DE1179303B

DE1179303B - Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1179303B
Application number: DEN22974A
Authority: DE
Inventors: Wilhelmus Francisc Knippenberg
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1962-04-06
Filing date: 1963-04-02
Publication date: 1964-10-08
Also published as: NL276911A

Description

Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem mit Stromzuführungselektroden versehenen Halbleiterkörper aus Diamant und auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Halbleiterbauelements.
Diamant kann bekanntlich, ebenso wie die Halbleiter Germanium und Silicium aus der IV. Gruppe des Periodischen Systems, infolge des Einbaues von Akzeptoren oder Donatoren p- bzw. n-Leitfähigkeit aufweisen. Auch lassen sich in Diamant angrenzende Zonen mit entgegengesetztem Leitungstyp und einem p-n-übergang anbringen" z. B. durch Diffusionsbehandlungen oder Beschuß mit Teilchen, wie Elektronen. Infolge seines großen Bandabstandes und auch infolge der bei diesem größeren Bandabstand noch großen Beweglichkeit der Ladungsträger ist Diamant im Prinzip geeignet, bei noch höheren Temperaturen als Germanium- und Siliciumhalbleiterbauelemente, z. B. über 500° C, als Halbleiterkörper z. B. einer Diode, eines Transistors oder eines photoempfindlichen Elementes zu dienen. Außerdem verträgt Diamant energiereiche Strahlung, z. B. Kernenergiestrahlung, besser als beispielsweise Germanium oder Silicium, deren elektrische Eigenschaften bereits durch eine schwache Dosis solcher Strahlung dauerhaft verschlechtert werden oder verlorengehen können. Diamant eignet sich sogar zur Verwendung als photoempfindlicher Körper bei einem Detektor für derartige Strahlung.
Eines der wichtigsten Probleme bei der Entwicklung von Halbleiterbauelementen auf der Grundlage von Diamant, die ja die Stromleitung ausnutzen, ist jedoch, geeignete Materialien für die Stromzuführungselektroden zu finden, die sich auf einfache und reproduzierbare Weise auf dem Diamantkörper anbringen lassen und weiter neben einer ausreichenden mechanischen Haftung auch in elektrischer Hinsicht günstige Eigenschaften aufweisen müssen. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß viele Metalle nicht oder kaum an Diamant haften, während andere nur unter sehr schwierigen Bedingungen, wie z. B. im Hochvakuum, auf Diamant aufgebracht werden können oder, wie dies z. B. mit Al oder AI-Si-Legierungen der Fall ist, zu tief in die oft kleinen Diamanten einlegieren. Für die Verwendung bei einem Halbleiterbauelement besteht weiter die Anforderung, daß das Elektrodenmaterial, gegebenenfalls mit einem Gehalt an Störstoffen, wie Donatoren oder Akzeptoren, eine gute ohmsche Verbindung oder eine gute gleichrichtende Verbindung mit einer p-leitenden oder n-leitenden Zone auf Diamant bilden kann.
Die Erfindung bezweckt unter anderem, ein geeignetes Elektrodenmaterial für ein Halbleiterbauelement aus Diamant anzugeben, das neben einer guten Haftung und einer geringen Eindringtiefe beim Anbringen ohne übermäßige Eindringtiefe auch in elektrischer Hinsicht günstige Eigenschaften, wie z. B. eine gute ohmsche Verbindung auf einem n-oder p-leitenden Diamanten, hat. Sie bezweckt weiter, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Halbleiterbauelementes zu schaffen, gemäß dem sich solche Elektroden auf einfache und reproduzierbare Weise auf Diamant anbringen lassen.
Bei einem Halbleiterbauelement mit einem mit Stromzuführungselektroden versehenen Halbleiterkörper aus Diamant besteht gemäß der Erfindung mindestens eine dieser Elektroden im wesentlichen aus einer auf dem Körper aufgeschmolzenen Legierung von Gold und mindestens 0,1 Atomprozent eines oder mehrerer der hochschmelzenden übergangselemente. Mit diesen hochschmelzenden Übergangselementen werden hier in üblicher Weise die Metalle Molybdän, Wolfram, Tantal, Titan, Niob, Vanadin, Zirkon und Hafmum gemeint. Der Ausdruck »im wesentlichen beistehen aus« soll hier in so weitem Sinne verstanden werden, daß er auch Legierungen von Gold und diesen Übergangselementen umfaßt, denen zur Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften Störstoffe, wie Donatoren und Akzeptoren, oder zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften neutrale Bestandteile, wie z. B. Silicium, zugesetzt sind. Während es sich nämlich herausgestellt hat, daß z. B. eine Au-Ta-Legierung an sich oder eine andere Legierung von Gold und einem hochschmelzenden Übergangselement auf einer n-leitenden Diamantzone einen guten ohmsehen Kontakt bildet, kann man auf eine in der Halbleitertechnik für Elektrodenmaterialien übliche Weise die elektrischen Eigenschaften dadurch beeinflussen, daß der Legierung als dem Träger Störstoffe, z. B. Donatoren oder Akzeptoren, zugesetzt werden. Durch Zusatz von Donatoren, wie Arsen oder Phosphor, wird der Donatorcharakter der Legierung gesteigert, was zu einer weiteren Verbesserung des ohmschen Kontaktes auf n-leitendem Diamant und der gleichrichtenden Verbindung auf p-leitendem Diamant führt. Durch Zusatz von Akzeptoren, wie Bor, Aluminium oder Indium, läßt sich der Donatorcharakter der ursprünglichen Legierung abschwächen und bis zur Akzeptorwirkung überkompensieren, wodurch z. B. ein guter niederohmiger ohmscher Kontakt auf p-leitendem Diamant erzielbar ist.
Bereits von einem Zusatz von 0,1 Atomprozent der Übergangselemente zum Gold ergibt sich eine für manches Halbleiterbauelement befriedigende Haftung der Elektrode. Vorzugsweise werden jedoch mindestens 0,5 Atomprozent an Übergangselementen benutzt, weil über diese Grenze die elektrischen Eigenschaften und auch die Haftung besonders gut sind. Weil manchmal eine zu hohe Aufschmelztemperatur unerwünscht ist und die elektrischen Eigenschaften des Diamantkörpers beeinträchtigen könnte, werden vorzugsweise höchstens etwa 25 Atomprozent von einem oder mehreren der Übergangselemente der Legierung zugesetzt, wodurch die Aufschmelztemperatur unter etwa l500° C liegt. Dieser Gehalt kann noch weiter erniedrigt werden, um die Aufschmelztemperatur noch weiter herabzusetzen, so daß sie nach Wunsch zwischen etwa 1100 und 1500° C liegen kann. Von den erwähnten Legierungen sind die Legierungen, die im wesentlichen aus Gold und Tantal oder Niob bestehen, zu bevorzugen. Besonders günstige Ergebnisse in elektrischer und mechanischer Hinsicht sind mit Elektroden erzielbar, die im wesentlichen aus Gold-Tantal-Legierungen bestehen, die sehr gut die Diamantoberfiäche benetzen und einen einwandfreien Oberflächenkontakt bei günstigen elektrischen Eigenschaften aufweisen.
Bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung erfolgt das Aufschmelzen der Elektrode vorzugsweise in einer reinen inerten Umgebung, wie in einer Edelgasatmosphäre oder in einem Vakuum. Besonders günstig hat es sich erwiesen, die Elektrode in einem Vakuum von weniger als 1 mm Hg, vorzugsweise weniger als 10-2 mm Hg, aufzuschmelzen. Weiter hat es sich als besonders günstig erwiesen, den Behandlungsraum zunächst mit einem reinen inerten Gas, wie Argon oder Helium, zu spülen und dann den Druck auf den für das Vakuum erwünschten Wert herabzusetzen.
Die Erfindung wird an Hand einer Figur und einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Die Figur stellt schematisch im Querschnitt einen i Halbleiterkörper aus Diamant dar, der mit zwei Stromzuführungselektroden nach der Erfindung versehen ist. Auf dem Halbleiterkörper 1, der aus einer p-leitenden Industriediamantplatte mit Abmessungen von etwa 3 X 3 X 1 mm besteht, sind nebeneinander zwei ohmsche Stromzuführungselektroden 2 und 3 angebracht, die beide aus einer Au-Ta-AI-Legierung (1 Gewichtsprozent Ta, 5 Gewichtsprozent Al) bestehen und die Form runder Platten mit einem Durchmesser von etwa 0,5 mm und einer Dicke von etwa 20 Mikron aufweisen. Es sei noch bemerkt, daß die genannten Elektrodenmaterialien und insbesondere die, welche im wesentlichen aus einer Au-Ta-Legierung bestehen, den Vorteil einer einfachen mechanischen Bearbeitbarkeit besitzen und sich zu jeder erwünschten Form bearbeiten lassen.
Die beiden Elektroden 2 und 3 sind auf nachstehende Weise auf der p-leitenden Diamantplatte 1 aufgebracht: Die Diamantplatte wird in Berührung mit den Elektrodenplatten 2 und 3 unter einer Vakuumglocke in einem Graphithalter angeordnet. Nach Spülen mit reinem Argon und Herabsetzen des Druckes in der Vakuumglocke auf etwa 10-3 bis 10-4 mm Hg wird der Graphithalter mit Hilfe einer Hochfrequenzspule auf etwa l300° C erhitzt, bis die Elektrodenplatten schmelzen. Die Erhitzung wird bei dieser Temperatur noch etwa 1/Y Minute fortgesetzt. Nach dem Abkühlen ergibt sich die in der Figur dargestellte Gestalt. Die Elektroden haften gut, während sie nur wenig, z. B. einige Mikron, in den Diamanten eingedrungen sind. Die beiden Elektroden bilden einen ohmschen Kontakt mit niedrigem Übergangswiderstand zum p-leitenden Diamanten. Augenscheinlich ist durch das Vorhandensein des Akzeptorstoffes Aluminium die Au-Ta-Legierung in eine Legierung mit Akzeptoreigenschaften umgewandelt.
Auf ähnliche Weise war es möglich, durch die Verwendung einer Au-Ta- (99 Gewichtsprozent Au, 1 Gewichtsprozent Ta) oder einer Au-Ta-Legierung mit einem zusätzlichen Gehalt an Donatorstörstoffen, z. B. 10 Gewichtsprozent Phosphor, eine Elektrodenlegierung mit Donatoreigenschaften zu erhalten und diese für einen ohmschen Kontakt mit niedrigerem Übergangswiderstand auf einem n-leitenden Diamanten zu verwenden. Das Anbringen kann dabei auf die gleiche Weise wie oben erfolgen.
Diese Elektrodenmaterialien können z. B. bei der Herstellung einer Diode mit einem Diamantkörper in der Weise verwendet werden, daß von einem Diamantkörper ausgegangen wird, in dem z. B. durch Diffusion von Bor ein p-n-Übergang vorhanden ist und das p-Gebiet und das n-Gebiet des Körpers auf die oben beschriebene Weise jeweils mit einer Elektrode aus einer Legierung mit Akzeptorwirkung bzw. mit Donatorwirkung versehen werden. Auch läßt sich dadurch ein sperrender Kontakt erzielen, daß eine Elektrodenlegierung, die z. B. infolge der Zugabe eines Donators, wie Phosphor, Arsen oder Antimon, eine ausgesprochene Donatorwirkung hat, auf einen p-leitenden Diamanten aufgeschmolzen wird.
Obgleich Legierungen auf der Grundlage von Gold-Tantal vorzuziehen sind, haben sich die Goldlegierungen mit anderen hochschmelzenden Übergangselementen gleichfalls als geeignet erwiesen. Nach den Legierungen auf der Grundlage von Gold-Tantal sind die Legierungen auf der Grundlage von Gold-Niob anderen vorzuziehen. Auch diese anderen Legierungen können auf ähnliche Weise wie Gold-Tantal-Legierungen aufgebracht und verwendet werden. Schließlich sei bemerkt, daß es sich herausgestellt hat, daß diese Elektrodenmaterialien sich auch besonders eignen zur Verwendung als Lotschicht zwischen einer zur Stromzuführung bestimmten Trägerplatte, z. B. aus Molybdän, und dem Diamantkörper eines Halbleiterbauelements, wobei die Zusammensetzung der Elektrodenschicht entsprechend den gewünschten elektrischen Eigenschaften (ohmsch oder sperrend auf p- oder n-leitendem Diamant) gewählt werden kann. Zu dieserri Zweck können z. B. Legierungen auf der Grundlage von Au-Ta in Form einer Folie Verwendung finden.

Claims

Patentansprüche: 1. Halbleiterbauelement mit einem mit Stromzuführungselektroden versehenen Halbleiterkörper aus Diamant, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Stromzuführungselektroden im wesentlichen aus einer auf den Körper aufgeschmolzenen Legierung von Gold und mindestens 0,1 Atomprozent eines oder mehrerer der Elemente Molybdän, Wolfram, Tantal, Titan, Niob, Vanadin, Zirkon und Hafnium besteht.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung außer den erwähnten Bestandteilen auch einen Donator enthält.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus den erwähnten Bestandteilen auch einen Akzeptor enthält.
4. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung mindestens 0,5 Atomprozent eines oder mehrerer der erwähnten Elemente enthält.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung höchstens etwa 25 Atomprozent eines oder mehrerer der Elemente enthält.
6. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung im wesentlichen aus Gold und Tantal besteht.
7. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung im wesentlichen aus Gold und Niob besteht. B.
Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Legierung als Elektrodenschicht zwischen einer zur Stromzuführung bestimmten Trägerplatte, z. B. aus Molybdän, und dem Diamantkörper dient.
9. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen der Elektrode auf den Halbleiterkörper in einer reinen inerten Atmosphäre, z. B. in einer Edelgas.atmosphäre, oder in einem Vakuum erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode in einem Vakuum von weniger als 1 mm Hg, vorzugsweise weniger als 10-2 mm Hg, aufgeschmolzen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Behandlungsraum zunächst mit einem reinen inerten Gas gespült und dann der Druck auf den für das Vakuum gewünschten Wert herabgesetzt wird, wonach die Elektrode aufgeschmolzen wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1105 067.