DE3875992T2

DE3875992T2 - Verfahren zur herstellung einer epitaxieschicht eines iii-v-verbindungshalbleiters.

Info

Publication number: DE3875992T2
Application number: DE8888400729T
Authority: DE
Inventors: Kouji Mochizuki; Nobuyuki Ohtsuka; Masashi Ozeki
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1987-03-27
Filing date: 1988-03-24
Publication date: 1993-03-25
Anticipated expiration: 2008-03-25
Also published as: JPS63239918A; EP0284516B1; KR880011889A; US4861417A; KR910006589B1; DE3875992D1; EP0284516A1; JPH0727861B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren zum Aufwachsen von epitaxialen Verbundhalbleiterschichten der Gruppe III-V und insbesondere auf ein Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V unter Verwendung einer atomaren Schichtepitaxie.
Derzeit wird die Verwendung einer atomaren Schichtepitaxie (nachstehend einfach als ALE bezeichnet) beim Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht weit verbreitet. ALE wird manchmal auch als molekulare Schichtepitaxie (MLE) bezeichnet. Beispielsweise werden beim Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V unter Verwendung von ALE eine Atome der Gruppe V enthaltende Verbindung und eine Atome der Gruppe III enthaltende Verbindung abwechselnd einem Substrat zugeführt, um epitaxiale Schichten in atomaren Monoschichten aufzuwachsen.
Die folgenden Merkmale können durch ALE erhalten werden. Erstens bleibt ALE durch die Bedingungen des Aufwachsens praktisch unbeeinflußt, das heißt die Ergebnisse des epitaxialen Wachstums ändern sich praktisch nicht, sogar wenn die Bedingungen des Aufwachsens verändert werden. Zweitens kann die Dicke der epitaxialen Schichten in atomaren Monoschichten gesteuert werden. Drittens ist es möglich, eine epitaxiale Schicht mit einer zufriedenstellenden Oberflächenmorphologie aufzuwachsen. Viertens ist es möglich, eine gleichmäßige epitaxiale Schicht aufzuwachsen.
Die oben beschriebenen Merkmale können aus den folgenden Gründen durch ALE erhalten werden. Spezifisch wird das epitaxiale Wachstum in zwei Dimensionen vollständig durchgeführt, da eine Abscheidung einer Monoschicht aus ersten Atomen (oder Molekülen) von einer Abscheidung einer Monoschicht aus zweiten Atomen (oder Molekülen) gefolgt wird. Zusätzlich weisen die zugeführten Atome (oder Moleküle) eine selbstbegrenzende Wirkung an der Oberfläche des Substrats auf. Auf Grund der selbstbegrenzenden Wirkung werden Atome (oder Moleküle), die nur eine atomare Schicht (oder molekulare Schicht) ausmachen, pro Betriebszyklus abgeschieden, und zusätzliche Atome (oder Moleküle) werden nicht auf der aufgewachsenen Schicht abgeschieden, sogar wenn überschüssige Atome (oder Moleküle) zugeführt werden.
Fig. 1A bis 1E zeigen Modelle zur Erläuterung eines Wachstums einer Galliumarsenid (GaAs)-Schicht auf einer (100)-Ebene (Miller-Index (100)) des Substrats. In Fig. 1A bis 1E bezeichnet ein Gallium (Ga)-atom und x ein Arsen (As)-atom.
Fig. 1A zeigt eine Umgebung der Oberfläche eines GaAs- Monokristallsubstrats SUB. Das Substrat SUB wird durch die Bildung des As als letztes vervollständigt.
Zum Aufwachsen einer GaAs-Monokristallschicht auf dem Substrat SUB unter Verwendung einer metallorganischen chemischen Dampfabscheidung (nachstehend einfach als MOCVD bezeichnet) wird eine Menge an Ga, die eine Schicht im GaAs- Monokristall ausmacht, wie in Fig. 1B gezeigt zugeführt. Es wird nachstehend angenommen, daß MOCVD für das epitaxiale Wachstum verwendet wird.
Fig. 1C zeigt einen Zustand, in dem die Zufuhr von Ga beendet und eine Ga-Schicht auf dem Substrat SUB gebildet ist.
Als nächstes wird, wie in Fig. 1D gezeigt, As zum Aufwachsen einer As-Schicht auf der Ga-Schicht zugeführt. Da As die selbstbegrenzende Wirkung aufweist, wird kein überschüssiges As auf der Ga-Schicht abgeschieden. Aus diesem Grund besteht keine Notwendigkeit, die Zufuhrmenge von As genau zu steuern.
Fig. 1E zeigt einen Zustand, in dem die Zufuhr von As beendet und eine As-Schicht auf der Ga-Schicht gebildet ist. In Fig. 1E bezeichnet L3 eine GaAs-Schicht, die eine auf dem Substrat SUB gebildete molekulare Schicht ausmacht.
Die Verfahren von Fig. 1B bis 1E können wiederholt werden, wenn es notwendig ist, zusätzliche GaAs-Schichten aufzuwachsen.
Alle der vorstehend beschriebenen Merkmale werden mit der epitaxialen Schicht erhalten, die durch ALE aufgewachsen wird. Sogar im Fall einer epitaxialen Schicht, die aus einem Material besteht, das die selbstbegrenzende Wirkung nicht aufweist, ist es jedoch möglich, die Merkmale zu erhalten, die durch ALE erhalten werden können, mit Ausnahme des ersten Merkmals, indem die Zufuhrzeit des Materials gesteuert und die Wachstumsrate pro Materialzufuhrzyklus gesteuert wird, um die epitaxiale Schicht in atomaren Monoschichten aufzuwachsen.
Wie vorstehend beschrieben, ist ALE eine wichtige Technik zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht. Die Erfindern führten verschiedene Versuche im Zusammenhang mit dem Wachstum einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V durch ALE durch, wobei Trimethylaluminium (TMA: (CH&sub3;)&sub3;Al)/Arsin (AsH&sub3;) als Ausgangsmaterialien verwendet wurden. Durch die Versuche wurde gefunden, daß Aluminium (Al), das in den meisten Fällen ein wesentlicher Elementarbestandteil der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V ist, die selbstbegrenzende Wirkung für eine atomare Monoschicht nicht aufweist.
Al ist ein wesentliches eine Verbundhalbleiteranordnung bildendes Material, und beispielsweise wird häufig ein Übergitter verwendet, das aus übereinander angeordneten AlAs-Schichten und GaAs-Schichten besteht. In diesem Fall ist es zweckmäßig, daß ein Übergang an einer Grenzfläche zwischen der AlAs-Schicht und der GaAs-Schicht abrupt auftritt. Beispielsweise hat ein Übergitter eine AlAs-Schicht, die drei atomare Monoschichten ausmacht, und eine GaAs- Schicht, die drei atomare Monoschichten ausmacht, die übereinander angeordnet sind. Al wird auch in einer Verbundhalbleiteranordnung verwendet, die eine feine Zusammensetzungsprofilsteuerung erfordert, wie ein Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT), Resonanztunnel-Heißelektronentransistor (RHET) und Multi-Quantum-Well (MQW)- Halbleiterlaser.
Daher ist es zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleitersicht der Gruppe III-V mit Al als Element der Gruppe III zweckmäßig, ALE zu verwenden. Wie vorstehend beschrieben, weist jedoch Al die selbstbegrenzende Wirkung für eine atomare Monoschicht nicht auf. Aus diesem Grund muß die Zufuhrzeit des Materials (Al) zur Steuerung der Wachstumsrate pro Materialzufuhrzyklus gesteuert werden, um in atomaren Monoschichten aufzuwachsen.
Sogar wenn jedoch TMA/AsH&sub3; als Ausgangsmaterial verwendet und die Flußratenbedingung für das TMA eingestellt wird, so daß eine eine molekulare Schicht ausmachende Al- Schicht in einem Materialzufuhrzyklus aufgewachsen wird, wurde durch Versuche gefunden, daß die erhaltene epitaxiale Al-Schicht die Merkmale der durch ALE aufgewachsenen epitaxialen Schicht nicht aufweist. Spezifisch die Oberflächenmorphologie und Gleichmäßigkeit der epitaxialen Al-Schicht sind mangelhaft.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und nützliches Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V vorzusehen, bei dem die vorstehend beschriebenen Probleme eliminiert werden.
Eine weitere und spezifischere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V auf einem Substrat unter Verwendung atomarer Schichtepitaxie vorzusehen, das die Schritte umfaßt: Aufwachsen einer Aluminiumschicht auf einer der {100}-, (111)B-, ( )B-, ( )B- und ( )B-Ebenen des Substrats durch Zuführen einer Menge an Aluminium, die zumindest das Zweifache einer Oberflächendichte einer Schicht beträgt, die in der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V ist und Aluminium enthält, zum Aufwachsen einer Aluminiumschicht einer der {110}-Ebenen des Substrats durch Zuführen einer Menge an Aluminium, die zumindest das Dreifache einer Oberflächendichte einer Schicht beträgt, die in der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V ist und Aluminium enthält, und Aufwachsen einer Schicht eines Materials der Gruppe V auf der Aluminiumschicht durch Zuführen einer Menge des Materials der Gruppe V, die zumindest das Zwei- oder Dreifache einer Oberflächendichte einer Schicht beträgt, die in der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V ist und das Material der Gruppe V enthält, in Abhängigkeit von der Kristallfläche, auf der die Aluminiumschicht aufgewachsen wird. Die Schicht des Materials der Gruppe V und die Aluminiumschicht bilden die epitaxiale Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung sind die Oberflächenmorphologie und Gleichmäßigkeit der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V mit Aluminium als Element der Gruppe III äußerst zufriedenstellend.
Andere Aufgaben und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den bei geschlossenen Zeichnungen gelesen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A bis 1E zeigen Modelle zur Erläuterung eines Wachstums einer GaAs-Schicht auf einer (100)-Ebene eines Substrats;
Fig. 2, 3 bzw. 4 zeigen die Flußzeit von AsH&sub3; gegenüber der Dicke einer aufgewachsenen Schicht pro Materialzufuhrzyklus, die als Ergebnis eines ersten, zweiten und dritten Versuchs erhalten wurde;
Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung verschiedener Bedingungen, unter denen eine epitaxiale AlAs-Schicht auf einer (100)-Ebene eines Substrats unter Verwendung von ALE aufgewachsen wird;
Fig. 6 zeigt eine TMA-Impulsdauer gegenüber der Wachstumsratencharakteristik, die erhalten wurde, wenn die bestimmte Bedingung einer in Fig. 5 gezeigten Größe oder eines Wertes #3 korrigiert wird, so daß ALE korrekt durchgeführt wird;
Fig. 7 zeigte eine Vorrichtung, die zur Durchführung von Verfahren einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 8A, 8B und 8C zeigen Modelle zur Erläuterung des Wachstums einer epitaxialen AlAs-Schicht auf der (100)-Ebene eines GaAs-Substrats in einem ersten, zweiten bzw. dritten Schritt der Ausführungsform;
Fig. 9A und 9B zeigen die Zufuhr von Al bzw. As in der Ausführungsform;
Fig. 10 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung verschiedener Bedingungen, unter denen eine epitaxiale AlAs-Schicht auf einer (111)-Ebene eines Substrats unter Verwendung von ALE aufgewachsen wird;
Fig. 11A, 11B und 11C zeigen Modelle zur Erläuterung des Wachstums einer epitaxialen AlAs-Schicht auf der (111)- Ebene eines GaAs-Substrats in einem ersten, zweiten bzw. dritten Schritt der Ausführungsform;
Fig. 12 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung verschiedener Bedingungen, unter denen eine epitaxiale AlAs-Schicht auf einer (110)-Ebene eines Substrats unter Verwendung von ALE aufgewachsen wird;
Fig. 13A, 13B und 13C zeigen Modelle zur Erläuterung des Wachstums einer epitaxialen AlAs-Schicht auf der (110)- Ebene eines GaAs-Substrats in einem ersten, zweiten bzw. dritten Schritt der Ausführungsform;
Fig. 14 zeigt ein Mikrophotogramm einer Scheibenoberfläche, auf der eine AlAs-Schicht auf der (100)-Ebene durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung aufgewachsen ist; und
Fig. 15 und 16 zeigen Mikrophotogramme einer Scheibenoberfläche, auf der eine AlAs-Schicht auf der (100)-Ebene mit einer auf 10 cc/min bzw. 50 cc/min eingestellten Flußrate von TMA aufgewachsen ist, so daß die Wachstumsrate von Al eine atomare Schicht pro Materialzufuhrzyklus und 3,5 atomare Schichten pro Materialzufuhrzyklus beträgt und jeweils den in Fig. 5 gezeigten Daten #1 und #3 entspricht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Die Erfinder führten verschiedene Versuche zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V mit Al als Element der Gruppe III unter Verwendung von ALE durch, und eine epitaxiale AlAs-Schicht wurde aufgewachsen. Fig. 2 zeigt eine Wachstumsrate von AlAs in bezug auf die Zufuhrmenge von AsH&sub3; in einem ersten Versuch. In Fig. 2 bezeichnet die Ordinate die Dicke der aufgewachsenen Schicht pro Materialzufuhrzyklus und die Abszisse die Flußzeit von AsH&sub3;.
Das epitaxiale Wachstum im ersten Versuch wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Versuch Nr. 1:
Substratmaterial: GaAs
Substratebene: {100}
Substrattemperatur: 500ºC
Flußrate von AsH&sub3;: 50 cc/min
Parameter: Flußrate von TMA.
Da sich die Flußzeit (Zufuhrmenge) von AsH&sub3; allmählich erhöht, nimmt die Dicke der aufgewachsenen Schicht rasch auf zwei molekulare Schichten pro Materialzufuhrzyklus zu, egal ob die Flußrate von TMA 30 cc/min oder 100 cc/min ist, und das Wachstum erhöht sich danach nur allmählich.
Fig. 3 zeigt eine Wachstumsrate von AlAs in bezug auf die Zufuhrmenge von AsH&sub3; in einem zweiten Versuch. In Fig. 3 werden die gleichen Bezeichnungen verwendet wie in Fig. 2.
Das epitaxiale Wachstum im zweiten Versuch wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.
Versuch Nr. 2:
Substratmaterial: GaAs
Substratebene: (111)B, ( )B, ( )B, ( )B
Substrattemperatur: 500ºC
Flußrate von AsH&sub3;: 50 cc/min
Flußrate von TMA: 50 cc/min.
Wie im Fall des ersten Versuchs nimmt die Dicke der aufgewachsenen Schicht rasch auf zwei molekulare Schichten pro Materialzufuhrzyklus zu, und das Wachstum erhöht sich danach nur allmählich.
Fig. 4 zeigt eine Wachstumsrate von AlAs in bezug auf die Zufuhrmenge von AsH&sub3; in einem dritten Versuch. In Fig. 4 werden die gleichen Bezeichnungen verwendet wie in Fig. 2 und 3.
Das epitaxiale Wachstum im dritten Versuch wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.
Versuch Nr. 3:
Substratmaterial: GaAs
Substratebene: {110}
Substrattemperatur: 500ºC
Flußrate von AsH&sub3;: 50 cc/min
Parameter: Flußrate von TMA.
Da die Flußzeit (Zufuhrmenge) von AsH&sub3; allmählich zunimmt, erhöht sich die Dichte der aufgewachsenen Schicht rasch auf drei molekulare Schichten pro Materialzufuhrzyklus, egal ob die Flußrate von TMA 35 cc/min oder 100 cc/min ist, und das Wachstum nimmt danach nur allmählich zu.
Der Zweckmäßigkeit halber werden die {100}-Ebenen nachstehend durch die (100)-Ebene, die (111)B-, ( )B-, ( )B- und die ( )B-Ebenen durch die (111)-Ebene und die {110}-Ebenen durch die (110)-Ebene repräsentiert.
Der erste bis dritte Versuch wurden eine Vielzahl von Malen wiederholt, und es wurde bestätigt, daß jedesmal die gleichen Ergebnisse erhalten werden. Daher wurde gefunden, daß zwei molekulare Schichten pro Materialzufuhrzyklus eine spezielle Wachstumsrate auf der (100)- oder (110)-Ebene des Substrats darstellen, und daß drei molekulare Schichten pro Materialzufuhrzyklus eine spezielle Wachstumsrate auf der (110)-Ebene des Substrats sind.
Versuche zum Aufwachsen der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V mit Al als Element der Gruppe III wurden unter den oben beschriebenen Bedingungen durchgeführt. Als Ergebnis war es möglich, eine äußerst zufriedenstellende epitaxiale AlAs-Schicht aufzuwachsen, die durch herkömmliche ALE nicht erhalten werden konnte, welche Al-Atome, die eine atomare Monoschicht auf dem Substrat ausmachen, auf ähnliche Weise wie vorstehend in Verbindung mit Fig. 1A bis 1E beschrieben abscheidet.
Durch die Versuche wurde gefunden, daß auf den (100)- und (111)-Ebenen Al in einem Zustand stabil ist, in dem eine Menge von Al, die das Zweifache der Oberflächendichte einer Schicht beträgt, die in der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V ist und Al enthält, abgeschieden ist. Durch die Versuche wurde auch gefunden, daß auf der (110)-Ebene Al in einem Zustand stabil ist, in dem eine Menge von Al, die das Dreifache der Oberflächendichte einer Schicht beträgt, die in der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V ist und Al enthält, abgeschieden ist.
Demgemäß wird im Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V gemäß der vorliegenden Erfindung, in der Al als Element der Gruppe III verwendet wird, eine Menge an Al, die zumindest das Zweifache der Oberflächendichte einer Schicht beträgt, die in der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III- V ist und Al enthält, durch ALE auf der (100)- oder (111)- Ebene des Substrats abgeschieden, oder wird eine Menge an Al, die zumindest das Dreifache Oberflächendichte einer Schicht beträgt, die in der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V ist und Al enthält, durch ALE auf der (110)-Ebene des Substrats aufgewachsen, und wird eine Schicht, die aus einem anderen Material der Gruppe V besteht, oben auf der epitaxialen Al-Schicht durch ALE aufgewachsen. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung sind die Oberflächenmorphologie und Gleichmäßigkeit der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V äußerst zufriedenstellend, sogar wenn Al als Element der Gruppe III verwendet wird.
Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung verschiedener Bedingungen, unter denen eine epitaxiale AlAs-Schicht auf einer (100)-Ebene eines Substrats unter Verwendung von ALE aufgewachsen wird. MOCVD wird für das epitaxiale Wachstum verwendet, und in Fig. 5 bezeichnet die Ordinate die Dicke der Schicht pro Wachstumszyklus und die Abszisse die Flußrate von TMA.
In Fig. 5 bezeichnet #1 eine Größe, die durch das herkömmliche Verfahren erhalten wird, #2 eine Größe, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, und #3 eine Größe, die unter einer bestimmten Bedingung erhalten wird. Diese Daten werden erhalten, wenn die Flußrate von TMA auf 10 Sekunden in einer Einheit cc/min, die Flußrate von AsH&sub3; auf 10 Sekunden bei 200 cc/min und die Dicke einer Schicht auf 2,83 Å eingestellt werden.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, beträgt die Flußrate von TMA 13 cc/min gemäß dem herkömmlichen Verfahren, hingegen ist die Flußrate von TMA 26 cc/min gemäß der vorliegenden Erfindung. Daher ist es möglich, eine Wachstumsrate zu erhalten, die zwei molekulare Schichten pro Materialzufuhrzyklus beträgt, und die AlAs-Schicht, die schließlich gebildet wird, weist eine äußerst feine Qualität auf.
Fig. 6 zeigt eine TMA-Impulsdauer gegenüber der Wachstumscharakteristik, die erhalten wird, wenn die bestimmte Bedingung der Größe 43 korrigiert wird, so daß ALE korrekt durchgeführt wird. Die Substrattemperatur beträgt 500ºC, die Flußrate von AsH&sub3; 480 cc/min und die Flußrate von TMA 100 cc/min. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß die Abscheidung von Al auf der (100)-Ebene des Substrats im wesentlichen anhält, wenn die zwei molekulare Schichten ausmachenden Al- Atome auf dem Substrat abgeschieden sind.
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn AlAs auf der (100)-Ebene eines GaAs-Substrats aufgewachsen wird. Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. In einem ersten Schritt wird ein GaAs-Substrat 10 von einer Präparationskammer 11 in eine Reaktionskammer 12 transportiert und As der Oberfläche des GaAs-Substrats 10 in der Reaktionskammer 12 von einem Gassystem 13 zugeführt. In einem zweiten Schritt wird H&sub2; der Reaktionskammer 12 vom Gassystem 13 zugeführt und nach dem Abführen von As in der Reaktionskammer 12 durch eine Pumpe 14 eine Menge von TMA, die zumindest das Zweifache der Oberflächendichte im Verbundhalbleiterkristall der Gruppe III-V beträgt, der Reaktionskammer 12 vom Gassystem 13 zugeführt, um Al auf der Oberfläche des GaAs-Substrats 10 abzuscheiden. In einem dritten Schritt wird H&sub2; der Reaktionskammer 12 vom Gassystem 13 zugeführt, das verbleibende TMA in der Reaktionskammer 12 durch die Pumpe 14 abgeführt und eine geeignete Menge an AsH&sub3; der Reaktionskammer 12 vom Gassystem 13 zugeführt. Der zweite und dritte Schritt können nach Bedarf wiederholt werden.
Fig. 8A, 8B und 8C zeigen Modelle zur Erläuterung des Wachstums der epitaxialen AlAs-Schicht auf der (100)-Ebene des GaAs-Substrats 10 im ersten Schritt, zweiten Schritt bzw. dritten Schritt. In Fig. 8A bis 8C bezeichnen weiße kreisförmige Markierungen Al-Atome und schwarze kreisförmige Markierungen As-Atome.
Fig. 9A und 9B zeigen die Zufuhr von Al bzw. As in der vorliegenden Ausführungsform. Da das Wachstum von Al im wesentlichen anhält, wenn Al-Atome, die das Zweifache der Oberflächendichte in der AlAs-Schicht, das heißt zwei molekulare Schichten, ausmachen, auf dem GaAs-Substrat 10 abgeschieden sind, kann eine Menge Q1 an Al, die zugeführt wird, gleich Al-Atomen, die zwei molekulare Schichten ausmachen, wie durch eine durchgehende Linie in Fig. 9A angegeben, oder größer als Al-Atome sein, die zwei molekulare Schichten ausmachen, wie durch die strichlierten Linien in Fig. 9A angegeben. Mit anderen Worten muß die Menge Q1 gleich zumindest zwei molekulare Schichten ausmachenden Al- Atomen sein. Andererseits weist As die selbstbegrenzende Wirkung auf. Aus diesem Grund kann die Menge Q2 an As, die zugeführt wird, gleich As-Atomen, die das Zweifache der Oberflächendichte in der AlAs-Schicht, das heißt zwei molekulare Schichten, ausmachen, wie durch eine durchgehende Linie in Fig. 9B angegeben, oder größer als As-Atome sein, die zwei molekulare Schichten ausmachen, wie durch strichlierte Linien in Fig. 9B angegeben. Mit anderen Worten muß die Menge Q2 gleich zumindest zwei molekulare Schichten ausmachenden As-Atomen sein.
Fig. 10 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung verschiedener Bedingungen, unter denen eine epitaxiale AlAs-Schicht auf einer (111)-Ebene eines Substrats unter Verwendung von ALE aufgewachsen wird. MOCVD wird für das epitaxiale Wachstum verwendet, und in Fig. 10 werden die gleichen Bezeichnungen verwendet wie in Fig. 5.
In Fig. 10 bezeichnet #5 eine Größe, die durch das herkömmliche Verfahren erhalten wird, #6 eine Größe, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, und #7 eine Größe, die unter einer bestimmten Bedingung erhalten wird. Diese Größen oder Daten werden erhalten, wenn die Flußrate von TMA auf 10 Sekunden in einer Einheit cc/min, die Flußrate von AsH&sub3; auf 10 Sekunden bei 200 cc/min und die Dicke einer Schicht auf 2,83 Å eingestellt werden.
Wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, beträgt die Flußrate von TMA 10 cc/min gemäß dem herkömmlichen Verfahren, hingegen ist die Flußrate von TMA 20 cc/min gemäß der vorliegenden Erfindung. Daher ist es möglich, eine Wachstumsrate zu erhalten, die zwei molekulare Schichten pro Materialzufuhrzyklus beträgt, und die AlAs-Schicht, die schließlich gebildet wird, weist eine äußerst feine Qualität auf.
Eine TMA-Impulsdauer gegenüber der Wachstumsratencharakteristik, die erhalten wird, wenn die bestimmte Bedingung der Größe #7 korrigiert wird, so daß ALE korrekt durchgeführt wird, wird ähnlich der in Fig. 6 gezeigten. Mit anderen Worten hält die Abscheidung von Al auf der (111)-Ebene des Substrats im wesentlichen an, wenn Al- Atome, die zwei molekulare Schichten ausmachen, auf dem Substrat abgeschieden sind.
Fig. 11A, 11B und 11C zeigen Modelle zur Erläuterung der epitaxialen AlAs-Schicht auf der (111)-Ebene des GaAs- Substrats 10 im ersten Schritt, zweiten Schritt bzw. dritten Schritt. In Fig. 11A bis 11C werden die gleichen Bezeichnungen verwendet wie in Fig. 8A bis 8C.
Fig. 12 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung verschiedener Bedingungen, unter denen eine epitaxiale AlAs-Schicht auf einer (110)-Ebene eines Substrats unter Verwendung von ALE aufgewachsen wird. MOCVD wird für das epitaxiale Wachstum verwendet, und in Fig. 12 werden die gleichen Bezeichnungen verwendet wie in Fig. 5.
In Fig. 12 bezeichnet #11 eine Größe, die durch das herkömmliche Verfahren erhalten wird, #13 eine Größe, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, und #12, #14 und #15 Daten, die unter einer bestimmten Bedingung erhalten werden. Diese Daten werden erhalten, wenn die Flußrate von TMA auf 10 Sekunden in einer Einheit cc/min, die Flußzeit von AsH&sub3; auf 10 Sekunden bei 200 cc/min und die Dicke einer Schicht auf 2,83 Å eingestellt werden.
Wie aus Fig. 12 ersichtlich ist, beträgt die Flußrate von TMA 10 cc/min gemäß dem herkömmlichen Verfahren, hingegen ist die Flußrate von TMA 30 cc/min gemäß der vorliegenden Erfindung. Daher ist es möglich, eine Wachstumsrate zu erhalten, die drei molekulare Schichten pro Materialzufuhrzyklus beträgt, und die AlAs-Schicht, die schließlich gebildet wird, weist eine äußerst feine Qualität auf.
Eine TMA-Impulsdauer gegenüber der Wachstumsratencharakteristik, die erhalten wird, wenn die bestimmte Bedingung der Daten #12, #14 und #15 korrigiert wird, so daß ALE korrekt durchgeführt wird, wird ähnlich der in Fig. 6 gezeigten, ausgenommen daß das Wachstum von Al im wesentlichen anhält, wenn Al-Atome, die drei molekulare Schichten ausmachen, auf dem Substrat abgeschieden sind.
Fig. 13A, 13B und 13C zeigen Modelle zur Erläuterung des Aufwachsens der epitaxialen AlAs-Schicht auf der (110)- Ebene des GaAs-Substrats 10 im ersten Schritt, im zweiten Schritt bzw. im dritten Schritt. In Fig. 13A bis 13C werden die gleichen Bezeichnungen verwendet wie in Fig. 8A bis 8C.
Da das Wachstum von Al im wesentlichen anhält, wenn Al-Atome, die das Dreifache der Oberflächendichte in der AlAs-Schicht, das heißt drei molekulare Schichten, ausmachen, auf dem GaAs-Substrat 10 abgeschieden sind, kann eine Menge Q1 an Al, die zugeführt wird, gleich Al-Atomen, die drei molekulare Schichten ausmachen, wie durch eine durchgehende Linie in Fig. 9A angegeben, oder größer als Al-Atome sein, die drei molekulare Schichten ausmachen, wie durch die strichlierten Linien in Fig. 9A angegeben. Mit anderen Worten muß die Menge Q1 gleich zumindest drei molekulare Schichten ausmachenden Al-Atomen sein. Andererseits weist As die selbstbegrenzende Wirkung auf. Aus diesem Grund kann eine Menge Q2 an As, die zugeführt wird, gleich As-Atomen, die das Dreifache der Oberflächendichte der AlAs-Schicht, das heißt drei molekulare Schichten, ausmachen, wie durch eine durchgehende Linie in Fig. 9B angegeben, oder größer als As-Atome sein, die drei molekulare Schichten ausmachen, wie durch strichlierte Linien in Fig. 9B angegeben. Mit anderen Worten muß die Menge Q2 gleich zumindest drei molekulare Schichten ausmachenden As-Atomen sein.
Fig. 14 zeigt ein Mikrophotogramm einer Scheibenoberfläche, auf der eine epitaxiale AlAs-Schicht auf der (100)- Ebene durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung aufgewachsen ist. Das in Fig. 14 gezeigte Ergebnis wurde erhalten, wenn die Flußrate von TMA auf 25 cc/min eingestellt wurde, so daß die Wachstumsrate von Al zwei molekulare Schichten pro Materialzufuhrzyklus beträgt und der in Fig. 5 gezeigten Größe #2 entspricht. Fig. 15 und 16 zeigen Mikrophotogramme einer Scheibenoberfläche, auf der eine AlAs- Schicht auf der (100)-Ebene aufgewachsen ist, wobei die Flußrate von TMA auf 10 cc/min bzw. 50 cc/min eingestellt wurde, so daß die Wachstumsrate von Al eine atomare Schicht pro Materialzufuhrzyklus und 3,5 atomare Schichten pro Materialzufuhrzyklus beträgt und jeweils den in Fig. 5 gezeigten Größen #1 und #3 entspricht.
Bei Vergleichen der Fig. 14 bis 16 ist ersichtlich, daß die Scheibenoberfläche von Fig. 14 eine weitaus überlegenere Qualität aufweist als die in Fig. 15 und 16 gezeigten.
TMA wird in der beschriebenen Ausführungsform verwendet, es ist jedoch möglich, statt dessen Triethylaluminium (TEA: C&sub2;H&sub5;)&sub3;Al) zu verwenden. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung auf das epitaxiale Wachstum anderer epitaxialer Verbundhalbleiterschichten der Gruppe III-V mit Al als Element der Gruppe III, wie Aluminiumphosphor (AlP) und Aluminiumantimonid (AlSb), angewendet werden. Außerdem ist das epitaxiale Wachstum der Schichten nicht auf die Verwendung von MOCVD beschränkt, sondern es ist möglich, andere Verfahren, wie molekulare Strahlepitaxie (MBE), zu verwenden.

Claims

1. Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V auf einem Substrat unter Verwendung atomarer Schichtepitaxie, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Verfahren die Schritte umfaßt: Aufwachsen einer Aluminiumschicht auf einer der {100}-, (111)B-, ( )B-, ( )B- und ( )B-Ebenen des Substrats durch Zuführen einer Menge an Aluminium, die zumindest das Zweifache einer Oberflächendichte einer Schicht beträgt, die in der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V ist und Aluminium enthält; und Aufwachsen einer Schicht eines Materials der Gruppe V auf der Aluminiumschicht durch Zuführen einer Menge des Materials der Gruppe V, die zumindest das Zweifache einer Oberflächendichte einer Schicht beträgt, die in der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V ist und das Material der Gruppe V enthält, wobei die genannte Schicht des Materials der Gruppe V und die genannte Aluminiumschicht die genannte epitaxiale Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V bilden.

2. Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V auf einem Substrat unter Verwendung atomarer Schichtepitaxie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Material der Gruppe V aus einer Gruppe von Arsen (As), Phosphor (P) und Antimon (Sb) ausgewählt ist.

3. Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V auf einem Substrat unter Verwendung atomarer Schichtepitaxie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Schritte des Aufwachsens der Aluminiumschicht und der Schicht des Materials der Gruppe V metallorganische chemische Dampfabscheidung verwenden.

4. Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V auf einem Substrat unter Verwendung atomarer-Schichtepitaxie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Schritt des Aufwachsens der Aluminiumschicht und der genannte Schritt des Aufwachsens der Schicht des Materials der Gruppe V alternativ eine Vielzahl von Malen durchgeführt werden.

5. Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V auf einem Substrat unter Verwendung atomarer Schichtepitaxie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Schritt des Aufwachsens der Aluminiumschicht eines von Trimethylaluminium (TMA: (CH&sub3;)&sub3;Al) und Triethylaluminium (TEA: (C&sub2;H&sub5;)&sub3;Al) als Ausgangsmaterial verwendet.

6. Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V auf einem Substrat unter Verwendung atomarer Schichtepitaxie, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Verfahren die Schritte umfaßt: Aufwachsen einer Aluminiumschicht auf einer der {110}-Ebenen des Substrats durch Zuführen einer Menge an Aluminium, die zumindest das Dreifache einer Oberflächendichte einer Schicht beträgt, die in der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V ist und Aluminium enthält; und Aufwachsen einer Schicht eines Materials der Gruppe V auf der Aluminiumschicht durch Zuführen einer Menge des Materials der Gruppe V, die zumindest das Dreifache einer Oberflächendichte einer Schicht beträgt, die in der epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V ist und das Material der Gruppe V enthält, wobei die genannte Schicht des Materials der Gruppe V und die genannte Aluminiumschicht die genannte epitaxiale Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V bilden.

7. Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V auf einem Substrat unter Verwendung atomarer Schichtepitaxie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Material der Gruppe V aus einer Gruppe von Arsen (As), Phosphor (P) und Antimon (Sb) ausgewählt ist.

8. Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V auf einem Substrat unter Verwendung atomarer Schichtepitaxie nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Schritte des Aufwachsens der Aluminiumschicht und der Schicht des Materials der Gruppe V metallorganische chemische Dampfabscheidung verwenden.

9. Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V auf einem Substrat unter Verwendung atomarer Schichtepitaxie nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Schritt des Aufwachsens der Aluminiumschicht und der genannte Schritt des Aufwachsens der Schicht des Materials der Gruppe V alternativ eine Vielzahl von Malen durchgeführt werden.

10. Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Verbundhalbleiterschicht der Gruppe III-V auf einem Substrat unter Verwendung atomarer Schichtepitaxie nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Schritt des Aufwachsens der Aluminiumschicht eines von Trimethylaluminium (TMA: (CH&sub3;)&sub3;Al) und Triethylaluminium (TEA: (C&sub2;H&sub5;)&sub3;Al) als Ausgangsmaterial verwendet.