DE2014509B2 - Verfahren zur Herstellung eines epitaktisch gewachsenen Films aus einer halbleitenden A tief III B tief V-Verbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die typischen Halbleiter Silicium und Germanium bilden Kristalle mit Diamant-Struktur. Auf Grund kristallographischer Untersuchungen werden Halbleiterstücke mit Hauptflächen in der (lll)-Ebene für Trägermaterialien in der Halbleitertechnik verwendet. Silicium- oder Germanium-Trägermaterialien mit einer (lll)-Ebene in den Hauptflächen werden besonders zum epitaktischen Aufwachsen eines Verbindungshalbleiters, wie Galliumarsenid, welches eine Struktur vom Zinkblendetyp aufweist, auf diese Flächen verwendet.

Jedoch kann ein solcher Einkristall eines Verbindungshalbleiters, wie Galliumarsenid, jeweils zwei Orientierungszustände annehmen. In dem einen Zustand liegen Galliumatome an der (lll)-Fläche frei (eine solche Fläche wird nachstehend als Fläche vom Α-Typ bezeichnet), während im anderen Zustand Arsenatome an der (lll)-Fläche freigelegt sind (eine solche Oberfläche wird nachstehend als B-Typ-Fläche bezeichnet), und die Eigenschaften des Einkristalls variieren beträchtlich in Abhängigkeit vom jeweiligen Zustand der Oberfläche. Insbesondere ist die Fläche vom Α-Typ chemisch reaktionsträger als diejenige vom B-Typ. Daher wird die weniger aktive A-Fläche ausschließlich in der Halbleitertechnik verwendet.

Wenn ein Galliumarsenid-Einkristall auf einen Germaniumträger epitaktisch aufwachsen soll, ist jedoch nicht entschieden, in welcher Richtung der Einkristall wächst. Ob eine Oberfläche vom Α-Typ oder B-Typ erhalten wird, hängt nämlich vom Oberflächenzustand des Trägermaterials ab. Demgemäß fehlte üblichen Halbleitereinrichtungen, welche Oberflächen enthalten, die durch epitaktisches Aufwachsen hergestellt wurden, die Gleichförmigkeit in den Charakteristika.

Es sind Aufwachsungen aus Galliumarsenid auf nicht dotiertes Germanium bekannt. Dabei findet ein relativ willkürliches Wachstum statt, ohne daß die Möglichkeit besteht, die Wachstumsrichtung zu beeinflussen. Ferner soll bei diesen Aufwachsungen das Wachstum durch Fremdsubstanzen gestört werden.

Der Aufsatz von J. A. Amick in »RCA Review«, Bd. 24 (Dez. 1963), S. 555 bis 573, befaßt sich mit

ίο der Orientierung von GaAs-Aufwachsungen auf dotiertem Ge-Substrat aus der Gasphase. Dabei wird mitgeteilt, daß mit der benutzten Apparatur jeweils GaAs-Aufwachsungen mit Arsenoberfläche erhalten wurden. Als mögliche Gründe werden die höhere Löslichkeit von Gallium in Germanium und der höhere Dampfdruck von Arsen sowie dessen höhere Diffusionskonstante in Germanium angeführt. Ferner wird berichtet, daß Züchtungsversuche anderer Autoren zu unterschiedlichen Ergebnissen geführt haben,

ao wonach Amick zur Vermutung kommt, daß die Polarität einer GaAs-Epitaxialschicht auf Germanium von den anwesenden chemischen Verbindungen und ihren Konzentrationen oder von der Reinheit der Substratoberfläche abhängt.

as In der DT-AS 1 286 645 ist eine Tunneltriode be-

- schrieben, bei der sich auf einem einkristallinen Germanium- oder Siliciumgrundkörper vom p-Leitungstyp eine epitaktische GaAs-Schicht befindet, die ebenfalls vom p-Leitungstyp aber bis über die Entartungskonzentration dotiert ist, bei der über dieser GaAs-Schicht eine weitere bis über die Entartungskonzentration dotierte epitaktische GaAs-Schicht angeordnet ist, die den entgegengesetzten Leitungstyp besitzt, und bei der sich auf der anderen Seite des Germanium- oder Siliciumgrundkörpers ein nicht tunnelnder pn-übergang befindet. Dabei soll beispielsweise die p-Leitung des Germaniumgrundkörpers durch einen Gehalt an Bor, Aluminium, Gallium oder Indium hervorgerufen sein. Vorteilhaft soll der einkristalline Halbleitergrundkörper aus Germanium bestehen und mit Arsen bis zu einer Störstellendichte N = 10¹⁶/cm^s dotiert sein. Über die Orientierung der Grundkörperoberfläche und die Aufwachsrichtung der Galliumarsenidschicht ist keine Aussage getroffen.

Ferner ist in der DT-AS 1 263 934 ein Halbleiterbauelement mit drei Zonen aus verschiedenen, in der kristallographischen [lll]-Richtung aneinandergrenzenden Halbleitersubstanzen bekannt, bei dem die drei Zonen den gleichen Leitfähigkeitstyp haben.

Dieses Halbleiterbauelement soll beispielsweise in der Weise hergestellt werden, daß auf Galliumarsenid vom n-Leitfähigkeitstyp in Form eines Einkristalls mit einer Dotierungskonzentration in der Größenordnung von 10¹⁴ bis 10^iecm/³ eine Schicht n-leitenden Germaniums vorzugsweise durch einen epitaktischen Aufdampfungsprozeß auf die Oberfläche mit der Orientierung (Hl)-A des Substrats aus Galliumarsenid aufgebracht wird, wobei das η-leitende Germanium ebenfalls eine Dotierung in der Größenord-

nung von 10¹⁴ bis 10¹⁶/cm⁸ aufweist. Auf die Germaniumschicht wird eine Schicht η-leitenden GaJ-. liumarsenids mit ungefähr dem gleichen Dotierungsgehalt aufgedampft, wodurch der gewünschte Ge-GaAs-Übergang in der Orientierung (Hl)-B entsteht.

Worauf die genannte Orientierung des Übergangs zurückzuführen ist, ist nicht erläutert.

In dem »Journal o. t. Electrochem. Soc«, März 1967, S. 64 C, wird über epitaktisches Aufwachsen

von Galliumarsenid auf Germanium bei einer Tem- . ,,·,,„,„„,„_. -,

peratur von 475⁰C berichtet. Ein Eindiffundieren Ausfuhrungsform 1

von Arsen in das Germanium unter Bildung einer Auf die (111)-Fläche eines Germanium-Einkristalls

dünnen η-Schicht in dem Germanium wird dadurch vom η-Typ (spezifischer Widerstand: 0,0005 Ohm-cm),

unterdrückt, daß das Germanium vorher eine starke 5 der Arsen in der Oberflächen-Dotierstoffkonzentration

p-Dotierung seiner Oberfläche erhält. von 1-10²⁰ Atomen/cm³ enthielt, wurde Gallium-

Schließlich ist es aus dem Aufsatz »Tunneldioden« arsenid bei 800° C unter Verwendung von metal-

von Gremmelmaier auf den S. 132 bis 149 des lischem Gallium und elementarem Arsen und Stick-

Buches »Physikertagung Wiesbaden«, Phys. Verlag, stoff als Trägergas epitaktisch aufgewachsen. Während

1961, bekannt, daß das Ausgangsmaterial für die 10 dieser Umsetzung wurde eine geeignete Menge Jod

Herstellung einer Tunneldiode ausreichend hoch (im Zustand von gasförmigem J₂) dem Reaktionsgas

dotiert sein muß und das Elektrodenmaterial in dem hinzugegeben. Auf diese Weise wurde eine epitaktisch

Halbleiter so weit löslich sein muß, daß es in der aufgewachsene Schicht mit der gewünschten Dotier-

rekristallisierten Halbleiterschicht unter der Elektrode Stoffkonzentration erhalten. Bei diesem Versuch wurde

eine entsprechend hohe Konzentration von Ladungs- 15 ein Galliumarsenid-Einkristall von etwa 7 Mikron

trägern entgegengesetzten Typs erzeugen kann. Ge- Dicke in der Behandlungszeit von 30 Minuten erhal-

mäß den Ausführungen in diesem Aufsatz sei die ten. Durch Prüfung des chemischen Ätzmusters

obere Grenze der Dotierung im wesentlichen durch wurde festgestellt, daß der Einkristall in der [Hl]-

die Löslichkeitsverhältnisse der Dotierungssubstanzen Richtung gewachsen war.
in dem Halbleiter bestimmt. Gebräuchliche Stör- 3°

Stellenkonzentrationen in Tunneldioden aus Ge, Si Ausführungsform 2
und GaAs seien in dem Bereich zwischen einigen

10¹⁸ und 10²⁰/cm^s gelegen. Unter Verwendung von Germanium vom p-Typ,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein welches Gallium als Dotierstoff in der Oberfläche in

Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patenten- 35 einer Konzentration von 2 · 10²⁰ Atomen/cm³ enthielt

spruchs 1 zu schaffen, das stets den gewünschten Typ und von elementarem Arsen sowie Stickstoffgas als

der Oberfläche des epitaktisch gewachsenen Films Trägergas wurde das epitaktische Aufwachsen in der

erhalten läßt. gleichen Arbeitsweise, wie sie in der Ausführungs-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im form 1 angewendet wurde, durchgeführt. Durch die

kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 ange- 30 Prüfung des chemischen Ätzmusters wurde festgestellt,

gebenen Mitteln gelöst. daß die Schicht in der [TTT]-Richtung gewachsen war.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Er- ...
findung wird zur Herstellung eines Galliumarsenid- Ausfunrungsrorm i
Einkristallfilms ein Substrat aus Germanium ver- In einem abgeschlossenen Rohr wurde Arsen aus wendet, das mit Arsen oder Gallium in einer Ober- 35 einer GaAs₂-QUeIIe in ein Substrat aus Germanium flächenkonzentration in der Größenordnung von 10²⁰ vom η-Typ mit einem spezifischen Widerstand von Atomen/cm³ dotiert ist. Wenn nämlich Arsen in der 0,3 Ohm-cm und einer (lll)-Fläche eindiffundiert. Größenordnung von 10²⁰ Atomen/cm³ in das Germa- Auf diese Weise wurde ein Germaniumsubstrat mit nium-Trägermaterial an der (Hl)-Oberfläche vor der Oberflächendotierstoffkonzentration von etwa dem epitaktischen Aufwachsen eingeführt wird, 40 7. \0¹⁹ Atomen/cm³ hergestellt. Dann wurde durch wächst der einkristalline Galliumarsenidfilm in einer die gleiche Arbeitsweise, wie sie bei der Ausführungssolchen Richtung, daß die Oberfläche vom Α-Typ form 1 angewendet wurde, eine epitaktische Galliumerhalten wird, während, wenn die Oberflächenschicht arsenid-Schicht von etwa 13 Mikron aufgewachsen, des Trägermaterials mit Gallium in der Größenord- Bei dieser Ausführungsform wurde festgestellt, daß nung von 10²⁰ Atomen/cm³ versehen wird, der sich 45 das Wachstum in der [lll]-Richtung, entsprechend ergebende Einkristall eine Oberfläche vom B-Typ der Bildung der Α-Oberfläche, stattgefunden hatte,
aufweist. Es wird angenommen, daß das geschilderte In der vorstehenden Beschreibung wurde Germa-Phänomen durch die direkte Umsetzung zwischen nium als Trägermaterial und Galliumarsenid als AufArsen (oder Gallium), welches in Germaniumsubstrat wachsmaterial nur beispielsweise aufgeführt. Als Träenthalten ist, und Gallium (oder Arsen), welches eine 5° germaterial ist außer Germanium auch Silicium Komponente des Reaktionssystems ist, zu erklären ist. brauchbar. Darüber hinaus ist das Verfahren der Er-

Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen im findung in gleicher Weise auf das epitaktische AufZusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen wachsen von anderen AmB_v-Verbindungen, wie InAs beschrieben. u. dgl. anwendbar.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines epitaktisch gewachsenen Films aus einer halbleitenden A_mB^Verbindung auf die (lll)-Fläche eines Substrats aus Germanium oder Silicium durch Abscheidung aus der Gasphase, wobei ein vorbestimmtes Wachstum des Filmes in die [Hl]- oder [TTT]-Richtung erzwungen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat verwendet wird, das an der Aufwachsfläche mit der B_v- bzw. mit der A,_n-Komponente der aufzuwachsenden Verbindung in einer Konzentration von über 5 · 10¹⁹ Atomen/cm³ dotiert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als halbleitende Verbindung Galliumarsenid verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Galliumarsenid-Einkristallfilms ein Substrat aus Germanium verwendet wird, das mit Arsen oder Gallium in einer Oberflächenkonzentration in der Größenordnung von 10²⁰ Atomen/cm^s dotiert ist.