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Halbleiterelement und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterelement mit einem magnetfeldabhängigen Halbleiterkörper, bei dem derHalbleiterkörperEinschlüsse einer zweiten Phase aus einem elektrisch gut leitenden Material enthält und diese Einschlüsse im. wesentlichen zueinander parallel ausgerichtet sind und ihre geometrische Form anisotrop ist.
Unter der anisotropen geometrischen Form wird hier und im folgenden verstanden, dass die Einschlüsse in mindestens einer Richtung bevorzugt ausgebildet sind. Die geometrischen Formen für die Einschlüsse sind vorzugsweise die Nadel- oder die Flächenform.
Halbleiterelemente gemäss der Erfindung lassen sich insbesondere in Halbleiteranordnungen verwenden, deren Widerstand durch den Gausseffekt im Halbleiter gesteuert ist, der durch das von dem Halbleiter rückgekoppelte, durch den die Anordnung durchfliessenden Strom hervorgerufene Magnetfeld erzeugt und bestimmt ist.
Es ist bekannt, dass mit Halbleitern hoher Ladungsträgerbeweglichkeit eine grosse Änderung des elektrischen Widerstandes in einem Magnetfeld erreicht wird. Dieser Effekt ist besonders gross, wenn die geometrische Form des Halbleiters nicht stabförmig ist, mit Elektroden an den Enden, sondern wenn dieser in Form von rechteckigen Platten oder als kreisförmige Scheibe ausgeführt ist. Man erhält so mit einer recht- eckigen Platte, z. B. auslndiumantimonid, in einem Magnetfeld von 10000 Gauss eine Erhöhung des elektri- schen Widerstandes auf das Zehnfache, wenn das Verhältnis der Elektrodenbreite zu Elektrodenabstand 3 zu 1 beträgt.
Um diese Platten möglichst hochohmig herstellen zu können, können am Halbleiterkörper nachträglich durch Legieren oder Diffundieren oder Aufbringen eines Silberrasters gut leitende Zwischenschichten eingebaut werden. Dieser Herstellungsprozess istschwierig und bedingt spezielle Herstellungsverfahren. Zur Vermeidung dieser komplizierten Verfahrensschritte werden in diesen Halbleiteranordnungen vorteilhafterweise Halbleiterelemente gemäss der Erfindung als Halbleiterkörper verwendet.
Die erfindungsgemässen Halbleiterelemente erlauben infolge der dichten Anordnung der Einschlüsse des elektrisch gut leitenden Materials bei gleichzeitiger Freiheit in der Formgebung hochohmige Halblei- terelemente, z. B. in Form sehr dünner Platten, herzustellen. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren, um hochohmige Halbleiterelemente zu erhalten, ist man nicht an das Aufbringen eines definierten Silberrasters gebunden. Ausserdem lässt sich der erfindungsgemässe geringe Abstand der kurzschliessenden Einschlüsse von einigen 11 mit niedergeschlagenem Silber kaum erreichen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht ferner in der grösserenzuverlässigkeit derHalb- leiterelemente, da z. B. ein Ablösen des Silberrasters nicht möglich ist.
Die Einschlüsse des elektrisch gut leitenden Materials brauchen nicht unbedingt regelmässig angeord- nete Flächen zu sein, sondern können auch als Scheibchen regellos im Halbleiter verteilt sein. Voraussetzung ist lediglich, dass das Verhältnis von Abstand zum Durchmesser nicht zu gross ist und ausserdem die Flächennormalen parallelliegen.
Einen nahezu gleich guten Effekt erhält man, wenn statt zusammenhängender Kurzschlussflächen ausgerichtete Nadeln eingebaut sind, auf deren Längsachsen Stromrichtung und Magnetfeld senkrecht stehen.
Die zweite Phase soll möglichst so beschaffen sein, dass von ihr aus keine Dotierung des Halbleiters
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erfolgt. Diese hat durch weitere Zugabe von Donatoren oder Akzeptoren in der herkömmlichen Weise zu erfolgen. Unter dieser Vorschrift ist zu verstehen, dass dieses Material keine unmittelbar feststellbare bzw. merklich in Erscheinung tretende Dotierwirkung ergeben soll. Es sind also noch solche Einschlussmaterialien zugelassen, die zwar im strengen Sinne des Begriffes eine gewisseDotierung ergeben, ohne dass jedoch ihre Dotierwirkung merklich in Erscheinung tritt. Es sind aber auch solche elektrisch gut leitenden Materialien als Einschlüsse geeignet, die zwar eine merkliche Dotierwirkung aufweisen, die aber noch so gering ist,
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chend ist.
Ein weiterer Vorteil des Halbleiterelementes gemäss der Erfindung besteht darin, dass es sich auf Grund seiner Hochohmigkeit bei gleichzeitig hoher Ladungsträgerbeweglichkeit gut, z. B. für Bauelemente zur Ausnutzung des Halleffektes, als Gleichspannungsmodulator oder als kontaktloses Potentiometer verwenden lässt.
Halbleiterelemente gemäss der Erfindung eignen sich zur Herstellung von Bauelementen, die zur Messung, Regelung oder Steuerung von Magnetfeldern und/oder Messung, Regelung oder Steuerung von Ortsveränderungen durch relative Verschiebung des Halbleiters gegenüber dem Magnetfeld verwendet werden.
Darüber hinaus ist ein Halbleiterelement der beschriebenen Art allgemein dann voninteresse, wenn anisotrope elektrische Eigenschaften,'z. B. photoelektrische, gewünscht werden.
Als Halbleiterkörper für das Uelbjeiterlemeiit gemäss der Erfindung eignen sich halbleitende Verbin- 'dungen, vorzugsweise vom Typ AB, wie z. B. Indiumantimonid, Indiumarsenid und Galliumantimonid.
Weiterhin kann als Halbleiterkörper ein halbleitendes Element der IV. Gruppe des periodischen Systems, wie z. B. Germanium, verwendet werden.
Als Einschlüsse aus elektrisch gut leitenden Materialien eignen sich für halbleitende Verbindungen vom Typ AIIIB, wie z. B. Indiumantimonid und Galliumantimonid, Verbindungen vom Typ CBV, bei denen C ein Element aus der Gruppe Fe, Ni, Co, Cr und Mn ist. B ist ein Element aus der V. Gruppe des pe- riodischenSystems. Als Beispiele für diese Verbindungen seien das Eisenantimonid (FeS,), das Nickelantimonid (NiSb), das Chromantimonid (CrSb genannt. Ausserdem können auch ferromagnetische Substanzen, wie z. B. das Manganantimonid (MnSb) verwendet werden. Für die halbleitenden Verbindungen Indiumantimonid oder Galliumantimonid sind auch Einschlüsse aus reinen Metallen, wie z. B. aus Antimon, geeignet.
Besteht der Halbleiterkörper aus Germanium, so eignen sich insbesondere als Einschlüsse Germanide aus der Gruppe Fe, Ni, Co, Cr oder Mn.
Die Einschlüsse sind in dem Halbleiterkörper vorzugsweise so angeordnet, dass sie entweder homogen über den gesamten Querschnitt des Halbleiterkörpers oder nur in bestimmten Bereichen des Halbleiterkör- pers verteilt sind.
Halbleiterelemente gemäss der Erfindung lassen sich z. B. dadurch herstellen, dass das Ausgangshalbleitermaterial und das elektrisch gut leitende Material z. B. in einem unbekohlten Quarzschiffchen zusammengeschmolzen werden. Die Schmelze wird anschliessend in an sich bekannter Weise einem Erstarrungsprozess unterworfen. Um zu erreichen, dass die Einschlüsse im Halbleiterkörper nichtungerichteton- dern ausgerichtet angeordnet sind, ist der Erstarrungsprozess gerichtet durchzuführen.
Eine gleiche Richtwirkung wird dadurch erreicht, dass das Material dem an sich bekannten Zonenschmelzverfahren unterwor- fen wird. Eine andere Möglichkeit, um eine bestimmte Richtung der Einschlüsse zu erreichen, besteht darin, dass der Erstarrungsprozess unter Einwirkung eines äusseren Magnetfeldes erfolgt.
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass es von besonderem Vorteilistnm anisotrope und orientierte Einschlüsse in sehr grosser Ausbeute zu erhalten, wenn der Halbleiterkörper und die Einschlüsse ein Eutektikum bilden. Orientierte anisotrope Einschlüsse werden z. B. mit folgenden eutektischen Schmelzen erhalten : InSb-Sb, GaSb-Sb,InSb-NiSb, InSb-MnSb, InSb-CrSb2,InSb-FeSb2, Ge-Ni, Ge-Mn, Ge-Fe, Ge-Co.
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InSbgen : Fig. 1 ein Halbleiterelement gemäss der Erfindung mit flächenförmigen Einschlüssen, Fig. 2 ein Halbleiterelement gemäss der Erfindung mit nadelförmigen Einschlüssen ; der elektrische Strom fliesst senkrecht
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ein Halbleiterelement gemäss der Erfindung mit nadelförmigen Einschlüssen ;
Strom-und Magnetfeld stehen zueinander senkrecht und senkrecht auf der Längsachse der Nadeln, Fig. 4 ein Halbleiterelement gemäss der Erfindung mit nadelförmigen Einschlüssen ; der Strom fliesst parallel zur Längsachse der Nadeln und das Magnetfeld ist senkrecht dazu gerichtet, Fig. 5 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Widerstandsänderung 6 B/6 0 vom Magnetfeld und von der geormetrischen Form und Anordnung der Einschlüsse im Halbleiterkörper, Fig. 6 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Hallspannung eines Halbleiterelementes gemäss der Erfindung von der magnetischen Induktion.
In Fig. l ist ein Halbleiterlement gemäss der Erfindung, bestehend aus dem Halbleiterkörper 11 und den flächenhaften, elektrisch gut leitenden Einschlüssen 12, dargestellt. Der elektrische Strom i, der durch den Pfeil 13 dargestellt ist, fliesst in Richtung der Längsachse des Halbleiterkörpers. Die Einschlüsse 12 sind im Halbleiterkörper ungeordnet verteilt.
Fig. 2 zeigt ein Halbleiterlement gemäss der Erfindung, bei dem im Inneren des Halbleiterkörpers 31 nadelförmige Einschlüsse 32 eingebaut sind. Die Längsachsen der nadelförmigen Einschlüsse sind parallel zueinander gerichtet, u. zw. so, dass der'elektrische Strom 33 senkrecht zur Längsachse der Nadeln und das äussere Magnetfeld B in Richtung der Längsachse der Nadeln ausgerichtet ist.
In Fig. 3 sind in dem Halbleiterkörper 41 die nadelförmigen Einschlüsse 42 so eingebaut, dass ihre zu- einander parallelen Längsachsen senkrecht zur Längsachse des Halbleiterkörpers gerichtet sind. Der elektrische Strom 43 und das äussere Magnetfeld B stehen zueinander senkrecht und ausserdem senkrecht auf der Längsachse der nadelförmigen Einschlüsse.
In Fig. 4 sind in dem Halbleiterkörper 51 die nadelförmigen Einschlüsse 52 so angeordnet, dass der elektrische Strom 53 parallel zur Längsachse der parallel gerichteten nadelförmigen Einschlüsse fliesst und das äussere Magnetfeld B senkrecht zur Längsachse der Nadeln ausgerichtet ist.
In Fig. 5 ist die Abhängigkeit der Widerstandsänderung 6 B/6 0 von der magnetischen Induktion B für verschiedene Halbleiterelemente gemäss der Erfindung aus InSb graphisch aufgetragen. Die in dem Diagramm dargestellten Kurven gelten bei Zimmertemperatur. Auf der Abszisse ist die magnetische Induktion B in kG und auf der Ordinate die Widerstandsänderung 6 B/60 aufgetragen. Die Kurve 61 bezieht sich auf ein Halbleiterelement, bei dem die Einschlüsse punktförmig und ungeordnet verteilt sind. Die Widerstandsänderung beträgt bei 10 000 Gauss etwa 300 lu. Aus Kurve 62 ist ersichtlich, dass die Widerstands- änderung bei 10000 Gauss etwa 200 % beträgt.
In diesem Fall bestehen die Einschlüsse aus parallelen Nadeln, die so angeordnet sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Kurve 63 zeigt die Widerstandsänderung für ein Halbleiterelement gemäss der Erfindung, bei dem die nadelförmigen Einschlüsse so angeordnet sind, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Die Widerstandsänderung beträgt bei einem äusseren Magnetfeld von 10 kG etwa 100 lu. Kurve 64 lässt erkennen, dass die Widerstandsänderung in Abhängigkeit vom äusseren Magnetfeld am grössten ist für eine Anordnung der Einschlüsse im Halbleiterkörper gemäss Fig. 3. In diesem Fall beträgt die Widerstandsänderung für ein Magnetfeld von 10 kG etwa 1100 lo. Demgegenüber besitzt eigenleitendes InSb bei Zimmertemperatur eine Widerstandsänderung von 55 % bei 10 kG.
In Fig. 6 ist die Abhängigkeit der Hallspannung eines Halbleiterelementes gemäss der Erfindung, be- stehend aus InSb mit 1, 8 Gew.-% NiSb-Einschlüssen, graphisch dargestellt. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit a beträgt 259 (Q cm) und die Ladungsträgerbeweglichkeit j = 20500 (cm/V sec). Auf der Abszisse ist die magnetische Induktion B in kG und auf der Ordinate die Hallspannung UH in mV auf- getragen. Die Kurve 71 zeigt im Gegensatz zu dem bekannten Verlauf der Hallspannung in Abhängigkeit von der magnetischen Induktion eine gewisse Sättigungserscheinung. Diese Charakteristik ist besonders zur Ausnützung für Steuer-bzw. Regelzwecke geeignet.
Beispiel l : Verfahren zur gerichteten Verteilung der Einschlüsse 98, 2 g InSb werden zusammen mit 1, 8 g zonengeschmolzenem NiSb etwa eine Stunde lang bei 7500C bis 8000C in einem unbekoblten Quarzschiff geschmolzen. Anschliessend lässt man die Schmelze mit einer Geschwindigkeit vou 2, 7 mm/min gerichtet erstarren. Dieses Material wird dann noch zweimal zonengeschmolzen, wobei die Zonengeschwindigkeit l mm/min beträgt. Der so erhaltene Halbzylinder des Materials wird zu Stäbchen gewünschter Grösse zugeschnitten.
Beispiel 2 : Verfahren zur ungerichteten Verteilung der Einschlüsse o o
Indiumantimonid wird mit 1,8 Gew. -0/0 NiSb bei einer Temperatur von 750 C - 800 C eine Stunde lang in einem unbekohlten Quarzschiff geschmolzen. Die homogene Schmelze wird anschliessend plötzlich aus der heissen Ofenzone ausgefahren, so dass keine gerichtete Erstarrung der Schmelze eintreten kann. Anschliessend werden aus dem Halbzylinder Stäbchen gewünschter Grösse herausgeschnitten.
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g InSb werden zusammen mit 15, 8 g Mn2SbMnSb) in einem bekohlten QuarzschiffunterZuwendung vonAr alsSchutzgas bei 700 OC verschmolzen.
Die homogene Schmelze wird anschliessend durch Herausfahren aus derheissen Ofenzone mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,6 mm/min gerichtet zur Kristallisation gebracht.
Beispiel 4: 195gInSbwerdenzusammenmit5,OgCrSb unterAralsSchutzgasbei700 Cver- schmolzen. Die homogene Schmelze wird einseitig zur Kristallisation gebracht und anschliessend einige Male mit etwa 1 mm/min zonengeschmolzen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleiterelement mit einem magnetfeldabhängigen Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper Einschlüsse einer zweiten Phase aus einem elektrisch gut leitenden Material enthält und dass diese Einschlüsse im wesentlichen zueinander parallel ausgerichtet sind und ihre geometrische Form anisotrop ist.
2. HalbleiterlementnachAnspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschlüsse nadelförmig ausgebildet sind.