DE1794113B2 - Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdatomen in Siliciumcarbid - Google Patents

Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdatomen in Siliciumcarbid

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DE1794113B2 DE1794113A DE1794113A DE1794113B2 DE 1794113 B2 DE1794113 B2 DE 1794113B2 DE 1794113 A DE1794113 A DE 1794113A DE 1794113 A DE1794113 A DE 1794113A DE 1794113 B2 DE1794113 B2 DE 1794113B2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdatomen in Siliciumcarbid durch Ionenimplantation und anschließendes Glühen.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Eindiffundieren von ionisierten Fremdatomen in \- oder ^-Siliciumcarbid und anschließendes Glühen des so behandelten Siliciumcarbids bei einer bestimmten Temperatur für die Herstellung einer Leuchtdiode.
Es sind zwei Verfahren zum Einditiundieren von ionisierten Fremdatomen in Siliciumcarbid bekannt, nämlich das Eindiffundieren bei hoher Temperatur und ein Legierungsverfahren. Bei dem Diffusionsverfahren bei hoher Temperatur wird die Oberfläche von Siliciumcarbid beispielsweise mit Aluminium, Borsilicat usw. als Fremdatom überzogen oder dieses aufgedampft und dann eine thermische Diffusion bei wenigstens 1700 C ausgeführt. Das thermische Eindiffundieren von Ionen des Fremdatoms in das Siliciumcarbid kann auch in einer Gasatmosphäre der als Frerr.datom verwendeten Substanz bei wenigstens 1701) C erfolgen.
Im erstgenannten Fall muß die thermische Diffusion in einer geeigneten Gasatmosphäre ausgeführt werden, um einer thermischen Zersetzung und Sublimation des Siliciumcarbids zu vermeiden.
Bei dem Legierungsverfahren wird Silicium oder ein ähnlicher Stoff, welcher Fremdatome enthält, die eine n- oder p-Struktur zu erzeugen vermögen, bei wenigstens 1700c C auf der Oberfläche von Siliciumcarbid mit p- oder η-Struktur aufgeschmolzen; in das hierbei verwendete Material wurde bereits ein Fremdatom eindiffundiert und das so vorbehandelte Material wird dann mit dem Siliciumcarbid legiert.
In jedem Fall ist die Einstellung der hohen Temperatur und einer geeigneten Atmosphäre so schwierig, daß man kaum reproduzierbare Ergebnisse erzielen kann. Dies ist ein erheblicher Nachteil der bekannten Verfahren.
Die Erfindung schafft ein Diffusionsverfahren, bei dem dieser Nachteil nicht auftritt.
In der Literaturstelle F. A. Leith, W. J. King, P. McN a lly, »Et al High Energy Ion Implantation of Materials«, S. 41, »Diodes«, sind die Bedingungen und Ergebnisse beim Dotieren von p+-Ionen in das SiC-Gitter beschrieben. Die besten Ergebnisse erhält man gemäß Fig. 15 auf S. 44 dieser Litcraturstclle. Der Vorwärtsstromwert beträgt etwa 40 Mikroampere bei 8 V. Dies bedeutet, daß der innere Widerstand der p-n-Bindung sehr hoch ist und daß sich keine gute Bindung bildet. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Vorwärtsströme von 35 Milliampere (Glühen bei 1200 ' C) und 95 Milliampere (Glühen bei 1300° C) bei 8 V erhalten. Diese Ströme sind also um mehr als 103 mal höher als bei dem Verfahren gemäß dieser Liteirawrstcllc. Hieraus ergibt sich, daß gemäß der obengenannten Literaturstelle keine guten p-n-Bindungen erzielt werden konnten. Dies ist auf Mangel des Verfahrens bei der Wärme- und Oberflächenbehandlung zurückzuführen. Die Erfindung ist nicht durch das Prinzip gekennzeichnet, das Verunreinigungen in SiC durch das Ioneneinpfianzverfahren dotiert werden, sondern durch die spezifischen Glühbedingungen, welche erfindungsgemäß erstmals angewandt wurden, um hervorragende Diodeneigenschaften zu erzielen. Es ist
ίο möglich, daß die Ähnlichkeit von Diamant und SiC hinsichtlich der Kristallstruktur zur Anwendung des herkömmlichen Ioneneinpflanzverfahrens bei der Herstellung einer SiC-Diode führen kann. Gegenstand der Erfindung ist jedoch nicht die Anwendung des herkömmlichen loneneinpflanzverfahrens, sondern die genau definierten Glühbedingungen, durch welche eine Diode mit hervorragenden elektrischen und Lumineszenzeigenschaften erhalten wird.
Die Erfindung schafft eine reproduzierbare Trennschicht, z. B. eine p-n-Trennschicht usw., wobei ionisierte Fremdatunie in Siliciumcarbid eingebracht und dieses dann innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs geglüht wird.
Die Erfindung schafft ferner ein Leuchtelement, dessen gute Eigenschaften auf der so erhaltenen p-n-Trennschicht beruhen.
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß bei 1200 bis 1600^ C geglüht wird.
Die Erfindung wird nun an Hand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen bedeuten
F i g. 1 ein Strom-Spannungsdiagramm mit einer p-n-Trcr.r.rchicht, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Eindiffundieren von ionisierten Fremdatomen in Siliciumcarbid erhalten wurde. F i g. 2 ein Leuchtintensitätsdiagramm einer Leuchtdiode, welche auf Grund der erfindungsgemäß erhaltenen p-n-Trennschicht erhalten wurde,
F i g. 3 ein Diagramm, aus welchem sich die Beziehung zwischen der Leuchtintensität der erfindungsgemäßerhältlichen Leuchtdiode und dem Durchlaßstrom ergibt.
Das erfindungsgemäße Diffusionsverfahren wird im folgenden im einzelnen erläutert:
Bei einem n-Siliciumcarbid, das beispielsweise Stickstoff als Fremdatom enthält, wird ein p-Fremdatom, wie Bor, Aluminium, Gallium, Indium usw. in einem Ionenstrahl auf wenigstens 10 KeV beschleunigt und dieser Strahl auf das n-Siliciumcarbid bei bestimmter Stromdichte und Bestrahlungszeit und einem bestimmten Wert der Verteilung der inneren Fremdatomkonzentration gerichtet. Bei einem p-Siliciumcarbid wird ein n-Fremdatom, wie Phosphor Arsen, Antimon, Stickstoff usw., beschleunigt und dei Strahl in gleicher Weise wie oben auf das p-Siliciumcarbid gerichtet. Beispielsweise erhält man eine p-n-Trennschicht durch Beschleunigen von Antimon ionen auf 40 KeV und 5 Minuten dauerndes Bc strahlen eines p-Siliciumcarbids mit diesen bcschleu nigten Antimonionen bei einer Stromdichte vor 1 uA/cm'-. Die elektrischen Eigenschaften der so er haltencn p-n-Trennschicht können durch cinstündi ges Glühen der so bestrahlten Probe bei 800° C ii einer Inertgasatmosphäre weiter verbessert werden.
Durch selektives Bestrahlen der Oberfläche eine Siliciumcarbidprobc mit einem Ionenstrahl unter Vcr wendung einer Metallmaske können die p-n-Trenn
dichten lokal ohne Photoätzen der Oberfläche ers<T\i „orHpn wodurch man einen sehr kleinen inteaelt StroiXeis herstellen kann. In diesem Fall Se Slmaske ^t einer Stärke von wenigstens te emem Ionenstrahl von etwa 60 KeV ausrei- S Fin Verfahren, bei dem ein Metall auf die he der Probe aufgedampft wird und Pettoen durch Photoätzen hergestellt werden, so daß Wirkung der Ionenstrahlen nur an den perforier-Sien der Oberfläche der Probe eintritt, kann « 11 hei der Herstellung einer Metallmaske zusatz-ζϊ dem Verfahren des Perforierens einer Metall-
dSießlich des Photoätzverfahrens angewandt einscr
W nie Glühtemperatur zum Beheben der Be^trah- !d lit zwischen 1600 und 1200° C. Hier-
mäßige Verteilung bei einer bestimmten Tiefe beinahe einheitlich ist. .
Die selektive Diffusion unter Verwendung; ernes SiO.-Fdms zum Herstellen eines integrierten Stromkreises auf Silicium ist bei Siliciumcarbid schwierig. Da die Diffusionstemperatur sehr hoch isι und beispielsweise über dem Schmelzpunkt von SiO, hegt, so besteht wenig Gewißheit, ob das SiO3 mit Sie heit eine Maskierungswirkung s"*"h™ nicht. In diesem FaU kann die durch selektives Bestrahlen mit einem eewöhnlicher oder verhältnismäßig niec „ ratur ausgeführt und ein sehr kleiner mtegrierter Stromkreis mit Sicherheit gebildet werden. Das Halbleiterelement aus «linnmca eine große Wärme- und """
Tempe
n Fremdatomen in das Siliciumcarbid Zehnerpotenzen höhere Strahlungsfestigkeit als bin
ficher oder verhältnismäßig niedriger Tem- cium aufwies. nmwn für Silicium-
nebracht und dann die thermische Diffu- Der sehr kleine integrierte Stromkreis tür»
ührt werden. In diesem Fall kann die Kon- carbid kann genaue Bcstrahlungs- und T^P^
des Fremdatoms an der Oberfläche des a5 bedingungen als Element fur R—
eu cine sutc He- ^^
Beziehung zwischen den, Strom 30 spannung angelegt wird.
burcürichtung und die Rückwärtseigen- 35 Das Pulsieren ^ werden bei einer Temperatur von über Erhöhung des Leuchtw Ät Daher wird die Wärmebehandlung fid ß
se e in einem Temperaturbereich zwischen rOO-C ausgeführt. In Fig. 1 bedeuten rzahicnwl-rtc 1000, 1200, 1300. 1400, 15f'O und 1600 die Erhitzungstemperaturen und A und B Kenn-Bed,ngun^
Erhöhung chtw 11 KuiiLcra^ u
des crfindungsg, aßen Verfahrens karu^, d^e des integrierten ^rornkre^es -^ ^h und gleichzeitig die \\ armcbcstandig^ ^
l^ngsbcstiindigkeit des integrierten Stromkreises bessert würd«!; , ß cin Sticks,oH enthal-
S iSumcarbid im Vakuum bei einer Be- »,c
Phosphor Arsen Amjmon
us»
Art des Fremdatom, mrüekZu(„hfe„
liecwählt werden; der Faktor Rir die N ertclunp des Fremdatoms beruht h.crbc. auf cmcr gegens t g,η Beeinflussung des Ionen- und kr.stallg.ttcrs (KoI.-
des Fremdatoms auf
so hug. ,te HcC mn ^" 2wischcn (]cr rcla.
Aus . ,. -^ ^t dcr Wellenlänge der so
1. . ^ ^ 1^ · , crsichtiich: in F i g. 3 ist d.c B^Sun Aschen der Leuchtintensit.t und dem Durchlaßstrom svicdergege bcn kapn ,cicht
oder
niedriger Temperatur hergestellt werden. Das Fremdatom kann unabhängig von seinem Dampfdruck usw. ausgewählt werden. Die Tiefe des Leuchtteils an der Trennschicht kann durch die Beschleunigungsspannung geregelt werden. Die Menge der zuzugebenden Verunreinigungssubstanz kann durch eine integrierte Menge des Stroms des Ionenstrahls geregelt werden. Eine Leuchttrennschicht irgendeiner bestimmten Form kann ohne irgendeine spezielle Technik, wie Photomaskierung für hohe Temperaturen, schwieriges Photoätzen von Siliciumcarbidkristallen usw., Matrizenanordnung der Leuchtdiode usw., ohne weiteres erhalten werden.
Wenn ein äußerst kleines Leuchtelement hergestellt werden soll, wird Siliciumcarbid mit einem Ionenstrahl des Fremdatoms durch eine Maske mit sehr kleinen Perforationen von beispielsweise einem Durchmesser von 30 μ bestrahlt und anschließend erhitzt. Gemäß einem anderen Verfahren wird die gesamte Oberfläche von Siliciumcarbid mit einem Ionenstrahl des Fremdatoms bestrahlt und erhitzt und so eine p-n-Trennschicht hergestellt. Dann werden zwei Elektroden an das Siliciumcarbid, eine kleine Elektrode an der bestrahlten Seite und eine andere auf der gegenüber der ersten Elektrode befindlichen Rückseite angelegt und das Siliciumcarbid durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden zum Leuchten gebracht. Der vorspringende Teil des Leuchtabschnitts von der Elektrode kann 5% der Elektrodenabmessung ausmachen, da ein großer Folienwiderstand auf Grund der geringen Bindungstiefe vorliegt; auf diese Weise läßt sich ein ultrakleines
ίο Leuchtelement herstellen, indem man die Elektrode kleiner macht. Ein Leuchtpunkt wird von der Rückseite durch das durchsichtige Siliciumcarbid hindurch beobachtet.
Die gesamte Oberfläche des Siliciumcarbids wird ferner mit einem Ionenstrahl des Fremdatoms bestrahlt und bei 1200 bis 16000C wärmebehandelt, wobei eine dünne p-n-Trennschicht entsteht. Bringt man dann auf der bestrahlten Oberfläche ein gewünschtes Muster mit einem Leiter mit ohmischer
ao Trennschicht an, so erhält man ein Leuchtelement entsprechend diesem Muster. In diesem Fall kann der Leuchtzustand von der Rückseite aus beobachtet werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdatomen in Siliciumcarbid durch Ionenimplantation und anschließendes Glühen, dadurch gekennzeichnet, daß bei 1200 bis 16000C geglüht wird.
DE1794113A 1967-09-11 1968-09-10 Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdalomen in Siliciumcarbid Expired DE1794113C3 (de)

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