DE1135671B

DE1135671B - Verfahren zum Herstellen eines pn-UEbergangs und/oder eines Gradienten eines elektrisch wirksamen Elements in einem Halbleiterkristall

Info

Publication number: DE1135671B
Application number: DEW22927A
Authority: DE
Inventors: William Gardner Pfann
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1951-11-16
Filing date: 1952-03-28
Publication date: 1962-08-30
Also published as: US2739088A; CH323989A; GB769673A; NL168491B; BE510303A; DE1032555B; GB769674A; FR1065523A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

W22927VIa/40d

ANMELDETAG: 28. MÄRZ 1952

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 30. AUGUST 1962

Es ist bekannt, Halbleiterkristalle mit einem pn-Übergang aus einer Schmelze zu erzeugen, die als Nebenbestandteile im Halbleitermaterial als Akzeptor oder Donator wirkende Verunreinigungen enthält, indem das Erstarren der Schmelze so gelenkt wird, daß der Grenzbereich zwischen festem und flüssigem Material bei fortschreitender Erstarrung bis zur Wiedererstarrung des ganzen Körpers verkleinert wird. Die Nebenbestandteile sind dabei im Halbleitermaterial sowohl in der festen als auch der flüssigen Phase in einem bestimmten Ausmaß löslich, und ihre Konzentration ist in den aneinandergrenzenden Phasen bei Gleichgewicht verschieden groß. Beim Erstarren wird zunächst überwiegend die eine Verunreinigung und dann überwiegend die andere abgeschieden, so daß ein pn-Übergang gebildet wird.

Die vorliegende Erfindung will den Nachteil des bekannten Verfahrens, daß immer das gesamte Halbleitermaterial eingeschmolzen werden muß, was hohen Zeitaufwand, Materialverluste, und Verunreinigungen durch den Tiegel und die Atmosphäre über dem ausgedehnten Schmelzbad bewirkt, vermeiden. Außerdem sollen steuerbare Konzentrationsänderungen der elektrisch wirksamen Nebenbestandteile im Halbleiterkristall auf Grund der unterschiedlichen Abscheidungskoeffizienten ermöglicht werden.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen eines pn-Übergangs und/oder eines Gradienten eines elektrisch wirksamen Elements in einem Halbleiterkristall durch Einschmelzen einer Legierung aus Halbleiter-Grundstoff, z. B. Ge oder Si mit elektrisch wirksamen Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems, die in der Legierung in fester Lösung enthalten sind, wobei die Erstarrung der Schmelze so gelenkt wird, daß die elektrisch wirksamen Elemente nacheinander selektiv ausgeschieden werden, so daß das erstarrte Schmelzgut zwei aneinandergrenzende Zonen aufweist, die entweder mit Akzeptoren oder mit Donatoren unter Bildung eines oder mehrerer pn-Übergänge und/oder eines Gradienten eines elektrisch wirksamen Elements angereichert sind. Sie empfiehlt dazu, daß der Legierungs-Mischkristall nur partiell von einer Stelle aus aufgeschmolzen und danach in umgekehrter Richtung zur Erstarrung gebracht wird.

Dadurch ergeben sich in wenigstens zwei Bereichen Veränderungen der Konzentration der elektrisch wirksamen Verunreinigungen auf Grund verschiedener Mechanismen. Die erste Veränderung tritt an der Stelle des tiefsten Eindringens der Schmelz-

Verfahren zum Herstellen eines pn-Übergangs

und/oder eines Gradienten

eines elektrisch wirksamen Elements

in einem Halbleiterkristall

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt, Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 16. November 1951 (Nr. 256 791)

William Gardner Pfann, Basking Ridge, N. J.

(V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

zone in den Körpern auf. Sie erfolgt stufenweise und kann einen pn-Übergang hervorrufen. Die zweite Veränderung ergibt sich in dem wiedererstarrten Bereich und erfolgt allmählicher. Sie kann einen oder mehrere pn-Übergänge hervorrufen, deren Steilheit von stufenartig bis flach eingestellt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr anpassungsfähig. Durch geeignete Steuerung können die Konzentrationsgradienten der gelösten Substanz im Enderzeugnis nach Wunsch bestimmt werden. Das kann in verschiedener Weise erfolgen, z. B. durch Änderung der Größe der Schmelzzone, durch Änderung der Geschwindigkeit, mit der die Zone in das Material eindringt und sich wieder zurückzieht, durch Einimpfen fester, flüssiger oder gasförmiger Zusätze oder durch Rühren mit variabler Geschwindigkeit, wenn die Diffusion der gelösten Substanz in der Schmelze nicht augenblicklich erfolgt. Es ist bekannt, daß manche Verunreinigungen rascher ausseigern als andere, und es ist gleichfalls bekannt, daß bei normalen Erstarrungsvorgängen die Konzentration an fester gelöster Substanz zu Beginn der Erstarrung hoch ist, während bei anderen Substanzen die Konzentration erst gegen Ende des Erstarrens hohe Werte annimmt; d. h., daß — gemessen an der Durchschnittskonzentration — einige Systeme aus Lösungsmittel und gelöster Substanz

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Gammawerte größer als 1 und einige von kleiner als 1 haben. Wenn das zu behandelnde Material zwei oder mehr Verunreinigungen enthält, ist es somit möglich, zunächst ein Überwiegen der ersten und später der anderen lediglich durch Änderung des Volumens herbeizuführen. Gleiche Wirkungen können durch Regelung des Vorrückens der Schmelzzone oder durch Rühren mit gleichförmiger oder veränderlicher Geschwindigkeit in der Schmelzzone hervorgebracht werden.

An Hand der Zeichnungen sollen die physikalischen Grundlagen, Einzelheiten und Anwendungen des Verfahrens nach der Erfindung beschrieben werden.

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung eines Fest- und seigert in dem zuletzt erstarrenden Teil des Werkstücks aus. Wenn das Gelöste dagegen den Schmelzpunkt erhöht, wie in Fig. 2b, dann ist y größer als 1, und das Gelöste reichert sich im zuerst Erstarrten an. C₀ ist in beiden Fällen die mittlere Konzentration an' Gelöstem im Ausgangsmaterial. Die Konzentration C an Seigerungsstoffen an einem beliebigen Punkt χ der Fig. 1 läßt sich durch die Gleichung

Q _ Q Π r)-l (1)

ausdrücken, wobei χ den bereits verfestigten Anteil darstellt.

körpers, der einen normalen Erstarrungsvorgang ₁₅ Die Ableitung dieser Gleichung beruht auf folgenden Annahmen:

a) die Diffusion im festen Anteil ist vernachlässigbar,

b) die Diffusion im flüssigen Anteil erfolgt schnell,

c) γ ist konstant.

Für Systeme, in denen der y-Wert des Gelösten im Lösungsmittel kleiner als 1 ist, ist der kleinstmögliche Wert für γ der, der. sich aus dem Diagramm

durchmacht, wobei das gesamte Material geschmolzen ist und lediglich durch Abkühlung des geschmolzenen Körpers unter dem Schmelzpunkt zum Erstarren kommt und wobei die Abkühlungsgeschwindigkeit so klein ist, daß keine Flüssigkeits- einschlüsse erfolgen und völlige Diffusion der gelösten Substanz in der flüssigen Phase gewährleistet ist.

In Fig. 2a und 2b sind unter Mischkristallbildung

erstarrende Zweistoffsysteme dargestellt, wobei Fig.2a 25 der Fig. 2a errechnet. Für Systeme, in denen der den Normalfall zeigt, wo der Konzentrations- y-Wert größer als 1 ist, stellt der theoretische Wert, gradient y kleiner als 1 ist, während Fig. 2b ein der sich aus dem Diagramm der Fig. 2b errechnet, System darstellt, wo y größer als 1 ist. den Maximalwert dar. Diese theoretischen Werte

Fig. 3 zeigt eine Darstellung der Konzentration sind unter der Voraussetzung richtig, daß nur geringe des im Mischkristall gelösten Stoffes im Verhältnis 30 oder keine Diffusion im festen Zustand erfolgt und zu dem verfestigten Anteil für Systeme nach Fig. 1, daß die Diffusion im flüssigen Zustand völlig ist. 2a und 2b, wobei die verschiedenen Kurven ver- Eine Diffusion im festen Zustand bzw. ihr Ausschiedene Werte von γ darstellen. bleiben im flüssigen Zustand bewirkt, daß y sich

Fig. 4a und 4b dienen zur Erläuterung eines Aus- dem Wert 1 nähert. Andere Faktoren, die den führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, ₃₅ y-Wert beeinflussen, indem sie die Diffusion im bei dem die Schmelzzone von der Oberfläche des
Körpers bis zu einer gewünschten Tiefe geführt wird
und dann in entgegengesetzter Richtung wieder
erstarrt.

In Fig. 5a und 5b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem die Schmelzzone von zwei Festflüssig-Grenzflächen aus normal erstarrt.

Fig. 6a und 6b zeigen ein dem den Fig. 4a und 4b ähnliches Verfahren, bei dem jedoch der Schmelzzone Legierungskomponenten zugegeben werden.

Fig. 7 zeigt eine Schnittdarstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Fig. 4a, 4b und 6a, 6b.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Körper handelt es sich um eine unter Mischkristallbildung erstarrende flüssigen Anteil beeinflussen, sind die folgenden:
a) Rühren bewirkt Zunahme der Diffusion im

Legierung, die in einer Richtung, nämlich vom Ende O zum Ende P, mit einer so geringen Geschwindigkeit erstarren kann, daß ein Einschluß an flüssiger Substanz verhindert und ausreichende Diffusion des Gelösten im flüssigen Anteil ermöglicht ist. Diese Art des Erstarrens wird als normales Erstarren bezeichnet. Es findet dabei meistens eine Ausseigerung statt, wodurch das Gelöste an dem einen oder

55 flüssigen Zustand und damit eine Annäherung der wirklichen Werte für y an den theoretischen Wert des in Frage kommenden Mehrstoffsystems,

b) Bildung von Dendriten bewirkt abnehmende Diffusion im flüssigen Zustand und damit Annäherung der y-Werte des in Frage kommenden Systems an den Wert 1. Ebenso erhöht ein schnelleres Fortschreiten der Grenzfläche festflüssig die y-Werte, die kleiner als 1 sind, und verkleinert die /-Werte, die größer als 1 sind.

c) Augenscheinlich ist die wirksame Diffusionsgeschwindigkeit im flüssigen Anteil um so höher, je höher der Temperaturabfall von der flüssigen Zone zum festen Anteil ist. Dies wirkt also in Richtung einer Annäherung der y-Werte des betreffenden Systems an den theoretischen Wert des Gleichgewichtsdiagramms der Fig. 3.

In Fig. 3 ist der berechnete Anteil in den Mischkristallen gelöster Stoffe gegen den erstarrten Anteil des Werkstückes aufgetragen, und zwar für einen anderen Ende des Körpers angereichert wird. Wenn _6o Stab, der normaler Erstarrung unterworfen war, wie das Schaubild der Gleichgewichtsphase nach Fig. 2a in Fig. 1 gezeigt. Für jeden der Parameter A bis H für das System gilt, dann ist der Konzentrations- werden die Kurven gezeigt, die y-Werten von gradient y des Gelösten bzw. der Löslichkeits- 5, 3, 2, 0, 9, 0,5, 0,2, 0,1 und 0,01 entsprechen, koeffizient, d. h. das Verhältnis der Konzentration Die Kurven sind aus der obigen Gleichung (1) des Gelösten im festen Anteil Cs zu der im flüssigen 6₅ berechnet. C₀, die mittlere Konzentration an die im Anteil Cl bzw. das Verhältnis der isothermen Werkstoff Gelöstem, wird durch den Wert 1 der Solidus/Liquidus Abschnitte, kleiner als 1, und das senkrechten Koordinate dargestellt. Die übrigen Gelöste reichert sich zunächst in der Schmelze an Konzentrationswerte werden (in logarithmischem

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Maßstab) als Bruchteile oder Vielfache von C₀ dar- behandelt, daß er eine gleichförmige Konzentration

gestellt. Aus diesen Kurven sind die folgenden Csb an Antimon und Cb an Bor aufweist. Er wird

Schlüsse zu ziehen: dann in Stücke gesägt, und es wird eine Oberflächen-

a) Je größer der absolute Wert von (l-_r) ist, »Sicht geschmolzen Fig. 4a zeigt eine Vorderansicht

um so größer sind die durch Steigerung hervo^ ^s ** oberen rechten Ecke an« solchen Körpers, von

gerufen! Extreme in der Konzeption d. h. ^"Α STsSStaSth £

ÄS^Τΐ,,"ί „^b™öifer^giÄ Tiefet hergestellt is, Danach >äß, man die gc-UnterscMed _2w?chen to rnitüLn Konzentration C₀ an gelöster Substanz und dem Kon-

b) ra^SKl^dwi kleinere ,-Werte trationskurve des Antimons verläuft zunächst entschnellerer Seigerung. Das heißt, daß beim sprechend der ausgezogenen Linie A horizontal auf Vergleich der Kurvfn für zwei gelöste Sub- ¹S dem Spiege der Antimonkonzentration C_SÖ im sässässas

rem γ stets in allen Funkten die steuere Neigung _{stattfindet (Dieser letztere Teü ver}i_äuf_t in einer nach Qj- hat. Für einen solchen Vergleich können die 20 rechts gerichteten Aufwärtskurve, da der 7-Wert von Kurven senkrecht ohne Änderung des Verlaufs Antimon in Germanium kleiner als 1 ist.) Gleichparallel zu sich selbst verschoben werden, bis sie ^ζειί^ ^^{\^d^. Borkonzentration entsprechend der sich bei irgendeiner gegebenen Konzentration ^strichelten Lime von Cs bis y_BCs bei X₁, von wo oder erstarrtem Anteil schneiden, da ja die ^s* sich abwärts neigt, da der _rWert von Bor in Konzentration logarithmisch aufgetragen ist. ²S Germanium großer als 1 ist

Für y größer als f entspricht kleier U- ^f^ <5Ä"£ £ gtS %£.

langsamer Seigerung mit negativem ^- Nachdem die Schmelzzone bis zu X₁ vorgerückt ist

c) Für ,-Werte in der Nähe von 0,1 wächst die ™^{d die Erstar}™g begonnen hat sind die Konzen-

Konzentration ungefähr um den Faktor 8 in 3° ^Janeo ** wiedererstarrten festen Substanz beix^

den ersten 9/_in des erstarrten Blocks ^gleich y^sbCsb ^und ^^CjB· ^Da Ύ^β€β großer als

den ersten /₁₀ des erstarrten Blocks. ^ ^ _{geht dag} G_{ermanium bei Xj zum p}._Typ

Die weitere Untersuchung der Kurven in Fig. 3 über. Die Konzentrationen an Gelöstem haben den zeigt, daß der prozentuelle Zuwachs in der Konzen- erläuterten Verlauf und kreuzen sich bei X₂, wodurch tration des Gelösten über den für χ = 0 geltenden ₃₅ an dieser Stelle das Kristallmaterial wieder eine Wert hinaus in den ersten ⁹/₁₀ des Blocks verhältnis- η-Leitfähigkeit erlangt. Der Konzentrationsgradient mäßig belanglos für die γ-Werte ist, solange diese bei X₂ wird durch die Größe von Csb, Cb, die Entim Bereich 0,01 bis etwa 0,2 liegen. Dies ist sehr fernung X₁-S und die zugehörigen γ-Werte bewichtig, da diese Größenordnung gerade die y-Werte stimmt. Das Ergebnis des beschriebenen Verfahrens gewisser gelöster bedeutsamer Verunreinigungen ₄₀ ist ein npn-Germaniumeinkristall.
darstellt, die gegenwärtig in Germaniumhalbleitern Durch Schmelzen einer dünnen Oberflächenschicht

verwendet werden. Beispiele sind die Akzeptoren in der Größenordnung von einigen hundertstel Indium, Aluminium und Gallium mit y-Werten von Millimetern Dicke können sehr dünne p-Schichten etwa 0,002, 0,07 und 0,12 und die Donatoren Arsen erzeugt werden. Wenn auch die Änderungen der und Antimon mit den y-Werten 0,07 und 0,007. ₄₅ Konzentration bei X₁ unabhängig von der Menge der

Es ist zu beachten, daß Gleichung (1) zwar auf Schmelze sind, so hängt doch die Dicke der p-Schicht jedes Teilstück des Körpers, aber nicht auf den von dieser Menge ab. Übergänge wie der bei xi sind Körper als Ganzen angewendet werden kann, da geeignet für spannungsbegrenzende Vorrichtungen gemäß dieser Gleichung für γ kleiner als 1 die vom Zener-Typ, in welchen die Grenzspannung in Konzentration unendlich wird, wenn sich χ dem ₅₀ der Größenordnung von einigen Volt liegt.
Wert 1 nähert. Für jede Legierung tritt an einem Der spitz zulaufende p-Bereich nach Fig. 4b ist

Punkt des Erstarrungsprozesses eine von zwei besonders geeignet zur Erhöhung der Frequenz-Alternativen ein: grenze eines npn-Transistors, und zwar durch

a) Die Schmelze erreicht einen eutektischen oder Bildung eines Driftfeldes, welches die Elektronen in peritektischen Punkt mit dem Auftreten einer ₅₅ Richtung zum Kollektorübergang bei X₂ beschleunigt, zweiten Phase im festen Anteil, oder An Hand der Fig. 5a und 5b soll ein weiteres Aus-

b) wenn das System völlige Löslichkeit im festen führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens Zustand hat und darum eine zweite Phase nicht zur Herstellung von eingewachsenen pn-Übergängen auftreten kann, ändert sich die Zusammen- beschrieben werden. Das Ausgangsmaterial ist ein Setzung, bis Gleichförmigkeit erreicht ist, was _6o Einkristallstab aus einer Halbleiterlegierung, die zwei bei χ = 1 eintritt, in dem Augenblick, da der oder mehr die Leitfähigkeit bestimmende Stoffe entletzte Tropfen erstarrt. hält. Es ist angenommen, daß die Legierung aus

An Hand der Fig. 4a und 4b wird ein Ausführungs- Antimon und Gallium in Germanium besteht. Das beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens be- Ausgangsmaterial besitzt für beide Stoffe eine im schrieben, mit dem Umschmelz-pn-Übergänge her- g₅ wesentlichen gleichmäßige Verteilung. Der Antimongestellt werden sollen. Eine Germaniumlegierung, die spiegel liegt im Ausgangsstoff höher als der des Antimon als Donator und Bor als Akzeptor enthält, Galliums. Der Stab, der somit vom η-Typ ist, wird soll als Beispiel gewählt werden. Der Körper wird· so dann in eine Zonenschmelzvorrichtung gebracht, in

das einen y-Wert größer als 1 hat, und welches sich daher in dem Teil der Schmelzzone anreichern würde, welcher zuerst kristallisiert. Deshalb ist dieser Teil der Umschmelzzone von der inneren Begrenzung 5 derselben bis zu dem Punkt, wo sich die Kurven A und B schneiden, vom p-Typ. Da von diesem Schnittpunkt bis zur Außenfläche wieder Antimon vorherrscht, ist der restliche Teil des Kristalls vom η-Typ. Die Wirkung einer Umschmelzung der

welcher eine Schmelzzone von der Länge L an einer
gewünschten Stelle erzeugt wird. L wird danach
kleiner gemacht, bis die gesamte Schmelzzone wieder
erstarrt ist. Bei diesem Wiedererstarren der Zone von
den Enden aus einwärts verteilen sich die gelösten
Substanzen entsprechend dem Diagramm der Fig. 5b
und bilden vier pn-Übergänge. In Fig. 5b stellt
Kurvet die Konzentration des Antimons im behandelten Material dar, während die gestrichelte
Kurve B die des Galliums darstellt. Die Konzen- io Außenfläche der in Frage stehenden Germaniumtrationen beider gelöster Substanzen sind bei Csb legierung und des Zusatzes einer Pastille, welche und Cgu beiderseits der wiedererstarrten Schmelz- eine p-Typ-Verunreinigung mit einem y-Wert größer zone konstant. Wenn die Schmelzzone schrumpft, hat als 1 und eine η-Typ-Verunreinigung mit einem das zuerst ausgefrorene Material bei e und e\ die y-Wert kleiner als 1 enthielt, besteht also in dem Konzentrationen ysbCsb und yGaCea- Mit fort- 15 Zustandekommen eines npn-Körpers. Dieses Verschreitendem Erstarren überholt die Konzentration fahren hat den zusätzlichen Vorteil gegenüber dem des ausfrierenden Antimons die des Galliums bei d Verfahren gemäß Fig. 4a und 4b, daß eine weiterund d_h da γsb kleiner als γGa ist und da beide gehende Steuerung der Leitfähigkeit und der Auskleiner als 1 sind [s. Gleichung (I)], so daß im Mittel- dehnung der p- und η-Bereiche möglich ist. Überdies teil der wiedererstarrten Zone Antimon vorherrscht. 20 können bei einem gegebenen Ausgangsmaterial Das Endergebnis ist ein n-Kristallstab mit den unterschiedliche pn- und npn-Übergänge durch p-Bereichen e — d und βγ — d_x und den pn-Über- geeignete Wahl der Zusammensetzung und Menge gangen bei e, d, ίή und e_h Wiederum können die der Zusätze gewonnen werden. Gradienten in den Punkten d und J₁ einfach durch Während die beschriebenen Ausführungsbeispiele

Änderung der Maximallänge L der Schmelzzone ge- 25 des Verfahrens pn-und npn-Schichten von verhältnissteuert werden. Die Gradienten bei e und e_r können mäßig großer Ausdehnung liefern, aus denen zahldurch Änderung der Verweilzeit gesteuert werden, reiche Halbleitereinrichtungen hergestellt werden nachdem die Schmelzzone ihr Maximalvolumen können, kann das Verfahren auch dazu benutzt erreicht hat. werden, um solche Schichten in einzelnen Vor-

Fig. 6a und 6b zeigen Beispiele für Umschmelz- 30 richtungen und örtlich begrenzten Bereichen herzupn-Übergänge, welche den nach dem Verfahren stellen.

gemäß Fig. 4a und 4b hergestellten pn-Übergängen So kann z. B. ein pn-Hakenkollektor dadurch

ähnlich sind. Nach Fig. 6a und 6b werden jedoch hergestellt werden, daß man eine heiße Elektrodendurch Zusatz einer Pastille mit einer oder mehreren spitze auf η-Germanium geeigneter Zusammenbedeutsamen Verunreinigungen die Gradienten ge- 35 Setzung aufsetzt, derart, daß ein örtlicher, mehr oder ändert und die resultierenden pn-Zonen erzeugt. weniger halbkugelförmiger Bereich um die Spitze Fig. 6a entspricht Fig. 4a. In dem gewählten Beispiel geschmolzen wird. Beim Wiedererstarren kann um hat das Ausgangsmaterial eine Antimonkonzentra- die Elektrode ein npn-Gebilde entstehen; gleichzeitig tion Csb, welche nach Überführung in den schmelz- wird die Elektrode in das Germanium eingebettet, flüssigen Zustand bewirkt, daß eine Anfangskonzen- 40 Geeignete Spitzen sind solche aus Wolfram, Tantal tration ysbCsb ausfriert. Wie bei dem Verfahren und die Eisen-Nickel-Legierungen, die unter dem nach Fig. 4a und 4b wird die Oberfläche des Blocks Handelsnamen Permalloy bekannt sind, zunächst bis zur angegebenen Tiefe geschmolzen, Andere Verfahren zur Erhitzung und Bildung

und danach wird das Impfmaterial, das die ge- dünner und/oder kleinflächiger pn-Übergänge sind wünschten bedeutsamen Verunreinigungen enthält, 45 in Form von Elektronen- oder Ionen-Entladungen zugesetzt. Das Impfmaterial kann auch auf den und Hochfrequenz verfügbar, festen Kristallblock gelegt werden und während des Kanäle, deren Leitfähigkeitstyp von denen des

Umschmelzens in den Halbleiter eingeschmolzen Halbleiters abweichen, können in der Weise hergewerden. Es ist zu beachten, daß die Gradienten durch stellt werden, daß man einen geheizten Draht oder die Wiederverteilung des Gelösten bei Erstarren und 50 eine, elektrische Entladung über die Oberfläche führt, nicht direkt durch die Zugabe des Impfmaterials Umschmelz-pn-Übergänge können auch zwischen

erzeugt werden. Der Zeitpunkt der Zugabe ist daher zwei verschiedenen Halbleitern gebildet werden, nicht kritisch. Die Pastille, welche Bor und Antimon Zum Beispiel kann ein Stück p-Germanium in eine als bedeutsame Verunreinigungen enthält, erzeugt Scheibe aus η-Silizium eingeschmolzen werden, worzusammen mit dem bereits im Ausgangsmaterial 55 auf man die Schmelze fortschreitend gemäß Fig. 4 vorhandenen Antimon Konzentrationskurven A für bis 6 erstarren läßt.

Bor und B für Antimon, während das im Material Eine gewisse Diffusion des Gelösten im festen

ursprünglich vorhandene Antimon ohne die einge- Zustand kann bei der Bildung von Umschmelzimpften Verunreinigungen die in Kurve D gezeigte pn-Übergängen nach Fig. 4a, 4b, 5a, 5b, 6a und 6b Wirkung auf die Konzentration haben würde. Die 60 auftreten. Diese Abweichung bietet ein Mittel zur Kurve D hat den gleichen Verlauf wie die Kurve A Steuerung des Konzentrationsgradienten von überder Fig. 4b. Alle drei Kurven für den wieder- schüssigen Ladungsträgern am pn-übergang, da hier erstarrten Bereich sind normale Erstarrungskurven. im Falle einer Diffusion im festen Zustand die Da in dem Ausgangsmaterial Antimon vorherrscht, Steilheit des Gradienten verringert werden kann, bevor die Pastille zugesetzt wurde, ist'das ganze 65 indem man einfach die Schmdzzone für eine längere Material bis zur Grenze der Schmelzzone vom η-Typ. Zeitspanne in Kontakt mit der festen Substanz hält. In dem nächsten Abschnitt, d. h. in dem nach dem Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht einer Vorrichtung

innen gelegenen Teil der Schmelzzone überwiegt Bor, zur Herstellung von pn-Übergängen nach Fig. 4a

und 4b sowie Fig. 6a und 6b. Die das behandelte Material umgebende Atmosphäre innerhalb des aus Quarz oder einem anderen geeigneten Material bestehenden Ofenbehälters 29 kann eingestellt werden. Bei diesem Beispiel ist die Beheizung mittels einer Induktionsspule 30 durchgeführt, an deren Stelle auch eine Widerstandsspule oder ein Brenner benutzt werden kann. Die Induktionsspule 30 erhitzt das zu behandelnde Werkstück nicht unmittelbar, sondern erhöht die Temperatur des Erhitzers 31, der aus Graphit bestehen kann, und der von Haltestäben 32 aus Quarz getragen wird. Diese Quarzstäbe sind in eine kühlende Unterlage 33 eingelassen, die wieder aus Graphit bestehen kann. Diese kühlende Unterlage wird durch eingebettete Kühlschlangen gekühlt. Das zu behandelnde Werkstück 34 wird unter den Erhitzer 31 gelegt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, eine Quarzscheibe 35 auf und eine zweite Quarzscheibe 36 unter das· Material34 zu legen. Die Quarzscheiben wirken als Wärmeverteiler, bei deren Verwendung die p- und η-Zonen besonders flach ausfallen. Die obere Scheibe 35 hält zugleich den Flüssigkeitsspiegel flach und verhindert es, daß die Oberflächenspannung die Form des Körpers wesentlich verändert. Damit wird die Steuerung der Gleichförmigkeit der pn-Schichten verbessert.

Wenn der zu behandelnde Kristall aus Germanium mit den Abmessungen von etwa 1 · 1 · 2 cm besteht und das Umschmelzen einer Schichtdicke von 0,5 mm gewünscht wird, hat sich eine Quarzscheibe 35 von 1,57 mm Dicke als zweckdienlich erwiesen. Die Scheibe sollte nicht so schwer sein, daß sie den geschmolzenen Teil des Kristalls über den Rand des festen Teils hinausdrängt. Die in dem Ofenbehälter 29 aufrechtzuerhaltende Atmosphäre hängt von dem jeweiligen Zweck ab. Nach der Darstellung wird eine Wasserstoffatmosphäre benutzt. Der Wasserstoff kann natürlich durch ein anderes indifferentes Gas ersetzt werden. Wenn das zu behandelnde Material durch Impfung mittels Gas beeinflußt werden soll, muß natürlich dieses Gas an Stelle von Wasserstoff eingeleitet werden.

Für die Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 5 empfiehlt sich die .Verwendung einer feststehenden länglichen Graphitform für die Aufnahme des Werkstücks; die Form ist von einer geeignet bemessenen Induktionsspule, die mit einer Hochfrequenzquelle in Verbindung steht, umgeben. Das Ganze ist in einem Quarzrohr untergebracht, welches mit Öffnungen für die Einführung und Entnahme von Wasserstoff oder einem anderen geeigneten Gas ausgestattet ist.

Beispiele elektrisch wirksamer Legierungskomponenten für Halbleiter der IV. Gruppe des Periodischen Systems, wie z. B. Germanium und Silizium, sind Bor, Gallium, Indium, Thallium und Aluminium, die der III. Gruppe des Periodischen Systems angehören, und Antimon, Arsen, Wismut und Phosphor aus der V. Gruppe des Periodischen Systems.

Claims

PATENTANSPRUCH:

Verfahren zum Herstellen eines pn-Überganges und/oder eines Gradienten eines elektrisch wirksamen Elements in einem Halbleiterkristall durch Einschmelzen einer Legierung aus Halbleitergrundstoff, z. B. Ge oder Si mit elektrisch wirksamen Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems, die in der Legierung in fester Lösung enthalten sind, wobei die Erstarrung der Schmelze so gelenkt wird, daß die elektrisch wirksamen Elemente nacheinander selektiv ausgeschieden werden, so daß das erstarrte Schmelzgut zwei aneinandergrenzende Zonen aufweist, die entweder mit Akzeptoren oder mit Donatoren unter Bildung eines oder mehrerer pn-Übergänge und/oder eines Gradienten eines elektrisch wirksamen Elements angereichert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungs-Mischkristall nur partiell von einer Stelle aus aufgeschmolzen und danach in umgekehrter Richtung zur Erstarrung gebracht wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 567 970.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 20» 638/522 8.