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Dokumentenidentifikation DE69310422T2 06.11.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0559326
Titel Vorrichtung für Dampfphasenepitaxie von zusammengesetzten Halbleitern
Anmelder Pioneer Electronic Corp., Tokio/Tokyo, JP;
Amano, Hiroshi, Nagoya, Aichi, JP;
Akasaki, Isamu, Nagoya, Aichi, JP
Erfinder Watanabe, Atsushi, c/o Pioneer Electronic Corp., Tsurugashima-shi, Saitama-ken, JP;
Amano, Hiroshi, Nijigaoka-higashidanchi, Meitou-ku, Nagoya-shi, Aichi-ken, JP;
Hiramatsu, Kazumasa, Yokkaichi-shi, Mie-ken, JP;
Akasaki, Isamu, Nagoya-shi, Aichi-ken, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, Anwaltssozietät, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69310422
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 01.02.1993
EP-Aktenzeichen 933007247
EP-Offenlegungsdatum 08.09.1993
EP date of grant 07.05.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.11.1997
IPC-Hauptklasse C30B 25/14
IPC-Nebenklasse C23C 16/44   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für Dampfphasenepitaxie von zusammengesetzten Halbleitern, die zum Verbessern einer Gleichförmigkeit in der Zusammensetzung und der Reproduzierbarkeit eines zusammengesetzten bzw. Kompound- Halbleiterkristalls, das auf einem Kristallsubstrat gebildet ist, vorgesehen ist.

Es ist ausreichend ein metallorganisches, chemisches Dampfniederschlagen (Metalorganic Chemical Vapor Deposition - MOCVD) bekannt, das ein typisches Beispiel eines Verfahrens einer Dampfphasenfilmbildung eines zusammengesetzten Halbleiters ist, das zum Kontrollieren der Dicke und Zusammensetzung des Films geeignet und exzellent in der Produktivität ist, das demzufolge weit verbreitet für ein Kristallwachstum aus GaAs verwendet wird, das typischerweise ein zusammengesetzter Halbleiter aus Elementen der Gruppen III-V ist.

Bei dem MOCVD des zusammengesetzten Halbleiters aus Elementen der Gruppen III-V wird das Kristallwachstum allgemein unter einer Atmosphäre durchgeführt, in der Material von Elementen der Gruppe V im Überfluß zugeführt wird, und in einem solchen Fall steht die Kristallwachstumsrate im Verhältnis zu der Zufuhrmenge des Materials aus Elementen der Gruppe III.

Weiterhin sind Nitrid-Halbleiter, wie beispielsweise GaN oder AlGaN von Halbleitern aus der Gruppe III-V, die Materialreihen, die als Lichtemitter mit kurzer Wellenlänge oder emittierenden Elementen studiert oder untersucht werden, und experimentelle Beispiele des MOCVD, das als Materialien NH&sub3;, TMG (Trimethylgallium) oder TMA (Trimethylaluminium) verwendet, sind angeführt worden. In einem System allerdings, in dem solche Materialien verwendet werden, reagieren das NH&sub3; und das TMG, und das NH&sub3; und das TMA, jeweils bei Raumtemperatur (insbesondere reagieren das NH&sub3; und das TMA sehr stark) und demgemäß werden, wenn die Materialien zugeführt werden, diese Materialien vorbereitend gemischt und die Mischung wird dann in einen Reaktor oder eine Reaktionsvorrichtung geführt. In einem solchen Verfahren sind Probleme derart vorhanden, daß die Zusammensetzung des Films, der auf dem Kristallsubstrat gebildet wird, nicht gleichförmig ist und eine gute Reproduzierbarkeit nicht geliefert wird, und diese Probleme werden stark in dem Fall eines aus AlGaN gemischten Kristalls beobachtet.

Um solche Probleme zu eliminieren, wird auf die japanische, offengelegte Patentveröffentlichtung No. 61-202422 verwiesen, gemäß der Material-Gase unabhängig zu Reaktionsbereichen, d.h. Wachstumsbereiche auf dem Kristallsubstrat, zugeführt werden. Allerdings ist es schwierig, das Kristall auf dem Kristallsubstrat nur durch unabhängiges Zuführen der Materialgase und Mischen von diesen in den Reaktionsbereichen gleichförmig anzuwachsen bzw. zu züchten, und zwar aufgrund einer Erzeugung der Materialgaswirbelbildung und der turbulenten Strömung in der Gasströmung. Weiterhin wird auf die japanische, offengelegte Patentveröffentlichung No. 61-186288 verwiesen, die ein Winkelreaktionsrohr unter Berücksichtigung der Strömung der Materialgase angibt. Allerdings können die vorstehend angegebenen Probleme nicht durch dieses Winkelreaktionsrohr gelöst werden.

Die FR-A-2661554 offenbart einen Epitaxiereaktor, bei dem sich eine erste und eine zweite parallele Gasströmungseinrichtung an einer gemeinsamen Position zu einem Kristallwachstumsbereich hin öffnen.

Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, im wesentlichen Defekte und Nachteile, die in dem Stand der Technik vorhanden sind, zu eliminieren und eine Vorrichtung für Dampfphasenepitaxie von zusammengesetzten bzw. Kompound-Halbleitern zu schaffen, die zum Bilden eines Kristalls, auf einem Kristallsubstrat, geeignet ist, das eine gleichförmige Zusammensetzung und eine verbesserte Reproduzierbarkeit besitzt.

Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung für Dampfphasenepitaxie von zusammengesetzten Halbleitern, die mit einer Vielzahl von Gasströmungskanälen versehen ist, durch die Materialgase, die aus NH&sub3; und TMG und TMA zusammengesetzt sind, die jeweils zugeführt werden, zu schaffen, um die vorstehende Aufgabe zu lösen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für Dampfphasenepitaxie von zusammengesetzten Halbleitern geschaffen, wobei die Vorrichtung aufweist:

einen zylindrischen Reaktorkessel;

eine Vielzahl von Strömungskanaleinrichtungen, die in dem Reaktorkessel angeordnet sind und von denen jede einen im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt besitzt; und

eine Vielzahl von Gaszufuhreinrichtungen zum jeweiligen Zuführen eines Gases, das ein Element oder Elemente einer Zusammensetzung, die gezüchtet werden soll, besitzt, gekennzeichnet durch:

einen Suszeptor, der auf einer der Trennwände einer der Strömungskanaleinrichtungen zum Tragen eines Kristallsubstrats befestigt ist, und durch:

eine Öffnung in einer Trennwand gegenüberliegend der Wand, auf der der Suszeptor befestigt ist, zum Bilden einer Gasverbindung zwischen benachbarten Strömungskanaleinrichtungen, um so eine laminare Strömung, die aus zwei oder mehr Gasen an einem anströmseitigen Bereich in der Strömungskanaleinrichtung, die mit dem Suszeptor ausgestattet ist, besteht, zu bilden.

Vorzugsweise ist die Strömungskanaleinrichtung aus einem ersten Strömungskanal und einem zweiten Strömungskanal zusammengesetzt, wobei der erste und der zweite Strömungskanal mit einer gemeinsamen Wandstruktur versehen sind, durch die beide Strömungskanäle verbunden sind, wobei die Öffnung zur Kommunikation der Strömungskanaleinrichtungen miteinander in der gemeinsamen Wandstruktur gebildet ist.

Die vorliegende Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zur Verwendung einer Epitaxievorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben ist, das durch die Schritte eines Zuführens einer Menge eines ersten Gases im Überfluß, das ein erstes Material enthält, von einer ersten Gaszufuhreinrichtung zu einem ersten Strömungskanal, in dem der Suszeptor angeordnet ist, und Zuführen eines zweiten Gases zum Kontrollieren einer Wachstumsgeschwindigkeit des Kristallwachstums auf einem Kristallsubstrat, das durch den Suszeptor getragen ist, von einer zweiten Gaszufuhreinrichtung zu einem zweiten Strömungskanal umfaßt.

Gemäß den Strukturen und Charakteristika der Epitaxievorrichtung, die vorstehend beschrieben ist, wird eine Vielzahl von Gasströmungskanaleinrichtungen in einem Reaktorkessel angeordnet, um unterschiedliche Arten von Materialgasen strömungsmäßig zu führen, die miteinander in einem der Strömungskanaleinrichtungen über eine Kommunikationseinrichtung an einem Bereich unmittelbar vor der Stelle des Kristallsubstrats gemischt werden. Die Kommunikationseinrichtung ist vorzugsweise als ein Schlitz gebildet, der sich in einer Richtung normal zu der Gasströmungsrichtung erstreckt. Demgemäß bilden die Gase, die durch den Schlitz hindurchführen, laminar gebildete Gasströmungen ohne Turbulenz, um so einen Kristall auf dem Kristallsubstrat zu bilden, der eine gleichförmige Zusammensetzung und eine verbesserte Reproduzierbarkeit besitzt.

Für ein besseres Verständnis dieser Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe ausgeführt wird, wird Bezug, anhand von bevorzugten Ausführungsformen, auf die Zeichnungen genommen, in denen:

FIG. 1 zeigt eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer Vorrichtung für Dampfphasenepitaxie von zusammengesetzten Halbleitern gemäß dieser Erfindung;

FIG. 2 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht, teilweise aufgebrochen, der Epitaxievorrichtung der FIG. 1;

FIG. 3 zeigt eine Schnittansicht, die entlang der Linie III-III in FIG. 1 vorgenommen ist;

FIG. 4 zeigt eine Ansicht, die eine Dispersion eines Gases der III-Gruppe darstellt;

FIG. 5 zeigt eine schematische Ansicht, die eine positionsmäßige Verschiebung verschiedener Elemente darstellt, die die Epitaxievorrichtung der FIG. 1 bilden;

FIG. 6 zeigt eine schematische Vorderansicht einer Modifikation, die eine Vielzahl von Schlitzen besitzt, die für die Vorrichtung dieser Erfindung verwendet wird;

FIG. 7 und 8 zeigen schematische Vorderansichten weiterer Modifikationen in Bezug auf FIG. 6;

FIG. 9A zeigt eine vergrößerte, perspektivische Ansicht, die einen Schlitz in einer bevorzugten Ausführungsform darstellt;

FIG. 9b zeigt eine Modifikation der FIG. 9A, in der der Schlitz durch eine Vielzahl feiner Löcher ersetzt ist;

FIG. 10 zeigt eine Modifikation, in der ein Konus für einen ersten Strömungskanal gebildet ist; und

FIG. 11 zeigt eine graphische Darstellung, die eine positionsmäßige Abhängigkeit der AlGaN-Legierungszusammensetzung entlang der Gasströmungsrichtung darstellt.

Eine erste Ausführungsform der Vorrichtung für Dampfphasenepitaxie von zusammengesetzten Halbleitern gemäß dieser Erfindung wird zuerst nachfolgend unter Bezugnahme auf die FIG. 1 bis 5 beschrieben.

Wie die FIG. 1 zeigt, weist eine Vorrichtung für Dampfphasenepitaxie von zusammengesetzten Halbleitern 1, die nachfolgend nur als Epitaxievorrichtung 1 bezeichnet wird, einen zylindrischen Reaktorkessel 2, eine erste und eine zweite Strömungskanaleinrichtung 17 und 27, die beide in dem Reaktorkessel 2 aufgenommen sind, und ein erstes und ein zweites Materialgaszufuhrrohr 15 und 25, die jeweils mit der ersten und der zweiten Strömungskanaleinrichtung 17 und 27 in Verbindung gesetzt sind, auf. Die beiden Enden des zylindrischen Reaktorkessels 2 sind durch angeflanschte Bereiche 6 und 16 als Endplatten verschlossen. Diese Zufuhrrohre 15 und 25 besitzen ein Ende in den Reaktorkessel 2 eingesetzt und mit der ersten und der zweiten Strömungskanaleinrichtung 17 und 27 jeweils in Verbindung gesetzt, und besitzen andere Enden, die sich nach außen durch den angeflanschten Bereich 9 erstrecken, und die verlängerten Enden der Gaszufuhrrohre 15 und 25 sind mit Materialgaszufuhrquellen 15a und 25a verbunden. Ein Wasserstoffzufuhrrohr 35 ist weiterhin so angeordnet, daß es sich in den Reaktorkessel 2 durch das angeflanschte Ende 9 erstreckt, um so Wasserstoffgas zu äußeren, peripheren Flächenbereichen der Strömungskanaleinrichtung 17 und 27 zuzuführen. Das Wasserstoffzufuhrrohr 35 ist mit der Wasserstoffgaszufuhrquelle 35a verbunden. An dem anderen angeflanschten Ende 16 ist eine Auslaßleitung 30 verbunden.

In einer bevorzugten und dargestellten Ausführungsform sind zwei Kanäle dicht an beiden Längsenden mit den Endplatten 6 und 16 gesichert und dadurch gehalten.

Der Reaktorkessel 2 ist zum Beispiel aus Quarzmaterial gebildet und eine HF-Spule 3 zum Beheizen eines Suszeptors 8 ist um den äußeren, peripheren Bereich des Reaktorkessels 2 herum gewickelt.

Wie in den FIG. 2 und 3 dargestellt ist, erstreckt sich die erste Strömungskanaleinrichtung 17 längs in dem Reaktorkessel 2 und besitzt einen rechtwinkligen Querschnitt, der durch vier Wandstrukturen 17a, 17b, 17c und 17d definiert ist. Wie die FIG. 1 zeigt, bildet die obere Wandstruktur 17a eine untere Wandstruktur der zweiten Strömungskanaleinrichtung 27 und die obere Wandstruktur 17a ist mit einem Schlitz 10 versehen, der die erste und die zweite Strömungskanaleinrichtung 17 und 27 miteinander in Verbindung setzt, so daß erste und zweite Materialgase, die jeweils in die erste und zweite Kanaleinrichtung 17 und 27 strömen, miteinander vermischt werden. Der Schlitz 10 besitzt eine linear langgestreckte Lochform, wie in FIG. 2 oder 5 dargestellt ist, der sich in eine Richtung normal zu der Gasströmung in den Kanaleinrichtungen 17 und 27 erstreckt, und besitzt eine Länge W1 größer als eine Breite W2 einer Kristallstruktur 7, die auf der unteren Wandstruktur 17b der ersten Kanaleinrichtung 17 an im wesentlichen dem inneren, zentralen Bereich davon angeordnet ist. Die Kristallstruktur 7 wird durch einen Graphitsuszeptor 8 getragen, der auf der Wandstruktur 17b angeordnet ist. Wie in FIG. 2 oder 3 dargestellt ist, besitzt die Wandstruktur 17b eine hohle Struktur, um so eine gewisse Dicke zu schaffen, die zum Anordnen des Suszeptors 8 notwendig ist, auf dem die Kristallstruktur 7 getragen ist. Die hohle Struktur ist im Hinblick auf den Zweck einer Reduzierung des Gewichts und der Kosten hergestellt, allerdings kann sie aus einer massiven Struktur, die eine gewisse Dicke besitzt, aufgebaut werden. In beiden Fällen wird es erwünscht sein, daß die Oberfläche des Kristallsubstrats 7 im wesentlichen auf demselben Niveau wie dasjenige der unteren Wandstruktur 17b liegt. Die untere Wandstruktur 17b besitzt einen schrägen Bereich, der eine Neigung für ein sanftes Führen des ersten Materialgases zu dem Suszeptor 8 besitzt.

Die zweite Kanaleinrichtung 27 ist auch durch vier Wandstrukturen 27a, 27b, 27c und 27d definiert, um so einen rechtwinkligen Querschnitt zu schaffen, und die zweite Kanaleinrichtung 27 ist oberhalb der ersten Strömungskanaleinrichtung 17 angeordnet, und zwar in einem installierten oder Betriebszustand, so daß die Wandstruktur 27b mit der Wandstruktur 17a der ersten Kanaleinrichtung 17 gemeinsam gebildet ist. Das vordere Ende, d.h. das rechtsseitige Ende aus Sicht der FIG. 1, der zweiten Strömungskanaleinrichtung 27 ist geschlossen, um so die Gasströmung in die erste Strömungskanaleinrichtung 17 durch den Schlitz 10 zu erleichtern. Die erste und die zweite Strömungskanaleinrichtung 17 und 27 besitzen dieselbe Breite W3, größer als die Breite W4 des Suszeptors 8, wie dies in FIG. 5 dargestellt ist. Durch Einstellen der jeweiligen Breiten W1 bis W4 so, wie dies vorstehend beschrieben ist, kann der Kristall stabil mit einer gleichförmigen Zusammensetzung in der Breitenrichtung gezüchtet werden.

Eine Menge des ersten Gases im Überschuß wird in die erste Strömungskanaleinrichtung 17 zugeführt und das zweite Gas, das die Wachstumsrate des Kristalls steuert, das auf dem Kristallsubstrat 7 gebildet wird, wird in die zweite Strömungskanaleinrichtung 27, die angrenzend positioniert ist, d.h. oberhalb in dem installierten Zustand, zu der ersten Strömungskanaleinrichtung 17 zugeführt. Die Gaszufuhrmengen und die Querschnittsflächenbereiche der ersten und zweiten Strömungskanaleinrichtung 17 und 27 sind so bestimmt, daß das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeiten, das bedeutet die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Gases in Bezug auf die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Gases, innerhalb von 5 bis 200, vorzugsweise von 10 bis 100, liegt. Wenn das Verhältnis einen Wert von 200 übersteigt, wird die Umschaltgeschwindigkeit des zweiten Gases verzögert, was zu einem Verlust einer Schärfe einer Hetero-Grenze, wenn eine Hetero-Struktur gebildet ist, und zu einem erhöhten Verbrauch des ersten Gases führt. Im Gegensatz dazu kann, wenn das Verhältnis unterhalb eines Werts von 5 liegt, sich ein Druck in dem Reaktorkessel nachteilig erhöhen oder eine turbulente Strömung kann an einem Bereich nahe den miteinander in Verbindung stehenden Bereichen bewirkt werden, was demzufolge auch nachteilig sein wird. Die Geschwindigkeit der ersten Gasströmung liegt allgemein innerhalb 50 bis 200 cm/sec.

In dem Fall eines zusammengesetzten Halbleiters aus Elementen der Gruppen III-V, insbesondere in dem Fall von GaN oder AlGaN, wird NH&sub3;-Gas als das erste Material- Gas und H&sub2;-Gas als Trägergas als das erste Gas, das im Überschuß in die erste Strömungskanaleinrichtung 17 zugeführt wird, verwendet, und TMG (Trimethylgallium) oder ein gemischtes Gas aus TMG und TMA (Trimethylaluminium) wird als das zweite Material-Gas und H&sub2;-Gas als Trägergas als das zweite Gas, das in die zweite Strömungskanaleinrichtung 27 zugeführt wird, verwendet.

Andererseits wird in dem Fall eines zusammengesetzten Halbleiters aus Elementen der Gruppe II-VI, insbesondere in dem Fall von ZnS oder ZnSe, H&sub2;S oder H&sub2;Se vorzugsweise als das erste Material-Gas, das in die erste Strömungskanaleinrichtung 17 zugeführt wird, verwendet, und Diethylzink oder Dimethylzink wird vorzugsweise als das zweite Material-Gas, das in die zweite Strömungskanaleinrichtung 27 zugeführt wird, verwendet.

Das H&sub2;-Gas wird über die Wasserstoffquelle 35a in den Reaktorkessel 2 über das Wasserstoffzufuhrrohr 35 zugeführt und dieses H&sub2;-Gas führt eine Dichtfunktion zum Verhindern aus, daß Materialgase aus der ersten und der zweiten Strömungkanaleinrichtung 17 und 27 leckagemäßig austreten, oder entfernt die Leckage-Gase, wenn sie leckagemäßig austreten.

Die Funktion und die Betriebsweise der Epitaxievorrichtung 1 gemäß dieser Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein Beispiel eines zusammengesetzten Halbleiters aus AlGaN beschrieben, bei dem NH&sub3;, das das Material aus Stickstoff N der Elemente der Gruppe V ist, in die erste Strömungskanaleinrichtung 17 zusammen mit Wasserstoff H&sub2; als Trägergas zugeführt wird.

Das gemischte Gas, das aus TMG und TMA zusammengesetzt ist, die Materialien aus Elementen der Gruppe III sind, wird auch in die zweite Strömungskanaleinrichtung 27 zusammen mit dem Wasserstoff-H&sub2;-Gas zugeführt, und in diesem Fall wird, da es erwünscht ist, daß NH&sub3; in einem hohen Überschuß hinzugefügt wird, das Konzentrationsverhältnis natürlich als (TMG- + TMA-Konzentration) « (NH&sub3;-Konzentration) bestimmt und die Strömungsrate, die unter Berücksichtigung der Trägerströmungsmenge und der Querschnittsflächenbereiche der Strömungskanaleinrichtungen bestimmt wird, wird in einem Bereich so eingestellt, daß die Strömungsrate V1 des ersten Gases ausreichend groß ist.

Gemäß den Bedingungen, die so eingestellt oder bestimmt sind, kann das zweite Gas, das in der zweiten Kanaleinrichtung 27 strömt, durch den Schlitz 10, der in dem Wandabschnitt zwischen der ersten und der zweiten Kanaleinrichtung 17 und 27 gebildet ist, hindurchführen, wenn es durch das erste Material-Gas, das unter einer hohen Geschwindigkeit in der ersten Kanaleinrichtung 17 strömt, angesaugt wird, wodurch demzufolge eine Zwei-Phasen-Strömung ohne Verursachen einer turbulenten Strömung erhalten werden kann. Es wird nämlich, wie in FIG. 4 dargestellt ist, durch die Vorsehung des Schlitzes 10 eine laminierte Gasströmung des Material-Gases, d.h. eine laminare Strömung, die reich an Material der Elemente der Gruppe III sind, auf der Seite des Schlitzes 10 und eine laminare Strömung aus Material, das reich an Elementen der Gruppe V ist, auf der Seite des Kristallsubstrats 7, das durch den Suszeptor 8 getragen ist, auf der Ausströmseite, auf der rechten Seite der Ansicht, bewirkt. Die Gasströmung aus Elementen der Gruppe III diffundiert graduell in die Gasströmung aus den Elementen der Gruppe V und erreicht dann den Reaktionsbereich einer Temperatur von mehr als 1000º C oberhalb des Suszeptors 8. Das Material wird dann zerlegt bzw. disintegriert und ein Kristall wird demzufolge auf dem Kristallsubstrat anwachsen. Wie beschrieben ist, kann gemäß der Epitaxievorrichtung 1 dieser Erfindung eine laminierte Gasströmung aus zwei oder mehr als zwei Material-Gasen sicher durch geeignete Nutzung einer Kombination verschiedener Bedingungen, wie beispielsweise Konzentrationen der Material-Gase, Gasströmungsrate, usw., gebildet werden.

Änderungen oder Modifikationen der Epitaxievorrichtung gemäß dieser Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die FIG. 6 bis 10 beschrieben.

FIG. 6 zeigt eine Modifikation, in der eine Vielzahl von Schlitzen 10a, anstelle des einzelnen Schlitzes 10 der FIG. 4, an der Wandstruktur gebildet sind, die die erste und die zweite Strömungskanaleinrichtung 17 und 27 definiert, und in dem dargestellten Beispiel sind vier Schlitzel 10a so gebildet, daß sie sich in einer Richtung normal zu der Strömungsrichtung der Gase erstrecken. Die Anzahl der Schlitze 10a kann unter Berücksichtigung der Größe des Kristallsubstrats 7, der Bearbeitungsgenauigkeit der Schlitze 10a und dergleichen bestimmt werden.

FIG. 7 stellt einen alternativen Aufbau dar, bei dem die ausströmseitige Endseite der zweiten Strömungskanaleinrichtung 27 geöffnet ist, und in diesem Fall strömt ein Teil der Materialgasströmung in die zweite Strömungskanaleinrichtung 27 nach unten und in die erste Strömungskanaleinrichtung 17 durch den Schlitz 10, wodurch demzufolge die Zwei-Phasen-Strömung ohne Verursachen irgendeiner turbulenten Strömung gebildet wird.

FIG. 8 stellt eine andere Modifikation dieser Erfindung dar, in der die zweite Strömungskanaleinrichtung weiterhin in zwei Strömungskanaleinrichtungen 37 und 47 unterteilt ist bei der Schlitze 30 und 40, jeder der Art ähnlich des Schlitzes 10, jeweils so gebildet sind, um mit der ersten Strömungskanaleinrichtung 17 zu kommunizieren. In diesem Fall kann, wenn es erwünscht ist, einen zusammengesetzten AlGaN-Halbleiter der Gruppe III-V vorzubereiten, das TMG und das TMA der III-Gruppe separat in die Reaktionsbereiche durch die Kanaleinrichtungen 37 und 47 jeweils zugeführt werden.

FIG. 9B zeigt eine weitere Modifikation der ersten Ausführungsform, in der der Schlitz 10 der ersten Ausführungsform (FIG. 9A) durch eine Vielzahl von feinen Löchern P, die sich linear in einer Richtung normal zu der Strömungsrichtung des Gases erstrecken, ersetzt ist.

FIG. 10 stellt eine Modifikation der ersten Ausführungsform dar, in der die erste Strömungskanaleinrichtung 57 eine untere, und zwar in einem installierten Zustand oder dargestellten Zustand, Wandstruktur besitzt, die so konisch verlaufend ist, daß sie sich nach oben zu der Ausströmseite der Gasströmung hin neigt, um dadurch den Strömungskanal der ersten Kanaleinrichtung zu verengen. Gemäß dieser alternativen Ausführungsform kann die Zusammensetzung des zusammengesetzten Halbleiters vorzugsweise gleichförmig eingestellt werden.

Ein tatsächliches Experiment, das die Vorrichtung für Dampfphasenepitaxie von zusammengesetzten Halbleitern gemäß dieser Erfindung verwendet, die in FIG. 1 dargestellt ist, wurde in der nachfolgenden Art und Weise durchgeführt.

Das Kristallsubstrat wurde zuerst auf eine vorbestimmte Position in dem Reaktorkessel der Epitaxievorrichtung gesetzt und danach wurde Luft in dem Reaktorkessel mittels einer Drehvakuumpumpe evakuiert, zum Beispiel über die Auslaßleitung 30, die mit der Ausströmseite des Reaktorkessels verbunden ist. In dem nächsten Schritt wurde das NH&sub3;-Material-Gas und das H&sub2;-Trägergas in die erste Strömungskanaleinrichtung 17 zugeführt und die TMG- und TMA-Material-Gase und das H&sub2;-Trägergas wurden in die zweite Strömungskanaleinrichtung 27 zugeführt. Hierbei wurde die durchschnittliche Strömungsrate des Gases (NH&sub3; + H&sub2;), das durch die erste Kanaleinrichtung 17 hindurchführt, auf 110 cm/sec eingestellt und die durchschnittliche Strömungsrate des Gases (TMG + TMA + H&sub2;) wurde auf 5,0 cm/sec eingestellt. Die Temperatur des Kristallsubstrats von 1050 ºC wurde durch Beheizen des Suszeptors 8 mittels der HF-Spule 3 für eine Stunde aufrechterhalten, um dadurch ein epitaxiales Wachsen eines AlGaN- Reihen-, zusammengesetzten Halbleiters zu erzielen. Die positionsmäßige Abhängigkeit der AlGaN-Legierungszusammensetzung entlang der Gasströmungsrichtung wurde gemessen.

Das gemessene Ergebnis ist in FIG. 11 dargestellt, in der die durchgezogene Linie die Verteilung des Experiments gemäß dieser Erfindung darstellt. Zum Zwecke eines Vergleichs ist die Verteilung eines Gemisch-Kristall-Verhältnisses gemäß einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik, in der keine Strömungskanaleinrichtung verwendet wird, eine sogenannte MOCVD-Vorrichtung des Typs mit normalem Druck, auch in FIG. 11 mit einer punktierten Linie dargestellt. Wie leicht anhand des Ergebnisses der FIG. 11 gesehen werden kann, kann gemäß der Epitaxievorrichtung dieser Erfindung die Zusammensetzung des filmartig gebildeten Kristalls, das auf dem Kristallsubstrat gebildet ist, im wesentlichen gleichförmig gemacht werden und die Reproduzierbarkeit kann verbessert werden.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung für Dampfphasenepitaxie für zusammengesetzte Halbleiter, wobei die Vorrichtung aufweist:

einen zylindrischen Reaktorkessel (2);

eine Vielzahl von Strömungskanaleinrichtungen (17, 27; 17, 37, 47), die in dem Reaktorkessel angeordnet sind und von denen jede einen im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt besitzt; und

eine Vielzahl von Gaszufuhreinrichtungen zum jeweiligen Zuführen eines Gases, das ein Element oder Elemente einer Zusammensetzung, die gezüchtet werden soll, besitzt, gekennzeichnet durch:

einen Suszeptor (8), der auf einer der Trennwände (17a, 17b, 17c, 17d) einer der Strömungskanaleinrichtungen zum Tragen eines Kristallsubstrats (7) befestigt ist, und durch:

eine Öffnung (10; 10a, 10a, 10a, 10a; P) in einer Trennwand gegenüberliegend der Wand, auf der der Suszeptor befestigt ist, zum Bilden einer Gasverbindung zwischen benachbarten Strömungskanaleinrichtungen, um so eine laminare Strömung, die aus zwei oder mehr Gasen an einem anströmseitigen Bereich in der Strömungskanaleinrichtung, die mit dem Suszeptor ausgestattet ist, besteht, zu bilden.

2. Epitaxievorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Suszeptor (8) auf einer unteren Wand (17b) des Strömungskanals angeordnet ist und sich die Öffnung (10; 10a, 10a, 10a, 10a; P) in einer oberen Wand (17a) des Strömungskanals befindet.

3. Epitaxievorrichtung nach Anspruch 2, wobei die untere Wand (17b) der Strömungskanaleinrichtung, auf der der Suszeptor angeordnet ist, konisch verlaufend ist, um so den Querschnittsflächenbereich des Strömungskanals zu einer Ausströmseite davon hin zu verengen.

4. Epitaxievorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Öffnung aus mindestens einem Schlitz (10; 10a, 10a, 10a, 10a), der sich an einer Richtung normal zu einer Gasströmungsrichtung in der Strömungskanaleinrichtung erstreckt, aufgebaut ist.

5. Epitaxievorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Öffnung aus einer Vielzahl von Schlitzen (10a, 10a, 10a, 10a) aufgebaut ist.

6. Epitaxievorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Öffnung aus einer Vielzahl von feinen Löchern (P), die in einer Richtung normal zu einer Gasströmungsrichtung der Strömungskanaleinrichtung angeordnet sind, aufgebaut ist.

7. Epitaxievorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strömungskanaleinrichtung aus einem ersten Strömungskanal (17) und einem zweiten Strömungskanal (27) aufgebaut ist, wobei der erste und der zweite Strömungskanal mit einer gemeinsamen Wandstruktur versehen sind, durch die beide Strömungskanäle verbunden sind, wobei die Öffnung (10; 10a, 10a, 10a, 10a; P) zum Kommunizieren der zwei Kanaleinrichtungen miteinander in der gemeinsamen Wandstruktur gebildet ist.

8. Epitaxievorrichtung nach Anspruch 7, wobei der zweite Strömungskanal (27) eine Vielzahl von Strömungskanalbschnitten (37, 47) aufweist, wobei die Strömungskanalabschnitte Endbereiche auf der Ausströmseite besitzen, die geschlossen sind, und Einrichtungen (30, 40) aufweisen, die in der gemeinsamen Wandstruktur zum Kommunizieren der zweiten Strömungskanalabschnitte und des ersten Strömungskanalabschnitts miteinander gebildet sind.

9. Epitaxievorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Kommunikationseinrichtung aus mindestens einem Schlitz (30, 40), der sich in einer Richtung normal zu einer Gasströmungsrichtung erstreckt, in der Strömungskanaleinrichtung gebildet ist.

10. Epitaxievorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Kommunikationseinrichtung aus einer Vielzahl von feinen Öffnungen (P) aufgebaut ist, die in einer Richtung normal zu einer Gasströmungsrichtung in der Strömungskanaleinrichtung angeordnet sind.

11. Epitaxievorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die eine Spuleneinrichtung (3) umfaßt, die um eine äußere, periphere Oberfläche des Reaktorkessels (2) zum Beheizen des Suszeptors (8) angeordnet ist.

12. Verfahren zur Verwendung einer Epitaxievorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die Schritte eines Zuführens einer Menge eines ersten Gases im Überschuß, das ein erstes Material enthält, von einer ersten Gaszufuhreinrichtung zu einem ersten Strömungskanal, in dem der Suszeptor angeordnet ist, und Zuführen eines zweiten Gases zum Kontrollieren einer Wachstumsgeschwindigkeit des Kristallwachstums auf einem Kristallsubstrat, das durch den Suszeptor getragen ist, von einer zweiten Gaszufuhreinrichtung zu einem zweiten Strömungskanal.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Strömungsgeschwindigkeitsverhältnis (V1/V2) einer ersten Gasströmungsgeschwindigkeit (V1) in dem ersten Strömungskanal (17) in Bezug auf eine zweite Gasströmungsgeschwindigkeit (V2) in dem zweiten Strömungskanal (27) in dem Bereich von 5 bis 200 liegt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Strömungsgeschwindigkeitsverhältnis (V1/V2) in dem Bereich von 10 bis 100 liegt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das erste Gas Ammonium- Gas als das erste Material enthält und das zweite Gas zum Kontrollieren der Kristallwachstumsgeschwindigkeit Trimethylgallium-Gas oder eine Mischung aus Trimethylgallium-Gas und Trimethylaluminium-Gas enthält.







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