Verfahren zum Herstellen von kristallinen Halbleiterkörpern mit großer
Lebensdauer der Minoritätsträger Für viele Anwendungsgebiete von Halbleitermaterialien,
z. B. für den Bau von Transistoren und von Halbleiterdioden, sind Halbleiter mit
hoher Minoritätsträgerlebensdauer erforderlich. Bei der Herstellung eines solchen
Halbleitermaterials hat man deshalb bisher besonderen Wert auf eine hohe Kristallperfektion
gelegt, d. h. auf die Herstellung von Einkristallen, die ein möglichst ideal gebautes
Kristallgitter besitzen, bei denen also die Gitterstörungen, die als Rekombinationszentren.für
die Ladungsträger wirken, möglichst gering sind. Dabei tritt aber der Nachteil auf,
daß die gute Kristallperfektion, die mit den bekannten Einkristallherstellungsverfahren
erzielt wird, bei den thermischen Behandlungen, die zum endgültigen Bauelement führen,
z. B. beim Einlegieren der Elektroden, wieder gestört und damit die hohe Lebensdauer
der Minoritätsträger stark reduziert wird.Process for the production of crystalline semiconductor bodies with large
Lifetime of minority carriers For many fields of application of semiconductor materials,
z. B. for the construction of transistors and semiconductor diodes, semiconductors are with
high minority carrier lifetime required. When making one
Semiconductor material has therefore hitherto placed particular emphasis on a high level of crystal perfection
laid, d. H. on the production of single crystals, which are as ideally built as possible
Have crystal lattices, in which the lattice disturbances that act as recombination centers. For
the charge carriers are effective and are as small as possible. However, there is the disadvantage that
that the good crystal perfection achieved with the known single crystal production processes
is achieved in the thermal treatments that lead to the final component,
z. B. when alloying the electrodes, disturbed again and thus the long service life
the minority carrier is greatly reduced.
Es wurde gefunden, daß man kristalline Halbleiterkörper mit großer
Lebensdauer der Minoritätsträger durch Zonenschmelzen in einer Schutzgasatmosphäre,
der geringe Mengen gasförmige Fremdstoffe zugemischt sind, herstellen kann, wobei
die erhöhte Lebensdauer der Minoritätsträger durch Störungen der Kristallperfektion
durch nachfolgende thermische Behandlung nicht reduziert wird, wenn als gasförmige
Fremdstoffe Sauerstoff und/oder Stickstoff verwendet werden und deren Partialdruck
durch ein Leck im Vakuumgefäß, das in der Größenordnung von 2 - 10-4 bis 9,6 - 10-5
Torr - 1/sec liegt, aufrechterhalten wird.It has been found that crystalline semiconductor bodies with large
Lifetime of minority carriers through zone melting in a protective gas atmosphere,
the small amounts of gaseous foreign substances are admixed, can produce, wherein
the increased lifetime of the minority carriers due to disturbances in crystal perfection
is not reduced by subsequent thermal treatment, if as gaseous
Foreign substances oxygen and / or nitrogen are used and their partial pressure
through a leak in the vacuum vessel, which is in the order of 2 - 10-4 to 9.6 - 10-5
Torr - 1 / sec is maintained.
Man nimmt an, daß diese Fremdstoffe die Rekombinationszentren, die
z. B. durch die Gitterfehlstellen gebildet werden, blockieren und damit zu einer
Erhöhung der Lebensdauer der Minoritätsträger führen und die Lebensdauer außerdem
von den sich während der nachfolgenden thermischen Behandlung bildenden Gitterstörungen
unabhängig macht.It is believed that these foreign substances are the recombination centers that
z. B. are formed by the lattice defects, block and thus become one
Increase the lifespan of minority carriers and the lifespan as well
of the lattice disturbances that develop during the subsequent thermal treatment
makes you independent.
Es ist bereits bekannt, eine halbleitende Verbindung in einem Schutzgas,
z. B. in Stickstoff oder Argon, mit geringen Sauerstoffbestandteilen zu tempern.
Bei n-leitendem Galliumarsenid erhält man mit diesem Verfahren eine p-leitende Oberflächenschicht.
Demgegenüber führen die der Schutzgasatmosphäre beim Verfahren gemäß der Erfindung
zugegebenen Fremdstoffe nicht zur Bildung von den Leitfähigkeitstyp des Halbleiterkörpers
verändernden Störstellenniveaus, sondern zu einer Blockierung der die Lebensdauer
der Minoritätsträger vermindernden Rekombinationszentren. Diese unterschiedliche
Wirkung beruht möglicherweise darauf, daß im Falle der Temperung der Halbleiterkörper
fest bleibt, während beim Verfahren gemäß der Erfindung die der Schutzgasatmosphäre
beigemischten Fremdstoffe auf das flüssige Halbleitermaterial einwirken.It is already known to use a semiconducting compound in a protective gas,
z. B. in nitrogen or argon to anneal with low oxygen components.
With n-type gallium arsenide, this process produces a p-type surface layer.
In contrast, lead to the protective gas atmosphere in the method according to the invention
added foreign matter does not contribute to the formation of the conductivity type of the semiconductor body
changing impurity levels, but blocking the service life
the minority carrier diminishing recombination centers. This different
The effect is possibly based on the fact that, in the case of tempering, the semiconductor body
remains fixed, while in the method according to the invention that of the protective gas atmosphere
Admixed foreign substances act on the liquid semiconductor material.
Bei einer derartigen Arbeitsweise ist es möglich, die Zahl der zur
Erzielung einer bestimmten Lebensdauer notwendigen Zonenzüge gegenüber der bekannten
Arbeitsweise bedeutend zu vermindern. Wie bereits erwähnt, nimmt man an, daß die
die Lebensdauer herabsetzenden Rekombinationszentren, die etwa in der Mitte des
verbotenen Bandes liegen, z. B. durch Sauerstoff blockiert werden können. Wird dann
aber während des Ziehverfahrens der aufgeschmolzenen Zone mehr Sauerstoff zugeführt,
als zum Blockieren dieser Rekombinationszentren notwendig ist, so wirkt der Sauerstoff
selbst als Rekombinationszentrum und somit wiederum lebensdauerverkürzend. Damit
läßt sich die Tatsache erklären, daß für jeden Halbleiterstab, je nach der Anzahl
der zu Beginn des Verfahrens im Halbleitermaterial vorhandenen, die Lebensdauer
verkürzenden Rekombinationszentren, die maximale Lebensdauer für eine ganz bestimmte,
für das verwendete Material charakteristische Sauerstoffkonzentration erzielt wird.
Bestimmt man also zunächst, z. B. durch Messung des Temperaturgangs des Halleffekts,
die Zahl der im Material des Halbleiterstabes vorhandenen Rekombinationszentren
und bemißt danach den Partialdruck des zugeführten Fremdgases, so gelingt es schon
nach wenigen Zonenzügen (etwa zwei bis drei Zonenzüge), die gewünschte lange Lebensdauer
zu erzielen. Bei den bisherigen Verfahren, bei denen die lange Lebensdauer durch
Abdampfen der Verunreinigungen im Vakuum erzielt
wird, sind etwa
zwölf Zonenzüge und mehr notwendig, um ein Halbleitermaterial mit hoher Trägerlebensdauer
zu erhalten.In such a way of working, it is possible to determine the number of to
Achieving a certain service life necessary zone trains compared to the known
Significantly reduce working methods. As mentioned earlier, it is believed that the
the lifespan-reducing recombination centers, which are located approximately in the middle of the
prohibited tape, z. B. can be blocked by oxygen. It will then
but more oxygen is added to the melted zone during the drawing process,
than is necessary to block these recombination centers, the oxygen acts
itself as a recombination center and thus in turn shortening the lifespan. In order to
can explain the fact that for each semiconductor rod, depending on the number
the lifetime present in the semiconductor material at the beginning of the process
shortening recombination centers, the maximum lifespan for a very specific,
a characteristic oxygen concentration for the material used is achieved.
So if you first determine z. B. by measuring the temperature response of the Hall effect,
the number of recombination centers present in the material of the semiconductor rod
and then measures the partial pressure of the foreign gas supplied, then it works
after a few zone moves (about two to three zone moves), the desired long service life
to achieve. In the previous process, in which the long service life through
Evaporation of the impurities achieved in a vacuum
will, are about
twelve zone trains and more are necessary to produce a semiconductor material with a long carrier life
to obtain.
Ausführungsbeispiel Es wird eine Zonenziehapparatur benutzt, wie sie
zum Herstellen von hochreinen einkristallinen Halbleiterstäben bereits bekannt ist.
Der Halbleiterstab, der aus Silizium besteht, befindet sich in einem aus Quarz bestehenden
Gefäß in einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere einer Argonatmosphäre, bei einem
Druck von etwa 85 Torr oder Atmosphärendruck. Die Länge des Halbleiterstabes beträgt
20 cm und der Stabdurchmesser 1,5 cm. Der Stab wird zunächst durch direkten Stromdurchgang
erhitzt und darauf induktiv eine Zone aufgeschmolzen und durch den Stab hindurchgeführt.EXEMPLARY EMBODIMENT A zone pulling apparatus is used like that
for the production of high-purity single-crystal semiconductor rods is already known.
The semiconductor rod, which is made of silicon, is located in one made of quartz
Vessel in a protective gas atmosphere, in particular an argon atmosphere, at a
Pressure of about 85 torr or atmospheric pressure. The length of the semiconductor rod is
20 cm and the rod diameter 1.5 cm. The rod is first made by direct current passage
heated and then inductively melted a zone and passed through the rod.
Besonders einfach ist es, Luft als Fremdstoff bei einem Partialdruck
von etwa 2 Torr zuzuführen. Zum Erzielen des notwendigen Partialdruckes wird das
Fremdgas durch ein Leck, das für Luft etwa 2 - 10-4 bis 9,6 - 10-5 Torr - 1/sec
beträgt, in das Vakuumgefäß der Ziehanlage eingebracht. Das Leck kann z. B. durch
ein Nadelventil erzeugt werden, oder der Gaszutritt, kann auch durch eine Haardüse
erfolgen, deren Durchmesser etwa 1 #t beträgt. Zur Grobregelung des Lecks wird diese
Haardüse gegen eine mit einem anderen Durchmesser vertauscht. Zur Feinregelung und
zum Erzielen eines sehr kleinen Lecks wird das Volumen des Quarzrohres durch Aufsetzen
eines Hohlraumes definierten Volumens vergrößert. Durch dieses Leck kann auch ein
anderes Fremdgas, z. B. Sauerstoff und/oder Stickstoff, in das Vakuumgefäß eingebracht
werden. Reiner Sauerstoff hat den Vorteil, daß sich keine Stickstoffverbindungen
bilden können.It is particularly easy to use air as a foreign substance at a partial pressure
of about 2 torr. To achieve the necessary partial pressure, the
Foreign gas through a leak, which for air is about 2 - 10-4 to 9.6 - 10-5 Torr - 1 / sec
is introduced into the vacuum vessel of the drawing machine. The leak can e.g. B. by
A needle valve can be created, or the gas inlet can also be created through a hair nozzle
take place, the diameter of which is about 1 #t. This is used to roughly regulate the leak
Hair nozzle exchanged for one with a different diameter. For fine control and
to achieve a very small leak, the volume of the quartz tube is increased by putting it on
a cavity defined volume enlarged. This leak can also be a
other foreign gas, e.g. B. oxygen and / or nitrogen, introduced into the vacuum vessel
will. Pure oxygen has the advantage that there are no nitrogen compounds
can form.
Zur Kühlung kann z. B. das ganze Quarzgefäß mit einem Wassermantel
umgeben werden. Da das gebildete Siliziummonoxyd im Vakuumgefäß nach oben steigt,
genügt es aber im allgemeinen, nur diesen Teil der Apparatur zu kühlen. Durch die
Kühlung kann die Bildung von Siliziumdioxydschollen auf der Schmelzzone bis zu einem
Luftpartialdruck, der kleiner oder gleich 4 Torr ist, vermieden werden. Die Zonenziehdauer
betrug 10 Stunden, und es wurden in dieser Zeit secias Zonenzüge durchgeführt. Dies
entspricht einer Ziehgeschwindigkeit von 12 cm/h. Gegebenenfalls kann die geschmolzene
Zone durch ein elektromagnetisches Feld gestützt und somit der aufgeschmolzene Teil
des Halbleiterstabes vergrößert werden. Die mit diesem Verfahren hergestellten Halb-Leiterstäbe
aus Silizium weisen eine Minoritätsträgerlebensdauer von etwa 1200.Rsee auf. Diese
Lebensdauer ist unabhängig von der Dotierung und der Kristallperfektion. Außerdem
ist dieser Wert auch bei weiteren thermischen Behandlungen, die zum endgültigen
Halbleiterbauelement führen, weitgehend stabil. Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Halbleitermaterial eignet sich daher besonders zur Transistorherstellung.For cooling, for. B. the whole quartz vessel with a water jacket
be surrounded. Since the silicon monoxide formed rises in the vacuum vessel,
but it is generally sufficient to cool only this part of the apparatus. Through the
Cooling can cause the formation of silica floes on the melting zone up to one
Partial air pressure that is less than or equal to 4 Torr can be avoided. The zone drag duration
was 10 hours, and during this time secias zone moves were carried out. this
corresponds to a drawing speed of 12 cm / h. Optionally, the melted
Zone supported by an electromagnetic field and thus the melted part
of the semiconductor rod can be enlarged. The semi-conductor bars produced with this process
made of silicon have a minority carrier life of about 1200 Rsee. These
Lifetime is independent of doping and crystal perfection. aside from that
is this value also for further thermal treatments leading to the final
Lead semiconductor component, largely stable. That with the method according to the invention
The semiconductor material produced is therefore particularly suitable for producing transistors.
Das Verfahren läßt sich mit Vorteil auch beim Tiegelziehen und beim
Dünnziehen anwenden. Es ist außerdem auch nicht auf das oben beschriebene Grobvakuumgebiet
beschränkt. Vielmehr können die Fremdstoffe auch bei anderen Totaldrücken zugegeben
werden. Außerdem eignet es sich auch zum Herstellen von anderen Halbleitermaterialien,
z. B. von Germanium.The process can also be used with advantage in crucible pulling and in
Apply thin drawing. It is also not in the rough vacuum range described above
limited. Rather, the foreign substances can also be added at other total pressures
will. It is also suitable for the production of other semiconductor materials,
z. B. of germanium.