DE1116824B - Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Halbleiteranordnung mit mindestens einemp-n-UEbergang - Google Patents

Description

Bei der Herstellung von elektrisch unsymmetrisch leitenden Halbleiteranordnungen ist man — besonders bei der Herstellung von Trockengleichrichtern — in steigendem Maße dazu übergegangen, Halbleiterkörper aus Germanium, Silizium oder halbleitenden intermetallischen Verbindungen zu benutzen. Diese Substanzen zeichnen sich dadurch aus, daß sie eine wesentlich höhere Strombelastung erlauben und wesentlich höhere Sperrspannungen aufweisen als andere Halbleitersubstanzen, die wie Selen oder Kupferoxydul Eingang in die Halbleitertechnik, insbesondere die Gleichrichterfertigung, gefunden haben. Das Interesse richtet sich bei den zuerst genannten Substanzen besonders auf diejenigen Ausführungsformen, bei denen die gleichrichtende Wirkung mit Hilfe eines p-n-Überganges in einem einkristallinen Halbleiterkörper erzielt wird. Unter dem p-n-Ubergang versteht man dabei denjenigen Bereich, in dem die Teile unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters aneinandergrenzen. In der Tiefe eines jeden dieser Teile herrscht eine ziemlich gleichmäßige Konzentration derjenigen Störstellen, die den Leitfähigkeitscharakter bestimmen. Je nach dem angewendeten Herstellungsverfahren befindet sich jedoch auch noch in jedem Teil eine mehr oder weniger hohe Konzentration solcher Störstellen, die an sich den entgegengesetzten Leitfähigkeitscharakter erzeugen würden, die aber' in ihrer Wirkung durch die höher konzentrierten Störstellen überdeckt werden. In dem Bereich des p-n-Überganges steigt nun, wenn man von dem p-leitenden Teil ausgeht, die Konzentration der Elektronen abgebenden Störstellen an bis zur Höhe ihrer Konzentration in dem η-leitenden Teil. Gleichzeitig sinkt die Konzentration der Löcher in dem n-leitenden Teil ab, was jedoch vom η-leitenden Teil her gesehen einem Anstieg der Konzentration entspricht. Je breiter nun der p-n-Übergang ist, desto flacher ist also der Anstieg der jeweiligen Konzentrationen.

In Fig. 1 sind schematisch die Verhältnisse im Gebiet des p-n-Überganges dargestellt, dabei ist die Abszisse in willkürliche Längeneinheiten / und die Ordinate in willkürliche Konzentrationseinheiten N eingeteilt. Die Abszisse zählt vom Nullpunkt aus senkrecht zur Sperrschicht sowohl in den η-leitenden als auch in den p-leitenden Teil hinein. Der Abstand« der beiden gestrichelten Linien gibt die Dicke des p-n-Uberganges an.

Es hat sich nun herausgestellt, daß das zur Erzeugung des p-n-Überganges benutzte Verfahren einen wesentlichen Einfluß darauf hat, ob der p-n-Übergang besonders hohe Sperrspannungen aufweist oder ob der Widerstand in Flußrichtung besonders niedrig

Verfahren zum Herstellen

einer elektrischen Halbleiteranordnung

mit mindestens einem p-n-Übergang

Anmelder:

LICENTIA Patent-Verwaltungs-G. m. b. H., Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Dipl.-Phys. Karl-Heinz Ginsbach, Warstein (Sauerl.), ist als Erfinder genannt worden

liegt. So werden beispielsweise p-n-Übergänge in Halbleitereinkristallen nach einem ersten Verfahren dadurch hergestellt, daß man diese mit Hilfe eines Impfkristalls aus der Schmelze zieht. Die Schmelze enthält dabei sowohl Donatoren als Akzeptoren, und dabei jedoch dafür Sorge getragen ist, daß diese sich hinsichtlich ihres Abscheidungskoeffizienten, der eine Funktion der Wachstumsgeschwindigkeit ist, derart unterscheiden, daß es eine kritische Wachstumsgeschwindigkeit gibt, bei der gleich wirksame Mengen beider Störstellensubstanzen in den wachsenden Kristall eingebaut werden. Abweichungen von dieser Wachstumsgeschwindigkeit bewirken je nach dem Sinne der Abweichung Änderungen des Leitfähigkeitscharakters des Kristalls, weil die eine der beiden Störstellenarten dann bevorzugt eingebaut wird. Somit ist es möglich, p-n-Übergänge herzustellen, die zwar — wie die Erfahrung lehrte -— sehr hohe Sperrspannungen aufweisen, die aber andererseits verhältnismäßig schlechte Flußeigenschaften haben. Diese so erzeugten p-n-Übergänge weisen eine verhältnismäßig große Breite (a in Fig. 1) auf.

Zu ähnlichen Ergebnissen gelangt man bei der Herstellung von p-n-Übergängen nach einem zweiten Verfahren durch Eindiffusion. Zu diesem Zweck wird auf einen Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einem vorgegebenen Leitfähigkeitstyp ein Material aufgebracht, das in dem Halbleiterkörper den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hervorruft, und sodann dieses Material zur Eindiffusion in den HaIb-

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leiterkörper gebracht. Auch auf diese Weise erhält In Fig. 2 ist der obere Teil 2 des Halbleiterkörpers 1

man breite p-n-Übergänge. η-leitend, der untere Teil 3 p-leitend. Die Linien 4

Ein drittes Verfahren zum Erzeugen von p-n-Über- und 5 deuten die Begrenzung des p-n-Überganges

gangen besteht darin, auf einen Teil der Oberfläche gegenüber den Teilen 2 und 3 an. Sie entsprechen den

eines Halbleiterkörpers mit einheitlichem Leitfähig- 5 gestrichelten Linien in Fig. 1. Auf der Mantelfläche

keitscharakter ein Material aufzubringen, das diesen des im Schnitt dargestellten kreiszylindrischen HaIb-

Leitfähigkeitscharakter zu ändern vermag, dessen leiterkörpers begrenzen sie das Gebiet, an dem der

Schmelzpunkt aber unter dem des Halbleiterkörpers p-n-Übergang die Oberfläche des Halbleiterkörpers 1

lag. Erhitzte man nun das System über den Schmelz- schneidet. Die punktierte Linie 6 stellt als geometrische

punkt des aufgebrachten Materials, so löst sich der io Mitte des p-n-Überganges die Schnittlinie zwischen

unter der Schmelze befindliche Teil des Halbleiter- der Halbleiteroberfläche und dem p-n-Übergang im

körpers in dieser und fällt beim Erstarren unter Ein- Sinne der vorliegenden Erfindung dar. Die dieser

bau des in der Schmelze vorhandenen Halbleiter- Schnittlinie benachbarte Zone des p-n-Überganges

materials wieder aus, und es entsteht eine Schicht mit zeigt eine kreisringförmige Aufwölbung 7, die eine

entgegengesetztem Leitfähigkeitscharakter. Diese als 15 größere Breite des p-n-Überganges anzeigt. Betrachtet

Legierungskontakte bekannte p-n-Übergänge haben man nun die Dicke des p-n-Überganges senkrecht zu

eine sehr geringe Breite und ausgezeichnete Eigen- seiner Fläche und den damit verbundenen Anstieg

schäften in Flußrichtung. Es zeigt sich jedoch, daß der Konzentrationen an Hand der Fig. 3, für die die

sie in Sperrichtung nicht hoch belastbar sind. Eine gleichen Überlegungen gelten wie für Fig. 1, so ergibt

genauere Untersuchung ergibt, daß die Sperrschicht 20 sich: An der durch den Strich 8 in Fig. 2 geschnittenen

stets dort zusammenbricht, wo der p-n-Übergang an Stelle des p-n-Überganges nimmt der Konzentrations-

die Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt. Man führt anstieg den in Fig. 3 durch die ausgezogenen Linien

diese Erscheinung auf die nie völlig zu vermeidende dargestellten steilen Verlauf und ergibt eine geringe

Verschmutzung durch Fremdsubstanzen an der Dicke b für den p-n-Übergang, während er an der

Schnittlinie zwischen der Oberfläche des Halbleiter- 25 durch den Strich 9 in Fig. 2 geschnittenen Stelle den

körpers und p-n-Übergang zurück, gegen die diese in Fig. 3 gestrichelt dargestellten flacheren Verlauf

schmalen p-n-Übergänge besonders empfindlich sind. aufweist und zu einer größeren Dicke c des p-n-Über-

Entscheidend für die Breite des p-n-Überganges ist ganges führt. Ähnlich verhält es sich bei dem Beispiel

nun, wie weiter oben ausgeführt und aus Fig. 1 er- der Fig. 4, nur ist dort die Aufwölbung 10 in der

sichtlich, die Steilheit des Anstieges der Störstellen- 30 Zone unsymmetrisch zur Schnittlinie 11.

konzentration im Gebiete des p-n-Überganges. Zur Herstellung eines Halbleiterkörpers mit einem

Es sind bereits Halbleiterkristalle mit p-n-Über- flachen Anstieg der Konzentration in dem damit

gangen bekannt, in denen das Profil der Verunreini- breiteren p-n-Übergang eignet sich besonders das

gungen in der Oberflächenschicht flacher ist als im oben als erstes Verfahren beschriebene Ziehen aus

Innern des Kristalls. Es ist auch bereits bekannt, diese 35 der Schmelze. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein,

Profilabflachung durch Eindiffusion von Störstellen den flachen Anstieg durch Einbau von den Leitfähig-

in den p-n-Übergang zu bewirken. keitscharakter ändernden Störstellensubstanzen mittels

Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf Diffusion in einem zunächst einheitlich leitenden ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Halb- Halbleiterkörper zu bewirken, wie es oben als zweites leiteranordnung mit mindestens einem p-n-Übergang, 40 Verfahren zum Herstellen von p-n-Übergängen andie einen einkristallinen Halbleiterkörper aus Ger- gegeben ist. Dabei sind jedoch, je nach dem vorgemanium, Silizium oder einer halbleitenden inter- sehenen Verwendungszweck, zwei Abwandlungen bemetallischen Verbindung enthält, insbesondere zum sonders vorteilhaft, um breite p-n-Übergänge und Herstellen eines Trockengleichrichters. Erfindungs- damit einen flachen Anstieg zu erzielen. Bei der einen gemäß ist dies Verfahren dadurch gekennzeichnet, 45 Abwandlung besteht in weiterer Ausbildung der Erdaß mindestens ein p-n-Übergang des einkristallinen findung die Möglichkeit, zwei verschiedene Störstellen-Halbleiterkörpers so hergestellt wird, daß der An- substanzen mit gleicher leitfähigkeitsbestimmender stieg der Konzentration der Löcher bzw. Elektronen Wirkung, aber mit geringem Unterschied der Diffuabgebenden Störstellen senkrecht zur p-n-Übergangs- sionsgeschwindigkeit zu verwenden. Damit wird erfläche und über deren ganze Ausdehnung annähernd 50 reicht, daß die beiden Diffusionsfronten dicht hintergleichmäßig ist und daß der mittlere Teil der einander liegen und ihre Längen in Diffusionsrichtung p-n-Übergangsfläche einer solchen Legierungsbehand- sich mindestens überlappend addieren,
lung unterworfen wird, daß der Anstieg in dem mitt- Gemäß der anderen Abwandlung werden in weiterer leren Teil der p-n-Übergangsfläche einen steileren Ausbildung der Erfindung zwei verschiedene Stör-Verlauf aufweist. 55 Stellensubstanzen mit mindestens annähernd gleicher

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß der Le- Diffusionsgeschwindigkeit, aber unterschiedüchen leitgierungsprozeß zur Herstellung der guten Eigen- fähigkeitsbestimmenden Wirkungen in einem solchen schäften des p-n-Überganges in Durchlaßrichtung Mengenverhältnis eingebaut, daß die Menge der den ohne Rücksicht auf die Verhältnisse in der Randzone Leitfähigkeitscharakter des Halbleiterkörpers verdes legierten Bereiches durchgeführt werden kann. 60 ändernden Substanz größer ist, und daß bei ab-Die Randzone kann nicht mehr das Sperrverhalten weichenden Diffusionsgeschwindigkeiten die den Leitungünstig beeinflussen, weil die Sperrspannung am fähigkeitscharakter verändernde Substanz schneller Rand des p-n-Überganges über den breiten Teil des diffundiert. Die Mengen werden dabei zweckmäßig p-n-Uberganges abfällt, der vorher ohne Rücksicht so gewählt, daß im ersten Fall die Summe der einauf das Verhalten in Flußrichtung ausgebildet werden 65 gebauten Störstellen und im zweiten Falle deren kann. Differenz nicht größer ist als beim Einbau nur eines

Die Fig. 2, 3 und 4 erläutern dieses Verfahren an Störstellenmaterials. Auf diese Weise wird sichereinem Beispiel. gestellt, daß zwar der Anstieg wesentlich abgeflacht

wird, die Gesamtmenge der Störstellen aber die gleiche bleibt wie bei der Eindiffusion nur einer Störstellenart.

In den Fig. 5 und 6 sei das Verfahren nach der Erfindung an einem zum Teil schematisch dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel erläutert:

In Fig. 5 sei 12 ein Halbleiterkörper aus Germanium, dessen oberer Teil 13 p-leitend ist und dessen unterer Teil 14 η-leitend ist. Zwischen den Teilen 13 und 14 befindet sich der p-n-Übergang 15, der leicht geschwungen, aber mit annähernd gleicher Breite durch den Halbleiterkörper 12 verläuft. Der Halbleiterkörper sei nach dem oben beschriebenen Verfahren durch Ziehen aus der Schmelze und Ausschneiden aus dem gezogenen Kristall gewonnen, wodurch auch der geschwungene Verlauf des p-n-Überganges bedingt ist. Diese Schmelze kann z. B. aus Germanium mit einem Zusatz von Gallium und Arsen oder von Indium und Antimon bestehen. Der Einbau der jeweils zugesetzten Störstellensubstanzen hängt stark von der Wachstumsgeschwindigkeit ab. Durch Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit von 1 auf 3 mm/min tritt z. B. bei Verwendung von Arsen und Antimon ein Umschlag im Leitfähigkeitscharakter des gewonnenen Germaniums vom n- zum p-Typ auf. Sodann wird auf die Oberfläche des p-leitenden Bereiches 13 eine Substanz 16 aufgebracht, die in Germanium p-Leitung verursacht, z. B. wird Indium aufgedampft. Sodann wird das Gesamtsystem in einer Schutzgasatmosphäre einige Sekunden auf etwa 500° C erhitzt, jedoch nicht über den Schmelzpunkt des Halbleiterkörpers. Dabei löst sich ein Teil der Schicht 13, und zwar so tief, daß der p-n-Übergang 15 ebenfalls erfaßt wird. Beim Erkalten bildet sich dann eine Halbleiteranordnung aus, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Die Schicht 13 hat sich in dem Bereich 17 mit der Substanz 16 nach Fig. 5 legiert und bildet einen stark p-leitenden Bereich. Unterhalb des Bereiches 17 ist der p-n-Übergang 15 von dem Legierungsprozeß erfaßt worden, der z. T. auch in den Teil 14 eingegriffen hat. Zwischen 17 und 14 ist infolge des Legierungsprozesses ein sehr dünner p-n-Übergang mit steilem Anstieg entstanden. Unterhalb des verbliebenen Teiles der Schicht 13, also in der Zone des p-n-Uberganges, die der Schnittlinie 18 des p-n-Überganges mit der Oberfläche des Halbleiterkörpers benachbart ist, hat der p-n-Übergang seine ursprüngliche breite Form behalten und weist nach wie vor einen flachen Anstieg auf. Das so entstandene System hat den Vorteil, daß es infolge des flacheren Konzentrationsanstieges am Rande des p-n-Überganges dort sehr durchschlagfest ist, während infolge des steilen Konzentrationsanstieges im Innern des p-n-Uberganges gute Eigenschaften in Flußrichtung sichergestellt sind.

Andererseits ist es auch möglich, einen Halbleiterkörper mit einem breiten p-n-Übergang nach dem oben beschriebenen zweiten Verfahren durch Eindiffusion herzustellen.

Verwendet man z. B. ein p-leitendes Germaniumscheibchen mit einer Dicke von etwa 0,5 mm und einem spezifischen Widerstand von etwa 1 Ohm-cm, so wird dieses zunächst geätzt und sodann z. B. eine Lithiumschicht von 0,1 mm Dicke durch Aufdampfen im Vakuum auf einen Teil der Halbleiteroberfläche aufgebracht. Erhitzt man dieses System im Schutzgas etwa 10 Sekunden lang auf etwa 700° C, so bildet sich in einer Tiefe von 0,1 mm ein p-n-Übergang aus.

Eine nach der Behandlung auf der Oberfläche etwa vorhandene Germanium-Lithium-Legierung sowie überschüssiges Lithium werden entfernt. Sodann wird antimonhaltiges Zinn in einer etwa 1,2 mm starken Schicht auf einen Teil der vorher mit Lithium behandelten Oberfläche aufgebracht, z. B. aufgedampft, und im Schutzgas bei etwa 500° C einige Sekunden einlegiert. Anschließend kann nochin einer lOVcrKOH-Lösung elektrolytisch geätzt und dann gespült werden.

Ähnlich verfährt man bei Verwendung von p-leitendem Silizium. Verwendet man ein Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 0,6 Ohm · cm und einer Schichtstärke von 0,5 mm, so wird eine 0,1 mm dicke, aufgedampfte Lithiumschicht bei 900° C für 5 Sekunden zur Eindiffusion gebracht, so daß sich der p-n-Übergang in etwa 0,05 mm Tiefe bildet. Zum Anlegieren verwendet man eine 0,1 mm dicke Goldschicht mit einem Antimongehalt von etwa 5°/o und erhitzt einige Sekunden lang auf 800° C.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine 0,3 mm dicke Scheibe aus η-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 2 Ohm · cm verwendet. Die Siliziumscheibe wird nach dem Ätzen etwa 16 Stunden bei 1200° C in einer inerten Atmosphäre erhitzt, die bei Zimmertemperatur einen Druck von etwa 30 Torr hat und etwa 1 Volumprozent BJ₃ enthält. Das aus der Dampfphase eindiffundierende Bor erzeugt in etwa 0,025 cm Tiefe einen p-n-Übergang. Sodann wird eine etwa 0,1 mm dicke Aluminiumschicht aufgedampft und einige Sekunden lang auf 900° C erhitzt und damit das Aluminium anlegiert. Gegebenenfalls kann dann noch geätzt und gespült werden.

Die Beispiele sind zum Teil auf Halbleiterkörper aus Germanium beschränkt, die Erfindung bezieht sich aber auch auf Silizium und halbleitende intermetallische Verbindungen, bei denen dann die für diese Substanzen geeigneten Störstellenmaterialien Anwendung finden.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Halbleiteranordnung mit mindestens einem p-n-Ubergang, die einen einkristallinen Halbleiterkörper aus Germanium, Silizium oder einer halbleitenden intermetallischen Verbindung enthält, insbesondere zum Herstellen eines Trockengleichrichters, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein p-n-Übergang des einkristallinen Halbleiterkörpers so hergestellt wird, daß der Anstieg der Konzentration der Löcher bzw. Elektronen abgebenden Störstellen senkrecht zur p-n-Übergangsfläche und über deren ganze Ausdehnung annähernd gleichmäßig ist, und daß der mittlere Teil der p-n-Übergangsfläche einer solchen Legierungsbehandlung unterworfen wird, daß der Anstieg in dem mittleren Teil der p-n-Übergangsfläche einen steileren Verlauf aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der p-n-Übergang im Halbleiterkörper durch Diffusion oder Ziehen aus der Schmelze hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der p-n-Übergang im Halbleiterkörper durch Ziehen aus einer solchen Schmelze gewonnen wird, der Löcher und Elektronen abgebende Störstellensubstanzen zugesetzt

sind, die sich hinsichtlich ihres Abscheidungskoeffizienten derart unterscheiden, daß sich eine bestimmte Wachstumsgeschwindigkeit ergibt, bei der in dem entstehenden Kristall beide Störstellensubstanzen in gleich wirksamer Menge eingebaut werden, und daß bei Abweichung von dieser Wachstumsgeschwindigkeit je nach dem Sinne dieser Abweichung die eine oder die andere Störstellensubstanz bevorzugt eingebaut wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß in den Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps zwei verschiedene Störstellensubstanzen mit gleicher leitfähigkeitsbestimmender Wirkung, aber mit geringem Unterschied der Diffusionsgeschwindigkeit durch Diffusion eingebaut werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps zwei verschiedene Störstellensubstanzen mit annähernd gleicher Diffusionsgeschwindigkeit aber unterschiedlicher leitfähigkeitsbestimmender Wirkung in einem solchen Mengenverhältnis durch Diffusion eingebaut werden, daß die Menge der den Leitfähigkeitstyp des Halbleiterkörpers verändernden Substanz größer ist und daß bei abweichender Diffusionsgeschwindigkeit die den Leitfähigkeitstyp verändernde Substanz schneller diffundiert.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Belgische Patentschrift Nr. 536 181.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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