DE1100821B - Legierungsverfahren zur Herstellung von mehreren durch sehr duenne Mittelschichten getrennten p-n-UEbergaengen in Halbleiterkoerpern - Google Patents

Description

• Legierungsverfahren zur Herstellung von mehreren durch sehr dünne Mittelschichten getrennten p-n-Ubergängen in Halbleiterkörpern Die Erfindung betrifft ein Legierungsverfahren zur Herstellung von mehreren pn-übergängen, z. B. pnp-oder npn-Schichten in Halbleiterkörpern mit sehr dünner Mittelschicht durch Aufschmelzen von Störstellenmaterial, das Donatoren und Akzeptoren mit sehr verschiedenen Diffusions- und Abscheidungskoeffizienten enthält, auf die Oberfläche eines einkristallinen Halbleiterkörpers unter nachfolgender Kühlung vom Halbleitergrundkörper her.
• Der Anwendungsbereich von mit solchen Halbleiterbauelementen ausgestatteten Verstärkeranordnungen ist noch stark beschränkt, da es mit den bekannten Verfahren nicht möglich ist, Anordnungen mit hoher Grenzfrequenz herzustellen. Die obere Grenzfrequenz der nach bekannten Verfahren hergestellten Schichttransistoren liegt etwa bei 30 MHz, was für die meisten Anwendungsgebiete der Hochfrequenztechnik bei weitem nicht ausreicht.
• Diese Grenzfrequenz ist im wesentlichen durch Verzögerungseffekte der Ladungsträger in der feldfreien Mittelschicht bedingt. Wenn nämlich die Ladungsträger (Elektronen oder Defektelektronen) aus der Emitterschicht in die Basisschicht eingedrungen sind, so breiten sie sich dort wegen des Fehlens eines elektrischen Feldes in der Hauptsache unter dem Einfluß eines Diffusionspotentials aus. Wenn nun die Frequenz sehr hoch ist, gelangen die Ladungsträger während einer Halbperiode der Schwingung nur noch zum Teil oder auch gar nicht mehr bis zur gegenüberliegenden Kollektorschicht, da die Diffusionsvorgänge nur relativ langsam ablaufen. Daher ist ein Abfluß der Ladungsträger in die Kollektorschichtnur noch begrenzt oder gar nicht mehr möglich. Hierdurch ist die obere Grenzfrequenz des Transistors im wesentlichen bedingt.
• Theoretische überlegungen führen zu der Beziehung Legierungsfronten (Sperrschichten) keinen glatten Verlauf aufweisen oder gegeneinander gewölbt sind. Da dann die Mittelschicht an verschiedenen Stellen verschieden dick ist, haben die Ladungsträger unterschiedliche Weglängen zurückzulegen, was wiederum zu störenden Laufzeiteffekten führt. Für die Herstellung von Schichttransistoren mit hoher Grenzfrequenz ist also auch auf eine möglichst glatte und planparallele Ausbildung der Legierungsfronten von Bedeutung.
• Das heute übliche Verfahren zur Herstellung von Schichttransistoren besteht bekanntlich darin, daß auf einander gegenüberliegenden Seiten eines dünnen Halbleiterscheibchens von bestimmtem Leitfähigkeitstyp Störstellenmaterial von entgegengesetztem Leitungstyp auflegiert wird. Hierdurch wird erreicht, daß in den Legierungsbereichen die ursprünglich vorhandene Leitfähigkeit des Halbleiterkristalls in eine Leitfähigkeit von entgegengesetztem Leitungstyp umgewandelt wird. Um bei diesem Verfahren eine dünne Mittelschicht zu erhalten, sind jedochgroßeLegierungstiefen erforderlich, wodurch das Zustandekommen von glatten Legierungsfronten behindert wird. Die entstehenden Sperrschichten weisen daher eine unregelmäßige Struktur auf, so daß die Mittelschicht nur an einigen wenigen Stellen die gewünschte Dicke hat.
• Bei diesem Verfahren ist es bekannt, auf der einen Seite auf mechanischem Wege eine Vertiefung in dem Halbleitergrundkörper vorzusehen, in welche das fragliche Störstellenmaterial eingebracht wird. In Abb. 1 ist 1 ein Scheibchen aus einkristallinem Halbleitermaterial, beispielsweise aus n-leitendem Germanium, welches an seiner einen Seite eine Vertiefung die den Zusammenhang zwischen der oberen Grenzfrequenz eines Flächentransistors und der Dicke der Mittelschicht wiedergibt. Dabei bedeutet @c die Beweglichkeit der Ladungsträger in cm2/Voltsekunde, UT die von den Ladungsträgern bei der Temperatur T durchlaufene Potentialdifferenz und w die Dicke der Mittelschicht in cm.
• Will man also die obere Frequenzgrenze fG,, von Schichttransistoren erhöhen, so muß bei vorgegebenemy und UT die Schichtdicke w der Mittelschicht möglichst klein gemacht werden.
• Ein weiterer Effekt, durch den bei Schichttransistoren die obere Frequenzgrenze herabgesetzt wird, tritt auf, wenn die einander gegenüberstehenden oder Bohrung 2 enthält.- Mit 3 und 4 sind zwei kleine Körnchen aus Störstellenmaterial, beispielsweise Indium, bezeichnet, von denen das größere auf die ebene Oberfläche und das kleinere im Innern der Vertiefung 2 auf den Halbleiterkörper 1 legiert wird. Auf diese Weise wird erreicht, -daß die beiden gegenüberliegenden Grenzzonen der pnp-Verbindung schon von vornherein näher aneinanderrücken, so daß zur Erzielung einer bestimmten Schichtdicke keine allzu große Legierungstiefe mehr erforderlich ist und eine glatte und annähernd ebene Ausbildung der gegenüberliegenden Sperrschichten gewährleistet ist. Aus Festigkeitsgründen kann die Bohrung 2 jedoch nicht beliebig tief gemacht werden. Es ist deshalb nicht möglich, eine beliebig dünne Mittelschicht nach diesem Verfahren herzustellen. Die so erreichbaren Schichtdicken der Mittelschicht betragen etwa 20,u. Um den Forderungen der Hochfrequenztechnik nach 100 MHz Bandbreite und mehr gerecht zu werden, müßten jedoch Schichtdicken von einigen ,u Dicke und weniger erreicht werden.
• Außerdem ist es bekannt, die Vertiefung in dem Halbleitergrundkörper auf chemischem Wege, beispielsweise durch Ätzung, zu erzeugen. Bei diesem Verfahren wird; wie in Abb. 2 dargestellt ist, aus je einer Düse 5 ein dünner Strahl einer Ätzflüssigkeit von beiden Seiten gegen eine bestimmte Stelle 6 der Oberfläche des Halbleiterkörpers 7 gespritzt. Dabei enthält die Ätzflüssigkeit noch eine bestimmte metallische Komponente in Lösung, beispielsweise Indium, falls der Halbleiterkörper 7 aus n-Typ-Germanium besteht. Wenn die Vertiefungen 6 durch den Ätzvorgang die gewünschte Tiefe erreicht haben, wird der Schalter 8 geschlossen, so daß sich die in der Lösung befindlichen zusätzlichen Metallionen (Indiumionen) als dünne Metallschicht 9 in den Vertiefungen niederschlagen. Dies hat zur Folge, , daß. die an diesen Metallschichten unmittelbar angrenzenden Halbleiterzonen p-leitend werden. Mit diesem Verfahren lassen sich Anordnungen herstellen, die eine Mittelschicht mit bestenfalls einer Dicke von etwa 10,u aufweisen. Auch diese Schichtdicken genügen noch nicht, um den Anforderungen der Hochfrequenztechnik gerecht zu werden.
• Auch mit den bekannten Kristallziehverfahren, bei denen pnp- bzw. npn-Schichtkristalle durch Änderung der Ziehgeschwindigkeit oder der Temperatur aus einer Schmelze gezogen werden, ist es nicht möglich, Mittelschichten mit einer Dicke von .einigen ,a oder weniger herzustellen.
• Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit npn- bzw. pnp-Struktur, mit dem es möglich ist; die Mittelschicht beliebig dünn zu machen; und welches die Ausbildung von annähernd glatten und planparallel zueinander verlaufenden Legierungsfronten gewährleistet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Transistoren herstellen, die eine weit höhere Grenzfrequenz als die nach bisherigen Verfahren hergestellten Transistoren besitzen.
• Es ist bereits bekannt, bei einem Legierungsverfahren ein Legierungsmaterial zu verwenden, das zur Verbesserung des Stromverstärkungsfaktors neben dem den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Störstellenmaterial auch noch eine Störstellenkomponente vom entgegengesetzten Leitungstyp enthält. Dabei- ist die Diffusionskonstante der Hauptverunreinigung größer als die der Nebenverunreinigung.
• Das erfindungsgemäße -Verfahren besteht demgegenüber darin, da.ß auf einen einkristallinen Halb-=:-leitergrundkörper eines Leitungstyps eines Element-oder Verbindungshalbleiters eine bestimmte Menge eines zweiten Halbleiterkörpers vom gleichen Leitungstyp wie der Halbleitergrundkörper entweder als Elementhalbleiter der gleichen Gruppe des Periodischen Systems der Elemente oder als intermetallische Verbindung, die aus gegenüber dem Halbleitergrundkörper wirksamen Donatoren und Akzeptoren zusammengesetzt ist, aufgeschmolzen wird, wobei zur Erzielung einer dünnen Mittelschicht entgegengesetzten Leitungstyps ein in mindestens einem der beiden Halbleiterkörper enthaltender. Störstellentyp (Donator oder Akzeptor), der den Leitungstyp der dünnen Mittelschicht bestimmt, in bezug auf die Kristallgitter beider Halbleiterkörper eine größere Abscheidüngskonstante k als der andere Störstellentyp aufweist.
• Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung empfiehlt es sich, daß- der Halbleitergrundkörper einen höheren Schmelzpunkt besitzt als der auf diesen aufzuschmelzende Halbleiterkörper. Wenn die verwendeten Halbleiterkörper diese Eigenschaft nicht besitzen, muß durch Kühlung dafür gesorgt werden, daß der Halbleitergrundkörper beim Legierungsvorgang fest bleibt.
• Bei dem Verfahren nach der Erfindung muß zumindest der eine Halbleiterkörper Störstellen beiderlei Leitfähigkeitstypen enthalten, und zwar kann dies entweder der Halbleitergrundkörper oder der auf diesen aufzulegierende Halbleiterkörper sein. Es können aber auch beide Halbleiterkörper beide Störstellenarten enthalten. Dabei ist allerdings zu beachten, daß die eine Störstellenart im Halbleitergrundkörper stets überwiegt.
• Als Halbleitermaterialien im Sinne der Erfindung kommen die bekannten Halbleiterelemente der IV. Gruppe des Periodischen Systems, wie z. B. Germanium oder Silizium, oder auch chemische Verbindungen mit halbleitendem Charakter, die als intermetallische Verbindungen bekannt sind, in Frage.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Halbleitergrundkörper und der auf diesen auszulegierende Halb-Leiterkörper dem gleichen Gittertyp angehören und zumindest annähernd in ihrer Gitterkonstante übereinstimmen. Auf diese Weise wird nämlich erreicht, daß an der Übergangsstelle zwischen dem Halbleitergrundkörper und dem auflegierten Material keine Kristallverzerrungen auftreten, die die Beweglichkeit der Ladungsträger behindern würden.
• In Abb. 1 ist ein Beispiel dargestellt, bei dem als Grundkörper eine intermetallische Verbindung, z. B. Al Sb, verwendet werden und der auf diesen aufzulegierende Halbleiterkörper aus einem Element der IV. Gruppe, wie z. B. Germanium, bestehen kann. Ein Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl der Halbleitergrundkörper als auch der auf diesen aufzulegierende Körper aus einer intermetallischen Verbindung besteht, zeigt Abb: 3 b. In Abb. 3 c ist schließlich der Fall dargestellt, daß sowohl für den Halbleitergrundkörper als auch den anderen Halbleiterkörper ein Element der IV. Gruppe des Periodischen Systems verwendet wird.. Es sei darauf hingewiesen, daß entsprechend dem zuletzt genannten Fall auch beide Halbleiterkörper aus dem gleichen Element der IV. Gruppe des Periodischen Systems bestehen können.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHEz 1. Legierungsverfahren zur Herstellung von mehreren, durch sehr dünne Mittelschichten getrennten pn-Übergängen in Halbleiterkörpern durch Aufschmelzen von Störstellenmaterial, das Domtoren und Akzeptoren mit sehr verschiedenen Diffusions- und Abscheidungskoeffizienten enthält, auf die Oberfläche eines einkristallinen Halbleiterkörpers unter nachfolgender Kühlung vom Halbleitergrundkörper her, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen einkristallinen Halbleitergrundkörper eines Leitungstyps eines Element- oder Verbindungshalbleiters eine bestimmte Menge eines zweiten Halbleiterkörpers vom gleichen Leitungstyp wie der Halbleitergrundkörper entweder als Elementhalbleiter der gleichen Gruppe des Periodischen Systems der Elemente oder als intermetallische Verbindung, die aus gegenüber dem Halbleiterkörper wirksamen Donatoren und Akzeptoren zusammengesetzt ist, aufgeschmolzen wird, wobei zur Erzielung einer dünnen Mittelschicht entgegengesetzten Leitungstyps ein in mindestens einem der beiden Halbleiterkörper enthaltener Störstellentyp (Donator oder Akzeptor), der den Leitungstyp der dünnen Mittelschicht bestimmt, in bezug auf die Kristallgitter beider Halbleiterkörper eine größere Abscheidungskonstante h als der andere Störstellentyp aufweist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitergrundkörper einen höheren Schmelzpunkt besitzt als der andere Halbleiterkörper.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitergrundkörper und der auf diesen aufzulegierende Halbleiterkörper im gleichen Gittertyp kristallisieren und die Gitterabstände zumindest annähernd übereinstimmen.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das auf den Halbleitergrundkörper aufzuschmelzende Halbleitermaterial im Schutzgas oder Vakuum auf einer ebenen Unterlage, vorzugsweise aus Quarz oder Kohle, geschmolzen wird, daß mit dieser Schmelze der eben geschliffene und geätzte Halbleitergrundkörper, der sich auf gleicher Temperatur befindet wie die Schmelze, in Berührung gebracht wird und daß der Grundkörper anschließend langsam abgekühlt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 885 756; deutsche Patentanmeldung W 6649 VIII c/21 g (bekanntgemacht am 3. 4. 1952) ; schweizerische Patentschrift Nr. 292 927 USA.-Patentschrift Nr. 2 631356.