DE1034774B - Halbleiteranordnung mit einem mit n- und/oder p-Dopmaterial versetzten Halbleiter - Google Patents

Description

• Halbleiteranordnung mit einem mit n- und/oder p-Dopmaterial versetzten Halbleiter Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, wie z. B. einen Gleichrichter oder einen Transistor. Derartige Halbleiteranordnungen, bestehen bekanntlich aus einem mit n- und/oder p-Dopmaterial veT-setzten Halbleiter, wie z. B. Germanium.
• Insbesondere bei der Verwendung von Germanium als Halbleitergrundmaterial für Halbleiteranordnungen zeigt es sich, daß außer dem Strom in Flußrichtung auch ein an sich unerwünschter entgegengesetzt gerichteter Strom, der sogenannte Rückstrom, beim Betrieb auftritt. Dieser Rückstrom ist bei den bisher bekannten Halbleiteranordnungen, insbesondere bei an sich geringfügiger Erwärmung, wesentlich größer, als er auf Grund der rein physikalischen Voraussetzungen sein dürfte. Die an sich bekannte Ursache dieses Verhaltens soll an Hand des in Fig. 1 dargestellten Germaniumgleichrichters näher erläutert werden. Der Gleichrichter bestehe aus einem Halbleiterkörper 1 von n-leitendem Germanium, d. h., dem Germanium sind' nach an sich bekanntem Verfahren z. B. Arsenstöratome beigefügt, und zwar z. B. in einer Konzentration, daß auf etwa 10$ bis 109 Germaniumatome ein Störatom trifft. Auf den Halbleitergrundkörper 1 ist eine Indiumpille 2 auflegiert, vor der sich in dem Halbleitergrundkörper eine p-leitende Halbleiterschicht 3 bildet. In der p-leitenden Schicht herrscht im Gegensatz zum n-leitenden Halbleitergrundkörper ein Elektronenmangel, und in einem Bereich zwischen n-leitendem und p-leitendem Material ist der sogenannte Intrinsicbereich vorhanden, in dem die Anzahl der Elektro@nenfehlstellen und die Anzahl der freien Elektronen gleich sind und j e 2,5-1013 pro ccm Halbleitermaterial betragen. Sowohl im p-Bereich als auch im n-Bereich ist das Produkt aus dort vorhandenen freien Elektronen und frei beweglichen Elektron@enfehlstellen stets konstant und gleich dem Quadrat der sogenannten Intrinsiczahl, die 2,5-1013 beträgt, d. h., im n-Material sind beispielsweise 2,5-1015 freie Elektronen vorhanden und gleichzeitig 2,5-1011 frei bewegliche Elektronenfehlstellen, im p-Material' hingegen beispielsweise 2,5-1016 frei bewegliche Elektronenfehlstellen und 2,5-1010 frei bewegliche Elektronen. Der Strom in der Flußrichtung ist nun durch die Anzahl der frei beweglichen Elektronen im n-Material und zugleich durch die Anzahl der frei beweglichen Elektronenfehlstellen. im p-Material bestimmt. Der Stromfluß in der Sperrichtung hingegen ist durch die Anzahl der frei beweglichen Elektronen im p-Material und die Anzahl der frei beweglichen Elektronenfehlstellen im n-Material festgelegt. In der Praxis zeigt sich nun:, selbst unter Berücksichtigung der Tatsache, daß das an, den Gleichrichter angelegte Potential die Elektronenfehlstellen-und die Elektronenkonzentration nennenswert ändert, daß der sogenannte Rückstrom, das ist der Stromflu;B in Sperrichtung im Vergleich zu dem theoretisch zu erwartenden Wert, außergewöhnlich groß ist. In Fig.2 sind an Hand einer Kennlinie diese in der Praxis auftretenden Verhältnisse dargestellt. In der Flußrichtung, das ist im rechten oberen Quadranten des Diagramms, ist die Kennlinie praktisch immer durchaus normal, d. h., mit zunehmender Spannung am Gleichrichter nimmt der Stromfluß etwa exponentiell zu. In Sperrichtung hingegen, das ist im linken unteren Quadranten des Diagramms, müßte der Rückstrom etwa der stark ausgezeichneten Kurve, folgen. Mit anderen Worten heißt dies, er müßte bei etwa 1/4o Volt Gegenspannung schon einen Sättigungswert erreichen, den er bis zu dem sogenannten Zenerdurchbruch, der im Diagramm mit Z bezeichnet ist, behalten müßte. In Wirklichkeit hingegen ist im Rückstrombereich die Kennlinie verschleift, und schon bei ganz geringen Gegenspannungen tritt - wie aus dem Diagramm ersichtlich - ein nennenswert höherer Rückstrom auf, als er zu erwarten ist. Die oben geschilderten störenden Eigenschaften der Rückströme bei Halbleiteranordnungen und der ursächliche Zusammenhang mit Vorgängen auf der Halbleiteroberfläche sind zwar bereits bekannt, aber es wurde noch kein Weg aufgezeigt, der bei Halbleiteranordnungen z. B. eine Gleichrichterkennl.in,ie entsprechend der stark ausgezogenen Linie in Fig.2 erreichen läßt.
• Man hat auch erkannt, daß das Vorhandensein eines großen Prozentsatzes Silizium in Germanium geeignet ist, die Lebensdauer der Ladungsträger zu reduzieren und den Bandabstand, zu erhöhen.
• Aber erst die der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen haben gezeigt, daß der Einbau einer geringen Menge sauerstoffaffiner Fremdatome, zu denen auch Silizium zählt, in die der Halbleiteroberfläche benachbarten Bereiche zusammen mit einer Sauerstoffatmosphäre eine Neutralisierung der Oberflächenstörungen bewirkt.
• Erfindungsgemäß sind daher dem Halbleiter sauerstoffaffine Fremdatome zur Verminderung des Sperr= Stromes auf einen vernachlässigbar geringen Wert in einer solchen Menge zugesetzt, daß durch Bindung von Sauerstoff an der Oberfläche des Halbleiters mit Hilfe der sauerstoffaffinen Atome die Elektronenfehlstellenleitung an der Halbleiteroberfläche beseitigt wird.
• Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Betrachtet man einen Halbleiter, wie beispielsweise Germanium, dessen einzelne Atome homöopolar über vier Valenzelektronen untereinander zusammengehalten werden, so ergibt sich ein Bild, wie es in Fig. 3 stark schematisiert dargestellt ist. Es sind dort die Kerne der einzelnen Ge-Atome als kleine Kreise 4 dargestellt, deren jeder von den vier als Punkte dargestellten Valenzelektronen umgeben ist. Die Bindung zwischen den einzelnen Atomen erfolgt homöopolar durch Elektronenaustauscl4 und zwar so, wie durch die gestrichelten Linien 5 schematisch angedeutet. Mit anderen Worten heißt dies, jedem einzelnen Kern sind scheinbar außer den eigenen vier Valenzelektronen noch je vier Valenzelektronen benachbarter Ge-Atome zugeordnet. Das einzelne Ge-Atom erreicht somit in seiner äußeren Schale die Edelgasbesetzung. Lediglich an der durch einen starken Strich gekennzeichneten Oberfläche 6 des Germaniums fehlen die Ge-Atome, die mit einzelnen ihrer Valenzelektronen das gerade unter der Oberfläche liegende Ge-Atom auf Eddgasbesetzung absättigen würden. Es macht sich dies so bemerkbar, als wären an der Oberfläche des Germaniums unmittelbar nebeneinanderliegend lauter Elektronenfehlstellen 7, was mit anderen Worten der sogenannten p-Leitung oder Defektefektronenleitung entspricht.
• Nimmt man beispielsweise, so wie in Fig.4 gezeigt, einen pn-Übergang eines Halbleiters an, so tritt diese Defektelektronenleitung sowohl im p- als auch im n-Bereich auf, wie auch in dem zwischen beiden Bereichen liegenden Intrinsicbereich. Die Halbleiteranordnung ist demnach durch die an der Oberfläche des Halbleiters befindliche Elektronenfehls.tellenzone 8 überbrückt. Dies ist der Grund für die starke Verschleifung des Rückstromgebietes, wie es beispielsweise im Diagramm der Fig. 2 dargestellt ist.
• An sich würde die unerwünschte Elektronenfehlstellenleitung 8 eine kurzschlußartige Überbrückung der Halbleiteranordnung bewirken. Unter normalen atmosphärischen Bedingungen tritt dies indes nicht so stark hervor, da der Sauerstoff der normalen Atmosphäre die Rlektronenfehlstellen an der Oberfläche des Halbleiters offenbar kompensiert. Hafleiteranordnungen werden indessen meist bei höheren Temperaturen betrieben, als der üblichen Lufttemperatur entspricht, insbesondiere wird gemäß dem sogenannten Tropentest von Halbleiteranordnungen gefordert, daß diese noch bei Temperaturen von 120° C stabiles Betriebsverhalten zeigen. Erwärmt man aber einen derartigen Halbleiter auch nur geringfügig über Raumtemperatur, so zeigt sich eine Verflüchtigung des an der Oberfläche ursprünglich adsorbierten Sauerstoffes, und die Elektronenfehlstellenleitung an der Oberfläche des Halbleiters mit ihren unerwünschten Eigenschaften nimmt in raschem Maße zu. Unter Ausnutzung der gewonnenen Erkenntnisse und Zusammenhänge wird nun bei der Erfindung ein Halbleiter vorgesehen, der außer dem üblichen n- und/oder p-Dopmaterial oder an Stelle dieses Dopmaterials zumindest eine Art sauerstoffaffiner Fremdatome in geringer Anzahl enthält. Beispielsweise wird erfindungsgemäß für eine Halbleiteranordnung, wie eine Germaniumdiode oder einen Germaniumtransistor, ein in geringem Maße mit Silizium versetztes Germanium verwendet, das in an sich bekannter Weise mit den entsprechenden Dopmaterialien für n- und/oder p-Leitung im gewünschtem Maße verunreinigt ist. Es hat sich dabei als zweckmäßig herausgestellt, dien Siliziumgehalt nicht unter 0,5 Atomprozent, bezogen auf den Festkörper, zu wählen. Die Siliziumbeigabe zum Germanium ändert die Leitfähigkeitsart (ob p oder n) des Germaniums nicht und bei geringer Konzentration auch praktisch kaum die Leitfähigkeit. Die Konzentrationen der Dopmaterialien für n- oder p-Leitung können daher wie bei üblichem Germanium gewählt werden.
• Die Wirkung des Siliziumzusatzes im Germanium kann man sich so vorstellen, daß das Silizium an der Oberfläche des Halbleiters mit dem normalen Luftsauerstoff offenbar in eine chemische Verbindung eingeht, bei der freie Valenzelektronen des Sauerstoffmoleküls übrigbleiben, die dann die Elektronenfehlstellen der benachbarten Germaniumatome offenbar homöopolar abbinden. Wo bisher also an der Oberfläche des Halbleiters eine Elektronenfehlstellenleitung gegeben war, liegt nunmehr eine Art Edelgasverhalten der Oberfläche vor, was einer Beseitigung der Querleitung gleichkommt. Es hat sieh gezeigt, daß diese Art der Bindung des Sauerstoffes äußerst temperaturfest ist und ohne weiteres dem üblichen Tropentest bei 120° C standhält. Eine obere Grenze ist zur Zeit nicht erkennbar, da das derzeit übliche Material für die Halbleiteranschlüsse, nämlich das Indium, schon bei etwa 150° C schmilzt und somit die Halbleiteranordnung deshalb unbrauchbar wird. Es ist indes anzunehmen, daß die Sauerstoffverankerung an der Oberfläche auch noch für erheblich höhere Temperaturen erhalten bleibt.
• Die bei Siliziumabgabe auftretende Wirkung läßt sich noch nennenswert verstärken, wenn in geringem Maße beispielsweise Aluminium hinzugegeben wird. Das Aluminium bewirkt als Zusatz zu einem Halbleiter wie Germanium, p-Leitung und kann daher zugleich als Dopmaterial Verwendung finden- Ein für die vorgenannten Zwecke sehr gut brauchbarer Halbleiter ergibt sich beispielsweise, wenn reinem Germanium etwa 0,5 Atomprozent Silizium und etwa 1/1000o Atomprozent Aluminium hinzugefügt werden. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies: Auf etwa 1000 000 Germaniumatome kommen etwa 5000 Siliziumatome und 1 Aluminiumatom.
• Anstatt die sauers,toffaffinen Atome in den gesamten Halbleiter einzubauen., ist es in manchen Fällen auch vorteilhaft, lediglich die Oberfläche mit sauerstoffaffinen Fremdatomen zu überziehen. Beispielsweise ist dies dadurch erreichbar, daß Silizium oder ein anderes geeignetes Material, wie z. B. Germaniummonoxyd, auf die Oberfläche zumindest einatomar aufgedampft wird. Wesentlich für die Zwecke der Erfindung ist es jedoch, daß die Fremdatome, die zur Absättigung der Oberfläche des Halbleiters Verwendung finden, bei der Absättigung keinesfalls zu einer leitenden Verbindung führen. Die Art der Fremdatome muß daher auch in dieser Hinsieht ausgewählt sein. Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt - um eine besonders gute Absättigung der Oberfläche bezüglich der Elektronenfehlstellen zu erhalten - die mit den sauerstoffaffinen Fremdatomen versehene Halbleiteranordnung nach Fertigstellung künstlich zu oxydieren, vorzugsweise durch Temperung in einem Sauerstoffstrom. Die so erhaltene Oberflächenabsättigung ist dann bis zu hohen Temperaturen hinreichend stabil.
• Die erfindungsgemäß hergestellten Halbleiteranordnungen weisen durch die erzielte Oberflächenabsättigung geringere Rückströme und somit im Gegensatz zu früher bessere Kennlinien auf.

Claims (6)

1. PATENTANSPRüCHE: 1. Halbleiteranordnung mit einem mit n- und/ oder p-Dopmaterial versetzten Halbleiter, wie z. B. Germanium, dadurch gekennzeichnet, daß dem Halbleiter sauerstoffaffine Fremdatome zur Verminderung des Sperrstromes auf einen vernachlässigbar geringen Wert in einer solchen Menge zugesetzt sind, daß durch Bindung von Sauerstoff an der Oberfläche des Halbleiters mit Hilfe der sauerstoffaffinen Atome die Elektronenfehlstellenleitung an der Halbleiteroberfläche beseitigt wird.
2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Germanium als Halbleiter als sauerstoffaffine Fremdatome Silizium und/oder Aluminium vorgesehen sind.
3. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffaffinen Fremdatome in die Kristallstruktur des Halbleiters eingebaut sind.
4. 4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffaffinen Fremdatome nur in den der Oberfläche benachbarten Randgebieten des Halbleiters vorgesehen sind.
5. 5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffaffinen Fremdatome auf die Oberfläche des Halbleiters aufgebracht sind, vorzugsweise mittels Aufdampfen, jedoch in solcher Menge, daß sie nach der erfolgten Absättigung mit Sauerstoff keinesfalls eine elektrisch leibende Sauerstoffverbindung bilden.
6. 6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffaffinen Fremdatome im Oberflächenbereich des Halbleiters durch Temperung in einem Sauerstoffstrom oxydiert sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 868 354, 892 328; Rost, rKristallodentechnik«, 1954, Berlin, S.8 bis 10; Das Elektron, Bd. 5, 1951/52, Heft 13/14, S. 438 und 439; Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58, Nr. 5, 1954, S. 283 bis 321.