DE1280418C2

DE1280418C2 - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE1280418C2
Application number: DE1965J0028816
Authority: DE
Inventors: John Bernard Setchfield
Original assignee: Itt Ind Ges Mit Beschraenkter
Priority date: 1964-09-02
Filing date: 1965-08-19
Publication date: 1973-04-26
Also published as: CH463629A; BE669078A; DE1280418B; SE301678B; GB1046187A; NL6511387A

Description

Jeiterkt"'!pers mit einer festhaftenden Isolierschicht versehen und dann das Legierungsmaterial so auf die Isolierschicht und den Halbleiter aufgebracht wird, daß es --ur einen kleinen Bruchteil der gesamten Berühv-.igsfläche bei der nachfolgenden Wärmebehandlung mit dem Halbleiterkörper legiert und die Isolier? :;;icht als Trägei für die einlegierte Elektrode des i iü-lei'.erbauelements dient. Bef einem solchen Verfahr η können sich Benetzungsunterschiede relativ siji^:- im Endprodukt als Schwankungen der Legieru¹"·.· iiächen äußern, da das geschmobene Legierung^* ' uerial bestrebt ist, Kugelform anzunehmen. Außc ·αη hat das vorliegende Verfahren den Vorteil. -Vi.' ein isolierender Trägerkörper verwendet wert: ^: '^ann, während das Verfahren nach der eingant enannten französischen Patentschrift 1 350402 ein 'ri. bleiterbauelement liefen, welches nicht gegen den ^; "igerkörper elektrisch isoliert ist.

Dk Erfindung soll an Hand eier Figuren näher beschrvl.jn werden.

F -.·. 1 bis 5 stellen aufeinanderfolgerde Stufen für die : stellung einer Tunneldiode gemäß einer Ausfüh; : !-'sform der Erfindung dar;

[ _;- 6 und 7 zeigen Grundriß und Seitenansicht eine. Tunneldiode, die sich zur Montage in einer Ko laileitung eignet;

! · -z. S zeigt die Montage einer Tunneldiode von F i -■ 6 und 7 in einer Koaxialleitung;

i (L. 9 zeigt die Anordnung -"Vier Tunneldiode in ein'.·· Streifenleitung; 3c

i ' g. 10 bis 13 zeigen aufeinanderfolgende HersKHungsstufen bei der Herstellung einer Tunneldiode η;:■;.! 1 einer anderen Ausführungsform gemäß der ErfiiKking.

in Fig. 1 ist eine Unterlage aus gut isolierendem Material, beispielsweise mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10° Ohm cm, dargestellt, welche die exakte Struktur für einen epitaktischcn Niederschlag besitzt, beispielsweise halbisolierendes Galliumarsenid, bei dem eine Schicht 2 aus p⁺-leitendem Germanium epitaktisch auf einer Stirnseite niedergeschlagen is?.

Ein bestimmter Teil der Schicht 2 wird durch Maskierung und selektive Ätzung, beispielsweise elektrolvtische Ätzung, entfernt (Fig. 2).

Anschließend werden die Metallschichten 3 λ und -">b (Fig. 3), die beispielsweise aus Gold bestellen, durch Aufdampfen auf die abgestufte Oberfiächenveite mit Ausnahme der Fläche 4, 5 und 6 aufgebracht. 5u

Die unbedeckte Stirnfläche 5 und der unbedeckte Zwischenraum 6 auf der Unterlage werden erhalten, indem die Verdampfungsquelle bei dem Aufdampf verfahren in geeigneter Weise angeordnet wird, so daß sich diese Teile im Schatten des Dampfstrahles befinden. Die Zone 4 wird durch geeignete Maskierung freigehalten.

Die Metallschichten 3 a und 3 b werden nun einlegiert und durch Elcktroplattierung verstärkt.

Anschließend wird eine kleine Kugel 7 aus Arsen und Zinn so angeordnet, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, daß sie r.n der Stirnfläche der Stufe an der ilalblcitcrschicht 2 und an der Metallschicht 3 anliegt und in der metallfreicn Zone 4 liegt. Anschließend wird ein üb'irher Legicrungsprozeß in nicht oxydierender Atmosphäre durchgeführt.

Dabei bildet sich ein Tunnelübcrgang. Schließlich wird die Stufe durch elektrolytisches Ätzen in die Halbleiterschicht 2 hinein zurückversetzt, so daß ein schmaler Hals 8 (F i g. 5) entsteht, der dem nach oben stehenden Teil bei der bekannten Ausführungsform entspricht. Bei der Ausführungsform nach der Erfindung werden der Hals und der Teil des pn-Ubergangs von der Unterlage 1 vollkommen getragen.

Die Metallschichten 3 a und 3 b bilden die ohm-.-!Chen Kontakte des Halbleiterbauelements, und zwar je einen auf jeder Seite des pn-Ubergangs.

Die F i g. 6 und 7 zeigen eine nach dem Verfahren der Erfindung hergestellte Ausbildungsform einer Halbleiterdiode, die sich zum direkten Anschluß an eine Koaxialleitung eignet. Die Diode ist von runder, ebener Form und hergestellt wie oben beschrieben. Die einzelnen Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die im wesentlichen isolierende Unterlage ist mit 1 bezeichnet, die zentrale p+-Germaniumschicht mit 2. die o^mschen Metallschichten mit 3 a und 3 b und die einiegierte Kugel mit 7. Die Kugel liegt auf dem Zwischenraum 4. Die Teile 5 und 6 an der Kante der Stufe sind ebenfalls von Metall freigehalten.

Wie in F i g. 8 dargestellt, ist der äußere Leiter 9 der Koaxialleitung direkt an die äußere ringförmige Metallschicht 3 a angeschlossen und der Ansatz IC erstreckt sich von der mittleren Metallschicht 3 b in das Innere des Leiters 11.

In F i g. 9 ist eine Diode mit rechteckigem Grundriß dargestellt, die in einer Streifenleitung angeordnet ist. Der Streifenleiter 12 und der Erdungsleiter 13 ragen über das Dielektrikum 14 hinaus, und die Diode ist zwischen den Leitern 12 und 13 so angeordnet, daß der ohmsche Kontakt durch die Metallschicht 3 a mit der Unterseite des Streifenleiters 12 in Kontakt steht.

Der ohmsche Kontakt durch die Metallschicht 3 b ist über die Oberflächenseite der Diode, welche den Tunnelübergang enthält, durch eine Metallisierung über die Seitenfläche zur Unterseite der Diode weitergeführt und steht in Kontakt mit dem unteren Leiter 13 auf der Unterseite der Diode.

Bei der Ausführungsform von Fig. 10 ist wieder eine Unterlage 15 aus im wesentlichen isolierendem Material vorhanden, beispielsweise mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10^eOhm · cm, mit der exakten Struktur für einen epitaktischen Niederschlag, beispielsweise aus halbisoiierendem Galliumarsenid, das eine Schicht 16 aus p⁴-Germanium trägt, die epitaktisch auf einer Oberflächenseite nicüergeschlagen wurde. Teile der Schicht 16 (F i g. 11) werden durch Maskierung und selektive Ätzung, z. B. elektrolytische Ätzung, entfernt, so daß die Halbleiterschicht 17 in Form uines Querstreifens aus Germanium erhalten wird.

Wie in Fig. 12 dargestellt, werden anschließend die MetalLchichten 18 a und 18 b, beispielsweise aus Gold, auf die abgestufte Oberflächenscite mit Ausnahme der Flächen 19, 20 und 21 aufgebracht. Die Flächen 20 und 21 anschließend an die Stufenkante bleiben metallfrei, indem die Vcrdampfungsque'le so angeordnet wird, daß diese Teile im Schatten des Dampfstrahles liegen. Die Fläche 19 wird durch eine geeignete Maskierung abgedeckt.

Die Metallschichten 18« und 18 b werden nun einlegiert und durch Elektroplatticrung verstärkt.

Eine Kugel 22 i'us Zinn und Arsen wird dann so angeordnet (F i g. 12), daß sie die Flüche 20 der Halbleiterschicht 17 und die Metallschicht 18« berührt und in dem metallfreicn Zwischenraum 21 liegt und

wird durch einen Legierungsprozeß in nicht oxydierender Atmosphäre einlegiert.

Auf diese Weise entsteht der Tunnelübcrgang 23 (Fig. 13). Durch elektrolytisches Ätzen wird die Breite der streifenförmigen Halbleiterschicht 17 vcrmindert und der schmale Hals 24 gebildet, der dem nach oben stehenden 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 18a und 18b bilden auf jeder Seite einen ohmschcn Kontakt für das Halbleiterbauelement.

Schließlich kann durch einen letzten Verfahrensschritt die Länge der streifenförmigen Halbleiter- schicht 17 vermindert werden, indem das Halbleitermaterial an jeder Seite der pn-Übergangszone mit einem Teil der Metallschicht 18 b, die damit in Kontakt steht, auf der Seite des Streifens, die vom pnübergang abgewendet ist, entfernt wird. »o

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 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 lialbleitenden Verbindung wie GaI-liumantimonid, ersetzt werden. Die halbisoliercnde 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines mechanisch festen Halbleiterbauelements mit einem pn-Übergang sehr kleiner Fläche, welcher durch Legieren mit einer Störstellenmateria! enthaltenden Kugel erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberflächenseite einer Unterlage aus isolierendem oder halbisolierendem Material nebeneinander und durch einen Zwischenraum voneinander getrennt eine Metallschicht und epitaktisch eine Halbleite· ^-hicht 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-Ubergangsgcbiets eine weitere Metallschicht niedergeschlagen wird.

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

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine flektrolytische 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 Rekristallisationsschicht 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.

Folge davon ist »^^„rso^ra'Sß 'auch struktionen sehr zerbrechlich na ^.^

, £. .ÄÄ" ^wünschte induktivität ^SnÄctnfft ein Verfahren zum Herstelu eine mechanisch festen Halbleiterbauelements

Bei der Verwendung der beispielsweise aus der französischen Patentschrift 1 320 577 bekannten Tunneldioden mit Mesastruktur, bei denen der Tunnelübergang von einem hochstehenden Teil (Mesa) ge-VMgcn wird, bei Mikrowellenfreciuenz ist es erforderlicl· daß der Hals der Mesa einen extrem kleinen

ltentschntten ι jju tui »,,«

Das Problem der mechanischen Festigkeit eines Halbleiterbauelements mit einer sehr kleinen pn-Überganüsfläche wird nach der französischen Patentschrift 1 350 402 dadurch gelöst, daß eine Isolierscheibe an den Flachseiten einerseits mit einer Halbleiterscheibe und andererseits zur verstärkten mecha niichen Halterung der Störstellenmatenal enthalten

den Kugel mit einem weiteren plattenförmigen Kör per verbunden wird. Die Kugel, welche den Raiu; oder eine Durchbohrung der Isolierscheibe überbrückt, wird einerseits unter Bildung eines pn-Übe; gangs mit der Halbleiterscheibe und andererseil.

unter Bildung eines ohmschen Kontaktes mit den weiteren plattenförmigen Körper verbunden. Dies. Herstellung des Halbleiterbauelements erfordert jedoch das Anbringen der Kontaktelektroden einzd. bei der Herstellung der Einzelelemente und nieh

bereits in der Mehrzahl an der Halbleiterplatte ui, kann somit nicht ohne weiteres bei einer Masse; anfertigung angewandt werden. Ferner ist eine in wendige Herstellung der für die Halterung Jer Ku, in der Isolierschicht erforderlichen Durchbohrt,.

oder Ausnehmung erforderlich. Schließlich ist es s schwierig, ohne erhebliche Ausfalle durch Bruch ;■. der Handhabung und Herstellung der Isolierschei:·. sehr kleinflächige pn-übergänge mit den dazu erf° derlichen sehr kleinen Kugeln zu legieren, da die Die,

der Isolierscheiben weniger als der Durchmesser i.i, Kugeln betragen muß.

Diese Probleme bei einem Verfahren zum Herst.·: Ien eines mechanisch festen Halbleiterbauelemen: mit einem pn-Üb^rgang sehr kleiner Fläche, welcin

durch Legieren mit einer Störstellenmaterial enth:· tenden Kugel erzeugt wird, werden crfindungsgeni. dadurch weitgehend gelöst, daß auf einer Oben, chenseite einer Unterlage aus isolierendem oder hai,· isolierendem Material nebeneinander und dm·.

einen Zwischenraum voneinander getrennt eine M.. tallschicht und epitaktisch eine Halbleiterschicht nu dergeschlagcn werden, daß in den Zwischenraum ι: Kontakt mit den beiden Schichten die Kugel mit Stöt-Stellenmaterial vom entgegengesetzten Leitfähigkeit*·-

typ in bezug auf die Halbleiterschicht eingebracht und durch Erhitzen einerseits unter Bildung eines pn Übergangs mit der Halbleiterschicht und änderet seits unter Bildung eines ohmschen Kontaktes mn der Metallschicht verbunden wird, und daß an dei

Halbleiterschicht mit Ausnahme des pn-Übergangsgebicts eine weitere Metallschicht niedergeschlagen wird.

Nach der französischen Patentschrift 1 320 577, welche dem deutschen Patent 1 187 735 entspricht, wird zwar das Problem der mechanischen Festigkeit im wesentlichen bei einem Halbleiterbauelement mit einem sehr kleinllächigen pn-übergang dadurch gelöst, daß eine begrenzte Flüche des Halb-