DE1182351B - Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkoerper aus einer halbleitenden Verbindung und Verfahren zu seinem Herstellen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H Ol I

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1182 351

Aktenzeichen: S 42062 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 23. Dezember 1954

Auslegetag: 26. November 1964

Es sind Halbleiterbauelemente mit halbleitenden Verbindungen vom Typ AmBv — das sind Verbindungen eines Elementes A der III. Gruppe des Periodischen Systems mit einem Element B der V. Gruppe des Periodischen Systems — bekanntgeworden (Patentanmeldung S 22281 VIIIc/21g und die entsprechende französische Patentschrift 1 057 038 sowie die deutsche Patentschrift 970 420). Die in Frage kommenden Verbindungen sind in verschiedener Hinsicht als Nachbildungen der halbleitenden Elemente Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Germanium (Ga) und Zinn (Sn), die zur IV. Gruppe des Periodischen Systems gehören, aufzufassen. Die physikalischen Eigenschaften dieser halbleitenden Elemente, insbesondere die spezifischen Haibleitereigenschaften, ändern sich vom Kohlenstoff bis zum Zinn von Element zu Element, auf eine bestimmte Eigenschaft bezogen, gleichsinnig. Die Am Bv-Verbindungen gestatten es, die Eigenschaftsbereiche zwischen Kohlenstoff und Zinn in einem höheren Maße stetig zu überbrücken. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß die Änderungen verschiedener Eigenschaften, z. B. der Breite der verbotenen Zone und der Trägerbeweglichkeit, von Element zu Element in entgegengesetztem Sinne verlaufen. So nimmt z. B. die Breite der verbotenen Zone vom Kohlenstoff zum Zinn und damit auch der Schmelzpunkt ab und die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Eigenschaften zu; gleichzeitig nimmt die Trägerbeweglichkeit zu. Dies bedeutet, daß bei verhältnismäßig großer Elektronenbeweglichkeit einer Verbindung vom Typ Am Bv eine verhältnismäßig große Temperaturabhängigkeit der elektrischen Eigenschaften besteht. So erreicht man z. B. bei InSb eine optimale Elektronenbeweglichkeit, nach neueren Messungen von etwa 65000 cm²/Vsec, bei verhältnismäßig großer Temperaturabhängigkeit. Für Anwendungen, bei denen es auf eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit ankommt, empfiehlt es sich, Verbindungen zu verwenden mit großer Breite der verbotenen Zone, also Verbindungen, die dem Ge oder gar dem Si entsprechen. So erreicht man bei InAs, dessen Breite der verbotenen Zone 0,45 eV beträgt — gegenüber 0,27 eV bei InSb —, eine wesentlich geringere Temperaturabhängigkeit als bei InSb; dafür muß jedoch eine geringere Trägerbeweglichkeit, die etwa bei 30000 cm²/Vsec liegt, in Kauf genommen werden. Geht man zu Verbindungen über, die dem Ge noch näher stehen, so erreicht man zwar eine noch kleinere Temperaturabhängigkeit, dafür aber auch eine wesentlich kleinere Trägerbeweglichkeit. So besitzt zwar GaSb wie Ge eine Breite der verbotenen Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper aus einer halbleitenden Verbindung und Verfahren zu seinem Herstellen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft, Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Otto Gert Folberth, Erlangen-Bruck

Zone von ungefähr 0,7 eV, jedoch nur eine Elektronenbeweglichkeit von etwa 3000 cm^a/Vsec. Für viele Halbleiterbauelemente wäre daher ein Halbleiterstoff erwünscht, der einerseits die Beweglichkeit oder zumindest eine ähnliche Beweglichkeit wie InAs und andererseits eine verhältnismäßig sehr kleine Temperaturabhängigkeit aufweist.

Die vorgenannten Forderungen werden bei dem Halbleiterbauelement nach der vorliegenden Erfindung erfüllt. Erfindungsgemäß ist als Halbleitermaterial für den Halbleiterkörper ein Mischkristall aus A^mB^v-Verbindungen mit Ausnahme von Mischkristallen der Form (AzBj-a;) niciV mit 0 < χ < 1 verwendet. Insbesondere werden solche Mischkristalle verwendet, die zwei Komponenten aus der V. Gruppe des Periodischen Systems und eine Komponente aus der III. Gruppe des Periodischen Systems enthalten, also Mischkristalle der Form A₁ ¹¹¹ (Q, D₁-^ mit Q <y < 1. Weiterhin sind Mischkristalle vorgesehen mit je zwei Komponenten aus der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems, also Mischkristalle der Form (A_xB₁-X)¹¹¹ (Cy D₁-^)V mit 0 < x,y < 1. Als Komponenten eignen sich besonders die Elemente Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) der III. Gruppe des Periodischen Systems und die Elemente Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) der V. Gruppe des Periodischen Systems.

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Es ist bekannt, daß zwischen zwei Elementen A und B, die beide im selben System kristallisieren und darüber hinaus auch sonst nicht weit voneinander abweichende Eigenschaften aufweisen, im allgemeinen eine lückenlose Mischkristallbildung möglich ist, z.B. bei Ag-Au, Sb-Bi, Ge-Si. Die Eigenschaften dieser Mischkristalle ändern sich dabei stetig, je nach Zusammenhang, von den Eigenschaften des reinen A bis zu jenen des reinen B. Dies ist auch bei den genannten Mischkristallen aus den halbleitenden EIementen Ge und Si der Form Ge_x Si J₁-^ hinsichtlich der Größe der verbotenen Zone und der Trägerbeweglichkeit festgestellt worden. Weiterhin ist ein halbleitendes Material, insbesondere für Gleichrichter und Transistoren, vorgeschlagen worden; es ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung von Aluminiumantimonid und Galliumantimonid verwendet wird, die etwa· 33,5 bis 0,93 Gewichtsprozent Gallium, 1,44 bis 17,65 Gewichtsprozent Aluminium und als Rest Antimon enthält und bei der die Summe ao der Gewichtsprozente von Gallium und des 2,01 fachen der von Aluminium etwa dem Wert 36,4 entspricht und die eine Korrosionsbeständigkeit besitzt, die besser ist als diejenige von Aluminiumantimonid allein. Es ist ferner eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiter aus A^mB^v-Verbindungen vorgeschlagen worden; der Halbleiter besteht aus einer Verbindung von einem Element der V. Gruppe und zwei verschiedenen Elementen der III. Gruppe des Periodischen Systems, mit Ausnahme einer Verbindung von Aluminiumantimonid und Galliumantimonid, also Antimon aus der V. Gruppe und Aluminium und Gallium aus der III. Gruppe. Dagegen ist die Verwendung von halbleitenden Mischkristallen in Halbleitergeräten des erfindungsgemäßen Typs neu. Zudem war nicht bekannt, daß derartige Mischkristalle überhaupt existent sind. Auf der neuen Erkenntnis über die tatsächliche Existenz derartiger Mischkristalle beruht die vorliegende Erfindung.

Aus der großen Zahl der halbleitenden Verbindungen vom Typ Am By, sind vom Erfinder diejenigen herausgestellt worden, die hinsichtlich ihrer Halbleitereigenschaften und Herstellungsverfahren von besonderer technischer Bedeutung sind. Es sind dies die sechzehn Verbindungisn, die sich aus den obengenannten Komponenten ergeben. Eine entsprechende Auswahl aus der großen Zahl der sich nach der Lehre der Erfindung ergebenden Mischkristalle aus AmBv-Verbindungen wird auch bei der vorliegenden Erfindung getroffen. Unter Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte sind vor allem die Mischkristalle der Form In₁(As^P₁-J,) und Ga₁(As^P₁-J/) hervorzuheben. Gegenüber den InAs- bzw. GaAs-Halbleiterverbindungen können bej diesen Mischkristallen durch die Wahl des Zusatzes an Phosphor die elektrischen Eigenschaften, insbesondere die Größe der Breite der verbotenen Zone und damit die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Eigenschaften wesentlich beeinflußt werden, so daß man für gewisse Anwendungen erwünschte Zwischenwerte der Halbleitereigenschaften oder aber bestimmte vorgegebene Werte erreichen kann.

Die Herstellungsverfahren der Halbleitermischkristalle für die erfindungsgemäßen Halbleitergeräte stimmen weitgehend mit den von der Anmelderin für die Herstellung von AmBv-Halbleiterkörpern angegebenen Verfahren überein. Vor allem kommt das Zusammenschmelzen der Komponenten in Frage.

Weiterhin können analog wie bei den Halbleiterverbindungen Vorkehrungen zur Reinigung, Homogenisierung und zur Erzielung einer monokristallinen Struktur getroffen werden, z. B. durch Zonenschmelzen, Schmelzen mit gerichtetem Erstarren oder durch Ziehen eines Einkristalls aus der Schmelze, gegebenenfalls in Verbindung mit dem weiteren Merkmal, daß beim Gießen der Verbindung oder beim Ziehen des Einkristalls ein monokristalliner Keim mit der Schmelze in Berührung gebracht wird.

Der Begriff »Halbleiterbauelement« im Sinne der Erfindung erfaßt alle elektrischen, magnetischen, photoelektrischen und optischen Bauelemente, für die Halbleiterkörper verwendet sind und bei denen von den spezifischen Halbleitereigenschaften dieser Körper Gebrauch gemacht ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die vom Erfinder vorgeschlagenen Anwendungen von halbleitenden Verbindungen mit Trägerbeweglichkeiten von 4000 cm^a/Vsec, vorzugsweise von 10000, 20000 cm²/Vsec und mehr, wie z. B. für Gleichrichter, Transistoren, thermo- und photoelektrische Geräte, Heißleiter und für zahlreiche galvanomagnetische Anwendungen, vor allem der magnetischen Widerstandsänderung, des Halleffektes (»Hallgeneratoren«) und des magnetischen Sperrschichteffektes.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper aus einer halbleitenden Verbindung, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial für den Halbleiterkörper ein Mischkristall aus A¹¹¹ B^v-Verbindungen mit Ausnahme von Mischkristallen der Form (A_2;B₁__a;)^IIIC₁ ^v mit 0 < χ < 1 verwendet ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischkristall die Form A₁ ¹¹¹OCjZD₁-Ji)V mit 0 < y < 1 hat.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischkristall die Form (A_a;B₁-x)ⁿⁱ(C_i,D₁-_!,)v _mj_t 0<x,y<l hat.

4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Komponenten aus der III. Gruppe des Periodischen Systems die Elemente Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga),, Indium (In) und als Komponenten aus der V. Gruppe des Periodischen Systems die Elemente Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) verwendet sind.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterkörper ein Mischkristall der Form In₁(As^P₁-J,) verwendet ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterkörper ein Mischkristall der Form Ga₁(ASyP₁-J,) verwendet ist.

7. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper durch Zusammenschmelzen der Komponenten der Halbleiterverbindung hergestellt wird.

8. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterverbindung gereinigt und homogenisiert wird und daß eine einkristalline Struktur hergestellt wird, z. B. durch Zonen-

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schmelzen, durch Schmelzen mit gerichtetem Er- In Betracht gezogene Druckschriften:

starren, durch Gießen oder durch Ziehen eines Deutsche Patentschrift Nr. 868 354;

Einkristalls aus der Schmelze, und daß gegebenen- HeIv. Phys. Acta, Bd. 26, 1953, Hft. 6, S. 578 bis

falls beim Gießen der Verbindung oder beim S. 583;

Ziehen des Einkristalls ein einkristalliner Keim 5 Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 7a, 1952, S. 744

mit der Schmelze in Berührung gebracht wird. bis S. 749.

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