DE1055131B - Verfahren zur Herstellung von pn-Schichten in Halbleitern nach der Pulverschmelz-Methode - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von pn-Schichten in Halbleitern nach der Pulverschmelz-MethodeInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
kl. 21g 11/02
INTERNAT. KL. H Ol 1
PATENTAMT
I7142VIIIc/21g
ANMELDETAG: 18.APRIL19S3
J ,
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 16. APRIL 1959
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von pn-Schichten in Halbleiterkristallen
durch Zusammenschmelzen einer dünnen Schicht eines gepulverten Halbleitermaterials eines Leitungstyps
mit einem massiven Halbleiterkörper entgegengesetzten Leitungstvps im Vakuum bzw. neutraler
oder reduzierender Atmosphäre, bei dem die Oberseite des gepulverten Halbleitermaterials der Einrichtung
eines Wärmestrahlers ausgesetzt wird, daß dieses die Schmelztemperatur erreicht, nicht aber der massive
Halbleiterkörper.
Die bisher bekanntgewordenen Verfahren zur Bildung von pn-Schichten in Halbleitern haben gewisse
Nachteile. Bei dem bekannten Diffusionsverfahren bringt man eine Menge p- oder n-Störatome in physikalischen
Kontakt mit den gegenüberliegenden Seiten einer dünnen Scheibe aus n- bzw. p-Halbleitermaterial
von bestimmtem spezifischem Widerstand. Die Masse wird dann so hoch erhitzt, daß die Störatome in das
Innere der dünnen Scheibe hineindiffundieren. Die Erhitzung wird abgebrochen, kurz bevor die Mittelschicht
der Scheibe die Eigenschaften eines Störstellenhalbleiters angenommen hat. Ein grundsätzlicher
Nachteil dieser Diffusionsmethode besteht in der mangelnden Steuerung des spezifischen Widerstandes
der durch die Verunreinigung zu konvertierenden Bereiche. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens liegt
in den verhältnismäßig breiten Grenzen oder Schichten zwischen den Bereichen mit verschiedenem Leitfähigkeitstyp.
Ein weiteres bekanntes Herstellungsverfahren ist das sogenannte »Ziehverfahren«. Beim Ziehverfahren
wird zunächst das eine Ende eines gezüchteten Kristalls mit einer Schmelze aus demselben Halbleitermaterial
in Berührung gebracht. In der Ziehvorrichtung wird außerdem ein bestimmtes Wännegefälle aufrechterhalten,
so daß an der Kontaktfläche die Schmelzpunkttemperatur herrscht. Im weiteren Verlauf muß
der Zuchtkristall langsam zurückgezogen werden, damit der Meniskus beim Aufsteigen aus der Schmelze
erstarrt. Dieses Verfahren, das in erster Linie bei der Züchtung von Einkristallen Anwendung findet, läßt
sich auch zur Erzeugung von pn-Schichten durch stufenweise Änderung des Leitfähigkeitstyps der
Schmelze nach der Zurückziehung des gezüchteten Kristalls benutzen. Dieses Verfahren ist von Teal
u. a. in der Zeitschrift Phys. Rev. Bd. 81, S. 637, vom 15. Februar 1951 näher beschrieben. Es hat aber ebenfalls
einige Nachteile, die darin bestehen, daß
1. zur erfolgreichen Schichtenerzeugung der mechanische Stabilitätsgrad der Schmelze sehr hoch sein
muß, da sonst die geringste, auf die verhältnismäßig große Masse der Schmelze übertragene
Verfahren zur Herstellung
von pn-Schichten in Halbleitern
nach der Pulverschmelz-Methode
Anmelder:
IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen
Gesellschaft m. b. H.r Sindelfingen (Württ), Tübinger Allee 49
Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 19. April 1952
Lloyd Philip Hunter, Poughkeepsie, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden
Schwingung zur
Schichten führt,
Schichten führt,
Erzeugung unvollkommener
2. es in der Regel sehr schwierig ist, während des Verfahrens das erforderliche Wärmegefälle aufrechtzuerhalten;
das Schmelzniveau ändert sich und macht eine Positionsverschkbung des Wärmegradienten
notwendig.
Ein dritter Nachteil besteht beim Ziehverfahren darin, daß die Geschwindigkeit der Zurückziehung des
Kristalls sehr sorgfältig gesteuert und angepaßt werden muß, damit sich die ständig wachsende Wärmemenge,
die durch den wachsenden Kristall von der Schmelze abgezogen wird, sich ausgleicht.
Die durch die bekannten Herstellungsverfahren ge-
gebenen Schwierigkeiten zu überwinden und ein neues Verfahren zur Herstellung von pn-Schichten in
Halbleitern zu schaffen, die die aufgezählten Nachteile nicht mehr aufweisen, ist die der Erfindung zugrunde
liegende Aufgabe.
Die Erfindung befaßt sich mit der Weiterbildung eines Verfahrens zur Herstellung von pn-Schichten in
Halbleiterkristallen durch Zusammenschmelzen einer dünnen Schicht eines gepulverten Halbleitermaterials
eines Leitungstyps mit einem massiven Halbleiter-
körper entgegengesetzten Leitungstyps im Vakuum bzw. neutraler oder reduzierender Atmosphäre, bei
dem die Oberseite des gepulverten Halbleitermateri^ der Einwirkung eines Wärmestrahlers derart
gesetzt wird, daß dieses die Schmelztemperatui
809 ί
reicht, nicht aber der massive Halbleiterkörper. Für dieses Verfahren besteht die Erfindung darin, daß das
gepulverte Halbleitermaterial in dünner Schicht, z. B. etwa 0,8 mm, auf den in einen zylindrischen Graphittiegel
eingebrachten massiven Halbleiterkörper in solcher Menge eingefüllt -wird, daß der Graphittiegel
gefüllt ist.
Für ein Verfahren zur Herstellung von für elektrische Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter oder
Transistoren, bestimmten Halbleiterkristallen, beispielsweise aus Germanium oder Silizium, ist bereits
vorgeschlagen worden, daß gepulvertes Halbleitermaterial in nicht oxydierender Umgebung stetig oder
intermittierend auf eine vorzugsweise aus einem reinen Block des entsprechenden Halbleiterstoffes bestehende,
an der Oberfläche unter Anwendung einer verbrennungslosen Erhitzurigsart so weit erhitzte Unterlage
aufgebracht wird, daß es dort in dünner Schicht schmilzt und daß beim Aufbringen weiterer Pulvermengen
durch stetiges oder schrittweises Entfernen der ersten Schicht aus der Zone der Schmelztemperatur
und gegebenenfalls zusätzlicher definierter Kühlung diese zu erstarren beginnt usw., bis ein Kristall
gewünschter Größe erreicht ist.
Das Verfahren nach diesem älteren Vorschlag bezieht sich aber auf ein Verfahren zur .tiegelloscn
Pulververschmelzung von Halbleitermaterial, nicht aber auf ein Pulverschrri'elzverfahren unter Verwendung
eines Tiegels. Das Auftreten von Spannungen durch das bekannte Schmelzen in Tiegeln mit nachfolgendem
Erstarren, ist bei 'der Erfindung infolge der
geringen Höhe der Schmelzzone — die Pulverschichthöhe beträgt nur etwa 0,8 mm — praktisch zu vernachlässigen.
Gegebenenfalls auftretende Spannungen sind außerdem auch nur auf eine schmale Randzone
beschränkt.
Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung für ein Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Zeichnung
stellt, zum Teil im Schnitt dargestellt, eine Anordnung für die Herstellung von pn-Schichten in Halbleitern
nach der Erfindung dar.
Nach der Zeichnung wird ein kleiner, stabförmige!· Halbleiter 10 mit einer Leitfähigkeit vom n- oder
p-Typ in einen aus reinem Graphit bestehenden Schmelztiegel 12 gebracht. Dieser Stab kann beispielsweise
au« Germanium vom η-Typ bestehen, einen Querschnitt von etwa 1 mm2 aufweisen und so lang
sein, daß das obere Ende des Stabes 10 etwa 0,8 mm unter der Oberseite des Tiegels bleibt. Der Tiegel 12
wird dann mit reduziertem Halbleitermaterial 14 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, z. B. Germaniummetallpulver,
das die richtige Menge Verunreinigungen vom p-Leittyp enthält, aufgefüllt. Dann wird der
Heizstrahler 16 unmittelbar über den Tiegel gebracht. Der Strahler 16 ist ebenfalls aus reinem Graphit,
damit weder er noch der Tiegel das Halbleitermaterial unerwünscht verunreinigt. Das bisher beschriebene
Gerät ist durch eine Glocke 18, die z. B. aus Quarz bestehen kann, von der Außenluft abgeschlossen, und
der Raum innerhalb der Glocke 18 wird bezüglich des Halbleitermaterials gegen Verunreinigungen und Reaktionen
geschützt. Dieses kann dadurch erreicht werden, daß der Raum innerhalb der Glocke evakuiert
wird oder dadurch, daß dieser Raum eine Füllung mit einem neutralen oder reduzierenden Gas, z. B. gereinigtem
Helium bzw. Wasserstoff, erhält.
Der Heizstrahler 16 ist von der Stromquelle 20 gespeist, und die Temperatur der Oberfläche der
Schmelze und des Tiegels 12 wird auf den Schmelzpunkt des Germaniumpulvers erwärmt, d. h. auf etwa
946° C. Da die Wärme nur von oben einwirkt, entsteht im Material und auch im Schmelztiegel ein
steiles Wärmegefälle. Es ist daher möglich, die Temperatur auf Schmelzpunkttemperatur des Halbleitermaterials
im ganzen Pulver und an der Oberfläche des n-Typ-Germaniumstabes 10 zu halten, während der
andere Teil des Stabes 10 unter der Schmelzpunkttemperatur des Halbleitermaterials gehalten wird.
Nachdem das Pulver 14 vollständig geschmolzen ist,
ίο muß die Temperatur langsam erniedrigt werden, bis
sich die Kristallstruktur des anfänglichen Germaniumstabes
10 durch den neuen p-Typ-Bereich, der aus dem Pulver 14 gebildet worden ist, erstreckt und die ganze
Masse ein einziger Kristall ist. Während dieses Abkühlungsvorganges kann die Temperatur anfangs
ziemlich schnell, nämlich um 10° C pro Minute, herabgesetzt
werden, bis eine Temperatur von 550° C
erreicht ist. Auf dieser Temperatur muß dann die Masse etwa 16 Stunden lang gehalten werden, bevor
sie weiter erniedrigt werden darf.
"""Werden weitere Schichten gebraucht, d. h. soll z. B.
ein npn- oder ein pnp-Block hergestellt werden, so kann das beschriebene Verfahren mit dem Pulver vom
gewünschten Leitfähigkeitstyp wiederholt werden, das an die entsprechende Oberfläche gebracht wird und
dessen Leitfähigkeitstyp dem des Körpers entgegengesetzt ist; darauf wird das Schmelz- und Erstarrungs-
oder Abkühl verfahren wiederholt; natürlich
läßt sich dieser Prozeß so oft wiederholen, wie es gewünscht wird, um so nicht nur einen Halbleiterdioden-
oder -triodenkörper, sondern auch Körper für Tetroden, Pentoden usw. zu erzeugen.
Während in. dem angeführten.Beispiel ein Stab aus
Germanium vom η-Typ und Pulver aus Germanium vom p-Typ verwendet worden sind, kann im Bedarfsfalle
auch der Stab aus Germanium vom p-Typ und das Pulver aus Germanium vom η-Typ sein. Das Verfahren
ist auch nicht auf ein bestimmtes Halbleitermaterial beschränkt, obwohl stets nur ein Halbleiter
verwendet werden darf. Es ist ohne weiteres möglich, z. B. Silizium an Stelle von Germanium zu benutzen
und darin pn-Schichten in der gleichen Weise herzustellen, obwohl wegen des höheren Schmelzpunktes
des Siliziums dann höhere Temperaturen erforderlich sind.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von pn-Schichten in Halbleiterkristallen durch Zusammenschmelzen
einer dünnen Schicht eines gepulverten Halbleitermaterials eines Leitungstyps mit einem massiven
Halbleiterkörper entgegengesetzten Leitungstyps im Vakuum bzw. neutraler oder reduzierender
Atmosphäre, bei dem die Oberseite des gepulverten Halbleitermaterials der Einwirkung eines Wärmestrahlers
derart ausgesetzt wird, daß dieses die Schmelztemperatur erreicht, nicht aber der
massive Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß das gepulverte Halbleitermaterial in dünner
Schicht, z. B. etwa 0,8 mm, auf den in einen zylindrischen Graphittiegel eingebrachten massiven
Halbleiterkörper in solcher Menge eingefüllt wird, daß der Graphittiegel gefüllt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der massive Halbleiterkörper (10)
und das gepulverte Halbleitermaterial (14) in einen, Graphittiegel (12) gebracht werden, der von
einer Quarzglocke (18) umschlossen wird und der von oben durch einen elektrischen Heizstrahler (16)
erhitzt wird.
5 6
In Betracht gezogene Druckschriften: Shong: »Mod. P'hys. Laboradory Practice«, New
»Das Elektron«, Bd. 5 (1951/52), S. 434/435; York 1938, S. 529 (Fig. 29) Buch,
am 30.8. 1951 bekanntgemachte Unterlagen der
deutschen Patentanmeldung W 4642 VIII c/21 g 11/02; In Betracht gezogene ältere Patente:
schweizerische Patentschrift Nr. 247 861; 5 Deutsches Patent Nr. 968 581.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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