DE1112788B - Verfahren zur Herstellung eines Flaechengleichrichters bzw. -transistors - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung eines Flächengleichrichters bzw. -transistors Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines p-n-Flächengleichrichters bzw. -transistors, bei dem das Einbringen der Störstellen in den Halbleiter durch Legierung des Störstellenmaterials mit dem Halbleiter erfolgt und die Lage des p-n-Überganges im Halbleiter durch die Legierungsfront bestimmt wird.
• Das Legierungsverfahren zur Herstellung des p-n-Überganges besteht bekanntlich darin, daß die Störstellensubstanz auf den Halbleiter aufgebracht wird und mit diesem so weit erwärmt wird, daß sie mit der Halbleitersubstanz eine schmelzflüssige Legierung bildet. Nach Abkühlung der Substanzen zerfällt die Legierung wieder fast vollständig in ihre Komponenten, so daß der weitaus größte Teil des Störstellenmaterials wieder aus dem Halbleiterkörper auswandert. Ein sehr geringer Gehalt des Störstellenmaterials bleibt im Halbleiter zurück, und zwar bis zu einer Grenze, die mit der früheren Legierungsfront übereinstimmt. An dieser Stelle befindet sich dann im Halbleiterkörper ein Konzentrationsgefälle der Störstellen, das zur Ausbildung eines p-n-Überganges führt.
• Man hat bisher bei dem geschilderten Legierungsverfahren die Mengen der Störstellensubstanz etwa so groß gewählt, daß sich normalerweise eine Eindringtiefe der Legierungsfront in den Halbleiter in der Größenordnung von etwa 100 - 10-4 cm ergab. Das nach Abkühlung wieder auswandernde Störstellenmaterial bildete gleichzeitig eine Anschlußelektrode des Gleichrichters bzw. Transistors.
• Die Erfindung besteht demgegenüber darin, daß zunächst nur eine dünne Schicht des Störstellenmaterials in der Größenordnung von etwa 10- 10-4 cm Dicke auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht wird, danach der Halbleiterkörper auf die für die gewünschte Legierungsbildung geeignete Temperatur erhitzt wird und erst nach einer anschließenden Abkühlung das Aufbringen des jeweiligen eigentlichen Elektrodenkörpers bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur, welche die entstandene Störstellenverteilung im Halbleiter nicht mehr beeinträchtigen kann, stattfindet. Dadurch läßt sich erreichen, daß die Eindringtiefe der Legierungsfront weniger als etwa 20 - 10-4 cm, vorzugsweise 10. 10-4 cm, beträgt. Es hat sich gezeigt, daß eine derart geringe Eindringtiefe sich insbesondere bei p-n-Übergängen großer Flächenausdehnung wesentlich genauer und gleichmäßiger einhalten läßt, als es bei den bekannten großen Eindringtiefen möglich war.
• Man hat bereits versucht, zur Herstellung eines p-n-Überganges in n-leitfähigem Germanium das als Störstellenmaterial dienende Indium galvanisch auf das Germanium niederzuschlagen, um dadurch eine der Form und Lage nach genau definierte Elektrodenfläche zu erzielen. Dabei erwies es sich, das Indiumschichten von mehr als wenigen Mikron Dicke auf diese Wise nicht zu erhalten waren. Die herstellbaren dünnen Schichten wurden nicht zur Bildung von p-n-Übergängen benutzt; die Versuche wurden vielmehr eingestellt, da die erreichbare Dicke der Indiumschicht nicht als ausreichend angesehen wurde.
• Es ist ferner bekannt, bei Halbleiter-Fotoelementen eine dünne metallische Deckschicht auf die Halbleiterschicht aufzubringen und diese Deckschicht mit einer besonderen Abnahmeelektrode in Form eines aufgespritzten Metallringes zu versehen. Bei derartigen Fotoelementen ist die geringe Dicke der Deckschicht nur durch die Forderung einer ausreichenden Lichtdurchlässigkeit bedingt; die Sperrschicht bildet sich hier unabhängig von der Dicke der Deckschicht stets unmittelbar an der Grenze von Deckschicht und Halbleiterkörper aus.
• In Verbindung mit dem Vorgang für das Einbringen der Störstellen hat es sich bei dem Verfahren nach der Erfindung als zweckmäßig erwiesen, zunächst eine entsprechende Reinigung der Oberfläche des Halbleiters vorzunehmen, auf welche das Material für die Bildung der Legierungsfront in dem Halbleiter aufgebracht wird. Diese Reinigung kann z. B. durch Kathodenzerstäubung vorgenommen werden. Bei diesem Kathodenzerstäubungsprozeß wird der Halbleiter als Kathode benutzt. Nach diesem Reinigungsprozeß wird dann das Störstellenmaterial aufgebracht, was beispielsweise ebenfalls durch den Vorgang einer Kathodenzerstäubung stattfinden kann, wobei aber in diesem Falle sinngemäß dann das aufzubringende Material "an- der Kathode oder als Kathode während des Kathodenzerstäubungsprozesses benutzt wird. Der Aufbringungsprozeß des Materials auf die gereinigte Oberfläche kann aber auch in anderer Weise stattfinden, beispielsweise durch einen Elektrolyseprozeß oder einen Bedampfungsprozeß.
• Bei dem Erhitzungsprozeß des Halbleiters, welcher mit der dünnen aufgebrachten Schicht des Störstellenmaterials versehen ist für die Bildung der Legierungsfront bzw. das Einbringen der Störstellen in den Halbleiter, hat es sich bei manchen Werkstoffen, wie z. B. Indium, als zweckmäßig erwiesen, zu verhüten, daß durch die große Oberflächenspannung, die diesem Werkstoff zu eigen ist, eine Tropfenbildung des aufgebrachten Materials beim Schmelzen stattfindet. Dieser störenden Erscheinung kann dadurch vorgebeugt werden, daß nach dem Aufbringen der dünnen Schicht des Materials für die Störstellenbildung auf die Halbleiteroberfläche auf diese Materialschicht zunächst noch eine weitere Hilfsschicht aus einem Werkstoff aufgebracht wird, mit welchem das vorher aufgebrachte= Material, sobald es in den flüssigen Zustand gelangt, eine gute Benetzungswirkung eingeht, so daß es auf diese Weise gleichmäßig verteilt über seine ganze Flächenausdehnung erhalten bleibt. Als geeigneter Werkstoff für diese nachträb lieh aufgebrachte Hilfs- bzw. Stützschicht können z. B. Wolfram oder Molybdän benutzt werden. Nach dem Aufbringen der, dünnen Metallschicht, wie z. B. derjenigen aus Indium für die Störstellenbildung mit einer Dicke von etwa 10. 10-4 cm auf den z. B. aus Germanium bestehenden Halbleiter und der Stützschicht z. B. aus Molybdän mit etwa der gleichen Dicke auf die dünne Störstellenmaterialschicht wird das in dieser Weise vorbereitete Element dann auf _ eine Temperatur für die Bildung der Legierungsfront von z. B. 700° C erhitzt. Entsprechend den durch das Zustandsdiagramm der beiden Stoffe, d. h. Ses Halbleiters und des Störstellenmaterials beider Erhitzungstemperatur vorgegebenen Verhältnissen und der Menge des aufgebrachten Störstellenmaterials findet dabei ein Eindringen der Legierungsfront in den Halbleiter, also z. B. das Germanium, statt.
• Danach läßt man das Element dann abkühlen. Bei dieser Abkühlung findet eine Rekristallisation des Halbleiters statt, wobei ein wesentlicher Teil des bei der Legierungsbildung in den Halbleiter eingedrungenen Störstellenmaterials wieder verdrängt wird. Es verbleibt jedoch trotzdem eine entsprechend erwünschte große Menge an Störstellen in entsprechender Verteilung in dem Halbleitermaterial. Nachdem durch dieses Behandlungsverfahren in dem Halbleiter der erwünschte p-n-Libergang geschaffen worden ist, wird an dem Element die eigentliche Elektrode vorgesehen. Dieses Aufbringen der Elektrode bzw. Elektroden findet bei einer relativ niedrigen Temperatur statt, z. B. bei etwa 200° C. An sich könnte bei Anwendung einer solchen Hilfsschicht bzw. Stützschicht aus Wolfram oder Molybdän auf diese Schicht irgendein geeignetes anderes Material für die Bildung der Elektrode aufgebracht werden. Wegen der Eigenart des Indiums, sich leicht zu verformen und dadurch gut anpassungsfähig zu sein sowie außerdem eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit aufzuweisen, kann es sich jedoch empfehlen, auf die Wolframschicht wieder eine Indiumschicht zur Bildung eines Elektrodenkörpers aufzubringen. Indium hat außerdem den Vorzug, daß es einen relativ niedrigen Schmelzpunkt hat, was der Zielsetzung begegnet, daß bei dem Aufbringen des Elektrodenmaterials die bereits in dem Halbleiter erzeugte Störstellenverteilung nicht mehr nachteilig beeinträchtigt, d. h. verändert wird.
• Im vorstehenden ist jeweils nur die Erzeugung eines p-n-IJberganges in dem Halbleiter geschildert worden, wie es z. B. bei der Herstellung eines Flächengleichrichters der Fall ist. Handelt es sich um die Herstellung eines Elementes in Form eines Flächentransistors, so sind sinngemäß zwei entsprechende p-n-Übergänge zu erzeugen.
• Eine beispielsweise Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird an Hand der Figuren der Zeichnung geschildert.
• In Fig. 1 veranschaulicht die Schicht 1 den Halbleiterkörper, auf den zunächst Schichten 2 bzw. 3 aus Werkstoff für die Bildung der Störstellen aufgebracht werden und dann die bereits geschilderten Hilfsschichten oder Stützschichten 4 und 5 aus einem Werkstoff, mit welchem das Material der Schichten 2 bzw. 3 eine gute Benetzung beim Schmelzen eingeht, so daß es also in guter Verteilung über seine ursprüngliche Flächenausdehnung an der Halbleiterschicht erhalten bleibt. Dem Aufbringen der Schichten 2 bzw. 3 geht ein Reinigungsprozeß an den entsprechenden Flächen des Halbleiterkörpers voran, z. B. durch einen Kathodenzerstäubungsprozeß. Die Schichten 2 bzw. 3 werden z. B. ebenfalls durch einen umgekehrten Kathodenzerstäubungsprozeß aufgebracht und danach die Hilfsschichten 4 bzw. 5 z. B. durch einen Bedampfungsprozeß oder ebenfalls durch einen Kathodenzerstäubungsprozeß.
• Das in dieser Weise fertiggestellte Element wird nun einer entsprechenden Temperaturbehandlung unterworfen, und zwar, wenn als Halbleiter z. B. Germanium benutzt ist und für die beiden Schichten 2 bzw. 3 Indium sowie für die beiden Hilfsschichten 4 bzw. 5 z. B. Molybdän bei etwa 700° C. Hierdurch findet eine Legierungsbildung zwischen dem flüssig werdenden Indium und dem Halbleitermaterial statt. Entsprechend dem Zustandsdiagramm für die beiden Stoffe und der benutzten Temperatur sowie der in den beiden Schichten 2 bzw. 3 zur Verfügung stehenden Menge an Störstellenmaterial wird dieses bis zu einer gewissen erwünschten Tiefe in den Halbleiterkörper 1 eindringen, also eine entsprechende Front bilden, wie es z. B. schematisch in Fig. 2 angedeutet ist durch die mit 6 bzw. 7 bezeichneten Schichten bzw. p-n-übergänge. Diese Frontbildung wird derart gesteuert durch die Menge des Materials und die Temperatur, daß sie nur bis zu einer relativ geringen Tiefe in das Halbleitermaterial eindringt, z. B. in der Größenordnung von 20 -10 - 4 cm, vorzugsweise 10 . 10-4 cm. Bei dieser geringen Eindringtiefe lassen sich eindeutige Verhältnisse in der Oberflächenform der Legierungsfront bzw. der Form des p-n-überganges erreichen. Auf die beiden Hilfsschichten bzw. Stützschichten 4 bzw. 5 wird dann der eigentliche Elektrodenkörper 8 bzw. 9 z. B. aus Indium bei einer Temperatur von etwa 200° C aufgebracht.
• Die Anwendung der Erfindung ist trotz des angegebenen Ausführungsbeispieles natürlich nicht beschränkt auf Flächengleichrichter bzw. -Transistoren auf der Basis des Germaniums, sondern ebenso anwendbar auch bei Anordnungen, die auf einer anderen Halbleiterbasis, z. B. der Basis des Siliciums, arbeiten, wobei dann sinngemäß die für diese Anordnungen als günstig erkannten störstellenbildenden Werkstoffe benutzt werden, z. B. also bei Silicium als Halbleiter Aluminium als solcher Werkstoff.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung eines p-n-Flächengleichrichters bzw. -transistors, bei dem das Einbringen der Störstellen in den Halbleiter durch Legierung des Störstellenmaterials mit dem Halbleiter erfolgt und die Lage des p-n-Übergangs im Halbleiter durch die Legierungsfront bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst nur eine dünne Schicht des Materials für die Störstellenbildung in der Größenordnung von etwa 10. 10-4 cm Dicke auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht wird, danach der Halbleiterkörper auf die für die gewünschte Legierungsbildung geeignete Temperatur erhitzt wird und erst nach einer anschließenden Abkühlung das Aufbringen des jeweiligen eigentlichen Elektrodenkörpers bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur, welche die entstandene Störstellenverteilung im Halbleiter nicht mehr beeinträchtigen kann, stattfindet.
2. 2. Verfahren zur Herstellung eines Flächengleichrichters bzw. -transistors nach Anspruch 1 auf Germaniumbasis, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Flächen, hinter denen die Legierungsfront bzw. die p-n-Schicht gebildet werden soll, zunächst eine dünne Indiumschicht in der Größenordnung von etwa 10 - 10 -4 cm Dicke aufgebracht wird und anschließend eine Erhitzung auf etwa 700° C für die Legierungsbildung stattfindet, wonach der eigentliche Elektrodenkörper bei einer Temperatur von etwa 200° C aufgebracht bzw. aufgeschmolzen wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Schicht für die Störstellenbildung eine Reinigung der Oberfläche des Halbleiters an diesem Flächenteil stattfindet.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungsprozeß mittels eines Kathodenzerstäubungsprozesses durchgeführt wird, wobei das Halbleitermaterial die Kathode bildet. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der dünnen Schicht des Materials für die Störstellenbildung auf diese zunächst eine Hilfs- bzw. Stützschicht aus einem Werkstoff aufgebracht wird, welcher bei dem Erhitzungsprozeß und dem Schmelzen des Störstellenmaterials mit diesem eine gute Benetzung eingeht, um das Störstellenmaterial in gleichmäßiger Verteilung über seine ganze Oberflächenausdehnung an der Halbleiterschicht zu erhalten. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für die Bildung der Hilfsschicht bzw. Stützschicht Molybdän oder Wolfram benutzt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 2, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Hilfsschicht ein eigentlicher Elektrodenkörper ebenfalls aus Indium aufgebracht wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 893 989; USA.-Patentschrift Nr. 2 695 852; Görlich, P., »Die Photozellen«, 1951, S. 178; »Das Elektron« 1951/52, Bd.
5. 5, Heft 13/14, S. 429 bis 439; »Proceedings of the I. R. E., Bd. 40, 1952, Nr. 11, S.1341,1342.