DE3834930A1

DE3834930A1 - Schiebetiegel fuer fluessigphasenepitaxie

Info

Publication number: DE3834930A1
Application number: DE19883834930
Authority: DE
Inventors: Charles Dipl Ing Schanen; Wolfgang Dr Rer Nat Thulke
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1988-10-13
Filing date: 1988-10-13
Publication date: 1990-04-19

Description

Den physikalischen Effekt der Energiequantisierung von elektri schen Ladungsträgern in Halbleiterbauelementen erzeugt man durch eine Aufeinanderfolge homogener Halbleiterschichten wech selnder Zusammensetzung mit Schichtdicken unter 10 nm. Die An wendungen betreffen insbesondere Halbleiterlaser ("Multiple-Quantum-Well-Laser"). Übergitterstrukturen (Superlattices) oder Potentialtopfstrukturen (Quantum-Well) werden überwiegend durch Gasphasenepitaxie oder Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Das Festkörper-Gasphasen- System befindet sich dabei weitab vom thermodynamischen Gleich gewicht. Im Gegensatz dazu erfolgt das Kristallwachstum bei Flüssigphasenepitaxie (LPE) in Gleichgewichtsnähe. Dies wirkt sich günstig auf die Kristalleigenschaften der Schichten aus. Es kann jedoch auch zu einer unregelmäßigen Verteilung der Wachstumskeime auf der Festkörperoberfläche oder sogar zum Rücklösen bereits aufgewachsener Schichten durch die nächst folgende Schmelzlösung kommen, wenn die Schmelzlösungen nicht ausreichend übersättigt sind. Die Übersättigung wird durch Unterkühlen erreicht. Dünne Schichten auf löslichen Oberflächen erfordern wegen der nötigen Übersättigung und der dadurch großen Wachstumsgeschwindigkeit sehr kurze Wachstumszeiten. Durch das Abscheiden der Kristallschicht ändern sich die rela tiven Anteile der in der Schmelze gelösten Kristallkomponenten; die Übersättigung wird abgebaut.

Das dargestellte technische Problem ist bisher nur für die Herstellung einer begrenzten Zahl von Schichten gelöst (Alferov et al: Fiz. i. Techn. Polupr. 19 (1985), pp. 1108 bis 1114). Die Schmelzlösungen mit nominell gleicher Zusammensetzung sind hier voneinander getrennt und können daher in der realen Zusam mensetzung differieren. Die weiten Abstände zwischen den Schmelzkammern lassen nur eine begrenzte Zahl von Schichten zu.

Bei einem anderen Verfahren wird das Substrat in einem konven tionellen Schiebetiegel unter zwei bis drei verschiedenen Schmelzlösungen hin- und hergeschoben, wobei bei jedem Schieben dünne Schichten aufwachsen. Die Zusammensetzung der Schichten und die Schichtdicken ändern sich bei diesem Verfahren. Y. Sasai et al: J. Appl. Phys. 59 (1986), pp. 28 bis 31 geben ein solches Verfahren an, bei dem abwechselnd 1.3 µm-InGaAsP-Schichten und 1.1 µm-InGaAsP-Schichten auf gewachsen werden. Vor und hinter der Kammer mit der Schmelze für die Hauptschichten sind Kammern für die Schmelzen der Zwi schenschichten angeordnet, und der Schieber mit dem Substrat gleitet unter diesen drei Kammern hin und her. Gleichzeitig wird die Übersättigung der Schmelze durch ständiges Zufügen des quaternären Materials sichergestellt. Bei dem Verfahren von Y. Ohki et al: Jap. J. Appl. Phys. 26 (1987), L579-L581 ist die Abkühlrate der Schmelzen bei der Epitaxie sehr niedrig. Die Schieberbewegung wird durch einen Computer gesteuert. Das gleiche gilt für die Verwendung eines Drehtiegels, bei dem die lineare Bewegung des Substrats durch eine rotierende ersetzt ist.

Bei einem weiteren Verfahren von Käss et al: Physica 129 B (1985), pp. 161 bis 165 wird statt eines Schiebetiegels ein Schleudertiegel verwendet. Seine Herstellung ist aufwendig und sein Betrieb zeitraubend, denn er erfordert einen periodischen Aufheiz- und Abkühlzyklus zur Erzeugung gleicher Übersättigung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schiebetiegel und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, womit möglichst viele dünne Schichten mittels Flüssigphasenepitaxie auf einem Halbleitersubstrat hergestellt werden können, wobei es insbe sondere möglich sein soll, die bei fortlaufender Numerierung geradzahlig bezeichneten Schichten in jeweils gleicher Zusammensetzung und gleicher Dicke aufwachsen zu lassen.

Diese Aufgabe wird mit einem Schiebetiegel mit den Merkmalen des Anspruches 1 und dem Verfahren mit den Merkmalen nach An spruch 4 gelöst.

Es folgt eine Beschreibung der Erfindung gemäß der Fig. 1 bis 5.

Fig. 1 zeigt das obere Teil des Schiebetiegels.

Fig. 2 zeigt das mittlere Teil des Schiebetiegels.

Fig. 3 zeigt das untere Teil des Schiebetiegels.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung des oberen Teiles des Schiebetiegels.

Fig. 5a, 5b, 5c zeigen die drei wesentlichen Verfahrens schritte im Betrieb.

Der erfindungsgemäße Schiebetiegel besteht aus drei Teilen, die aufeinander gestapelt und in Längsrichtung relativ zueinander beweglich sind. Fig. 1 zeigt das obere Teil A in Aufsicht. Dieses obere Teil A hat eine erste Längskammer 5 und eine zweite Längskammer 6 zur Aufnahme derjenigen Schmelzen, die abwechselnd sehr dünn auf das Substrat aufgewachsen werden sollen. Der Boden dieser Kammern ist in bestimmten Abständen mit Löchern 51, 61 versehen. Die Aufeinanderfolge dieser Löcher in der Längsrichtung, d.h. der Schieberichtung, bestimmt sich durch die Aufeinanderfolge der aufzuwachsenden Schichten. Die Schmelzen, die in diese Längskammern 5,6 eingebracht werden, können durch die Löcher 51, 61 hindurchfließen und zu dem mittleren Teil B, das in Fig. 2 dargestellt ist, gelangen. An den den Löchern 51, 61 in der ersten Längskammer 5 und der zweiten Längskammer 6 entsprechenden Stellen weist dieses mittlere Teil B mittlere Zwischenkammern 52, 62 auf. Wenn das obere Teil A und das mittlere Teil B übereinander geschoben werden, befinden sich die unteren Öffnungen der Löcher 51, 61 über den mittleren Zwischenkammern 52, 62. Aus den Fig. 1 und 2 ist zu erkennen, daß das erste Loch 51 der ersten Längs kammer 5 über die vorderste der ersten mittlere Zwischenkammer 52 des mittleren Teiles B zu liegen kommt und das erste Loch 61 der zweiten Längskammer 6 über die vorderste der zweiten mittleren Zwischenkammern 62 des mittleren Teiles B. Entsprechend bestimmt sich die Abfolge, mit der die mittleren Zwischenkammern aus den Schmelzen der Längskammern 5, 6 des oberen Teiles A gefüllt werden können, aus der Aufeinanderfolge der in den Längskammern 5, 6 ausgesparten Löcher 51, 61.

Das Material weiterer, in größerer Dicke aufzuwachsender Epi taxieschichten kann in einer ersten vorderen Kammer 1, einer zweiten vorderen Kammer 2, einer ersten hinteren Kammer 3 und einer zweiten hinteren Kammer 4 sowie in den diesen Kammern zu geordneten Zwischenkammern, also einer ersten vorderen Zwischenkammer 11, einer zweiten vorderen Zwischenkammer 21, einer ersten hinteren Zwischenkammer 31 und einer zweiten hin teren Zwischenkammer 41, in dem mittleren Teil B aufgenommen werden.

Das untere Teil C weist eine Aussparung 8 zur Aufnahme des Substrates auf und ggfs. einen Zapfen 9, der als Anschlag für das obere Teil A und das mittlere Teil B dient. Die Aussparung 8 für das Substrat ist so weit von dem Zapfen 9 bzw. dem Ende des unteren Teiles C entfernt, daß ein Abschnitt mit ebener Oberfläche dieses unteren Teiles C verbleibt, der so lang ist, daß die Kammern im mittleren Teil B nach unten vollständig ab geschlossen werden können.

Für den Fall, daß mehr als zwei verschiedene dünne Epitaxie schichten abwechselnd aufgewachsen werden sollen, zeigt Fig. 4 eine Ausgestaltung des oberen Teiles A mit mehreren nebeneinan der angeordneten Längskammern. Ebenso kann die Zahl der vorderen Kammern und der hinteren Kammern und Zwischenkammern variieren.

Das Funktionsprinzip des Schiebetiegels ist in Fig. 5 im Quer schnitt dargestellt. In der Ausgangsstellung nach Fig. 5a (Homogenisieren der Schmelzen bei hoher Temperatur) sind das obere Teil A und das mittlere Teil B so gegeneinander verschoben, daß die zwischen den mittleren Zwischenkammern 52, 62 des mittleren Teiles B befindlichen Stege 7 die Löcher 51, 61 in den Längskammern 5, 6 des oberen Teiles A nach unten ver schließen. Das Homogenisieren der Schmelzlösungen, das durch Interdiffusion der Lösungskomponenten erfolgt, wird auf diese Weise nicht durch enge Abmessungen, wie sie die mittleren Zwi schenkammern 52, 62 darstellen, behindert und verzögert.

Anschließend wird das obere Teil A um soviel weitergeschoben, daß die mittleren Zwischenkammern 52, 62 des mittleren Teiles B durch die Löcher 51, 61 im oberen Teil A mit den Schmelzen der Längskammern 5, 6 gefüllt werden können. Die jeweils einander entsprechenden vorderen Kammern 1, 2, hinteren Kammern 3, 4 und vorderen Zwischenkammern 11, 21 und hinteren Zwischenkammern 31, 41 befinden sich dann genau übereinander und bilden jeweils eine große Schmelzkammer. Nach dem Füllen der mittleren Zwi schenkammern 52, 62 mit den entsprechenden Schmelzen wird das untere Teil C mit dem Substrat in der Aussparung 8 unter die Schmelzen der ersten vorderen Zwischenkammer 11 und der zweiten vorderen Zwischenkammer 21 geschoben, wo das Substrat zum Auf wachsen dickerer Mantelschichten längere Zeit verweilen kann. Anschließend wird das Substrat mit dem unteren Teil C unter den gefüllten mittleren Zwischenkammern 52, 62 hindurchgeschoben. Dabei wachsen Schichten abwechselnder Zusammensetzung auf. Deren Dicke hängt von der Übersättigung der beiden verwendeten Schmelzlösungen in der ersten Längskammer 5 und der zweiten Längskammer 6 und von der Schiebegeschwindigkeit ab. Durch die abwechselnde Anordnung der von den Löchern 51 der ersten Längs kammer 5 gefüllten Reihe von ersten mittleren Zwischenkammern 52 und der durch die Löcher 61 der zweiten Längskammer 6 ge füllten Reihe von zweiten mittleren Zwischenkammern 62 wird gewährleistet, daß die Schichten jeweils einer Zusammensetzung abwechselnd voneinander aufwachsen.

Claims

1. Schiebetiegel für Flüssigphasenepitaxie mit gegeneinander verschiebbaren Teilen mit einer Aussparung zur Aufnahme des Substrates und mit mindestens einer Kammer zur Aufnahme von Schmelzen, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein oberes Teil (A) vorhanden ist,
- daß ein mittleres Teil (B) vorhanden ist,
- daß ein unteres Teil (C) vorhanden ist,
- daß diese Teile gegeneinander verschiebbar sind,
- daß das obere Teil (A) mindestens eine erste Längskammer (5) und eine zweite Längskammer (6) aufweist,
- daß die erste Längskammer (5) und die zweite Längskammer (6) im Boden jeweils Löcher (51, 61) aufweisen,
- daß die Aufeinanderfolge dieser Löcher (51, 61) in der Rich tung, in der das obere Teil (A) relativ zu dem unteren Teil (C) verschiebbar ist, der Aufeinanderfolge, die für das Auf wachsen von Schichten aus den von diesen Längskammern aufzu nehmenden Schmelzen vorgesehen ist, entspricht,
- daß das mittlere Teil (B) eine Reihe von ersten mittleren Zwischenkammern (52) und eine Reihe von zweiten mittleren Zwischenkammern (62) aufweist,
- daß die Abstände je zweier aufeinanderfolgender erster mitt lerer Zwischenkammern (52) der Reihe nach den Abständen je zweier aufeinanderfolgender Löcher (51) der ersten Längskam mer (5) entsprechen,
- daß die Abstände je zweier aufeinanderfolgender zweiter mitt lerer Zwischenkammern (62) der Reihe nach den Abständen je zweier aufeinanderfolgender Löcher (61) der zweiten Längskam mer (6) entsprechen,
- daß die mittleren Zwischenkammern (52, 62) quer zur Schiebe richtung dieselbe Abmessung wie die aufzuwachsenden Schichten besitzen,
- daß die Aussparung (8) zur Aufnahme des Substrates im unteren Teil (C) vorgesehen ist und
- daß dieses untere Teil (C) einen Abschnitt, der eine ebene Oberfläche aufweist und so lang ist, daß damit das mittlere Teil (B) nach unten abgeschlossen werden kann, aufweist.

2. Schiebetiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Längskammer (5) und die zweite Längskammer (6) quer zur Schieberichtung nebeneinanderliegend angeordnet sind.

3. Schiebetiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß das obere Teil (A) vordere Kammern (1, 2) und hintere Kam mern (3, 4) zur Aufnahme zusätzlicher Schmelzen aufweist,
- daß das mittlere Teil (B) zu jeder vorderen Kammer (1, 2) des oberen Teiles (A) eine vordere Zwischenkammer (11, 21) und zu jeder hinteren Kammer (3,4) des oberen Teiles (A) eine hinte re Zwischenkammer (31, 41) aufweist und
- daß die Abstände der vorderen Kammern (1, 2) und der hinteren Kammern (3, 4) des oberen Teiles (A) zu den Löchern (51, 61) der Längskammern (5, 6) jeweils dieselben sind wie die Abstän de der vorderen Zwischenkammern (11, 21) und der hinteren Zwi schenkammern (31, 41) des mittleren Teils (B) zu den diesen Löchern (51, 61) jeweils zuzuordnenden mittleren Zwischenkam mern (52, 62).

4. Verfahren zum Betrieb eines Schiebetiegels nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß vor Beginn der Epitaxie das mittlere Teil (B) auf den ebenen Abschnitt des unteren Teiles (C) geschoben ist und das obere Teil (A) so auf das mittlere Teil (B) geschoben ist, daß die Löcher (51, 61) der Längskammern (5, 6) durch zwi schen den mittleren Zwischenkammern (52, 62) verlaufende Stege (7) des mittleren Teiles nach unten abgeschlossen sind,
- daß nach dem Homogenisieren der Schmelzen das obere Teil (A) so verschoben wird, daß sich die Löcher (51, 61) der Längskammern (5, 6) über den diesen jeweils zuzuordnenden mittleren Zwischenkammern (52, 62) des mittleren Teiles (B) befinden und diese Schmelzen in diese mittleren Zwischen kammern (52, 62) laufen, und
- daß im Verlauf der Epitaxie das untere Teil (C) mit dem Substrat in der dafür vorgesehenen Aussparung (8) unter dem mittleren Teil (B) weitergeschoben wird.