DE1959624C - Verfahren zur Herstellung von heteroepitaktischen Tunneldioden - Google Patents

Description

gibt sich somit, daß man bei der Herstellung von bereichen, wobei·Cj um so größer ist, je größer die Halbleiterbauelementen — wie Tunneldioden — zur Sperrschichtfläche ist. Der Reihenwiderstand Λ, der' Erzielung hoher Grenzfrequenzen bestrebt ist, einer- Diode wird hingegen um so kleiner, je größer die seits die flächenmäßige Größe des verwendeten PN- Sperrschichtfläche ist. Je kleiner die Sperrschichtfläche Übergangs kiein zu halten, andererseits die Dicke des 5 zwischen den P- und N-Halbleiterbereichen ist, desto PN-Übergangs sehr dünn zu machen. Wie bereits größer ist infolge der verringerten Querschnittsfläche erwähnt, kann ersteres durch Verwendung von in des Strompfades der elektrische Widerstand. Durch bezug auf das Halbleiterplättchen senkrecht ver- geeignete Dimensionierung der Sperrschichtfläche muß laufenden Pft-Sperrschichten, letzteres durch Ein- somit ein optimales Verhältnis zwischen der Überlegieren von Metallen an Stelle von Eindiffundieren to «angskapazität und dem Reihenwiderstand erreicht von Verunreinigungsstoffen erreicht werden. Abge- werden, damit eine ?*zielbare Grenzfrequenz für den sehen von diesen Erfordernissen besteht in der Regel gewünschten Schaltungsaufbau optimal eingestellt der Wunsch, derartige Tunneldioden derart auszu- werden kann.

bilden, daß deren Eigenschaften — insbesondere die Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung

Grenzfrequenzen — innerhalb enger Bereiche kon- 15 von beteroepitaktischen Tunneldioden beginnt mit

stant eingehalten werden können. einer zusammengesetzten Platt-. 10, so wie sie in F i g. 1

Demzufolge ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, gezeigt ist Im Rahmen der vori.ependen Erfindung ist ein Verfahren der eingangs genannten An zu schaffen, ein isolierendes Substrat 22 vorgesehen, welches vorbei welchem eine genaue Kontrolle der Größe der zugsweise auf einer Grundplatte 21 aufgeschichtet ist. vertikalen PN-Übergänge der herzustellenden Mikro- 30 Ein bevorzugtes Siibstratmaterial ist Saphir; es können wellen-Tunneldioden stattfindet, so daß die nach dem jed.ch auch keramische Aluminiumoxide oder Beryl-Verfahren hergestellten Tunneldioden innerhalb sehr liumoxide benutzt werden. Über dem isolierenden enger Grenzen genau dieselben Grenzfrequenzen Substrat 22 ist eine aus P-Halbleitermaterial bestehende aufweisen. Schicht 23 aufgebracht. Ein derartiges P-Halbleiter-

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß as material ist beispielsweise ein mit Zink versetztes

zur Erzeugung der ohmschen Anschlußzone und des entartetes Galliumarsenid mit einer Akzeptorkonzen-

PN-Übergangs zwei verschiedene Metalle in zwei tration von 2 · 10¹⁹/cm³.

aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten durch in F i g. 2 zeigt das Halbleiterpläitchen 24 nach Durch-

den dielektrischen Film eingebrachte öffnungen derart führung des nächsten Verfahrensschrittes. Auf der

in die Halbieiterschicht einlegiert werdtn. daß das 30 P-Halbleiterschicht 23 ist eine aus Einern dielektrischen,

sich jeweils ausbildende Eutektikum die Halbleiter- dünnen Film bestehende Schicht 25 aufgebracht. Die

schicht bis zu dem isolierenden Substrat durchdringt. dielektrische Schicht 25 begrenzt da: während späterer

Auf Grund eines derartigen Verfahrens können Verfahrensschritte vorgenommene Einlegieren auf

somit Tunneldioden mit vertikal verlaufenden PN- definierte Bereiche und passiviert zudem das darunter-

Übergängen oder -Sperrschichten hergestellt werden, 35 liegende P-Halbleitermaterial. Das Aufbringen der

wobei die Größe dieser vertikalen PN-Sperrschichten dielektrischen Schicht 25 kam. in bekannter Weise

durch die Breite des beim Herstellungsvorgang ver- erfolgen, wobei Materialien wie Siliziumoxid und

wendeten Fensters und die Dicke der Halbleiterschicht Siliziumnitrid sehr gut geeignet sind.

bestimmt ist. Da diese beiden Faktoren sehr genau Nach dem Aufbringen der dielektrischen Schicht 25

gesteuert werden können, weisen die nach einem 40 auf die Halbieiterschicht 23 wird der nicht gewünschte

derartigen Verfahren hergestellten Mikrowellen- Teil der dielektrischen Schicht 25 entfernt, so daß

Tunneldioden sehr genau eingehaltene Grenzfrequen- sich ein »Fenster« zu der Halbieiterschicht 23 ergibt,

zen auf. so wie es an Hand des Halbleiterplättchens 26 von

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen F i g. 3 zu sehen ist. Das Fenster wird dabei durch die

Verfahrens ergeben sich an Hand der in den Unter- 45 Oberflächen 60 bis 63 bestimmt. Die Ausbildung des

ansprüchen 2 bis 16 aufgeführten Merkmale. Fensters erfolgt in an sich bekannter Weise. Dabei

Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen im fol- können mehrere derartige Fenster auf einmal auf dem

genden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher halbleiterplättchen 26 ausgebildet werden, so daß

erläutert und beschrieben werden, wobei auf die eine Vielzahl von Tunneldioden gleichzeitig hergestellt

Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen 50 werden können. Durch Veränderung der Fenster kann

F i g. 1 bis 7 Schnittansichten der herzustellenden dabei eine Änderung der Grenzfrequenz der Tunnel-Tunneldioden in verschiedenen Verfahrensstufen und diode erreicht werden. Dies bedeutet, daß verschiedene

F i g. 8 eine perspektivische Ansicht einer nach dem Tunneldiode·.. mit verschiedenen Grenzfrequenzen

erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Tunnel- von einem einzigen Halbleiterplättchen durch einfache

diode. 55 Änderung der Größe der Fenster hergestellt werden

Die Grenzfrequenz einer Tunneldiode wird bekannt- können.

lieh durch die folgende Beziehung ausgedrückt: F i g. 4 zeigt das Halbleiterplättchen 30 im Zustand,

in welchem nach der Ausbildung des ersten Fensters

-· _ 1_ bzw. Satzes von Fenstern ein erster Legierungsschritt

^Je R₁C)' ^6o erfolgt. Zu diesem Zweck wird ein Metall 32 — beispielsweise Zink — auf der Halbieiterschicht 23 in das

wobei fe die Grenzfrequenz, R, der Serienwiderstand Fenster eingebracht. Das gesamte Halbleiterplättchen der Tunneldiode und Q die Kapazität über die Sperr- 30 wird zusammen mit dem Metall 32 auf ungefähr schicht des Tunnelübergangs ist. Die Grenzfrequenz f_c 300⁰C erhitzt. Die Wärme legiert das Metall 32 mit kann somit durch Verringerung des Serienwider- 65 dem Halbleitermaterial, wobei sich zwischen dem Standes R, oder der Kapazität Cj erhöht werden. Die Metall 32 und der Halbieiterschicht 23 ein Eutektikum Größe von Cj ist dabei eine Funktion der Fläche der bildet. Dps Eutektikum füllt einen Teil der unterhalb PN-Süerrschicht zwischen den P- und N-Halbleiter- des Fensters liegenden Halbieiterschicht 23 und zu-

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dem einen Teil der unterhalb der dielektrischen somit mit dem Metalleutektikum 32 verbunden, wäh-Schicht 25 liegenden Halbleiterschicht 23. Das Eutek- rend ein Leiter 38 mit dem Metalleutektikum 35 vertikum dringt dabei unter der dielektrischen Schicht 25 bunden wird. Es ergibt sich somit ein elektrischer bis zu einer Grenzschicht 31 vor, wie sie in Fig. 4 Strompfad vom Leiter 38 durch das Metalleutektikum gezeigt ist. Dies: Grenzschicht 31 bildet die ohmsche S 35 zur N-Halbleiterschicht 23, die als ohmsche An-Anschlußzone für die Tunneldiode. Die Herstellung schluDzonc wirkende Grenzschicht 31, in das Metallder ohmschen Anschlußzone in Form der Grenz- eutektikum 32 und zum Leiter 39. Es ist zu erkennen, schicht 31 ist weniger kritisch als die später zu be- daß die dielektrische Schicht 25 lediglich als Schutzschreibende Herstellung des PN-Übergangs der Tunnel- überzug für die darunterliegende P-Halbleiterschichi23 diode. Nach dem Legieren der ohmschen Anschluß- io dient und in keiner Weise im Strompfad der Tunnelzone kann die Abkühlung auf bekannte Weise durch- diode liegt. Aus diesem Grunde sind an Stelle des geführt werden, wobei keine besondere Steuerung Siliziumoxids ebenfalls andere geeignete Materialien notwendig ist. An Stelle von Zink können auch andere verwendbar.

Metalle wie Silber, Kadmium und Indium zur Durch- Der die Grenzfrequenz der Diode beeinflussende führung dieses ersten Legierungsschrittes benutzt 15 kapazitive Bereich wird durch den vertikalen Tunnelwerden, übergang zwischen den P- und N-Halbleiterschichten G;mlß Fig. S wird nach dem ersten Legieren ein bestimmt. Der horizontale Grenzschichtbeteich zwi zweites Fenster bzw. ein Satz von Fenstern ähnlich sehen der P-Halbleiterschicht 23 und der dielektrischen dem ersten Fenster bzw. Satz von Fenstern hergestellt. Schicht 25 und der horizontale Grenzschichtbereich Dabei begrenzen Oberflächen 71 bis 74 dieses zweite ao zwischen der P-Halbleitcrschicht 23 und dem isolie-Fenster. Das zweite Fenster liegt neben dem ersten renden Substrat 22 tragen dabei nicht nur Übergangs-Fenster, kapazität bei.

F i g. 6 zeigt das Halbleiterplättchen 34, in welches l· i g. 8 zeigt eine perspektivische Schnittansicht

ein zweites MMaII 35 in das anschließend an die einer monolithischen, heteroepitaktischen Mikrowellen-

P-Halbleiterschicht 23 und die dielektrische Schicht 25 35 Tunneldiode 37. Da die Dicke des epitaktischen

liegende zweite Fenster gegenüber zu dem bereits P-Halbleitermaterials festgelegt ist, kann die Quer-

legierten Mitall 32 angeordnet wird. Dabei kann schnittsfläche des Tunnelübergangs durch die Tiefe

beispielsweise mit Schwefel bis zur maximalen Löslich- der Diode eingeteilt werden, wobei die Tiefe senk-

keit dotiertes Zinn verwendet werden. Das gesamte recht zur Zeichenebene gemessen wird. Dadurch, daß

H llblsitsrplättchsn wird hierauf auf eine Temperatur 30 die hintere Grenzfläche 46 näher an der vorderen

zwischen 333 und 5DD³C, vorzugsweise 503⁰C, er- Grenzfläche 29 des Tunnelabergangs 36 angeordnet

hitzt. Die Erhitzung d:s zweiten Metalls 35 in dichter wird, wird eine verringerte Fläche des Tunnelüber-

Nachbarschaft der P-Halbleiterschicht 23 und der gangs und damit eine verringerte Kapazität erreicht,

dielektrischen Schicht 25 bewirkt, daß ein Eutektikum Bei einem Halbleiterplättchen können, wie erwähnt,

gebildet wird. Wihrend dieses I egierungsschrittes 35 in der dielektrischen Schicht Fenster verschiedener

bildM sich in der Grenzschicht zwischen diesen beiden Größe ausgebildet werden. Es lassen sich daher mit

Miterialien ein Bereich von N-Halbleitermaterial 29. einem einzigen Halbleiterplättchen Mikrowellen-Tun- Dibii drinjt wieder ein Teil diä Eutsktikuim unter neldiodsn mit verschiedenen Grenzfrequenzen her-

die dielektrische Schicht 25. Der zwischen der P-HaIb- stellen. Umgekehrt können jedoch bei einer vorge-

leiterschic'it 23 und der N-Halbleiterschicht 29 ge- 40 gebenen Fenstergröße Gruppen von Tunneldioden

bildete PN-Ooerging bildet den Tunnelübergang 36 mit verschiedenen Grenzfrequenzen auch durch Ver-

dirDiodi. Dir Tu.inelübirgang3S ist insofern kritisch änderung der Dicke der P-Halbleiterschicht erhalten

für die richtige Wirkungsweise einer Tunneldiode, als werden.

die Sperrschicht um so dinner und die Grenzfrequenz In F i g. 8 ist die Tunneldiode in lineare«- Anordnung

der Tunneldiode um so besser ist, je besser die Sperr- 45 dargestellt. Es liegt natürlich im Bereich dieser Erfin-

schicht da Tunnilubergangs 3S definiert ist Um einen dung, daß andere Anordnungen verwendet werden

gut definierten Obstgin; zn erreichen, wird das gs- kennen. Zum Beispiel könnten kreisförmige Fenster

Samts Hilbleiterpllttchen nach dsm Erhitzen in in der dielektrischen Schicht ausgebildet werden, bevor

eine» Klhlbad abje?:hre;kL Dies ergibt ein: saubere die Metalle, wie bereits beschrieben, eingebracht wer-

Sperrsehteht dis TunnelDbiigir.gi 35 zwischen dst s» den. Kreisförmige Fenster wurden eine Änderung in

P-Hilbleiterschicht23undder N-Halbleiterschicht 29. den dielektrischen Feldeigenschaften der Diode er- Du Hilblstterplältchsn besteht somit ans der geben. Ost kapazitive Tunnelübergangsbereich wäre Grundplatten mit dem isolierenden Substrat 22, in diesem Fall entgegen der linearen Anordnung nach

auf weiche» Teils der P-Halbleitersshicht 23 and der F i g. 8 zylindrisch.

dielektrischen Schicht 25 verbleiben. Auf dst etuen 55 Eins andere Variation gegenüber der Beschreibung

Seite der P-H llblsit erschient 23 befindet sich die der bevorzugten Ausführungsform besteht darin, daß N-Hilbleiterschicht2i und das zweite legierte Metall· beide Fenster bzw. Sätze von Fenstern in dem di-

eutsktikum 35. Die ohm sehe Anschlußzone wird durch elektrischen FHm gleichzeitig vor den Legierungs-

dis Grenzschicht 31 zwischen dem Mitallentektikum32 schritten ausgebildet werden. Dies ergibt eine sehr

und der P-Hilbleiterschicht 23 gebildet, während der 60 vereinfachte Arbeitsweise. Eine weitete Variation

Tu.iaelüberging 3S zwischen der P-Halbleiterscbicht23 besteht darin, an Stelle einer P-Halbleiterschicht eine

f. ! and der N-Hilblsiterschicht 29 auftritt. Dabä verläuft N-Halbleiterschicht zn verwenden. In diesem FaU

\ der Tnnneiäberging 3S in vertikaler Richtung. würde eine epitaktisch abgeschieden N-Halbleher-

I; GemiB F i g. 7 werden anschließend geeignete Kon- schicht ab Ausgangsmaterial verwendet

takte angebracht Dies kann in an sich bekannter 65 In der Praxis wurden Tunneldioden nach dem er-

% Weiss durch Aufbringen von elektrisch leitenden findungsgemäBen Verfahren unter Verwendung von

Elementen, wie GjW oder Platin, auf die Bereiche der Saphir als isolierendem Substrat hergestellt Ais

% MetaOeutektiken erreicht werden. Ein Leiter 39 wird P-Halbleitermaterial wurdeetne6(unstarkeSchichtaus

Galliumarsenid mitauf eine Akzeptorkonzentration von 2 - 10^l'/cm* dotiertem Zink verwendet. Zur Bildung der ohmschen Anschlußzone wurde Zink als erstes Metall verwendet NiiiSchwefel in der maximal lösbaren Menge dotiertes Zinn diente als N-Halbleitermaterial. Als dielektrische Schicht zum Überdecken des P-Halbleitermaterials wurde Siliziumoxid verwendet. Das Legieren des ersten Metalls — Zink — wurde bei 38O⁰C in einer

formierenden .Gasatmosphäre durchgeführt, während das Legieren des zweiten Metalls — mit Schwefel dotiertes Zinn — bei 500⁰C ebenfalls in einer formierenden Gasatmosphäre vorgenommen wurde. Dabei wurden Tunneldioden mit einem Gipfel-Tal-Stromverhältnis bis zu 20:1 und Mittelwerten von 10:1 erhalten. Die Dioden führten Spitzenströmß von 60 Milliampere.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (12)

1. .·* Patentansprüche: . 13. Venahrcn nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Zinn mit der maximal los-

   ,. 1. Verfahren zur Herstellung heteroepitaktischer baren Menge von Schwefel versetzt ist.
   Tunneldioden, bei dem auf einem isolierenden 14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Substrat eine Schicht aus Halbleitermaterial vorge- 5 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein isogebener Leitungsart epitaktisch abgeschieden wird, Iierendes Substrat (22) aus Aluminiumoxid, Berildie Oberfläche der Halbleiterschicht mit einem Iiumoxid oder Saphir verwendet wird,
   dünnen, dielektrischen Film teilweise bedeckt wird 15. Verfahren nach einem der vorhergehenden und in die freiliegenden Bereiche der Halbleiter- Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Unterschicht zwei verschiedene Dotierungsmaterialien io halb des isolierenden Substrats (22) eine geerdete derart eingebracht werden, daß eine ohmsche An- Metallplatte (21) angeordnet wird,
   schlußzone und ein die Halbleiterschicht vertikal 16. Verfahren nach einem der vorhergehenden durchsetzender PN-Übergang gebildet werden, da- Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein didurch gekennzeichnet, daß zur Erzeu- elektrischer Film (25) aus Siliziumoxid oder gung der einsehen Anschlußzone (31) und des 15 Siliziumnitrid als Legierungsbegrenzungsmaske ver-PN-Übergangs (36) zwei verschiedene Metalle wendet wird.
   (32, 35) in zwei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten durch in den dielektrischen Film (25) eingebrachte öffnungen derart in die Halbleiterschicht (23) einlegiert werden, daß das sich jeweils »o
   ausbildende Eutektikum die Halbleiterschicht (23)
   bis zu dem isolierenden Substrat (22) durchdringt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver-
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- fahren zur Herstellung heteroepitaktischer Tunnelzeichnet, daß eine Halbleiterschicht (23) verwendet dioden, bei dem auf einem isolierenden Substrat eine wird, deren Di.kezwischen 1 und 25 μπι beträgt. ^a5 Schicht aus Halbleitermaterial vorgegebener Leitungs-
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- art epitaktisch abgeschieden wird, die Oberfläche der zeichnet, daß die Dicke der lialbleiterschicht (23) Halbleiterschicht mit einem dünnen, dielektrischen 10 μπι beträgt. Film teilweise bedeckt wird und in die freiliegenden
4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Bereiche der Halbleiterschicht zwei verschiedene Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine 3° Dotierungsmaterialien derart eingebracht werden, p-leitende Halbleiterschicht (23) verwendet wird, daß eine ohmsche Anschlußzone und ein die HaIbdie aus bis zur Entartung dotiertem Galliumarsenid leiterschicht vertikal durchsetzender PN-Übergang besteht. gebildet werden.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn- Tunneldioden sind Halbleiterbauelemente mit einer zeichnet, daß die Dotierungskonzentration etwa 35 Strom-Spannungs-Kennlinic, welche b^i kleinen Span-2 · ΙΟ¹⁹ pro cm³ beträgt. nungen in der Größenordnung von 1 Volt oder weniger
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ein Gebiet negativen Leitwertes besitzen. Derartige gekennzeichnet, daß Zink als Dotierungsmaterial Halbleiterbauelemente werden so hergestellt, daß verwendet ist. zwischen zwei entarteten — d. h. stark dotierten —
7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden 4<> p. _und N-Bereichen ein sehr schmaler PN-Übergang Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein- vorgesehen ist.

   legieren des zur Erzeugung der ohmschen An- Die bisher bekannten Tunneldioden weisen in der

   schlußzone (31) verwendeten Metalls (32) bei einer Regel einen zur Hauptfläche des Halbleiterplättchens

   Temperatur von ungefähr 200⁰C erfolgt. parallel verlaufenden PN-Übergang auf (s. beispiels-
8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden 45 weise deutsche Patentschrift 1 160 952, TJSA.-Patent-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein- Schriften 3 110 849 und 3 291 658). Es zeigt sich jelegieren des zur Erzeugung des PN-Übergangs (36) doch, daß bei Verwendung von derartigen horizontal verwendeten Metalls (35) bei Temperaturen zwi- verlaufenden PN-Sperrschichten die Größe derselben sehen 380 und 500⁰C erfolgt. nicht beliebig klein gemacht werden kann, so daß die
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn- 5° Grenzfrequenzen derartiger Tunneldioden relativ niedzeichnet, daß das Einlegieren des zur Erzeugung rig liegen.

   des PN-Übergangs (36) verwendeten Metalls (35) Es ist dementsprechend bereits bekannt, an Stelle

   bei einer Temperatur von 500⁰C erfolgt. von horizontalen PN-Sperrschichten in bezug auf die
10. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Hauptfläche des Halbleiterplättchens senkrecht verAnsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein- 55 laufende PN-Trennschichten vorzusehen (s. beispielslegieren des zur Erzeugung des PN-Übergangs (36) weise Electronics, Bd. 40, Heft 4, S. 171 bis 176). Da verwendeten Metalls (35) in einer reduzierenden derartige vertikal verlaufende PN-Sperrschichten rela-Atmosphäre erfolgt. tiv klein dimensioniert werden können, weisen der-
11. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden artige Halbleiterbauelemente relativ hohe Grenz-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zur 60 frequenzen auf. Es ist ferner bekannt, an Stelle des Erzeugung der ohmschen Anschlußzone (31) ver- Erzeugens der PN-Sperrschichten durch Eindiffunwendete Metall (32) aus Zink, Silber, Kadmium dieren von Dotierungsstoffen dieselben durch Ein- oder Indium besteht. legieren von Metallen herzustellen, wodurch die
12. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Dicke des PN-Übergangs sehr dünn gemacht werden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zur <»5 kann, was sich günstig auf die Eigenschaften derartiger Erzeugung des PN-Übergangs (36) verwendete Halbleiterbauelemente auswirkt (s. beispielsweise Metall (35) aus mit Schwefel versetztem Zinn Solid-State Electronics, Bd. 10, S. 461 bis 472, und besteht. USA.-Patentschrift 3 309 240). Zusammenfassend er-