DE1280418B

DE1280418B - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE1280418B
Application number: DEJ28816A
Authority: DE
Inventors: John Bernard Setchfield
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1964-09-02
Filing date: 1965-08-19
Publication date: 1968-10-17
Also published as: DE1280418C2; BE669078A; NL6511387A; GB1046187A; CH463629A; SE301678B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1280 418

Aktenzeichen: P 12 80 418.1-33 (J 28816)

Anmeldetag: 19. August 1965

Auslegetag: 17. Oktober 1968

Bei der Verwendung der, beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 1187 735, bekannten Tunneldioden mit Mesastruktur, bei denen der Tunnelübergang von einem hochstehenden Teil (Mesa) getragen wird, bei Mikrowellenfrequenz ist es erforderlieh, daß der Hals der Mesa einen extrem kleinen Durchmesser, beispielsweise von 0,005 mm hat. Die Folge davon ist nicht nur, daß die bekannten Konstruktionen sehr zerbrechlich sind, sondern daß auch der schmale freistehende Hals einen sehr flexiblen Anschluß benötigt, der die unerwünschte Induktivität wesentlich erhöht.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mechanisch festen Halbleiterbauelements mit einem pn-übergang sehr kleiner Fläche, welcher durch Legieren mit einer Störstellenmaterial enthaltenden Kugel erzeugt wird, wie aus den französischen Patentschriften 1 350 402 und 1 320 577 bekannt war.

Das Problem der mechanischen Festigkeit eines Halbleiterbauelements mit einer sehr kleinen pn-Übergangsfläche wird nach der französischen Patentschrift 1350 402 dadurch gelöst, daß eine Isolierscheibe an den Flachseiten einerseits mit einer Halbleiterscheibe und andererseits zur verstärkten mechanischen Halterung der Störstellenmaterial enthaltenden Kugel mit einem weiteren plattenförmigen Körper verbunden wird. Die Kugel, welche den Rand oder eine Durchbohrung der Isolierscheibe überbrückt, wird einerseits unter Bildung eines pn-Ubergangs mit der Halbleiterscheibe und andererseits unter Bildung eines ohmschen Kontaktes mit dem weiteren plattenförmigen Körper verbunden. Diese Herstellung des Halbleiterbauelements erfordert jedoch das Anbringen der Kontaktelektroden einzeln bei der Herstellung der Einzelelemente und nicht bereits in der Mehrzahl an der Halbleiterplatte und kann somit nicht ohne weiteres bei einer Massenanfertigung angewandt werden. Ferner ist eine aufwendige Herstellung der für die Halterung der Kugel in der Isolierschicht erforderlichen Durchbohrung oder Ausnehmung erforderlich. Schließlich ist es sehr schwierig, ohne erhebliche Ausfälle durch Bruch bei der Handhabung und Herstellung der Isolierscheibe, sehr kleinflächige pn-Übergänge mit den dazu erforderlichen sehr kleinen Kugeln zu legieren, da die Dicke der Isolierscheiben weniger als der Durchmesser der Kugeln betragen muß.

Diese Probleme bei einem Verfahren zum Herstellen eines mechanisch festen Halbleiterbauelements mit einem pn-übergang sehr kleiner Fläche, welcher durch Legieren mit einer Störstellenmaterial enthaltenden Kugel erzeugt wird, werden erfindungsgemäß Verfahren zum Herstellen eines
Halbleiterbauelements

Anmelder:

Deutsche ITT Industries Gesellschaft

mit beschränkter Haftung,

7800 Freiburg, Hans-Bunte-Str. 19

Als Erfinder benannt:

John Bernard Setchfield,

New Barnet, Hertfordshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 2. September 1964 (35 926)

dadurch weitgehend gelöst, daß auf einer Oberflächenseite einer Unterlage aus isolierendem oder halbisolierendem Material nebeneinander und durch einen Zwischenraum voneinander getrennt eine Metallschicht und epitaktisch eine Halbleiterschicht niedergeschlagen werden, daß in den Zwischenraum im Kontakt mit den beiden Schichten die Kugel mit Störstellenmaterial vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in bezug auf die Halbleiterschicht eingebracht und durch Erhitzen einerseits unter Bildung eines pn-Übergangs mit der Halbleiterschicht und andererseits unter Bildung eines ohmschen Kontaktes mit der Metallschicht verbunden wird, und daß an der Halbleiterschicht mit Ausnahme des pn-Übergangsgebiets eine weitere Metallschicht niedergeschlagen wird.

Nach der französischen Patentschrift 1320 577, welche der deutschen Patentschrift 1187 735 entspricht, wird zwar das Problem der mechanischen Festigkeit im wesentlichen bei einem Halbleiterbauelement mit einem sehr kleinflächigen pn-übergang dadurch gelöst, daß eine begrenzte Fläche des Halbleiterkörpers mit einer festhaftenden Isolierschicht versehen und dann das Legierungsmaterial so auf die Isolierschicht und den Halbleiter aufgebracht wird, daß es nur einen kleinen Bruchteil der gesamten Berührungsfläche bei der nachfolgenden Wärmebehandlung mit dem Halbleiterkörper legiert und die

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Isolierschicht als Träger für die einlegierte Elektrode Die Metallschichten 3 α und 3 b bilden die ohm-

des Halbleiterbauelements dient. Bei einem solchen sehen Kontakte des Halbleiterbauelements, und zwar

Verfahren können sich Benetzungsunterschiede rela- je einen auf jeder Seite des pn-Ubergangs.

tiv stark im Endprodukt als Schwankungen der Le- Die F i g. 6 und 7 zeigen eine nach dem Verfahren gierungsflächen äußern,, da das geschmolzene Legie- 5 der Erfindung hergestellte Ausbildungsform einer

rungsmaterial bestrebt ist, Kugelform anzunehmen. Halbleiterdiode, die sich zum direkten Anschluß an

Außerdem .hat das;vorliegende. Verfahren den Vor- eine Koaxialleitung eignet. Die Diode ist von runder,

teil, daß ein isolierender Trägerkörper verwendet ebener Form und hergestellt wie oben beschrieben,

werden kann, während das Verfahren nach der ein- Die einzelnen Teile sind mit den gleichen Bezugsgangs genannten französichen Patentschrift .1350402 ίο zeichen versehen. Die im wesentlichen isolierende

ein Halbleiterbauelement liefert, welches nicht gegen Unterlage ist mit 1 bezeichnet, die zentrale p⁺-Ger-

den Trägerkörper elektrisch isoliert ist. maniumschicht mit 2, die ohmschen Metallschichten

Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher be- mit 3 c und 3 b und die einlegierte Kugel mit 7. Die schrieben werden. ... . _ _. Kugel liegt auf dem Zwischenraum 4. Die Teile 5 F i g. 1 bis 5 stellen aufeinanderfolgende Stufen für 15 und 6 an der Kante der Stufe sind ebenfalls von Me-

die Herstellung einer Tunneldiode gemäß einer Aus- tall freigehalten.

führungsform der Erfindung dar; Wie in F i g. 8 dargestellt, ist der äußere Leiter 9

F i g. 6 und 7 zeigen Grundriß und Seitenansicht der Koaxialleitung direkt an die äußere ringförmige

einer Tunneldiode, die sich zur Montage in einer Metallschicht 3 α angeschlossen und der Ansatz 10

Koaxialleitung eignet; 20 erstreckt sich von der mittleren Metallschicht 3 δ in

Fig. 8 zeigt die Montage einer Tunneldiode von das Innere des Leiters 11.

F i g. 6 und 7 in einer Koaxialleitung; In F i g. 9 ist eine Diode mit rechteckigem Grundriß F i g. 9 zeigt die Anordnung einer Tunneldiode in' dargestellt, die in einer Streifenleitung angeordnet ist. einer Streifenleitung; Der Streifenleiter 12 und der Erdungsleiter 13 ragen Fig. 10 bis 13 zeigen aufeinanderfolgende Her- »5 über das Dielektrikum 14 hinaus, und die Diode ist Stellungsstufen bei der Herstellung einer Tunneldiode zwischen den Leitern 12 und 13 so angeordnet, daß nach einer anderen Ausführungsform gemäß der Er- der ohmsche Kontakt durch die Metallschicht 3 a mit findung. der Unterseite des Streifenleiters 12 in Kontakt steht. In F i g. 1 ist eine Unterlage aus gut isolierendem Der ohmsche Kontakt durch die Metallschicht 3 b Material, beispielsweise mit einem spezifischen Wi- 3o ist über die Oberflächenseite der Diode, welche den derstand in der Größenordnung von 10⁶ Ohm ■ cm, Tunnelübergang enthält, durch eine Metallisierung dargestellt, weiche die exakte Struktur für einen epi- über die Seitenfläche zur Unterseite der Diode weitertaktischen Niederschlag besitzt, beispielsweise halb- geführt und steht in Kontakt mit dem unteren Leiter isolierendes Galliumarsenid, bei dem eine Schicht 2 13 auf der Unterseite der Diode, aus p⁺-leitendem Germanium epitaktisch auf einer 35 Bei der Ausführungsform von F i g. 10 ist wieder Stirnseite niedergeschlagen ist. eine Unterlage 15 aus im wesentlichen isolierendem Ein bestimmter Teil der Schicht 2 wird durch Mas- Material vorhanden, beispielsweise mit einem spezikierung und selektive Ätzung, beispielsweise elektro- fischen Widerstand in der Größenordnung von lytische Ätzung, entfernt (Fig. 2). 10⁶ Ohm · cm, mit der exakten Struktur für einen Anschließend werden die Metallschichten 3 α und 40 epitaktischen Niederschlag, beispielsweise aus halb- 3b (Fig. 3), die beispielsweise aus Gold bestehen, isolierendem Galliumarsenid, das eine Schicht 16 aus durch Aufdampfen auf die abgestufte Oberflächen- p⁺-Germanium trägt, die epitaktisch auf einer Oberseite mit Ausnahme der Fläche 4, 5 und 6 aufge- flächenseite niedergeschlagen wurde. Teile der Schicht bracht. 16(Fi g. 11) werden durch Maskierung und selektive Die unbedeckte Stirnfläche 5 und der unbedeckte 45 Ätzung, z. B. elektrolytische Ätzung, entfernt, so daß Zwischenraum 6 auf der Unterlage werden erhalten, die Halbleiterschicht 17 in Form eines Querstreifens indem die Verdampfungsquelle bei dem Aufdampf- aus Germanium erhalten wird, verfahren in geeigneter Weise angeordnet wird, so Wie in Fig. 12 dargestellt, werden anschließend daß sich diese Teile im Schatten des Dampfstrahles die Metallschichten 18 α und 18 b, beispielsweise aus befinden. Die Zone 4 wird durch geeignete Maskie- 50 Gold, auf die abgestufte Oberflächenseite mit Ausrung freigehalten. nähme der Flächen 19, 20 und 21 aufgebracht. Die Die Metallschichten 3 α und 3 b werden nun ein- Flächen 20 und 21 anschließend an die Stufenkante legiert und durch Elektroplattierung verstärkt. bleiben metallfrei, indem die Verdampfungsquelle so Anschließend wird eine kleine Kugel 7 aus Arsen angeordnet wird, daß diese Teile im Schatten des und Zinn so angeordnet, wie dies in F i g. 4 darge- 55 Dampfstrahles liegen. Die Fläche 19 wird durch eine stellt ist, daß sie an der Stirnfläche der Stufe an der geeignete Maskierung abgedeckt. Halbleiterschicht 2 und an der Metallschicht 3 an- Die Metallschichten 18 α und 18 & werden nun einliegt und in der metallfreien Zone 4 liegt. Anschlie- legiert und durch Elektroplattierung verstärkt, ßend wird ein üblicher Legierungsprozeß in nicht Eine Kugel 22 aus Zinn und Arsen wird dann so oxydierender Atmosphäre durchgeführt. 60 angeordnet (Fig. 12), daß sie die Fläche 20 der HaIb-Dabei bildet sich ein Tunnelübergang. Schließlich· leiterschicht 17 und die Metallschicht 18c berührt wird die Stufe durch elektrolytisches Ätzen in die und in dem metallfreien Zwischenraum 21 liegt und Halbleiterschicht 2 hinein zurückversetzt, so daß ein wird durch einen Legierungsprozeß in nicht oxydieschmaler Hals 8 (Fig. 5) entsteht, der dem nach render Atmosphäre einlegiert, oben stehenden Teil bei der bekannten Ausführungs- 65 Auf diese Weise entsteht der Tunnelübergang 23 form entspricht. Bei der Ausführungsform nach der (Fig. 13). Durch elektrolytisches Ätzen wird die Erfindung werden der Hals und der Teil des pn- Breite der streifenförmigen Halbleiterschicht 17 ver-Ubergangs von der Unterlage 1 vollkommen getragen. mindert und der schmale Hals 24 gebildet, der dem

nach oben steheuden Hals bei der bekannten Ausführungsform entspricht. Sowohl der Hals 24 als auch der pn-übergang 23 werden vollkommen von der Unterlage 15 getragen.

Die Metallschichten 18 a und 186 bilden auf jeder Seite einen ohmschen Kontakt für das Halbleiterbauelement.

Schließlich kann durch einen letzten Verfahrensschritt die Länge der streifenförmigen Halbleiterschicht 17 vermindert werden, indem das Halbleitermaterial an jeder Seite der pn-Ubergangszone mit einem Teil der Metallschicht 186, die damit in Kontakt steht, auf der Seite des Streifens, die vom pnübergang abgewendet ist, entfernt wird.

Wenn eine der Metallschichten 18 bis auf die Unterseite der Unterlage 15 der Vorrichtung ausgedehnt wird, eignet sich die Vorrichtung zur Montage auf einem Streifenleiter in gleicher Weise, wie dies an Hand von F i g. 9 beschrieben wurde.

Die beschriebenen Vorrichtungen haben einen ao kompakten einstückigen Aufbau ohne bewegliche Kontakte und ermöglichen Anordnungen mit sehr geringer Induktivität und Kapazität sowie einem geringen Reihenwiderstand im Vergleich zu dem bekannten Halbleiterbauelement nach der genannten französischen Patentschrift 1 320 577.

Die Germaniumschicht kann durch eine Schicht aus irgendeinem anderen geeigneten Halbleitermaterial, z. B. einer halbleitenden Verbindung wie GaI-liumantimonid, ersetzt werden. Die halbisolierende Unterlage aus Galliumarsenid kann durch einen geeigneten Isolator ersetzt werden, z. B. durch einen Saphireinkristall oder einen anderen Isolator, auf dem eine Halbleiterschicht epitaktisch niedergeschlagen werden kann. Eine geeignete Formgebung der ohmschen Kontakte kann vorteilhaft sein.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines mechanisch festen Halbleiterbauelements mit einem pn-übergang sehr kleiner Fläche, welcher durch Legieren mit einer Störstellenmaterial enthaltenden Kugel erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberflächenseite einer Unterlage auf isolierendem oder halbisolierendem Material nebeneinander und durch einen Zwischenraum voneinander getrennt eine Metallschicht und epitaktisch eine Halbleiterschicht niedergeschlagen werden, daß in den Zwischenraum im Kontakt mit beiden Schichten die Kugel mit Störstellenmaterial vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in bezug auf die Halbleiterschicht eingebracht und durch Erhitzen einerseits unter Bildung eines pn-Übergangs mit der Halbleiterschicht und andererseits unter Bildung eines ohmschen Kontaktes mit der Metallschicht verbunden wird, und daß an der Halbleiterschicht mit Ausnahme des pn-Ubergangsgebiets eine weitere Metallschicht niedergeschlagen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Übergangsfläche nach ihrer Bildung durch Ätzen des Halbleitermaterials vermindert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrolytische Ätzung vorgenommen wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst auf der einen gesamten Oberflächenseite der Unterlage Halbleitermaterial epitaktisch niedergeschlagen und ein Teil dieser Oberflächenseite der Unterlage wieder freigelegt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallschichten aufgedampft, einlegiert und durch Elektroplattierung verstärkt werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallschichten koaxial zueinander angeordnet werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das epitaktisch abgeschiedene Halbleitermaterial als auch die Rekurstallisationsschicht bis zur Entartungskonzentration dotiert werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage Saphir verwendet wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage halbisolierendes Galliumarsenid verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Halbleiterschicht Germanium verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1187 735;
französische Patentschriften Nr. 1 320 577,
1350402;
»Solid State Technology«, 10,1967, S. 3 bis 39.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 627/1140 10. 68 ® Bundesdruckerei Berlin