DE1961492B2 - Auf druck ansprechendes halbleiterbauelement und verfahren zum herstellen - Google Patents
Auf druck ansprechendes halbleiterbauelement und verfahren zum herstellenInfo
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Description
Die P.rfindung bezieht sich auf ein auf Druck ansprechendes
Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der vier übereinander angeordnete,
schichtFormig ausgebildete Halbleiterbcreiche mit abwechselnd
entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp enthält, bei dem auf einem Teil der Oberfläche eines nicht
außenliegenden Bereiches eine Metallelektrode angebracht ist und bei dem eine Druckvorrichtung zum
Ausüben eines Drucks auf diese Metallelektrode vorgesehen ist,
Ein solches Halbleiterbauelement stellt einen Wand'
ler dar, dessen elektrische Eigenschaften sich ent'
sprechend einem mechanischen Drucksignal ändern, und zwar einen Thyristor mit einem Vierschichterl·
Aufbau, z. B. mit eitlem p-n-p-n-A\ufbau, der eine
Steuerelektrode aufweist und dessen Schaltspannung durch den mechanischen Druck auf die Steuerelektrode
gesteuert wird.
Es ist eine bekannte Tatsache, daß sich bei einem
Halbleiterbauelement, das einen p-n*Übergang oder
einen gleichrichtenden Übergang besitzt, der durch einen Kantakt zwischen einem Halbleiter und einem
besonderen Metall, einer sogenannten Schottky-Sperr-
- schicht, gebildet wird, d>e Sperr-Kennlini'e ändert,
wenn ein mechanischer Druck auf den Übergang ausgeübt wird.
Ein auf Druck ansprechendes Halbleiterbauelement, bei dem eine derartige Schottky-Sperrschicht zur Erzeugung
eines druckabhängiger} elektrischen Signals verwendet wird, ist beispielsweise aus der belgischen
ίο Patentschrift 682 401 bekannt.
Durch die Anwendung einer Schottky-Sperrschicht allein kann jedoch keine Schalterfunktion ausgeübt
werden, wie es bei dem Halbleiterbauelement der eingangs geschilderten Art erwünscht ist.
Bei den bekannten Thyristoren mit einem Vierschichtenaufbau, z. B. einem ρ,-η,-ρ,-η,-Übergangsaufbau,
bei denen die Steuerelektrode zur Steuerung ihrer Schaltspannung einen ohmschen Kontakt bildet,
der auf einer Fläche der η,-Schicht oder p,-Schichi
ausgebildet ist, kann die Steuerung der Gleichrichtereigenschaft, insbesondere der Schaltspannung, nur
dadurch erreicht werden, daß ein elektrisches Signal an die Steuerelektrode gelegt wird.
Ferner ist ein Vi'.rschicht-Halbleiterbauelement der
eingangs genannten Art bekannt (französische Patentschrift 1 498 000), bei dem eine Steuerung des Schaltzustandes
-■· gesperrt oder durchgeschaltet — in Abhängigkeit vom Druck erfolgt. Dazu wird ein Übergang
z\ ischen unterschiedlich dotierten Halbleiterbereichen
verwendet, bei dem die durch die Anlegung eines Drucks bewirkte Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration
in der bei entsprechend angelegter Vorspannung vorhandenen Sperrschicht einen Lawineiidurchbruch
bewirken kann. Der Lawinendurchbruch hat die Anreicherung mit Ladungsträgern zur Folge, wodurch die
Durchschaltung des Elements in der Funktionsweise eines Thyristros erfolgt. Bei einem derartigen Bauelement
sind die Größen, die die Abhängigkeit der Lauinendurchbruchspannung vom angelegten Druck
bestimmen, nur schwer genau zu steuern. Dadurch ergeben sich nachteiligerweise entweder große Toleranzen
oder zur Erzielung enger Toleranzen ein hoher fertigungstechnischer Aufwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein HaIblciterbauelement
der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei geringem fertigungstechnischem Aufwand
genau definierte Schaltfunktionen innerhalb e'iger Tolerenzgrenzcn besitzt.
Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Metallelektrode
mit dem zugehörigen Halbleiterhercich eine Schottky-Sperrschicht bildet.
Durch das erlindungsgemäßc Halbleiterbauelement
wird ein auf Druck ansprechender elektronischer Schalter geschaffen, der dadurch, dall er keine mechafrischen
Kontakte aufweist, eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Lebensdauer besitzt. Mit dem .. iidungsgemäßen
Halbleiterbauelement kann ein in / bhängtgkeit
von anderen Parametern steuerbarer Strom in Abhängigkeit vom Erreichen eines Schwellwerts durch
den angelegten Druck ein* und ausgeschaltet werden,
wobei die Größe des Stroms unabhängig von der Größe des angelegten Drucks ist. Die Größe des
Drucks ist bei dem errinditngsgemäßen Halbleiterbauelement
nämlich ohne Einfluß auf seine Stromes Verstärkungseigenschaften,
Das erfindungsgcmäße Halbleiterbauelement wird, Wenn es einen p-n-p-n*Aufbäu besitzt, dadurch gebildet, daß eine Schicht aus eiltet Golrl-Anlinion-Le-
gferung aur eine Oberfläche eines nicht außenliegenden das einen Viersphiehtaufban aufweisende
p-leitenden Bereiches aufgebracht wird und daß der dieser Ausfiihrungsform über die .iei
außenliegende η-leitende Bereich durch Verschmelzen schicht vorgespannt ist, erhöht sich die
der mit der Gold-Antimon-Legierung bedeckten Ober- injizierten Löchern aus dem piemen
fläche dieses p-leitenden Bereiches mit einer Metall- § ^-ßereich 2 durch die Ausübung eines μ
unterlage gebildet wird. Vorteilhafterweise enthält die die Schottky-Sperrschicht, wodurch das
Gold-Antimon-Legierung 1 bis 5 Gewichtsprozent leicht durch diese Wirkung zusammen nm <£·' ■■
Antimon. tion der Elektronen von dem η,-Bereich 4 in den
Besitzt das erfind ungsgemäße Halbleiterbauelement leitenden Zustand gelangt. Der bemerkenswerte uneinen
n-p-n-p-Aufbau, wird es dadurch gebildet, daß ip terschied zwischen dem erRndungsgemawen n* u
eine Schicht aus einer Gold-Gallium-Legierung auf leiterbauelement und einem herkomm licnen aus ViC1
eine Oberfläche eines nicht außenliegenden, η-leitenden Schichten aufgebauten Thyristor besteht darm, q*w
Bereiches aufgebracht wird und daß der außen- Triggersignal aus einem mechanischen bigna liegende
p-leitende Bereich durch Verschmelzen der das durch einen Druck auf das Bauelement
mit der Gold-Gallium-Legierung bedeckten Oberfläche 15 wird. . , ...
dieses η-leitenden Bereiches mit einer Metallunterlage F i g. 2 stellt ein typisches Kennhnienteld dar _mii
gebildet wird. Vorteilhafterweise enthält die Gold- dem ausgeübten Druck als Parameter, das oei e nei
Gallium-Legierung 4 bis 10 Gewichtsprozent Gallium. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eri ai en
Die Verwendung einer Gold-Antimon-Legierung wurde. Bei diesem Bauelement verringert mc π u.l
Szw. Gold-Gallium-Legierung ist bei druckelek- 20 Schaltspannung mit einer Erho^.ng des urucKes r,
.-,-,chen Wandlern zur Bildung von n- Hw. p-Be- der auf die Druckvorrichtung 6 ausjeubt wira;
-■ - -· ·
Ein konkretes Ausführungsbeispiel eines gemäß der
vorliesenden Erfindung ausgebildeten Halb'eiterbauelements
soll an Hand der F i g. 1 beschrieben werden. 25 Ein p-leitendes Silicium-Plättchen 1 mit einem spezifischen
Widerstand von ungefähr 1012 · cm und einer
Dicke von 150 μπι wird hergestellt, und nach dem herkömmlichen
Epitaxialverfahren wird eine gewachsene Schicht 2 mit η-Leitung hergestellt. D.ese gewachsene
30 Schicht 2 hat eine Dicke bis zu 5 μιτι und einem spezifischen
Widerstand von 1,512 · cm. Der Dotierungsstoff ist Phosphor. Sodann wird ein Oxydfilm 8 auf die
Oberfläche der epitaxial gewachsenen Schicht 2 bis zu
maücn venanren ausiunroar ,si. einer Dicke von ungefähr 5000 A, z. B. durch die Zer-
Fm eemäß der vorliegenden Erlindung aufgebautes 35 Setzung von Siloxan bei niedriger Temperatur^ au
Halbleiterbauelement, dessen Aufbauprinzip in F i g. 1 gebracht, sodann wird ein vorbestimmtes Fenster ,ur
■ ■·■ ■" · die Diffusion in dem Film ausgespart, und e<
wird Bor
bis zu einer Tiefe von ungefähr 3 am durch das Fenster
leiterunteriage . ausseoiiutri w.ru. »du c... r,CHC„Uu eindiffundiert, um den p-leitenden jPi'-^'f 3 /,U
φ, ,-Bereich 3 in dem η-leitenden (n,)-Bereich 2 und 40 bilden. Der η-leitende (n.J-Bereich 4 ^ d« R^
cm n-leitcndcr (n2)-Bereich 4 auf der Ruckseite der seite der p-leitenden Unter agc 1 ist durch D ffus.on
von Phosphor mit einer Dicke von ungefähr 5 μηι ausgebildet.
Sodann wird ein Fenster ;n dem Oxydfilm 8 auf der epitaxial gewachsenen, η-leitenden Schicht 2
1 eichen bekannt (USA.-Patentschrift 3 336 795).
Im folgenden wird die Erfindung an Hand schematicher
Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher ..-Häuten. Es zeigt
F i g. 1 eine Schnittansicht, aus der der prinzipielle
■Vifhau des erfindungsgemäßen auf Druck ansprechenden
Halbleiterbauelements hervorgeht,
F i g. 2 eine Kennliniencharakterislik eines erfinliangsgemäßen
Halbleiterbauelements und
F i g. 3 einen Schnitt durch eine gemäß der vorlegenden
Erfindung ausgebildete Ausführungsform, die einen Aufbau zeigt, der gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren ausführbar ist.
dargestellt ist. wird dadurch hergestellt, daß ein n-leitender ( λ,!-Bereich 2 in einer p-leitenden (p2)-Halbleiterunterlage
1 ausgebildet wird, daß ein p-leitender
ih 3 i d lid ()Bih 2 nd
p-leitenden (p2|-Halbleilerunterlage 1 ausgebildet werden,
daß ein Metallfilin 5 zur Ausbildung einer Schottky-Sperrschicht auf den Oberflächenteil dieses
η-leitenden Bereiches 2 aufgebracht und eine Druck- 45 geöffnet, und es wird im ,.
vorrichtung 6 vorgesehen wird, um einen Druck auf einer Dicke von ungefähr die Schottky-Sperrschicht auszuüben. In dem in F i g. 1
gezeigten Halbleiterbauelement wird nunmehr der
gezeigten Halbleiterbauelement wird nunmehr der
ρ,-Bercich 3 durch die ohmsche Metallelektrode 7, .^,.,v... _ —
die auf diesem Bereich aufgebracht ist. auf F.rd- 50 Elektrode 7, die aus einem aufgedampften Alum:r
potential gehalten, während die Schottky-Sperrschicht- fil-i besteht, wird auf der Oberfläche des p,-Bereiches
elektrode 5 durch eine Spannungsqudle 9 auf einem """'"
negativen Potential gehalten wird, und eine Vorspannung
wird an den Hauplstromkreis. d. h. p,. n,,
, _ im durch
zerstäubung aufgebracht, um die Schottky-Sperrschicht zwischen der unteren, epitaxial gewachsenen
Schicht 2 und dem Film auszubilden. Fine ohmsche
Π Π nfMCIIl. WIl U ClLiI VJi-I wi>v.i iiu~.-~ ,.,
aufgebracht: sodann wird ein GnIdIiIm (nicht dargestellt)
auf die Oberfläche des Molyl.dänmetalHilins 5
und diese ohmschi? f lektrode 7 aufgebracht, um the
pannung wird an den naupisimmKms. u. 11. μ,. ■■,, u„u ,.,,«..,v . . .- ._
2. n2. vermittels einer Spanniingsquclle 10 über einen 55 Verbindung /u tier äußeren Drahtzuführung zu ver-
n-Ieitcnden (n2)-Bereich 4 angelegt, so daß ein Über- bessern,
gang zwischen dem ρ,-Bereich 3 und dem 11,-Bereich 2 An das Halbleiterbauelement wird eine Vorspannung
in Vor«.ui^richtung gepolt und ein Übergang zwischen durch die Spannungsquelle 9 zwischen dem n,- und
1 eich 1 und dem ^-Bereich 2 in Rückwärts- ρ,-Bereich angelegt, so daß dieser ρ,-Ht-Übergam:
"rgespannt ist. In diesem Zustand erhöht 6a über die Metallelektrode 5 der Schottky-Sperrschicln
ein Druck auf die Schottky-Sperrschicht, in Vorwärtsrichtung gcpolt ist (deshalb ist der Schoi
■m n,-Bereich 2 aufgebracht ist, von der ky-Spcrrschichf'ibcrgang in Rückwärtsrichtung g
des Metallfilms 5 aus durch die Druck- polt), und andererseits wird ein Druck P auf diesn'
ij 6 ausgeüb". wird, der Rückwäflsstrom, der Schottky-Sperrschichtteil durch eine Diuckvornc ·
-c Schotlky^Sperrschichl fließt, d. h. der 65 tung ausgeübt, z. B. durch ein Druckglied. das a
m des Thyrislorbctriebs, und die Vorrich- einer Saphirnadel hergestellt ist, deren Radius ;m
lsi in den reitenden Zustand. Dieses Phä- ihrem spitzen Ende 50 μιτι beträgt. Ferner wird dun ■<
I mehr im einzelnen beschrieben werden. Da die Spannungsquellc 10 eine vnrbestimmte SpanuuiM
dem p2-1
richtun ■
sich, w>
die aul
OberfUU
vorrichi
durch '
Steuerst
lung ginomen
richtun ■
sich, w>
die aul
OberfUU
vorrichi
durch '
Steuerst
lung ginomen
zwischen, de'ri p(>- fin p2! n2-ßefeiGlien angelegt,
Uni ddh Übergang zwischen dem pj-Befeich i lind dem
ftj-Bereich 2 in Rückwäflsfichiiifig' vorzuspannen. Öie
in" F i gi 2 gezeigten KenillinienkufVen stellen Kaftiodenstfömdruck-Anspreclikennlinieri
dieser Ausfühfungsforrn dar, wobei der Druck P durch eine gewicihtsmäßig'e
Belastung (in öfäfrifrii dargestellt ist.
Aus F i g. 2 ist zu ersehen, daß die SchaitspaUniing
abnimmt, wenn die auf die Schottky-Sperrschicht ausgeübte Belastung wächst. Wenn ein Bauelement, das
eine solche Kennlinie aufweist, in eine Schaltung eingebaut wird, kann das Schaltsystem je nach dem
Druck, der auf die Schottky-Sperrschicht ausgeübt wird, in einen »aus«- oder »eiiT-Zustand geschaltet
werden. Dieses Bauelement arbeitet als sogenannter elektronischer Schalter. Obgleich diese Ausführungsform an Hand eines p-n-p-n-Aufbaus beschrieben
wurde, kann die vorliegende Erfindung ebenso gut auf ein Bauelement mit einem n-p-n-p-Aufbau angewandt
werden. Nachfolgend soll als weitere Ausführungsform zusammen mit deren Herstellungsverfahren ein
in F i g. 3 dargestellter p-n-p-n-Aufbau beschrieben werden, der leichter hergestellt werden kann.
Zunächst wird eine epitaxial gewachsene Schicht 12. die als Verunreinigung Phosphor in einer Konzentration
von ungefähr 5 · 10'° Atome pro cm3 enthält,
bis zu einer Dicke von ungefähr 5 μηι auf einem p-leitenden Siliciumplättchen 11 mit einer Oberflächenverunreinigungsdichte
von ungefähr 1 · 1016 Atome pro cm3 ausgebildet. Sodann wird ein p-leitender
Bereich 13, der eine gewünschte Form aufweist, in dieser epitaxial gewachsenen Schicht 12 in einer Tiefe
von ungefähr 2μηι ausgebildet, in dem eine Akzeptorverunreinigung
eindiffundiert wird. Hierauf wird ein isolierender Film 14 (gewöhnlich ein Siliciumoxydfilm)
auf die Oberfläche der epitaxialen Schicht 12 und des Bereiches 13 aufgebracht, und in dem Film werden an
vorbestimmten Teilen auf der Oberfläche dieser epitaxial gewachsenen Schicht 12 bzw. der Oberfläche
des Bereichs 13 Fenster geöffnet, um Elektroden auszubilden. Sodann wird ein Molybdänmetallfilm 15 auf
der Oberfläche dieser η-leitenden, epitaxial gewachsenen Schicht durch Kathodenzerstäubung ausgebildet, um
dort die Schottky-Sperrschicht auszubilden, und auf der Oberfläche des p-leitenden Bereiches 13 wird durch
Aufdampfung eine ohmsche Elektrode 16. z. B. durch eine Gold-Chrom-Legierung ausgebildet, deren Chromgehalt-3
bis 15 Gewichtsprozent beträgt. Hierauf wird die Rückseite des Siliciumplättchens Il thermisch mil·
einer Auflage 18 über eine zwischengeschichtete GoId-Antirfion-Leg'iefüng
vefschmöizeTi. Bei diesem thermisch
durchgeführten VeTseIimelzUng*spfözeß eigiieü
sich als Gö(dvShtiriion=Legierürig eine Goldlegierung
mit 1 bis 5 GewiehtspfozeiÜÄntimdnj Und zuni Beispiel
έ wird) nachdem die Goldlegierung" auf diö Üiiieflage"
(SilidiumpiäÜchen) 11 aufgedampft worden ist, die
Unterlage Ü thermisch mit der Auflage IS vefschmolzen.
Zu diesem Zeitpunkt ist auf der Rückseite* des
Plättchens 11 ein I.egierungsübergangsbereich 19 ausgebildet.
Der I.egierungsübergangshereich 19 dient als F.lektronenemissionsquelle in der Vorwärtsrichtung.
Dieses Halbleiterbauelement weist nach dem obigen Verfahren den Silicium p-n-p-n-Aufbau auf, und wenn
auf die Schottky-Sperrschicht, die auf der Oberfläche
des n-leilenden Bereiches 12 vorgesehen ist. mit Hilfe
eines Druckgliedes, z. B. einer Saphirnadel, deren Radius an dem spitzen Fnde 50 um beträgt. einDruck
aufgebracht wird, zeigt dieses Bauelement eine Kathodenstromdruck-Ansprechcharakteristik. die ähnlieh
der in F i g. 2 gpzeigten Charakteristik ist. Mit den Bezugszeichen 21. 22 und 23 sind in F i g. 3 Draht-Zuführungen
bezeichnet, die mit dem p-leitenden Bereich 13. der Schottkyelektrode 15 bzw. dem Legierungsübergangsbereich
19 verbunden sind. Wenn die Vorspannung an die entsprechenden Elektroden angelegt
wird, wie es in F i g. 1 dargestellt ist, so führt das Bauelement einen Thyristor-Betrieb aus.
Obgleich dieses Ausführungrbeispiel an Hand eines p-n-p-n-Aufbaus beschrieben wurde, kann im Prinzip
dasselbe Verfahren bei einer Vorrichtung mit einem n-p-n-p-Aufbau durchgeführt werden. In diesem Falle
wird vorzugsweise z. B. Niobium an Stelle von Molybdän als Metallfilm 15 verwandt, um die Schottky-Sperrschicht
auszubilden, da als Basis die p-leitende Unterlage dient, und des Herstellungsverfahrens kann
weiterhin leicht ohne Änderung dann durchgeführt werden, wenn eine Gold-Gallium-Legierung mit 4 bis
10 Gewichtsprozent Galliumbestandteil als thermisch schmelzbares Metall zur Ausbildung der Legierungs-Übergangselektrode
an Stelle der Gold-Antimon-Legierung verwandt wird.
Ein gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildetes Halbleiterbauelement bildet einen Thyristor, der eine
auf einen Druck ansprechende Charakteristik aufweist.
und bei der Herstellung des Bauelements kann der n2-Bereich gleichzeitig mit der Verbindung J£s Bauelements
mit einer Auflage ausgebildet werden, weshalb das Herstellungsverfahren äußerst leicht ist und die
Verwendungsmöglichkeit in einem sehr großen Bereich liegt.
Hierzu 1 Blatt: Zeichnungen
Claims (5)
1. Auf Druck ansprechendes Halbleiterbauelement
mit einem Halbleiterkörper, der vier übereinander
angeordnete, schachtförmig ausgebildete Halbleiterbereicfte mit abwechselnd entgegengesetztem
Leitfähigkeitstyp enthält, bei dem auf einem Teil der Oberfläche eines nicht außenliegenden Bereiches
eine Metallelektrode angebracht ist und hei dem eine Druckvorrichtung zum Ausüben
eines Drucks auf diese Metallelektrode vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallelektrode (5, 15) mit dem zugehörigen Halbleiterbereich (2, 12) eine Schottky-Sperrschicht
bildet.
2. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
nach Anspruch 1 mit einem p-n-p-n-Aufbau, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht
aus einer Gold-Antimon-Legierung auf eine Oberfläche eines nicht außenliegenden p-leitenden Bereiches
aufgebracht wird und daß der außenliegende n-!eitende Bereich durch Verschmelzen
der mit der Gold-Antimon-Legierung bedeckten Oberfläche dieses p-leitenden Bereiches mit einer
Metailunterlage gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Jie Gold-Antimon-Legierung 1 bis
5 Gewichtsprozent Antimon en'hält.
4. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
nach Anspruch 1 r it einem n-p-n-p-Aufbau. dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht
aus einer Gold-Gallium-Legierung auf eine Oberfläche eine*, nicht außenliegenden η-leitenden Bereiches
aufgebracht wird und daß der außenliegende p-Ieitende Bereich durch Verschmelzen
der mit Gold-Gallium-Legierung bedeckten Oberfläche
dieses η-leitenden Bereiches mit einer Metailunterlage gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet,
daß die Gold-Gallium-Legierung 4 bis 10 Gewichtsprozent Gallium enthält.
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