DE1087425B - Method and device for producing doped semiconductor single crystals by vapor deposition and diffusion annealing - Google Patents
Method and device for producing doped semiconductor single crystals by vapor deposition and diffusion annealingInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen dotierter Halbleitereinkristalle, wobei auf einen Einkristall aus Halbleitergrundstoff die Dotierungs- stoffe aufgedampft und durch Diffusionsglühen darin verteilt werden.The invention relates to a method for producing doped semiconductor single crystals, the dopants being vapor-deposited onto a single crystal made of semiconductor base material and distributed therein by diffusion annealing.
Für Flächendioden, Flächentransistoren u. dgl. benötigt man Einkristalle der betreffenden Halbleitermaterialien. Man hat diese Einkristalle bisher im allgemeinen durch sorgfältige Rekristallisation aus einer Schmelze erzeugt. Bei Spitzentransistoren ist es auch bekannt, aufgedampfte Halbleiterschichten zu verwenden, für Flächentransistoren und -dioden eignen sich die bekannten Aufdampfschichten jedoch nicht, da sie polykristallin sind.Required for flat diodes, flat transistors and the like one single crystals of the semiconductor materials concerned. So far, these single crystals have generally been used generated by careful recrystallization from a melt. It is also with tip transistors known to use vapor-deposited semiconductor layers, suitable for junction transistors and diodes However, the known vapor deposition layers do not, since they are polycrystalline.
Es ist auch bekannt, Halbleitereinkristalle dadurch zu dotieren, daß man die gewünschten Donator- oder Akzeptorverunreinigungen auf die Einkristalloberfläche aufdampft und durch Erhitzen zur Eindiffusion bringt. Es ist dabei auch bekannt, nur begrenzte Flächen der Halbleiteroberfläche zu bedampfen, indem man die zu bedampfende Fläche mit einer perforierten Maske abdeckt.It is also known to dope semiconductor single crystals by having the desired donor or Acceptor impurities evaporated onto the single crystal surface and diffused by heating brings. It is also known to vaporize only limited areas of the semiconductor surface by the area to be steamed is covered with a perforated mask.
Für viele Zwecke ist es erwünscht, mit möglichst dünnen Halbleiterkörpern zu arbeiten. Die Dicke der Basiszone eines Flächentransistors bestimmt beispielsweise maßgeblich dessen Hochfrequenzeigenschaften. Die bisherigen Verfahren, wie Ätzen, elektrolytische Abtragung u. dgl., ergeben viel Ausschuß und liefern wenig reproduzierbare Ergebnisse.For many purposes it is desirable to work with the thinnest possible semiconductor bodies. The thickness of the The base zone of a planar transistor, for example, largely determines its high-frequency properties. The previous methods, such as etching, electrolytic removal and the like, result in a lot of rejects and deliver results that are difficult to reproduce.
Durch die Erfindung soll nun ein Verfahren zur Herstellung von außergewöhnlich dünnen dotierten Halbleitereinkristallen angegeben werden, das die Nachteile der bekannten Verfahren nicht besitzt. Die Dotierung kann dabei in bekannter Weise durch Aufdampfen eines Dotierungsstoffes erfolgen, der dann unter erhöhter Temperatur zur Eindiffusion gebracht wird.The invention is now intended to provide a method for the production of exceptionally thin doped Semiconductor single crystals are given, which does not have the disadvantages of the known methods. the Doping can be done in a known manner by vapor deposition of a dopant, which then is brought to diffusion under elevated temperature.
Ein Verfahren zum Herstellen dotierter Halbleitereinkristalle, wobei auf einen Einkristall aus Halbleitergrundstoff die Dotierungsstoffe aufgedampft und durch Diffusionsglühen darin verteilt werden, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Grundstoffeinkristall durch Aufdampfen auf eine einkristalline Unterlage aus anderem Stoff, jedoch mit der vom Halbleitereinkristall verlangten Kristallorientierung und damit vergleichbarer Gitterkonstante hergestellt wird. Beim Aufdampfen wird der Unterlagekristall auf einer solchen Temperatur gehalten, daß die Kondensation des aufgedampften Halbleitermaterials in monokristalliner Form erfolgt. Zur Dotierung kann vorteilhaft eine Legierung aus dem Halbleitermaterial des Grundkristalls und dem Dotierungsstoff aufgedampft werden. A method for producing doped semiconductor single crystals, based on a single crystal from semiconductor base material the dopants are vapor-deposited and distributed therein by diffusion annealing according to the invention characterized in that the base material single crystal by vapor deposition on a Monocrystalline base made of a different material, but with the crystal orientation required by the semiconductor single crystal and thus a comparable lattice constant is produced. The base crystal becomes during vapor deposition kept at such a temperature that the condensation of the vapor-deposited semiconductor material takes place in monocrystalline form. An alloy composed of the semiconductor material can advantageously be used for doping the base crystal and the dopant are vapor-deposited.
Durch die Erfindung wird vermieden, daß sich das Verfahren und VorrichtungThe invention avoids that the method and device
zum Herstellen dotierterfor producing doped
Halbleitereinkristalle durch AufdampfenSemiconductor single crystals by vapor deposition
und Diffusionsglühenand diffusion annealing
Anmelder:Applicant:
Motorola Inc.,Motorola Inc.,
Chicago, 111. (V. St. A.)Chicago, 111. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, D.unantstr. 6Representative: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, patent attorney,
Munich 23, D.unantstr. 6th
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. März 1956Claimed priority:
V. St. v. America March 5, 1956
Jean Jules Achille Robillard, Stockholm-Valingby,
ist als Erfinder genannt wordenJean Jules Achille Robillard, Stockholm-Valingby,
has been named as the inventor
Halbleitermaterial wie bei den üblichen Aufdampfverfahren als amorphe oder polykristalline Schicht mit vielen kleinen Kristalliten niederschlägt. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist es vielmehr möglich, einen Einkristall von beträchtlicher Größe durch Kondensation aus der Dampfphase zu erzeugen. Der Einkristall wird also durch Kondensation desSemiconductor material as in the usual vapor deposition process as an amorphous or polycrystalline layer precipitates with many small crystallites. Rather, it is in the method according to the invention possible to produce a single crystal of considerable size by condensation from the vapor phase. The single crystal is thus produced by condensation of the
Metalldampfes an der Oberfläche einer geeigneten Unterlage gezüchtet; diese Unterlage besteht dabei aus einem Einkristall, der seinerseits derselben Kristallklasse, wie beispielsweise Germanium oder Silizium, angehört und der eine Gitterkonstante besitzt, die sehr nahe bei der des zu bildenden Kristalls liegt. So· besteht beispielsweise der Unterlagekristall, der normalerweise für Germanium benutzt wird, aus Natriumchlorid. Dieser Unterlagekristall wird nun auf einer Ebene parallel zu einer der Hauptebenen des Gitters, bei Natriumchlorid beispielsweise parallel zur .100-Ebene, sehr sorgfältig poliert (optische Politur). Diese polierte Oberfläche wird vor dem Aufdampfen des Metalls unter geeigneten Druck- und Atmosphärenbedingungen einem Ionenbombardement unterworfen. . ,Metal vapor grown on the surface of a suitable support; this document exists from a single crystal, which in turn has the same crystal class, such as germanium or Silicon, and which has a lattice constant very close to that of the crystal to be formed lies. For example, the base crystal consists of normally used for germanium, made from sodium chloride. This underlay crystal will now on a plane parallel to one of the main planes of the lattice, for example parallel in the case of sodium chloride to the .100 level, very carefully polished (optical polishing). This polished surface is prior to vapor deposition ion bombardment of the metal under suitable pressure and atmospheric conditions subject. . ,
Die Temperatur der Unterlage wird während der Kondensation des Metalls im wesentlichen konstant auf einer ganz bestimmten" Temperatur gehalten, deren Höhe von dem aufzudampfenden Metall abhängt. Diese Temperatur ist sehr kritisch, ihre SchwankungenThe temperature of the substrate becomes essentially constant during the condensation of the metal kept at a very specific "temperature, the level of which depends on the metal to be evaporated. This temperature is very critical to its fluctuations
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sollten innerhalb 1 bis 10° C gehalten werden. Jedes bereich vorhanden ist, in dem die Geschwindigkeit dershould be kept within 1 to 10 ° C. Each area is present in which the speed of the
Metall besitzt seine eigene kritische Temperatur, für Dampfatome in der Ebene der UnterlagenoberflächeMetal has its own critical temperature for vapor atoms in the plane of the substrate surface
Germanium beträgt sie beispielsweise 480° C. Diese gerade den richtigen Wert besitzt, daß diese AtomeFor germanium, for example, it is 480 ° C. This has just the right value for these atoms
Kondensationstemperatur wird dadurch aufrecht- in eine gegenseitige Anordnung kommen, die einemThe condensation temperature is thereby maintained - come into a mutual arrangement that one
erhalten, daß man den Unterlagekristall in engem 5 Einkristall entspricht.obtained that one corresponds to the underlying crystal in close 5 single crystal.
thermischem Kontakt mit einem Metallblech (Tantal) Die oben gegebene Erklärung betraf die Anordnungthermal contact with a metal sheet (tantalum) The explanation given above concerned the arrangement
bringt, welches durch eine äußere Hochfrequenzspule der aufgedampften Atome in einem Einkristallgitterbrings, which through an external high-frequency coil of the vapor-deposited atoms in a single crystal lattice
erhitzt wird. Das Metallblech ist außerdem mit einem direkt auf der Oberfläche des Unterlagekristalls; esis heated. The metal sheet is also provided with a directly on the surface of the backing crystal; it
Thermoelement verbunden, das die ungefähren Tem- ist klar, daß diese erste Einkristallschicht fortgesetztThermocouple connected to the approximate tem- perature is clear that this first single crystal layer continued
peraturen des Unterlagenkristalls zu messen ge- ίο und fortlaufend weitergebildet wird, wenn weiteretemperature of the base crystal to be measured and continuously trained if further
stattet. Dampfatome auf der schon kristallisierten Fläche desequips. Steam atoms on the already crystallized surface of the
Die Erfindung ist natürlich nicht auf eine spezielle Einkristalls auftreffen, vorausgesetzt, daß der VorTheorie zur Erklärung der auftretenden Erscheinungen gang bei der erwähnten kritischen Temperatur stattbeschränkt; das Auftreten dieser kritischen Tempera- findet.The invention is of course not to hit a special single crystal, provided that the previous theory to explain the phenomena occurring at the critical temperature mentioned instead of limited; the occurrence of this critical temperature takes place.
tür kann jedoch durch folgende vereinfachte Er- 15 Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung klärung verstanden werden. Die Atome des Unter- wird die Temperatur der Oberfläche des Unterlagelagekristalls sind in einem Kristallgitter angeordnet kristalle nicht durch direkte Messung bestimmt, und besitzen elektrische Ladungen. Als Folge davon sondern dadurch, daß man mit Hilfe von optischen besteht dicht oberhalb der beschriebenen Oberfläche Methoden das Wachstum des Einkristalls verfolgt, des Unterlagekristalls ein in beiden Richtungen der 20 Dies wird dadurch erreicht, daß man elliptisch polari-Oberfläche periodisches elektrisches Feld. In anderen siertes Licht unter einem kleinen Winkel auf den Worten würde eine graphische Darstellung eines wachsenden Kristall auffallen läßt. Das reflektierte Querschnittes durch das Feld in einer ersten Rieh- Licht wird durch eine dynamische Vorrichtung, die tung der Ebene eine Kurve mit abwechselnden Maxima aus einem Viertelwellenlängenplättchen und einem und Minima ergeben, wobei ein Querschnitt in einer 25 durch einen Synchronmotor gedrehten Nicoischen zweiten Richtung innerhalb dieser Ebene, aber senk- Prisma besteht, analysiert. Das Licht fällt dabei recht zur ersten Richtung, dieselbe Kurve ergäbe. schließlich auf eine Photozelle, deren AusgangssignalHowever, door can be simplified by the following. According to an important feature of the invention clarification to be understood. The atoms of the underlay is the temperature of the surface of the underlay crystal are arranged in a crystal lattice crystals are not determined by direct measurement, and have electrical charges. As a result of this, but rather because one with the help of optical there is a method that tracks the growth of the single crystal just above the surface described, of the backing crystal one in both directions of the 20 This is achieved by having an elliptically polar surface periodic electric field. In others ized light at a small angle on the Words would make a graph of a growing crystal stand out. That reflected Cross-section through the field in a first Rieh- light is made by a dynamic device that tion of the plane a curve with alternating maxima from a quarter-wave plate and a and minima result, with a cross section in a Nicoischen rotated by a synchronous motor second direction within this plane, but there is a lower prism, analyzed. The light falls right to the first direction, the same curve would result. finally to a photocell, its output signal
Die Atome des kondensierenden Dampfes sind eben- nach einer geeigneten Verstärkung auf dem Schirm
falls elektrisch geladen und treten in Wechselwirkung eines Kathodenstrahl-Oszillographen beobachtet wermit
dem periodischen Feld, die Dampfatome streben 30 den kann. Die Zeitablenkung des Oszillographen ist
dabei die Orte der niedrigsten potentiellen Energie mit dem Motor, der das Nicolprisma dreht, synim
Feld an. Diese Orte niedrigster Energie sind durch chronisiert. Unter diesen Versuchsbedingungen ergibt
das Kristallgitter des Unterlagekristalls bestimmt das Wachsen eines Einkristalls zwei Maxima für eine
und geben dieses wieder. Wie gefordert, entspricht Drehung um 180°, die den beiden Hauptachsen der
diese Gitteranordnung der Unterlage weitestgehend 35 Ellipse entsprechen. Eine polykristalline Schicht
der Anordnung der Atome des kondensierenden ergibt mehr als zwei Maxima und manchmal auch
Stoffes, wenn sich dieser Stoff im monokristallinen gar keines (Depolarisation). Eine amorphe Schicht
Zustand befindet. Die Dampfatome werden nun da- gibt ebenfalls kein Maximum. Man muß Vordurch,
daß sie in die Potentialmulden der Feldver- kehrungen treffen, um Fehlmessungen, die von einer
teilung auf der Oberfläche des Unterlagekristalls 40 Verwechslung der Reflexion an der Unterlage mit
sinken, in eine gegenseitige Lage gebracht, die sich einer Reflexion an der Schicht herrühren, zu versehr
eng an die wahre monokristalline Form des ver- meiden. Diesen Fehler kann man dadurch verhüten,
dampften Materials annähert. Diese anfängliche gegen- daß man bei sehr kleinen Einfallswinkeln arbeitet,
seitige Anordnung ist dabei eine so gute Annäherung Um eine gute Temperaturregelung der Unterlage
an den exakten Einkristall, der gewünscht wird, daß 45 während des Aufdampfens zu ermöglichen, wird die
die elektrischen Kräfte zwischen den kondensierten Verdampfungsgeschwindigkeit vorzugsweise sehr
Atomen ausreichen, um die Atome in eine gegenseitige klein gehalten. Eine feine Regelung der Heizung der
Lage zu bringen, die dem wahren Einkristall des auf- Unterlage kann durch die Verwendung von zwei
gedampften Materials entspricht. Hochfrequenz-Heizspulen mit entgegengesetzt ge-The atoms of the condensing vapor are also electrically charged after a suitable amplification on the screen and interact with a cathode ray oscillograph, which is observed with the periodic field that the vapor atoms strive for. The time deflection of the oscilloscope is the locations of the lowest potential energy with the motor that rotates the Nicol prism, syn in the field. These places of lowest energy are chronized by. Under these test conditions, the crystal lattice of the base crystal determines the growth of a single crystal and shows two maxima for one. As required, rotation by 180 ° corresponds to the two main axes of this grid arrangement of the base as far as possible 35 ellipse. A polycrystalline layer of the arrangement of the atoms of the condensing results in more than two maxima and sometimes also substance, if this substance is none at all in the monocrystalline (depolarization). An amorphous layer is located in the state. The steam atoms are no longer there either. You have to make sure that they hit the potential wells of the field reversals in order to avoid incorrect measurements, which decrease from a division on the surface of the base crystal 40 confusing the reflection on the base with a mutual position that results in a reflection on the layer originate too closely to avoid the true monocrystalline form of the. This error can be prevented by approximating steamed material. This initial opposition to working at very small angles of incidence,
lateral arrangement is such a good approximation mutual kept small. A fine regulation of the heating can be brought about, which corresponds to the true single crystal of the on-surface, by the use of two vaporized materials. High-frequency heating coils with oppositely
Die Fähigkeit der Dampfatome, in eine dem Ein- 50 richteten Feldern erreicht werden. Der subtraktive kristall entsprechende gegenseitige Anordnung zu ge- Einfluß dieser beiden Felder erlaubt eine Temperaturlangen und dort zu verharren, hängt offensichtlich regelung mit kleinerer thermischer Trägheit, als von der Geschwindigkeitskomponente der Atome in wenn man nur eine einzige Spule verwenden würde, der Ebene der Oberfläche der Unterlage ab. Wie be- Die letzte Einjustierung der Temperatur kann auch kannt, ist diese Geschwindigkeitskomponente eine 55 mit Hilfe einer Infrarotstrahlungsquelle erreicht Funktion der Temperatur. Wenn diese Temperatur werden.The ability of the vapor atoms to be reached in one of the established fields. The subtractive Influence of these two fields allows a temperature range and to remain there, obviously depends on regulation with less thermal inertia than on the speed component of the atoms in if one were to use only a single coil, the level of the surface of the support. How- The last adjustment of the temperature can also knows, this speed component is a 55 achieved with the help of an infrared radiation source Function of temperature. When this temperature will be.
zu niedrig ist, ist die Geschwindigkeit der Dampf- Zu Beginn des Aufdampfvorganges werden am atome in dieser Ebene so klein, daß die Dampfatome optischen Meßgerät zwei Maxima, entsprechend der sich festsetzen, bevor sie die Orte niedrigster Reflexion am Unterlageneinkristall, angezeigt. Nach potentieller Energie erreichen und damit durch das 60 einigen Minuten beginnen diese beiden Maxima zu periodische Feld auf der Oberfläche genügend geordnet verschwinden, da die erste, monoatomare Schicht auf werden, um später in die gewünschte Einkristallform der Oberfläche entsteht. Durch langsame Änderungen übergehen zu können. Wenn die Temperatur dagegen der Temperatur mittels einer der obenerwähnten Vorzu hoch ist, besitzen die Atome in der Ebene der richtungen kann man dann einen neuerlichen stabilen Unterlage so große Geschwindigkeitskomponenten, 65 Zustand erreichen, wo zwei andere Maxima erdaß sie über die Potentialminima hinwegspringen scheinen, die dem Wachstum des neuen Kristalls entkönnen und in einer im Gegensatz zu der mono- sprechen. Diese Maxima sind anfangs schwach, sie kristallinen Anordnung, die angestrebt wird, un- beginnen aber mit der Zeit mehr und mehr hervorgeordneten Lage zur Ruhe kommen. Es wurde jedoch zutreten. Eine kleine Temperaturänderung des Krifestgestellt, daß ein kleiner kritischer Temperatur- 70 stalls ist sofort an der Auswirkung auf die beidenis too low, the steam speed is too low Atoms in this plane are so small that the vapor atoms have two maxima, corresponding to the optical measuring device settle before they indicate the locations of lowest reflection on the base single crystal. To reach potential energy and thus begin these two maxima by the 60 a few minutes periodic field on the surface disappear in a sufficiently ordered manner, since the first, monoatomic layer is on later on in the desired single crystal shape of the surface. By making slow changes to be able to pass over. On the other hand, if the temperature is equal to the temperature by means of one of the above-mentioned precautions If it is high, the atoms in the plane of the directions can then be stabilized again Underlay such large velocity components, 65 reach a state where two other maxima existed they seem to jump over the potential minima that can escape the growth of the new crystal and speak in a contrast to the mono. These maxima are initially weak, they crystalline arrangement, which is striven for, but begins to become more and more prominent over time Location to come to rest. However, it was kicked. A small change in temperature of the Krifest that a small critical temperature stalls is immediately at the effect on both of them
IUO/IUO /
Maxima im Oszillographen erkenntlich. Die richtige Temperatur kann durch eine Steuerung der Heizung des Kristallhalters entsprechend der Anzeige auf dem Oszillographen eingehalten werden.Maxima recognizable in the oscilloscope. The correct temperature can be achieved by controlling the heating of the crystal holder according to the display on the oscilloscope.
Es ist wichtig, daß das verdampfte Metall so rein wie möglich ist. Um einen hohen Reinheitsgrad zu erreichen, wird vor der Verdampfung eine Art von Molekulardestillation vorgenommen. Das Metall wird dabei in einem geeigneten Schmelztiegel (Graphit für Germanium) geschmolzen und auf ein erstes Tantalblech aufgedampft. Dieses Blech ist das erste von vier gleichartigen Blechen, die in bezug aufeinander in Kaskadenform angeordnet sind. Jedes dieser Bleche kann durch den Joule-Effekt mittels elektrischer Anschlüsse an beiden Blechenden geheizt werden. Heizt man, während der Schmelztiegel ebenfalls erhitzt ist, das erste Blech, um das darauf niedergeschlagene Metall absublimieren zu lassen, so schlägt sich ein Teil des Metalls auf dem zweiten Blech nieder. Heizt man nun dieses zweite Blech, so daß das darauf niedergeschlagene Metall seinerseits absublimiert, während der Schmelztiegel und das erste Blech noch heiß sind, so schlägt sich ein Teil des Metalls vom zweiten Blech auf dem dritten Blech nieder, usw. Das Verfahren wird fortgesetzt bis zum vierten Blech. Das Metall, beispielsweise Germanium, das auf dem vierten Blech kondensiert ist, besitzt einen wesentlich größeren Reinheitsgrad als das Metall aus dem Schmelztiegel.It is important that the vaporized metal is as pure as possible. To achieve a high degree of purity, a type of molecular distillation is performed prior to evaporation. The metal will melted in a suitable crucible (graphite for germanium) and placed on a first tantalum sheet vaporized. This sheet is the first of four similar sheets that are related to each other are arranged in cascade form. Each of these sheets can by means of the Joule effect by means of electrical connections be heated at both sheet metal ends. If you heat while the crucible is also heated, the first sheet, in order to sublimate the metal that has been deposited on it, is struck Part of the metal is deposited on the second sheet. If you now heat this second sheet so that it is on it The deposited metal in turn sublimates, while the crucible and the first sheet are still are hot, some of the metal from the second sheet is deposited on the third sheet, and so on The process is continued up to the fourth sheet. The metal, for example germanium, found on the fourth sheet is condensed, has a much greater degree of purity than the metal from the Melting pot.
Ein weiterer Vorteil dieses stufenweisen Verdampfungsprozesses besteht darin, daß man eine Verdampfung des Metalls von der vierten Platte bei wesentlich niedrigerer Temperatur erreichen kann, als man für die Verdampfung des Metalls aus dem Schmelztiegel benötigt. Das verdampfende Metall stammt von einer großen Oberfläche und einer verhältnismäßig dünnen Schicht und kann deshalb durch Sublimation erhalten werden. Indem man den Metalldampf auf diese Weise erzeugt, ist es möglich, die Kondensationsgeschwindigkeit des Metalls auf der Unterlage genau zu steuern, und man erreicht gleichzeitig eine hohe Reinheit des Dampfes. Die Kondensationsgeschwindigkeit sollte klein gehalten werden, um eine Steuerung der Temperatur auf dem Unterlagekristall zu ermöglichen, die die Termperatur innerhalb des kritischen Bereichs hält. Der auf diese Weise erzeugte Kristall kann durch Dotierung besonders geeignet zur Verwendung als Halbleiter für elektrische Anwendungen gemacht werden.Another advantage of this staged evaporation process is that there is an evaporation of the metal from the fourth plate at a much lower temperature, than is needed for the evaporation of the metal from the crucible. The evaporating metal comes from a large surface and a relatively thin layer and can therefore get through Sublimation can be obtained. By creating the metal vapor in this way, it is possible to reduce the Precise control of the condensation rate of the metal on the substrate, and one achieved at the same time a high purity of the steam. The condensation rate should be kept low, to allow control of the temperature on the base crystal, the temperature keeps within the critical range. The crystal produced in this way can be especially doped be made suitable for use as semiconductors for electrical applications.
Diese Dotierung kann durch Verdampfen einer Legierung, welche aus der Hauptsubstanz des Kristalls und einem Dotierungsstoff besteht, deren Kondensation auf der Oberfläche des Kristalls und schließlich durch Eindiffundierenlassen der zuletzt aufgedampften Schicht in den Kristall durch Hitzeeinwirkung erfolgen. Als Dotierungsstoff soll in diesem Zusammenhang eine Verunreinigung verstanden werden, die, in einen reinen Germaniumeinkristall eingeführt, diesem verbesserte Halbleitereigenschaften verleiht. Verfahren zur Einführung von Dotierungsstoffen in Einkristalle und die verschiedensten hierfür geeigneten Stoffe sind allgemein bekannt.This doping can be achieved by evaporating an alloy, which is made up of the main substance of the crystal and a dopant, whose condensation on the surface of the crystal and finally through The last vapor-deposited layer is allowed to diffuse into the crystal by the action of heat. In this context, a dopant is to be understood as meaning an impurity which, in introduced a pure germanium single crystal, which gives it improved semiconductor properties. procedure for the introduction of dopants in single crystals and the most varied of them suitable for this purpose Substances are well known.
Ein besonderer Schmelztiegel, der das mit dem Dotierungsstoff legierte Metall, beispielsweise Germanium mit Indium enthält, wird vor den Kristall gebracht. Die Verdampfung der Legierung erfolgt dann, während sich der Kristall auf Raumtemperatur befindet. Die niedergeschlagene Schicht ist amorph, und die durch das optische System auf dem Oszillographen entstehende Kurve ist unregelmäßig und besitzt keine ausgeprägten Maxima. Die Menge des verdampften Dotierungsstoffes wird sorgfältig dadurch festgelegt, daß man das Metall vor der Verdampfung wiegt, um den gewünschten Prozentsatz an Dotierungsstoff nach der Verdampfung und Diffusion im Kristall zu erhalten.A special crucible that holds the metal alloyed with the dopant, for example germanium with indium is brought in front of the crystal. The alloy is evaporated then while the crystal is at room temperature. The deposited layer is amorphous, and the curve produced by the optical system on the oscilloscope is irregular and has no pronounced maxima. The amount of dopant evaporated is carefully chosen established that the metal is weighed prior to evaporation to the desired percentage of dopant after evaporation and diffusion in the crystal to obtain.
Die Diffusion der Dotierungsschicht in den Kristall wird durch Erhitzen des Kristalls auf eine Temperatur, die wesentlich geringer ist als die Verdampfungstemperatur, bewirkt. Der Fortgang der Diffusion wird durch die optische Einrichtung angezeigt. Das Ende des Diffusionsvorganges wird daran erkennbar, daß auf dem Oszillographenschirm nach Verschwinden der amorphen Dotierungsschicht infolge vollständigen Eindiffundierens in den Kristall die beiden für den Einkristall charakteristischen Maxima wieder erscheinen. The diffusion of the doping layer into the crystal is achieved by heating the crystal to a temperature which is much lower than the evaporation temperature. The progress of diffusion is indicated by the optical device. The end of the diffusion process can be recognized by that on the oscilloscope screen after the amorphous doping layer has disappeared as a result of complete Diffusing into the crystal, the two maxima characteristic of the single crystal reappear.
Das oben beschriebene Verfahren ergibt eine monokristalline Schicht aus Halbleitermaterial mit p- oder η-Leitfähigkeit entsprechend dem verwendeten Dotierungsstoff. The method described above results in a monocrystalline layer of semiconductor material with p- or η conductivity according to the dopant used.
Mehrfache Schichten, wie beispielsweise n-p, n-p-n, oder p-n-p, können durch Wiederholung des oben beschriebenen Verfahrens und durch Wechseln des Dotierungsstoffes hergestellt werden. Man verwendet hierfür mehrere Schmelztiegel mit verschiedenartigen Dotierungsstoffen.Multiple layers, such as n-p, n-p-n, or p-n-p, can be created by repeating the above Process and by changing the dopant are produced. One uses for this purpose, several crucibles with different types of dopants.
Die monokristalline Schicht wird, wenn sie auf die gewünschte Dicke angewachsen ist, vom Unterlagekristall entfernt. Dies kann ganz allgemein dadurch geschehen, daß man den Unterlagekristall in einem geeigneten Lösungsmittel auflöst. Die Schicht wird danach gewaschen und auf beiden Seiten metallisiert, um Anschlußkontakte für die Schicht zu bekommen.The monocrystalline layer, when it has grown to the desired thickness, becomes the underlying crystal removed. This can be done quite generally by the fact that the base crystal in one dissolves suitable solvent. The layer is then washed and metallized on both sides, to get connection contacts for the shift.
Eine spezielle Ausführungsform eines Gerätes zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Zeichnungen dargestellt, die jedoch nur schematisch sind.A special embodiment of a device for performing the method according to the invention is shown in FIG shown in the drawings, which, however, are only schematic.
Fig. 1 ist die Seitenansicht einer Vakuumanlage, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;Fig. 1 is a side view of a vacuum system used for carrying out the method according to the invention suitable is;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines optischen Systems und einer Anzeigevorrichtung, die in Verbindung mit der Vakuumanlage nach Fig. 1 Verwendung finden soll;Fig. 2 is a schematic illustration of an optical system and display device which to be used in conjunction with the vacuum system according to FIG. 1;
Fig. 3A, 3B, 3C und 3D sind schematische Darstellungen zur Erklärung der Herstellung einer Mehrzahl von p- oder η-Schichten oder beiden in einem Einkristall, der gemäß der Erfindung hergestellt wurde.Figures 3A, 3B, 3C and 3D are schematic representations to explain the production of a plurality of p- or η-layers or both in one Single crystal made according to the invention.
In der folgenden Beschreibung wird zuerst die in den Zeichnungen beschriebene Anlage, dann ein Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Schicht von η-Germanium und schließlich das Herstellen von Germaniumeinkristallen mit n-, p- und n-Schichten erläutert werden.The following description will first describe the plant described in the drawings, then a process for the production of a monocrystalline layer of η-germanium and finally the production of Germanium single crystals with n-, p- and n-layers will be explained.
Aufdampf anlageVapor deposition
In Fig. 1 ist eine Vakuumanlage dargestellt, die eine Grundplatte 1 und eine Kuppel 2 enthält, die über der Grundplatte liegt und mittels einer Dichtung 3 am Umfang der Grundplatte einen von der Atmosphäre luftdicht abgeschlossenen Raum 7 α einschließt. Die Grundplatte 1 wird von einem hohlen Fuß 3 α getragen, der einen inneren Kanal 3 b umschließt, welcher einerseits in die Kammer Ta mündet und andererseits mit einer Pumpvorrichtung (nicht gezeigt) in Verbindung steht, die beipsielsweise (in der Reihenfolge von der Vakuumkammer aus ge-In Fig. 1, a vacuum system is shown which contains a base plate 1 and a dome 2, which is located above the base plate and by means of a seal 3 on the circumference of the base plate encloses a space 7 α hermetically sealed from the atmosphere. The base plate 1 is carried by a hollow foot 3 α , which encloses an inner channel 3 b , which on the one hand opens into the chamber Ta and on the other hand is connected to a pump device (not shown) in connection, for example (in the order from the vacuum chamber ge
rechnet) aus einer Kühlfalle mit flüssiger Luft, einer üblichen Quecksilberdiffusionspumpe und einer rotierenden Pumpe bestehen kann. Die Pumpvorrichtung soll · vorzugsweise in der Lage sein, den Druck im Rezipienten la auf 10"7 mm Hg zu verringern. Durch einen Einlaß 3 c kann gewünschtenfalls eine bestimmte Menge eines Gases, wie z. B. Wasserdampf, in den Rezipienten eingelassen werden. Der Einlaß 3 c mündet einerseits in den Kanal 3b, während er andererseits mit dem Gasvorrat in Verbindung steht. Um die Gaszufuhr besser regulieren zu können, ist der Einlaß 3 c mit den beiden Hähnen 3 d und 3 e versehen, zwischen denen sich ein Vorratsbehälter 3/ befindet.calculates) can consist of a cold trap with liquid air, a standard mercury diffusion pump and a rotating pump. The pumping device should be · preferably be able to reduce the pressure in the container la to 10 "7 mm Hg. Through an inlet 3 c can, if desired, a certain amount of a gas such. As water vapor, are introduced into the recipient. the inlet 3 c opens on one hand in the channel 3b, while standing on the other hand with the gas supply in connection. in order to regulate the gas supply better is the inlet 3 c with the two valves 3 d and 3 are provided e, between which a reservoir 3 / is located.
Innerhalb des Rezipienten la ist oberhalb der Grundplatte 1 mittels eines Fußes 4a eine runde Platte 4 angebracht, die um den Fuß 4 a gedreht werden kann. Die Platte 4 ist mit dem Außenraum durch eine Mehrzahl von elektrischen Leitungen 6, die durch die Durchführungen 7 in der Grundplatte 1 führen, elektrisch verbunden. Die einzelnen Leiter 6 haben jeweils genügend Spiel in ihrer Länge, so daß die Platte 4 in einer Richtung um 180° gedreht werden kann.Within the recipient la , a round plate 4 is attached above the base plate 1 by means of a foot 4a, which can be rotated around the foot 4a. The plate 4 is electrically connected to the outside space by a plurality of electrical lines 6 which lead through the bushings 7 in the base plate 1. The individual conductors 6 each have enough play in their length so that the plate 4 can be rotated through 180 ° in one direction.
Die drehbare Platte 4 trägt auf ihrer Oberseite eine Mehrzahl von Schmelztiegeln, die beispielsweise a5 als die Schmelztiegel 8 α und 8 b dargestellt sind, welche jeweils von den Wolframspiralen 8c und Sd umgeben sind. Jede dieser Spiralen kann für sich durch einen elektrischen Strom mittels eines geeigneten Leiters 6 erhitzt werden und wirkt so als Heizvorrichtung für die Schmelztiegel 8 a und 8 b. Die drehbare Platte 4 trägt weiterhin eine Mehrzahl von Tantalblechen 9, 10, 11 und 12 zur Kondensation und Sublimation, die jeweils auf der Platte 4 durch ein Paar von elektrisch leitenden Stäben gehalten werden, von denen die Stäbe 9 a, 10 a, 11a und 12 a gezeigt sind, wobei die anderen Stäbe jedes Paares hinter den entsprechenden Stäben 9 a bis 11a in Fig. 1 liegen. Die Stäbe jedes Paares sind jeweils mit den gegenüberliegenden Enden des Tantalbleches verbunden, das durch diese Stäbe getragen wird. Jeder Stab ist an seinem unteren Ende derart an einen Leiter 6 angeschlossen, daß ein elektrischer Strom durch ein gewünschtes Tantalblech geleitet werden kann. Schickt man einen elektrischen Strom durch ein gegebenes Tantalblech, so wird durch den elektrischen Widerstand dieses Bleches dessen Erhitzung auf eine Temperatur von beispielsweise 1200° C bewirkt.The rotatable plate 4 carries on its upper side a plurality of crucibles, which are shown, for example, a 5 as the crucibles 8 α and 8 b , which are respectively surrounded by the tungsten spirals 8c and Sd . Each of these spirals can be heated by an electric current by means of a suitable conductor 6 and thus acts as a heating device for the crucibles 8 a and 8 b. The rotatable plate 4 also carries a plurality of tantalum sheets 9, 10, 11 and 12 for condensation and sublimation, which are each held on the plate 4 by a pair of electrically conductive rods, of which the rods 9 a, 10 a, 11 a and 12 a are shown, the other rods of each pair lying behind the corresponding rods 9 a to 11 a in FIG. The bars of each pair are connected to opposite ends of the tantalum sheet supported by these bars. Each rod is connected at its lower end to a conductor 6 in such a way that an electric current can be passed through a desired tantalum sheet. If an electric current is sent through a given sheet of tantalum, the electrical resistance of this sheet causes it to be heated to a temperature of, for example, 1200 ° C.
Die Reinigung des Germaniums aus dem 'Schmelztiegel 8 a durch die Bleche 9 bis 12 wird folgendermaßen bewerkstelligt. Durch Erhitzen des Schmelztiegels 8 a wird das darin befindliche Germanium verflüssigt. In diesem Zustand besitzen einige Atome an der Oberfläche der Flüssigkeit genug Energie, um die Kräfte, die sie in der Oberfläche zurückzuhalten bestrebt sind, zu überwinden, und es findet deshalb ein dauerndes Austreten von Atomen in das Vakuum oberhalb des Schmelztiegels statt.. Die mittlere freie Weglänge der austretenden Atome ist infolge des im Rezipienten la herrschenden Hochvakuums so groß, daß die verdampften Atome Molekularstrahlen bilden, die sich ganz ähnlich wie optische Strahlen verhalten. Aus diesem Grunde beschreiben die aus dem Schmelztiegel 8 a entweichenden Atome geradlinige Bahnen, und von der Gesamtheit dieser abdampfenden Atome wird ein wesentlicher Bruchteil auf dem oberhalb des Schmelztiegels angeordneten Blech kondensiert.The cleaning of the germanium from the 'crucible 8 a through the metal sheets 9 to 12 is accomplished as follows. By heating the crucible 8 a, the germanium contained therein is liquefied. In this state, some atoms on the surface of the liquid have enough energy to overcome the forces which they strive to hold back in the surface, and therefore there is a constant leakage of atoms into the vacuum above the crucible. The middle one Because of the high vacuum prevailing in the recipient la , the free path of the emerging atoms is so great that the evaporated atoms form molecular beams which behave quite similarly to optical beams. For this reason, the atoms escaping from the crucible 8 a describe straight paths, and a substantial fraction of the totality of these evaporating atoms is condensed on the sheet metal arranged above the crucible.
Um die kondensierten Germaniumatome von dem Blech 9 zu vertreiben, wird dieses auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Germaniums erhitzt, wobei die Temperatur jedoch hoch genug ist, um eine Verdampfung der Germaniumatome von der niedergeschlagenen Schicht in einem annehmbaren Prozentsatz zu gewährleisten. Diese Verdampfung erfolgt durch Sublimation, d. h. durch einen Wechsel des Aggregatzustandes der Germaniumatome von der festen Phase (in der kondensierten Schicht) in die Dampfphase, ohne dazwischen die flüssige Phase anzunehmen. Die Vorteile der Sublimation sind zweifach. Erstens kann die Geschwindigkeit, mit der das Germanium durch Sublimation in den Dampfzustand übergeführt wird, berechnet und deshalb viel genauer gesteuert werden, als wenn die Atome aus der flüssigen Phase verdampfen; diese genauere Steuerung ist wünschenswert, um eine monokristalline und nicht eine polykristalline Ausbildung des kondensierenden Germaniums auf der Unterlage zu erhalten. Zweitens werden bei der Sublimation die unerwünschten Effekte verringert, die oftmals mit der Verdampfung aus der flüssigen Phase verbunden sind, wie beispielsweise das Mitreißen von Verunreinigungen durch die abdampfenden Germaniumatome.In order to expel the condensed germanium atoms from the sheet 9, this is brought to a temperature heated below the melting temperature of germanium, but the temperature is high enough an evaporation of the germanium atoms from the deposited layer in an acceptable Guarantee percentage. This evaporation occurs through sublimation, i.e. H. by a change of the state of aggregation of the germanium atoms from the solid phase (in the condensed layer) to the Vapor phase without taking on the liquid phase in between. The advantages of sublimation are twofold. First, the rate at which the germanium sublimates into the vapor state is transferred, calculated and therefore controlled much more precisely than if the atoms were removed from the liquid Evaporate phase; this more precise control is desirable in order to be monocrystalline and not to obtain a polycrystalline formation of the condensing germanium on the substrate. Secondly sublimation reduces the undesirable effects that often occur with evaporation from the liquid phase, such as the entrainment of impurities by the evaporating Germanium atoms.
Wenn die Germaniumatome vom Blech 9 abdampfen, wandern sie in Form von Molekularstrahlen in einer solchen Weise ab, daß ein erheblicher Prozentsatz aller vom Blech 9 abdampfenden Atome auf dem Blech 10 kondensieren. Während dieses Vorgangs (wie noch genauer unter »Verfahren« erläutert werden wird) wird der Schmelztiegel 8 a auf erhöhter Temperatur gehalten, während die Germaniumatome vom Blech 9 abgedampft werden, so daß die nächste kalte Fläche in der Nähe des Blechs 9, auf der die Germaniumatome kondensieren können, durch das Blech 10 gegeben ist.When the germanium atoms evaporate from the sheet 9, they migrate in the form of molecular beams in such a way that a significant percentage of all atoms evaporating from the sheet 9 on the Condense sheet 10. During this process (as explained in more detail under "Procedure") is) the crucible 8 a is kept at an elevated temperature, while the germanium atoms from Sheet 9 are evaporated, so that the next cold surface in the vicinity of the sheet 9, on which the Germanium atoms can condense, is given by the sheet 10.
In analoger Weise werden die Germaniumatome dann vom Blech 10 auf das Blech 11 und von diesem auf das Blech 12 übergeführt. Obwohl ein Teil des Germaniums zwischen dem Schmelztiegel 8 α und dem Blech 12 verlorengeht, wird doch ein erheblicher Prozentsatz des Germaniums auf dem Blech 12 kondensiert und steht dort für eine spätere Verdampfung von diesem Blech (durch Sublimation), die der Bildung der monokristallinen Schicht auf dem Unterlagekristall direkt vorangeht, zur Verfügung.In an analogous manner, the germanium atoms are then transferred from the sheet 10 to the sheet 11 and from there to the sheet 12. Although part of the germanium is lost between the crucible 8 α and the sheet 12, a considerable percentage of the germanium is condensed on the sheet 12 and is there for later evaporation from this sheet (by sublimation), which leads to the formation of the monocrystalline layer directly precedes the base crystal.
Das Hochvakuum im Rezipienten la ist deshalb zweckmäßig, da es die Bildung der beschriebenen Molekularstrahlen gestattet. Das Hochvakuum hat außerdem den Vorteil, daß der Unterlagekristall frei von einer Gasschicht ist, die unter schlechteren Vakuumverhältnissen dort absorbiert würde und die die Bildung der monokristallinen Schicht stören könnte.The high vacuum in the recipient la is useful because it allows the formation of the molecular beams described. The high vacuum also has the advantage that the base crystal is free of a gas layer which would be absorbed there under poor vacuum conditions and which could interfere with the formation of the monocrystalline layer.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung die auf dem Unterlagekristall kondensierte Substanz einen mehrfachen Verdampfungsprozeß durchlaufen hatte, bleibt es selbstverständlich im Rahmen des Erfindungsgedankens, wenn man auf dem Unterlagekristall eine Substanz kondensieren läßt, die nur einem einzigen Verdampfungsvorgang von einer Quelle, wie beispielsweise einem Schmelztiegel, unterworfen wurde.Although in the foregoing description, the substance condensed on the underlying crystal is one had gone through multiple evaporation process, it remains of course within the scope of the inventive idea if one on the base crystal one Can condense substance that only a single evaporation process from a source, such as a crucible.
Der Rezipient 7 α ist oberhalb der drehbaren Platte 4 durch eine horizontale Zwischenwand 13 aus Tantal, die sich von der einen Seite des Kessels 2 zur anderen erstreckt, in einen oberen und einen unteren Vakuumraum unterteilt. Die Zwischenwand 13 ist am Kessel 2 mittels eines ringförmigen Halters 16 von quadratischem Querschnitt befestigt. Die Zwischenwand 13 besitzt eine öffnung 15, deren Achse 15 a senkrecht zur Ebene der Zwischenwand liegt und das Blech 12 schneidet.The recipient 7 α is above the rotatable plate 4 by a horizontal partition 13 made of tantalum, which extends from one side of the boiler 2 to the other, into an upper and a lower vacuum space divided. The partition 13 is on the boiler 2 by means of an annular holder 16 of square Cross-section attached. The intermediate wall 13 has an opening 15, the axis 15 a of which is perpendicular to the plane of the partition and the sheet 12 intersects.
1 UÖY 4251 UÖY 425
Die Achse 15α liegt in bezug auf den Fuß 4a, der die Platte 4 trägt, exzentrisch. Wenn der Schmelztiegel 8 ei denselben Abstand vom Fuß 4 a besitzt wie die Achse 15 a, ist es durch Drehen der Platte 4 um einen entsprechenden Winkel möglich, das Blech 12 von seiner Stellung unterhalb der Achse 15 a wegzubewegen und den Schmelztiegel Bb dafür an diese Stelle zu bringen. Andere Schmelztiegel können in derselben Weise an den Ort unterhalb der Achse 15 α gebracht werden.The axis 15α is eccentric with respect to the foot 4a which carries the plate 4. If the crucible 8 ei has the same distance from the foot 4 a as the axis 15 a, it is possible by rotating the plate 4 by a corresponding angle to move the sheet 12 away from its position below the axis 15 a and the crucible Bb to this Place to bring. Other crucibles can be brought to the location below the axis 15 α in the same way.
Die Öffnung 15 erlaubt das Durchtreten von verdampften Germaniumatomen in Form von Molekularstrahl en in den oberen Teil des Rezipienten Ta aus einer Quelle, die sich gerade unterhalb der Achse 15 α befindet. Diese Molekularstrahlen können durch einen Verschluß 14, der durch einen von der ZwischenwandThe opening 15 allows the passage of vaporized germanium atoms in the form of molecular beams in the upper part of the recipient Ta from a source which is located just below the axis 15 α. These molecular beams can through a shutter 14, which is through one of the intermediate wall
13 herunterhängenden Träger 14 a gehalten wird, freigegeben oder unterbrochen werden. Der Verschluß13 hanging down support 14 a is held, released or interrupted. The closure
14 kann durch einen nicht gezeigten Magneten betätigt werden, so daß man je nach Wunsch die öffnung 15 α verschließen oder freigeben kann.14 can be actuated by a magnet, not shown, so that you can open the opening as desired 15 α can close or release.
Die Zwischenwand 13 trägt weiterhin eine kreisförmige, durchbrochene Scheibe 17, die drehbar auf dem Fuß 17a gelagert ist. Die Scheibe 17 besitzt eine Mehrzahl von Durchbrüchen 17 b, 17 c, YId (Fig. 3 b, 3c, 3d). Der Zweck dieser Öffnungen wird später noch erläutert werden.The intermediate wall 13 also carries a circular, perforated disc 17 which is rotatably mounted on the foot 17a. The disk 17 has a plurality of openings 17b, 17c, YId (Fig. 3b, 3c, 3d). The purpose of these openings will be explained later.
Der Kessel 2 besitzt oberhalb der Scheibe 17 einen geschlossenen, rohrförmigen Ansatz 17/, der vom Rezipienten aus einen Schacht darstellt. Innerhalb dieses Schachtes liegt eine flache Heiz- und Trägerplatte 20 aus Tantal, die durch einen von der Deckfläche des Kessels 2 sich nach unten erstreckenden Träger 20a gehaltert ist. Die nach oben weisende Oberfläche der Platte 20 steht in Berührung mit einem Thermoelement 21, welches mit dem Äußeren des Rezipienten über die Durchführungen 21 α, 21 b elektrisch in Verbindung steht. An der Unterseite der Platte 20 ist, wie gezeichnet, ein Unterlagekristall 19 befestigt, auf dem der Einkristall gemäß der Erfindung gebildet werden soll. Im Betrieb wird die Tantalplatte 20 und damit der Unterlagekristall 19 dadurch geheizt, daß man hochfrequente elektrische Ströme durch zwei getrennte Spulen 23, 24, die den Ansatz 17/ umgeben, leitet. The kettle 2 has a closed, tubular extension 17 /, which is the recipient of a shaft above the disk 17th Inside this shaft is a flat heating and support plate 20 made of tantalum, which is held by a support 20a extending downward from the top surface of the boiler 2. The upwardly facing surface of the plate 20 is in contact with a thermocouple 21, which is electrically connected to the exterior of the recipient via the feedthroughs 21 α, 21 b. On the underside of the plate 20, as shown, a base crystal 19 is attached, on which the single crystal according to the invention is to be formed. During operation, the tantalum plate 20 and thus the base crystal 19 are heated by conducting high-frequency electrical currents through two separate coils 23, 24 which surround the attachment 17 /.
Der Hochfrequenzstrom für die Spule 23 kann von einem Hochfrequenzoszillator (nicht dargestellt) stammen, wobei zwischen diesem und der Spule ein einstellbare Abschwächer eingeschaltet sein kann. Der Hochfrequenzstrom für die Spule 24 kann von demselben Oszillator stammen, wobei ein zweiter, ebenfalls nicht dargestellter Abschwächer zwischen den Oszillator und die Spule 24 eingeschaltet sein kann. Die Spulen 23 und 24 sind in Bezug aufeinander so angeordnet und gepolt, daß die in ihnen fließenden Hochfrequenzströme elektrische Felder erzeugen, die in der Patte 20 einander entgegen wirken. Durch Einstellung der beiden Abschwächer kann das in der Platte 20 resultierende Feld in seiner Größe sehr genau eingestellt werden, so daß eine empfindliche Steuerung der Temperatur, die diese Platte annimmt, möglich ist. Unterhalb des Unterlagekristalls 19 ist ein Bauteil 18 gezeichnet, welcher eine Elektrode darstellen soll, die es erlaubt,, den Kristall 19 während eines Verfahrensschrittes des später noch genauer zu beschreibenden Verfahrens einem Ionenbombardement auszusetzen. Obwohl in Fig. 1 diese Elektrode direkt neben dem Kristall 19 zu liegen scheint, soll die Zeichnung jedoch so verstanden werden, daß sich diese Elektrode tatsächlich hinter der Zeichenebene der Fig. 1 befindet, wenn man annimmt, daß sich der Kristall 19 in dieser Zeichenebene befindet. Eine weitere, nicht dargestellte Elektrode 18 liegt gegenüber der gezeichneten Elektrode 18 vor der Zeichenebene der Fig. 1. Diese beiden Elektroden 18 besitzen einen genügenden Abstand, so daß die gesamte polierte obere Oberfläche des Kristalls 19 von den Molekularstrahlen, die die öffnung 15 durchsetzen, erreicht werden kann. Die Elektroden 18 können überThe high-frequency current for the coil 23 can be supplied by a high-frequency oscillator (not shown) originate, it being possible for an adjustable attenuator to be switched on between this and the coil. Of the High frequency power for coil 24 may come from the same oscillator, with a second, also attenuator, not shown, between the oscillator and the coil 24 can be switched on. The coils 23 and 24 are arranged and polarized with respect to one another so that the flowing in them High-frequency currents generate electric fields which counteract one another in the flap 20. By attitude of the two attenuators, the size of the field resulting in the plate 20 can be very large precisely adjusted so that a sensitive control of the temperature that this plate assumes is possible. A component 18, which represents an electrode, is drawn below the base crystal 19 which allows, the crystal 19 during a method step of the later to be more precise descriptive method to be subjected to ion bombardment. Although in Fig. 1 this electrode directly seems to lie next to the crystal 19, the drawing is to be understood, however, that this electrode is actually behind the plane of the drawing of FIG. 1, assuming that the Crystal 19 is located in this plane of the drawing. Another electrode 18, not shown, lies opposite of the drawn electrode 18 in front of the plane of the drawing in FIG. 1. These two electrodes 18 have a sufficient distance so that the entire polished upper surface of the crystal 19 from the Molecular beams that penetrate the opening 15 can be achieved. The electrodes 18 can over
ίο nicht gezeichnete Vorrichtungen an eine Hochspannungsquelle von beispielsweise 2000 Volt angeschlossen werden.ίο devices not shown to a high voltage source of for example 2000 volts can be connected.
Der Ansatz 17/ besitzt an gegenüberliegenden Stellen seiner Wand zwei Fenster 22, 22 aus lichtdurchlässigem Material, die es erlauben,, daß Licht durch den Ansatz 17/ geschickt werden kann, um das Wachstum der monokristallinen Schicht mittels der im Anschluß beschriebenen optischen Einrichtung zu überwachen.The approach 17 / has two windows 22, 22 made of translucent at opposite points on its wall Material that allows light to be sent through the attachment 17 / to the Growth of the monocrystalline layer by means of the optical device described below monitor.
Fig. 2 zeigt die optische Einrichtung, die es gestattet, das Wachstum der auf dem Unterlagekristall kondensierten Schicht zu überwachen. Die optische Einrichtung besteht aus einer Quelle 26 für monochromatisches Licht, einem Kollimator 27, einem Nicolprisma 28 und einem Viertelwellenlängenplättchen 29, die der Reihe nach im Strahlengang liegen und mittels deren ein Strahl von elliptisch polarisiertem Licht unter einem sehr kleinen Einfallswinkel auf die niedergeschlagene Schicht, die sich auf dem Unterlagekristall bildet, geworfen werden kann. Dieser Lichtstrahl wird von der niedergeschlagenen Schicht reflektiert und durchläuft dann der Reihe nach ein Viertelwellenlängenplättchen 30, ein Nicolprisma 31 und fällt schließlich in eine Photozelle 33. Das Nicolprisma wird durch einen Synchronmotor 32, der von einer Wechselstromquelle 36 gespeist wird, um die Strahlachse gedreht. Die Wechselstromquelle 36 synchronisiert gleichzeitig die horizontale Zeitachse eines Kathodenstrahloszillographen.Fig. 2 shows the optical device that allows the growth of the on the base crystal monitor condensed layer. The optical device consists of a source 26 for monochromatic Light, a collimator 27, a Nicol prism 28 and a quarter wave plate 29, which lie one after the other in the beam path and by means of which a beam of elliptically polarized Light at a very small angle of incidence on the deposited layer, which is on the underlying crystal forms, can be thrown. This beam of light is from the deposited layer reflects and then successively passes through a quarter-wave plate 30, a Nicol prism 31 and finally falls into a photocell 33. The Nicol prism is driven by a synchronous motor 32 driven by an alternating current source 36 is fed, rotated about the beam axis. The AC power source 36 synchronizes at the same time the horizontal time axis of a cathode ray oscillograph.
Das Ausgangssignal der Photozelle 33 wird mittels eines Verstärkers 34 verstärkt und dann an die vertikalen Ablenkplatten des Kathodenstrahloszillographen gelegt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 34 kann auch zur automatischen Steuerung der Ströme in den Spulen 23 und 24 dienen, um die Temperatur des Kristalls 19 innerhalb des kritischen Bereichs zu halten.The output of the photocell 33 is amplified by an amplifier 34 and then to the vertical Deflection plates of the cathode ray oscilloscope placed. The output of amplifier 34 can also serve to automatically control the currents in coils 23 and 24 to control the temperature of the Keep crystal 19 within the critical range.
Die oben beschriebene Anordnung kann für die Ausübung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, von welchem anschließend einige Beispiele besprochen werden sollen.The arrangement described above can be used for practicing the method according to the present invention can be used, some examples of which will be discussed below.
Verfahren zur Herstellung
von Einkristallen aus h-GermaniumMethod of manufacture
of single crystals of h-germanium
Vorbereitung und Aktivierung des Unterlagekristalls: Preparation and activation of the base crystal:
Der Unterlagekristall 19 ist ein polierter und durchsichtiger Einkristall aus Natriumchlorid von 1,5 -1,5 -0,5 cm Größe. Dieser Kristall wird auf einer Tantalplatte 20 dadurch befestigt, daß man ein paar Tropfen Wasser auf die obere Oberfläche des Kristalls bringt und ihn gegen die Tantalplatte drückt. Die Anordnung wird nun auf etwa 1O-7 mm Hg evakuiert.The base crystal 19 is a polished and transparent single crystal of sodium chloride 1.5-1.5-0.5 cm in size. This crystal is attached to a tantalum plate 20 by placing a few drops of water on the top surface of the crystal and pressing it against the tantalum plate. The assembly is now evacuated to about 10 -7 mm Hg.
Während der Evakuierung wird die Tantalplatte mittels einer oder der beiden Spulen 23 und 24 mäßig erhitzt, so daß sie eine Temperatur von etwa 100° C annimmt.During the evacuation, the tantalum plate becomes moderate by means of one or both coils 23 and 24 heated so that it assumes a temperature of about 100 ° C.
Nach 15 Minuten wird die Verbindung mit der Diffusionspumpe unterbrochen und der Rezipient nurAfter 15 minutes, the connection with the diffusion pump is interrupted and the recipient only
009 587/219009 587/219
11 1211 12
noch an die rotierende Pumpe angeschlossen. Durch große Achse der Ellipse parallel zur Ebene des Unter-still connected to the rotating pump. The large axis of the ellipse parallel to the plane of the lower
den Einlaß 3 c wird etwas Wasserdampf in den Rezi- lagekristalls liegt. Das Viertelwellenlängenplättchen c is the inlet 3 is somewhat water vapor is located in the position Rezi- crystal. The quarter wave plate
pienten eingelassen, so daß der Druck auf etwa 30 ist auf dieselben Hauptrichtungen wie das Plättchenpatient admitted so that the pressure on about 30 is in the same main directions as the platelet
10"1HImHg ansteigt. Der Druck wird auf etwa 29 einjustiert. Der Einfalls- und Reflexionswinkel,10 " 1 HImHg increases. The pressure is adjusted to about 29. The angle of incidence and reflection,
diesem Wert gehalten und dabei eine elektrische Ent- 5 den der polarisierte Lichtstrahl mit dem Kristall 19this value is maintained and, in the process, an electrical discharge of the polarized light beam with the crystal 19
ladung von etwa 2000 Volt Wechselspannung zwischen bildet, ist auf einen Wert von 2 bis 5° eingestellt,charge of about 2000 volts alternating voltage between forms is set to a value of 2 to 5 °,
den Elektroden 18 erzeugt. Der Druck ist genügend Die Reflexion am Unterlagekristall ergibt nun zweithe electrodes 18 generated. The pressure is sufficient. The reflection on the base crystal now results in two
niedrig, so daß durch die elektrische Entladung inner- verschiedene Maxima, die auf dem Bildschirm deslow, so that due to the electrical discharge inside various maxima that appear on the screen of the
halb eines ziemlich weiten Bereichs die Wasserdampf- Oszillographen erscheinen. Die Einrichtung ist nunthe water vapor oscilloscopes appear half of a fairly wide range. The establishment is now
moleküle ionisiert werden. Dadurch wird die Ober- io arbeitsfähig.molecules are ionized. This makes the Oberio able to work.
fläche des Natriumchloridkristalls einem Bombarde- ν^,ν+^π-, ,„„-u*+,,™
TTr , -. , , T^i TTT -Cvriaicinwcicnsium
ment von Wasserdampfionen ausgesetzt. Da Wasserdampf ein Lösungsmittel für Natriumchlorid ist und Anfänglich ist der Verschluß 14 noch geschlossen,
da die Wasserdampfionen, die auf die Kristallober- Der Unterlagekristall 19 wird mittels der Hochfläche
auftreffen, erhebliche Geschwindigkeiten be- 15 frequenzspulen 23 und 24 auf etwa 430° C erhitzt,
sitzen, ätzen diese Ionen die amorphe Schicht (d. h. die Temperatur wird durch das Thermoelement 21
Beilby-Schicht) weg, die durch die optische Politur gemessen.surface of the sodium chloride crystal to a bombarde- ν ^, ν + ^ π- ,, „„ - u * + ,, ™
TTr , -. ,, T ^ i TTT -Cvriaicinwcicnsium
ment of water vapor ions. Since water vapor is a solvent for sodium chloride and initially the shutter 14 is still closed, since the water vapor ions that hit the crystal surface are heated at considerable speeds at high speeds. sit, these ions etch away the amorphous layer (i.e. the temperature is measured by the thermocouple 21 Beilby layer), which is measured by the optical polish.
auf der Kristalloberfläche entstanden war. Durch das Das Blech 12 wird nun allmählich auf 900° C erÄtzen wird die darunterliegende monokristalline An- hitzt und während der ganzen Verdampfung auf Ordnung des Natriumchloridkristalls freigelegt, und 20 dieser Temperatur gehalten. Bei 900° sublimiert das der Unterlagekristall wird dadurch aktiviert, so daß Germanium vom Blech 12 langsam genug ab, um die er seine Funktion, nämlich die Anordnung der kon- Kondensationsgeschwindigkeit auf der Unterlage densierenden Germaniumatome zu einem Einkristall klein genug zu halten. Sie liegt dabei in einem Bereich, zu erleichtern, erfüllen kann. Nach 5 Minuten Ätzen in dem trotz der Verzögerung der Temperaturregewird der Einlaß 3 c geschlossen, und der Rezipient 25 lung des Unterlagekristalls in bezug auf die Regelung wird wieder auf einen Druck von 10 ~7 mm Hg evaku- des Stroms in den Hochfrequenzspulen eine Korrektur iert. Während des Evakuierungsvorganges wird der des Wachstums der monokristallinen Schicht, wenn Unterlagekristall weiterhin auf einer Temperatur von diese Neigung besitzt, polykristallin zu werden, tnög-100° C gehalten. Vor dem Niederschlagen von Metall Hch ist.was formed on the crystal surface. The sheet metal 12 is now gradually etched to 900 ° C., the monocrystalline part underneath is heated and exposed to the order of the sodium chloride crystal during the entire evaporation process, and this temperature is maintained. At 900 ° the underlying crystal is activated so that germanium sublimes from sheet metal 12 slowly enough to keep its function, namely the arrangement of the condensation rate of condensation germanium atoms on the substrate small enough to form a single crystal. It lies in an area that can facilitate and fulfill. After 5 minutes of etching in the ated despite the delay of the temperature Rege If the inlet 3 c closed, and the recipient 25 lung of the base crystal with respect to the control is returned to a pressure of 10 -7 mm Hg evacua- the current in the RF coil, a correction . During the evacuation process, that of the growth of the monocrystalline layer, if the underlying crystal continues to have a temperature of this tendency to become polycrystalline, is kept below -100 ° C. Before depositing metal Hch is.
ist im allgemeinen eine Pumpzeit von mindestens 30 Wenn das Germanium abzudampfen beginnt, wasis generally a pumping time of at least 30 When the germanium begins to evaporate, what
15 Minuten erforderlich, um jegliche Spuren von man an der Unterfläche des Verschlusses 14 erkennen15 minutes are required to detect any traces of one on the underside of the closure 14
Wasserdampf zu entfernen. kann, und wenn ein Temperaturgleichgewicht auf demTo remove water vapor. can, and if a temperature equilibrium on the
Während aller dieser beschriebenen Verfahrens- Unterlagekristall erreicht ist, was man am konschritte war der Verschluß 14 geschlossen. stanten Thermostrom sieht, wird der Verschluß 14During all of these described process underlay crystal, what is most congruent is achieved the shutter 14 was closed. sees constant thermal current, the shutter 14
35 geöffnet, so daß die Germaniumatome in Form von35 opened so that the germanium atoms are in the form of
Vorbereitung des zu verdampfenden Metalls Molekularstrahlen durch die Öffnung 15 treten undPreparation of the metal to be evaporated, molecular beams enter through the opening 15 and
auf den Unterlagekristall treffen können und dortcan hit the base crystal and there
Der Schmelztiegel 8 a wird allmählich auf etwa kondensieren. Ein paar Minuten nach dem Öffnen desThe crucible 8 a will gradually condense to about. A few minutes after opening the
1500° C erhitzt und auf dieser Temperatur gehalten, Verschlusses 14 werden die zwei Maxima auf dem1500 ° C heated and held at this temperature, the two maxima on the shutter 14
bis alles Germanium verdampft und ein Teil davon 40 Oszillographen schwächer und scheinen zu verschwin-until all germanium evaporates and some of it 40 oscilloscopes become weaker and seem to vanish.
auf dem ersten Tantalblech 9 kondensiert ist. den. Man kann nun durch langsame Änderung deris condensed on the first tantalum sheet 9. the. You can now by slowly changing the
Als nächster Schritt wird das Blech 9 allmählich Stärke der beiden Ströme in den Spulen 23 und 24As the next step, the sheet metal 9 gradually strengthens the two currents in the coils 23 and 24
auf eine Temperatur von 1200° C erhitzt, während eine Einstellung finden, bei welcher die zwei Maximaheated to a temperature of 1200 ° C while finding a setting at which the two maxima
der Schmelztiegel 8 c auf gleichbleibender Temperatur stabil bleiben. Dieser Zustand wird während derthe crucible 8 c remain stable at a constant temperature. This state is during the
gehalten wird, bis alles Germanium von diesem Blech 45 ganzen Verdampfung beibehalten. Die Verdampfungis held until all the germanium from this sheet 45 has retained all evaporation. The evaporation
abgedampft ist und ein Teil davon sich auf dem muß sehr langsam erfolgen, damit ein verzerrungs-has evaporated and part of it has to take place very slowly so that a distortion
Blech 10 niedergeschlagen hat. Anschließend wird das freier Kristall entsteht.Sheet metal 10 has knocked down. Subsequently the free crystal is created.
Blech 10 allmählich auf eine Temperatur von 1200° C Nach Beendigung der Verdampfung wird der Vererhitzt,
während sich der Schmelztiegel 8 a und das Schluß 14 wieder geschlossen und die Temperatur des
Blech 9 weiterhin auf gleicher Temperatur wie vorher 50 Unterlagekristalls allmählich auf Raumtemperatur
befinden, bis alles Germanium vom Blech 10 abge- abgesenkt. Auch zu diesem Zeitpunkt können die zwei
dampft ist und sich teilweise auf dem Blech 11 nieder- Maxima auf dem Schirm des Oszillographen noch begeschlagen
hat. Nun wird das Blech 11 allmählich auf obachtet werden.
1200° C erhitzt, während sich der Schmelztiegel undPlate 10 gradually to a temperature of 1200 ° C. After the end of the evaporation, the heating is carried out, while the crucible 8 a and the end 14 close again and the temperature of the plate 9 continues to be at the same temperature as before 50 base crystal gradually to room temperature until all germanium is lowered from sheet 10. Even at this point in time, the two can be steamed and partially deposited on the sheet metal 11 - maxima on the screen of the oscilloscope has still been reflected. Now the sheet 11 will gradually be observed.
1200 ° C while the crucible and
die Bleche 9 und 10 auf ihren Temperaturen befinden, 55 Verdampfung der Dotierungsschicht
bis alles Germanium vom Blech 11 abgedampft istthe sheets 9 and 10 are at their temperatures, 55 evaporation of the doping layer
until all the germanium has evaporated from the plate 11
und ein Teil davon auf dem Blech 12 kondensiert ist. Zur Verdampfung der Dotierungsschicht wird derand a part thereof is condensed on the sheet 12. For evaporation of the doping layer, the
Das Germanium auf dem Blech 12 ist nun fertig, die Dotierungslegierung enthaltende Schmelztiegel 8 d um auf den Unterlagekristall 19 aufgedampft zu durch Drehung der Platte 4 unter die öffnung 15 gewerden. 60 bracht. Der Schmelztiegel 8 d wird bei geschlossenemThe germanium on the metal sheet 12 is now ready, and the melting crucible 8 d containing the doping alloy has been vapor-deposited onto the base crystal 19 by rotating the plate 4 under the opening 15. 60 brought. The crucible 8 d is closed
Während aller dieser Vorgänge war der Verschluß Verschluß 14 allmählich erhitzt, der Verschluß bleibt 14 geschlossen. . während der Entgasungsdauer des Schmelztiegels geschlossen. Wenn die Verdampfung der Dotierungs-Justierung der optischen Einrichtung stoffe beginnt, wird der Verschluß geöffnet, so daßDuring all of these operations, the closure closure 14 was gradually heated, the closure remains 14 closed. . closed during the degassing period of the crucible. When the evaporation of the doping adjustment of the optical device begins, the shutter is opened so that
65 sich das verdampfte Dotierungsmetall auf der Kristall-65 the evaporated doping metal on the crystal
Wie bereits erwähnt, ist das Viertelwellenplättchen oberfläche, die sich noch auf Raumtemperatur befindet,As already mentioned, the quarter-wave plate is surface that is still at room temperature,
29 in bezug auf das Nicolprisma 28 so angeordnet, niederschlägt. Während der Bildung dieser neuen29 with respect to the Nicol prism 28 so arranged, is reflected. During the formation of this new one
daß seine neutralen Achsen einen Winkel von etwa Schicht verschwinden entweder die beiden Maximathat its neutral axes make an angle of about slice either the two maxima disappear
22,5° mit der Achse des Prismas einschließen. Prisma auf dem Oszillographenschirm, da eine DepolarisationInclude 22.5 ° with the axis of the prism. Prism on the oscilloscope screen, there is a depolarization
28 und das Plättchen 29 sind so angeordnet, daß die 70 eintritt, wenn die niedergeschlagene Schicht amorph28 and the wafer 29 are arranged so that the 70 occurs when the deposited layer is amorphous
13 1413 14
ist. Andererseits entstehen viele neue Maxima, wenn herzustellen, andererseits können auch wesentlich die niedergeschlagene Schicht polykristallin ist. Nach dickere Schichten erzeugt werden.is. On the other hand, many new maxima arise when they are established, on the other hand they can also be substantial the deposited layer is polycrystalline. After thicker layers are generated.
Beendigung dieser zweiten Verdampfung wird derTermination of this second evaporation will be the
Verschluß 14 wieder geschlossen. , Elektrische Anschlüsse an den KristallShutter 14 closed again. , Electrical connections to the crystal
Diffusion der Dotierungsschicht in den Kristall Der elektrische Kontakt zwischen dem feinenDiffusion of the dopant layer into the crystal D he electrical contact between the fine
Metallnetz und dem Germaniumplättchen kann durchMetal mesh and the germanium plate can through
Der Kristall wird mittels der Spulen 23 und 24 auf Aufdampfen einer dünnen metallischen Schicht durch 350° C erhitzt. Wenn die Diffusion beendet ist, er- die Öffnungen des Netzes verbessert werden. Auf die scheinen die beiden Maxima, die vor der Aufdamp- io andere Seite des Germaniumplättchens wird gleichfung der Dotierungsschicht vorhanden waren, wieder falls eine Metallschicht aufgedampft, um die zweite auf dem Oszillographenschirm. Das Erscheinen der Elektrode zu erhalten. Diese Verdampfung wird durch beiden Maxima zeigt an, daß die Diffusion der Do- eine spezielle Blende hindurch vorgenommen, um tierungsschicht in den Kristall zufriedenstellend voll- einen Kurzschluß mit der anderen Elektrode zu verendet ist. *5 meiden. Nun können mit Hilfe einer SilberpasteThe crystal is vapor-deposited on a thin metallic layer by means of coils 23 and 24 350 ° C heated. When the diffusion is finished, the openings of the network are improved. On the the two maxima, the other side of the germanium plate from the vapor deposition, appear to be equal of the doping layer were present, again if a metal layer was vapor-deposited to the second on the oscilloscope screen. To get the appearance of the electrode. This evaporation is due to two maxima indicates that the diffusion of the do- a special diaphragm made through it coating layer in the crystal satisfactorily completely - a short circuit with the other electrode is used is. * Avoid 5. Now you can with the help of a silver paste
Drähte mit den beiden Seiten der Halbleiteranord-Entfernung des Germaniumkristalls von der Unterlage nung verbunden werden.Wires to both sides of the semiconductor assembly distance of the germanium crystal are connected by the support.
Beim Ablösen des Natriumchloridkristalls muß Verfahren zur Herstellung von n- und p-SchichtenWhen the sodium chloride crystal is peeled off, processes for the production of n- and p-layers are required
man Vorsorge treffen, daß die dünne Germanium- 20 in einem Germaniumeinkristall
kristallschicht nicht durch Beanspruchung infolge desone can take precaution that the thin germanium-20 in a germanium single crystal
crystal layer not due to stress caused by the
an der Grenzfläche zwischen dem Germanium und n-, p- und η-Schichten aus Germanium werden dadem Natriumchlorid während der Lösung auftreten- durch hergestellt, daß man das oben beschriebene Verden osmothischen Druckes zerstört wird. Um diese fahren .dreimal mit verschiedenen Dotierungsstoffenat the interface between the germanium and n, p and η layers of germanium are dadem Sodium chloride occurs during the dissolution - produced by verdening as described above osmothic pressure is destroyed. Drive around these three times with different dopants
Beanspruchungen des Kristalls zu verringern, wird 25 ausübt. Zu diesem Zweck werden auf der Platte 4 drei der Kristall nicht in reinem Wasser gelöst, sondern verschiedene Schmelztiegel mit DotierungsstoffenTo reduce stresses on the crystal, 25 is exerted. For this purpose, there are three on the plate 4 the crystal is not dissolved in pure water, but different crucibles with dopants
in einer fast vollständig gesättigten Lösung von (zwei davon zur Erzeugung von η-Leitfähigkeit undin an almost completely saturated solution of (two of them to generate η-conductivity and
Natriumchlorid in Wasser. Nach Ablösen des NaCl- einer davon zur Erzeugung von p-Leitfähigkeit) undSodium chloride in water. After removing the NaCl one of them to generate p-conductivity) and
Kristalls wird die dünne Germaniumschicht mit drei verschiedene Germaniumquellen 12 angebracht,Crystal, the thin germanium layer is attached with three different germanium sources 12,
einem feinen Metallnetz herausgehoben und in reinem 30 Die Quellen 12 und die mit Legierung beschicktena fine metal net and in pure 30 The sources 12 and those charged with alloy
destilliertem Wasser gewaschen. Schmelztiegel werden jeweils so auf der Platte 4 an-washed in distilled water. Crucibles are each placed on the plate 4 in this way.
Die dünnen Schichten haften infolge der Ober- geordnet, daß sie hintereinander und in der richtigenThe thin layers adhere owing to the fact that they are arranged one behind the other and in the correct position
flächenspannung sehr gut an dem metallischen Netz, Reihenfolge unter die Achse 15 α gebracht werdensurface tension very good on the metallic network, order under the axis 15 α can be brought
das als Elektrode benutzt werden kann und gleich- können,that can be used as an electrode and can be
zeitig zur Verstärkung der Germaniumschicht dient. 35 Es soll angenommen werden, daß ein monokristal-serves early to strengthen the germanium layer. 35 Let it be assumed that a monocrystalline
Das durch die beschriebenen Verfahrensschritte liner Körper 40 (Fig. 3 a) erzeugt werden soll, der hergestellte Erzeugnis ist ein dünnes Plättchen aus eine nt-Schicht enthält, auf der eine p-Schicht liegt, Germanium, welches vollständig Einkristallstruktur die wiederum von einer n2-Schicht überdeckt wird, besitzt. Die Vorder- oder Rückfläche, d. h. die Haupt- Zur Erzeugung der n1-Schicht wird, wie in Fig. 3 b flächen des Plättchens, sind dabei Gitterebenen, des 4° dargestellt ist, die Scheibe 17 so gedreht, daß die Einkristalls. Es soll ausdrücklich erwähnt werden, öffnung 17 & in die Achse 15 α zu liegen kommt. Nun daß diese Hauptflächen aktivierte Flächen in dem wird die n1-Schicht nach dem beschriebenen VerSinne sind, daß sich das Einkristallgitter des Metalls fahren hergestellt, wobei eine Germaniumquelle 12 bis an die Oberfläche des Plättchens erstreckt. Das und ein Schmelztiegel mit einer Legierung eines gebeschriebene Germaniumplättchen unterscheidet sich 45 eigneten Dotierungsstoffes nacheinander unter die in dieser Hinsicht grundsätzlich von Germanium- Achse 15 α gebracht werden.The linear body 40 (FIG. 3 a) to be produced by the process steps described, the product produced is a thin platelet made of an n t -layer, on which lies a p-layer, germanium, which is completely single-crystal structure which is in turn of a n 2 layer is covered, has. The front or back surface, ie the main To generate the n 1 layer is, as in Fig. 3 b surfaces of the plate, are lattice planes, the 4 ° is shown, the disk 17 rotated so that the single crystal. It should be expressly mentioned that the opening 17 & comes to lie in the axis 15 α. Now that these main surfaces are activated surfaces in which the n 1 -layer is produced according to the sense described that the single crystal lattice of the metal extends, with a germanium source 12 extending up to the surface of the platelet. That and a crucible with an alloy of a written germanium platelet differs 45 suitable dopant one after the other, which in this respect are basically brought by germanium axis 15 α .
scheiben, die durch einen Schleifprozeß hergestellt Wie schon erwähnt, fliegen die verdampften Atomedisks made by a grinding process As already mentioned, the evaporated atoms fly
wurden und bei denen das Material unter der Ober- des Germaniums und des Dotierungsstoffes in Formwere and where the material is under the top of the germanium and the dopant in the form
fläche des Plättchens infolge des Schleifprozesses eine von Molekularstrahlen durch den Rezipienten 7 a, wo-surface of the plate as a result of the grinding process one of molecular beams through the recipient 7 a, where-
amorphe Struktur angenommen hat. 50 bei sie geradlinige Wege, wie Lichtstrahlen, beschrei-has adopted an amorphous structure. 50 straight paths, like rays of light, describe
Wenn das Germaniumplättchen als Halbleiter Ver- ben. Das Ergebnis davon ist, daß nur solche Strahlen wendung finden soll, muß es einen geringen Prozent- während der Bildung der ^-Schicht den Unterlagesatz an Dotierungsmaterial enthalten, der in der oben kristall 19 erreichen können, die in dem Raumwinkel, beschriebenen Weise in das Germaniumplättchen ein- der durch die Öffnung 17 b begrenzt wird, liegen und diffundiert werden kann. 55 welcher die Quelle der verdampfenden Atome alsWhen the germanium platelets verbs as a semiconductor. The result of this is that only such rays should find application, it must contain a small percentage of the underlay set of doping material during the formation of the ^ -layer, which can reach in the above crystal 19, the manner described in the solid angle in the Germanium platelets one that is delimited by the opening 17 b , lie and can be diffused. 55 which is considered the source of the evaporating atoms
Das Germaniumplättchen kann mehrere p- oder Scheitel besitzt. Daraus ergibt sich, daß die ^-Schicht
η-Schichten oder beide zugleich enthalten, wie später auf dem Unterlagekristall nur innerhalb einer Fläche
noch genauer beschrieben werden wird. Ein mono- entsteht, die ein angenähertes Bild der öffnung 17 &
kristallines Plättchen der beschriebenen Art hat viele darstellt. Die Begrenzung dieser Fläche ist durch die
interessante Eigenschaften, die polykristalline Schich- 60 Linien 41, 42, 43 und 44 in Fig. 3 a gegeben,
ten nicht aufweisen und die dieses monokristalline Nach Fertigstellung der ^-Schicht wird die durch-Plättchen
sehr geeignet für viele Anwendungsgebiete brochene Scheibe 17 so gedreht, daß die öffnung 17 c
in den verschiedensten technologischen Gebieten machen. (Fig. 3C) unterhalb der Achse 15 a zu liegen kommt.
Die Plättchen können beispielsweise als optische Inter- Hierauf wird die p-Schicht in analoger Weise wie die
ferenzfilter Verwendung finden, sie sind andererseits 65 ^-Schicht hergestellt. Ein Vergleich der Fig. 3 B und
für die verschiedensten elektrischen Anwendungen 3 C zeigt, daß die öffnungen 17 d und 17 c Flächen abgeeignet,
wenn das Plättchen aus Halbleitermaterial grenzen, die einige Teile nicht gemeinsam haben,
besteht. Mit der durch die Erfindung gegebenen Lehre während sich andere Teile dieser Flächen überlappen,
ist es möglich, Schichten mit einer Dicke von der Dementsprechend wird die p-Schicht des Einkristalls
Größenordnung der Wellenlänge des sichtbaren Lichts 70 40 eine Fläche einnehmen, die teilweise die %-Schicht,The germanium platelet can have several p- or vertices. It follows from this that the ^ -layer contain η-layers or both at the same time, as will be described in more detail later on the base crystal only within one area. A mono- arises that represents an approximate image of the opening 17 & crystalline platelets of the type described has many. The limitation of this area is given by the interesting properties, the polycrystalline layers 41, 42, 43 and 44 in Fig. 3a,
th do not have and this monocrystalline After completion of the ^ layer, the broken-through plate 17, which is very suitable for many areas of application, is rotated so that the opening 17 c can be used in a wide variety of technological areas. (Fig. 3C) comes to lie below the axis 15 a. The platelets can, for example, be used as an optical interface. The p-layer is then used in a manner analogous to the reference filter; on the other hand, they are made of a 65 ^ layer. A comparison of FIG. 3 B and 3 C for the most varied of electrical applications shows that the openings 17 d and 17 c areas are suitable if the platelet is made of semiconductor material that borders on some parts that do not have in common. With the teaching given by the invention, while other parts of these surfaces overlap, it is possible to form layers with a thickness of the correspondingly. Layer,
die vorher erzeugt worden war, überlappt, während ein anderer Teil wieder von dieser Schicht getrennt ist. Die Fläche der p-Schicht wird durch die Geraden 42, 43, 45 und 46 in Fig. 3 A begrenzt.which had previously been produced, overlapped, while another part was again separated from this layer is. The area of the p-layer is limited by the straight lines 42, 43, 45 and 46 in FIG. 3A.
In gleicher Weise wie die beiden bisher erzeugten Schichten wird nun auch die n2-Schicht hergestellt, nachdem die Scheibe 17 so gedreht worden war, daß die Öffnung 17 d (Fig. 3 B) eingeschaltet war. Die durch diese Öffnung 17 b begrenzte Fläche überlappt wieder teilweise die durch die Öffnungen 17 d und 17 c definierten Flächen, während sie teilweise von ihnen getrennt ist. Daraus ergibt sich, daß die in dem Einkristall 40 gebildete n2-Schicht ebenfalls teilweise von der vorher erzeugten Ti1- und p-Schicht getrennt ist, während sie andererseits überlappt. Die Fläche der n2-Schicht ist von den Geraden 42, 47, 44 und 46 in Fig. 3 A begrenzt.In the same way as the two previously produced layers, the n 2 layer is now also produced after the disk 17 had been rotated in such a way that the opening 17 d (FIG. 3 B) was switched on. The area bounded by this opening 17 b again partially overlaps the areas defined by the openings 17 d and 17 c , while it is partially separated from them. As a result, the n 2 layer formed in the single crystal 40 is also partially separated from the previously produced Ti 1 and p layer, while on the other hand it overlaps. The area of the n 2 layer is delimited by the straight lines 42, 47, 44 and 46 in FIG. 3A.
Dadurch, daß man, wie in Fig. 3A gezeigt ist, den Einkristallkörper so aufbaut, daß die verschiedenen Schichten jeweils einen Teil besitzen, der die anderen Schichten nicht überlappt, ist es möglich, unabhängige Anschlüsse an die verschiedenen Schichten mit den Kontakten 48, 49 und 50 anzubringen.By constructing the single crystal body, as shown in FIG. 3A, so that the various Layers each have a part that does not overlap the other layers, it is possible to be independent Connections to the various layers with contacts 48, 49 and 50 to be attached.
Der Einkristallkörper 40 kann nach seiner Fertigstellung in gleicher Weise weiterbehandelt werden, wie bereits unter den Überschriften »Entfernung des Kristalls von der Unterlage« und »Elektrische Anschlüsse an den Kristall« beschrieben wurde. Der Einkristall 40 kann also mit einer Netzunterlage versehen werden, und eine durch die Löcher des Netzes aufgedampfte metallische Schicht kann die Elektrodenschicht für den Körper 40 bilden.The single crystal body 40 can be further treated in the same way after its completion, as already under the headings »Removing the crystal from the surface« and »Electrical connections to the crystal ”. The single crystal 40 can therefore be provided with a mesh base and a metallic layer vapor-deposited through the holes in the mesh can be the electrode layer form for the body 40.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele für die Vorrichtung, das Verfahren und das Produkt sind nur zur Erklärung des Erfindungsgedankens bestimmt, dieser schließt jedoch auch Ausführungsbeispiele ein, die sich in Form oder Einzelheiten von den beschriebenen Ausführungsbeispielen unterscheiden. Es ist beispielsweise selbstverständlich, daß die Verdampfungs- und Diffusionstemperaturen nicht kritisch sind und daß deshalb auch andere Temperaturen an Stelle der erwähnten bei der Herstellung des Germaniumeinkristalls angewendet werden können. Es ist ebenso selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die Herstellung von Germaniumeinkristallen beschränkt ist, sondern ebenso andere Einkristalle, die aus anderen Stoffen wie Germanium, also beispielsweise Silizium bestehen, und deren Herstellung einschließt.The above-described exemplary embodiments for the device, the method and the product are intended only to explain the idea of the invention, but this also includes exemplary embodiments, which differ in form or details from the exemplary embodiments described. It is for example, it goes without saying that the evaporation and diffusion temperatures are not critical and that therefore other temperatures instead of those mentioned for the production of the germanium single crystal can be applied. It is also understood that the invention does not apply to the Production of germanium single crystals is limited, but also other single crystals from others Substances such as germanium, for example silicon, exist and include their production.
Ein anderes Beispiel, wie der Rahmen der Erfindung verstanden werden soll, besteht darin, daß, obwohl der Erfindungsgedanke durch ein Beispiel zur Herstellung eines einzelnen Einkristalls beschrieben wurde, auch mehrere Einkristallkörper gleichzeitig hergestellt werden können.Another example of how the scope of the invention is to be understood is that, although the concept of the invention is described by an example for the production of a single single crystal several single crystal bodies can also be produced at the same time.
Beispielsweise können auch die fertigen Kristalle mit der Unterlage das fertige Produkt darstellen, also eine Einkristallschicht, die sich auf der Oberfläche des Unterlagekristalls befindet und die Halbleitereigenschaften durch ihren Gehalt an Dotierungsstoff besitzt, obwohl das bisher beschriebene Verfahren die Entfernung der Halbleiterschicht vom Unterlagekristall durch Ablösen einschloß. Ein derartiges Erzeugnis kann beispielsweise als Interferenzfilter Verwendung finden oder zur Bestimmung der Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei einem leuchtenden Körper. Diese Bestimmung kann beispielsweise in der Art vorgenommen werden, wie sie in der hiermit zusammenhängenden Anmeldung USA. Nummer 549 337 vom 28. November 1955 beschrieben wurde, indem man eine Verteilung von stehenden Wellen der verschiedenen Wellenlängen erzeugt, die in dem leuchtenden Körper vorhanden sind, daß man abschnittsweise diese Verteilung in bezug auf die Schicht so verschiebt, daß im Laufe der Verschiebung verschiedene Punkte der Verteilung zu verschiedener Zeit auf die Schicht fallen, und schließlich dadurch, daß man die sich ergebenden Änderungen durch den ohmschen Widerstand der Schicht mißt.For example, the finished crystals with the base can also represent the finished product, that is a single crystal layer located on the surface of the underlying crystal and the semiconductor properties by their content of dopant, although the method described so far has the Including removal of the semiconductor layer from the underlying crystal by peeling. Such a product can be used, for example, as an interference filter or to determine the intensity depending on the wavelength in a luminous body. This determination can for example in the manner described in the related application USA. Number 549 337 of November 28, 1955 was described by making a distribution of standing Waves of different wavelengths are generated which are present in the luminous body that one in sections this distribution shifts in relation to the layer so that in the course of the shift different points of distribution fall on the layer at different times, and ultimately thereby, that one measures the resulting changes through the ohmic resistance of the layer.
Claims (22)
USA.-Patentschrift Nr. 2 695 852.Considered publications:
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