DE1047944B

DE1047944B - Halbleiteranordnung mit einem Halbleiter aus Aó¾Bó§-Verbindungen

Info

Publication number: DE1047944B
Application number: DEI10075A
Authority: DE
Inventors: John S Blakemore
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1954-04-01
Filing date: 1955-04-09
Publication date: 1958-12-31
Also published as: BE539649A; AU204456B1; CH363416A; NL197918A; US2843511A; USRE25952E; GB804000A; NL94819C; GB766671A; NL196136A; BE536988A; CH356209A; DE967322C

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen, die in Gleichrichtern, Transistoren und lichtempfindlichen Zellen verwendet werden.

Die wichtigsten Faktoren für diese Verwendung sind der Bandabstand und die Beweglichkeit der Ladungsträger im Halbleiter. Im Idealfall soll das Material einen großen Bandabstand und eine große Beweglichkeit der Träger haben. Ein Ansteigen der Beweglichkeit bewirkt eine Erhöhung der Sperrspannung, ohne die Leitfähigkeit in Durchlaßrichtung zu vermindern. Bei Transistoren ergibt eine größere Beweglichkeit eine höhere Kollektorgrenzspannung und gleichzeitig einen erweiterten Frequenzbereich. Eine Vergrößerung des Bandabstandes vermindert den Sättigungsstrom.

Bei der Verwendung der Halbleiter als lichtempfindliehe Zellen, z. B. Fotoelemente, Fotodioden und Fototransistoren, bewirkt das einfallende Licht, daß Elektronen über den Bandabstand von dem Valenzband in das Leitungsband gehoben werden. Das Licht wird hierbei im Kristallgitter absorbiert. Die Beziehung zwischen der optischen Absorptionskante (A _c) und dem Bandabstand in einem Halbleiter ist durch die Gleichung Halbleiteranordnung mit einem Halbleiter aus A^mB^v-Verbindungen

Anmelder:

International

Standard Electric Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom. 14. April 1954

John S. Blakemore, London,
ist als Erfinder genannt worden

1,234

Bandabstand in Elektronenvolt

gegeben. Licht von einer Wellenlänge unter dieser Grenze wird absorbiert; in diesem Gebiet ist das Material lichtempfindlich.

Als halbleitende Materialien sind im allgemeinen Germanium und Silizium gebräuchlich. Es wurde auch versucht, Halbleiter herzustellen, deren Bandabstand zwischen dem zweier Halbleiterstoffe liegt, indem man beide Materialien in verschiedenen Verhältnissen miteinander legierte. So hat man beispielsweise Legierungen von Silizium und Germanium hergestellt und gefunden, daß der Bandabstand der Legierungen keine einfache Beziehung zu dem Mischungsverhältnis der beiden Komponenten hat, aus denen die Legierung besteht, und daß er in einem weiten Bereich des Mischungs-Verhältnisses konstant ist.

Es ist weiter bekannt, daß einige intermetallische Verbindungen zwischen je einem Element der III. Gruppe und der V. Gruppe des Periodischen Systems Halbleiter sind.

Es ist auch vorgeschlagen worden, ein halbleitendes Material aus einer Legierung von Aluminiumantimonid und Galliumantimonid aufzubauen.

Es wurde nun gefunden, daß man Legierungen aus solchen intermetallischen Verbindungen herstellen kann, deren Bandabstand zwischen den Bandabständen der Legierungskomponenten liegt, und daß dieser Wert in einer einfachen Beziehung zu dem Mischungsverhältnis der Legierungsbestandteile steht.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiter aus A¹¹¹ B^v-Verbindungen. Erfindungsgemäß besteht der Halbleiter aus einer Verbindung von einem Element der V. Gruppe und zwei verschiedenen Elementen der III. Gruppe des Periodischen Systems mit Ausnahme einer Verbindung von Aluminiumantimonid und Galliumantimonid, also Antimon aus der V. Gruppe und Aluminium und Gallium aus der III. Gruppe.

Sehr gute Ergebnisse werden mit Halbleiteranordnungen erzielt, deren Halbleiter aus einer ternären Verbindung zweier A¹¹¹ B^v-Verbindungen mit 50 Atomprozent Antimon und der Rest aus Aluminium und Indium oder Gallium und Indium besteht.

Die optischen Konstanten und Bandabstände der intermetallischen Verbindungen, aus denen ternäre Verbindungen gemäß der Erfindung hergestellt werden können, sind folgende:

Intermetallische Halbleiter	Io μ	Bandabstand eV
In Sb	7,0 1,7	0,18 0,7
Ga Sb	0,8	1,5
Al Sb

Da die optischen Eigenschaften und die Bandabstände der ternären Verbindungen durch Mischen von je zwei

809 727/397

der angeführten Verbindungen stets eine lineare Funktion der Zusammensetzung sind, können solche Verbindungen in gewissen Grenzen mit vorbestimmten Eigenschaften hergestellt werden.

Solche Verbindungen können als lichtempfindliche Halbleiter verwendet werden. Die Wellenlänge, bei der ein lichtempfindliches Material am empfindlichsten ist, liegt wenig unter der optischen Absorptionskante, und beide werden bei Absenkung der Temperatur erniedrigt. Die ternären Verbindungen können mit ganz bestimmten Grenzen der Lichtempfindlichkeit hergestellt werden, und die Kühlung zum Erreichen des Maximums der Empfindlichkeit bei einer bestimmten Wellenlänge kann vermindert werden bzw. entfallen. So hat beispielsweise Indiumantimonid die maximale Empfindlichkeit bei der Wellenlänge 4μ. nur dann, wenn stark gekühlt wird. Durch Legieren einer bestimmten Menge Galliumantimonid mit Indiumantimonid kann ein Halbleiter erhalten werden, dessen maximale Empfindlichkeit bei dieser Wellenlänge bei Zimmertemperatur liegt.

Neben der Verwendung als Fotowiderstände können Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung auch als Fotoelemente oder Fotodioden verwendet werden. Zu diesem Zweck erzeugt man in einer gemäß der Erfindung aufgebauten Halbleiteranordnung eine p- und eine η-leitende Zone. Wenn Licht auf den pn-Übergang fällt, entsteht eine Spannung zwischen den beiden Zonen, die an den Elektroden abgenommen werden kann.

Den halbleitenden ternären Verbindungen kann durch Eindiffundieren von Zink oder Kadmium p-Leitfähigkeit verliehen werden. Wenn die Verbindungen Indium enthalten, können Akzeptorverunreinigungen in Form einer Legierung aus 75 °/₀ Indium und 25 °/₀ Zink oder Kadmium eingebracht werden. Donatorverunreinigungen zur Herstellung von η-Halbleitern sind Selen und Tellur.

Einige von solchen Verbindungen, die Indium enthalten, können durch die Einwirkung von thermischen Neutronen in n-Halbleitermaterial verwandelt werden. Das Indiumatom hat einen größeren einfangenden Querschnitt als die anderen Atome der Verbindung, deshalb wandeln die thermischen Neutronen hauptsächlich Indiumatome in Zinnatome um und bilden auf diese Weise Donatorzentren. Die entsprechenden Reaktionen mit Gallium-, Antimon- und Aluminiumatomen sind viel weniger zahlreich. Thermische Neutronen werden von schnellen Neutronen begleitet, die leicht Gitterstörungen erzeugen. Dieser Effekt kann jedoch durch eine Wärmebehandlung rückgängig gemacht werden.

Gleichrichter und Transistoren können ebenfalls aus halbleitenden ternären Verbindungen gemäß der Erfindung aufgebaut sein. Da der Bandabstand der ternären Verbindung eine lineare Funktion der Zusammensetzung des Halbleiters ist, kann ein Halbleiter mit jedem beliebigen Bandabstand in den Grenzen erzeugt werden, die durch die verwendeten intermetallischen Verbindungen gegeben sind. Da der Bandabstand von Indiumantimonid klein ist und der von Galliumantimonid Meiner als der von Germanium, können Gleichrichter mit Halbleitern aus ternären Verbindungen dieser Metalle nur für spezielle Zwecke hergestellt werden.

Indiumantimonid hat eine große Beweglichkeit der Ladungsträger, aber einen kleinen Bandabstand, während Aluminiumantimonid einen großen Bandabstand, aber eine Meine Beweglichkeit der Ladungsträger aufweist. Daher können ternäre Verbindungen mit verhältnismäßig großer Beweglichkeit der Ladungsträger und großem Bandabstand aus diesen beiden intermetallischen Verbindungen hergestellt werden. Eine ternäre Verbindung aus 25 Atomprozent Aluminium, 25 Atomprozent Indium und 50 Atomprozent Antimon hat beispielsweise einen Bandabstand von 0,84 eV und eine Elektronenbeweglichkeit im Einkristall zwischen 5000 und 10 000 cm² pro Voltsekunde. Dieser Halbleiter hat einen größeren Bandabstand und eine größere Elektronenbeweglichkeit als Germanium (Germanium: 0,72 eV und 3000 bis 4000 cm² pro Voltsekunde).

Es soll noch festgehalten werden, daß das Verfahren zur Umwandlung von ternären Verbindungen mit p-Leitung, die Indium enthalten, in solche mit n-Leitung

ίο durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen besondere Vorteile bei Transistoren zeigt. Die Umwandlung hinterläßt eine Zone mit Eigenleitung zwischen den Zonen mit p- und η-Leitung. Das Vorhandensein dieser eigenleitenden Zonen vermindert die Kollektorkapazität. Bei dieser Art der Umwandlung ergibt sich weiter die Möglichkeit, eine Zone größerer Konzentration von Donatorzentren als im normalen η-Halbleiter zu erhalten. Eine solche Zone, die mit n⁺ bezeichnet wird, ist ebenfalls von Vorteil, wenn überschüssige Defektelektronen aus einem Stück η-Halbleiter entfernt werden müssen. Eine Zone von n+-Halbleiter anschließend an eine Elektrode vermindert die Anzahl von Defektelektronen, die sonst in den η+-Halbleiter übertreten wurden.

Die Herstellung eines Eigenhalbleiters, eines n-Halbleiters und eines η+-Halbleiters kann aus Material mit p-Leitung, das Indium enthält, durch verschieden starke Umwandlung vorgenommen werden. Dies kann beispielsweise durch Abschirmen eines Teil des p-Halbleiters von der Neutronenstrahlung erzielt werden, wenn die Umwandlung bis zu einem gewissen Grad stattgefunden hat, während die anderen Teile weiterhin der Strahlung ausgesetzt werden. Die Neutronenstrahlung durchdringt das Halbleitermaterial in der Weise, daß nach einer bestimmten Zeit der p-Halbleiter bis zu einer bestimmten Tiefe von der bestrahlten Oberfläche an in einen Eigenhalbleiter umgewandelt wird, während der nicht so tief liegende Halbleiterbereich in einen n-Halbleiter umgewandelt wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung mit einem Halbleiter aus B^v-Verbindungen, dadurch gekennzeichnet,

daß der Halbleiter aus einer Verbindung von einem Element der V. Gruppe und zwei verschiedenen Elementen der III. Gruppe des Periodischen Systems mit Ausnahme einer Verbindung von Aluminiumantimonid und GaUiumantünonid, also Antimon aus der V. Gruppe und Aluminium und Gallium aus der III. Gruppe besteht.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus einer ternären Verbindung zweier A¹¹¹ B^v -Verbindungen mit 50 Atomprozent Antimon und der Rest aus Aluminium und Indium oder Gallium und Indium besteht.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Fotowiderstand oder Fotoelement ausgebildet ist.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Gleichrichter ausgebildet ist.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Transistor ausgebildet ist und Halbleitermaterial vom p-Typ und vom η-Typ enthält.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter vom p-Typ aus einer ternären Verbindung besteht, die

Indium enthält und durch Bestrahlung eines Teiles des Halbleitermaterials mit thermischen Neutronen teilweise in Halbleitermaterial vom η-Typ durch Umwandlung von Indiumatomen in Zinnatome umgewandelt ist.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Halbleitermaterials vom p-Typ bis zu einem bestimmten Grad durch die Bestrahlung umgewandelt ist und ein anderer Teil durch die Bestrahlung weitgehender umgewandelt ist, so daß in dem zuletzt genannten Teil ein Überschuß an Donatoren vorhanden ist.

8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Halbleitermaterials durch die thermischen Neutronen nur so weit umgewandelt ist, daß die erzeugten Donatorenzentren diesen Teil des Halbleiters eigenleitend machen.

9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter geringe Zusätze von Zink, Kadmium, Selen oder Tellur enthält.