DE1209208B - Halbleiterbauelement mit entartet dotiertem Halbleiterkoerper und sehr duenner pn-UEbergangs-flaeche sowie Verfahren zum Herstellen dieses Halbleiterbauelements, insbesondere Tuneldiode oder Esaki-Diode - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIl

Deutsche KL: 21g-11/02

Nummer: 1209 208

Aktenzeichen: J 20861 VIII c/21 g

Anmeldetag: 21. November 1961

Auslegetag: 20. Januar 1966

Halbleiterbauelemente, bei denen ein quantenmechanisches Tunneln der Ladungsträger im Halbleiterkörper von einer Halbleiterzone in eine andere Halbleiterzone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps stattfindet, sind von Dr. Leo Esaki in der Physical Review, Vol. 109, Januar 1958, S. 603 und 604, beschrieben worden. Das dort erörterte Halbleiterbauelement ist in der Technik unter dem Namen Esaki-Diode oder Tunneldiode bekanntgeworden.

Der quantenmechanische Tunneleffekt ist in einem Halbleiterbauelement mit einem pn-übergang zwischen zwei Zonen eines Halbleiterkörpers hoher Leitfähigkeit gegeben, wenn eine Zone entartet dotiert ist und die andere Zone der Entartung nahekommt. Bei einer Vorspannung von Null überlappt dann das Leitfähigkeitsband auf einer Seite des Übergangs das Valenzband auf der anderen Seite des Übergangs.

Diese Entartung ist eine Fremdstoff- bzw. Störstoffkonzentration solchen Ausmaßes, daß das Ferminiveau innerhalb des Valenzbandes oder des Leistungsbandes zu liegen kommt.

Da sich die Erscheinung des quantenmechanischen Tunnelns auf eine Wahrscheinlichkeit der Ladungsträgerenergie stützt, ist es zusätzlich zu den vorstehend erörterten Kriterien auch erforderlich, daß die Breite des pn-Übergangs, d. h. der Abstand im Kristall von der Zone hoher Leitfälligkeit über das Eigenleitgebiet am Übergang und zurück zu dem Wert hoher Leitfähigkeit, sehr klein ist. Bei Germanium beträgt dieser Abstand etwa 150 Ängströmeinheiten und darunter. Halbleiterbauelemente mit diesen Kriterien weisen einen Bereich negativen Widerstands bei sehr niedrigen Spannungsniveaus auf.

Die Folge des schmalen Übergangs in diesen Bauelementen ist ein extrem starkes Feld. Dabei ergeben sich Schwierigkeiten hinsichtlich dem Leckstrom über diesen schmalen Übergang an der Oberfläche des Halbleiterkörpers. Solche Leckströme wirken sich auf die Ausgangskennlinie des Halbleiterbauelements ungünstig aus.

Diese Schwierigkeiten zu beheben, ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe.

Für ein Halbleiterbauelement mit entartet dotiertem Halbleiterkörper und sehr dünner pn-Übergangsfläche, insbesondere Tunneldiode oder Esaki-Diode, besteht danach die Erfindung darin, daß der Störstellengehalt im Randgebiet der pn-Übergangsfläche an der Oberfläche des Halbleiterkörpers unter die Entartung herabgesetzt ist, so daß in diesem Randgebiet der pn-Übergangsfläche eine quantenmechanische Tunnelung der Ladungsträger unterbunden ist, und daß die Dicke der pn-Übergangsfläche gegenüber der des Halbleiterbauelement mit entartet dotiertem
Halbleiterkörper und sehr dünner pn-Übergangsfläche sowie Verfahren zum Herstellen dieses
Halbleiterbauelements, insbesondere Tunneldiode oder Esaki-Diode

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

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

Vertreter:

Dr.-Ing. R. Schiering, Patentanwalt,

Böblingen (Württ), Westerwaldweg 4

Als Erfinder benannt:
Frederick Hayes Dill jun.,
Putnam Valley, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 21. November 1960
(70 561)

tunnelnden, inneren Gebietes der pn-Übergangsfläche verbreitert ist.

Bei einem älteren Vorschlag für eine Tunneldiode hat das Randgebiet im Vergleich zum inneren Teil des Halbleiterkörpers die höhere Dotierungskonzentration. Mit einer solchen Ausführungsform der Tunneldiode lassen sich die eingangs genannten Schwierigkeiten nicht beheben.

Die Erfindung sei nachstehend an Fland der Zeichnungen für eine beispielsweise Ausführungsform näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch ein Halbleiterbauelement mit einem pn-Übergang;

F i g. 2 ist ein dimensionsmäßig zu F i g. 1 in Beziehung gesetzte Kurve für den Verlauf des spezifischen Widerstands des Halbleiterkörpers der Halbleitervorrichtung, welcher für die Bildung des quantenmechanischen Tunnelns erforderlich ist;

F i g. 3 ist ein Energiediagramm des pn-Übergangs vom quantenmechanisch tunnelnden Typ;

F i g. 4 ist eine Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie eines Halbleiterbauelements nach F i g. 1 mit einem Übergang vom quantenmechanisch tunnelnden Typ;

509 779/325

3 4

F i g. 5 ist eine Endansicht der Vorrichtung nach Die Breite der Übertragungszone am Übergang muß F i g. 1, welche ein Erfindungsmerkmal illustriert. derart aufrechterhalten sein, daß die Wahrscheinlich-Gemäß der Erfindung kann der Leckstrom an der keit für das Tunneln von Ladungsträgern vom Valenz-Oberfläche eines quantenmechanisch tunnelnden Über- band des einen Materials in das Leitungsband des gangstyps wesentlich durch eine Zunahme des spezi- 5 anderen Materials ausreichend hoch ist; da die Wahrfischen Widerstands an der Stelle, wo der Übergang scheinlichkeit sich exponentiell mit dem Abstand D die Oberfläche des Halbleitermaterials erreicht, redu- ändert, muß dieser Übertragungsbereich sehr eng ziert werden. gehalten werden, um eine betriebsfähige Wahrschein-

In F i g. 1 ist eine Halbleitervorrichtung mit 1 be- lichkeit aufrechtzuerhalten.

zeichnet. Diese weist eine Zone 2 vom p-Leitfähig- io Wenn eine Halbleitervorrichtung gemäß F i g. 1 keitstyp und eine Zone 3 vom n-Leitfähigkeitstyp auf. einen Übergang aufweist, der die an Hand der F i g. 2 Die beiden Zonen 2 und 3 sind am pn-Ubergang4 und 3 erörterten Voraussetzungen erfüllt, dann wird vereinigt. Dieser Halbleiteraufbau kann eine Diode dieser Übergang quantenmechanisches Tunneln zeigen sein oder ein Teil eines verwickeiteren Halbleiter- und wird eine Ausgangskennlinie besitzen, die der systems, z. B. eines Transistors, sein. Der durch den 15 in F i g. 4 stark ausgezogenen, dicken Kurve entpn-Übergang 4 dargestellte Leitfähigkeitstyp ist durch spricht. Danach nimmt der Strom bei einem Anfangsdie Menge und die Art der den Leitfähigkeitstyp be- wert der Spannung zu, weil am überlappenden Teil stimmenden Verunreinigungen, welche in den in des Valenzbandes und des Leitungsbandes nach Betracht kommenden Zonen 2 bzw. 3 überwiegen, F i g. 3 quantenmechanisches Tunneln stattfindet, bis festgelegt. Der Übergang 4 ist von der Art, die quan- 20 bei einem besonderen Spannungswert ein erster Wendetenmechanisches Tunneln auf Grund der Erfordernisse punkt in der Kennlinie zu beobachten ist.
zeigt, welche in Verbindung mit den F i g. 2 und 3 Man nennt diesen ersten Wendepunkt in der Praxis dargetan sind. den Spitzenstrom (vgl. F i g. 4). Über den Wendeln F i g. 2 ist eine Widerstandkurve in maßstäblicher punkt hinaus wirken sich Spannungssteigerungen auf Zuordnung zu dem Halbleiterkörper der F i g. 1 25 eine Änderung des Verhältnisses der Energiebänder dargestellt, um die Erfordernisse für einen pn-Über- der F i g. 3 aus, und der Betrag des tunnelnden gang 4 vom quantenmechanischen Tunneltyp zu Stromes nimmt bis zu einem zweiten Wendepunkt, illustrieren. Nach der Kurve der F i g. 2 für den Talstrom genannt, ab. Über den Talpunkt hinaus spezifischen Widerstand ist im p-Gebiet eine Konzen- verursacht die zugeführte Spannung eine Leitfähigkeit tration der den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Stör- 30 durch normale Ladungsträgerinjektion, wie beim stoffe gegeben, welche ausreichend hoch ist, um Ent- normalen Durchlaßstrom eines Gleichrichters mit artung herbeizuführen. Für ein besonderes Beispiel pn-Übergang. Ein Qualitätsmaß dieser Vorrichtung ist dieser Wert bei Germanium als Halbleiterkörper ist das Verhältnis dieser Wendepunkte in der Ausetwa 10¹⁹ Störstoffzentren pro Kubikzentimeter Halb- gangskennlinie.

leitermaterial. In der n-Zone 3 der F i g. 1 liegt eine 35 Ein ernstes Problem ist in der Praxis dadurch ähnlich hohe Konzentration vor. aufgetreten, daß der Oberflächennebenschluß bzw. das Im Bereiche des pn-Überganges der F i g. 2 ist der Oberflächenleck infolge des an dem schmalen Über-Abstand D ein kritischer Wert für die Halbleitervor- gang sich bildenden extrem starken Feldes einen Einrichtung vom quantenmechanischen Tunneltyp. Der fluß auf die Ausgangskennlinie ausübt, wie dies in Wert D ist gleich der Entfernung von der p-Zone 40 F i g. 4 gezeigt ist. Dies geschieht in der Weise, daß hoher Konzentration über das Intrinsic zu Werten sich höhere Spitzenströme und höhere Talströme hoher Konzentration des η-Gebietes. Wie bereits ergeben (vgl. die gestrichelt gezeichnete Kurve),
oben angegeben, ist dieser Wert D bei Germanium Gemäß der Erfindung wird nun eine Inhomogenität kleiner als 150 Ängströmeinheiten. in der Störstellenkonzentration im Halbleitermaterial In F i g. 3 ist das Energieniveaudiagramm für den 45 an der Stelle geschaffen, wo der pn-Übergang die pn-Übergang nach F i g. 1 in dimensionsmäßiger Oberfläche des Materials erreicht, und zwar derart, Zuordnung zu F i g. 1 und 2 dargestellt. In diesem daß die Hauptmenge des Stromflusses unterhalb der Diagramm hat das p-leitende Halbleitermaterial 2 Oberfläche des Materials auftritt, eine wesentliche ein Valenzband 5 mit einer oberen Kante 5a und ein Reduktion des Nebenschlusses erzielt wird und damit Leitungsband 6 mit einer unteren Kante 6a. Das 5° eine größeres Verhältnis des Spitzenstroms zum TaI-n-leitende Halbleitermaterial hat ein Valenzband 7 mit strom erzielt wird. Dies führt wiederum zu einer einer oberen Kante la und ein Leitungsband 8 mit Vereinfachung der Genauigkeitsreproduktion von einer unteren Kante 8a. Halbleiterbauelementen mit identischen Ausgangs-

Die Kanten Sa, 6a und Ta, 8a bestimmen die Energie- kennlinien.

bandlücke für das Halbleitermaterial. Das Fermi- 55 Diese Inhomogenität der Störstoffkonzentration im

niveau ist durch die Gerade 9 dargestellt und verläuft Sinne einer Steigerung des spezifischen Widerstands

innerhalb des Valenzbandes 5 des p-Typ-Materials ist schematisch illustriert in Fig. 5. Diese Fi g. 5 ist

und innerhalb des Leitungsbandes 8 des n-Typ-Mate- eine Ansicht 5-5 von F i g. 1 längs des pn-Überganges 4,

rials. _ wobei der Teil der Zone 2 an der Oberfläche 10 von Um dem Übergang 4 in F i g. 1 quantenmechanisch 60 höherem spezifischen Widerstand ist und bis zu einer

tunnelnde Eigenschaften zu verleihen, ist es wesentlich, gestrichelten Linie verläuft. Der mittlere zentrale Teil

daß die Störstoffkonzentration (Dotierungskonzen- des pn-Überganges 4 hat den niederen spezifischen

tration) ausreichend ist, damit das Leitungsband des Widerstand. In Wirklichkeit wird der Übergang in der

n-Typ-Materials das Valenzband des p-Typ-Materials, Inhomogenität des spezifischen Widerstands nicht so wie in F i g. 3 dargestellt, überlappt. Normalerweise 65 scharf sein, wie er durch die Darstellung mit der

wird dann das Ferminiveau innerhalb des Valenz- gestrichelten Linie in F i g. 5 erscheinen könnte. Eine bandes des p-Typ-Materials und innerhalb des Lei- graduelle Widerstandsänderung ist in praxi wahr-

tungsbandes des n-Typ-Materials sein. scheinlicher.

Die Erfindung hat bei ihrer Erprobung gezeigt, daß eine sehr kleine Änderung im spezifischen Widerstand zwischen dem Bereich 10 und dem zentralen Teil des pn-Überganges 4 eine wesentliche Änderung in der Ausführung erzeugen wird. In einer Vorrichtung dieser Art sind die Spannungshöhen derart, daß mit einem wenn auch noch so kleinen Unterschied im spezifischen Widerstand der Gesamtstromfluß im wesentlichen in der Mitte des pn-Übergangs fließen wird. An der Oberfläche werden merkliche Ströme nicht fließen.

Um die praktischen Unterschiede zwischen einem quantenmechanisch tunnelnden pn-übergang und einem konventionellen Halbleiter-pn-Übergang abzuschätzen, kann man die Änderung des spezifischen Widerstandes 10 an der Oberfläche im Zusammenhang mit der F i g. 2 als eine Ausweitung des Abstandes D für das Gebiet der Oberfläche 10 ansehen. Diese würde durch Steigerung des spezifischen Widerstands an den Kanten eintreten, da das Tunneln sich auf eine Wahrscheinlichkeit von Ladungsträgern stützt, welche hindurchgelangen, und diese Variation ist eine steile Exponentialfunktion. Eine kleine Änderung im spezifischen Widerstand führt bereits zu einer starken Änderung der Tunnelwahrscheinlichkeit.

Nach einem besonderen Ausführungsbeispiel hat im Falle von Germanium als Halbleiterkörper die Breite D (F i g. 2) den Betrag von 50 Ängströmeinheiten. Hierbei findet ein wesentlicher Betrag des Tunnelns statt. Wo jedoch der Abstand D auf über 150 Ängströmeinheiten erweitert ist, findet praktisch kein Tunneln statt.

Nachstehend seien einige besondere Bemessungsangaben für eine vorteilhafte, beispielweise Ausführungsform der Erfindung gemacht: Die Störstoffdichte über der Fläche des pn-Überganges 4 der F i g. 1 ist etwa 5 ■ 10¹⁹. Eine Reduktion der Störstoff dichte im Oberflächenbereich 10 der F i g. 5 auf einen Wert von etwa 1 · 10¹⁹ würde ausreichen, um im wesentlichen den gesamten Tunnelstrom auf einen Teil des pn-Überganges 4 zu beschränken, welcher unter der Oberfläche liegt. Oder in Widerstandswerten ausgedrückt : Bei p-leitendem Germanium, wie die Zone 2 in F i g. 1, wo der spezifische Widerstand der Hauptmasse 0,003 Ohm · cm beträgt, würde eine Änderung von 0,003 Ohm · cm auf 0,03 Ohm · cm im Gebiet 10 der Oberfläche ausreichen. Bei η-leitendem Halbleitermaterial, wie Zone 3 in F i g. 1, wo der spezifische Widerstand 0,001 Ohm · cm ist, genügt eine Änderung auf 0,01 Ohm · cm an der Oberfläche.

Es kann grundsätzlich festgestellt werden, daß die Störstoffkonzentration an der Oberfläche so geringfügig wie von 5 ■ 10¹⁹ auf 1 · 10¹⁹ Störstoffzentren pro Kubikzentimeter reduziert und der tunnelnde Strom noch auf das Gebiet im Innern der Masse des Halbleitermaterials beschränkt werden kann.

Die Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach der Erfindung kann vorteilhaft in folgender Weise ausgeführt werden:

Ein Halbleiterkörper ζ. B. aus Germanium, wie die Zone 3 der F i g. 1, enthält pro Kubikzentimeter annähernd 5 · 10¹⁹ Atome einer flüchtigen, Leitfähigkeitstyp bestimmenden Verunreinigung, z. B. Arsen, womit ein entarteter Halbleiterkörper vom n-Leitfähigkeitstyp gegeben ist. Dieser Halbleiterkörper wird dann im Vakuum von 10~⁷ mm Hg auf eine Temperatur von 600⁰C 30 Minuten lang erhitzt. In dieser Zeit reduziert sich die Arsen-Störstoffkonzentration an der Oberfläche auf 10¹⁷ Atome pro Kubikzentimeter.

Danach wird eine Legierungsverbindung aus Indium-Gallium auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers hergestellt, so daß sich eine p-leitende rekristallisierte Zone aus dem Legierungsanschluß mit einer Konzentration bildet, welche ausreicht, um entartetes Halbleitermaterial zu bilden. Das Legierungsverfahren schafft einen steilen Übergang/) von weniger als Ängströmeinheiten bei Germanium, was für eine hohe Tunnelwahrscheinlichkeit im Inneren ausreicht.

ίο Dieses Legierungsanschlußgebiet ist von dem Oberflächenteil des Halbleiterkörpers mit dem höheren spezifischen Widerstand umgeben.

Ein anderes Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung ist das epitaktische Züchten durch Zersetzen einer Verbindung eines Halbleitermaterials mit einem Transportelement. Bei diesem Verfahren wird halbleitendes Material von hohem spezifischem Widerstand epitaktisch auf einem entarteten Halbleiterkristallkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps gezüchtet. Dann wird eine Legierungsverbindung vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in an sich üblicher Weise mit dem epitaktisch gezogenen Halbleiterkristall hergestellt, um einen abrupten pn-Übergang zu schaffen, der von dem Material höheren spezifischen Widerstands umgeben ist.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit entartet dotiertem Halbleiterkörper und sehr dünner pn-Übergangsfläche, insbesondere Tunneldiode oder Esaki-Diode, dadurch gekennzeichnet, daß der Störstellengehalt im Randgebiet der pn-Übergangsfläche an der Oberfläche des Halbleiterkörpers unter die Entartung herabgesetzt ist, so daß in

diesem Randgebiet (10) der pn-Übergangsfläche eine quantenmechanische Tunnelung der Ladungsträger unterbunden ist, und daß die Dicke (D) der pn-Übergangsfläche (4) gegenüber der des tunnelnden, inneren Gebietes der pn-Übergangsfläche verbreitert ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (D) der pn-Übergangsfläche (4) im inneren Teil des aus Germanium bestehenden Halbleiterkörpers

50 Ängströmeinheiten und im Randgebiet (10) größer als 150 Ängströmeinheiten ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellendichte im inneren Teil des Halbleiterkörpers etwa 5 · 10¹⁹ Atome pro Kubikzentimeter und im Randgebiet (10) der pn-Übergangsfläche (4) nur etwa 1 · 10¹⁹ Atome pro Kubikzentimeter beträgt.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper im inneren Teil der einen Halbleiterzone einen spezifischen Widerstand von 0,003 Ohm · cm und im Randgebiet (10) der pn-Übergangsfläche (4) der gleichen Halbleiterzone einen spezifischen Widerstand von 0,03 Ohm · cm aufweist.

5. Halbleiterbauelement nach einem der "Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper im inneren Teil der einen Halbleiterzone einen spezifischen Widerstand von etwa 0,001 Ohm · cm und im Randgebiet (10) der pn-Übergangsfläche (4) der gleichen Halbleiterzone einen spezifischen Widerstand von etwa 0,01 Ohm · cm aufweist.

I 209

6. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungssubstanz Arsen verwendet ist.

7. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem leicht flüchtigen Fremdstoff entartet dotierter Halbleiterkörper im Vakuum so lange erhitzt wird, bis das Randgebiet (10) die gewünschte Verminderung an Fremdstoffen erfahren hat.

8. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nicht entartet dotiertes halbleitendes Material auf einem entartet dotierten Halbleiterkörper epitaktisch niedergeschlagen wird.

10 In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 044 285;
Electronics, 7. 8.1960, S. 66 und 68.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 779/325 1.66 © Bundesdruckerei Berlin