DE2538325A1

DE2538325A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE2538325A1
Application number: DE19752538325
Authority: DE
Inventors: William Charles Ballamy; Alfred Yi Cho
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1974-08-28
Filing date: 1975-08-28
Publication date: 1976-03-11
Also published as: JPS5149678A; GB1526417A; IT1042046B; US3928092A; FR2283550B1; CA1031471A; DE2538325C2; JPS6024579B2; FR2283550A1; GB1526416A; NL7510130A

Description

BLUMBACH · WESER . BERGEN · KRAMER ZWIRNER . HIRSCH _ς

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN * *

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radedcestraße 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237

Western Electric Company, Incorporated Ballamy 3-7 New York, N.Y., USA

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mittels Molekularstrahlmethoden·

In der US-Patentschrift 3-666.553 ist ein Verfahren zum Züchten einer hochohmigen polykristallinen Dünnschicht aus IHa-Va-Halbleiterverbindungen (beispielsweise GaAs, GaP) auf einem amorphen Substrat (d.h. SiOp) beschrieben. Dies wird in einer evakuierten Kammer dadurch bewirkt, daß Molekularstrahlenbündel der anteiligen Elemente auf das amorphe Substrat gerichtet werden, welches vorher auf eine Temperatur im Bereich von 250° G - 450° C aufgeheizt worden ist. Bei dem Verfahren handelt es sich um eine nicht im Phasengleichgewicht ablaufenden physikalische Züchtungsmethode aus der Dampfphase, die das Züchten nichtepitaktischer Schichten steuerbarer Dicke mit Quadratflächenwiderständen von wenigstens 5x10 0hm erlaubt.

München: Kramer · Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bargen · Zwirner

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In der US-Patentschrift 3.615.931 ist ein Verfahren zur Züchtung epitaktischer Halbleiterschichten aus IHa-Va-Verbindungen beschrieben. (Hit den römischen Zahlen sind hier und im folgenden die Gruppen des Periodensystems der Elemente gemeint). Diesem Verfahren entsprechend wird ein atomar reines, kristallines Substrat in eine evakuierte Kammer gegeben^, in welcher es zunächst auf eine Temperatur zwischen 4-50 und 650 ° 0 erwärmt und dann einem kollimiertem Molekularstrahlenbündel ausgesetzt wird, das die anteiligen Komponenten des gewünschten kristallinen Materials enthält. Nach Wunsch kann das kollimierte Strahlenbündel auch gewünschte Dotierstoffe enthalten, was eine Änderung der Zusammensetzung der epitaktischen Schicht nach Belieben erlaubt.

Bei der vorliegenden Erfindung werden Merkmale des Molekularstrahlverfahrens verwendet, um planare Halbleiterbauelemente durch gleichzeitiges Niederschlagen einer polykristallinen und einer epitaktischen Schicht auf einem Halbleitersubstrat

Dies
zu erzeugen.Vwird dadurch erreicht, daß eine amorphe Schicht auf einer Hamptflache eines Substrates gebildet, das Substrat vorgewärmt und. wenigstens ein Molekularstrahlenbündel, das wenigstens ein Element der Gruppe IHa und wenigstens ein Element der Gruppe Va enthält, auf diese Hauptfläche gerichtet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch folgendes gekennzeichnet;

Bei dem Substrat handelt es sich um einen Einkristall einer IIIa-Vi?»Yetrbindung 5

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die amorphe Schicht wird lediglich auf ausgewählten Teilen der Hauptfläche gebildet, wobei die Restteile dieser Hauptfläche freiliegend "bleiben;

das Substrat wird auf eine Temperatur im Bereich zwischen 4-50 und 675° C vorgewärmt;

das Molekularstrahlenbündel trifft sowohl auf die freiliegenden Teile der Hauptfläche als auch auf die amorphe Schicht auf und erzeugt gleichzeitig eine monokristalline Materialschicht, die eine Verbindung dieser Elemente aufweist, auf den freiliegenden Teilen und eine polykristalline Schicht dieser Verbindung auf der amorphen Schicht.

Es ist ein unerwartetes Ergebnis der vorliegenden Erfindung, daß ein Molekularstrahl-Niederschlag einer IIIa-Va-Verbindung auf einem Einkristallsubstrat, das teilweise durch eine amorphe Schicht maskiert und auf den Epitaxiezüchtungsbereich zwischen 4-50 und 650 ° C vorerwärmt ist, gleichzeitig hochohmiges polykristallines Material auf der amorphen Schicht erzeugt, und zwar trotz der Tatsache, daß

a) die Substrattemperatur außerhalb des beim Stand der Technik angegebenen Bereiches von 250 - 450° C liegt und

b) das Molekularstrahlenbündel einen Dotierstoff umfassen kann, um eine niederohmige monokristalline Schicht zu erzeugen.

Ein weiteres unerwartetes Ergebnis der Erfindung ist darin zu sehen, daß sowohl eine polykristalline Schicht als auch eine monokristalline Schicht Seite an Seite und gleichzeitig ge-

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züchtet werden können, ohne daß irgendwelche Grenzflächenprobleme auftreten.

Unter Verwendung dieses Verfahrens sind Schottky-Barrier-Mischerdioden in Beam-lead-(Stützleiterr) technik mit niedriger parasitärer Kapazität hergestellt worden. Diese Dioden zeigten ausgezeichnete Gleichstrom- und Hochfrequenzeigenschaften und wiesen geringe ümsetzungsverluste in einer Doppelgegentakt- Abwärtsumsetζervorrichtung auf. Die Anwendung dieses Verfahrens bei der Herstellung anderer Bauelemente, wie Impatt-Dioden, ist ebenfalls beschrieben. Außerdem braucht dann, wenn eine Trennung nicht erwünscht ist, weder die amorphe Schicht noch das Substrat aus hochohmigem Material hergestellt zu werden.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, einer beispielsweisen Vorrichtung, die bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet wird;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf lediglich die Hauptkomponenten der Vorrichtung der in Fig. 1 gezeigten Art;

Fig. 3 teils eine Schnitt- und teils eine Schrägansicht einer Planarstruktur mit Inseln monokristallinen Materials, die voneinander durch polykristallines Material getrennt sind, wobei diese Planarstruktur einer erfindungsgemäßen Ausführungsform entsprechend hergestellt worden ist.

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Fig. 4 eine teilweise aufgeschnittene Schrägansicht einer Schottky-Barrier-Mischerdiode, die entsprechend einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform hergestellt worden ist; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines IMPATT-Bauelementes mit eingeschlossenem Übergang, das entsprechend einer dritten erfindungsgemäßen Ausfürhungsform hergestellt worden ist.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Vorrichtung zum Züchten von HaIbleiterverbindungsdünnschichten steuerbarer Dicke und steuerbaren Leitungstyps mittels Molekularstrahlepitaxie (nach dem englischsprachigen Ausdruck molecular beam epitaxy auch mit der Abkürzung MBE bezeichnet) dargestellt.

Die Vorrichtung weist eine Vakuumkammer 11 auf, in welcher eine Kanonenöffnung 12 vorgesehen ist, die beispielsweise sechszylindrische Kanonen 13a-f enthält, typischerweise Knudsen-Effusionszellen, die thermisch voneinander dadurch isoliert sind, daß jede Zelle mit einem (nicht gezeigten) wärmeabschirmenden Material umhüllt wird (beispielsweise fünf Schichten 12,7 A»m dicker geriffelter Ta-Folie). Ein Substrathalter 17t typischerweise ein Molybdänblock, kann gedreht werden mithilfe einer Welle 19, die einen außerhalb der Kammer 11 angeordneten Steuerknopf 16 aufweist. Ein guter thermischer Eontalit zwischen dem Substrat und dem Kolybdänblock wird beispielsweise über eine (nicht gezeigte) Indiumschicht hergestellt. Jedes Kanonenpaar (I3a-b, 13c-d, 13e-f) ist innerhalb einer mit flüssigem Stickstoff gekühlten zylindrischen

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Ummantelung 22, 22.1 bzw. 22.2 angeordnet. Bei der bekannten Vorrichtung umfaßt eine.typische Ummantelung einen wahlweise vorzusehenden Eollimatorrahmen 23 mit einer kollimierenden öffnung 24. Ein beweglicher Verschluß 14 wird dazu verwendet, die öffnung 24· zu vorgewählten Zeiten zu verschließen, zu welchen das spezielle Molekularstrahlenbeündel, das aus der Kanone 13a (oder '1"3b) austritt, nicht auf das Substrat auf treffen soll, Der Substrathalter 17 ist mit einer inneren Heizung 25 und mit Klammern 26 und 27 zur Befestigung eines Substrates 28 versehen, Außerdem ist in einer öffnung 31 in der Seite des Substrates ein Thermoelement angeordnet, das außen über Anschlüsse 32-33 gekoppelt ist» um die Temperatur des Substrates 28 abzutasten. Die Kammer 11 umfaßt außerdem einen Auslaß 34 zum Evakuieren der Kammer mithilfe einer Pumpe 35·

Eine typische zylindrische Kanone 13a weist einen hitzebeständigen Tiegel 41 mit einer Thermoelementmulde 42 und einem in diese eingesetzten Thermoelement 43 auf, das dazu dient, die Temperatur des in der Kanonenquellenkammer 46 enthaltenen Materials zu bestimmen. Das Thermoelement 43 ist über Anschlüsse 44-45 mit einem (nicht gezeigten) äußeren Detektor verbunden. Das Quellenmaterial wird in die Quellenkammer 16 eingefügt, um durch eine Heizspule 47, die den Tiegel umgibt, verdampft zu werden. Beim Stand der Technik ist das der öffnung 24 benachbarte Ende des Tiegels 41 mit einer Schneidenöffnung 48 versehen, deren Durchmesser vorzugsweise kleiner als die mittlere freie Weglänge der Atome in der Quellenkammer ist.

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Typischerweise hat die Kanone 13a einen Durchmesser von 0,65 cm und eine Länge von 2,5 cm, ist aus Al^O, aufgebaut und mit spektrotekopisch reinem Graphit ausgekleidet. Die Fläche der öffnung 48 ist typischerweise etwa 0,17 cm ·

Alternativ dazu können die Kanonen aus pyrolytischem BN hergestellt sein, und sowohl der Kollimatorrahmen 23 als auch die Schneidenöffnung 48 können weggelassen sein, so daß bestimmte Strahlenbündel (beispielsweise Ga, Al, Mg) ausreichend unkollimiert sind, so daß ein relativ großer Teil des Strahlenbündels auf die Innenwand der Kammer 11 auftrifft nnd auf dieser kontinuierlich neue Schichten bildet, die schädliche Verunreinigungen (beispielsweise HpO, CO, 0~ und Kohlenwasserstoffe) gettern.

Man beachte, daß das Entfernen des Rahmens 23 und der Schneidenöffnung 48 keine Änderung des grundsätzlichen Charakters der Molekularstrahlen mit sich bringt; d.h., die Auftreffrate des Strahlenbündels auf das Substrat ist im wesentlichen konstant, wenn die Kanonentemperatur einmal festgelegt ist. Diese Eigenschaft wird solange aufrecht erhalten, wie die Öffnung der Kanone ausreichend klein ist; beispielsweise hat die Kanone einen Durchmesser von 0,65 cm und eine Länge von 2,5 wie zuvor.

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Generelle HBS-Technik

Lediglich zum Zweck der' Erläuterung bezieht sich die folgende Beschreibung auf das epitaktische Züchten einer dünnen Schicht einer IILa-Ya-Verbindung auf einem G-aAs-Substrat.

Als erster Schritt bei einer typischen MBE-Methode wird ein Einkristallsubstrat wie GaAs ausgewählt, das man leicht auf kommerziellem Weg erhalten kann. Eine Haupftflache des GaAs-Substrates wird anfangs typischerweise entlang der (OO1)-Ebene geschnitten und mit Diamantpaste oder mithilfe einer anderen herkömmlichen Methode poliert,um grobe Oberflächenschäden vom Substrat zu entfernen. Ein Ätzmittel wie Brommethanol oder Wasserstoffperoxid-Schwefelsäure-Lösung wird zur weiteren Entfernung von Oberflächenschäden und zur Erzeugung einer sauberen Substratoberfläche nach dem Polieren verwendet.

Als nächstes wird das Substrat in eine Vorrichtung der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Art gebracht. Danach wird der Hintergrunddruck in.· der Vakuumkammer auf weniger als 10"" Torr und vorzugsweise auf einen Wert im Bereich von etwa 10" bis 10 Torr reduziert, wodurch die Wahrscheinlichkeit vermindert wird, daß schädliche Verunreinigungen auf die Substratoberfläche gebracht werden^ Da die Substratoberfläche jedoch einer atmosphärischenVerschmutzung ausgesetzt worden sein kann, bevor das Substrat in der Vakuumkammer untergebracht worden ist,

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wird das Substrat vorzugsweise erwärmt, beispielsweis auf etwa 600° C₁ um eine im wesentlichen atomar reine Züchtungsoberfläche vorzusehen (d.h., Verunreinigungen wie S, Op und HpO werden ausgestoßen). Die nächsten Verfahrensschritte bestehen darin, über Eingangsöffnungen 49 flüssigen Stickstoff in die Kühlummantelungen zu bringen und das Substrat auf die Züchtungstemperatur zu erwärmen, die typischerweise im Bereich von etwa 4-50-650° C liegt und von dem speziellen zu züchtenden Material abhängt, wobei ein solcher Bereich durch Betrachtungen bestimmt wird, die mit den Auftreffraten und der Oberflächendiffusion zusammenhängen.

Die in der Anordnung verwendeten Kanonen 13a-f sind vorher mit den erforderlichen Kengen der Bestandteile der gewünschten zu züchtenden Schicht gefüllt worden. Beispielsweise enthält die Kanone 13a eine Ilia-Va-Verbindung wie GaAs in massiver Form oder reines As; Kanone 13b ein Element der Gruppe IHa, wie Ga; die Kanonen 13c und 13f einen n-Dotierstoff wie Sn, Si oder Ge in massiver Form; und Kanone 13c einen p-Dotierstoff wie Mg, Be oder Ge. Wenn es im praktischen Fall gewünscht ist, einen Mischkristall wie AlGaAs zu züchten wird außerdem die Al enthaltende Kanone 13d benutzt. Die Art und Weise, in welcher Sn und Si als n-Dotierstoffe und Ge als amphoterer Dotierstoff bei der Züchtung von IIIa-Va-Verbindungen mittels MBE verwendet wird, ist in der US-Patentschrift 3·751·31Ο angegeben. Andererseits ist die Art und Weise, in welcher Mg als p-Dotierstoff bei der Züchtung von Al enthaltenden IIIa-Va-Verbindungen

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verwendet wird, in der US-Patentschrift 3.859.084 angegeben.

Anschließend werden ausgewählte Kanonen auf eine geeignete Temperatur erwärmt (nicht alle notwendigerweise auf dieselbe Temperatur), die zum Verdampfen der Kanoneninhalte ausreichen, um (wenn ausgewählte Verschlüsse offen sind) einen Molekularstrahl (oder -Strahlen) zu ergeben. Die Verdampfung kann durch Abdampfung oder Sublimation passieren, was davon abhängt, ob die Kanonentemperatur oberhalb bzw. unterhalb des Schmelzpunktes des Inhaltes liegt. Bie Abstände zwischen den Kanonen und dem Substrat betragen typischerweise etwa 7 cn* für eine Züchtungsfläche iron 2 cm χ 2 cm. Unter diesen Bedingungen können Züchtungsgeschwindigkeiten von 1000 Angström/h bis 2yu m/bleicht dadurch, erreicht werden, daß die Temperatur der Ga-Kanone von etwa 1100 bis 1210 Grad Kelvin variiert wird.

Generell sollte die Menge der Quellenmaterialien (z.B. Ga, Al und GaAs),mit welchen die Kanonen beschickt werden, und die Kanonentemperaturen dazu ausreichen, einen Überschuß der einen höheren Dampfdruck aufweisenden Elemente der Gruppe Va (beispielsweise As) gegenüber den einen niedrigeren Dampfdruck aufweisenden Elementen der Gruppe IHa (beispielsweise Al und Ga) zu erzeugen} d.h., die Oberfläche sollte As-reich sein (was auch als As-©tabilisiert bezeichnet wird). Diese Bedingung ergibt sich aus den großen Unterschieden des Anlagerungskoeffizienten bei &ea? Züchtungstemperatur für die verschiedenen Materialien} ni&lich Eins für Ga und Al und etwa 10~² für As₂

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auf einer GaAs-Oberflache, wobei sich, letzterer Wert auf Eins erhöht, wenn ein Überschuß an Ga (und/oder Al) auf der Oberfläche herrscht. Solange die As2~Auftreffrate größer als die von Ga und/oder Al ist, ist die Züchtung deshalb stöchiometrisch. Gleiche Betrachtungen gelten für Ga- und Pp-Strahlen, die beispielsweise auf ein GaP-Substrat auftreffen.

Die Züchtung der gewünschten dotierten Epitaxieschicht wird dadurch bewirkt, daß das durch die Kanonen erzeugte Molekularstrahlenbündel auf die Substratoberfläche gerichtet wird. Die Züchtung wird für eine Zeitdauer fortgesetzt, die zum Erhalt einer Epitaxieschicht der gewünschten Dicke ausreicht. Diese Methode erlaubt das gesteuerte Züchten von Schichten, deren Dicke im Bereich von einer einzigen Monoschicht (etwa 3 Angström) bis zu mehr als 100.000 Angström liegt.

Die Gründe, welche die Verwendung der zuvor erwähnten Temperaturbereiche vorschreiben, können folgendermaßen verstanden werden. Nimmt man beispielsweise IIIa-Va-Verbindungen, so ist es bekannt, daß Ilia-Va-Elemente, die auf der Oberfläche eines Einkristallhalbleiters adsorbiert werden, sowohl unterschiedliche Kondensation- und Anlagerungskoeffizienten als auch unterschiedliche Adsorbtionslebensdauern haben. Elemente der Gruppe Va werden typischerweise beim Nichtvorhandensein von IIIa-Elementen fast gänzlich reflektiert, wenn sich das Substrat auf der Züchtungstemperatur befindet. Das Züchten stöchiometrischer IIIa-Va-Halbleiterverbindungen kann jedoch dadurch

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bewirkt werden, daß Dämpfe der lila- und der Va-Elemente auf der Substratoberfläche erzeugt werden, wobei ein Oberschuß an Elementen der Gruppe Va gegenüber den Elementen der Gruppe HIa vorhanden ist, wodurch sichergestellt wird, daß die Gesamtheit der IIIa-Elemente verbraucht wird, während der nicht zur Reaktion gelangende Ya-Überschuß reflektiert wird. In diesem Zusammenhang bezieht sich der zuvor erwähnte Substrattemperaturbereich auf die Auftreffrate und die Oberflächenbeweglichkeit der auf die Oberfläche auftreffenden Atome. Das heißt, die Oberflächentemperatur muß so hoch sein (beispielsweise höher als etwa 4-50° C), daß auftreffende Atome genügend thermische Energie zurückbehalten, um zur Bildung der Epitaxieschicht zu günstigen Oberflächenplätzen (Potentialmulden) wandern zu können. Je höher die Auftreffrate dieser aufprallenden Atome ist, umso- höher muß die.Substrattemperatur sein. Andererseits sollte die Substratoberflächentemperatur nicht so hoch sein (beispielsweise höher als etwa 650° C), daß eine übermäßige nichtkongruente Verdampfung resultiert. Wie von CD. Thurmond in Journal of Physics Chem. Solids, 26, 1965, 785, definiert ist, handelt es sich bei nicht kongruenter Verdampfung um die bevorzugte Verdampfung der Va-Elemente vom Substrat, die schließlich eine primär die IIIa-Elemente enthaltende neue Phase zurückläßt. Generell meint kongruente Verdampfung deshalb, daß die Verdampfungsgeschwindigkeit der Ila-und der Va-Elemente gleich ist. In der. Praxis kann eine Züchtungstemperatur verwendet werden, die etwas höher (beispielsweise 675° C) als die kon-

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gruente Verdampfungstemperatur ist, da die Wirkung der kongruenten Verdampfung dadurch modifiziert wird, daß ein Va-Strahlenbündel auf die Substratoberfläche auftrifft. Die Temperaturen der die IIIa-Elemente enthaltenden Zelle und der die IIIa-Va-Verbindung enthaltenden Zelle, die eine Quelle für Va-Moleküle darstellt, werden durch die gewünschte Züchtungsgeschwindigkeit und das speziell verwendete IHa-Va-System bestimmt.

Herstellung von planeren, isolierten G-aAs-Bauelementen

Zur Herstellung planarer, isolierter GaAs-Bauelemente der in Fig. 3 gezeigten Art wird als erstes eine amorphe isolierende Schicht 102 auf einem Substrat 100 gebildet. Beispielsweise handelt es sich bei dem Substrat 100 um ein HIa-Va-Material wie GaAs und bei der amorphen Schicht 102 um SiOp oder ein genetisches Oxid (Oxid, das durch Umsetzen des Halbleitermaterials an dessen Oberfläche und nicht durch Niederschlag aus fremden Quellen entstanden ist). Vorzugsweise ist das Substrat geeignet dotiert oder wenigstens halb isolierend (es weist beispielsweise einen spezifischen Widerstand auf, der größer als lO^fl-cm ist). Beispielsweise kann eine SiOp-Schicht durch ein SILOX-System gebildet werden, das kommerziell erhältlich ist von der Applied Materials Technology, Inc., 2999 San Ysidro Way, Santa Clara, California, wohingegen eine Schicht aus genetischem Oxid durch eine Anodisierungsmethode

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erzeugt werden kann, wie sie in der US-Patentschrift 3.798.139 "beschrieben ist. Als nächstes werden Fenster in der isolierenden Schicht gebildet, um vorbestimmte Zonen des darunterliegenden Substrates freizulegen, auf welchen letztlich Bauelemente erzeugt werden sollen.

Alternativ dazu können vorbestimmte Teile einer Oberflächenschicht des Substrates in amorphes Material umgewandelt werden, und zwar durch Sandblasen (beispielsweise AIpO,-Teilchen) oder Ionenbombardement (beispielsweise mit Argonionen), wobei die "Fenster" geeignet maskiert sind.

Des Substrat wird dann in einer Vakuumkammer 11 (Fig. 1) untergebracht und auf eine geeignete Züchtungstemperainir im Bereich von etwa 450 bis 675° C erwärmt. Geeignete Kanonen der Kanonen 13a-f (Fig. 2) werden erwärmt, um, wobei ausgewählte Verschlüsse der Verschlüsse 14- geöffnet sind, eine oder mehrere Molekül arstr ahl enbündel zu erzeugen, die Atome und/oder Moleküle eines IIIa-ELementes, eines Va-Elementes und eines Dotierstoffelementes enthalten, wie zuvor beschrieben.

Bei Anwendung der zuvor beschriebenen Methode fand man, daß Zonen 104 aus monokriBtallinem Material der IIIa-Va-Verbindung epitaktisch in den Fenstern auf den freigelegten Oberflächen des Substrates 100 wuchsen, während gleichzeitig in den Zwischenbereichen 106 polykristallines Material der IIIa-Va-Verbindung auf der amorphen Schicht 102 gebildet wurde.

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Bedeutsamerweise fand man, daß

1) das Molekularstrahlenbündel polykristallines Material auf der amorphen Schicht 102 bildete, obwohl die Substrattemperaturen außerhalb des in der US-Patentschrift 3·666·553 vorgeschriebenen Bereiches für polykristalline Züchtung auf amorphen Substraten lagen, und

2) der spezifische Widerstand des polykristallinen Materials für elektrische Isolation geeignet war (> 1CrQ-Cm), obwohl der Molekularstrahl Dotierstoffatome in hoher Konzentration enthielt.

Bei der in den Fenstern gebildeten IIIa-Va-Verbindung hatte das monokristalline Material Bauelementequalität. Durch Züchten mehrerer Schichten mit geeigneter Dicke, geeignetem Leitfähigkeitstyp und geeignetem Dotierungsprofil können verschiedene Bauelemente wie Schottky-Barrier-Dioden, IMPATT-Elemente und Planartransistoren in den Fenstern hergestellt werden. Zusätzlich können Diffusionen in die monokristallinen Zonen unter Verwendung geeigneter Masken,wie niedergeschlagener Oxide oder anodischer genetischer Oxide, eingebracht werden. Unabhängig vom Bauelement sind die Inseln monokristallinen Materials jedoch voneinander isoliert, und zwar durch die Zusammenwirkung des darunterliegenden halbisolierenden Substrates 100 mit den umgebenden polykristallinen Zonen 106.

Um für die in den Fenstern erzeugten Bauelemente niedrige Serienwiderstände zu erzielen, wurde bei dem vorausgehenden

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Verfahren ein oder mehrere der folgenden Schritte ausgeführt:

1) Auf dem Substrat wurde zuerst eine Pufferschicht hoher Leitfähigkeit gezüchtet;

2) Beginnend mit der Pufferschicht und bis zur Herstellung aller Halbleiterschichten des Bauelementes wurde der Züchtungsprozeß kontinuierlich durchgeführt; und

3) das Substrat wurde unmittelbar vor dem Züchten der Schicht hoher Leitfähigkeit erwärmt, während ein Molekularstrahl irgendeines Elementes (beispielsweise Arsen) in dem Substrat mit relativ hohem Dampfdruck auf die Substratoberfläche auftraf, um die Verluste dieses Elementes aus dem Substrat zu unterdrücken.

Beispiel Γ

In diesem Beispiel wird die Herstellung und Arbeitsweise einer n-n⁺-GaAs-Schottky-Barrier-Mischerdiode beschrieben.

Ein halbisolierendes GaAs-Substrat, das mit Cr auf einen spezifischen Widerstand von etwa 10 bis 10'il-cm dotiert war, wurde aus kommerziellen Quellen erhalten. Das Substrat, das eine nominelle (100) -Orientierung aufwies, wurde geschnitten und auf eine Dicke von etwa 508^m geläppt. In der Praxis fand man, daß Oberflächen, die gegenüber (100) um etwa 2° in der <110> -Richtung fehlorientiert waren, für die Züchtung zu bevorzugen waren. Die Züchtungsoberfläche des Substrates

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wurde zunächst mit 0,5/na Diamantpaste poliert, um Sägeschnittbeschädigungen zu entfernen· Als nächstes wurde die ßubstratoberfläche in einer Brommethanollösung (beispielsweise 5 Tropfen Br ρ pro 30 cm* Methanol) ätzpoliert und schließlich in deionisiertem Wasser gespült".

Nach Vollendung der Substratherstellung wurde die Züchtungsoberfläche mit einer Schicht SiO « bedeckt, die durch das zuvorerwähnie SILOX-Verfahren, das bei 440° C in einem Reaktor mit horizontaler laminarer Strömung ausgeführt wurde, erzeugt wurde. Durch dieses Verfahren wurden SiOp-Schichten im Bereicl

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von 1500 A bis 8000 A auf verschiedenen Substraten erzeugt.

Mittels photolithographischer Standardverfahren (beispielsweise gepuffertes HP und eine Photolackmaske) wurden rechteckige Fenster mit den Abmessungen 75 um χ 100 yan. um Mittelpunkte, die einen Abstand von 500 pm voneinander aufwiesen, in der SiOp-Schicht geöffnet. An diesem Verfahrenspunkt wurde Sorgfalt darauf verwendet, sicherzustellen, daß kein restliches SiOg in den Fenstern gelassen wurde. Nachdem die Fenster geöffnet waren, wurde ein bekanntes Niedrigtemperatur-Sauerstoff-, plasma verwendet, um den Photolack von den gebliebenen feilen der SiOp-Schicht zu entfernen. Dann wurde die freigelegte Sub-· stratoberflache 30 Sekunden lang in 1:10 HF in Wasser und eine Minute lang^/HC1 geätzt, um jegliche genetische Oxide zu entfernen, die sich in den Fenstern durch atmosphärischen Einfluß gebildet haben könnten. Schließlich wurde das Substrat

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leiclit mit einer Brommethanol-Lösung geätzt, in Methanol und dann in deionisiertem Wasser gespült. Das gespülte Substrat wurde mit einem Freonstrahl (Stickstoff ist ebenfalls geeignet) trocken geblasen und in einer Vakuumvorrichtung der in den Fig· 1 und 2 gezeigten Art untergebracht, um den Molekularstrahlniederschlag vorzubereiten·

Das Substrat, das etwa 2 χ 2 cm maß, wurde etwa 10 cm von den Effusionszellen entfernt angeordnet. Lediglich vier der in Fig. 2 gezeigten sechs Effusionszellen wurden benutzt. Die Zellen 13a und 13b enthielten GaAs bzw. Ga und die Zellen 13c und 13f enthielten Sn. Während alle Verschlüsse anfangs geschlossen waren, wurde die Ga-Zelle 13b auf 950° C, die GaAs-ZeIIe 13a auf 880° C (hauptsächlich zur Erzeugung eines Asp-Strahlenbündels) und wurden die Sn-Zellen 13c und 13f auf 750° C bzw. 660° C erhitzt, um Strahlenbündel aus Ga, As₂ und Sn-Molekülen und/oder Sn-Atomen zu erzeugen, wenn die Verschlüsse schließlich geöffnet wurden.

Die Kombination dieser Effusionszellentemperaturen und der Substratposition ergab eine Züchtungsgeschwindigkeit von etwa 1 |am/h.

Vor dem Züchten wurde Jedoch der Druck der Kammer 11 auf etwa 10 Torr reduziert. Während der Züchtung erhöhte sich dieser

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Druck auf etwa 3 x 10 ' Torr, .und zwar hauptsächlich aufgrund von nichteingefangenem Arsen. IM die Züchtung zu bewirken, kann das Substrat auf eine geeignete Temperatur im Bereich

von etwa 450° C bis 675° O erwärmt werden. Bei diesem Experiment wurde die Temperatur mehrerer Substrate auf einen Bereich von 530° C bis 670° C gebracht, um die Wirkung der Züchtungstemperatur auf den spezifischen Widerstand zu bestimmen, falls vorhanden.

Mit offenen Verschlüssen 14 und 14-. 1 wurde eine 6 jum dicke monokristalline n⁺-GaAs-Schicht 108 (Fig. 4), die mit Sn in

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einer Konzentration von 2 χ 10 Atomen pro cm ^ dotiert war, als erstes auf dem Substrat 100 gezüchtet. Während Verschluß 14 offen blieb, um eine kontinuierliche Züchtung zu erzeugen,, wurde Verschluß 14.1 geschlossen, und im wesentlichen gleichzeitig wurde der Verschluß 14.2 geöffnet, um die Züchtung einer 0,3 jum dicken monokristallinen n-GaAs-Schicht 110 (Fig. 4) zu züchten, die mit Sn in einer Konzentration von 1 χ 10' Atomen pro cnr dotiert war. Man beachte, daß die Schicht 100 sowohl als Pufferschicht als auch als funktionelle Schicht der Mischerdiode verwendet wurde. Gleichzeitig mit der epitaktischen Züchtung der monokristallinen Schichten 108 und 110 in den Fenstern (Zonen 104, Fig. 3) wurde polykristallines GaAs in den Zwischenzonen 106, d.h. auf der SiO -Schicht 102 erzeugt.

Der doppelte Niederschlag von monokristallinem und polykristallinem GaAs wurde bestätigt mit hoch energetischer Elektronenreflektionsbeugung eines 40 keV- Elektronenstrahlenbündels, das auf die Oberfläche unter streifendem Einfallswinkel von weniger als 1° auftrat. Man beobachtete eine streifenförmige Beugung

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der Ordnung 1/2 von den monokristallinen GaAs-Zonen 104, ringförmige Beugung von den monokristallinen GaAs-Zonen 104 und ringförmige Beugung von den polykristallinen GaAs-Zonen 106, Zusätzliche Bestätigung erhielt man durch Mikrophotographien der niedergeschlagenen Schichten, die mit einem Nomarski-Hiasenkontrastmikroskop betrachtet wurden. Diese Mikrophotographien zeigten, daß

1) auf der SiOo-ßchicht das niedergeschlagene GaAs polykristallin war und eine äußerst feine Kornstruktur aufwies,

2) in dem Fenster die Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der epitaktischen GaAs-Schicht 108 im wesentlichen ohne Besonderheiten »ar,

3) die Abmessungen der monokristallinen GaAs-Zonen 104 sehr genau mit denen der ursprünglichen Fenster im Oxid übereinstimmten, und zwar sowohl hinsichtlich der Abmessungen als auch der Positionierung, was zeigt, daß die Grenzen zwischen den polykristallinen Zonen 106 und den monokristallinen Zonen 104 gerade und scharf waren, und

4) die obere Oberfläche der im Fenster gezüchteten Epitaxieschicht 110 befand sich etwa auf gleichem Niveau wie die obere Oberfläche des mit polykristallinem GaAs bedeckten umgebenden Bereichs: Beide unterschieden sich lediglich um die Dicke der SiOg-ßchicht 102, die so dünn gemacht werden kann, daß die resultierende Struktur für Bauelementezwecke als planar betrachtet werden kann.

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Zur Vervollständigung der Beamlead-Mischerdiode wurde das Bauelement anschließend zur Erzeugung elektrischer Kontakte bearbeitet und zwar unter Anwendung typischer Planarverfahren.

Nachdem der Molekularstrahlniederschlag vollständig durchge-

o führt war, wurde eine Schicht aus etwa 5500 bis 6500 A dickem SiOp auf der Scheibe niedergeschlagen, und zwar unter Verwendung des Reaktors mit horizontaler laminarer Strömung und einer Niederschlagstemperatur von 440° C, Diese Oxidschicht ist in Fig. 4 niht dargestellt, da sie während der nachfolgenden Behandlung entfernt worden ist. Unter Verwendung photolithographischer Standardmethoden und gepuffertem HF wurden Fenster für den U-förmigen Ohm'sehen Kontakt 112 (Fig. 4·) geöffnet. Nach öffnen der Fenster wurde der Photolack unter Verwendung eines Niedertemperatur-Sauerstoffplasmas entfernt« Als nächstes wurde eine 5*1:1-Iösung aus Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser verwendet, um den Teil 110.1 der aktiven Schicht 110 im 0hm'sehen Kontaktfenster zu entfernen und somit die Pufferschicht 108 zum Kontaktieren freizulegen. Nach einem Ätzen wurden unter Verwendung eines im Handle er-

o ο hältlichen E-Kanonensystems 5CO A Gold, 1000 A Zinn und

•
250OAGoId auf der Scheibe niedergeschlagen. Der Ohm'sche Kontakt 112 wurde dadurch erzeugt, daß die metallisierte Scheibe in Stickstoffatmosphäre 10 Sekunden lang auf 520° C erhitzt wurde. Diese ^wSpitzenlegierungs^ll-Behandlung schmilzt die Gold-Zinn-Schichten und führt zur Bildung eines legierten 0hm'sehen Kontaktes 112 im Kontaktfenster.

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Das überschüssige Metall auf dem Oxid außerhalb des Kontaktfensterbereichs benetzt das Oxid nicht, sondern neigt zum Zusammenfließen zu Kugeln. Das überschüssige Material wurde entfernt durch Ablösen des Oxids in gepuffertem HF und durch Abwaschen in einer wässrigen Lösung eines geeigneten Reinigungsmittels wie TEUTON X-100-Iösung, die hergestellt wird von Rohm and Haas Company, Independence Mall West, Philadelphia, Pennsylvania.

Nach dem Entfernen des überschüssigen Metalls und der ersten Oxidschicht wurde auf der Scheibe eine zweite Schicht 116 aus SiO₂ (etwa 5000 bis 6000 £ dick) niedergeschlagen. Als nächstes wurde ein Eontaktfenster für den fingerförmigen Schottky-Barrier-Eontakt 114- geöffnet und das Oxid über dem Ohm'sehen Kontakt 112 entfernt. Dann wurde eine Metallisierung aus Titan, Platin und Gold niedergeschlagen. Die Metallisierung wurde abgegrenzt und dickes Gold wurde unter Verwendung einer geeigneten Photolithographie aufgebracht. Nach der Metallisierung und der Kontaktabgrenzung wurden die Scheiben auf eine Dicke von 40 bis 50 jum geläppt und die einzelnen Bauelemente wurden unter Verwendung einer Photolackmaske mit Königswasser von der Scheibe (Fig-3) getrennt. Ein typisches vollendetes Bauelement ist in Fig. 4-gezeigt.

Vom Bauelementestandpunkt her betrachtet weist die Mischerdiode nach Pig. 4· aneinanderangrenzende monokristalline n- und n⁺- GaAs-Schichtea 108 und 110 auf, die an der unteren Hauptfläche der Schicht 108 durch ein Cr-dotiertes, halbisolierendes GaAs-

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Substrat 100 begrenzt werden. Die Schichten 108 und 110 sind seitlich umgeben durch eine Zone aus hochohmigem polykristallinen GaAs, das an die Nebenflächen dieser Schichten angrenzt, Die polykristalline Zone 106 ist vom Substrat 100 getrennt durch eine amorphe isolierende Schicht 102, die beispielsweise aus SiOp oder genetischem Oxid besteht· Das Bauelement weist zwei elektrische Kontakte auf: Einen 0hm'sehen Kontakt 112, der zur Verringerung des Serienwiderstandes U-förmig ist, und einen Schottky-Barrier-Kontakt 114, der zur Verringerung der Kapazität fingerförmig ist. Der Fingerteil 114.1 des Kontaktes 114 erstreckt sich in den Mund des U-förmigen Teils 112.1 des Kontaktes 112. Der Ohm'sche Kontakt 112 kontaktiert die Schicht 108 durch ein U-förmiges Loch (teilweise bei 110.1 gezeigt) in der Schicht 110 hindurch, und der Schottky-Kontakt 114 kontaktiert die Schicht 110 bei 114.1 durch ein (nicht dargestelltes) rechteckiges Loch in der Oxidschicht 116 hindurch. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, besteht ein wichtiger Vorteil des Bauelementes nach Fig. 4 in der reduzierten parasitären Kapazität aufgrund der Tatsache, daß der Teil 114.2 des Kontaktes 114 am Rand des Bauelementes über hochohmigem polykristallinen GaAs liegt, und nicht über niederohmigem monokristallinen Material.

Die Bauelemente und. das Material wurden bei verschiedenen Schritten während des Herstellungsablaufs beurteilt. Punktkontakt-Durchbruchspannungsmessungen nach dem Niederschlag zeigten, daß die monokristallinen Zonen normale elektrische

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Eigenschaften aufwiesen, während die polykristallinen Zonen einen hohen Widerstand hatten· Messungen zwischen Ohm'sehen Kontakten, die die Substratzonen benachbarter Einkristallbereiche kontaktierten, zeigten spezifische Widerstände im Bereich derjenigen der Cr-dotierten Substrate (d.h. > 10 Hem).

Gleichstrommessungen an den Mischerdioden der Fig. 4 zeigten, daß die Durchlaßeigenschaften und die Kapazität vergleichbar war mitdenjenigen gleicher Bauelemente, die in Mesa-Struktur hergestellt worden waren. Insbesondere wiesen die nach vorliegendem Verfahren hergestellten Bauelemente folgende Eigenschaften auf: Die Kapazität bei V » 0 betrug 0,04 bis 0,06 pFj die parasitäre Kapazität betrug etwa 0,02 pF; der Durchlaßserienwiderstand bei 5*0 mA betrug 4 bis 8£1; und die Schottky-Barrieren hatten η-Faktoren von 1,1 bis 1,3·

Man beachte, daß die vorliegenden Bauelemente mit Ausnahme des unmittelbaren Bereichs des Übergangs (d.h. der Schottky-Barriere) Beamleads (oder Stützleiter) aufweisen, die halbisolierendes polykristallines Material überqueren, das über einem halbisolierenden monokristallinen Substrat liegt. Folglich ist der parasitäre Kondensator: zwischen dem Beamlead und dem Substrat sehr klein, wenn man ihn mit gleichen Bauelementen bekannter Art vergleicht, die auf leitenden Substraten gebildet sind.

Außerdem macht die Planarstruktur der vorliegenden Bauelemente deren Herstellung relativ einfach im Vergleich zu Mesastrukturmethoden. Insbesondere fallen ein Photolackschritt und die

komplizierten Ätz- und Metallisierungsschritte der Mesaherstellung weg.

Mehrere Bauelemente der in Fig. 4· gezeigten Art wurden in einer Doppelgegentakt-Abwärtsumsetzeranordnung getestet. Vier Dioden wurden in einer "Orthomoden" -Konfiguration auf einer Dünnschichtschaltung befestigt, die in einem Wellenleiter angeordnet wurde, der Energie bei einer Nennfrequenz von 51 »5 GHz übertrug. Ein Pump sign al von 50,129 GHz wurde über die Kontakte 112 und 114 zugeführt. Das vom Abwärtsumsetzer abgenommene Ausgangssignal hatte eine Freuquenz von 1,371 GHz und die ümsetzungsverluste betrugen 5,3 dB bei 51»5 GHz, was reichlich innerhalb der Systemanforderungen für eine Millimeterwellen-Nachrichtenanlage liegt. Während des Hochfrequenztestes der Bauelemente fand man, daß die Schaltungen,für welche diese Bauelemente benutzt wurden, mit besserem Wirkungsgrad· gepumpt werden konnten als zuvor gemessene Bauelemente, die auf n⁺-Substraten hergestellt waren. Das heißt, die Bauelemente erzeugten einen größeren Ausgangsspannungsausschlag pro Eingangsströmeinheit. Dieser Effekt scheint mit der parasitären Kapazität und der Skinleitung (Oberflächenleitung) bei hohen Frequenzen zusammenzuhängen.

Beispiel II

Das grundsätzliche Züchtungsverfahren gemäß Beispiel I wurde

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in einer einfacheren Vorrichtung ausgeführt, die einen einzigen Kühlmantel mit einem einzigen Verschluß enthielt·. Drei Effusionszellen waren innerhalb des Mantels angeordnet: Eine enthielt GaAs, eine weitere Ga und die dritte Sn, Demzufolge war der Übergang zwischen den η-leitenden Schichten 108 und 110 (Fig. 4-) nicht abrupt. Das heißt, die Schicht 108 wurde mit der Sn-Zelle bei 750° C gezüchtet. Dann wurde, während der Verschluß weiterhin offen und alle Zellen zur Erzeugung von Molekularstrahlenbündeln geheizt waren, die Temperatur der Sn-Zelle innerhalb etwa einer Minute auf 660° C reduziert. Da die Züchtungsgeschwindigkeit etwa 1 pm/Stunde betrug, hatte die Übergangszone zwischen den schichten 108 und 110 eine Abmessung von lediglich etwa 1/60stel eines Mikrometers oder we-

o
niger als 200 A. Durch dieses Verfahren auf SiOp-maskierten, Cr-dotierten Substraten hergestellte Mischerdioden wiesen Eigenschaften auf, die gleich jenen des Beispiels I waren*

Beispiel III

IM die Wirkung des Niederschlags von p-leitenden GaAs-Schichten zu bestimmen, wurde die grundsätzliche Züchtungsmethode nach Beispiel I mit der Ausnahme wiederholt, daß lediglich drei der sechs Effusionszellen verwendet wurden: Zelle 13© enthielt einen p-Dotierstoff (Mg) und die Zellen 13.a und 13b enthielten wie zuvor GaAs bzw. Ga. Die Zellen 13a, 13b und 13e wurden auf Temperaturen von 880° 0, 950° C bzw. 440° C erwärmt.

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Eine 6 pm dicke p-GaAs-Schicht wurde auf der SiOp-Schicht niedergeschlagen sowie in den Fenstern auf das auf 615° G erwärmte Cr-dotierte GaAs-Substrat. Ohm'sche Kontakte mit der Schicht in den Fenstern wurden mithilfe einer Kondensatorentladungs-Befestigungsmethode mit 50 um Zn-dotierten Golddrähten erzeugt.

Polykristallines GaAs wurde auf der SiOg-Schicht und monokristallines p-GaAs, das mit Mg in einer Konzentration von etwa 5 χ 10 Atome pro cnr dotiert war, in den Fenstern niedergeschlagen. Das Mg-dotierte polykristalline GaAs hatte einen spezifischen Widerstand, der etwa 10-mal kleiner als derjenige der Sn-dotierten polykristallinen Schichten nach Beispiel I war, der aber für elektrische Isolationszwecke noch geeignet war.

Beispiel IY

IM die Wirkung unbeabsichtigter Dotierung zu bestimmen, wurde das grundsätzliche Verfahren gemäß Beispiel I mit der Ausnahme wiederholt, daß lediglich zwei der sechs Effusionszellen benutzt wurden: Zelle 13a enthielt GaAs und wurde auf 880° C erwärmt; Zelle 13 b enthielt Ga und wurde auf 950° C erwärmt. Eine 6 um dicke GaAs-Schicht wurde auf der SiOp-Schicht und in den Fenstern auf dem auf 550° C erwärmten Cr-dotierten GaAs-Substrat niedergeschlagen. Ohm'sche Kontakte mit der Schicht in den Fenstern wurden mithilfe von kapazitiven Entladungsbe-

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festigungsmethoden mit 50 pm Sn-dotierten Golddrähten erzeugt.

Polykristallines GaAs wurde auf der SiOo-Schicht und monokristallines n-GaAs mit einer Dotierstoffkonzentration von etwa 5 χ 10^ Atomen pro cur in den Fenstern niedergeschlagen. Die unbeabsichtigt dotierte η-leitende polykristalline Schicht hatte einen spezifischen Widerstand, der 5~mal größer als derjenige der η-leitenden Schichten gemäß Beispiel I war.

Beispiel V

Um die Wirkung von in die niedergeschlagenen GaAs-Schichten eingebautem Al zu bestimmen, wurde das grundsätzliche Züchtungsverfahren gemäß Beispiel Illwiederholt, und zwar unter Verwendung von vier der sechs Effusionszellen der Fig. 2: Die Zellen 13a, 13b, 13c und 13d enthielten As, Ga, Mg bzw. Al und waren auf Temperaturen von etwa 340° C, 1000° C, 350° C bzw. 1280° C erwärmt.'Eine 8 um dicke P-Al_n#2 ^Gao ₈ ^As-Schicht wurde auf der SiOp-Schicht und in den Fenstern auf dem auf 550° C erwärmten Cr-dotierten Substrat niedergeschlagen. Man beachte, daß polykristallines As als Quelle für das Asp-ßtrahlenbündel anstelle von GaAs verwendet wurde, obwohl letzteres ebenfalls geeignet ist.

Polykristallines Al_{n o}Ga^ -As wurde auf der Si0_o-Schicht und

^υ·<- O.ö d.

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monokristallines P-AIq 2^GAO δ'*'⁸' ^{das m}^ ^M^ ^^{n e}^^ner konzentration von etwa 1 χ 10 Atomen pro cm* dotiert war, wurde in den Penstern niedergeschlagen. Das Mg-dotierte polykristalline AlGaAs hatte einen spezifischen Widerstand, der etwa ebensogroß wie derjenige der Mg-dotierten polykristallinen GaAs-Schichten gemäß" Beispiel III war.

Beispiel VI

Um die Wirkung des Niederschlags von Illa-Va-Verbindungsschichten auf anderen amorphen isolierenden Schichten als

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zu bestimmen, wurde eine 2000 A dicke Schicht aus genetischem Oxid auf einem Cr-dotierten GaAs-Substrat unter Verwendung eines anodischen Oxidationsverfahrens, wie es in der US-Patentschrift 3»798.139 beschrieben ist, niedergeschlagen. Mittels bekannter Maskierungs- und JLtzmethoden wurden Fenster in der Schicht aus genetischem Oxid gebildet. Mit der Ausnahme, daß es sich bei der amorphen Schicht nicht umSiO« sondern um ein genetisches Oxid handelte, wurde das grundsätzliche Verfahren gemäß Beispiel I unter Verwendung von lediglich drei der sechs Effusionszellen wiederholt. Die Zellen 13a, 13b und 13f enthielten GaAs, Ga bzw. Ge und wurden auf etwa 870° C, °Λ0° Ο bzw. 780° C erwärmt. Eine 8 um dicke n-GaAs-Schicht wurde auf der Schicht aus genetischem Oxid und in den Fenstern auf dem auf i?60° C erwärmten Cr-dotierten GaAs-Substrat niedergeschlagen.

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Polykristallines GaAs wurde auf der Schicht aus genetischem Oxid und monokristallines n-GaAs, das mit Ge mit einer Kon-

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zentration von. etwa 10 Atomen pro cm ^ dotiert war, wurde in den Fenstern niedergeschlagen. Das Ge-dotierte polykristalline GaAs hatte etwa denselben spezifischen Widerstand wie die Sn-dotierten polykristallinen GaAs-Schichten gemäß Beispiel I.

Zusätzlich zu SiOp und Schichten aus genetischem Oxid konnte die bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendete amorphe Schicht Siliziumnitrid aufweisen.

Selbstverständlich sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung viele Abweichungen von den obigen Ausführungsbeispielen möglich.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere anwendbar auf die Herstellung von Vielfachbauelementen und integrierten Schaltungen, die beispielsweise für Mikrowellenanlagen geeignet sind. Ein potentieller Vorteil für integrierte Mikrowellenschaltungen liegt in der Verringerung der parasitären Zuleitungsinduktivität und der parasitären* Kapazität, die durch eine Integration des Bauelementes innerhalb der Schaltung ermöglicht ist. Ein Schaltungsaufbau, der ins Auge gefaßt ist, umfaßt beispielsweise eine Streifenleiterschaltung, die auf einem halbisolierenden Plättchen mit polykristallinen Trennzonen der zuvor beschriebenen Art gebildet ist, wobei die aktiven Bauelemente in den monokristallinen Zonen erzeugt sind. Ein besonders interessantes

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Bauelement ist die in Fig. 5 dargestellte GaAs-Schottky-Barrier-IMPATT-Anordnung, die eine n-Epitaxie-GaAs-Schicht bei 200 und eine daran angrenzende n⁺-Epitaxie~GaAs-Sch.icb.t 202 aufweist. Die Schichten 200 und 202 sind seitlich begrenzt durch Zonen 204 und 206 aus hochohmigem polykristallinen GaAs, das in der zuvor beschriebenen Weise erzeugt ist. In diesem Fall wird das Substrat, auf welchem die Bauelementeanordnung hergestellt ist, anschließend durch geeignete Mittel wie Läppen oder Ätzen entfernt. Dann wird ein Schottky-Barrier-Kontakt 208 auf einer Eauptflache der Anordnung gebildet, der im Kontakt mit der n-GaAs-Schicht 200 steht, und ein 0hm'scher Kontakt 210 wird auf der gegenüberliegenden Hauptfläche der Anordnung erzeugt, die in Kontakt mit der n⁺-GaAs-Schicht 2Q2 steht. Ein Merkmal dieses Bauelementes ist ein abgeschlossener Übergang, was zu den in dieser Technik bekannten Vorteilen führt und es sogar unnötig macht, das Bauelement in ein Gehäuse zu setzen. Monolithische Vielfach-IMPATT-Bauelemente, bei welchen bekannte platierte Wärmeableitungen verwendet werden, könnten unter Verwendung obiger Struktur und der zuvor beschriebenen Methoden leicht hergestellt werden.

Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf Hochfrequenzbauelemente beschränkt. Eine mögliche Ausführungsform ist eine integrierte Schaltung für Hochtemperaturbetrieb.

Zudem brauchen die monokristallinen Zonen nicht entweder einfache n- oder einfache p-leitende Schichten zu sein. Abwechselnde Schichten aus p- und η-leitendem Material mit verschiedenen

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Dotierstoffkonzentrationen und Dicken sind ebenfalls in Betracht gezogen. Außerdem können Diffusionen in die monokristallinen Zonen eingebracht werden, und zwar unter Verwendung einer bekannten Technologie und geeigneter Masken.

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089) 883403/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237

Western Electric Company, Inc. Bellamy 3-7

Patentansprüche

f 1· WVerfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen \ —-^^

mittels Molekularstrahlmethoden, bei welchem eine amorphe Schicht auf einer Hauptfläche eines Substrates gebildet wird;
das Substrat vorgewärmt wird;

wenigstens ein Molekülarstrahlenbündel, das wenigstens ein Element der Gruppe IHa und wenigstens ein Element der Gruppe Va aufweist, auf die Hauptfläche gerichtet und eine polykristalline Schicht aus IIIa-Va-Material auf der amorphen Schicht gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein Einkristall einer IHa-Va-Verbindung verwendet wird;

die amorphe Schicht lediglich auf ausgewählten Teilen der Hauptfläche gebildet wird und die restlichen Teile der Hauptfläche freigelegt sind;

München: Kramer · Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner

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das Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 450° C 675° O vorgewärmt wird;

das Molekülarstrahlenbündel sowohl auf die freiliegenden Teile der Hauptfläche als auch auf die amorphe Schicht auftrifft und gleichzeitig eine einkristalline Schicht eines Materials, das eine Verbindung dieser Elemente aufweist, auf den freiliegenden Teilen und eine polykristalline Schicht dieser Verbindung auf der amorphen Schicht bildet!

und daß das Molekül ar strahlenbündel bei Bedarf wenigstens ein Dotierstoffelement umfaßt, um die Leitfähigkeit der einkristallinen Schicht zu verändern.

2«) Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,, daß die amorphe Schicht dadurch gebildet wird, daß die ausgewählten Tjdle der Hauptfläche einer Sandstrahlbehandlung unterzogen werden·

3.) Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das polykriställine Material ausreichend hochohmig gemacht wird, um zwischen den Bauelementen eine elektrische Trennung zu erzeugen, und daß das polykristalline Material im wesentlichen koplanar mit dem monokristallinem Material ist,

4·.) Verfahren sach Anspruch 1,

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dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Molekularstrahlenbündel wenigstens ein Dotierstoff element -umfaßt, -um den Leitfähigkeitstyp des einkristallinen Materials zu verändern.

5·) Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Molekularstrahlenbündel verwendet wird, das in den restlichen Teilen der Oberfläche eine erste einkristalline Schicht mit einer ersten Trägerkonzentration und eine zweite einkristalline Schicht mit einer niedrigeren Trägerkonzentration niederzuschlagen vermag.

6.) Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Schicht aus einem Material gebildet wird, das aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und genetischen Oxiden ausgewählt ist.

7.) Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat verwendet wird, c.as Cr-dotiertes GaAs aufweist.

8.) Halbleiterbauelement,

dadurch gekennzeichnet, daß es mit dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.

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9.) Halbleiterbauelement mit einem Substrat und einer auf einem Teil einer Hauptfläche des Substrates gebildeten ersten Schicht eines Materials,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (100) ein Einkristall einer IHa-Va-Verbindung ist;

daß die erste Schicht (104) eine einkristalline Schicht einer lila-Va-Verbindung ist;

und daß sich eine polykristalline Schicht (106) einer IIIa-Va-Verbindung auf dem Rest der Hauptfläche befindet und an die liebenflächen der monokristallinen Schicht (104) angrenzt·

10·) Bauelement nach Anspruch 9»

dadurch gekennzeichnet, daß auf der ersten Schicht eine zweite monokristalline Schicht eines IIIa-Va-Materials gebildet ist, und daß die polykristalline Schicht an die Nebenflächen der ersten und der zweiten monokristallinen Schicht angrenzt.

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