DE2225824A1 - Halbleiterbauelement mit einem isolierenden substrat und einer monokristallinen halbleiterschicht und verfahren zur herstellung eines solchen halbleiterbauelements - Google Patents

Halbleiterbauelement mit einem isolierenden substrat und einer monokristallinen halbleiterschicht und verfahren zur herstellung eines solchen halbleiterbauelements

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Description

7377-72 Dr.ν.B/E
RCA 64,145
US-Ser.NO. 175,547
Filed: August 27, 1971
RCA Corporation
New York N.Y.(V.St.A.)
Halbleiterbauelement mit einem Isolierenden Substrat und einer monokristallinen Halbleiterschicht und Verfahren zur Herstellung eines
solchen Halbleiterbauelements
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem monokristallinen, isolierenden Substrat und einer auf diesem angeordneten monokristallinen Halbleiterschicht. Ferner betrifft die Erfidung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Halbleiterbauelements bzw. einer Heterostruktur aus einer Schicht aus einem AjjjB^Halbleitermaterial auf einem isolierenden Substrat.
Es ist bekannt, verschiedene Aj^By-Halbleitermaterialien, wie die Nitride, Phosphide, Arsenide und Antimonide des Bors, Aluminiums, Galliums und Indiums direkt auf Substraten aus A11-By- und anderen Halbleitern zu züchten, dem heteroepitaktischen Züchten von A111B7-Verbindungen direkt auf isolierenden monokristallinen Substraten war bisher jedoch wenig Erfolg beschieden. Es ist in diesem Zusammenhange bekannt, auf eine Substratscheibe zuerst eine Kristallisationskernschicht aus Silicium oder Germanium aufzubringen und dann auf dieser
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durch Abscheiden aus der Dampfphase unter Verwendung von Reaktionspartnern, wie Galliumtrichlorid und Arsenwasserstoff eine epitaktische Schicht aus einer A111B^-Verbindung zu züchten.
Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, die A___B -Verbindung unter Verwendung einer metallorganischen Verbindung wie Galliumtrimethyl direkt auf einem isolierenden Substrat niederzuschlagen. Nachteilig an diesem Verfahren ist,daß sie eine übermäBige Körnigkeit zeigen, die durch das Auftreten von Mosaikstrukturen in Erscheinung tritt.
Es ist ferner bekannt, GaAs homoepitaktisch auf monokristallinen GaAs-Substraten abzusheiden. Ein homoepitaktisches Abscheiden aus der flüssigen Phase wurde zuerst durch Nelson in der Veröffentlichung "Epitaxial Growth from the Liquid State and Its Application to the Fabrication of Tunnel and Laser Diodes" im RCA Review,'Dezember 1963, Seiten 603 ff beschrieben. Bei diesem Verfahren wird GaAs in geschmolzenem Gallium gelöst und anschließend durch Abkühlen der Schmelze auf einem Impfkristall abgeschieden.
Durch Weiterentwicklungen und Abwandlungen dieses LPE-Verfahrens (LPE= liquid phase epitaxial) war es möglich, brauchbare GaAs-Bauelemente wie lichtemittierende Dioden, Injektionslaser und Gunn-Oszillatoren herzustellen. Das LPE-Verfahren eignet sich auch zum homoepitaktischen Züchten von GaP-Schichten. Es ist jedoch dadurch einer erheblichen Beschränkung unterworfen, daß bisher eine wirtschaftliche Herstellung von großen monokristallinen Substratschichten aus Galliumarsenid oder Galliumphosphid nicht möglich war.
Bei Halbleitereinrichtungen mit einer Schicht aus filnem Äj-j-Dy-Halbleltermateriai, die auf einem isolierenden SuI)Strat durch chemisches Abscheiden aus der Dampfphase mitteln einer metallorganischen Verbindung oder durch Verwendung einer Krlatallisationakernschicht aus Silicium oder Germanium
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hergestellt wurde, war es andererseits bisher nicht möglich, pnübergänge mit der erforderlichen hohen Qualität zu erzeugen.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement mit einem A111B-Halbleitermaterial auf einem monokristallinen isolierenden Substrat sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, die frei von den oben geschilderten Nachtellen sind, also bei denen das Halbleitermaterial eine einwandfreie monokristalline Struktur hat und einwandfreie pn-übergänge gebildet werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Halbleiterschicht aus der A-._-i-By-Verbindung einen ersten Teil aus einer aus der Dampfphase niedergeschlagenen A11-B -Verbindung sowie einen mit diesem zusammenhängenden zweiten Teil aus einer aus der flüssigen Phase niedergeschlagenen A111By-Verbindung enthält. Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen einer Schicht aus einer A111By-HaIbleiterverbindung auf einem isolierenden Substrat besteht dementsprechend aus zwei Stufen, wobei zuerst eine A^I3.By-Verbindung aus der Dampfphase auf einem isolierenden Substrat niedergeschlagen wird und dann das Züchten der Halbleiterschicht durch epitaktisches Abscheiden einer A1 .--By-Ver bindung aus der flüssigen Phase fortgesetzt wird, wobei die beiden Teile der Halbleiterschicht kontinuierlich ineinander übergehen.
Ein auf diese Weise hergestelltes Halbleiterbauelement mit einer Galliumarsenidschicht auf einem isolierenden Substrat zeichnet sich durch einen besseren Frequenzgang und eine höhere Temperaturbeständigkeit aus als Bauelemente aus massivem Galliumarsenid und Silicium-Isolator-Heterostrukturen.
Die Erfindung läßt sich insbesondere auf ein Halbleiterbauelement anwenden, das eine Matrix aus lichtemittierenden
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Elnrichtungen enthält, die auf einer Oberfläche des Substrats angeordnet sind und und das Licht durch die andere Oberfläche emittiere«.Bei der Herstellung einer solchen Anordnung wird auf einem isolierenden Substrat eine monokristalline Schicht aus einer A11-B -Halbleiterverbindung aus der Dampfphase epitaktisch niedergeschlagen, dann wird diese Schicht zum Teil wieder gelöst und das Züchten der Schicht wird schließlich durch epitaktisches Abscheiden aus der flüssigen Phase fortgesetzt.
Der Erfindungsgedanke sowie Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Apparatur zum epitaktischen Abscheiden von A___BV-Verbindungen aus der Dampfphase;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Teiles einer cm epitaktischen Nie<
düngen aus der flüssigen Phase;
Apparatur zum epitaktischen Niederschlagen von A__.j.B -Verbin-
Fig. 3 einen Querschnitt eines Teiles einer isolierenden Substratscheibe, auf der sich eine Schicht aus einer A---By-Verbindung befindet, die durch das vorliegende Verfahren niedergeschlagen wurde;
Fig. 4 eine Mikrophotographie eines Teiles einer isolierenden Substratscheibe, auf der sich eine Schicht aus einer A11jB-.-Verbindung befindet, die durch das vorliegende Verfahren niedergeschlagen wurde;
Fig. 5 einen Querschnitt eines Teiles eines isolierenden Substrats mit zwei Schichten aus A111B^Verbindungen enttetengesetzter Leitungstypen, von denen die zweite Schicht aus
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der flüssigen Phase epitaktisch niedergeschlagen ist und den entgegengesetzten Leitungstyp hat wie die erste Schicht;
Fig. 6 einen Querschnitt eines Teiles eines isolierenden Substrats,auf dem sich mehrere lichtemittierende Dioden befinden, und
Fig. 7 eine geschnittene, perspektivische Ansicht einer 4x4-Diodenmatrix auf einem transparenten isolierenden Sub— strat, dessen eine Seite die Diodenmatrix trägt, während die andere Seite die Vorderseite einer Anzeigevorrichtung bildete
Beispiel I
Bei der Herstellung der vorliegenden Halbleiterbau- · elemente wird auf einem isolierenden Substrat in zwei Stufen eine monokristalline Α..^Β^-Verbindungshalbleiterschicht niedergeschlagen, die im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich verbesserte Eigenschaften aufweist. Allgemein gesagt, erfolgt das Niederschlagen der AII:].BV-Verbindung bei dem vorliegenden Verfahren dadurch, daß man zuerst einen Teil der Schicht durch ein bekanntes chemisches Verfahren bildet, bei dem das Niederschlagen mittels eines Dampfes erfolgt, der mittels einer metallorganischen Verbindung, die gewöhnlich das Element der Gruppe III enthält, erzeugtrworden ist, und dann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt einen Teil der aus der Dampfphase niedergeschlagenen Schicht wieder auflöst und ein epitaktisches Aufwachsen aus der flüssigen Phase anschließt, wobei ein zweiter Teil der Schicht aus der gleichen binären A1--Β..-Verbindung oder j. einer ternär en AIXIBV-Verbindung, die die Elemente des ersten Teiles enthält, gebildet wird. Für die beiden Teile der Schicht sind eine ganze Reihe von Kombinationen möglich, s.B.s Beide Teile können aus Galliumarsenid bestehen; Der erste Teil kaan aus Galliumarsenid und der zweite Teil aus Galllumarsenidphospliid GaAs P, „ be-
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stehen; der erste Teil kann aus Galliumarsenid und der zweite Teil aus Galliumaluminiumarsenid Ga Al1 As bestehen; beide Tel-
X X1-X
Ie der Schicht können aus Galliumphosphid GaP bestehen; der erste Teil kann aus GaP und der zweite Teil aus GaAs P1 bestehen usw.,
Ji A JW
wobei jeweils χ eine Zahl kleiner als 1 ist.
Die Güte der Substratoberfläche hat einen direkten Einfluß auf die heteroepitaktisch erzeugte A___BV-Schicht. Im vorliegenden Falle hat die Qualität der mechanisch polierten Substratscheibe eine wesentliche Bedeutung für die Güte der gezüchteten A111B -Verbindungshalbleiterschicht. Gewöhnlich sind nach dem mechanischen Polieren noch Kratzer, Erhöhungen, adsorbierte Schichten und Verunreinigungsaggregate auf der Oberfläche des Substrats vorhanden. Diese Unvollkommenheiten können bis zu einem gewissen Grade durch bekannte chemische Polierverfahren beseitigt werden. Oberflächliche Verunreinigungen eines isolierenden Substrates lassen sich häufig durch eine Ultraschallbehandlung und ein anschließendes Entfetten mit Trichloräthylen und Waschen mit Azeton, Alkohol und entionisiertem Wasser weitgehend beseitigen.
Eür das vorliegende Halbleiterbauelement kann praktisch jedes monochristalline isolierende Substrat verwendet werden, also besonders geeignet haben sich jedoch Substrate aus Metalloxidkeramik erwiesen, wie Berylliumoxid, Magnesiumaluminatspinell, Hagnesiumhydroxylspinell, Saphir und Thoriumoxid. Besonders interessant sind ferner monokristalline GaAs-Schichten mit einer Dicke bis zu 70 ym, die auf Magnesiumaluminatspinell-Substraten (im folgenden kurz "Spinellsubstrate") gezüchtet sind. Die erwähnten Substrate können als transparent bezeichnet werden, da sie Licht im Wellenlängenbereich zwischen 0,15 ym bis 10 ym durchlassen. Wie leicht das Züchten der epitaktischen Schichten durchgeführt werden kann, hängt wesentlich von der Kristallorientierung des Substrats ab.
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Bei den bevorzugten Ausfuhrungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung kann die erste Stufe des zweistufigen Verfahrens, also das chemische Dampfabscheide verfahren, mit Hilfe einer konventionellen Kristallzüchtungsapparatur durchgeführt werden, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Die Apparatur 9 enthält ein Reaktionsgefäß 10, in dem ein Substrat 11 auf einem Suszeptor 12 angeordnet werden kann. Der Suszeptor 12 ist mittels einer Welle 13 drehbar und durch eine Hochfrequenzspule 14 erhitzbar, die Wände des Reaktionsgefäßes 10 können dabei gleichzeitig durch einen Wassermantel 15 gekühlt werden. Der obere Teil des Reaktionsgefäßes ist, wie dargestellt,mit einem Gaseinlaß 16 verbunden, an den ein Verteiler angeahlossen ist, der zu einem Gaseinlaß 17 und Gasgeneratoren 18 und 19 angeschlossen ist.
Gewöhnlich wird zuerst durch den Gaseinlaß 17 ein Inertgas eingelassen und die ganze Apparatur gründlich mit diesem Ibertgas durchgesprüht. Bei der Apparatur gemäß Fig. 1 kann dieses Inertgas gleichzeitig als Trägergas für die Dampfphase einer ein Element der Gruppe III enthaltenden metallorganischen Ver- . bindungen im Generator 18 und/oder die Dampfphase eines die elektrische Leitfähigkeit beeinflussenden Materials im Generator 19 verwendet werden. Weitere Gase, wie Arsin, Phosphin, Selenwasserstoff usw. können über zusätzliche Gaseinlässe 20 eingespeist werden. Es sei bemerkt, daß die dargestellte und beschriebene Apparatur lediglich eine von vielen Möglichkeiten darstellt und daß zusätzliche Gasgeneratoren und Gaseinlässe vorgesehen werden können, z.B. kann der Generator 19 ohne Schwierigkeiten für den Transport der Gasphase einer ein Element der Gruppe V enthaltenden metallorganischen Verbindung, wie Trimethylarsin oder Trimethylphosphin in das Reaktionsgefäß umfunktioniert werden.
Der zweite Schritt des zweistufigen Verfahrens, also ' das epitaktische Kristallzüchten aus der flüssigen Phase, kann
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mittels einer konventionellen A pparatur zum Kristallzüchten aus der flüssigen Phase durchgeführt werden, z.B. der in Fig. dargestellten Apparatur 30. Das Abscheiden aus der flüssigen Phase wird typischerweise in einem Graphitschiffchen 31 durchgeführt, das in einem Rohrofen 32 gehaltert ist. Der Rohrofen 32 wird mittels einer Widerstandsdrahtwicklung 33 elektrisch geheizt. Am Boden des Schiffchens 31 ist eine Scheibe 34 aus dem Substrat 11 (Fig. 1) und der vorher mittels einer metallorganischen Verbindung niedergeschlagenen epitaktischen Schicht aus einer A___B -Verbindung durch ein Halterungselement 35 und eine etwas elastische Scheibe 36, die beide ebenfalls aus Kohlenstoff bzw. Graphit bestehen können, befestigt. Beim Erhitzen, das in der erwähnten Weise erfolgt, wird ein Teil der vorhandenen A111B -Verbindung gelöst und das Kristallzüchten wird dann mit einer Materialmischung 37 fortgesetzt, wobei sich eine qualitativ hochwertige A-^By-Schicht auf der Scheibe 34 bildet. Eine tapische geschmolzene Materialmischung 37 enthält hierfür etwa 96 bis 97 Gewichtsprozent Elemente der G ruppe III, 3 Gewichtsprozent einer A111By-Verbindung mit denselben Elementen der Gruppe III und etwa 0,01 bis 1,0 Gewichtsprozent eines die Leitfähigkeit beeinflussenden Materials (Dotierungsstoffes). Wenn die geschmolaene.Lösung oder Materialmischung 37 eine vorgegebene Temperatur erreicht hat, die als HKipptemperatur11 bezeichnet wird (nähere Angaben folgen) wird der Rohrofen 32 gekippt (in Fig. 2 in Uhrzeigerrichtung), so daß die geschmolzene Materialmischung 37 zur Hauptfläche 38 der die erste epitaktische Schicht tragenden Scheibe 34 gelangt. Die Heizung des Rohrofens 32 wird dann durch Abschalten der Wicklung 33 unterbrochen und man läßt die geschmolzene Lösung oder Materialmischung 37 auf eine vorgegebene zweite Temperatur, auf die unten noch eingegangen wird, abkühlen. Bei dieser Temperatur wird der Rohrofen 32 wieder in seine Ausgangslage, die in Fig. 2 dargestellt ist, zurückgekippt.
Bei der Züchtung des ersten Teiles der Schicht aus
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der A___B -Verbindung mittels kurzkettiger metallorganischer Alkylverbindungen, wie Galliuratrimethyl, kann man zwar mit den verschiedensten Temperaturen arbeiten, beim Züchten einer Schi&t mit diesem Material auf (111)-Spinell liegt die optimale Temperatur jedoch bei 710 0C. Wenn man nämlich bei dem oben beschriebenen Dampfphasenverfahren mit GaI liumtr intet hy 1 und Arsin arbeitet, hat das bei niedrigeren Temperaturen gezüchtete GaAs eine schlechte Kristallstruktur und das bei höheren Temperaturen gezüchtete GaAs neigt zu Inhomogenitäten. Bei Verwendung von GaIliumtrimethyl und Trimethylarsin liegt die optimale Temperatur ebenfalls bei etwa 710 0C; die optimale Temperatur für Galliuratrimethyl und Phosphin beträgt etwa 800 0C und die optimale Temperatur für GaIliumtrimethyl und Trimethy!phosphin ist ebenfalls etwa 800 0C.
Bei dem chemischen Dampfphasen-Kristallzüchtungs- * verfahren sind ferner die Strömungsverhältnisse von Bedeutung. Außer der hier beschriebenen Apparatur gibt es selbstverständlich auch andere Apparaturen, mit denen unter Verwendung von metallorganischen Verbindungen A-.-B^-Verbindungen chemisch aus der Dampfphase niedergeschlagen werden können. Die im folgenden angegebenen Gasdurchsatzwerte gelten jedoch für die beschriebene Apparatur und bei anderen Apparaturen können unter Umständen andere Durchsatzwerte benötigt werden.
Bei der beschriebenen Geometrie wurden die besten Ergebnisse mit folgenden Gasdurchsätzen erreicht:
. Trägergas H2 3,0 Liter/Min
AsH3(10% in H2) 400 cm3/Min
H2 als Trägergas für
(CH3J3Ga 40 cm3/Min.
Unter diesen Bedingungen entsteht auf dem ganzen Substrat ein gleichförmiger Niederschlag mit einer Geschwindig-
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kelt von etwa 0,8 ym/Mln. Bel höheren Strömungsgeschwindigkeiten schlägt sich das Material bevorzugt in der Mitte des Substrats nieder, während geringere Strömungsgeschwindigkeiten zu einem bevorzugten Niederschlag am Rand des Substrats führen.Die geeigneten Strömungsgeschwindigkeiten werden durch Infrarotverfahren bestimmt und mit den so bestimmten Optimalwerten läßt sich dann ein gleichförmiger Niederschlag erhalten.
Es hat sich herausgestellt, daß die Aufwachsgeschwindigkeit von der Schichtdicke abhängt. Die Aufwachsgeschwindigkefc nimmt mit der Schichtdicke bis zu etwa 10 ym zu und bleibt dann im wesentlichen konstant.
Bei dem vorliegenden Verfahren erhält man durch das Niederschlagen der A111B^-Verbindungen aus metallorganischen Materialien einen ersten Schichtteil, de^rentliehe Köhlenstoffatome enthält. Kohlenstoffatome werden auch durch das Suzeptormaterial eingeführt. Die ungefähre Kohlenstoffkonzentration im ersten Teil der ersten Schicht der unter Verwendung eines metall-
-Verbindung liegt zwi-
Diese Kohlenstoffatome wirken in dem ersten Schichtteil als Dotierungsmaterial, wobei die Dotierungswirküng durch Wahl eines entsprechenden Materials für den Suszeptor, wie Graphit oder mit Siliciumcarbid überzogenes Graphit gesteuert werden kann. Wenn bei dem epitaktischen Dampfphasen-Kristallzüchtungsverfahren ein Graphitsuszeptor verwendet wird, ist der als erstes gebildete Teil p-leitend. Auch bei Verwendung eines solchen Suszeptors werden dem aus der flüssigen Phase hergestellten Schichtteil bekannte Dotierungsstoffe zugesetzt, so daß man eine vollständig homogene p-leitende Schicht erhält. Für die Herstellung einer Schicht aus einer A1 .-.-B..-Verbindung des entgegengesetzten Leitungstyps wird ein mit Siliciumcarbid überzogener Graphitsuszeptor benutzt und in dem aus der flüssigen Phase hergestellten epitaktischen Teil werden Dotierungsstoffe vom η-Typ verwendet. Die
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organischen Materials hergestellten ATTTB -J
15 19-3
sehen etwa 1 χ 10 bis etwa 1 χ 10 cm .
222S824
-lire suit ler enden η-leitenden bzw. p-leitenden Oberflächen sind für ein anschließendes Züchten von Epitaxialschichten geeigneten Leitungstyps aus der flüssigen Phase ideal geeignet, so daß sich ohne Schwierigkeiten übergänge herstellen lassen. Die dabei erhaltenen übergänge sind scharf definiert und eben, wie es für qualitativ hochwertige Bauelemente erforderlich ist. An die auf dem isolierenden Substrat befindlichen Schichten aus den A111B-Halbleiterverbindungen wird dann durch irgend ein bekanntes Verfahren eine Elektrodenstruktur angebracht. In der Praxis der Erfindung können auch andere Dotierungsstoffe zugesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften, wie die Fähigkeit Licht zu emittieren, zu erhalten.
Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Teiles einer Magnesiumaluminat-SpinelIscheibe, auf der durch das Verfahren gemäß der Erfindung eine GaAs-Schicht gebildet worden ist. Die epitaktische Scheibe 40 enthält eine Spinellscheibe 41 mit einer (111)Oberfläche, auf der ein erster Teil 42 der GaAs-Schicht durch ein chemisches Dampfphasen-Niederschlagsverfahren bei etwa 710 0C mittels Galliumtrimethyl und Arsin niedergeschlagen worden ist. Der erste Teil 42 setzt sich ohne erkennbaren übergang in einen oberen oder zweiten Teil 43 aus GaAs fort, das in Fortsetzung des ersten Teils epitaktisch aus der flüssigen Phase gezüchtet wurde. Das epitaktische Züchten des zweiten Teiles 43 erfolgte in einer konventionellen Apparatur der oben beschriebenen Art bei etwa 700 0C. Der genaue Mechanismus des unter diesen Bedingungen stattfindenden Kristallwachstums ist zwar nicht bis in alle Einzelheiten bekannt, vermutlich sind jedoch nur wenige Korngrenzen mit kleinen Winkeln vorhanden. Diese Kristallzüchtungshypothese wird durch die Mikrophotographie gemäß Fig. 4 gestützt, die im unteren Teil die in der (111)-Richtung orientierte Spinellscheibe 41 und anschließend an diese die undeutlich getrennten Teile der GaAs-S*"chicht, die den Teilen 42 und 43 in Fig. 3 entsprechen, zeigt. Bei diesem bevorzugten
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Ausführungsbeispiel wird Galliumtrimethyldampf dadurch auf das hochfreguenzerhitzte Substrat 11 (Flg. 1) geleitet, daß man Wasserstoff, der als Trägergas dient, und durch den Einlaß 17 eingeleitet wird, durch auf etwa 0 0C gehaltenes Galliumtrimethyl perlen läßt und außerdem dem Dampf Arsin (Arsenwasserstoff) beimischt, der durch einen der Gaseinlässe 20 und die sich anschließende, Ventile und ein Strömungsmeßgerät enthaltende Leitung eingeführt wird. Wenn das Substrat aus (111)-Magnesiumaluminatspinell besteht, wird der Hochfrequenz-Suszeptor vorzugsweise auf der 710 0C betragenden optimalen Temperatur gehalten. Die Galliumtrimethyl- und Arsin-Dämpfe zersetzen sich dabei und die Bestandteile Ga und As reagieren dann unter Bildung einer GaAs-Schicht auf dem Substrat 11.
Die Reaktion wird fortgesetzt, bis sich eine etwa 10 ym dicke Schicht gebildet hat. Nach der Abkühlung wird das Substrat aus dem Reaktionsgefäß 10 entnommen und in dem Graphitschiffchen 31 (Fig. 2) befestigt, z.B. durch das dargestellte typische Halterungsglied 35 und die Beilagscheibe 36. In das Graphitschiffchen kann vorher eine gesättigte geschmolzene Mischung 37 aus 97 Gewichtsprozent Gallium, 2,99 Gewichtsprozent Galliumarsenid und 0,01.Gewichtsprozent Tellur eingebracht worden sein. Das Graphitschiffchen 31 und sein Inhalt werden dann auf die gewünschte LPE-Kipptemperatur von etwa 700 0C erhitzt. Zum Kristallzüchten wird der Rohrofen 32 so gekippt, daß die geschmolzene Mischung über die freiliegende Hauptfläche 38 der epitaktischen Scheibe 34 fließt.
Beispiel 2:
Bei einem zweiten der bevorzugten Ausführungsbeispiele wird die Schicht aus der A111B^-Verbindung ähnlich wie beim Beispiel 1 gebildet, mit der Ausnahme, daß der zweite Teil der gesättigten geschmolzenen Mischung 37, der vorher in das Graphitschiffchen 31 eingebracht wird, aus 88 Gewichtsprozent Gallium,
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8,99 Gewichtsprozent Galliumphosphid, 3 Gewichtsprozent Galliumarsenid und 0,01 Gewichtsprozent Tellur besteht. Bei Verwendung einer solchen Mischung wächst auf der vorher niedergeschlagenen ersten Schicht aus Galliumarsenid kontinuierlich eine Schicht aus Galliumarsenidphosphid auf.
Beispiel 3:
Bei dem dritten der bevorzugten Ausführungsbeispiele wird die Schicht aus der Aj^B-^-Verbindu ng ähnlich wie beim Beispiel 2 gebildet mit der Ausnahme, daß die geschmolzene Mischung 37 nun aus 79,2 Gewichtsprozent Gallium, 20 Gewichtsprozent Galliumarsenid, 0,79 Gewichtsprozent Aluminium und 0,01 Gewichtsprozent Tellur besteht. Bei Verwendung einer solchen Mischung 37 wächst auf der vorher niedergeschlagenen Galliuraarsenidschicht eine sich kontinuierlich anschließende Schicht aus GaJL-liuitialuminiumarsenid auf.
Beispiel 4:
Bei dem vierten der bevorzugten Ausführungsbeispiele wird die Schicht aus der A111B -Verbindung ähnlich wie beim Beispiel 1 gebildet, mit der Ausnahme daß bei der Bildung des ersten Teiles der epitaktischen Schicht Phosphin anstelle von Arsin verwendet wird und beim zweiten Teil des Verfahrens eine geschmolzene Mischung 37 verwendet wird, die 10 Gewichtsprozent Galliumphosphid in Gallium mit einem Zusatz von 0,3 Gewichtsprozent Zinkoxid zur Bildung einer p-leitenden Schicht und mit 0,01 Gewichtsprozent Tellur für die Bildung einer n-leitenden Schicht enthält. Bei Verwendung einer solchen Mischung 37 wächst auf der vorher niedergeschlagenen Galliumphosphidschicht eine diese kontinuierlich fortsetzende Schicht aus Galliumphosphid auf.
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-14-Beispiel 5s
Bel dem fünften der bevorzugten Ausführungsbeispiele wird die Schicht aus der AII;][BV-Verbindun g ähnlich wie beim Beispiel 2 gebildet, mit der Ausnahme, daß der erste Teil der Schicht aus Galliumphosphid besteht und gemäß Beispiel 4 hergestellt wird.
Die vorliegende Schicht aus der A^-By-Verbindung mit dem isolierenden Substrat eignet sich sehr gut für die Herstellung von integrierten Mikrowellenschaltungen, Computerschaltungen hoher Arbeitsgeschwindigkeit und optoelektronischen Einrichtungen. Durch entsprechende Maskierung des isolierenden Substrats und Anwendung der vorliegenden Erfindung sowie konventioneller Verfahren zur Herstellung von Siliciumschichten auf isolierenden Substraten können monolithische Bauelemente hergestellt werden, die z.B. lichtemittierende Dioden aus A111By-VeT-bindungen neben Silicium-Isolatorsubstrat-Transistoren enthalten, Man kann auf diese Weise die verschiedensten Bauelemente realisieren, wie photonen-gekoppelte Paare, Photonenverstärker und Verknüpfungsschaltungen.
Beispiel 6;
In Fig. 5 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Diode 50 dargestellt, die nach dem vorliegenden Verfahren hergestellt wurde. Dieses Halbleiterbauelement enthält ein isolierendes monokristallines Substrat, z.B. einen in der (Hl)-Richtung geschnittenen Spinellkristall, eine erste Schicht mit einem ersten Teil 52 und einem zweiten Teil 51, die durch das zweistufige Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurden, eine zweite Schicht 53, die epitaktisch aus der flüssigen Phase gezüchtet wurde und eine nichtdargesteilte Elektrodenanordnung. Bei diesem Bauelement wird zwischen der ersten und der zweiten
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Schicht 51, 52-53 ein übergang gebildet. Der aus der flüssigen Phase epitaktisch gebildete zweite Teil 51 der ersten Schicht hat zwei Aufgaben: Er koppelt den übergang mechanisch mit dem aus der Dampfphase gezüchteten ersten Teil 52 und liefert die Dotierung für die eine Seite des Übergangs. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel haben der zweite Teil 51 und die zweite Schicht 53 entgegengesetzte Leitungstypen, so daß sie einen pnübergang bilden. Für übliche lichtemittierende Dioden kann der
17 18 3
zweite Teil 51 mit etwa 10 bis etwa 10 Zinkatomen/cm dotiert sein, während die zweite Schicht 63 als Dotierung 10 bis
18 3
10 Telluratome/cm enthalten kann oder umgekehrt. Für die Struktur solcher Bauelemente hat es sich als optimal erwiesen, mit Kipptemperaturen im Bereich zwischen 700 und 800 0C zu arbeiten, also Temperaturen die etwas über den optimalen Temperaturen für die erste Schicht 51 liegen. Bei der aus der flüssigen Phase epitaktisch gezüchteten ersten Schicht 51 arbeitet man mit Abkühlungsgeschwindigkeiten von über 20 °C/Min, während bei der zweiten, aus der flüssigen Phase epitaktisch gezüchteten Schicht etwas geringere Abkühlungsgeschwindigkeiten zwischen etwa 10 und 20 °C/Min verwendet werden.
Beispiel 7:
Nachdem die beiden Schichten aus der flüssigen Phase epitaktisch gezüchtet worden sind, können Einrichtungen 60 (Fig. 6) gebildet werden, in dem man mesa- oder plateauartige Erhöhungen 61 aus den Schichten aus den A111B^-Verbindungen ausätzt und das isolierende Substrat dazwischen freilegt. In diesem plateauartigen Erhöhungen 61 sind die beiden Schichten mit 62 und 65 bezeichnet. Bei einer p-leitenden ersten Schicht 62 kann ein gemeinsamer p-Kontakt 63 auf irgend eine bekannte Weise hergestellt werden, z.B. durch Aufdampfen von mit Zink dotiertem Gold. Diese Struktur kann dann unter einer Passivierungsschicht 64, z.B. aus SiO2, eingebettet werden. Aus der Passivierungsschicht 64 werden
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dann Fenster zur Freilegung der zweiten Schicht 65 ausgeätzt, die bei diesem Beispiel dann η-leitend ist. Anschließend vird aus einer Gold-Zinnlegierung eine Metallisierung aufgebracht, die einen n-Kontakt 66 bildet und schließlich wird eine abschließende Passivierungsschicht 67 aufgebracht. Selbstverständlich kann man auch mit anderen Metallisierungs- oder Kontaktierungsverfahren arbeiten, z.B. in dem man bis zu einem Punkt kurz unterhalb der Oberfläche der ersten Schicht 62 ätzt und deren Rand metallisiert. Man erhält dadurch einen gemeinsamen Massekontakt für zwei oder mehr Einrichtungen. Die Metallisierung kann außerdem so gestaltet werden, daß sie eine Strahlleitanordnung bildet, wobei mit einer Reihe von Erhöhungen jeweils eine Strahlleitanordnung verbunden wird. Auf die letzte Passivierungsschicht 67 kann, falls gewünscht, eine reflektierende Schicht 68 aufgebracht werden, die alle Strahlung, welche von einer Diode nach hinten emittiert werden sollte, wieder zurückwirft. Bei dem beschriebenen Beispiel befindet sich die die Kontakte bildende Metallisierung auf der einen Seite des Bauelements und das emittierte Licht kann daher unbehindert durch das lichtdurchlässige Substrat austreten und unmittelbar zur Anzeige verwendet werden.
Beispiel 8;
Fig. 7 zeigt eine Anordnung mit einer 4x4-Diodenmatrix. Das Licht wird von den Dioden in der Richtung des bei einer Diode 71 eingezeichneten Pfeiles 72 emittiert. Das isolierende Substrat 73 ist zu Identifizierungszwecken mit einer Anzeigefläche 75 versehen. Die Dioden sind auf der Fläche 75 in der in Fig. 6 dargestellten Weise gebildet. Längs der Spalten der plateauartigen Erhöhungen 78 sind gemeinsame Anschlüsse 76 für die p-Zonen 77 gebildet. Nach der oben beschriebenen Passivierung werden die n-Zonen 79 mit gemeinsamen Anschlüssen 80 versehen, die längs der Zeilen der Matrix aus den Dioden 71 verlaufen.
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Nachdem die erste S chicht in der oben beschriebenen Weise gezüchtet worden ist, kann die weitere Fertigung von Dioden oder Laserdioden mit anderen raffinierteren Verfahren erfolgen, z.B. durch Bildung von einzelnen oder doppelten HeteroÜbergängen oder eng begrenzten Strukturen. Wie oben für inkohärent emittierende Einrichtungen beschrieben wurde, können die
übergänge durch photolithographische Verfahren und Ausätzen, oder durch mechanische Verfahren wie Sandstrahlen, Ultraschallbearbeitung oder Funkenerosion in getrennte plateauartige Erhöhungen oder Bereiche unterteilt werden. Bei Laserdioden kann der optische Resonator durch Spalten des Kristalls gebildet werden.
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Claims (15)

  1. Patentansprüche
    1J Halbleiterbauelement mit einem monokristallinen, Isolierenden Substrat und einer auf diesem angeordneten monokrlstalllnen Halbleiterschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht einen ersten Teil (42, 52) aus einer aus der Dampfphase niedergeschlagenen A111By-Verbindung sowie einen mit diesem kontinuierlich zusammenhängenden zweiten Teil (43; 51, 53) aus einer aus der flüssigen Phase . niedergeschlagenen A111B -Verbindung enthält.
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (42) aus einer binären A1 „By-Verbindung besteht und daß der zweite Teil (43) aus der gleichen binären A-^B-^-Verbindung oder einer solchen ternären A _B -Verbindung besteht, die dieselben Elemente wie die binäre A111B..-Verbindung enthält.
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (42) der Halbleiterschicht aus GaAs besteht und daß der zweite Teil (43) aus GaAs P1 oder Ga Al1 _ As besteht, wobei χ ein
    Λ Χ Χ 2ί Χ Xt
    Wert kleiner als 1 ist.
  4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil
    (42) der Halbleiterschicht aus GaP besteht und daß der zweite Teil (43) aus GaAsxP^x besteht, wobei χ kleiner als 1 ist.
  5. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat (41) Licht durchläßt, dessen Wellenlänge im Bereich zwischen 0,1 ym und 10 ym liegt.
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    -19-
  6. 6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (41) aus Berylliumoxid, MagnesiumaluminatSpinell, Magnesiumhydroxylaluminatspinell, Saphir oder Thoriumoxid besteht.
  7. 7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht gleichförmig dotiert ist und der erste Teil (42) mit dem zweiten Teil (43) eine homogene Zone ein und desselben.Leitfähigkeitstyps bildet.
  8. 8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Halbleiterschicht (51, 52) eine zweite monokristalline Halbleiterschicht (53) entgegengesetzten Leitungstyps angeordnet ist.
  9. 9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, das mehrere lichtemittierende Einrichtungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß jede lichtemittierende Einrichtung (61) ein Stück (62) der ersten monokristallinen.Halbleiterschicht, die einem vorgegebenen Leitungstyp angehört und einen erstenTeil aus einer aus der Dampfphase niedergeschlagenen AgggBy -Verbindung sowie einen sich an diesen kontinuierlich anschließenden zweiten Teil aus einer aus der flüssigen Phase niedergeschlagenen Aj.jjB-.-Verbindung aufweist, und einen auf dem Stück der ersten Schicht (62) angeordnetes Stück der zweiten monokristallinen Schicht (65) entgegengesetzten Leitungstyps enthält; daß mehrere leitende Elemente (63) in Berührung mit der ersten Halbleiterschicht (62) vorgesehen sind; daß sich auf der ersten Schicht, der zweiten Schicht und den leitenden Elementen eine öffnungen aufweisende Passivierungsschicht (67) befindet und daß die zweite Halbleiterschicht (65) durch mehrere weitere leitende Elemente (66) kontraktiert ist.
    3098 0 971008
  10. 10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (7 3) Licht im Wellenlängenbereich zwischen 0,15 μΐη und 10 μΐη durchläßt; daß die ersterwähnten leitenden Elemente (80) jeweils lichtemittierende Einrichtungen (71), die in einer Zeile angeordnet sind, verbinden und daß die als zweites erwähnten elektrisch leitenden Elemente (76) jeweils in Spalten angeordnete lichtemittierende Einrichtungen (71} verbinden.
  11. 11. Verfahren zum Herstellen eines aus einem Isolator und einem Halbleiter zusammengesetzten Halbleiterbauelements nach Anspruch 1, ausgehend von einer isolierenden Substratscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Scheibe aus der Dampfphase ein erster Teil aus einer halbleitenden A B -Verbindung epitaktisch gezüchtet wird und daß das Züchten der Halbleiterschicht dadurch fortgesetzt wird, daß aus der flüssigen Phase ein zweiter Teil aus einer A B -Verbindung epitaktisch auf und in Kontinuität mit dem erstenTeil abgeschieden wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet, daß bei dem epitaktischen Abscheiden aus der Dampfphase eine kurzkettige metallorganische Alkylverbindung verwendet wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch ge- ' kennzeichnet, daß ein Oberflächenbereich des ersten Teiles (42) teilweise aufgelöst wird, bevor das Züchten der Schicht durch epitaktisches Abscheiden aus der flüssigen Phase fortgesetzt wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Halbleiterschicht (51,52) eine zweite monokristalline Halbleiterschicht (53) gebildet wird, die einen der ersten Schicht entgegengesetzten Leitungstap hat.
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  15. 15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, da-· durch gekennzeichnet, daß aus der ersten und zweiten Schicht durch Ausätzen plateauartige Stücke gebildet werden, daß erste Teile der Stücke der gebildeten Anordnung durch eine Anzahl erster leitender Elemente kontaktiert werden; daß auf der zweiten Halbleiterschicht und den ersten leitenden Elementen eine Öffnungen aufweisende Passivierungsschicht so gebildet wird, daß Teile der zweiten Halbleiterschicht freiliegen und daß die zweite Halbleiterschicht mit einer Anzahl von zweiten elektrisch leitenden Elementen kontaktiert wird.
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