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Legierungsverfahren zur Herstellung von mehreren durch sehr dünne
Mittelschichten getrennten p-n-Ubergängen in Halbleiterkörpern Die Erfindung betrifft
ein Legierungsverfahren zur Herstellung von mehreren pn-übergängen, z. B. pnp-oder
npn-Schichten in Halbleiterkörpern mit sehr dünner Mittelschicht durch Aufschmelzen
von Störstellenmaterial, das Donatoren und Akzeptoren mit sehr verschiedenen Diffusions-
und Abscheidungskoeffizienten enthält, auf die Oberfläche eines einkristallinen
Halbleiterkörpers unter nachfolgender Kühlung vom Halbleitergrundkörper her.
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Der Anwendungsbereich von mit solchen Halbleiterbauelementen ausgestatteten
Verstärkeranordnungen ist noch stark beschränkt, da es mit den bekannten Verfahren
nicht möglich ist, Anordnungen mit hoher Grenzfrequenz herzustellen. Die obere Grenzfrequenz
der nach bekannten Verfahren hergestellten Schichttransistoren liegt etwa bei 30
MHz, was für die meisten Anwendungsgebiete der Hochfrequenztechnik bei weitem nicht
ausreicht.
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Diese Grenzfrequenz ist im wesentlichen durch Verzögerungseffekte
der Ladungsträger in der feldfreien Mittelschicht bedingt. Wenn nämlich die Ladungsträger
(Elektronen oder Defektelektronen) aus der Emitterschicht in die Basisschicht eingedrungen
sind, so breiten sie sich dort wegen des Fehlens eines elektrischen Feldes in der
Hauptsache unter dem Einfluß eines Diffusionspotentials aus. Wenn nun die Frequenz
sehr hoch ist, gelangen die Ladungsträger während einer Halbperiode der Schwingung
nur noch zum Teil oder auch gar nicht mehr bis zur gegenüberliegenden Kollektorschicht,
da die Diffusionsvorgänge nur relativ langsam ablaufen. Daher ist ein Abfluß der
Ladungsträger in die Kollektorschichtnur noch begrenzt oder gar nicht mehr möglich.
Hierdurch ist die obere Grenzfrequenz des Transistors im wesentlichen bedingt.
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Theoretische überlegungen führen zu der Beziehung Legierungsfronten
(Sperrschichten) keinen glatten Verlauf aufweisen oder gegeneinander gewölbt sind.
Da dann die Mittelschicht an verschiedenen Stellen verschieden dick ist, haben die
Ladungsträger unterschiedliche Weglängen zurückzulegen, was wiederum zu störenden
Laufzeiteffekten führt. Für die Herstellung von Schichttransistoren mit hoher Grenzfrequenz
ist also auch auf eine möglichst glatte und planparallele Ausbildung der Legierungsfronten
von Bedeutung.
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Das heute übliche Verfahren zur Herstellung von Schichttransistoren
besteht bekanntlich darin, daß auf einander gegenüberliegenden Seiten eines dünnen
Halbleiterscheibchens von bestimmtem Leitfähigkeitstyp Störstellenmaterial von entgegengesetztem
Leitungstyp auflegiert wird. Hierdurch wird erreicht, daß in den Legierungsbereichen
die ursprünglich vorhandene Leitfähigkeit des Halbleiterkristalls in eine Leitfähigkeit
von entgegengesetztem Leitungstyp umgewandelt wird. Um bei diesem Verfahren eine
dünne Mittelschicht zu erhalten, sind jedochgroßeLegierungstiefen erforderlich,
wodurch das Zustandekommen von glatten Legierungsfronten behindert wird. Die entstehenden
Sperrschichten weisen daher eine unregelmäßige Struktur auf, so daß die Mittelschicht
nur an einigen wenigen Stellen die gewünschte Dicke hat.
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Bei diesem Verfahren ist es bekannt, auf der einen Seite auf mechanischem
Wege eine Vertiefung in dem Halbleitergrundkörper vorzusehen, in welche das fragliche
Störstellenmaterial eingebracht wird. In Abb. 1 ist 1 ein Scheibchen aus einkristallinem
Halbleitermaterial, beispielsweise aus n-leitendem Germanium, welches an seiner
einen Seite eine Vertiefung die den Zusammenhang zwischen der oberen Grenzfrequenz
eines Flächentransistors und der Dicke der Mittelschicht wiedergibt. Dabei bedeutet
@c die Beweglichkeit der Ladungsträger in cm2/Voltsekunde, UT die von den Ladungsträgern
bei der Temperatur T durchlaufene Potentialdifferenz und w die Dicke der Mittelschicht
in cm.
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Will man also die obere Frequenzgrenze fG,, von Schichttransistoren
erhöhen, so muß bei vorgegebenemy und UT die Schichtdicke w der Mittelschicht
möglichst klein gemacht werden.
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Ein weiterer Effekt, durch den bei Schichttransistoren die obere Frequenzgrenze
herabgesetzt wird, tritt auf, wenn die einander gegenüberstehenden
oder Bohrung 2 enthält.- Mit 3 und 4 sind zwei kleine Körnchen
aus Störstellenmaterial, beispielsweise Indium, bezeichnet, von denen das größere
auf die ebene Oberfläche und das kleinere im Innern der Vertiefung 2 auf den Halbleiterkörper
1 legiert wird. Auf diese Weise wird erreicht, -daß die beiden gegenüberliegenden
Grenzzonen der pnp-Verbindung schon von vornherein näher aneinanderrücken, so daß
zur Erzielung einer bestimmten Schichtdicke keine allzu große Legierungstiefe mehr
erforderlich ist und eine glatte und annähernd ebene Ausbildung der gegenüberliegenden
Sperrschichten gewährleistet ist. Aus Festigkeitsgründen kann die Bohrung 2 jedoch
nicht beliebig tief gemacht werden. Es ist deshalb nicht möglich, eine beliebig
dünne Mittelschicht nach diesem Verfahren herzustellen. Die so erreichbaren Schichtdicken
der Mittelschicht betragen etwa 20,u. Um den Forderungen der Hochfrequenztechnik
nach 100 MHz Bandbreite und mehr gerecht zu werden, müßten jedoch Schichtdicken
von einigen ,u Dicke und weniger erreicht werden.
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Außerdem ist es bekannt, die Vertiefung in dem Halbleitergrundkörper
auf chemischem Wege, beispielsweise durch Ätzung, zu erzeugen. Bei diesem Verfahren
wird; wie in Abb. 2 dargestellt ist, aus je einer Düse 5 ein dünner Strahl einer
Ätzflüssigkeit von beiden Seiten gegen eine bestimmte Stelle 6 der Oberfläche des
Halbleiterkörpers 7 gespritzt. Dabei enthält die Ätzflüssigkeit noch eine bestimmte
metallische Komponente in Lösung, beispielsweise Indium, falls der Halbleiterkörper
7 aus n-Typ-Germanium besteht. Wenn die Vertiefungen 6 durch den Ätzvorgang die
gewünschte Tiefe erreicht haben, wird der Schalter 8 geschlossen, so daß sich die
in der Lösung befindlichen zusätzlichen Metallionen (Indiumionen) als dünne Metallschicht
9 in den Vertiefungen niederschlagen. Dies hat zur Folge, , daß. die an diesen Metallschichten
unmittelbar angrenzenden Halbleiterzonen p-leitend werden. Mit diesem Verfahren
lassen sich Anordnungen herstellen, die eine Mittelschicht mit bestenfalls einer
Dicke von etwa 10,u aufweisen. Auch diese Schichtdicken genügen noch nicht, um den
Anforderungen der Hochfrequenztechnik gerecht zu werden.
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Auch mit den bekannten Kristallziehverfahren, bei denen pnp- bzw.
npn-Schichtkristalle durch Änderung der Ziehgeschwindigkeit oder der Temperatur
aus einer Schmelze gezogen werden, ist es nicht möglich, Mittelschichten mit einer
Dicke von .einigen ,a oder weniger herzustellen.
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Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen
mit npn- bzw. pnp-Struktur, mit dem es möglich ist; die Mittelschicht beliebig dünn
zu machen; und welches die Ausbildung von annähernd glatten und planparallel zueinander
verlaufenden Legierungsfronten gewährleistet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
lassen sich Transistoren herstellen, die eine weit höhere Grenzfrequenz als die
nach bisherigen Verfahren hergestellten Transistoren besitzen.
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Es ist bereits bekannt, bei einem Legierungsverfahren ein Legierungsmaterial
zu verwenden, das zur Verbesserung des Stromverstärkungsfaktors neben dem den Leitfähigkeitstyp
bestimmenden Störstellenmaterial auch noch eine Störstellenkomponente vom entgegengesetzten
Leitungstyp enthält. Dabei- ist die Diffusionskonstante der Hauptverunreinigung
größer als die der Nebenverunreinigung.
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Das erfindungsgemäße -Verfahren besteht demgegenüber darin, da.ß auf
einen einkristallinen Halb-=:-leitergrundkörper eines Leitungstyps eines Element-oder
Verbindungshalbleiters eine bestimmte Menge eines zweiten Halbleiterkörpers vom
gleichen Leitungstyp wie der Halbleitergrundkörper entweder als Elementhalbleiter
der gleichen Gruppe des Periodischen Systems der Elemente oder als intermetallische
Verbindung, die aus gegenüber dem Halbleitergrundkörper wirksamen Donatoren und
Akzeptoren zusammengesetzt ist, aufgeschmolzen wird, wobei zur Erzielung einer dünnen
Mittelschicht entgegengesetzten Leitungstyps ein in mindestens einem der beiden
Halbleiterkörper enthaltender. Störstellentyp (Donator oder Akzeptor), der den Leitungstyp
der dünnen Mittelschicht bestimmt, in bezug auf die Kristallgitter beider Halbleiterkörper
eine größere Abscheidüngskonstante k als der andere Störstellentyp aufweist.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung empfiehlt
es sich, daß- der Halbleitergrundkörper einen höheren Schmelzpunkt besitzt als der
auf diesen aufzuschmelzende Halbleiterkörper. Wenn die verwendeten Halbleiterkörper
diese Eigenschaft nicht besitzen, muß durch Kühlung dafür gesorgt werden, daß der
Halbleitergrundkörper beim Legierungsvorgang fest bleibt.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung muß zumindest der eine Halbleiterkörper
Störstellen beiderlei Leitfähigkeitstypen enthalten, und zwar kann dies entweder
der Halbleitergrundkörper oder der auf diesen aufzulegierende Halbleiterkörper sein.
Es können aber auch beide Halbleiterkörper beide Störstellenarten enthalten. Dabei
ist allerdings zu beachten, daß die eine Störstellenart im Halbleitergrundkörper
stets überwiegt.
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Als Halbleitermaterialien im Sinne der Erfindung kommen die bekannten
Halbleiterelemente der IV. Gruppe des Periodischen Systems, wie z. B. Germanium
oder Silizium, oder auch chemische Verbindungen mit halbleitendem Charakter, die
als intermetallische Verbindungen bekannt sind, in Frage.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Halbleitergrundkörper und der
auf diesen auszulegierende Halb-Leiterkörper dem gleichen Gittertyp angehören und
zumindest annähernd in ihrer Gitterkonstante übereinstimmen. Auf diese Weise wird
nämlich erreicht, daß an der Übergangsstelle zwischen dem Halbleitergrundkörper
und dem auflegierten Material keine Kristallverzerrungen auftreten, die die Beweglichkeit
der Ladungsträger behindern würden.
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In Abb. 1 ist ein Beispiel dargestellt, bei dem als Grundkörper eine
intermetallische Verbindung, z. B. Al Sb, verwendet werden und der auf diesen aufzulegierende
Halbleiterkörper aus einem Element der IV. Gruppe, wie z. B. Germanium, bestehen
kann. Ein Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl der Halbleitergrundkörper als auch
der auf diesen aufzulegierende Körper aus einer intermetallischen Verbindung besteht,
zeigt Abb: 3 b. In Abb. 3 c ist schließlich der Fall dargestellt, daß sowohl für
den Halbleitergrundkörper als auch den anderen Halbleiterkörper ein Element der
IV. Gruppe des Periodischen Systems verwendet wird.. Es sei darauf hingewiesen,
daß entsprechend dem zuletzt genannten Fall auch beide Halbleiterkörper aus dem
gleichen Element der IV. Gruppe des Periodischen Systems bestehen können.