Technologie der III/V-Halbleiter: III/V-Heterostrukturen und elektronische Höchstfrequenz-Bauelemente

208 Pages·1997·10.027 MB·German

by  Werner Prost (auth.)

Technologie der IIIIV-Halbleiter
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Budapest
Hongkong
London
Mailand
Paris
Santa Clara
Singapur
Tokio
Werner Prost
Technologie
der III/V-Halbleiter
III/V -Heterostrukturen
und elektronische Hochstfrequenz-Bauelemente
Mit 141 Abbildungen
, Springer
Werner Prost
Gerhard-Mercator-U niversitiit
Fachbereich Elektrotechnik
Kommandantenstr.60
47057 Duisberg
ISBN-13: 978-3-540-62804-0
Die Deutsche Bibliothek - Cip-Einheitsaufnahme
Prost. Werner:
Technologie der III/IV-Halbleiter: III/IV-Heterostrukturen und
elektronische Hiichstfrequenz-Bauelemente 1 Werner Prost. -Berlin;
Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London;
Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur; Tokio: Springer. 1997
ISBN-13:978-3-540-62804-0 e-ISBN-13:978-3-642-60786-8
DOl: 10.1007/978-3-642-60786-8
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Zu diesem Buch
Das vorliegende Buch ist der Technologie der Verbindungshalbleiter aus der III.
und V. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente gewidmet. Es bezieht die
sachliche Basis aus den Technologiebeitragen des Sonderforschungsbereich SFB
254 "Hochstfrequenz- und Hochstgeschwindigkeitsschaltungen aus IIIIY
Halbleitern". Das Manuskript ist aus einem Lehrauftrag flir der Gerhard
Mercator-Universitat -GH- Duisburg entstanden. Es wendet sich an interessierte
Studenten mit Bezug zur Halbleitertechnologie in Elektrotechnik, Physik, und
Chemie. Es soli den Einstieg in die Technologie der IIIIY-Halbleiter erleichtem
und eine Hille von Gebieten in kurzer Darstellung unter Angabe weiterftihrender
Literatur umreiJ3en. Dem erfahrenen Technologen mag es als knapp gefaBtes
Nachschlagewerk dienen. Schwerpunkt des Teil 1 ist die Herstellung und Charak
terisierung von Halbleiterheterostrukturen mit modernen Epitaxieverfahren. 1m
Teil 2 werden die Technologien behandelt, die Bauelemente flir hochste Betriebs
frequenzen ermoglichen.
Oanksagung
Das vorliegende Buch beruht auf der Forschungsarbeit der Leiter des Fachgebie
tes HalbleitertechniklHalbleitertechnologie, Prof. Dr. Klaus Heime (bis 1989) und
Prof. Dr. F.-J. Tegude. Ihrer Arbeit gebiihrt besondere Anerkennung. Ausgeflillt
wurde dieser Rahmen von wissenschaftlichen Arbeiten meiner Kolleginnen und
Kollegen, deren Beitrage vielfaltig eingebunden wurden. Fiir besondere Unter
stiitzung bei der Erstellung des Manuskriptes bin ich zu Dank verptlichtet: Frau
Dr. Q. Liu flir die Beitrage zu Kap. 4; Herm Dr. C. Heedt flir die Obungsauf
gaben; Dip!. Phys. U. Auer ftir die kritische Durchsicht des Manuskriptes; Frau K.
Schmidt flir die sorgfaltige und unermiidliche Gestaitung der Druckvoriage. Be
sonderer Dank gebiihrt der Geduld und Unterstiitzung meiner Frau Gisela flir die
"freien Sonntage" in der Aufbauphase des Voriesungsmanuskriptes.
Duisburg, im Mai 1997
Werner Prost
Inhaltsverzeichnis
Teil 1: Herstellung von IIIN- Halbleiter-Heterostrukturen
o
Einleitung ....................................................................................................... 1
1 Halbleiter-Materialsysteme .......................................................................... 3
1.1 Definition des "Halbleiters" ............................................................................ 3
1.2 Kristallstruktur der Verbindungshalbleiter ..................................................... 5
1.3 Halbleiterschichtsysteme ................................................................................ 8
1.3.1 GitterangepaBte Halbleiter-Schichtsysteme ......................................... 8
1.3.2 GitterfehlangepaBte Halbleiter-Schichtsysteme ................................ 14
1.4 Literatur ........................................................................................................ 17
2 Halbleiterkristallzucht (GaAs) .................................................................. 19
2.1 Ausgangsstoffe ............................................................................................. 19
2.2 Kristallzuchtverfahren .................................................................................. 19
2.2.1 Kristallisation im Quarztiegel (Bridgman-Verfahren) ....................... 20
2.2.2 Schutzschmelze-Verfahren (LEC) ..................................................... 21
2.3 Herstellung der Wafer. .................................................................................. 23
2.4 Literatur ........................................................................................................ 23
3 Herstellung aktiver Bauelementschichten ................................................ 25
3.1 Dotierverfahren ............................................................................................. 25
3.1.1 Diffusion ............................................................................................ 26
3.1.2 Ionenimplantation .............................................................................. 30
3.2 Epitaxie ......................................................................................................... 32
3.2.1 F1iissigphasenepitaxie (LPE) ............................................................. 34
3.2.2 Molekularstrahlepitaxie (MBE) ......................................................... 35
3.2.2.1 Grundziige des MBE-Wachstumsprozesses .......................... 35
3.2.2.2 Methodische Anwendungsbeispiele ..................................... ~42
3.2.2.3 Apparativer Autbau der MBE-Anlage ................................. .47
3.2.3 Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) .............................. .52
3.2.3.1 Grundziige des MOVPE-Wachstumsprozesses ..................... 52
3.2.3.2 Epitaxieparameter des MOVPE-Prozesses ........................... .54
3.2.3.3 Autbau der Anlage ............................................................... .58
3.2.4 Epitaxie mit gasefOrmigen Quellen im UHV .................................... 63
3.3 Literatur ........................................................................................................ 66
VIII Inhaltsverzeichnis
4 Material-Charakterisierung von Halbleiter-Heterostrukturen .............. 69
4.1 Photolumineszenz ......................................................................................... 69
4.1.1 Theoretische Grundlagen .................................................................. 69
4.1.2 MeBautbau ......................................................................................... 72
4.1.3 Anwendungsbeispiele ........................................................................ 73
4.1.3.1 Undotiertes GaAs ................................................................ 73
4.1.3.2 Undotiertes AlxGal.xAs ....................................................... 74
4.1.3.3 Dotierte Halbleiter .............................................................. 75
4.1.3.4 Quantenbrunnen .................................................................. 78
4.2 R6ntgenbeugung ........................................................................................... 80
4.2.1 Theorctische Grundlagen .................................................................. 80
4.2.2 MeBautbau ......................................................................................... 83
4.2.3 Anwendungsbeispiele ........................................................................ 84
4.2.3.1 Gitterfehlanpassung ............................................................ 85
4.2.3.2 Chemische Zusammensetzung ............................................ 86
4.2.3.3 PeriodenHinge eines Ubergitters ......................................... 86
4.2.3.4 Epitaxieschichtdicke ........................................................... 87
4.2.3.5 Uberordnung in ternaren Mischkristallhalbleitern .............. 88
4.3 Literatur ........................................................................................................ 91
Teil2: Technologie elektronischer Hochstfrequenz-Bauelemente
5 Abscheidung und Charakterisierung dielektrischer Schichten .............. 93
5.1 Materialien ftir dielektrische Schichten ........................................................ 93
5.2 Verfahren zur Deposition auf IIIIV-Halbleitern ........................................... 95
5.2.1 Kathodenzerstaubung (Sputtern) ....................................................... 95
5.2.2 Plasma-untersttitzte Chemische Gasphasendeposition ...................... 97
5.3 Charakterisierung von SiNx ....•.•••.••.•........•..••...•........••......•.•••••••.•.....•..••.••. 103
5.3.1 Elektrische Charakterisierung ......................................................... L05
5.3.2 Ellipsometrie ................................................................................... 107
5.3.2.1 Amplitudenreflexionsfaktor als Funktion der
Schichtdaten ...................................................................... 108
5.3.2.2 MeBtechnische Erfassung des Amplituden-
ret1exionsfaktors p ............................................................ 1 10
5.4 Literatur ...................................................................................................... 1 13
6 Bauelementtechnologie ............................................................................. 115
6.1 Laterale Strukturierung ............................................................................... 116
6.1.1 Photonische Lithographie ................................................................ 117
6.1.1.1 Optische Lithographie ...................................................... 118
6.1.1.2 R6ntgenstrahllithographie ................................................. 120
6.1.2 Direkt-Schreibverfahren .................................................................. 124
Inhaltsverzeichnis IX
6.1.2.1 Elektronenstrahllithographie ............................................. 124
6.1.2.2 Fokussierte Ionenstrahllithographie .................................. 127
6.1.3 Abbildungen im Fotolack ................................................................ 129
6.2 Vertikale Strukturierung (Atztechnik) ........................................................ 132
6.2.1 NaBchemische Atzverfahren ........................................................... 135
6.2.2 Trockenatzverfahren ........................................................................ 136
6.3 Metallisierungen ......................................................................................... 144
6.3.1 Herstellung von Metallisierungen ................................................... 145
6.3.1.1 Aufdampftechnik .............................................................. 146
6.3.1.2 Kathodenzerstaubung (Sputtertechnik) ............................. 148
6.3.1.3 Galvanik ............................................................................ 149
6.3.2 Strukturierung von Metallen ............................................................ 151
6.3.2.1 Atztechnik ......................................................................... 151
6.3.2.2 Abhebetechnik (Lift-Dff) .................................................. 153
6.3.2.3 Fotolack-gefiihrtes Galvanisieren (Luftbriicken) .............. 153
6.3.3 Kontakttechnoiogie .................................................. 156
6.3.3.1 Sperrende (Schottky-) Kontakte ....................................... 156
6.3.3.2 Leitende (Dhmsche-) Metall-Halbleiterkontakte .............. 159
6.4 Literatur ...................................................................................................... 166
7 Umweltschutz und Arbeitssicherheit. ...................................................... 169
7.1 Gefahrliche Stoffe ....................................................................................... 169
7.2 Detektion gefahrlicher Stoffe ..................................................................... 177
7.3 Arbeitsschutz .............................................................................................. 177
7.4 Emissionsschutz .......................................................................................... 181
7.5 Versorgung, Lagerung, Entsorgung ............................................................ 182
7.6 Literatur ...................................................................................................... I 83
Anhang ................................................................................................................ 185
Ubungsaufgaben .................................................................................................. 186
Liste der verwendeten Formelzeichen ................................................................. 201
Druck-Umrechnungstabelle ................................................................................ 203
Naturkonstanten ................................................................................................... 204
Stichwortverzeichnis .......................................................................................... 205
oo
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W. Prost, Technologie der III/V-Halbleiter
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997
2 0 Einleitung
Ein Durchbruch gelang Ende der 70er Jahre mit der Herstellung von Schichten
des Halbleiters A auf Substraten und/oder Schichten des Halbleiters B, wobei
sowohl das "Umschalten" von A auf B als auch die Dicke der Schichten mit ato
mar scharfer Prazision moglich wurde. Hier eroffnet sich, derzeit noch in hohem
MaBe im Forschungsstadium, eine unendliche Fiille von technischen Anwen
dungen durch eine Materialoptimierung im atomaren MaBstab.
Dieses Buch greift gerade das Potential der Halbleiterheterostrukturen auf. Es
flihrt dem interessierten Anfanger durch die Materialwelt der IIIN-Halbleiter in
Herstellung und Charakterisierung und bietet mit Blick auf die Anwendung
hochster Betriebsfrequenzen einen Einstieg in die Bauelementtechnologie. Ab
schlieBend ist ein Kapitel der Umsetzung von Umweltschutz und Arbeitssicherheit
gewidmet, denen immer groBere Bedeutung zukommt. Sie wurden auf der Basis
rechtlicher Vorgaben -aber auch hoher Eigenverantwortung- flir den Spezialfall
der IIIN- Halbleiter aufgearbeitet.