DE3036317A1

DE3036317A1 - Verfahren und vorrichtung zur fluessigphasenepitaxie

Info

Publication number: DE3036317A1
Application number: DE19803036317
Authority: DE
Inventors: Ulrich Ing.(grad.) 7103 Schwaigern Bommer; Klaus Dipl.-Phys. Dr. 7101 Untergruppenbach Gillessen
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-09-26
Filing date: 1980-09-26
Publication date: 1982-05-19

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Flüssigphasenepitaxie
Die Flüssigphasenepitaxie wird heute vielfach zur Herstellung von Schichten aus Halbleitermaterial eingesetzt.
Besonders häufig wird dieses Verfahren bei Verbindungen angewandt, die aus mindestens einem Element der dritten Gruppe des Periodensystems wie Al, Ga, In und aus mindestens einem Element der fünften Gruppe des Periodensystems wie P, As, Sb bestehen. Wichtige Beispiele für solche III-V-Verbindungen sind GaAs, GaP und Mischkristalle wie Gas al As und und Inl~xGaxAsl~yPy Bei der Flüssigphasenepitaxie muß eine Schmelze bestimmter Zusammensetzung, die im Falle der III-V-Verbindungen vorwiegend aus einem oder mehreren Elementen der dritten Gruppe wie Ga und/oder Al besteht, mit einem Substrat, z.
einer Halbleiterscheibe aus GaAs, in Kontakt gebracht werden. Hierfür sind verschiedenartige Verfahren und Vorrichtungen entwickelt worden, wobei die Vorrichtungen meist zur Gruppe der horizontalen Schiebetiegel gehören. Es zeigt sich aber, daß die meisten Verfahren und Vorrichtungen den Anforderungen einer Produktion nicht gerecht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren Zur Flüssigphasenepitaxie anzugeben, welches mit weniger Aufwand auskommt als bekannte Verfahren und welches zu einer schnellen Durchmischung der Schmelze führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schmelze zur Reinigung und Durchmischung zunächst in einem Behälter mit kleiner Oberfläche angeordnet wird, daß durch Betätigung einer Verschlußvorrichtung der Weg der Schmelze zum Substrat freigegeben wird, und daß die Schmelze durch hydrostatischen Druck und/oder Kapillarkräfte zum Substrat transportiert wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden der Schmelze eine oder mehrere Schmelzkomponenten nachträglich zugefügt. Die Schmelze besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe III (Al, Ga, In), während das Substrat beispielsweise aus einer Kombination von mindestens einem der Elemente Al, Ga, In mit mindestens einem der Elemente P, As, Sb besteht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Die Figur 1 zeigt eine für das Verfahren nach der Erfindung geeignete Vorrichtung zur Flüssigphasenepitaxie. Diese Vorrichtung weist nur ein bewegtes Teil auf. Sie kommt also mit geringerem Aufwand aus als bekannte Vorrichtungen.
Bei dieser Vorrichtung werden eine untere Platte 1 und eine obere Platte 2, bestehend aus einem für diesen Zweck geeigneten Material wie Quarz, Graphit, Bornitrid o. ä., durch einen Distanzring 3 in einem bestimmten Abstand parallel zueinander gehalten. In dem von den Platten 1 und 2 und dem Distanzring 3 umschlossenen Raum werden zwei Substrate 4 und 5 so angebracht, daß sie an den Platten 1 und 2 anliegen. Wird nur ein Substrat benötigt, kann das obere Substrat 5 auch weggelassen werden. Auf der oberen Platte 2 ist ein Behälter 6 angeordnet, der die Schmelze 7 enthält. Der Behälter 6 ist so ausgestaltet, daß die Schmelze 7 nur eine kleine Oberfläche aufweist. Dies wird dadurch erreicht, daß die zur Aufnahme der Schmelze 7 bestimmte Höhlung des Behälters 6 in allen drei R aux richtungen etwa gleiche Abmessungen aufweist. Durch eine geringe Verschiebung des Behälters 6 kann eine in dieser angebrachten Bohrung 8 mit einer zweiten in der oberen Platte 2 angebrachten Bohrung 9 zur Deckung gebracht werden, so daß zu einem frei wählbaren Zeitpunkt der Weg der Schmelze 7 zu den Substraten 4 und 5 freigegeben werden kann. Die beschriebene Vorrichtung kann selbstverständlich auch mehrfach neben-, über- oder hintereinander angeordnet werden, so daß die gleichzeitige Epitaxie auf einer Vielzahl von Substraten möglich ist.
Im folgenden wird ein Epitaxieprozeß zur Abscheidung von GaAs mit Si-Dotierung unter Verwendung der in Fig. 1 gezeigten Anordnung beschrieben. Die Substrate 4 und 5, bestehend aus GaAs-Scheiben, werden an den Platten 1 und 2 angebracht, die durch den Distanzring 3 in einem bestimmten Abstand parallel zueinander gehalten werden. In den Behälter 6 wird die Schmelze 7 eingefüllt, die aus den Komponenten Ga, Si, und falls keine oder nur eine geringe Anlösung der Substrate gewünscht wird, aus einer entsprechenden Menge GaAs besteht. Der Behälter 6 ist zunächst so angeordnet, daß die Bohrungen 8 und 9 nicht aufeinander liegen. Die Anordnung wird nun in einen Epitaxieofen eingebracht, der mit einem geeigneten Schutzgas, z. B. Pd-gereinigtem Wasserstoff, gespült wird. Durch Erhöhung der Temperatur des Ofens auf z. B. 900 "C wird die Schmelze ausgeheizt, und gleichzeitig werden die Schmelzkomponenten vermischt.
Durch die Anordnung der Schmelze mit geringer Oberfläche wird eine hinreichende Durchmischung bereits nach kurzer eit erreicht. Da die Substrate 4 und 5 während der Ausheiz-und Mischphase in dem von den Platten 1 und 2 und vom Distanzring 3 gebildeten geschlossenen Raum angeordnet sind, wird ihre Oberfläche auch bei der genannten hohen Temperatur nur wenig zersetzt. Danach wird die Ofentemperatur auf einen für die Benetzung der Substrate mit der Schmelze günstigen Wert, z. B. 700 "C, abyesenkt. Nun wird der Behälter 6 soweit verschoben, daß die Bohrungen 8 und 9 zur Deckung kommen, und die Schmelze 7 läuft in den Raum zwischen die Substrate 4 und 5. Danach wird die Temperatur je nach gewünschter Anlösung und Schichtdicke auf z. B. 800 "C erhöht und langsam wieder abgesenkt, wobei die geforderte GaAs-Schicht mit Si-Dotierung auf den Substraten 4 und 5 aufwächst.
Die Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Schmelzkomponente erst nach einem ersten Ausheizprozeß der Schmelze zugefügt werden kann, und die alle vorteilhaften Eigenschaften der ersten Ausführungsform aufweist. Dies ist z. B. vorteilhaft bei der Flüssigphasenepitaxie von Ga xAlxAs, wobei es zweckmäßig ist, zunächst die Schmelzkomponenten Ga, GaAs und Dotierstoffe zu vermischen und auszuheizen, und dann die Schmelzkomponente Al zuzufügen, ohne daß die Epitaxieanordnung der Luft ausgesetzt wird. Die Anordnung nach Fig. 2 weist die gleichen Einzelteile wie die der Fig. 1 auf. Zusätzlich ist eine dritte Platte 10 angebracht, die mit den Platten 1 und 2 fest verbunden ist. In der Platte 10 ist eine Öffnung 11 angebracht, die die weitere Schmelzkomponente 12, z. B. Al enthält, und die in der Anfangsstellung des Behälters 6 durch diesen unten abgeschlossen ist.
Ein Prozeß zur Flüssigphasenepitaxie mit späterem Zufügen einer weiteren Komponente, beschrieben am Beispiel Gal Al As, verläuft wie folgt. Die Anordnung wird wie in Fig. 2 gezeigt mit GaAs-Substraten und der Schmelze, bestehend aus Ga und GaAs und gegebenenfalls Dotíerstoffen, beladen. Das Al 12 wird in fester Form in die Öffnung 11 gelegt. Die Anordnung wird in den Epitaxieofen gebracht und bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium, 2. B. 600 "C, im H2-Strom ausgeheizt. Danach wird der Behälter 6 soweit verschoben, daß das Al 12 in die Schmelze 7 fällt, wobei die Bohrungen 8 und 9 aber noch nicht übereinander liegen. Nun wird durch Erhöhen der Temperatur auf z. B. 900 "C die Schmelze 7 weiter ausgeheizt und durchmischt, bis die gewünschte Reinheit und Homogenität erreicht ist. Die weiteren Prozeßschritte (Abkühlen, Einlaufen der Schmelze, Anlösen, Aufwachsen) verlaufen analog den im ersten Beispiel beschriebenen Schritten.
In der gleichen Weise können auch andere Substanzen mit der beschriebenen Anordnung epitaktisch abgeschieden werden, wie z. B. GaP, InSb, Gal xAlxP, und Inl xGaxAsl yP .
Ebenso können weitere Schmelzkomponenten der Schmelze nachträglich zugefügt werden, wenn dies für den Epitaxieprozeß vorteilhaft ist.
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Claims

Patentansprüche Verfahren zum epitaktischen Abscheiden durch Flüssigphasenepitaxie, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze zunächst in einem Behälter mit kleiner Oberfläche angeordnet wird, daß durch Betätigung einer Verschlußvorriclltung der Weg der Schmelze zum Substrat zu einem bestimmten Zeitpunkt freigegeben wird, und daß die Schmelze durch hydrostatischen Druck und/oder Kapillarkräfte zum Substrat transportiert wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Schmelzkomponenten der Schmelze nachträglich zugefügt werden.
3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gelcennzeichnet, daß die Schmelze vorwiegend aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe III (Al, Ga, In) besteht, und daß das Substrat aus einer Kombination von mindestens einem der Elemente Al, Ga, In mit mindestens einem der Elemente P, As, Sb besteht.
4) Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Schmelzkomponente aus Al, die anfängliche Schmelze vorwiegend aus Ga, und das Substrat aus GaAs besteht.
5) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Schmelze ein Behälter mit kleiner Oberfläche vorgesehen ist, daß eine Verschlußvorrichtung vorgesehen ist, die durch Betätigung den Weg der Schmelze zum Substrat freigibt, und daß der Transport der Schmelze zum Substrat durch hydrostatischen Druck und/oder durch Kapillarkräfte erfolgt.
6) Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Substrate ein geschlossener Raum vorgesehen ist.
7) Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußvorrichtung aus zwei verschiebbaren, mit Bohrungen versehenen Teilen besteht.
8) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die ein nachträgliches Zufügen von einer oder mehreren Schmelzkomponenten zur Schmelze ermöglichen.
9) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zufügen der Schmelzkomponente(n) durch eine teilweise Betätigung der Verschlußvorrichtung erfolgt.