DE1235867B - Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen dotierten Halbleiterstabes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C30B 9/005

BOIj

Deutsche KL: 12 g-17/06

Nummer: 1 235 867

Aktenzeichen: N19477IV c/12 g

Anmeldetag: 24. Januar 1961

Auslegetag: 9. März 1967

Es ist bekannt, einen Kristall aus Halbleitermaterial mit einer Schmelze des Materials in Berührung zu bringen und diesen Kristall durch Erstarrung der Schmelze langsam wachsen zu lassen, z. B. nach dem Ziehverfahren von Czochralski oder nach einem Zonenschmelzverfahren, bei dem eine geschmolzene Zone vom Kristall aus durch einen stabförmigen Körper des Halbleitermaterials hindurchgeführt wird. Dabei werden eine oder mehrere wirksame Verunreinigungen (Donatoren und/oder Akzeptoren) in einer solchen Konzentration bzw. in solchen Konzentrationen in der Schmelze verwendet, daß die Konzentration bzw. Konzentrationen in dem am Kristall anwachsenden Material sowie der spezifische Widerstand dieses Materials den gewünschten Wert erhalten. Die richtige Wahl der Konzentration einer solchen Verunreinigung in der Schmelze ist möglich, weil für jede Verunreinigung in einem bestimmten Halbleitermaterial das Verhältnis zwischen der Konzentration dieser Verunreinigung im anwachsenden Material und der Konzentration dieser Verunreinigung in der Schmelze (dieses Verhältnis wird Verteilungskoeffizient k genannt) bei gleicher Durchführung des Verfahrens mit bestimmter Wachstumsgeschwindigkeit bekannt ist und einen konstanten Wert hat, der von der verwendeten Konzentration dieser Verunreinigung in der Schmelze unabhängig ist.

Bei den nach den bekannten Verfahren hergestellten stabförmigen Körpern aus Halbleitermaterial ist aber der spezifische Widerstand in Richtungen quer zur Stabachse nicht gleichmäßig. Neben einem Teil mit dem zu erwartenden spezifischen Widerstand ist ein im allgemeinen zentral liegender, sich in Längsrichtung des Stabes erstreckender Teil entstanden, dessen spezifischer Widerstand von dem des zuerst genannten Teiles abweicht infolge einer entsprechenden Abweichung in der Konzentration an wirksamer Verunreinigung. Ein solcher Teil mit abweichender Konzentration der Verunreinigung wird im nachfolgenden als »Kern« bezeichnet, während der angrenzende zuerst genannte Teil als »Randteil« bezeichnet wird. Als Ausgangsmaterial für Halbleitervorrichtungen, wie Kristalldioden oder Transistoren, hat ein solcher inhomogener einkristalliner Körper den Nachteil, daß das Kernmaterial zu niedrige Durchschlagspannungen ergeben kann.

Nach einem älteren Vorschlag wurde bereits gefunden, daß die Kernbildung mit der Orientierung des Kristallgitters gegenüber der Wachstumsrichtung zusammenhängt und daß der Kern im allgemeinen an jener Stelle auftritt, an der die Normale zur Erstarrungsfront des anwachsenden Kristalls gemäß einer Verfahren zur Herstellung eines
einkristallinen dotierten Halbleiterstabes

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

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

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Johannes Aloysius Maria Dikhoff,

Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 28. Januar 1960 (247 854)

Hauptrichtung des Kristalls lag. Bei einem Halbleiter mit einer Diamant- oder verwandten Struktur, wie der Zinkblendestruktur, tritt z. B. ein Kern mit stark abweichender Konzentration bzw. stark abweichenden Konzentrationen der Verunreinigung bzw. Verunreinigungen auf, wenn die Anwuchsrichtung wenigstens nahezu mit einer <111>-Achse des Kristallgitters zusammenfällt. Um Kernbildung zu verhüten wurde demnach vorgeschlagen, die Orientierung des anwachsenden Kristalls so zu wählen, daß die Anwuchsrichtung in hinreichendem Maße von einer Haupt-

richtung, insbesondere von der <111>-Richtung des Kristalls abweicht.

Der Erfindung liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, bei einer Herstellung einkristalliner dotierter Halbleiterstäbe durch gerichtetes Erstarren einer Schmelze die Kernbildung gezielt zu beeinflussen. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen dotierten Halbleiterstabes mit über seinem Querschnitt gleichem spezifischem elektrischem Widerstand oder mit einem pn-übergang senkrecht zur Stablängsachse durch gerichtetes Erstarren einer Schmelze des Halbleiters, die mindestens zwei verschiedene Dotierstoffe enthält, wobei abhängig von der Orientierung des anwachsenden Kristalls in bezug auf die Erstarrungerichtung jeder Dotierstoff im Innern des Stabes eine andere Konzentration aufweist als an dessen Rand, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Art und Menge der als Akzeptoren

709 518

3 4

Donatoren wirkenden Dotierstoffe so ausgewählt zige Akzeptor so gewählt, daß ihre Kernbildungsfak-

werden, daß das Verhältnis toren um wenigstens 0,4 voneinander abweichen.

(~ ι. „\ S?r~ /- ~ \ Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen

(Kd ' Kd ' Ca) — Zj^o, · ICa ' C_a) „at,^ _ik,„^

A = _(I) erläutert.

2jkd · ca) — ^(k(i -Ca) 5 Fig. 1 und 2 zeigen einen Querschnitt bzw. einen

im Fall gleichen spezifischen Widerstandes gleich 1 oder Längsschnitt eines einkristallinen, stabförmigen Kör-

im Fall des pn-Überganges negativ ist, wobei oc_d und pers aus Halbleitermaterial, der gemäß dem Ziehver-

<x_a das Verhältnis der Konzentrationen der Donatoren fahren unter Kernbildung erzielt ist;
bzw. Akzeptoren im Kern zu den Konzentrationen F i g. 3 bis 12 zeigen Graphiken, in denen für ver-

im Randteil des Stabes (Kembildungsfaktor) bedeutet io schiedene Fälle der Konzentrationsverlauf von Ver-

und k_d und k_a die Verteilungskoeffizienten, c_d und c_a unreinigungen gemäß der in F i g. 1 dargestellten

die Konzentrationen in der Schmelze von Donatoren Linie X-X senkrecht zur Längsachse eines Körpers

bzw. Akzeptoren darstellen. dargestellt ist. Die Konzentrationen sind längs der

Σ(«* * ^kä · Q) ist gleich der Summe der Kernkon- ^™^™^ ™^d *? betreffenden Stellen auf der

^ „-n 15 Linie X-X längs der Abszissenachse aufgetragen,

zentrationen der Donatoren und 2/(««·*, Ό Um zu illustrieren, wie in einem einkristallinen

gleich der Summe der Kernkonzentrationen der Halbleiterkörper ein Kern vorhanden sein kann, ist in

Akzeptoren.-Der Zähler in der Beziehung (I) gibt den Fig. 1 und 2 ein einkristalliner stabförmiger

also die Kernkonzentration des Überschusses an Körper 1 aus Halbleitermaterial dargestellt, der nach

Donatoren oder die negative Kernkonzentration des 20 dem Ziehverfahren hergestellt werden kann und bei

Überschusses an Akzeptoren an, wobei diese Konzen- dem ein Keimkristall derart orientiert ist, daß ein

trationen den spezifischen Widerstand und die Lei- koaxial symmetrischer Kern konzentrisch mit dem

tungsart des Kerns bedingen. T {k_d · c_d) ist gleich Umfang des stabförmigen Körpers gebildet wird, z. B.

der *_ de, >„*««■— ***. ., £?SSSSSS^SlSSTw^S

Donatoren und 2Xk_a * O gleich der Summe der _gemäß der Ziehrichtung orientiert ist. Im Körper 1

Randkonzentrationen sämtlicher Akzeptoren. Der umgibt ein Randteil 2 mit homogener Konzentration

Nenner in der Beziehung (I) gibt also die Randkon- von Verunreinigungen einen Kern 3 mit verschiede-

zentrationen des Überschusses an Donatoren oder die nen Konzentrationen dieser Verunreinigungen,
negative Randkonzentration des Überschusses an 30 In den Fig.3 und 4 ist schematisch dargestellt,

Akzeptoren an, wobei diese Konzentrationen den wie eine Verunreinigung über den Kern und den

spezifischen Widerstand und die Leitungsart des Randteil verteilt sein kann.
Randteiles bedingen. Fig. 3 zeigt schematisch den Konzentrationsver-

Die Größe des Kernbildungsfaktors hängt von den lauf nur einer Verunreinigung mit einem Kernbil-Versuchsbedingungen z. B. der Kristallwachstumsge- 35 dungsfaktor größer als 1. Die Kurven beziehen sich schwindigkeit und von der Kristallorientierung, bei auf verschiedene, in der Schmelze verwendete Konder die Kernbildung auftritt, ab. Die Kernbildungs- zentrationen der Verunreinigung. Die Punkte 4 und 5 faktoren der verschiedenen Verunreinigungen sind im längs der Abszissenachse deuten die Stellen an, an allgemeinen ungleich und können manchmal sehr be- denen die Linie X-X von F i g. 1 die Grenze zwischen trächtlich voneinander abweichen. Durch Anwen- 40 dem Randteil und dem Kern schneidet, wobei der dung zweier oder mehrerer Verunreinigungen mit ver- Kern zwischen diesen beiden Stellen liegt. Die Konschiedenen Kembildungsf aktoren ist es möglich, so- zentrationen der Verunreinigung sind im Kern größer wohl den spezifischen Widerstand und die Leitungs- als im Randteil. Deutlichkeitshalber sind die Überart im Randteil als auch den spezifischen Widerstand gänge zwischen den Randkonzentrationen und den und die Leitungsart im Kern unabhängig voneinander 45 Kernkonzentrationen nicht ganz vertikal gezeichnet, durch geeignete Wahl der Verunreinigungen und ihrer Vergleicht man die dargestellten Kurven miteinander, Konzentration in der Schmelze zu erzielen, wobei es so zeigt Fig. 3, daß für die Stellen zwischen den möglich ist, Körper mit über seinem Querschnitt Punkten 4 und 5 die durch die verschiedenen Kurven gleichem spezifischen elektrischem Widerstand und dargestellten Verhältnisse der Konzentrationen prakauch in reproduzierbarer Weise Körper mit pn-Über- 50 tisch gleich den entsprechenden Verhältnissen der gangen herzustellen. Konzentrationen außerhalb dieser Punkte sind.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind bei Es wurde festgestellt, daß nicht nur Verunreiniguneinem Verfahren, bei dem nur zwei Dotierstoffe in der gen mit einem Kembildungsfaktor größer als 1 aufschmelze verwendet werden, die Dotierstoffe ent- treten, sondern auch Verunreinigungen mit einem weder beide Donatoren oder beide Akzeptoren, wobei 55 Kembildungsfaktor kleiner als 1. Die in F ig. 4 scheder Kembildungsfaktor des ersten Dotierstoffes matisch dargestellten Kurven beziehen sich auf eine größer als 1 und der Kembildungsfaktor des zweiten solche Verunreinigung, wobei sich die Kurven auf ver-Dotierstoffes kleiner als 1 ist. schiedene in der Schmelze verwendete Konzentra-

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfah- tionen der Verunreinigung beziehen. Die Konzentra-

rens, bei dem in der Schmelze nur zwei Dotierstoffe 60 tionen zwischen den Punkten 4 und 5 sind in diesem

verwendet werden, ist der eine Dotierstoff ein Donator Fall aber kiemer als die außerhalb dieser Punkte,
und der andere ein Akzeptor, und die Kernbildungs- Der Verlauf der Kurven nach den F i g. 3 und 4

faktoren dieser Dotierstoffe sind entweder beide kann durch Widerstandsmessungen an der Oberfläche

größer als 1 oder beide kleiner als 1. eines Querschnitts nach F i g. 1, z. B. längs der durch

Bei einem Verfahren gemäß der Erfindung zur 65 die Mitte des Kerns gehenden Linie X-X bestimmt

Herstellung eines Halbleiterstabes mit einem pn- werden. Aus den gefundenen Widerstandswerten

Übergang werden gemäß einer weiteren Ausgestal- können die örtlichen Konzentrationen im Randteil

rung der Erfindung der einzige Donator und der ein- und im Kern in an sich bekannter Weise berechnet

und der Kembildungsfaktor α der betreffenden Verunreinigung leicht abgeleitet werden, da α in diesen Fällen gleich dem Verhältnis zwischen der spezifischen Leitfähigkeit im Kern und der im Randteil ist. Für ein bestimmtes Halbleitermaterial lassen sich auf diese Weise die Kernbildungsfaktoren verschiedener Verunreinigungen bestimmen.

So wurden einkristalline stabförmige Germaniumkörper aus geschmolzenem Germanium nach dem Ziehverfahren mit Hilfe von Keimkristallen hergestellt, die alle derart orientiert waren, daß eine <111>Achse mit der Ziehrichtung zusammenfiel. In sämtlichen Fällen betrug die Ziehgeschwindigkeit 1 mm pro Minute, wobei der Kristall mit einer Drehgeschwindigkeit von 50 Umdrehungen pro Minute um seine Achse rotierte.

Es ergab sich, daß diese sämtlichen Körper Kerne enthalten. Durch Anwendung mehrerer Schmelzen mit nur einer Verunreinigung in verschiedenen Konzentrationen konnte der Kernbildungsfaktor dieser Verunreinigung bestimmt und die Konstanz des Kernbildungsfaktors nachgewiesen werden. So ergab sich, daß bei mit Antimon aktivierten Stäben, bei denen die spezifischen Widerstände der Randteile der Stäbe sich von 0,05 bis 20 Ohm · cm änderten, die spezifischen Widerstände der Kerne zwei Drittel des spezifischen Widerstandes der zugehörigen Randteile betrugen, so daß der Kernbildungsfaktor von Antimon in Germanium bei einem in einer <111>-Richtung des Keimkristalls gewachsenen Kern 1,5 betrug.

Die Kernbildungsfaktoren verschiedener wirksamer Verunreinigungen für in der (lll)-Richtung gewachsene Kerne in Germaniumkristallen sind in nachstehender Tabelle neben ihren Verteilungskoeffizienten verzeichnet.

Verunreinigung	Verteilungs koeffizient k	Kernbildungs faktor a
P As Sb Ga In Tl	0,12 0,04 0,003 0,1 0,001 0,00004	2,5 1,8 1,5 0,85 1,4 1,2

Um über den Querschnitt nach F i g. 1 einen homogenen spezifischen Widerstand zu erzielen, genügt die Verwendung nur zweier Verunreinigungen.

Bei Verwendung zweier Verunreinigungen derselben Art wählt man die Konzentrationen dieser Verunreinigungen in der Schmelze derart, daß das Verhältnis zwischen der Konzentration der ersten Verunreinigung C₁ und der der zweiten Verunreinigung c₂ praktisch gleich dem Verhältnis

Ic₂ (1 - Ot₂)

ist, wobei Ic₁ und k₂ bzw Ct₁ und «₂ die Ausschei-

dungskonstanten bzw. Kernbildungsfaktoren der ersten bzw. der zweiten Verunreinigung darstellen. Der dabei erzielte Verlauf der Konzentrationen der beiden Verunreinigungen ist in Fig.5 schematisch dargestellt. Der Konzentrationsverlauf der Verunreinigung mit a₂ kleiner als 1 ist durch die vollausgezogene Kurve und der Konzentrationsverlauf der Verunreinigung mit Oc₁ größer als 1 durch die gestrichelte Kurve wiedergegeben, während die Summe dieser Konzentrationen durch eine Strichpunktkurve wiedergegeben ist, welche hier die Gestalt einer ungebrochenen horizontalen geraden Linie hat.

Als Beispiel zur Herstellung eines p-leitenden einkristallinen Germaniumstabes mit einem spezifischen Widerstand von 2 Ohm · cm sowohl im Randteil als auch im Kern kann man einen Keimkristall gemäß einer <111)-Richtung aus einer Germaniumschmelze aufziehen, welche den Akzeptor Indium, dessen Kernbildungsfaktor größer als 1 ist, und den Akzeptor Gallium, dessen Kernbildungsfaktor kleiner als 1 ist, enthält. In p-Germanium mit einem spezifischen Widerstand von 2 Ohm · cm muß die vollständige Akzeptorkonzentration Z = 1,8 · 10¹⁵ Atome pro Kubikzentimeter Germanium betragen.

Durch Einsetzen der in der Tabelle angegebenen Werte von k und α ist die Indiumkonzentration in der Schmelze aus der sich aus (I) ergebenden Beziehung

c=-l C¹+:^). ζ

¹ Ai₁ ((X₁ - OC₂)

zu berechnen zu

_ 1 (1 - 0,85)

1,8 · 10¹⁵ Atome pro Kubikzentimeter Germanium

0,001 (1,4-0,85)
= 4,9 · ΙΟ¹⁷ Atome pro Kubikzentimeter Germanium.

Die Galliumkonzentration in der Schmelze ist entsprechend berechnet gleich

^cOa ^ Tv, V₁/—CrJkS ' 1,8 · 10¹⁵ Atome pro Kubikzentimeter Germanium = 1,3 · 10¹⁶ Atome pro Kubikzentimeter Germanium.

Dazu muß 100 g der Germaniumschmelze 1,8 mg 6o Für die verwendeten Konzentrationen der beiden Indium und 0,029 mg Gallium enthalten. Verunreinigungen entgegengesetzter Art gilt, daß das

Bei Verwendung zweier Verunreinigungen verschiedener Art wählt man die Verunreinigungen derart, daß diejenige Verunreinigung, welche die Leitungsart des Körpers bedingen muß, einen Kernbildungsfaktor hat, der um weniger vom Wert 1 abweicht als der Kernbildungsfaktor der anderen Verunreinigung, ist.

gg ggg
Verhältnis der Donatorkonzentration c_a zur Akzeptorkonzentration c_a in der Schmelze praktisch gleich dem Verhältnis

D, _ K {oCg— 1)

7 8

In F i g. 6 ist der Konzentrationsverlauf dieser Ver- Akezptors kann für die Beziehung (I) geschrieben unreinigungen gemäß der Linie X-X von F i g. 1 auf- werden:
getragen, wobei der Fall angenommen ist, daß die _Λ(1. k_d. _Crf _ _Ka . k_a. _c

Kernbildungsfaktoren der beiden Verunreinigungen A = —~'

größer als 1 sind. Der Konzentrationsverlauf der Ver- S α d a a

unreinigung mit dem kleineren Kernbildungsfaktor wobei zum Erzielen einer pn-Grenze die Konzentrawird durch die vollausgezogene Kurve und der Kon- tion derart gewählt werden muß, daß die Größe A zentrationsverlauf der Verunreinigung mit dem negativ ist.

größeren Kernbildungsfaktor durch die gestrichelte Sollte man einen p-leitenden Kern und einen n-lei-

Kurve wiedergegeben. Der Konzentrationsverlauf des io tenden Randteil erzielen wollen, so kann daraus abge-Übermaßes an Verunreinigung mit dem kleineren α leitet werden, daß «_rf kleiner als «„ sein muß, und daß ist durch die strichpunktierte Kurve wiedergegeben, das Verhältnis zwischen der Konzentration des die in diesem Fall die Gestalt einer geraden, unge- Donators c_d und der Konzentration des Akzeptors c_a

brochenen horizontalen Linie hat. in der Schmelze kleiner gewählt werden muß als die

Zum Erzielen eines einkristallinen p-Germanium- 15 Größe
Stabes kann man eine Germaniumschmelze mit

Indium als Akzeptor mit einem Kernbildungsfaktor ^a<*'^k"

von 1,4 und Phosphor oder Arsen mit einem Kern- <*d' k_d

bildungsfaktor von 2,5 bzw. 1,8 verwenden. Man

kann im Prinzip auch Indium und Antimon mit einem 20 und größer als die Größe
Kernbildungsfaktor von 1,4 bzw. 1,5 verwenden, aber

in der Praxis werden ein Donator und ein Akzeptor ^fe(I

bevorzugt, deren Kernbildungsfaktoren um wenig- kd.

stens 0)4 voneinander abweichen.

Die Konzentration des Donators in der Schmelze 25 F i g. 8 zeigt den Fall, in dem die beiden obenerkann dann nach der sich aus (I) ergebenden Be- wähnten Bedingungen erfüllt sind, wie aus der strichziehung punktierten Kurve ersichtlich, in der die Konzen-

. _ . trationen des Übermaßes an Akzeptor im Randteil

_C([ = Wi ~ *·) . z_a und des Übermaßes an Donator im Kern dargestellt

kd (fttf — <*a) ° 30 sind.

Fig.9 zeigt einen Fall, in dem nur ein Donator

berechnet werden. Entsprechendes gilt für die Akzep- und nur ein Akzeptor verwendet sind und wobei die torkonzentration. Größe A kleiner ist als —5.

Fig.7 zeigt schematisch den Konzentrationsver- Fig. 10 zeigt einen Fall, in dem nur ein Donator

lauf der Verunreinigungen längs der Linie X-X von 35 und nur ein Akzeptor in Konzentrationen verwendet F i g. 1 z. B. eines Akzeptors (vollausgezogene Kurve) sind, bei denen die Größe A größer ist als —0,2. und eines Donators (gestrichelte Kurve), deren Kern- Die vollausgezogene Kurve, die unterbrochene Kurve bildungsfaktoren nur wenig abweichen, z. B. a_a = 1,3 und die strichpunktierte Kurve haben die gleiche und a_d — 1,5. Um einen pn-übergang zu erzielen, Bedeutung wie die Kurven in den F i g. 7 und 8. Aus müssen die Konzentrationen der beiden Verunreini- 40 den Fig.9 und 10 ist es deutlich, daß entweder die gungen sowohl im Randteil als auch im Kern nur Verteilungskoeffizienten (F i g. 9) oder die Verteiwenig voneinander abweichen. lungskoeffizienten und die Kernbildungsfaktoren

Die strichpunktierte Kurve zeigt das Übermaß an (F i g. 10) sehr genau bekannt sein müssen und die Akzeptorkonzentration im Material, wenn es ober- Konzentrationen sehr genau gewählt werden müssen, halb der Abszissenachse liegt, und das Übermaß an 45 um die Sicherheit zu haben, daß eine pn-Grenze ent-Donatorkonzentration, wenn es unterhalb der Abszis- steht.

senachse liegt. Aus dieser Kurve ist ersichtlich, daß Bei Anwendung von mehr als zwei Verunreinigun-

eine geringe Änderung der Konzentrationsverhält- gen ist es möglich, daß durch einen geeigneten Zusatz nisse der Verunreinigungen in der Schmelze das voll- zur Schmelze die spezifische Leitfähigkeit und/oder ständige Verschwinden der pn-Grenze bedeuten 50 die Leitungsart des Kernes geändert wird, ohne daß kann. dabei die Leitungseigenschaften des Randteiles

F i g. 8 zeigt den Konzentrationsverlauf eines nennenswert beeinflußt werden.

Akzeptors (vollausgezogene Kurve) und eines Dona- Hierzu kann man ein Gemisch bereiten, welches

tors (gestrichelte Kurve) mit stark abweichenden nur einen Donator und nur einen Akzeptor mit ver-Kernbildungsfaktoren. In diesem Fall ist der Kern- 55 schiedenen Kernbildungsfaktoren, z. B. einen Donabildungsfaktor des Akzeptors sogar kleiner als 1 und tor mit einem Kernbildungsfaktor größer als 1 und der Kernbildungsfaktor des Donators größer als 2. einen Akzeptor mit einem Kernbildungsfaktor kleiner Aus dem Verlauf der strichpunktierten Kurve, die als 1 enthält, wobei die atomaren Mengen an Donator auf ähnliche Weise wie in F i g. 7 das Übermaß an und Akzeptor in diesem Gemisch in umgekehrtem Akzeptor- oder Donatorkonzentration darstellt, ist 60 Verhältnis zu ihren Verteilungskoeffizienten stehen, ersichtlich, daß sogar bei größeren Änderungen der Aus F i g. 12 ist das Ergebnis der Verwendung

verwendeten Konzentrationen der Verunreinigungen eines solchen Gemisches in der Schmelze ersichtlich, die Möglichkeit eines Verschwindens der pn-Grenze Die vollausgezogene Kurve stellt den Verlauf der gering ist. Eine solche pn-Grenze läßt sich z.B. in Donatorkonzentration, die gestrichelte Kurve den Germanium in sehr einfacher Weise bei Anwendung 65 Verlauf der Akzeptorkonzentration und die punkvon Gallium und Phosphor in der Schmelze erzielen, tierte Kurve das Übermaß an Donatorkonzentration deren Kernbildungsfaktoren 0,85 bzw. 2,5 betragen. der beiden Verunreinigungen des Gemisches dar, Bei Verwendung nur eines Donators und nur eines wobei letztere Kurve im Randteil mit der Abszissen-

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achse zusammenfällt. Im Randteil sind die Konzentrationen des betreffenden Donators bzw. Akzeptors gleich k_d · c_d und k_a · c_a, wobei k_d und k_a die Verteilungskoeffizienten und c_d und c_a die Konzentrationen des Donators bzw. des Akzeptors in der Schmelze des Gemisches darstellen. Es ist also

Die Verunreinigung mit dem größeren Kernfaktor, im Fall nach F i g. 12 der Donator, ist dabei aber im Kern in größerer Konzentration vorhanden als die Verunreinigung entgegengesetzter Art mit dem kleineren Kernbildungsfaktor, wie aus der gestrichelten Kurve von Fi g. 12 ersichtlich ist.

Fi g. 11 zeigt schematisch, wie ein solches Gemisch zum Ausgleich der zu hohen Kernkonzentration eines in der Schmelze verwendeten Akzeptors mit positivem Kernbildungsfaktor verwendbar ist, wobei der Kon- so zentrationsverlauf dieses Akzeptors durch die vollausgezogene Linie, das Übermaß an Donatorkonzentration der im Gemisch verwendeten Verunreinigungen durch die punktierte Kurve und das resultierende Übermaß an Azektorkonzentration durch eine strich- as punktierte Kurve dargestellt ist, welche für den Randteil gleich der Konzentration des Akzeptors mit positivem Kernbildungsfaktor und für den Kern gleich der des Randteiles ist.

Die Anwendung größerer Mengen des Gemisches als für den Ausgleich notwendig ist, ist auch möglich, z. B. um neben einem p-leitenden Rand einen n-leitenden Kern zu erzielen, ohne wenigstens nennenswerte Beeinflussung der spezifischen Leitfähigkeit und der Leitungsart des Randteiles.

Grundsätzlich ist die gleiche Verunreinigung im Gemisch auch zur Beeinflussung der Leitfähigkeit und des Leitungstyps des Randteiles verwendbar.

Claims (8)

Patentansprüche: 40

1. Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen dotierten Halbleiterstabes mit über seinem Querschnitt gleichem spezifischem elektrischem Widerstand oder mit einem pn-übergang senkrecht zur Stablängsachse durch gerichtetes Erstarren einer Schmelze des Halbleiters, die mindestens zwei verschiedene Dotierstoffe enthält, wobei abhängig von der Orientierung des anwach- so senden Kristalls in bezug auf die Erstarrungsrichtung jeder Dotierstoff im Innern des Stabes eine andere Konzentration aufweist als an dessen Rand, dadurchgekennzeichnet, daß Art und Menge der als Akzeptoren oder Donatoren

wirkenden Dotierstoffe so ausgewählt werden, daß das Verhältnis

kg · Cg) —

· kg · Cg)

Cd) —

Ca)

im Fall gleichen spezifischen Widerstands gleich 1 oder im Fall des pn-Übergangs negativ ist, wobei <x_d und «„ das Verhältnis der Konzentrationen der Donatoren bzw. Akzeptoren im Kern zu den Konzentrationen im Randteil des Stabes (Kernbildungsfaktor) bedeutet und k_A und k_a die Verteilungskoeffizienten, c_d und c_a die Konzentrationen in der Schmelze von Donatoren bzw. Akzeptoren darstellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nur zwei Dotierstoffe in der Schmelze verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffe entweder beide Donatoren oder beide Akzeptoren sind, wobei der Kernbildungsfaktor des einen Dotierstoffes größer als 1 und der Kernbildungsfaktor des zweiten Dotierstoffes kleiner als 1 ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in der Schmelze nur zwei Dotierstoffe verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierstoff ein Donator und der andere ein Akzeptor ist und die Kernbildungsfaktoren dieser Dotierstoffe entweder beide größer als 1 oder beide kleiner als 1 sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den Leitfähigkeitstyp des Einkristalls bedingende DotierstofiE einen Kernbildungsfaktor hat, der um weniger vom Wert 1 abweicht als der Kernbildungsfaktor des anderen Dotierstoffes.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nur ein Donator und nur ein Akzeptor verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall des pn-Übergangs die Kernbildungsfaktoren des Donators und des Akzeptors um wenigstens 0,4 voneinander abweichen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis A wenigstens —5 beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis A höchstens —0,2 beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffe ein Donator und ein Akzeptor sind, wobei das Verhältnis ihrer Mengen umgekehrt gleich dem Verhältnis ihrer Verteilungskoeffizienten ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Österreichische Patentschrift Nr. 204 606.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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