DE3616358C2 - Verfahren zum Aufwachsen einer GaAs-Einkristallschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufwachsen einer GaAs-Einkristallschicht.

Bisher sind als ein epitaktisches Gasphasenverfahren, um eine Kristallschicht eines Halbleiters zu erhalten, ein organisches, metallisches Gas-Phasen-Aufwachsverfahren (das nachstehend als "MO-CVD-Verfahren" bezeichnet wird) und ein epitaktisches Molekularstrahlverfahren (das nach­ stehend als "MBE-Verfahren" bezeichnet wird) bekannt gewesen. Wenn jedoch ein Verbindungshalbleiter zwischen der Gruppe III und der Gruppe IV wie in GaAs durch das MO-CVD-Verfahren aufgewachsen wird, werden Elemente der Gruppe III und der Gruppe V als Quelle zusammen mit einem Wasserstoffgas als Träger gleichzeitig eingeleitet, damit sie durch thermisches Spalten aufwachsen können, folglich weist die gewachsene Schicht eine geringe Qualität auf. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Größenordnung der einzigen Molekularschicht schwierig zu steuern ist.

Bei dem MBE-Verfahren, das als ein Kristall-Aufwachsverfahren bekannt ist, bei welchem ein suprahohes Vakuum ausgenutzt wird, wird eine physikalische Adsorption als eine erste Stufe angewendet und folglich ist die dabei erhaltene Kristallqualität niedriger als bei dem Gasphasen-Aufwachsverfahren, bei dem eine chemische Reaktion ausgenutzt wird. Wenn ein Verbindungshalbleiter der Gruppen III bis V, wie GaAs, aufgewachsen wird, werden Elemente der Gruppen III und V als Quelle verwendet, wobei die Quelle selbst in einer Aufwachskammer untergebracht ist.

Daher ist es schwierig, das emittierte Gas, welches durch Aufheizen der Quelle erhalten worden ist, sowie die Ver­ dampfungsmenge zu steuern, und die Quelle zuzuführen; auch ist es schwierig, die Aufwachsrate über einen langen Zeit­ abschnitt konstant zu halten. Ferner wird eine Vakuumeinrich­ tung, wie beispielsweise ein Absaugen von verdampften Ma­ terial, schwierig. Darüber hinaus ist es schwierig, die Stöchiometrie des Verbindungshalbleiters genau zu steuern, und deswegen ergibt sich die Schwierigkeit, daß ein Kristall hoher Güte auf diese Weise nicht erhalten werden kann.

Im Hinblick hierauf ist von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung bereits früher ein Halbleiterkristall-Aufwachs­ verfahren vorgeschlagen worden, bei welchem eine aufgewach­ sene dünne Schicht in der Größenordnung einer einzigen Mole­ kularschicht steuerbar ist (siehe die japanischen Patentan­ meldungen Nr. 153 977/1984 und 153 978/1984). Dies wird anhand von Fig. 5 erläutert.

In Fig. 5 sind dargestellt, ein Aufwachsgefäß 1, welches aus Metall, wie rostfreiem Stahl, hergestellt ist, ein Absperr­ schieber oder Ventil 2, eine Unterdruckkammer 3, um in der Aufwachskammer 1 ein suprahohes Vakuum auszubilden, Düsen 4 und 5 zum Einleiten gasförmiger Komponenten der Verbindungen der Elemente der Gruppe III, IV und der Gruppe V von Verbindungshalbleitern der Gruppe III bis V, Ventile 6, 7 zum Öffnen und Schließen der Düsen 4 und 5, eine gasförmige Verbindung 8, welche eine Elementkomponente der Gruppe III enthält, eine gasförmige Verbindung 9, welche eine Elementkomponente oder Gruppe V enthält, und eine Heizeinrichtung 10 zum Heizen der Unterlage, welche ein Wolfram-(W)Draht ist, welcher in Quarzglas versiegelt ist, wobei der Draht u.ä. nicht darge­ stellt ist. Ferner sind ein Thermoelement 11 zum Messen der Temperatur, eine Unterlage 12 für einen Verbindungshalbleiter, und ein Druckmesser 13 vorgesehen, um den Vakuumwert in dem Aufwachsgefäß zu messen.

Das Verfahren für das epitaktische Aufwachsen von einzelnen GaAs-Molekularschichten auf der Unterlage 12 wird auf fol­ gende Weise erreicht. Das Absperrventil 2 wird geöffnet, und das Innere des Aufwachsgefäßes 1 wird durch die ein suprahohes Vakuum erzeugende Absaugeinrichtung 3 in der Größenordnung von 10^-7 bis 10^-8 Pascal (Pa) evakuiert. Als nächstes wird die GaAs-Unterlage 12 mittels der Heiz­ einrichtung 10 auf 300 bis 800°C erhitzt und das Ventil 6 wird geöffnet, um Trimethylgallium (TMC) 8 als ein Ga enthaltendes Gas für 0,5 bis 10 s in dem Bereich einzu­ leiten, da der Druck in dem Aufwachsgefäß bei 10^-1 bis 10^-7 Pa liegt. Danach wird, nachdem das Ventil 6 ge­ schlossen ist, um das Gas in dem Aufwachsgefäß 1 zu evakuieren, das Ventil 7 geöffnet, um Arsin (AsH₃) 9 als ein As enthaltendes Gas für 2 bis 200 s in dem Bereich in das Gefäß einzuleiten, das der Druck bei 10^-1 bis 10^-7 Pa liegt. Dadurch kann zumindest eine Molekularschicht aus GaAs auf der Unterlage 12 aufwachsen. Die vorerwähnten Operationsschritte werden wiederholt, um nacheinander ein­ zelne Molekularschichten aufzuwachsen, wodurch die epi­ taktisch gewachsene Schicht aus GaAs mit der gewünschten Dicke mit der Genauigkeit einer einzigen Molekularschicht aufwachsen kann.

Wenn bei dem Kristallaufwachsverfahren die Temperatur bei dem Kristallwachstum erhöht wird, sind Gitterleerstellen, d. h. Atome zwischen den Gitterstellen u.ä. vorhanden. Außerdem werden Störstellen aufgrund der Selbstdotierung u.ä. aufgenommen, was im Hinblick auf Wachsen von Kristallen mit einer hohen Vollkommenheit nicht vorteilhaft ist. Um dies zu vermeiden, müssen Kristalle aufwachsen, ohne daß die Temperatur erhöht wird. Bei dem vorstehend vorge­ schlagenen Kristallaufwachsverfahren ist jedoch die Kristall­ aufwachstemperatur verhältnismäßig hoch, sie reicht näm­ lich von 300 bis 800°C. Folglich kann kein hochvollkommener Einkristall aus GaAs erhalten werden.

In der auf die Anmelderin zurückgehenden älteren Anmeldung DE 35 26 824 A1 ist ein Verfahren zum Aufwachsen einer Galliumarsenit-Einkristallschicht auf einer Unterlage in Form einer Halbleiterunterlage beschrieben, bei dem Triethylgallium und Arsin zur Erzeugung des III-V-Halbleiters herangezogen werden. Für den Aufwachsprozeß kommen danach Drücke von 10^-7 bis 10^-8 Pa und Temperaturen ab 300°C in Frage. Auch die Zykluszeiten und Drücke sowie die Wiederholsequenzen der einzelnen Schritte sind mit dem gemäß der vorliegenden Erfindung durchaus vergleichbar. Allerdings werden in der älteren Anmeldung zu hohe Temperaturen für das Verfahren zum Aufwachsen einer Galliumarsenit-Einkristallschicht vor­ geschlagen, die dazu führen, daß die aufgewachsenen Kristallschichten wenigstens bezüglich der Verfahrensmaterialien Triethylgallium und Arsin keine ausreichende Produktqualität ergeben.

Gemäß der Erfindung soll daher ein Verfahren zum Aufwachsen einer GaAs-Halbleiter-Einkristallschicht geschaffen werden, welches eine hohe Genauigkeit in der Größenordnung einer einzigen Molekularschicht schafft, wobei dann die vorerwähnten Schwierigkeiten überwunden sind. Gemäß der Erfindung wird dies bei einem Verfahren zum Aufwachsen einer GaAs-Ein­ kristallschicht durch die Merkmale im Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Erfindung sind die Verfahren, die vorher von den Erfindern vorgeschlagen worden sind, weiter entwickelt worden, so daß Triethylgallium (TEG) und Arsin (AsH₃) als Gas­ Quellen verwendet werden, wobei diese abwechselnd in das Auf­ wachsgefäß unter einem vorherbestimmten Druck einen vorher­ bestimmten Zeitabschnitt lang eingeleitet werden, um dadurch eine hochreine GaAs-Einkristallschicht bei einer niedrigen Temperatur unter 300°C zu erhalten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Aus­ führungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeich­ nungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau einer Kristallaufwachseinrichtung
zum Aufwachsen einer Kristallstruktur gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Kurvendarstellung, in welcher die Beziehung zwischen der aufgewachsenen Schichtdicke eines Kristalls, welches mit der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung hergestellt worden ist, und einer Temperatur einer Unterlage dargestellt ist;

Fig. 3 eine Kurvendarstellung, in welcher die Bezie­ hung zwischen der aufgewachsenen Schichtdicke und der Menge an eingeleitetem Triethylgallium (TEG) dargestellt ist, wenn die Unterlagen­ temperatur 290°C beträgt;

Fig. 4 eine Kurvendarstellung, in welcher die Be­ ziehung zwischen der Dichte von Störstellen in der aufgewachsenen Schicht, wobei Triethylgallium (TEG) und Arsin (AsH₃) als die Gasquellen verwendet sind, und die Beweg­ lichkeit im Vergleich zu einer herkömmlichen epitaktischen dünnen Molekularschicht darge­ stellt ist, und

Fig. 5 einen Aufbau einer Kristallaufwachseinrichtung gemäß dem Stand der Technik.

In Fig. 1 ist der Aufbau einer Einrichtung zum Aufwachsen einer epitaktischen Molekularschicht einer Kristallstruktur gemäß der Erfindung dargestellt. Hierbei bezeichnen dieselben Bezugszeichen in Fig. 1 wie diejenigen in Fig. 5 dieselben oder entsprechende Teile wie in Fig. 5, außer daß eine Infrarotlampe 30 als Heizquelle verwendet wird; die Infrarotlampe ist in einem Lampengehäuse 31 außerhalb des Aufwachsgefäßes 1 untergebracht; von dem Lampengehäuse 31 emittierte Infrarotstrahlen werden durch ein Quarzglas 32 auf eine Unterlage 12 gestrahlt, um die Unterlage 12 zu erwärmen, die auf einem Träger gehalten ist. Diese Einrichtung wird verwendet, und es wird Triethylgallium (TEG) 6 als Ga enthaltendes Gas unter einem Druck von 10^-3 bis 10^-4 Pa für 2 bis 60 s eingeleitet und für 1 bis 20 s evakuiert. Dann wird Arsin (AsH₃) 9 als eine As enthaltendes Gas unter einem Druck von 10^-1 bis 10^-3 Pa für 2 bis 60 s ein­ geleitet und dann für 1 bis 20 s evakuiert. Dadurch kann eine einzige Molekularschicht aus GaAs auf der Unterlage 12 auf­ wachsen. Die vorbeschriebenen Operationsschritte werden wie­ derholt, um nacheinander einzelne Molekularschichten aufzu­ wachsen, wodurch dann eine gewachsene Einkristallschicht aus GaAs gewünschter Dicke mit der Genauigkeit einer einzigen Molekularschicht aufwachsen kann.

Fig. 2 zeigt eine gewachsene Schichtdicke in Richtung einer <111< B-Fläche der GaAs-Schicht pro Zyklus bei einer Temperatur von 260°C bis unter 300°C mit der Temperatur der Unterlage als Parameter, wobei in diesem Fall Triethylgallium (TEG) und Arsin (AsH₃) als einzuleitende Gase verwendet werden. Wenn die Unterlagentemperatur 290°C beträgt, ergibt sich die GaAs- Schicht pro Zyklus zu 3,2 Å, was einer Molekularschicht ent­ spricht. Die Aufwachstemperatur der vorerwähnten 260°C ist eine Temperatur, welche um etwa 90°C niedriger liegt, als die minimale Kristallwachstumstemperatur von 350°C bei dem Kristallaufwachsverfahren, das auf einer Kombina­ tion von Trimethylgallium (TMC) und Arsin (AsH₃) beruht, was vorher von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung vor­ geschlagen worden ist.

Fig. 3 zeigt eine gewachsene Schichtdicke aus GaAs pro Zyklus, wobei die Unterlagentemperatur 290°C beträgt der Gaseinleitungsdruck 10^-1 bis 10^-2 Pa bzw. 10^-3 bis 10^-4 Pa ist, die Einleitungszeit 2 bis 60 s beträgt, und die Evakuierungszeit 2 bis 20 s beträgt, wobei die Einleitungsmenge an Triethylgallium (TEG) pro Zyklus als ein Parameter verwendet ist. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, wird, wenn die Menge des pro Zyklus eingeleiteten Triethylgalliums (TEG) ansteigt, die gewachsene Schichtdicke gesättigt. Wenn folglich das Aufwachsen durchgeführt wird, wenn die Menge an eingeleitetem Gas über dem gesättigten Wert liegt, würde, selbst wenn sich die Menge an eingeleitetem Gas etwas ändern würde, das Wachstum einer Molekularschicht pro Zyklus wirksam erhalten bleiben. Ferner kann die Schichtdicke mit der Genauigkeit eines Atoms gesteuert werden. Die epitaktisch aufgewachsene Schicht des auf diese Weise erhaltene s GaAs wurde durch Elektronenstrahlbeugung und Röntgenstrahlbeugung mit dem Ergebnis geprüft, daß die Schicht eine Einkristallschicht mit einer sehr hohen Vollkommenheit war.

In Fig. 4 ist die Beziehung zwischen der Dichte von Stör­ stellen einer Schicht, welche durch epitaktisches Moleku­ larschichtaufwachsen mit Triethylgallium (TEG) und Arsin (AsH₃) als Gasquellen ausgebildet worden ist, und der Beweg­ lichkeit im Vergleich zu einer herkömmlichen epitaktisch aufgewachsenen Molekularschicht dargestellt, welche aus Triemethylgallium (TMG) und Arsin (AsH₃) gebildet ist. In Fig. 4 ist die mit A bezeichnete Kurve ein theoretisch berechneter Wert, wobei der mit B bezeichnete Punkt eine aufgewachsene Schicht ist, wobei TEG und AsH₃ als Gas­ quellen verwendet sind, und wobei der mit C bezeichnete Punkt ein herkömmliches, epitaktisches Molekularschicht-Aufwachs­ gefäß ist. Wie aus dieser Figur zu ersehen ist, war bisher die Dichte an Störstellen 10¹⁸ bis 10²⁰ cm^-3 hoch, und die Beweglichkeit war kleiner als 100 cm²v_-1 S_-1, während bei der Erfindung die Dichte an Störstellen um 2 bis 3 Stellen, d. h. auf 10¹⁵ bis 10¹⁷ cm^-3 verbessert wurde, und die Be­ weglichkeit ein Wert war, der nahe bei dem theoretischen Wert, d. h. bei 360 cm²v⁻s^-1 liegt. Die auf diese Weise erhaltene, aufgewachsene dünne Schicht wurde unter Versuchs­ bedingungen hergestellt, wobei der Druck von Triethylgallium (TEG) 10^-3 bis 10^-4 Pa beträgt, der Druck von Arsin (AsH₃) 10^-1 bis 10^-2 Pa ist, die Einleitungszeit zwischen 2 bis 60 s liegt, und die Evakuierungszeit 2 bis 20 s beträgt. Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, ist die gemäß der Erfindung auf­ gewachsene Schicht im Vergleich mit dem Ergebnis, daß mit dem herkömmlichen epitaktischen Molekularschichtaufwachsen erhalten worden ist, ein besonders ausgezeichneter hoch­ reiner Einkristall. Die Dichte von Störstellen des auf diese Weise erhaltenen Kristalls war kleiner als 10¹⁵cm^-3 und die Beweglichkeit lag bei über 360 cm²v^-1s^-1.

Wie vorstehend ausgeführt, können gemäß der Erfindung Kristalle nacheinander aufgewachsen werden, die Stöchiometrie kann ohne weiteres erfüllt werden und die Unterlagentemperatur ist niedrig. Daher ist es möglich, ein Einkristall mit guter Qualität und mit einem Minimum an Gitterfehlern auf der Unterlage auszubilden.

Darüber hinaus kann ein Hinzufügen von Störstellen in der Schicht vorgenommen werden, und daher kann eine äußerst scharfe Dichteverteilung von Störstellen erhalten werden, somit kann eine ausgezeichnete Arbeitsweise erreicht werden und es können Hochleitungstransistoren, integrierte Schal­ tungen, Diodenlicht emittierende Elemente u.ä. hergestellt werden.

Claims (3)

1. Verfahren zum Aufwachsen einer GaAs-Einkristallschicht auf einer Unterlage, insbesondere Halbleiterunterlage, die einem evakuierbaren Aufwachsgefäß angeordnet ist, welches zunächst auf ein Vakuum von 10^-7 bis 10^-8 Pa evakuiert wird, wonach

• a) die Unterlage auf eine Temperatur von 260°C bis unter 300°C erhitzt wird,
• b) dann in das Aufwachsgefäß Triethylgallium (TEG) während einer Dauer von 2 bis 60 Sekunden eingeleitet wird, wobei der Druck von Triethylgallium (TEG) auf 10^-3 bis 10^-4 Pa gehalten wird,
• c) das Triethylgallium (TEG) dann aus dem Aufwachsgefaß evakuiert wird,
• d) unter Beibehaltung der Temperatur der Unterlage dann in das Aufwachsgefäß Arsin (AsH₃) für 2 bis 60 Sekunden eingeleitet wird, wobei der Druck des Arsins (AsH₃) auf einem Wert von 10^-1 bis 10^-2 Pa gehalten wird,
• e) das Arsin (AsH₃) dann aus dem Aufwachsgefäß evakuiert wird, und
• f) die Schritte a) bis e) mehrmals wiederholt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizquelle eine Infrarotlampe (30) aufweist, die außerhalb des Aufwachsgefäßes (1) vorgesehen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Anzahl von Molekularschichten pro Zyklus einer Gaseinleitung kleiner als 2, bevorzugt etwa 1 ist.