DE1240188B - Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit einem oder mehreren einlegierten p-n-UEbergaengen - Google Patents

Description

DEUTSCHES #n PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT DeutscheKl.: 21g -11/02

Nummer: 1240188

Aktenzeichen: T10158 VIII c/21 g

J 240 188 Anmeldetag: 29.Oktober 1954

Auslegetag: 11. Mai 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit einem oder mehreren einlegierten p-n-Ubergängen, bei dem auf den Halbleitergrundkörper ein dotierter Halbleiterkörper vom gleichen Gittertyp auflegiert wird.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, in die mit dem Anschlußkontakt zu versehende Oberfläche eines Halbleitergrundkörpers aus Silizium, Siliziumkarbid oder einer anderen, bezüglich Gitterstruktur und Legierungseigenschaften ähnlichen siliziumhaltigen Halbleitersubstanz für Richtleiter, Transistoren u. dgl. zunächst mit Aktivatorstoff dotiertes Germanium einzulegieren und dann auf die Legierungsschicht ein sperrfreies Kontaktmetall aufzulöten. Die Verwendung eines dotierten Halbleiterkörpers vom gleichen Gittertyp wie der Halbleitergrundkörper soll eine Erhöhung des Flußstromes und der Sperrspannung und eine Verkleinerung des Rückstromes bewirken. Bei pnp- bzw. npn-Transistoren tritt auch noch eine Verbesserung des Stromverstärkungsfaktors α auf. Wird z. B. die Stromspannungskennlinie eines p-n-Übergangs, der durch Auflegieren von Legierungsmaterial hergestellt ist, welches mit dem Halbleitergrundkörper Mischkristalle bildet, durch die ausgezogene Linie in A b b. 1 dargestellt, so hat die Kennlinie für einen nach dem soeben erwähnten Vorschlag hergestellten Gleichrichter den durch die gestrichelte Linie dargestellten Verlauf. Letztere verläuft — wie ersichtlich — im Flußgebiet steiler und im Sperrgebiet flacher und erreicht die Durchbruchsspannung, die dem Knickpunkt V_d entspricht (Zenereffekt), erst bei einem wesentlich höheren Spannungswert. Diese Vorteile beruhen darauf, daß infolge der Mischkristallbildung keine Gitterverzerrungen an der Übergangsstelle vom p- zum η-leitenden Material mehr auftreten.

Die Erfahrung hat aber gezeigt, daß sich das sperrfreie Kontaktmetall nur dann einwandfrei auf die Legierungsschicht auflöten läßt, wenn bestimmte Gesichtspunkte bei der Abkühlung des Halbleitersystems im Verlauf des Legierungsprozesses beachtet werden.

Erfindungsgemäß wird daher bei einem solchen Verfahren nur während des Auflegierens die der Legierung abgewandte Seite des Halbleitergrundkörpers gekühlt. Durch die Kühlung des Halbleitergrundkörpers auf der der Legierung abgewandten Seite soll erreicht werden, daß zuerst das Material des Halbleitergrundkörpers rekristallisiert und ein Mischkristall am Einkristall des Halbleitergrundkörpers anwächst. Bei fortschreitender Abkühlung wird der Mischkristall immer ärmer an Material des Verfahren zum Herstellen von
Halbleiterbauelementen mit einem oder
mehreren einlegierten p-n-Ubergängen

Anmelder:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:
Friedrich Wilhelm Dehmelt,
Neu-Ulm/Donau

Halbleitergrundkörpers, da sich jetzt immer mehr Legierungsmaterial des auflegierten Halbleiterkörpers vom gleichen Gittertyp anreichert. Die zuletzt erstarrende Schicht besteht schließlich nur noch aus dem Material des auflegierten Halbleiterkörpers, z. B. im Fall eines Silizium-Germanium-Substitutionsmischkristalls aus Germanium, an den ein sperrfreier as Kontakt ohne Schwierigkeiten in üblicher Weise angelötet werden kann.

Die Erfindung ist besonders geeignet für Bauelemente, deren Halbleitergrundkörper aus Silizium besteht, wenn als Störstellenspender entsprechend dotiertes Germanium verwendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren sei im folgenden für einen Gleichrichter näher erläutert, bei welchem der Halbleitergrundkörper aus p-leitendem Silizium und das störstellenliefernde Material aus n-leitendem Germanium besteht. Eine solche Anordnung ist in der A b b. 2 schematisch wiedergegeben, in welcher der Siliziumgrundkörper mit 1 und die auflegierte Germaniumauflage mit 2 bezeichnet ist. Zur Herstellung dieser Anordnung wird der Halbleitergrundkörper 1 mit dem daraufgelegten Germanium 2, wie aus A b b. 3 hervorgeht, in einen wasserstoff durchströmten Ofen 3 eingebracht. Dieser Ofen ist mit zwei Bereichen unterschiedlicher Temperatur ausgerüstet, von denen der Bereich höherer Temperatür 4 eine Temperatur hat, die zwischen dem Schmelzpunkt des Germaniums und dem des Siliziums liegt, und der andere Bereich 5 sich auf einer niedrigeren Temperatur befindet, die in der Nähe des Schmelzpunktes des Germaniums liegt. Zunächst wird das System dem Einfluß der höheren Temperatur, die mit T_s bezeichnet ist, ausgesetzt. Dabei schmilzt das Germanium, wobei ein Teil des dar-

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Claims (3)

unter befindlichen Siliziums in dem flüssigen Germanium gelöst wird. Der gelöste Siliziumanteil ist durch den Punkt 6 im Zustandsdiagramm des Systems Germanium—Silizium gemäß Abb. 4 festgelegt. Nachdem sich ein Temperaturgleichgewicht eingestellt hat, wird das System in den kühleren Bereich 5 des Ofens geschoben und gleichzeitig von unten her durch einen Wasserstoffstrom gekühlt, der z. B. mittels des Röhrchens 7 gegen den Halbleitergrundkörper geblasen wird. Entsprechend dem Zustandsdiagramm der Abb. 4 beginnt jetzt ein Silizium-Germanium-Substitutionsmischkristall am Einkristall des Siliziumgrundkörpers anzuwachsen, dessen anfängliche Zusamensetzung in der zuerst erstarrenden Schicht 11 der Abb. 2 durch den Punkt 8 auf der Soliduskurve gegeben ist. Die Zusammensetzung des Mischkristalls ändert sich mit sinkender Temperatur fortlaufend und kann für jeden Temperaturwert direkt aus der Soliduskurve abgelesen werden. Wie aus der A b b. 4 ersichtlich, wird bei fortschreitender Abkühlung der Mischkristall immer siliziumärmer und germaniumreicher, bis die zuletzt erstarrende Schicht 9 in Abb. 2 nur noch aus Germanium besteht. An dieser Germaniumschicht kann ohne Mühe auf bekannte Weise eine Elektrode 10 festgelötet werden. Während des Erstarrungsprozesses haben sich die Donatorverunreinigungen in dem am Silizium anwachsenden Silizium-Germanium-Mischkristall entsprechend ihrer jeweiligen Seggregationskonstante eingebaut. Wenn die Seggregationskonstante der p-Störstellen des gelösten Siliziums größer ist als die die der n-Störstellen des gelösten Germaniums, nehmen die zuerst erstarrten Schichten — wie in A b b. 5 schematisch dargestellt — p-leitenden Charakter an. Die weiter nach oben folgenden Schichten enthalten aber mehr und mehr n-Störstellen, so daß sich allmählich ein kontinuierlicher Übergang vom p-leitenden Zustand in den η-leitenden Zustand vollzieht, wobei eine eigenleitende Schicht durchlaufen wird. Aus Kurve 10 in der Abb. 5 geht die Änderung der Leitfähigkeit hervor, die bei diesem Übergang stattfindet. Ist die Seggregationskontante des Donatormaterials des Germaniums sehr klein, dann wird der Übergang vom p- zum η-leitenden Material erst später erreicht, und die eigenleitende Zone ist verhältnismäßig breit. Es ergibt sich dann ein p-n-Übergang, der sich durch eine besonders hohe Sperrspannung auszeichnet, da der Feldstärkegradient infolge des flachen Verlaufs der Konzentrationskurve vom p-leitenden Material zum η-leitenden Material gering ist. Wird dagegen ein Donatormaterial mit großer Seggregationskonstante verwendet, dann wird der Übergang vom p-leitenden Zustand in den n-Iei- tenden Zustand sehr früh erreicht, und die eigenleitende Zone ist verhältnismäßig schmal. Eine solche Vorrichtung hat zwar eine geringere Sperrspannung, dafür aber eine um so kleinere Kapazität, was die Verwendung dieser Anordnung besonders bei höheren Frequenzen brauchbar macht. Der Fachmann hat es hiernach in der Hand, je nach dem Verwendungszweck die elektrischen Eigenschaften in weiten Grenzen zu verändern. Wird die Legierungstemperatur Ts (Punkt 6 in Abb. 4) von Anfang an in die Nähe des Schmelzpunktes des Siliziums gelegt, so läßt sich erreichen, daß bei der Erstarrung eine lückenlose Reihe von Mischkristallen von nahezu 100 °/o der einen Komponente bis nahezu 100 <Vo der anderen Komponente entsteht. Diese Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt den idealsten Übergang vom HaIbleitergrundkörper zum erstarrenden Mischkristall dar. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch anwendbar, wenn sowohl der Halbleitergrundkörper als auch der auf diesen aufzulegierende Halbleiter aus dem gleichen Material bestehen. Beispielsweise kann der Halbleitergrundkörper p-leitendes Germanium und das auf diesen aufzulegierende Material n-leitendes Germanium sein. Der Halbleitergrundkörper muß dabei nur während des Legierungsvorgangs gekühlt werden. Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit einem oder mehreren einlegierten p-n-Übergängen, bei dem auf den Halbleitergrundkörper ein dotierter Halbleiterkörper vom gleichen Gittertyp auf legiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur während des Auflegierens die der Legierung abgewandte Seite des Halbleitergrundkörpers gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung ein Wasserstoffstrom verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitergrundkörper und der entgegengesetzt dotierte, auf den Halbleitergrundkörper aufzulegierende Halbleiterkörper aus dem gleichen Halbleitermaterial wie der Grundkörper bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 814 487;
»Proc. IRE«, 1952, S. 1512 bis 1518; 1953, S. 1728 bis 1734;

»Elektron«, 5 (1951/52), H. 13/14, S. 429 bis 439; »RCA-Review«, Dezember 1953, S. 586 bis 598; März 1954, S. 75 bis 85.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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