DE1295702B

DE1295702B - Semiconductor diode

Info

Publication number: DE1295702B
Application number: DE1963K0049200
Authority: DE
Inventors: Uehara Keijiro; Tokuyama Takashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1962-03-15
Filing date: 1963-03-14
Publication date: 1969-05-22
Also published as: GB986507A; NL126152C; NL290202A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterdiode mit einem Wert dieser Sperrkapazität 2 wird durch Zuführung Halbleiterkörper, einer Drahtelektrode und einer die einer Gleichspannung zu den Elektroden 3 und 4 ver-Drahtelektrode umgebenden Schweißzone mit einem ändert.The invention relates to a semiconductor diode with a value of this blocking capacitance 2 is by supply Semiconductor body, a wire electrode and a direct voltage to the electrodes 3 and 4 ver wire electrode surrounding welding zone with one changes.

dem des Halbleiterkörpers entgegengesetzten Leit- In diesem Fall wird die Güteg der Diode durchthat of the semiconductor body opposite conduction In this case the quality of the diode is through

fähigkeitstyp. 5 folgende Gleichung ausgedrückt:skill type. 5 expressed the following equation:

Die bekannten Dioden dieser Bauart besitzen eine ^The known diodes of this type have a ^

vergleichsweise großflächige Sperrschicht und damit Q = ——- , (1)comparatively large-area barrier layer and thus Q = —— - , (1)

eine hohe Sperrschichtkapazität, was sich bei hohen * ^s a high junction capacitance, which is evident at high * ^s

Frequenzen in ungünstiger Weise bemerkbar macht. worin/ die Frequenz ist, bei welcher die Messung ausAufgabe der Erfindung ist deshalb die Erhöhung der io geführt ist. Wie sich aus der Gleichung ergibt, kann Grenzfrequenz bei derartigen Dioden, insbesondere ein hoher Gütewert Q erreicht werden, wenn die duich Verbesserung des Gütewertes. Werte des Reihenwiderstands R_s und der Sperr-Makes frequencies noticeable in an unfavorable way. where / is the frequency at which the measurement is carried out, therefore increasing the io. As can be seen from the equation, the cutoff frequency in such diodes, in particular a high quality value Q , can be achieved if the improvement in the quality value is achieved. Values of the series resistance R _s and the blocking

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- kapazität C klein gemacht werden, löst, daß der Halbleiterkörper aus einer Grundschicht Der Reihenwiderstand R_s ist grundsätzlich einAccording to the invention, this object is made small by the capacitance C being achieved by the semiconductor body consisting of a base layer. The series resistance R _s is basically a

mit einem geringen spezifischen Widerstand und einer 15 Ausbreitungswiderstand, welcher gewöhnlich durch einige Mikron dicken, epitaktisch aus der Dampfphase die folgende Gleichung wiedergegeben wird, in welcher aufgewachsenen Schicht mit einem hohen spezifischen d den Sperrschichtdurchmesser bedeutet: Widerstand besteht, daß der Durchmesser und diewith a low resistivity and a 15 propagation resistance, which is usually represented by a few microns thick, epitaxially from the vapor phase, the following equation, in which grown layer with a high specific d means the barrier layer diameter: Resistance exists that the diameter and the

Tiefe der Schweißzone einige Mikron betragen und R_s — -y-r-, (2)Depth of the welding zone a few microns and R _s - -yr- , (2)

daß zwischen der Legierungsfront der Schweißzone 20that between the alloy front of the welding zone 20

einerseits und der Grenzfläche zwischen dem hoch- worin ρ den spezifischen Widerstand des Materials ohmigen und niederohmigen Bereich des Halbleiter- auf der Seite mit geringer Störstellenkonzentration der körpers andererseits ein Abstand von höchstens 5 μ. Sperrschicht bedeutet. Obgleich die Sperrschichtverbleibt, kapazität C in Abhängigkeit von der Störstellenver-on the one hand and the interface between the high-where ρ the resistivity of the material ohmic and low-ohmic area of the semiconductor on the side with a low concentration of impurities in the body on the other hand a distance of at most 5 μ. Means barrier layer. Although the barrier layer remains, the capacitance C depends on the

Bei der Erfindung soll also der Abstand zwischen der 25 teilung unterschiedlich ist, ist bei einer steilen Konzeneinlegierten Schweißzone und der Grenzschicht zwi- trationsänderung von dem P-Halbleiter zum N-HaIbschen den beiden Bereichen verschiedenen spezifischen leiter, also bei einem abrupten Übergang, die Sperr-Widerstandes einen gewissen Abstand nicht über- Schichtkapazität durch folgende Gleichung ausgeschreiten, womit eine so weitgehende Herabsetzung des drückt:
Ersatzserienwiderstandes der Diode und eine Ver- 30 ^2In the case of the invention, the distance between the graduation should be different, and with a steep concentration alloyed welding zone and the boundary layer, the change in the flow from the P-semiconductor to the N-half of the two areas is different specific conductors, i.e. in the case of an abrupt transition, the barrier -Resistance do not exceed a certain distance- stratified capacitance through the following equation, which means that such a far-reaching reduction of the expresses:
Equivalent series resistance of the diode and a 30 ^ 2

ringerung der Sperrschichtkapazität erreicht wird, daß C — k ,_ , (3)reduction of the junction capacitance is achieved that C - k , _, (3)

die Grenzfrequenz in weitem Maße heraufgesetzt ist. V S the cut-off frequency is increased to a large extent. VS

Bei Transistoren war es zwar zum Zweck der Er- worin k eine Proportionalitätskonstante ist. Infolgeniedrigung des Kollektor-Reihenwiderstandes bereits dessen ist
bekannt, auf eine niederohmige Basisschicht eine hoch- 35 kV~öd In the case of transistors, it was indeed for the purpose of determining where k is a constant of proportionality. As a result, the collector series resistance is already lowered
known, on a low-resistance base layer a high- 35 kV ~ öd

ohmige, dünne epitaktische Schicht aufzubringen. Eine R_s· C = —*-y (4)to apply ohmic, thin epitaxial layer. An R _s C = - * -y (4)

Übertragung dieser bekannten Lehre auf Dioden derTransfer of this known teaching to diodes of the

vorliegenden Bauart vermag jedoch die mit der Er- Infolgedessen müssen die Werte von d und ρ klein ge-The present design can, however, with the success- As a result, the values of d and ρ must be small

findung angestrebte Wirkung nicht zu erreichen, da macht werden, um einen hohen Wert von Q zu erhalten, letztere insbesondere von dem erwähnten Abstand 40 Wenn jedoch eine Diode dieser Art in einem parazwischen der Legierungsfront der einlegierten Schweiß- metrischen Mikrowellenverstärker verwendet werden zone und der Grenzschicht zwischen den beiden Be- soll, wo die Veränderung der Sperrschichtkapazität C reichen verschiedenen spezifischen Widerstandes ab- der Diode infolge der zugeführten Spannung ausgehängt, nutzt wird, muß die Änderung der Sperrschicht-not to reach the invention the desired effect as will make a high value to obtain from Q, the latter in particular by the above-mentioned distance 40 However, if a diode of this kind in a para between the alloy front of the alloyed welding metric microwave amplifiers are used zone and the boundary layer between the two requirements, where the change in the junction capacitance C ranges from different resistivities from the diode is unhooked as a result of the applied voltage, the change in the junction must

Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf 45 kapazität groß sein. Infolgedessen ist es erforderlich, die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt die Amplitude der zugeführten Spannung möglichst A b b. 1 ein Ersatzschaltbild einer Halbleiterdiode, groß zu machen. Weiterhin besteht bei einer Flächen-The invention will now be large with reference to FIG. As a result, it is necessary the drawing explains. In the drawing shows the amplitude of the applied voltage as possible A b b. 1 is an equivalent circuit diagram of a semiconductor diode to make large. Furthermore, there is an area

A b b. 2 und 3 Längsschnitte durch verschiedene diode eine Durchbruchspannung, welche grund-Halbleiterdioden und sätzlich durch den spezifischen Widerstand ρ des Be-A b b. 2 and 3 longitudinal sections through different diodes with a breakdown voltage, which basic semiconductor diodes and additionally by the specific resistance ρ of the loading

A b b. 4 eine grafische Darstellung der statischen 50 reiches mit niedriger Störstellenkonzentration beKennlinien einer üblichen Halbleiterdiode und einer stimmt ist. Bei einer höheren Spannung fließt ein Halbleiterdiode gemäß der Erfindung. hoher Strom durch die genannte Diode, was derA b b. 4 shows a graphical representation of the static characteristic curves with a low concentration of impurities a common semiconductor diode and one is correct. At a higher voltage flows in Semiconductor diode according to the invention. high current through said diode what the

Bisher sind als Hochfrequenz- und Mikrowellen- Parallelschaltung eines geringen Widerstandes zur dioden Flächendioden mit sehr kleinen Flächen, Sperrschichtkapazität in dem Ersatzschaltbild der welche durch das Störstellen-Diffusionsverfahren oder 55 A b b. 1 äquivalent ist. Die Güte Q wird stark ernieddas Legierungsverfahren hergestellt sind, sowie ge- rigt. Daher ist die Amplitude der von außen zugeschweißte Silberdioden bekanntgeworden. Jedoch ist führten Spannung unvermeidlich auf einen Wert unterder Gütewert Q dieser Dioden in dem 6-GHz-Band auf halb der Durchbruchspannung begrenzt. Infolgedessen ungefähr 10 begrenzt, und die Grenzfrequenz dieser besteht in einer Diode, in welcher die Sperrschicht auf Dioden liegt nicht genügend hoch. 60 einer gleichförmigen Halbleiterschicht gebildet ist,So far, as high-frequency and microwave parallel connection of a low resistance to the diode flat diodes with very small areas, junction capacitance in the equivalent circuit diagram of which by the impurity diffusion process or 55 A b b. 1 is equivalent. The quality Q is greatly reduced, the alloy process is produced and also reduced. Therefore, the amplitude of the silver diodes welded shut from the outside has become known. However, the led voltage is inevitably limited to below the figure of merit Q of these diodes in the 6 GHz band, at half the breakdown voltage. As a result, it is limited to about 10, and the cutoff frequency of this consists in a diode in which the barrier layer on diodes is not sufficiently high. 60 is formed of a uniform semiconductor layer,

Im Hochfrequenz- und Mikrowellen-Frequenzbe- eine untere Grenze des Wertes des spezifischen Widerreich kann die Ersatzschaltung einer Diode dieser Art Standes der Basis, und es ist nicht möglich, ρ in Überdurch A b b. 1 dargestellt werden, wenn die Diode ohne einstimmung mit der Gleichung (4) auf einen beliebigen Berücksichtigung von Streufeldern betrachtet wird. Wert zu erniedrigen.In the high-frequency and microwave frequency range, the equivalent circuit of a diode of this type can stand the base, and it is not possible to put ρ in over-through A b b. 1 can be represented if the diode is set to any one without agreeing with equation (4) Consideration of stray fields is considered. Degrade value.

Nach A b b. 1 besteht die Ersatzschaltung aus einem 6g Aus dem obenerwähnten Grunde ist bereits vorge-Reihenwiderstand 1 mit dem Widerstandswert R₈ der schlagen worden, den Wert des spezifischen WiderDiode, einer Sperrkapazität 2 mit dem Kapazitäts- Standes einer Halbleiterbasisplatte durch eine Behandwert C der Diode und den Endelektroden 3 und 4. Der lung zu ändern, wie z. B. eine Diffusion. Das Halb-According to A b b. 1, the equivalent circuit consists of a 6g For the above-mentioned reason, the series resistor 1 with the resistance value R _{8 has} already been hit, the value of the specific resistance diode, a blocking capacitance 2 with the capacitance level of a semiconductor base plate by a treatment value C of the diode and the End electrodes 3 and 4. The development to change such. B. a diffusion. The semi

leiterelement in A b b. 2 besteht aus einer Grundschicht 5 des Halbleiterkörpers mit N-Leitfähigkeit und geringem spezifischem Widerstand, einer Schicht 6 mit hohem spezifischem Widerstand, welche z. B. durch Diffusion einer P-Verunreinigung oder Verdampfung einer anfänglich vorhandenen Verunreinigung erzeugt wird, einem rekristallisierten P-Bereich 7, dessen Sperrschicht innerhalb der genannten Schicht 6 mit hohem spezifischem Widerstand liegt, und einer Elektrode 8. Bei einer solchen Konstruktion nimmt die Sperrschichtkapazität C nach Gleichung (3) einen geringen Wert an, und es wird zur gleichen Zeit die Durchbruchspannung erhöht. Da weiterhin der Reihenwiderstand R_s im wesentlichen vom Basishalbleiter abhängt, kann durch Erniedrigung des spezifischen Widerstandes der Grundschicht 5 der Gütewert größer gemacht werden als in dem Fall, in welchem die gesamte Halbleiterbasisplatte den gleichen spezifischen Widerstand wie der Bereich 6 aufweist.ladder element in A b b. 2 consists of a base layer 5 of the semiconductor body with N conductivity and low specific resistance, a layer 6 with high specific resistance, which z. B. generated by diffusion of a P-impurity or evaporation of an initially existing impurity, a recrystallized P-region 7, the barrier layer is within said layer 6 with high resistivity, and an electrode 8. With such a construction, the barrier layer capacitance C increases becomes a small value according to equation (3), and the breakdown voltage is increased at the same time. Furthermore, since the series resistance R _s depends essentially on the base semiconductor, the quality value can be made higher than in the case in which the entire semiconductor base plate has the same specific resistance as the region 6 by lowering the specific resistance of the base layer 5.

Jedoch bleibt, außer wenn die Lage der Sperrschicht genau kontrolliert wird, der Zustand der Störstellenverteilung in dem Teil der Schicht 6 mit hohem Widerstand, welcher sich direkt unter dem rekristallisierten P-Bereich 7 befindet, nicht konstant, und es ist nicht möglich, Dioden mit gleichförmigen Kennlinien herzustellen. Weiterhin wird bei Verkleinerung der Sperrschicht der Bereich, in welchem der durch die Gleichung (2) gezeigte Reihenwiderstand R_s wirksam ist, klein. Infolgedessen gehen, wenn der Abstand zwischen der Sperrschicht und den Bereichen 5 und 6 größer als der Durchmesser der Sperrschicht ist, nahezu alle Vorteile dieser Konstruktion verloren. Dieser Nachteil hat bisher äußerste Unannehmlichkeiten bewirkt, insbesondere bei Dioden, wie z. B. »Bond-Dioden«, bei welchen der Sperrschichtdurchmesser in der Größen-Ordnung einiger Mikron ist.However, unless the location of the barrier layer is carefully controlled, the state of impurity distribution in the part of the high resistance layer 6 which is directly under the recrystallized P-region 7 does not remain constant and it is not possible to use diodes to produce uniform characteristics. Furthermore, when the barrier layer is made smaller, the area in which the series resistance R _s shown by equation (2) is effective becomes small. As a result, if the distance between the barrier layer and regions 5 and 6 is greater than the diameter of the barrier layer, almost all of the advantages of this design are lost. This disadvantage has so far caused extreme inconvenience, especially with diodes, such as. B. "Bond diodes" in which the junction diameter is in the order of a few microns.

Die in A b b. 3 dargestellte Diode nach der Erfindung hat eine Germanium-Basisplatte 5 mit N-Leitfähigkeit mit sehr geringem spezifischem Widerstand in der Größenordnung von 0,033 Ωαη. Auf dieser Basisplatte 5 ist eine dünne monokristalline N-Schicht9 aus einer Dampfphase epitaktisch aufgewachsen, durch Behandlung in einem Hochtemperaturreduktionsofen, durch welchen ein Germanium-Tretrachlorid zusammen mit Wasserstoff geführt worden ist. Diese einkristalline dünne N-Schicht9 hat einen spezifischen Widerstand von 0,1 Ωαη und eine Dicke von ungefähr 7 μ. Eine Goldelektrode 11, welche 4 Gewichtsprozent Gallium enthält und eine scharfe Spitze aufweist, die auf einen Spitzendurchmesser in der Größenordnung von ein paar Mikron zugespitzt ist, wird mit der oberen Fläche der monokristallinen N-Schicht 9 in Kontakt gebracht. Es wird ein Stromimpuls von etwa 1,5 A und einer Dauer von etwa 5 μςεο zwischen der genannten Elektrode 11 und der Schicht 9 eingeleitet, wodurch ein P-leitender Rekristallisationsbereich 10 in dem oberen Teil der genannten Schicht 9 gebildet wird. Die Tiefe dieser P-leitenden Schicht 10 beträgt etwa 5 μ und reicht nicht durch die monokristalline N-Schicht 9 hindurch.The in A b b. The diode according to the invention shown in FIG. 3 has a germanium base plate 5 with N conductivity with a very low specific resistance of the order of magnitude of 0.033 Ωαη. On this base plate 5, a thin monocrystalline N-layer 9 is grown epitaxially from a vapor phase by treatment in a high-temperature reduction furnace through which a germanium tetrachloride has been passed together with hydrogen. This monocrystalline thin N-layer9 has a specific resistance of 0.1 Ωαη and a thickness of about 7 μ. A gold electrode 11 containing 4 weight percent gallium and having a sharp point pointed to a point diameter on the order of a few microns is brought into contact with the upper surface of the N monocrystalline layer 9. A current pulse of approximately 1.5 A and a duration of approximately 5 μςεο is introduced between said electrode 11 and layer 9, as a result of which a P-conducting recrystallization region 10 is formed in the upper part of said layer 9. The depth of this P-conductive layer 10 is approximately 5 μ and does not extend through the monocrystalline N-layer 9.

Da das epitaktische Kristallwachstum aus der Dampfphase sehr genau gesteuert werden kann und ebenso die Tiefe des P-leitenden Bereichs 10, ist die Gleichförmigkeit dieser Dioden außerordentlich gut. Auch die elektrischen Eigenschaften sind sehr gut, wobei der Wert der Sperrschichtkapazität C klein ist, da die einkristalline N-Schicht zwar dünn ist, aber einen hohen spezifischen Widerstand hat. Es ist damit möglich, den Wert des Reihenwiderstandes R_s auf ein Minimum zu bringen, da der Abstand zwischen der Halbleiterschicht 5 und der Rekristallisationszone etwa 1 bis 2 μ oder kleiner ist. Eine Halbleiterdiode, die in der oben beschriebenen Weise hergestellt worden ist, besitzt bei 6 GHz einen hohen Gütewert in der Größenordnung von 15.Since the epitaxial crystal growth from the vapor phase can be controlled very precisely and also the depth of the P-type region 10, the uniformity of these diodes is extremely good. The electrical properties are also very good, the value of the barrier layer capacitance C being small, since the monocrystalline N-layer is thin but has a high specific resistance. It is thus possible to bring the value of the series resistance R _s to a minimum, since the distance between the semiconductor layer 5 and the recrystallization zone is approximately 1 to 2 μ or smaller. A semiconductor diode which has been manufactured in the manner described above has a high quality value of the order of 15 at 6 GHz.

Bei der oben beschriebenen Halbleiterdiode nach der Erfindung kann die Widerstandsverteilung gleichförmiger gemacht werden als bei den üblichen Diffusionsverfahren zur Bildung der monokristallinen N-schicht, und die Lageverschiebung während der Bildung der P-Rekristallisationsschicht wird kein Problem.In the above-described semiconductor diode according to the invention, the resistance distribution can be made more uniform are made than with the usual diffusion processes for the formation of the monocrystalline N-layer, and the positional shift during the formation of the P recrystallization layer becomes none Problem.

A b b. 4 zeigt statische Kennlinien von Halbleiterdioden, wobei die Kurve (α) zu einer Halbleiterdiode gemäß der vorliegenden Erfindung und die Kurve (b) zu einer Halbleiterdiode gehört, welche ohne Bildung einer einkristallinen N-Schicht eine N-Germanium-Basis mit einem spezifischen Widerstand von 0,07 Qcm als Grundschicht verwendet und wobei ein P-Umwandlungsbereich durch direkte Verschweißung bewirkt ist. Wie aus den beiden Kurven leicht ersichtlich, zeigt die Kurve (b) einen höheren Wert des Reihenwiderstandes R₈. A b b. 4 shows static characteristics of semiconductor diodes, curve (α) belonging to a semiconductor diode according to the present invention and curve (b) belonging to a semiconductor diode which, without forming a monocrystalline N-layer, has an N-germanium base with a specific resistance of 0.07 Ωcm is used as the base layer and a P-conversion area is effected by direct welding. As can be easily seen from the two curves, curve (b) shows a higher value of the series resistance R ₈ .

Während in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Gold-Gallium-Legierungselektrode und eine Germanium-Basisplatte verwendet sind, ist die Erfindung auf die Verwendung solcher Teile nicht beschränkt. Für die Elektrode können andere Metalle, wie z. B. eine Silber-Gallium-Legierung und Aluminium ebenso verwendet werden, und wenn die Kristall-Basisplatte P-Leitfähigkeit hat, können Metalle, wie eine Gold-Antimon-Legierung und Silber-Antimon-Legierung in gleicher Weise verwendet werden. Außerdem kann für die Basisplatte z. B. Silizium verwendet werden.While in the embodiment described above, a gold-gallium alloy electrode and a germanium base plate are used, the invention is not limited to the use of such parts. Other metals, such as e.g. B. a silver-gallium alloy and aluminum can also be used, and if the crystal base plate has P conductivity, metals such as a gold-antimony alloy and silver-antimony alloy can be used in the same way. aside from that can for the base plate z. B. silicon can be used.

Claims

Claim:

Semiconductor diode with a semiconductor body, a wire electrode and a wire electrode surrounding welding zone with a conductivity type opposite to that of the semiconductor body, characterized in that the Semiconductor body comprising a base layer (5) with a low specific resistance and a a few microns thick, epitaxially grown layer (9) from the vapor phase with a high Resistivity is that the diameter and the depth of the welding zone (10) some Microns and that between the alloy front of the weld zone on the one hand and the interface On the other hand, a distance of at most 5 μ remains between the high-resistance and low-resistance areas (5, 9) of the semiconductor body.

1 sheet of drawings