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Verfahren zur Erzeugung einer Sperrschicht in einem plättchenförmigen Halbleiter
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung von Sperrschichten, insbesondere pn- Übergängen, auf Halbleitervorrichtungen.
Halbleitervorrichtungen dieser Art bestehen im allgemeinen aus einem Körper aus einem monokri- stallinen Halbleitermaterial, das zumindest eine gleichrichtende Zone in dem Übergangsbereich, d. h. der
Stossstelle, die zwischen den beiden nach Art oder Grösse der Leitfähigkeit unterschiedlichen Bereichen besteht, aufweist. Der Flächenbereich dieses Überganges kann sehr beschränkt sein, kann aber auch sehr grosse Ausdehnung besitzen. Vorrichtungen mit solchen grossen Bereichen können durch Oberflächenlegierung, Wachstum oder Diffusionsvorgänge erhalten werden.
Es ist ein Verfahren bekanntgeworden, um Transistoren mit pn-Übergängen in Halbleitern mittels eines Legierungsvorganges herzustellen, gemäss welchem ein Rohr oder Kapillargefäss verwendet wird, das sich von einer Form nach aufwärts erstreckt, die über dem Halbleiterkörper sitzt und die zu legierende Oberfläche begrenzt, und das Verfahren besteht darin, dass eine gewisse Menge einer dotierenden Substanz, welche genau jener Menge entspricht, die man zur Erzeugung einer Gleichrichterschicht innerhalb des Rohres oder Gefässes braucht, in die letzteren eingebracht wird, worauf die legierende Substanz innerhalb des Rohres oder kapillaren Gefässes zum Schmelzen gebracht wird, worauf sie schlagartig in die Form gefördert wird, wodurch der Legierungsvorgang eingeleitet wird.
Obgleich dieses und andere bekannte Verfahren zur Bildung von pn-Übergängen in Halbleitervorrichtungen brauchbar sind, bleiben einige Verbesserungen wünschenswert. Beispielsweise wäre es erwünscht, einfacher und schneller eine Schicht herzustellen, die die ganze Plättchengrösse bedeckt, wogegen grosse Elektrodenkügelchen im Rahmen einer bekannten Verschmelzungstechnik keineswegs immer dazu gebracht werden können, das gesamte Halbleiterplättchen gleichmässig zu bedecken. Auch sind für manche Anwendungsgebiete Übergangsstellen erwünscht, deren Form absolut eben ist, wie auch eine genauere Beherrschung der Eindringtiefe erwünscht wäre.
Diffusionsschichten können über grössere Flächen verhältnismässig plan erzeugt werden, doch wäre es für manche Anwendungsgebiete wünschenswert, den Ort des Entstehens des Überganges innerhalb der Halbleiterplättchen mit noch grösserer Genauigkeit beherrschen zu können.
Zur Erfüllung dieser Forderungen geht das vorliegende Verfahren von jener bekannten Methode zur Herstellung einer Gleichrichterschicht. in einem plättchenförmigen Halbleiterkörper aus, gemäss welcher das Halbleiterplättchen und eine Schmelze, welche eine die Leitfähigkeitstype festlegende Beimengung enthält, getrennt erhitzt werden, u. zw. was die Schmelze anbelangt, auf eine Temperatur, welche über dem Schmelzpunkt der genannten Beimengung liegt, worauf man die Schmelze mit einer freiliegenden Oberfläche des Halbleiterplättchens in Berührung bringt.
Bei einem solchen Verfahren kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, dass das vorgewärmte Halbleiterplättchen in die Schmelze getaucht wird um die Schmelze zu veranlassen, einen Teil des Halbleiterplättchens zu lösen, worauf Schmelze und Halbleiterplättchen so gekühlt werden, dass die Temperaturverminderung nicht mehr als einige Grade pro Minute beträgt, um dadurch zu erreichen, dass ein Teil des gelösten Halbleiterplättchenmaterials und der die Leitfähigkeitstype festlegenden Beimengung auf der freiliegenden Oberfläche des Halbleiterplättchens in Form einer Fortsetzung des Kristallgitters des Plättchens rekristallisieren, worauf der Rest der Schmelze entfernt wird.
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Die schematische Zeichnung zeigt eine Vorrichtung im Schnitt, die sich bei Durchführung der Erfin- dung als nützlich erweist.
Im folgenden werden vier Beispiele für die erfindungsgemässe Erzeugung einer Halbleitereinrichtung beschrieben. Es versteht sich dabei, dass die Leitfähigkeitstype der verschiedenen Plättchen und Schmeli zen vertauscht werden kann und dass ausser Germaniumplättchen auch andere kristallinische Halblei- ter, wie. z. B. Silicium, Germanium-Siliciumlegierungen und halbleitende Verbindungen wi Sillcimn- carbid, die Phosphide, Arsenide und Antimonide des Aluminiums, Galliums und Indiums, die Sulfide,
Selenide und Telluride des Zinks und des Cadmiums verwendet werden können.
Beispiel l : Gemäss der Zeichnung wird ein Halbleiterplättchen 10 von der n-Type angehörendem
Germanium in den Boden eines Endes eines feuerfesten Behälters, eines sogenannten Bootes 11 so einge- setzt, dass eine Breitseite des Plättchens freiliegt. Das Plättchen 10 kann jede geeignete Grösse besitzen.
Das Boot 11 besitzt Einrichtungen um das Plättchen so zu halten, dass eine Breitseite freiliegt ; es kann z. B. aus Graphit bestehen. Eine Charge 12 aus granuliertem Indium wird in das entgegengesetzte Ende des
Bootes gefüllt. Das Boot wird sodann in einen Ofen eingebracht, der im wesentlichen aus einem feuerfe- sten Rohr 13 besteht und dieses Rohr wird so gekippt, dass die Charge 12 von dem Plättchen 10 getrennt ge- halten ist. Um um das Plättchen und die Charge eine nichtoxydierende Atmosphäre aufrecht zu halten, wird der Röhrenofen mit einem inerten Gas, wie z. B. einer Mischung aus 9 Teilen Stickstoff und 1 Teil
Wasserstoff gespült, wozu dieses Gas am oberen Ende des Rohres eingeführt wird und am unteren Ende aus- tritt.
Man könnte auch ein anderes inertes Spülgas verwenden, z. B. Stickstoff oder Helium.
Die Charge 12 und das Plättchen 10 werden auf eine Temperatur vorerhitzt, die oberhalb des
Schmelzpunktes des die Leitfähigkeit bestimmenden Stoffes oder der aktiven Verunreinigung der bzw. die in der Charge enthalten ist, liegt. Im beschriebenen Beispiel besteht die Charge aus der aktiven Verun- reinigung Indium und die Vorwärmtemperatur beträgt alsdann 200OC, was zum Schmelzen des Indiums ausreicht. Die Ofentemperatur wird unterhalb der Schmelztemperatur des Plättchens 10 gehalten. Sodann wird das Ofenrohr 13 in die Horizontallage gebracht, so dass die freiliegende Oberfläche des Plättchens 10 von der Schmelze überflutet wird. Das geschmolzene Indium löst etwas Germanium auf bis es bei der herrschenden Temperatur mit Germanium gesättigt ist.
Schmelze und Plättchen werden anschliessend auf eine Temperatur gekühlt, bei der der Anteil an geschmolzenem, gelöstem Plättchenmaterial und die die
Leitfähigkeitstype bestimmende Substanz aus der Schmelze ausfallen und auf der freiliegenden Plättchen- fläche auskristallisieren. Im vorliegenden Beispiel werden der Röhrenofen und sein Inhalt mit einer Ge- schwindigkeit von 1 C pro Minute auf eine Temperatur von etwa 1800C gekühlt. Der so entstandene Re- kristallisationsbereich gehört der p-Leitfähigkeitstype an und ist eine Fortsetzung des Kristallgitters des
Plättchens. Auf diese Weise wird unterhalb der freiliegenden Plättchenfläche im Bereich zwischen dem rekristallisierten Bereich und dem Plättchenkörper ein pn-Übergang gebildet.
Anschliessend wird das Rohr abermals gekippt, um den Rest der Schmelze zu entfernen.
Beispiel 2 : Im folgenden Beispiel besteht'die Schmelze aus einer aktiven Verunreinigung und einem lösenden Metall. Das Metall ist vorzugsweise ein solches, das hinsichtlich des angewendeten Halb- leiters elektrisch neutral ist, ein Lösungsmittel für den Halbleiter und die aktive Verunreinigung ist und einen niedrigeren Schmelzpunkt als der Halbleiter autweist. Für diesen Zweck geeignete Metalle umfassen
Zinn und Blei und deren Legierungen.
In diesem Ausführungsbeispiel besteht das Plättchen 10 aus Silicium der p-Leitfähigkeitstype und die Charge 12 aus Zinn und Antimon irn Verhältnis 99 Gew.-Teile Zinn zu 1 Gew.-Teil Antimon. Die Ofenatmosphäre wird von reinem, trockenem Wasserstoff gebildet. Das aus Boot, Plättchen und Charge bestehende Geoilde wird im Ofen auf eine Temperatur von 5000C erhitzt, wobei der Ofen geneigt gehalten wird, um Charge und Plättchen getrennt zu halten. Sodann wird der Ofen mit dem Boot in die Horizontallage gebracht, wodurch die freie Oberfläche des Plättchens von der Schmelze überflutet wird. Anschliessend wird die Ofenatmosphäre auf 4000C unter Einhaltung einer Abkühlungsgeschwindigkeit von etwa 50C pro Minute gesenkt.
Ein Teil des gelösten Siliciums schlägt sich im Verein mit etwas Antimon auf der freien Oberfläche des Plättchens nieder und rekristallisiert im ursprünglichen Plättchengitter. Die Menge an Lösungsmetall, die sich unter diesen Bedingungen niederschlägt ist klein. Anschliessend wird der Ofen wieder gekippt um den Rest der Schmelze abführen zu können und das Plättchen wird auf Raumtemperatur'gekühlt. Da das Plättchen der p-Type angehört, wogegen die rekristallisierte Zone unkompensierte Antimondonatorenatome enthält, erhält man im Übergangsbereich zwischen dem rekristallisierten Bereich und dem Plättchenkörper einen pn-Übergang.
Beispiel 3 : In diesem Beispiel besteht die Charge aus einer aktiven Verunreinigung und einem Halbleiter. Der Halbleiter möge derselbe sein, wie er für das Plättchen verwendet wird. Man könnte aber
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