DE2107149C3 - Verfahren zur Herstellung eines hchtstrahlen abgebenden Mehrschicht Halbleiterbauelementes - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines hchtstrahlen abgebenden Mehrschicht Halbleiterbauelementes

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Description

3 4
daß sich auf dem Halbleitersubstrat nacheinander Tabelle 1
Schichten verschiedener Leitfähigkeitstyps ausbilden. .
Das Halbleitersubstrat und die bereits erzeugten ~a 1300 me
Schichten müssen also nicht bei der Erzeugung einer Vf RO mc
weiteren Schicht erneut erhitzt werden; vielmehr wird 5 ™ _„, ~
das Halbleitersubstrat nur einmal auf eine vorbe- ~.n . -q μ~
stimmte Temperatur erhitzt. Das erfindungsgemäße l e ·'"
Verfahren ist also einfach und wirtschaftlich und Zweckmäßigerweise wird ein GaAs-Einkristall des
führt zu Mehrschicht-Halbleiterbauelementen mit P-Typs als Substratmaterial verwendet,
guten Eigenschaften, da nur eine einzige Lösung her- io Nach dem Schritt c werden das Substrat und die
gestellt, dotiert und zusammen mit dem Substrat er- Lösung 5 Minuten lang bei einer langsamen Kiihl-
wärmt werden muß. geschwindigkeit von 2° C/'min gekühlt (Schritt d).
Vorzugsweise sind die Elemente der Gruppen III Während dieses langsamen Kühlschrittes d wird eine und V Ga, Al und entweder P oder As. Dabei ist es GaAlAs-Schicht gebildet, die eine P-Leitfähigkeit bezweckmäßig, daß das Substratmaierial aus GaAs oder 15 sitzt.
GaP besteht. Das Substrat, das mit der GaAlAs-Schicht gebildet
Es empfiehlt sich, daß der wiederholte langsame wird, und die Lösung werden dann 1 Minute lang
Kühlvorgang als Endkühlvorgang so lange tortgesetzt bei einer schnellen Küh'.ischwindigkeit von z.B.
wird, bis die Verunreinigung, die den höheren Dampf- 20° C/min gekühlt (Schritt Sj. Während dieses Sehrit-
druck aufweist, verdampft, und daß dann Substrat 20 tes wird eine GaAs-Schicht oder eine GaAlAs-Schicht
und die Lösung weiter abgekühlt werden. Auf diese mit einem kleinen Anteil Al gebildet, die N-Leitfähig-
Weise kann der relative Anteil der Verunreinigung, keit aufweist. In der folgenden Beschreibung wird an-
die den niedrigeren Dampfdruck aufweist, erhöht genommen, daß während des Schrittes e eine GaAlAs-
werden und eine Schicht des dieser Verunreinigung Schicht gebildet wird. Danach werden eine langsame
entsprechenden Leitfähigkeitstyps gebildet werden. 25 Kühlung (Schritt /) und eine schnelle Kühlung
Nachstehend wird die Erfindung an HanH Ηργ (Schritt g) in ähnlicher Weise wiederholt, um eine
Fig. 1 bis 5 beispielsweise erläutert. Es zeigt GaAlAs-Schicht des P-Typs und eine GaAlAs-Schicht
F i g. 1 ein Diagramm, aus dem das Temperatur- des N-Typs zu bilden,
programm des Verfahrens hervorgeht, F i g. 2 zeigt den Schichtaufbau mehrerer, durch
Fig.? den Aufbau eines aus verschiedenen Halb- 30 die obigen Verfahrensschritte gebildeter Schichten,
leiterschichten bestehenden, sichtbares Licht abgeben- wobei die Ziehrichtung der Kristalle durch einen Pfeil
den Mehrs:hicht-Halbleiterbauelements, das nach angegeben ist. In Fig. 2 bezeichnet P1 das GaAs-
dem Verfahren gemäß Anspruch I hergestellt ist, Substrat, P2 die GaAlAs-Schicht des P-Typs, N1 die
F i g. 3 eine Spannungs-Strom-Kennlinie eines sieht- GaAlAs-Schicht des N-Typs, P3 die GaAlAs-Schicht bares Licht abgebenden Mehrschicht-Halbleiterbau- 35 des P-Typs und N1 die GaAlAs-Schicht des N-Typs.
elements, das nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 Bei einem Mehrschicht-Halbleiterbauelement mit die-
hergestellt ist, sem Aufbau tritt im Durchlaßzustand an den PN-
F ig. 4 ein Diagramm, aus dem ein geänderte j Übergängen zwischen den Schichten P2 und N1 und
Temperaturprogramm des Verfahrens gemäß An- zwischen den Schichten P3 und N., Lumineszenz auf. sprach 6 hervorgeht, und 40 Da diese Übergänge in den GaAlÄs-Schichten gebil-
F i g. 5 Dampfdruck-Temperatur-Kurven von Zink det sind und da es möglich ist, die Konzentration von
und Tellur, die gemäß Anspruch 4 als Verunreini- Aluminium an diesen Übergängen durch Änderung
gungen verwendet werden können. der Menge des in der Lösung enthaltenen Aluminiums
F i g. 1 zeigt das Temperaturprogranini einer be- und der Menge von Zink und Tellur sowie durch vorzugten Ausführungsform, wobei ein Substrat, das 45 Änderung des Temperaturprogramms zu ändern,
aus einem Einki istall aus GaAs besteht, sowie eine kann ein Mehrschicht-Halbleiterbauelement herge-
Lösung dreier Elemente der Gruppen III bis V, z. B. stellt weiden, das sichtbare Lichtstrahlen jeder ge-
Ga-Al-As, und Tellur als N-Verunreinigungen und wünschten Wellenlänge abgibt.
Zink als P-Verunreinigungen verwendet werden. F i g. 3 zeigt die Spannungs-Strom-Kennlinie eines
Das Substrat und die Lösung befinden sich in 50 GaAlAs-Mehrschicht-Halbleiterbauelements, das in einem hochreinen Graphitbehätter, der in ein offenes ■ dieser Weise hergestellt ist. Die Abszisse gibt die Quarzrohr gebracht wird. Während ein hochreines Spannung in Einheiten von 2 V und die Ordinate den Reduktionsgas oder ein hochreines, inertes Gas als Strom in Einheiten von 10 mA an. Schutzgas durch das Rohr geführt wird werden die Gemäß dieser Ausführungsform kann ein HaIb-Lösung und das Substrat auf 950° C erhitzt (Schritt a), 55 leiterbuaelement mit einem PNPN .. .-Mehrschichtauf dieser Temperatur 10 Minuten lang gehalten aufbau in einem einzigen Vorgang durch das GaAlAs-(Schritt b), so daß das Substrat und die Lösung in Ziehverfahren aus der Flüssigkeitsphase und Verwen-Berührung kommen, und dann weitere 10 Minuten dung von Zink und Tellur als Verunreinigungen herauf dieser Temperatur gehalten (Schritt c). gestellt werden, das sichtbares Licht abgibt. Dies
Die Zusammensetzung der Lösung bzw. des flüs- 60 steht im Gegensatz zu dem bekannten Ziehverfahren,
sigen Rohmaterials, das während dieser Verfahrens- mit dem ein GaAlAs-Mehrschichtaufbau nur in zwei
schritte mit den; Substrat in Berührung gehalten wird, oder mehr Ziehschritten hergestellt werden kann,
ist in der folgenden Tabelle 1 gezeigt. Das Gewichts- Bei einer Tellur enthaltenden Lösung mit einem
verhältnis von Zink, das als P-Verunreinigung wirkt, Gewichtsverhältnis, bezogen auf die Gesamtmenge zu Tellur, das ils N-Verunreinigung wirkt, beträgt 65 der Lösung, von 1,5· 10~5 bis 4,0· 10~5 kann die
2 : ]. Verhältnisse über oder unter diesem Verhältnis langsame Geschwindigkeit von 0° C/min bis 5° C/min
bewirken die später beschriebene Inversion des Lei- reichen, während die schnelle Kühlgeschwindigkeit
tungstyps nicht. 10° C/min bis 30° C/min betragen kann.
Es wird nun eine weitere Ausführungsform der Erfindung an Hand der F i g. 4 und 5 beschrieben.
Es wird wiederum ein GaAS-Einkristall als Substrat verwendet. Die Lösung enthält drei Elemente Ga-Al-As der Gruppen IH-V; Zink wird als P-Verunreinigung und Tellur als N-Verunreinigung verwendet. Das Substrat und die Lösung werden in einen hochreinen Graphitbehälter gebracht, der sich in einem offenen Quarzrohr befindet, durch das ein hochreines Reduktionsgas bzw. ein hochreines, inertes Gas zur Verhinderung von Oxydation geführt wird. Wie F i g. 4 zeigt, werden das Substrat und die Lösung auf 95O0C erhitzt (Schritt α'), und 10 Minuten auf dieser Temperatur gehalten (Schritt b'). Anschließend wird das Substrat bei dieser Temperatur 10 Minuten lang mit der Lösung in Berührung gehalten (Schritte'). Das Substrat und die Lösung werden dann bei einer Geschwindigkeit von 2° C/min 5 Minuten lang langsam abgekühlt (Schritt d'), um eine GaAlAs-Schicht des P-Typs zu bilden. Nach Abkühlung um 10° C während dieses Schrittes werden das Substrat und die Lösung 1 Minute lang bei einer Geschwindigkeit von 20° C/min abgeschreckt (Schritt e'), um eine GaAlAs-Schicht des N-Typs zu bilden.
Nun wird das Substrat mit der GaAlAs-Schicht des N-Typs langsam 7 Minuten lang abgekühlt (Schritt /'), so daß sich eine GaAlAs-Schicht des P-Typs auf der N-Typ-Schicht bildet. Die soweit beschriebenen Verfahrensschritte sind mit denen -der vorherigen Ausführungsform identisch. Da jedoch der Dampfdruck von Zink wesentlich höher ist als der von Tellur, wie F i g. 5 zeigt, verdampft während des Schrittes /' das Zink in der Lösung in erheblich größerem Mp Ii als
ίο das Tellur. Dadurch wird der Prozentsatz von Tellur in der Lösung allmählich erhöht. Demgemäß wird zum Zeitpunkt /" nach dem Ende des z. B. 7 Minuten dauernden Schrittes/' die Tellurmenge in der Lösung größer als die von Zink. Danach wird das Substrat langsam mit der gleichen Kühigeschvvindigkeit von 2° C/min (Schritt g') abgekühlt, um eine weitere GaAlAs-Schicht des N-Typs zu bilden.
Der langsame und der schnelle Kühlvorgang mit jeweils einer konstanten Geschwindigkeit können ab-
ao wechselnd wiederholt werden, gefolgt von einem langsamen Kühlvorgang.
Dieses abgewandelte Verfahren ergibt ebenfalls ein Licht abgebendes Mehrschicht-Halbleiterbauelemenf, das ähnliche Eigenschaften aufweist wie das Produkt der ersten Ausführungsform.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Lichtstrahlen abgebenden Mehrschichten-Haibleiterbauelementes mit mindestens einem PN-Übergang aus der Fliissigkeitsphase, bei dem eine Lösung, die wenigstens zwei Elemente der Gruppe III und V enthält und mit Fangstellen-Verunreinigungen dotiert ist, hergestellt wird, ein Halbleitersubstrat mit der Lösung in Berührung gebracht und Halbleitersubstrat und Lösung auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt werden und bei dem anschließend zuerst ein langsamer Kühlvorgang und dann ein schneller Kühlvorgang durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß "ine Lösung mit wenigstens drei Elementen der Gruppe III und V hergestellt und sowohl mit P- als auch mit N-Verunreinigungen dotiert wird und daß der langsame und der schnelle Kühlvorgang mehrmals hintereinander durchgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Gruppen III unü V Oa, Al und entweder P oder As sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial aus GaAs oder ^aP besteht.
4. Verfahren nach Ansnruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die N-Verunreinigungen aus Tellur und die P-Verunreinigungen aus Zink oder Cadmium besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der langsame Kühlvorgang bei einer Geschwindigkeit von 0° C/min bis 5° C/min und der schnelle Kühlvorgang bei einer Geschwindigkeit von 10° C/min bis 30° C/min durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis, 5, dadurch gekennzeichnet, daß der wiederholte langsame Kühlvorgang als Endkühlvorgang so lange fortgesetzt wird, bis die Verunreinigung, die den höheren Dampfdruck aufweist, verdampft, und daß dann das Substrat und die Lösung weiter abgekühlt werden.
7. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 6 zur Herstellung eines PNPN-Vierschicht-Halbleiterbauelementes, dadurch gekennzeichnet, daß der langsame Kühlvorgang zweimal und der schnelle Kühlvorgang einmal durchgeführt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung und das Substrat auf 950° C erhitzt werden, 10 Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten werden, daß, nachdem die Lösung und das Substrat miteinander in Berührung gebracht worden sind, diese weiteren 10 Minuten auf dieser Temperatur gehalten werden, und daß der langsame Kühlvorgang mit einer Geschwindigkeit von 2° C/min 5 Minuten lang und der schnelle Kühlvorgang mit einer Geschwindigkeit von 20° C/min 1 Minute Jang durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Endkühlvorgang wenigstens 7 Minuten lang durchgeführt wird.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtstrahlen abgebenden Mehrschicht-Halbleiterbauelements mit mindestens einem PN-Übergang aus der Flüssigkeitsphase, bei dem eine Lösung, die wenigstens zwei Elemente der Gruppe III und V enthält und mit Fangstellen-Verunreinigungen dotiert ist, hergestellt wird, ein Halbleitersubstrat mit der Lösung in Berührung gebracht und Halbleitersubstrat und Lösung auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt werden und bei dem anschließend zuerst ein langsamer Kühlvorgang und dann ein schneller Kühlvorgang durchgeführt werden.
Es ist ein derartiges Verfahren bekannt (RCA-Review, Bd. 24, Dezember 1962, S. 603 bis 615), bei dem eine zwei Elemente der Gruppen III und V enthaltende Lösung mit einer P- oder N-Verunreinigung (Zink oder Tellur) dotiert ist. Bei dem langsameren und dem daran anschließenden schnelleren Kühlvorgang des Verfahrens kann sich nur eine P- oder N-Schicht auf dem verwendeten Halbleitersubstrat ausbilden. Soll sich aber aus dieser Schicht eine weitere Schicht eines anderen Leitfähigkeitstyps ausbilden, müssen mit einer zweiten entsprechenden dotierten Lösung die einzelnen Verfahrensschritte wiederholt werden. Durch das erneute Erhitzen des Substrats und der bereits ausgebildeten Schicht werden die Eigenschaften des Mehrschicht-Halbleiterbauelements verschlechtert.
Weiterhin ist bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 127 803), zum Aufbau der Schichten eines Lichtstrahlen abgebenden Mehrschicht-Halbleiterbauelements als Elemente der Gruppe III und IV Ga, Al, P, As und als Substrat GaAs und GaP zu verwenden. Schließlich ist ein Verfahren zur Herstellung einer Licht abgebenden Diode mit negativer Kennlinie bekannt, die im wesentlichen aa:; GaAs besteht und einen vierschichtigen Aufbau zeigt. Dabei wird ein Gallium-Arsenid-Kristall mit Mangan dotiert, während in den den Elektroden der Diode unmittelbar benachbarten Bereichen an den Enden der Diode Zink eindiffundiert wird. Die beiden zinkdiffundierten Zonen sind durch mindestens eine hochohmige Zone voneinander getrennt. Mit diesem bekannten Verfahren lassen sich Lichtstrahlen abgebende Mehrschicht-Halbleiierbauelemente mit mehreren übereinanderliegenden und in ihrem Leitfähigkeitstyp verschiedenen Schichten auf einfache Weise in einem Verfahrensgang herstellen (deutsche OffenWungsschrift 1564142).
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der obengenannten Art anzugeben, bei dem in einem Verfahrensgang mehrere Schichten verschiedenen Leitfähigkeitstyps auf das Halbleitersubstrat aufgebracht werden können.
Das diese Aufgabe lösende, erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung mit wenigstens drei Elementen der Gruppe III und V hergestellt und sowohl mit P- als auch mit N-Verunreinigungen dotiert wird und daß der langsame und der schnelle Kühlvorgang mehrmals hintereinander durchgeführt werden.
Bei der Herstellung eines Lichtstrahlen abgebenden Mehrschicht-Halbleiterbauelementes wird das Halbleitersubstrat nur einmal mit der Lösung aus den drei Elementen der Gruppe III und V und mit den P- und N-Verunreinigungen in Berührung gebracht. Nach dem Erhitzen auf die vorbestimrnte Temperatur wird durch die Führung des Kühlvorganges erreicht,
DE2107149A 1970-02-14 1971-02-15 Verfahren zur Herstellung eines hchtstrahlen abgebenden Mehrschicht Halbleiterbauelementes Expired DE2107149C3 (de)

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