DE1015936B

DE1015936B - Verfahren zur Herstellung einer elektrisch unsymmetrisch leitenden Halbleiteranordnung, z.B. eines Gleichrichters

Info

Publication number: DE1015936B
Application number: DEM31154A
Authority: DE
Inventors: Henry Stanley Blanks
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1956-05-28
Filing date: 1956-07-19
Publication date: 1957-09-19
Also published as: GB797687A; FR1155086A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch unsymmetrisch leitenden Halbleiteranordnung, beispielsweise eines Gleichrichters, in dessen Oberfläche zur Erzeugung einer Zone entgegengesetzten Leitungstyps ein Dotierungsmaterial 5 einlegiert wird. Heute verwendet man in der Regel als Grundkörper eine Germaniumplatte und als Dotierungsmaterial eine Pille aus Indium.

Zur Herstellung eines Leistungsgleichrichters wird in der Regel ein Indiutnkügelchen in die Oberfläche des Germaniumplättchens einlegiert, wobei dieser Vorgang in einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder Argon oder sogar im Vakuum durchgeführt wird. Diese Herstellungsmethode liefert befriedigende Ergebnisse bei Gleichrichtern, deren Grundplatte in der 100-Ebene orientiert ist und ferner für Gleichrichter kleinerer Abmessungen. In anderen Fällen ergeben sich jedoch bei Anwendung dieser Herstellungsmethode praktische Schwierigkeiten. So haben beispielsweise Versuche ergeben, daß dann Fehler auftreten, wenn das beschriebene Verfahren dazu benutzt wird, um Indium als Dotierungsmaterial in ein Germaniumplättchen der 111-Ebene einzulegieren, oder wenn man Indium in Germaniumplättchen zur Erzeugung von Großflächengleichrichtern einlegieren möchte.

Sorgfältige Untersuchungen haben ergeben, daß derartige Fehler dadurch auftreten, daß bei der optimalen Legierungstemperatur (die beim Auflegieren von Indium auf Germanium etwa 510° C beträgt) das Indium dazu tendiert, über die Germaniumoberfläche zu laufen, mit dem Ergebnis, daß beim Abkühlen dieser Anordnung ein mehr oder weniger weiter Hof einer bloßen Indium-Germanium-Legierung rund um die Legierungszone entsteht. Das Ergebnis einer solchen Anordnung ist schematisch in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. In dieser Zeichnung stellt 1 die übliche Nickel- oder sonstige Unterlage dar, 2 die Germaniumplatte und 3 das aus Indium bestehende Dotierungsmaterial. Wie sich aus der Abbildung ergibt, ist die Legierungszone von einem Hof aus einer Indium-Germanium-Legierung umgeben, die in Fig. 1 durch das Flächenstück 4 dargestellt wird. Die Anwesenheit einer solchen Zone ist dafür verantwortlich, daß ein solcher Gleichrichter schlechte Gleichrichtungseigenschaften zeigt. Das Abätzen dieser Schicht bringt in den meisten Fällen keine ausreichende Verbesserung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Halbleiteranordnungen der geschilderten Art anzugeben, bei dem derartige, einen Hof um die Legierungszone bildende Schichten reduziert oder zumindest wesentlich verringert sind, so daß eine scharfe Grenze zwischen dem injizierten Material und der Grundplatte, auf die dieses Material auflegieri ist, zu erkennen ist.

Verfahren zur Herstellung einer elektrisch, unsymmetrisch leitenden Halbleiteranordnung, z.B. eines Gleichrichters

Anmelder:

Marconi's Wireless Telegraph Company
Ltd., London

Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt,
Hannover, Göttinger Chaussee 76

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 28. Juli 1955 und 28. Mai 1956

Henry Stanley Blanks, Chelmsford, Essex

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung das Dotierungsmaterial zunächst auf den Halbleiterkörper aufgelegt und in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum auf eine Temperatur erhitzt, die nur etwas höher liegt als die Temperatur, bei der das Dotierungsmaterial schmilzt, anschließend auf dem geschmolzenen Material eine Oxydhaut erzeugt und schließlich der Körper auf die für die Legierungsbildung erforderliche Endtemperatur erhitzt und anschließend abgekühlt. Es empfiehlt sich weiterhin, die Oxydschicht nach Beendigung des Legierungsvorganges, beispielsweise durch Abätzen, zu entfernen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird das Dotierungsmaterial zunächst in einer Atmosphäre von sauerstofffreiem Wasserstoff geschmolzen; anschließend wird diese Atmosphäre durch eine Atmosphäre aus Stickstoff ersetzt, die in geringem Umfang Sauerstoff enthält. Nach Wechsel dieser Atmosphäre, in der die Erwärmung vorgenommen wird, wird die Temperatur auf die Legierungstemperatur erhöht. Um dem Stickstoff eine ausreichende Menge von Sauerstoff hinzuzufügen, damit der erforderliche Oxydüberzug hergestellt wird, kann man diesen Stickstoff zunächst in Wasser einblasen.

Das Verfahren und die nach diesem Verfahren hergestellte Anordnung sind in den Fig. 2 und 3 der Zeichnung dargestellt.

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Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung, mit der es möglich ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, und in

Fig. 3 ist eine der Anordnung gemäß Fig. 1 entsprechende Halbleiteranordnung dargestellt, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wird.

In Fig. 2 stellt F einen Heizofen dar, der mit Hilfe einer Heizwicklung W, die seine Wände umgibt, elektrisch aufgeheizt werden kann. Zu dieser Anordnung gehören Mittel, mit denen es möglich ist, den Innenraum des Heizofens mit einer Wasserstoff- oder einer Stickstoffatmosphäre zu füllen. Mit H ist eine Wasserstoff zuführungsleitung und mit Λ* eine Stickstoffzuführungsleitung bezeichnet. Die letztere Leitung mündet mit ihrer Öffnung nach unten in einem geschlossenen Behälter T, der Wasser enthält. Der zugeführte Stickstoff wird durch das W^rasser geblasen und anschließend über eine weitere Leitung B dem Heizofen zugeführt. Ein Zweiwegehahn C ermöglicht es, die ZuführungsleitungJf des Heizofens entweder mit der Leitung B oder der Leitung H in Verbindung zu bringen. Mit Hilfe einer Austrittsleitung O werden die Gase aus dem Innenraum des Heizofens abgesaugt, wobei noch ein Gasmesser M in die Leitung O eingeschaltet ist. Mit Hilfe eines Thermoelementes K, das mit einem geeigneten Meßinstrument (nicht dargestellt) verbunden ist, kann man die Temperatur innerhalb des Heizofens bestimmen.

In dem Heizofen befindet sich eine Anordnung, die aus einer Nickel- oder anderen Grundplatte 1 besteht, auf der ein Germaniumplättchen 2 aufliegt. Auf diesem Germaniumplättchen befindet sich eine Pille 3 aus Dotierungsmaterial. Der Heizofen wird zuerst mit Stickstoff und dann mit Wasserstoff gespült, und anschließend wird die Temperatur allmählich auf 300° C erhöht. Diese Erwärmung erfolgt also in einer sauerstofffreien Wasserstoffatmosphäre, wobei der Wasserstoff über die Leitung H mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 2 cu. ft. pro Stunde durch den Heizofen geleitet wird. Wenn die Temperatur etwa 300° C erreicht — diese Temperatur ist hoch genug, damit das Indium schmilzt und das Germanium benetzt, aber noch nicht hoch genug, um eine Legierungsbildung zu verursachen —, wird sie auf diesem Wert gehalten, die Wasserstofrdurchspülung des Heizofens anschließend gestoppt und eine Stickstoffdurchspülung des Ofens durchgeführt, wobei dieser Stickstoff kleine Mengen von Sauerstoff enthält. Dieser Atmosphärenwechsel erfolgt durch Drehung des Hahnes C in eine solche Stellung, daß die Leitung B durchgeschaltet ist; der Sauerstoff in dem Stickstofffluß wird dadurch erhalten, daß der Stickstoff durch das Wasser des Tankes D geblasen wird. Die Temperatur wird dann unter Beibehaltung der neuen Atmosphäre weiterhin bis auf einen Wert von ungefähr 510° C gesteigert, eine Temperatur, die einen optimalen Wert für die Legierungsbildung darstellt. Wenn die zuerst vorgenommene Wasserstoffdurchspülung durch die Stickstoffdurchspülung ersetzt wird, bildet sich infolge der Anwesenheit geringer Mengen von Sauerstoff in dem Stickstoff eine Oxydhaut auf der Oberfläche des geschmolzenen Dotierungsmaterials. Diese Oxydhaut erhöht die Oberflächenspannung und verhindert auf diese Weise die unerwünschte Ausbreitung dieses Dotierungsmaterials, wenn die Temperatur auf einen solchen Wert erhöht wird, daß die Legierungsbildung zustande kommt.

Wenn die Temperatur von etwa 510° C erreicht ist, wird der Heizofen abgeschaltet und in geeigneter Weise gekühlt, z. B. durch einen Luftstrom, der das Äußere des Heizofens umspült. Wenn die Kühlung beendet ist, wird die Halbleiteranordnung, beispielsweise der Gleichrichter, aus dem Ofen herausgenommen. Wenn eine Entfernung der Oxydhaut auf der Oberfläche des Dotierungsmaterials gewünscht wird, so kann dies durch chemische Ätzung vorgenommen werden.

Das Ergebnis des erfmdungsgemäßen Verfahrens ist schematisch in Fig. 3 dargestellt, in der die gleichen Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie bei der Anordnung nach Fig. 1. Der Hof um die Legierungsschicht herum ist praktisch verschwunden.

Die durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Verbesserungen bei einem Gleichrichter sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben. Sie zeigt die Versuchsergebnisse an Hand der Sperrcharakteristiken bei Gleichrichtern, die experimentell untersucht worden sind und die in jeder Beziehung einander gleich sind mit Ausnahme dessen, daß der eine nach dem bisher üblichen Verfahren, ohne Bildung einer Oxydhaut, hergestellt worden ist, während bei Herstellung des anderen das erfindungsgemäße Verfahren benutzt wurde. In dieser Tabelle stellen die vertikalen Spalten die Werte für verschiedene Sperrspannungen in Volt dar. In der Tabelle sind dann die Werte für die Sperrströme in Milliampere eingetragen.

IV

10 V 50 V

100 V

150 V

200 V

250 V

Ohne Oxydüberzug

vor der Ätzung ..
nach der Ätzung .

Mit Oxydüberzug

vor der Ätzung ..
nach der Ätzung .

2 0

2,5 1,5

10 10

4 2

Ver-

Die Hauptvorteile des erfindungsgemäßen fahrens bestehen in den folgenden Punkten:

1. Es ermöglicht die Herstellung von Flächengleichrichtern mit scharf begrenzten Legierungszonen;

2. es ermöglicht die -Herstellung von Großflächengleichrichtern mit hohen Sperrspannungen und von Gleichrichtern mit in der 111-Ebene orientierten Plättchen;

23 23

40 40

70 70

8,5

10 9

11

3. es ermöglicht die Verwendung von Halbleitergrundplatten, die in ihrer Ausdehnung nicht größer sind als die gewünschten Verbindungsflächen, so daß die Gesamtgröße vermindert wird.

In der spezifischen Beschreibung der Erfindung ist

angenommen worden, daß der Halbleiterkörper aus einem Germaniumplättchen besteht, das mit Indium dotiert ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die

Erfindung auf diese Materialien nicht beschränkt ist, daß man vielmehr auch Gleichrichter herstellen kann, bei denen sowohl der Halbleitergrundkörper als auch das Dotierungsmaterial aus anderen Ausgangsstoffen, beispielsweise aus Silizium für den Halbleitergrundkörper und aus Antimon für das Dotierungsmaterial, bestehen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer elektrisch unsymmetrisch leitenden Halbleiteranordnung, z. B. eines Gleichrichters, in dessen Oberfläche zur Erzeugung einer Zone entgegengesetzten Leitungstyps ein Dotierungsmaterial einlegiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmaterial zunächst auf den Halbleiterkörper aufgelegt und in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum auf

eine Temperatur erhitzt wird, die nur etwas höher liegt als die Temperatur, bei der das Dotierungsmaterial schmilzt, anschließend auf dem geschmolzenen Material eine Oxydhaut erzeugt wird und schließlich der Körper auf die für die Legierungsbildung erforderliche Endtemperatur erhitzt und anschließend abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydschicht nach Beendigung des Legierungsvorganges, z. B. durch Abätzen, entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Erwärmungsprozeß in einer Atmosphäre von sauerstofffreiem Wasserstoff und der zweite Erwärmungsprozeß in einer Atmosphäre aus Stickstoff mit geringen Beimengungen von Sauerstoff durchgeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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