DE1794113C3 - Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdalomen in Siliciumcarbid - Google Patents

Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdalomen in Siliciumcarbid

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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 α.- oder ^-Siliciumcarbid und anschließendes Glühen des so behandelten Siliciumcarbids bei einer bestimmten Temperatur für die Herstellung einer Leuchtdiode.
Es sind zwei Verfahren zum Eindiffundieren 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 SiIicjumcarbid kann auch in einer Gasatmosphäre der als Fremdatom verwendeten Substanz bei wenigstens 1700 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 1700° 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. Mc NalIy et al., »High Energy Ion Implantation of Materials«, S. 41, »Diodes«, sind die Bedingungen und Ergebnisse für die Dotierung von SiC mit 31P-Ionen beschrieben. Die besten Ergebnisse erhält man gemäß Fig. 15 auf S. 44 dieser Literatursteile. 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 95MiIIiampere (Glühen bei 1300° C) bei 8 V erhalten. Diese Ströme sind also um mehr als 1O3 mal höher als bei dem Verfahren gemäß dieser Literaturstelle. 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 Ionenerapflanzverfahren dotiert werden, sondern durch die spezifischen Glühbedingungen, welche erfiadungsgemäß 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 Ioneneinpflanzverfahrens, sondem die genau definierten Glühbedingungen, durch welche eine Diode mit hervorragenden elektrischen und Lumineszenzeigenschaften erhalten wird.
Die Erfindung schafft eine reproduzierbare Trenn-
schicht, z. B. eine p-u-Trennschicht usw., wobei ionisierte Fremdatome 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 erfindungsgemäßtn Verfahrens besteht viarin, 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-Trennschicht, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Eindiffundieren von ionisierten Fremdatomen in Siliciumcarbid erhalten wurde, Fig. 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 erfindungsgemäß erhältlichen 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 der Strahl in gleicher Weise wie oben auf das p-Siliciumcarbid gerichtet. Beispielsweise erhält man eine p-n-Trennschicht durch Beschleunigen von Antimonionen auf 40 KeV und 5 Minuten dauerndes Bestrahlen eines p-Siliciumcarbids mit diesen beschleunigten Antimonionen bei einer Stromdichte von 1 μΑ/cm2. Die elektrischen Eigenschaften der so erhaltenen p-n-Trennschicht können durch einstündiges Glühen der so bestrahlten Probe bei 8000C in einer Inertgasatmosphäre weiter verbessere werden.
Durch selektives Bestrahlen der Oberfläche einet Siliciumcarbidprobe mi1: einem Ionenstrahl unter VerWendung einer Metallmaske können die p-n-Trenn-
schichten lokal ohne Photoätzen der Oberfläche erzielt werden, wodurch man einen sehr kleinen integrierten Stromkreis herstellen kann. In diesem Fall ist eine Metallmaske mit einer Stärke von wenigstens 3 μ bei einem Ionenstrahl von etwa 60 KeV ausrei- s chend. Ein Verfahren, bei dem ein Metall auf die Oberfläche der Probe aufgedampft wird und Perforationen durch Photoätzen hergestellt werden, so daß die Wirkung der Ionenstrahlen nur an den perforierten Teilen der Oberfläche der Probe eintritt, kann auch bei der Herstellung einer Metallmaske zusätzlich zu dem Verfahren des Perforierens einer Metallfolie einschließlich des Photoätzverfahrens angewandt werden.
Die Glühtemperatur zum Beheben der Bestrah- x5 lungsschäden liegt zwischen 1600 und 1200° C. Hierdurch besteht weniger die Gefahr einer Störung in der Verteilung des Fremdatoms auf Grund der Wärmebehandlung.
Ferner kann durch das Ionenstrahlveriahren eine große Menge an Fremdatomen in das Siliciumcarbid bei gewöhnlicher oder verhältnismäßig niedriger Temperatur eingebracht und dann die thermische Diffusion ausgeführt werden. In diesem Fall kann die Konzentration des Fremdatoms an der Oberfläche des Siliciumcarbids durch die Beschleunigungsspannung und den integrierten Stromwert vorteilhaft geregelt werden, so daß man erfindungsgemäß eine gute Reproduzierbarkeit erzielt.
In F i g. 1 ist die Beziehung zwischen dem Strom und der Spannung wiedergegeben, wenn man eine auf diese Weise hergestellte p-n-Trennschicht-Diode als Leuchtdiode verwendet. Bei einer Temperatur von weniger als 1200° C erzielt man nicht viel Strom in einer Durchlaßrichtung und die Rückwärtseigenschäften werden bei einer Temperatur von über 1600° C schlecht. Daher wird die Wärmebehandlung vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 1600 und 1200°C ausgeführt. In Fig. 1 bedeuten die Zahlenwerte 1000, 1200, 1300, 1400, 1500 und 1600 die Erhitzungstemperaturen und A und B Kennlinien von Leuchtdioden, welche aus dem allgemein bekannten Siliciumcarbid hergestellt wurden. Die erfindungsgemäßen Kennlinien wurden bei einer Substanz erhalten, bei welcher Aluminium als Fremdatom in Siliciumcarbid im Vakuum bei einer Beschleunigungsspannung von 50 KeV in einer Menge von 6 · 101<!/cm- eingebracht und 10 Minuten lang erhitzt wurde.
Erfindungsgemäß können derartige Trennschichten, welche auf die Unterschiede in der Konzentration und der Art des Fremdatoms zurückzuführen sind, wie p-n-Trennschichten, p-i-n-Trennschichten, p*-p-Trennschichten, n*-n-Trennschichten usw., bei Siliciumcarbid bei gewöhnlicher oder verhältmäßig niedriger Temperatur gebildet werden. Ferner kann die als Fremdatom angewendete Substanz unabhängig vom Dampfdruck, Diffusionskoeffizienten usw. ausgewählt werden; der Faktor für die Verteilung des Fremdatoms beruht hierbei auf einer gegenseitigen Beeinflussung des Ionen- und Kristallgitters (Kollisionsionisation). Da die Eindringungsenergie des ionisierten Fremdatoms viel größer als die thermische Energie ist, ist die Verteilung des Fremdatoms auf eine statistische Verteilung der Kollisionen zurückzuführen, so daß das selektive Eindringen auf Grund der Uneinheitlichkeit der Kristalle, wie bei der thermischen Diffusion, geringer und die konzentrationsmäßige Verteilung bei einer bestimmten Tiefe beinahe einheitlich ist
Die selektive Diffusion unter Verwendung eines SiO2-FUmS zum Herstellen eines integrierten Stromkreises auf Silicium ist bei Siliciumcarbid schwierig. Da die Diffusionstemperatur sehr hoch ist und beispielsweise über dem Schmelzpunkt von SiO2 liegt, so besteht wenig Gewißheit, ob das SiO2 mit Sicherheit eine Maskierungswirkung ausüben kann oder nicht. In diesem Fall kann die selektive Diffusion durch selektives Bestrahlen mit einem Ionenstrahl bei gewöhnlicher oder verhältnismäßig niedriger Temperatur ausgeführt und ein sehr kleiner integrierter Stromkreis mit Sicherheit gebildet werden.
Das Halbleiterelement aus Siliciumcarbid weist eine große Wärme- und Bestrablungsfestigkeit auf. Beispielsweise wurde ein Halbleiter-Bestrahlungsdetektor aus Siliciumcarbid versuchsweise hergestellt und es wurde festgestellt, daß dieser bei einer Temperatur von 700° C arbeitete und eine um mehrere Zehnerpotenzen höhere Strahlungsfestigkeit als Silicium aufwies.
Der sehr kleine integrierte Stromkreis für Siliciumcarbid kann genaue Bestrahlungs- und Temperaturbedingungen als Element für ein Rauminstrument liefern und kann auch in einen integrierten Stromkreis auf der gleichen Grundplatte für die Leuchtdiode aus Siliciumcarbid eingebracht werden und ein moduliertes Licht emittieren. Selbst wenn eine Gleichspannung angelegt wird, wird diese innerhalb des eingebauten integrierten Stromkreises in Wechselstrom überführt, so daß ein Wechselstrom oder eine positive pulsierende Spannung geeigneter Frequenz für die Leuchtdiode an diese angelegt werden kann. Das Pulsieren stellt eine notwendige Bedingung zur Erhöhung des Leuchtwirkungsgrades dar; auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Struktur des integrierten Stromkreises wesentlich vereinfacht und gleichzeitig die Wärmebeständigkeit und Strahlungsbeständigkeit des integrierten Stromkreises verbessert werden.
Das n-Siliciumcarbid, z. B. ein Stickstoff enthaltendes Siliciumcarbid, sowie das p-Siliciumcarbid werden mit einem p-Fremdatom, wie Aluminium, Indium, Gallium usw., bestrahlt und ein n-Fremdatom, wie Phosphor, Arsen, Antimon, Stickstoff usw. in einem Ionenstrahl von 10 KeV oder darüber unter solchen Bedingungen beschleunigt, daß ein Produkt bei einer bestimmten Stromdichte und Bestrahlungszeit eine bestimmte Fremdatom-Konzentration aufweist. Beispielsweise wird eine Probe bei einer Beschleunigungsspannung von 40 KeV 10 Minuten bei einem Ionenstrom von 2 μΑ/cm2 bestrahlt. Dann wird 10 bis 20 Minuten in einer Inertgasatmosphäre bei 1600 bis 1200° C geglüht.
In diesem Fall muß das Siliciumcarbid aus Monokristallen von \- oder /^-Siliciumcarbid bestehen. Das Licht kann durch Anlegen einer Spannung auf das so hergestellte Element emittiert werden.
Aus F i g. 2 ist die Beziehung zwischen der relativen Leuchtintensität und der Wellenlänge der so erhaltenen Leuchtdiode ersichtlich; in F i g. 3 ist die Beziehung zwischen der Leuchtintensität und dem Durchlaßstrom wiedergegeben.
Die erfindungsgemäße Leuchtstoffdiode kann leicht auf folgende Weise mit guter Reproduzierbarkeit hergestellt werden: Eine Leuchtdiode aus Siliciumcarbid kann bei Zimmertemperatur oder verhältnismäßig
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 Siiiciumcarbidkristallen 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 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdatomen in Siliciumcarbid durch Ionenimplantation und anschließendes Glühen, dadurch gekennzeichnet, daß bei 1200 bis 1600°C geglüht wird.
DE1794113A 1967-09-11 1968-09-10 Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdalomen in Siliciumcarbid Expired DE1794113C3 (de)

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