DE1064638B - Verfahren zur Herstellung von Flaechentransistoren aus drei einkristallinen Schichten - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Flächentransistoren aus zwei äußeren einkristallinen Halbleiterschichten gleichen Halbleitermaterials und gleichen Leitungstyps und einer einkristallinen Halbleiter-Zwischenschicht entgegengesetzten Leitungstyps und gleichen Gitteraufbaues, deren Schmelzpunkt niedriger als der der beiden Außenschichten ist.

Zur Herstellung von Flächentransistoren sind verschiedene Verfahren bekannt. Von den Verfahren, bei denen die p-n-Übergänge durch Behandlung des massiven Halbleitermaterials erzeugt werden, sind für die Praxis insbesondere das Legierungs- und das Diffusionsverfahren interessant. Die elektrischen Eigenschaften der Transistoren werden nicht nur durch die Dotierung der einzelnen Schichten bestimmt, sondern auch durch die Eigenschaften der Übergänge und durch die Breite der Mittelzone. Sie sind somit auch abhängig von dem zur Herstellung der Schichten angewendeten Verfahren. Insbesondere ist es stets erwünscht, daß die Übergänge zwischen den Schichten planparallel zueinander verlaufen und daß die Mittelzone möglichst dünn ist. Darüber hinaus ist man bestrebt, möglichst großflächige Übergänge herzustellen. Diese Eigenschaften können bei Herstellung der Schichttransistoren nach dem Diffusionsverfahren erreicht werden, bei der Herstellung nach dem Legierungsverfahren jedoch nicht. Dagegen ist das Legierungsverfahren technisch leicht durchführbar, während das Diffusionsverfahren insbesondere dann schwierig durchzuführen ist, wenn es sich darum handelt, zwei Bestandteile in das Grundmetall eindiffundieren zu lassen. Die Qualität der Übergänge ist stark abhängig von dem Herstellungsverfahren. Während die Übergänge in nach dem Legierungsverfahren hergestellten Transistoren beide scharf sind, verläuft bei nach dem Diffusionsverfahren hergestellten Transistoren ein Übergang scharf, der andere flach.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von p-n-Übergängen ist das der Zusammensinterung von getrennten n- und p-leitenden Kristallen oder auch von 2 n- oder 2 p-leitenden Kristallen, auf die eine dünne Schicht mit einem den entgegengesetzten Leitungstyp liefernden Dotierungsmaterial aufgebracht ist. Im letzteren Fall tritt beim Zusammensintern der beiden Kristalle gleichen Leitungstyps gleichzeitig eine Diffusion des Dotierungsmaterials in die beiden Kristalle ein, so daß eine Zwischenschicht entgegengesetzten Leitungstyps gebildet wird. Es ist ferner auch bekannt, nach dem gleichen Verfahren n-p-n- oder p-n-p-Übergänge dadurch herzustellen, daß zwei äußere einkristalline Halbleiterschichten gleichen Halbleitermaterials und gleichen Leitungstyps und eine einkristalline Halbleiter-Zwischenschicht eptr" Verfahren zur Herstellung

von Flächentransistoren
aus drei einkristallinen Schichten

Anmelder:
Intermetall Gesellschaft für Metallurgie

und Elektronik m.b.H.,
Düsseldorf, Königsallee 14/16

Walther Ramser, Düsseldorf,
ist als Erfinder genannt worden

gegengesetzten Leitungstyps und gleichen Gitteraufbaues, deren Schmelzpunkt niedriger als der der beiden Außenschichten sind, aneinander kristallisiert werden. Dabei schmilzt die Oberfläche des mittleren Kristallstückes ganz oder teilweise, und dadurch wird das mittlere Kristallstück an die beiden äußeren Kristalle ankristallisiert. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß die Zwischenzone bzw. die Übergangsbereiche starke Gitterstörungen aufweisen, so daß die elektrischen Eigenschaften derartig hergestellter Transistoren unbefriedigend sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Transistoren zu schaffen, das technisch leicht durchführbar ist, mit dem die oben aufgezeigten Vorteile von nach dem Diffusionsverfahren hergestellten Transistoren erreicht werden können, bei dem weitgehend von Gitterstörungen freie Übergangszonen erzielt werden und bei dem je nach Wahl der Herstellungsbedingungen die Art der Übergänge einstellbar ist.

Gemäß der Erfindung werden die obigen Flächentransistoren so hergestellt, daß das Schichtenpaket aus zwei einkristallinen, in gleicher kristallographischer Orientierung geschnittenen Halbleiterplättchen oder -platten für die Außenschichten und dazwischen befindlichem Halbleitermaterial für die Zwischenschicht gebildet wird, daß dieses Schichtenpaket unter Druck auf eine solche Temperatur erhitzt wird, daß nur das Zwischenschichthalbleitermaterial schmilzt, und daß danach abgekühlt wird.

Die Zwischenschicht kann ein Halbleiterplättchen sein oder auch in Pulverform zwischen die beiden Außenschichten gebracht werden.

Bei der Temperaturerhöhung schmilzt die Zwischenschicht. Infolge des Druckes wird ein Teil des Xwischenmaterials aus dem Schichtenpaket heraus-

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gepreßt, so daß auf diese Weise beliebig dünne Zwischenschichten erhalten werden können. Sie liegen beispielsweise in der Größenordnung von 20 μ oder weniger. Wird dafür gesorgt, daß die Oberflächen der außenliegenden Schichten genügend sauber sind, so erstarrt beim Abkühlen die Zwischenschicht infolge ihres dem der Außenschichten ähnlichen Gitteraufbaues einkristallin. Die Schichten sind nun fest miteinander verbunden. Zur Vermeidung von Verunreinigungen kann das Verfahren im Vakuum durchgeführt werden.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß Transistoren aus zwei verschiedenen Halbleitermaterialien hergestellt werden können. Als Außenschichten können beispielsweise Si-Kristalle verwendet werden. In diesem Fall kann als Zwischenschicht Germanium benutzt werden. Da Germanium-Silizium-Legierungen eine lückenlose Mischkristallreihe bilden, können aber im Falle von Siliziumaußenschichten als Zwischenschicht auch Germanium-Silizium-Legierungen verwendet werden. Die Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften von solchen Transistoren aus Silizium und Germanium oder aus Silizium und Silizium-Germanium-Legierungen ist zwar etwas stärker als die reiner Siliziumtransistoren, jedoch erheblich geringer als die reiner Germaniumtransistoren. Da aber sowohl Germanium wie auch Germanium-Silizium-Legierungen mit nicht zu hohem Siliziumgehalt so rein dargestellt werden können, daß die Basisschicht den Anforderungen, die an die Größe der Lebensdauer der Ladungsträger zu stellen ist, genügt und diese günstigen Werte bei Silizium zumindest vorläufig noch nicht erreicht werden, sind die elektrischen Eigenschaften dieser aus Silizium und Germanium oder Silizium und Germanium-Silizium-Legierungen hergestellten Transistoren besser als die reiner Germaniumtransistoren. Erforderlich hierfür ist jedoch eine kristallographisch einwandfreie Struktur der Basisschicht, d. h. die einkristalline Struktur der Basis, die bei den bekannten Sinterungsverfahren zur Herstellung von p-n-Übergängen nicht erreicht werden kann und erst gemäß der Erfindung dadurch erzielt wird, daß die Halbleiterplättchen für die Außenschichten in gleicher kristallographischer Orientierung geschnitten sind, so daß das schmelzende Zwischenschichtmaterial zwischen diesen beiden Plättchen ankristallisiert. Insbesondere Germanium kristallisiert auf diese Art und Weise einwandfrei einkristallin zwischen Siliziumschichten aus.

Ein weiterer Vorteil bei dem Verfahren zur Herstellung derartiger Transistoren besteht darin, daß die Temperatur bei dem Herstellungsprozeß nicht sehr exakt eingestellt zu werden braucht, weil die Schmelztemperaturen, z. B. von Silizium und Germanium, um 500° C auseinanderliegen.

Als äußere Halbleiterschichten brauchen keine Schichten aus gleich hoch dotiertem Material verwendet zu werden. Beispielsweise wird man eine Schicht, die dann als Emitter benutzt werden wird, hoch dotieren, so daß sie niederohmig ist, die andere, die als Kollektor benutzt wird, niedrig dotieren, so daß sie hochohmig ist.

Erfolgt die Temperaturerhöhung nur über eine kurze Zeit, so entstehen, wie bei dem bekannten Legierungsverfahren, scharfe Übergänge zwischen den Schichten. Wird dagegen die erhöhte Temperatur länger aufrechterhalten, dann tritt Diffusion zwischen den Schichtbestandteilen ein, und man erhält verlaufende Übergänge, die mit wachsender Zeitdauer für die Temperaturerhöhung immer flacher werden. Auf diese Weise können die Eigenschaften der Übergänge beliebig gewählt und durch die Zeitdauer für die Temperaturerhöhung bzw. für die Abkühlung eingestellt werden.

Darüber hinaus kann durch Verwendung verschiedener Dotierungen mit verschiedenen Diffusionskoeffizienten für die beiden Außenschichten auch erreicht werden, daß einer der Übergänge flacher

ίο verläuft als der andere. Beispielsweise wird man für die niedrig dotierte, als Kollektor vorgesehene Schicht ein Dotierungsmaterial mit größeren Diffusionskoeffizienten benutzen, so daß ein flacher Übergang Basis—Kollektor entsteht, während man für die höher dotierte, als Emitter vorgesehene Außenschicht ein Dotierungsmaterial mit kleinem Diffusionskoeffizienten verwendet, so daß ein scharfer Übergang Emitter—Basis erhalten wird.

Für die Herstellung von Schichttransistoren aus Silizium- und Germaniumschichten verwendet man beispielsweise Siliziumplättchen mit [ 1 11 !-Orientierung. Als Emitterplattclien verwendet man mit Gallium dotiertes η-Silizium mit etwa 0,01 Ω-cm, als Kollektorschicht mit Gallium dotiertes η-Silizium mit etwa 1 Ω-cm Widerstand. Zwischen die Siliziumplättchen wird ein Germaniumplättchen von etwa 200 μ Dicke gebracht. Das Germanium ist mit Antimon dotiert und hat einen Widerstand von 3-^5 Ωαη. Das Schichtenpaket wird unter Anwendung eines Druckes von etwa 1 kg je cm² etwa 10 min lang auf 970° C erwärmt. Dabei fließt Germanium auf der Seite heraus. Dann wird das Schichtenpaket abgekühlt und das herausgeflossene Germanium abgesägt. Man erhält so eine Basisschichtdicke von etwa 20 μ.

Hierbei können beliebig große Einkristallplättchen verwendet werden. Das abgekühlte Schichtenpaket wird dann in Stücke von der für die einzelnen Transistoren gewünschten Größe aufgeschnitten. Als besonders günstig erweist es sich jedoch, bereits vor dem Aufschneiden mit einer für die Emitter- und Kollektoranschlüsse geeigneten Metall- oder Legierungsschicht vorzukontaktieren. Diese Kontaktierung erfolgt nach an sich bekannten Methoden mit an sich bekanntem Material. Der Basisanschluß für die Transistoren kann beispielsweise durch einen einlegierten Aluminiumdraht hergestellt werden. Dieser Aluminiumdraht kann durch die obere Schicht hindurchlegiert werden.

Statt die Zwischenschicht in Plättchenmaterial zu verwenden, kann es auch besonders vorteilhaft in Pulverform aufgebracht werden, so daß außerordentlich dünne Basisschichtdicken erzielt werden können. Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Herstellung von Schichttransistoren weist beträchtliche Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren auf: Es ist technisch leicht durchzuführen. Es können mit ihm in einem Arbeitsgang große Mengen von Transistoren hergestellt werden, die wegen der für alle Transistoren gleichen Herstellungsbedingungen auch gleiche elektrische Eigenschaften aufweisen. Der Materialverlust ist außerordentlich gering. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Transistoren können beliebig großflächige Übergänge haben. Die Basisschichtdicke kann beliebig dünn gehalten werden. Übergänge und Basisschicht sind weitgehend frei von kristallographischen Gitterstörungen. Je nach Wahl der Herstellungsbedingungen können scharfe Übergänge oder flach verlaufende Übergänge erzielt werden.

Die Widerstände der drei Schichten sind durch Wahl der Vordotierung des Ausgangsmaterials will-

kürlich wählbar. Für Siliziumtransistoren mit Germanium oder Silizium-Germanium-Zwischenschicht ist die Temperaturabhängigkeit geringer als für reine Germaniumtransistoren, die Trägerbeweglichkeit jedoch größer als für reine Siliziumtransistoren. Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Schichtenpakete können für Transistoren und Phototransistoren verwendet werden.

Claims (6)

Patentansprüche: 10

1. Verfahren zur Herstellung von Flächentransistoren aus zwei äußeren einkristallinen Halbleiterschichten gleichen Halbleitermaterials und gleichen Leitungstyps und einer einkristallinen Halbleiter-Zwischenschicht entgegengesetzten Leitungstyps und gleichen Gitteraufbaus, deren Schmelzpunkt niedriger als der der beiden Außenschichten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schichtenpaket aus zwei einkristallinen, in gleicher kristallographischer Orientierung geschnittenen Haibleiterplättchen oder -platten für die Außenschichten und dazwischen befindlichem Halbleitermaterial für die Zwischenschicht gebildet wird, daß dieses Schichtenpaket junter Druck auf eine solche Temperatur'erhitzt wird, daß nur das Zwischenschichthalbleitermaterial schmilzt, und daß danach abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bildung des Schichtenpaketes das Material für die Zwischenschicht in Plättchenform verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bildung des Schichtenpaketes das Material für die Zwischenschicht in Pulverform verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten aus Silizium und die Zwischenschicht aus Germanium hergestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten aus Silizium und die Zwischenschicht aus einer Germanium-Silizium-Legierung hergestellt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten verschieden hoch dotiert werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften S 32506 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 12.1.1956), S 32505 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 12. 1. 1956);

Das Elektron, Bd. 5, 1951/52, Heft 13/14, S. 435 und 436;

deutsche Patentschrift Nr. 926 378.

r 909 610/320 8.