DE1016841B - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters mit Inversionsschicht - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters mit Inversionsschicht

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DE1016841B DEG13411A DEG0013411A DE1016841B DE 1016841 B DE1016841 B DE 1016841B DE G13411 A DEG13411 A DE G13411A DE G0013411 A DEG0013411 A DE G0013411A DE 1016841 B DE1016841 B DE 1016841B
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Description

DEUTSCHES
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters mit p-n-Schichten durch Kristallziehen aus der Schmelze für Gleichrichter und Transistoren hoher Leistung.
Es ist bekannt, daß bei einem Halbleiter mit einer p-Schicht, an welche eine η-Schicht angrenzt, eine dünne eigenleitende Schicht oder Raumladungsschwelle zwischen diesen Gebieten entsteht. Dieser Inversionsschichthalbleiter zeigt ausgesprochene Gleichrichtereigenschaften und thermoelektrische und photoelektrische Eigenschaften.
Es ist auch bekannt, daß ein Halbleiterkörper mit einer Schicht eines Leitungstyps, an die zwei Schichten des entgegengesetzten Leitungstyps angrenzen, so daß zwei Inversionsschichten bestehen, als ein Dreielektroden-Halbleiter oder Transistor benutzt werden kann und eine Strom- und eine Spannungs- bzw. eine Leistungsverstärkung zeigt. Derartige Halbleiter sind als p-n-p-Halbleiter oder als n-p-n-Halbleiter bekannt. Sie werden zum Unterschied von den Punktkontakt-Transistoren als Flächen-Transistoren bezeichnet.
Es sind viele verschiedene Verfahren zur Herstellung der Inversionsschichten in einem. Halbleitermaterial bekanntgeworden. Die elektrischen Eigenschaften der verschiedenen hergestellten Flächenhalbleitergleic'hriehter unterscheiden, sich weitgehend, lassen sich aber in zwei Arten unterteilen.
Bei der einen Art von Flächenhalbleitergleichrichtern, die im folgenden als Hochspannungshalbleitergleichrichter bezeichnet werden, liegt ein p-Gebiet von hohem spezifischen Widerstand, welches mit einem Akzeptor schwach dotiert ist, neben einem n-Gebiet von hohem spezifischen Widerstand, welches schwach mit einem Donator dotiert ist, so daß eine Inversionsschicht mit einer allmählichen Änderung des Verunreinigungsgradienten senkrecht zur Inversionsschicht entsteht. Dabei ergibt sich eine Raumladungsschwelle mit hohem Widerstand, an welche in der Sperrichtung eine hohe Spannung von über 1000 Volt .angelegt werden kann. Derartige Hochspannungsflächenhalbleitergleichrichter entstehen beispielsweise, .wenn die Inversionsschicht während der Züchtung eines Kristalls aus einer geeigneten Schmelze entsteht. Ein Beispiel für einen solchen Hochspannungshalbleitergleichrichter mit Inversionsschicht und ein Verfahren zu seiner Herstellung sind in der deutschen Patentanmeldung G 12 444 VIII c/21 g beschrieben.
Bei der zweiten Art von Flächenhalbleitergleichrichtern, die in der deutschen Patentanmeldung 14677 VIIIc/21g vorgeschlagen wurden und im folgenden als Hochstromhalbleitergleichrichter bezeichnet sind,, wird ein p-Gebiet mit geringem spezifischen Widerstand,, das stark mit einem Akzeptor
Verfahren zur Herstellung
eines Halbleiters mit Inversionsschicht
Anmelder:
General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M.-Eschersheim, Lichtenbergstr. 7
Beanspruchte Priorität:
V. St v. Amerika vom 30. Dezember 1952
Robert Noel Hall, Schenectady, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden
aktiviert ist und ein η-Gebiet von geringem spezifischen Widerstand, das stark mit einem Denator aktiviert ist, beiderseits einer Inversionsschicht oder eigenleitenden Zone angebracht. Diese Art von Flächenhalbleitergleichrichter vertragen in der Sperrrichtung selten mehr als 400 Volt, können aber in der Durchlaßrichtung viel größere Ströme führen als die Hochspannungshalbleitergleichrichter.
Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung eines p-n-Flächenhalbleitergleichrichters, der sowohl für so hohe Sperrspannungen wie die früheren Hoch-Spannungshalbleitergleichrichter geeignet ist als auch in der Durchlaßrichtung so hohe Ströme führen kann wie die genannten Hochstromhalbleiter, so daß also ein hochwertiger Hochleistungsflächengleichrichter oder Flächen-Transistor entsteht.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters.mit p-n-Schichten durch Kristallziehen aus der Schmelze, welche Spuren eines Donators und eines Akzeptors enthält. Erfindungsgemäß werden eine sehr schwach dotierte p-n-Verbindung mittels Kristallziehen aus der Schmelze hergestellt und auf den schwach dotierten p-n-Schichten durch Legieren bzw. Diffundieren mit Aktivatoren, die im Halbleiter den gleichen Leitungstyp erzeugen, stark dotierte Schichten hergestellt. Die Dotierung der Schmelze und das Kristallwachstum werden so beeinflußt, daß der gezüchtete Kristall ein p-Gebiet mit hohem spezifischem Widerstand enthält, an welches ein p-Gebiet mit hohem spezifischem Widerstand angrenzt, so daß eine Inversionsschicht mit
709' 699/325
hohem Widerstand und mit einem allmählichen Verlauf des Aktivatorgradienten quer zur Schicht entsteht. Sodann wird ein Donator mit der Oberfläche des η-Gebietes verschmolzen und diffundiert in dieses Gebiet ein, und ein Akzeptor-wird mit der Oberfläche des p-Gebietes verschmolzen und in dasselbe eindiffundiert. Diese beiden mit einem Aktivator imprägnierten Oberflächengebiete des Kristalls besitzen vorzugsweise einen Abstand von weniger als
oder als Transistor dienen.
Fig. 1 zeigt einen derartigen Gleichrichter
Schnitt und Ansicht;
Fig.2 zeigt einen derartigen Transistor in Schnitt und Ansicht;
Fig. 3 zeigt den Verlauf von Stromspannungskurven, weiche die Verbesserung bei einem Gleich-
Der Kristall 11 ist vorzugsweise etwas dünner als 0,1 cm, um bestmögliche Eigenschaften in der Stromdurchlaßrichtung zu erreichen. Die bevorzugte Dicke des Kristalls läßt sich auch durch den Abstand von 5 weniger als 0,075 cm zwischen der Inversionsschicht 18 und den Schichten 19 und 20 angeben. Die Gesamtdicke von 0,1 cm entspricht ungefähr einep;iißogenannten Diffusionslänge in einem Germaniumhalbleiter für hohen Strom, wobei die Diffusionsläflge 0,1 cm. Mittels der Donatoren wird die Oberflächen- io definiert ist als der mittlere Abstand, über den schicht des η-Gebietes stark dotiert, so daß diese einen sich ein Stromträger durch den Halbleiterkörper geringen spezifischen Widerstand annimmt und als bewegt, bevor er sich mit einem entgegengesetzteine Quelle für negative Stromträger dient, um die geladenen Stromträger rekombiniert. Genauer gesagt Stromdurchlässigkeit in der Durchlaßrichtung zu ist die Diffusionslänge gleich der Quadratwurzel aus erhöhen. Mittels der Akzeptoren wird die Oberflächen- 15 der Lebensdauer des Stromträgers multipliziert mit schicht des p-Gebietes stark dotiert, um einen geringen seiner Diffusionskonstante. Für Germanium von spezifischen Widerstand dieser Schicht zu erzeugen, hoher Reinheit beträgt die mittlere Lebensdauer welche als eine Quelle für positive Stromträger dient, zwischen 50 und 100 Mikrosekunden und die Diffuum den Stromdurchtritt in der Durchlaßrichtung noch sionskonstante für positive Löcher ist etwa 44cm2/sec, weiter zu verbessern. Donator und Akzeptor- 20 während die Diffusionskonstante für Elektronen ttnmaterialien bilden ebenfalls die Elektroden, die zum gefahr 90 cm2/sec ist.
Anschluß des Flächenhalbleiters als Gleichrichter Wenn der Gleichrichter 10 in einen Wechselstrom
kreis eingeschaltet wird, läßt er Strom hindurch, wenn die Elektrode 12 positiv gegenüber der Elektrode 13 25 ist, während bei umgekehrter Spannungsrichtung der Strom gesperrt ist. Während der positiven oder der Durchlaßhalbwelle wirkt die Schicht20 als CiHe1 Qyelle für Elektronen, aus welchem die Elektronen leicht zur positiven Elektrode 12 übertreten können. Die mit
richter nach Fig. 1 gegenüber den bisher bekannten 30 dem Akzeptor imprägnierte Schicht 19 dient als eine Gleichrichtern erkennen lassen. Quelle für positive Löcher, die leicht zur negativen
In Fig. 1 enthält der Gleichrichter 10 einen Halb- Elektrode 13 abwandern können. Somit ist zwischen leiterkristall 11, die Elektroden 12 und 13 und die den Elektroden 12 und 13 nur eine sehr kleine Span-Änschlußleitungen 14 und 15. Der Halbleiterkristall nungsdifferenz notwendig, um einen erheblichen 11, vorzugsweise ein Germaniumkristall hat eine Dicke 35 Strom in der Durchlaßrichtung hervorzurufen. Ein von weniger als 0,1 cm. und enthält ein p-Gebiet 16 . Gleichrichter nach Fig. 1 mit einem Halbleiterkristall sowie ein n-Gebiet 17, welche aneinandergrenzen und von 0,075 cm Dicke und einer Fläche von 1 cm2 läßt zwischen denen eine Inversionsschicht 18 besteht. Die bei 1 Volt Spannung einen Strom von 500 Ampere Elektrode 12 enthält einen Akzeptor wie Indium, in der Durchlaßrichtung hindurch. Während der nega-Aluminium oder Gallium und ist·.mit der Oberfläche 40 tiven Halbwelle ist der Stromdurchtritt durch die Indes p-Gebietes 16 verschmolzen und in dasselbe ein- versionsschlcht 18 gesperrt und die Gleichrichtung diffundiert. Die Schicht 19 ist-somit stark mit dem hängt von der Güte dieser Schicht ab. Durch Kristall-Akzeptormaterial imprägniert, so daß sie einen spezi- ziehen hergestellte p-n-Schichten konnten Span^- fischen Widerstand von weniger als 0,01 Ohmcm an- nungen über 500VoIt ohne einen merklichen Strom nimmt, vorzugsweise einen spezifischen Widerstand 45 und ohne einen Durchschlag ertragen. Eine S.trQfflvon ungefähr 0,001 Ohmcm. Die restliche Schicht21 spannungskennlinie eines solchen Gleichrichters''ist des p-Gebietes 16 besteht-aus im wesentlichen reinem als "Kurve--4 in Fig. 3 dargestellt, zusammen mit einet Germanium mit nur einer Spur einer Akzeptorverun- Kurve B eines bisherigen Hochspannungshalbleiters reinigung, so daß sie einen - spezifischen Widerstand und einer Kurve C eines bisherigen HochstromhaTb;-über 0,1 Ohmcm und vorzugsweise in der Nähe von 50 leiters. Diese Kurven beziehen sich auf eine Inver-5 Ohmcm besitzt. sionsschichtfläche von 1 mm2 und zeigen, daß der
Die Elektrode 13 enthält einen Spender wie Anti- Gleichrichter 10 die Vorteile beider Bauarten vermon oder Arsen und wird mit der Oberfläche des einigt ohne ihre Nachteile zu besitzen. Für hohe n-Gebietes 17 verschmolzen und in eine an der Ober- Leistungen kann der Gleichrichter 10 mittels Luft fläche angrenzende Schicht 20 eindiffundiert. Diese 55 oder Wasser gekühlt werden, um einen zu hohen Schicht20 ist somit stark mit Donatoren dotiert, so . Temperaturanstieg zu vermeiden. ■ .,
daß sie einen großen Elektrodenüberschuß und einen Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Gleich-
spezifischen-Widerstand-unter .0,01 Ohmcm aufweist. richters 10-wird eine Schmelze aus einem Halbleiter Die innere Schicht 22 des n-Gebietes 17 besteht aus vorzugsweise aus Germanium mit einer Spur eines im wesentlichen reinem·-Germanium mit nur Spuren 60 Donators und Akzeptors versehen. Der Ausdruck von Donatoren, so daß sie· einen spezifischen Wider- Spur soll dabei Mengen von weniger als 0r05 Gestand über 0,1 Ohmcm besitzt. Die Inversionsschicht wichtsprozenten des Halbleitermaterials bezeichnen, 18 ist eine Schwelle mit-hohem Widerstand- und Diese Aktivatormengen werden der Schmelze; im richeinem allmählichen Verlauf des Aktivatorgradienten tigen Verhältnis beigegeben, um entgegengesetzte zwischen dem schwach dotierten p-Germanium und 65 Stromträger hervorzurufen, welche gleiche elektrische dem schwach dotierten p-Germanium und kann eine Wirkung besitzen und somit einen Eigenhalbleiterhohe Spannung beispielsweise über 500 Volt ertragen. kristall bei einer bestimmten Wachstumsgeschwiiti-Die Bildung der Inversionsschicht 18 und der stark digkeit erzeugen. Die gewählten -Donator. und:. Jtkdotierten Oberflächenschichten 19 und 20 werden zeptormaterialien besitzen eine verschiedene Äjjdeweiter unten beschrieben/■ · -■ 70 rungder Segregationskonstante innerhalb eines-,,£§- ■
fischen Widerstand über 20 Ohmem besitzt, gezüchtet,, wobei■ dem Germanium 10~5-greinen Galliums bei-, gegeben werden, um in dem Kristall p-Germanium" zu erzeugen. Nachdem ein Teil des Kristalls gezüchtet 5 ist,- wird der Schmelze ein Milligramm von reinem Antimon beigegeben, um" einen n-Germaniumkristallzu erhalten. Die Menge des beigegebenen Spenders und Akzeptors ist natürlich so klein, daß der spezifische Widerstand des entstehenden Germaniumreichs der Wachs'tumsgeschwindigkeit, in dem auch die
obengenannte bestimmte Wachstumsgeschwindigkeit
für den Eigenhalbleiter liegt. Es wird dann ein Einkristall aus dieser Schmelze mit Wachstumsgeschwindigkeiten, die abwechselnd unterhalb und oberhalb der
Wachstumsgeschwindigkeit liegen, bei der ein Eigenhalbleiter entsteht, gezogen. Bei einer Wachstumsgeschwindigkeit oberhalb der Eigenleitungsgeschwindigkeit nimmt der Kristall das eine Verunreinigungselement, z. B. den Spender, im Überschuß auf, und es io kristalle erheblich -übe? rÖKmenr bleibt, entsteht ein η-Halbleiter, während bei einer Wachs- Aus dem" gezüchteten Kristall wird
tumsgeschwindigkeit unterhalb der Eigenleitungsgeschwindigkeit das andere Verunreinigungselement, als der Akzeptor, im Überschuß aufgenommen wiird, so daß ein p-Halbleiter entsteht.
Der Verunreinigungsgradient beiderseits der Inversionsschicht 18 läßt sich leicht durch Einstellung der Wachstumsgeschwindigkeit beim Durchgang' durch denjenigen Wert, bei welchem die Inversionsschicht
beispielsweise aus einer Legierung aus Silber und Indium oder aus einer Legierung aus Gallium und Indium.
Die Elektrode 13 kann zweckmäßig aus einem Donator wie Antimon bestehen, der mit der Schicht 19 verschmolzen ist und in diese Schicht bei Erhitzung für einige Minuten auf etwa 650° C eindringt. Die Elektrode 13 kann aber wahlweise auch aus einer
dann ein
Kristall 11 so herausgeschnitten, daß die Inversionsschicht 18 in einer Ebene parallel zu seiner Ober- und Unterseite liegt. Der Kristall 11 kann eine Dicke in 15 der Nähe von 0,075 cm und eine Länge und Breite von je etwa 1,25 cm besitzen. Nachdem die Ober- und Unterseite gereinigt und vorzugsweise abgeätzt ist, werden die Elektroden 15 und 13 in geeigneter.Weise aufgebracht und mit dem Kristall verschmolzen und
entsteht, beeinflussen. Die Menge der Stromträger in 20 zum Eindiffundieren in die Oberflächenschichten 19 jedem Leitfähigkeitsgebiet läßt sich leicht und genau und 20 gebracht, indem man den Kristall geeignet erdurch die absolute Menge des der Schmelze bei- hitzt. Die Akzeptorelektrode 12 kann z. B. aus Indium gegebenen Spenders und Akzeptors beeinflussen, und bestehen, welches in die Schicht 18 durch Erhitzung das Verhältnis der negativen und der positiven während einiger Minuten auf 400° eindiffundiert Stromträger läßt sich durch das Verhältnis der Dona- 25 wird. Wahlweise kann die Elektrode 12 auch aus einer toren und Akzeptoren beeinflussen, welches wiederum Legierung bestehen, welche einen Akzeptor enthält, die Wachstumsgeschwindigkeit bestimmt, bei welche-r
die Inversionsschichten gebildet werden.
Die Kristallwachstumsgeschwindigkeit hängt von
dem Temperaturgradienten an der Übergangsstelle 30
aus dem flüssigen in den festen Zustand ab und wird
vorzugsweise durch Steigerung und Absenkung der
Temperatur der Schmelze beeinflußt. Die Wachstumsgeschwindigkeit läßt sich auf diese Weise zwischen
0 und 50 cm je Stunde verändern. Beispielsweise be- 35 Legierung bestehen, welche den Donator enthält, beisteht die Schmelze aus Germanium, Antimon und spiels weise aus einer Legierung von Zinn mit 5 bis Gallium, und das Gewichtsverhältnis des Antimons 20 °/oAntimon oder aus einer Legierung von Zinn mit zu Gallium beträgt zwischen 20 und 65 Teilen Anti- 1 bis 10% Arsen. Wenn eine Legierung aus Zinn mon auf einen Teil Gallium, der gesamte Antimon- und einem Donator verwendet wird, braucht die Gallium-Gehalt der Schmelze zwischen 1 und 40 Temperatur zur Verschmelzung nur ganz ungefähr 100 Milligramm Antimon- bzw. Gallium auf je 400° C zu betragen. Die Zuleitungen 14 und 15 100 Gramm Germanium. Dann wird ein Germanium- werden sodann an die Elektroden 12 und 13 angelötet Einkristall durch Herausziehen eines Impfkristalls oder anderweitig mit ihnen leitend verbunden, aus der Schmelze gezüchtet und die Temperatur der In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Transistor 30
Schmelze dabei derart verändert, daß die Wachstums- 45 dargestellt. Dieser wird ebenso hergestellt wie der geschwindigkeit sich zwischen 12,5 cm je Stunde und Gleichrichter 10 in Fig. 1 mit der Ausnahme, daß weniger als 2,5 cm je Stunde ändert, und zwar mit nachträglich eine Anzahl von parallelen Rillen 31 in einer Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit von die Oberseite eingeschliffen oder anderweitig auf ungefähr 1,25 cm/min2. Bei einer Wachstums- der Oberseite angebracht wird. Diese Rillen rejchen geschwindigkeit oberhalb 12,5 cm je Stunde wird Anti- 50 durch die p-Zone 16 a bis in die n-Zone22a unterhalb mon im Überschuß aufgenommen, so daß n-Germa- der Inversionsschicht 18 α hinein. Somit entsteht eine nium entsteht, während bei einer Wachstums- Anzahl von getrennten p-Gebieten oder p-Zonen 16 a geschwindigkeit unterhalb 2,5 cm je Stunde Gallium und eine Anzahl von Inversionsschichten 18a. Die im Überschuß aufgenommen wird und somit p-Ger- Akzeptorelektrode 12 ist gleichfalls in eine Anzahl manium entsteht. An einer Stelle dieses Schwankungs- 55 von getrennten Akzeptorelektroden 12a zerlegt. Abbereichs ist der aufgenommene Spender mit dem auf- wechselnde Elektroden 12 α werden dann durch gegenommenen Akzeptor im elektrischen Gleichgewicht, eignete Leitungen 14 a und 14 b miteinander verso daß die Inversionsschicht 18 entsteht. bunden, welche die Emittor- und Kollektorelektroden
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Inver- des Transistors darstellen. Die Leitung 15 an der sionsschicht 18 besteht darin, den Kristall 1 aus einer 60
im wesentlichen reinen Schmelze eines Halbleiters mit
sehr langsamer konstanter Wachstumsgeschwindigkeit, und zwar gewöhnlich mit weniger als 2,5 cm je
Stunde zu züchten und der Schmelze nacheinander
kleine Spuren eines Spenders und Akzeptors beizu- 65 Zone 22 α in die Zone 16 α hineinreichen, hergestellt geben, so daß der wachsende Kristall von einem Halb- werden. Die stark aktivierten Oberflächenschichten leiter des einen Typs zu einem Halbleiter des anderen 19 a und 20 dienen zur Erhöhung der Stromstärke Typs wird. Beispielsweise wird ein Germanium-Ein- der Emittor- und Kollektorelektroden 14a und 14 b, kristall, das aus 100 g von im wesentlichen reinem wenn diese auf eine Spannung gebracht werden, bei Germanium besteht, welches anfänglich einen spezi- 70 der ein Strom in der Durchlaßrichtung fließen kann.
Donator-Elektrode 13 stellt die Basiselektrode des Transistors dar. Die Fig. 2 veranschaulicht zwar einen p-n-p-Flächentransistor, jedoch kann auf entsprechende Weise auch ein n-p-n-Transistor durch Anbringung von parallelelen Rillen, welche durch die
Die Inversionsschichten 18 α erhöhen die Sperrspannung des Transistors 30, wenn die Emittor- und Kollektorelektroden 14 α und 14 & auf eine Spannung gebracht werden, die der Sperrichtung gegenüber der Basiselektrode entspricht. Somit wird die maximale Sperrspannung und der maximale Durchlaßstrom erhöht, so daß der Transistor 30 für viel höhere Leistungen geeignet ist als die bekannten Transistoren.

Claims (6)

Patentansprüche;
1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters mit p-n-Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß eine sehr schwach dotierte p-n-Verbindung mittels Kristallziehen aus der Schmelze hergestellt wird und auf den schwach dotierten p-n-Schichten, durch Legieren bzw. Diffundieren mit Aktivatoren, die im Halbleiter den gleichen Leitungstyp erzeugen, stark dotierte Schichten erzeugt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die schwach dotierten n- oder p-Schichten auf einen spezifischen Widerstand größer als 0,1 Ohmcm, die stark dotierenden p-Schichten auf einen spezifischen Widerstand von kleiner als 0,01 Ohmcm gebracht werden.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den stark dotierten Schichtender n- undp-ZoneElektroden angebracht werden.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die akzeptorhaltige Elektrode mit der stark dotierten p-Schicht und die donatorhaltige Elektrode mit der stark dotierten n-Schicht verschmolzen wird.
5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf den aus einer Halbleiterschmelze gezüchteten p-n-Schichtkristall auf der p-Seite eine Indium enthaltende Elektrode und auf der η-Seite eine Antimon enthaltende Elektrode aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei p-n-p- oder n^p-n-Schichten die mittlere Schicht als Basiselektrode, die Außenschichten als Emitter- und Kollektorelektrode eines Transistors benutzt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung I 4677 VIIIc/21g;
Proc. IRE, Nov. 1952, S. 1513.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 709 693/325 9.57
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