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Schichtkristall hoher Güte für Kristallgleichrichter und Kristallverstärker und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterschichtkristalle, insbesondere aus Germanium oder Silizium, die zur Herstellung von Kristallverstärkern oder Kristalldetektoren dienen.
Es ist bekannt, dass man bei Halbleiterkristallen durch geeignete Behandlung und bzw. oder ver- schiedene in äusserst geringer Menge zugefügt Zusatzstoffe verschiedenen Leitfähigkeitscharakter erzeu- gen kann. Man unterscheidet dabei die sogenannte Elektronenleitfähigkeit und die sogenannte Defektelek- tronenleitfähigkeit. Halbleiter, die die eine oder die andere Leitfähigkeit besitzen, werden auch als
N-Halbleiter bzw. P-Halbleiter bezeichnet. Halbleiterkristalle, die aus zwei oder mehreren Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters bestehen, bezeichnet man als Schichtkristalle. Derartige
Schichtkristalle können zur Herstellung von Kristalldetektoren oder Kristallverstärkern verwendet werden.
Sie haben gegenüber den entsprechenden Anordnungen mit Spitzenkontakt den Vorteil, dass sie für hö- here Stromstärken verwendet werden können. Von ausschlaggebender Bedeutung für die Wirkungsweise derartiger Schichtkristalle ist das Vorhandensein bzw. die räumliche Verteilung von sogenannten Störstellen. Um Schichtkristallgleichrichter oder-verstärker mit guten Eigenschaften herzustellen, strebt man einen möglichst hohen Störstellengehalt auf beiden Seiten des Schichtkristalles an. Man erzielt dadurch insbesondere gute Eigenschaften in Durchlassrichtung. Bei dem geschilderten hohen Gehalt an Störstellen sind die Sperrströme, d. h. die Stromstärke bei der noch zulässigen Spannung in Sperrichtung, ausserordentlich klein.
Steigert man jedoch die Sperrspannung, d. h. legt man in Sperrichtung eine höhere Spannung an, so erhält man einen weiteren Stromanstieg in Sperrichtung, da gleichzeitig die Feldstärke im Inneren des Schichtkristalles stark anwächst. Dieses Feld wird bestimmt durch die Steilheit des Störstellendichteverlaufes in der Übergangszone zwischen den Gebieten verschiedenen Leitfähigkeitscharakters. Gelings es, diesen Störstellenumschlag genügend breit zu machen, so ist es auch möglich, bei Verwendung von gut leitendem Material auf beiden Seiten des PN-Überganges zu hohen Abbruchsspannungen in Sperrichtung zu kommen. Die Breite der PN-Übergangszone muss jedoch unterhalb der Diffusionslänge der Stromträger liegen, damit keine Rekombination der Strom träger in der Übergangszone stattfindet.
Man kann beispielsweise die Übergangszone einige Zehntelmillimeter dick machen und so das Feld in der Übergangszone verringern und damit die spannungsfestigkeit in Sperrichtung wesentlich vergrössern.
Wie aus den vorhergehenden Darlegungen zu entnehmen ist, kann mit den bekannten Massnahmen nur eine begrenzte Erhöhung der Sperrspannung erzielt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die theoretisch mögliche Erhöhung der Sperrspannung durch Verbreiterung der Übergangszone nicht erzielt werden kann, da bisher noch unbekannte weitere Einflüsse eine Erreichung des theoretischen Wertes unmöglich machten.
Untersuchungen haben ergeben, dass insbesondere die Oberfläche bzw. die dicht unter der Oberfläche
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bewirken, dass der Sperrstrom zum Teil wesentlich eher ansteigt, als es auf Grund des inneren Feldes im Kristall zu erwarten wäre.
Es ist Aufgabe der Erfindung, Schichtkristalle so aufzubauen, dass diese Oberflächeneinflüsse vermieden werden bzw. dass Massnahmen getroffen werden, um die Sperrspannung bis an die theoretisch mögliche Grenze zu erhöhen.
Erfindungsgemäss werden Schichtkristalle besonders hoher Güte so aufgebaut, dass das Störstellenpro-
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fil in der Oberflächenschicht des Schichtkristalles flacher ist als im Inneren. Dies bedeutet, dass die Ab- nahme der Störstellendichte vom PN-Übergang nach den Enden des Kristalles in den oberflächlichen
Schichten des Kristalles wesentlich langsamer als im Inneren des Kristalles ist.
Man erzielt dadurch eine wesentliche Verringerung der Feldstärke an der Oberfläche des Schichtkristalles, was zur Folge hat, dass derartige Kristalle für wesentlichJlöhere Sperrspannungen brauchbar sind, als dies ohne diese Störstellenverteilung möglich wäre,
Schichtkristalle mit der erfindungsgemässen Störstellenverteilung können auf verschiedene Weise er- halten werden.
Eine Möglichkeit zur Herstellung des erfindungsgemässen Störstellenprofils besteht darin, dass man den Schichtkristall einer Wärmebehandlung unterwirft. Die Temperatur und Dauer dieser Wärmebehandlung richtet sich hauptsächlich nach dem zur Verwendung kommenden Hauptleiter und nach dergewünsch- ten Verflachung des Störstellenprofils in der Oberflächenschicht des Kristalles. Es ist bekannt, dass die Diffusion von Störstellen in den oberflächlichen Schichten von Halbleiterkristallen viel grösser ist als im Inneren. Man kann diese Massnahme noch dadurch unterstützen, dass man die Erwärmung des Kristalles so durchführt, dass hauptsächlich nur die oberflächlichen Schichten erwärmt werden.
Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass man den Kristall von aussen kurzzeitig stark erhitzt und, bevor noch ein Temperaturausgleich im Kristall stattfinden kann, wieder kräftig abkühlt.
Eine weitere Methode der oberflächlichen Erhitzung des Kristalles besteht in der Anwendung der Hochfrequenzerwärmung.
Die erfindungsgemässe Verteilung der Störstellen im Schichtkristall kann auch durch nachträgliches Aufbringen von störstellenbildenden Stoffen auf die Oberfläche des Kristalles in der Nähe der Übergangszone und anschliessendes Eintempem derselben geschehen.
Zur näheren Erläuterung des Erfindungsgedankens soll ein Beispiel an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.
In Fig. 1 sind schematisch Querschnitte von zwei stabförmigen Halbleiterkristallen dargestellt, die zwei Gebiete verschiedener Leitfähigkeit aufweisen, welche durch die Buchstaben P und N gekennzeichnet sind. Das Übergangsgebiet zwischen den beiden Gebieten verschiedener Leitfähigkeit ist mit 1 bezeichnet. Die Linien gleicher Störstellendichte, die im Falle von Fig. 1 sämtlich parallel verlaufen, sind bei Fig. 2 zum Teil gekrümmt. Die Dichte der Linien veranschaulicht die der Feldstärke längs der grössten Ausdehnung des Kristalles. Bei einem Kristall bekannter Ausbildung mit PN-Übergang verläuft die Störstellendichte so, wie sie durch die Linien 2 in Fig. 1 gekennzeichnet ist.
Im Gebiete des PN-Überganges bei 1 ist die Störstellendichte sehr gross und nimmt auf kurzer Entfernung im Übergangsgebiet stark ab, während sie im übrigen Kristall nahezu gleichmässig ist.
In Fig. 2 ist der Verlauf der Störstellendichte bei einem Schichtkristall gemäss der Erfindung dargestellt. Der Verlauf der Störstellendichte ist in der Mitte des Kristalls genau so wie bei Fig. l, während an den Kristalloberflächen der Verlauf der Störstellendichte im Übergangsgebiet flacher ist, wie aus der grösseren Breite der Zone 1 ersichtlich ist. Die Folge davon ist, dass die Feldstärke im Inneren des Kristalles nach Fig. 2 die gleiche ist wie bei dem Kristall nach Fig. l, jedoch an der Oberfläche des Kristalls wesentlich geringer ist.
Wie bereits erwähnt, wurde durch Versuche festgestellt, dass die Eigenschaften des Schichtkristalles an seiner Oberfläche, insbesonders in der Umgebung der Übergangszone zwischen den Gebieten verschiedenen Leitfähigkeitscharakters wesentlich mitbestimmend für dieBelastungsfähigkeit inSperrichtung sind.
Erfindungsgemäss wird daher weiter vorgeschlagen, an der Oberfläche des Schichtkristalles dadurch unver- änderliche Bedingungen zu schaffen, dass der Kristall in ein Medium eingebettet wird, das eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist. Diese Massnahme erweist sich als besonders vorteilhaft bei der erfindlmgsgemässen Störstellenverteilung im Kristall, hat jedoch auch für sich grosse Bedeutung zur Verhinderung einer Verschlechterung des Kristalles in Sperrichtung.
Es wurde zwar schon vorgeschlagen, Halbleiter, die aus einer intermetallischen Verbindung eines Elementes der In. Gruppe des periodischen Systems mit einem Element der V. Gruppe bestehen, durch Überziehen mit einer Malzschicht vor Korrosion zu schützen. Bei Elementhalbleitem wie Germanium oder Silizium bestand jedoch bisher keine Veranlassung dazu, einen Überzug zum Schutze gegen Korrosion aufzubringen.
Erfindungsgemäss wird der Kristall beispielsweise in feinst verteiltes Aluminiumoxyd, Titandioxyd oder einen ähnlichen Stoff eingebettet oder mit einer derartigen Schicht überzogen. Es ist dabei zu beachten, dass die Korngrösse des Pulvers, in das der Kristall eingebettet bzw. mit dem der Kristall überzogen wird, klein ist. im. Vergleich zur Dicke der Übergangszone. Die Übergangszone kann bekanntlich in der Grösse von einigen Hundertstelmillimetem liegen, es ist jedoch auch möglich, dass sie Dicken bis
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herab zu IM aufweist.
Daraus geht hervor, dass bei derartig geringen Dicken der Übergangszone ausserordentlich feine Pulver als Einbettung bzw. oberflächlicher Überzug für den Kristall verwendet werden müssen. Gegebenenfalls genügt es, den Überzug nur in der Umgebung der Übergangszone vorzusehen.
I. Für Siliziumschichtkristalle hat sich zur Herstellung der erfindungsgemässen Störstellenverteilung eine Temperung an Luft bei etwa 10000C als besonders vorteilhaft erwiesen. Dadurch wird eine genügende Verbreiterung des Störstellenprofils erzielt und gleichzeitig die Bildung eines Überzuges aus Siliziumdioxyd auf dem Siliziumkörper bewirkt. Durch diesen Überzug wird es vermieden, dass sich an einigen Stellen der Übergangszone oberflächlich leitende Brücken durch Staub oder Umwandlungsprodukte des Halbleiters, bilden, wodurch die Sperreigenschaften des Halbleiters wesentlich verschlechtert werden.
Auch Germaniumschichtkristalle können vorteilhaft mit einem Jberzug aus Siliziumdioxyd überzogen werden, indem man beispielsweise Siliziummonoxyd auf die Oberfläche, insbesondere in der Umgebung der Übergangszone aufdampft und dieses in Siliziumdioxyd überführt.
Es können selbstverständlich auch Überzüge aus andern Stoffen mit hoher Durchschlagsfestigkeit, wie beispielsweise organische Kunststoffe, Verwendung finden.
Ausser einer Veränderung des Störstellenprofiles an der Oberfläche des Schichtkristalles kann auch der
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strom in Sperrichtung unnötig ansteigt.
Die Erfindung kann bei allen Halbleiterschichtkristallen verwendet werden, bei denen ein einmaliger oder mehrmaliger Wechsel des Leitfähigkeitscharakters vorhanden ist. Sie ist jedoch nicht auf die beispielsweise angegebenen Massnahmen und Stoffe beschränkt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleiterschichtkristall hoher Güte und Sperrfähigkeit mit mindestens einmaligem Wechsel des Leitfähigkeitscharakters, dadurch gekennzeichnet, dass das Störstellenprofilin der Oberflächenschicht des Kristalles flacher ist als im Inneren.