DE1238987B - Halbleiterkoerper fuer Bauelemente mit richtungsabhaengigen elektrischen Eigenschaften - Google Patents

Halbleiterkoerper fuer Bauelemente mit richtungsabhaengigen elektrischen Eigenschaften

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DE1238987B
DE1238987B DES80682A DES0080682A DE1238987B DE 1238987 B DE1238987 B DE 1238987B DE S80682 A DES80682 A DE S80682A DE S0080682 A DES0080682 A DE S0080682A DE 1238987 B DE1238987 B DE 1238987B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. CL:
HOIc
HOIf
Deutsche Kl.: 21c-54/05
Nummer: 1 238 987
Aktenzeichen: S 80682 VIII d/21 c
Anmeldetag: 31. Juli 1962
Auslegetag: 20. April 1967
Der Erfindung liegt allgemein die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterkörper zu schaffen, der unabhängig von Dotierung und äußeren leitenden Schichten richtungsabhängige elektrische Eigenschaften aufweist, d. h. elektrisch anisotrop ist.
Es ist bekannt, daß sich der elektrische Widerstand von Halbleiterkörpern hoher Ladungsträgerbeweglichkeit im Magnetfeld deutlich ändert (s. zum Beispiel deutsche Patentschrift 973 121). Dieser Effekt ist besonders groß, wenn der Halbleiter nicht in Form eines Stabes ausgebildet ist, an dessen Enden die Elektroden für die Stromzuführung angebracht sind, sondern wenn der Halbleiter in Form einer rechteckigen Platte ausgebildet ist (s. zum Beispiel österreichische Patentschrift 202 645). Mit einer rechteckigen Platte (z. B. aus Indiumantimonid) kann man in einem Magnetfeld von 10 000 Gauß gegenüber dem Magnetfeld Null eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes auf das Zehnfache erhalten, wenn das Verhältnis von Elektrodenbreite zu Elektrodenabstand 3 :1 beträgt. Bei einem derartigen Verhältnis sind die Platten jedoch (ohne Magnetfeld) sehr niederohmig. Der Widerstand beim Magnetfeld Null wird auch als »Grundwiderstand« bezeichnet. Zur Herstellung möglichst hochohmiger Platten dieser Art, die also einen relativ hohen Grundwiderstand besitzen, wurden deshalb langgestreckte Halbleiterkörper verwendet, auf die zur Erzielung eines starken Gaußfeldes nachträglich gut leitende und senkrecht zur Stromrichtung verlaufende Streifen, z. B. ein SiI-berraster, aufgebracht wurden (s. zum Beispiel F i g. 4 der österreichischen Patentschrift 202 645 und deutsches Gebrauchsmuster 1 844 056). Dieser Herstellungsprozeß ist schwierig, und die aufgebrachten Streifen können sich bei ungünstigen Umgebungsbedingungen lösen.
Die Erfindung bezweckt insbesondere, Halbleiterkörper zu schaffen, welche, ohne daß die genannten Schwierigkeiten auftreten, unter anderem gleichzeitig eine sehr hohe Magnetfeldabhängigkeit des Wider-Standes und einen noch höheren Grundwiderstandswert als die bekannten Halbleiterkörper mit Silberraster aufweisen.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterkörper für Bauelemente mit richtungsabhängigen elektrischen, insbesondere magnetfeldabhängigen Eigenschaften. Sie besteht darin, daß der Halbleiterkörper Einschlüsse einer zweiten Phase aus einem gegenüber dem Grundmaterial gut leitenden Stoff enthält, der keine störende Dotierung des Grundmaterials hervorruft, daß die Einschlüsse in einer oder zwei Dimensionen bevorzugt ausgedehnt sind Halbleiterkörper für Bauelemente mit
richtungsabhängigen elektrischen Eigenschaften
Anmelder:
Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Dr. Herbert Weiß,
Dipl.-Chem. Dr. Manfred Wilhelm, Nürnberg - -
und daß die Einschlüsse mit einer ausgezeichneten Orientierung parallel ausgerichtet sind.
Die Einschlüsse können beispielsweise nadeiförmig oder fiächenhaft ausgebildet sein. Die größte Ausdehnung von Nadeln ist ihre Länge, in dieser Dimension sind die Nadeln bevorzugt ausgedehnt. Die größte Ausdehnung von Flächen ist ihr Durchmesser, die flächenförmigen Einschlüsse sind also in zwei Dimensionen bevorzugt ausgedehnt. Unter paralleler Ausrichtung ist bei nadeiförmigen Einschlüssen zu verstehen, daß die Nadeln parallel liegen, bei flächenhaften Einschlüssen, daß die Flächennormalen parallel liegen.
Die neuen Halbleiterkörper besitzen infolge der dichten Anordnung der Einschlüsse aus elektrisch leitendem Material hohe Magnetfeldabhängigkeit des Widerstandes und können wegen der gleichzeitigen Freiheit in der Formgebung (z. B. als sehr dünne Platten) mit hohem Grundwiderstand hergestellt werden. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, die außer einem deutlichen Gaußeffekt auch relativ hohen Grundwiderstand aufweisen, ist man erfindungsgemäß nicht mehr an das Aufbringen eines definierten Silberrasters gebunden. Außerdem lassen sich Silberstreifen kaum mit so geringem Abstand (von einigen Mikron) auf der Halbleiteroberfläche niederschlagen, wie ihn die kurzschließenden Einschlüsse innerhalb des erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers aufweisen.
709 550/242
3 4
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungs- über den gesamten Querschnitt des Halbleiterkörpers
gemäßen Halbleiterkörper liegt in der größeren Zu- verteilt. Es kann statt dessen auch nur ein Teil des
verlässigkeit der daraus hergestellten Bauelemente; Halbleiterkörpers mit Einschlüssen einer zweiten
z. B. können Probleme, die sich früher aus einem Phase versehen sein.
eventuellen Ablösen des Silberrasters ergaben, nicht 5 Die erfindungsgemäßen Halbleiterkörper lassen
auftreten. sich z. B. dadurch herstellen, daß Halbleitermaterial
Die Einschlüsse aus elektrisch gut leitendem Mate- und Material für die Einschlüsse, z. B. in einem unbe-
rial brauchen nicht unbedingt regelmäßig angeord- kohlten Quarzschiffchen, zusammengeschmolzen und
nete Flächen zu sein, sondern können auch als anschließend einem gerichteten Erstarrungsprozeß
Scheibchen im Halbleiter zufällig verteilt sein, wobei io ausgesetzt werden. Die Schmelze kann in an sich be-
das Verhältnis von Abstand zu Durchmesser (der kannter Weise einem Erstarrungsprozeß unterworfen
Scheibchen) nicht zu groß sein soll. werden, der jedoch — um zu erreichen, daß die Ein-
Einen guten Effekt erhält man, wenn die Ein- Schlüsse des Halbleiterkörpers nicht ungerichtet, son-
schlüsse statt als zusammenhängende Kurzschluß- dern ausgerichtet angeordnet werden — gerichtet
flächen als (parallel) ausgerichtete Nadeln ausgebildet 15 durchzuführen ist. Beispielsweise kann die Ausrich-
sind, auf deren Längsachsen Stromrichtung und Ma- tugn der Einschlüsse durch Zonenschmelzen bewirkt
gnetfeld senkrecht stehen. werden. Eine andere Möglichkeit, eine bestimmte
Halbleiter und Einschlüsse bilden keinen Misch- Ausrichtung der Einschlüsse zu erreichen, besteht kristall, sondern sie sind getrennte Phasen des Halb- darin, daß der Erstarrungsprozeß unter Einwirkung leiterkörpers. Die zweite Phase soll so beschaffen 20 eines äußeren Magnetfeldes durchgeführt wird,
sein, daß von ihr aus keine Dotierung des Halbleiters An Hand einer schematischen Zeichnung von Auserfolgt. Diese kann im Normalfall durch weitere Zu- führungsbeispielen und Meßergebnissen wird die Ergäbe von Donatoren oder Akzeptoren in der her- findung näher erläutert. Es zeigt
kömmlichen Weise erfolgen. Eine Dotierung durch F i g. 1 einen Halbleiterkörper mit flächenförmigen die vorhandene zweite Phase würde einerseits die 25 Einschlüssen,
Elektronenbeweglichkeit im Halbleiter und damit die F i g. 2 einen Halbleiterkörper mit nadeiförmigen
Widerstandsänderung im Magnetfeld reduzieren Einschlüssen; der elektrische Strom fließt senkrecht
und andererseits den spezifischen Widerstand ver- zur Längsachse der Nadeln, und das Magnetfeld hat
ringern. dieselbe Richtung wie die Längsachse der Nadeln,
Bauelemente mit den neuen Halbleiterkörpern 30 F i g. 3 einen Halbleiterkörper mit nadeiförmigen können insbesondere in Halbleiteranordnungen ver- Einschlüssen; Strom- und Magnetfeld stehen zueinwendet werden, deren Widerstand durch den im ander senkrecht und senkrecht auf der Längsachse Halbleiter auftretenden Gaußeffekt gesteuert ist, der der Nadeln,
durch das Magnetfeld erzeugt und bestimmt ist, das F i g. 4 einen Halbleiterkörper mit nadelfönnigen von dem die Anordnung durchfließenden Strom her- 35 Einschlüssen; der Strom fließt parallel zur Längsvorgerufen ist. achse der Nadeln, und das Magnetfeld ist senkrecht
Bauelemente mit erfindungsgemäßen Halbleiter- dazu gerichtet,
körpern können weiterhin unmittelbar mit Vorteil in F i g. 5 eine graphische Darstellung der Abhängig-
Gleichspannungsmodulatoren, auch z. B. unter Aus- ,·,,„,.,.,,.., ob »t ^- ,j
nutzung des Halleffekts, oder in kontaktlosen Poten- 40 keit der Widerstandsänderung -|- vom Magnetfeld
tiometern verwendet werden. und von der Anordnung der Einschlüsse im HaIb-
Die neuen Halbleiterkörper sind außerdem zur leiterkörper.
Herstellung von Bauelementen geeignet, die zur Mes- F i g. 6 eine graphische Darstellung der Abhängig-
sung, Regelung oder Steuerung von Magnetfeldern keit der Hallspannung eines Halbleiterkörpers von
und/oder Messung, Regelung oder Steuerung von 45 der magnetischen Induktion.
Ortsveränderungen durch relative Verschiebung des In Fig. 1 ist ein Halbleiterkörper 11 dargestellt,
Halbleiterkörpers gegenüber dem Magnetfeld ver- der flächenhafte Einschlüsse 12 enthält. Der elek-
wendet werden. irische Strom i, der durch den Pfeil 13 dargestellt ist,
Darüber hinaus sind Halbleiterkörper der beschrie- fließt in Richtung der Längsachse des Halbleiterkör-
benen Art allgemein dann von Interesse, wenn rieh- 50 pers. Die Einschlüsse 12 sind im Halbleiterkörper
tungsabhängige elektrische Eigenschaften gewünscht angeordnet verteilt. Die Richtung des durch einen
werden. Pfeil gekennzeichneten Magnetfeldes B ist für die
Als Halbleitermaterial für den neuen Halbleiter- F i g. 1 bis 4 die gleiche.
körper sind z. B. halbleitende Verbindungen, vor- F i g. 2 zeigt einen Halbleiterkörper 21 mit nadel-
zugsweise vom Typ AmBv, wie z. B. Indiumanti- 55 förmigen Einschlüssen 22. Die Längsachsen der Ein-
monid, Indiumarsenid und Galliumantimonid, vor- Schlüsse sind parallel zueinander gerichtet, und zwar
gesehen. Weiterhin können als Halbleitermaterial (in Fi g. 2) so, daß der elektrische Strom 23 senk-
halbleitende Elemente der IV. Gruppe des Perioden- recht zur Längsachse der Nadeln und das äußere
systems, wie z. B. Germanium, verwendet werden. Magnetfeld JS in Richtung der Längsachse der Nadeln
Beispielsweise kann das elektrisch leitende Ein- 60 ausgerichtet ist.
schlußmaterial in der halbleitenden Verbindung In- Beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 sind in
diumantimonid unter anderem aus Nickelantimonid, dem Halbleiterkörper 31 nadeiförmige Einschlüsse
Kobaltantimonid und Eisenantimonid bestehen; die- 32 so eingebaut, daß ihre zueinander parallelen
ses Einschlußmaterial ist für Indiumantimonid be- Längsachsen senkrecht zur Längsachse des HaIb-
sonders gut geeignet. Die Einschlüsse können auch f>5 leiterkörpers gerichtet sind. Der elektrische Strom 33
aus ferromagnetischem Material, z. B. Mangananti- und das äußere Magnetfeld B stehen zueinander senk-
monid, bestehen. recht auf den Längsachsen der nadelfönnigen Ein-
Die Einschlüsse sind vorzugsweise gleichmäßig Schlüsse.
In F i g. 4 ist ein Halbleiterkörper 41 dargestellt, dessen nadeiförmige Einschlüsse 42 so angeordnet sind, daß der elektrische Strom 43 parallel zu den Längsachsen der parallel gerichteten Einschlüsse fließt und das äußere Magnetfeld B senkrecht zu den Längsachsen der Nadeln ausgerichtet ist.
In Fig. 5 ist die Abhängigkeit der Widerstandsänderung -^- von der magnetischen Induktion B
Qo
für verschiedene Halbleiterkörper mit elektrisch gut leitenden Einschlüssen graphisch aufgetragen. Die in dem Diagramm dargestellten Kurven gelten bei Zimmertemperatur. Auf der Abszisse ist die magnetische Induktion B in Kilogauß und auf der Ordiante die
Widerstandsänderung — aufgetragen.
Die Kurve 52 gilt für den Fall, daß die Einschlüsse parallel und bezüglich Strom und Magnetfeld wie in F i g. 2 angeordnete Nadeln sind. Hierbei beträgt, wie aus Kurve 52 ersichtlich ist, die Widerstandsänderung bei 1OkG etwa 200%.
Die Kurve 54 zeigt die Widerstandsänderung eines Halbleiterkörpers im Magnetfeld, dessen nadeiförmige Einschlüsse wie in F i g. 4 angeordnet sind. Die Widerstandsänderung beträgt bei einem äußeren Magnetfeld von 1OkG etwa 100%.
Die Kurve 53 bezieht sich auf einen Halbleiterkörper mit wie in F i g. 3 angeordneten nadeiförmigen Einschlüssen. Bei dieser gegenseitigen Zuordnung von Einschlüssen, Strom und Magnetfeld ist die Widerstandsänderung in Abhängigkeit vom äußeren Magnetfeld am größten. Beispielsweise für ein Magnetfeld von 10 kG beträgt die Widerstandsänderung gegenüber dem Magnetfeld Null etwa 1100%. Demgegenüber besitzt eigenleitendes InSb bei Zimmertemperatur eine Widerstandsänderung von nur 55% bei 1OkG.
In F i g. 6 ist die Abhängigkeit der Hallspannung Uff eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers graphisch dargestellt. Der Halbleiterkörper besteht aus InSb mit 3 Gewichtsprozent NiSb-Einschlüssen. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit beträgt 259 (Ω cm)-1 und die Ladungsträgerbeweglichkeit μ = 20 500 (cm2/Vsec). Auf der Abszisse ist die magnetische Induktion B (in Kilogauß) und auf der Ordinate die Hallspannung Un (in Millivolt) aufgetragen. Die Kurve 61 zeigt im Gegensatz zu dem bekannten Verlauf der Hallspannung in Abhängigkeit von der magnetischen Induktion eine gewisse Sättigungserscheinung. Diese Charakteristik ist besonders zur Ausnutzung für Steuer- bzw. Regelzwecke geeignet.
Beispiel I
Verfahren zur gerichteten Verteilung der Einschlüsse
120 g InSb werden zusammen mit 1,8 g zonengeschmolzenem NiSb etwa 1 Stunde lang bei 750 bis 800° C in einem unbekohlten Quarzschiff geschmolzen. Anschließend wird die Schmelze mit einer Geschwindigkeit von 2,7 mm/min gerichtet erstarrt. Dieses Material wird dann noch zweimal zonengeschmolzen, wobei die Zonengeschwindigkeit 1 mm/min beträgt. Der so erhaltene Halbzylinder des Materials wird zu Stäbchen gewünschter Größe zugeschnitten.
Beispiel II
Verfahren zur ungerichteten Verteilung der
Einschlüsse
Indiumantimonid wird mit 0,03 Gewichtsprozent NiSb bei einer Temperatur von 750 bis 8000C 1 Stunde lang in einem unbekohlten Quarzschiff geschmolzen. Die homogene Schmelze wird anschließend plötzlich aus der heißen Ofenzone ausgefahren, so daß keine gerichtete Erstarrung der Schmelze eintreten kann. Anschließend werden aus dem Halbzylinder Stäbchen gewünschter Größe herausgeschnitten.
In den nachfolgenden Tabellen sind für InSb-Proben mit unterschiedlichen Anteilen der Einschlüsse die gemessenen Werte für σ (spezifische Leitfähigkeit), Rn (Hallkoeffizient), μ (Beweglichkeit)
und -
Δ qb
Qo
(relative Widerstandsänderung) zusammengestellt. Die Messungen wurden bei Zimmertemperatur durchgeführt. Die Tabelle I gibt Meßergebnisse wieder, die an Halbleiterkörpern mit ungerichtet verteilten Einschlüssen gewonnen wurden. Zum Vergleich sind in Tabelle II Meßergebnisse angegeben, die sich auf Halbleiterkörper mit parallel zueinander ausgerichteten gut leitenden Einschlüssen beziehen.
Tabelle I (ungerichtete zweite Phase)
NiSb Atome
Ni/cm3 		215
228
270		 Rj1 cmVAsec μ cm2/Vsec Δ Qb
Gewichtsprozent 5,8 1018
5,8 ΙΟΙ9
1,5 1020		 -350
-308
-160		 75 000
70000
43 000		 Qo
0,03
0,3
0,77		 72
260
310
Tabelle II (gerichtete zweite Phase)
NiSb
Gewichtsprozent		 Atome
Ni/cm3 		σ CQ cm)-1 Orientierung
der Einschlüsse
nach		 R11 cmVAsec μ cm2/Vsec Δ QB
βο
1,8
1,8		 6 IO21
6 IO21		 200
200		 Fig. 2
Fig. 3		 -335 67 000 1900
Iii Tabelle II ist σ mit einem wie in F i g. 2 oder 3 orientierten Halbleiterkörper (ohne Magnetfeld) gemessen. Die Werte von R11 und — wurden mit Magnetfeld und Strom ermittelt. Es fällt besonders
auf, daß der beste Wert von -^- von Tabelle I in
Qo
Tabelle II noch um mehr als das 6fache übertroffen wird.
IO

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Halbleiterkörper für Bauelemente mit richtungsabhängigen elektrischen, insbesondere magnetfeldabhängigen Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper Einschlüsse einer zweiten Phase aus einem gegenüber dem Grundmaterial gut leitenden Stoff enthält, der keine störende Dotierung des Grundmaterials hervorruft, daß die Einschlüsse in einer oder zwei Dimensionen bevorzugt ausgedehnt sind und daß sie mit einer ausgezeichneten Orientierung parallel ausgerichtet sind.
2. Halbleiterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse nadeiförmig ausgebildet sind.
3. Halbleiterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse flächenhaft ausgebildet sind.
4. Halbleiterkörper nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse aus ferromagnetischem Material bestehen.
5. Halbleiterkörper nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial eine halbleitende Verbindung vom Typ AmBv vorgesehen ist.
6. Halbleiterkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter Indiumantimonid vorgesehen ist.
7. Halbleiterkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse aus Nickelantimonid bestehen.
8. Halbleiterkörper nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil des Halbleiterkörpers mit Einschlüssen einer zweiten Phase versehen ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleitermaterial und Material für die Einschlüsse zusammengeschmolzen und anschließend einem gerichteten Erstarrungsprozeß ausgesetzt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung der Einschlüsse durch Zonenschmelzen bewirkt wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleitermaterial und Material für die Einschlüsse zusammengeschmolzen werden und daß der Erstarnmgsprozeß unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes durchgeführt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 713 635;
deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 844 056.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 550/242 4. 67 © Bundesdruckerei Berlin
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