DE1054178B

DE1054178B - Feuchtigkeitsgeschuetztes Halbleiterbauelement mit pn-UEbergaengen und mit chemischen Verbindungen bedeckter Oberflaeche

Info

Publication number: DE1054178B
Application number: DES54660A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Gerhard Jung
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-08-07
Filing date: 1957-08-07
Publication date: 1959-04-02
Also published as: CH444936A; CH387174A; NL112313C; GB876750A; NL230243A; FR1197345A; US2912354A

Description

Die Erfindung geht von der Feststellung aus, daß die Strom-SpaiMTungs-Kennliniien von pn-Übergängen in Halbleiterbauelementen durch die Zusammensetzung der an ihre Oberflächen grenzenden Atmosphäre beeinflußt werden. Die Ursache sind Änderungen der Eigenschaften in der Halibleiteroberflächenzone infolge Adsorption bzw. Chemiesorption von Gasen. Besonders auffällig sind die durch Sauerstoff und Wasserdampf bewirkten Änderungen, die z. B. zu einer Umkehr des Leitfähigkeitscharakters gegenüber dem des Halbleiterinneren führen können: Übergang von p-Leitung im Innern zu η-Leitung in der Oberfläche und umgekehrt. Die dadurch verursachten Änderungen der Kennlinien können bleibend sein oder sich, wie es vor allem bei Anwesenheit von Wasserdampf der Fall ist, im Laufe der Zeit zögernd einstellen. Überdies bilden stärkere Belegungen einer Halbleiteroberfläche mit Wasserdampfmolekülen elektrolytisch leitende Schichten, die nicht nur Instabilität der Kennlinien, sondern auch vermehrtes Rauschen verursachen. Fernhalten auch winziger Spuren von Wasserdampf ist daher eine wichtige Voraussetzung zur Erzielung stabiler und rauscharmer pn-Übergänge. Lacküberzüge haben sich dazu als nicht ausreichend erwiesen.

Bei Halbleiteranordnungen vom Typ npn mit zwei Zonen η-Leitfähigkeit und einer Zwischenzone mit p-Leitfähigkeit, bei denen ein luftdichtes Einschmelzen oder Einkapseln vermieden werden soll, ist es bekannt, eine Oberflächenbehandlung des Halbleitermaterials vorzunehmen, bei der eine Oberflächenschicht auf dem Halbleiterkörper wenigstens über der Zone mit p-Leitfähigkeit ein Oxydationsmittel enthält, das in der Lage ist, Ionen mit geeigneter Ladung auf die Halbleiteroberfläche zu übertragen und hierdurch das Oberflächenpotential und den Oberflächenleitfähigkeitstyp zu beeinflussen und damit die Bildung von leitenden Nebenwegen ohne Rücksicht auf den Feuchtigkeitsgehalt der umgebenden Atmosphäre zu verhindern.

Die Erfindung geht nun von der Überlegung aus, daß die bereits bekannten Mittel zur Vermeidung der Oxydation in der Praxis unbefriedigend arbeiten.

Die im folgenden beschriebene Erfindung liefert Mittel, diese Instabilität und außerdem das vermehrte Rauschen zu verhindern. Die Erfindung bezieht sich daher auf eine feuchtigkeitsgeschützte Halbleiteranordnung mit pn-Übergängen, dessen Oberfläche mit chemischen Verbindungen bedeckt ist. Die Erfindung besteht darin, daß die Oberfläche mit einem Redoxsystem bedeckt ist, das die im Zusammenwirken mit dem Halbleitermaterial auf der Oberfläche vorhandenen Wassermoleküle aufnimmt und dafür äquivalente Mengen Sauerstoff abscheidet, und zwar derart, daß Feuchtigkeitsgeschütztes

Halbleiterbauelement mit pn-Übergängen und mit chemischen Verbindungen

bedeckter Oberfläche

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München I₁ Witteisbacherplatz 2

Dr. phil. Gerhard Jung, München,
ist als Erfinder genannt worden

dieser Sauerstoff mindestens teilweise das Halbleitermaterial oxydiert.

In Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Oxydationspotential des Redoxsystems größer ist als das des Systems Halbleiter — Halbleiteroxyd und daß die Menge der oxydierenden Komponente des Redoxsystems ausreicht, um eine vollständige Gleichgewichtseinstelilu-ng des Redoxgleichgewichtes herbeizuführen.

Da die Halbleiter unedle Metalle oder leicht oxydable Verbindungen sind, ist jede Halbleiteroberfläche infolge unvermeidlicher Berührung mit Luft oder infolge vorausgegangener chemischer oder elektrolytischer Ätzungen mit einem »Oxydbelag« versehen, der teils aus definierten Oxyden, teils aus adsorptiv gebundenem Sauerstoff besteht. Im thermodynamischen Gleichgewicht herrscht an der Oberfläche ein bestimmter Gleichgewichtspartialdruck^o, (mm, des Sauerstoffs. Bringt man auf die Oberfläche ein Redoxsystem, dessen Wirkungsweise sich allgemein durch die Gleichung

Oxydationsstufe + m H₂ O §; Reduktionsstufe + η O₂

wiedergeben läßt, so stellt sich bei Anwesenheit von Wasserdampf ein solches Verhältnis

ein, das durch die Gleichgewicbtskonstante der Redoxreaktionen

Aktivität der Reduktionsstufe po₂
Aktivität an Oxydationsstufe ^h₂O
gegeben ist. Mit genügender Genauigkeit können die

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Claims

Aktivitäten der festen oder flüssigen Reduktions- und Oxydationsstufe als konstant angesehen werden, so daß z. B. für das Redoxsystem CMnoti—Hydrochinon mit der Reaktionsgleichung Chinon + H2 O ^ Hydrochinon + V2 O2 (1) gilt: ^H2O 10 Bedeckt beispielsweise ein Chinon-Hydrochinon-Gemisch eine Germaniunifläche, an welcher der Gleichgewichtspartialdruck j>o,inr, herrscht, so muß sich bei Anwesenheit von Feuchtigkeit der unter H2O-Gebrauch ablaufende Vorgang (1) so lange abspielen, bis = κ ^H2O ist. Je größer K, d. h. je größer die oxydierende Kraft des Redoxsystems ist, um so mehr wird bei gegebenem Po1,,*, der im Gleichgewicht vorhandene H2O-PaT-tialdruck herabgesetzt. Statt eines Gemisches aus oxydierter und reduzierter Stufe kann natürlich auch die oxydierte Stufe allein angewendet werden, da schon geringe Feuchtigkeitsspuren die reduzierte Stufe erzeugen. Die hier gewählte Formulierung der Wirkungsweise des Redoxsystems an der Oberfläche ist nur eine unter verschiedenen möglichen, aber einander äquivalenten Formulierungen, mit anderen Worten: Die Bruttowirkung des Redoxsystems ist unabhängig von den Vorstellungen über den speziellen Mechanismus der Einzelvorgänge, in die sich die Gesamtreaktion (1) zerlegen läßt. Aus dem Vorstehenden folgt, daß für eine günstige Wirkung des Redoxsystems folgende Voraussetzungen erfüllt sein müssen:

1. Das Oxydationspotential des Redoxsystems muß größer sein als das des Systems Halbleiter—Halbleiteroxyd.

2. Die Menge des aufgebrachten Redoxsystems muß ausreichend sein, um eine vollständige Gleich- ^₅ gewichtseinstellung des Redoxgleichgewichts zu gewährleisten.

Unter diesen Voraussetzungen bewirkt das Redoxsystem

1. Herabdrücken des Wasserdampfpartialdrucks,

2. Konstanthalten eines festen Sauerstoffpartialdrucks.

Als Redoxysystem kommen je nach der Art des Halbleiterbauelementes beispiel-sweise in Frage: p-Chinon—Hydrochinon und analoge Systeme wie Thymochinon—Thymohydrochinon usw., Diphenylamin— Diphenylbenzidin und deren Abkömmlinge, Indigo— Indol und deren Abkömmlinge, Systeme der Art Disulfidverbindung·—-Suifhydirylverbindung, Triarylmethan-Redoxsysteme usw. Bei legierten Germanium-p-n-p-Transistoren hat sich die Verwendung von p-Chinon—Hydrochinon als besonders günstig erwiesen.

Die Anwendung der Redoxsysteme bzw. der oxydierten Stufe allein kann geschehen:
1. bei festen oder flüssigen Substanzen durch Aufstreuen der gepulverten Stoffe oder Aufschmelzen, bzw. durch Bedeckung der Oberfläche mit der flüssigen Substanz,

2. durch Aufdampfen auf die Halbleiteroberfläche,

3. durch Aufbringen in gelöster Form, gegebenenfallls mit nachträglicher Verdampfung des Lösungsmittels,

4. durch Zumischen in einen zum mechanischen Schutz oder zur Wärmeableitung aufzutragenden Lack,

5. durch chemischen Einbau des Redoxsystems in den mechanischschützenden oder wärmeableitenden Lack nach Art der in H. G. Cassidy, Journal of the American Chemical Society, Vol. 71 (1949), S. 402, beschriebenen »Elektronenaustauscher«. Dabei kann an Stelle der üblichen Formaldehyd-Phenol-Harz-Grundlage auch ein Silicongerüst Verwendung finden.

In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Auf einer Germaniumscheibe 2 ist eine Basiselektrode 1 angebracht, und beidseitig sind in ihrer Oberfläche PiHein 3 und 4 aus Indium einlegiert. Zu diesen Pillen 3 und 4 führen elektrische Zuleitungen 5 und 6, die mit den Pillen 3 und 4 an den Stellen 8 und 9 verlötet sind. Dieses Element wirkt als Transistor, wenn z. B. 5 als Kollektor, 6 als Emitter und 1 als Basis geschaltet ist. Dieser Transistor ist erfindungsgemäß mit einer Schutzschicht 7 aus einem Redoxsystem überzogen.

Die Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt; insbesondene ist es wohl vorteilhaft, in vielen Fällen aber nicht notwendig, die ganze Oberfläche eines Halbleiterbauelements mit der beanspruchten Schutzschicht zu bedecken.

Patentansprüche:

1. Feuchtigkeitsgeschützite Halbleiteranordnung mit ρη-Übergängen, dessen Oberfläche mit chemischen Verbindungen bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mit einem Redoxsystem bedeckt ist, das die im Zusammenwirken mit dem Halbleitermaterial auf der Oberfläche vorhandenen Wassermoleküle aufnimmt und dafür äquivalente Mengen Sauerstoff abscheidet, und zwar derart, daß dieser Sauerstoff mindestens teilweise das Halbleitermaterial oxydiert.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationspotential des Redoxsystems größer ist als das des Systems Halbleiter—Halbleiteroxyd und daß die Menge der oxydierenden Komponente des Redoxsystems ausreicht, um eine vollständige Qeichgewichtseinsitellung des Redoxgleichgewichtes herbeizuführen.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mit der oxydierenden Komponente des Redoxsystems bedeckt ist.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Redoxsystem p-Chinon—Hydrochinon oder Thytnochinon—Thymohydrochinon oder Diphenylamin—Diphenylbenzidin oder Indigo—Indol oder Systeme der Art Disulfidverbindung·—S ulfhydryl verbindung oder Triarylmethan-Redoxsysteme verwendet sind.

5. Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranondnungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Radoxsystem, falls es pulver-