DE1000115B - Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichtkristallen mit PN-UEbergang - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichtkristallen mit PN-UEbergang

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Description

  • Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichtkristallen mit PN-Ubergang Halbleiterschichtkristalle, insbesondere aus German#um oder Silizium, werden zur Herstellung von Kristallversarloern und, Kristalldetektoren verwendet.
  • Es ist bekannt, daß man bei Halbleiterkristallen durch geeignete Behandlung und/oder verschiedene in äußerst geringer Menge zugiefügte Zusatzstoffe verschiedenen Leitfähigkeitsdharakters erzeugen kann. Man unterscheidet dabei die sogenannte Elektronenleitfähigkeit und die sogenannte Defektelektronenleitfähigkeit. Halbleiter, die die eine oder die andere Leitfähig'keit besitzen, werden auch als N-Halbleiter bzw. P-Halbleiter bezeichnet. Halbleiterkristalle, die aus zwei oder mehTeren Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters bes,tefien, bezeichnet man als Schichtkristalle. Derartige Schiehtkristalle können zur Herstellung von Kristalldetvektoren oder Kristallverstär'kern verwendet werden). Sie haben gegenüber den entsprechenden Anordnungen mit Spitzenkentakt den Vorteil, daß sie für höhere Stromstärken verwendet werden könne'n. Von, ausschlaggebender Bedieutung für die WirIkungsweise derartiger Schicht, kristalle ist Üas VoAandensein bzw. die räumliche Verteilung von sogenannten Störstellen. Um Schichtkristallgleichrichter oder -verstärker mit guten, Eigen, sähaften 'herzustellen, strebt man einen; möglizhst hohen Störstellengefialt auf beiden Seiten des Schicht,-kristalls an. Man erzielt dadurch insbesondere gute Eigenschaften in, Durchlaßriehtung-. 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 Schichtkris#talls stark anwäch-st. Dieses Feld wird bestimmt durch die Steilheit des Störstellendichteverlaufes in der Übergangszone zwis-chen den Gebieten, verschiedenen Leitfähigkeitscharakters. Gelingt 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 Breitie der PN-Übergangszone muß je- doch unterhalb der Diffusionslänge der Strornträger liegen, damitkeine Rekomhination der Stromträger in der Übergangszone stattfindet. Man kann beispielsweise die Übergangszone einige Zehntelmillimeter dick machi#n und so das Feld in, der übergangszone verringern. und damit die Spannungsfestigkeit in Sperrriclhtung wesentlich vergrößern.
  • Wie aus den vorhergehenden Darlegungen zu entnehmen ist, kann mit den bekannten Maßnahmen nur eine begrenzte Erhöhung der Sperrspannung erzielt werden. Eshat sich jedoch gezeigt, daß dde theoretiscli mögliche Erhöhung der Sperrspannung durch Verb.reiterung der Übergangszone nicht erzielt- werden kann, da bisher noch unbekannte weitere Einflüsse eine Erreichung des theoretischen Wertes unmöglich macht-en.
  • Untersuchungen haben ergeben, daß insbesondere. die Oberfläche bzw. die dicht unter der Oberfläche flächie liegenden SchtirJht--n dies, Kristalles die Sperrfähigkeit weitgehend beeinflussen. Diese Oberflächeneinflüsse 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.
  • Die Erfindüng bezieht sich auf VerfaihTen zur Herstellung von, HalbleiterschhichtIkristallen mit mindestens einem annähernd senkrecht zur Oberfläche angeordneteTi PN-Übergang. Erfindungsgemäß werden Halbleiterschichtkristalle besonders 'hoher Güte so aufgebaut, daß das Störstellenprofil in der Oberflächenschricht des HalbleiterschichtIkristalls gegenüber demjenigen im Innerendieses Kristalls durch Diffusionsvorgänge abgeflachte wird. Dies. bedeutet, daß die Ab- nahme der Störstellendichte vom PN-Übergang nach. den Enden des Kristalls in den oberflächlichen Schichten des Kristalls wesentlich langsamer als im. Inneren des Kristalts ist. Man erzielt dadurch eine wesentliche Verringerung der Feldstärke an der Oberfläche des Schichtkrist#alls, was zur Folge hat, daß der- :artige Kristalle fÜr we-,4entlidhi höhere Sperrspannungen brauchbar sind, als dies ohne diese StöT-stellenverteilung möglich wäre.
  • Schichtkristalle mit der Störstellenverteilung gemäß der Erfindung können, auf verschiedene Weise erhalten werden.
  • Eine Möglichkeit zur Herstellung des, Störstellenprofils gemäß der Erfindung besteht darin, daß man ,den Schichtkristall einer Wärmebehandlung unterwirft. Die Temperatur und Dauer dieser Wärmebehandlung richtet sich hauptsächlich nach dem zur Verwendung kommenden Halbleiter und nach der gewünschten Verflachung des Störstellenprofils in der Oberfläthenschicht des Kristalls. Es ist bekannt, daß ,die Diffusion von Störs-tellen, in den oberflächlichen Schichten von Halbleiterkristallen viel, größer ist als im Innern. Man. kann diese Maßnahme noch. dadurch unterstützen, daß man die Erwärmung des Kristalls .so durchführt, daß hauptsächlich nur die oberflächlichen Schichten erwärmt werden. Dies wird beispiels--weise 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 Kristalls besteht in. der Anwendung der Hochfrequenzerwärmung.
  • Die Verteilung der Störstellen gemäß der Erfindung im Schichtkristall kann auch durch nachträgliches Aufbringen von dem jeweiligen Leitfähigkeitstyp entsprechenden störstellenbildenden Stoffen auf die Oberfläche des Kristalls in der Nähe der Übergangszone -und anschließendes Eintempern derselben geschehen.
  • Zur näheren Erläuterung des Erfindungsgedankens soll ein Beispiel an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.
  • In Fig. i sind schematisch Querschnitte eines bekannten stabförmigen Halbleiter-kristalls dargestellt, -der zwei Gebiete verschiedener Leitfähigkeit aufweist welche durch die Buchstaben P und N bezeichnet sind. Du übergangsgebiet zwischen den beiden -Gebieten verschiedener Leitfähigkeit ist mit i bezeichnet. Die Linien, gleicher Feldstärke, die durch die Verteilung der Störstellen bedingt sind,. verlaufen im Falle von Fig. i sämtlich parallel. Die Dichte der Linien veranschaulicht die Feldstärke längs der -größten, Ausdehnung des Kristalls. In einem Kristall Z' bekannter Ausbildung mit PN-Übergang verläuft die Feldstärke so, wie sie durch- die Linien 2 in Fig. i dargestellt ist. Im Gebiet des PN-Überganges bei i ist .die Feldstärke sehr groß und nimmt auf kurzer Ente fernung im übergangsgebiet stark ab, während sie im übrigen Kristall nahezu gleichmäßig ist.
  • In Fig. 2, ist der Verlauf der Feldstärke bei einem Schichtkristalf gemäß der ETfindung dargestellt. Der Verlauf der Feldstärke -,ist in, der Mitte des Kristalls genau so wie in Fig. i, während an den Kristalloberflächen der Verlauf der Feldstärke, im PN-Übergangs-#gebiet flacher ist, wie - aus der größeren Breite der Zone i ersichtlich ist. Die Folge davon ist, daß die Feldstärke im Innern, des Kristalls nach Fig.:2 die gleiche ist wie bei dem Kristall na;ch Fig. i, jedoch an der Oberfläche des Kristalls wesentlich geringer ist.
  • Wie bereits erwähnt, wurde durch Versuche festgestellt, daß die Eigenschaften des Schichtkristalls an #seiner Oberfläche, insbesondere in der Umgebung der PN-Übergangszone zwischen den, Gebieten verschiedenen Leitfähigkeitscharakters wesentlich initbestimmend für die Belastun-gsfähigkeit in -Sperrichtung ,sind. In weiterer Ausbildung der Erfindung wird da-25 her vorgeschlagen, an der Oberfläche des, Schichtkristalls dadurch unveränderliche Bedingungen zu schaffen, deß der KrIstall in ein Mediu#m eingebettet wird-, das eine hohe Durchschlagfestigkeit aufweist. Diese Maßnahme enveist sich als besonders vorteilhaft bei dier Störstellenverteilung im Kristall gemäß der Erfindung und hat insbesondere auch große Bedeutung zuT Verhinderung einer Verschlechterung des Kristalls dn Sperrichtung.
  • Es wurde schon vorgeschlagen, Halbleiter, die aus einer intermetallischen Verbindung eines Elementes der III. Gruppe des Periodischen Systems mit einem Element der V. Gruppe bestehen, durch. überziehen mit einer Al.03-SCh'Cht vor Korrosion zu schützen. Bei Elementhalbleitern, wie Germanium oder Silizium, bestand jedoch. bisher keine Veranlassung dazu, einen überzug zum Schutz gegen Kürrosion aufzubringen.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird der Kristall beispielsweise in fein-stverteiltes Aluminiumoxyd, Titandioxyd oder einen ähnlichen Stoff eingebettet oder mit einer derartigen Schicht überzogen. Es ist dabei zu heachten, daß die Korngröße des Pulvers, in das der Kristall eingebettet bzw. mit dem der Kristall überzogen wird-, klein im Vergleich zur Dicke der PN-Übergangszone ist. Die PN-Übergangszone kann bekanntlich in der Größe von einigen Hundertstelmill-imetern. liegen, es ist jedoch auch möglich, daß sie Dicken bis herab zu i y aufweist. Darauf geht hervor, daß bei derartig geringen Dicken der Übergangszone außerordentlich, feine Pulver als Einbettung bzw, oberflächlich,er Überzug für den Kristall verwendet werden müssen. Gegegenenfalls genügt es, den Überzug nur in der Umgebung der übergangszone vorzusehen.
  • Für Siliziumschichtkristalle hat sich zur Herstellung der Störstellenverteilung gemäß der Erfindung eine Temperung an Luft bei etwa iooo' C als besonders vorteilhaft erwiesen. Dadurch wird eine genügende Verbreiterung des Störstellenprofils erzielt und gleichzeitig die Bildung eines Überzuges aus Siliziumdioxyd auf dem Siliziumkörp-er bewIrkt. Durch diesen Überzug wird es vermieden, daß sich an einigen Stellen der Übergangszone oberflä#h1,ich leitende Brücken durch Staub oder Umwandlungsprodukte des Halbleiters bilden, wodurch die Sperreigenschaften des Halbleiters wesentlich, verschlechtert werden, Auch Germaniumschichtkristalle können vorteilhaft mit einem Überzug aus Siliziumdioxyd überzogen werden, indem man beispielsweise Sili7iummonoxyd auf die Oberfläche, insbesondere in der Umgebung der Übergangszone aufdampft und diese in Siliziumdioxyd überführt.
  • Es können selbstverständlich, auch Überzüge aus anderen Stoffen mit hoher Durchschlagsfestigkeit, wie beispielsweise organische Kunststoffe, Verwendung finden.
  • Außer einer Veränderung des Störstellenp#rofils an der Oberfläche des Schichtkristalls kann auch der Störstellendidhtetinterschied in der Oberflächenschicht verringert werden. In diesem Falle ist jedoch darauf zu achten, daß die Mantelsehicht um die Übergangszone nicht zu dick wird, da sonst der Sättigungsstrom in Sperri#chtung 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.

Claims (2)

  1. PATENTANSPROCHE. i. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichtkristallen mit mIndestens einem annähernd. senkrecht zur Oberfläche angeordneten PN-Übergang, dadurch gekennzeichnet, daß das Störstellenprüfil in der Oberflächenschicht des Halbleiterschichtkrista.lls gegenüber demjenigen, im Innern dieses Kristalls durch DiffusionsvoTgänge abgeflacht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruchi, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflachung des StöTstellenprofils durch eine Wärmebehandlung bewirkt wird;. 3. Verfahren, nach Anspruch 2, daduTch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung nur an, der Oberflächensehicht des HalbleiterschichtkTistalls durch Anwendung einer Wärmestoßbehandlung durchgeführt wird. 4. VerfahTen, nach Anspruch i, dadurch, gekenn4 zeichnet, daß auf die Oberfläche des Halbleiters,chichtkristalls, zumindest in der Umgebung des PN-Üb-erganges, dem jeweiligen Leitfähigkeitstyp entsprechende störstellenbildende Stoffe aufgebracht und in den Halbleiterschichtkristall obeT-flächlich eingetempert werden. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche i bils 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Halbleiterschichtkristalls. nach dem Diffusionsvorgang mit einer solchen Schicht eines Stoffes bedeckt oder in, einen, solchen Stoff eingebettet wird, der eine hohe Durchschlagsfestigkeit besitzt, insbesondere Aluminiumoxyd odeir Titandlioxyd, und dessen Korngröße klein im Verhältnis zuT Dicke der PN-Schicht ist. 6. Verfahren nach. Anspruch 5, dadurch gdkennzeichnet, daß bei Verwendung von Germaniuni als Halbleitermaterial auf dem Halbleiterschicht, kristall Siliziumnionoxyd, beispielsweise durch Aufdampfen, niedergeschlagen und. dieses danach in Siliziumdioxyd übergeführt wird. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial der Halbleiterschichtkristall einer Temperung in Luft bei etwa iooo' C unterworfen wiTd. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. :2 669 692,; Phys. Rev., Bd. 8o, i95o, Nr. 3, S. 467, 468; Journal of applied physics, Bd. 2o, 1949, Nr. 9, S. 805, 8o6; FTZ, Bd. 3, 1950, Heft 10, S. 394 bis 397; Das Elektron, Bd.5, 1951/52, Heft 1344, S. 434 bis 436.
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