DE1719501C3 - Verfahren zum Herstellen einer Zone legierten Materials auf der Oberfläche einer einkristallinen, halbleitenden oder metallischen Platte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Zone legierten Materials auf der Oberfläche einer einkristallinen, halbleitenden oder metallischen Platte durch Aufbringen des Legierungszusatzes auf die Oberfläche an einer Stelle, die zwischen zwei mit der Platte in Kontakt stehenden Elektroden liegt, und Leiten eines elektrischen Gleichstromes durch die Platte von einer Elektrode zur anderen, so daß der Zusatz schmilzt und auf der Plattenoberfläche von der positiven zur negativen Elektrode wandert.

Die planare Konstruktion von Halbleitergeräten ist allgemein bekannt, bei der die passive Fläche der Elektrode, die zum Anschluß von Klemmen bestimmt ist, größer als der aktive Bereich ist, der die Funktionen der Steuerung des elektrischen Stroms unmittelbar ausübt. Ein Nachteil der planaren Konstruktion ist die Anwendung einer komplizierten Struktur (eines komplizierten Aufbaues), wofür Schichten aus verschiedenen Werkstoffen ausgenutzt werden (dielektrische und metallische).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zum Legieren eines Einkristalles, welches eine regelmäßige geometrische Form und vorgegebene geometrische Abmessungen des legierten Bereiches gewährleistet.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Halbleitergerät mit Einkristallelektroden solcher Form zu entwikkeln, daß der Flächeninhalt der aktiven Bereiche geringer als der Flächeninhalt der passiven Bereiche ist.

Es wird somit angestrebt, den Einkristall so zu legieren, daß der zu legierende Bereich durch kristallographische Flächen abgegrenzt ist, wodurch es möglich wird, Halbleitergeräte mit Elektroden herzustellen, die die oben genannten Eigenschaften besitzen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs angegebenen Art gelöst, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Platte verwendet wird, deren Oberfläche parallel zu mindestens einer Schnittlinie der Ebenen der dichtesten Packung der Kristallatome liegt und daß die Stromrichtung an der Oberfläche der Platte parallel zur Schnittlinie liegt.

Beim Legieren eines Halbleitereinkristalles mit einem Gitter von Diamanttyp ist die Schmelze über die Oberfläche zu verschieben, die mit kristallographischer Orientierung [UO] ausgeführt ist, indem man den elektrischen Strom derart richtet, daß der Vektor der Stromdichte an der Oberfläche (HO) mit der Richtung [110] zusammenfällt

Man kann, unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Grundlage des Einkristalls mit einem

ίο Gitter vom Diamanttyp Halbleitergeräte mit Elektroden herstellen, die die Form eines geraden Prismenkeils aufweisen, dessen zwei Flächen mit den Ebenen (111) zusammenfallen und mindestens teilweise im Körper des genannten Einkristalls angeordnet sind.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Legieren eines Bereiches des Einkristalles gegenüber den anderen Verfahren (durch Verschmelzen oder Diffusion) bestehen darin, daß der zu legierende Bereich durch die kristallographischen Flächen abgegrenzt ist und die Regelmäßigkeit dessen geometrischer Form (Facettierung), sowie die richtigen Abmessungen durch die kristalline Struktur des Einkristalls selber gewährleistet werden. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die Verteilung der Konzentration des Zusatzes in dem legierten Bereich gleichmäßig ist und an den Grenzen der Legierung sprunghaft sinkt.

Die regelmäßige kristallographische Facetiierung des zu legierenden Bereiches wird beim Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens durch den Mechanis mus der Auflösung des Einkristalls in der Schmelze und dessen anschließende Kristallisation bestimmt. In die an der Oberfläche des Einkristalls befindliche Schmelze gehen dessen Atome bis zur Sättigung der Lösung über. Beim Durchleiten von elektrischem Strom durch den Einkristall durchfließt der Strom teilweise auch die Schmelze, in der es unter der Einwirkung des Stromes zum elektrischen Transport der Einkristallatome in einer Weise kommt, daß an einer Grenze zwischen der Schmelze und dem Einkristall deren Konzentration anwächst und den Gleichgewichtswert überschreitet, an der anderen Grenze jedoch abnimmt und unter den Gleichgewichtswert sinkt. Dadurch kommt es an einer der Grenzen zur Auflösung, an der anderen zur Kristallisation. Die Schmelze wandert nach der Grenze hin, wo es zur Auflösung des Einkristalls kommt. Im Ergebnis hinterläßt die Schmelze auf ihrem Wanderungsweg eine Einkristallbandschicht, die mit Atomen der Schmelze legiert ist. Da erfindungsgemäß der Vektor der Dichte des elektrischen Stromes zu der Schnittlinie der Ebenen der dichtesten Packung parallel gerichtet ist, wobei die Oberfläche des Einkristalls, an der die Schmelze wandert, zu dieser Linie auch parallel orientiert ist, wandert die Schmelze längs der prismatischen Oberfläche, die durch die Ebenen der dichtesten

ss Packung der Atome gebildet ist. Da Auflösung und Kristallisation schichtenweise vor sich gehen, wobei die Schichten parallel zu den Ebenen der dichtesten Packung sind, bilden diese Ebenen die Flächen des legierten Bereiches. Die notwendige Bedingung für die

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Legieren ist elektrische Leitfähigkeit des Einkristalls. Somit eignet sich das Verfahren zum Legieren von Einkristallen aus Halbleitern und aus Metallen. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens

''S zum Legieren von Halbleitereinkristallen mit Diamantgitter macht es möglich, Bandelektroden mit pn-Übergängen in Form gerader Prismen mit geraden Rändern herzustellen. Dabei können die Elektroden mit einem

oder mehreren Zusätzen mit gleichmäßig verteilten Konzentrationen legiert werden. In einer Reihe von Fällen werden die Bandelektroden mit Hilfe von Selektivätzen in einer Weise geätzt, daß die Seitenflächen des Prismas in den Einkristall mir zum Teil 5 versenkt sind

Der Vorteil der Halbleitergeräte mit solchen Elektroden besteht darin, daß in diesen eine geringe Fläche elektrisch aktiver Bereiche, die mit dem Kristall unmittelbar im Kontakt sind, und eine große Fläche ι ο passiver Bereiche erzielt werden, an die elektrischen Klemmen ohne weiteres angeschlossen und im Falle piezoempfindlicher Transistoren oder Dioden mechanische Kraft herangeführt werden kann.

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Beispiels für die Herstellung von Germaniumstruktur mit den p+np-Übergängen für einen Transistor und die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Einkristallplatte und die Richtung der kristallographischen Achsen;

F i g. 2 das Schema der Anordnung der Einkristallplatte mit den stromzuführenden Elektroden und des Erhitzers;

Fig.3 die kristallographische Facettierung der rekristallisierten Bandschicht;

F i g. 4 die Struktur des Aufbaus eines Transistors mit prismatischer Elektrode, die zum Teil im Kristallkörper angeordnet ist.

Die genannte Struktur wird wie folgt hergestellt:

Eine Germaniumplatte vom p-Typ mit einem spezifischen Widerstand von 0,5 Ohm/cm und 100 mm Länge, 2 mm Breite sowie 0,3 mm Dicke wird bei der Herstellung in einer Weise orientiert, daß deren Achse mit der Richtung [110] (F i g. 1) und die breite Fläche mit der kristallographischen Ebene(l 10) zusammenfällt. ^₅

Man verwendet zweckmäßig für die Herstellung orientierter Germaniumplatten ein orientiertes Germaniumeinkristallband, welches durch Ziehen aus der Schmelze durch eine formbildende Ziehdüse hergestellt wird.

Die Oberfläche der Germaniumplatte (F i g. 1) wird in einem Ätzmittel, das HF (42%ig), HNO₃ (65°/oig), CH₃COOH (96%ig) in einem Verhältnis von 5 :8 :15 enthält, bei einer Temperatur von 70°C während 10 s behandelt.

Auf die Stirnfläche der Germaniumplatte 1 (Fig. 2) werden Tantalhalter 2 aufgesetzt, die an der Oberfläche der stromzuführenden Elektroden 3 und 3' frei gleiten können, wodurch ein sicherer Kontakt mit der Germaniumplatte 1 gewährleistet und durch Wärmeausdehnung hervorgerufene mechanische Spannungen beseitigt werden.

Die Elektroden 3 und 3', auf denen die Kontakthalter 2 gleiten, sind in der Arbeitskammer (in der Zeichnung nicht angedeutet) angeordnet, in der das Legieren durchgeführt wird.

Auf die in der Arbeitskammer angeordnete Platte 1 wird in der Nähe der positiv geladenen Elektrode 3 die Perle 4 aus Gallium-Antimon-Legierung mit einer Konzentration an Antimon von 10% aufgebracht.

Die Arbeitskammer wird hermetisch abgedichtet. Darin wird eine Schutzatmosphäre durch das Durchleiten von getrocknetem Wasserstoff geschaffen. Die Platte I wird durch den Erhitzer 5 auf eine Temperatur von 400°C gebracht und durch sie ein elektrischer <,<; Strom geleitet. Die Stromstärke für die genannten Abmessungen der Platte beträgt 2 Ampere. Das Schmelzmetall wandert die Platte entlang von der positiven Elektrode 3 zur negative» Elektrode 3', indem es die rekristallisierte Bandschicht 6 hinterläßt, die durch die Zusätze von Gallium und Antimon legiert ist Das Schmelzmetall wandert über die Plattenoberfläche mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 mm in einer Minute.

Die Rekristallisationsbandschicht 6 (Fig.3) bildet sich in Form eines geraden Prismenkeils, dessen zwei Seitenflächen mit den Ebenen (1! 1) zusammenfallen.

Diese Abbildung zeigt die Facettierung der rekristallisierten Bandschicht

Die Breite der Bandschicht 6 beträgt für die genannten Abmessungen der Perle 4 gegen 30 μπι.

Durch die Veränderung der Zusammensetzung der Schutzatmosphäre (z. B. der Feuchtigkeit von Wasserstoff) wird die Benetzung der Oberfläche der Platte 1 mit der Schmelze und dadurch die Breite der rekristallisierten Schicht 6 feingeregelt.

Nach der Bildung der rekristallisierten Schicht auf der ganzen Länge der Platte 1 wird der Prozeß unterbrochen und die Platte aus der Arbeitskammer herausgebracht.

In F i g. 4 ist eine Transistorstruktur gezeigt, die unter Verwendung der Platte 1 mit der rekristallisierten Schicht 6 erhalten wurde. Diese Struktur hat die Emissionselektrode 7 in Form eines geraden Prismenkeils, dessen zwei Seitenflächen mit den Ebenen der dichtesten Packung des Einkristalls der Platte ί zusammenfallen. Die Fläche des passiven Bereiches der Elektrode ist gröDer als die des elektrisch aktiven. Die Elektrode 7 ragt zum Teil aus der Oberfläche der Platte 1 heraus. Darüber hinaus besitzt die Transistorstruktur die Basiselektrode 8 und den metallischen Überzug 9. Die Transistorstruktur erhält man wie folgt. Die Einkristallplatte mit der rekristallisierten Schicht, die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt wird, unterzieht man einer Behandlung in einem Selektivätzmittel. Beim Ätzen werden Schichten entfernt, die parallel zu den Ebenen der dichtesten Packung der Atome sind, wobei die Ätzgeschwindigkeit einer stark legierten rekristallisierten Schicht um Dutzende Male geringer als die Ätzgeschwindigkeit der Germaniumplatte ist.

Nach der Durchführung des Selektivätzens erhält man die Basiselektrode 8 (Fig.4), die durch die Diffusion des Antimons aus dem Germaniumpulver, das mit Antimon legiert ist, in einem Wasserstoffstrom bei einer Temperatur von 78O⁰C während 2 Minuten entsteht. Gleichzeitig erfolgt die Diffusion des Antimons aus der Elektrode 7 in den Teil der Basisschicht, der an die erwähnte Elektrode unmittelbar angrenzt.

Das Aufbringen des metallischen Überzugs 9 erfolgt durch Aufstäuben unter Vakuum, wobei die räumliche Trennung der metallischen Basis- und Emitterschicht durch die Emissionselektrode 7 selber herbeigeführt wird, die als Maske dient.

Die Teilung einer solchen Bandstruktur von etwa 100 mm Länge in kürzere Strukturen wird bestimmt durch die erforderliche Streuleistung des Halbleitergerätes.

Dank der Metallisierung der Basisschicht besitzt die beschriebene Struktur des Transistors einen sehr geringen ohmschen Widerstand der Basis. Für den Parameter Γ6 · Q eine Größe unter 10-'² s erreicht.

Die beschriebene Struktur mit der hervortretenden Emissionselektrode wird auch in Konstruktionen piezoempfindlicher Transistoren verwendet, da sie als Druckkonzentrator dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer Zone legierten Materials auf der Oberfläche einer einkristallinen, halbleitenden oder metallischen Platte durch Aufbringen des Legierungszusatzes auf die Oberfläche an einer Stelle, die zwischen zwei mit der Platte in Kontakt stehenden Elektroden liegt, und Leiten eines elektrischen Gleichstromes durch die Platte von einer Elektrode zur anderen, so daß der Zusatz schmilzt und auf der Plattenoberfläche von der positiven zur negativen Elektrode wandert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platte verwendet wird, deren Oberfläche parallel zu mindestens einer Schnittlinie der Ebenen der dichtesten Packung der Kristallatome liegt und daß die Stromriclitung an der Oberfläche der Piatte parallel zur Schnittlinie liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Halbleitereinkristall mit Diamantgitter der elektrische Strom derart durchgeleitet wird, daß der Vektor der Stromdichte an der Oberfläche mit der Richtung [110] zusammenfällt.