DE3620329A1 - Verfahren zur herstellung von einkristall-substraten aus siliciumcarbid - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von neuartigen α-Siliciumcarbid (α-SiC)-Einkristall-Substraten bzw. -Trägerschichten.

Siliciumcarbid ist ein Halbleitermaterial, das weite verbotene Bandabstände (2,2 bis 3,3 eV) besitzt und sehr stabile thermische, chemische und mechanische Eigenschaften zeigt und das Merkmal aufweist, gegenüber Beschädigung auf Grund von Strahlung hochresistent zu sein. Das Material hat sowohl eine n- als auch eine p-Leitfähigkeit, was bei Halbleitern selten der Fall ist, die weite verbotene Bandabstände aufweisen. Demgemäß erscheint Siliciumcarbid als Halbleitermaterial für lichtemittierende Bauelemente oder Photodetektorgeräte für sichtbares Licht kurzer Wellenlängen, für elektronische Geräte, die bei hohen Temperaturen oder mit hoher elektrischer Leistung arbeiten, für äußerst zuverlässige Halbleitergeräte und für strahlungsfeste Geräte brauchbar. Weiterhin kann Siliciumcarbid elektronische Geräte verfügbar machen, die in einer Umgebung brauchbar sind, in der aus üblichen Halbleitermaterialien hergestellte Geräte Schwierigkeiten haben. Auf diese Weise erweitert Siliciumcarbid im großen Maße den Anwendungsbereich für Halbleiterbauelemente bzw. -geräte. Andere Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Halbleiterverbindungen aus Elementen der Gruppen II bis VI oder aus den Gruppen III bis V enthalten allgemein ein Schwermetall als Hauptbestandteil und besitzen demzufolge Verschmutzungs- und Betriebsmittelprobleme, während Siliciumcarbid nicht diese Probleme hat und dementsprechend ein vielversprechendes elektronisches Material zu sein scheint.

Es gibt viele Kristallstrukturen des Silicumcarbids (genannt "polytypisch"), die allgemein in den α-Typ und den β-Typ unterteilt werden. Siliciumcarbid des β-Typs besitzt eine kubische Kristallstruktur und hat den kleinsten der verbotenen Bandabständen (2,2 eV) aller Formen von Siliciumcarbid, während α-Siliciumcarbid eine hexogonale oder eine rhomboedrische Kristallstruktur besitzt und relativ große verbotene Bandabstände von 2,9 bis 3,3 eV aufweist. Wegen der großen verbotenen Bandabstände erwartet man von α-Siliciumcarbid, daß es ein vielversprechendes Halbleitermaterial für optoelektronische Bauelemente bzw. -geräte, wie beispielsweise lichtemittierende Geräte und Photodetektoren, zur Verwendung mit blauem oder anderem sichtbaren Licht kurzer Wellenlängen oder ultraviolettnahen Strahlen ist. Obgleich Zinksulfid (ZnS), Zinkselenid (ZnSe), Galliumnitrid (GaN) etc. Werkstoffe sind, die für lichtemittierende Geräte für blaues oder anderes sichtbares Licht kurzer Wellenlängen verwenbar erscheinen, haben die Kristalle dieser üblicherweise verfügbaren Materialien nur die Leitfähigkeit einer Art, d. h. p-Leitfähigkeit oder n-Leitfähigkeit, und es existieren Schwierigkeiten beim Gewinnen von Kristallen, die beide Leitfähigkeitsarten haben. Demgegenüber macht α-Siliciumcarbid in einfacher Weise ein Kristall sowohl der p-Leitfähigkeit als auch der n-Leitfähigkeit verfügbar, um einen p-n-Übergang zu ermöglichen. Es ist demzufolge zu erwarten, daß das Material lichtemittierende Bauelemente bzw. Geräte und Photodetektoren realisieren kann, die hervorragende optische bzw. elektrische Eigenschaften aufweisen. Wegen der außerordentlich hohen Stabilität seiner thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften wird das Material weiterhin für weitere Anwendungsfälle als andere Halbleitermaterialien brauchbar sein.

Trotz dieser zahlreichen Vorteile und Fähigkeiten ist α-Siliciumcarbid nicht zu einer tatsächlichen Verwendung gelangt, weil die Technik noch auf das Züchten von α-Siliciumcarbidkristallen in kontrollierter Größe, Form und Qualität mit guter Reproduzierbarkeit eingerichtet ist, wie für die kommerzielle Massenproduktion von Siliciumcarbidsubstraten bzw. -trägerschichten von großer Fläche mit hoher Qualität und hoher Produktivität erforderlich.

Zu üblichen Verfahren zur Herstellung von α-Siliciumcarbid- Einkristallsubstraten im Labormaßstab gehört das sogenannte Sublimierungsverfahren [auch das "Lely-Verfahren" genannt; "Growth Phenomena in Silicon Carbide", W.F. Knippenberg: Philips Research Reports, Band 18, Nr. 3, Seiten 161-274 (1963). (Kapitel 8, "The Growth of SiC by Recrystallization and Sublimation", Seite 244-266)], bei dem Siliciumcarbidpulver in einem Graphittiegel bei 2200°C bis 2600°C sublimiert und rekristallisiert wird, um ein Siliciumcarbidsubstrat zu erhalten, ferner das sogenannte Flüssigphasenverfahren ("Growth of Silicon Carbide from Solution" R.C. Marshall: Material Research Bulletin, Band 4, Seiten S73-S84 (1969)], bei dem Silicium oder eine Mischung aus Silicium mit Eisen, Cobalt, Platin oder dergleichen Verunreinigungen in einem Graphittiegel geschmolzen wird, um ein Siliciumcarbidsubstrat zu erhalten, und das Acheson-Verfahren ["Growth Phenomena in Silicon Carbide" W.F. Knippenberg: Philips Research Reports, Band 18, Nr. 3 Seiten 161-274 (1963)]. (Kapitel 2 "Preparative Procedures", Seiten 171-179)], das allgemein zur kommerziellen Erzeugung von Schleifmaterialien verwendet wird und durch das beiläufig ein Siliciumcarbidsubstrat erhalten wird. Blaulichtemittierende Dioden werden unter Verwendung eines Substrats eines α-Siliciumcarbids hergestellt, das durch ein derartiges Kristallwachstumsverfahren erhalten wird, indem auf dem Substrat eine Einkristallschicht eines α-Siliciumcarbids mittels Flüssigphasen-Epitaxialwachstum (LPE) oder chemische Niederschlagung aus der Dampfphase (CVD) gebildet wird, um einen p-n-Übergang verfügbar zu machen.

Obgleich das Sublimierungsverfahren oder das Flüssigphasenverfahren eine große Zahl von kleinen Einkristallen liefert, ist es jedoch schwierig, große Einkristallsubstrate guter Qualität mittels dieser Verfahren herzustellen, da viele Kristallkerne in dem Anfangsstadium des Kristallwachstums auftreten. Das Siliciumcarbidsubstrat, das beiläufig mittels des Achison-Verfahrens erhalten wird, ist noch hinsichtlich Reinheit und Kristallqualität für die Verwendung als ein Halbleitermaterial zu verbessern, während große Substrate, wenn überhaupt, nur zufällig erhalten werden. Demgemäß weisen übliche Kristallwachstumsverfahren für die Herstellung von Substraten von α-Siliciumcarbid Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Größe, der Form, der Qualität, Verunreinigungen, etc. auf und sind nicht für die kommerzielle Herstellung von Einkristall-Substraten aus Siliciumcarbid im Hinblick auf die Produktivität geeignet. Obleich lichtemittierende Dioden hergestellt werden, indem Substrate aus α-Siliciumcarbid mittels des üblichen Verfahrens hergestellt werden und indem die Substrate, wie bereits erwähnt, der Flüssigphasenepitaxis oder der chemischen Niederschlagung aus der Dampfphase unterworfen werden, liegt noch kein Fortschritt bei der kommerziellen Massenproduktion vor, da es kein Verfahren zur industriellen Herstellung von α-Typ-Einkristall-Substraten mit einer großen Fläche und einer hohen Qualität gibt.

Andererseits ist es möglich, einen Einkristallfilm aus Siliciumcarbid epitaxial mittels CVD, LPE, Molekularstrahlepitaxy (MBE) oder einem ähnlichen Verfahren auf einem Einkristall-Substrat von Silicium (Si), Saphir (Al₂O₃), β-Siliciumcarbid (β-SiC) oder dgl. zu züchten, der sich von α-Siliciumcarbid hinsichtlich des Komponentenbestandteils oder der Kristallstruktur unterscheidet, während die durch dieses Verfahren erhaltenen Siliciumcarbidfilme nur vom β-Typ sind, der eine kubische Kristallstruktur besitzt.

Im Hinblick auf die vorgenannten Probleme wurde eine intensive Forschung durchgeführt und als Folge ein Einkristall- Substrat aus Siliciumcarbid hergestellt, indem auf einem Einkristall-Substrat aus einem anderen Material als α-Siliciumcarbid eine Einkristallschicht einer spezifischen Substanz gebildet wurde, die die gleiche hexagonale Kristallstruktur wie α-SiC besitzt, und indem danach ein Einkristallfilm aus SiC auf der Schicht gezüchtet wurde. Es wurde ermittelt, daß die Einkristallschicht aus α-SiC wirkungsvoll gebildet werden kann, die die Kristallstruktur der darunter liegenden Substanz übernimmt.

Demgemäß macht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristall-Substrats aus Siliciumcarbid verfügbar, das dadurch gekennzeichnet ist, daß auf einem Einkristall- Substratbestandteil eines anderen Materials als α-SiC eine AlN-, GaN- oder Al _x Ga_1-x N (0 ≦ωτ x ≦ωτ 1)- Einkristallschicht, die eine hexagonale Kristallstruktur besitzt, oder eine Kristallschicht der gleichen Struktur gebildet wird, die aus einem Gemisch aus SiC und wenigstens einem der Nitride als eine Grundschicht hergestellt wird, und daß ein α-SiC-Einkristall auf der Grundschicht gezüchtet wird.

Die Erfindung macht ferner ein Einkristall-Substrat aus Siliciumcarbid verfügbar, bestehend aus einem Einkristall- Substratbestandteil aus einem anderen Material als α-SiC, und aus einer α-SiC-Einkristallschicht, die über dem Substratbestandteil mit einer zwischen dem Substratbestandteil und der Einkristallschicht vorgesehenen Grundschicht gebildet ist, wobei die Grundschicht eine AlN-, GaN- oder Al _x Ga_1-x N (0 ≦ωτ x ≦ωτ 1)-Einkristallschicht, die eine hexagonale Kristallstruktur besitzt, oder eine Kristallschicht der gleichen Struktur aufweist, welche aus einem Gemisch aus SiC und wenigstens einem der Nitride besteht.

Die Erfindung ermöglicht das kommerzielle Herstellen eines Einkristall-Substrats aus α-Siliciumcarbid mit hoher Produktivität, das eine hohe Qualität und eine große Fläche (z.B. 2,54-5,08 cm (1-2 inches) besitzt, wodurch der Weg für die tatsächliche Nutzung dieser Substrate als optoelektronisches Bauelementmaterial für lichtemittierende Geräte, Photodektektoren, etc. zur Verwendung bei blauem und anderen sichtbarem Licht kurzer Wellenlängen und ultraviolettnahen Strahlen eröffnet wird. Es ist weiterhin zu erwarten, daß das dargestellte Einkristallsubstrat aus Siliciumcarbid Anwendung in weitgefächerten verschiedenartigen Bereichen wegen seiner hohen Stabilität in den thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften finden wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile sind den übrigen Ansprüchen und dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus einer Wachstumsvorrichtung, die bei den Beispielen 1 und 2 der Erfindung verwendet wird; und

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus einer Wachstumsvorrichtung, die bei dem Beispiel 3 der Erfindung verwendet wird.

Der Ausdruck "Einkristall-Substratbestandteil aus einem anderen Werkstoff als α-SiC", der hier verwendet wird, bedeutet ein Einkristall-Substrat bzw. -Träger oder -Trägerschicht aus Si, Al₂O₃, β-SiC oder dgl.

Das Einkristall-Substrat aus β-SiC ist für das Herstellen von Einkristallen guter Qualität vorteilhaft, da es in seiner Gitterkonstanten und in seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten α-SiC ähnlich ist. Üblicherweise kann das Einkristall-Substrat aus β-SiC in Form einer Schicht vorliegen, die auf irgendeinem anderen Trägermaterial (beispielsweise auf einem Si-Einkristall) gebildet ist. Es ist angemessen, daß der Einkristall-Substratbestandteil eine Dicke von etwa 1 bis etwa 500 µm besitzt.

Die Grundschicht gemäß der Erfindung besteht in Form einer Einkristallschicht aus AlN, GaN oder Al _x Ga_1-x N (0 ≦ωτ x ≦ωτ 1) oder einer Kristallschicht aus einer Mischung aus SiC und wenigstens einem dieser Nitride. Die Kristallschicht aus der Mischung enthält in geeigneter Weise wenigstens 0,1 Mol%, beispielsweise etwa 1 bis etwa 10 Mol% AlN oder dgl. Beispielsweise können zufriedenstellende Ergebnisse erreicht werden, wenn eine geringe Menge, wie etwa 1 Mol% oder etwa 2 Mol% AlN oder dgl. vorliegt.

Man ist der Auffassung, daß für den Fall einer Kristallschicht aus einer Mischung aus SiC und AlN oder dgl. im Unterschied zu SiC Al-, Ga- und N-Atome in Form einer Verbindung AlN, Ga-N oder Al _x Ga_1-x N vorliegen, die ein Kristall mit SiC bildet. Derartige unterschiedliche Atome könnten jedoch im Kristallgitter von SiC vorliegen, wenn sie lokal und zufällig als sogenannte Dotiermittel in dieses eingeführt worden sind. Insbesondere wenn die Mengen derartiger Atome relativ zu SiC klein sind, werden diese Atome in Form von Dotiermitteln vorliegen.

Die Grundschicht wird am geeignesten durch das CVD-Verfahren gebildet. Beispiele für geeignete Al-Quellen für dieses Verfahren sind die Kombination von metallischem Aluminium und einem Ätzgas (beispielsweise Wasserstoffchloridgas) dafür, Aluminiumchlorid, Trimethylaluminium, Triethylaluminium und dgl. Beispiele für geeignete Ga- Quellen sind die Kombination von metallischem Gallium und einem Ätzgas dafür, Galliumchlorid, Trimethylgallium, Triethylgallium und dgl. Beispiele für geeignete N-Quellen sind Stickstoff, Ammoniak und dgl. Zur Bildung der Kristallschichtmischung sind geeignete Si-Quellen SiH₄, SiCl₄, SiH₂Cl₂, (CH₃)₃SiCl, (CH₃)₂SiCl₂ und dgl. und geeignete C-Quellen sind CCl₄, CH₄, C₂H₆ und C₃H₈. Derartige Quellengase werden der CVD-Reaktionskammer üblicherweise in einem Trägergas, wie beispielsweise Wasserstoffgas, mitgerissen zugeführt. Die Geschwindigkeit des Kristallwachstums auf der Grundschicht und das Verhältnis der Atombestandteile des Kristalls kann, wie oben erwähnt, kontrolliert bzw. gesteuert werden, indem die Strömungsraten der Quellengase durch Strömungsmengenregler oder dgl. eingestellt wird. Das Verhältnis der der Kombination zuzuführenden Quellengase, beispielsweise das Al-N-Quellenverhältnis, das Ga-N-Quellenverhältnis oder das Al + Ga-N- Quellenverhältnis kann derart bemessen sein, daß ein Überschuß eines relativ zu dem anderen verwendet wird. Obgleich das Zuführverhältnis vorzugsweise so bestimmt wird, daß beispielsweise Al und N in dem resultierenden Kristall im Verhältnis 1:1 enthalten sein werden, muß das Verhältnis nicht stets genau eingestellt werden; ein Überschuß eines Elements kann in dem Kristall vorhanden sein.

Die zu verwendende CVD-Vorrichtung kann bereits im Stand der Technik bekannt sein. Es ist angemessen, daß der Substratbestandteil für das CVD üblicherweise auf einer Temperatur von 1000 bis 1800 °C, vorzugsweise von 1200 bis 1600 °C gehalten wird. Der Gaszuführdruck innerhalb der CVD-Kammer kann atmosphärisch oder ein niedriger Druck von etwa 1,33 bis etwa 13332,2 Pa (0,01-100 Torr) sein. Obgleich es passend ist, die Grundschicht bis zu einer Dicke von wenigstens 0,1 µm, insbesondere etwa 0,1 bis etwa 5 µm zu bilden, kann die Dicke größer sein.

Die Grundschicht kann anstelle durch das CVD-Verfahren auch durch verschiedenartige andere Verfahren zum Züchten von Einkristallen gebildet werden, wie beispielsweise Flüssigphasenverfahren, Sublimierungsverfahren, Vakuumverdampfung, MBE-Verfahren, Plasma- oder Kathodenzerstäubung, etc. Wenn die Grundschicht beispielsweise durch das Flüssigphasenverfahren gebildet ist, werden metallisches Aluminium oder metallisches Gallium und Si₃N₄ zusätzlich zum Si-Material bei einer Züchtungs- bzw. Wachstumstemperatur von 1500 bis 1900 °C verwendet. Wenn auf das Sublimierungsverfahren ausgewichen wird, werden metallisches Aluminium oder metallisches Gallium und Si₃N₄ zu SiC-Material zugemischt.

Ein Einkristall aus SiC wird auf der auf diese Weise erhaltenen Grundschicht gezüchtet, wobei ein Einkristall aus α-SiC gebildet wird. Ebenso wie die Grundschicht wird der SiC-Einkristall in geeigneter Weise durch das CVD-Verfahren gezüchtet, obgleich auch die oben erwähnten anderen Verfahren verwendet werden können. Obgleich es passend ist, den Einkristall auf eine Dicke von etwa 1 bis etwa 10 µm zu züchten, kann die Dicke größer sein.

Der SiC-Einkristall, der auf der Grundschicht gezüchtet wird, besteht aus dem α-Typ, vermutlich aus dem folgenden Grund.

α-SiC weist verschiedenartige Kristallstrukturen auf, die sich geringfügig voneinander unterscheiden, und typisch dafür sind, eine 2H-Form, eine 4H-Form und eine 6H-Form. AlN, GaN und Al _x Ga_1-x N-Einkristalle weisen genau den gleichen hexagonalen Kristallaufbau wie α-SiC in der 2H-Form auf. Die Gitterkonstanten und Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Einkristalle betragen 3,10 Å und 4,15 × 10^-6 K^-1 für AlN, 3,19 Å und 5,59 × 10^-6K^-1 für GaN und gemäß dem Verhältnis x liegen für Al _x Ga_1-x N Zwischenwerte zwischen diesen Werten von AlN und GaN vor. Alle diese Werte sind den entsprechenden Werten von α-SiC, d.h. 3,08 Å und 4,2 × 10^-6 K^-1, angenähert. Weiterhin besitzt auch der Kristall eine Mischung aus SiC mit AlN, GaN oder Al _x Ga_1-x N ebenfalls dieselbe hexagonale Kristallstruktur wie α-SiC der 2H-Form und ist bezüglich der Gitterkonstante und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α-SiC angenähert. Dementsprechend ist der gezüchtete SiC-Film bzw. die SiC-Schicht eine α-Kristallschicht, die die Kristallstruktur der Grundsubstanz übernimmt. Aus dieser Sicht ist die Verwendung von AlN oder der Mischung aus SiC und AlN besonders vorteilhaft zur Gewinnung eines Einkristalls aus α-SiC, der eine gute Kristallqualität aufweist, da das Material bezüglich der Gitterkonstanten und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α-SiC sehr nahe kommt.

Das erhaltene Einkristall-Substrat ist ein neuartiges Substrat, das selbst eine spezifische geschichtete Struktur besitzt. Überdies liegen die großen Bandabstände der Grundschicht zur elektrischen Trennung des α-SiC-Einkristalls von dem Substratbestandteil. (Die Grundschicht fungiert auch als Isolierfilm, da beispielsweise AlN Bandabstände von 6,2 eV besitzt oder da der Mischkristall aus AlN und SiC Bandabstände von wenigstens 3,3 eV aufweist.) Diese Merkmale machen das α-SiC-Einkristall für Vorrichtungen mit einem großen Vorteil einsetzbar.

Die Erfindung wird detaillierter unter Bezugnahme auf die folgenden Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen Kristalle mittels des CVD-Verfahrens auf Substratbestandteilen aus β-SiC-Einkristall gezüchtet wurden. Beim Beispiel 1 wurde eine AlN-Einkristallschicht zunächst auf dem Substratbestandteil gezüchtet, und ein α-SiC-Einkristall- Film wurde dann auf der Schicht gezüchtet. Bei den Beispielen 2 und 3 wurde zuerst eine Kristallschicht aus einer Mischung aus AlN und SiC auf dem Substratbestandteil gezüchtet und dann wurde ein α-SiC-Einkristall- Film auf der Schicht gezüchtet.

Die Substratbestandteile aus β-SiC-Einkristall wurden mittels des aufeinanderfolgenden Zwei-Schritt-CVD-Verfahrens hergestellt, wie bereits von der Anmelderin zum Züchten von β-SiC-Einkristallen vorgeschlagen worden ist (ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung SHO 59-203 799). Genauer gesagt, wurde der Substratbestandteil hergestellt, indem gleichmäßig eine dünne Polykristallin- SiC-Schicht von etwa 20 nm Dicke auf einer Si-Einkristallbasis bei einer Temperatur von etwa 1050 °C mittels CVD unter Verwendung von SiH₄ und C₃H₈ als Quellengase gebildet wurde, indem ein SiC-Einkristall-Film von etwa 20 µm Dicke auf der Schicht bei einer Temperatur von etwa 1350 °C mittels CVD unter Verwendung von SiH₄ und C₃H₈ gezüchtet wurde und indem das Si der Basis mit einer Säuremischung aus HF und HNO₃ weggelöst wurde. Die verwendeten Substratbestandteile aus β-SiC-Einkristall hatten eine Größe von 1 cm × 1 cm.

Die beigefügten Schemazeichnungen zeigen die CVD-Wachstumsvorrichtung, die bei den Beispielen 1 bis 3 verwendet wurde. Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 wurde für die Beispiele 1 und 2 und die Vorrichtung von Fig. 2 wurde für das Beispiel 3 verwendet. In den Fig. 1 und 2 weist ein wassergefülltes doppelwandiges horizontales Quarzreaktionsrohr 1 in seinem Inneren einen Graphitheizer (susceptor) 2 auf, der von einem Graphitstab 3 gehalten wird. Ein hochfrequenter Strom wird durch eine Arbeitsspule 4 geleitet, die um den Körper des Reaktionsrohres 1 gewickelt ist, um den Graphitheizer 2 induktiv zu erhitzen. Die Vorrichtung von Fig. 2 besitzt einen weiteren Graphitheizer 17, der von einem Untersatz 16 gehalten wird. Der Heizer 17 wird induktiv mit einem hochfrequenten Strom erhitzt, der durch eine Arbeitsspule 19 geleitet wird. Ein Ende des Reaktionsrohrs 1 besitzt ein Abzweigrohr 5, das als Gaseinlaß dient. Kühlwasser wird über das äußere Quarzrohr des Reaktionsrohrs 1 über Abzweigrohre 6 und 7 geleitet. Das andere Ende des Reaktionsrohrs 1 ist mittels eines Flansches 8 aus rostfreiem Stahl, einer Rückhalteplatte 9, Bolzen 10, Muttern 11 und einem O-Ring 12 abgedichtet. Der Flansch 8 besitzt ein Abzweigrohr 13, das als Gasauslaß dient. Der Graphitstab 3 ist an einem Halter 14 befestigt. Ein Substratbestandteil aus β-SiC- Einkristall wird auf dem Heizer 2 angeordnet. In Fig. 2 ist metallisches Aluminium 18 auf dem Heizer 17 angeordnet. Die Strömungsgeschwindigkeiten der Quellengase und des Trägergases (H₂) wird durch Mengenströmungsregler 20 gesteuert. Bei A bis F sind Gaszylinder angedeutet, A für H₂, B für SiH₄, C für C₃H₈, D für (CH₃)₃Al, E für N₂ und F für HCl.

Beispiel

Es wurde die Vorrichtung von Fig. 1 verwendet.

Die Luft innerhalb des Reaktionsrohrs 1 wurde durch Wasserstoffgas ersetzt, und es wurde ein hochfrequenter Strom durch die Arbeitsspule 4 geleitet, um den Heizer 2 zu erhitzen und den Substratbestandteil 15 aus β-SiC bei einer Temperatur von etwa 1300 °C zu halten.

Stickstoff (N₂)-Gas, das mit einer Strömungsrate von 0,75 l/min zugeführt wurde, und Trimethylaluminium ((CH₃)₃Al)-Gas, das bei 0,6 cm³/min zugeführt wurde, wurden zu Wasserstoff-Trägergas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,5 l/min. zugemischt, und die Mischung wurde dem Reaktionsrohr 1 durch das Abzweigrohr 5 zugeführt, um 2 Stunden lang AlN zu züchten, wodurch eine AlN- Einkristall-Schicht mit einer Dicke von etwa 0,6 µm gebildet wurde. Daraufhin wurde unter Fortsetzung der Zufuhr von Wasserstoff-Trägergas und der Erhitzung des Substratbestandteils aber mit Unterbrechung der Zufuhr des Stickstoffgases und des Trimethylaluminiumgases Propan (C₃H₈) und Monosilan (SiH₄) dem Reaktionsrohr 1 über die Abzweigleitung 5 jeweils mit einer Strömungsrate von 0,045 cm³/min und 0,045 cm³/min zugeführt, um 1 Stunde lang einen Kristall zu züchten. Dementsprechend wurde ein SiC-Film von etwa 1 µm Dicke über der AlN-Schicht auf dem β-SiC-Substratbestandteil gebildet.

Die Kristallstruktur des gezüchteten SiC-Films wurde durch Reflexion hochenergetischer Elektronenbeugung (reflection high-energy electron diffraction (RHEED)) unter Verwendung eines Elektronenstrahls bei einer Beschleunigungsspannung von 50 kV analysiert. Die Analyse zeigte Punkte, die den wechselseitigen Gitterpunkten des 2H- Form-Kristalls entsprechen. Auf diese Weise wurde das erhaltene Kristall als ein α-SiC-Einkristall der 2H-Form identifiziert.

Beispiel 2

Die Vorrichtung von Fig. 1 wurde verwendet.

Die Luft innerhalb des Reaktionsrohres 1 wurde durch Wasserstoffgas ersetzt, und es wurde ein hochfrequenter Strom durch die Arbeitsspule 4 geleitet, um den Heizer 2 zu erhitzen und den Substratbestandteil 15 aus β-SiC bei einer Temperatur von etwa 1400 °C zu halten.

Propan, Monosilan, Stickstoff und Trimethylaluminium, die jeweils als Quellengase mit Strömungsraten von 0,25 cm³/min, 0,75 cm³/min, 0,35 cm³/min und 0,60 cm³/min zugeführt wurden, wurden mit Wasserstoffträgergas bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 3 l/min zugemischt, und die Gasmischung wurde dem Reaktionsrohr 1 über das Abzweigrohr 5 zugeführt, um 30 Minuten lang einen Kristall zu züchten, wodurch eine Kristallschicht aus einer Mischung aus AlN und SiC mit einer Dicke von etwa 3 µm erhalten wurde.

Die Reflexionsanalyse der hochenergetischen Elektronenbeugung (RHEED) ergab, daß die Schicht die Kristallstruktur einer 2H-Form hatte. Die Schicht wurde weiterhin einer Auger-Elektronenspektroskop-Analyse in einem Hochvakuum von 1,33 × 10^-7 Pa (1 × 10^-9 Torr) unter Verwendung eines Elektronenstrahls mit einer Beschleunigungsspannung von 5 kV nach dem Entfernen eines Oxidfilms oder dergleichen von der Oberfläche der Ar-Ion-Zerstäubung unterworfen. Das relative Intensitätsverhältnis zwischen den Spitzen (Si_LVV, Si_KLL, C_KLL, N_KLL, Al_KLL) zeigte, daß die Schicht aus einem Mischkristall von etwa 1 % AlN und etwa 99 % SiC bestand.

Darauffolgend wurde auf der Schicht durch Fortsetzung der Zufuhr von Wasserstoffträgergas, Propangas und Monosilangas und Erhitzen des Substratbestandteils SiC gezüchtet, wobei die Zufuhr von Stickstoffgas und Trimethylaluminiumgas unterbrochen wurde. In 30 Minuten wurde ein Film von etwa 3 µm Dicke auf der Kristallschicht der Mischung aus AlN und SiC auf dem β-SiC- Substratbestandteil erhalten. Die Reflexions-Hochenergie- Beugungs-Analyse ergab, daß die Schicht aus einem α-SiC-Einkristall der 2H-Form bestand.

Beispiel 3

Die Vorrichtung von Fig. 2 wurde verwendet.

Die Luft innerhalb des Reaktionsrohrs 1 wurde durch Wasserstoffgas ersetzt, und es wurde ein hochfrequenter Strom durch die Arbeitsspule 4 geleitet, um den Heizer 2 zu erhitzen und den Substratbestandteil 15 aus β-SiC auf eine Temperatur von etwa 1500 °C zu halten. Dann wurde ein hochfrequenter Strom durch die Arbeitsspule 15 geleitet, um den Heizer 17 auf eine Temperatur von etwa 800 °C zu erhitzen und das Aluminium 18 zu schmelzen.

Propan (C₃H₈), Monosilan (SiH₄) und Stickstoff, die als Quellengase jeweils mit Strömungsraten von 0,25 c/min, 0,75 c/min und 0,2 l/min zugeführt wurden, und Wasserstoffchlorid (HCl), das als Ätzgas für das geschmolzene Aluminium bei einer Strömungsrate von 5 c/min zugeführt wurde, wurden Wasserstoffträgergas bei einer Strömungsrate von 1 l/min zugemischt, und das Gemisch wurde dem Reaktionsrohr 1 durch die Abzweigleitung 5 zugeführt. Das geschmolzene Aluminium wurde durch das Wasserstoffchlorgas geätzt, in das Trägergas freigegeben und auf den β-SiC- Substratbestandteil transportiert. Dementsprechend wurde eine Kristallschicht aus einer Mischung aus AlN und SiC in 30 Minuten mit einer Dicke von etwa 2 µm gebildet. Die Reflexions-Hochenergie-Elektronenbeugungs-Analyse ergab, daß die Schicht die Kristallstruktur der 2H-Form hatte.

Die Auger-Analyse zeigte, daß das Kristall aus etwa 1 % AlN und etwa 99 % SiC zusammengesetzt war.

Darauffolgend wurde ein Kristall gezüchtet, indem die Zufuhr von Wasserstoffträgergas, Propangas und Monosilangas und das Erhitzen des Substratbestandteils fortgesetzt wurde, während die Zufuhr von Stickstoffgas und Wasserstoffchlorgas unterbrochen wurde. Dementsprechend wurde ein SiC-Film von etwa 2 µm Dicke in 30 Minuten auf der Kristallschicht der AlN-SiC-Mischung über dem β-SiC-Substratbestandteil gebildet.

Die Reflexions-Hochenergieelektronen-Beugungs-Analyse ergab, daß der gezüchtete SiC-Film aus einem α-SiC- Einkristall der 2H-Form bestand.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung eines Einkristall-Substrats aus Siliciumcarbid, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Einkristall-Substrat-Bestandteil aus einem anderen Material als α-SiC eine Einkristall- Schicht aus einem Nitrid von AlN, GaN oder Al _x Ga_1-x N (0 ≦ωτ x ≦ωτ 1), die eine hexagonale Kristallstruktur besitzt, oder eine Kristallschicht der gleichen Struktur gebildet wird, welche aus einem Gemisch aus SiC und wenigstens einem der Nitride als Grundschicht hergestellt wird, und daß auf der Grundschicht ein Einkristall aus α-SiC gezüchtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallschicht des Gemischs wenigstens 0,1 Mol% AlN, GaN oder Al _x Ga_1-x N enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallschicht des Gemischs wenigstens etwa 1 Mol% AlN, GaN oder Al _x Ga_1-x N enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallschicht des Gemischs etwa 1 Mol% AlN enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht eine AlN-Einkristallschicht aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht und der Einkristall aus α-SiC mittels CVD gebildet und gezüchtet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht mit einer Dicke von 0,1 bis 5 µm gebildet wird und daß der α-SiC-Einkristall bis zu einer Dicke von 1 bis 10 µm gezüchtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall-Substratbestandteil aus einem Einkristall von Si, Al₂O₃ oder β-SiC hergestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall-Substratbestandteil aus einem β-Si-Einkristall hergestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall-Substratbestandteil eine Dicke von 1 bis 500 µm aufweist.

11. Einkristall-Substrat aus Siliciumcarbid, gekennzeichnet durch einen Einkristall-Substratbestandteil aus einem anderen Material als α-SiC und eine Einkristallschicht aus α-SiC, die über den Substratbestandteil mit einer zwischen dem Substratbestandteil und der Einkristallschicht vorgesehenen Grundschicht gebildet ist, wobei die Grundschicht eine Einkristallschicht des Nitrids von AlN, GaN oder Al _x Ga_1-x N (0 ≦ωτ x ≦ωτ 1), die eine hexagonale Kristallstruktur besitzt, oder eine Kristallschicht der gleichen Struktur aufweist, die aus einem Gemisch aus SiC und wenigstens einem der Nitride besteht.

12. Substrat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallschicht des Gemischs wenigstens 0,1 Mol% AlN, GaN oder Al_xGa_1-xN enthält.

13. Substrat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallschicht des Gemischs wenigstens etwa 1 Mol% AlN, GaN oder Al_xGa_1-xN enthält.

14. Substrat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallschicht des Gemischs etwa 1 Mol% AlN enthält.

15. Substrat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht eine Einkristallschicht aus AlN aufweist.

16. Substrat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht eine Dicke von 0,1 bis 5 µm besitzt, und daß die Einkristallschicht aus α-SiC eine Dicke von 1 bis 10 μm aufweist.

17. Substrat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall-Substratbestandteil aus einem Einkristall von Si, Al₂O₃ oder β-SiC besteht.

18. Substrat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall-Substratbestandteil eine Dicke von 1 bis 500 µm besitzt.