Semiconductor device made of compound semiconductor material

Abstract: The essence of the invention is that the semiconductor body contains in subregions, or in the case of phosphide compounds in its totality or in subregions, isoelectronic impurities consisting of an element whose covalent atomic radius is greater than that of the element of the compound semiconductor to which the impurity material is isoelectronic. <IMAGE>

Description: Halbleiteranordnung aus Verbindungshalbleiter- material Bei der Herstellung elektronischer Bauelemente wird vielfach Verbindungshalbleitermaterial verwendet. Die gebräuchlichsten Verbindungshalbleitermaterialien bestehen aus Stoffen der III. und V.-Gruppe des periodischen Systems, insbesondere aus Galiumarsenid oder Indiumphosphid. Vielfach Werden auch Mehrfachverbindun- gen, beispielsweise aus GaAlAs, GaInAs oder GaInAsP verwendet. Auf der Basis solcher Halbleitermaterialien werden insbesondere optoelektronsiche Bauelemente, Hal- bieiter-LASER, Bauelemente mit Schottky-Ubergängen und integrierte Halbleiterschaltungen gefertigt. Bei der Herstellung der genannten Bauelemente wird von einem Grundkörper ausgegangen, der auf verschiedene Weise, beispielsweise durch Zonenschmelzen, durch das horizon- tale Bridgman-Verfahren oder durch das LEC-Verfahren (Liquid encapsulated Czochralski) hergestellt-werden kann. Auf diesen Grundkörper werden eine oder mehrere Haibleiterschichten - vorzugsweise durch epitaktisches Abscheiden - aufgebracht. Für die QualitÅat der Epitaxieschichten, die durch Flüssigphasenepitaxie oder durch Dampfphasenepitaxie ab geschieden werden können, ist die Versetzungsdichte im Halbleitergrundkörper entschteidend. Für jede weitere aufwachsende Epitaxieschicht ist es von wesentlicher Bedeutung, wie gross die Versetzungsdichte in den darunterliegenden Epitaxieschichten ist. In der Literatur werden Versetzungsdichten zwischen 104-105/cm2 als relativ niedrig angegeben. Für die Herstellung hochqualitativer Bauelemnte sind die genannten Werte für die Versetzungsdichte jedoch viel zu gross. Beispielsweise zur Herstellung von Feldeffekttransistoren werden in die Grundkörper mit den genannten Versetzungsdichten durch Implantationen von Störstellen bestimmte Strukturen eingebaut. Die elektrischen Kennwerte dieser Feldeffekttransistoren werden durch die erwähnte hohe Ver setzungsdichte im Grundkörper erheblich verschlechtert. Auch beim Aufbau von Mehrschichtstrukturen mit Hetero übergängen bewirken die sich in den Epitaxieschichten fortsetzenden Versetzungen gravierende Störungen. Bei diesen Bauelementen werden auf einem Grundgrundkörper Schichten abgeschieden, die nicht den exakt gleichen Gitterabstand untereinander und zum Halbleitergrundkör- per aufweisen. Der Grundkörper besteht vielfach aus eine# Zweifach-Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid oder Indiumphosphid, auf dem Schichten aus ternärem oder quaternärem Material wie beispielsweise Gals oder GaInAsP abgeschieden wird. Da die Gitterabstände der Waterlalien der verschiedenen Schichten nicht exakt miteinander übereinstimmen, aber ein einkristallines A#fwa#h##n gefordert wird, ist leicht verständlich, dass sich hierbei eine hohe Versetzungsdichte im Grundkörper oder in der für die Abscheidung vorgesehen Grundschicht S störend auswirkt. In den genannten Epitaxieschich- ten entstehen dann eine Vielzahl von Rekombinationszentren, durch die sich die Trägerlebensdauer sehr stark verringert. Die Kennlinien der Obergangs zwischen ver- schiedenen Schichten bzw. zwischen dem Grundkörper und der darauf angeordneten Epitaxieschicht wird durch die hohe Versetzungsdichte gegenüber den Idealwerten wesentlich verschlechtert. Bei Lichtemittern bewirkt eine hohe Versetzungsdichte eine schlechte Lumineszenzausbeute, woraus sich ein geringer Wirkungsgrad von Leuchtdioden und Laseranordnungen ergibt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung aus Verbindungshalbleitermaterial anzugeben, wobei der Halbleiterkörper in Teilbereichen oder bei bestimmten Materlalien in seiner Gesamtheit eine gegenüber den bekannten Anordnungen wesentlich reduzierte Versetzungsdichte aufweist. Diese Aufgabe wird erfin dungsgemäss dadurch gelöst, dass der Halbleiterkörper in Teilbereichen isoelektronisches Störstellenmaterial aus einen Element enhält, dessen kovalenter Atomradius grö sser ist als der des Elements des Verbindungshalbleiters, zu dem das Störstellenmaterial isoelektronisch ist. Die Aufgabe wird, auch: dadurch gelöst,# dass der Halbleiterkörper aus einer, Phosphidverbindung besteht und in seiner Gesamtheit oder in Teilbereichen isoelektronisches Störstellenmaterial aus einem Element enhält, dessen kovalenter Atomradius grösser ist, als der des Elements des Verbindungshalbleiters, zu dem das Störstellenmaterial isoelektronisch ist. Durch den erfindungsgemässen Einbau von Verspannungszentren wird eine Fixierung und damit Beendigung des weiteren Wachstums von Versetzungen in den Epitaxieschichten während deren Herstellung erreicht. Diese Verspannungszentren sollen keine zusätzliche, uner wünschte Dotierung des ,Halbleiterkörpers' bewirken, was durch die Verwendung isoelektronischen Stör stellenmaterials erreicht wird. Hierdurch wird im Regelfalle ausserdem der Einbau von Störatomen, die nicht der iir. bzw. V. Gruppe des Periodensystems angehören, erschwert. Die Halbleiteranordnungen nach der Erfindung bestehen vorzugsweise aus III/V-Verbindungshalbleitermaterial. Wenn das Verbindungsmaterial beispielsweise Indiumphosphid ist, eignet sich als isoelektronisches Störstelendmaterial Arsen, Antimon oder Wismut. Zum Indium ist Aluminium und Gallium isoelektronisch, doch haben beide Atome einen kleineren kovalenten Radius als Indium und scheiden somit für eine Kompensation der Versetzungen aus. Im Gegensatz dazu sind die zu Phosphor isoelektronischen Materialien Arsen, Antimon und Wismut mit einem grösseren kovalenten Atomradius versehen, so dass mit diesen Elementen eine wirksame Kompensation der Versetzungen erreicht werden kann. Bei Galliumarsenid oder Galliumphosphid wird durch Zugabe von Störstellen der III. Gruppe des periodischen Systems, insbesondere von Indium, eine erhebliche Reduzierung der Versetzungsdichte erreicht, was wiederum darauf zurückzuführen ist, dass Indium einen grösseren kovalenten Atomradius als das zum Indium isoelektronische Gallium aufweist. Die Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist vorzugsweise mehrschichtig ausgebildet, wobei es ausreichend sein kann, das isoelektronische Störstellenmaterial nur in eine erste Schicht einzubringen, die damit eine sehr geringe Versetzungsdichte von ca. 103 cm 2 und kleiner hat. Die auf diesen modifizierten Grundkörper aufgebrachten Epitaxieschichten wachsen dann gleichfalls mit einer sehr geringen Versetzungsdichte auf, so dass die herzustellenden Bauelemente wesentlich verbesserte elektrische Eigenschaften aufweisen. In der Figur 1 ist beispielsweise ein Grundkörper 1 dargestellt, der aus Indiumphoshpid besteht und nach dem bekannten LEC-Verfahren hergestellt wurde. Dieser#Halbleiterkörper wird gleichmässig während des Herstellungsprozesses mit Arsen dotiert, und zwar in einer Konzentration, die vorzugsweise grössere als 5.1018 Atome/cm3 ist. Die Versetzungsdichte dieses Grundkörpers liegt bei 103 cm 2 Auf diesen Grundkörper können dann eine oder mehrere Epitaxieschichten 2 mit geringer Versetzungsdichte niedergeschlagen werden, ohne dass bei der Schichtabscheidung isoelektronische Störstellen zugesetzt werden müssen. Der Grundkörper kann auch aus Galliumphosphid oder Aluminiumphosphid bestehen. Bei der Anordnung nach der Figur 2 wird von einem Grundkörper 1 ausgegangen, der beispielsweise aus Indiumphosphid besteht und keine isoelektronischen Störstellen enthält. Die Versetzungsdichte in diesem Grundkörper liegt bei 104 105/cm2 . Auf diesen Grundkörper wird sodann eine Epitaxieschicht 2 aufgebracht, die mindestens 1 jim dick ist und isoelektronische Störstellen enthält. Besteht die Epitaxieschicht 2 gleichfalls aus Indium phosphid, so eignet sich als isoelektronisches Störstellenmaterial wiederum Arsen mit einer Störstellenkonzentration grösser als 5 1018 Atome/cm3, Antimon oder Wismut. Die Epitaxieschicht kann auch aus ternärem oder quaternärem Material wie GaInAs oder GaInAsP bestehen. In diesem Fall ist Antimon bzw. Wismut als isoelektronisches Störstellenmaterial geeignet. Die isoelektronischen Störstellen bewirken eine geringfügige Änderung der Gitterkonstanten, die kleiner als 10 4 ist. Normalerweise ist diese geringfügige Änderung der Gitterkonstanten nicht störend für das weitere Auf wachsen der Epitaxieschichten. Wenn jedoch bei Hetero übergängen die Gitterkonstante des Grundkörpers 1 von der der aufzuwachsenden Epitaxieschicht 2 abweicht, empfiehlt es sich, dem Material für die epitaktisch aufzuwachsende Halbleiterschicht das isoelektronische Störstellenmaterial so zuzusetzen, dass die Konzentration mit dem Wachstum der Schicht, also in Aufwachsrichtung, zunimmt. Dies kann dadurch geschehen, dass bei der Flüssigphasenepitaxie die Konzentration der isoelektronischen Störstellen in der Schmelze kontinuierlich erhöht wird. Wenn auf die Epitaxieschicht 2 eine weitere Epitaxieschicht 3 aufgebracht werden soll, deren Material und damit deren Gitterkonstante sich von der der Schicht 2 unterscheidet, empfiehlt es sich, dem Material für die Halbleiterschicht 2 das isoelektronische Störstellenmaterial so zuzusetzen, dass die Konzentration mit dem Wachstum der Schicht bis zu einem Maximum zu- und danach wieder abnimmt. Das Maximum der Störstellenkonzentration des isoelektronischen Störstellenmaterials ist in der Figur 2 durch die Linie 4 angedeutet. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Schicht 2 an den Obergän- gen zum Grundkörper 1 und zu der Schicht 3 keine zusätzliche, durch das isoelektronische Störstellenmaterial bedingte Veränderung der Gitterkonstanten aufweist, die Versetzungsdichte jedoch erheblich reduziert wurde. Die aufwachsende Epitaxieschicht 3 wird daher gleichfalls eine geringe Versetzungsdichte aufweisen, auch wenn in diese Schicht selbst keine isoelektronischen Störstellen eingebaut werden. Bei der Herstellung der Schicht 2 durch Flüssigphasenepitaxie mit einem Störstellenmaximum wird man den Anteil der isoelektronischen Störstellen in der Schmelze zunächst kontinuierlich während des Aufwachsprozesses erhöhen. Nach Erreichen des Maximums wird man die Konzentration der isoelektronischen Störstellen beispielsweise dadurch reduzieren, dass der Anteil der anderen Bestandteile in der Schmelze kontinuierlich erhöht wird. Es besteht auch die Möglichkeit, isoelektronische Störstellen sowohl im Grundkörper als auch in einer oder mehreren aufgewachsenen Epitaxieschichten vorzusehen. Entsprechend kann man bei der Schichtherstellung durch das Gasphasen-Epitaxie-Verfahren vorgehen, wobei dann auch die isoelektronische Dotierung durch Zufuhr entsprechend gasförmiger Komponenten erfolgen kann. Der Materialanteil des isoelektronischen Stoffes beträgt vorzugsweise weniger als 0,5 des Elementes, zu dem der genannte Stoff isoelektronisch ist. In experimentellen Versuchen hat sich gezeigt, dass Werte zwischen 0,1 und 0,3 völlig ausreichend sind. Die erfindungsgemässe Halbleiteranordnung bzw. das Verfahren zu seiner Herstellung ist insbesondere für die Erzeugung optoelektronischer Bauelemente, Laseranordnung, Speicherbauelemente, integrierte Schaltkreise und Bauelemente mit Schottky-Kontakten geeignet.

Claims: Method of manufacturing a semiconductor device consisting of a compound semiconductor material which includes an iso-electronic impurity material that consists of an element whose atomic radius is larger than the covalent atomic radius of the element in the compound semiconductor material relative to which the impurity material is iso-electronic, characterised in that, a plurality of semiconductor layers (2, 3) consisting of different compound semiconductor materials are successively deposited epitaxially for forming hetero-junctions on a substrate (1) that does not include any iso-electronic impurity material, and, for the purposes of reducing the dislocation density, the iso-electronic impurity material is added to at least one of the semiconductor layers (2, 3) during the deposition process in such a manner that, commencing from one hetero-junction at which compound semiconductor materials having different lattice constants border upon one another, the concentration of the iso-electronic impurity material increases towards the interior of the semiconductor layer that is being deposited. Method in accordance with Claim 1, characterised in that, the concentration of the iso-electronic impurity material in the semiconductor layer (2) increases up to a maximum (4) during the process of growing the layer of the semiconductor layer (2) and thereafter decreases. Method in accordance with Claim 1 or 2, characterised in that, an iso-electronic impurity material consisting of elements from the V th Group of elements of the Periodic Table having an atomic radius that is larger than that of phosphorus is used in the case of a compound semiconductor material consisting of aluminium phosphide, indium phosphide or gallium phosphide. Method in accordance with Claim 3, characterised in that, an iso-electronic impurity material consisting of arsenic having a concentration of more than 5 * 10 18 atoms/cm 3 has been introduced in the case of at least one semiconductor layer (2, 3) consisting of indium phosphide. Method in accordance with Claim 1 or 2, characterised in that, an iso-electronic impurity material consisting of elements from the III rd Group of elements of the Periodic Table having an atomic radius that is larger than that of gallium is used in the case of a compound semiconductor material consisting of gallium arsenide or gallium phosphide. Method in accordance with Claim 1 or 2, characterised in that, an iso-electronic impurity material consisting of antimony or bismuth is used in the case of a semiconductor layer (2, 3) of GaInAs or GaInAsP that is epitaxially deposited on a substrate (1) consisting of indium phosphide.

Inventors: BENEKING HEINZ PROF DR RER NAT, BENEKING, HEINZ, PROF. DR. RER. NAT.
Applicants: TELEFUNKEN MICROELECTRON, TEMIC TELEFUNKEN MICROELECTRONIC GMBH
Application year: 1986
Main classification: H01L29
IPC codes: H01L21, H01L29