DE1252809B - Halbleiterdiode mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mit Rekombinationszentren in der n- und in der p-Zone und Verfahren zum Herstellen - Google Patents

Halbleiterdiode mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mit Rekombinationszentren in der n- und in der p-Zone und Verfahren zum Herstellen

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DE1252809B DENDAT1252809D DE1252809DA DE1252809B DE 1252809 B DE1252809 B DE 1252809B DE NDAT1252809 D DENDAT1252809 D DE NDAT1252809D DE 1252809D A DE1252809D A DE 1252809DA DE 1252809 B DE1252809 B DE 1252809B
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Portland Oreg. William Carl Myers Hillsboro Oreg. Robert Stanley Ricks Beaverton Oreg. James Larry Bowman (V. St. A.)
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Tektronix, Inc., Beaverton, Oreg. (V. St. A.)
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
Deutsche Kl.:
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
HOIl
T 25099 VIII c/21g
19. November 1963
26. Oktober 1967
Die Erfindung betrifft eine Halbleiterdiode mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mit Rekombinationszentren in der n- und in der p-Zone.
Eine bekannte Diode dieser Art ist als Schalter beispielsweise für Rechenanlagen oder Telefonanlagen gedacht; in der η-Zone und der p-Zone sind gleichförmig aus eingebauten Gold- oder Platinatomen bestehende Rekombinationszentren eingebaut, damit der Schalter eine möglichst kurze Erholungszeit hat, d. h. also, daß der Trägerstaueffekt möglichst vermieden werden soll.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine insbesondere als Impulsgenerator geeignete Diode der oben bezeichneten Gattung zu schaffen, die beispielsweise in einem Oszillographen Anwendung finden kann und normalerweise in Durchlaßrichtung vorgespannt ist und durch Anlegen eines Impulses entgegengesetzter Polarität gesperrt wird, wodurch in bekannter Weise ein äußerst schnell ansteigender Ausgangsspannungsimpuls als Folge des Sperrens der Diode erzeugt wird. Insbesondere verfolgt die Erfindung das Ziel, eine Diode dieser Gattung zu schaffen, die bei sehr schneller Anstiegszeit des Ausgangsimpulses einen Ausgangsimpuls möglichst hoher Stromstärke erzeugt. Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe bei einer derartigen Diode im wesentlichen dadurch, daß die Konzentration der Rekombinationszentren in beiden Zonen im Bereich des pn-Ubergangs geringer ist und vom pn-übergang aus nach den Elektroden zu kontinuierlich zunimmt. Damit ist im Bereich der Anschlußelektroden der Diode nach der Erfindung der Trägerstaueffekt wegen der hohen Rekombinationszentrenkonzentration äußerst gering, während der Trägerstaueffekt nahe dem pn-übergang relativ groß ist, wodurch man bei äußerst kurzer Anstiegszeit des Ausgangsimpulses beim Vorspannen in Sperrichtung einen relativ starken Impuls erhält.
Es ist bei einem anderen Halbleiterbauelement, nämlich einem Legierungstransistor zum Schalten bereits bekannt, eine ungleichmäßige Konzentration von Rekombinationszentren vorzusehen, und zwar bei einem Legierungstransistor mit einem scheibenförmigen n- oder p-dotierten Halbleiterkörper aus einem Einkristall mit auf den beiden Oberflächen des Halbleiterkörpers einlegierten und einander gegenüberliegenden Emitter- und Kollektorelektroden sowie mit einer ringförmigen Basiselektrode. Bei diesem Transistor ist die Basiszone des Halbleiterkörpers zwischen Emitter- und Kollektorelek^ trode und außerhalb dieses Bereiches sehr unterschiedlich mit Rekombinationszentren erzeugenden
Halbleiterdiode mit einem einkristallinen
Halbleiterkörper und mit Rekombinationszentren in der n- und in der p-Zone und Verfahren
zum Herstellen
Anmelder:
Tektronix, Inc., Beaverton, Oreg. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. K. A. Brose, Patentanwalt,
Pullach (Isartal), Wiener Str. 2
Als Erfinder benannt:
James Larry Bowman, Portland, Oreg.;
William Carl Myers, Hillsboro, Oreg.;
Robert Stanley Ricks, Beaverton, Oreg. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 17. Dezember 1962
(245 041)
Aktivatoren dotiert, so daß die Lebensdauer der Ladungsträger zwischen Emitter- und Kollektorelektrode um mehrere Größenordnungen größer ist als außerhalb dieses Bereiches. Dieser bekannte Transistor mit im wesentlichen einem Halbleiterkörper einer Dotierungsart und der unterschiedlichen Rekombinationszentrenkonzentration hat eine geringe Relaxationszeit und ist bei gewissen Anwendungen als Schalter geeignet. Im Gegensatz dazu schafft die Erfindung eine als Impulsgenerator geeignete Diode, die Impulse besonders schneller Anstiegszeit mit einem erheblichen Strom erzeugt.
Zweckmäßig besteht der Halbleiterkörper bei der Diode nach der Erfindung aus Silizium und die Rekombinationszentren aus Gold. Bei Verwendung eines Halbleiterkörpers aus Germanium wählt man zweckmäßig Kupfer für die Rekombinationszentren.
Bei einem aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper und aus Gold bestehenden Rekombinationszentren werden die Donatoren zweckmäßig von Phosphoratomen und die Akzeptoren von Boratomen gebildet. Die erfindungsgemäße Diode wird zweckmäßig dadurch hergestellt, daß vor dem Eindiffundieren der Rekombinationszentren die p- und n-Dotierung zur Bildung des pn-Übergangs vorgenommen wird
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und daß die Rekombinationszentren danach von den auf beiden Seiten des Übergangs liegenden Flächen aus eindiffundiert werden. Das Material hierzu wird vorher einfach auf den Halbleiterkörper aufgetragen.
Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel unter Hinweis auf die Zeichnung erläutert. In dieser zeigen
F i g. 1 bis 7 schematische Ansichten der verschiedenen Verfahrensschritte zur Herstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Diode,
Fig. 8 einen schematischen Querschnitt einer Diode nach der Erfindung,
Fig. 9a und 9b schematische Schaltbilder von elektrischen Stromkreisen, die zur Messung der Stromcharakteristik bzw. Spannungscharakteristik von Dioden verwendbar ist, und
Fig. 10a und 10b die an den Ausgangsklemmen des elektrischen Stromkreises der Fig. 9a und 9b erhaltenen Strom- bzw. Spannungswellenformen.
Die in der F i g. 8 im Schnitt dargestellte Diode hat einen Halbleiterkörper 10, der aus einer n-leitenden Zone 12 und einer p-leitenden Zone 14 besteht, welche zwischen sich einen pn-übergang 16 bilden. Zusätzlich zu den Donatoren und Akzeptoren sind Goldatome (durch die Punkte 18 bezeichnet) derart in den Körper 10 von beiden Seiten des pn-Übergangs eindiffundiert, daß sie eine ebenfalls aus der Fig. 8 ersichtliche, kontinuierlich von jeder Seite in Richtung auf den pn-übergang abnehmende Konzentration haben. Die Goldatome bilden in bekannter Weise Rekombinationszentren.
Da in den vom pn-übergang 16 weiter abliegenden Bereichen des Halbleiterkörpers eine größere Goldkonzentration herrscht, wird die mittlere Lebensdauer der Ladungsträger in diesen Bereichen kleiner als in dem nahe am Übergang gelegenen Bereichen. Anders ausgedrückt, heißt das, daß sich beim Anlegen einer Vorspannung im Sperrsinne an die vorher im Leitsinne vorgespannte Diode ein größerer Teil der Minoritätsträger während des Schaltens dicht am pn-übergang 16 befindet. Für die Erzeugung des Abschnappimpulses ist ein Stau der Minoritätsträger erforderlich. Nach der Erfindung wird also der Trägerstau an den verschiedenen Stellen im Halbleiterkristall entsprechend eingestellt und nicht der Minoritätsträgerstau ganz eliminiert, wie dies früher üblich war.
Die Diode weist ein leitendes Metallteil 20 auf, das auf den Halbleiterkörper 10 aufgelötet wurde, nachdem dieser mit einem Belag aus Nickel und einem Belag aus Gold plattiert worden war, so daß man mittels einer legierten Schicht 22, bestehend aus Gold, Nickel, Zinn und Blei, eine Elektrode an der p-Zone 14 der Diode erhält. Die n-Zone 12 des Halbleiterkörpers 10 ist in »Mesa«-Technik geätzt, so daß sie eine äußerst kleine Fläche aufweist, an der durch Lötung nur sehr schwierig eine ohmsche Elektrode herzustellen ist. Als Elektrode dient also eine C-förmige Platiöfeder 26 mit Draht 24, der durch Punktschweißung od. dgl. befestigt ist; das andere Ende dieser Feder liegt federnd gegen den Halbleiterkörper 10 an.
Die Außenfläche der n-Zone 12 ist mit einem Nickelbelag 28 versehen, auf dem ein Goldbelag 30 liegt.
Ein zweckmäßiges Herstellungsverfahren für die Diode nach der F i g. 8 ist in den F i g. 1 bis 7 erläutert. Das Verfahren kann seinen Ausgang von einer in der Fig. 1 veranschaulichten Scheibe 32 aus p-dotiertem Silizium nehmen. Die Scheibe 32 wird dann auf einer Seite mit einer Borlösung 34 bedeckt, so daß auf einer Oberfläche dieser Scheibe eine Akzeptorverunreinigung geschaffen wird. Diese Borlösung kann Borsäure (H3BO3) mit dem Lösungsmittel Cellosolve (Äthylenglycol-Monomethyl-Äther mit der Formel HO · CH2 · O · CH3) und das als Träger wirkende Aluminiumhydroxyd (Al2O3) enthalten. Die Borlösung 34 kann durch Spritzen ähnlich wie bei der Spritzlackierung auf eine Seite der Scheibe aufgetragen werden und dann auf einer heißen Platte 35 bei 200 bis 260° C ausreichend lange getrocknet werden, so daß das Lösungsmittel verdampft und ein Aluminiumhydroxyd enthaltender Borbelag 36 erzeugt wird (vgl. die F i g. 2 und 3). Anschließend wird in ähnlicher Weise, wie dies bei der Borlösung geschehen ist, oder mittels einer Bürste eine Phosphorlösung 38 auf die andere Seite der
ao Scheibe 32 aufgebracht. Die Phosphorlösung kann Phosphorpentoxyd (P2O5) und das vorerwähnte Lösungsmittel Methyl-Cellosolve enthalten. Nach Aufbringen der Phosphorlösung 38 wird die Siliziumscheibe 32 in ähnlicher Weise wie die Borlösung auf der heißen Platte 35 getrocknet, so daß das Lösungsmittel verdampft und ein fester Phosphorbelag 40 entsteht.
Darauf wird die entsprechend der F i g. 3 überzogene Scheibe 32 in einem Ofen 41 während etwa 4 Stunden in Sauerstoffgas (O2) und bei Atmosphärendruck auf 127O0C erhitzt (vgl. die Fig. 4), so daß der Borbelag 36 bzw. der Phosphorbelag 40 in den Halbleiterkörper 32 eindiffundiert. Dadurch wird eine p-Zone 42 erzeugt, die mit Akzeptoren stärker als die ursprüngliche p-leitende Siliziumscheibe der F i g. 1 dotiert ist, sowie eine n-Zone 44 und damit der pn-übergang 46. Die Donatoren und die Akzeptoren können so in die Siliziumscheibe eindiffundiert werden, daß sie eine abgestufte oder veränderliche Konzentration aufweisen, die mit der Entfernung von der Außenseite der Scheibe 32 zum pn-übergang 46 hin abnimmt. Nach Beendigung des Diffusionsschrittes gemäß der F i g. 4 verbleibt oberhalb der p-Zone 42 ein Belag 48 aus Aluminiumoxyd. Dieser Aluminiumoxydbelag wird dadurch entfernt, daß man den Halbleiterkörper etwa 15 Minuten in dem in der F i g. 5 dargestellten Stahlzylinder Fluorwasserstoffgas (HF) aussetzt. Nach Entfernen des Aluminiumbelages 48 wird der Belag 52 auf beiden Seiten der Halbleiterscheibe 32 aufgebracht, indem man diese Scheibe in das Glockengefäß 51 einbringt und im Vakuum so lange Gold aufdampft, bis der Überzug eine Dicke von etwa 2000 Ängström erreicht hat (vgl. Fig. 6). Dann wird der Verfahrensschritt gemäß der F i g. 7 zur Eindiffundierung des Goldes durchgeführt, wobei die mit Gold überzogene Halbleiterscheibe 32 mit einem geeigneten Heizkörper 53 während einer Minute auf etwa 1025° C in Luft bei atmosphärischem Druck erhitzt wird. Dadurch wird eine abgestufte Konzentration des Goldes 54 innerhalb des Halbleiterkörpers 32 erreicht, wobei die Konzentration in den Teilen der p-Zone 42 und der n-Zone 46 am größten ist, die am nächsten der Oberfläche der Halbleiterscheibe und am weitesten von pn-übergang 46 entfernt sind. Die Konzentration der Goldatome 54 nimmt daher mit der Annäherung an den pn-übergang ab.
5 6
Weitere bei der Herstellung der Diode nach Die »Speicherzeit« ist definiert als diejenige Zeit, der Fig. 8 erforderliche, nicht dargestellte Verfah- die vom Stromnulldurchgang76 bis zu dem Punkt rensschritte bestehen darin, daß nach der Golddiffu- auf der Stromkurve 70 vergeht, welcher dem maxision gemäß der F i g. 7 eine Reinigung vorgenommen malen negativen Strom der Kurve entspricht. Die wird, wie sie bei den nachfolgenden Plattiefungs- 5 »Abschaltzeit« ist als diejenige Zeit definiert, die die schritten gewöhnlich ausgeführt wird. Nach der Stromkurve 70 braucht, um von 90% auf 10 °/o ihres Reinigung der Halbleiterscheibe 32 wird sie in maximalen negativen Stromwertes zu fallen,
einem üblichen galvanischen Elektroplattieiungs- Mit der Diode nach der Erfindung wird eine beverfahren erst mit Nickel und dann mit Gold plat- trächtlich schnellere Abschaltzeit erreicht als bei tiert. Darauf folgt der bekannte Mesa-Ätzvorgang, io einer Diode mit gleichförmiger Goldkonzentration, mit dem bestimmte Flächenteile der n-Zone 12 und wobei die Speicherzeit im wesentlichen die gleiche der Beläge 28 und 30 entfernt werden, so daß die bleibt. Die tatsächliche Speicherzeit der Diode nach Mesastruktur der F i g. 8 erhalten wird. Die in Mesa- der F i g. 8 beträgt etwa 3,0 Nanosekunden, während technik geätzte Halbleiterscheibe wird dann in eine die Abschaltzeit etwa 0,2 Nanosekunden beträgt. Vielzahl von kleinen Stücken mit ähnlichen elek- 15 Das Verhältnis der Speicherzeit zur Abschaltzeit für irischen Eigenschaften zerschnitten. Am Schluß wer- die golddiffundierte Abschnappdiode mit graduell den an diese Stücke die Leitungen 20 angelötet und verschiedener Konzentration beträgt daher etwa die Diode in einem Glaskolben verschlossen, nach- 15 :1. ■
dem zuvor noch der Federkontakt 26 angebracht Die Fig. 9b zeigt* eine Schaltung zur Darstellung
worden war. 2° der Spannungs-Zeit-Kennlinie für Dioden für die
Die Fig. 9 a zeigt eine Schaltung zur'Darstellung Spannungscharakteristik, die der Fig. 9 a ähnlich der Strom-Zeit-Kennlinie einer als »Abschnapp«- ist mit der Ausnahme, daß die als »Abschnapp«- Diode geschalteten Diode. Die Schaltung enthält ein Diode geschaltete Diode 62' am äußeren Leiter des Koaxialkabel 56 mit einem Wellenwiderstand von Koaxialkabels 56' mit Erde verbunden ist und daß etwa 50 Ohm, dessen Eingangsklemme 58 über einen 25 die Ausgangsklemme 64' über einen Blockkonden-Blockkondensator 60 mit der Anode der Diode 62 sator 78 mit der Anode der Diode verbunden ist. verbunden ist. Die Kathode der Diode ist an die Der zusätzliche Blockkondensator 78 trennt die Ausgangsklemme 64 des Kabels angeschlossen. Die Gleichstromquelle 66' gleichstrommäßig vom bei 64 Ausgangsklemme 64 des inneren Leiters des Koaxi- angeschlossenen Oszillographen. Die in diesem Fall alen Kabels 56 kann mit dem Vertikaleingang eines 30 erscheinende Spannungscharakteristik der Diode 62' Oszillographen verbunden werden. Mit der Anode ist in der Fig. 10b mit der Kurve 80 dargestellt, der Diode 62 ist über einen Vorspannungswiderstand Diese Spannungskurve 80 zeigt die an der Ab-68 eine Stromquelle verbunden, die die Diode mit schnappdiode 62' anliegende Spannung, falls der als einem Strom von etwa 50 Milliampere vorspannt. negative Stufenspannung ausgebildete Eingangs-Der vom Widerstand 68 kommende Leitungsdraht 35 schaltimpuls der Eingangsklemme 58' zugeführt wird, ist durch eine öffnung im äußeren Leiter des Koaxial- um die Diode von ihrem in Durchlaßrichtung vorkabels geführt und mit dem inneren Leiter dieses gespannten Zustand in Sperrzustand umzuschalten. Kabels zwischen dem Blockkondensator und der Ab- Der Eingangsschaltimpuls weist eine Anstiegszeit schnappdiode verbunden. Der äußere Leiter des von etwa 2 Nanosekunden auf und besitzt eine so Koaxialkabels ist geerdet. Der Widerstand kann 40 hohe Amplitude, daß er die von der Stromquelle 66' einen Wert von etwa 300 Ohm aufweisen, während gelieferte Vorspannung überwindet und die Diode der Kondensator eine Kapazität von ungefähr eini- in Sperrichtung vorspannt. Der anfängliche Spangen Pikofarad hat. Der Blockkondensator verhindert, nungsabfall an der Diode 62' ist klein, beispielsweise daß der in Durchlaßrichtung verlaufende Gleich- + 0,7 Volt, da die Diode zur Zeit Null in Durchlaßstrom zu der nicht dargestellten mit der Eingangs- 45 richtung vorgespannt ist und einen niedrigen Widerklemme 58 verbundenen Quelle für die Eingangs- stand hat. Dieser Spannungsabfall kehrt seine Phase schaltimpulse gelangt, während der Hauptzweck des praktisch sofort um, bleibt jedoch so lange klein, bis die Strombelastung hervorrufenden Widerstands 68 die Kurve 80 der Spannungscharakteristik einen Zeitdarin besteht, die Stromquelle 66 vom Rest des punkt erreicht, der der Abschaltzeit der Stromkurve Stromkreises zu trennen. 50 70 entspricht. An dieser Stelle steigt die Spannungs-
Wird der Eingangsklemme 58 als Eingangsschalt- kurve plötzlich auf einen großen negativen Spanimpuls eine schnell ansteigende negative Stufenspan- nungswert an, der sich abhängig vom Stromkreis und nung zugeführt, kann mittels des Oszillographen die der Amplitude des verwendeten Eingangssignals Strom-Zeit-Kennlinie 70 der Fig. 10a beobachtet von—7 bis-5OVoIt ändern kann,
werden. In einem typischen Fall wird der Eingangs- 55 Der strichpunktierte Kurventeil 82 zeigt die Spanschaltimpuls von einem Quecksilberimpulsgenerator nungscharakteristik einer gewöhnlichen Schaltdiode geliefert und hat eine Anstiegszeit von etwa 2,0 Nano- ohne Rekombinationszentren und weist eine der Absekunden. Dieser Eingangsschaltimpuls wird zur Zeit f allzeit der Stromkurve 72 entsprechende langsame Null angelegt, wobei sich eine Stromcharakteristik Anstiegzeit auf. Die zweite Spannungskurve, die entsprechend der Kurve 70 in der F i g. 10 a ergibt. 60 durch die punktierte Linie 84 veranschaulicht ist, Wird eine normale Diode ohne Rekombinations- zeigt die Spannungscharakteristik einer eine gleichzentren getestet, so erhält man die Kennlinie 70-72. förm'ige Konzentration von Rekombinationszentren Wenn man die eingangs beschriebene Diode mit in aufweisenden Abschnappdiode, die in ihrer Anstiegsallen Bereichen der p- und η-Zone gleicher Rekom- zeit der Abfallzeit der Stromkurve 74 insofern entbinationszentrenkonzentration in dieser Weise testet, 65 spricht, daß sie eine schnellere Anstiegszeit als die dann erhält man die Kennlinie 70-74. Beim Testen Spannungskurve 82 der gebräuchlichen Diode aufder erfindungsgemäßen Diode mit dieser Schaltung weist. Der Kennlinienteil 86 der Spannungscharakteerhält man die Kennlinie 70-75. ristik 80 entspricht der erfindungsgemäßen Diode
und hat gegenüber der Kurve 82 oder 84 eine erheblich schnellere Anstiegszeit, die entsprechend der Abschaltzeit der Stromkurve 75 bei etwa 0,2 Nanosekunden liegt. Der in der Fig. 10b dargestellte Spannungsimpuls kann zur Erzeugung einer negativen Spannungsspitze differenziert werden, oder man kann diesen Impuls von dem kurzgeschlossenen Ende einer Verzögerungsleitung geeigneter Länge reflektieren lassen, so daß sich ein schmaler negativer Spannungsimpuls ergibt, der als Impuls eines Oszillographen dienen kann.

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Halbleiterdiode mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mit Rekombinationszentren in der n- und in der p-Zone, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Rekombinationszentren in beiden Zonen (12,14) so im Bereich des pn-Übergangs (16) geringer ist und vom pn-übergang aus nach den Elektroden zu kontinuierlich zunimmt.
2. Dioden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Silizium und die Rekombinationszentren aus Gold bestehen.
3. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Germanium und die Rekombinationszentren aus Kupfer bestehen.
4. Verfahren zum Herstellen einer Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationszentren in den Halbleiterkörper eindiffundiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Rekombinationszentren auf den Halbleiterkörper aufgetragen und dann der Halbleiterkörper zum Erzielen der Diffusionsverteilung der Rekombinationszentren erhitzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eindiffundieren der Rekombinationszentren die p- und n-Dotierung zum Bilden des pn-Übergangs vorgenommen wird und daß die Rekombinationszentren danach von den auf beiden Seiten des Übergangs liegenden Flächen aus eindiffundiert werden.
in Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 1051 893;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1110 765;
deutsche Auslegeschrift S 43734 VIIIc /21g
kanntgemacht am 18.10.1956);
französische Patentschrift Nr. 1 232 232;
britische Patentschrift Nr. 863 052;
»Zeitschrift für angewandte Physik«, Bd. 11 (1959), Heft 5, S. 162 bis 164.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 679/432 10.67 © Bundesdruckerei Berlin
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