DE1036394B

DE1036394B - Verfahren zur Erzeugung einer pn-Verbindung in einem p-Typ-Koerper aus Silizium

Info

Publication number: DE1036394B
Application number: DEW16181A
Authority: DE
Inventors: Calvin Souther Fuller
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1954-05-27
Filing date: 1955-03-08
Publication date: 1958-08-14
Also published as: GB782863A; BE538469A; US2819191A

Description

kl. 21g 11/02

INTERNAT. KL. HOIl

PATENTAMT

W16181VIIIc/21g

ANMELDETAG: 8. M Ä R Z 19 5 5

B EKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AÜSLEGESCHRIFT: 14. A U G U S T 19 5 8

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Halbleitern für Signalübertragungseinrichtungen, insbesondere Verfahren für die Herstellung von Siliziumkörpern mit pn-Verbindungen.

Siliziumkörper, die zwei oder mehr aneinander angrenzende Teile mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aufweisen und die pn-Verbindungen bilden, finden bei verschiedenartigen Signalübertragungseinrichtungen Anwendung.

Die Erfindung stützt sich auf die Entdeckung, daß nach Erhitzen eines Körpers aus Silizium mit p-Typ-Leitfähigkeit innerhalb eines begrenzten Temperaturbereiches bedeutende Änderungen in bezug auf den spezifischen Widerstand des Materials auftreten. Insbesondere hat das Material die Tendenz, die p-Typ-Leitfähigkeit zu verringern und sich dem η-Typ zu nähern und in den η-Typ überzugehen. Wenn die Wärmebehandlung innerhalb eines kritischen Temperaturbereiches für eine vorgegebene Zeitdauer vorgenommen wird, geht ein p-Typ-Siliziumkörper mit einem spezifischen Widerstand von mehr als etwa 0,5 Ohmzentimeter gänzlich in n-Typ-Leitfähigkeit über.

Die Erfindung stützt sich weiterhin auf die Entdeckung, daß gewisses Siliziummaterial, das nachfolgend »stabiles« Silizium genannt wird, dieser Wärmebehandlung nur in geringem Maße zugänglich ist. Insbesondere erleidet stabiles Silizium keine Veränderung des Leitfähigkeitstyps von ρ nach n, wenn es innerhalb des oben als kritisch bezeichneten Temperaturbereiches erhitzt wird. Jedoch kann »stabiles« Silizium, wie nachstehend vollständiger dargelegt wird, dieser Umwandlungsbehandlung zugänglich gemacht werden.

Eine Art von stabilem Silizium wird nachfolgend beschrieben, das durch ein zweistufiges Wärmebehandlungsverfahren stabilisiert wurde.

Die Erfindung bezieht sich daher auf ein Verfahren zur Erzeugung einer pn-Verbindung in einem p-Typ-Körper aus Silizium, welches durch Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 900 und 1300° C für die Dauer von wenigstens 15 Stunden stabilisiert ist. Erfindungsgemäß wird ein Teil des Körpers geschmolzen und anschließend rasch abgekühlt, worauf der ganze Körper für die Dauer von 1 bis 48 Stunden auf eine Temperatur zwischen 350 und 500° C erwärmt wird, um nur den geschmolzenen und wiedererstarrten Teil in η-Typ umzuwandeln, und daß danach der Körper abgekühlt wird.

Man hat gefunden, daß nach einem besonderen Vorbereitungsverfahren stabiles p-Typ-Material der Wärmebehandlung und Leitfähigkeitsänderung gemäß der Erfindung zugänglich gemacht werden kann. Gemäß diesem Verfahren wird ein Teil eines Verfahren

zur Erzeugung einer pn-Verbindung in einem p-Typ-Körper aus Silizium

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. Dr. R. Herbst, Rechtsanwalt, Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 27. Mai 1954

Calvin Souther Fuller, Chatham, N. J. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

stabilen Siliziumkörpers in Luft bei einer Temperatur von etwa 1500° C geschmolzen und schnell abgekühlt. Wenn der Siliziumkörper dann innerhalb des vorgeschriebenen Temperaturbereiches der Wärmebehandlung unterzogen wird, geht im wesentlichen nur der vorher geschmolzene Teil in n-Typ-Leitfähigkeit über, wobei der Rest des Materials p-Typ bleibt.

Man hat weiter gefunden, daß ein Material mit p-Typ-Leitfähigkeit, welches durch Erhitzen innerhalb des oben beschriebenen kritischen Temperaturbereiches in η-Typ umgewandelt wurde, in seinen ursprünglichen Leitfähigkeitszustand, nämlich in den p-Typ-Zustand, zurückverwandelt werden kann, indem es auf eine etwas oberhalb des kritischen Bereiches liegende Temperatur erhitzt wird, der zur Umwandlung in den π-Typ benutzt wird, und zwar für eine vergleichsweise kurze Zeit. Somit besteht das Verfahren zur Bildung von pn-Verbindungen darin, daß nur ein Teil eines umgewandelten n-Typ-Siliziumkörpers zurückverwandelt wird, wodurch in einem einzigen Körper aneinander angrenzende p- und n-Typ-Gebiete entstehen.

Nach dieser Zurückverwandlung wird der größere Teil des Siliziumkörpers durch Wärmebehandlung innerhalb des kritischen niedrigeren Temperaturbereiches wiederum in n-Typ-Leitfähigkeit umge-

809 597/444

3 4

wandelt. Das geschilderte Verfahren stellt daher Fig. 3 zeigt ebenfalls als Schaubild die Arbeits-

einen umkehrbaren Vorgang in bezug auf den Leit- stufen eines weiteren Verfahrens zur Bildung einer

fähigkeitstyp dar. Wenn jedoch die Wärmebehand- pn-Verbindung gemäß der Erfindung;

lung bei höherer Temperatur zur Rückverwandlung Fig. 4 zeigt im Längsschnitt einen gewachsenen

des Materials verlängert wird, ist eine nachfolgende 5 Kristall aus Silizium vor der Wärmebehandlung;

Leitfähigkeitsänderung durch Erhitzen im wesent- Fig. 5 zeigt die gleiche Ansicht des Kristalls nach

liehen verhindert. Dieses Verfahren bildet somit eine der Wärmebehandlung;

Methode, um Silizium mit p-Typ-Leitfähigkeit stabil Fig. 6 zeigt teilweise schematisch und im Schnitt

gegen weitere Wärmebehandlung zu machen. ein Verfahren zur Herstellung einer pn-Verbindung;

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, Silizium- io Fig. 7 ist ein Schnitt durch eine Siliziumscheibe,

körper mit pn-Verbindungen herzustellen. Ferner ist die eine nach dem Verfahren der Fig. 6 hergestellte

es eine Aufgabe der Erfindung, größere Teile von pn-Verbindung enthält;

Siliziumkörpern, die ursprünglich p-Typ-Leitfähig- Fig. 8 zeigt schematisch eine einfache Anordnung

keit hatten, in n-Typ-Leitfähigkeit umzuwandeln. zur Durchführung der Anfangsstufe des Schmelzens

In anderer Hinsicht ist es eine Aufgabe der Er- 15 bei der Herstellung einer pn-Verbindung;

findung, temperaturunempfindliches oder stabiles Fig. 9 ist eine schematische perspektivische Dar-

pTyp-Siliziummaterial herzustellen. stellung einer weiteren Anordnung zur Durchführung

Ein spezielles Verfahren umfaßt die Erhitzung der Anfangsstufe des Schmelzens bei der Herstellung

eines normal gewachsenen Kristalls aus Silizium mit einer großflächigen pn-Verbindung;

p-Typ-Leitfähigkeit auf eine Temperatur zwischen 20 Fig. 10 und 11 sind Seitenansichten des im Gerät

350 und 500° C für eine Zeitdauer von einer bis der Fig. 9 behandelten Siliziumkörpers vor und nach

48 Stunden, je nach dem Wert des spezifischen der Wärmebehandlung zum Hervorbringen der Leit-

Widerstandes. Man findet dann, daß der Kristall fast fähigkeitsumkehr;

ganz aus Material mit n-Typ-Leitfähigkeit besteht, Fig. 12, 13 und 14 zeigen teilweise schematisch

abgesehen von einer unzusammenhängenden äußeren 25 und im Schnitt ein weiteres Verfahren zur Her-

»Haut« oder Schicht, deren Dicke 0,127 bis 3,175 mm stellung von kleinflächigen pn-Verbindungen in einer

betragen kann und die p-Typ bleibt. Wenn der Diode und in einem Transistor;

Kristall dann auf 900 bis 1300° C etwa 1 Minute Fig. 15 ist eine graphische Darstellung, welche lang erhitzt wird, wird er zurückverwandelt, so daß die Änderung der Leitfähigkeit mit der Zeit eines er gänzlich Material mit p-Typ-Leitfähigkeit wird. 30 p-Typ-Siliziumkörpers bei verschiedenen Tempera-Wenn man die Zurück Verwandlungsbehandlung für türen zeigt;

eine längere Zeitdauer von 15 bis 48 Stunden fort- Fig. 16 ist eine graphische Darstellung, welche

setzt, wird eine nachfolgende Umwandlung in η-Typ- die Änderung der Leitfähigkeit mit der Temperatur

Leitfähigkeit durch Erhitzen auf den 350- bis für eine gegebene Zeitdauer zeigt.

500° C-Bereich im wesentlichen verhindert. 35 Es sei nun auf Fig. 1 eingegangen. Das erste

Bei einer anderen speziellen Ausführung wird ein Kästchen des Arbeitsschaubildes zeigt die Anfangs-Körper aus umgewandeltem n-Typ-Silizium einer stufe, die aus der Vorbereitung eines Körpers aus örtlichen Erhitzung bei 1000° C für eine Zeitdauer Silizium mit p-Typ-Leitfähigkeit besteht. Zum Beivon etwa 30 Sekunden unterworfen. Nach Abkühlung spiel wird ein Kristall aus p-Typ-Silizium in Längshat das Gebiet, das auf 1000° C erhitzt wurde, 4° richtung zerschnitten. Die offen liegende ebene Oberp-Typ-Leitfähigkeit, während der Rest des Körpers fläche eines solchen Kristalls erscheint so, wie sie in η-Typ bleibt. Fig. 4 gezeichnet ist. Nach Behandlung gemäß einem

Bei einer weiteren speziellen Ausführung wird bereits bekannten Verfahren zur visuellen Bestim-

ein stabiler Siliziumkristall mit p-Typ-Leitfähigkeit mung von pn-Verbindungen soll festgestellt werden,

einer örtlichen Erhitzung in Luft unterworfen, um 45 daß der Kristall ganz aus einem Leitfähigkeitstyp

ein kleines Gebiet bei einer Temperatur von etwa besteht.

1500° C zu schmelzen. Der Körper wird dann durch Wie im Kästchen II der Fig. 1 angegeben ist, wird

Strahlung in etwa einer Minute auf weniger als der Siliziumkörper dann in einem geeigneten Ofen

Rotglut abgekühlt. Dann wird der Körper wieder unter gewöhnlichen atmosphärischen Bedingungen

erhitzt und 1 bis 48 Stunden lang auf einer Tempera- 50 auf eine Temperatur innerhalb des Bereiches von 350

tür von etwa 450° C gehalten. bis 500° C erhitzt. Danach wird das Siliziummaterial

Nach endgültiger Abkühlung hat der Silizium- herausgenommen und, wie im Kästchen III ange-

körper ein Gebiet aus n-Typ-Leitfähigkeitsmaterial, geben, in Luft auf Raumtemperatur oder in Be-

das dem Teil entspricht, der vorher geschmolzen rührung mit einer strahlenden Oberfläche, z. B.

war, während der restliche Körper aus p-Typ- 55 der Oberseite einer Marmorbank, abgekühlt. Wenn

Material besteht. Somit können pn-Verbindungen der Kristallteil abermals der obenerwähnten Fest-

mit gewünschten Eigenschaften zur Verwendung bei Stellungsbehandlung unterworfen wird, sieht der

elektrischen Übertragungseinrichtungen in vorteil- Längsschnitt im allgemeinen so aus, wie er in Fig. 5

hafter Weise hergestellt werden. gezeichnet ist. Man erkennt, daß der größere Teil

Diese und andere Merkmale und Aufgaben der 60 des Körpers eine Änderung des Leitfähigkeitstvps

Erfindung werden an Hand der ins einzelne gehenden erfahren hat und daß nur eine verhältnismäßig dünne

Erläuterung und der Zeichnungen klarer und voll- unzusammenhängende Schicht aus p-Typ-Material

ständiger verständlich werden. auf der Außenseite übrigbleibt.

Fig. 1 zeigt in Form eines Schaubildes die Arbeits- Wenn auch eine Erhitzung innerhalb des obenstufen der Umwandlung des Leitfähigkeitstyps eines 65 erwähnten Bereiches von 350 bis 500° C diese Um-Siliziumkörpers und der Herstellung von pn-Ver- Wandlung des Leitfähigkeitstvps bewirkt, hat man bindungen in diesem Körper; doch gefunden, daß die vorteilhafteste Erhitzungs-

Fig. 2 zeigt in gleicher Form die Arbeitsstufen, temperatur für eine 24stündige Wärmebehandlung

um einen Körper aus p-Typ-Silizium gegen Wärme- innerhalb etwa 10° C oberhalb oder unterhalb 450° C

behandlung stabil zu machen; 70 liegt. Die Zeitdauer, während welcher der Körper

5 6

erhitzt ist, kann von einer bis 48 Stunden reichen, Man hat gefunden, daß die Anwesenheit von Wassersie hängt im allgemeinen von der spezifischen Er- dampf in der umgebenden Atmosphäre eine günstige hitzungstemperatur und dem Maß der gewünschten Wirkung hat. Während dieser Zeit diffundiert Leitfähigkeitsänderung ab. Wärme von der Spitze in das angrenzende Siliziumin Fig. 15 ist die Wirkung der Erhitzung bei ver- 5 material, wie es durch die gestrichelte Umrißlinie 44 schiedenen Temperaturen innerhalb des Umwand- angegeben ist, wobei die Temperatur in den Rücklungsbereich.es dargestellt. Die gezeichneten Kurven Verwandlungsbereich erhöht wird. Die entstehende stellen die Leitfähigkeitsänderung als Erhöhung Anordnung, die im Schnitt in Fig. 7 dargestellt ist, der Elektronenkonzentration abhängig von der Er- ist eine pn-Verbindungsdiode, bei der die p-Zone im hitzungszeit für sechs verschiedene Temperaturen io allgemeinen mit dem erhitzten Gebiet 44 zusammeninnerhalb des Umwandlungsbereiches von 350 bis fällt. Wenn die gesamte Scheibe auf den Bereich von 500° C dar. Es sei bemerkt, daß die gezeichneten 900 bis 1300° C erhitzt wird, tritt selbstverständlich Kurven für einen besonderen Teil der Körper aus eine Rückverwandlung des gesamten Körpers in die Silizium gelten, der im allgemeinen dem oberen p-Typ-Leitfähigkeit ein.

mittleren Gebiet eines gewachsenen Kristalls ent- 15 Das Arbeitsschaubild der Fig. 2 stellt eine Ab-

nomtnen ist. Jedoch stellen diese Kurven die auge- änderung des oben geschilderten Verfahrens dar. Die

meine Form dar, die jedes Siliziummaterial ergibt, durch die Kästchen I, II und III angegebenen Stufen

das den hier geschilderten Vorgang der Leitfähig- sind den an Hand der Fig. 1 beschriebenen Stufen

keitsänderung zeigt. Im allgemeinen verschiebt sich gleich. Die Stufe der Abkühlung braucht nicht ausbei verschiedenen Materialstücken die Kurvenschar 20 geführt zu werden. Nach der anfänglichen Er-

gegenüber der in Fig. 15 dargestellten nach oben hitzungsbehandlung, während welcher der größere

oder unten. Teil des Körpers, wie oben erwähnt, in Material mit

So kann z. B. ein Stück aus n-Typ-Silizium n-Typ-Leitfähigkeit umgewandelt wurde, bewirkt

mit einem spezifischen Widerstand von 1,0 Ohm- eine weitere Wärmebehandlung bei einer Temperatur

Zentimeter, der einer Elektronenkonzentration von 25 im Bereich von 900 bis 1300° C eine Rückverwand-

6.5-10¹⁵ cnr~³ äquivalent ist, in ein Stück mit einem lung des ganzen Körpers in p-Typ-Leitfähigkeit.

spezifischen Widerstand von 0,5 Ohmzentimeter, der Diese Umwandlung tritt in einer verhältnismäßig

einer Elektronenkonzentration von 14,0 · 10¹⁵ cm~³ kurzen Zeit von etwa einer Minute oder weniger ein.

äquivalent ist, geändert werden, indem es auf 374° C W^Tenn nach einer kurzen Erhitzungszeit dieser Art

26 Stunden lang erhitzt wird. Dies entspricht einer 30 das Siliziummaterial abermals auf eine niedrigere

Erhöhung von 7,5-10¹⁵ Elektronen je cm³, die durch Temperatur im Bereich von 350 bis 500° C erhitzt

den Punkt A auf der 374° C-Temperaturkurve der wird, findet wieder wie vorher eine Umwandlung

Fig. 15 angedeutet ist. in den η-Typ statt. Wie im Kästchen IV der Fig. 2

Der wirksamste Erhitzungsbereich für eine ge- angegeben ist, wird jedoch die Erhitzung in dem

gebene Erhitzungsdauer ist durch die graphische 35 höheren Bereich der Rückverwandlungstemperatur

Darstellung der Fig. 16 angegeben, welche die Leit- für eine Zeitdauer von mehr als etwa 15 Stunden

fähigkeitsänderung zeigt, die bei verschiedenen fortgesetzt.

Temperaturen im Umwandlungsbereich entsteht. Nach der Abkühlung stellt man fest, daß der Diese Kurve ist eine Darstellung der Erhöhung Körper mit p-Typ-Leitfähigkeit gegen weitere Ändeder Elektronenkonzentration abhängig von der Tem- 40 rangen des Leitfähigkeitstyps widerstandsfähig ist, peratur der Wärmebehandlung für eine feste Er- wenn er Wärmebehandlungen unterworfen wird. Ein hitzungszeit von 24 Stunden, sie ist in Fig. 15 den in dieser Weise temperaturstabilisiertes Material Schnittpunkten der senkrechten Linie, welche die kann mit Vorteil bei Verfahren zur Herstellung von 24stündige Erhitzungszeit angibt, mit den jeweiligen .Signalübertragungseinrichtungen verwendet werden. Temperaturkurven entnommen. Man erkennt, daß 45 Bei einem speziellen Beispiel für die oben bedas Scheitelgebiet von B bis C, das den Bereich von schriebenen Verfahren wurde ein p-Typ-Kristall aus 434 bis 463° C darstellt, bei einer 24stündigen Er- Silizium, der nach der Stangenziehtechnik mit hitzungszeit die größte Wirkung hat. Rühren gewachsen war, in Längsrichtung zer-Allgemein ist zu sehen, daß eine Änderung des schnitten, so daß er wie in Fig. 4 dargestellt aussah. Leitfähigkeitstyps bei p-Typ-Silizium von weniger 5° Dieses Material hatte einen spezifischen Widerstand als etwa 0,5 Ohmzentimeter offensichtlich nicht ein- von 25 Ohmzentimeter des p-Typs. Nach Erhitzen tritt, wenn auah eine Erhitzung von Silizium im auf 460° C für eine Zeit von 40 Stunden wurde der Bereich von 350 bis 500° C eine Erhöhung der Körper aus dem Ofen genommen und auf Raum-Elektronenkonzentration bewirkt. Das Kästchen IV temperatur abgekühlt. Eine Behandlung gemäß dem der Fig. 1 zeigt eine weitere Stufe, durch die ein 55 obenerwähnten Verfahren zur visuellen Feststellung diskreter Teil eines umgewandelten n-Typ-Silizium- ergab ein Aussehen ähnlich dem Kristallschnitt der körpers durch eine kurzdauernde örtliche Erhitzung Fig. 5. Bei diesem Beispiel hatte die Schicht des auf eine Temperatur im Bereich von 900 bis 1300° C restlichen p-Typ-Materials im Gebiet des größten in den p-Typ zurückverwandelt werden kann. Wie Kristalldurchmessers eine Dicke von 0,685 bis in Fig. 6 dargestellt ist, wird z. B. eine Scheibe 40 60 0,762 mm. Der spezifische Widerstand des inneren aus Silizium, die dem mittleren Teil des Kristalls p-Typ-Gebiets ergab sich zu 0,2 Ohmzentimeter am der Fig. 5 entnommen ist und somit n-Typ-Leit- oberen Teil, bis 1,0 Ohmzentimeter am unteren Teil, fähigkeit hat, auf einem Block 41 aus isolierendem Dieser Siliziumkristallteil wurde dann für eine Material, wie Graphit, aufgesetzt. Eine Nadel 42, Zeit von 15 Minuten in einem Ofen auf 950° C gez. B. aus Wolfram oder Graphit, wird auf eine Tem- 65 bracht, wonach er in Luft durch Strahlung auf peratur von etwa 1000° C erhitzt, z. B. durch die Raumtemperatur abgekühlt wurde. Bei der Unterhochohmige Wicklung 43, an die ein Wechselstrom suchung ergab sich, daß der ganze Körper p-Typangelegt wird. Die Spitze wird dann mit der Ober- Leitfähigkeit aufwies und einen spezifischen Widerfläche der Scheibe in Luft kurze Zeit, z. B. 30 Sekun- stand von etwa 25 Ohmzentimeter zeigte. Der geden, in Berührung gebracht und wieder weggezogen. 70 schnittene Kristall wurde dann wieder im Ofen auf

460° C gebracht und etwa 40 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Nach der Abkühlung wurde das Siliziummaterial wie bei der anfänglichen Wärmebehandlung nochmals untersucht, es zeigt nach Behandlung in einer Bariumtitanatsuspension ein Aussehen ähnlich Fig. 5. Der innere p-Typ-Teil des Kristalls hatte wie vorher einen spezifischen Widerstand von 0,2 bis 1,0 Ohmzentimeter.

Eine quer liegende Scheibe dieses Kristallteils mit einer Dicke von 1,016 mm wurde in dem Ofen auf 1100⁰C gebracht und etwa 64 Stunden lang gehalten. Nach Abkühlung hatte das ganze Material p-Typ-Leitfähigkeit mit einem spezifischen Widerstand von etwa 25 Ohmzentimeter. Es wurde dann versucht, dieses p-Typ-Material durch längeres Erhitzen auf 460° C umzuwandeln. Jedoch konnte nur eine geringe Änderung des spezifischen Widerstandes von 25 auf etwa 28 Ohmzentimeter ohne Änderung des Leitfähigkeitstyps festgestellt werden, so daß sich ein im wesentlichen stabiles elektrisches Verhalten ergab.

In den Fig. 8 bis 14 sind Verfahren für die Herstellung von pn-Verbindungen dargestellt. Bei diesen Verfahren wird stabiles p-Typ-Silizium verwendet, das nicht in Silizium mit η-Leitfähigkeit umgewandelt wird, wenn es auf den Umwandlungsbereich erhitzt wird.

Fig. 8 zeigt eine Siliziumscheibe 12 im Schnitt, die auf einen isolierenden Block 13, z. B. aus Graphit, aufgesetzt ist. Auf die obere Fläche der Scheibe wird so lange eine Knallgasflamme 11 eines Brenners 10 gerichtet, bis ein beträchtlicher Teil bei einer Temperatur von etwa 1500° C den geschmolzenen Zustand erreicht hat. Die Flamme wird dann entfernt und das geschmolzene Gebiet in weniger als einer Minute bis unterhalb der Rotglut abgekühlt.

Ein anderes elektrisches Mittel zum Schmelzen eines Teils einer gleichen Siliziumscheibe 16, ebenfalls auf einem Isolator 17 ist in Fig. 9 gezeigt, wobei eine Hochfrequenzheizspule 15 benutzt wird, die ein Element zur Konzentrierung der Hitze, z. B. einen Graphitstab 14, umgibt. Man hat gefunden, daß die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn das Schmelzen und Erstarren in Luft vorgenommen wird.

Nach dieser vorbereitenden Anfangsstufe besteht die Siliziumscheibe aus einem Teil, der vollständig geschmolzen und wieder erstarrt war, und aus einem Teil, der nicht geschmolzen war, wie in Fig. 10 dargestellt ist. Diese Scheibe wird dann auf eine Temperatur im Umwandlungsbereich wie vorher geschildert erhitzt und auf Raumtemperatur abgekühlt. Eine Untersuchung zeigt, daß das nicht geschmolzene Gebiet p-Typ bleibt, während das Gebiet, welches geschmolzen und wieder erstarrt war, in n-Typ-Leitfähigkeit umgewandelt wird. Die Grenzfläche der beiden Gebiete bildet eine pn-Verbindung. Im allgemeinen wird das an Hand der Fig. 8 bis 11 beschriebene Verfahren mit Vorteil verwendet, um Verbindungen mit verhältnismäßig großer Fläche herzustellen.

Fig. 12 zeigt eine schematische Anordnung zur Herstellung kleinflächiger pn-Verbindungen. Eine Siliziumscheibe 20 wird auf einen schematisch angedeuteten Heizer 21 aufgesetzt und auf eine Temperatur von etwa 300° C gebracht. Eine zugespitzte Elektrode 19 aus geeignetem Material, z. B. aus Wolfram, wird in Berührung mit der Scheibe gebracht und ein Impuls von etwa 3 Ampere von einer Wechselstromquelle durch die Spitze geleitet. Beim Schließen des Kreises zur Scheibe mit Hilfe des Ohmschen Anschlusses 24 schmilzt ein kleines Gebiet unmittelbar unter der Spitze und erstarrt schnell wieder. Die Scheibe wird dann auf den Umwandlungsbereich erhitzt, um die Umwandlung des kleinen

geschmolzenen Gebiets 25 in den η-Typ zu bewirken, während der Rest der Scheibe p-Typ bleibt. Die hierbei entstehende Anordnung ist in Fig. 13 im Schnitt gezeichnet, sie ist insbesondere zur Verwendung als kleinflächige Diode geeignet. Andere nützliehe Anordnungen kann man erhalten, wenn die zugespitzte Elektrode an einer oder mehreren anderen Stellen auf der Oberfläche der Siliziumscheibe angelegt wird, um das Schmelzen und Wiedererstarren weiterer und getrennter kleiner Gebiete durchzuführen. Zum Beispiel zeigt Fig. 14 eine Anordnung, die sich als Transistor verwenden läßt, indem kleine geschmolzene und wieder erstarrte Gebiete 26 und 27 auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe gebildet werden, an die Steuerelektroden- und Sammeiao elektrodenanschlüsse angebracht werden. Andere geeignete Elektrodenmaterialien, welche die Möglichkeit des Eindringens bezeichnender chemischer Beimengungen auf ein Minimum bringen, umfassen Quarz und Silizium selbst.

Bei einem Beispiel für die beschriebenen Verfahren war ein »stabiler« Siliziumkristall mit p-Typ-Leitfähigkeit ohne Drehung gewachsen und zeigte einen spezifischen Widerstand von 50 Ohmzentimeter. Eine Stange von 0,3 X 1,0X2,0 cm, die diesem Kristall entnommen war, wurde auf ihrer halben Länge geschmolzen, indem sie in einer Quarzröhre in einem Sauerstoffstrom erhitzt und mit Hilfe von Strahlungskühlung zum Erstarren gebracht wurde. Dann wurde sie bei 450° C in Luft 16 Stunden lang behandelt. Eine Untersuchung zeigte, daß der geschmolzene und erstarrte Teil n-Typ-Material mit geringem spezifischen Widerstand war, während der ungeschmolzene Teil p-Typ geblieben war. Die Stange wurde 30 Sekunden in einer Mischung von Salpetersäure und Flußsäure geätzt, und es wurden Kontakte an die abgeschliffenen Flächen der n- und p-Gebiete mit Hilfe von Silberkitt angebracht. Folgende Eigenschaften wurden beobachtet:

Spannung	Strom in Flußrichtung in Milliampere	Strom in Sperrichtung in Milliampere
1 6 10	3,0 11,0 30,0	< 0,010 < 0,010 < 0,010

Bei einem anderen Beispiel wurde eine Scheibe aus einkristallinem p-Typ-Silizium mit einer Dicke von 1,016 mm einem Kristall entnommen, der durch das Stabziehverfahren und unter Drehung des Kristalls während des Wachsens entstanden war, so daß das Material zu der Klasse gehört, die einer Leitfähigkeitsänderung bei Wärmebehandlung zugänglich ist.

Diese Scheibe wurde dann »stabil« gemacht, indem sie zuerst auf 460° C 24 Stunden lang und danach auf 1000° C 24 Stunden lang erhitzt wurde. Die Scheibe aus p-Typ-Silizium wurde dann abermals auf 450° C erhitzt, ohne daß eine bedeutende Änderung der Leitfähigkeit auftrat, wodurch ihre Stabilität gezeigt wird.

Ungefähr ein Drittel der Scheibe wurde dann durch Verwendung einer Knallgasflamme geschmolzen und wieder zum Erstarren gebracht, was in etwa 10 Sekunden vor sich ging. Es wurde festgestellt,

daß der spezifische Widerstand des geschmolzenen Teils an diesem Verbindungspunkt etwa 8000 Ohmzentimeter beträgt und n-Typ-Leitfähigkeit oder nahezu die natürliche Leitfähigkeit ist.

Nach lstündiger Erhitzung auf 450° C war der spezifische Widerstand 0,8 Ohmzentimeter η-Typ geworden, und nach 68 Stunden hatte das vorher geschmolzene Gebiet η-Typ von 0,3 Ohmzentimeter, während der Rest der Scheibe p-Typ geblieben war.

Bei einem weiteren Beispiel hat man gefunden, daß ein nicht gedrehter, d. h. stabiler Einkristall einen spezifischen Widerstand von 15 Ohmzentimeter p-Typ hatte. Der Körper wurde in einen Heizer aus Tantalstreifen gelegt, der auch als Kontakt für eine Klemme eines Niederspannungstransformators diente. Mit Hilfe des Heizers wurde das Silizium auf etwa 300° C gebracht. Ein zugespitzter 6,25-mm-Wolframdraht wurde an die zweite Klemme des Transformators angeschlossen. Mit Hilfe einer Taste wurde ein momentaner Strom von 5 Ampere durch ao die Spitze geleitet, der bewirkte, daß das unmittelbar unter ihr liegende Silizium schmolz. Dieser Vorgang, der in Luft vor sich ging, wurde an anderen Stellen der Probe wiederholt. Der Siliziumkörper wurde dann 20 Stunden lang einer Wärmebehandlung bei 470° C unterzogen und abgekühlt. Dann wurden am Basis- oder p-Typ-Gebiet des Siliziums mit Hilfe einer Wolframspitze nacheinander an den kleinen geschmolzenen Gebieten Kontakte angebracht. Es wurde eine n-Typ-Gleichrichterwirkung beobachtet, wie durch die nachfolgenden beispielsweisen Werte angegeben ist.

10 Milliampere

Strom in Flußrichtung
bei 6 Volt

Strom in Sperrichtung

bei 0 bis —30 Volt < 0,001 Milliampere

Spitzensperrspannung ... >· —100 Volt

Dagegen zeigte eine Wolframspitze auf dem benachbarten Silizium, das nicht geschmolzen und und wieder erstarrt war, einem Strom in Flußrichtung von 1 Milliampere bei 7 Volt und eine schlechte Sperrkennlinie mit einem allmählichen Durchbruch, der bei etwa —15 Volt begann.

Claims

Patentanspruch.·

Verfahren zur Erzeugung einer pn-Verbindung in einem p-Typ-Körper aus Silizium, welches durch Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 900 und 1300° C für die Dauer von wenigstens 15 Stunden stabilisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Körpers geschmolzen und anschließend rasch abgekühlt wird, worauf der ganze Körper für die Dauer von 1 bis 48 Stunden auf eine Temperatur zwischen 350 und 500° C erwärmt wird, um nur den geschmolzenen und wieder erstarrten Teil in η-Typ umzuwandeln, und daß danach der Körper abgekühlt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 602 763;
Das Elektron, Bd. 5, 1951/52, Heft 13/14, S. 434.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

© SM 597/444 8.58