DE3021021A1

DE3021021A1 - Verfahren zum selektiven zuechten einer fluessigphasen-epitaxieschicht auf einem halbleitersubstrat

Info

Publication number: DE3021021A1
Application number: DE19803021021
Authority: DE
Inventors: Koichiro Nakajima; Masaharu Watanabe
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-06-06
Filing date: 1980-06-03
Publication date: 1980-12-11
Also published as: US4298410A; JPS55163835A; GB2055055A; DE3021021C2; GB2055055B

Description

Henkel, Kern, feiler fr Hänzel Patentanwälte

Registered Representatives 2 before the

& European Patent Office

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha, Si^Ä??»! β«

D-ΘΟΟΟ München 80

Kawasaki, Japan

Tel.: 089/982085-87 Telex: 05 29 802 hnkl d

Telegramme: ellipsoid

SI-55P277-3

- 3. Juni 1980

Verfahren zum selektiven Züchten einer Flüssigphasen-Epitaxieschicht auf einem Halbleitersubstrat

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen, insbesondere von lichtemittierenden bzw. Leuchtdioden, nach dem selektiven Flüssigphasen-Epitaxieauf wachsverfahren.

Beim selektiven Züchten bzw. Aufwachsen einer Flüssigphasen-Epitaxieschicht auf einem Halbleitersubstrat in einem entsprechenden Flüssigphasen-Epitaxiesystem (LPE system) wird eine Vorrichtung benutzt, die einen oberen Gehäuseteil mit einer Kammer zur Aufnahme einer Flüssigkeitslösung und einen unteren Gehäuseteil mit einer Ausnehmung zur Aufnahme eines Halbleitersubstrats aufweist, welches selektiv mit einer Isolierschicht beschichtet ist. Der untere Gehäuseteil bildet den Boden der Vorrichtung, die ihrerseits so ausgelegt ist, daß oberer und unterer Gehäuseteil relativ zueinander verschiebbar sind. Beim bisherigen Verfahren kommen die Aufwachs-

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lösung und das Halbleitersubstrat bei der relativen Gleitbewegung zwischen oberem und unterem Gehäuseteil in Berührung miteinander. Die Gehäuseteile werden während einer bestimmten Zeitspanne auf hoher Temperatur gehalten und zum Aufwachsen der Epitaxieschicht abgekühlt. Da während dieses Aufwachsvorgangs die freigelegte Oberfläche des Halbleitersubstrats und die Isolierschicht mit einer großen Menge der darüber befindlichen Aufwachslösung in Berührung stehen, ist die Steuerung von Dicke und Breite der gezüchteten Epitaxieschicht schwierig.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Ausschaltung der Mangel des Stands der Technik durch Schaffung eines verbesserten Verfahrens der angegebenen Art, bei dem das Abkühlen für das Aufwachsen der Epitaxieschicht erfolgt, während nur die erforderliche Menge der Epitaxie- bzw. Aufwachslösung auf der freien Oberfläche des Halbleitersubstrats verbleibt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Maßnahmen und Merkmalen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A bis 1C Schnittansichten zur Verdeutlichung der

Arbeitsgänge beim erfindungsgemäßen Verfahren ,

Fig. 2 und 3 Schnittansichten zur Veranschaulichung des

Aufbaus eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleiterbereichs und

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Fig. 4 eine Aufsicht auf eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Zif femanzeigeexnheit.

Erfindungsgemäß kann eine Isolierschicht eine Einzelschicht aus einem Werkstoff, wie einem Glas auf der Basis von SiO₂/ Si₃N₄, Al₂O₃ oder B₃O₃*SiO₂«A1₂O₃, sein. Die Ausbildung der Isolierschicht auf einem Halbleitersubstrat kann nach einem der folgenden'Verfahren geschehen: 1. Aufdampfen von SiO₂ auf ein auf 450⁰C erwärmtes Halbleitersubstrat durch Umsetzung

von SiH^ + O₂ ^SiO₂ in einer Ar-Atmosphäre; 2.Aufstreichen

einer Si enthaltenden flüssigen Masse auf ein Substrat, Einbrennen der Masse bei 200⁰C und Erhöhung ihrer Dichte bei 600 - 800⁰C; 3. Aufdampfen von Si₃N₄ auf ein Substrat durch Umsetzung von SiH₄ + NH₃ —^Si₃N₄; 4. Aufbringen von Al₃O₃ nach dem Aufsprüh- oder Spritzverfahren; und 5. Elektroablagerung von feinem Glaspulver auf der Basis von B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃ auf ein Substrat in einer Suspension dieses feinen Glaspulvers. Zum Ätzen eines Teils dieser Isolierschicht zwecks selektiver Freilegung der Substratoberfläche wird im Fall einer Isolierschicht aus Siliziumoxid ein Säuregemisch aus HF und HNO₃, im Fall einer Isolierschicht aus Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid erwärmtes H₃PO₃ und im Fall einer Isolierschicht aus B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃—-Glas NH₄F angewandt. Das Halbleitersubstrat kann aus GaP, GaAsP, GaAs, InP, GaAlAs, InGaP, GaAlAsP, So o.dgl. bestehen, und es kann ein polykristallines Gefüge oder ein Einkristallgefüge besitzen. Die Flüssigphasen-Aufwachslösung ist im Fall eines Substrats aus GaAsP eine mit As und P gesättigte Ga-Lösung, im Fall eines Substrats aus GaAlAs eine Ga-Lösung, die eine kleine, weniger als die Sättigungsmenge betragende Menge an Al und eine Sättigungsmenge an As enthält, im Fall eines Substrats aus GaP eine mit P gesättigte Ga-Lösung oder im Fall eines Substrats aus Si eine Sn- oder eine Al-Lösung. Vorrichtungen zur Durchführung des Flüssigphasen-Aufwachsens brauchen nur zwei Erfordernisse zu erfüllen: Zum einen müssen oberer und unte-

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rer Gehäuseteil aus hochreinem Kohlenstoff bestehen, um die relative Gleit- bzw. Verschiebebewegung zu erleichtern, bei welcher die Berührung zwischen Substrat und Lösung eingeleitet und beendet wird; zum anderen muß die Vorrichtung bei Erwärmung in einem Ofen entsprechend einem vorbestimmten Temperaturprogramm erwärmbar und/oder abkühlbar sein. Die Flüssigphasen-Epitaxieschicht kann eine solche sein, die einen auf einem Einkristall-Halbleitersubstrat gezüchteten Halbleiterbereich aufweist, und sie kann polykristallin sein.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispxele der Erfindung im einzelnen erläutert. Gemäß Fig. 1A bestehen bei der verwendeten Vorrichtung sowohl ein oberer Gehäuseteil 1 als auch ein unterer Gehäuseteil 2 aus Kohlenstoff. Der obere Gehäuseteil 1 weist eine Kammer 4 zur Aufnahme einer Flüssigphasen-Aufwachslösung 3 auf, und der untere Gehäuseteil 2, der unterhalb des oberen Gehäuseteils als Boden für diesen angeordnet ist, ist relativ zum oberen Gehäuseteil 1 verschiebbar. Der untere Gehäuseteil 2 ist mit einer Ausnehmung 5 versehen, in welcher ein Halbleitersubstrat 6 angeordnet wird. Gemäß Fig. 1A sind oberer und unterer Gehäuseteil 1 bzw. 2 so angeordnet, daß die Lösung 3 und das Halbleitersubstrat 6 einander nicht berühren. Gemäß Fig. 1B ist der untere Gehäuseteil 2 in eine Position unmittelbar unterhalb der Kammer 4 des oberen Gehäuseteils 1 verschoben worden. Gemäß Fig. 1C ist der untere Gehäuseteil 2 weiter verschoben worden, so daß die Ausnehmung 5 die Kammer 4 passiert hat.

Ausführungsbeispiel 1

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Halbleitersubstrat 6 ein GaP-Substrat benutzt, auf dessen Oberfläche durch chemi-

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sches Aufdampfen eine SiO^-Schicht ausgebildet worden ist, in welcher Öffnungen vorgesehen sind, die durch Formung einer Photomaske auf der SiO^-Schicht und anschließendes Auflösen der freiliegenden Bereiche in einem Säuregemisch aus HF und HNO₃ ausgebildet worden sind. Die SiO^-Schicht dient als Isolierschicht 7. Die Öffnungen in dieser Isolierschicht sind kreisförmig mit einem Durchmesser von jeweils 1 mm. Eine Anzahl dieser Öffnungen ist in einem Raster- bzw. Gittermuster verteilt. Die Aufwachslösung ist eine Ga-Lösung, die Zn und O, welche von metallischem Zn bzw. Ga-Oo geliefert werden, und eine Sättigungsmenge an P enthält. Die Anordnung gemäß Fig. 1A wird 10 min lang auf einer Temperatur von 1000⁰C gehalten. Sodann wird der untere Gehäuseteil 2 bei dieser Temperatur in die Position gemäß Fig. 1B verschoben. Nach einer Zeitspanne von 10 bis 20 min wird der untere Gehäuseteil 2 weiter in die Position gemäß Fig. 1C verschoben, worauf die Anordnung mit einer Kühlgeschwindigkeit von 2°C/min auf 800⁰C abgekühlt wird. Dabei bildet sich eine etwa 2 μπι dicke GaP-Epitaxieschicht 8 mit zugesetztem Zn und 0 in den Öffnungen der Isolierschicht 7 auf dem Substrat (vgl. Fig.2). Die überschüssige Lösung 9 wird abgestreift.

Ausführungsbeispiel 2

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Epitaxie- bzw. Aufwachslösung eine stark gereinigte Ga-Lösung verwendet. Die Vorrichtung wird im Zustand gemäß Fig. 1C von 30⁰C auf 1000⁰C erwärmt. Nach einer Zeitspanne von 20 min bei dieser Temperatur wird sie mit einer Kühlgeschwindigkeit von 2°C/min auf 800⁰C abgekühlt, wobei ein Halbleiterelement der Art gemäß Fig. 3 erhalten wird. Im GaP-Substrat wird dabei unter den Öffnungen in der Isolierschicht 7 ein Eindringbereich (regrowth region) 10 gebildet. Die überschüssige

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Ga-Lösung 9 wird wiederum abgestreift. Ausführungsbeispiel 3

Ein p-Typ-Flüssigphasen-Epitaxiebereich wird auf einem n-Typ-GaP-Einkristallsubstrat nach dem Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 2 rückkristallisiert, wobei dieses Substrat nach dem Ziehverfahren mit der Konstruktion gemäß Fig. 3 hergestellt worden ist. Die verwendete Aufwachslösung ist eine Ga-Lösung mit Zn- und O-Zusatz. Der im Substrat gebildete pn-übergang wird als rote Leuchtdiode benutzt. Diese Leuchtdiode besitzt einen Lichtemissionswirkungsgrad von etwa 4 % und eine elektrische Stromdichte von 5 mA/mm^z. Dies stellt etwa den doppelten Wert wie bei den bisherigen Produkten dar, die einen Lichtemissionswirkungsgrad von nur etwa 2 % besitzen. Bei den bisherigen Verfahren werden außerdem pro 20 cm² Plättchen—Fläche für gewöhnlich 8 g Ga verbraucht. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden dagegen nur etwa 3 g Ga verbraucht, so daß sich hieraus wirtschaftliche Vorteile ergeben.

Ausführungsbeispiel 4

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird auf ähnliche Weise wie beim Ausführungsbeispiel 3 eine numerische bzw. Ziffernanzeigeeinheit hergestellt, die in Fig. 4 in Aufsicht veranschaulicht ist. Gemäß Fig. 4 umfaßt der Ziffernanzeigebereich 11 eine rückkristallisierte p-Typ-Schicht, und der Umgebungsbereich besteht aus einer Isolierschicht, z.B. einer Oxidschicht 7, während darunter ein n-Typ-Bereich eines nicht dargestellten Substrats angeordnet ist.

Ausführungsbeispiel 5

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Aufwachslösung und das Halbleitersubstrat gemäß Ausführungsbeispiel 1 benutzt.

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Die Vorrichtung wird 10 min lang auf 1000⁰C erwärmt. Nach einer Zeitspanne von 10 min im Zustand gemäß Fig. 1B wird die Vorrichtung im Zustand gemäß Fig. 1C mit einer Geschwindigkeit von 2°C/min auf 1050⁰C erwärmt. Anschließend wird die Vorrichtung mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 2°C/min auf 800⁰C abgekühlt. Infolgedessen wird im Substrat ein pn-übergang geformt.

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Leerseite

Claims

Henkel, Kern, feiler ErHänzel Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha, Möhlstraße 37

Kawasaki, Japan D-8000München 80

Tel.: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkl d

Tetegramme: ellipsoid

SI-55P277-3

- 3. Juni 1980

Verfahren zum selektiven Züchten einer
Flüssigphasen-Epitaxieschicht auf einem
Halbleitersubstrat

Patentansprüche

Verfahren zum selektiven Züchten bzw. Aufwachsen einer
Flüssigphasen-Epitaxieschicht auf einem Halbleitersubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Flüssigphasen-Epitaxie- bzw.-Aufwachslösung und ein Halbleitersubstrat, das selektiv mit einer Isolierschicht beschichtet ist, vorgesehen werden, daß sodann das Halbleitersubstrat und die Lösung auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt werden, daß hierauf die Lösung und das Halbleitersubstrat so miteinander in Berührung gebracht werden, daß die Lösung auf den Bereichen der Oberfläche des Halbleitersubstrats, die nicht mit der Isolierschicht
beschichtet sind, verbleibt, und daß die Lösung und das Halbleitersubstrat mit konstanter Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt werden, um eine Flüssigphasen-Epitaxieschicht zu züchten.

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ORIGINAL INSPECTED
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des zweiten und des dritten Verfahrenssehritts die Lösung nur in den nicht mit der Isolierschicht beschichteten Bereichen der Oberfläche des Halbleitersubstrats belassen wird und das Halbleitersubstrat
sowie die Lösung auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem dritten Verfahrensschritt das Halbleitersubstrat und die Lösung weiter auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitersubstrat eine Halbleiterverbindung der Gruppen III - V des Periodensystems verwendet wird.

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