DE3620329C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein α-Siliciumcarbid-Einkristall-Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Siliciumcarbid ist ein Halbleitermaterial, das weite verbotene Bandabstände (2,2 bis 3,3 eV) besitzt und sehr stabile thermische, chemische und mechanische Eigenschaften zeigt und gegenüber Beschädigung aufgrund von Strahlung hochresistent ist. Das Material hat sowohl eine n- als auch eine p-Leitfähigkeit, was bei Halbleitern mit weiten verbotenen Bandabständen selten der Fall ist. Demgemäß erscheint Siliciumcarbid brauchbar als Halbleitermaterial für lichtemittierende Bauelemente oder Photodetektorgeräte für sichtbares Licht kurzer Wellenlängen, für bei hohen Temperaturen oder mit hoher elektrischer Leistung arbeitende elektronische Geräte, für äußerst zuverlässige Halbleitergeräte und für strahlungsfeste Geräte. Weiterhin kann man mit Siliciumcarbid elektronische Geräte schaffen, die in einer Umgebung brauchbar sind, in der mit üblichen Halbleitermaterialien hergestellte Geräte Probleme haben. Auf diese Weise erweitert Siliciumcarbid im großen Maße den Anwendungsbereich für Halbleiterbauelemente bzw. -geräte. Andere Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Halbleiterverbindungen aus Elementen der Gruppe II und VI oder aus den Gruppen III und V enthalten allgemein ein Schwermetall als Hauptbestandteil und besitzen demzufolge Verschmutzungs- und Betriebsmittelprobleme, während Siliciumcarbid nicht diese Probleme hat und dementsprechend ein vielversprechendes elektronisches Material zu sein scheint.

Es gibt viele Kristallstrukturen des Siliciumcarbids (genannt "polytypisch"), die allgemein in den α-Typ und den β-Typ unterteilt werden. Siliciumcarbid des β-Typs besitzt eine kubische Kristallstruktur und hat den kleinsten der verbotenen Bandabstände (2,2 eV) aller Formen von Siliciumcarbid, während α-Siliciumcarbid eine hexogonale oder eine rhomboedrische Kristallstruktur besitzt und relativ große verbotene Bandabstände von 2,9 bis 3,3 eV aufweist. Wegen der großen verbotenen Bandabstände erwartet man von α-Siliciumcarbid, daß es ein vielversprechendes Halbleitermaterial für optoelektronische Bauelemente bzw. -geräte, wie beispielsweise lichtemittierende Geräte und Photodetektoren, zur Verwendung mit blauem oder anderem sichtbaren Licht kurzer Wellenlängen oder ultraviolettnahen Strahlen ist. Obgleich Zinksulfid (ZnS), Zinkselenid (ZnSe), Galliumnitrid (GaN) etc. Werkstoffe sind, die für lichtemittierende Geräte für blaues oder anderes sichtbares Licht kurzer Wellenlängen verwendbar erscheinen, haben die Kristalle dieser üblicherweise verfügbaren Materialien nur die Leitfähigkeit einer Art, d. h. p-Leitfähigkeit oder n-Leitfähigkeit, und es existieren Schwierigkeiten beim Gewinnen von Kristallen, die beide Leitfähigkeitsarten haben. Demgegenüber macht α-Siliciumcarbid in einfacher Weise ein Kristall sowohl der p-Leitfähigkeit als auch der n-Leitfähigkeit für einen p-n-Übergang verfügbar. Es ist demzufolge zu erwarten, daß das Material lichtemittierende Bauelemente bzw. Geräte und Photodetektoren realisieren kann, die hervorragende optische bzw. elektrische Eigenschaften aufweisen. Wegen der außerordentlich hohen Stabilität seiner thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften wird das Material weiterhin für weitere Anwendungsfälle als andere Halbleitermaterialien brauchbar sein.

Trotz dieser zahlreichen Vorteile und Fähigkeiten ist α-Siliciumcarbid nicht zu einer tatsächlichen Verwendung gelangt, weil die Technik noch nicht auf das Züchten von α-Siliciumcarbidkristallen in kontrollierter Größe, Form und Qualität mit guter Reproduzierbarkeit eingerichtet ist, wie für die kommerzielle Massenproduktion von Siliciumcarbid-Substraten bzw. -trägerschichten von großer Fläche mit hoher Qualität und hoher Produktivität erforderlich.

Zu üblichen Verfahren zur Herstellung von α-Siliciumcarbid- Einkristall-Substraten im Labormaßstab gehört das sogenannte Sublimierungsverfahren [auch das "Lely-Verfahren" genannt; siehe "Growth Phenomena in Silicon Carbide", W.F. Knippenberg: Philips Research Reports, Band 18, Nr. 3, Seiten 161-274 (1963). (Kapitel 8, "The Growth of SiC by Recrystillization and Sublimation", Seiten 244-266)], bei dem Siliciumcarbidpulver in einem Graphittiegel bei 2200°C bis 2600°C sublimiert und rekristallisiert wird, um ein Siliciumcarbid-Substrat zu erhalten. Nach dem Sublimationsverfahren wird auch gemäß der DE-AS 19 15 549 gearbeitet, wobei eine SiC-Schicht direkt auf einem Substrat gezüchtet wird.

Bekannt ist ferner das sogenannte Flüssigkeitsphasenverfahren ["Growth of Silicon Carbide from Solution" R.C. Marshall: Material Research Bulletin, Band 4, Seiten S73-S84 (1969)], bei dem Silicium oder eine Mischung aus Silicium mit Eisen, Cobalt, Platin oder dergleichen Verunreinigungen in einem Graphittiegel geschmolzen wird, um ein Siliciumcarbid-Substrat zu erhalten, und das Acheson-Verfahren ["Growth Phenomena in Silicon Carbide" W.F. Knippenberg: Philips Research Reports, Band 18, Nr. 3 Seiten 161-274 (1963) (Kapitel 2 "Preparative Procedures", Seiten 171-179)], das allgemein zur kommerziellen Erzeugung von Schleifmaterialien verwendet wird und durch das nebenbei ein Siliciumcarbid-Substrat erhalten wird. Blaulichtemittierende Dioden werden unter Verwendung eines Substrats eines α-Siliciumcarbids hergestellt, das durch ein derartiges Kristallwachstumsverfahren erhalten wird, indem auf dem Substrat eine Einkristallschicht eines α-Siliciumcarbids mittels Flüssigphasen- Epitaxialwachstum (LPE) oder chemische Niederschlagung aus der Dampfphase (CVD) gebildet wird, um einen p-n-Übergang verfügbar zu machen.

Obgleich das Sublimierungsverfahren oder das Flüssigphasenverfahren eine große Zahl von kleinen Einkristallen liefert, ist es jedoch schwierig, große Einkristallsubstrate guter Qualität mittels dieser Verfahren herzustellen, da viele Kristallkerne in dem Anfangsstadium des Kristallwachstums auftreten. Das Siliciumcarbid-Substrat, das beiläufig mittels des Acheson-Verfahrens erhalten wird, ist noch hinsichtlich Reinheit und Kristallqualität für die Verwendung als ein Halbleitermaterial zu verbessern, während große Substrate, wenn überhaupt, nur zufällig erhalten werden. Demgemäß weisen übliche Kristallwachstumsverfahren für die Herstellung von Substraten von α-Siliciumcarbid Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Größe, der Form, der Qualität, Verunreinigungen, etc. auf und sind nicht für die kommerzielle Herstellung von Einkristall-Substraten aus Siliciumcarbid im Hinblick auf die Produktivität geeignet. Obleich lichtemittierende Dioden hergestellt werden, indem Substrate aus α-Siliciumcarbid mittels des üblichen Verfahrens hergestellt werden und indem die Substrate, wie bereits erwähnt, der Flüssigphasenepitaxie oder der chemischen Niederschlagung aus der Dampfphase unterworfen werden, liegt noch kein Fortschritt bei der kommerziellen Massenproduktion vor, da es kein Verfahren zur industriellen Herstellung von α-Typ-Einkristall-Substraten mit einer großen Fläche und einer hohen Qualität gibt.

Andererseits ist es möglich, einen Einkristallfilm aus Siliciumcarbid epitaxial mittels CVD, LPE, Molekularstrahlepitaxy (MBE) oder einem ähnlichen Verfahren auf einem Einkristall-Substrat von Silicium (Si), Saphir (Al₂O₃), β-Siliciumcarbid (β-SiC) oder dgl. zu züchten, der sich von α-Siliciumcarbid hinsichtlich des Komponentenbestandteils oder der Kristallstruktur unterscheidet, während die durch dieses Verfahren erhaltenen Siliciumcarbidfilme nur vom β-Typ sind, der eine kubische Kristallstruktur besitzt.

Ein α-Siliciumcarbid-Einkristall sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der eingangs genannten Gattung ist bereits aus der europäischen Patentschrift Nr. 00 69 206 bekannt. Hierbei wird nach der sogenannten chemischen Übertragungstechnik gearbeitet, wonach die Ausgangsmaterialien in der Dampfphase von SiC und AlN transportiert werden, um die epitaxische Wachstumsschicht aus (SiO) _x (AlN)_1-x auf einem Substrat zu bilden. Das Züchten eines Einkristalls aus α-SiC mit einer hohen Qualität und einer großen Fläche mit hoher Produktivität ist nach dieser Druckschrift schwierig, wenn die durch das dortige Verfahren gebildete Kristallschicht aus (SiO) _x (AlN)_1-x als Grundschicht zum Züchten von SiC verwendet wird, weil das Verfahren bei einer Temperatur zwischen 1900 und 2020°C durchgeführt wird, die zu einem Abbau und/oder einer Verdampfung der Kristalle beim Züchten sowie des Substratmaterials (Al₂O₃) etc. führt. Demgemäß ergibt sich eine unzureichende Kristallgleichförmigkeit und Oberflächenglätte für eine Grundschicht zum epitaxischen Züchten von α-SiC.

Ungünstig ist ferner, daß die Verwendung von 50-80 Mol-% AlN in den Mischkristallen zur Beeinträchtigung der Gleichförmigkeit von Kristallen und Komponenten sowie der Oberflächenglätte beiträgt. Die angewandte chemische Übertragungstechnik, die bei einer hohen Temperatur arbeitet, ist ferner nachteilig im Hinblick auf die Kontrolle der Temperatur, der Gasströmung, des Aufbaues der Übertragungsvorrichtung, etc. und steht demgemäß einer problemlosen und hochqualitativen Produktivität entgegen, die für eine Massenproduktion nötig ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines hochqualitativen, großflächigen α-Siliciumcarbid-Einkristall-Substrats in einer für die kommerzielle Massenproduktion geeigneten Weise.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem α-Siliciumcarbid- Einkristall-Substrat durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Eine verfahrensseitige Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 6 genannten Merkmale offenbart.

Bevorzugte weitere Ausgestaltungen des Substrats bzw. des Verfahrens sind in den jeweils nachgeordneten Patentansprüchen enthalten.

Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Herstellung eines α-Siliciumcarbid-Einkristall-Substrats mit hoher Qualität und einer großen Fläche (z. B. 2,54 cm×5,08 cm) mit hoher Produktivität. Es wird wirkungsvoll eine Einkristallschicht aus α-SiC gebildet, die die Kristallstruktur der darunterliegenden Substanz übernimmt. Das dargestellte Einkristall-Substrat weist eine hohe Stabilität in einen thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften auf und bietet somit die Möglichkeit einer Nutzung in verschiedenartigen Anwendungsbereichen, beispielsweise als optoelektronisches Bauelementmaterial für lichtemittierende Geräte, Photodetektoren, etc. zur Verwendung bei blauem und anderem sichtbaren Licht kurzer Wellenlänge sowie ultraviolettnahen Strahlen.

Im Unterschied zu der bei dem europäischen Patent 00 69 206 angewandten chemischen Übertragungstechnik wird hier vorteilhaft durch das CVD-Verfahren jedes der Elemente (z. B. AlN, Si oder C) in Form eines flüchtigen Bestandteils oder so wie es vorliegt, auf ein Substrat gebracht, wo diese Elemente zur Bildung der gewünschten Verbindung miteinander reagieren und die Verbindung auf dem Substrat niederschlagen. Ein deutlicher chemischer Unterschied besteht auch zwischen den Mischkristallen dieser Druckschrift und der hier beanspruchten Grundschicht.

In der DE-AS 19 15 549 wird zwar die Möglichkeit der Verwendung von AlN als Substrat angesprochen, doch fehlt jeglicher Hinweis auf eine AlN-Schicht, die mittels des CVD-Verfahrens bei der erfindungsgemäß beanspruchten Temperatur gebildet wird. In den in dieser älteren Druckschrift dargestellten Versuchsergebnissen findet sich keine Stütze für die Verwendung von AlN, und es fehlt jegliche Erklärung, welche Art von SiC-Schicht ( α-SiC, β-SiC, etc.) gezüchtet werden kann, wenn AlN-Substrat verwendet wird. Zudem sind dort Temperaturwerte genannt, die deutlich oberhalb des hier beanspruchten Bereichs liegen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile sind den übrigen Ansprüchen und dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus einer Wachstumsvorrichtung, die bei den Beispielen 1 und 2 der Erfindung verwendet wird; und

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus einer Wachstumsvorrichtung, die bei dem Beispiel 3 der Erfindung verwendet wird.

Die Formulierung "Einkristall-Substratbestandteil aus einem anderen Material als α-SiC", die hier verwendet wird, bedeutet ein Einkristall-Substrat bzw. -Träger oder -Trägerschicht aus Si, Al₂O₃, β-SiC oder dgl.

Das Einkristall-Substrat aus β-SiC ist für das Herstellen von Einkristallen guter Qualität vorteilhaft, da es in seiner Gitterkonstanten und in seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten α-SiC ähnlich ist. Üblicherweise kann das Einkristall-Substrat aus β-SiC in Form einer Schicht vorliegen, die auf irgendeinem anderen Trägermaterial (beispielsweise auf einem Si-Einkristall) gebildet ist. Es ist angemessen, daß der Einkristall-Substratbestandteil eine Dicke von etwa 1 bis etwa 500 µm besitzt.

Die Grundschicht gemäß der Erfindung besteht in Form einer Einkristallschicht nur aus AlN oder GaN oder Al _x Ga_1-x N (0 ≦ωτ x ≦ωτ 1) oder einer Kristallschicht aus einem Gemisch aus SiC und wenigstens einem dieser Nitride. Die Kristallschicht aus dem Gemisch enthält einen Nitridmischungsanteil von 0,1 bis 10 Mol-%. Beispielsweise können zufriedenstellende Ergebnisse erreicht werden, wenn eine geringe Menge, wie etwa 1 Mol-% oder etwa 2 Mol-% AlN oder dgl. vorliegt.

Man ist der Auffassung, daß für den Fall einer Kristallschicht aus einer Mischung aus SiC und AlN oder dgl. im Unterschied zu SiC Al-, Ga- und N-Atome in Form einer Verbindung AlN, Ga-N oder Al _x Ga_1-x N vorliegen, die ein Kristall mit SiC bildet. Derartige unterschiedliche Atome könnten jedoch im Kristallgitter von SiC vorliegen, wenn sie lokal und zufällig als sogenannte Dotiermittel in dieses eingeführt worden sind. Insbesondere wenn die Mengen derartiger Atome relativ zu SiC klein sind, werden diese Atome in Form von Dotiermitteln vorliegen.

Die Grundschicht wird durch das CVD-Verfahren gebildet. Beispiele für geeignete Al-Quellen für dieses Verfahren sind die Kombination von metallischem Aluminium und einem Ätzgas (beispielsweise Wasserstoffchloridgas) dafür, Aluminiumchlorid, Trimethylaluminium und Triethylaluminium. Beispiele für geeignete Ga- Quellen sind die Kombination von metallischem Gallium und einem Ätzgas dafür, Galliumchlorid, Trimethylgallium und Triethylgallium. Beispiele für geeignete N-Quellen sind Stickstoff und Ammoniak. Zur Bildung der Kristallschichtmischung sind geeignete Si-Quellen SiH₄, SiCl₄, SiH₂Cl₂, (CH₃)₃SiCl und (CH₃)₂SiCl₂ und geeignete C-Quellen sind CCl₄, CH₄, C₂H₆ und C₃H₈. Derartige Quellengase werden der CVD-Reaktionskammer üblicherweise in einem Trägergas, wie beispielsweise Wasserstoffgas, mitgerissen zugeführt. Die Geschwindigkeit des Kristallwachstums auf der Grundschicht und das Verhältnis der Atombestandteile des Kristalls kann, wie oben erwähnt, kontrolliert bzw. gesteuert werden, indem die Strömungsraten der Quellengase durch Strömungsmengenregler oder dgl. eingestellt wird. Das Verhältnis der der Kombination zuzuführenden Quellengase, beispielsweise das Al-N-Quellenverhältnis, das Ga-N-Quellenverhältnis oder das Al + Ga-N- Quellenverhältnis kann derart bemessen sein, daß ein Überschuß eines relativ zu dem anderen verwendet wird. Obgleich das Zuführverhältnis vorzugsweise so bestimmt wird, daß beispielsweise Al und N in dem resultierenden Kristall im Verhältnis 1:1 enthalten sein werden, muß das Verhältnis nicht stets genau eingestellt werden; ein Überschuß eines Elements kann in dem Kristall vorhanden sein.

Die zu verwendende CVD-Vorrichtung kann bereits im Stand der Technik bekannt sein. Der Substratbestandteil für das CVD wird auf einer Temperatur von 1000 bis 1800 °C, vorzugsweise von 1200 bis 1600 °C gehalten. Der Gaszuführdruck innerhalb der CVD-Kammer kann atmosphärisch oder ein niedriger Druck von etwa 1,33 bis etwa 13332,2 Pa sein. Obgleich es zweckmäßig ist, die Grundschicht bis zu einer Dicke von wenigstens 0,1 µm, insbesondere etwa 0,1 bis etwa 5 µm zu bilden, kann die Dicke größer sein.

Ein Einkristall aus SiC wird auf der auf diese Weise erhaltenen Grundschicht gezüchtet, wobei ein Einkristall aus α-SiC gebildet wird. Ebenso wie die Grundschicht wird der SiC-Einkristall in geeigneter Weise durch das CVD-Verfahren gezüchtet. Obgleich der Einkristall bevorzugt auf eine Dicke von etwa 1 bis etwa 10 µm gezüchtet wird, kann die Dicke größer sein.

Der SiC-Einkristall, der auf der Grundschicht gezüchtet wird, besteht aus dem α-Typ, vermutlich aus dem folgenden Grund.

α-SiC weist verschiedenartige Kristallstrukturen auf, die sich geringfügig voneinander unterscheiden, und typisch dafür sind, eine 2H-Form, eine 4H-Form und eine 6H-Form. AlN, GaN und Al _x Ga_1-x N-Einkristalle weisen genau den gleichen hexagonalen Kristallaufbau wie α-SiC in der 2H-Form auf. Die Gitterkonstanten und Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Einkristalle betragen 0,310 nm und 4,15 × 10^-6 K^-1 für AlN, 0,319 nm und 5,59 × 10^-6K^-1 für GaN und gemäß dem Verhältnis x liegen für Al _x Ga_1-x N Zwischenwerte zwischen diesen Werten von AlN und GaN vor. Alle diese Werte sind den entsprechenden Werten von α-SiC, d.h. 0,308 nm und 4,2 × 10^-6 K^-1, angenähert. Weiterhin besitzt auch der Kristall eine Mischung aus SiC mit AlN, GaN oder Al _x Ga_1-x N ebenfalls dieselbe hexagonale Kristallstruktur wie α-SiC der 2H-Form und ist bezüglich der Gitterkonstante und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α-SiC angenähert. Dementsprechend ist der gezüchtete SiC-Film bzw. die SiC-Schicht eine α-Kristallschicht, die die Kristallstruktur der Grundsubstanz übernimmt. Aus dieser Sicht ist die Verwendung von AlN oder der Mischung aus SiC und AlN besonders vorteilhaft zur Gewinnung eines Einkristalls aus α-SiC, der eine gute Kristallqualität aufweist, da das Material bezüglich der Gitterkonstanten und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α-SiC sehr nahe kommt.

Das erhaltene Einkristall-Substrat ist ein neuartiges Substrat, das selbst eine spezifische geschichtete Struktur besitzt. Überdies liegen die großen Bandabstände der Grundschicht zur elektrischen Trennung des α-SiC-Einkristalls von dem Substratbestandteil. (Die Grundschicht fungiert auch als Isolierfilm, da beispielsweise AlN Bandabstände von 6,2 eV besitzt oder da der Mischkristall aus AlN und SiC Bandabstände von wenigstens 3,3 eV aufweist.) Diese Merkmale machen das α-SiC-Einkristall für Vorrichtungen mit einem großen Vorteil einsetzbar.

Die Erfindung wird detaillierter unter Bezugnahme auf die folgenden Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen Kristalle mittels des CVD-Verfahrens auf Substratbestandteilen aus β-SiC-Einkristall gezüchtet wurden. Beim Beispiel 1 wurde eine AlN-Einkristallschicht zunächst auf dem Substratbestandteil gezüchtet, und ein α-SiC-Einkristall- Film wurde dann auf der Schicht gezüchtet. Bei den Beispielen 2 und 3 wurde zuerst eine Kristallschicht aus einer Mischung aus AlN und SiC auf dem Substratbestandteil gezüchtet und dann wurde ein α-SiC-Einkristall- Film auf der Schicht gezüchtet.

Die Substratbestandteile aus β-SiC-Einkristall wurden mittels des aufeinanderfolgenden Zwei-Schritt-CVD-Verfahrens hergestellt, wie bereits von der Patentinhaberin zum Züchten von β-SiC-Einkristallen beschrieben worden ist (japanische Patentveröffentlichung SHO 59-203 799). Genauer gesagt, wurde der Substratbestandteil hergestellt, indem gleichmäßig eine dünne Polykristallin- SiC-Schicht von etwa 20 nm Dicke auf einer Si-Einkristallbasis bei einer Temperatur von etwa 1050 °C mittels CVD unter Verwendung von SiH₄ und C₃H₈ als Quellengase gebildet wurde, indem ein SiC-Einkristall-Film von etwa 20 µm Dicke auf der Schicht bei einer Temperatur von etwa 1350 °C mittels CVD unter Verwendung von SiH₄ und C₃H₈ gezüchtet wurde und indem das Si der Basis mit einer Säuremischung aus HF und HNO₃ weggelöst wurde. Die verwendeten Substratbestandteile aus β-SiC-Einkristall hatten eine Größe von 1 cm × 1 cm.

Die beigefügten Schemazeichnungen zeigen die CVD-Wachstumsvorrichtung, die bei den Beispielen 1 bis 3 verwendet wurde. Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 wurde für die Beispiele 1 und 2 und die Vorrichtung von Fig. 2 wurde für das Beispiel 3 verwendet. In den Fig. 1 und 2 weist ein wassergefülltes doppelwandiges horizontales Quarzreaktionsrohr 1 in seinem Inneren einen Graphitheizer 2 auf, der von einem Graphitstab 3 gehalten wird. Ein hochfrequenter Strom wird durch eine Arbeitsspule 4 geleitet, die um den Körper des Reaktionsrohres 1 gewickelt ist, um den Graphitheizer 2 induktiv zu erhitzen. Die Vorrichtung von Fig. 2 besitzt einen weiteren Graphitheizer 17, der von einem Untersatz 16 gehalten wird. Der Heizer 17 wird induktiv mit einem hochfrequenten Strom erhitzt, der durch eine Arbeitsspule 19 geleitet wird. Ein Ende des Reaktionsrohrs 1 besitzt ein Abzweigrohr 5, das als Gaseinlaß dient. Kühlwasser wird über das äußere Quarzrohr des Reaktionsrohrs 1 über Abzweigrohre 6 und 7 geleitet. Das andere Ende des Reaktionsrohrs 1 ist mittels eines Flansches 8 aus rostfreiem Stahl, einer Rückhalteplatte 9, Bolzen 10, Muttern 11 und einem O-Ring 12 abgedichtet. Der Flansch 8 besitzt ein Abzweigrohr 13, das als Gasauslaß dient. Der Graphitstab 3 ist an einem Halter 14 befestigt. Ein Substratbestandteil aus β-SiC- Einkristall wird auf dem Heizer 2 angeordnet. In Fig. 2 ist metallisches Aluminium 18 auf dem Heizer 17 angeordnet. Die Strömungsgeschwindigkeiten der Quellengase und des Trägergases (H₂) wird durch Mengenströmungsregler 20 gesteuert. Bei A bis F sind Gaszylinder angedeutet, A für H₂, B für SiH₄, C für C₃H₈, D für (CH₃)₃Al, E für N₂ und F für HCl.

Beispiel

Es wurde die Vorrichtung von Fig. 1 verwendet.

Die Luft innerhalb des Reaktionsrohrs 1 wurde durch Wasserstoffgas ersetzt, und es wurde ein hochfrequenter Strom durch die Arbeitsspule 4 geleitet, um den Heizer 2 zu erhitzen und den Substratbestandteil 15 aus β-SiC bei einer Temperatur von etwa 1300 °C zu halten.

Stickstoff (N₂)-Gas, das mit einer Strömungsrate von 0,75 l/min zugeführt wurde, und Trimethylaluminium ((CH₃)₃Al)-Gas, das bei 0,6 cm³/min zugeführt wurde, wurden zu Wasserstoff-Trägergas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,5 l/min. zugemischt, und die Mischung wurde dem Reaktionsrohr 1 durch das Abzweigrohr 5 zugeführt, um 2 Stunden lang AlN zu züchten, wodurch eine AlN- Einkristall-Schicht mit einer Dicke von etwa 0,6 µm gebildet wurde. Daraufhin wurde unter Fortsetzung der Zufuhr von Wasserstoff-Trägergas und der Erhitzung des Substratbestandteils aber mit Unterbrechung der Zufuhr des Stickstoffgases und des Trimethylaluminiumgases Propan (C₃H₈) und Monosilan (SiH₄) dem Reaktionsrohr 1 über die Abzweigleitung 5 jeweils mit einer Strömungsrate von 0,045 cm³/min und 0,045 cm³/min zugeführt, um 1 Stunde lang einen Kristall zu züchten. Dementsprechend wurde ein SiC-Film von etwa 1 µm Dicke über der AlN-Schicht auf dem β-SiC-Substratbestandteil gebildet.

Die Kristallstruktur des gezüchteten SiC-Films wurde durch Reflexion hochenergetischer Elektronenbeugung (RHEED) unter Verwendung eines Elektronenstrahls bei einer Beschleunigungsspannung von 50 kV analysiert. Die Analyse zeigte Punkte, die den wechselseitigen Gitterpunkten des 2H- Form-Kristalls entsprechen. Auf diese Weise wurde das erhaltene Kristall als ein α-SiC-Einkristall der 2H-Form identifiziert.

Beispiel 2

Die Vorrichtung von Fig. 1 wurde verwendet.

Die Luft innerhalb des Reaktionsrohres 1 wurde durch Wasserstoffgas ersetzt, und es wurde ein hochfrequenter Strom durch die Arbeitsspule 4 geleitet, um den Heizer 2 zu erhitzen und den Substratbestandteil 15 aus β-SiC bei einer Temperatur von etwa 1400 °C zu halten.

Propan, Monosilan, Stickstoff und Trimethylaluminium, die jeweils als Quellengase mit Strömungsraten von 0,25 cm³/min, 0,75 cm³/min, 0,35 cm³/min und 0,60 cm³/min zugeführt wurden, wurden mit Wasserstoffträgergas bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 3 l/min zugemischt, und die Gasmischung wurde dem Reaktionsrohr 1 über das Abzweigrohr 5 zugeführt, um 30 Minuten lang einen Kristall zu züchten, wodurch eine Kristallschicht aus einer Mischung aus AlN und SiC mit einer Dicke von etwa 3 µm erhalten wurde.

Die Reflexionsanalyse der hochenergetischen Elektronenbeugung (RHEED) ergab, daß die Schicht die Kristallstruktur einer 2H-Form hatte. Die Schicht wurde weiterhin einer Auger-Elektronenspektroskop-Analyse in einem Hochvakuum von 1,33 × 10^-7 Pa unter Verwendung eines Elektronenstrahls mit einer Beschleunigungsspannung von 5 kV nach dem Entfernen eines Oxidfilms oder dergleichen von der Oberfläche der Ar-Ion-Zerstäubung unterworfen. Das relative Intensitätsverhältnis zwischen den Spitzen (Si _LVV , Si _KLL , C _KLL , N _KLL , Al _KLL ) zeigte, daß die Schicht aus einem Mischkristall von etwa 1 % AlN und etwa 99 % SiC bestand.

Darauffolgend wurde auf der Schicht durch Fortsetzung der Zufuhr von Wasserstoffträgergas, Propangas und Monosilangas und Erhitzen des Substratbestandteils SiC gezüchtet, wobei die Zufuhr von Stickstoffgas und Trimethylaluminiumgas unterbrochen wurde. In 30 Minuten wurde ein Film von etwa 3 µm Dicke auf der Kristallschicht der Mischung aus AlN und SiC auf dem β-SiC- Substratbestandteil erhalten. Die Reflexions-Hochenergie- Beugungs-Analyse ergab, daß die Schicht aus einem α-SiC-Einkristall der 2H-Form bestand.

Beispiel 3

Die Vorrichtung von Fig. 2 wurde verwendet.

Die Luft innerhalb des Reaktionsrohrs 1 wurde durch Wasserstoffgas ersetzt, und es wurde ein hochfrequenter Strom durch die Arbeitsspule 4 geleitet, um den Heizer 2 zu erhitzen und den Substratbestandteil 15 aus β-SiC auf eine Temperatur von etwa 1500 °C zu halten. Dann wurde ein hochfrequenter Strom durch die Arbeitsspule 15 geleitet, um den Heizer 17 auf eine Temperatur von etwa 800 °C zu erhitzen und das Aluminium 18 zu schmelzen.

Propan (C₃H₈), Monosilan (SiH₄) und Stickstoff, die als Quellengase jeweils mit Strömungsraten von 0,25 c/min, 0,75 c/min und 0,2 l/min zugeführt wurden, und Wasserstoffchlorid (HCl), das als Ätzgas für das geschmolzene Aluminium bei einer Strömungsrate von 5 c/min zugeführt wurde, wurden Wasserstoffträgergas bei einer Strömungsrate von 1 l/min zugemischt, und das Gemisch wurde dem Reaktionsrohr 1 durch die Abzweigleitung 5 zugeführt. Das geschmolzene Aluminium wurde durch das Wasserstoffchlorgas geätzt, in das Trägergas freigegeben und auf den β-SiC- Substratbestandteil transportiert. Dementsprechend wurde eine Kristallschicht aus einer Mischung aus AlN und SiC in 30 Minuten mit einer Dicke von etwa 2 µm gebildet. Die Reflexions-Hochenergie-Elektronenbeugungs-Analyse ergab, daß die Schicht die Kristallstruktur der 2H-Form hatte.

Die Auger-Analyse zeigte, daß das Kristall aus etwa 1 % AlN und etwa 99 % SiC zusammengesetzt war.

Darauffolgend wurde ein Kristall gezüchtet, indem die Zufuhr von Wasserstoffträgergas, Propangas und Monosilangas und das Erhitzen des Substratbestandteils fortgesetzt wurde, während die Zufuhr von Stickstoffgas und Wasserstoffchlorgas unterbrochen wurde. Dementsprechend wurde ein SiC-Film von etwa 2 µm Dicke in 30 Minuten auf der Kristallschicht der AlN-SiC-Mischung über dem β-SiC-Substratbestandteil gebildet.

Die Reflexions-Hochenergieelektronen-Beugungs-Analyse ergab, daß der gezüchtete SiC-Film aus einem α-SiC- Einkristall der 2H-Form bestand.

Claims (8)

1. α-Siliciumcarbid-Einkristall-Substrat, bestehend aus
einem Einkristall-Substrat-Bestandteil aus einem anderen Material als α-SiC,
einer darauf gebildeten Grundschicht aus einer wenigstens ein Nitrid aufweisenden Einkristall-Schicht mit einer hexagonalen Struktur, und aus
einem auf dieser Grundschicht gezüchteten α-SiC-Einkristall,
dadurch gekennzeichnet, daß die bei einer Temperatur von 1000 bis 1800°C mittels des CVD-Verfahrens hergestellte Grundschicht entweder

• a) nur aus den Nitriden AlN oder GaN oder Al _x Ga_1-x , oder
• b) aus einem Gemisch von SiC und wenigstens eines dieser Nitride mit einem Nitrid-Mischungsanteil von 0,1 bis 10 Mol-% besteht.

2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallschicht des Gemischs wenigstens 1 Mol-% AlN enthält.

3. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grundschicht eine Dicke von 0,1 bis 5 µm besitzt, und
daß die Einkristallschicht aus α-SiC eine Dicke von 1 bis 10 µm aufweist.

4. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall-Substratbestandteil aus einem Einkristall von Si, Al₂O₃ oder β-SiC besteht.

5. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall-Substratbestandteil eine Dicke von 1 bis 500 µm besitzt.

6. Verfahren zur Herstellung eines α-Siliciumcarbid-Einkristall- Substrats nach den Ansprüchen 1-5, bei dem auf einem Einkristall-Substrat-Bestandteil aus einem anderen Material als α-SiC eine Grundschicht aus einer wenigstens ein Nitrid aufweisenden Einkristallschicht mit einer hexagonalen Struktur gebildet und danach ein α-SiC-Einkristall auf dieser Grundschicht gezüchtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht mittels des CVD-Verfahrens bei einer Temperatur von 1000 bis 1800°C entweder

• a) nur aus den Nitriden AlN oder GaN oder Al _x Ga_1-x N, oder
• b) aus einem Gemisch von SiC und wenigstens eines dieser Nitride mit einem Nitrid-Mischungsanteil von 0,1 bis 10 Mol-% hergestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall aus α-SiC mittels CVD gezüchtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht auf einem β-SiC Einkristall-Substratbestandteil abgeschieden wird.