DE1035275B

DE1035275B - Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit einem Halbleiterkoerper des einen Leitungstyps, in dem mehrere Zonen des entgegen-gesetzten Leitungstyps vorhanden sind

Info

Publication number: DE1035275B
Application number: DEG13410A
Authority: DE
Inventors: William Ernest Burch
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1952-12-29
Filing date: 1953-12-29
Publication date: 1958-07-31
Also published as: FR1089900A; US2714183A; NL94129C; BE525386A; GB778362A

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Halbleiter und bezieht sich auf Gleichrichter und Transistoren mit Inversionsschicht und auf das Verfahren zu ihrer Herstellung.

Halbleitermaterialien wie Germanium und Silizium werden· üblicherweise in sogenannte positive oder P-Halbleiter und in, negative oder N-Halbleiter unterteilt, und zwar je nach der Art und diem Vorzeichen der in ihnen vorwiegend vorhandenen Stromträger. Ob ein bestimmter Halbleiterkörper N- oder P-Eigenschaften zeigt, hängt von der Art der Verunreinigungselemente oder Aktivatoren in dem Halbleitermaterial ab. Manche Aktivatorelemente, die Spender genannt werden, rufen zusätzliche freie Elektronen in dem Halbleiter hervor, so daß ein N-Halbleiter entsteht, der einen Elektronenüberschuß besitzt, während andere mit Akzeptor bezeichnete Verunreinigungen Elektronen binden und einen P-Halbleiter mit einem Überschuß an positiven Stromträgern oder positiven Löchern erzeugen. Inrversionsschichthalbleiter besitzen ein Gebiet von P-Material, an welches ein Gebiet von N-Material angrenzt, so daß eine innere Raumladungsstelle von verhältnismäßig großer Fläche gebildet wird, im Gegensatz zu Punktkontakthalbleitern. Diese Inversionsschicht besitzt ausgesprochene Gleichrichtereigenschaften, thermoelektrische und photoelektrische Eigenschaften. Ein Halbleiterkörper mit einem Gebiet vom einen Leitfähigkeitstyp, an welches zwei Gebiete des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps unter Bildung von Inversionsschichten zwischen je zwei Gebieten angrenzen, kann als ein Dreielektrodenverstärker, nämlich als Transistor benutzt werden. In solchen Halbleitern ist die mittlere Zone die Basiselektrode und die angrenzenden Gebiete der Emitter bzw. Kollektor.

Bei der Herstellung von Gleichrichtern oder von Transistoren mit großflächiger Inversionsschicht, die widerstandsfähig sein und ihre Eigenschaften über eine genügend lange Zeit beibehalten sollen, treten verschiedene Probleme auf. Bei vielen Konstruktionen sind die fertigen Halbleiter ziemlich empfindlich und schwer einzubauen. Da die Inversionsschichten in der Nähe der einen Außenfläche des Halbleitermaterials liegen, können Feuchtigkeits- und Alterungseffekte sehr störend werden. Diese Probleme treten in verstärktem Maße bei Transistoren auf, und zwar inssondere bei Transistoren, die für hohe Leistungen, bestimmt sind, da nämlich dort der Abstand zwischen den beiden Inversionsschichten verhältnismäßig klein sein muß.

Zwei neuere Konstruktionen tragen teilweise den möglichen Außeneinflüssen auf die Halbleiteranordnung Rechnung. Die eine, die auch als »Analog«- oder »Unipolar«-Transistor bezeichnet wird, besteht aus

Verfahren zur Herstellung
von Halbleiteranordnungen
mit einem Halbleiterkörper

des einen Leitungstyps,
in dem mehrere Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps vorhanden sind

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 29. Dezember 1952

William Ernest Buren, Schenectady,. N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

einem Block reinem, eigenleitenden Germaniums, in dem sich mehrere Zonen eines bestimmten Leitfähigkeitstyps befinden, die sich deutlich von dem Leitfähigkeitstyp des reinen Germaniums unterscheiden. Die sich ausbildende großflächige Inversionsschicht ist daher ziemlich geschützt. Da jedoch die Außenfläche selbst eine Zone darstellt, denen Leitfähigkeitstyp sich von dem des reinen Germaniums unterscheidet, ist sie den Außeneinflüssen ausgesetzt, was zu den genannten Problemen führen kann. Die andere verwendet auch einen Germaniumblock, der einseitig auf eine Grundplatte aufgeschmolzen ist. Die andere Breitseite des Blockes ist teilweise mit breiten, dünnen Streifen bedeckt, zwischen denen sich offene Flächen befinden, durch die Feuchtigkeit usw. in die Anordnung eindringen kann.

Die Streifen, die mit einer Oberfläche des Germaniumblockes verschmolzen sind, sind mit Q-uerstreifen zu zwei Gruppen zusammengefaßt und parallel geschaltet, so daß eine Gruppe als Emitter und die andere als Kollektor der Anordnung benutzt werden können. Die Streifengruppen greifen kammartig

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auf der Breitseite des Germaniumblockes ineinander äußeren N-Gebietes des Germaniumkörpers kann ein. so daß jedem Kollektorstreifen zwei Emitter- durch Anbringung einer äußeren Lötmittelschicht 7 streifen und jedem Emitterstreifen zwei Kollektor- hergestellt werden. Der beschriebene Halbleiter wird streifen benachbart sind. wie jeder andere Zweielektrodenhalbleiter durch An-Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Her- 5 schluß der inneren Elektrode 4 und der äußeren Elekstellung von Halbleiteranordnungen mit einem Halb- trode 7 in einem Stromkreis eingeschaltet und läßt leiterkörper des einen Leitungstyps, in dem mehrere Strom hindurch, wenn die Elektrode 4 positiv gegen-Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps vorhanden über der Elektrode 7 ist, während die umgekehrte sind. Erfindungsgemäß werden eine oder mehrere Stromrichtung die Sperrichtung ist.
erste Elektroden aus einem den Halbleiterkörper io Ein N-Germaniumkörper 2 läßt sich besonders aktivierenden Element, z. B. Antimon, auf den Außen- leicht in der erforderlichen Weise behandeln. Geflächen des Halbleiterkörpers verschmolzen, in dem wünschtenfalls kann die N-Eigenschaft des Germa-Halbleiterkörper werden Kanäle angebracht und eine niumkörpers auch noch durch ein Spenderelement in odt re mehrere zweite Elektroden aus einem den Halb- der Außenschicht 7, beispielsweise durch Antimon, verleiterkörper entgegengesetzt aktivierenden Element, 15 stärkt werden. Zu diesem Zweck wird der ganze HaIb- /.. IS. Indium, werden in den Kanälen des Halbleiter- leiter erhitzt, so daß das Antimon in das Germanium körpers als Stäbe so eingeschmolzen, daß ein oder hinemdiffundiert und eine äußere N-Zone mit einem mehrere gleichrichtende Flächenkontakte entstehen. Überschuß mit negativen Stromträgern erzeugt wird, Zwischen der zweiten Elektrode aus dem den Halb- welche den gewünschten spezifischen Widerstand und leiterkörper entgegengesetzt aktivierendem Element 20 die gewünschte Dicke besitzt. Im allgemeinen ist es und dem Rest des Körpers liegt eine Inversions- jedoch einfacher, den Germaniumstab 2 aus einem schicht, die keinen Feuchtigkeitseinflüssen unter- Einkristall aus N-Germanium, in welchem der geliegt, wünschte Aktivator bereits gleichmäßig verteilt, herin weiterer Ausbildung der Erfindung sind ferner auszuschneiden. In diesem Fall kann die Form des die ersten Elektroden als Basiselektroden mit den 25 Germaniumkörpers beliebig von der Zylinderform Außenflächen des Halbleiterkörpers verschmolzen und abweichen. Die Zylinderform ist lediglich diejenige 1>edecken an zwei oder mehr Seiten den Halbleiter- Form, welche die geringste Menge von Germanium körper, so daß dieser vor den Außeneinflüssen ge- benötigt und bei welcher die äußere Elektrode die schützt ist. Die zweiten Elektroden, die als Stäbe in günstigste Form hat. Um eine möglichst großflächige den Halbleiterkörper eingeführt sind, sind zu einer 30 Inversionsschicht herzustellen, die möglichst weit-Gruppe von Emittern und einer Gruppe von Kollek- gehend innerhalb des Germaniumkörpers liegt und toren verbunden. Sie liegen immer in gerader Zahl keinem Feuchtigkeitseinfluß und keiner Alterung an vor und sind zur Bildung der Emitterelektrode und der Endfläche ausgesetzt ist, soll der in dem Germader Kollektorelektrode parallel miteinander gut niumkörper angebrachte Kanal vorzugsweise eine leitend verbunden. Die Zwischenräume zwischen den 35 Tiefe besitzen, die ein Mehrfaches seines DurchStäben sind sehr knapp bemessen. Die Stäbe beein- messers bildet.

flüssen infolgedessen die Aktivierung des Halbleiters Bei der Anbringung des Kanals in dem Germaniumderart, daß die Inversionsschichten einander benach- körper muß darauf geachtet werden, daß seine Innenbarter Stäbe sehr eng zusammenrücken und nur eine fläche genügend glatt ausfällt. Eine Möglichkeit zur dünne Schicht des nichtaktivierten Halbleiters zwi- 40 Anbringung der Kanäle besteht darin, einen Strahl sehen ihnen bestehenbleibt, damit die Halbleiter- von Chlor oder eines anderen flüssigen Halogens auf anordnung als einziger Transistor arbeitet. den Germaniumkörper zu richten, wobei der Ger-Fig. 1 stellt einen Längsschnitt durch einen Inver- maniumkörper auf eine Temperatur von mehr als sionsschichthalbleiter gemäß der Erfindung dar, wäh- 400° C erhitzt wird und sich in einer inerten oder rend 45 reduzierenden Atmosphäre, z. B. in Stickstoff oder Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Halb- Formierungsgas, befindet. Dabei verbindet sich das leiters mit mehreren Inversionsschichten darstellt, der Germanium mit dem Chlor zu gasförmigem Germaals Transistor geschaltet ist. niumtetrachlorid, und der Kanal entsteht mit einer Fig. 1 zeigt einen eine einzige Inversionsschicht. sauberen Innenwand und braucht nicht nachträglich enthaltenden Halbleitergleichrichter mit einem zylin- 50 abgeätzt zu werden. Sehr enge Kanäle von beispielsdrischen Halbleiterkörper 2 vom einen Leitfähigkeits- weise 0,0625 cm Durchmesser oder weniger können typ. Dieser Körper 2 kann aus einem Stab aus N-Ger- auf diese Weise ziemlich schnell hergestellt werden, manium hergestellt werden, der aus einem Einkristall Man kann natürlich auch andere Mittel zur Anbrinherausgeschnitten ist. In dem Körper 2 wird ein Kanal gung der Löcher benutzen, wobei das Hauptproblem in seiner Längsrichtung angebracht. Innerhalb dieses 55 gewöhnlich darin besteht, Locher, die genügend klein Loches wird ein Stab 3 aus einer oder mehreren sind, um einen Aktivator von wirtschaftlicher Größe Akzeptorverunreinigungen angebracht, wobei sich aufzunehmen, bequem herzustellen.
Indium als Material für den Stab 3 gut eignet. Mit Das Indium oder das sonst verwendete Aktivatordem Indiumstab 3 wird eine Elektrode gut leitend element wird durch Erhitzung verflüssigt, um mit den verbunden, welche die Form eines Drahtes besitzen 60 Wänden des Kanals zu verschmelzen und kann in den kann, der mit seinem einen Ende in den Indiumstab Kanal in beliebiger Form eingeführt werden, bevor eingebettet ist. Der Indiumstab wird mit der Innen- die Erhitzung zur Bildung der Inversionsschicht statische des Kanals verschmolzen, um einen gleichrich- findet. Man kann den Aktivator z. B. in pulverisiertem ten den Kontakt herzustellen, wobei das Indium in Zustand in den Kanal einführen oder auch in Form den Halbleiterkörper eindiffundiert, und zwar so weit, 65 eines Stabes mit einem Durchmesser von etwas daß ein Teil 5 des Germaniums in P-Germanium um- weniger als dem Innendurchmesser des Kanals, gewandelt wird. Dieses Gebiet 5 ist in Fig. 1 kreuz- Schließlich kann man das Indium auch im flüssigen schraffiert. Die Inversionsschicht zwischen dem P-Ge- Zustand in den Kanal einführen. Der Zuleitungsbiet und dem N-Gebiet, die mit 6 bezeichnet ist, hat draht 4 kann durch Einsetzen in das geschmolzene Zylinderform. Eine Elektrode zum Anschluß des 70 Aktivatorelement während des Erhitzungsprozesses

Claims

befestigt werden. Dieser Draht besteht aus Nickel oder Platin oder aus einem anderen geeigneten Leiter, der sich in Indium nicht löst und die Bildung einer Inversionsschicht nicht stört. Ein Halbleiter aus mehreren Inversionsschichten ist in Fig. 2 dargestellt, in welcher der Halbleiterkörper 8 eine Scheibe aus N-Germanium ist, die aus einem Einkristall herausgeschnitten ist. Diese Scheibe ist vorzugsweise rechteckförmig, und ihre Flächenabmessungen sind sehr viel größer als ihre Dicke. In dieser Scheibe sind eine Reihe von Kanälen oder Vertiefungen für die Aktivatorkörper 9 angebracht, von denen jeder parallel zu der Länge oder Breite der Scheibe verläuft und1 die in der Richtung der Breite bzw. Länge dicht nebeneinander liegen. Die Kanäle beginnen an der einen Schmalseite der Scheibe zwischen der Ober- und der Unterseite derselben. Die Aktivatorelemente 9 und die Drahtelektroden 10 werden, wie an Fig. 1 erläutert, angebracht und die gut leitenden Überzüge oder Schichten 11 auf der Ober- und Unterseite in gut leitendem Kontakt mit dem Germaniumkörper. Die Anordnung wird dann, wie oben beschrieben, erhitzt, um das Indium oder das sonstige Aktivatorelement mit den Innenwänden der Kanäle zu verschmelzen, so daß der Germaniumkörper sich teilweise, d. h. in der Umgebung der Kanäle, in P-Germanium umwandelt und eine Inversionsschicht 12 um jeden Kanal herum entsteht. Damit ein derartiger Halbleiter mit mehreren Inversionsschichten als Transistor arbeiten kann, werden die Kanäle in dem Germaniumkörper genügend nahe benachbart angebracht, und die Imprägnierung des Germaniums durch den Aktivator innerhalb der Kanäle wird so beeinflußt, daß die Inversionsschichten 12 aneinandergrenzender Kanäle sehr eng aneinanderrücken und nur eine dünne Schicht von N-Germanium zwischen ihnen bestehenbleibt. Die Dicke der Germaniumscheibe bestimmt sich dadurch, daß nur ein verhältnismäßig kleiner Abstand zwischen den zylindrischen Inversionsschichten 12 und der Ober- bzw. Unterseite bestehen soll. Bei einer solchen Konstruktion stellen die Elektroden 11 die Basiselektroden eines Transistors dar und die Elektroden 10 den Emitter bzw. Kollektor. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 mit sechs Kanälen sind drei Elektroden 10 in Parallelschaltung mit einer Schiene 13 verbunden, welche die Emitterklemme darstellt, während die drei anderen Elektroden 10 parallel an einer Kollektorspule 14 liegen. Auf diese Weise wird nicht nur jede Inversionsschicht 12 besser ausgenutzt, sondern durch die Parallelschaltung auch die umsetzbare Leistung erhöht. Die Basiselektrode 11 hat eine große Oberfläche, da sie längs der Oberseite und der Unterseite der Scheibe verläuft und kann daher bei verhältnismäßig großen Leistungen sehr gut gekühlt werden. Die Zahl der Kanäle und somit die Zahl der Inversionsschichten kann je nach der gewünschten Leistung beliebig erhöht werden. Die verschiedenen Aktivatorelektroden oder eine beliebige Kombination derselben können für den Betrieb als Hochleistungsgleichrichter einfach parallel geschaltet werden. Wie die Fig. 2 erkennen läßt, wird ein sehr stabiler mechanischer Aufbau erreicht, und es liegt nur ein sehr kleiner Teil jeder Inversionsschicht frei, so daß die Feuchtigkeitseinflüsse und die Alterungserscheinungen sehr gering sind. An Stelle des Indiums können andere Aktivatoren wie Gallium oder Aluminium verwendet werden. Wenn ein Halbleiterkörper mit P-Eigenschaften benutzt wird, können in die Kanäle ein oder mehrere Spenderaktivatoren, z. B. Antimon, eingefüllt werden. Der Halbleiterkörper selbst kann gewünschtenfalls auch aus Silizium statt aus Germanium bestehen. ίο Die Aktivatorkörper werden in jedem Falle so gewählt, daß sie Stromträger vom umgekehrten Vorzeichen, wie in dem Halbleiterkörper in der Nähe der Basiselektroden, hervorrufen. Die Aktivatorelemente besitzen zwar selbst keine Halbleitereigenschaften, sondern sind vorzugsweise nur gute Leiter, da sie zum Teil als Elektroden dienen. Die Angabe ihres Leitfähigkeitstyps soll nur andeuten, welche Art von Stromträgern sie in dem Halbleitermaterial hervorrufen. Pate ν τ α ν s ρ ι: ο c n E:

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps, in dem mehrere Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere erste Elektroden aus einem den Halbleiterkörper aktivierenden Element, z. B. Antimon, mit den Außenflächen des Halbleiterkörpers verschmolzen werden, daß in dem Halbleiterkörper Kanäle angebracht werden und daß eine oder mehrere zweite Elektroden aus einem den Halbleiterkörper entgegengesetzt aktivierenden Element, z. B. Indium, in den Kanälen des Halbleiterkörpers als Stab so eingeschmolzen werden, daß ein oder mehrere gleichrichtende Flächenkontakte entstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elektroden als Basiselektroden mit den Außenflächen des Halbleiterkörpers verschmolzen und die zweiten Elektroden, die zylinderförmige Aktivatorkörper sind, zu einer Gruppe Emitterelektroden und zu einer anderen Gruppe Kollektorelektroden gut leitend verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Anzahl zylinderförmiger Aktivatorkörper verwendet wird und daß einige als Emitterelektroden und andere als Kollektorelektroden parallel geschaltet werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe in dem Halbleiterkörper genügend nahe benachbart angebracht werden und die Aktivierung d'es Halbleiters durch den Aktivator innerhalb der Stäbe so beeinflußt wird, daß die Inversionsschichten (12) einander benachbarter Stäbe sehr eng aneinanderrücken und nur eine dünne Schicht des nichtaktivierten Halbleiters zwischen ihnen bestehenbleibt, damit die Halbleiteranordnung als ein einziger Transistor arbeitet.

In Betracht gezogene Druckschriften: Proceedings of the IRE, Bd. 40, 1952, S. 1313 und 1512.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen