DE4108306C2 - Kristallzuchtverfahren - Google Patents

Kristallzuchtverfahren

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Description

Die Erfindung betrifft ein Epitaxieverfahren für III-V-Verbindungshalbleiter mit Hilfe eines MOCVD-Verfahren, mit dem sich willkürlich die Gitterposition steuern läßt, in die ein Dotierungselement eingebaut wird.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus dem US-Patent 4,806,321 bekannt. Das Verfahren dient zum Herstellen von GaAs-Schichten. Ga wird in der Form von TMG-Gas zugeführt, während As in der Form von AsH₃ zugeführt wird. Zum Erzielen von P-Leitung wird z. B. ZMZn, SiH₄ oder GeH₄ zugeführt, während zum Erzielen von N-Leitung ZMSe zugeführt wird. Dieses Dotierungsgas wird jeweils zusätzlich mit nur einem der beiden anderen Gase eingeleitet. Damit die Zufuhr der Gase unabhängig voneinander erfolgt, wird das Reaktionsgefäß jeweils evakuiert, sobald das Kristallwachstum mit dem einen Gas abgeschlossen ist und bevor das nächste Gas eingeführt wird.
Aus einem Artikel von Y. Aoyagi et al. unter dem Titel "Atomic-Layer Growth of GaAs by Modulated-Continuous-Wave Laser Metal-Organic Vapor-Phase Epitaxy", erschienen in J. Vac. Sci. Technol. B Vol. 5(5), Sept./Okt. 1987, S. 1460-1464 ist es bekannt, undotiertes GaAs durch abwechselndes Einleiten von TMG oder TEG und AsH₃ herzustellen. Die Einleitung dieser Reaktionsgase erfolgt bei dauernder Einleitung von Wasserstoff. Um die beiden Reaktionsgase unabhängig voneinander zuzuführen, wird innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums nach dem Abschalten der Zufuhr eines der Reaktionsgase nur Wasserstoff zugeführt, bevor das andere Reaktionsgas dem Wasserstoff zugeführt wird. Dadurch wird das Reaktionsgefäß gespült.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kristallzuchtverfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es besonders wirkungsvoll betrieben werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Es zeichnet sich dadurch aus, daß als Dotierelement ein amphoter wirkendes Element verwendet wird und daß die Reaktionsgase ohne gleichzeitige Wasserstoffzufuhr in das Reaktionsgefäß geleitet werden und daß zwischen dem Einleiten der Reaktionsgase das Gefäß mit Wasserstoff gespült wird.
Die erstgenannte Maßnahme, nähmlich ein amphoter wirkendes Element als Dotierelement zu verwenden, ermöglicht es, auf einfachste Weise N- oder P-Leitung zu erzielen, ohne daß hierzu unterschiedliche Dotierungsgase verwendet werden müssen. Dadurch lassen sich z. B. einfach Übergitter herstellen. Es ist nur von Zeit zu Zeit das Reaktionsgas zu wechseln, mit dem zusammen das Dotierungsgas zugeführt wird.
Aufgrund der zweiten Maßnahme kann schnelles Wachstum erzielt werden, da die Reaktionsgase dem Reaktionsgefäß ohne Verdünnung mit Wasserstoff zugeführt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher veranschaulicht. Es zeigen:
Fig. 1: schematische Diagramme zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Kristallzuchtverfahrens;
Fig. 2: zeitkorrelierte Diagramme zum Beschreiben von Wachstumsfolgen bei dem anhand von Fig. 1 veranschaulichten Verfahren.
Es wird nun anhand von Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kristallzuchtverfahrens erläutert.
Als eine Variante des MOCVD-Verfahrens ist es bekannt, epitaktisches Wachstum in einzelnen Atomlagen auszuführen. Es wird z. B. zunächst nur TMG zugeführt, was dazu führt, daß auf einem GaAs-Substrat nur eine einzelne Atomlage von Ga- Atomen in zweidimensionaler Ausbreitung ausgebildet wird. Anschließend wird nur AsH₃ zugeführt, um die Fläche der Ga- Atome mit einer Atomlage von As-Atomen abzudecken. Diese Schritte werden wiederholt.
Dieses Verfahren wird mit Ga-Atomen 2 und As-Atomen 3 als Hauptkomponenten, wie in Fig. 1(a) dargestellt, ausgeführt. Um Si-Atome 4 als amphotere Verunreinigung zu verwenden, die als Element der III-ten Gruppe nur Ga ersetzt, also als Donator, d. h. als Verunreinigung vom N-Typ wirkt, werden jeweilige Elemente abwechseln in der Kombination (Ga+Si) und dann As zugeführt, wobei jeweils Atomlagenepitaxie ausgeführt wird.
Fig. 1(b) betrifft den Fall, daß Si-Atome 4 als Akzeptor, d. h. als Verunreinigung vom p-Typ verwendet werden. Es werden nun abwechselnd die Elemente Ga bzw. (As+Si) zugeführt, wobei jeweils Atomlagenepitaxie ausgeführt wird. In jedem Fall sollte die zugeführte Menge von Si-Atomen 4 etwa 10⁻⁴ bis 10⁻¹% der zugeführten Menge an Ga-Atomen 2 und As-Atomen 3 sein, um die Trägerkonzentration im Bereich von 10¹⁶ bis 10¹⁹ cm⁻³ einzustellen.
Die Fig. 2(a) und 2(b) veranschaulichen, wie die Materialien aufeinanderfolgend für die Kristallwachstumsabläufe der Fig. 1(a) bzw. 1(b) zugeführt werden. Fig. 2(a) zeigt die Folge zum Erhalten von n-Typ GaAs, wobei TMG und SiH₄ für eine Zeitspanne t₁ in einen Reaktionsofen eingeführt werden, um thermisch zu dissoziieren, wobei Si in eine Lage von Ga- Atomen dotiert wird. t₁ ist also die Zeitspanne, in der das Anordnen von Ga- und Si-Atomen in einer Atomlage erfolgt. Anschließend wird der Reaktionsofen mit H₂ für eine Zeitspanne t₂ gespült, um verbleibende Ga- und Si-Materialien zu entfernen. Anschließend wird AsH₃ für eine Zeitspanne t₃ eingeführt und thermisch dissoziiert, um die zuvor erzeugte Atomlage mit Ga- und Si-Atomen durch eine Atomlage mit As- Atomen abzudecken.
Durch Wiederholen der vorstehend beschriebenen Folge ersetzt Si selektiv als amphotere Verunreinigung Ga-Atome an Gitterstellen für ein Element der III-ten Gruppe, weshalb ein N- Typ GaAs-Halbleiter erhalten wird.
Fig. 2(b) zeigt dagegen den Fall, bei dem mit Hilfe von TMG zunächst eine Atomlage von Ga erzeugt wird und dann der Ofen mit H₂ gespült wird. Anschließend werden gleichzeitig AsH₃ und SiH₄ in den Ofen eingeführt. Diese Abläufe werden mehrfach wiederholt, wobei jeweils As-Atome durch Si-Atome in Gitterplätzen für das Element der V-ten Gruppe ersetzt werden, wodurch ein P-Typ GaAs-Halbleiter erhalten wird.
Der Druck im Reaktionsofen kann beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel entweder Normaldruck oder ein verringerter Druck sein. Die Wachstumstemperatur liegt im Bereich zwischen 300 und 600°C. Dadurch wird eine gute Steuerbarkeit des Epitaxiewachstums erzielt.
Beim oben veranschaulichten Ausführungsbeispiel erfolgt das Dotieren eines Elements der IV-ten Gruppe dadurch, daß epitaktisch eine Atomlage von Si als Element der IV-ten Gruppe als amphotere Verunreinigung epitaktisch hergestellt wird, in einer Lage von Ga als Element der III-ten Gruppe oder von As als Element der V-ten Gruppe, und daß dann eine Atomlage des anderen Elements der V-ten Gruppe, also As, bzw. des Elements der III-Gruppe, also Ga, hergestellt wird. Dadurch läßt sich die Gitterposition im Kristall, in die Si als Element der IV-ten Gruppe als amphotere Verunreinigung eingebaut wird, selektiv und willkürlich dahingehend steuern, daß es entweder der Platz für das Element Ga der III-ten Gruppe oder das Element As der V-ten Gruppe ist. Dadurch läßt sich der Leitungstyp sicher als N oder als P einstellen.
Beim vorstehenden Ausführungsbeispiel werden Ga und As als Hauptelemente und Si als Dotierung verwendet. Es kann jedoch auch eine andere Verunreinigung verwendet werden, z. B. Ge.
Darüber hinaus kann als III-V-Verbindungshalbleiter auch z. B. InP oder AlAs außer GaAs verwendet werden.
Als Hauptelement für das Epitaxiewachstum können auch ternäre Mischkristalle wie AlGaAs oder quarternäre Mischkristalle wie AlGaInAs verwendet werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht deutlich hervor, daß bei der Erfindung das Dotieren eines Elements der IV-ten Gruppe als amphotere Verunreinigung in einen III-V-Verbindungshalbleiter mit einem MOCVD-Verfahren dadurch erfolgt, daß abwechselnd eine Atomlage mit dem Element der IV-ten Gruppe und einem Element der III-ten oder V-ten Gruppe und eine Atomlage mit dem Element der V-ten bzw. III-ten Gruppe epitaktisch aufgewachsen wird. Dadurch kann das Element der IV-ten Gruppe selektiv und willkürlich als amphotere Verunreinigung zum Ersetzen entweder von Atomen des Elements der III-ten Gruppe oder der IV-ten Gruppe dotiert werden, wodurch sich der Leitungstyp sicher als N oder P einstellen läßt. Die Dotiereigenschaften eines Halbleiters lassen sich also verbessern.

Claims (9)

1. Kristallzuchtverfahren, bei dem Atomlagen eines III-V- Verbindungshalbleiters mit Hilfe eines MOCVD-Verfahrens epitaktisch hergestellt werden, wobei eine gasförmige Verbindung eines Elements der Gruppe III und eine gasförmige Verbindung eines Elements der Gruppe V unabhängig voneinander in ein Reaktionsgefäß eingeleitet werden, wobei einem der Gase eine gasförmige Verbindung eines Dotierelements zugesetzt wird; dadurch gekennzeichnet, daß
  • - als Dotierelement ein amphoter wirkendes Element verwendet wird und
  • - zwischen dem Einleiten der genannten Gase das Reaktionsgefäß mit Wasserstoff gespült wird, wobei die Wasserstoffzufuhr während des Zuführens der anderen Gase unterbrochen wird.
2. Kristallzuchtverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der III-V-Verbindungshalbleiter GaAs ist.
3. Kristallzuchtverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der III-V-Verbindungshalbleiter InP ist.
4. Kristallzuchtverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der III-V-Verbindungshalbleiter AlAs ist.
5. Kristallzuchtverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der III-V-Verbindungshalbleiter ein ternärer Mischkristall aus AlGaAs ist.
6. Kristallzuchtverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der III-V-Verbindungshalbleiter ein quaternärer Mischkristall aus AlGaInAs ist.
7. Verfahren für epitaktisches Wachstum eines N-Typ III-V- Verbindungshalbleiters mit einem Dotierelement der Hauptgruppe IV, bei welchem Verfahren aufeinanderfolgend und wiederholt eine Mischung von Gaskomponenten zersetzt wird, die eine gasförmige Verbindung eines Elements der Gruppe III und eine gasförmige Verbindung eines Elements der Gruppe IV aufweist, um eine monoatomare Mischschicht von Atomen der Gruppe III und der Gruppe IV zu erzeugen, und Zersetzen einer gasförmigen Verbindung eines Elements der Gruppe V, um eine monoatomare Schicht von Atomen der Gruppe V abzuscheiden.
8. Verfahren für epitaktisches Wachstum eines N-Typ III-V- Verbindungshalbleiters mit einem Dotierelement der Hauptgruppe IV, bei welchem Verfahren aufeinanderfolgend und wiederholt eine Mischung von Gaskomponenten zersetzt wird, die eine gasförmige Verbindung eines Elements der Gruppe V und eine gasförmige Verbindung eines Elements der Gruppe IV aufweist, um eine monoatomare Mischschicht von Atomen der Gruppe V und der Gruppe IV zu erzeugen, und Zersetzen einer gasförmigen Verbindung eines Elements der Gruppe III, um eine monoatomare Schicht von Atomen der Gruppe III abzuscheiden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Verbindungen der Elemente der Gruppen III, IV und V Trimethylgallium, Silan bzw. Arsin sind.
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