsreaktors ist in die obere Kammer mit einer
Seitenquerschnittsfläche von weniger als 200 cm und in eine untere Kammer mit einer
Seitenquerschnittsfläche unterteilt, die größer ist als diejenige der oberen Kammer,
aber weniger als das Vierfache der Seitenquerschnittsfläche der oberen Kammer beträgt,
wobei innerhalb der unteren Reaktorkammer durch das den Reaktor in Abwärtsrichtung
durchströmende Gasgemisch ein Dampfphasen-Wachstum auf der auf dem Träger befindlichen
Probe erfolgt.
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Dabei tritt kaum eine Konvektion des Gasgemisches
auf,
und es können hochreine gezüchtete oder Aufwachs-Schichten mit gleichmäßiger Dicke
bei Einspeisung einer kleineren Gasmenge hergestelltwerden. Da die untere Reaktorkammer
eine größere Seitenquerschnittsfläche besitzt, kann eine größere Zahl solcher Schichten
gleichzeitig hergestellt werden, wodurch als besonderer Vorteil des Dampfphasenverfahrens
mit thermischer Crackung eine Massenfertigung ermöglicht wird.
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Obgleich die erfindungsgemäße Vorrichtung in Anwendung auf das Galliumarsenid-Dampfphasenaufwachsverfahren
unter Verwendung von organischem Gallium und Arsenwasserstoff beschrieben ist, ist
die Erfindung auch auf das Galliumarsenid-Aufwachsverfahren unter Verwendung des
anderen Materials anwendbar. Ebenso eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
für die Herstellung eines Verbund-oder Mischmaterial-albleiters aus einem anderen
Material als Galliumarsenid.