DE1816841A1 - Verfahren zum Stabilisieren der Kennlinie eines Halbleiterbauelements - Google Patents
Verfahren zum Stabilisieren der Kennlinie eines HalbleiterbauelementsInfo
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Description
Verfahren zum Stabilisieren der Kennlinie eines Halbleiterbauelements
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren der Kennlinie
eines Halbleiterbauelements mit einem Halbleiterkörper, der einen an der Oberfläche zutage tretenden pn-übergang aufweist
.
Halbleiterkörper für Halbleiterbauelemente wie "Dioden,
Transistoren, Thyristoren oder Bilateralthyristoren (Triacs)
bestehen meist aus Silizium, Germanium oder einer intermetallischen Verbindung zwischen Elementen der III. und V.Gruppe oder
der II. und VI. Gruppe des-Periodensystems, der Elemente. Die
genannten halbleitenden Materialien überziehen sich an der Atmosphäre unvermeidbar in kürzester Zeit mit einer dünnen Haut
aus Oxyd des Halbleitermaterials. Diese Oxydhaut ist in der Lage, sehr schnell Wasser aus der Umgebungsatmosphäre aufzunehmen. Bei
Siliziumkörpern bilden sich hierdurch Kieselsäuren, die durch Polymerisation wieder Wasser abspalten.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die erwähnte Aufnahme
und Bildung von Wasser in der Oxydhaut mittelbar die Ursache für Alterungserscheinungen an Halbleiterbauelementen ist.
Insbesondere hat es sich gezeigt, daß die Sperrfähigkeit von pn-Übergängen, die an der Oberfläche des Halbleiterkörpers der
Bauelemente zutage treten, im Verlauf des Betriebs nachläßt. Hieraus resultieren instabile Kennlinien der Bauelemente.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die genannten Alterungserscheinungen von Halbleiterbauelementen zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einem Mittel behandelt wird,
das eine auf der Oberfläche befindliche Oxydhaut auflößt und
das zweiwertige Bleiionen enthält.
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Vorteilhaft- wird als Mittel zum Auflösen der Oxydhaut eine Ätzflüssigkeit
verwendet, die 0,001 bis 1000 mg zweiwertige Bleiionen pro Liter Flüssigkeit enthält. Vorzugsweise wird eine
Ätzflüssigkeit verwendet mit einem Gehalt-von 0,1 bis 10 mg
zweiwertige Bleiionen pro Liter Flüssigkeit. Die genannte der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann auch dadurch gelöst
werden, daß die Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einem Mittel, das eine auf der Oberfläche befindliche Oxydhaut auflöst, behandelt
und anschließend mit einer zweiwertige Bleiionen enthaltenden Spülflüssigkeit gespült wird. Vorteilhaft wird eine
Spülflüssigkeit verwendet, die 0,001 bis 1000 mg zweiwertige Bleiionen pro Liter Flüssigkeit enthält.
Die Erfindung sei anhand der Zeichnung näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen stark vergrößerten Schnitt durch den
Halbleiterkörper einer psn-Diode, Figur 2 zeigt gemäß der Erfindung stabilisierte Sperrkennlinien
einer derartigen psn-Diode,
Figur 3 zeigt Sperrkennlinien einer psn-Diode, die nicht gemäß der Erfindung stabilisiert sind.
Figur 3 zeigt Sperrkennlinien einer psn-Diode, die nicht gemäß der Erfindung stabilisiert sind.
In Fig. 1 ist stark vergrößert und schematisiert der Halbleiterkörper
aus' Silizium einer psn-Diode dargestellt. Die folgenden Ausführungen gelten jedoch auch für die Halbleiterkörper anderer
Halbleiterbauelemente, z.B. Transistoren, Thyristoren oder Bilateralthyristoren sowie für Halbleiterkörper aus anderen
Halbleitermaterialien. Die in der Zeichnung dargestellte psn-Diode weist eine stark η-dotierte Zone 102, einen pn-'Jbergang
10.5, eine schwach p-dotierte Zone 104 und eine stark p-dotierte Zone 105 auf. In der η-leitenden Zone 10? befindet
sich eine aus dem Gold-Silizium-Eutektikum bestehende, durch
Einlegieren einer antimonhaltigen Goldfolie hergestellte Kontaktelektrode
101, während an der stark p-leitenden Zone 105 eine einlegierte, au3 dem Aluminium-Silizium-Eutektikum bestehende
Kontaktelektrode 106 angebracht ist. Der pn-übergang 105 tritt an der Mantelfläche 111 des Halbleiterkörpers zutage. Auf der
Mantelfläche hat sich an der Umgebungsatmosphäre in kürzester Zeit.eine unvermeidbare Oxydhaut 107, im vorliegenden Falle aus
kiesel3äurehaltigem Siliziumdioxyd, gebildet. -5-
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Das in der Oxydhaut 107 vorhandene Waoser diosoziiert zum Teil,
und aus den Wasserstoffionen wird an negativ geladenen Oberflächenteilen
des Halbleiterkörpers atomarer Wasserstoff gebildet. Bei in Sperrichtung gepolter Diode, d.h. wenn die Kontaktelektrode
sowie die η-leitende Zone 102 positiv und die Kontaktelektrode sowie die p-leitenden Zonen 104 und 105 negativ vorgespannt sind,
befindet sich ein negativ geladener Oberflächenteil an dem Teil
des Halbleiterkörpers, wo die schwach p-leitende Zone 104 liegt
und wo sich bekanntlich ein durch die gestrichelte Linie 110
begrenzter Bereich negativer Raumladung befindet. An der Oberfläche des Bereiches negativer Raumladung während der Betriebszustände
des Bauelements entladene Wasserstoffionen bilden dort allmählich eine elektrisch gut leitende, metallartig wirksame ™
Ansammlung 108 aus atomarem Wasserstoff zwischen der Oberfläche des Halbleiterkörpers und der auf ihr befindlichen Oxydhaut 107.
Diese schließt den Bereich negativer Raumladung weitgehend kurz und setzt damit die Sperrfähigkeit des pn-Übergangs 103 herab.
Srfindungsgemä3 wird die Oxydhaut auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers
mit einem Mittel aufgelöst und entfernt, welches zweiwertige Bleiionen enthält. Zweiwertige Bleiionen, die an sich
eine Oxydhaut auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers nicht durchdringen können, gelangen auf die von der Oxydhaut befreite
Oberfläche. Nach dem Entfernen der Oxydhaut bildet sich zwar alsbald wieder eine neue Oxydhaut, jedoch befinden sich zwischen
ihr und der Oberfläche des Halbleiterkörpers nunmehr zweiwertige "
Bleiionen. Diese wirken wie ein Katalysator auf durch Entladung von Wasserstoffionen entstandenen atomaren Wasserstoff und
fördern dessen Umwandlung in molekularen. Molekularer Wasserstoff besitzt keine elektrische Leitfähigkeit und hat keinen Einfluß
auf die Sperrfähigkeit des pn-Übergangs 103 und damit auf die Kennlinie des Bauelements. Die Kennlinie bleibt daher auch
während des Betriebes des Bauelements stabil.
Zweiwertige Bleiionen gelangen auch unmittelbar an die Oberfläche des Halbleiterkörpers, wenn diese mit einem die Oxydhaut
auflösenden Mittel behandelt und anschließend sofort mit einer Spülflüssigkeit gespült wird, die zweiwertige Bleiionen enthält.
Die Spülflüssigkeit kann z.B. 0,001 bis 1000 mg zweiwertige Blei-
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ionen pro Liter Flüssigkeit enthalten. Bevorzugt wird eine Spülflüssigkeit,
die 0,1 bis 10 mg zweiwertige Bleiionen pro Liter Flüssigkeit enthält.
Vorteilhaft wird eine Spülflüssigkeit gewählt, die eine Oxydhaut auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers, nicht aufzulösen
vermag. Günstig ist eine die Oberfläche des Halbleiterkörpers oxydierende Spülflüssigkeit. Geeignete Spülflüssigkeiten sind
z.B. chemisch reines Wasser und chemisch reiner Alkohol, z.B. Methyl- oder Äthylalkohol, denen ein zweiwertige Bleiionen enthaltender
und abspaltender Stoff zugesetzt ist. In beiden Flüssigkeiten bildet sich eine zweiwertige Blei ionen enthaltende
Oxydhaut auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers, Aelche verhindert,
daß die Konzentration der unmittelbar zwischen der Oberfläche des Halbleiterkörpers und der Oxydhaut befindlichen Bleiionen
während des Betriebes des Bauelements abnimmt.
Gegenüber dem Spülen mit Wasser hat das Spülen mit Alkohol den Vorteil, daß die Oberfläche schneller trocknet. Die beim Spülen
mit Alkohol gebildete Oxydhaut ist dünner als die beim Spülen mit Wasser gebildete. Als Spülflüssigkeit kann auch ein Gemisch
aus Wasser und Alkohol verwendet werden, das zweiwertige Bleiionen enthält. Es kann auch erst mit Wasser und anschließend mit
Alkohol gespült werden.
Die Oberfläche des Halbleiterkörpers kann auch nach dem Behandeln mit einem Mittel, das eine dort befindliche Oxydhaut
auflöst und das zweiwertige Bleiionen enthält, mit einer Spülflüssigkeit, insbesondere Wasser und/oder Alkohol, gespült werden,
die zweiwertige Bleiionen enthält.
Geeignete, eine Oxydhaut auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers
auflösende Mittel sind wäßrige Lösungen von Natrium- oder Kaliumhydroxyd, Flußsäure oder Gemische aus Flußsäure und
rauchender Salpetersäure oder aus Flußsäure und Brom. Die wäßrige Natrium- oder Kaliumhydroxydlösung kann z.B. 40 bis 50
Gew.-# Natrium- und/oder Kaliumhydroxyd enthalten. Bevorzugt wird
au.cn eine Mischung aus Flußsäure und rauchender Sapleteraäure
im Gewichtsverhältnis 1 : 1 verwendet.
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Zum Auflösen der Oxydhaut auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers
können auch gasförmige Mittel verwendet werden, z.B. Dampf von wäßriger Fluorwasserstofflösung oder Alizarindampf.
Der Dampf der Fluorwasserstofflösung kann Bjrom oder Chlor vorzugs
weise im molekularen Verhältnis 1:1 enthalten. Es kann vorteilhaft sein, die Halbleiterkörper beim Behandeln ihrer Oberfläche
mit einem gasförmigen Mittel auf eine Temperatur bis zu 250 G zu erwärmen. Mit einem gasförmigen Mittel können sehr einfach
eine große Anzahl von Halbleiterkörpern gleichzeitig behandelt werden. Den gasförmigen Mitteln können Dämpfe einer zweiwertige
Bleiionenjenthaltenden und abspaltenden chemischen Verbindung,
z.B. Bleichlorid, zugefügt sein. Beispielsweise wird ein Strom eines gasförmigen Mittels zum Auflösen der Oxydhaut zuerst über
ein erwärmtes Gefäß mit der zweiwertige Bleiionen enthaltenden chemischen Verbindung und anschließend über die Halbleiterkörper
geleitet.
Die Spülflüssigkeit kann als Spender für zweiwertige Bleiionen
ein Bleisalz einer Karbonsäure enthalten. Günstig sind Bleiacetat, wenn die Spülflüssigkeit Wasser ist, und Bleistearat
sowie Bleinaphtenat, wenn die Spülflüssigkeit Alkohol ist. Die Spülflüssigkeit kann auch Bleinitrat als Ionenspender" enthalten.
Auch andere zweiwertige Bleiionen enthaltende Salze sind geeignet. Dieselben Salze können auch in der eine Oxydtiaut auf der
Oberfläche des Halbleiterkörpers auflösenden Ätzflüssigkeit, mit der diese Oberfläche behandelt wird, enthalten sein. Die die
Oxydhaut auflösende Ätzflüssigkeit und die Spülflüssigkeit können einen Zusatz von jeweils 0,002 bis 2000 mg Bleisalze einer
Karbonsäure und/oder Bleinitrat pro Liter Flüssigkeit enthalten. Bevorzugt ist ein Gehalt von 0,02' bis 20 mg Bleisalze einer
Karbonsäure und/oder Bleinitrat pro Liter Flüssigkeit. Diese Bereichsangaben für den Anteil' von zu einer Gruppe zusammengefaßten
Salzen können bedeuten, daß in der jeweiligen Ätzflüssigkeit sowohl ein einziges Salz als auch mehrere Salze
dieser Gruppe enthalten sind, dessen bzw. deren Anteil innerhalb des angegebenen Bereiches liegt.
Die Oberfläche des Halbleiterkörpers kann zum Auflösen der
Oxydhaut und zum Spülen sowohl einem Flüssigkeitsstrahl als
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auch einem Tauchbad ausgesetzt werden. Hierbei genügt es, wenn die Temperatur von Ätz- und Spülflüssigkeit und damit die des
Halbleiterkörpers im Bereich zwischen der Schmelztemperatur der jeweiligen Flüssigkeit und 9O0C, insbesondere bei Zimmertemperatur
(etwa 20 C) liegt. Die Temperatur der Flüssigkeiten kann aber auch oberhalb dieses Bereiches liegen. Nach der Flüssigkeitsbehandlung wird der Halbleiterkörper durch Erwärmen auf etwa
150 C getrocknet. Nach dem Trocknen kann die Oberfläche-des
Halbleiterkörpers mit einem Isolierstoffüberzug versehen werden,
der zweiwertige Bleiionen enthält. Hierdurch wird gewährleistet,
daß die Oberfläche des Halbleiterkörpers nicht nach einer län- ψ geren Betriebsdauer an zweiwertigen Bleiionen verarmt. Der
Isolierstoff kann beispielsweise aus einem Lack oder aus Kautschuk bestehen, in dem sich Mennige, Bleikarbonat, gelbes
Bleioxyd und/oder ein Bleisalz einer Karbonsäure als Spender für zweiwertige Bleiionen befindet.
Fig. 2 zeigt Kennlinien einer psn-Diode mit einem Halbleiterkörper
aus Silizium ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten, dessen Oberfläche nach dem Herstellen des pn-Uberganges und Einlegieren
der Elektroden mit einer Mischung aus Flußsäure und rauchender Salpetersäure im Gewichtsverhältnis 1:1 behandelt
und anschließend sofort mindestens 30 sek lang mit Wasser, welches 100 mg Bleiacetat pro Liter enthielt, gespült.worden
P ist. Nach dem Trocknen wurde der Halbleiterkörper mit einem Oberflächenüberzug versehen,der aus einer ausgehärteten Cyclohexanon
lösung des Mischkondensats aus Terephthalsäureglyzerinester und Phenylmethylpolysiloxan ohne weiteren Zusatz besteht. 201 ist die
Kaltkennlinie dieser Diode, 202 die Warmkennlinie bei 160 C unmittelbar nach Erreichen dieser Temperatur und 203 die Warmkennlinie
bei 16O0C, nachdem der Halbleiterkörper der Diode 48 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten-und seine
Elektroden während dieser Zeit in Sperrichtung mit einer Gleichspannung von etwa 80 i» der Warmsperrapannung vorgespannt wurden.
Wie Fig. 2 entnommen werden kann, hat sich die Warmsperrspannung Ugp21 praktisch nicht verändert.
Im Vergleich hierzu zeigt Pig. 3 Sperrkennlinien einer Diode mit dem gleichen Halbleiterkörper wie der der Diode mit den
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Kennlinien nach Pig. 2, deren Halbleiterkörper jedoch vor dem Auftragen des Oberflächenüberzugs nicht entsprechend der Erfindung
behandelt worden ist. Wie aus Pig. 3 hervorgeht» hat die Kaltkennlinie 30 praktisch denselben Verlauf wie die Kaltkenn-'linie
201 in Pig. 2, Jedoch stimmt schon der Verlauf der Warmkennlinie 302, die bei 16O°C unmittelbar nach Erreichen dieser
Temperatur aufgenommen wurde, nicht mehr mit dem Verlauf der Warmkennlinie 202 in Pig. 2 überein. Insbesondere ist die Warmsperrspannung
U0 -Z1 um etwa 150 V kleiner als die Warmsperrspannung
U3 0. in Pig.2. Wie die Warmkennlinie 303 zeigt, die
nach einer 48-stündigen Erwärmung des Halbleiterkörpers der Diode auf eine Temperatur von 16O0C bei gleichzeitigem Anliegen
einer Gleichspannung von etwa 80 $>
der Warmsperrspannung U„ ^1 ä
an den Elektroden in Sperrichtung aufgenommen wurde, ist die Warmsperrspannung UQ ,o nach dieser Zeit um etwa 25 ^ ihres
P^ ο
Ausgangswertes U0 T. bei 160 C abgesunken.
üp; I
10 Patentansprüche
3 Figuren
3 Figuren
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Claims (10)
1. Verfahren zum Stabilisieren der Kennlinie eines Halbleiterbauelements
mit einem Halbleiterkörper, der einen an der Oberfläche zutage tretenden pn-übergang aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einem Mittel behandelt wird, das eine auf der Oberfläche befindliche
Oxydhaut auflöst und das zweiwertige Bleiionen enthält.
2. Verfahren zum Stabilisieren der Kennlinie eines Halbleiterbauelements
mit einem Halbleiterkörper, der einen an der Oberfläche zutage tretenden pn-übergang aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einem Mittel, das eine auf der Oberfläche befindliche Oxydhaut auflöst,
behandelt und anschließend mit einer zweiwertige Bleiionen enthaltenden Spülflüssigkeit gespült wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
#Oberfläche des Halbleiterkörpers nach dem Behandeln mit dem
die Oxydhaut auflösenden Mittel mit einer Spülflüssigkeit gespült wird, die zweiwertige Bleiionen enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
Mittel zum Auflösen der Oxydhaut eine Ätzflüssigkeit verwendet wird, die 0,001 bis 1000 mg zweiwertige Bleiianen
pro Liter Flüssigkeit enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Spülflüsaigkeit verwendet wird, die 0,001 bis 1000 mg zweiwertige Bleiionen pro Liter Flüssigkeit enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
als Spülflüssigkeit Wasser und/oder Alkohol verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als
Spülflüssigkeit Wasser und/oder Alkohol verwendet wird mit einem Zusatz aus einem zweiwertige Bleiionen enthaltenden
Salz einer Karbonsäure und/oder aus Bleinitrat.
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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als
Spülflüssigkeit Wasser und/oder Alkohol verwendet Wird, denen 0,002 bis 2000 mg Bleisalz zugesetzt sind.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper nach der Oberflächenbehandlung mit einem
Oberflächenüberzug aus Isolierstoff versehen wird, der zweiwertige Bleiionen enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel, welches eine auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers
befindliche Oxydhaut auflöst, ein Gas, vorzugsweise Dampf von wäßriger Fluorwasserstofflösung oder Alizarindampf,
verwendet wird.
Wl/De
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Priority Applications (9)
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|---|---|---|---|
| DE19681812556 DE1812556C (de) | 1968-12-04 | Halbleiterbauelement mit einem Überzug aus bleihaltigem Isolierstoff am pnÜbergang | |
| DE19681816841 DE1816841A1 (de) | 1968-12-04 | 1968-12-24 | Verfahren zum Stabilisieren der Kennlinie eines Halbleiterbauelements |
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- 1969-12-04 SE SE16736/69A patent/SE363425B/xx unknown
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