DE2647949A1 - Verfahren zur herstellung von insb- duennfilmelementen und die dabei erhaltenen produkte - Google Patents

Verfahren zur herstellung von insb- duennfilmelementen und die dabei erhaltenen produkte

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Description

  • Verfahren zur Herstellung von InSb-Dünn-
  • filmelementen und die dabei erhaltenen Produkte Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von InSb-Dünnfilmelementen bzw. Dünnschichtelementen sowie die dabei erhaltenen Produkte.
  • Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von InSb-Dünnfilmelementen, mit verbesserten Eigenschaften durch Erhitzen des InSb-Dünnfilms auf eine über dem Schmelzpunkt des InSb liegenden Temperatur, gemäß dem ein InSb-Dünnfilmelement oder -Dünnschichtelement gebildet wird, dessen InSb-Dünnfilm oder -Dünnschicht eine Dicke von höchstens 0,2 Sm aufweist und gute elektrische Eigenschaften besitzt.
  • In jüngster Zeit ist mit der Steigerung der Rechengeschwindigkeit von Elektronenrechnernes erforderlich geworden, die Betriebsgeschwindigkeit der in den Elektronenrechnern verwendeten Transistoren zu steigern. Daher ist es auch erforderlich, die Betriebsgeschwindigkeit der für Elektronenrechner geeigneten MOS-IC's zu erhöhen. Da die Betriebsgeschwindigkeit eines Transistors im allgemeinen proportional ist der Elektronenbeweglichkeit des den Transistor bildenden Halbleitermaterials, sind MOS-FET's aus einem Halbleitermaterial mit hoher Elektronenbeweglichkeit erwünscht. Die Elektronenbeweglichkeit des Siliciums (Si), das bislang für Transistoren verwendet wird, beträgt mehrere Hundert cm2/V#s. Es ist zu sagen, daß, was die Verwendung von Silicium anbetrifft, die hohen Betriebsgeschwindigkeiten der daraus gefertigten Transistoren beschränkt sind. Andererseits haben Untersuchungen gezeigt, daß ein InSb-Film mit einer Dicke von beispielsweise 1,5 jim eine hohe Elektronenbeweglichkeit von bis zu 6 x 104 cm2/ V s besitzt. Daher kann man mit MOS-FET's, die solche InSb-Filme aufweisen, Geschwindigkeiten erreichen, die die Grenzen der Betriebsgeschwindigkeit der herkömmlichen Silicium-MOS-Transistoren übersteigen.
  • Wenn die Dicke des InSb-Films eines MOS-FET's größer als etwa 0,2 ;im ist, kann durch die Anordnung einer Gate-Elektrode ein zu der Filmoberfläche senkrechtes elektrisches Feld nicht in wirksamer Weise ausgebildet werden, so daß der Betrieb des Feldeffekttransistors (FET) schwierig ist. Daher ist ein InSb-Dünnfilm, dessen Dicke etwa 0,2 pm oder weniger beträgt und der gute elektrische Eigenschaften und insbesondere eine ausgezeichnete Elektronenbeweglichkeit aufweist, äußerst erwünscht. Bislang ist es jedoch extrem schwierig gewesen, solche InSb-Dünnfilme herzustellen.
  • Es ist bereits gut bekannt, daß man einen InSb-Film mit erhöhter Elektronenbeweglichkeit dadurch herstellen kann, daß man ihn in einer Dicke von etwa 1 ptm auf einen Substrat abscheidet und anschließend erneut schmilzt, um (1) die Bildung größerer Kristallite und (2) eine Reinigung zu bewirken. Es ist ferner bekannt, daß, wenn man in diesem Fall keine Deckschicht auf den InSb-Film aufbringt, beim Erhitzen über die Schmelztemperatur des InSb-Kristalls (525°C) hinaus (1) ein Zusammenfließen der InSb-Schmelze unter Aufbrechen des Films und (2) ein selektives Verdampfen des Sb-Bestandteils des InSb-Materials, der einen höheren Dampfdruck aufweist, erfolgen, so daß die Stöchiometrie des Materials beeinträchtigt wird. Als Deckschicht oder Deckfilm zur Behebung dieses Nachteils ist ein In203-enthaltender Oxidfilm verwendet worden (A. R. Billings, J. Vac. Sci. Techn., Vol. 6 (1969), Seite 757).
  • Da der Oxidfilm jedoch weich ist, wird der InSb-Film wellig, wenn das InSb-Material aus der Schmelze rekristallisiert.
  • Wenn die dem Kristallwachstum des InSb-Materials zugeschriebene Welligkeit nicht unterdrückt wird, läßt sich keine gleichmäßige Dicke des InSb-Films auf dem Substrat erzielen. Wenn man zur Beseitigung dieses Nachteils eine harte, glasige Deckschicht auf dem InSb-Film abscheidet und den InSb-Film schmilzt, bilden sich Risse in der Glasschicht. Wenn andererseits ein welliger Dünnfilm mit einer Dicke von höchstens 0,2 Fm gebildet wird, wie es oben beschrieben wurde, erhält man einen Dünnfilm mit ungleichmäßiger Oberfläche, so daß die Herstellung der elektronischen Bauelemente erschwert wird. Wenn andererseits die Rekristallisation, die für die Welligkeit verursacht wird, nicht durchgeführt wird, läßt sich nur eine sehr geringe Elektronenbeweglichkeit des InSb-Films erreichen, so daß dieser für praktische Zwecke ungeeignet ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem ohne weiteres ein InSb-Dünnfilmelement hergestellt werden kann, dessen eigentlichw oder wesentlicher Bestandteil ein InSb-Dünnfilm mit einer Dicke von höchstens 0,2 gm ist und das eine glatte bzw. gleichmäßige Oberfläche und gute elektrische Eigenschaften aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von InSb-Dünnfilmelementen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man 1) ein Substrat herstellt, das mindestens eine Oberfläche aus Aluminiumoxid (der Ausdruck Aluminiumoxid soll dabei sämtliche Aluminiumoxide umfassen) oder einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, aufweist, und auf der Oberfläche des Substrats einen InSb-Dünnfilm ausbildet, dessen Dicke höchstens 0,2 pm beträgt; 2) auf dem InSb-Dünnfilm eine Schicht (Deckschicht) aus Aluminiumoxid oder einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, abscheidet; 3) den InSb-Dünnfilm auf eine über dem Schmelzpunkt des InSb liegende Temperatur erhitzt; und 4) den InSb-Dünnfilm abkühlt und das InSb rekristallisiert.
  • Es hat sich gezeigt, daß, wenn man unterhalb des InSb-Films mit einer Dicke von höchstens 0,2 zm und oberhalb des Films eine Unterschicht bzw. eine Deckschicht aus Aluminiumoxid oder einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% Altrminiurnoxid enthält, vorsieht und anschließend den InSb-Film über den Schmelzpunkt der InSb-Kristalle erhitzt und anschließend abkühlt und rekristallisiert, die Rißbildung der Deckschicht des InSb-Films und das Zusammenballen des InSb-Films verhindert werden und man ein Dünnfilmelement erhält, das flach bzw. eben ist und hervorragende elektronische Eigenschaften aufweist.
  • Wenn man bei den Stufen 1) und 2) des erfindungsgemäßen Verfahrens ein anorganisches isolierendes Material einsetzt, dessen Aluminiumoxidgehalt weniger als 12 Mol-% beträgt, so zeigt der InSb-Film beim Schmelzen die Neigung zusammenzufließen bzw. sich zusammenzuballen. Als anorganisches isolierendes Material, das mindestens 12 Mol-% AluminiumDxid enthält, kann man in den Stufen 1) und 2) des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise das von der Firma Dow Corning Inc. vertriebene Glas Nr. 7059 verwenden (das im folgenden als Glas 7059 bezeichnet wird und aus 50 Mol-% SiO2, 12 Mol-% Al203, 25 Mol-% BaO, 13 Mol-% B2O3, 0,05 Mol-% MgO und weniger als 0,01 Mol-% Na2O besteht). Im allgemeinen kann man jedoch ein aus einem Oxid und Glimmer bereitetes glasiges Material zu diesem Zweck verwenden, vorausgesetzt, daß es mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält.
  • Das Substrat kann vollständig aus Aluminiumoxid bestehen oder kann aus dem anorganischen isolierenden Material bestehen, das mindestens 12 Mol-% Aluminiurtoxid enthält. Selbst wenn das eigentliche Substrat ein davon verschiedenes Material ist, genügt es, wenn mindestens eine Oberfläche des Substrats eine isolierende Schicht darstellt, die aus Aluminiumoxid oder dem aluminiumDxidhaltigen Material besteht. Im ersteren Fall kann man als Substratmaterial auch Sa#ftrverwenden. Im letzteren Fall scheidet man die isolierende Schicht mit Hilfe eines üblichen Filmbildungsverfahrens, beispielsweise durch Aufdampfen, durch Aufspritzen oder durch ein chemisches Aufdampfverfahren, in einer geeigneten Dicke von 0,05 pim bis 10 m ab. Wenn die Dicke weniger als 0,05 Zm beträgt, neigt der Film bzw. die Schicht zur Porosität, während die Abscheidung eines Films bzw. einer Schicht mit einer Dicke von mehr als 10 pm langwierig ist, wobei sich weiterhin in gewissen Fällen während oder nach der Bildung Risse bilden Als eigentliches Substrat kann man in diesem Fall ohne weiteres einen Silicium-Einkristall verwenden.
  • Obwohl man zur Bildung des InSb-Dünnfilms irgendein bekanntes Verfahren anwenden kann, verwendet man im allgemeinen ein Aufdampfverfahren. Die Dicke des Dünnfilms soll 0,2 ;im oder weniger betragen. Wenn die Dicke oberhalb 0,2 pm liegt, ergeben sich, wenn der Dünnfilm für die Herstellung von Feldeffekttransistoren (FET) verwendet wird, Schwierigkeiten beim Betrieb dieser Bauteile, wie es oben bereits erwähnt wurde. Wenn die Dikke unterhalb 100 A liegt, neigt die abgeschiedene Schicht dazu, in Form von Inseln vorzuliegen, so daß die Dicke vorzugsweise mindestens 100 A (0,01 ;im) betragen sollte. Ein bevorzugter Bereich der Dicke des InSb-Dünnfilms erstreckt sich von 400 Ä (0,04 #m) bis 1000 A (0,1 #m). Bei Anwendung eines Dünnfilms mit einer Dicke in diesem Bereich können selbst dann, wenn der Dünnfilm für Feldeffekttransistoren verwendet wird, mit Hilfe einer an die Gate-Elektrode angelegten Spannung ein wirksames elektrisches Feld senkrecht zur Filmoberfläche ausgebildet werden und die Elektronenbeweglichkeit#ho'ch#gehalten werden.
  • Hinsichtlich der Dicke der Schicht aus dem Aluminiumoxid oder dem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, das in der Stufe 2) auf den InSb-Dünnfilm abgeschieden wird, ist zu sagen, daß im allgemeinen Dicken von 0,05 jim bis 1 jim geeignet sind. Wenn die Dicke weniger als 0,05 jim beträgt, neigt die Schicht dazu, porös zu sein. Wenn die Schichtdicke 1 jim übersteigt, läßt sich keine weitere Verbesserung des Effekts erreichen, der darin besteht, daß das Auftreten der Welligkeit der Oberfläche bei der Rekristallisationsbehandlung unterdrückt wird. Damit bei der Verwendung des Dünnfilms für Feldeffekttransistoren durch eine geeignete Gate-Spannung ein ausreichendes elektrisches Feld senkrecht zu der Filmoberfläche ausgebildet werden kann, ist es günstiger, die isolierende Schicht auf dem InSb-Dünnfilm nicht zu dick auszulegen.
  • Wenn beispielsweise die auf den Feldeffekttransistor einwirkende Feldstärke 105 V/cm und die Gate-Spannung 5 V betragen sollen, sollte die Dicke der isolierenden Schicht etwa 5000 A (0,5 pm) betragen. Vom diesem Standpunkt aus gesehen, sollte die Dicke der isolierenden Schicht auf der InSb-Schicht geeigneterweise höchstens 1 jim betragen. Wenn die Feldeffekttransistoren als integrierte Schaltkreise (IC) ausgelegt werden, sollte die isolierende Schicht vorzugsweise eine Dicke von höchstens 0,6 jim aufweisen.
  • Als Verfahren zur Ausbildung der isolierenden Schicht aus Aluminiumoxid oder dem Aluminiumoxid enthaltenden Material und als Material dafür verwendet man die oben beschriebenen Methoden bzw.
  • Materialien an. Wenn man jedoch als anorganisches isolierendes Material Glas verwendet, muß bei der Bildung des Glasfilms oder der Glasschicht das Erhitzen des InSb-Dünnfilms auf eine oberhalb seines Schmelzpunkts liegende Temperatur vermieden werden.
  • Da bei der Schmelzbehandlung des InSb-Films in der Stufe 3) des Verfahrens der Film auf eine Temperatur von mehr als 5250C erhitzt wird, erweicht die isolierende Schicht, beispielsweise die Schicht aus dem Glas 7059 in gewissen Fällen. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, kann man gegebenenfalls als Glas-Deckschicht eine harte Glasschicht, beispielsweise eine sio2-Schicht auf die isolierende Schicht, beispielsweise die Schicht aus dem Glas 7059 auftragen.
  • Die in der Stufe 3) des Verfahrens angewandte Aufheiztemperatur entspricht mindestens dem Schmelzpunkt des Materials InSb (etwa 5250C). Aus Kostengründen ist es erwünscht, daß die Temperatur etwa 10000C nicht übersteigt.
  • Das Erhitzen erfolgt im allgemeinen in einer inerten Gasatmosphäre, beispielsweise einer Heliumatmosphäre oder einer gemischten Gasatmosphäre aus Argon und Wasserstoff.
  • Bei dem Erhitzen erzielt man die besten Ergebnisse mit Hilfe eines Zonenschmelzverfahrens. Man kann auch das normale Erstarrungsverfahren anwenden, gemäß dem nach dem Erhitzen und Schmelzen in einem Ofen mit Temperaturgradient das Abkühlen und Erstarren bzw. Verfestigen durchgeführt wird. Alternativ ist es erfindungsgemäß möglich, ein homogenes Schmelzverfahren anzuwenden, bei dem das gesamte Substrat gleichmäßig erhitzt wird. Bei dem homogenen Schmelzverfahren und dem normalen Erstarrungsverfahren ist die Zeit, während der das Material auf die angegebenen Heiztemperatur erhitzt wird, mindestens so lang,daß ein vollständiges Schmelzen des InSb-Films erreicht wird. Im allgemeinen beträgt die Zeit für das Schmelzen etwa 30 Sekunden oder mehr. Nach dem vollständigen Schmelzen des Materials kann das Erhitzen fortgesetzt werden, obwohl hierdurch kein speziell vorteilhafter Effekt erreicht wird.
  • Im allgemeinen liegt daher die Heizzeit in einem Zeitraum von 1 Minute. Es bestehen jedoch keine besonderen Beschränkungen bezüglich dieser Heizzeit. Bei dem Zonenschmelzverfahren erzielt man gute Geschwindigkeiten, wenn man bei einer Bewegungsgeschwindigkeit der geschmolzenen Zone von 0,1 pm/s bis 10 pm/s arbeitet. Man kann jedoch auch andere Geschwindigkeiten anwenden.
  • Bei dem Abkühlen in der Stufe 4) des Verfahrens kann man die Substrate, wenn nicht besondere andere Gründe bestehen, auf Raumtemperatur abkühlen. Wenn die Abkühlgeschwindigkeit 300000C pro Stunde übersteigt, erfolgt in gewissen Fällen eine Rißbildung in dem das Substrat bildenden isolierenden Material. Daher sollte die Abkühlgeschwindigkeit höchstens den angegebenen Wert erreichen.
  • Üblicherweise wird nach der Durchführung der Stufe 4) des erfindungsgemäßen Verfahrens die auf dem InSb-Dünnfilm abgeschiedene isolierende Schicht zur-Ausbildung der elektrischen Kontakte teilweise entfernt, so daß in diesen Bereichen die InSb-Filmoberfläche freigelegt wird. Erforderlichenfalls kann man natürlich die isolierende Schicht vollständig entfernen. Die Beseitigung der isolierenden Schicht kann mit Hilfe von Verfahren erreicht werden, die in der Halbleitertechnologie üblich sind.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der zwischen die Schichten aus dem anorganischen isolierenden Material vorhandene InSb-Dünnfilm mit einer Dicke von höchstens 0,2 jim geschmolzen und rekristallisiert werden, ohne daß der Dünnfilm zusammenfließt oder sich zusammenballt und wellig wird und ohne daß sich Risse in den Schichten aus dem anorganischen isolierenden Material bilden. Durch den Schmelz- und Rekristallisations-Prozeß werden die Kristallitgröße des InSb-Dünnfilms auf 0,1 bis 10 mm gebracht und die Verunreinigungskonzentration in dem gesamten Film vermindert, so daß man einen InSb-Dünnfilm mit guten elektronischen Eigenschaften und einer hohen Elektronenbeweglichkeit erhält. Weiterhin besitzt der erhaltene InSb-Dünnfilm, wie bereits angegeben, eine flache oder ebene Oberfläche.
  • Demzufolge besitzt der InSb-Dünnfilmb,estandteil des erfindungsgemäß hergestellten InSb-Dünnfilmelements außergewöhnlich gute Eigenschaften. Da die erhaltenen Filme, wie oben beschrieben, höchstens eine Dicke von 0,2 jim aufweisen, kann man das Dünnfilmelement ohne weiteres für praktische Zwecke verwenden, insbesondere für InSb-MOS-FET's, die bislang nicht möglich waren, undes kann natürlich auch für magnetempfindliche Dünnfilmelemente, Infrarotstrahlungsdetektoren etc. verwendet werden.
  • Die Elektronenbeweglichkeit der InSb-Dünnfilme der erfindungsgemäß hergestellten Dünnfilmelenente besitzt Werte, die gleich oder größer sind als diejenigen von Siliciumeinkristallelementen.
  • Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen InSb-Dünnfilmelemente sind im folgenden angegeben: (A) Die InSb-Dünnfilmelemente, die ein Substrat, das mindestens eine Oberfläche aufweist, die aus Aluminiumoxid oder einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 42 Mol-% Aluminiumoxid enthält, besteht, einen InSb-Dünnfilm, der auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden ist und eine Dicke von höchstens 0,2 jim aufweist und geschmolzen und rekristallisiert worden ist, und eine Schicht umfassen, die auf dem InSb-Dünnfilm abgeschieden ist und aus Aluminiumoxid oder einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, besteht.
  • (B) Die InSb-Dünnfilmelemente der unter (A) definierten Art, bei denen die Dicke des InSb-Dünnfilms in einen Bereich von 0,01 jim bis 0,2 jim liegt.
  • (C) Die InSb-Dünnfilmelemente der unter (A) definierten Art, bei denen die Dicke des InSb-Dünnfilms in einem Bereich von 0,04 jim bis 0,1 jim liegt.
  • (D) Die unter (A) definierten InSb-Dünnfilmelemente, bei denen die Oberfläche des Substrats aus Aluminiumoxid besteht.
  • (E) Die unter (A) definierten InSb-Dünnfilmelemente, bei denen die auf den InSb-Dünnfilm abgeschiedene Schicht aus Aluminiumoxid besteht.
  • (F) Die unter (A) definierten InSb-Dünnfilmelemente, bei denen die Oberfläche des Substrats aus einem anorganischen isolierenden Material besteht, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält.
  • (G) Die unter (F) definierten InSb-Dünnfilmelemente, bei denen das anorganische isolierende Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält und die Oberfläche des Substrats bildet, aus der Gruppe ausgewählt ist, die ein glasiges Material aus einem Oxid und Glimmer umfaßt.
  • (H) Die unter (A) definierten InSb-Dünnfilmelemente, bei denen die auf dem InSb-Dünnfilm abgeschiedene Schicht aus einem anorganischen isolierenden Material besteht, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält.
  • (I) Die unter (H) definierten InSb-Dünnfilmelemente, bei denen das auf dem InSb-Dünnfilm abgeschiedene, anorganische isolierende Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, aus der Gruppe ausgewählt ist, das ein glasiges Material aus einem Oxid und Glimmer umfaßt.
  • (J) Die unter (A) definierten InSb-Dünnfilmelemente, bei denen die Dicke der auf dem InSb-Dünnfilm ausgebildeten Schicht in einem Bereich von 0,05 jim bis 1 jim liegt.
  • (K) Die unter (J) definierten InSb-Dünnfilmelemente, bei denen die Dicke der auf dem InSb-Dünnfilm abgeschiedenen Schicht eine Dicke im Bereich von 0,05 jim bis 0,6 Am aufweist.
  • (L) Die unter (A) definierten InSb-Dünnfilmelemente, bei denen zusätzlich auf der den InSb-Dünnfilm bedeckenden Schicht eine harte Glasschicht abgeschieden ist.
  • (M) Die unter (A) definierten InSb-Dünnfilmelemente, bei denen in einem vorbestimmten Bereich der auf dem InSb-Dünnfilm abgeschiedenen Schicht ein bis zu dem InSb-Dünnfilm reichendes Loch vorbestimmter Form zur Aufnahme einer Elektrode vorgesehen ist.
  • Weitere Ausführungsformen, Gegenstände und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der weiteren Beschreibung und den Beispielen, in denen auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.
  • In den Zeichnungen zeigen: Die Fig. 1a, 1b, 1c und 1d Schnittansichten von gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen InSb-Dünnfilmelementen und die Fig. 2 Materialien für die isolierenden Schichten und Schnittansichten von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und nach herkömmlichen Verfahren hergestellten InSb-Dünnfilmelementen.
  • Beispiel 1 Auf einem Substrat 1 aus dem Glas 7059, das eine Dicke von 1 mm aufweist, dampft man einen InSb-Dünnfilm 2 mit einer Dicke von 0,15 jim auf, wozu man die bekannte Dreitemperatur-Aufdampfmethode anwendet. Dadurch, daß man die Temperatur des Glassubstrats 1 während des Aufdampfens bei 3500C hält, erhält man einen glatten und ebenen InSb-Film 2 mit spiegelnder Oberfläche. Anschließend bringt man durch thermische Zersetzung von Aluminiumisopropylat in einer Argonatmosphäre bei 4000C eine Aluminiumoxidschicht 3 mit einer Dicke von 0,6 jim auf dem InSb-Film 2 auf.
  • Das erhaltene Substrat wird dreimal mit Hilfe der bekannten Heißdrahtmikrozonenschmelzmethode zonengeschmolzen. Eine Schnittansicht des in dieser Weise hergestellten Elements ist in der -Fig. 1a dargestellt. Nach dem Zonenschmelzen zeigt der InSb-Film eine glatte und ebene Oberfläche und keine Risse oder Brüche. Die gebildete Aluminiumoxidschicht wird dann lokal entfernt, worauf die Elektronenbeweglichkeit des InSb-Films bei Raumtemperatur nach der Methode von van der Pauw bestimmt wird. Durch das Zonenschmelzen wird die Elektronerteweglichkeit, die nach dem Aufdampfen 210 cm2/V s betragen hat, auf 830 cm2/ V s erhöht.
  • Bei der oben beschriebenen Dreitemperatur-Aufdampfmethode betragen die Temperatur der In-Quelle 10000C, die Temperatur der Sb-Quelle 5400C und die Temperatur des Substrats 4000C. Beim Zonenschmelzen arbeitet man bei einer Heiztemperatur von 5250C bis 527°C, in einer strömenden Heliumgasatmosphäre und bewegt die geschmolzene Zone mit einer Geschwindigkeit von 6 bis 7 jim/s. Die Aluminiumoxidschicht wird mit Hilfe des wohlbekannten Fotoätzverfahrens lokal entfernt, wozu man als flüssiges Atzmittel eine Mischung aus einem Teil konzentrierter Fluorwasserstoffsäure und 10 Teilen Wasser verwendet.
  • Die Elektronenbeweglichkeit wird bei einer Stromdichte von 5000 Aicm2 und einer Magnetflußdichte von 200 Gauss nach der Methode von van der Pauw (L. J. van der Pauw, Philips Research Reports, Vol. 13, Nr. 1 (Febr. 1958), Seite 1) bestimmt.
  • Beispiel 2 Man bringt ein Siliciumsubstrat 5 mit einer Dicke von 1 mm in eine Vorrichtung zur Durchführung des gutbekannten chemischen Aufdampfverfahrens ein, in der gasförmiger Sauerstoff zusammen mit Triisobutylaluminium-enthaltendem Stickstoffgas strömt. In dieser Weise scheidet man auf dem auf 4000C erhitzten Siliciumsubstrat eine Aluminiumoxidschicht 4 mit einer Dicke von 0,3 jim ab. Dann bringt man auf die auf 4000C erhitzte Aluminiumoxidschicht 4 mit Hilfe des gutbekannten Flash-Aufdampfverfahrens einen InSb-Film 6 mit einer Dicke von 0,08 m auf. Anschließend bildet man mit Hilfe des bekannten Spritzverfahrens eine Aluminiumoxidschicht 7 mit einer Dicke von 0,3 jim auf den InSb-Film 6 aus.Das erhaltene Substrat wird dann in einen Hochtemperaturofen mit einem Temperaturgradienten von 8000C/cm eingebracht, in dem der InSb-Film geschmolzen wird. Anschließend kühlt man das Material ab und verfestigt es. Wenn man zu diesem Zeitpunkt das gesamte Substrat erneut auf mehr als 5250C erhitzt und dann abkühlt, so erfolgt das normale Erstarren, wobei das Verfestigen von der einen Seite des Substrats zur anderen hin erfolgt. Diese Maßnahme des normalen Erstarrens wird sechsmal wiederholt. Man erzielt in dieser Weise einen InSb-Film mit einer Elektronenbeweglichkeit von 530 cm2/V.s.
  • Bei der Abscheidung der Aluminiumoxidschicht 4 mit Hilfe des chemischen Aufdampfverfahrens arbeitet man bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Stickstoffs, den man bei 10 bis 400C durch flüssiges Triisobutylaluminium leitet, von 2 1 pro Minute und mit einer Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs von 1 1 pro Minute.
  • Bei dem Aufdampfen der Aluminiumoxidschicht 7 durch das Aufspritzverfahren erhitzt man die Quelle durch Bestrahlen mit einem CO2-Laser.
  • In der Fig. 1b ist eine Schnittansicht durch das in dieser Weise gebildete Element dargestellt. Die Aluminiumoxidschicht 7 ist mit einem Loch 8 versehen, über das eine geeignete Elektrode angeschlossen werden kann.
  • Beispiel 3 Man bildet einen InSb-Film 12 mit einer Dicke von 0,2 jim oder 0,4 jim. Als Unterschicht 11 verwendet man eine Schicht aus SiO2 (O % Al203), Glas 7059 (etwa 12 % Al203) bZW. Aluminiumoxid (100 % Al203). Als Deckschicht 13 verwendet man eine Schicht aus SiO2, Glas 7059, eine doppelte Schicht aus dem Glas 7059 und Silo2, eine Schicht aus (SiO2)0,5 5~(Al203)0 5 und eine Schicht aus Aluminiumoxid. Man bereitet Proben durch Kombinieren dieser Schichten. Um die Beobachtung des Zusammenfließens oder des Zusammenballens des InSb-Dünnfilms 12 zu erleichtern, wird bei diesem Beispiel die Substratoberfläche mit einem Kanal einer Tiefe versehen, die der gewünschten Dicke des InSb-Dünnfilms entspricht, worauf der InSb-Dünnfilm auf der gesamten Oberfläche mit einer Dicke abgeschieden wird, die geringfügig größer ist als die Tiefe des Kanals. Dann wird der InSb-Film von deren anderen Bereichen, mit Ausnahme des Kanalbereiches durch Läppen entfernt, so daß die in dem Kanal vorhandene Schicht zurückbleibt, worauf eine isolierende Deckschicht 13 aufgebracht wird. Bei der Anwendung einer Schicht aus (SiO2)0,5.(Al2O3)0,5 bildet man die Schicht mit Hilfe eines bekannten chemischen Aufdampfverfahrens, bei dem man beispielsweise Monosilan und Triisobutylaluminium einsetzt. Von den in dieser Weise erhaltenen Elementen sind die guten, die frei von einem Zusammenfließen oder einer Zusammenballung des InSb-Films sind, als Schnittansichten in den Fig. 1c und 1d dargestellt.
  • In der Fig. 1c ist der Fall wiedergegeben, daß eine einzige Deckschicht vorhanden ist, während die Fig. ld den Fall verdeutlicht, bei dem zwei Deckschichten aufgebracht sind. In der Fig. 1d steht die Bezugsziffer 13 für die isolierende Schicht aus dem Glas 7059, während die Bezugsziffer 14 für die auf der Schicht aus dem Glas 7059 aufgebrachte zusätzliche SiO2-Schicht steht.
  • Zur Verdeutlichung der Zusammenballung oder des Zusammenfließens der InSb-Dünnfilme sind verschiedene Kombinationen aus Deckschichten und Unterschichten verwendet worden. Die Fig. 2 läßt Schnittansichten dieser verschiedenen Elemente erkennen.
  • Aus der Figur ist ohne weiteres zu ersehen, daß die stark umrandeten Kombinationen jene sind, die die InSb-Dünnfilme mit guter Qualität ergeben, während bei den anderen InSb-Filmen eine Zusammenballung oder ein Zusammenfließen der inSb-Dünnfilme erfolgt oder sich Risse in der Deckschicht bilden.
  • Es ist weiterhin ersichtlich, daß es erfindungsgemäß wesentlich ist, daß die Dicke des InSb-Dünnfilms höchstens 0,2 µm beträgt und daß die unter und über dem InSb-Dünnfilm vorhandenen Unterschichten bzw. Deckschichten Schichten sind, die aus li##iumoxid oder einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% AIuminiumozid enthält, bestehen.
  • Wie oben genauer erläutert, kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der InSb-Dünnfilm mit guter Qualtat, der eine Dicke ke von höchstens 0,2 µm aufweist und zwischen die Schichten aus dem anorganischen isolierenden Material eingebettet ist, gescbitolzen und rekristailisiert werden, ohne daß sich Risse in den Schichten aus dem anorganischen isolierenden aterial bilden. Neben dem in den Beispielen beschriebenen Zonenschmelzverfahren und dem normalen Erstarrungs oder Gefrierverfahren kann nan als Schmelzverfahren auch die halogene Schmelzmethode anwenden, gemäß der das gesamte Substrat gleichmäBig oder homogen erhitzt wird. Durch die Rekristallisation des aus einer großen Vielzahl von Vielzahl von sehr kleinen Kristalliten bestehenden inSb-Dünnfilms kann man ohne weiteres einen qualitativ hochwertigen InS-Dünnfilm mit großer Kristallkorngröße herstellen, dessen Verunreinigungskonzentration aufgrund des Reinigungseffektes gering ist und der zusätzlich eine plane bzw. ebene Oberfläche aufweist. Bei dem erhaltenen Insb-Dünn filmelement beträgt die Dicke des InSb-Dünnfilms höchstens 0,2 pm, wobei dieser InSb-Dünnfilm eine hohe Elektronenbeweglichkeit aufweist. Daher besitzt auch das erfindungsgeiäß her~ gestellte Element gute elektronische Eigenschaften.
  • Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die in den Beispielen angegebenen Dicken des Substrats, Methoden zur Abscheidung der isolierenden Schichten Methoden zur Bildung des InSb-Dünnfilms nnd Methoden zum Schmelzen und Rekristallisieren des InSb-Films beschränkt ist.
  • Leerseite

Claims (28)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von InSb-Dünnfilmelementen, dadurch gekennzeichnet, daß man 1) ein Substrat herstellt, das mindestens eine Oberfläche aus Aluminiumoxid oder einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, aufweist, und auf der Oberfläche des Substrats einen InSb-Dünnfilm ausbildet, dessen Dicke höchstens 0,2 pm beträgt; 2) auf dem InSb-Dünnfilm eine Schicht aus Aluminiumoxid oder einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, abscheidet; 3) den InSb-Dünnfilm auf eine über dem Schmelzpunkt des InSb liegende Temperatur erhitzt; und 4) den InSb-Dünnfilm abkühlt und das InSb rekristallisiert.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des in der Stufe 1) gebildeten InSb-Dünnfilms in einem Bereich von 0,01 pm bis 0,2 Sm liegt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des in der Stufe 1) gebildeten InSb-Dünnfilms im Bereich von 0,04 pm bis 0,1 pm liegt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Stufe 1) ein Substrat herstellt, dessen Oberfläche aus Aluminiumoxid besteht.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Stufe 2) eine Schicht aus Aluminiumoxid auf den InSb-Dünnfilm abscheidet.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Stufe 1) ein Substrat herstellt, dessen Oberfläche aus einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, besteht.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Stufe 1) als anorganisches isolierendes Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, zur Ausbildung der Oberfläche des Substrats ein glasiges Material ausgewählt aus der Gruppe, die ein glasiges Material aus einem Oxid und Glimmer umfaßt, einsetzt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die in der Stufe 2) auf dem InSb-Dünnfilm abgeschiedene Schicht aus einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, herstellt.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Stufe 2) als anorganisches isolierendes Material, das mindestens 12 #l-%Aluminiumoxid enthält und auf den InSb-Dünnfilm abgeschieden wird, einen Vertreter der Gruppe verwendet, die ein glasiges Material aus einem Oxid und Glimmer umfaßt.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Stufe 2) die Schicht mit einer Dicke im Bereich von 0,05 Zm bis 1 zm auf dem InSb-Dünnfilm abscheidet.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Stufe 2) auf den InSb-Dünnfilm abgeschiedene Schicht eine Dicke im Bereich von 0,05 bis 0,6 jim aufweist.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Abscheiden der Schicht auf dem InSb-Dünnfilm in der Stufe 2) zusätzlich eine harte Glasschicht aufbringt.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Stufe 3) eine Heiztemperatur von 5250C bis 10000C anwendet.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Stufe 3) den InSb-Dünnfilm durch Zonenschmelzen erhitzt.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nach der Durchführung der Stufe 4 mindestens einen Teil der in der Stufe 2 gebildeten Schicht wieder entfernt.
  16. 16. InSb-Dünnfilmelement, gekennzeichnet durch ein Substrat, das mindestens eine Oberfläche aus Aluminiumoxid oder einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, aufweist, einen auf der Oberfläche des Substrats aufgebrachten InSb-Dünnfilm mit einer Dicke von höchstens 0,2 ptm, der geschmolzen und rekristallisiert worden ist, und eine auf dem InSb-Dünnfilm aufgebrachte Schicht, die aus Aluminiumoxid oder einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, besteht.
  17. 17. InSb-Dünnfilmelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des InSb-Dünnfilms im Bereich von 0,01 Fm bis 0,2 ßm liegt.
  18. 18. InSb-Dünnfilmelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des InSb-Dünnfilms im Bereich von 0,04 gm bis 0,1 Fm liegt.
  19. 19. InSb-Dünnfilmelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Substrats aus Aluminiumoxid besteht.
  20. 20. InSb-Dünnfilmelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den InSb-Dünnfilm abgeschiedene Schicht aus Aluminiumoxid besteht.
  21. 21. InSb-Dünnfilmelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Substrats aus einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, besteht.
  22. 22. InSb-Dünnfilmelement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische isolierende Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält und die Oberfläche des Substrats bildet, aus der Gruppe ausgewählt ist, die ein glasiges Material aus einem Oxid und Glimmer umfaßt.
  23. 23. InSb-Dünnfilmelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem InSb-Dünnfilm abgeschiedene Schicht aus einem anorganischen isolierenden Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält, besteht.
  24. 24. InSb-Dünnfilmelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische isolierende Material, das mindestens 12 Mol-% Aluminiumoxid enthält und auf dem InSb-Dünnfilm aufgebracht ist, aus der Gruppe ausgewählt ist, die ein glasiges Material aus einem Oxid und Glimmer umfaßt.
  25. 25. InSb-Dünnfilmelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichne, daß die Dicke der auf dem InSb-Dünnfilm aufgebrachten Schicht in einem Bereich von 0,05 pm bis 1 pm liegt.
  26. 26. InSb-Dünnfilmelement nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der auf dem InSb-Dünnfilm aufgebrachten Schicht in einem Bereich von 0,05 pm bis 0,6 jim liegt.
  27. 27. InSb-Dünnfilmelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den InSb-Dünnfilm bedeckenden Schicht eine weitere Schicht aus einem harten Glas vorhanden ist.
  28. 28. InSb-Dünnfilmelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß an einer vorherbestimmten Stelle der auf dem InSb-Dünnfilm aufgebrachten Schicht ein bis zu dem InSb-Dünnfilm reichendes Loch vorherbestimmter Form zur Aufnahme einer Elektrode angeordnet ist.
DE19762647949 1975-10-24 1976-10-22 Verfahren zur herstellung von insb- duennfilmelementen und die dabei erhaltenen produkte Ceased DE2647949A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3124456A1 (de) * 1980-06-23 1982-04-08 Futaba Denshi Kogyo K.K., Mobara, Chiba Halbleiterbauelement sowie verfahren zu dessen herstellung

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