DE1127483B

DE1127483B - Elektrisches Halbleiterbauelement mit elektrisch formierter Nadelelektrode

Info

Publication number: DE1127483B
Application number: DEI15631A
Authority: DE
Inventors: Alan Coudry Sim
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1957-11-14
Filing date: 1958-11-14
Publication date: 1962-04-12
Also published as: GB847681A; US2985807A; NL233208A; BE572917A

Description

DEUTSCHES

INTERNAT. KL. H Ol 1

PATENTAMT

115631 VIII c/21g

ANMELDETAG: 14. NOVEMBER 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 12. A P R I L 1962

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Halbleiterbauelemente mit elektrisch formierten Punktkontakten bzw. Nadelelektroden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die mit dem elektrischen Formierprozeß verbundenen thermischen Effekte zu vermindern bzw. vollkommen zu vermeiden.

Zur Herstellung eines elektrisch formierten Punktkontaktes bei einem Halbleiterbauelement mit einer Nadelelektrode besteht die Erfindung darin·, daß zur Vermeidung einer thermischen umgewandelten Zone vom anderen Leitfähigkeitstyp im Halbleiterkörper eine Nadelelektrode aus einer nur Zinn und Silber enthaltenden Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt zwischen 400 und 550° C verwendet ist.

Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher beschrieben werden. In

Fig. 1 ist ein vergrößerter Schnitt durch ein elektrisches Halbleiterbauelement mit einem Punktkontakt dargestellt, bei der die Nadelelektrode aus einem neutralen Material besteht, d. h. aus einem Material, das frei von Störstoffen ist.

Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch einen elektrisch formierten Punktkontakt, bei dem die Nadel mit Material vom p-Typ dotiert ist.

Es ist bereits bekannt, bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit elektrisch formierten Punktkontakten mit Hilfe der bei der elektrischen Formierung auftretenden thermischen Effekte ein Gebiet im Halbleitermaterial umzuwandeln, z. B. bei Germanium vom η-Typ eine Zone von p-Germanium zu erzeugen, so daß sich zwischen den Gebieten unterschiedlichen Leitungstyps eine gleichrichtende Sperrschicht bildet.

Bei solchen Halbleiterbauelementen werden Nadelelektroden aus neutralem Material verwendet, d. h., es sind weder η-Typ noch p-Typ erzeugende Störstoffe in dem Nadelmaterial vorhanden, und allein die thermischen Effekte bewirken die Umwandlung des Leitungstyps vom η-Typ zum p-Typ.

Wahrscheinlich ist die Anwesenheit von neutralen Störstoffen, wie z. B. Kupfer, für diese Umwandlung erforderlich. Die Ausdehnung und die Eigenschaften der p-Schicht hängen von den Temperaturen ab, die durch den Formierstrom erzeugt werden und von seiner Dauer. Thermische Umwandlungseffekte treten auf, wenn während der elektrischen Formierung Temperaturen über 650° C erreicht werden und sind besonders ausgeprägt, wenn die Temperatur ungefähr gleich oder größer ist als der Schmelzpunkt des Germaniums.

Elektrisches Halbleiterbauelement
mit elektrisch formierter Nadelelektrode

Anmelder:

International Standard Electric Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

ίο Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 14. November 1957 (Nr. 35 471)

Alan Coudry Sim, London,
ist als Erfinder genannt worden

Ein Halbleiterbauelement des zuletzt beschriebenen Typs ist in Fig. 1 dargestellt, in dem der Zustand nach

as der elektrischen Formierung eines Germaniumkörpers 1 vom η-Typ unter der Spitze einer Nadelelektrode 2 aus neutralem Material dargestellt ist. Bei diesem Halbleiterbauelement legiert beim elektrischen Formierprozeß das Nadelmaterial mit dem Germaniumkörper, und eine kleine Zone 3 unter der Nadelelektrode wird durch thermische Umwandlung in Germanium vom p-Typ umgewandelt, und eine gleichrichtende Sperrschicht 4 bildet sich zwischen dem Halbleiterkörper und der umgewandelten Zone.

Die Anzahl der Minoritätsträger, die in die Zone 1 durch die thermisch umgewandelte Zone 3 injiziert werden, ist relativ klein, so daß sich während des Betriebes nur ein geringer Strom in Durchlaßrichtung ergibt. Wenn man die Ströme in Durchlaßrichtung betrachtet, die bei elektrisch formierten Punktkontakten möglich sind, so stellt man fest, daß bei den soeben beschriebenen Halbleiterbauelementen der Durchlaßstrom niedriger ist als bei solchen, bei denen die Nadelelektrode aus einem Material vom p-Typ besteht oder aus einem neutralen Material, das mit einem Störstoff vom p-Typ, wie Gallium oder Indium, dotiert ist. Die Bezeichnung »Dotierung« soll hierbei ausdrücken, daß das Nadelmaterial einen Störstoff enthält oder daß auf die Oberfläche der Nadel Störstoffe, beispielsweise durch Plattieren oder Aufdampfen, aufgebracht wurden. Die Anzahl der Minoritätsträger, die aus einer durch eine

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dotierte Nadel erzeugten p-Zone austreten, ist größer. Daher ist der Strom eines solchen Halbleiterbauelementes in Durchlaßrichtung wesentlich größer, und dieses Halbleiterbauelement ist somit besser.

In Fig. 2 ist ein Germaniumkörper 1 vom n-Typ dargestellt, mit der einlegierten Spitze einer Nadelelektrode 2, die mit Störstoffen vom p-Typ dotiert ist. Wie aus der Figur entnommen werden kann, werden in dem Halbleitermaterial zwei Zonen vom

VIIL Nebengruppe des Periodischen Systems oder Legierungen derselben gewählt werden. Für den Aufbau der Kollektorelektrode wird in diesem Zusammenhang Zinn, z. B. auf einem Stahlkern, empfohlen. Ein besonderer Hinweis auf Silber ist nicht vorhanden.

Die durch die Erfindung ausgewählte Legierung der Metalle Zinn und Silber mit einem Schmelzpunkt zwischen 400 und 550° C bringt beachtliche Vorteile

p-Typ erzeugt, und zwar eine äußere Zone 3 durch io mit sich. Abgesehen davon, daß beide Metalle inert thermische Umwandlung, welche die Zone 4 umgibt, gegen das Halbleitermaterial sind und ihre Legierung die durch Einwanderung von Störstoffen aus der eine genügende Festigkeit für die Herstellung von Nadelelektrode entstanden ist. Die Zone 4 enthält Nadelelektröden besitzt und Halbleiterbauelemente Akzeptoren in hoher Konzentration und ist von dem mit Nadelelektroden dieser Art unempfindlich gegen Übergang 5 durch die Zon& 3 getrennt, welche eine 15 mechanische Erschütterungen während des Betriebes relativ geringe Konzentration an Akzeptoren hat. sind, ist hervorzuheben, daß thermische Effekte Die hohe Injektionswirksamkeit der stark p-dotierten nunmehr vermieden werden können. Vorzugsweise Zone 4 wird durch die Zone 3 mit niedriger Akzep- soll der Schmelzpunkt der Legierung in dem Bereich torenkonzentration vermindert, und der Durchlaß- zwischen 490 und 510° C liegen. Optimale Wirkungen strom, der infolge der Zone mit hoher Dichte von ²⁰ werden erzielt, wenn das Verhältnis von Zinn und i d Silb i d Li hl i dß d

Minoritätsträgern ansteigt, erreicht nicht die dadurch mögliche Höhe. Deshalb sind die thermischen Umwandlungseffekte bei dieser Art von Halbleiterbauelementen unerwünscht.

Die oben dargestellten Vorgänge sind ausgeprägter, wenn eine Nadelelektrode mit hohem Schmelzpunkt verwendet wird, d. h. mit einem Schmelzpunkt, der höher oder ungefähr gleich ist dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials. Weiterhin wird bei hohen

Silber in der Legierung so gewählt ist, daß der Schmelzpunkt bei etwa 500° C liegt. Außerdem ist zu erwähnen, daß sich Zinn und Silber z. B. mit Germanium gut legieren lassen.

Die für die richtige Zusammensetzung der Zinn-Silber-Legierung notwendigen Anteile können beispielsweise dem Buch von Hansen, »Constitution of Binary Alloys«, erschienen bei McGraw-Hill Book Company, Inc., 1958, S. 52 und 53, und den dort

Temperaturen bei der elektrischen Formierung die 3° genannten Veröffentlichungen entnommen werden.

Oberfläche des Halbleiterkörpers durch Kondensation Die Legierung für die Nadelelektrode kann mit

von verdampftem Material verunreinigt. Wenn jedoch geeigneten Störstoffen vom p-Typ, wie z. B. Indium

ein Nadelmaterial verwendet wird, dessen Schmelz- oder Gallium, dotiert werden, wenn sie zur Ver-

punkt niedriger ist als der des Halbleitermaterials, wendung auf Halbleitermaterial vom η-Typ bestimmt

ist die geschmolzene Zone unter der Nadelelektrode 35 ist. Störstoffe vom η-Typ, wie z. B. Phosphor oder

kälter, und die durch thermische Umwandlung er- Arsen, werden zugesetzt, wenn die Legierung auf

zeugte Zone vom p-Typ hat eine geringere Aus- einem Halbleitermaterial vom p-Typ Verwendung

dehnung, und die Oberfläche des Halbleiterkörpers finden soll.

wird weniger durch Kondensation von verdampftem Nadelelektroden aus einer Legierung, die einen Material verunreinigt. Daraus ergibt sich ein wesent- 4° Schmelzpunkt in dem genannten Temperaturgebiet lieh verbesserter Widerstand in Sperrichtung. Dies hat und welche frei von Störstoffen sind, können zur ist z. B. der Fall, wenn Nadelelektroden aus Alu- Herstellung von Halbleiterbauelementen mit Punktminiumdraht und Germanium vom η-Typ verwendet kontakten verwendet werden, bei denen beispielswerden, deren Schmelzpunkte 659° bzw. 932° C weise entweder Störstoffe vom Akzeptortyp oder betragen. Aluminium ist bei Germanium ein Stör- 45 vom Donatortyp zwischen die Oberfläche des stoff vom p-Typ. Halbleiterbauelemente mit Nadel- Halbleiterkörpers und die Spitze der Nadelelektrode elektroden aus Aluminiumdraht haben eine wesentlich bessere Kennlinie in Durchlaßrichtung als solche
anderen Typs. Unglücklicherweise legiert sich Alu-

vor dem Legieren des Nadehnaterials mit dem Halbleiterkörper eingebracht wurden. Bei einer solchen Anordnung bildet sich eine Zone entgegengesetzten

minium nicht genügend mit Germanium, so daß 5° Leitfähigkeitstyps im Halbleiterkörper, weil das

durch den elektrischen Formierprozeß keine gute Verschweißung zwischen der Nadel und dem Halbleiterkörper erzielt wird. Solche Anordnungen sind mechanisch nicht stabil und empfindlich gegen Stoß

Störstellenmaterial, das sich zwischen der Nadelelektrodenspitze und dem Halbleiterkörper befindet, in den Halbleiter einwandert. Bei solchen Halbleiterbauelementen wird durch die niedrigen Temperaturen

und daher nicht von wirtschaftlichem Interesse. 55 bei der Formierung eine Verunreinigung der Ober-Es soll noch hinzugefügt werden, daß niedrige fläche des Halbleitermaterials durch Verdampfen von

Formiertemperaturen zur Verminderung oder Vermeidung einer Verunreinigung des Halbleitermaterials sowohl bei Halbleitern vom η-Typ als auch bei solchen vom p-Typ vorteilhaft sind.

Eine bekannte Elektrode für Halbleiterkristalloden, z.B. Richtleiter oder Transistoren, soll aus mindestens zwei verschiedenen Materialien zusammengesetzt sein, von denen eines einen aus hartem und

Halbleiter- und Nadelmaterial vollkommen vermieden, was bei höheren Temperaturen eintritt.

Ih Weiterbildung 3er Erfindung ergeben sich noch andere Möglichkeiten. Es ist möglich, legierte Halbleiterbauelemente mit p-n-Übergang, wie z. B. Dioden, zu erzeugen, deren physikalische, elektrische und Betriebseigenschaften besser sind als die der bisher bekannten elektrisch formierten Punktkontakt-

nicht sprödem Material bzw. einer solchen Metall- 65 dioden, aber der Vorteil der leichten Herstellbarkeit

legierung bestehenden Kern oder eine Unterlage und das andere einen Überzug darauf bildet, und als Materialien Metalle aus der L, IV., V. und/oder

erhalten bleibt, da die bekannte elektrische Formiertechnik bei ihrer Herstellung verwendet werden kann.

Die beschriebenen Nadelelektroden aus einer niedrigschmelzenden Legierung können auch mit Vorteil bei der Herstellung von Transistoren mit p-n-Übergang verwendet werden. Dabei ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß die erzeugten Legierungsübergänge schmal sind im Vergleich zu denen, die nach den bekannten Verfahren hergestellt werden können. Die Verringerung der Dicke des Übergangs beruht hauptsächlich auf der Vermeidung einer thermisch umgewandelten Zone und ist auf die geringe Menge des Nadelmaterials zurückzuführen, das sich mit dem Halbleitermaterial legiert.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrisches Halbleiterbauelement mit elektrisch formierter Nadelelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer thermischen umgewandelten Zone vom anderen Leitfähigkeitstyp im Halbleiterkörper eine Nadelelektrode aus einer nur Zinn und Silber enthaltenden Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt zwischen 400 und 550° C verwendet ist.

ίο

2. Elektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Zinn und Silber in der Legierung so gewählt ist, daß deren Schmelzpunkt zwischen 490 und 510° C liegt.

3. Elektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung Störstoffe vom Donator- oder Akzeptortyp zugesetzt sind.

4. Elektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstoffe aus Phosphor und/oder Arsen bestehen.

5. Elektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstoffe aus Indium und/oder Gallium bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 906 955;
deutsche Gebrauchsmuster Nr. 1722795, 1765071; österreichische Patentschrift Nr. 190 549;
USA.-Patentschriften Nr. 2 767 287, 2 840 770.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen