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Verfahren zur Feststellung der genauen Lage eines Uberganges zwischen
den aneinandergrenzenden Teilen von Zonen mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp
in einem halbleitenden Körper Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung
der genauen Lage eines Überganges zwischen den aneinandergren:zenden Teilen; von
Zonen mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp in einem halbleitenden Körper, bei
dem eine Sonde auf der Oberfläche des Körpers, zwischen dessen Enden eine Spannung
angelegt ist, verschoben wird und bei dem Signale von dem Strom, der den Körper
durchfließt, abgeleitet werden, die die Lage der Sonde am Körper dadurch angeben,
daß der Strom durch die elektrische Verbindung der Sonde mit dem Körper beeinflußt
wird. Ein solches Verfahren ist insbesondere bei der Herstellung von sehr kleinen
Halbleiterschaltelementen, z. B. bei der Herstellung von Transistoren mit zwei Übergängen,
von wesentlicher Bedeutung.
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Ein Transistor mit zwei Übergängen besteht aus einem Stab aus Halbleitermaterial
wie Germanium, bei dem die beiden Endteile einen bestimmten Leitfähigkeitstyp aufweisen,
während die Mittelzone, welche gewöhnlich die Gestalt einer dünnen Schicht hat,
die sich quer zur längsten Abmessung der Stange erstreckt, den entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp aufweist.
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Infolge der Art der Leitung, die in einem Transistor während des Betriebs
stattfindet, hängt seine hochfrequente Grenzfrequenz von seiner Größe ab. Je höher
die Frequenz ist, bei der er verwendet werden soll, um so kleiner muß er sein. Um
Laufzeiteffekte zu verringern und damit die hochfrequente Grenzfrequenz zu erhöhen,
soll die Breite der Mittelzone sehr klein sein. Weiterhin soll auch der Querschnitt
des Halbleiterstabes selbst an der Mittelzone sehr klein sein, wenn auch nicht so
klein wie die Breite der Zone. Bei einem Stab mit gegebenen Abmessungen kann eine
Verbesserung des hochfrequenten Betriebes erreicht werden, indem man die Fläche
der Mittelzone effektiv noch weiter beschränkt, z. B. durch Anlegen einer elektrischen
Vorspannung, die an den Seiten der Mittelzone zwischen den an ihr befestigten Elektroden
liegt. Durch gemeinsame Anwendung aller dieser Maßnahmen ist es ermöglicht worden,
einen zufriedenstellenden Betrieb eines Flächentransistors bei Frequenzen in der
Größenordnung von 700, MHz und mehr zu erreichen. Hierbei ist jedoch ein Halbleiterstab
mit einer Mittelzone erforderlich, dessen Dicke etwa 0.005 mm und dessen Querschnitt
etwa 0,203 mm' beträgt. Die Feststellung der Lage dieser sehr kleinen Schicht an
dem Stab und die genaue Anbringung der Basiselektroden an den gegenüberliegenden
Seiten dieser Schicht stellen ein schwieriges Problem dar, das selbst bei Verwendung
eines Mikroskops und von Mikrohandwerkzeug nur schwer zu lösen ist.
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Es ist deshalb bereits - vorgeschlagen worden, die genaue Lage eines
Übergangsbereiches bei einem Halbleiter mit Hilfe einer Sonde festzustellen. Die
Sonde wird dabei auf der Oberfläche des Körpers, zwischen dessen Enden eine Spannung
gelegt ist, verschoben, und es werden von dem Strom, der den Körper durchfließt,
Signale abgeleitet, die die Lage der Sonde am Körper dadurch angeben, daß der Strom
durch die elektrische Verbindung der Sonde mit dem Körper beeinflußt wird.
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Bei der praktischen Anwendung dieses Ermittlungsverfahrens haben sich
jedoch wesentliche Schwierigkeiten ergeben, die vornehmlich durch die Unbestimmtheit
des
elektrischen Kontakts zwischen der Sonde und dem Halbleiter bedingt sind.
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Die Erfindung geht von dem erläuterten älteren Vorschlag aus und empfiehlt
in Abweichung von dems,elben, daß an die Sonde einerseits eine gleichbleibende Vorspannung
vorbestimmter Polarität und andererseits Stromimpulse nacheinander angelegt werden,
um durch die letztere ?Maßnahme für jedes abgeleitete Signal eine feste elektrische
Verbindung zwischen der Sonde und dem Körper herzustellen. Die Signale sind kräftig
und deutlich und machen die Lage einer Verbindung leicht erkennbar. Demgemäß ist
auch die Verarbeitung des Halbleiters erleichtert, und die Anbringung von Elektroden
an der Mittelzone kann wesentlich rascher und zuverlässiger erfolgen als bisher.
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Es empfiehlt sich, bei der Ausübung des Verfahrens die Sonde in kleinen
getrennten Schritten zu verschieben und zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden
Schritten einen Stromimpuls anzulegen.
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Im Interesse einer besonders klaren und unzweideutigen Anzeige der
jeweiligen Sondenstellung ist es vorteilhaft, daß Stromimpulse verwendet werden,
deren Polarität der Polarität der Vorspannung entgegengesetzt ist. Es hat sich dabei
als zweckmäßig erwiesen, die Stärke der Impulse so zu wählen, daß sie die Höhe der
Vorspannung wesentlich überwiegt.
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Um die Deutlichkeit der Anzeige zu steigern, wird gemäß einer zweckmäßigen
Weiterbildung des vorliegenden Verfahrens der Teil des Halbleiterkörpers, an welchen
die Sonde angelegt wird, stark belichtet. Es lassen sich dadurch die P:hotodiodeneigenschaften
des Halbleiterstabes ausnutzen, die z. B. an den Anschlußstellen der Einitterelektrode
und der Kollektorelektrode stark voneinander abweichen.
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Für den speziellen Fall. daß der halbleitende Körper zwei Endzonen
mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp und eine Mittelzone mit dem entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp hat. wird die an die Sonde angelegte vors pannung in bezug auf
die Mittelzone zweckmäßig eine derartige Polarität aufweisen, daß beim Anlegen der
Sonde an die 'Mittelzone dieselbe in Sperrichtung vorgespannt ist.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
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Fig.l zeigt in perspektivischer Darstellung eine Meßanordnung zur
Prüfung eines halbleitenden Stabes, um eine Mittelschicht mit einem dem übrigen
Stab entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp festzustellen; Fig.2 und 3 sind Schaubilder,
welche die Strom-Spannungs-Kennlinien eines solchen Stabes zeigen, wie sie auf dem
Schirm eines Oszillographen unter verschiedenen Bedingungen der Sondenlage und der
Impulse erscheinen.
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Fig. 1 zeigt einen halbleitenden Stab 1, der z. B. aus Germanium bestehen
kann und dessen Endteile 2 und 3 n-Leitfähigkeit haben, während eine sehr kleine
Schicht 4 mit p-Leitfähigkeit sich quer von einer Seite des Stabes zur anderen an
irgendeiner unbekannten Stelle zwischen den Endteilen erstreckt. Der linke Endteil
des Stabes ist von der Mittelschicht durch einen Emitterübergang und der rechte
Endteil durch einen Kollektorübergang getrennt. Ein solcher Stab kann von einem
viel größeren Einkristall aus Germanium abgeschnitten sein, der im sogenannten »Stufenzieh«-Verfahren
hergestellt wurde. Der Stab kann zwischen den federnden Klemmen 5 gehalten werden,
die an isolierenden Trägern 6 befestigt sind.
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Die Sonde 7, mit der der Stab untersucht werden soll, ist vorzugsweise
ein feiner Draht 7 aus einem zähen dehnbaren leitenden Metall. Eine Goldlegierung,
die etwa 2% Gallium enthält, hat sich als zweckmäßig erwiesen. Dieser Draht, dessen
Durchmesser etwa 0,041 mm beträgt, wird von einer Schweißstelle an einem viel dickeren
Metalldraht gehalten, z. B. einem Nickeldraht 8 von etwa 0,254 mm Durchmesser. Das
freie Ende des Drahtes ist im rechten Winkel auf eine Länge von etwa 0,38 mm umgebogen.
Die Spitze des umgebogenen Teils wird auf eine Dicke von im wesentlichen weniger
als 0,041 mm zugespitzt. Wenn auch diese Spitze durch Abscheren des Drahtes an einem
Winkel hergestellt werden kann, um eine meißelartige Kante zu erhalten, so kann
sie statt dessen auch mit Vorteil in die Form einer Schaufel gebracht werden, z.
B. durch Quetschen in einem Schraubstock. Das Quetschen und das Aufsetzen des Drahtes
geschehen so, daß die lange Abmessung der schaufelartigen Spitze quer zur langen
Abmessung des Germaniumstabes 1 liegt und damit parallel zur langen Abmessung der
(noch nicht lokalisierten) p-Schicht 4, Der Nickeldraht 8, an den die Goldsonde
7 angeschweißt ist, wird von einer Klemme 9 gehalten, die so angeordnet ist, daß
sie genau parallel zur Achse des Stabes 1 bewegt werden kann, z. B. durch eine übliche
Mikro-Handhabungseinrichtung. Diese Bewegung kann durch eine Mikrometerschraube10
vorgenommen werden, welche eine kalibrierte Hülse trägt.
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Wenn auch die elektrische Messung, welche die Lage der Sonde auf dem
Stab angibt, auf irgendeine beliebige Art vorgenommen werden kann, so besteht doch
eine besonders einfache und bequeme Messung, welche die Eigenschaften des Transistors
benutzt, darin, eine Wechselspannung von z. B. 60 Hz an die beiden Endklemmen des
Stabes und eine konstante Vorspannung von geeigneter Polarität an die Sonde anzulegen.
Zu diesem Zweck wird eine Wechselstromquelle 11 über einen Belastungswiderstand
12 an die beiden Enden des Stabes 1 angelegt, während eine Stromquelle, d. h. eine
Batterie 13, in Reihe mit einem großen Widerstand 14 an die Sondenhalteklernme 9
angelegt wird, die so gepolt ist, daß sie eine negative Spannung an die Klemme legt.
Die Spannung, welche am Belastungswiderstand 12 erscheint, kann an die waagerechten
Ablenkplatten eines Kathodenstrahlrohres 15 so angelegt werden, daß die waagerechte
Koordinate des entstehenden Bildes, wie es auf dem Oszillograplienschirm erscheint,
proportional dem Strom in der Kollektorelektrode 3 des Stabes 1 ist. Gleichzeitig
kann die Spannung, welche an dem Stab 1 erscheint, an die senkrechten Platten des
Oszillographenrohres 15 angelegt werden. Bei dieser Anordnung stellt das auf dem
Oszillographenschirm 16 erscheinende Bild die Strom-Spannungs-Kennlinie des Stabes
1 dar.
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Im Betrieb wird die Sonde 7 in sehr kleinen Stufen weiterbewegt, während
das Bild des Oszillographenschirmes 16 beobachtet wird. Wenn die Sonde noch in Eingriff
mit dem Emitterendteil 2 des Stabes 1 steht, erscheint auf dem Schirm nur das Bild,
welches durch den Strom in dem Emitter- und dem Kollektorübergang entsteht, die
in Reihe liegen. Da diese beiden Übergänge eine Gleichrichterkennlinie zeigen und
für jede Polarität der Betriebsspannung einer der Übergänge in Flußrichtung und
der andere in Sperrichtung vorgespannt ist, zeigt das auf dem Oszillographenschirm
16 entstehende Bild die bekannte Strom-Spannungs-Kennlinie von zwei gegengeschalteten
Gleichrichtern, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Eine Belichtung des Stabes z.
B. durch eine Lampe 17 benutzt die Photodiodeneigenschaften der beiden Übergänge
und macht damit den Knick nahe der Mitte dieses
Bildes deutlicher,
und das Anlegen der negativ vorgespannten Sonde 7 an das Emitterelektrodenende 2
des Stabes hat im wesentlichen keine Wirkung.
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Wenn die Sonde 7 über den Emitterübergang hinwegbewegt wird und in
festen elektrischen Kontakt mit der p-Schicht4 kommt, kann sie als Basiselektrode
eines Transistors dienen. Ihre negative Vorspannung bewirkt, daß der Transistor
im gesperrten Zustand gehalten wird, und verringert damit den Kollektorelektrodenstrom
stark. Diese Wirkung wird durch eine Belichtung des Stabes erhöht, sie wird auf
dem Oszillographenschirm durch ein Bild dargestellt, wie es auf dem Schirm 16 der
Fig. 2 zu sehen ist.
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Jedoch bleibt das Bild manchmal bei besonders starker Belichtung ohne
Änderung erhalten, wenn die Sonde auf den Emitterübergang zu oder über diesen hinaus
bewegt wird; häufig läuft es willkürlich auseinander und tanzt manchmal hin und
her. Eine typische Darstellung eines solchen Bildes ist in Fig. 3 zu sehen. Dieser
Effekt bleibt erhalten, bis die Sonde weit über den Emitterübergang hinaus in die
Nähe des Kollektorüberganges bewegt wird. Somit wird die Anzeige der Lage der beiden
Übergänge und damit die Lage der dazwischenliegenden p-Schicht unbestimmt und unsicher.
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Jedoch wird nur durch Anlegen eines momentanen Stromimpulses an die
Sonde, und zwar mit entgegengesetztem Vorzeichen wie der unter dem Einfluß der konstanten
Vorspannungsduelle fließende Strom, jedes dieser unrichtigen oder tanzenden Bilder
sofort in ein feststehendes Bild umgewandelt, das entweder wie in Fig.1 aussieht
und anzeigt, daß die Sonde die p-Schicht noch nicht erreicht hat oder sie überschritten
hat, oder wie in Fig. 2 aussieht und mit gleicher Sicherheit anzeigt, daß die Sonde
mit der p-Schicht im Eingriff ,teht. Weiterhin wird durch den momentanen Stromimpuls
ein konstantes Bild nach Art der Fig.2 oftmals in ein Bild nach Art der Fig. 1 umgewandelt.
Durch Anlegen des Stromimpulses wurde es möglich, die Bestimmung der Lage der beiden
Verbindungen und der dazwischenliegenden p-Schicht um einen Faktor zehn oder größer
zu verfeinern.
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Der Stromimpuls, welcher diese vorteilhafte Wirkung hat, wird durch
Anschließen einer Hilfsbatterie 20 in Reihe mit einem Widerstand 21 und einem von
Hand betätigten Schalter 22 an die Sondenhalteklemme 9 erzeugt. Die Polarität der
Batterie 20 ist derjenigen der konstanten Sondenvorspannungsbatterie 13 entgegengesetzt.
Also ist bei einer Stange aus n-leitendem Material mit einer Mittelschicht aus p-leitendem
Material die konstante Vorspannung der Sonde negativ gegen das Emitterelektrodenende
2 des Stabes, während die Impulsvorspannung positiv gegen das Emitterelektrodenende
des Stabes ist. Wenn der Leitfähigkeitstyp der einzelnen Teile des Stabes vertauscht
wird, müssen selbstverständlich die Polaritäten beider Batterien vertauscht werden.
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Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, beträgt die Spannung
der Impulsvorspannungsbatterie wenigstens das Doppelte der Spannung der konstanten
Vorspannungsbatterie. Bei etwa gleichen Werten der Reihenwiderstände 14 und 21,
z. B. 1l2 Megohm, wird durch Schließen des Schalters momentan ein positiver elektrischer
Impuls an den Stab angelegt. In einem speziellen Fall kann die Batterie 13 eine
Spannung von 3 bis 6 Volt und die Batterie 20 eine Spannung von 10 bis 20 Volt haben.
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Die durch Anlegen des momentanen Stromimpulses an die Sonde erzielten
beträchtlichen Vorteile lassen sich vielleicht in folgender Weise erklären. Wenn
die äußere Oberfläche der p-Schicht mit der Sonde in Berührung ist, weist sie einen
mikroskopisch dünnen Film auf, und zwar infolge des Vorhandenseins von Feuchtigkeit,
chemischer Einwirkung oder bloß infolge einer Oberflächenladung, wie z. B. von J.
J o f f e in »Electrical Communication«, 1945, Bd. 22, S. 217, geschildert wurde.
Dieser Film ist n-leitend und nicht p-leitend. Daher kann eine mikroskopisch dünne
Gleichrichtergrenzschicht zwischen dem Körper aus p-leitendem Material und dem Metall
der Sonde bestehen, die der Spannung der konstanten Vorspannungsbatterie eine sehr
hohe Impedanz entgegensetzt. Bei Berührungen, die so fein sind wie die hier geschilderten,
kann die normale Vibration eines Laboratoriumgebäudes, die sonst völlig unwahrnehmbar
ist, die sehr kleinen Verschiebungen des Berührungspunktes verursachen und damit
ein unstabiles Bild auf dem Schirm erzeugen. Mit diesen Betrachtungen und mit der
experimentell betätigten Wirkung des Stromimpulses ist vereinbar, daß dieser eine
sehr kleine, vielleicht sogar monomolekulare Verbindung verursacht, die von dem
Metall der Sonde zu dem unter ihr befindlichen p-leitenden Halbleitermaterial führt,
so, daß hierdurch ein fester Ohmscher Kontakt zwischen der Sonde und dem p-leitenden
Material entsteht. Diese Verbindung ist von solcher Feinheit, daß sie mechanisch
nicht wahrnehmbar ist. Ein Weiterführen der Sonde, selbst um wenige hundertstel
Millimeter, zerstört die Verbindung und bringt die Sonde in eine Lage, bei der ein
neuer Stromstoß einen neuen Ohmsch:en Kontakt zu einem angrenzenden Teil der p-Schicht
herstellen kann.