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Halbleiteranordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung
Es ist bekannt, dass eine an einer Aluminiumoberfläche elektrolytisch erzeugte Aluminiumoxydschicht in schwach saurem Elektrolyten eine Gleichrichterwirkung aufweist. Ferner sind auch auf dieser Basis aufgebaute Trcckengleichrichter bekannt, welche eine Sperrspannung von etwa 400 V aufweisen.
Die Erfindung setzt sich nun zur Aufgabe, den Halbleitereffekt, welcher sich durch eine auf einer Aluminiumunterlage befindliche Aluminiumoxydschicht erzielen lässt, für Halbleiteranordnungen auszunützen, welche sowohl bei niedrigen Spannungen als auch bei mittleren und relativ hohen Spannungen in gleicher Weise verwendbar sind, wobei lediglich niedrige Ströme fliessen. Die Erfindung geht hiebei aus von der Halbleitereigenschaft der auf der Aluminiumunterlage befindlichen Aluminiumoxydschicht und kombiniert diese oxydschicht mit mindestens einer weiteren Halbleiterschicht entgegengesetzter Art.
Auf diese Weise können auch mehrschichtige Halbleiteranordnungen hergestellt werden. Die Erfindung kennzeichnet sich hiebei durch eine auf einer Aluminiumunterlage befindliche Aluminiumoxydschicht, ferner durch eine weitere Halbleiterschicht aus Mangandioxyd oder Bleidioxyd und gegebenenfalls durch eine dritte Halbleiterschicht entgegengesetzter Type und aus von dem Material der beiden erstgenannten Schichten abweichendem Material, vorzugsweise aus Germanium oder Silicium. Hiebei weist die Aluminiumoxydschicht n-Typ auf, während die auf ihr liegende Halbleiterschicht aus Mangandioxyd oder Bleidioxyd p-Typ aufweist. Die dritte Halbleiterschicht, deren Material vom Material der Aluminiumoxydschicht und vomMaterial der Mangandioxyd- bzw. Bleidioxydschicht abweicht und vorzugsweise aus Germanium oder Silicium besteht, kann entsprechend ihrer Anordnung den Typ n oder p aufweisen.
Dieser Typ lässt sich durch an sich bekannte Dotierung der Schicht leicht erzielen. Auf diese Weise können somit npn-oder pnp-Flächentransistoren hergestellt werden, welche die oben erwähnten günstigen Eigenschaften aufweisen. Eine auf einer Aluminiumunterlage befindliche Aluminiumoxydschicht, welcher lediglich eine Mangandioxyd-bzw. Bleidioxydschicht entgegengesetzter Type benachbart ist, also eine Diode, weist Gleichrichtereigenschaften auf.
Als Material für die dritte Halbleiterschicht, deren Material also von dem der Aluminiumoxydschicht und von dem der Mangandioxyd-bzw. Bleidioxydschicht abweicht, können ausser Germanium oder Silicium auch andere Elemente der Gruppe IV des periodischen Systems verwendet werden. Es ist auch möglich, für diese Schicht Legierungen bzw. Verbindungen von Germanium oder Silicium anzuwenden. Auch halbleitende Verbindungen von Elementen der Gruppen III und V des periodischen Systems sind brauchbar.
Es besteht auch die Möglichkeit, eine erfindungsgemässe, von einer auf einer Aluminiumunterlage
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oxydschicht eine weitere, auf einer Aluminiumunterlage befindliche Aluminiumoxydschicht aufgebracht wird.
Selbstverständlich können für Sonderzwecke auch mehr als drei Schichten angewendet werden.
Bei der Herstellung einer erfindungsgemässen Halbleiteranordnung ist es wesentlich, dass die einzelnen Halbleiterschichten gut definiert sind. Es empfiehlt sich daher, diese Schichten gesondert zu schaffen, und das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung der oben erwähnten
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Artbestehtdarin, dass man die Alumiaiumoxydschicht auf der Aluminiumunterlage elektrolytisch herstellt.
Erfindungsgemäss kann mindestens eine der weiteren Halbleiterschichten durch Aufdampfen des Schichtmaterials auf die bereits vorhandene Aluminiumoxydschicht bzw. Halbleiterschicht und hierauf gegebenen- falls erfolgende Dotierung dieser aufgedampften Schicht hergestellt werden. Mindestens eine der weiteren Halbleiterschichten kann im Sinne der Erfindung dadurch hergestellt werden, dass auf die vorangehende Schicht eine Schicht aufgetragen wird, deren Material aus einer pyrolitisch zersetzbaren Verbindung besteht, welche nach Auftragen der Schicht mittels pyrolitischer Zersetzung zu einer halbleitenden Verbindung umgewandelt wird.
Zur Durchführung der elektrolytischen Oxydierung der Aluminiumschicht geeignete Verfahren sind an sich bekannt. Es kann z. B. die oberflächliche Oxydation der Aluminiumunterlage in einer wässerigen Lösung von Wo Borsäure und 0, fP/o Borax mit einer Stromdichte von 2 bis 4 mA/cm2 erfolgen. Hiebei erhöht man die Spannung bis etwa 500 Volt und hält sie dann konstant, bis der gewünschte Durchleitungsstrom von z. B. 0, 01 A/V/p F eingestellt ist.
Eine Herstellung der Halbleiterschicht durch Aufdampfen eignet sich besonders für die Mangandioxydschicht der Type p, jedoch können auch die Materialien der dritten Halbleiterschicht (vorzugsweise Germanium oder Silicium) auf diese Weise aufgetragen werden. Die aufgetragene Germanium-bzw. Siliciumschicht kann an ihrer freien Oberfläche mit bekannten Dotierstoffen zu einer Schicht der Type n bzw. p umgewandelt werden. Hiezu geeignete Dotierungsstoffe sind bekannt ; sie bestehen z. B. aus Elementen der Gruppe III oder V des periodischen Systems, also z. B. Indium oder Gallium bzw. Arsen oder Antimon.
Solche Dotierungsverfahren sind an sich bekannt, und daher kann die Dotierung z. B. derart erfolgen, dass auf die Germaniumoberfläche eine Dotierpastille gelegt und das Material derselben mittels entsprechender Wärmebehandlung zur Eindiffusion in das Germanium bzw. Silicium gebracht wird.
Wenn die Mangandioxyd- bzw. die Bleidioxydschicht pyrolitisch hergestellt werden soll, dann kann dies z. B. dadurch erfolgen, dass auf die erste Halbleiterschicht Mangannitrat aufgetragen und hierauf pyrolitisch zersetzt wird.
Gegebenenfalls ist es aber auch möglich, die einzelnen Halbleiterschichten völlig gesondert herzustellen und hienach z. B. mittels einer entsprechenden Wärmebehandlung miteinander zu vereinigen. Auf diese Art kann auch die sich auf der Aluminiumunterlage befindliche Halbleiterschicht mit ihrer Unterlage vereinigt werden.
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können die erfindungsgemässen fertigen Gleichrichter o der Verstärkerkannter Weise auch einer Formierung unterworfen werden, vorerst müssen sie aber mit den üblichen Zuleitungselektroden versehen werden, was in beliebiger bekannter Weise erfolgen kann. Die Endfertigung, d. h. Anordnung in einem entsprechenden Schutzgehäuse od. dgl., kann ebenfalls in bekannter Weise erfolgen.
Da die Aluminiumoxydschicht einige hundert A bis einige tausend dick ausgebildet werden kann und die Sperrspannung einerseits hievon, anderseits vom Ventilmetall abhängig ist, können die Sperrspannungen zwischen 1 Volt und 500 Volt liegen. Die Ströme durch die erfindungsgemässe Halbleiteranordnung sind sehr gering und betragen 1 Mikroampere bis 2 Milliampere. Die Stromdichten liegen bei
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guten Isoliereigenschaften der Oxydschichten bei relativ dicken Schichten und niedrigen Strömen bis zu Spannungen von 500 Volt gearbeitet werden. Bei Verwendung sehr dünner Sperrschichten wird die Sperrspannung geringer, jedoch auch die Verluste. In diesem Fall können höhere Temperaturen zugelassen werden, da infolge der geringen Verluste die Empfindlichkeit der Anordnung gegen Wärmetod geringer wird.
Bei gleichen bzw. ähnlichen Leistungen kann die erfindungsgerrässe Anordnung kleiner als die bekannten Anordnungen hergestellt werden. Bei geringen Strömen können hingegen, wie oben bereits ausgeführt wurde, relativ hohe Sperrspannungen erzielt werden, da der spezifische Widerstand des Oxyds der Ventilmetalle um eine Grössenordnung höher liegt als bei den üblichen Anordnungen.
Die erfindungsgemässe Massnahme, die Aluminiumoxydschicht auf der Aluminiumunterlage. elektrolytisch herzustellen, bringt den Vorteil, dass die Aluminiumoxydschicht mit einer gleichmässigen Oberfläche hergestellt werden kann, welche sich für die Halbleiteranordnung im Sinne der Erfindung besser eignet als die groben und porösen Oxydschichten, welche in üblicher Weise hergestellt werden. Auch die andernimSinne der Erfindung zur Anwendung kommenden Verfahren zur Herstellung'der Halbleiterschichten erlauben eine genaue Herstellung derselben.
In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles schematisch erläutert. Die Zeichnung zeigt, einen npn-Transistor in stark vergrössertem Massstab, wobei einige Details der Zeichnung
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der Deutlichkeithalber übertrieben dargestellt sind. Zwei Aluminiumbleche l, 2 hoher Reinheit (99, 9910 Aluminium) von der aus der Zeichnung ersichtlichen Form werden an ihrer Oberfläche elektrolytisch durch anodische Oxydation mit einer Oxydschicht 3, 4 überzogen. Der hiefür verwendete Elektrolyt besteht aus in Glykol gelöster Borsäure und wässeriger Ammoniaklösung, seine Zusammensetzung ist z. B. die folgende : 100 g Äthylenglykol, 140 g Borsäure, 40 ml wässeriges Ammoniak.
Die Stromdichte der Elektrolyse beträgt etwa 2 bis 6 mA/cm2. Die Schichtstärke der erzeugten Oxydschicht hängt von der verwendeten
Spannung ab, sie liegt zwischen etwa 100 und 2000 A. und beträgt zweckmässig etwa 200-400 Ä. Die derart behandelten Aluminiumbleche 1, 2 werden in einer entsprechenden Festhaltevorrichtung in die aus der Zeichnung ersichtliche gegenseitige Lage gebracht, wobei zwischen ihnen ein Luftspalt von 20 bis 50 11
Breite verbleibt. Dieser zwischen den Oxydschichten 3 und 4 vorhandene schmale Luftspalt wird nun mit Mangannitrat ausgefüllt, welches dann pyrolitisch zersetzt und hiedurch zu Mangandioxyd umgewandelt wird.
Die derart gebildete Mangandioxydschicht 5 bildet also die Zwischenschicht des Gebildes, die an- lässlich der die pyrolitische Zersetzung bewirkenden Wärmebehandlung mit den Aluminiumoxydschichten 3 und 4 vereinigt wird. An das aus dem Gebilde herausragende Ende dieser Schicht wird vorerst eine Graphitschicht 6 und auf diese mittels eines Metallspritzverfahrens eine Zinnschicht 7 aufgetragen, auf die die Zuleitung 8 angelötet wird. Die aus Kupferdrähten bestehenden Zuleitungen 9 und 10 werden an den Aluminiumblechen 1, 2 in der üblichen Weise, d. h. durch Lötung oder Kaltschweissung, unter Druck befestigt. Das Gebilde kann als Verstärker verwendet werden.
Es kann auch die Halbleiterschicht 4 aus einem Material gebildet sein, welches vom Material der Halbleiterschichten 3 und 5 abweicht. Z. B. kann die Halbleiterschicht 4 von einer Germaniumschicht der Type n gebildet sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleiteranordnung aus mindestens zwei Halbleiterschichten entgegengesetzter Type, gekennzeichnet durch eine auf einer Aluminiumunterlage (1, 2) befindliche Aluminiumoxydschicht (3, 4), ferner durch eine weitere Halbleiterschicht (5) aus Mangandioxyd oder Bleidioxyd und gegebenenfalls durch eine dritte Halbleiterschicht entgegengesetzter Type und aus vom Material der beiden erstgenannten Schichten abweichendem Material, vorzugsweise aus Germanium oder Silicium.