DE1260030B

DE1260030B - Halbleiterdiode mit einem PN-UEbergang von kleinem Querschnitt

Info

Publication number: DE1260030B
Application number: DEG37278A
Authority: DE
Inventors: James Murat Smith; Norbert Adams; Tapan Mukerjee
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1962-03-16
Filing date: 1963-03-15
Publication date: 1968-02-01
Also published as: FR1350402A; GB1017423A; US3375416A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1260 030

Aktenzeichen: G 37278 VIII c/21 g

Anmeldetag: 15. März 1963

Auslegetag: 1. Februar 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterdiode mit einem PN-Übergang von kleinem Querschnitt, bei der eine Halbleiterscheibe eines bestimmten Leitungstyps mit ihrer einen Flachseite mit einer Scheibe aus einem isolierenden Material verbunden ist und bei der ein Legierungsmaterial aus einer den entgegengesetzten Leitungstyp erzeugenden Legierung an die Halbleiterscheibe unter Berührung der isolierenden Scheibe anlegiert ist.

Der Erfindungsgegenstand läßt sich insbesondere als Tunneldiode, Rückwärtsdiode, Zenerdiode, Varactor od. dgl. verwenden. Eine Tunneldiode besteht beispielsweise im allgemeinen aus einem Halbleiterkörper eines bestimmten Leitungstyps mit sehr geringem spezifischem Widerstand, in den eine Legierungsmaterialpille einlegiert ist, so daß sich eine Zone des entgegengesetzten Leitungstyps mit ebenfalls sehr geringem spezifischem Widerstand bildet. Der Halbleiterkörper ist gewöhnlich leitend auf einer Platte befestigt, und mit ihm und der Legierungsmaterialpille sind elektrische Leitungen verbunden. Der PN-Übergang ist im allgemeinen sehr klein, so daß sich Schwierigkeiten bei der mechanischen Halterung ergeben.

Bei einer bereits vorgeschlagenen Tunneldiode steht beispielsweise die Legierungsmaterialpille, durch eine Isolationsschicht getrennt, nur in einem schmalen Bereich mit dem Germaniumplättchen in Verbindung. Hierdurch kann die mechanische Halterung nicht verstärkt werden. Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Schwierigkeiten zu beseitigen.

Dazu ist erfindungsgemäß bei der eingangs beschriebenen Halbleiterdiode zur verstärkten mechanischen Halterung der Legierungsmaterialpille ein weiterer plattenförmiger Körper mit seiner einen Fläche mit der anderen Flachseite der isolierenden Scheibe verbunden und steht an einem vom PN-Übergang entfernt liegenden Oberflächenabschnitt der Legierungspille mit dieser in Kontakt.

Der weitere plattenförmige Körper kann beispielsweise aus Halbleitermaterial bestehen, das mit der Legierungspille einen ohmschen Übergang bildet, oder als ohmsche Elektrode ausgebildet sein. Die Legierungsmaterialpille ist vorzugsweise an der Scheibe aus isolierendem Material angeschmolzen.

Einen nicht der äußeren Atmosphäre ausgesetzten PN-Übergang erhält man vorzugsweise bei einer Halbleiterdiode, bei der die Halbleiterscheibe und die Scheibe aus isolierendem Material ein Mittelloch aufweisen, in das die Legierungsmaterialpille geschmolzen und durch das die Legierungsmaterialpille mit dem weiteren plattenförmigen Körper in Halbleiterdiode mit einem PN-Übergang
von kleinem Querschnitt

Anmelder:

General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

6000 Frankfurt, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Norbert Adams, Syracuse, N. Y.;

Tapan Mukerjee, North Syracuse, N. Y.;

James Murat Smith, Liverpool, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 16. März 1962 (180 164)

Berührung ist und bei der das Mittelloch abgedichtet ist.

Eine noch größere mechanische Stabilität ergibt sich dann, wenn die andere Flachseite der Halbleiterscheibe ebenfalls mit einer Scheibe aus isolierendem Material verbunden ist, wobei die freie Flachseite dieser Scheibe aus isolierendem Material mit einer scheibenförmigen Elektrode belegt sein kann, die mit einer weiteren, mit der Halbleiterscheibe einen ohmschen Kontakt bildenden Halbleiterpille in Berührung ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die insbesondere für hohe Ströme geeignet ist, sind längs des Umfangs der Halbleiterscheibe und der Scheibe aus isolierendem Material durch mehrere Legierungsmaterialpillen mehrere beabstandete PN-Übergänge ausgebildet.

Die Erfindung wird nun in Verbindung mit der Zeichnung an Hand einiger Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Halbleiterdiode nach der Erfindung;

F i g. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der HaIbleiterdiode nach der Fig. 1;

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, bei der eine HaIb-

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leiterdiode aus mehreren Teildioden zusammengesetzt ist;

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 ist ein Schnitt längs der Linie 5-5 der Fig.4;

F i g. 6 bis 8 sind weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Nach den F i g. 1 und 2 enthält eine Tunneldiode eine Scheibe 1 aus isolierendem Material, zwei weitere Scheiben 2 und 3 aus Halbleitermaterial, die über den Rand der Scheibe 1 hinausragen, und eine Legierungsmaterialpille 4. Die Scheibe 1 aus isolierendem Material ist beispielsweise eine Platte aus Glas, deren eine Flachseite mit der einen Flachseite der Scheibe 2 aus stark dotiertem, N-leitendem Germanium und (20 -20-15 mil) aufweisen. Mit einem Schichtkörper von 25,4 mm (1 Zoll) Durchmesser können auf diese Weise etwa 500 bis 1000 Halbleiterbauelemente gleichzeitig hergestellt werden. Die Einschnitte in den Glasscheiben bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 werden durch Schneiden oder Ätzen des Glases gebildet, so daß die Halbleiterscheiben über den Rand der Glasscheibe hinausragen. Bei Verwendung von Borsilicatglas eignet sich beispielsweise Flußsäure,

ίο die das Glas ätzt, ohne N- oder P-leitende Germaniumscheiben zu beeinflussen. Ein Vorteil der Einschnitte besteht darin, daß vorgegebene Ebenen, z. B. die [Hl]- oder [100]-Ebene, der derart geschnittenen Halbleiterscheiben freigelegt werden, an denen anschließend ein guter Legierungsübergang gebildet werden kann.

Zum Fertigstellen der Halbleiterbauelemente nach den F i g. 1 und 2 wird eine einzelne Anordnung, die aus den einzelnen Scheiben zusammengesetzt ist,

deren andere Flachseite mit der einen Flachseite der
Scheibe 3 aus stark dotiertem, P-leitendem Germanium fest verbunden ist. Die Legierungsmaterialpille 4, die beispielsweise P-Leitung vermittelt und ao über ein geeignetes Lötmittel und eine Elektrode geaus 99°/o Indium und 1% Gallium besteht, ist so- . legt, wobei in Verbindung mit P-leitendem Material wohl an die Scheiben 2 und 3 aus Halbleitermaterial
als auch an die Scheibe 1 aus isolierendem Material
angeschmolzen, so daß zwischen ihr und der N-lei-

ein aus 88 Gewichtsprozent Gold und 12 Gewichtsprozent Germanium oder aus einem Gold-Gallium-Eutektikum bestehendes Lot und beispielsweise eine

tenden Scheibe 2 ein Tunnelübergang und zwischen 25 aus mit Gold plattiertem Fernico oder Kovar be-

ihr und der P-leitenden Scheibe 3 ein ohmscher Kontakt besteht. Ein Teil der Scheibe 2 ist weggeätzt, so daß die Querschnittsfläche des PN-Übergangs auf die gewünschte Größe verkleinert ist. An die Scheiben aus Halbleitermaterial ist je eine Elektrode 5 bzw. 6 angelötet.

Die einzelnen, ebenen, scheiben- und schichtfÖrmigen Halbleiterbauelemente entstehen aus einem großen Schichtkörper, der aus den genannten Materialien besteht. Ein - Schichtkörper kann aus einem stark dotierten N-leitenden und ein anderer Schichtkörper aus einem stark dotierten P-leitenden Germaniumkörper hergestellt sein. Die Germaniumkörper werden bis zu einer von z. B. 0,18 mm (7 mil) geläppt stehende Elektrode geeignet sind. Fernico und Kovar sind bekannte Legierungen aus Eisen, Nickel und Kobalt, deren lineare Ausdehnungskoeffizienten ähnlich denen von Glas sind. Auf dieses Schichtengebilde werden ein weiteres Lot für N-leitendes Material, das : beispielsweise aus 95 Gewichtsprozent Gold und 5 Gewichtsprozent Antimon oder 88 Gewichtsprozent Gold und 12 Gewichtsprozent Germanium besteht, und eine weitere, aus mit Gold plattiertem Fernico oder Kovar bestehende Elektrode gelegt. In die Kerbe oder den Einschnitt zwischen der N-leitenden und der P-leitenden Scheibe wird eine Legierungsmaterialpille derart gelegt, daß sie alle Teile des Schichtkörpers berührt. Bei dem beschriebenen Haib

und poliert oder auch geätzt. Für die Scheiben aus 40 leiterbauelement wird beispielsweise eine Indiumisolierendem Material wird bevorzugt Glas verwen- . Gallium-Legierung verwendet,
det, welches besonders gute Benetzungseigenschaften Der Schichtkörper wird dann eine Zeitlang, beiaufweist und dessen Zusammensetzung und Dicke spielsweise 10 Sekunden, auf 500 bis 600° C erhitzt, eingestellt werden können. Die Glasscheiben können damit die Legierungsmaterialpille gleichzeitig an die eine Dicke von etwa 0,075 mm (3 mil) bei einer To- 45 Halbleiterscheibe und die Glasscheibe anlegiert und leranz von + 0,013mm (0,5 mil) aufweisen. Das Glas die Elektroden fest mit den Halbleiterscheiben versollte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bunden werden. Bei einer Legierungsmaterialpille aus aufweisen, der dem der Halbleitermaterialien ähnlich Indium-Gallium wird zwischen der N-leitenden Halbist, damit Brüche im Schichtkörper möglichst selten leiterscheibe und der Legierungsmaterialpille ein Tunsind. Der Schichtkörper wird dadurch hergestellt, daß 50 nelübergang und zwischen der P-leitenden Halbleiterdie Glasscheibe zwischen die Scheiben aus Halb- : scheibe und der Legierungsmaterialpille ein ohmscher leitermaterial gelegt und dann eine Zeitlang, z. B. Kontakt gebildet. Der Tunnelübergang wird dann in 20 Minuten lang, auf eine Temperatur von beispiels- einem geeigneten Elektrolyten, z. B. Natronlauge, weise 900° C erhitzt wird, damit das Glas schmilzt elektrolytisch oder chemisch geätzt, um seine Quer-

und mit den Scheiben aus Halbleitermaterial verbunden wird. Die Arbeitstemperatur des Glases sollte um 50 bis 100° C unterhalb der Schmelztemperatur der Halbleiterkörper liegen. Zur Vermeidung von Kapazitätseffekten sollte die Dielektrizitätskonstante und schnittsfläche so lange zu verringern, bis die gewünschten Eigenschaften vorliegen. Das fertige Halbleiterbauelement kann dann zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und zum Schutz noch eingekapselt oder auf andere Weise luftdicht abgeschlossen

die Leitfähigkeit des Glases so gering sein, wie es mit 60 werden,
den Benetzungseigenschaften, den thermischen Aus- Außer Germanium eignen sich auch Silicium und

dehnungskoeffizienten und der Arbeitstemperatur verschiedene Verbindungen, z. B. Galliumarsenid, vereinbar ist. Geeignet hierfür sind beispielsweise ge- Als isolierendes Material können verschiedene Oxide,

z. B. halbisolierendes Zinkoxid, verwendet werden, gesägt 63 Die Legierungsmaterialpille kann unter anderem aus

einer 93 Gewichtsprozent Silber und 7 Gewichtspro-

wisse Borsilicatgläser.

Die Schichtkörper werden anschließend oder angeschnitten und gebrochen oder geätzt, um einzelne Halbleiterbauelemente herzustellen, die beispielsweise eine Größe von 0,5 · 0,5 ■ 0,38 mm zent Gallium oder 49,5
49,5 Gewichtsprozent Blei

Gewichtsprozent Zinn, und 1 Gewichtsprozent

Gallium bestehenden Legierung bestehen. Bei der Herstellung eines Tunnelübergangs mit der P-leitenden Scheibe eignet sich eine Legierung aus 99 Gewichtsprozent Zinn und 1 Gewichtsprozent Arsen. Die Glasscheibe kann ungeätzt bleiben, wobei die Legierungsmaterialpille am Rand des Schichtkörpers angebracht wird.

In der F i g. 3 ist perspektivisch ein Halbleiterbauelement gezeigt, das aus mehreren Teildioden, die um den Umfang eines Schichtenkörpers angeordnet sind, zusammengesetzt ist. Die verwendeten Materialien und das Herstellungsverfahren eines solchen Halbleiterbauelementes sind ähnlich wie bei dem Halbleiterbauelement nach den F i g. 1 und 2. Im Unterschied hierzu werden jedoch mehrere Legierungsmaterialpillen 10, 11, 12 und 13 angebracht. Das Halbleiterbauelement nach der F i g. 3 wird verwendet, wenn hohe Ströme geführt werden müssen, da es einen geringen Serienwiderstand und einen geringen thermischen Widerstand besitzt.

Wenn die Parameter gleichmäßig über ein Halbleiterbauelement verteilt sein sollen, dann kann ein Halbleiterbauelement nach den F i g. 4 und 5 verwendet werden, das dem nach der Fig. 3 ähnlich ist, wobei jedoch die Legierungsmaterialpille ununterbrochen rund um den Umfang des Halbleiterbauelementes verteilt ist. Die Materialien und das Herstellungsverfahren für ein solches Halbleiterbauelement sind ähnlich wie bei der Herstellung der Halbleiterbauelemente nach den Fig. 1 und 2.

In der F i g. 6 ist ein Halbleiterbauelement gezeigt, dessen PN-Übergang hermetisch nach außen abgedichtet ist. Damit der PN-Übergang hermetisch abgedichtet werden kann, wird nach dem Zusammensetzen der Schichten beispielsweise mittels Ultraschall ein Loch 15 durch die Halbleiterscheibe 2 und die Scheibe 1 aus isolierendem Material bis zur anderen Halbleiterscheibe 3 gebohrt. Die Legierungsmaterialpille wird durch das Loch eingeführt und mit der Glasscheibe und den Halbleiterscheiben verschmolzen. Anschließend wird wie beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 geätzt. Schließlich werden auf den Halbleiterscheiben 2 und 3 Elektroden 5 und 6 befestigt, wodurch gleichzeitig der PN-Übergang hermetisch abgedichtet ist.

Die F i g. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der eine einzige Halbleiterscheibe 20 zwischen zwei ebenen Scheiben 21 und 22 aus Isoliermaterial, beispielsweise Glas, angeordnet ist. Ein derartiger Schichtkörper wird etwa auf die gleiche Weise wie die Schichtkörper der F i g. 1 und 2 hergestellt. Das Glas kann zur Herstellung der gewünschten Einschnitte geätzt werden. Die Glasscheiben 21 bzw. 22 werden mit je einer Elektrode 23 bzw. 24 gelegt. Eine Legierungsmaterialpille, die eine P-Leitung herbeiführt, wird mit den Rändern der Scheiben 20 und 21 und mit der Elektrode 23 in Berührung gebracht. Eine weitere Legierungsmaterialpille 26, die eine N-Leitung herbeiführt, wird mit den Rändern der Scheiben 20 und 22 und mit der Elektrode 24 in Berührung gebracht. Die Elektroden 23 und 24 werden an die Scheiben 21 und 22 und an die Legierungsmaterialpillen 25 und 26 in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 2 in einem Verfahrensschritt angeschmolzen. Es wird dann so lange geätzt, bis das Halbleiterbauelement die erwünschten Eigenschaften aufweist.

Das Halbleiterbauelement nach der F i g. 8 ist aus zwei Schichten zusammengesetzt, und zwar aus einer Scheibe 30 aus isolierendem Material und einer N-leitenden Halbleiterscheibe 31.

Das Herstellungsverfahren ist ähnlich wie für das Halbleiterbauelement nach der Fig. 1. Elektroden und 33 und eine Legierungsmaterialpille 34, die P-Leitung vermittelt, werden dann in die richtige Lage gebracht und in einem einzigen Verfahrensschritt angeschmolzen, so daß ein PN-Übergang gebildet wird und die Elektroden fest mit der Glasscheibe und der Halbleiterscheibe verbunden werden. Der PN-Übergang wird dann durch Ätzen auf die gewünschte Größe gebracht.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterdiode mit einem PN-Übergang von kleinem Querschnitt, bei der eine Halbleiterscheibe eines bestimmten Leitungstyps mit ihrer einen Flachseite mit einer Scheibe aus einem isolierenden Material verbunden ist und bei der ein Legierungsmaterial aus einer den entgegengesetzten Leitungstyp erzeugenden Legierung an die Halbleiterscheibe unter Berührung der isolierenden Scheibe anlegiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur verstärkten mechanischen Halterung der Legierungsmaterialpille (4, 25, 34) ein weiterer plattenförmiger Körper (3, 23, 33) mit seiner einen Fläche mit der anderen Flachseite der isolierenden Scheibe verbunden und an einem vom PN-Übergang entfernt liegenden Oberflächenabschnitt der Legierungspille mit dieser in Kontakt steht.

2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere plattenförmige Körper aus Halbleitermaterial (3) besteht, das mit der Legierungsmaterialpille einen ohmschen Übergang bildet (Fig. 1, 4, 6).

3. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere plattenförmige Körper eine ohmsche Elektrode (23, 33) ist (Fig. 8).

4. Halbleiterdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang des weiteren plattenförmigen Körpers kleiner als der der Halbleiterscheibe (2, 20, 31) ist.

5. Halbleiterdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungsmaterialpille (4, 25, 34) an der Scheibe (1, 21, 30) aus isolierendem Material angeschmolzen ist.

6. Halbleiterdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheibe (3) und die Scheibe (1) aus isolierendem Material ein Mittelloch (15) aufweisen, in das die Legierungsmaterialpille (4) geschmolzen und durch das die Legierungsmaterialpille (4) mit dem weiteren plattenförmigen Körper (3) in Berührung ist und daß das Mittelloch abgedichtet ist.

7. Halbleiterdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Flachseite der Halbleiterscheibe (20) ebenfalls mit einer Scheibe (22) aus isolierendem Material verbunden ist.

8. Halbleiterdiode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Flachseite der

Scheibe (22) aus isolierendem Material mit einer scheibenförmigen Elektrode (33) belegt ist, die mit einer weiteren, mit der Halbleiterscheibe (20) einen ohmschen Kontakt bildenden Halbleiterpille (26) in Berührung ist.

9. Halbleiterdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß längs des Umfangs der Halbleiterscheibe und der Scheibe aus isolierendem Material durch mehrere Legierungsmaterialpillen (10 bis 13)

mehrere beabstandete PN-Übergänge ausgebildet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1018 557, 1054180, 1079 744, 1093 018;
USA.-Patentschrift Nr. 2 796 562.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1160 953.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen