DE3731010A1 - Verfahren zur fluessigphasenepitaxie - Google Patents

Description

Lichtemittierende Dioden haben heute eine große Bedeu­ tung erlangt. Als Materialien für Lumineszenzdioden werden heute fast ausschließlich die aus Elementen der III-Gruppe und V-Gruppe des Periodensystems bestehenden Verbindungshalbleiter wie GaAs, GaP oder GaAsP verwen­ det. Zur Herstellung der benötigten p-n-Übergänge wird außer dem Diffusionsverfahren und der Gasphasenepitaxie die Flüssigphasenepitaxie angewandt. Die Dotierung er­ folgt üblicherweise, z. B. bei GaAs-Flüssigphasenepi­ taxie, mit Silizium, das sich amphoter verhält, also in GaAs sowohl als Donator wie auch als Akzeptor wirkt. Bei der Flüssigphasenepitaxie werden z. B. ein oder mehrere GaAs-Substrate mit einer Schmelze in Berührung gebracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Flüssigphasenepitaxie anzuge­ ben, das in einfacher Weise eine Flüssigphasenepitaxie ermöglicht. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Flüssigphasenepitaxie durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Flüssigphasen­ epitaxie nach der Erfindung. Die Vorrichtung der Fig. 1 weist einen Behälter 1 auf, dessen Grundfläche z. B. rechteckig ausgebildet ist. Der Behälter 1 ist nach oben und an einem Ende offen und besteht aus einem für die Flüssigphasenepitaxie geeigneten Material wie Quarz oder Graphit. Das offene Ende des Behälters 1 ist durch einen beweglichen Schieber 2 geschlossen, der durch die Längs­ flächen des Behälters 1 geführt wird und den nach oben offenen Behälter 1 abdichtet. In diesem verschlossenen Raum des Behälters 1 befindet sich oberhalb einer Rampe 3 eine Lochplatte 4, auf der ein oder mehrere Substrate 5, z. B. in einem Spalt in der Lochplatte 4 oder einer an der Lochplatte 5 befestigten Klammer, angeordnet sind. In dem Raum zwischen der Rampe 3 und dem bewegli­ chen Schieber 2 befindet sich die Schmelze 6. Die Ober­ seite der Rampe 3 ist zur Schmelze 6 hin abgeschrägt und die der Schmelze zugewandte Seitenfläche der Rampe 3 steht senkrecht oder leicht angeschrägt zum Boden des Behälters 1.

Durch ein Verschieben des Schiebers 2 in Richtung der Substrate 5 wird die Schmelze 6 zu den Substraten 5 hochgedrückt, bis der Schieber 2 an der Lochplatte 4 und der Rampe 3 anschlägt. Beim Anschlagen des Schiebers 2 sind die Substrate 5 vollständig mit Schmelze bedeckt. Bei dem Schiebervorgang übt der Schieber 2 einen Druck auf die Schmelze 6 aus, die entsprechend den Druckver­ hältnissen ausweicht. Soll der Epitaxievorgang unter­ brochen werden, so wird der Schieber 2 entgegengesetzt der Richtung zu den Substraten 5 durch die Öffnungen der Lochplatte 4 über die schiefe Ebene der Rampe 3 in den Schmelzraum ablaufen. Die beschriebene Vorrichtung kann auch mehrfach neben-, über- oder hintereinander angeord­ net werden, so daß eine gleichzeitige Epitaxie auf einer noch größeren Anzahl 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 5, be­ stehend aus GaAs, werden auf der Substrathalterung (Lochplatte) 4 angebracht. In den Raum zwischen der Rampe 3 und dem Schieber 2 wird die Schmelze 6 einge­ füllt, die aus den Komponenten Ga, Si und je nach Anlö­ sung der Substrate aus GaAs besteht. Der Behälter mit der Schmelze und den Substraten wird dann in einen mit einem geeigneten Schutzgas wie nachgereinigtem Wasser­ stoff gespülten Waagerecht-Epitaxieofen gebracht, der ein genau einzustellendes Temperaturprofil besitzt. Durch Erhöhung der Ofentemperatur auf z. B. 800°C wird die Schmelze 6 ausgeheizt, und die Verunreinigungen der Schmelze 6, z. B. Oxide, können nach oben hin entwei­ chen, da der Raum oberhalb der Schmelze 6 offen ist und das Schutzgas H₂ direkten Kontakt mit der Schmelze 6 hat, und die Möglichkeit des Entweichens der Verunreinigungen gegeben ist. Danach wird die Ofentemperatur auf einen für die Benutzung günstigen Wert wie z. B. 850°C erhöht und der Schieber 2 in Richtung der Substrate 5 versetzt bis zum Anschlag, den die Rampe 3 und die Lochplatte 4 bilden. Hierbei läuft die Schmelze infolge des Druckaus­ gleichs über die Substrate 5. Diese werden entsprechend der Temperatur und entsprechend der eventuell vorherigen Zugabe von GaAs zur Schmelze 6 angelöst. Danach wird die Temperatur langsam wieder abgesenkt, wobei die gefor­ derte, mit Si-dotierte Epitaxieschicht aufwächst. Das Dickenwachstum der Epitaxieschicht kann dadurch beein­ flußt und begrenzt werden, daß die Schmelze 6 schon vor­ zeitig von den Substraten getrennt wird. Dies geschieht dadurch, daß der Schieber 2 während des Abkühlvorganges wieder von den Substraten weg in seine Ausgangsstellung versetzt wird, wodurch die Schmelze durch die Ablauf­ löcher der Lochplatte über die schiefe Ebene der Rampe entsprechend dem Höhenunterschied der Schmelze 6 in ihren ursprünglichen Schmelzenraum zwischen Rampe 3 und dem Schieber 2 zurückfließt. Damit ist der Wachstumsvor­ gang beendet, und die Schmelze kann wiederverwendet werden.

Die Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Er­ findung mit den vorteilhaften Eigenschaften der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Support 2 in einem Behälter 1 mit Hilfe einer schiefen Ebene 3 eine Kraft auf die Schmelze 6 ausübt, die dadurch ihren Ort verändert und durch die Öffnungen der Lochplatte 4 zu den Substraten 5 hochgedrückt wird. Die Oberseite der Rampe 3 ist dabei als schiefe Ebene ausgebildet, auf der sich der Support 2 bewegen läßt. Auf dem Support 2 und der schiefen Ebene der Rampe 3 befindet sich die Schmel­ ze 6, während die Substrate 5 auf einer Lochplatte 4 oberhalb der Rampe 3 und des Supports 2 angeordnet sind. Der Support 2 ist so geformt, daß die Schmelze 6 aus dem von dem Behälter 1, der Rampe 3 und dem Support 2 gebil­ deten Raum nicht seitlich auslaufen kann. Dieser Raum ist nach oben hin geöffnet, um beim Ausheizen der Schmel­ ze 6 einen Reinigungseffekt der Schmelze 6 durch Reak­ tion mit dem Schutzgas und Abdampfen der Verunreinigungen zu erzielen. Die beschriebene Vorrichtung kann selbst­ verständlich auch mehrfach neben-, über- oder hinter­ einander angeordnet werden, so daß die gleichzeitige Epitaxie auf einer Vielzahl von Substraten möglich ist.

Die Fig. 3 zeigt die Anordnung der Fig. 2 in perspek­ tivischer Darstellung.

Im folgenden wird ein Epitaxieprozeß zur Abscheidung von GaAs mit Si-Dotierung unter Verwendung der in Fig. 2 bzw. Fig. 3 gezeigten Vorrichtung beschrieben. Die Sub­ strate 5, bestehend aus GaAs-Scheiben, werden an der Lochplatte 4 angebracht und die Schmelze aus Ga, Si und eventuell GaAs in den Raum zwischen Support 2, Rampe 3 und Substraten 5 eingefüllt. Die Vorrichtung wird nun in einen Waagerecht-Epitaxieofen geschoben, der mit einem geeigneten Schutzgas, wie nachgereinigtem Wasser­ stoff, gespült wird. Anschließend wird die Ofentempera­ tur auf 800°C erhöht, bei der sich die Schmelzkomponen­ ten durchmischen und die Schmelze 6 sich mit Hilfe des nach oben geöffneten Raumes über der Schmelze gut rei­ nigt. Danach wird die Ofentemperatur auf einen für die Benutzung der Substrate 5 günstigen Wert wie z. B. 850°C gebracht und der Support 2 in Richtung der Sub­ strate 5 versetzt, bis der Support 2 an der Lochplatte 4 anstößt, die Schmelze 6 über die Substrate 5 steigt und sie damit benetzt und überspült. Dieser Schmelztransport erfolgt mit Hilfe der schiefen Ebene. Nun wird die Tem­ peratur langsam wieder abgesenkt, wobei die geforderte GaAs-Schicht auf den Substraten 5 aufwächst. Die auf­ wachsende Epitaxieschicht kann auch durch vorzeitiges Herausziehen des Supports 2 in ihrer Dicke beeinflußt werden. Die Schmelze 6 kann wieder verwendet werden.

Die Fig. 4a und 4b zeigen eine weitere Ausführungs­ form der Erfindung, bei der mit Hilfe eines Kippmecha­ nismus Substrate 5 in eine Schmelze 6 eingeschwenkt werden. In einem Behälter 1 befindet sich ein Raum für die Schmelze 6, der durch zwei Rampen 3 a und 3 b in sei­ nem Volumen begrenzt ist, deshalb speziell geformt ist und nach oben offen ist. Über diesem Raum ist, mittels einer Drehpunktaufhängung befestigt, eine Lochplatte 4 angeordnet, auf der die Substrate 5 angebracht sind und die mit einem kraftübersetzenden Gestänge 7 verbunden ist. Schiebt man am Ende des Gestänges 7 in Richtung Vorrichtung, so kippt infolge der Kraftübertragung (He­ belwirkung) die Lochplatte 4 mit den Substraten 5 in das Schmelzgefäß hinein, und die Substrate 5 werden von der Schmelze 6 gemäß der Fig. 3b benetzt.

Der Flüssigphasenepitaxie-Prozeß verläuft wie folgt. Die Vorrichtung der Fig. 3 wird mit einem oder mehreren Substraten 5 aus z. B. GaAs und einer Schmelze aus z. B. Ga, Si und eventuell GaAs bestückt und in einen Waage­ recht-Epitaxieofen, der ein exakt einzustellendes Tempe­ raturprofil besitzt, gebracht. Durch eine Temperaturer­ höhung auf z. B. 800°C wird die Schmelze 6 in dem nach oben offenen Behälter 1 ausgeheizt und dadurch gerei­ nigt. Dabei werden die Schmelzkomponenten vermischt. Nach der Erhöhung der Temperatur auf z. B. 850°C wird das Ende des Gestänges 7 in Richtung der Vorrichtung so weit verschoben, daß die Lochplatte 4 mit den Substraten 5 kippt (Fig. 3b), von der Schmelze umspült wird und anschließend bedeckt ist. Nun wird die Temperatur lang­ sam abgesenkt, und je nach gewollter Aufwachsdicke der Epitaxieschichten, werden die Substrate 5 von der Schmel­ ze 6 getrennt, indem das Ende des Gestänges 7 entgegen­ gesetzt zur Richtung der Anordnung geschoben wird, und dadurch die Substrate 5 von der wiederverwendbaren Schmelze 6 getrennt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Flüssigphasenepitaxie, bei dem eine Schmelze mit dem (den) mit einer epitaktischen Schicht zu versehenden Substrat(en) in Berührung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze in einen sich verjüngenden Raum, der durch eine gelochte Substrathal­ terung und eine schräg zu dieser Substrathalterung ver­ laufenden Rampe gebildet wird, oder zwischen einer ge­ lochten Substrathalterung und einer Rampe derart ge­ drückt wird, daß die Schmelze durch die Löcher der Sub­ strathalterung dringt und das (die) Substrat(e) bedeckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oben geöffneter Behälter verwendet wird, daß in diesen Behälter die Schmelze eingefüllt wird, daß der mit der Schmelze gefüllte Behälter in einen Epitaxieofen gebracht wird und daß die Schmelze vor der Epitaxie der­ art ausgeheizt wird, daß Verunreinigungen der Schmelze durch die Öffnung des Behälters nach oben entweichen.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behäl­ ter für die Schmelze, für den Substrathalter und die Rampe vorgesehen ist, daß die Rampe unter dem Substrat­ halter schräg zu diesem verlaufend angeordnet ist und daß ein Schieber vorgesehen ist, der die Schmelze in den Spalt zwischen Substrathalterung und Rampe drückt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rampe außer einem schräg zum Substrathalter ver­ laufenden Teil einen zum Behälterboden verlaufenden Teil aufweist, der zusammen mit dem Schieber und Seitenwänden des Behälters einen Raum für die Schmelze bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Behälter einen rechteckförmigen Quer­ schnitt aufweist und daß der bewegliche Schieber die eine Seitenwand des Behälters bildet.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Behälters ein beweglich angeordneter Support für die Schmelze vorgesehen ist und daß der Support unter Druck auf der Rampe hochläuft und dabei die in ihm befindliche Schmelze mithochnimmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Support zweischenklig ausgebildet ist und daß sein einer Schenkel so angephast ist, daß der Support unter Druck auf der schrägen Rampe hochläuft.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Behälter zwei in einem spitzen Winkel zueinander verlaufende Wände vorgesehen sind, die die Seitenflächen eines Schmelzenraums im Behälter bilden, und daß über dem Schmelzenraum eine gelochte Substrathalterung drehbar angeordnet ist, die derart ausgebildet und gelagert ist, daß sie in den spitz zulaufenden Schmelzenraum ein­ schwenkbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehpunkt für die Substrathalterung in einer Seitenwand des Behälters liegt und daß die Substrathal­ terung einen Dreharm aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreharm selbst einen Drehpunkt aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bodenwand zusammen mit den im Behälter befindlichen Seitenwänden den Schmelzenraum bildet.