DE1241915B - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1241 915

Aktenzeichen: R 36961 VIII c/21 g

Anmeldetag: 14. Januar 1964

Auslegetag: 8. Juni 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, bei welchem ein monokristalliner Körper aus η-leitendem Galliumarsenid, der eine hohe Konzentration an unkompensierten negativen Ladungsträgern besitzt, hergestellt wird, der eine im wesentlichen parallel zur (100)-Kristallebene verlaufende Oberfläche hat, und bei dem auf dieser Oberfläche eine epitaktische Galliumarsenidschicht gebildet wird, in der die Konzentration an unkompensierten negativen Ladungsträgern kleiner ist als im Körper.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen ist es bekannt, auf eine parallel zur (lOO)-Kristallebene verlaufende Oberfläche eines monokristallinen Halbleiterkörpers ein Dotierungsmaterial aufzulegieren. Beim Erstarren des während des Auflegierens geschmolzenen Bereiches entsteht angrenzend an das ungestörte Kristallgitter des Körpers eine Rekristallisationsschicht, deren Kristallstruktur eine Fortsetzung der Kristallstruktur des Körpers darstellt (Hunter, »Handbook of Semiconductor Electronics«, Kap. 7, S. 17 und 19).

Es ist ferner bekannt, Galliumarsenid aus der Dampfphase epitaktisch auf der (lll)-Kristallebene eines Siliciumeinkristalles oder auf einem Germaniumeinkristall abzuscheiden (»Electronics«, 8. Juli 1960, S. 66).

Die Bildung eines pn-Überganges in einer epitaktischen Schicht ist ebenfalls bekannt (»Electronics«, 3. März 1961, S. 52/53).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes der oben erwähnten Art anzugeben, das Halbleiterbauelemente liefert, die eine höhere Durchschlagsspannung und eine höhere Grenzfrequenz haben als vergleichbare bekannte Halbleiterbauelemente.

Dies wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß in der epitaktischen Schicht eine p-leitende Oberflächenzone erzeugt wird, die mit der epitaktischen Schicht und dem Rest des Körpers einen pn-übergang bildet, und anschließend an der Oberflächenzone und dem Körper Elektrodenanschlüsse angebracht werden.

Die p-leitende Oberflächenzone wird vorzugsweise durch Eindiffusion von Zink in die epitaktische Schicht gebildet. Die Verwendung von Zink als Aktivator für Galliumarsenid ist jedoch bekannt (»IRE Transactions on Electron Devices«, September 1961, S. 426).

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung Verfahren zum Herstellen
eines Halbleiterbauelementes

Anmelder:

Radio Corporation of America,

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

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Norman Goldsmith, Somerville, N. J.;

Henry Kressel, BaIa Cynwyd, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 31. Januar 1963 (255 353)

näher erläutert werden, deren Fig. 1 bi» 4 Querschnittsansichten eines kristallinen Galliumarsenidkörpers während aufeinanderfolgender Schnitte eines Verfahrens gemäß der Erfindung zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes zeigen.

Es wird ein einkristalliner η-leitender Galliumarsenidkörper 10 (F i g. 1) eines gegebenen Leitfähigkeitstyps so hergestellt, daß mindestens eine Hauptfläche 12 praktisch parallel zur (lOO)-Ebene 13 des Kristallgitters des Körpers verläuft. Die Abmessungen des Körpers sind für die Erfindung nicht wesentlich. Bei dem vorliegenden Beispiel ist der Körper 10 eine η-leitende Scheibe, die auf eine Dicke von etwa 0,25 bis 0,38 mm geläppt und poliert ist und zwei gegenüberliegende Hauptflächen 12, 14 aufweist. Die Scheibe 10 ist hier mit so viel Silizium dotiert, daß die Konzentration an unkompensierten negativen Ladungsträgern (Elektronen) etwa 10¹⁸ cm~³ beträgt. Die Fläche 12 verläuft vorzugsweise mit einer Abweichung von höchstens einem halben Grad parallel zur (lOO)-Ebene des Kristallgitters des Körpers 10. Die (lOO)-Ebenen verlaufen bekanntlich parallel zur Y- und Z-Achse und schneiden die Z-Achse im Abstand einer Gitterkonstanteneinheit vom Ursprung. Mit anderen Worten gesagt, sind die (lOO)-Ebenen senkrecht zur Z-Achse und parallel zur YZ-Ebene. Gemäß F i g. 2 wird auf mindestens einer Hauptfläche der Scheibe 10, beispielsweise der Hauptfläche

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Claims (3)

1. 3 4

   12 eine epitaktische Galliumarsenidschicht 16 er- Beispiel wird die Scheibe 10 hierzu in einem abgezeugt. Die epitaktische Schicht 16 kann auf irgendeine schlossenen Rohr, das Zinkdämpfe enthält, etwa bekannte Weise gebildet werden. Man kann sie bei- 3 Minuten auf etwa 1000° C erhitzt. Dabei diffundiespielsweise dadurch aufbringen, daß man eine ren Zinkatome in die Scheibe 10 und bilden eine Schmelze, die aus einem mit Galliumarsenid gesättig- 5 durch das eindiffundierte Zink p-leitende und etwa ten Lösungsmetall besteht, und die Scheibe getrennt 12,6 μΐη dicke Oberflächenzone 18 auf den beiden voneinander vorerhitzt und die Schmelze dann über Hauptflächen 12, 14 und den Schmalseiten der die Scheibe fließen läßt, beispielsweise, indem man Scheibe. Zwischen der eindiffundiertes Zink enthalden Ofen kippt, worauf dann die übergossene Scheibe tenden, p-leitenden Oberflächenzone 18 und der langsam abgekühlt wird, so daß das gelöste Gallium- io η-leitenden Masse der Scheibe 10 entsteht ein arsenid auf der Scheibenfläche ausfällt. Wenn die pn-übergang 20.

   Schicht 16 eine gewünschte Dicke erreicht hat, wird Die Scheibe 10 wird nun durch Läppen der Fläche

   die Schmelze von der Scheibe abdekantiert. Ge- 14 bis auf eine Dicke von etwa 75 bis 125 μΐη abge-

   wünschtenfalls kann die übergossene Scheibe, bevor arbeitet. Gleichzeitig wird die eindiffundiertes Zink

   mit der Abkühlung begonnen wird, noch weiter er- 15 enthaltende Schicht an den Schmalseiten der Scheibe

   hitzt werden, so daß die Scheibe etwas durch die 10 entfernt. Die in F i g. 4 dargestellte abgearbeitete

   Schmelze angelöst wird. Scheibe 10' enthält eine eindiffundiertes Zink enthal-

   Man kann die epitaktische Schicht 16 jedoch ande- tende, p-leitende Zone 18' und eine n-Zone 26 aus

   rerseits auch dadurch erzeugen, daß man Dämpfe dem Rest der epitaktischen Schicht 16' sowie eine

   von Galliumchlorid, Arsen und Wasserstoff über die 20 η-Zone, die den Rest der ursprünglichen, n-leitenden

   erhitzte Scheibe leitet. Bei diesem Verfahren werden Scheibe 10 darstellt.

   gestoßenes Galliumarsenid, das die gewünschte At- Zur Vervollständigung wird auf die Fläche 14' der mosphäre liefert, und Kristallscheiben aus Gallium- Scheibe eine dünne Bleischicht aufgedampft, auf die arsenid zusammen mit Quarzwolle in ein Quarzrohr, dann elektrisch eine Nickelschicht aufplattiert wird, das als Reaktionsgefäß dient, gepackt. Die orientier- 25 Die Scheibe wird dann in kleinere Einheiten oder ten Oberflächen der Scheiben, auf denen die Schich- Plättchen unterteilt, die auf der einen Seite eine Nikten aufwachsen sollen, sind geläppt und poliert und kelplattierung auf einer Bleischicht und auf der andeanschließend gereinigt, z. B. durch Ätzen. Nachdem ren Seite eine epitaktische Schicht mit einer p-leitendie Materialien in das Reaktionsgefäß eingebracht den Oberflächenzone 18' mit einer unmittelbar worden sind, kann das System, das offen bleiben kann, 30 darunterliegenden n-Zone 16' und einem pn-Übermit Wasserstoff durchgespült und dann unter Helium gang zwischen den erwähnten beiden Zonen aufaufgeheizt werden. Während des Arbeitsvorganges weisen.

   wird der erhitzte Ofen Va Stunde unter Wasserstoff Die einzelnen Einheiten können zu Dioden verargehalten, bevor Chlorwasserstoff eingeleitet wird, beitet werden, indem die Nickelschicht mit einer während dieser Zeitspanne stellt sich ein Gleich- 35 Kupferplatte verlötet wird und auf die eindiffundiergewicht ein. Nach dem Arbeitsvorgang wird die tes Zink enthaltende p-leitende Zone 18' ein Zink-Chlorwässerstoffzufuhr abgestellt, und man läßt das Indium-Elektrodenkügelchen auflegiert wird, welches System unter Wasserstoff erkalten. Die Strömungs- einen ohmschen Kontakt mit dieser Zone bildet. Die geschwindigkeit kann für Chlorwasserstoff wenige Einrichtung kann dann in bekannter Weise vakuum-Kubikzentimeter pro Minute und für Wasserstoff 40 dicht gekapselt werden, indem man z. B. die Kupferwenige hundert Kubikzentimeter pro Minute be- platte mit einem Keramikzylinder verschmilzt, dessen tragen. anderes Ende durch eine Deckplatte hermetisch ver-

   In beiden Fällen schlägt sich die Schicht 16 epitak- schlossen wird.

   tisch, d. h. als Fortsetzung des Kristallgitters der Es wurde gefunden, daß epitaktische Galliumarse-

   Scheibe 10, nieder, so daß die (lOO)-Ebenen in der 45 nidbauelemente, die gemäß der Erfindung mit epitak-

   Schicht 16 praktisch parallel zu den (lOO)-Ebenen in tischen Schichten hergestellt worden sind, welche

   der Scheibe 10 verlaufen. Die epitaktische Schicht ist praktisch parallel zu den (lOO)-Kristallebenen im

   zweckmäßigerweise gleichförmig und etwa 5 bis Galliumarsenidunterlagekörper verlaufen, eine höhere

   50 μΐη dick. Es hat sich gezeigt, daß epitaktische Durchschlagsspannung und höhere Grenzfrequenzen

   Schichten, die auf einer Galliumarsenidscheibe prak- 50 als die bekannten Einrichtungen haben. Bei dem

   tisch parallel zur (lOO)-Kristallebene der Scheibe ge- oben beschriebenen Beispiel entsprechenden Dioden,

   bildet sind, eine bessere Kristallqualität aufweisen, die jedoch mit epitaktischen Galliumarsenidschichten,

   d.h. weniger Unregelmäßigkeiten zeigen als die auf die praktisch parallel zu den (111)-Kristallebenen der

   bekannte Weise hergestellten epitaktischen Schichten. Unterlage hergestellt wurden, wie es bisher üblich

   Man kann außerdem dickere Schichten'herstellen als 55 war, betrugen die Durchschlagsspannung etwa 40 bis

   im bekannten Falle. Die gemäß der Erfindung herge- 60 V und die Grenzfrequenz etwa 4 GHz bei 60 V.

   stellten epitaktischen Galliumarsenidschichten sind Bei den gemäß dem Beispiel hergestellten, erfin-

   schließlich von selbst praktisch eben und parallel zu dungsgemäßen Dioden, deren epitaktische Gallium-

   den (lOO)-Kristallebenen im Galiumarsenidunter- arsenidschicht praktisch parallel zu den (lOO)-Kri-

   lagekörper. 60 stallebenen im Galliumarsenidunterlagekörper ver-

   Bei diesem Beispiel ist die epitaktische η-leitende läuft, betrugen im Gegensatz zu den oben angegebenen

   Schicht 16 etwa 25 am dick und erhält eine wesent- Werten die Durchschlagsspannung etwa 200 bis

   lieh geringere Anzahl von unkompensierten negati- 250 V und die Grenzfrequenz etwa 8 GHz bei 60 V. ven Ladungsträgern.

   Die Scheibe 10 wird nun gemäß F i g. 3 einer Dif- 65 Patentansprüche:
   fusionsbehandlung unterworfen, um eine Oberflächenzone 18 vom entgegengesetzten Leitungstyp 1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterwie die Masse der Scheibe zu erzeugen. Bei diesem bauelementes, bei welchem ein monokristalliner

   Körper aus η-leitendem Galliumarsenid, der eine hohe Konzentration an unkompensierten negativen Ladungsträgern besitzt, hergestellt wird, der eine im wesentlichen parallel zur (lOO)-Kristallebene verlaufende Oberfläche hat, und bei dem auf dieser Oberfläche eine epitaktische Galliumarsenidschicht gebildet wird, in der die Konzentration an unkompensierten negativen Ladungsträgern kleiner ist als im Körper, dadurch gekennzeichnet, daß in der epitaktischen Schicht (16) eine p-leitende Oberflächenzone (18) erzeugt wird, die mit der epitaktischen Schicht und dem Rest des Körpers (10') einen pn-übergang (20') bildet, und anschließend an der Oberflächenzone (18') und dem Körper (14') Elektrodenanschlüsse angebracht werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die p-leitende Oberflächenzone (18) durch Eindiffusion von Zink in die epitaktische Schicht gebildet wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   L. P. Hunt er, »Handbook of Semiconductor Electronics«, 1956, Kop. 7, S. 14 bis 17;

   »Electronics«, 8. Juli 1960, S. 66, sowie vom
3. 3. März 1961, S. 52/53;

   »IRE-Transactions on Electron Devices«, September 1961, S. 426.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   709 589/292 5. 67 © Bundesdruckerei Berlin