DE1227562B - Verfahren zum Herstellen von Tunneldioden nach Esaki fuer hohe Frequenzen mit kleinerPN-UEbergangsflaeche und nach diesem Verfahren hergestellte Tunneldioden - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Tunneldioden nach Esaki fuer hohe Frequenzen mit kleinerPN-UEbergangsflaeche und nach diesem Verfahren hergestellte Tunneldioden

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DE1227562B
DE1227562B DEG31132A DEG0031132A DE1227562B DE 1227562 B DE1227562 B DE 1227562B DE G31132 A DEG31132 A DE G31132A DE G0031132 A DEG0031132 A DE G0031132A DE 1227562 B DE1227562 B DE 1227562B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
HOIl
Deutsche Kl.: 21 g -11/02
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
G 31132 VIII c/21 j
10. Dezember 1960
27. Oktober 1966
Die Erfindung betrifft Tunneldioden und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Tunneldioden nach Esaki sind Halbleiterdioden mit einem dünnen flächenhaften Übergang, der eine Dicke von weniger als etwa 200A hat und an dem zwei Zonen aneinandergrenzen, die eine Dotierung von mehr als etwa 1018 Atomen/cm3 aufweisen. Der hier verwendete Ausdruck »Dicke« des Übergangs bezeichnet die Dicke des Raumladungsbereiches, der benachbarte Bereiche entgegengesetzter Leitfähigkeit senkrecht zur Ebene des PN-Übergangs trennt, während sich die später verwendete Bezeichnung »Durchmesser« des Übergangs auf den Querschnitt des Ubergangsbereiches parallel zu dessen Ebene beziehen soll.
Nach einer bekannten Theorie aus der Festkörperphysik entsteht ein dünner Übergang an der Grenzfläche zweier Zonen, wenn ein Kristall eine entartete P-leitende Zone und eine daran angrenzende N-leitende Zone besitzt. Ein derart gebildeter Übergang hat je nach den Trägerkonzentrationen in den beiden Zonen, dem Halbleitermaterial, der Legierungstemperatur und der Dauer des Legierungsvorgangs eine Dicke von etwas mehr oder weniger als 200 A.
Ein entartetes dotiertes Halbleitermaterial ist mit einer derart hohen Donatorkonzentration dotiert, daß das Ferminiveau für Elektronen einer höheren Energie als der Kante des Leitfähigkeitsbandes entspricht, oder mit einer derart hohen Akzeptorkonzentration, daß das Ferminiveau auf einen geringeren Energiebetrag, als der Kante des Valenzbandes entspricht, herabgesetzt ist. Obgleich diese Konzentration von der Art des verwendeten Halbleitermaterials abhängt, ist sie in den meisten Materialien größer als 1018 Atome/cm3.
Bei einer Tunneldiode aus Germanium liegt die Verunreinigungskonzentration beispielsweise etwa zwischen 1 · 1019 und 6 · 1019 Atomen/cm3.
Die bekannten Tunneldioden nach Esaki besitzen bei niedrigen Vorwärtsspannungen einen Bereich mit negativem Widerstand, der bei Germaniumdioden z. B. etwa zwischen 0,04 und 0,3 Volt, bei Siliziumdioden etwa zwischen 0,08 und 0,4 Volt und bei Gallium-Antimonid-Dioden etwa zwischen 0,03 und 0,3 Volt liegt.
Der Bereich des negativen Widerstandes entsteht dadurch, daß die Ladungsträger den Übergang mit Hilfe des quantenmechanischen Tunneleffekts durchqueren können. Damit dieser Vorgang wahrscheinlich ist, muß jedoch der Übergang dünn sein, weil der Durchdringungsfaktor der Sperrschicht sehr stark von der Dicke der Sperrschicht abhängt.
Verf aliren zum Herstellen von Tunneldioden nach Esaki für hohe Frequenzen mit kleiner
PN-Übergangsfläche und nach diesem Verfahren hergestellte Tunneldioden
Anmelder:
General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13
ao Als Erfinder benannt:
Jerome Johnson Tiemann,
Burnt Hüls, N. Y. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 11. Dezember 1959
(858 995)
Bei hochwertigen Tunneldioden ist deshalb bekanntlich ein äußerst dünner Übergang von vorzugsweise weniger als 200 A bei Germanium oder in der Größenordnung von einigen hundert Angström bei anderen Halbleitermaterialien, z. B. Silizium, erforderlich. Je höher die angestrebte Qualität ist, desto dünner muß der Übergang sein, wodurch jedoch seine Strombelastbarkeit und seine Kapazität anwachsen.
Eine in dieser Weise hochwertige Tunneldiode besitzt deshalb eine sehr niedrige Impedanz und eine große parallelliegende Kapazität. Dies ist besonders für die Verwendung bei hohen Frequenzen außerordentlich unerwünscht, da z.B. wegen der niedrigen Impedanz des Bauelements extrem hohe Anforderungen an die äußere Schaltung gestellt werden.
Einerseits wird die Frequenzgrenze für Schaltungen, in denen derartige Tunneldioden verwendet werden, durch die hohe parallelliegende Kapazität erniedrigt,
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und andererseits wird die von den Elektroden her- Übergang entsteht. Nach dem Erhärten dieses Ma-
rührende Induktivität noch durch die niedrige Impe- terials werden die möglichst kurz abgeschnittenen
danz in nachteiliger Weise beeinflußt. Eine Verklei- Elektroden zweckmäßigerweise mit leitenden Platten,
nerung der parallelliegenden Kapazität durch Ab- die durch isolierende Abstandstücke getrennt sind,
Stimmung ist jedoch sehr schwierig. 5 verbunden, um eine Diode geringer Impedanz bzw.
Die bekannten Tunneldioden enthalten zum Ein- ein für Hochfrequenz geeignetes Bauelement zu
schränken dieser Nachteile PN-Übergänge mit klei- schaffen.
nem Querschnitt, der durch einen Ätzvorgang auf Die Nachteile des dünnen Übergangs werden daeinen kleinen Teil seiner ursprünglichen Größe her- durch ausgeschaltet, daß die Flächengröße des Uberabgesetzt ist. Dabei wird im allgemeinen so vorge- io gangs durch einen einfachen und genau gesteuerten gangen, daß erst geätzt und dann kontaktiert wird. und überwachten Ätzprozeß vermindert wird, wäh-Die Nachteile eines solchen Verfahrens liegen auf rend eine große Fläche für den Halbleiterkörper und der Hand. Nach der Kontaktierung müssen lang- für die Elektroden beibehalten wird. Da die Kapawierige Auswahl- und Meßverfahren durchgeführt zität des Übergangs praktisch durch das Trodukt werden, und der Produktionsausschuß ist sehr groß, 15 einer Konstanten mit der Fläche bestimmt ist, beda sich erst nach dem Kontaktieren der Dioden die deutet die Verminderung der Fläche eine Verminde-Kennlinien und damit ihre Eigenschaften feststellen rung der Kapazität des Übergangs. Durch die gelassen, steuerte und überwachte Ätzbehandlung, bei der die
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Übergangsfläche viel schneller als die Querschnittsein Verfahren zum Herstellen von Tunneldioden 20 fläche des zurückbleibenden Restkörpers verkleinert nach Esaki anzugeben, nach dem die hergestellten wird, wird ein Halbleiterbauelement erhalten, das in Tunneldioden in jedem Fall eine vorgewählte Kenn- besonderer Weise vorherbestimmbare elektrische linie aufweisen. Gleichzeitig wird durch dieses Ver- Eigenschaften besitzt.
fahren dafür gesorgt, daß die Tunneldioden eine Der Anschluß der Zuleitungen vor dem Abätzen
geringe Kapazität, eine geringe Impedanz und eben 25 des Übergangs bedingt ferner eine geringe Induktanz,
geringen Serienwiderstand besitzen. Die Tunnel- da die Elektroden leicht mindestens ebenso groß wie
dioden sollen also ,eine kleine PN-Ubergangsfläche der Übergang hergestellt werden können, und läßt
aufweisen und dadurch für hohe Frequenzen geeignet einen einfachen Anschluß der kräftigen Zuleitung
sein. zu. Schließlich können dadurch auch mechanische
Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfah- 30 Spannungen weitestgehend ausgeschaltet werden, die
ren zum Herstellen- von Tunneldioden nach Esaki dazu führen könnten, den kleinen und zerbrechlichen
für hohe Frequenzen mit kleiner PN-Übergangs- Übergang zu zerbrechen.
fläche. Erfindungsgemäß wird das Verfahren derart Die Erfindung wird nun auch an Hand der Zeichdurchgeführt, daß nach dem Anbringen der beiden nungen ausführlich beschrieben. Alle aus der BeElektroden und der beiden Zuleitungen die Tunnel- 35 Schreibung und den Zeichnungen hervorgehenden diode insbesondere elektrolytisch so geätzt wird, daß Einzelheiten oder Merkmale können zur Lösung der die Querschnittsfläche des Halbleiterkörpers am PN- Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen.
Übergang kleiner als die kleinste Querschnittsfläche F i g. 1 und 2 zeigen einen Schnitt durch eine der Zuleitungen und der Elektroden wird. Während Halbleiterdiode mit kleinem Querschnitt während des Ätzens wird dabei eine solche Stromverteilung 40 verschiedener Stufen des Herstellungsverfahrens geaufrechterhalten, daß der Bereich des PN-Übergangs maß der Erfindung;
schneller als die anderen Bereiche des Halbleiter- F i g. 3 und 4 zeigen die Einrichtung zum Ätzen
körpers geätzt wird. Außerdem wird der Strom wäh- und die Stromverteilung beim Ätzen;
rend des Ätzens, z.B. mittels eines Oszillographen, Fig. 5 zeigt eine Strom-Spannungs-Charakteristik
laufend überwacht. 45 einer Tunneldiode nach Esaki;
Das Verfahren nach der Erfindung hat die Vor- Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch eine nach der
teile, daß die fertige Tunneldiode mit einer Über- Erfindung hergestellte Diode mit besonders geringer
gangsfläche ausgerüstet ist, deren Querschnitt we- Induktanz.
sentlich kleiner als der der großflächigen Elektroden Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 soll näher be-
ist, und daß das Ätzen laufend überprüft wird, so 50 schrieben werden, wie eine Tunneldiode mit einem
daß es nach dem Erreichen der gewünschten Dioden- dünnen Übergang nach der Erfindung hergestellt
kennlinie sofort abgebrochen werden kann. Dadurch wird.
erhält man optimale Qualität bei geringstem Aus- In dem Beispiel soll angenommen werden, daß
schuß und hoher Reproduzierbarkeit. N-leitendes Germanium für den Halbleiterkörper der
Der Vorteil eines Übergangs mit geringem Quer- 55 Tunneldiode verwendet wird. Das Verfahren ist schnitt ergibt sich aus der Tatsache, daß sich die natürlich auch auf einen beliebigen N- oder P-leiten-Kapazität umgekehrt mit seiner Dicke ändert, wäh- den Halbleiterkörper anwendbar und kann auch für rend die Strombelastbarkeit zwar auch umgekehrt andere Halbleiter, wie z.B. Silizium, Silizium-Karbid, mit der Dicke, aber sehr viel stärker veränderlich Verbindungen der Gruppen ΙΠ bis V und der ist. Daher ist beim Betrieb die Stromdichte eines 60 Gruppen Π bis VI verwendet werden,
dünnen Übergangs größer als die eines dicken Über- Zunächst wird ein Halbleiterkörper 1 aus Gergangs, so daß ein dünner Übergang pro Kapazitäts- manium hergestellt und mit einem Aktivator, z. B. einheit eine größere Stromstärke zuläßt. Germanium-Phosphit, imprägniert, um eine N-Leit-
Besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele für fähigkeit zu bewirken. Die Konzentration des Akti-Tunneldioden, die nach der Erfindung hergestellt 65 vators muß mindestens so hoch sein, daß das Halbsind, ergeben sich, wenn man sie nach dem Ätzen in leitermaterial entartet, und kann so hoch sein, wie ein härtbares Isoliermaterial einkapselt, damit eine dies die Grenze der Löslichkeit des Aktivators in mechanische Unterstützung für den zerbrechlichen dem Halbleiterkörper zuläßt.
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Der Halbleiterkörper wird mit einer metallischen Schaltung zu ergeben, falls dies erwünscht ist. Bei-Basisplatte 2 verbunden, die als die eine Elektrode spielsweise kann der Halter ein Kopfstück sein, das für das Bauelement dient. Die Platte besitzt einen in bekannter Weise häufig verwendet wird, um Tranthermischen Ausdehnungskoeffizienten, der praktisch sistoren oder ähnliche Elemente zu haltern. Irgendgleich dem des Halbleiterkörpers ist. Eine geeignete 5 welche Materialspannungen, die in der Zuleitung 6 Basisplatte für Germanium besteht beispielsweise bei dem Anlöten oder einem anderen Verbindungsaus Fernico. Der Halbleiterkörper wird mit der Vorgang entstehen, werden beseitigt, um zu verhin-Basisplatte an der Stelle 3 mit einem Lot zusammen- dem, daß der Draht sich von dem legierten Aktigelötet, das einen Donator, beispielsweise Antimon, vatormaterial trennt oder irgendwelche Spannungen enthält, um einen guten und nicht gleichrichtenden io in dem Übergang erzeugt. Die Beseitigung der ther-Kontakt zu gewährleisten. mischen Spannungen kann durch Anlassen der Zu-
Eine geringe Menge eines Akzeptormaterials 4, leitung 6 oder durch mechanische Mittel bewirkt z. B. Indium, das mit Gallium gemischt ist, wird auf werden, so daß ein Druck auf die Zuleitung 6 und die gegenüberliegende Seite des Halbleiterkörpers das Aktivatormaterial 4 ausgeübt wird, um die Veraufgebracht und auf eine Temperatur aufgeheizt, die 15 bindung aufrechtzuerhalten. Dadurch ist gewähroberhalb des Schmelzpunktes des Akzeptormaterials leistet, daß keine Kräfte vorhanden sind, die dazu liegt. Die Temperatur kann zwischen 300 und etwa führen könnten, daß der Übergang, nachdem er auf 8000C liegen. Bei dieser Temperatur löst der flüssige eine kleine Abmessung reduziert wurde, abbrechen Aktivator einen Teil des Germaniums und bildet eine könnte. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht Germanium-Aktivator-Lösung, die durch Lösung des 20 werden, daß die Stützglieder leicht auseinanderge-Kristalls allmählich mit Germanium angereichert spreizt werden, bevor die Zuleitung 6 angeschlossen wird, bis sie einen Schmelzpunkt besitzt, der gleich wird, und daß, nachdem die Verbindung erfolgt ist, der Arbeitstemperatur ist. Wenn der Kristall abge- die Kraft wiederaufgehoben wird. Die Stützglieder kühlt wird, rindet eine Rekristallisation statt, bei der werden in einer solchen Richtung gespreizt, daß ein sich eine einkristalline Schicht 5 aus Germanium auf 25 Nachlassen der Spreizkraft ein Zusammendrücken der Basis bildet, von der sie durch den Aktivator der Zuleitung mit der Verbindungsstelle des legierabgelöst wurde. Dieses rekristallisierte Germanium ten Aktivators zur Folge hat. Dies kann entweder ist nun in hohem Maße mit Akzeptormaterial imprä- an Stelle oder zusätzlich zu dem Anlassen der Zugniert und besitzt deshalb P-Leitfähigkeit. Die Fusion leitung erfolgen. Ein Stromstoß, der hinreichend im festen Zustand bewirkt, daß die Verunreinigungen 30 groß ist, um die Zuleitung bis zum Glühen aufzusich in dem Kristall über einen Bereich ausbreiten, heizen, genügt in einfacher Weise den Erfordernissen der von der Zeit und der Temperatur abhängt; bei des Anlassens. Das Halbleiterbauelement liegt dann' Temperaturen im Bereich zwischen 400 und 700° C besonders in der Umgebung des Kontakts zwischen kann die Zeit der Beheizung beispielsweise wenige der Zuleitung und dem Verunreinigungsmaterial in tausendstel Sekunden bis zu einigen Minuten be- 35 spannungsfreier Form vor.
tragen. Diese spannungsfreie Halterung ist besonders vor-
Außer Indium können eine Vielzahl anderer Ak- teilhaft. Wenn nämlich ein Übergang auf eine sehr
tivatormaterialien oder Mischungen anderer Materi- kleine Abmessung gebracht wird, so daß er etwa
alien verwendet werden, wenn deren Löslichkeit in einen Durchmesser von 0,025 mm oder weniger be-
dem Halbleiterkörper ausreicht, um den entarteten 40 sitzt, ist er sehr zerbrechlich, und die oben beschrie-
Zustand des Halbleiters hervorzurufen. Indium ist bene Halterung ergibt ein spannungsfreies mecha-
besonders zu diesem Zweck geeignet, weil es weich nisches Abstützen. Wenn die Übergangsfläche nur
ist und Materialspannungen auf Grund des Legie- um einen geringen Betrag verkleinert wird, z. B. bei
rungsvorgangs einen geringeren Einfluß auf den der Herstellung angepaßter Einheiten, und wenn die
Germaniumkörper ausüben als Materialspannungen, 45 Impedanz nicht hoch sein muß, kann im Bedarfsfall
die durch gewisse andere Materialien hervorgerufen auch auf die spannungsfreie Halterung verzichtet
werden. Ferner bewirkt die Verfestigung des Indiums werden.
ein Minimum an Spannungen, die sonst zu einer Die Erfindung betrifft ferner eine gesteuerte und Rißbildung oder einer sonstigen Beschädigung des überwachte elektrolytische Ätzbehandlung zur Ver-Germaniumkörpers führen könnten. Ferner dient 50 kleinerung der Fläche des Übergangs. Beim Ätzen Indium als ein Lötmittel mit niedrigem Schmelz- wird eine gewisse Stromverteilung aufrechterhalten, punkt zur Befestigung einer Leitung an der Legie- um die stärkste Ätzung am Übergang zu erreichen, rung. Das Aktivatormaterial kann mit dem Körper Diese Stromverteilung wird durch die kombinierte in fester, flüssiger oder Dampfform in Berührung Wirkung einer elektrostatischen Abschirmung der gebracht werden. Der entscheidende Faktor für die 55 metallischen Basisplatte und eines Potentialgradien-Bildung eines Übergangs ist das Beheizen in Beruh- ten in dem Körper selbst erreicht. Die F i g. 4 deutet rung mit dem Verunreinigungsmaterial. Eine Zu- die Stromlinien beim Ätzen an.
leitung 6 wird mit dem legierten Aktivatormaterial 4 Da die Metallplatte ein guter elektrischer Leiter verbunden. Dies kann beispielsweise durch Anlöten ist, befindet sie sich auf ein und demselben Potential oder durch Eindrücken in das geschmolzene Akti- 60 und der Strom fließt senkrecht zu ihrer Oberfläche, vatormaterial an der Stelle erfolgen, wo der Kontakt Dies zeigen die Linien in der F i g. 4. Der Halbleitergewünscht wird. körper ist jedoch in der Nähe des Zentrums der
Das so hergestellte Halbleiterbauelement wird Metallplatte angeordnet, so daß der Strom, der das
dann an einem Halter befestigt, indem die Basis- Ätzen bewirkt, abwärts in Richtung auf die Platte
platte 2 der Elektrode und die Zuleitung 6 mit den 65 zufließt.
Stützgliedern 7 bzw. 8 verbunden werden. Die Stütz- Das legierte Aktivatormaterial ist ebenfalls ein
glieder können ferner dazu verwendet werden, eine guter elektrischer Leiter und befindet sich ebenfalls
Verbindung der Einrichtung mit einer äußeren auf einem einheitlichen Potential. Darüber hinaus
befindet sich der obere Teil des Körpers auf einem höheren Potential als die Grundplatte, weil der positive Pol der Ätzspannung mit der Zuleitung 6 verbunden ist, die mit dem Aktivatormaterial in Berührung steht. Die Wirkung des höheren Potentials an der Oberseite des Körpers und der nach unten gerichtete Stromfluß zu der Platte an der Basis besteht darin, daß die Oberseite des Halbleiterkörpers viel schneller geätzt wird als der Basisbereich. Da der Übergang nach der Legierungsmethode im oberen Teil des Halbleiters gebildet wurde, wird folglich der Übergang viel schneller verkleinert als der Rest des Körpers.
Gemäß diesem Verfahren wird deshalb die montierte Einheit 10 in ein elektrolytisches Ätzbad 12 eingeführt, wobei, die positive Klemme der Spannungsquelle mit der Zuleitung 6 verbunden wird, die mit dem p-leitenden legierten Aktivatormaterial in Berührung steht. Eine Überwachungseinrichtung, z. B, ein Oszillograph 20, ist mit den Elektroden 2 und 6 verbunden und dient zur Beobachtung der charakteristischen Kurve des Halbleiterbauelements während des Ätzens. Damit ergibt sich eine genau wiederholbare Herstellung von Bauelementen, die angepaßte Charakteristiken besitzen, und die Möglichkeit der- Feststellung, wann die gewünschten elektrischen Eigenschaften vorhanden sind. Dies kann z. B. durch eine Beobachtung der charakteristischen Kurve des Bauelements während des Ätzens und durch eine Steuerung des Ätzstromes erreicht werden,-um eine Kurve zu erhalten, die einen bestimmten Spitzenwert des Stromes besitzt. Wie bereits oben. erwähnt wurde, besteht eine bestimmte Beziehung zwischen dem Spitzenstrom, der Kapazität und der Größe des Übergangsbereiches des Bauelements, Der beobachtete Spitzenstrom stellt daher ein geeignetes Mittel zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften der Einrichtung dar. Der Spitzenstrom in dem hier verwendeten Sinne ist der maximale Strom kurz vor dem Bereich des negativen Widerstands der Strom-Spannungs-Charakteristik. Zur Erläuterung dient die F i g. 5, die die Strom-Spannungs-Charakteristik eines Bauelements dieser Art zeigt.
••Wie die Fig. 3 zeigt, ist die positive Klemme der Spannungsquelle für das Ätzbad mit der Elektrode 6 verbunden, während die andere Klemme mit dem Ätzbad selbst verbunden ist. Das Ätzmittel 14 kann eine wäßrige Lösung von KOH oder äquivalenten Stoffen sein, das den Halbleiterkörper, aber nicht das legierte Aktivatormaterial ätzt. Wie oben bereits erläutert wurde, ergeben sich in der Anordnung auf Grund- des abschirmenden Effekts ■ der Elektrodenbasisplatte 2 und des Potentialgradienten in den Körper solche Stromwege, daß das Bauelement an dem Übergang stärker geätzt wird. Man erhält einen Halbleiterkörper, der eine etwa konische Gestalt besitzt, wobei der kleinere Durchmesser an dem Übergang liegt. Dies ist im einzelnen in der F i g. 2 gezeigt. Da das Aktivatormaterial von dem Ätzmittel nicht angegriffen wird, bleibt die Fläche der Legieruhgspille.groß. Die Elektrode 6 besitzt deshalb eine Fläche, die groß gegenüber dem jetzt verkleinerten Übergang ist.
Die Beobachtung der charakteristischen Kurve auf dem Oszillographen oder einer anderen Überwachungseinrichtung zeigt den Fortschritt der Behandlung durch das Ätzen auf Grund der Änderung der elektrischen Charakteristiken der Einrichtung an. Wenn z. B. die Übergangsfläche verkleinert wird, besitzt die Einrichtung eine Charakteristik mit einem niedrigeren Spitzenstrom, Durch Steuerung des Ätzstromes im Einklang mit diesen Beobachtungen kann die Geschwindigkeit des Ätzens genau reguliert werden, um eine sehr große Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von Vorrichtungen, die praktisch alle dieselbe Impedanz und Ubergangsflächen besitzen,
ίο zu gewährleisten. Das Ätzen wird fortgesetzt, bis eine vorherbestimmte Charakteristik beobachtet oder eine vorherbestimmte Größe des Übergangs erreicht wird.
Der Spitzenstrom, der bei der überwachten charakteristischen Kurve beobachtet wird, bestimmt das Impedanzniveau der Vorrichtung. Wenn abgeglichene oder aneinander angepaßte Vorrichtungen gewünscht werden, wird deshalb das Ätzen beobachtet und fortgesetzt, bis eine Charakteristik erreicht wird, die einen vorherbestimmten Spitzenstrom besitzt, so daß sich Einheiten ergeben, die exakt dasselbe Impedanzniveau aufweisen. Dies kann mit größter Genauigkeit erreicht werden, indem z. B. der Ätzstrom gesteuert und dann unterbrochen wird, wenn eine Charakteristik mit diesem gewünschten Stromwert erreicht ist. Wenn es erwünscht ist, einen besonders kleinflächigen Übergang herzustellen, um die kleinste Kapazität für Anwendungen bei Hochfrequenz zu erhalten, dann bietet die Überwachung der Vorrichtung und die Steuerung des Ätzstromes zur Regelung der Ätzgeschwindigkeit ein sehr genaues Herstellungsverfahren für Vorrichtungen, die einen praktisch beliebig kleinen Durchmesser haben, ohne daß die Gefahr besteht, daß der Übergang völlig weggeätzt wird·
Bei der Verwendung für sehr hohe Frequenzen, z. B. für solche im UHF-Bereich oder für Mikrowellen, ist es erwünscht, praktisch jegliche äußere Induktivität der Vorrichtung zu beseitigen und außerdem die parallelliegende Kapazität der Vorrichtung so klein wie möglich zu halten. Für derartige Anwendungen werden z. B, Hohlraumresanatoren an Stelle punktförmig verteilter Induktiv!-· täten und Kapazitäten benutzt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine derartige Vorrichtung mit Hilfe. eines zweistufigen Verfahrens hergestellt. Zuerst wird die Vorrichtung gemäß dem obenerwähnten Verfahren hergestellt, wobei mit Sorgfalt darauf geachtet
5Q- wird, daß die Elektrode 6 frei von Spannungen ist, nachdem sie in das Kopfstück eingesetzt ist und bevor die Ätzbehandlung erfolgt. Dies ist von Bedeutung, weil bei Anwendung von Hochfrequenz die Übergangskapazität so klein wie möglich sein muß und der Übergang bis auf einen sehr kleinen Durchmesser geätzt werden muß, der ihn sehr zerbrechlich macht, ■ ·
■ Gemäß der F i g. 6 wird nach der Verkleinerung des Übergangs auf die vorherbestimmte, kleine Größe
6q das gehalterte Element 10 in ein härtbares Isoliermaterial 22 eingekapselt, so daß sich eine zweckmäßige mechanische Unterstützung für den zerbrechlichen Übergang ergibt. Das dafür verwendete Material kann ein niedrig schmelzendes Glas oder ein Epoxydharz sein. Wenn das Isoliermaterial sich verfestigt hat, kann die gekapselte Einrichtung von dem Kopfstück abgetrennt und in einen Körper mit niedriger Impedanz montiert werden.
Eine leitende Platte 24 ist mit der metallischen Basisplatte 2 verbunden. Eine zweite leitende Platte 26 wird dann mit der gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung verbunden, indem die Elektrode 6 so kurz wie möglich abgeschnitten und mit der Platte 26 in der gezeigten Weise verbunden, wird: Die beiden leitenden Platten sind durch isolierende Abstandshalter 27'und 28 voneinander getrennt, die aus Glas oder einem beliebigen anderen Isoliermaterial bestehen können, das für Verwendung bei Hochfrequenz geeignet ist.
Bei dem zweistufigen Verfahren kann das Element dem Ätzen ausgesetzt werden, während es in einem praktisch spannungsfreien Kopfstück gehaltert wird; der Übergang kann auf eine sehr kleine Größe verkleinert werden, während zur gleichen Zeit eine ausreichende mechanische Unterstützung gewährleistet wird. Die so behandelte geätzte Einheit wird in ein härtbares isolierendes Material eingekapselt, um zu gewährleisten, daß die Vorrichtung mechanisch fest ist, von dem Kopfstück entfernt werden und in ein Bauteil mit niedriger Induktanz eingebaut werden kann, ohne daß eine Gefahr der Beschädigung oder des Zerbrechens des empfindlichen Übergangs besteht. Halbleiterdioden mit dünnem Übergang, die derartig aufgebaut sind, wurden z.B. für Schwingungserzeuger mit einer Frequenz von mehr als 1500 MHz hergestellt.
Nach einem speziellen Beispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung wurde ein Halbleiter mit dünnem Übergang auf die folgende Weise hergestellt:
Ein kleiner Germaniumkörper von etwa 1 qmm Fläche und 0,25 mm Dicke wurde mit 4 · 1019 Phosphoratomen pro Kubikzentimeter imprägniert und auf eine Grundplatte aus Fernico aufgelötet, mit der bekannten Ätzlösung CP 4 geätzt, abgespült und getrocknet. Das verwendete Lötmittel war mit Antimon imprägniert, um einen guten nicht gleichrichtenden Kontakt zu gewährleisten. Eine Pille aus Indium mit zwei Atomprozent Gallium wurde auf den Germaniumkörper aufgebracht und in einem Ofen unter einer Wasserstoffatmosphäre legiert. Die Temperatur wurde bis auf 575° C gebracht. Diese Temperatur wurde für 10 Sekunden eingehalten und dann langsam verringert um etwa 1° C/Sek. bis auf 500° C. Bei 500° C wurde ein Platindraht von 0,05 mm in die flüssige Indium-Gallium-Pille eingesetzt und die Anordnung gekühlt und aus dem Ofen entfernt.
Die Grundplatte aus Fernico und der Platindraht wurden dann an Drähte in einem Kopfstück angelötet. Die Einheit wurde dann gespült, etwas in CP 4 geätzt, wieder gespült und getrocknet. Ein Stromstoß eines Wechselstromes wurde durch die Diode geschickt, um den Platindraht bis zum Glühen aufzuheizen.
Die Einheit wurde dann in einer lO°/oigen KOH-Lösung geätzt, wobei die positive Klemme der Spannungsquelle für das Ätzbad mit der Indiumpille verbunden wurde. Das Fortschreiten des Ätzvorgangs wurde während der Ätzbehandlung durch Aufzeichnung der Strom-Spannungs-Charakteristik der Vorrichtung auf einem Oszillographen überwacht. Der Ätzvorgang wurde in dem Augenblick unterbrochen, in dem der auf dem Oszillographen beobachtete Spitzenstrom ein Milliampere betrug. Die so hergestellte Einheit hatte eine Kapazität von 5 μΡ, einen Reihenwiderstand von 1 Ohm und einen Durchmesser des Übergangs von 0,01 mm. Dadurch ergab sich eine Parallelkapazität, die etwa ™ des Wertes vor
-.. - - ... ... 2/tAj- ■ ■ ■
dem Ätzen besaß.
Eine typische bekannte Diode aus entartetem HaIbleitermaterial mit dünnem Übergang hat z.B. die folgenden Werte, bei 25° C:. Spitzenstrom 6 mA, :Strom in der Senke 3 mA, Durchmesser des Übergangs 1,64 · ΙΟ-2 cm, Kapazität 1200 μ¥. . ' '
Eine Diode mit dünnerem Übergang aus entartetem Halbleitermaterial, die gemäß der Erfindung hergestellt ist, hat von der Ätzbehandlung folgende Werte bei 25° C: Spitzenstrom 25OmA, Strom in der Senke 50 mA, Durchmesser des Übergangs 1,64 · ΙΟ"2 cm, Kapazität 1200 μΡ.
Nach der gesteuerten und überwachten Behandlung durch Ätzen gemäß der Erfindung ergaben sich die folgenden Werte: Spitzenstrom 1 mA, Strom in der Senke 0,2 mA, Durchmesser des Übergangs 1 · 10~3 cm, Kapazität 5 μΡ.
so Vorrichtungen, die nach der Erfindung hergestellt sind, haben daher eine niedrige Kapazität und einen niedrigen Serienwiderstand. Da die Elektrode vor dem Ätzvorgang angeschlossen wird, kann ferner eine große Elektrode leicht angeschlossen werden, ohne daß die Gefahr des Zerbrechens des Körpers an dem Übergang besteht. Dies führt zu einer verhältnismäßig niedrigen Leitungsinduktivität, da die Leitung in ihrem Durchmesser um ein Vielfaches größer gemacht werden kann als der Übergang selbst.
Eine wünschenswerte Anordnung ist eine solche, in der die Induktivität der Leitung klein im Vergleich zu der Induktivität des Übergangs oder der einen äußeren Schaltkomponente ist. Eine so hergestellte Vorrichtung besitzt eine viel höhere Frequenzgrenze, als sich bei einer Vorrichtung mit gleichmäßig kleinem Übergang erwarten läßt; der Reihenwiderstand auf Grund der Ausbildung des Körpers ist niedriger, als dies bei einer zylindrischen Verbindung zu erwarten wäre.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen von Tunneldioden nach Esaki für hohe Frequenzen mit kleiner PN-Übergangsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Anbringen der beiden Elektroden (2, 4) und der beiden Zuleitungen die Tunneldiode insbesondere elektrolytisch so geätzt wird, daß die Querschnittsfläche des Halbleiterkörpers am PN-Übergang (1, 5) kleiner als die kleinste Querschnittfläche der Zuleitungen und der Elektroden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ätzen eine solche Stromverteilung im Halbleiterkörper vorgesehen wird, daß der Bereich des PN-Ubergangs schneller als die anderen Bereiche des Halbleiterkörpers geätzt wird (F i g. 4).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom während des Ätzens überwacht wird.
4. Tunneldiode, die nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum mechanischen Stützen des PN-Übergangs in ein härtbares Isoliermaterial (22) eingebettet ist.
5. Tunneldiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ihre beiden Elektroden mit
.· . .·.::·;-;; 609 70&/293
durch isolierende Abstandstücke (27, 28) getrennten leitenden Platten (24, 26) verbunden sind.
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschnft Nr. 1029 483; französische Patentschriften Nr. 1131253, 041;
USA.-Patentschrift Nr. 2 802159;
Proc. IRE, Juli 1959, S. 1201 bis 1206; August 1960, S. 1405 bis 1409;
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IRE Wescon Convention Record, Part 3, 1959, S. 9 bis 31;
Phys. Verk., Bd. 11, 1960, Nr. 4 bis 6, S. 44.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 708/293 10.66 © Bundesdruckerei Berlin
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