DE1269734B

DE1269734B - Halbleiterbauelement mit einem Hetero-UEbergang

Info

Publication number: DE1269734B
Application number: DEP1269A
Authority: DE
Inventors: John Robert Dale
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1963-07-17
Filing date: 1964-07-16
Publication date: 1968-06-06
Also published as: GB1087134A; SE316531B; GB28298A; DK118417B; CH467521A; NL6408083A; BE650597A; US3488234A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Tnt. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1 269 734

Aktenzeichen: P 12 69 734.6-33

Anmeldetag: 16. Juli 1964

Auslegetag: 6. Juni 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem Übergang zwischen ungleichen Halbleitern, der im folgenden als Hetero-Übergang bezeichnet wird, und auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauelementes. Ein Übergang zwischen gleichen Halbleitern, der durch unterschiedliche Konzentrationen von Dotierungsstoffen erzeugt wird, wird im folgenden als Homo-Übergang bezeichnet.

Es ist an anderer Stelle ein optoelektronisches Halbleiterbauelement beschrieben worden, das einen Halbleiterkörper enthält, in dem ein erster, Photonen emittierender pn-übergang, der, wenn an ihn eine geeignete Spannung in der Vorwärtsrichtung angelegt wird, mit einem Quantenwirkungsgrad von mehr als 0,1 Photonen emittieren kann, und weiter ein photoempfindlicher Teil vorhanden ist, der einen zweiten, photoempfindlichen pn-Übergang enthält zum Umwandeln der Energie der Photonen, die vom ersten pn-Ubergang herrühren, in die Energie von Ladungsträgern, wenn an den zweiten pn-Übergang eine geeignete Sperrspannung angelegt ist, wobei der Abstand zwischen dem ersten pn-Ubergang und dem zweiten pn-Übergang mindestens eine Diffusionslänge der Ladungsträger beträgt, die durch den ersten Übergang in die angrenzende Zone des Körpers zwischen dem ersten und dem zweiten Übergang injektiert werden. Ein derartiges Bauelement kann als Analogon eines bekannten pnp- oder npn-Transistors in dem Sinne betrachtet werden, daß in beiden Fällen ein pn-Übergang, der den elektrischen Eingang bildet, an den eine Spannung in der Vorwärtsrichtung angelegt ist, und ein pn-Ubergang, der den elektrischen Ausgang bildet, an den eine Sperrspannung angelegt ist, Verwendung finden. Das Bauelement kann dann auch einfachheitshalber als optoelektronischer Transistor oder »Lichtbündel«-Transistor bezeichnet werden.

Die Erfindung bezieht sich auch auf Bauelemente der vorstehend erwähnten Art, die einen Hetero-Übergang zwischen ungleichen Halbleitern enthalten, aber sie ist nicht auf diese beschränkt, sondern bezieht sich z. B. auch auf andere Halbleiterbauelemente, wie pn-Photodioden mit Hetero-Übergängen, übliche Transistoren mit Hetero-Übergängen mit Einschluß von Transistoren mit Emitterelektroden mit großem Bandabstand, und Bauelemente mit nn- oder pp-Hetero-Übergängen, deren Wirkung nur vom Durchtritt von Mehrheitsladungsträgern abhängt.

Es ist auch ein Bauelement beschrieben, bei dem der photoempfindliche Teil aus einem Halbleitermaterial besteht, in dem der Bandabstand kleiner ist als in dem an den ersten pn-Übergang grenzenden Halbleiterbauelement mit einem Hetero-Übergang

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenf abrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. E. Walther, Patentanwalt,

2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

John Robert Dale,

Westdene, Brighton, Sussex (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 17. Juli 1963,

vom 23. Juni 1964 (28 298)

Halbleitermaterial, so daß sich insbesondere im photoempfindlichen Teil eine erhöhte Absorption und Umwandlung ergeben. Weiter wird ein derartiges Bauelement beschrieben, bei dem der photoempfindliche Teil durch epitaktisches Anwachsen auf dem an den ersten pn-Übergang grenzenden Halbleitermaterial

angebracht ist und bei dem weiter der zweite pn-Übergang nahezu mit der Grenze der Epitaxialschicht zusammenfällt. Auf diese Weise kann dei zweite pn-Übergang aus einem Hetero-Übergang bestehen, wobei das Halbleitermaterial an der dem ersten pn-Übergang abgewandten Seite des zweiten pn-Überganges einen geringeren Bandabstand hat als das Halbleitermaterial an der dem ersten pn-Übergang zugewandten Seite des zweiten pn-Überganges. Gemäß in der Transistortechnik üblichen Fachausdrücken ist der erste pn-Übergang der Emitter-Basis-Ubergang und der zweite pn-Übergang der Kollektor-Basis-Übergang. Bei dem vorstehend erwähnten Bauelement mit einem Hetero-Übergang beim zweiten pn-Übergang besteht somit die Kollektorzone aus einem Material mit geringerem Bandabstand als das Material der Basiszone.

In einem Aufsatz von R. H. R e d i k e r, T. M. Q u i s t und B. L e χ in Proc. I. E. E. E. vom Januar 1963, S. 218 und 219, ist ein Aufbau einer Photodiode

vorgeschlagen worden, bei dem der pn-Übergang ein Hetero-Übergang ist und die Frequenzempfindlichkeit nicht kritisch vom Abstand zwischen dem Übergang

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und der Oberfläche, sondern vielmehr von der rela- manium, obgleich er eine sehr gute Absorption von tiven Absorption der auffallenden Strahlung in den Photonen und eine entsprechende Erzeugung von zwei den Hetero-Übergang bildenden Materialien Elektron-Loch-Paaren ermöglicht, den Nachteil, daß abhängt. Eine rasch ansprechende Photodiode mit der Wirkungsgrad der Anreicherung der so frei geeinem Übergang zwischen p-Ge und n-GaAs ist in 5 wordenen Träger durch diese Änderung des Modiesem Aufsatz vorgeschlagen worden, die als Detek- mentes der aus dem Germanium in das Galliumtor für die von einer GaAs-Diode emittierte 8450- arsenid eintretenden Elektronen beeinflußt wird. Bei Ä-Strahlung wirksam sein soll. Wenn der Übergang Halbleiterbauelementen mit einem nn- oder pp-Hetero-10 μηι von der Oberfläche entfernt ist, während der Übergang, deren Wirkung nur vom Hindurchtritt von Absorptionskoeffizient des Ge bei der Wellenlänge io Mehrheitsladungsträgern abhängt, wird, wenn die der emittierten Strahlung etwa 2,4 · 10⁴ cm-¹ und der Bandstrukturen der zwei den Hetero-Übergang bildendes GaAs etwa 10 cm-¹ ist, wird der größere Teil der den Halbleitermaterialien sich erheblich voneinander Strahlung innerhalb eines Abstandes von 1 μπι vom unterscheiden, der Wirkungsgrad dieser Bauelemente Übergang im Germanium absorbiert. Es ist somit möglicherweise auf die gleiche Weise beeinflußt,
möglich, bei geeigneten Konzentrationen der Dotie- 15 Gemäß der Erfindung ist ein Halbleiterbauelement rungsstoffe und geeigneten Kristallorientierungen der mit einem Hetero-Übergang zwischen einem aus Grenzfläche des Hetero-Überganges eine Raum- einem ersten Halbleitermaterial bestehenden Körper ladungszone aus Ge zu erhalten, die ein Vielfaches und einer Zone in diesem Körper, die aus einem Mischder Absorptionslänge beträgt. Die Absorptionslänge kristall des ersten Halbleitermaterials und eines wird als der Kehrwert des Absorptionskoeffizienten 20 zweiten Halbleitermaterials besteht, wobei die Mischdefiniert. Der Aufsatz schlägt weiter einen optoelek- kristallzone aus der epitaktisch segregierten HaIbtronischen Transistor vor, dessen Emitter durch einen leiterzone eines Legierungskontaktes besteht, der Ultrarotstrahlung emittierenden pn-Homo-Übergang durch Auflegieren des zweiten Halbleitermaterials auf zwischen p-GaAs und n-GaAs und dessen Kollektor das erste unter Verwendung eines Grundmaterials als durch einen Hetero-Übergang zwischen n-GaAs und 25 Lösungsmetall erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, p-Ge gebildet wird. daß beide Halbleitermaterialien aus einer III-V-HaIb-Bei pn-Photodioden und optoelektronischen Transi- leiterverbindung bestehen und daß das Grundmaterial stören haben Hetero-Übergänge zwischen Gallium- Wismut oder eine Wismutlegierung enthält,
arsenid und Germanium den Vorteil, daß die Gitter- Die Vorteile eines derartigen Bauelementes sind konstante des Germaniums (5,62A) demjenigen des 30 erstens: die Bandstruktur des Halbleitermaterials der GaAs (5,65 A) bis auf 0,6 % entspricht und die Absorp- ersten III-V-Halbleiterverbindung ist im wesentlichen tionslänge von Licht im Germanium erheblich kleiner die gleiche wie die des Mischkristalls, der epitaktisch als im Galliumarsenid ist. So ist z. B. die Absorptions- aus der flüssigen Phase rekristallisiert ist, so daß z. B. länge des Lichtes, das von einem Galliumarsenid- bei pn-Photodioden und optoelektronischen Transipn-Übergang, an den eine Spannung in der Vorwärts- 35 stören die durch Absorption von Photonen erzeugten richtung angelegt ist, emittiert wird, etwa 1000 μηι Ladungsträger, wenn sie durch den Übergang hinin η-leitendem Galliumarsenid, während in p-leitendem durchtreten, ihr Moment nicht zu ändern brauchen, Germanium diese Absorptionslänge etwa 0,3 μηι ist, wie dies z. B. bei bestimmten Hetero-Übergängen und die Raumladungszone des Hetero-Überganges zwischen Germanium und einer III-V-Halbleiterkann leicht mehrmals größer als dieser Wert ausge- 4° verbindung der Fall ist.

bildet werden, so daß sich eine wirkungsvolle Absorp- Zweitens kann man den Bandabstand des Materials tion ergibt. Photonen, die innerhalb der Raumladungs- der aus dem Mischkristall bestehenden Zone durch zone des Hetero-Überganges absorbiert werden, er- eine passende Wahl der gegenseitigen Verhältnisse der zeugen Elektron-Loch-Paare. Durch diese Erzeugung ersten und der zweiten III-V-Halbleiterverbindungen von Elektron-Loch-Paaren müßte infolge des Über- 45 in dieser Zone einen vorherbestimmten Wert geben. Schusses an Elektronen, die im p-leitenden Germanium Durch eine geeignete Zusammensetzung des aus dem erzeugt werden, ein Photostrom den pn-Hetero- Mischkristall bestehenden Materials lassen sich somit Übergang durchfließen. Aber, obgleich im Prinzip der Bandabstand und mithin auch die Absorptionssämtliche den pn-Übergang erreichenden erzeugten länge in diesem Material für Licht einer bestimmten Elektronen durch diesen Übergang, wenn an ihn eine 5° Wellenlänge, für das der Hetero-Übergang photo-Spannung in der Sperrichtung angelegt ist, hindurch- empfindlich ist, bestimmen.

treten müßten, ist der Photostrom niedriger, als zu Ein weiterer Vorteil des Bauelementes besteht darin, erwarten war. Diese Erscheinung dürfte dem Nach- daß durch epitaktische Segregation der Mischkristallstehenden zugeschrieben werden. Infolge der Differenz zone aus der flüssigen Phase der Hetero-Übergang auf in der Bandstruktur zwischen Galliumarsenid und 55 eine besonders einfache Weise erzielbar ist, wobei er Germanium müssen Elektronen, die innerhalb der im Vergleich zu gemäß anderen Verfahren hergestellten Zone des p-leitenden Germaniums frei werden, mit Hetero-Übergängen verbesserte Eigenschaften ereiner Änderung des Moments durch eine Energie- halten kann.

sperre hindurchgehen, um in die Zone des η-leitenden Bekanntlich bildet sich beim Auflegieren von Mate-Galliumarsenids einzutreten. Ein Elektron im Mini- 60 rial auf einen Halbleiterkörper eine aus dem aufzumum des Leitungsbandes in Germanium hat nämlich legierenden Material und einem angrenzenden VoIuein Moment, das sich von demjenigen eines Elektrons men des Halbleiterkörpers bestehende Schmelze, die im Minimum des Leitungsbandes in Galliumarsenid nachher abgekühlt wird. Beim Abkühlen segregiert unterscheidet, und der Durchtritt durch den Übergang zunächst ein Teil, der eine Fortsetzung des Kristallführt somit eine Momentänderung herbei, die mög- 65 gitters des Körpers bildet und hauptsächlich das Matelicherweise von einem Phonon hervorgerufen wird. rial des Körpers mit einer geringen Menge am auf-Infolgedessen hat ein Hetero-Übergang zwischen zulegierenden Material enthält, welcher Teil als das η-leitendem Galliumarsenid und p-leitendem Ger- segregierte oder rekristallisierte Material bezeichnet

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wird, wonach der übrige Teil des geschmolzenen Bei der Vorrichtung nach der Erfindung kann der Materials, der hauptsächlich aus dem auflegierten epitaktisch segregierte Mischkristall einen niedrigeren Material mit einer geringen Menge am Material des Bandabstand haben als die erste III-V-Halbleiterver-Halbleiterkörpers bestellt, erstarrt, welcher übrige bindung. Eine derartige Struktur kann z. B. vorteilhaft Teil als das erstarrte Material bezeichnet wird. Zum 5 bei einer pn-Photodiode oder einem optoelektronischen Erhalten einer epitaktischen Segregation kann die Transistor Verwendung finden, bei der bzw. dem die Abkühlung allmählich durchgeführt werden, wie an aus der Mischkristall bestehende Zone die Kollektorsich beim Anbringen von Legierungskontakten auf zone bildet. Der Bandabstand der aus dem Mischkristall Halbleitern bekannt ist. Eine epitaktisch angewachsene bestehenden Zone wird durch das Verhältnis zwischen Schicht, im vorliegenden Fall aus der flüssigen Phase, io den Mengen der zwei III-V-Halbleiterverbindungen in ist eine Schicht, die eine Kristallorientierung aufweist, dieser Zone bestimmt und liegt zwischen dem Banddie derjenigen der Unterlage, auf der die Schicht ange- abstand der ersten III-V-Halbleiterverbindung und wachsen ist, angepaßt ist. dem der zweiten III-V-Halbleiterverbindung. Die

Es sei noch bemerkt, daß im Journal of the Electro- Wahl der im Mischkristall vorhandenen III-V-Verchemical Society vom März 1962, S. 226, das Wachsen 15 bindungen wird durch die Eigenschaften, die die Vorvon Mischkristallen von zwei III-V-Halbleiterver- richtung aufweisen soll, und durch das gewählte Verbindungen aus der Gasphase, und zwar die Synthese hältnis zwischen den Mengen der Am-Bv-Verbindungleichmäßiger Mischkristalle von Galliumphosphid gen im Mischkristall bestimmt. Dieses Verhältnis ist und Galliumarsenid, beschrieben worden ist, bei seinerseits vom Verhältnis zwischen den Mengen der welchem Verfahren diese Materialien durch eine 20 Am-Bv-Verbindungen in der gebildeten Schmelze Transportreaktion mit Hilfe eines Jodgasstromes über beim Auflegieren abhängig, die aus einer Lösung der die Gasphase auf einer Unterlage in Form eines Misch- beiden Am-By-Verbindungen im Grundmaterial bekristalls ausgeschieden werden. Dieses Verfahren ist steht. Die beiden erwähnten Verhältnisse sind zwar jedoch im Vergleich zur einfachen Legiertechnik nach verschieden, weichen jedoch im allgemeinen nicht der Erfindung kompliziert. 25 stark voneinander ab. Die Mengen der III-V-Verbin-

Mit Hilfe des Grundmaterials kann eine aus einem düngen in der Schmelze hängen hinsichtlich der Menge Mischkristall der ersten und zweiten III-V-Halbleiter- der zweiten III-V-Verbindung von der dem Grundverbindungen bestehende Zone epitaktisch aus einer material zugesetzten Menge und hinsichtlich der ersten Schmelze segregiert werden, die durch Auflegieren bei III-V-Verbindung von der gewählten Legiertemperatur Temperaturen, die erheblich niedriger als die Schmelz- ³° ab. Durch Versuche lassen sich die zuzusetzende punkte der gesonderten Verbindungen sind, gebildet Menge der zweiten III-V-Verbindung und die Legierist. Trotz der Vielzahl der Bestandteile, die in der beim temperatur zum Erhalten eines Mischkristalls mit Legieren gebildeten Schmelze vorhanden sind (wenig- bestimmter Zusammensetzung bestimmen. Im allgestens vier), und trotz der niedrigen Temperatur des meinen kann für die Praxis die Zusammensetzung des Verfahrens segregieren bei Abkühlung die III-V-Ver- 35 Mischkristalls innerhalb weiter Grenzen schwanken, bindungen zuerst, und zwar epitaktisch auf der Unter- ohne daß die Eigenschaften der herzustellenden Halblage in Form eines Mischkristalls der III-V-Verbin- leiterbauelemente stark schwanken, wodurch das düngen, die in der Schmelze gelöst sind, und nicht in Legierverfahren für die Praxis wenig Schwierigkeiten gesonderten festen Phasen jeder dieser III-V-Verbin- bereiten dürfte,
düngen. 40 Die erste III-V-Halbleiterverbindung und die zweite

So ergibt sich der Vorteil, daß der Hetero-Übergang III-V-Halbleiterverbindung haben vorzugsweise ein

zwischen dem Körper und der Zone des epitaktisch Element aus der III. Gruppe oder aus der V. Gruppe

segregierten Mischkristalls durch Legieren bei einer gemeinsam.

Temperatur gebildet werden kann, die erheblich nied- Besteht die erste III-V-Halbleiterverbindung z. B.

riger als die Temperatur ist, die erforderlich ist, um 45 aus Galliumarsenid, so kann die zweite III-V-HaIb-

den Hetero-Übergang durch Diffusionsverfahren oder leiterverbindung Galliumantimonid oder Indium-

durch epitaktisches Anwachsen des Mischkristalls aus arsenid sein.

der Dampfphase zu bilden. Dies hat zur Folge, daß Die erste III-V-Halbleiterverbindung braucht nicht bei den zum Legieren erforderlichen verhältnismäßig unbedingt eine einfache Verbindung zu sein. Sie kann niedrigen Temperaturen, z. B. zwischen 500 und 50 ein Mischkristall sein, das aus mindestens einem 600⁰C, keine nennenswerte Zersetzung der III-V-Ver- Element aus der III. Gruppe und mehr als einem bindungen der Unterlage und Diffusion eines oder Element aus der V. Gruppe oder aus mindestens mehrerer Elemente der III-V-Verbindungen oder eines einem Element aus der V. Gruppe und mehr als einem darin gegebenenfalls enthaltenden Dotierungsstoffes Element aus der III. Gruppe besteht, wobei z. B. die auftreten. Weitere Vorteile sind, daß der durch das 55 erste III-V-Halbleiterverbindung ein Mischkristall aus Auflegieren gebildete Hetero-Übergang auf einen be- Galliumarsenid und Galliumphosphid sein kann, der stimmten Teil des Körpers beschränkt werden kann, die Zusammensetzung GaAs₃; P₁-Z hat, wobei die so daß der entstandene Übergang eine niedrigere Indizes Atom Verhältnisse angeben, während der Wert χ Kapazität haben kann als die, die bei einem solchen größer als 0 und kleiner als 1 ist. Ein solcher Misch-Übergang auftritt, der durch epitaktisches Anwachsen 60 kristall kann selbst aus der Flüssigkeitsphase segregiert aus der Dampfphase oder durch ein Diffusionsver- oder z. B. durch Diffusion oder Aufdampfverfahren fahren hergestellt ist, daß der ohmsche Kontakt mit hergestellt sein. Das auf diesen Mischkristall aufzuder Mischkristallzone gleichzeitig hergestellt werden legierende Material kann einen der Bestandteile des kann und daß infolge des erwähnten Fehlens einer Mischkristalls oder eine andere III-V-Verbindung merklichen Diffusion, wenn der Hetero-Übergang 65 enthalten, derart, daß beim Aufschmelzen und Abebenfalls einen Übergang zwischen Materialien ent- kühlen der segregierte Mischkristall eine andere Zugegengesetzter Leitungsarten bilden muß, dieser leicht sammensetzung und einen anderen Bandabstand hat an der Stelle des pn-Überganges erzielbar ist. als der Mischkristall der Unterlage.

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Das Trägermaterial kann leicht derart gewählt arsenid und die zweite III-V-Halbleiterverbindung

werden, daß die erste und zweite III-V-Halbleiterver- Indiumarsenid ist, während Wismut als Grundmaterial

bindung eine genügende Löslichkeit im geschmol- Verwendung findet, enthält das aufzulegierende Mate-

zenen Grundmaterial, aber eine erheblich geringere rial vorzugsweise mindestens 5 Gewichtsprozent und Löslichkeit im festen Grundmaterial haben. Die Auf- 5 höchstens 25 Gewichtsprozent Indiumarsenid. Eine

gäbe des Grundmaterials besteht im allgemeinen darin, günstige Zusammensetzung ist z. B. 80 Gewichtsteile

daß es einen Teil der ersten III-V-Halbleiterverbindung Wismut und 20 Gewichtsteile Indiumarsenid.

in der Schmelze löst, aus der bei Abkühlung der Misch- An Stelle von Wismut als Grundmaterial können

kristall dieser Verbindung und der zweiten III-V-Halb- andere Grundmaterialien oder Gemische aus Wismut leiterverbindung im auflegierten Material aus der io und anderen Metallen als Grundmaterial Verwendung

Schmelze epitaktisch ausgeschieden wird. Das Grund- finden, wie Wismut-Zinn-Legierungen, z. B. 45 Teile

material kann aus einem einzigen Element bestehen, Wismut und 55 Teile Zinn.

z. B. Wismut, Blei, Zinn, Kadmium, oder aus einer Die vorstehenden Verhältnisse ergeben beim Le-

Legierung mehrerer Elemente, z. B. einer Legierung gieren von Galliumantimonid oder Indiumarsenid in von Wismut und Zinn oder einer Legierung von Wismut, 15 einem Grundmaterial auf einen η-leitenden Körper

Zinn und Platin. Das Grundmaterial kann gegebenen- aus Galliumarsenid, der gleichmäßig mit Tellur in

falls als Dotierungsstoff dienen, um die Leitfähigkeit einer Konzentration von 10^1β bis 10¹⁷ Atomen/cm³

oder den Leitungstyp der Mischkristallzone zu beein- dotiert ist, im allgemeinen einen p-leitenden epitak-

flussen. Dem Grundmaterial können weiter Dotierungs- tisch segregierten Mischkristall,
stoffe zugesetzt sein, die die Leitfähigkeit und/oder den ao Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß bei Ver-

Leitungstyp der Mischkristallzone beeinflussen. Wendung eines Körpers aus hochdotiertem Material

Das Bauelement kann einen weiteren Übergang der Leitungstyp der epitaktisch segregierten Mischenthalten, der in bestimmten Fällen ein Hetero-Über- kristallzone durch einen Dotierungsstoff bestimmt gang sein kann, zwischen der epitaktisch segregierten werden kann, mit dem der Körper ursprünglich hoch Mischkristallzone und einer weiteren Mischkristall- 25 dotiert worden ist.

zone, die ebenfalls epitaktisch aus der Flüssigkeitsphase Die Menge an Dotierungsstoff im aufzulegierenden

segregiert ist und eine andere Zusammensetzung Material wird im allgemein klein im Vergleich zur

und/oder eine andere Dotierungsstoffkonzentration als Gesamtmenge am aufzulegierenden Material gewählt

die zuerst erwähnte Mischkristallzone hat. Dieser und kann z.B. etwa 2% des Gewichtes des auf zuweitere Übergang kann während der epitaktischen 30 legierenden Materials sein, sie kann aber auch mehr

Segregation aus der gleichen Schmelze gebildet werden oder weniger sein, z. B. mindestens eine Spur und

und kann die Form einer Schicht zwischen der ersten höchstens 50 Gewichtsprozent. Der Leitungstyp der

Mischkristallzone der ersten und zweiten III-V-Ver- epitaktisch segregierten Mischkristallzone wird im

bindungen und dem erstarrten Material, das im wesent- allgemeinen durch den mitauflegierten Dotierungsstoff liehen aus dem Grundmaterial besteht, haben. 35 bestimmt, kann jedoch auch von den verwendeten

Der Hetero-Übergang kann zwischen Zonen vom Materialien und ihren relativen Konzentrationen im

gleichen oder von verschiedenen Leitungstypen liegen. aufzulegierenden Material und von der Weise des

Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbau- Auflegierens abhängen. Das Ergebnis braucht nicht

elementes der beschriebenen Art ist dadurch gekenn- genau zuvor bestimmbar zu sein, sondern läßt sich

zeichnet, daß das Auflegieren bei einer Temperatur 40 leicht und reproduzierbar aus Versuchen ermitteln,

zwischen 500 und 600⁰C erfolgt. Für Galliumarsenid ist die epitaktisch segregierte

Dabei enthält vorzugsweise das aufzulegierende Mischkristallzone, die beim Auflegieren von Gallium-Material außerdem einen Bestandteil, der als Dotie- antimonid oder Indiumarsenid in einem aus Wismut rungsstoff wirkt, der die Leitfähigkeit und/oder den bestehenden Grundmaterial ohne Zusatz eines Dotie-Leitungstyp der epitaktisch segregierten Mischkristall- 45 rungsstoffes auf einen p- oder η-leitenden Körper erzone beeinflußt. halten wird, im allgemeinen p-leitend, aber dies hängt

Wenn ein Dotierungsstoff auf legiert ist, ist die selbstverständlich von der ursprünglichen Dotierung

Konzentration in der epitaktisch segregierten Misch- des Körpers ab. Der Zusatz von Dotierungsstoffen

kristallzone im allgemeinen erheblich niedriger als die wie Kadmium, Zink oder Mangan liefert im allgemeinen

ursprüngliche Konzentration im auflegierten Material. 50 p-leitende epitaktisch segregierte Mischkristallzonen.

Das Grundmaterial und die zweite III-V-Verbindung Günstige Konzentrationen dieser Dotierungsstoffe

können zusammen dadurch auf den Körper auflegiert im aufzulegierenden Material, das aus einer III-V-Ver-

werden, daß ein aus einer Legierung oder einem innigen bindung in einem Grundmaterial von Wismut besteht,

Gemisch aus diesen Materialien bestehendes Kügelchen können z. B. die folgenden sein: für Kadmium kann

auf dem Körper angeordnet und erhitzt wird. Es ist 55 die Konzentration im Legierungsmaterial zwischen

auch möglich, die aufzulegierenden Materialien zu- einer Spur und 10 %> vorzugsweise 2%j für Zink

nächst zusammen zu schmelzen und in geschmolzenen zwischen einer Spur und 2 %, für Mangan zwischen

Zustand mit dem Körper in Berührung zu bringen. einer Spur und 3 % schwanken. Bei Verwendung dieser

Wenn die erste III-V-Halbleiterverbindung Gallium- Materialien wird das aufzulegierende Material vorzugsarsenid und die zweite III-V-Halbleiterverbindung 60 weise dadurch hergestellt, daß eine Legierung aus Galliumantimonid ist, während Wismut als Grund- Wismut und dem Dotierungsstoff gebildet wird, dem material Verwendung findet, enthält das aufzulegie- eine feingemahlene Menge der zweiten III-V-Halbrende Material vorzugsweise mindestens eine Spur leiterverbindung zugesetzt wird, wonach das Ganze Galliumantimonid und höchstens 40 Gewichtsprozent in einem entlüfteten Rohr erhitzt und rasch abgekühlt Galliumantimonid. Eine günstige Zusammensetzung 65 wird. Wenn der Dotierungsstoff aus Kadmium und ist z. B. 20 Gewichtsteile Galliumantimonid und die zweite III-V-Halbleiterverbindung aus Gallium-80 Gewichtsteile Wismut. antimonid besteht, wird z. B. zunächst eine Wismut-Wenn die erste III-V-Halbleiterverbindung Gallium- Kadmium-Legierung hergestellt, die 2 Gewichtspro-

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zent Kadmium enthält. Feingemahlenes Gallium- dem eine Platte von 3 · 3 · Va^mm geschnitten ist.

antimonid (20 Gewichtsprozent) wird dieser Le- Die obere und die untere Oberfläche sind vorher mit

gierung zugesetzt, wonach das Ganze in einem ent- Hilfe eines aus Aluminiumoxyd mit einer Korngröße

lüfteten Rohr aus Siliziumoxyd auf 800° C erhitzt und von 15 μηι bestehenden Schleifpulvers poliert. Un-

dann rasch abgekühlt wird. 5 mittelbar vor dem Auflegieren der Kontakte wird die

Wenn der Körper der III-V-Verbindung aus Gallium- Platte in einer 30%igen Lösung von Brom in Methanol

arsenid besteht, wird der Vorgang des Legierens von von O⁰C geätzt und in Äthylalkohol gewaschen. Der

Galliumantimonid oder Indiumarsenid mit einem aus erhaltene Körper wird in einer Graphitform ange-

Wismut bestehenden Grundmaterial vorzugsweise bei ordnet, und an eine Oberfläche wird ein aus einer

einer Temperatur von 500 bis 600⁰C durchführt, bei io Legierung von Wismut (80%) und Galliumantimonid

der die Materialien sich als nicht unstabil erweisen. (20%) bestehendes Kügelchen mit einem Durchmesser

Die Verwendung höherer Temperaturen kann Verluste von 2 mm angeschmolzen. Ein aus einer Wismut-Zinn-

von Arsen aus dem Körper zur Folge haben. Der Platin-Legierung bestehendes Kügelchen mit einem

Legiervorgang kann in einer inerten Gasatmosphäre Durchmesser von V2 ^mni wird an einem Ende der

erfolgen, z. B. in Argon, aber auch in Vakuum oder 15 gegenüberliegenden Oberfläche des Körpers ange-

einer reduzierenden Atmosphäre. ordnet, und das Ganze wird in einem hermetisch

Die Dauer der zum Legieren erforderlichen Er- verschlossenen, evakuierten Raum 2 Stunden lang

hitzung kann 15 Minuten bis 2 Stunden betragen. auf 55O⁰C erhitzt. Nach der Erhitzung wird das Ganze

Die Abkühlung von der Legiertemperatur her dauert langsam während 3 Stunden im Vakuum auf die

vorzugsweise 2 bis 6 Stunden; die Abkühlungsge- 20 Umgebungstemperatur abgekühlt. Die Form wird

schwindigkeit kann den betreffenden Materialien dann aus dem Raum entfernt und der Halbleiterkörper

angepaßt werden, um eine gute epitaktisch segregierte herausgenommen. Anschlußdrähte aus Platin (nicht

Mischkristallzone zu erhalten. dargestellt) werden an die erstarrten Zonen angelötet,

Wenn auf Galliumarsenid legiert wird, können nachdem der Körper oberflächlich in einer Lösung von

vorher Körper aus diesem Material aus einem stab- 25 Brom (30 %) in Methanol geätzt worden ist. Die Diode

förmigen Einkristall dadurch hergestellt werden, daß kann dann auf eine an sich bekannte Weise mit einer

der Stab in Scheiben oder Platten geteilt wird, die Hülle versehen werden.

gegebenenfalls in rechteckige Platten unterteilt werden. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, das in Die Ergebnisse des Auflegierens sind in geringem Maße F i g. 2 dargestellt ist, besteht eine Photodiode aus von der Kristallorientierung derjenigen Oberfläche 30 einem Körper 11 in Form einer Scheibe aus n-leitendes Körpers, auf der legiert wird, abhängig. dem Galliumarsenid, das mit Tellur in einer Kon-Zwei Ausführungsbeispiele von Halbleiterbauele- zentration von 5 · 10¹⁶ Atomen/cm³ dotiert ist, wobei menten nach der Erfindung und ihrer Herstellung im Körper auf einer Seite ein Hetero-Übergang 12 werden nachstehend an Hand der schematischen zwischen dem Körper 11 und einer p-leitenden, epiZeichnung beschrieben, in der die F i g. 1 und 2 35 taktisch segregierten Zone 13, die aus einem Misch-Vertikalschnitte durch zwei Dioden darstellen. kristall von Galliumarsenid und Indiumarsenid be-Bei einer ersten, in F i g. 1 dargestellten Ausfüh- steht, vorhanden ist. Die Zusammensetzung des Mischrungsform besteht eine Diode aus einem Körper 1 kristalle ist etwa 15 % Indiumarsenid und 85 % in Form einer Platte aus η-leitendem Galliumarsenid, Galliumarsenid. Über der segregierten Mischkristalldas mit Tellur in einer Konzentration von 10¹⁷ Ato- 40 zone 13 liegt eine erstarrte Zone 14, die über der men/cm³ dotiert ist, während auf einer Seite des Oberfläche des Körpers vorsteht und einen ohmschen Körpers ein Hetero-Übergang 2 zwischen dem Körper Kontakt mit der p-leitenden epitaktisch segregierten und einer p-leitenden epitaktisch segregierten Misch- Mischkristallzone bildet und hauptsächlich aus Wismut kristallzone 3 aus Galliumarsenid und Galliumanti- und Kadmium besteht. Die Grenzfläche des Heteromonid vorhanden ist. Die Zusammensetzung des 45 Überganges ist flach und liegt 30 μπι unter der Ober-Mischkristalls ist etwa 85 % Galliumantimonid und fläche, während die segregierte Mischkristallzone eine 15% Galliumarsenid. Über der Zone 3 liegt eine Dicke von etwa 30 μηι hat. Auf der gleichen Obererstarrte Zone 4, die über der Oberfläche des Körpers fläche des Körpers befindet sich ein ohmscher Kontakt vorsteht und einen ohmschen Kontakt mit der p-leiten- mit der η-leitenden Scheibe, der aus einer segregierten den epitaktisch segregierten Mischkristallzone bildet, 50 Zone 15 von Galliumarsenid besteht, die unter einer welche erstarrte Zone hauptsächlich aus Wismut erstarrten Zone 16 liegt, die über der Oberfläche vorbesteht. Die Grenzfläche des Hetero-Überganges 2 steht und hauptsächlich aus der Wismut-Zinn-Platinist flach und liegt in einer Tiefe von etwa 10 μ unter Legierung besteht. Die Diode hat ein Gleichrichtder oberen Oberfläche des Körpers 1. Die segregierte verhältnis von etwa 2 · 10³ und ist für die durch einen Mischkristallzone hat eine Dicke von etwa 55 μ. In 55 p-n-Übergang aus Galliumarsenid ausgesandte Strahder Nähe eines Endes des Körpers befindet sich auf lung empfindlich.

der gegenüberliegenden Oberfläche ein ohmscher Die Diode ist aus einem Einkristall aus Gallium-Kontakt mit der η-leitenden Scheibe, der aus einer arsenid hergestellt, das gleichmäßig mit Tellur in einer segregierten Zone 5 aus Galliumarsenid und einer Konzentration von 5 · 10^ie Atomen/cm³ dotiert ist, erstarrten Zone 6 besteht, die über der Oberfläche 60 wobei eine Platte von 3 · 2 mm · 150 μηι dadurch vorsteht und hauptsächlich aus einer Wismut-Zinn- erhalten ist, daß der Einkristall in Scheiben oder Platin-Legierung besteht. Die Diode hat ein Gleich- Platten geteilt ist, die in kleine Platten unterteilt sind, richtverhältnis von etwa 2 · 10³ und ist sehr empfindlich Eine solche Platte wird mit Hilfe eines Schleifpulvers für durch einen pn-Übergang aus Galliumarsenid aus Aluminiumoxyd mit einer Korngröße von 15μπι ausgesandte Strahlung. 65 poliert. Unmittelbar vor dem Legiervorgang wird die Die Diode ist aus einkristallinem Galliumarsenid Platte in einer 30%igen Lösung von Brom in Methanol hergestellt, das gleichmäßig mit Tellur in einer Kon- von O⁰C geätzt und in Äthylalkohol gewaschen. Der zentration von 10¹⁷ Atomen/cm³ dotiert ist und aus erhaltene Körper wird in einer Graphitform ange-

ordnet, und auf eine Oberfläche wird ein aus einer Legierung von Wismut (70%). Kadmium (2°/o) und Rest Indiumarsenid bestehendes Kügelchen mit einem Durchmesser von 1 mm aufgeschmolzen. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Körpers wird ein aus einer Wismut-Zinn-Platin-Legierung bestehendes Kügelchen mit einem Durchmesser von ¹J₂ mm angeordnet, wonach das Ganze in einem evakuierten, hermetisch verschlossenen Raum während 1 Stunde auf 580⁰C erhitzt wird. Nach der Erhitzung wird das Ganze langsam in 4 Stunden im Vakuum auf Zimmertemperatur abgekühlt. Die Form wird aus dem Raum und dann der Halbleiterkörper aus der Form herausgenommen. Nicht dargestellte Anschlußdrähte aus Platin werden an die erstarrten Zonen angelötet, nachdem der Körper oberflächlich in einer Lösung von Brom in Methanol geätzt worden ist. Die Diode kann dann auf eine an sich bekannte Weise in einer Hülle angeordnet werden.

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Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem Hetero-Übergang zwischen einem aus einem ersten Halbleitermaterial bestehenden Körper und einer Zone in diesem Körper, die aus einem Mischkristall des ersten Halbleitermaterials und eines zweiten Halbleitermaterials besteht, wobei die Mischkristallzone aus der epitaktisch segregierten Halbleiterzone eines Legierungskontaktes besteht, der durch Auflegieren des zweiten Halbleitermaterials auf das erste unter Verwendung eines Grundmaterials als Lösungsmetall erzeugt ist, dadurch] gekennzeichnet, daß beide Halbleitermaterialien aus einer III-V-Halbleiterverbindung bestehen und daß das Grundmaterial Wismut oder eine Wismutlegierung enthält.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktisch segregierte Mischkristallzone aus einem Material mit einem niedrigeren Bandabstand als die erste III-V-Halbleiterverbindung besteht.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste III-V-Halbleiterverbindung und die zweite III-V-Halbleiterverbindung ein Element der III. Gruppe oder ein Element der V. Gruppe gemeinsam haben.

4. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste III-V-Halbleiterverbindung Galliumarsenid ist.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite III-V-Hälb-Ieiterverbindung Galliumantimonid ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite III-V-Halbleiterverbindung Indiumarsenid ist.

7. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste III-V-Halbleiterverbindung ein Mischkristall ist, der aus mindestens einem Element der III. Gruppe und mindestens zwei Elementen der V. Gruppe oder aus mindestens einem Element der V. Gruppe und mindestens zwei Elementen der III. Gruppe besteht.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste III-V-Halbleiterverbindung ein Mischkristall aus Galliumarsenid und Galliumphosphid ist, mit der Zusammensetzung GaASzP₁-Z, wobei die Indizes Atomverhältnisse angeben, während der Wert χ größer als 0 und kleiner als 1 ist.

9. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial eine Legierung aus Wismut und Zinn ist.

10. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen weiteren Übergang zwischen der epitaktisch segregierten Mischkristallzone und einer weiteren Mischkristallzone, die ebenfalls epitaktisch aus der Flüssigkeitsphase segregiert ist, aber eine andere Zusammensetzung und/oder eine andere Dotierungsstoffkonzentration als die andere Mischkristallzone hat.

11. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflegieren bei einer Temperatur zwischen 500 und 600° C erfolgt.

12. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das aufzulegierende Material außerdem einen Bestandteil enthält, der als ein Dotierungsstoff wirkt, der die Leitfähigkeit und/oder den Leitungstyp der epitaktisch segregierten Mischkristallzone beeinflußt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1100 821;
französische Patentschrift Nr. 1193 194.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen