DE2233541C3 - Semiconductor diode having a region with negative differential resistance in the reverse direction and method for its manufacture - Google Patents
Semiconductor diode having a region with negative differential resistance in the reverse direction and method for its manufactureInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterdiode mit gleichrichtendem Metall-Halbleiterübergang, bestehend aus zwei Metallschichtelektroden und einem Halbleiterkörper, z. B. aus Silizium, das mit maximal IQ10 Fremdatomen/cm1 dotiert ist, und die IfI Sperrichtung einen Bereich mit negativem differentiellem Widerstand aufweist.The invention relates to a semiconductor diode with a rectifying metal-semiconductor junction, consisting of two metal layer electrodes and a semiconductor body, e.g. B. made of silicon, which is doped with a maximum of IQ 10 foreign atoms / cm 1 , and the IfI reverse direction has a region with negative differential resistance.
In diesem Zusammenhang ist bereits eine Halbleiteranordnung bekannt (s, DE-OS 17 64 840), Welche ein Substrat aus einem η-dotierten Silizium mit einer Dotierungskonzentration von etwa 10(ö cm'·3 aufweist, bei dem auf def einen Haüptseite ein dünner Film aus Molybdän aufgesprüht wird. Dabei wird zwischen dem Halbleiter ürid dem Metall eine Zwischenschicht gebildet, welche eine Schottky-Sperrschicht darstellt. Es ist fernerhin eine Halbleiteranordnung bekannt (s. Electronics and Communications in Japan, Vol. 54-C, Nr. 5, 1971, S, 121 bis 128), bei welchem auf einem aus Keramik bestehenden Substrat eine Tantal-Nitridschicht aufgebracht wird, welche im wesentlichen als Hochfrequenzwiderstand dient. Es ist fernerhin ein Verfahren zum Herstellen gut haftender Metaltkontaktschichten bekannt (s. DE-OS 19 55 716), bei welchem ein Teil der aufzubringenden Metallschicht — beispielsweise Titan — unter Mitwirkung reaktiver Gase auf dem beispielsweise aus Silizium bestehenden Substrat niedergeschlagen wird. Zur Erzielung einer Schottky-Zwischenschicht ist es fernerhin bekannt — s. US-FS 33 31998 — auf einem Halbleitersubstrat, beispielsweise Cadmiumsulfid, eine dünne Schicht aus Isoliermaterial — beispielsweise Aluminiumoxid — aufzubringen. Schließlich ist es bereits bekannt (s. US-PS 35 02 953) auf einer Halbleiterschicht mit einer Störstellenkonzentration von etwa IO13 Atomen/cm3 eine Titandioxidschicht mit einer Dicke von etwa 20 000 A aufzubringen.In this context, a semiconductor arrangement is already known (see DE-OS 17 64 840), which has a substrate made of an η-doped silicon with a doping concentration of about 10 (ö cm '· 3 , in which a main side has a thinner Molybdenum film is sprayed on. An intermediate layer is formed between the semiconductor and the metal, which represents a Schottky barrier layer. Furthermore, a semiconductor device is known (see Electronics and Communications in Japan, Vol. 54-C, No. 5, 1971, pp. 121 to 128), in which a tantalum nitride layer is applied to a substrate made of ceramic, which essentially serves as a high-frequency resistor. Furthermore, a method for producing well-adhering metal contact layers is known (see DE-OS 19 55 716), in which part of the metal layer to be applied - for example titanium - is deposited on the substrate made of silicon, for example, with the help of reactive gases agen will. To achieve a Schottky intermediate layer, it is also known - see US Pat. No. 3,331,998 - to apply a thin layer of insulating material - for example aluminum oxide - to a semiconductor substrate, for example cadmium sulfide. Finally, it is already known (see US Pat. No. 3,502,953) to apply a titanium dioxide layer with a thickness of about 20,000 Å to a semiconductor layer with an impurity concentration of about 10 13 atoms / cm 3.
Obwohl es in der oben angegebenen Weise möglich ist, Halbleiterelemente herzustellen, welche unter Verwendung des ScLottky-Effekts eine sprunghafte Strom-Spannungs-Kennlinie unter Umständen auch mit einem oder mehreren negativen Widerstandsbereichen besitzen, so zeigt es sich trotzdem, daß es äußerst schwierig ist, die Ungleichförmigkeiten entlang der Oberfläche des Übergangs ausreichend zu kontrollieren, so daß eine gute Reproduzierbarkeit von derartigen Halbleiterelementen nicht gewährleistet ist.Although it is possible in the manner indicated above to manufacture semiconductor elements which under Use of the ScLottky effect may also result in an erratic current-voltage characteristic with one or more negative resistance ranges, it still shows that it it is extremely difficult to adequately address the irregularities along the surface of the transition control, so that a good reproducibility of such semiconductor elements is not guaranteed is.
Demzufolge ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neuartige, den Schottky-Effekt ausnutzende Halbleiterdiode zu schaffen, deren Strom-Spannungs-Kennlinie auch im Spru. (".bereich hinreichend reproduzierbar ist.Accordingly, it is the object of the present invention to provide a novel, the Schottky effect exploiting To create semiconductor diodes whose current-voltage characteristics are also in the Spru. (". range sufficient is reproducible.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen dem Halbleiterkörper und eirtsr der beiden Metallschichtelektroden eine Molybdän-, Tantal-, Wolfram-, Titan- oder Niob-Nitridschicht angebracht ist und die Dotierung des Halbleiterkörper zwischen 1013 und 10"> Fremdatomen/cm3 beträgt.This object is achieved in that a molybdenum, tantalum, tungsten, titanium or niobium nitride layer is attached between the semiconductor body and one of the two metal layer electrodes and the doping of the semiconductor body is between 10 13 and 10 "> foreign atoms / cm 3 .
Um möglichst optimale Eigenschaften einer derartigen Halbleiterdiode zu erreichen, erweist es sich als zweckmäßig, wenn die Dotierung des Halbleiterkörpers zwischen 1013 und 10" Fremdatomen/cm3 beträgt.In order to achieve the best possible properties of such a semiconductor diode, it proves to be expedient if the doping of the semiconductor body is between 10 13 and 10 "foreign atoms / cm 3 .
1Im fernerhin den Oberflächenanschluß zu erleichtern und die Gefahr von Fehlern, wie etwa Unterbrechungen, zu verringern, erweist es sich fernerhin als zweckmäßig, wenn der Halbleiterkörper eine Vertiefung aufweist, in der die Nitridschicht angeordnet ist. 1 In henceforth to facilitate the connection surface and reduce the risk of errors, such as interrupts, it proves to henceforth be expedient when the semiconductor body has a recess in which the nitride layer is arranged.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen HalWciterdinde wird zweckmaßigerweise derart durchgeführt, daß der Halbleiterkörper und eine Platte aus Molybdän, Tantal, Wolfram^ Titan oder Niob in gegenseitigem Abstand in einem cvakuierbafen Gefäß angeordnet werden, in welchem eine Anodeneleklrode Und eine heizbare Kathödenelektröde in einem vorbestimmten Abstand zum Erzeugen eines Plasmas angeordnet sind, wobei def Halbleiterkörper Und die Platte senkrecht in einem Raum zwischen den beiden Elektroden angeordnet sind, daß anschlie·· ßertd das Gefäß evakuiert und Stickstoffgas in dasThe method for producing the HalWciterdinde of the invention is conveniently such carried out that the semiconductor body and a plate made of molybdenum, tantalum, tungsten ^ titanium or Niobium at a mutual distance in a vacuum chamber A vessel can be arranged in which an anode electrode and a heatable cathode electrode are arranged at a predetermined distance for generating a plasma, def semiconductor body And the plate is arranged vertically in a space between the two electrodes that then The vessel is evacuated and nitrogen gas is poured into it
ZZ δό ZZ δό
evakuierte Gefäß eingeleitet wird, daß dann an die Anodenelektrode und die heizbare Kathodenelektrode eine Gleichspannung zum Erzeugen einer Plasmasäule in dem Raum zwischen dem Halbleiterkörper und der Platte gelegt wird, und daß schließlieh an die Platte eine gegenüber Masse negative Spannung angelegt wird.evacuated vessel is introduced that then to the anode electrode and the heatable cathode electrode a DC voltage for generating a plasma column in the space between the semiconductor body and the plate is placed, and that finally a negative to ground on the plate Voltage is applied.
In diesem Zusammenhang erweist es sich im allgemeinen als vorteilhaft, wenn etwa 3 bis 5 Minuten nach Erzeugen des Plasmas in dem Raum zwischen dem Halbleiterkörper und der Platte die negative Spannung in Höhe von 500 bis 1000 V für etwa 1 bis 20 Minuten an die Platte angelegt wird.In this connection, it is generally found to be advantageous if about 3 to 5 minutes after the plasma has been generated in the space between the semiconductor body and the plate, the negative Voltage of 500 to 1000 V is applied to the plate for about 1 to 20 minutes.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Halbleiterdiode und des Herstellungsverfahrens nach der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung zeigtIn the following, exemplary embodiments of the semiconductor diode and of the manufacturing method are described in accordance with of the invention described. In the drawing shows
Fig. 1 einen vergrößerten Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleiterdiode, Fig. 1 is an enlarged longitudinal section through a Embodiment of a semiconductor diode according to the invention,
F i g. 2 eine Abwandlung der Anordnung nach -o Fig. 1,F i g. 2 a modification of the arrangement according to -o Fig. 1,
F i g. 3 einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung der Halbleiterdiode,F i g. 3 shows a schematic section through an apparatus for producing the semiconductor diode,
F i g. 4 die Strom-Spannungs-Kennlinie einer erfindungsgemäßen Halbleiterdiode,F i g. 4 shows the current-voltage characteristic curve of an inventive Semiconductor diode,
F i g. 5 bzw. 6 eine weitere mögliche Strom-Spannungs-Kennlinie undF i g. 5 or 6 a further possible current-voltage characteristic and
F i g. 7 ein Schaltschema eines Frequenzvervielfachers mit der erfindungsgemäßen Halbleiterdiode, wobei der Eingangs- und Ausgangskurvenverlauf neben dem Eingangs- bzw. dem Ausgangsanschluß dargestellt ist.F i g. 7 is a circuit diagram of a frequency multiplier with the semiconductor diode according to the invention, with the input and output waveforms shown next to the input and output port, respectively is.
Die in Fig. 1 dargestellte Halbleiterdiode umfaßt einen Halbleiterkörper 10 aus einem geeigneten Material, eine dünne Nitridschicht 12 auf einer Seite des Halbleiterkörpers 10, eine Metallschichtelektrode 14 auf der Nitridschicht 12 und eine weitere Metallschichtelektrode 16 auf der anderen Seite des Halbleiterkörpers 10. Auf die Metallschichtelektroden 14 und 16 sind Elektrodenanschlüsse 18 und 20 aufgedampft. The semiconductor diode shown in Fig. 1 comprises a semiconductor body 10 made of a suitable material, a thin nitride layer 12 on one side of the semiconductor body 10, a metal layer electrode 14 on the nitride layer 12 and a further metal layer electrode 16 on the other side of the semiconductor body 10. Electrode connections 18 and 20 are vapor-deposited on the metal layer electrodes 14 and 16.
Der Halbleiterkörper 10 kann aus p- oder n-leitendem Silizium oder Germanium bestehen. Die Schicht 12 besteht aus einem Nitrid eines Metalls aus der Gruppe Molybdän, Tantal, Wolfram, Titan oder Niob. Bevorzugt eignen sich Molybdän und Tantal.The semiconductor body 10 can be made of p- or n-conducting Made of silicon or germanium. The layer 12 consists of a nitride of a metal from Molybdenum, tantalum, tungsten, titanium or niobium group. Molybdenum and tantalum are preferred.
Die Nitridschicht 12 wird auf den Halbleiterkörper 10 durch ein Sputterverfahren in einer Plasmasäule aufgetragen. Die Metallsciiichtelektroden 14 und 16 können aus elektrisch leitenden Metallen bestehen, so wie etwa Aiuminium, Gold, Silber, Kupfer, Nickel usw.The nitride layer 12 is applied to the semiconductor body 10 by a sputtering method in a plasma column applied. The metal sensing electrodes 14 and 16 can consist of electrically conductive metals, see above such as aluminum, gold, silver, copper, nickel, etc.
Die Dotierunp des Halbleiterkörpers 10 beträgt 10" bis 10"> Frcmdafome/cm3 oder etwa IO" bis 1014 Fremdatome cm3. Die Nitridschicht 12 weist eine Stärke von 1100 bis 10 000 A auf.The doping of the semiconductor body 10 is 10 "to 10"> Frcmdafome / cm 3 or about 10 "to 10 14 foreign atoms cm 3. The nitride layer 12 has a thickness of 1100 to 10,000 Å.
Die Halbleiterdiode gemäß F i g. 2 unterscheidet sich von der nach F i g. 1 dadurch, daß auf einer Seite des Haibleilerkörpers 10 eine Vertiefung 22 vorhanden ist, in der sich die Nitridschicht 12 befindet Und etwas über den Halbleiterkörper 10 herausragt.The semiconductor diode according to FIG. 2 differs from that according to FIG. 1 in that on one side of the semiconductor body 10 there is a recess 22 in which the nitride layer 12 is located and something protrudes beyond the semiconductor body 10.
Auf Grund der vertieften Anordnung nach F i g. 2 ist gegenüber Fig. 1 die Kontaktfläche der Nitrid* schicht 12 und dea Halbleiterkörpers 10 vergrößert, Und die Metallschichtelektrode 14 liegt in relativ ge^ finger Höhe über den Halbleiterkörper 10, Dadurch wird der Anschluß erleichtert und die Gefahr Von Fehlern, wie etwa Unterbrechungen, verringert. Die Anordnung nach F i g, 2 eignet sich deshalb besonders für integrierte Schaltungen. Darüber hinaus ist sie äußerst zuverlässig.Due to the recessed arrangement according to FIG. 2, compared to Fig. 1, is the contact surface of the nitride * Layer 12 and the semiconductor body 10 enlarged, and the metal layer electrode 14 is relatively ge ^ finger height above the semiconductor body 10, thereby the connection is made easier and the risk of errors, such as interruptions, is reduced. the The arrangement according to FIG. 2 is therefore particularly suitable for integrated circuits. In addition, is they are extremely reliable.
F i g. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiterdioden nach F i g. 1 und 2. Die Vorrichtung umfaßt einen Vakuumraum 30 in einer Glasglocke 31, die vakuumdicht auf einer Bodenplatte 32 aus geeignetem Material, wie etwa rostfreiem Stahl, angeordnet ist. In dem Raum 30 befinden sich gegenüberliegend ein Halbleiterkörper 10 und ein Metall der genannten Gruppe, z. B. Molybdän, in Form einer Platte 34, so daß zwischen ihnen ein Zwischenraum bleibt. Eine Stützkonstruktion 36 umfaßt eine senkrechte, an der Bodenplatte 32 befestigte Stütze 36 α, und einen hohlen, zylindrischen Abschnitt 36 ö, der am freien Ende der Stütze 36 α horizontal angebracht ist. Der Halbleiterkörper 10 ist in den hohlen, zylindrischen Abschnitt 36 b an dessen innerem Ende eingebracht. Die Stützkonstruktion ?6 besteht vorzugsweise aus Quarz. Die Platte 34 ^uf der anderen Seite des Halbleiterkörpers 10 ist an einem Stützelement 38, beispielsweise durch Schweißen, angeordnet. Das Stützelement 38 besteht vorzugsweise aus rostfreien Stahl und wird von einem nicht dargestellten Winkel getragen. Ein elektrischer Leiter 40 ist elektrisch isoliert und dicht durch die Bodenplatte 32 geführt und mit dem Stützelement 38 elektrisch verbunden. Der Leiter 40 ist andererseits mit dem negativen Anschluß einer Gleichstromquelle 42 außerhalb des Raumes 30 verbunden, deren positiver Anschluß an Masse gelegt ist. Der Teil des Leiters 40 innerhalb des Raums 30 ist von einer Glashülse 42 umgeben. Die Platte 34 und das Stutzelement 38 sind auf der Außenseite mit einer Schicht pulverförmigen Metalls oder einer Glasschicht versehen, wie in F i g. 3 gestrichelt angedeutet, mit Ausnahme der Oberfläche der Platte 34, die gegenüber dem Halbleiterkörper 10 liegt. Das Stützelement 38 und die Platte 34 sind um eine vertikale Achse drehbar.F i g. 3 shows an apparatus for producing semiconductor diodes according to FIG. 1 and 2. The device comprises a vacuum space 30 in a bell jar 31 which is vacuum-tightly arranged on a base plate 32 made of a suitable material such as stainless steel. In the space 30 are located opposite a semiconductor body 10 and a metal of the group mentioned, for. B. molybdenum, in the form of a plate 34, so that there is a gap between them. A support structure 36 comprises a vertical, attached to the base plate 32 support 36 α, and a hollow, cylindrical portion 36 ö which is horizontally attached to the free end of the support 36 α. The semiconductor body 10 is introduced into the hollow, cylindrical section 36 b at its inner end. The support structure? 6 is preferably made of quartz. The plate 34 ^ on the other side of the semiconductor body 10 is arranged on a support element 38, for example by welding. The support member 38 is preferably made of stainless steel and is supported at an angle not shown. An electrical conductor 40 is electrically insulated and guided tightly through the base plate 32 and electrically connected to the support element 38. The conductor 40 is on the other hand connected to the negative terminal of a direct current source 42 outside the space 30, the positive terminal of which is connected to ground. The part of the conductor 40 within the space 30 is surrounded by a glass sleeve 42. The plate 34 and the support element 38 are provided on the outside with a layer of powdered metal or a layer of glass, as in FIG. 3 indicated by dashed lines, with the exception of the surface of the plate 34, which lies opposite the semiconductor body 10. The support element 38 and the plate 34 are rotatable about a vertical axis.
Z· ,- Herstellung einer Plasmasäule in dem Raum zwischen dem Halbleiterkörper 10 und der Platte 34 befindet sich eine Anode 44 über den beiden Teilen in der Glasglocke 31, während eine heizbare Kathode 46 in Form einer Wendel neben dem verschlossenen Ende eines Metallrohres 48 angeordnet ist, dessen offenes Ende in die Glasglocke 31 reicht und der Anode 44 gegenüberliegt. Die Anode 44 ist elektrisch mit einem L-förmigen Leiter 50 verbunden, der mittels einer Glashülse 52 dicht und elektrisch isoliert durch die Bodenplatte 32 und zum positiven Anschluß einer Gleichstromquelle 54 geführt ist. Der negative Anschluß der Gleichstromquelle 54 ist geerdet. Die Kathode 46 ist durch eine Spannungsquelle 56 beheizbar. Die Gleichstromquellen 54 und 56 liegen ebenfalls außerhalb der Glocke 30.Z ·, - Production of a plasma column in the space between the semiconductor body 10 and the plate 34, there is an anode 44 above the two parts in the bell jar 31, while a heatable cathode 46 in the form of a helix is arranged next to the closed end of a metal tube 48 , the open end of which extends into the bell jar 31 and the anode 44 is opposite. The anode 44 is electrically connected to an L-shaped conductor 50, which is tightly isolated and electrically by means of a glass sleeve 52 ührt through the bottom plate 32 and the positive terminal of a DC power source 54 ge f. The negative terminal of the DC power supply 54 is grounded. The cathode 46 can be heated by a voltage source 56. The direct current sources 54 and 56 are also located outside the bell 30.
Wie Fig. 3 ferner zeigt, umschließt eine Wicklung 58 die Glocke 31 und faßt die Plasmasäule 60 zwischen Anode 44 und Kathode 46 in dem Zwischenraum zusammen, der vom Halbleiterkörper 10s der Platte 34, der Anode 44 und dem Metallrohr 48 begrenzt ist.As FIG. 3 also shows, a winding 58 surrounds the bell 31 and summarizes the plasma column 60 between anode 44 and cathode 46 in the space which is delimited by the semiconductor body 10 s of the plate 34, the anode 44 and the metal tube 48.
Die Bodenplatte 32 der Glocke 31 ist gemäß F ί g. 3 mit einer Evakuieröffnung 62 zur Evakuierung der Glocke 31 und mit einer Einlaßöffnung 64 für Stickstoffgas versehen. Die öffnung 62 ist an eine Diffusionspumpe oder an eine rotierende Vakuumpumpe anschließbar,The base plate 32 of the bell 31 is shown in FIG. 3 is provided with an evacuation opening 62 for evacuating the bell 31 and with an inlet opening 64 for nitrogen gas. The opening 62 can be connected to a diffusion pump or a rotating vacuum pump,
Zur Erläuterung des effiridungsgemäßen Verfah-To explain the effiridate procedure
rens wird weiterhin auf F i g, 3 verwiesen. Zunächst wird ein Halbleiterkörper aus p- oder n-leitendem Silizium mit Frerridatomen entsprechend der genannten Konzentration dotiert. Der so präparierte Halbleiterkörper 10 wird einem bekannten Reinigungsverfahren unter Verwendung heißer Schwefelsäure, heißer Salpetersäure und Flüßsäüre (Fluor) zur Beseitigung von Fremdstoffen unterzogen, die auf der dünnen Siliziumdioxidschicht haften, die sich auf der Oberfläche bildet Nach der Reinigung der Oberfläche wird der Halbleiterkörper 10 sofort in den horizontalen, hohlen, zylindrischen Abschnitt 34/) eingesetzt und vom offenen Ende etwas nach innen versetzt, wobei die Glocke 31 von der Bodenplatte 32 abgenommen und das Stützelement 38 mit den daran befindlichen Teilen weggeschwenkt ist. Dann wird die Molybdänplatte 34 an dem Stützelement 38 verschweißt, worauf das Stützelement 38 mit seinen Teilen wieder in die Lage gebracht wird, in der die Molybdänplatte 34 dem Halbleiterkörper 10 diametral gegenüberliegt.rens, reference is also made to FIG. 3. First a semiconductor body made of p- or n-conductive silicon with Frerrid atoms corresponding to the mentioned Concentration doped. The semiconductor body 10 prepared in this way is subjected to a known cleaning method using hot sulfuric acid, hot nitric acid and hydrofluoric acid (fluorine) for removal subjected to foreign matter adhering to the thin silicon dioxide layer that is on the surface forms After cleaning the surface, the semiconductor body 10 is immediately in the horizontal, hollow, cylindrical section 34 /) inserted and from the open end slightly inwards offset, the bell 31 removed from the bottom plate 32 and the support element 38 with the parts located thereon is pivoted away. Then the molybdenum plate 34 is attached to the support member 38 welded, whereupon the support element 38 is brought with its parts back into the position in which the Molybdenum plate 34 is diametrically opposite the semiconductor body 10.
Nun wird die Glocke 31 vakuumdicht auf die Bodenplatte 32 aufgesetzt und das Innere der Glocke über die Evakuierungsöffnung 62 evakuiert. Wenn der Druck in der Glocke 31 einen Wert von etwa 10"7Torr erreicht, wird durch die Einlaßöffnungen 64 äußerst reines Stickstoffgas in die Glocke 31 gelassen. Die Vakuumeinrichtung arbeitet kontinuierlich, und der Druck des Stickstoffgases in der Glocke 31 wird durch entsprechendes Einstellen der Stickstoffgasgeschwindigkeit auf etwa 10~2 Torr gehalten.The bell 31 is now placed on the base plate 32 in a vacuum-tight manner and the interior of the bell is evacuated via the evacuation opening 62. When the pressure in the bell jar 31 reaches a value of about 10 " 7 Torr, extremely pure nitrogen gas is admitted into the bell jar 31 through the inlet ports 64. The vacuum device operates continuously, and the pressure of the nitrogen gas in the bell jar 31 is increased by adjusting the pressure accordingly nitrogen gas velocity kept at about 10 ~ 2 torr.
Die Gleichstromquelle 56 liefert der Kathode 46 einen bestimmten Strom, so daß diese erhitzt wird und Elektronen emittiert. Danach wird die Gleichstromquelle 54 mit einer Gleichspannung von etwa 60 Volt an die Anode 44 gelegt, so daß die Plasmasäule 60 zwischen den beiden Elektroden 44, 46 entsteht. Gleichzeitig fließt ein Strom von etwa 10 Ampere durch die Wicklung 58, und das dadurch erzeugte Magnetfeld sammelt die Plasmasäule 60 in dem Zwischenraum zwischen dem Halbleiterkörper und der Molybdänplatte 10 bzw. 34. Die Plasmasäule 60 kann einen Durchmesser von etwa 5 cm haben.The direct current source 56 supplies the cathode 46 with a certain current so that it is heated and emits electrons. Thereafter, the DC power source 54 with a DC voltage of about 60 volts are applied to the anode 44, so that the plasma column 60 is created between the two electrodes 44, 46. At the same time, a current of about 10 amperes flows through the winding 58, and the generated thereby The plasma column 60 collects a magnetic field in the space between the semiconductor body and the molybdenum plates 10 and 34, respectively. The plasma column 60 can have a diameter of about 5 cm to have.
Die der Molybdänplatte 34 gegenüberliegende Seite des Halbleiterkörpers 10 wird der Plasmasäule 60 etwa 2 bis 5 Minuten ausgesetzt, so daß auf deren Oberfläche adsorbierte Gase freigesetzt werden. Dann wird während 3 bis 5 Minuten die Gleichstromquelle 43 über den Leiter 40 und das Stützelement 38 mit negativem Potential an die Molybdänplatte 34 gelegt. Die negative Spannung beträgt vorzugsweise 500 bis 1000 Volt gegenüber Massen Durch Kollision mit energiereichen Ionen werden Molybdänatome aus der Oberfläche der Molybdänplatte 34 gerissen. Während der Bewegung durch die Plasmasäule 60 verbinden sich die Molybdänatome mit dem Stickstoff zu Nitrid. Das Nitrid trifft auf die frei liegende Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 und haftet darauf. Wenn die auf dem Halbleiterkörper 10 haftende Molybdän-Nitridschicht eine Stärke von etwa 100 bis 10 000 Ä erreicht hat, wird die Nitridschichtbildung beendet.The side of the semiconductor body 10 opposite the molybdenum plate 34 becomes the plasma column 60 exposed for about 2 to 5 minutes, so that adsorbed gases are released on the surface. Then, for 3 to 5 minutes, the direct current source 43 is switched on via the conductor 40 and the support member 38 applied to the molybdenum plate 34 with a negative potential. The negative voltage is preferably 500 to 1000 volts compared to masses. Molybdenum atoms are formed by collision with high-energy ions torn from the surface of the molybdenum plate 34. While moving through the plasma column 60 the molybdenum atoms combine with the nitrogen to form nitride. The nitride meets the exposed one Surface of the semiconductor body 10 and adheres thereon. If the adhering to the semiconductor body 10 Molybdenum nitride layer has reached a thickness of about 100 to 10,000 Å, the nitride layer is formed completed.
Die Ablagerungsgeschwindigkeit kann bei etwa 50 Äv'frtin liegen. Bei dieser Ablagerungsgeschwindigkeit erreicht die Nitridschicht in etwa 2 bis 20 Minuten ihre vorgesehene Stärke.The rate of deposition can be around 50 Å. At this rate of deposition the nitride layer reaches its intended thickness in about 2 to 20 minutes.
Zur Herstellung einer Metallschichtelektrode auf der so gebildeten Nitridschicht wird beispielsweise Aluminium Unter Vakuum bis zu einer Stärke Von mehreren tausend A auf die Nitridschicht aufgedampft, zweckmäßigerweise unter Anwendung des Aufdampfverfahrens mit Widerstandsheizung! Danach werden in einem photolithographischen Verfahren mit einem entsprechenden lichtempfindlichen Lack die Nitridschicht und die Metallschichtelektrode auf dem Halbleiterkörper 10 gemäß F i g. 1 in die gewünschte Form gebracht. In gleicher Weise wird die Metallschichtelektrode 16 auf der anderen Seite des Halbleiterkörpers 10 aufgebracht. Zur Vervollständigung der Anordnung gemäß F i g. 1 werden an den beiden Metallschichtelektroden 14,16 Anschlüsse 18 bzw. 20 vorgesehen.To produce a metal layer electrode on the nitride layer thus formed, for example Aluminum under vacuum up to a thickness of several thousand A vapor-deposited onto the nitride layer, expediently using the vapor deposition process with resistance heating! Thereafter are in a photolithographic process with a corresponding photosensitive Lacquer the nitride layer and the metal layer electrode on the semiconductor body 10 according to FIG. 1 in the desired Brought shape. In the same way, the metal layer electrode 16 on the other side of the Semiconductor body 10 applied. To complete the arrangement according to FIG. 1 will be sent to the two metal layer electrodes 14, 16 connections 18 and 20 are provided.
Die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Dioden besitzen eine Strom-Spannungs-Kennlinie nach den F i g. 4. 5 oder 6.The diodes produced by the method described have a current-voltage characteristic according to the F i g. 4. 5 or 6.
F i g. 4 zeigt als eine Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode mit einer Störstellenkoüzentration von 1014 bis 1016 Fremdatomen/cm0 mit n-leitenden Fremdatomen wie etwa Phosphor, Arsen oder Antimon. Gemäß F i g. 4 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie einen abgestuften Abschnitt im dritten Quadranten ihrer Kurve bzw. im Bereich negativer Vorspannung. Wenn die angelegte Spannung — 8 Volt erreicht springt der Strom abrupt vom Punkt A über den Punkt/i' zum Punkt B, so daß man die stufenförmige Strom-Spannungs-Kennlinie erhält. Wenn die negative Spannung wieder ansteigt, erhält man entsprechend abgestufte Abschnitte CCD, EE', F und GG'H. F i g. 4 shows a current-voltage characteristic curve of a diode with an impurity concentration of 10 14 to 10 16 foreign atoms / cm 0 with n-conducting foreign atoms such as phosphorus, arsenic or antimony. According to FIG. 4 shows the current-voltage characteristic curve in a stepped section in the third quadrant of its curve or in the area of negative bias. When the applied voltage reaches -8 volts, the current jumps abruptly from point A via point / i 'to point B, so that the step-shaped current-voltage characteristic is obtained. When the negative voltage rises again, correspondingly graded sections CCD, EE ', F and GG'H are obtained.
Der Abschnitt der Kurve vom Punkt A zum Punkt A' weist einen negativen, differentiellen Widerstand auf. Die Versuchsresultate zeigen, daß der Abschnitt AA' mit negativem differentiellen Widerstand lang wird, wenn die Betriebstemperatur des Halbleiterkörpers 10 verringert wird, und kurz bei Bestrahlung des Halbleiterkörpers 10 mit Licht. Außerdem wurde festgestellt, daß die Neigung einer durch die Punkte AB gehenden Linie bzw. der Widerstand durch einen in Reihe zur Diode liegenden Verlustwiderstand steuerbar ist. Ferner kann man die Durchbruchsspannung VB der Diode durch die Betriebstemperatur oder die Störstellenkonzentration des Halbleiterkörpers 10 oder durch Bestrahlung mit Laser-Licht steuern. Dies gilt für die abgestuften Abschnitte CCD, EE'F usw.The section of the curve from point A to point A ' has a negative, differential resistance. The test results show that the section AA ' with negative differential resistance becomes long when the operating temperature of the semiconductor body 10 is reduced and short when the semiconductor body 10 is irradiated with light. It was also found that the inclination of a line passing through the points AB or the resistance can be controlled by a loss resistance in series with the diode. Furthermore, the breakdown voltage V B of the diode can be controlled by the operating temperature or the concentration of impurities in the semiconductor body 10 or by irradiation with laser light. This applies to the graded sections CCD, EE'F etc.
Die F i g. 5 und 6 zeigen Strom-Spannungs-Kennlinien der Diode mit einer Störstellenkonzeni. ation des Halbleiterkörpers 10 von 1013 bis IO1* Fremdatomen/cm3. Fig.5 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Rückwärtsdiode mit einem stromsteuerbaren, negativen differentiellen Widerstandsabschnitt im dritten Quadranten der Kurve bzw. im Bereich negativer Vorspannung. Fig.6 zeigt eine Strom-Spannungs-Kennlinie ähnlich F i g. 5, jedoch mit drei bzw. zwei stromgesteuerten negativen differentiellen Widerstandsabschnitten.The F i g. 5 and 6 show current-voltage characteristics of the diode with an impurity concentration. ation of the semiconductor body 10 from 10 13 to IO 1 * foreign atoms / cm 3 . 5 shows the current-voltage characteristic of a reverse diode with a current-controllable, negative differential resistance section in the third quadrant of the curve or in the area of negative bias voltage. FIG. 6 shows a current-voltage characteristic similar to FIG. 5, but with three or two current-controlled negative differential resistance sections.
Bekanntlich können Punktkontaktdioden bekannter Bauart eine Strom-Spannungs-Kennlinie im negativen oder dritten Quadranten ihres Kurvenverlaufes entsprechend dem in den F i g. 5 oder 6 gezeigten Abschnitt zeigen. Bei derartigen Dioden ist der Durchiaßstrom im Verhältnis zum Sperrstrom sehr hoch, wodurch die Rückwärtskennlinie nicht auftritt.It is known that point contact diodes of known design can have a negative current-voltage characteristic or third quadrant of their curve shape corresponding to that in FIGS. 5 or 6 shown Show section. In such diodes, the throughflow current is very high in relation to the reverse current high, so that the reverse characteristic does not occur.
Die Rückwärtskennlinie können auch Dioden mit p-n-Übergang zeigen, die nach bekannten thermischenThe reverse characteristic can also show diodes with a p-n junction, which according to known thermal
Diffusionsverfahren hergestellt sind. Die Strom-Spannui'gs-Kciiniinip. derartiger Dioden zeigt jedoch im negativen Bereich nicht den negativen diffcrenliellcn Widerstandsabschnitl,Diffusion processes are made. The Strom-Spannui'gs-Kciiniinip. However, such diodes do not show the negative difference in the negative range Resistance section,
Demgegenüber weisen die beschriebenen Halbleiterdir»den in gut reproduzierbarer Weise in Sperrricliturig einen Bereich mit negativem differentielien Widerstand auf. Es ist anzunehmen, daß Siliziumnitrid gebildet auf der Oberfläche des Siliziums und Molybdännitrid bzw, die anderen noch genannten ίο Nitride die gute Reproduziefbarkeit obiger Kennlinien stabilisieren.In contrast, the semiconductor filaments described have in a readily reproducible manner in locking mechanism an area of negative differential resistance. It is believed that silicon nitride formed on the surface of silicon and molybdenum nitride, respectively, the other ίο mentioned Nitrides stabilize the good reproducibility of the above characteristics.
Zu beachten ist, daß die abgestufte Kennlinie nach Fig. 4 und die strörrigesteüerle, negative VVidcrstandskennlinic nach F i g. 5 oder 6 sowohl bei Halbleilerdioden mit harter als auch mit sanfter Durchbrtichskchnlinie beobachtbar ist,It should be noted that the graduated characteristic line according to FIG. 4 and the troublesome, negative VVidcrstandskennlinic according to FIG . 5 or 6 can be observed with semiconductor diodes with a hard as well as with a soft breakdown curve,
F i g. 7 zeigt eine Anwendungsform der Erfindung als Freqüenzvervielfachcr. Die Halbleiterdiode be-F i g. 7 shows an embodiment of the invention as a frequency multiplier. The semiconductor diode
sitzt die abgestufte Kennlinie gemäß F i g, 4, Die Diode liegt über einen Widerstand ti an einem Eingangsanschluß V1H und am anderen Anschluß an Masse, Die Verbindung von Widerstand und Ein^ gangsanschluß R bzw. ViN Hegt an einem Ausgangsanschluß, über einen Kondensator C, der zusammen mit dem Widerstand R eine Differenzierschaltung bildet.sitting the stepped characteristic curve as shown in FIGS, 4, the diode through a resistor ti at an input terminal V 1 H and at the other terminal to ground, the connection resistance and A ^ input terminal R and V iN Hegt at an output terminal, via a Capacitor C, which together with resistor R forms a differentiating circuit.
Wenn die Amplitude einer sägezaiinförmigen Spannung Vffi linear ansteigt (Dauer ΤΛ) und am Eingangsanschluß ytN liegt, so entsteht ein Impulszüg AUS am Ausgängsanschlüß während der Zeitdauer T11. Ebenso erzeugt die nächste WeUe während ihrer DaüerTß am Eingangsanschluß Vjn vier Impulse am Ausgangsanschluß. Wenn sich somit die Eirigangsschwingung ViN am Eingangsanschluß V1n wiederholt; erzeug! der Ausgangsansehluß Ausgangsimpulse, deren Anzahl der Anzahl der Eingangswellcii proportional ist.If the amplitude of a sawtooth voltage Vffi increases linearly (duration Τ Λ ) and lies at the input connection y tN , a pulse train OFF occurs at the output connection during the time period T 11 . Likewise, generates the next WeUe during their DaüerT ß at the input terminal PY n four pulses at the output terminal. Thus, if the initial oscillation V iN is repeated at the input terminal V 1n; generate! the output connection output pulses, the number of which is proportional to the number of input waves.
Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE3206421A1 (en) * | 1982-02-23 | 1983-09-01 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | METHOD FOR PRODUCING LAYERS FROM HIGH-MELTING METALS OR METAL COMPOUNDS THROUGH VAPOR PHASE DEPOSITION |
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| GB1336288A (en) | 1973-11-07 |
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