DE1178948B

DE1178948B - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-anordnung mit Breitbandelektrode

Info

Publication number: DE1178948B
Application number: DEP25887A
Authority: DE
Inventors: Dr Heinz Diedrich; Klaus Joetten
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1960-10-20
Filing date: 1960-10-20
Publication date: 1964-10-01
Also published as: GB1007148A; CH437535A; US3210222A; NL270339A; FR1303969A; SE220390C1

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KL: HOIl

Nummer: Aktenzeichen: Anmeldetag: Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21g -11/02

P 25887 VIII c/21g
20. Oktober 1960
1. Oktober 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper aus Germanium und einem oder mehreren Übergängen, insbesondere pn-Übergängen, bei dem mindestens einer der Übergänge durch Aufschmelzen einer Siliziumlegierung erzeugt wird, die beim Erkalten auf dem Germaniumkörper eine rekristallisierte halbleitende Zone erzeugt, welche einen größeren Bandabstand hat als der Germaniumkörper der Halbleiteranordnung.

Es ist bekannt, daß der Anteil des Emitterstromes, der bei einem Transistor bei höheren Strömen noch wirksam zum Kollektorstrom beiträgt, mit größer werdendem Strom immer kleiner wird, d. h. daß ζ. B. bei einem pnp-Transistor das Verhältnis der vom Emitter in die Basis injizierten Löcher zu den von der Basis in den Emitter fließenden Elektronen bei höheren Strömen immer geringer wird. Diese unerwünschte Eigenschaft eines Transistors, nämlich die Verkleinerung der Stromverstärkung mit wachsendem Strom, hat schon bald dazu geführt, nach Methoden zu suchen, dieses Verhältnis auch bei höheren Strömen so groß wie möglich zu machen. Da bei einem gewöhnlichen pn-übergang, d. h. einem pn-übergang, bei dem sowohl die p- als auch die η-Zone aus einem Halbleiter mit gleichem Bandabstand bestehen, dieses Verhältnis der Ströme im wesentlichen vom spezifischen Widerstand der Halbleiter abhängt, die das p- und das η-Gebiet darstellen, hat man versucht, durch besonders hohe Dotierung (besonders kleinen spezifischen Widerstand) der Emitterzone im Vergleich zur Basiszone das Verhältnis groß zu machen. Aus technologischen und elektrischen Gründen ist eine beliebige Erhöhung der Leitfähigkeit der Emitterzone relativ zur Leitfähigkeit der Basiszone nicht möglich. Diese durch Herstellungsverfahren und elektrisches Verhalten vorgegebene Grenze der Inj ektionsgüte normaler pn-Übergänge kann durch Verwendung von Breitbandemittern umgangen werden.

Es ist nämlich ferner bekannt, daß der Emitter eines Transistors aus einem Halbleiter mit größerem Bandabstand als dem Bandabstand des Basismaterials gegenüber dem normalen pn-übergang bevorzugt Ladungsträger der gewünschten Art durchläßt, jedoch Ladungsträger entgegengesetzten Vorzeichens wegen des vorhandenen quasielektrischen Feldes in stärkerem Maße behindert. Dieser Effekt spielt nicht nur für den Emitter eines Transistors eine Rolle, für den die Verhältnisse oben erläutert wurden, sondern kann auch ganz allgemein bei Halbleiteranordnungen mit einem oder mehreren pn-Übergängen und Über-

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit Breitbandelektrode

Anmelder:

Philips Patentverwaltung G. m. b. H.,

Hamburg, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Dr. Heinz Diedrich, Hamburg,

Klaus Jötten, Hamburg-Blankenese

gangen von Material mit größerem Bandabstand auf solches mit kleinerem Bandabstand, wobei auf beiden Seiten dieses Überganges der gleiche Leitungstyp vorliegt, günstige Wirkungen haben.

Bekanntlich bildet Germanium mit Silizium Mischkristalle, in denen der Bandabstand mit steigendem Siliziumgehalt wächst. Der Bandabstand des Germaniums wird schon durch kleine Siliziumgehalte, unter 15%, stark vergrößert, so daß Siliziumgehalte von wenigen Prozenten bereits ausreichen, den Bandabstand des Mischkristalls merklich zu vergrößern.

Es ist jedoch nicht möglich, eine Siliziumelektrode auf Germanium aufzulegieren, da der Schmelzpunkt der Legierung Silizium-Germanium höher liegt als der Schmelzpunkt des Germaniums selbst.

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines pn-Überganges zwischen einer Siliziumelektrode und einem Germanium-Halbleiterkörper wird zwar die Schwierigkeit des zu hohen Schmelzpunktes umgangen, indem das Silizium mit einem weiteren Metall, zum Beispiel Zinn, gemischt wird. Hierdurch erhält die Mischung einen niedrigeren Schmelzpunkt als der Germanium-Halbleiterkörper und läßt sich auf diesen aufschmelzen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine nach diesem bekannten Verfahren hergestellte siliziumhaltige Breitbandelektrode auf einem Germaniumkörper nicht die weiteren Forderungen erfüllt, die an eine gute Breitbandelektrode gestellt werden müssen. Es muß nämlich eine monokristalline Verbindung zwischen der rekristallisierten Schicht vom p- oder η-Typ und dem Grundkörper vom n- oder p-Typ erzeugt werden; weiter muß der Aufbau der rekristallisierten

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Schicht über einen endlichen Bereich (der größer als eine Diffusionslänge der Ladungsträger ist) monokristallin sein. Es dürfen sich auch keine mechanischen Störungen, beispielsweise Risse, bilden, die durch Fehlanpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und zu starke Sprödigkeit der Legierung verursacht werden; schließlich soll in vielen Fällen, z. B. bei einer Emitterelektrode, die rekristallisierte Schicht eine hohe spezifische Leitfähigkeit (eine hohe Störstellenkonzentration) besitzen.

Diese Forderungen sind jedoch wegen der verschiedenen physikalischen und elektrischen Eigenschaften des Systems Germanium-Silizium-Mischkristall einerseits und des Germaniums andererseits nicht ohne weiteres zu erfüllen. So sind z. B. die thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschieden, wodurch Risse entstehen können. Auch unterscheiden sich die Gitterkonstariten der beiden Systeme voneinander, so daß es nicht auf der Hand liegt, daß eine monokristalline Rekristallisation erfolgen kann, da diese eine Anpassung des Gitters der aufwachsenden Substanz an das Gitter der Grundsubstanz voraussetzt.

Es hat sich nun herausgestellt, daß alle bestehenden Schwierigkeiten bei der Herstellung eines Breitbandüberganges zwischen einer Elektrode aus einer Siliziumlegierung und einem Germanium-Halbleiterkörper beseitigt werden und daß sich ein in jeder Hinsicht guter Breitbandübergang ergibt, wenn gemäß der Erfindung die zum Einlegieren des Überganges verwendete Siliziumlegierung mindestens drei andere, voneinander verschiedene Bestandteile enthält und der erste der Bestandteile aus Indium oder Wismut besteht, und ein zweiter Bestandteil durch ein oder mehrere Elemente der III. Gruppe des Periodischen Systems und der dritte Bestandteil durch mindestens eines der Elemente Germanium, Zinn, Wismut, Gold, Silber oder Zink gebildet wird und wenn eines der Elemente Indium oder Wismut zu mindestens 50 Atomprozent in der Legierung enthalten ist und die Auswahl so vorgenommen ist, daß in der Legierung mindestens vier voneinander verschiedene Elemente enthalten sind.

Diese Zusätze bewirken, daß die Legierung mechanisch leichter bearbeitbar ist und sich aus der Legierung Kugeln formen lassen, die in bekannter Weise auf den Grundkörper aufgeschmolzen werden können. Die Legierung kann aber beispielsweise auch als zylinderförmiger Teil oder in Plättchenform hergestellt auf den Grundkörper aufgeschmolzen werden.

Außerdem erlaubt eine Legierung mit einem Anteil von mindestens 50 Atomprozent Indium oder Wismut eine gut reproduzierbare Herstellung von Breitband pn-Übergängen, da das einkristalline Aufwachsen eines Germanium-Silizium-Mischkristalls auf dem Germanium-Grundkörper in Gegenwart einer Komponente, die eine verdünnende und durch ihre mechanisch leicht zu verformende Struktur kristallspannungsausgleichende Wirkung hat, besonders störungsfrei geschieht.

Beispielsweise sind besonders Legierungen geeignet, die Silizium, eines oder mehrere Elemente der III. Gruppe des Periodischen Systems und mindestens ein Element enthalten, das sowohl mit Silizium als auch Germanium eutektische oder quasieutektische Legierungssysteme bildet, deren Schmelztemperaturen unter der des Germaniums liegen.

Die folgende Aufstellung enthält Beispiele solcher quaternären Systeme:

Au —Si —Ge-In Au — Si — Ge — Sn

Ag — Si — Ge — In Ag — Si — Ge-Sn Au — Si — Ge-Bi Ag — Si — Ge — Bi

Der Vollständigkeit halber wird erwähnt, daß es bekannt ist, eine Legierung mit den vier Komponenten Aluminium, Silizium, Indium und Germanium zur Erzeugung eines pn-Überganges auf einem Siliziumkörper zu verwenden. Damit wurde jedoch nicht bezweckt, eine Breitbandelektrode auf einem Germaniumkörper herzustellen; da auch lassen sich, wie bereits erwähnt, die Verhältnisse nicht von einem Germanium- auf einen Siliziumkörper übertragen.

Die Erfindung wird an Hand von Beispielen einiger Ausführungsformen erläutert.

Die Fig. 1 und 2 dienen der Demonstration des verbesserten Wirkungsgrades eines Transistors.

Ausführungsform 1

Ein pnp-Transistor wird nach der üblichen Legierungstechnik hergestellt. Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird zur Herstellung eines Emitters eine Legierung von 5 Molprozent des Eutektikums Gold—Silizium mit 1,2 Atomprozent Gallium, zum Rest aus Indium durch Zusammenschmelzen in einer Wasserstoffatmosphäre bei 500° C hergestellt. Die homogene Schmelze wird in 1 Minute auf Zimmertemperatur abgekühlt, womit eine feinkörnige, homogene Verteilung der Legierungskomponenten gewährleistet wird. Aus diesem Legierungsmaterial wird ein Kügelchen hergestellt, das auf den Grundkörper der Halbleiteranordnung aufgeschmolzen wird.

Um zu verhindern, daß aus der aufzuschmelzenden Legierung Bestandteile in merklichem Maße in den Grundkörper hineindiffundieren, sind Aufschmelzzeit und -temperatur so zu wählen, daß der in der Diffusionsgleichung vorkommende Ausdruck ]//>/ z.B. kleiner als 10 ³ cm ist, wobei t die Aufschmelzzeit in Sekunden und D die Diffusionskonstante in cm²/sec. des in der Legierung vorhandenen Akzeptor- oder Donatorelementes der III. oder V. Gruppe ist, dessen Diffusionsgeschwindigkeit in dem Material des Grundkörpers bei der Aufschmelztemperatur am größten ist. Diese Bemerkung gilt auch für die übrigen Beispiele von Ausführungsformen. Hier, bei der Ausführungsform 1, ist die Bedingung erfüllt, sofern die Aufschmelztemperatur niedriger als 700^c C, sie richtet sich nach der gewünschten Tiefe des pn-Überganges, und die Legierungszeit kürzer als 30 Minuten ist.

Die F i g. 1 zeigt die verbesserte Wirkung eines solchen Transistors. Auf der Abszisse ist der Kollektorstrom /₍. aufgetragen, auf der Ordinate der in üblicher Weise definierte Stromverstärkungsfaktor α'. Die Kurven 1 und 2 zeigen die Abhängigkeit von a vom Kollektorstrom /,. bei normalen Transistoren, deren Geometrie genau mit dem zu vergleichenden Transistor übereinstimmt, der einen Emitter aus einer Legierung gemäß der Erfindung hat. Die Kurve 3 zeigt die Abhängigkeit von V vom Kollektorstrom I_c bei einem Transistor mit einem Emitter, der nach

dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. Der wesentlich langsamere Abfall von α nach seinem Maximum mit wachsendem Kollektorstrom gegenüber den normalen Transistoren ist deutlich zu erkennen.

Die F i g. 2 entspricht der F i g. 1 mit dem Unterschied, daß auf der Abszisse ein größerer Bereich von Kollektorströmen aufgetragen ist.

Ausführungsform 2

Ein pnp-Transistor wird nach der üblichen Legierungstechnik hergestellt. Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird zur Herstellung eines Emitters eine Legierung von 10 Molprozent Silber—Germanium—Silizium im Atomverhältnis 75 : 20 : 5, mit 1 Atomprozent Gallium, zum Rest aus Indium, durch Zusammenschmelzen in einer Wasserstoff-Stickstoff-Atmosphäre bei 700° C hergestellt. Die homogene Schmelze wird in einer Mi- ao nute auf Zimmertemperatur abgekühlt, wodurch eine feinkörnige homogene Verteilung der Legierungskomponenten gewährleistet wird. Aus diesem Legierungsmaterial wird ein Kügelchen hergestellt, das auf den Grundkörper der Halbleiteranordnung aufgeschmolzen wird. Die Aufschmelztemperatur ist 700° C oder weniger und richtet sich nach der gewünschten Tiefe des pn-Überganges. Die Legierungszeit liegt unter 30 Minuten.

30 Ausführungsform 3

Ein pnp-Transistor wird nach der üblichen Legierungstechnik hergestellt. Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird zur Herstellung des Emitters eine Legierung von 8 Molprozent des Eutektikums Gold—Silizium mit 2 Atomprozent Gallium und/oder Indium und zum Rest aus Zinn durch Zusammenschmelzen bei 600° C hergestellt. Die Schmelze wird in einer Minute auf Zimmertemperatur abgekühlt. Ein aus dieser Legierung hergestelltes Kügelchen wird auf den Grundkörper der Halbleiteranordnung aufgeschmolzen. Die Aufschmelztemperatur ist 700° C oder weniger. Die Legierungszeit ist kürzer als 30 Minuten.

Ausführungsform 4

Ein pnp-Transistor wird nach der üblichen Legierungstechnik hergestellt. Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird zur Herstellung des Emitters eine Legierung aus 20 Molprozent des Eutektikums Gold—Silizium und 78 Atomprozent Wismut, zum Rest aus Gallium und/oder Indium auf den Grundkörper der Halbleiteranordnung aufgeschmolzen.

Die nach der Erfindung hergestellten Transistoren zeigen das vorteilhafte Verhalten von α bei wachsendem Kollektorstrom, wie es Kurve 3 in den F i g. 1 und 2 zeigt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper aus Germanium und einem oder mehreren Übergängen, insbesondere pn-Übergängen, bei dem mindestens einer der Übergänge durch Aufschmelzen einer Siliziumlegierung erzeugt wird, die beim Erkalten auf dem Germaniumkörper eine rekristallisierte halbleitende Zone erzeugt, welche einen größeren Bandabstand hat als der Germaniumkörper der Halbleiteranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Einlegieren des Überganges verwendete Siliziumlegierung mindestens drei andere, voneinander verschiedene Bestandteile enthält und der erste der Bestandteile aus Indium oder Wismut besteht, ein zweiter Bestandteil durch ein oder mehrere Elemente der III. Gruppe des Periodischen Systems und der dritte Bestandteil durch mindestens eines der Elemente Germanium, Zinn, Wismut, Gold, Silber oder Zink gebildet wird und daß eines der Elemente Indium oder Wismut zu mindestens 50 Atomprozent in der Legierung enthalten ist und die Auswahl so vorgenommen ist, daß in der Legierung mindestens vier voneinander verschiedene Elemente enthalten sind.

2. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Überganges eine Legierung, die Germanium, Silizium und mindestens 50 Atomprozent Indium enthält, auf den Germaniumkörper aufgeschmolzen wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Überganges eine Legierung aus Gold, Silizium und mindestens 50 Atomprozent Indium und weniger als 5 Atomprozent Gallium auf den Germaniumkörper aufgeschmolzen wird.

4. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Überganges eine Legierung aus dem Eutektikum Gold—Silizium, weniger als 5 Atomprozent Gallium und mindestens 50 Atomprozent Indium auf den Germaniumkörper aufgeschmolzen wird.

5. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Überganges eine Legierung aus weniger als 10 Molprozent des Eutektikums Gold—Silizium, weniger als 5 Atomprozent Gallium und zum Rest aus Indium auf den Germaniumkörper aufgeschmolzen wird.

6. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Überganges eine Legierung aus Wismut, Gold, Silizium mit mindestens 50 Atomprozent Wismut sowie aus weniger als 2 Atomprozent Gallium und/oder Indium auf den Germaniumkörper aufgeschmolzen wird.

7. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Überganges eine Legierung aus 20 Molprozent des Eutektikums Gold—Silizium und 78 Atomprozent Wismut und zum Rest aus Gallium und/oder Indium auf den Germaniumkörper aufgeschmolzen wird.

8. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß statt Gold Silber verwendet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei so niedriger Temperatur und in so kurzer Zeit aufgeschmolzen wird, daß die

Quadratwurzel aus dem Produkt der Diffusionskonstanten des bei der Aufschmelztemperatur am schnellsten diffundierenden in der Legierung enthaltenden Akzeptor- und Donatorelementes der III. oder V. Gruppe und der Aufschmelzzeit höchstens 10"⁵ cm beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 961 913; deutsche Auslegeschriften Nr. 1 036 392, 1050 450:

USA.-Patentschrift Nr. 2 922 092; französische Patentschrift Nr. 1 230 942.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 689/244 9.64 Q Bundesdruckerei Berlin