DE1175797B - Verfahren zum Herstellen von elektrischen Halb-leiterbauelementen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIl Deutsche Kl.: 2Xg-11/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

St 17264 VIII c/21]
22. Dezember 1960
13. August 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von elektrischen Halbleiterbauelementen, insbesondere von Tunneldioden mit geringer KapazU tat, durch Einlegieren von auf einer flächenhaften metallischen Elektrode aufgebrachten gegensätzlich dotierenden Substanzen in einen Halbleiterkörper aus Germanium, Silizium oder einem ähnlichen Halbleiter.

Es ist bekannt, an Halbleiterkörper stab- oder drahtförmige Elektroden anzulegieren, deren Oberfläche gegebenenfalls mit einer Dotierungssubstanz überzogen ist. Es sind auch schon Halbleiteranord-^ nungen bekanntgeworden, deren Material so gewählt ist, daß gleichzeitig mit der Anbringung einer Elektrode in der Umgebung der Anschlußstelle eine Um-Wandlung des Leitungstyps des Halbleiters bewirkt und ein pn-übergang gehildet wird.

Bei elektrischen Halbleiterbauelementen, insbesondere bei Tunneldioden, ist oft sowohl eine sehr kleine Kapazität des pn-Überganges als auch ein geringer Widerstand in Durchlaßrichtung erforderlich. Eine kleine Kapazität des pn-Überganges wurde bisher in der Weise erzielt, daß nach dem Einlegieren von gegensätzlich dotierendem Material in einen Halbleiterkörper zur Herstellung eines pn-Überganges ein Teil des Halbleiterkörpers abgetragen wurde, so daß ein pn-übergang von geringer Fläche erhalten wurde. Das Abtragen des Halbleiterkörpers wurde dabei durch Sägen, Schleifen oder Ätzen vorgenommen, wodurch ein großer Teil des Halbleitermaterials, das unter großem Aufwand in Form eines Einkristalls hergestellt wurde, wieder verlorengeht. Außerdem wird beim Abtragen des Halbleitermaterials der Bahnwiderstand erhöht, was nicht erwünscht ist.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dem Halbleiterkörper vor dem Zusammenlegieren mit der flächenhaften Elektrode eine solche Gestalt zu geben, daß durch das Einlegieren der Elektroden in unmittelbarer Nähe der Berührungsstelle ein pn-übergang mit nur sehr kleiner Fläche erzeugt wird, der hinsichtlich der Flächengröße keine Nachbehandlung mehr erfordert und dessen Ausdehnung geringer ist als der mittlere •Querschnitt des Halbleiterkörpers.

Da die ernndungsgemäße, von einem geeignet vorgeformten Halbleiterkörper ausgehende Verfahrensweise keine Nachbearbeitung nach Herstellung des pn-Überganges erfordert, wird die Herstellung solcher Anordnungen wesentlich verbessert und verbilligt. Es entfällt ein bisher notwendiger Arbeitsgang, ferner treten die dadurch hervorgerufenen mechanischen Beschädigungen ebensowenig wie die da-Verfahren zum Herstellen von elektrischen Halbleiterbauelementen -

Anmelder:

Standard Elektrik Lorenz Aktiengesellschaft,

Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 19

Als Erfinder benannt:

Dr. Michael Michelitsch, Hillside Lake,

Wappingers Falls, N. Y. (V. St. A.)

mit verbundenen Verunreinigungen auf. Außerdem geht nicht mehr ein Teil des kostspielig hergestellten Halbleitermaterials als Bearbeitungsabfall verloren.

Ferner wird durch die kleine Berührungsfläche zwischen dem Halbleiterkörper und der Dotierungssubstanz ein pn-übergang von sehr kleiner Fläche erhalten, so daß die Kapazität des pn-Überganges k]ein bleibt. Die Größe des pn-Überganges kann bei dem Verfahren gemäß der Erfindung in einfacher Weise durch die Dicke des Überzuges von gegensätzlich dotierendem Material auf d§F Elektrode sowie durch die Dauer und Höhe der Temperaturbehandlung pestimmt werden. Auf diese Weise ist es mit einfachen Mitteln möglich, pn-Übergänge sehr geringer Ausdehnung herzustellen. Ferner wird ein geringer Bahnwiderstand dadurch erzielt, daß der mittlere Querschnitt des Halbleiterkörpers größer ist als die Fläche des pn-Überganges.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann weiter so ausgebildet werden, daß auch weitere Elektroden mit dem Halbleiterkörper in einem einzigen Verfahrensschritt verbundea werden. Dies geschieht in der Weise, daß Metallelektroden geeigneter Form und •Größe mit entsprechenden Üb&rzügen aus dotierendem Material mit dem Halbleiterkörper in Berührung gebracht werden und diese Elektroden durch einen ■einzigen Erhitzungsvorgang mittels der dotierenden Überzüge mit dem Halbleiterkörper verbunden werden. In der Umgebung der Elektroden, die mit einer gegensätzlich dotierenden Substanz überzogen sind, wird dann ein pn-übergang im Halbleiterkörper durch Einlegieren der Dotierungssubstanz erhalten, während sich bei den Elektroden, die mit einem

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gleichsinnig dotierenden Stoff oder einem nicht dotie- destens so groß ist. wie die Fläche des pn-Überganrenden Überzug versehen sind, ohmsche Übergänge ges. So können beispielsweise Halbleiterkörper in bilden, so daß diese Elektroden keine gleichrichten- Form eines Kegels oder einer Pyramide oder auch in den Kontakte mit dem Halbleiterkörper bilden. Form eines Kegelstumpes oder eines Pyramiden-Bei der Herstellung von Tunneldioden wird ein ge- 5 stumpfes verwendet werden. Auch eignen sich zur eignet geformter, hochdotierter Halbleiterkörper so Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zwischen zwei Elektroden angeordnet, daß er diese Halbleiterkörper, die einen Ansatz mit geringem Elektroden an Stellen berührt, die mit einem dotie- Querschnitt aufweisen, an dem der pn-übergang errenden Überzug versehen sind. Eine Elektrode ist mit zeugt wird. Schließlich ist es auch möglich, eine geeinem gegensätzlich dotierenden Überzug versehen, io eignet geformte Elektrode zu verwenden, um eine während die zweite Elektrode einen gleichsinnig do- kleine Berührungsfläche zu erhalten, tierenden Überzug besitzt. Durch einen Erhitzungsvor- Die Halbleiterkörper werden zweckmäßig so hergang werden die beiden Überzüge über ihren gestellt, daß kein Material abgetragen werden muß. Schmelzpunkt erhitzt und legieren sich an der Be- Entsprechende Kügelchen aus Halbleitermaterial rührungsstelle mit dem Halbleitermaterial, so daß 15 können beispielsweise durch Austropfen von Halbsich auf der einen Seite in unmittelbarer Nähe der leitermaterial aus einer engen Öffnung oder durch Elektrode ein pn-übergang bildet, während sich auf Zerstäuben von flüssigem Halbleitermaterial mittels der anderen Seite ein ohmscher Kontakt bildet. Der eines geeigneten Gasstromes hergestellt werden. Eine Halbleiterkörper ist dabei so geformt, daß sich an weitere Möglichkeit besteht darin, während des der Stelle, an der sich der pn-übergang bildet, nur 20 Ziehens eines Einkristalls aus einer Schmelze die eine kleine Berührungsfläche mit der Dotierungs- Ziehgeschwindigkeit zu verändern, so daß sich der schicht ergibt, so daß ein pn-übergang mit geringen Querschnitt des gezogenen Halbleiterkristalls abAbmessungen erhalten wird. wechselnd vergrößert und verkleinert. Durch Ausein-Die Berührungsfläche des Halbleiterkörpers mit andersägen dieses Kristalls können so Halbleiterdem gleichsinnig dotierenden Überzugsstoff kann 25 körper von kegeliger Form erhalten werden, dieselbe Größe haben wie die erste Berührungs- Es ist auch möglich, Halbleiterkügelchen durch fläche, es kann aber zweckmäßig sein, daß die Be- Erhitzen von Pulver oder Granulat aus Halbleiterrührungsfläche, an der sich der ohmsche Kontakt material zu erhalten, wobei sich das über den bildet, größer ist als die erste Berührungsfläche. Schmelzpunkt erhitzte Halbleitermaterial infolge der Der Halbleiterkörper hat bereits vor dem Legie- 30 Oberflächenspannung zu Kügelchen zusammenzieht, rungsvorgang eine endgültige Form. Diese muß so Als Elektroden werden Metallplättchen verwengewählt werden, daß mindestens die Berührungsstelle det, die auf der Berührungsseite mit dem Halbleiterdes Halbleiterkörpers mit der dotierenden Überzugs- körper mit einem Überzug aus einer dotierenden oder schicht eine geringe Ausdehnung hat. neutralen Substanz versehen werden, die sich mit Es können beispielsweise Halbleiterkörper in Form 35 dem Halbleitermaterial legiert. Da zweckmäßig mehvon kleinen Kugeln verwendet werden, während die rere Kontakte gleichzeitig erzeugt werden, ist es vorzugehörigen Elektroden als ebene Flächen ausgebil- teilhaft, Überzugssubstanzen so auszuwählen, daß sie det sind. Dadurch ergibt sich eine kleine Berührungs- nicht nur die gewünschten dotierenden Eigenschaften fläche sowohl mit dem gegensätzlich dotierenden aufweisen, sondern daß auch die zur Erzeugung der Überzug als auch mit dem gleichsinnig dotierenden 40 entsprechenden Legierungen mit dem Halbleiter-Überzug. Bei der Herstellung von Tunneldioden wer- material erforderlichen Temperaturen nicht zu weit den Halbleiterkörper verwendet, die in bekannter auseinander liegen.

Weise hochdotiert sind und die, je nach der zu er- Die auf die Elektroden aufzubringenden Überzöge

wartenden Belastung, verhältnismäßig geringe Ab- können in bekannter Weise erzeugt werden, beispiels-

messungen haben. So können beispielsweise Tunnel- 45 weise durch Aufdampfen des Überzugsmaterials im

dioden für Hochfrequenzzwecke aus kugelförmigen Vakuum. Es ist nicht unbedingt erforderlich, die

Halbleiterkörpern aus hochdotiertem Germanium mit ganze Elektrodenfläche mit der einzulegierenden

einem Durchmesser in der Größenordnung von 20 Substanz zu überziehen, sondern es genügt, wenn die

bis 30 μ hergestellt werden. Uberzugssubstanz in der Umgebung der Berührungs-

Infolge des großen Querschnitts des Halbleiter- 50 stelle mit dem Halbleiterkörper aufgebracht wird, körpers in der Mitte ist der Serienwiderstand einer Zur Herstellung von Tunneldioden aus Germanium solchen Tunneldiode verhältnismäßig gering. Wenn werden beispielsweise Elektrodenplättchen aus Kupder Halbleiterkörper jedoch in bekannter Weise fer verwendet, von denen eines mit Zinn überzogen durch Ätzen nach Herstellung des pn-Überganges ist und das andere einen Überzug aus einer Zinnverkleinert wird, so wird der Querschnitt des Halb- 55 Arsen-Legierung, beispielsweise mit 95°/oZinn und leiters in größerer Entfernung von den Elektroden 5 °/o Arsen besitzt. Zwischen diesen beiden Elekstärker vermindert als in der Nähe der Elektroden, trodenplättchen wird, in Berührung mit den beiden so daß der Querschnitt des Halbleiterkörpers zwi- Überzügen, ein Germaniumkügelchen angeordnet, sehen den Elektroden kleiner ist als an den Beruh- das stark p-dotiert ist. Durch einen Erhitzungsvorrungsstellen und damit kleiner als die Fläche des 60 gang werden die beiden Überzugsschichten in den pn-Überganges. Hierdurch ergibt sich ein für Hoch- Halbleiterkörper einlegiert, so daß sich in unmittelfrequenzzwecke unerwünscht großer Serienwider- barer Nähe des Elektrodenplättchens mit dem Zinnstand. Arsen-Überzug ein pn-übergang im Germanium Es können auch Halbleiterkörper von anderer bildet. Infolge der kleinen Berührungsfläche des Form verwendet werden, wenn nur sichergestellt ist, 65 Kügelchens mit der Überzugsschicht ist die Ausdehdaß die Berührungsstelle des Halbleiterkörpers mit nung des pn-Überganges und damit die Kapazität dem gegensätzlich dotierenden Überzug klein ist und des Überganges sehr klein, der Serienwiderstand des der Querschnitt des übrigen Halbleiterkörpers min- so erhaltenen Tunneldiode ist gering, weil der

Querschnitt des Halbleiterkörpers zwischen den Elektroden größer ist als die Ausdehnung des pn-Überganges.

Die Tiefe des Einlegierens ist durch die Dicke der Überzugsschicht sowie durch die Temperatur und Dauer des Legierungsvorganges bestimmt. In vielen Fällen ist es zweckmäßig, während des Legierungsvorganges Abstandskörper zwischen den Elektrodenplättchen anzuordnen, um ein zu tiefes Einlegieren des Überzugsmaterials und damit eine zu große Ausdehnung des pn-Überganges zu verhindern. Solche Abstandskörper werden zweckmäßig aus Isolierstoff hergestellt und können auch nach dem Legierungsvorgang zwischen den Elektrodenplättchen verbleiben. Wenn man beispielsweise ringförmige Ab-Standskörper aus keramischem Material verwendet, die an den Stirnseiten metallisiert sind, so verlöten sich die Stirnseiten des Keramikröhrchens beim Erhitzungsvorgang mit der Überzugsschicht auf den Elektrodenplättchen, so daß gleichzeitig ein vollkommener Abschluß des Halbleiters von der Umgebung erzielt wird.

Der Zwischenraum zwischen den Elektrodenplättchen kann aber auch nach dem Legierungsvorgang mit einem geeigneten Isolierstoff, beispielsweise mit einem kalthärtenden Kunstharz, ausgegossen werden. Es muß jedoch darauf geachtet werden, daß durch den Erhärtungsvorgang des Isolierstoffes kein Druck auf die Innenseiten der Elektroden ausgeübt wird, so daß die Gefahr besteht, daß sich diese vom Halbleiterkörper lösen.

Zweckmäßigerweise werden Elektrodenplättchen verwendet, die aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Kupfer oder Silber, bestehen.

Wenn der ohmsche Kontakt im Vergleich zu dem gleichrichtenden Kontakt großflächig gemacht wird, so ist es zweckmäßig, als Material für die ohmsche Elektrode ein Metall oder eine Legierung zu wählen, die einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial hat.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen kugelförmigen Halbleiterkörper 1, bei dem durch Einlegieren an der Oberseite eine hochdotierte Umwandlungsschicht 2 erzeugt wurde. Zwischen dem hochdotierten Halbleiterkörper 1 und der hochdotierten Umwandlungsschicht 2 befindet sich ein pn-übergang geringer Abmessung. Auf der gegenüberliegenden Seite ist durch Einlegieren ein ohmscher Kontakt 3 am Halbleiterkörper angebracht.

In der Fig. 2 ist eine andere Form des Halbleiterkörpers im Querschnitt dargestellt. Der in der F i g. 2 dargestellte Halbleiterkörper 1 hat die Form eines Kegelstumpfes oder eines Pyramidenstumpfes, an dessen kleiner Stirnfläche sich die Umwandlungsschicht 2 befindet, während der ohmsche Kontakt 3 eine wesentlich größere Ausdehnung als der pnübergang hat.

In der Fig. 3 ist ein Kügelchenl aus Halbleitermaterial dargestellt, das mit den Uberzugsschichten 6 und 7 auf den beiden Elektrodenplättchen 4 und 5 durch Legieren verbunden wurde. Bei 2 hat sich durch Einlegieren der gegensätzlich dotierenden Substanz 6 eine Umwandlungsschicht geringer Ausdehnung gebildet, während die Verbindung 3 zwischen dem Halbleiterkörper 1 und der Überzugsschicht 7 einen ohmschen Kontakt bildet. Der Raum zwischen den beiden Elektrodenplättchen kann, wie bereits erwähnt, mit einem Isolierstoff ausgefüllt sein.

Wie bereits erwähnt wurde, können auch Halbleiterkörper mit anderen entsprechend gestalteten Formen verwendet werden und es ist auch möglich, mehrere gleichrichtende und ohmsche Kontakte an einem einzigen Halbleiterkörper anzubringen. Wesentlich ist in jedem Falle, daß die Berührungsstelle zwischen dem Halbleiterkörper und der einen gleichrichtenden Kontakt bildenden Überzugsschicht einer Elektrode klein ist und der mittlere Querschnitt des Halbleiterkörpers zwischen den Elektroden größer ist als die Fläche des pn-Überganges.

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von elektrischen Halbleiterbauelementen, insbesondere von Tunneldioden mit geringer Kapazität, durch Einlegieren von auf einer flächenhaften metallischen Elektrode aufgebrachten gegensätzlich dotierenden Substanzen in einen Halbleiterkörper aus Germanium, Silizium oder einem ähnlichen Halbleiter, dadurchge kennzeichnet, daß dem Halbleiterkörper vor dem ,Zusammenlegieren mit der flächenhaften Elektrode eine solche Gestalt gegeben wird, daß durch das Einlegieren der Elektroden ί in unmittelbarer Nähe der Berührungsstelle ein pn-übergang mit nur sehr kleiner Fläche erzeugt wird, der hinsichtlich der Flächengröße keine Nachbehandlung mehr erfordert und dessen Ausdehnung geringer ist als der mittlere Querschnitt des Halbleiterkörpers.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Halbleiterkörper eine zweite Metallelektrode anlegiert wird, die mit einer Dotierungssubstanz gleicher Dotierung wie der Halbleiterkörper überzogen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper zwischen zwei Metallelektroden in Berührung mit denselben angeordnet wird, die mindestens an der Berührungsstelle mit gleich- bzw. gegendotierenden Substanzen überzogen sind und die Anordnung so weit erhitzt wird, daß die Überzugssubstanz in den Halbleiterkörper einlegiert und mindestens ein gleichrichtender und ein ohmscher Kontakt erhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Kontakt etwa in der gleichen Größe wie der gleichrichtende Kontakt erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Kontakt in wesentlich größerer Flächenausdehnung als der gleichrichtende Kontakt erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper in Form einer Kugel verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper in Form eines Kegels oder einer Pyramide verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper in Form eines Kegelstumpfes oder eines Pyramidenstumpfes verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper ver-

wendet wird, der an einer Seite einen Ansatz geringen Querschnitts aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden, mindestens während des Legierungsvorganges, Abstandskörper aus isolierendem Material angeordnet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Elektroden nach dem Legierungsvorgang mit Isolierstoff ausgefüllt, z. B. ausgegossen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Elektrode in der Nähe des pn-Überganges ein Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für mindestens eine Elektrode Kupfer verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Elektrode des ohmschen Kontaktes ein Metall mit ähnlichem Ausdehnungskoeffizienten wie der des Halbleiters verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper mit einer größten Ausdehnung von etwa 20 bis 30 μ verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kugel aus hochdotiertem p-Germanium zwischen zwei Kupferelektroden angeordnet wird, von denen eine Elektrode mindestens an der Berührungsstelle mit Zinn und die andere an der Berührungsstelle mit einer Legierung aus 95 °/i> Zinn und 5 % Arsen überzogen ist und daß die Anordnung so hoch erhitzt wird, daß die Überzugssubstanzen in das Germanium einlegiert und an der Elektrode mit dem Zinn-Arsen-Überzug ein pn-Überzug und an der Elektrode mit dem Zinn-Überzug ein ohmscher Kontakt erhalten wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 966 492;

deutsche Auslegeschriften Nr. 1 052 572,
557;

deutsche Auslegeschrift R 13270 VIII c/21 g (bekanntgemacht am 17.5. 1956);

deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 785 290;

österreichische Patentschrift Nr. 181 629;

britische Patentschriften Nr. 786 281, 744 388;

USA.-Patentschrift Nr. 2 909 715;

französische Patentschrift Nr. 1 246 041;

»Electrical Engineering«, April 1960, S. 270 bis 277.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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