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Verfahren zum Herstellen von Richtleitern, Transistoren u. dgl. mit
einem einkristallinen Halbleiterkörper Zum Umwandeln des Leitungstyps eines Teiles
eines Halbleiterkörpers zwecks Herstellen eines p-n-Überganges wird an einer oder
mehreren Stellen auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers von gegebenem Leitungstyp
ein Dotierungsstoff, welcher geeignet ist, den entgegengesetzten Leitungstyp zu
erzeugen, durch Legieren bzw. Diffusion derart eingebracht, daß er bis zu einer
begrenzten Tiefe vordringt. Das kann entweder dadurch geschehen, daß der Dotierungsstoff
als fester Körper, z. B. als Scheibe oder als Pille, oder als Pulverschicht, z.
B: in Form einer aufgestrichenen Paste, auf den Halbleiterkörper aufgebracht und
durch Erhitzen, beispielsweise in einem Ofen, aufgeschmolzen wird. Es ist auch bekannt,
stellenweise auf den Halbleiterkörper eine Schicht des Dotierungsstoffes aufzudampfen.
Dabei schlägt sich der erzeugte Dampf auf dem kalten bzw.. gering vorgeheizten Halbleiterkörper
nieder. Die Diffusion bzw. das Legieren erfolgt ebenfalls durch nachträgliches Erhitzen,
beispielsweise in einem Ofen. Diese bekannten Verfahren erfordern also zum Aufbringen
und zum Umwandeln des Leitungstyps meist zwei verschiedene Behandlungsvorgänge.
Außerdem entsteht hierbei in der Regel eine Schicht von verändertem Leitungstyp
nur auf einer der beiden Seiten des scheibenförmigen Halbleiterkörpers. Schließlich
lassen sich die Grenzen der veränderten Flächenbereiche und die Eindringtiefe der
Veränderung schwer im voraus festlegen. Die Tiefe der Veränderung ist meist ungleichmäßig;
sogar innerhalb eines Flächenbereiches reicht die Veränderung in der Mitte gewöhnlich
tiefer als am Rande. Diese Nachteile der bekannten Verfahren können mit der Erfindung
vermieden werden.
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Demgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Richtleitern,
Transistoren u. dgl. mit einem einkristallinen Halbleiterkörper, bei dem ein Übergang
durch Wärmebehandlung einer Oberflächenschicht des Halbleiterkörpers mit einer Dotierungssubstanz
geschaffen wird. Erfindungsgemäß wird der Halbleiterkörper in eine erhitzte Lösung
des Dotierungsstoffes in einem von dem betreffenden Halbleiterstoff verschiedenen,
jedoch weder mit diesem reagierenden oder legierenden noch die Änderung des Leitfähigkeitstyps
beeinträchtigenden Lösungsmittel mindestens bis zum Benetzen seiner unteren Fläche
eingetaucht.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, einen festen Germaniumkörper
von dem einen Leitfähigkeitstyp in eine Schmelze aus einer Mischung von zwei Stoffen
zu tauchen, die Germanium zusammen mit einer aktivierenden Verunreinigung vom entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp enthält, die eine Schmelztemperatur beträchtlich unter derjenigen
des festen Germaniumkörpers besitzt und mit Germanium gesättigt ist. Hierbei wird
also als Lösungsmittel der betreffende Halbleiterstoff selbst, nämlich Germanium,
verwendet.
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An Hand der Zeichnung sollen das neue Verfahren. und weitere Verbesserungen
näher erläutert werden. Gemäß Fig. 1 ist eine Siliziumscheibe 2, welche beispielsweise
von einem mittels des bekannten tiegelfreien, senkrechten Zonenschmelzverfahrens
gewonnenen einkristallinen, eigen-, überschuß- oder mangelleitenden Siliziumstab
abgesägt sein kann, in eine Lösung 3 eines Dotierungsstoffes in einem Zusatzstoff
eingetaucht. Für den angenommenen Fall der Mangelleitung des Siliziums der Scheibe
2 seien als geeignete Dotierungsstoffe Donatorsubstanzen, wie Antimon, Phosphor,
Arsen, genannt. Als Lösungsmittel kann z. B. flüssiges Blei verwendet werden, das
mit dem Halbleiter nicht reagiert. Der Anteil des Bleies an der Lösung kann beispielsweise
50% und darüber betragen. Durch das Blei wird die flüssige Dotierungssubstanz gewissermaßen
verdünnt, so daß sie sich nicht in Tropfenform auf der Scheibe 2 absetzen kann,
sondern gleichmäßig in deren Oberfläche eindiffundiert. Die Verdünnung spielt mithin
eine ähnliche Rolle wie die Verdampfung der Dotierungssubstanz nach einem früheren
Vorschlag. Als weitere zur Verdünnung geeignete Stoffe seien unter anderem Kadmium
und Quecksilber genannt. Das Dotierungsbad kann auch mehrere derartige Verdünnungsstoffe
enthalten. Auch eine Salzschmelze, z. B. von Phosphorpentoxyd, kann als Verdünnungsfiüssigkeit
verwendet
werden. Die Lösung 3 befindet sich in einem Gefäß 4, z. B. aus Quarz, das in einen
elektrisch beheizten Ofen 5 eingesetzt ist. Durch die eine längliche Einschnürung
aufweisende Form des Gefäßes 4 wird erreicht, daß die Scheibe 2 in der gestrichelt
angedeuteten, um 90° gedrehten Stellung ein- und ausgebracht werden kann. Das Gefäß
4 kann senkrecht zur Papierebene langgestreckt sein, so daß eine größere Anzahl
Scheiben hintereinander eingesetzt und alle gleichzeitig behandelt werden können.
Das Einsatzgut wird im Ofen einer Temperatur von beispielsweise 1000 bis 1300° C
bei Silizium bzw. 700 bis 800° C bei Germanium während einer Zeit von 1/z bis 6
Stunden und darüber ausgesetzt, je nach der gewünschten Eindringtiefe. Der Ofen
kann dabei mit einem neutralen Gas wie z. B. Argon gefüllt sein oder von einem solchen
durchströmt werden, die Behandlung kann aber auch in einem Vakuumbehälter erfolgen.
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Als weitere Dotierungsstoffe seien beispielsweise Bor, Indium, Gallium,
Aluminium genannt, mit welchen z. B. auf n-leitendem Silizium bzw. Germanium eine
p-leitende Oberflächenschicht auf die beschriebene Weise, nämlich durch Verdünnung
mit den obengenannten oder anderen geeigneten Zusatzstoffen und Eintauchen des Halbleiters
in eine solche Lösung bei gleichzeitiger Erhitzung, geschaffen werden kann.
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Der nach dem beschriebenen Verfahren behandelte Halbleiterkörper besteht
hinterher aus einem Kern vom ursprünglichen Leitungstyp und einer einem anderen,
beispielsweise den entgegengesetzten Leitungstyp aufweisenden Hülle. Zwischen Kern
und Hülle befindet sich im Falle eines entgegengesetzten Leitungstyps ein pn-Übergang.
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Ein derartiger scheibenförmiger Halbleiterkörper ist in den Fig. 2
bis 4 in vergrößertem Maßstabe als Beispiel dargestellt. Der pn-t7bergang ist jeweils
durch eine dünne ausgezogene Linie angedeutet, beiderseits welcher die Bezeichnungen
n und p eingetragen sind. Ein solcher Halbleiterkörper wird vorteilhaft in der Weise
weiterbehandelt, daß durch nachträgliche teilweise Entfernung der Oberflächenschicht
der entgegengesetzten Leitungstyp aufweisende Kern an einer oder mehreren Stellen
freigelegt wird. So kann beispielsweise der Rand der Siliziumscheibe ringsherum
bis zu der in Fig. 3 eingezeichneten gestrichelten Kreislinie durch Atzen oder Schleifen
entfernt werden. Beträgt die Fläche der Siliziumscheibe ein Mehrfaches der Fläche
der fertigen Gleichrichter bzw. Transistoren, so wird z. B. gemäß Fig. 2 die Scheibe
hinterher durch senkrechte Schnitte, die durch gestrichelte Linien a, b angedeutet
sind, in mehrere Teile 7, S zerlegt, wobei der Rand ohne weiteres zum Abfall gehört.
Die vorerwähnten Arbeitsvorgänge sind unter Umständen auch bei den bekannten Verfahren
erforderlich. Sie stellen also keinen zusätzlichen, durch das neue Verfahren bedingten
Aufwand dar.
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Bei genügend großer Scheibendicke kann der Halbleiterkörper auch,
wie in Fig. 4 beispielsweise durch eine gestrichelte senkrechte Linie angedeutet
ist, so zerschnitten werden, daß sein Kern teilweise freigelegt wird. Einen der
beiden so erhaltenen Teile zeigt Fig.5.
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Wird vor oder nach der Ausführung des in Fig. 4 dargestellten Parallelschnittes
der Rand mit mechanischen oder chemischen Mitteln entfernt, wie früher erwähnt und
in Fig. 3 und 4 durch weitere gestrichelte Linien angedeutet, so entsteht die in
Fig. 6 abgebildete Form des Halbleiterkörpers. Die beiden Formen gemäß Fig. 5 und
6 können beiderseits in an sich bekannter Weise kontaktiert und als Gleichrichter
verwendet werden.
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Unterbleibt bei einem Halbleiterkörper ähnlich demjenigen nach Fig.
3 und 4, jedoch vorteilhaft mit geringerer Gesamtdicke, nach dem Abschleifen des
Randes eine weitere Zerlegung, so hat er die in Fig. 7 dargestellte Form. Er kann
dann zu einem Transistor weiterverarbeitet werden, indem je eine Kontaktelektrode
auf den beiden Seitenflächen angebracht wird, von denen die eine die Kollektorelektrode
und die andere die Emitterelektrode bildet, und eine Basiselektrode am Rande dort,
wo der Kern zu Tage tritt. Die Anbringung einer solchen Basiselektrode ist aber
wegen der geringen Breite dieses Umfangsstreifens verhältnismäßig schwierig. Es
empfiehlt sich daher, zunächst durch Entfernung weiterer Teile der umgewandelten
Oberflächenschicht etwa wie in Fig. 7 durch gestrichelte Linien angedeutet, den
Kern des Halbleiterkörpers zum Teil an mehreren Seiten für die Anbringung der Basiselektrode
freizulegen.
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Eine bequemere Möglichkeit zu einer weiteren Freilegung des Kernes
mit Hilfe einer an sich bekannten Schleifvorrichtung, mit welcher ebene Schliffe
hergestellt werden können, veranschaulichen die folgenden Figuren. Nach den Fig.
8 und 9 ist der scheibenförmige Halbleiterkörper an seinem unteren Rande verdickt.
Nach der Tauchbehandlung wird zunächst der Rand ringsherum entfernt. Anschließend
werden die Vorsprünge auf beiden Seiten weggeschliffen, so daß beide Seitenflächen
völlig eben sind. In Fig.9 ist dies durch gestrichelte Linien angegeben. Von der
nunmehr vorhandenen Zylinderscheibe haben gemäß Fig. 10 und 11 nur die oberen Teile
der beiden Seitenflächen noch eine Schicht von verändertem Leitungstyp. Hier werden
die Kontaktelektroden 11 und 12 mit den daran befestigten Anschlußdrähten
angebracht. Für die Anbringung der Basiselektrode 10 steht hier der untere
Teil der Scheibe 9 zur Verfügung, wo der Kern an drei Seiten freigelegt ist. Die
Basiselektrode 10 kann infolgedessen, wie dargestellt, so angebracht werden,
daß sie diesen freigelegten Teil des Kernes umklammert. Diese Kontaktierung ist
verhältnismäßig bequem durchführbar.
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Das Herstellen der stellenweise verdickten Halbleiterscheiben gemäß
Fig. 8 und 9 aus einem stabförmigen Einkristall, wie er beispielsweise durch das
senkrechte Zonenziehverfahren gewonnen wird, kann mittels der bekannten Fadensäge
durch Stufenschnitte beispielsweise gemäß Fig.12 derart durchgeführt werden, daß
möglichst wenig Abfall entsteht.
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Bei den Scheibenformen gemäß den Fig. 13 und 14 befindet sich die
Verdickung in der Mitte der beiden Flachseiten der Scheibe. Nach der oben beschriebenen
Tauchbehandlung wird auch hier zunächst der Rand ringsherum abgeschliffen. Danach
werden die beiden Seitenflächen eben geschliffen und damit der unverändert gebliebene
Kern auch in der Mitte in Form eines Streifens freigelegt. Dann wird die Scheibe
gemäß Fig. 15 beispielsweise in vier Teile 13 zerschnitten und jeder dieser Teile
13 gemäß Fig. 16 mit den Kontaktelektroden 11 und 12 und der den freigelegten Kernteil
auf drei Seiten umfassenden Basiselektrode 10 versehen.
Durch
Herstellung mehrerer, gegebenenfalls einer größeren Anzahl von Verdickungen, etwa
in Form einer einseitigen Bemusterung durch Einätzen oder Einsägen von Rillen kann
mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens und nachträglicher Entfernung der veränderten
Oberflächenschicht am Rande und auf der bemusterten Seite sowie an den Seitenwänden
der Rillen ein Flächentransistor geschaffen werden.
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Zur einseitigen Umwandlung kann man, wie Fig. 17 erkennen läßt, den
vorzugsweise scheibenförmigen Halbleiterkörper 2 auf der Dotierungsflüssigkeit 3
schwimmen lassen. Der Tiegel 4, der auch aus Graphit bestehen kann, hat dann beispielsweise
die dargestellte einfachere Form. Auf diese Weise können auch p-i-n-Gleichrichter
gemäß Fig. 18 erzeugt werden, indem man einen sehr hochohmigen, nahezu eigenleitenden
Halbleiter mit einer Seite in einer überschußleitung erzeugenden Dotierungsflüssigkeit,
z. B. Phosphor mit Blei verdünnt, und danach mit der anderen Seite in einer Mangelleitung
erzeugender Dotierungsflüssigkeit, z. B. Indium mit Blei verdünnt, schwimmend im
Vakuum oder unter Schutzgas der beschriebenen Wärmebehandlung unterzieht.