DE2014509C3

DE2014509C3 - Verfahren zur Herstellung eines epitaktisch gewachsenen Films aus einer halbleitenden A tief III B tief V -Verbindung

Info

Publication number: DE2014509C3
Application number: DE19702014509
Authority: DE
Inventors: Masami Osaka Yokozawa (Japan)
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1969-03-28
Filing date: 1970-03-25
Publication date: 1976-10-07

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 de r Halbleitertechnik verwendet. Silicium- oder Gernunium-Trägermateriilien mit einer (lll)-Ebene in den Hauptflächen werden besonders zum epitaktisch'en 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-Flächc 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 Obernächenzustand des Trägermaterials ab. Demgemäß fehlte üblichen Halbleitereinrichtungen, welche Oberflächen enthalten, die durch epitaktisches Aufwachsen hergestellt wurden, die Gleichförmigkeit in den Charak-Es sind Aufwachsungen aus Galliumarsenid auf nicht dotiertes Germanium bekannt. Dabei findet ein relativ willkürliches Wachstum stau, 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 der Orientierung von GaAs-Auf wachsungen auf dotiertem Ge-Subsirat 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, 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.

In der DT-AS 1 286 645 ist eine Tunneltriode beschrieben, 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 Garmanium- 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 = 10^ie.cm³ 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 10" 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 Größenordnung von 10¹⁴ bis 10^ie/cm³ aufweist. Auf die Germaniumschicht wird eine Schicht η-leitenden GaI-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. Electrocherr. Soc«, März 1967, S. 64 C, wird über epitaktisches Aufwachsen

von Galliumarsenid aut Germanium bei einer Temperatur von 475° C berichtet. Ein Eindiffundieren von Arsen in das Germanium unter Bildung einer dünnen η-Schicht in dsm Germanium wird dadurch unterdrückt, daß das Germanium vorher eine starke p-Dotierung seiner Oberfläche erhält.

Schließlich ist es aus dem Aufsatz »Tunneldioden« von Gremmelmaier auf den S. 132 bis 149 des Buches »Physikertagung Wiesbaden«, Phys. Verlag, 1961, bekannt, daß das Ausgangsmaterial für die Herstellung einer Tunneldiode ausreichend hoch dotiert sein muß und das Elektrodenmaterial in dem Halbleiter so weit löslich sein muß, daß es in der rekristallisierten Halbleiterschicht unter der Elektrode eine entsprechend hohe Konzentration von Ladungsträgern entgegengesetzten Typs erzeugen kann. Gemäß den Ausführungen in diesem Aufsatz sei die obere Grenze der Dotierung im wesentlichen durch die Löjlichkeits Verhältnisse der Dotierungssubstanzen in dem Halbleiter bestimmt. Gebräuchliche Stör- ao steHenkonzentrationen in Tunneldioden aus Ge, Si und GaAs seien in dem Bereich zwischen einigen 10¹⁸ und 10²⁰/cm³ gelegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegrüf des Patentan- *5 Spruchs 1 zu schaffen, das stets den gewünschten Typ der Oberfläche des epitaktisch gewachsenen Films erhalten läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Herstellung eines Galliumarsenid-Einkristallfilms ein Substrat aus Germanium verwendet, das mit Arsen oder Gallium in einer Oberflächenkonzentration in der Größenordnung von 10²⁰ Atomen.cm^:i dotiert ist. Wenn nämlich Arsen in der Größenordnung von 10-^>0 Atomen-cnv¹ in das Germanium-Trägermaterial an der (lll)-Oberfläche vor dem epitaktischen Aufwachsen eingeführt wird, wächst der einkristalline Galliumarsenidfilm in einer solchen Richtung, daß die Oberfläche vom A-Typ erhalten wird, während, wenn die Oberflächenschicht des Trägermaterials mit Gallium in der Größenordnung von 10²⁰ Atomen/cm³ versehen wird, der sich +5 ergebende Einkristall eine Oberfläche vom B-Typ aufweist. Es wird angenommen, daß das geschilderte Phänomen durch die direkte Umsetzung zwischen Arsen (oder Gallium), welches in Germaniumsubstrat enthalten ist, und Gallium (oder Arsen), welches eine Komponente des Reaktionssystems ist, zu erklären ist.

Nachstehend wird die Erfindung: im einzelnen im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.

Ausführungsform 1

Auf die (111)-Fläche eines Germanium-Einkristalls vom η-Typ (spezifischer Widerstand: 0,0005 Ohm-cm), der Arsen in der Oberflächen-Dotierstoffkonzentration von 1 · 10²⁰ Atomen/cm³ enthielt, wurde Galliumarsenid bei 800° C unter Verwendung von metallischem Gallium und elementarem Arsen und Stickstoff als Trägergas epitaktisch aufgewachsen. Während dieser Umsetzung wurde eine geeignete Menge Jod (im Zustand von gasförmigem J.,) dem Reaktionsgas hinzugegeben. Auf diese Weise wurde eine epitaktisch aufgewachsene Schicht mit der gewünschten Dotierstoffkonzentration erhalten. Bei diesem Versuch wurde ein Galliumarsenid-Einkristall von etwa 7 Mikron Dicke in der Behandlungszeit von 30 Minuten erhalten. Durch Prüfung des chemischen Ätzmusters wurde festgestellt, daß der Einkristall in der [IH]-Richtung gewachsen war.

Ausführungsform 2

Unter Verwendung von Germanium vom p-Typ, welches Gallium als Dotierstoff in der Oberfläche in einer Konzentration von 2 · 10²⁰ Atomen/cm³ enthielt und von elementarem Arsen sowie Stickstoffgas als Trägergas wurde das epitaktische Aufwachsen in der gleichen Arbeitsweise, wie sie in der Ausführungsform 1 angewendet wurde, durchgeführt. Durch die Prüfung des chemischen Ätzmusters wurde festgestellt, daß die Schicht in der [TTT]-Richtung gewachsen war.

Ausführungsform 3

In einem abgeschlossenen Rohr wurde Arsen aus einer GaAs₂-Quelle in ein Substrat aus Germanium vom η-Typ mit einem spezifischen Widerstand von 0,3 Ohm-cm und einer (lll)-Fläche eindiffundiert. Auf diese Weise wurde ein Germaniumsubstrat mit der Oberflächendotierstoffkonzentration von etwa 7 · 10¹⁹ Atomen/cm³ hergestellt. Dann wurde durch die gleiche Arbeitsweise, wie sie bei der Ausführungsform 1 angewendet wurde, eine epitaktische Galliumarsenid-Schicht von etwa 13 Mikron aufgewachsen. Bei dieser Ausführungsform wurde festgestellt, daß das Wachstum in der [lll]-Richtung, entsprechend der Bildung der Α-Oberfläche, stattgefunden hatte.

In der vorstehenden Beschreibung wurde Germanium als Trägermaterial und Galliumarsenid als Aufwachsmaterial nur beispielsweise aufgeführt. Als Trägermaterial ist außer Germanium auch Silicium brauchbar. Darüber hinaus ist das Verfahren der Erfindung in gleicher Weise auf das epitaktische Aufwachsen von anderen A_niB_v-Verbindungen, wie InAs u. dgl. anwendbar.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines epitaktisch gewachsenen Films aus einer halbleitenden A₁₁₁B_V-Verbindung auf die (lll)-Fläche eines Substrats aus Germanium oder Silicium durch Abscheidung aus der Gasphase, wobei ein vorbestimmtes Wachstum des Filmes in die [IH]- oder [TTT]-Richtung erzwungen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat verwendet wird, das an der Aufwachsfläche mit der B_v- bzw. mit der A_lu-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 ao ein Substrat aus Germanium verwendet wird, das mit Arsen oder Gallium in einer Oberflächenkonzentration in der Größenordnung von 10ⁱ⁰ Atomen c m^s dotiert ist.

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