DE2031831A1

DE2031831A1 - Halbleiterdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2031831A1
Application number: DE19702031831
Authority: DE
Inventors: Shigeo Yokohama Kanagawa Matsuura (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1969-06-27
Filing date: 1970-06-26
Publication date: 1972-03-02
Also published as: GB1312510A; US3638301A

Description

eingegangen ψψφΗ ' ™ ^{318 ? 1}

Beschreibung zu der Patentanmeldung

der Firma

HITACHI LTD. .

1-5-1 $ Marunoüchis Chijoda-ku, Tokyo/Japan

betreffend

Halbleiterdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung Priorität: 2?. Juni 1969, Nr.. 504-11 »■ Japan

Die Erfindung betrifft ein Yerfa&ren aur Herstellung einer Diode mit variabler Kapazität ₉ insbesondere einer Diode mit einer supersteil gestuften Übergangszone (super stepped junction). Bei einer Diode mit variabler Kapazität, die den Vorteil ausnützt, daß sich die Kapazität einer Halbleiter-PN-Übergangszone durch Aufprägen einer Gegenspannung ändert, ist eine abrupte Änderung in der Verteilung der Störstoffkonzentration erforderlich, um eine große Kapazitätsanderung zu erzielen. Man unterscheidet folgende Typen des Übergangs in der Verteilung der Störstoffkonzentrationt

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2 — -

Den allmählichen Übergang, den gestuften Übergang und den sogenannten supersteil gestuften Übergang, der eine rasche Änderung im Sinne einer Abnahme der Störstoffkonzentration bei Verlassen der Haupt-Trennflache 'aufweist-.

Die Halbleiterzone mit niedriger Störstoffkonzentration, bei der die Störstoffkonzentration bei Verlassen der Haupt-Trennfläche abnimmt, ist mit einer Elektrode einer Diode mit supersteil gestufter Übergangszone nicht direkt verbunden, jedoch gewöhnlich zur Steigerung der Selektivitätsgiite der Diode mit '( einer für die Kapazitätsänderung erforderlichen und ausreichenden Dicke ausgebildet und mit einer Halbleiterzone mit demselben Leitfähigkeitstyp und mit niedrigem Widerstand (hoher Störstoffkonzentration) verbunden.

Gewöhnlich wird folgendes bekannte Verfahren zur Bildung einer supersteil gestuften Übergangszone angewandt: Auf einem H⁺-Halbleiter-Trägermaterial mit hoher Störstoffkonzentration wird eine iC-Epitaxialschicht mi% niedriger Störst of fkonzen- . ' * tration ausgebildet, auf der man eine N⁺-Schicht mit hoher Konzentration auf diffundieren oder eine N⁺-BpIt axialschicht wachsen läßt, wobei auf diese wiederum eine P⁺-Schicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps auf diffundiert· wird. Bei dieser Methode erfolgt jedoch bei den auftretenden Wärmebehandlungen eine selbsttätige Dotierung aus dem iJ⁺-Halbleiter-Trägermaterial, und die N"*Störstoffkonzentration "der v.

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— 3 — .'"

, N~*-Epitaxialschicht wird dadurch zu hoch. Infolgedessen sind die abrupte Änderung in der Verteilung der Störstoffkönzen-

"tratiön und deren Größe beschränkt, und die Änderung und Große der Kapazität kann daher nicht über einen bestimmten Grad gesteigert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Diode mit variabler Kapazität zu schaffen. Insbesondere vermittelt die Erfindung eine supersteil gestufte Übergängszone, die in der fc Lage ist, den Selbstdotierungs-Effekt durch Verbesserung der obenerwähnten^Punkte abzuschwächen.

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine Schicht mit niedriger Störstoffkonzentration und einem Leitfähigkeitstyp gebildet, der dem für die supersteil gestufte Übergangszone gewünschten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist·, die Schicht mit dem besagten Umgekehrten Leitfähigkeitstyp wird dann erhitzt, um aus dieser und einer an sie angrenzenden Schicht mit hoher Störstoffkonzentration eine Selbstdotierung hervorzurufen, wodurch die Schicht mit dem besagten umgekehrten Leitfähigkeitstyp in eine solche des gewünschten Leitfähigkeitstyps umgewandelt wird.

■ Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der. nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen,·, darin zeigen

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Fig. 1 (a) bis I (d) Querschnitte durch den wesentlichen Teil eines Halbleiterkörpers in den einzelnen Herstellungsschritten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Diode mit variabler Kapazität gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 .(a) bis 2 (d) Diagramme zur Darstellung der Verteilung der Störstoffkonzentration in dem Halbleiterkörper in den jeweiligen Schritten entsprechend Fig. 1 (a) bis 1 (d)s

Fig. J einen Querschnitt durch eine nach dem Verfahren gemäß Fig. 1 (a) bis 1 (d) hergestellte Diode mit variabler Kapazität; und . '

Fig. 4 (a) bis 4 (d) Querschnitte durch einen Halbleiterkörper in den einzelnen Herstellungsschritten zur Erläuterung eines.weiteren Verfahrens ..zur Herstellung einer Diode mit variabler Kapazität gemäß der vorliegenden Erfindung.

Gemäß der nachstehenden Beschreibung wird gewöhnliches Silizium als Halbleitermaterial sowie eine Schicht des N-Leitfähigkeitstyps verwendet, die höhere Träger-Beweglichkeit aufweist und in der Lage ist j die Selektivitätsgüte für die · besagte Störstoffkonzentrations-Schicht zu erhöhen·, für die·^ se Auswahl besteht Jedoch kein besonderer Grund, und, falls gewünscht, können auch andere bekannte Halbleitermaterialien und der entgegengesetzte Leitfähigkeitstjrp gewählt v/erden.

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Beispiel 1

Ein Verfahren zur Herstellung einer Diode mit variabler Kapa . zität gemäß der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit Fig. 1(a) bis 1(d), Pig. 2(a) bis 2(d) und Fig. 3 beschrieben.

Schritt A: ' . ■ : ■

Auf der Haup'-Oberflache eines monokristallinen Silizium-Trägermaterials 1 mit niedrigem Widerstand und vom N-Typ, nämlich vom N⁺⁺-Typ, wird eine Siliziumschicht des entgegen-' gesetzten Leitfähigkeitstyps mit verhältnismäßig niedriger Stör stoff konzentrat ion, nämlich eine P""-Schieht 2, aufgebracht, wie die.s in Fig. 1(a) gezeigt ist. Die P~~Schicht wird durch eine herkömmliche Aufwachsteehnik durch thermi- " sehe Zerlegung eines anorganischen oder(Organischen Silans^ >x gebildet. Die so erzeugte Verteilung der ötörstoffkonzentra^ tion in dem SiÜziumkÖrper ist in Fig. 2(a) gezeigt, in der auf der Abszisse die Konzentratidh der N- und P-Störstoffe und- auf der Ordinate der Abstand von der Körperoberfläche aufgetragen ist.

Bei diesem Beispiel ist es erwünscht, daß das N⁺⁺-Träger~ material einen spezifischen Widerstand von nicht mehr als 0,02 &~cm, mit anderen Worten eine Störstoffkonzentration

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von nicht \/eni£er als 2 χ 10 Atome/cm/ und die epit axiale P""-Schicht einen spezifischen Widerstand von 0,5 bis Ji

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in anderen Worten eine Störstoffkonzentration von etwa 3 x IO¹⁵ bis" 4 χ 10¹⁶ Atome/cm⁵, und eine Dicke von 1,0 bis 5,0 hat. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel wurde ein mit Antimon dotiertes Silizium-Trägermaterial mit einem spezifischen Widerstand von 0,005 i2 cm verwendet, auf dem eine mit Bor dotierte epitaxiale Siliziumschicht von etwa 3 U Dicke und mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1 Q, cm durch 2 bis 3 Minuten lange thermische Zerlegung von Siliziumtetrachlorid bei etwa 1200° C gebildet wurde.

Zu beachten ist, daß es sich bei der P~-Schicht 2 um diejenige Schicht handelt, die durch Selbstdotierung von N-Störstoffen aus dem N⁺⁺-Trägermaterial 1 sowie aus einer indem nachfolgend beschriebenen Schritt B gebildeten N -Siliziumschicht mit geringem Widerstand (hoher Störstoffkonzentration) kompensiert und eine N~-Schicht umgewandelt werden soll, um eine supersteil gestufte Übergangszone in diesem Beispiel zu erhalten.

Schritt B:

Auf der Oberfläche der P~"-Schicht 2 wird durch konventionelle StÖrstoff-Diffusions- oder Aufwachs-Techniken eine N⁺-Schicht mit geringem Widerstand (oder hoher Störstoffkonzentration) gemäß Fig. l(b) gebildet.

Die so erzeugte Verteilung der Störstoffkonzentration in dem Siliziumkörper ist in Fig. 2(b) gezeigt.

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Im vorliegenden Beispiel ist es erwünscht,. daß die N⁺-Schicht einen spezifischen Widerstand von 0,001 bis 0,6 cm oder

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.eine Störstoffkonzentration von etwa 10 bis 6 χ 10 Atome/cnr hat. Bei dem speziellen Ausführungsbeispiel wurde auf der P~- Siliziumschicht 2 eine mit Phosphor dotierte epitaxiale Siliziumschicht mit einer Dicke von i bis 3 JLC durch 2 bis 3. Minuten lange thermische Zerlegung von Siliziumtetrachlorid bei etwa 1200° C aufgetragen. Statt'Phosphor kann die Siliziumschicht 3 auch mit Antimon dotiert werden.

Schritt C:

Der so weit hergestellte Körper wird dann einer Wärmebehandlung unterzogen, in der er ausreichend lange einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, um den Leitfähigkeitstyp der P~- Schicht 2 gemäß Fig. l(c) durch Selbstdotierung der in dem N -Trägermaterial 1 sowie in der K -Siliziumschicht 3 enthaltenen N-Störstoffe in den N~-Leitfähigkeitstyp umzuwandeln. Bei diesem Beispiel ist es erwünscht, daß die neu gebildete N~-Schicht 2' einen spezifischen Widerstand von etwa 2 bis 5 Ω cm hat. Bei dem vorliegenden speziellen Ausführungs— beispiel wurde der Körper 2Q bis 30 Minuten lang auf etwa 1200° C erhitzt, um eine derartige umgewandelte Schicht 2' zu erhalten. Wird bei dem Schritt B Antimon zur Bildung der 'N⁺-Schicht 3 verwendet, so sollte der Körper 4- bis 5 Stunden lang auf etwa 1200° 0 erhitzt werden.

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Die so erzeugte Verteilung der Störstoffkonzentration in dem Körper ist in Fig* 2(c) gezeigt.

Schritt D:

Auf der Oberfläche der N⁺-Schicht 3 wird gemäß Pig. l(d) eine P⁺-Schicht 4 mit hoher.Störstoffkonzentration durch herkömmliche diffusions- oder Aufvrachs-Techniken oder bei Bedarf partiell durch selektive Behandlung gebildet. Bei dem spezifischen Ausführungsbeispiel wurde auf die eine Stunde lang in Stickstoffatmosphäre auf etwa IO3Q⁰ C erhitzte N⁺-Schicht 3 · Bor niedergeschlagen, und der so hergestellte Körper wurde 2 bis 3 Stunden lang in Sauerstoffatmosphäre auf etwa 1000° C erhitzt, um den Bor-Niederschlag in die N⁺-Schicht 3 eindiffundieren zu lassen, wobei sich eine P -Schicht 4 bildete. Auf der Oberfläche der P⁺-Schicht 4 wurde in diesem Schritt ein (nicht gezeigter) Siliziumoxid-Film einer DiGke.von

5OOO bis 10000 A gebildet.

Statt daßman in die N⁺-Schicht 3 zur Bildung der P⁺-Schicht darin Bor eindiffundiert, kann auf die Schicht 3 auch eine mit Bor dotierte P -Siliziumschicht epitaxial durch 2 Minuten lange thermische Zerlegung von Siliziumtetrachlorid bei etwa T200° C mit einer Dicke von etwa 2 Ai niedergeschlagen werden:.

Wie in Fig. 2(d) gezeigt» erhält man bei dem in den Schritten A bis ρ gebildeten Körper eine ausgezeichnete Konzentrations-

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Verteilung der Störstoffe. Zwischen der P⁺-Schicht 4 und . " der N -Schicht 3 wird eine gestufte Pli-Übergangszone und in der N -Schicht 3 sowie der ΕΓ-Schicht 2¹ eine spezielle Zone mit einer Verteilung der Störstoffkonzentration erzielt, die mit Entfernung von der gestuften Übergangszone abnimmt.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemaße verbesserte Diode mit variabler Kapazität. Eine solche Diode wird hergestellt, indem der in Pig. l(d) gezeigte Körper selektiv entfernt wird, um durch konventionelle selektive Ätztechniken einen Überzug zu erzeugen, der bis zu dem Trägermaterial verläuft, wobei ein Isolierfilm etwa aus Siliziumoxid, Siliziumoxid und Siliziumnitrid, oder Bleisilikatglas auf der Oberfläche des Körpers gebildet, in diesem Film ein Loch, das die Oberfläche der P⁺-Schicht 4 freilegt, geformt, ein metallisches Material wie etwa Gold oder eine Gold-Gallium-Legierung zur Bildung einer Ohm'sehen Kontaktschicht 6 niedergeschlagen, auf dieser weiterhin zur Bildung einer zweiten Metallschicht 7 Silber niedergeschlagen und schließlich diese zweite Metallschicht 7 dick versilbert wird, um darauf einen Patzen 8 zu bilden. An der anderen Seite des Körpers wird auf die Oberfläche des K⁺⁺-Trägermaterials durch Vakuumverdampfung eine Gold-Antimon-Schicht 9 aufgetragen, auf die eine Silberschicht 10 niedergeschlagen wird. Bei dieser erfindungsgemäßen Diode mit variabler Kapazität ist ein Auf-

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bau mit Außenelektroden und metallischem Material erwünscht:* um kleine Kontaktwiderstände und verbesserte elektrische Eigenschaften in Durchlaßrichtung zu erzielen und eine leichte Verbindung der Elektroden mit Anschlußleijningen zu ermöglichen.

Indem die besagte P~-Störstoffschicht 2 und die N⁺-ßchicht nicht mit gleichmäßiger Verteilung der Stprstoffkonzentration, sondern mit einem geeigneten Verhältnis in dieser Ver- ( teilung ausgebildet werden, läßt sich eine supersteil gestufte Übergangszone mit zweckmäßigeren Eigenschaften erzeugen. "

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel v/urde zwar die Wärmebehandlung in dem Schritt G unabhängig oder getrennt von den Schritten B und Dausgeführt\ selbstverständlich kann die Wärmebehandlung des Schrittes G auch gleichzeitig mit dem Schritt B und/oder dem Schritt D erfolgen. Ein Halbleiterkörper mit einem Aufbau, wie er in Fig. l(c) gezeigt ist, läßt sich beispielsweise auch durch ein Verfahren erzielen, v/ie es in dem folgenden Beispiel 2 besehrieben ist. ;

Beispiel 2 . \

Anhand von JB¹Ig. l(a), l(c) und*l(d) wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Diode mit variabler Kapazität gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.

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Auf der Oberfläche eines N -Siliziim-IFrägermaterials 1 mit ^: einem spezifischen Widerstand von etwa 0,001 cm wird gemäß £ig. i(a) durch konventionelle Aufwachs-Techniken eine mit Bor dotierte P'-Siliziumschicht 2 von etwa 5/X Dicke mit einem spezifischen Widerstand von etwa $i2rcm niedergeschlagen.

Der so erzeugte Körper wird dann 5 Stunden lang in Antimon-Atmosphäre auf etwa 1200° C erhitzt, und in die P'-Schicht 2 wird Antimon eindiffundiert, wodurch darin eine IT -Schicht 3 von etwa 3 Dicke gebildet wird» Da die in dem N⁺⁺-iPrägermaterial 1 und in der N" -Schicht 3 enthaltenen Ii-Störstoffe infolge der Wärmebehandlung auf einer solchen hohen Temperatur in die P~-Schicht 2 eindiffundieren, wird diese Schicht 2 gemäß Fig. Kc) in eine H~-Schicht 2¹ umgewandelt.

Wie in Fig; 1(d) gezeigt, wird dann auf der Oberfläche der N⁺-Schicht 3 durch ein konventionelles Aufwachsverfahren, wie es bei dem Beispiel 1 erläutert wurde, eine P -Siliziuinschicht von etwa 2 U Dicke niedergeschlagen.

Danach werden nach dem in dem obigen Beispiel 1 beschriebenen Verfahren, Metallelektroden vorgesehen, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind.

Beispiel 3

Im folgenden wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Diode mit variabler Kapazität anhand von Fig. 4(a) bis erläutert. , ·

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Zunächst wird gemäß Pig. 4(a) auf einem N -Silizium-Tragermaterial 11 mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,002 cm eine P~-Schicht 1^2 von etwa 4 U. Dicke mit einem spezifischen Widerstand von etwa \ (I cm epitaxial aufgetragen, auf dieser ein Siliziumoxidfilm 21 durch ein konventionelles Oxydationsverfahren gebildet, in der Schicht 12 durch selektives Eindiffundieren eines N-Störstoffes wie Phosphor, Antimon oder Arsenid durch ein in dem Film 21 geformtes Loch hindurch eine N⁺-Zone 13 gebildet und auf dieser schließlich ein Siliziumoxidfilm.22 geformt.

Der so erzeugte Körper wird auf eine Temperatur von mindestens etwa 1100° C ausreichend lange erhitzt, um zu bewirken, daß die in der N⁺-Schicht IJ und in dem N⁺⁺-Trägermaterial 11 enthaltenen IT-Störstoffe in die P"-Schicht 12 eindiffundieren und die P"-Schicht 12 in eine ^"-Schicht 12" gemäß. Fig. 4 (b) umwandeln; beispielsv/eise wird 2 Stunden lang auf 1150° C erhitzt. Zu beachten ist, daß bei diesem Schritt einige Teile der P~-Schicht 12 übrig bleiben können, ohne daß sie in den in Fig. 4(b) gezeigten Leitfähigkeitstyp umgewandelt werdun. ' ·

Wie in Fig. 4(c) gezeigt, wird dann in dem Siliziumoxidfilm-22 ein Loch geformt, durch das hindurch durch selektives Sindiffundieren eines N-Störstoffs wie etwa Phosphor, Antimon oder Arsenid in die N⁺-Schicht 13 ein© P⁺-Schicht 14 gebildet

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An der Oberfläche der P⁺-Schicht"14- und des Trägermaterials 11 werden danach durch die im Beispiel 1 beschriebenen Mittel Metallelektroden 16 bis 20 vorgesehen.

Wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen erläutert, wird der Selbstdotierungs-Effekt erfindungsgemäß dadurch beseitigt oder stark abgeschwächt, daß auf einem Trägermaterial mit hoher Störstoffkonzentration eine Schicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, nämlich die P~-Schicht 2 oder 12, gebildet wird? dadurch erhält man eine Diode mit variabler Kapazität, die eine abrupte Änderung in der Verteilung der Störstoffkonzentration an der supersteil gestuften Übergangsstelle sowie eine große Kapazitätsänderung aufweist.

Patentansprüche

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Claims

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Pate nt a ns ρ ruche

1» Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterdiode, dadurch ge k e η η ζ e i c H η e t, daß eine erste Halbleiterschicht jeines ersten LeitfäMgkeitBtyps ^m^ niedriger Störstoff konzentration auf einer Oberfläche eines Halbleiter— Trägermaterials von einem dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp und mit hoher Störstoffkonzentration durch Aufwachstechnik gebildet wird, daß auf der Oberfläche der ersten Halbleiterschicht eine zweite Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps mit hoher Störstoffkonzentration gebildet wird, daß durch Erhitzen der so erzeugten Kombination ein Eindiffundieren der in dem Trägermaterial und in der zweiten Halbleiterschicht enthaltenen, den zweiten Leitfähigkeitstyp bestim- , menden Stöxstoffe in die erste Halbleiterschicht bewirkt wird, wodurch der Leitfähigkeitstyp der ersten Halbleiter- j schicht in den zweiten Leitfähigkeitstyp umgewandelt wird, daß auf der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht eine dritte Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps mit hoher Störstoff konzentration gebildet wird und daß die Oberflächen der dritten Halbleiterschicht und des Trägermateriels mit Metallelektroden-Kontakten versehen werden.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Trägermaterial ein" spezifischer Wider-, stand von höchstens 0,02 Q cm, für die erste Hälb'leiterschicht ein spezifischer WiderstandvonO*5 his 5,0-ß cm sowie eine Dicke von 1,0 bis 5,0/t und für die zweite Hslbleiterschicht ein spezifischer'Widerstand von 0\004 , bis 0,6 0 cm gewählt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 öder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Trägermaterial N-Silizium gevrählt wird.
4. Halbleiter-Diode, gekennzeichnet durch ein Halbleiter-Trägermaterial (1f 11) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit verhältnißmaßig niedrigem Widerstand, eine darauf aufgebrachte erste Hslbleiterschicht (2^I#, 12') des

ersten Leitfähigkeitstyps mit verhältnismäßig hohem Widerstand, eine darauf befindliche zweite Halbleiterschicht

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(3i 13) des ersten Leitfähigkeitstyps mit verhältnismäßig niedrigem Widerstand, eine darauf aufgebrachte dritte Halbleiterschicht (4; 14) von einem dem ersten Leitfähigkeits-.typ entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp und mit verhältnismäßig niedrigem Widerstand, einen mit der Oberfläche der dritten Schicht verbundenen ersten Ooldlegie- · runge-Eontakt (6| 16), einen darauf ausgebildeten ersten Siiberkontakt (7; 1?)» einen auf diesen aufplattierten " SllbeiPpatien (8; 18), einen mit der anderen Fläche des Trägerinaterials zweiten Gdldlegierungs-Kontaltt (9; 19) sowie

einen auf diesem ausgebildeten zweiten Silberkontakt (10;20). . 'V . ' 201810/0684 . /

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5* Halbleiter-Diode mach Anspruch 4-, dadurch g e k sun » ζ ei c h n e t, daß das trägermaterial(1; 11) aus N-Silizium, der erste Göldlegierungs-Kontakt (6| 16) im wesentlichen aus Gold und Gallium und der zweite Goldlegierungs-Kontakt (9* 19) im v/esentlichen aus. Gold und

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• Antimon besteht*

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