DE1101769B

DE1101769B - Verfahren zur Herstellung von Gold-Bor-Legierungen und Verwendung dieser Legierungen zur Dotierung von Halbleitermaterialien

Info

Publication number: DE1101769B
Application number: DED30764A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Eugen Duerrwaechter; Dr-Ing Karlernst Mueller
Original assignee: Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1959-05-30
Filing date: 1959-05-30
Publication date: 1961-03-09

Description

Verfahren zur Herstellung von Gold-Bor-Legierungen und Verwendung dieser Legierungen zur Dotierung von Halbleitermaterialien Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Gold-Bor-Legierungen und auf die Verwendung dieser Legierungen zur Dotierung von Halbleitermaterialien (Germanium oder Silicium).
Es ist bekannt, bei Transistoren und Dioden den sogenannten p-n-Übergang durch dosiertes Einbringen bestimmter Elemente -der III. oder V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente zu erzeugen.
Diese Dotierung kann auf verschiedene Weise erfolgen, z. B. durch einen Legierungsprozeß oder durch Aufdampfen und anschließendes Eindiflundieren des entsprechenden Metalls in das Halbleitermaterial. Auf jeden Fall ist es erforderlich, daß die Dotierungselemente sich mit dem Halbleitermaterial (Germanium oder Silicium) gut legieren bzw. dasselbe benetzen.
Aus der III. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente haben sich bisher die Metalle Aluminium, Gallium und Indium als geeignet erwiesen. Das Element Bor konnte dagegen bisher wegen seines sehr hohen Schmelzpunktes (etwa 2200° C) zur Dotierung noch nicht verwendet werden.
Die Elemente der V. Gruppe =des Periodischen Systems haben bekanntlich einen Übergangscharakter vom Metall zum Nichtmetall.. Sie sind daher als reine Elemente zur Dotierung nicht geeignet. Sie werden aber in Form von Legierungen verwendet, welche die Halbleiter bei relativ niedrigen Temperaturen gut benetzen und mit ihnen niedrigschmelzende Eutektika bilden. Zum Beispiel haben sich Goldlegierungen mit 0,1 bis 2% Antimonzusatz als-besonders geeignet erwiesen.
Das Element Bor legiert sich nun infolge seines halbmetallischen Charakters nur sehr schwer oder überhaupt nicht mit anderen Stoffen. In dem Buch von M. Hansen und K. Anderko, »Constitution of Binary Alloys«, 1958, S. 186, wird letzteres z. B. von Bor und Gold behauptet. Tatsächlich scheitern Versuche, Bor und Gold unter Hochvakuum in Titanoxydtiegeln miteinander zu legieren. Die erhaltenen Schmelzen zeigten bei der spektrographischen Analyse zwar Spuren von Titan, jedoch kein Bor. Aber auch die bekanntgewordenen Borlegierungen kommen für Dotierungszwecke nicht in Frage.
Überraschenderweise gelingt es jedoch, Bor mit Gold zur Reaktion zu bringen, wenn dem Gold zuerst 2 bis 3 % Magnesium oder Aluminium zulegiert wird, diese Schmelze kurzzeitig auf 2000° C erhitzt und ihr dann unter Vakuum etwa 2 bis 5% Bor zugesetzt wird, welches vorher aus reinstem Borpulver zu kleinen Tabletten verpreßt und gesintert wurde.
Das Bor löst sich dabei ziemlich rasch in der Goldschmelze auf, weil das in dem Gold enthaltene Magnesium oder Aluminium vermutlich die Oberflächen-Spannung der Goldschmelze so stark erniedrigt, dä6 eine Benetzung zwischen Bor und Gold eintreten kann.
Wird als Legierungsmetall zu Gold Magnesium verwendet und wird die mit Bor- versetzte Schmelze längere Zeit im Hochvakuum bei etwa 2000° C flüssig gehalten, so verdampft clas Magnesium infolge seines hohen Dampfdruckes restlos,' -und man erhält. eine magnesiumfreie Gold-Bor-Legierung.
Das Aluminium läßt sich aus der Goldschmelze nicht wie Magnesium abdestillieren, so daß die mit Gold-Aluminium erschmolzenen Borlegierungen stets Aluminium enthalten. Da jedoch das Aluminium ebenso wie das Bor der III. Gruppe des Periodischen Systems angehört, so stört das Aluminium bei der Dotierung von Germanium oder Silicium mit einer Gold-Bor-Legierung nicht.
Bei den Versuchen zur Herstellung von Gold-Bor-Legierungen wurden stets Titanoxydtiegel verwendet und bei der Analyse der Legierungen nur kleinste Spuren von Titan gefunden. Schmilzt man jedoch reines Gold in einem Tiegel aus Magnesiumoxyd oder aus einer Tiegelmasse, die hauptsächlich Magnesiumoxyd und zum kleineren Teil Aluminiumoxyd enthält, und gibt zu dem auf etwa 2000° C erhitzten flüssigen Gold elementares Bor, so tritt überraschenderweise ebenfalls sofort eine Legierungsbildung zwischen Gold und Bor ein. Beim Zusetzen des Bors zu flüssigem Gold tritt unter plötzlicher Feuererscheinung eine Reaktion zwischen dem Bor und der Tiegelwand-derart ein, daß eine Reduktion von Magnesiumoxyd und Aluminiumoxyd zu den entsprechenden Metallen stattfindet. Durch die Legierungsbildung des Magnesiums bzw. Aluminiums mit dem Gold kann jetzt auch ein Einlegieren des Bors in die Goldlegierung erfolgen.
Daß tatsächlich eine Reaktion zwischen Bor und der Tiegelwand und eine Reduktion von Magnesiumoxyd und Aluminiumoxyd zu den entsprechenden Metallen und gleichzeitig eine Bildung von Magnesium-Aluminium-Bor-Legierungen stattfindet, konnte dadurch bestätigt werden, daß die Legierungsbildung in einem Titanoxydtiegel vorgenommen und zu dem Gold pulverförmiges Magnesiumoxyd oder Aluminiumoxyd zugesetzt wurde. Auch hier findet beim Zusetzen des Bors zu der Goldschmelze, auf der die pulverförmigen Oxyde schwimmen, unter Feuererscheinung eine Reduktion der Oxyde zu den Metallen und ein gleichzeitiges Legieren der letzteren mit Bor und Gold statt.
Bei der technischen Herstellung der erfindungsgemäßen Legierungen unter Verwendung von -Magnesiumoxyd und Aluminiumoxyd sollten Tiegel -aus Magnesiumoxyd allein oder mit Aluminiumoxyd möglichst vermieden und die pulverförmigen Oxyde ingenau dosierten Mengen verwendet werden. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Legierungen ist jedoch grundsätzlich auch unter Verwendung entsprechender Tiegelmaterialien möglich und gehört somit zum Gegenstand der Erfindung.
Die unter Verwendung der Metalle Magnesium, Aluminium oder ihrer Oxyde erschmolzenen borhaltigen Legierungen sind spröde und lassen sich nach üblichen Verfahren der spanlosen Formgebung nicht weiterverarbeiten. -Die Gold-Bor-Legierungen enthalten, wenn das Magnesium durch längeres Erhitzen abgedampft ist, 2 bis 5% Bor; die Gold-Aluminium-Bor-Legierungen enthalten 2 bis 59°/o Bor und bis zu 20/9 Aluminium. Diese Vorlegierungen werden nun mit reinem Gold derart legiert, daß sie 0,1 bis 2 % Bor, Rest Gold, bzw. ' 0,1 bis 2% Bor, 0;05 bis 0,5% Aluminium, Rest Gold, enthalten.
Diese Gold-Bor-Legierungen eignen sich nun in überraschender .eise sehr gut für.-die. erwähnten Dotierungszwecke, und zwar besonders in folgender Zusammensetzung: 0;2 bis 1% Bor, Rest Gold; 0;2 bis 1 0% Bor, 0;1 bis 3'°/o Aluminium,. Rest Gold:.
Um für die Dotierung schädliche Metalle in den:@erfindungsgemäßen Legierungen zu vermeiden, geht man: vorteilhaft von reinsten Metallen aus, die weniger als 0,001% Verunreinigungen aufweisen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung von Gold-Bor-Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Gold-Magnesium-Legierung, die im Hochvakuum auf etwa 2000° C erhitzt ist, reines Bor in gesintertem Zustand zugesetzt wird und daß die dabei gebildete Gold-Magnesium-Bor-Legierung so lange bei etwa 2000° C im Vakuum erhitzt wird, bis das gesamte Magnesium abgedampft ist und eine magnesiumfreie Gold-Bor-Legierung zurückbleibt.
2. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Herstellung von Gold-Aluminium-Bor-Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Gold-Aluminium-Legierung, die im Hochvakuum auf etwa 2000° C erhitzt ist, reines Bor in gesintertem Zustand zugesetzt wird.
3. Verfahren zur Herstellung -von Gold-Magnesium-Bor-Legierungen und Gold-Aluminium-Bor-Legierungen gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch. gekennzeichnet,- daß bei der Legierungsbildung an Stelle von metallischem-Magnesium bzw. metallischem Aluminium die entsprechenden Oxyde vorzugsweise in - dosierter Menge und in Pulverform verwendet werden. -' ' ' 4.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch ge-- .'kennzeichnet, däß zur Herstellung der Gold-Magne-' sium-Bdr-Legierungen bzw.
Gold-Aluminium-Bor-Legierungen` Schmelztiegel aus Magnesiumoxyd bzw. aus Mischungen von Magnesiumoxyd mit Aluminiumoxyd verwendet werden. :' 5.-'Verfahren-gemäß -den-Angprüchen 1 bis =?1; -dä' durch: gekennzeichnet, däß zuerst- Gold-Vorlegierungen mit höherem Magnesiumgehalt, Aluminium-- Behalt und Borgehalt erschmolzen und durch Zulegieren entsprechender Mengen von reinem Gold die' Legierungen in den - gewünschten Zusammensetzüngen hergestellt werden.
6. Verwendung von Gold-Bor-Legierungen bzw. Gold-Alüminiüm=Bor-Legierungen, hergestellt gemäß .den Ansprüchen 1 bis 5, zur Dotierung von Halbleitermaterialien, vorzugsweise Germanium -oder Silicium, wobei der Borgehalt unter 2%, vorzugsweise -bei 0,1 bis 1.9[o; der Aluminiumgehalt . unter 0,5 %, -vorzugsweise bei 0,1 'bis 0,3 0/0,. liegt, während der Rest der Legierung aus Gold besteht.