DE1614574A1 - Halbleiterbauelement,insbesondere Halbleiterbauelement mit pn-UEbergang - Google Patents

Halbleiterbauelement,insbesondere Halbleiterbauelement mit pn-UEbergang

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DE1614574A1
DE1614574A1 DE19671614574 DE1614574A DE1614574A1 DE 1614574 A1 DE1614574 A1 DE 1614574A1 DE 19671614574 DE19671614574 DE 19671614574 DE 1614574 A DE1614574 A DE 1614574A DE 1614574 A1 DE1614574 A1 DE 1614574A1
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Description

SIEMENS AKTIEli&ESELIiSCMffT München 2, I5.::r. V
Berlifl und München · ID IHQ /4 Wittelsbacherplatz
PA 67/2695
Halbleiterbauelement, insbesondere Halbleiterbauelement mit
pn-übergang.
Die Erfindung geht von dem in der Literaturstelle "Solide
State Electronics" 1961, Band 3, Seiten 261-267, bzw. in
^ der deutschen Auslegeaehrift 1 232 270 offenbarten Stand
*" der Technik aus. Durch diese Vorveröffentliehungen ist be-
4^ kannt, daß die Beweglichkeit der Stromträger in Germanium,
Jilicium und anderen Halbleitern durch elastische Spannungs-
. BAD OHIGSNAL
_ ρ Neue Unterlagen (Art. 7 § l Abs. 2 Nr. l Sau 3 des Änderungegee.y. 4.9.1967)
ki-äfte um etwa 50 ^ und mehr verändert werden kann» Die Ver- ■ änderungen der Beweglichkeit können positiv oder negativ sein V und können im Kristall in ausgewählten Richtungen erzeugt werden. Hierdurch lawson sich also Temperaturverändera ngen, gewisse elektrische Eigenschaften von Halbleitervorrichtungen mit pn-Übergangen, z. B. Transistoren, Varactordioden, Tunneldioden, Solarelementen und von thermoelektrischen Vorrichtungen, verbessern oder kompensieren. Einzelheiten sind sius den genannten Litoraturstellen ersichtlich.
Zur Erzeugung der mechanischen Verspannung wird man die Halbleitervorrichtung in irgendein die mechanische Spannung verursachendes Gerät einbauen- Diese Methode ist jedoch mit ge- ■ wissen Nachteilen verbunden, weil sie nicht in der Lage ist, in wirklich einfacher "/eise, reproduzierbare Kräfte und Verhältniese zu erzeugen' Ss ist .Aufgab·-; der Erfindung, hier eine Verbesserung -zu bewirken.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement, insbesondere Halbleiterbauelement mit pn-übergang, dessen charakteristische elektrische Eigenschaft durch eine mechanisch« Verspannung seines Halbleiterkörpers verbessert ist, bei dem erfindungsgemäß der durch Epitaxie auf einem Fremdsubstrat bei erhöhter Temperatur hergestellte -ninkristalline Kalbleiterkörper des Halbleiterbauelements derart auf diesem Substrat angeordnet ist, daß bei Betriebstemperatur seine charakte*1!- ωtische-Eigenschaft infolge der im Vergleich zum Halbleiter
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unterschiedlichen thermischen Kontraktion des Substrats und die hierdurch entstandene-. Vorspannung dea HalbXexterkb'rpers eine Verbesserung im Vergleich zu einem sonst gleichen, je-•doch auf einem aue dem gleichen einkristallinen '-HaIl)I ei tormaterial fees teilenden . Substrat nie dergesehlagenen Halbeiterbauelement -erfahrt .
Beim epitaktischen Niederschlagen von Halbleitermaterial, insbesondere aus der Gasphase, werden bekanntlich hohe DJemperaturen angewandt, um ein einkrictallines iinv/aohseii des ubgeschieüeiien Ilalbleit'-rwaterialn auf der Unterlage z.ü ermöglichen .. Unter Epitaxie ist dabei stete die einki-istalline ßidUng von lialbleateriaat^rial -su verotehen;
.Währen d ab^r bpi Verwnnduiig von au η dem gleichen Material bestehenden Subetratkörpr-r-n apitaktische Schicht und Subel'ratjcörper aich in gleiclier V/ci.»·? beim. Abkühlen auf Kor-Bialtemperatur suttanir.eiicichen,- gilt dies nicht bei Ύηι^ηβη-duiig eines tvtoffl'i*nd<?n. Sub-oträte. Die Folge-ist dac Auftreten mpcli'inischer "Spannungen :70V/0hliR Substrat txZ-n auch :ndci- epitakt-iccheh Halbleiter;-schic}it, Dabei -,worden die iren liiiuptijiiclilich'-. ir. :c;r epitaktlschen HnIbIeI- --.uftrcfoii} \:oxin d..-- Dicke d<u: Sutirt-r at körpers ^r:'.;rr als &ί-ί\ΐ£ή1>Λ- -ior ppitakticchen Schicht -Jt5 £"pa;iaimgön wer α·? ή ii> u.e-r H??gol bei ^eäer 3enp-rattir, di-3 für- di·:- l^tr-fi'^i'äen.'Hai el ^i te ran-
00984 4/0 4,1 6 . ,
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daß die Betriebstemperaturen von Halbleitervorrichtungen im Vergleich zu der Herstellungstemperatur der epitak'tischen Schicht sehr niedrig sind und große Schwankungen der Betriebstemperatur im allgemeinen vermieden v/erden, führt bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre zu praktisch konstanten Vorspannungen und damit auch zu praktisch kon- . · stanten Eigenschaften einer der erfindungsgemäßen Lehre entsprechenden Anordnung.
Es kommt nun bei der Erfindung darauf an, epitaktische Schicht und Substrat so aufeinander abzustimmen, daß durch die durch Einwirkung des Substrats auf die epitaktische Schicht bedingte Verspannung eine merkliche Verbesserung der charakteristischen "Eigenschaft eines bestimmten Halbleiterbauelements erzielt wird. "Charakteristische Eigenschaft" bedeutet die Eigenschaft, die beim Betrieb des betreffenden Halbleiterbauelements bevorzugt ausgenutzt wird. Beispielsweise ist dies bei einer Diode die Richtcharakteristik, bei einem {Transistor dessen Verstärkungseigenschaften, bei einem Fotoelement die Fotospannung usw.. Speziell sei noch genannt die Erniedrigung des Schwellenctroras von Galliuraarsenid-Laserdioden, die Charakteristik von Lumineszenzdiode?!, die Einsatzfeldstärke des G-unn-Effektc bei Gunn-Dioden, während für eine Reihe weiterer Halbleiterbauelemente, z.B. für Transistoren und Dioden, die Trägerlebensdauer und auch die Beweglichkeit von Ladungsträgern in einer gewünschten Strornriehtung von Bedeutung ist.
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PJt 9/501/390 - 5- - · :
- ■-. ·"-'",.- ■ .. ■, . durch.-. --■".. "-.■/. \ "". ' Sq soll ζ» B. "bei einer Laser-Diode/die durch die"mechanische Einwirkung verursachte Bandverzerrung eine Ausstrahlung.in der. Ebene der epitaktischen- Schicht, "bei einer lumineszenzdiode hingegen eine Ausstrahlung senkrecht hierzu bevorzugt werden« Dementsprechend ist bei einer Galiiumars.enid'-Lumineszenzdiodemit pn-übergang in den (111)-Ebenen ein kleinerer Ausdehnungskoeffizient des Substrats erwünscht als ihn das HaITaI eit er mater ial auf we ist. Andererseits empfiehlt es sich, bei der Herstellung einer Gunn-Diode aus G-alliuraarsenid die bevorzugt in der Richtung des Stroms liegenden (100)-Minima im k-Raum abzusenken, so daß sich der gewünschte Spannungszustand direkt aus derGeometrie der Diode ergibt.
Im Folgenden sollen einige bevorzugte -Ausführungsbeispiele der Erfindung gegeben \rerden. \
1. &§lliumarsenid-_oder_Indiumarsenid-
. Eine solche Anordnung ist in 3?ig> 1 dargestellt. Das Substrat 1 besteht aus einkristallinem Silicium mit einer präparierten (111)-Pläehe 2, auf die eine im Vergleich zur Dicke des Substratkörpers 1 dünne Schicht 3 aus einkristallinem Galliumarsenid oder Indiumarsehid aufgebracht 1st. Die p 1i)-Plächen dieser einlcristallinen Schicht 3 liegen parallel zur Substratöberfläche 2. Ebenfalls parallel zur Subntratoberflache 2 und damit zu den (111j-Ebenen ist der die
BADORiGIMAL
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Laserdiode kennzeichnende pn-übergang 4 vorgesehen. Die Leitfähigkeit des Substrats 1 und der durch den pn-übergang 4 getrennten Schichten der laserdiode ist jeweils so aufeinander abgestimmt, daß das Substrat zur Kontaktierung der angrenzenden Halbleiterzonen dient. Beispielsweise besteht das Substrat .1 aus η-leitendem Silicium, die angrenzende Zone aus ebenfalls η-leitendem Galliumarsenid, während die Oberseite der epitaktischen' Schicht P-Leitfähigkeit aufweist. Zur Kontaktierung des Substrats ist eine Elektrode 5, zur Kontaktierung der obersten Schicht eine Elektrode 6 sperrfrei aufgebracht. Die Dotierung für Laserdioden ist an sich bekannt. Beispielsweise kann die p-leitende Zone eine Konzentration von
1Q PO ^
Akzeptoratomen 2·10 -2«1Q /cm , beispielsweise Zinkoder Cadraiumatbmen, die η-leitende Zone eine Donatordotierung von TO -TO Atomen/cm , beispielsweise aus Schwefel, Selen oder Tellur, aufweisen. Zur Erzeugung der epitaktischen Schicht wird zweckmäßig eine Temperatur von 1000 "0C.- etwa HOG 0G angewandt. Bei entsprechend ungestörter Substratoberfläche ist die einkristalline Abscheidung von Galliumarsenid, beispielsweise aus einer Atmosphäre aus Galliumsubchlox-iden, welche im Gemisch mit reinem Wasserstoff oder einem inerten Gas, beispielsweise Argon, nebst den entsprechenden in Gasform angewandten Dotierungsstoffen zur Anwendung gelangt, ohne weiteres möglich. Die e'pitaktische Schicht v/eist insgesamt eine Stärke auf, die höchstens I/IO der Stärke des
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SubstratkÖrper beträgt. Festzusteilen ist, daß dann bei einer solchen Anordnung in der Ebene des pn-Übergangs4 mechanischer Zug und senkrecht hierzu, also senkrecht zur Subs trat ober fläche 2, inechanischer Druclc in der epitaktischen Schicht herrscht■♦ Sorgt man, z« B. durch Anwendung der eben angegebenen Bemessung der Schichtdiekeil, dafür, daß sich merklicher Zug in der epitäktisehen Schicht bei deft üblichen anzuv/endenden Betriebsteinperaturen der Galliumarsenid- oder Indiumarsenid-Dioden einstellt, so läßt sich eine Verbesserung dez^Einsatzfeldstärke im Vergleich zu einer sonst gleichen, jedoch auf einem Substrat aus Galliüinarsenid oder Indiumantiraonid abgeschiedenen Laserdiode um 30 - 40 |f ohne Schwierigkeiten erreichen.
2, Galliumarsenid-1^^
Hierbei kann unmittelbar die in Fig. 1 dargestellte Anordnung verwendet werden. Als einziger Unterschied gegenüber der unter 1. besprochenen liaserdiode ist die Dotierung zu beachten, die bei der lumineszenzdiode.-im^Gegensatz zu der Laser diode nicht über die Entartung, v/eder im p- noch im n-Bereith, der epitaktischen Schicht vorgenommen ist, während bei der Laserdiode in bekannte^· V/eise entartet dotiert Viird, wie dies 3a auch das obenangegebene Zahlen-* beispiel bei der Laserdiode deutlich macht. Ba auch in diesem Beispiel das Substrat der Kontaktierung dient, ist. die Verwendung eines aus entartet dotiertem Silicium bestehenden ■ ■.. - - ■":.-,':.. .' : .-;. ■■' '■" ·■ ■;-■.'■ ":-.. - IAD OB!G!N
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Substrats 1 ohne weiteres statthaft, wenn auch nicht erforderlich.
Für eine Lumineszenzdiode nach Pig. 1 wird zweckmäßig für den η-Bereich eine Dotierung von etwa 10 -10 Atomen/cm , für den p-Bereich eine Dotierung von etwa 10 /1O Atomen/cnr angewendet. Die Dotierungsstoffe können die gleichen wie im Beispiel 1 sein.
Hier kann im Bcispielsfalle ein aus einkristallinem Silicium bestehendes Substrat verwendet werden, auf das der Halbleiterkörper der Gunn-Diode in Form einer Halbleiterschicht aus einkristallinem Galliumarsenid und/oder Indiumphosphid niedergeschlagen ist. Wenn man in der Halbl-eiterschicht eine Feldstäi'ke von mehr als 3*10 V/cm erzeugt, so entstehen Stroniinstabilitäten im Halbleiter, die zur Entstehung von 'Mikrowellen führen (Gunn-Effekt)." Die Feldstärke, bei der der Gunn-Effekt einsetzt, ist drückabhängig.
In Fig. 2 ist eine der Lehre der Erfindung entsprechende Gunn-Diode beispielsweise dargestellt. Das Substrat 11 aus einkristallinem η-leitendem Silicium trägt an seiner in h00)-Richtung orientierten Oberseite 12 eine Halbleiterschicht 13 aus η-leitendem Galliumarsenid oder Indiumphosphid vom gleichen Leitungstyp. Die Dotierung der Halbleiterschicht 13: aus Galliumarsenid oder Indiumphosphid
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.ist in !bekannter Weise von de11 georaetrischeh Abniessungen bzw/, der gewünschten Schwingfreqüenz abhängig. j)ie Schicht ist an"ihrer Oberseite wiederum mit einer Si-Schicht oder' mit einer dünnen Metallelektrode -14» z· B. in Form einer Metallisierung t das Substrat 11 mit einer Elektrode 15, kontaktiert. Die Elektrode 14 ruft entweder keine merkliche mechanische Spannung in der Halbleitersehicht hervor oder man wählt das Metall eier Metallelektrode 14' so, daß es hinsichtlich des Spannungsaustandes auf die darunterliegende Halbleiterschicht 14 im gleichen Sinne wie der Substrat-" körper 11 wirkt. Dies ist automatisch bei einer Si-Elektrode der lall. Als Kontaktierungsmaterial 14 kann beispielsweise Zinn ode2? Indium dienen.
Ein Beispiel für Halbleiteranordnungen-, für die 'eine erhöhte Beweglichkeit der Ladungsträger von Bedeutung ist, - sind Peldeffekttranslotoren oder Schalttransistoren bzw. Schaltdioden. Eine solche AnOrdnung ist in I?ig, 3\"beschrie-
Auf einem einkristallinen-, nach dem Spinelltyp kristallisierten Substrat 21 ißt auf einer (111)-Oberiläehe 22 epitaktiseh eine Schicht 23 aus einkristallinem p-leitendexi Silicium abgeschieden. Me Schicht 23 wird 2. JS,' homogen . dotiert. Die Wachatumsrichtung dieser Schicht erfpigt längs einer C111)-Richtung, so daß die .Schichtoberfläche an der
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Grenze zum Substrat ebenfalls mit einer (111)-Pläche zusammenfällt. Die Abscheide temperatur liegt zweckmäßig zwischen 1000 und 14OO 0O. Die Dotierung der epitaktischen Schicht beträgt beispielsweise 10 Dotierungsatome /cm . In der Schicht 23 sind an ihren Enden als Source bzw. Drain dienende Elektroden 24 und 25 vorgesehen. In bekannter Weise wurde auf die Schicht 23 außerdem eine Oxidschicht 26 aufgebracht, die an ihrer'Oberseite eine gegen den Halbleiter 23 isolierte Steuerelektrode 27 trägt. Die Oxidschicht 26 kann auch durch eine Siliciumnitridsehicht ersetzt sein. In bekannter Weise können Source und Drain mit injektionsfähigen pn-Übergiingen versehen sein. Zu diesem Zweck dienen n-leitende Zonen 28, 29, die mit den Elektroden 24 bzw» 25 sperrfrei kontaktiert sind. Bei dieser Anordnung wird eine Erhöhung der Trägerbeweglichkeit in der Halbleiterschicht 23 in Richtung zwischen■Soutce und Drain erreicht.
Will man stattdessen eine Verringerung erreichen, so macht man die Oberfläche 22 zur (100)-Fläche und die Schicht 23 η-leitend. Die Materialien bleiben unverändert«
Palis bei solchen und ähnlichen Anordnungen aus betriebsmäßigen Gründen die -Anwendung dickerer Halbleiterschichten erwünscht ist," kann es mituiitei' zweckmäßig sein, an der dem ' Substrat gegenüberliegenden Seite das Material des oub'Jtratkörpers erneut abzuscheiden, um eine mechanische Unterstützung der Wirkung des Subotratkörpers zu erhalten.
■■■'■:"■■ '-.■- BAD OFHGiNAL
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Die vom Substrat auf der Halbleiterschieht bewirkte mechanische Verspannung kann man mittels, der Formel
T= AöC. ΔT · E
näherungsv/eise bestimmen. Dabei bedeutet'if die mechanische Vorspannung,Δα den Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizieirfcen, Δ. die Differenz zwischen epitaktischer Aufbrii&ingsteinperatur und Normal-, insbesondere Betriebs- . temperatur·, und E den Elastizitätsmodul der epitaktischen Halbleiterschicht. i)ie Formel ist auf jeden Fall anwendbar* wenn die Dicke der epitaktischen Schicht nicht mehr als l/K) der Substratsehicht beträgt. Für das unter- 1. gegebene Beispiel der Laserdiode findet man
AoL= ^.\o~6/°C (Galliumarsenid auf Silicium),
E= 1-1Ο6 kpond/cm2,
^T =1000 0C (falle die Abscheidungstemperatur etwa 1GGO 0C beträgt).
Damit ergibt sich eine Spannung IT von 3000 kp/cm . Durch diese Spannung wird der Schwellstrom der laBei-diode ,um etwa 40 $ abgesenkt. ,
Die Zahl der Seispiele läßt sich weiter vermehren. Insbesondere kSTin man auch in der epitaktischen Schicht einen Transistor erzeugen. Dabei wird das Substrat zu den beiden
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pn-Übergängen des Transistors zweckmäßig so orientiert, daß die Verspannung eine Beschleunigung der Minoritätsladungsträger in der Biisissone bewirkt. Es kann in diesem Zusammenhang auf Fig. 5 hingewiesen v/erden. Die pn-Übergänge sind dabei senkrecht zu der Richtung des Stromes und damit zur Subiätratflache (das Substrat entspricht den im 4· Beispiel gegebenen Verhältnisnen) angeordnet.
7 Patentansprüche,
5 Figuren.
■ ■ . . BAD'ORIGINAL
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Claims (9)

  1. T6U574
    PA -9/501/390 ■ :■ - 13-. /:
    ■ F a t e η t an s ρ r ü c he
    . Halbleiterbauelement, dessen charakteristische elektrische Eigenschaft durch eine mechanische Verspannung seines Halbleiterkörpers verbessert ist, dadurch gekennzoiehiiet, daß der durch Epitaxie "auf einem ]?reradsubstrat bei erjiohter Temperatui' hergestellte einkristalline Halbleiterkörper des Halbleiterbauelementes derart auf die sein Substrat auge ordnet ist, daß bei Betriebstemperatur seine charakteristische: Eigenschaft infolge der im Vergleich zum Halbleiter unterschiedlichen therirnbohon Kontraktion des Substrats und die. hierdurch entstandene Verspannung des Halbleiterkörpers"eine Verbesse-Tiing im Vergleich zu einem sonst gleichen* jedoch auf einem aus dem gleichen einkristajllnen Halbleitermaterial bestehenden Substrat niedergeschlagenen Halbleiterbauelement erfährt.
  2. 2. laserdiode nach Anspruch 1,dadurchr gekennzeichnet, daß der aus Galliumarsenid und/oder Indiumarsenid bestehende Halbleiterkörper in Form einer epitaktischen Schicht auf einer mit'einer (111)-Pläche zusammenfallenden Oberfläche eines aus einkristallinem /Silicium bestehenden Substrats aufgebracht ist, daß ferner ein parallel zu dieser Substrätoberflache verlaufender ebener pn-übergang in der epitaktischen Schicht derart erzeugt wird, daß die dem Substrat zugewandte Seite der Halbleiterschicht sperrfrei durch das dotierte Substrat kontaktiert und die andere Seite dui"ch eine aperrfreie Elek-
    ' · ' BAD 00 9 84 47 0416 . _ ^ _
    Unterlageri (Art. 7 g T Abs.2 Nr. 1 Satz 3 des Anderungsflßs. v. 4. 9.Ί967)
    PA 9/5OI/39O - H -
    trode kontaktiert ist und daß schließlich die Zonen beiderseits den pn-Übergangs in an sich bekannter Weise derart beschaffen sind, daß die Diode bei Erregung mittels über die Elektroden zugeführten Stroms zur Entsendung von Laserstrahlen befähigt ist.
  3. 3. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Galliumarsenid und/oder Indiumarsenid bestehende Halbleiterkörper in Form einer epitaktischen Schicht auf einer mit einer (111)-Fläche zusammenfallenden Oberfläche eines aus einkristallinem"Silicium bestehenden Substrats aufgebracht ist und daß ein parallel zu dieser Substratoberfläche verlaufender ebener pn-übergang in der epitaktischen Schicht derart erzeugt v/ird, daß die dem Substrat zugewandte Seite der Halbleiterochiclit sperrfrei durch das dotierte Substrat kontaktiert und die andere Seite durch eine sperrfreie Elektrode kontaktiert ist.
  4. 4. Crunn-Diode nach Anspruch 1r dadurch gekennzeichnet, daß die auf einem Substrat aus einkristallinem Silicium aufgewachsene, den Halbleiterkörper der Gunn-Diode darstellende Halbleiterschicht an ihrer dem Substrat gegenüberliegenden Seite mit .einer dünnen Metallelektrode und an der anderen Seite durch das Substrat kontaktiert ist, daß außerdem sowohl Substrat als auch epitaktische Schicht, aus n-le it enden» Material bestehen und schließlich die Grenze zwischen Substrat und epitaktische Schicht mit einei^ (lOO)-Pläche zu-
    'BAD
    009044/0418
    ■ ■ -. . - 15 -
    PA 9/501/590 - 15 - "
    sammonfällt.
  5. 5. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß auf der (111)-0berflache eines nach dem Spinellgitter kriotallisierenden Substrats eine Schicht aus einkristallin,ein, p-loltenden Silicium abgeschieden ist und mit-zwei einen Stromfluß parallel sur Oberfläche des isolierenden Substrats ermöglichenden Elektroden versehen, ist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche1 - 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterochieht auf der Sübstratoberflache bei .mindestens 1000 0G aufgebracht ist. ·
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Änspcüclie· ΐ - 6, dadurch gekennsoichnet, daß eine an der dem Substrat gegenüberliegende Deckschicht der Halbleiteroberfläche so orientiert ist, ■daß"ihre auf Halbleiteranordnung ausgeübte mechanische Kraft die Wirkung des Substrates unterstützt. ·
  8. 0098 M / 044 ;ß5'n-:..;.. ν/ v- ::.bäd original■
  9. Leerseite
DE19671614574 1967-08-04 1967-08-04 Halbleiterbauelement,insbesondere Halbleiterbauelement mit pn-UEbergang Pending DE1614574A1 (de)

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