DE2254977C3 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

angelegt ist, die größer als die Durchbruchspannung in Sperrichtung ist. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung enthält das Halbleiterbauelement eine Isolierschicht, die zwischen der Zinnoxydschicht und dem Halbleitersubstrat angeordnet ist.

Weitere Ausgestaltungen der ILündung sind in den übrigen Unteransprüchen 'dargestellt.

Das Halbleiterbauelement gemäß vorliegender Erfindung besitzt gegenüber bekannten feuchügkeits-

F i g. 8 eine graphische Darstellung eines statistischen Vergleichs der Charakteiistik eines Bauelementes gemäß F i g. 4 mit dem gemäß F i g. 1,

F i g. 9 eine graphische Darstellung der Abhängig-5 teit des Sperrstromes von der Dicke des SiO₂-Filmes eines Elementes gemäß F i g. 4, wobei keinerlei Strahlungsenergie auf das Element aufgebracht wird, und

_. _ _ F i g. 10 eine graphische Darstellung der Abhän-

empfindlichen Halbleiterbauelementen den hervor- io gigkeit der Durchbruchspannung in Sperrichtung von stechenden Vorteil, daß das Bauelement eine große der Dicke des SiO»-Fi!mes eines Bauelementes ge-Ansprechempfindlichkeit proportional der umgeben- maß F i g. 4, ebenfalls bei fehlender Strahlungsenerden relativen Luftfeuchtigkeit besitzt In einem brei- gie.

ten Bereich der umgebenden relativen Luftfeuchtig- In allen Figuren bedeuten gleiche Bezugsziffern

keii ist das Bauelement im Stande, mit großer Ge- 15 gleiche Teile.

nauigkeit und Empfindlichkeit die relative Luftfeuch- In F i g. 1 ist das grundlegende, strukturelle Aus-

tigkeit in kürzester Zeit anzugeben. Das erfindungs- sehen einer Halbleiter-Anordnung einer Ausführung gemäße Halbleiterbauelement ist im Stande, eine re- gemäß vorliegender Erfindung abgebildet. Die gelative Feuchtigkeitsänderung von 0°„ auf lOO°/o in zeigte Anordnung umfaßt grundsätzlich ein N-SiIimaximal 15 Sekunden anzuzeigen. Des weiteren ist ao cium-Einkristallsubstrat 1 mit dem spezifischen Widas Halbleiterbauelement klein und kann mit sehr derstand von 5 ohm cm und einer Schicht 3 von Zinngeringen Kosten als Massenprodukt hergestellt wer- oxyd oder Zinndioxyd (SnO₂), die auf dem Substrat IL den, da keine kostspielige Diffusionstechnik notwen- abgelagert ist. Die Anordnung umfaßt des weiteren dig ist. eine Metallelektrode 4, die auf der Zinndioxyd-

Das erfindungsgemäße Bauelement beruht auf dem as schicht 3 gebildet ist, eine Metallelektrode 9 auf dem höchst überraschenden Effekt, daß der Lawinenstrom Substrat und einen Schaltkreis, in dem ein Ampereeines Halbleiterbauelementes, das entsprechend dem meter 6 und eine Sperrvorrichtungsquelle 5 liegt, die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement aufgebaut mit beiden Elektroden 4 i>nd 9 verbunden ist. ist, über die relative Feuchtigkeit steuerbar ist, wobei Die SnO₂-Schicht der Anordnung ist so gewählt,

der I awinenstrom proportional der umgebenJen re- 30 daß sie gut leitfähig ist und ihrerseits einen Halbleilati\en Luftfeuchtigkeit ist. ter vom N-Typ bildet. Die Leitfähigkeit dieser Zinn-

Die Isolierschicht bei einer erfindungsgemäßen oxydschicht i>t ungefähr so groß wie diejenige eines Ausführungsform, die zwischen der Zinnoxydschicht Metalls, etwa zwischen 10²⁰ Atome cm³ in Angabe und dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, bewirkt der freien Elektronenkonzentration. Die SnO.,-in höchst vorteilhafter Weise eine Stabilisierung der 35 Schicht kann durch eine schnelle chemische Reak-Ansprechempfindlichkeit und dadurch eine Erhöhung tion gebildet werden, bei der SnO_? ausfällt. Das kann der Ausbeuterate. Des weiteren läßt die Zwischenlage der Isolierschicht in der bevorzugten Ausführung den Sperrstrom anwachsen und erhöht die
Durchbruchspannung in Sperrichtung. 40

Beispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und anschließend beschrieben. Dabei zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Halbleiter-Anordnung gemäß vorliegender Erfindung zur Dar- 45 bzw. auf der unteren Oberfläche des Substrates 1 stellung der grundlegenden strukturellen Besonder- gebildet werden. Ein Teil des Siliciumdioxydfilmes 3 heiten, an der peripheren Fläche desselben wird danach

F i g. 2 eine graphische Darstellung verschiedener durch einen chemischen Ätzprozeß entfernt und, Sperrspannungs-Sperrstromkurven der Anordnung falls erforderlich, wird ein Teil der Metallelektrode 4 gemäß F i g. 1 mit verschiedenen Werten der relati- 5° auf der peripheren Fläche durch einen chemischen ven Luftfeuchtigkeit als Parameter, Ätzprozeß ebenfalls entfernt, um so den strukturel-

F i g. 3 eine graphische Darstellung des Lawinen- len Halbleiteraufbau zu erzeugen, wie es in F i g. 1 stromes in Abhängigkeit von der relativen Feuchtig- im Querschnitt dargestellt ist. Wie es bei jenen Techkeit, wobei die Halbleiter-Anordnung mit einer kon- niken bekannt ist, wird ein Teil der Hauptoberfläche stanten Sperrspannung (50 Volt) vorgespannt ist, 55 des Halbleitersubstrates 1, das als Ergebnis des Entdie höher ist, als die Durchbruchspannung derselben, fernens des Zinnoxydfilmes 3 frei liegt, später wiede-F i g. 4 eine bevorzugte Ausführung eines komplet- rum durch einen sehr dünnen Film 8 eines Oxydes ten Halbleiterbauelementes gemäß vorliegender Er- bedeckt, z. B. durch Siliciumdioxyd (SiO₂), das durch findung, normale Oxydation auf der Oberfläche des Substra-

F i g. 5 eine bevorzugte Anordnung einer Appara- 60 tes 1 gebildet worden ist.

tür zur Herstellung des in Fig. 4 gezeigten Halblei- Nachdem nunmehr die strukturellen Besonderheiterbauelementes, ten der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung be-

F i g. 6 Querschnittsansichten α bis e eines Halb- schrieben worden sind, soll nun anhand von verleiterbauelementes gemäß F i g. 4 während der ver- schiedenen Schaubildern eine typische chankteristischiedenen Stufen des Herstellungsprozesscs, 65 sehe Besonderheit der Anordnung als ein feuchtig-

Fig. 7 eine graphische Darstellung zum Vergleich keitsempfindliches Halbleiterbauelement beschrieben der Gleichriclitercharakteristik des Elementes gemäß werden. Es sei hervorgehoben, daß solche verschie-Fig. 4 mit dem von Fig. 1, denen charakteristischen Besonderheiten erhalten

vermutlich durch den Überschuß von Metall oder Mangel an Sauerstoff erklärt werden, was von der Schnelligkeit des Ablaufs der Reaktion herrührt.

Bei der Herstellung der Anordnung der in F i j\ 1 im Querschnitt gezeigten spezifischen Struktur wird zuerst e^;n SnO₂-FiIm 3 auf die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 1 aufgebracht, wonach die Metallelektroden 4 und 9 auf diesem Zinnoxydfilm 3

wurden bei Verwendung eines spezifischen Beispieles und eine Dicke von wenigen A bis ungefähr 10 A be-

der Erfindung, die ein Silicium-Einkristallsubstrat sitzt, die zwischen dem Zinnoxydfilm und dem Sub-

vom N-Typ mit 5 ohm cm Widerstand und einer strat gebildet ist.

Fläche von 2mm^? und einer Dicke von 200 μ und Dabei ist die dünne Isolationsschicht zwischen dem

einem Zinnoxydfilm von 1 mm Durchmesser und 5 Zinnoxydfilm und dem Substrat zufällig gebildet wor-

einer Dicke von 0,6 μ beispielsweise umfaßt. den. Deshalb ist es leicht verständlich, daß diese un-

F i g. 2 ist eine graphische Darstellung, die ver- erwünschte, dazwischenliegende Schicht eines Isolier-

schiedene Sperrspannungs-Strom-Kurven A₁B und filmes unvermeidbar ist, solange nicht Betrachtungen

C der Halbleiter-Anordnung mit verschiedenen Wer- darüber angestellt werden, diese unerwünschte

ten der relativen Feuchtigkeit als Parameter enthält. io Schicht zu eliminieren.

(Die Kurven A', B' und C" des Schaubildes werden Dazu wurde zuerst die durch natürliche Oxydation

nachfolgend diskutiert.) Wie aus dem Schaubild ge- auf der Substratoberfläche entstandene Siliciumdi-

lesen werden kann, wachsen die Sperr-Spannungs- oxydschicht entfernt und danach eine Zinndioxyd-

Stromcharakteristik-Kurven der Halbleiter-Anord- schicht auf der frischen Substratoberfläche gebildet

nung steil an, wenn die Durchbruchspannung gering- 15 so daß keine Siliciumdioxydschicht mehr zwischen

fügig auf einen höheren Wert entsprechend dem An- der Zinndioxydschicht und dem Halbleitersubstrat

wachsen der Feuchtigkeit erhöht wird. enthalten ist. Als Ergebnis wurde gefunden, daß die

Es ist anzunehmen, daß die Änderung der Sperr- resultierende SnO₂-Si Anordnungen der Gleichmä-

Stromspannungscharakteristik als Funktion der ßigkeit ihrer Durchbruchspannung in Sperrichtung

Feuchtigkeit hauptsächlich in der Umgebung der 20 ermangeln, einen wachsenden Sperrstrom und eine

Grenzschicht in der Nähe derselben auftritt, die an geringere Durchbruchspannung in Sperrichtung auf-

der Peripherie 7 des Zinnoxydfilmes freiliegt. Ge- weisen. Diese Änderungen der Charakteristik der

nauer gesagt, ist als Grund der Änderung anzuneh- Halbleiter-Anordnung gemäß F i g. 1 sind sehr nach-

men, daß, wenn die Wassermoleküle von der Atmo- teil ig für die Anwendung als ein feuchtigkeitsemp-

sphäre ausgesetzten Barriereschicht adsorbiert wer- 25 findliches Bauelement, besonders im Hinblick auf die

den, sich eine Sperrschicht Lawinenspannung an- Tatsache, daß die Halbleiter-Anordnung vorliegender

wächst, mit dem Ergebnis, daß der Lawinenstrom Erfindung mit einer bestimmten Sperrspannung, die

entsprechend dem Anwachsen der Feuchtigkeit ab- als Vorspannung angelegt wird, betrieben ist. So

nimmt, vorausgesetzt, daß die Sperrspannung kon- wurde die Tatsache bekräftigt, daß die Bildung des

stant ist. 3° Siliciumdioxydfilmes in der Übergangsregion der

Eine Beziehung des Lawinenstromes vorliegender SnO₂-Si-Anordnung keinen geringen Einfluß auf die Erfindung, die mit einer konstanten Sperrspannung Charakteristik des Halbleiterbauelementes vorliegenentsprechend einer relativen Feuchtigkeit beauf- der Erfindung hat.

schlagt ist, ist noch besser aus dem Schaubild gemäß Jedoch wurde ebenso die Tatsache experimentell F i g. 3 zu entnehmen, in dem auf der Ordinate der 35 bestätigt, daß die Dicke des Siliciumdioxydfilmes, der Sperrstrom des obengenannten Bauelements mit einer zufällig zwischen der SnO,-Si-Anordnung gemäß Vorspannung von 50VoIt in Sperrichtung aufgetra- Fig. 1, gebildet worden ist,"wobei die Anordnung gen ist, wobei auf der Abszisse die relative Feuchtig- gemäß der Lehre der DT-OS 20 47 175 hergestellt keit der Atmosphäre bei 25° C aufgetragen ist. Wie wurde, nicht dicker ist als 15 A. Es ist wahrscheinaus dem Schaubild der Fig. 3 zu entnehmen ist, 40 lieh, daß gewöhnlich solche sehr dünnen Siliciumzcigt das Halbleiter-Bauelement vorliegender Erfin- dioxydschichten nicht die ganze Oberfläche des SiIidung eine höhere Empfindlichkeit besonders in der ciumsubstrates oder fast die gesamte Oberfläche derunteren Feuchtigkeitsregion. Die Feuchtigkeitscha- selben bedecken, sondern daß dieselbe mit einer Vielrakteristik der erfindungsgemäßen Anordnung ist zahl von kleinen SiO₂-FIächen bedeckt ist, die Irreüber eine lange Zeit hinweg stabil ist, besonders im 45 gularitäten der Filmdicke und andere Filmbedingun-Hinblick auf die Tatsache, daß die Oberfläche des gen aufweisen. Aus diesem Grund ist es kaum mög-Siliciumsubstrates 1, die der Atmosphäre ausgesetzt lieh, eine SnO₂-Si-Anordnung mit einer Gleichmäßigist, später mit einem sehr dünnen chemisch stabili- keit der Charakteristik zur Verwendung als feuchtigsierten Oxydfilm bedeckt wird, wie z. B. Silicium- keitsempfindlichen Halbleiter herzustellen, was aus dioxyd, das durch natürliche Oxydation des Substrat- 50 der nicht zufriedenstellenden Ausbeuterate bei dei materials entstanden ist und so vom unmittelbaren Herstellung des Halbleiters resultiert.
Einfluß der Atmosphäre geschützt ist, wobei auch F i g. 4 zeigt eine Querschnittsansicht eines bevordie Zinnoxydschicht chemisch stabilisiert ist. zugten Halbleiter-Bauelementes vorliegender Erfin-Als Halbleitersubstratmaterial wird Silicium zur dung, bei dem die obengenannten Probleme m ZuHerstellung der Anordnung gemäß Fig. 1 verwen- 55 sammenhang mit Fig. 1 eliminiert sind. Die gezeigte det Die Oberfläche des Sihciumsubstrates kann eben- Anordnung umfaßt grundsätzlich ein N-Siiidum-Einsogut bei normalen Temperaturen oxydiert werden, kristallsubstrat 1 mit einem spezifischen Widerstanc wobei ein dünner Oxydfiim auf der Oberfläche ge- von 1 ohm cm, einer Schicht 2 von Siüchundioxyt bildet wird. Solche Oxydfilme bestehen typischer- (SiO„), die auf dem Substrat 1 gebildet ist und eint weise aus Silidumdioxyd. Gleichfalls soll herausge- 60 Schicht 3 von Zhiaoxyd oder Zinndioxyd (SnO₂), d« hoben werden, daß ein zusätzlicher Oxydfihn auf der auf der genannten Silidumdioxydschicht 2 niederge Oberfläche des Substrates gebildet wird in dem schlagen ist Die Halbleiter-Anordnung umfaßt de FaSe, in dem des wdteren eine Zinnoxydschicht auf weiteren dne Metallelektrode 4 auf der Zänadioxyd der Oberfläche niedergeschlagen wird. Die Halbleiter- schicht 3, eine Metallelektrode 9 aaf dem Substrat! Anordnung gemäß Fig. 1, die nach der Lehre der 65 und einen Schaltkreis, in den ein Amperemeteri genannten DT-OS 20 47 175 hergestellt worden ist, und eine Sperrvorspannungsquelle 5 eingeschaltet isl enthalt gewShnSeh einen sehr dünnen Isolations- die mit beiden Elektroden 4 and 9 verbunden ist
Sim, der typischerweise aus Siiiriomdioxyd besteht Die Dicke des Sffidumdroxydfinies ist zwisefaes

h 901

15 A und 500 A gewählt, was im nachfolgenden genauer diskutiert ist.

Eine Anordnung solcher Struktur und Zusammensetzung weist ebenfalls eine Gleichrichtercharakteristik und eine fotoelcktrische Charakteristik auf, wenn Strahlungsenergie auf den innerhalb der Anordnung befindlichen HeteroÜbergang auftrifft.

In Fig. 5 ist eine Anordnung einer Apparatur zur Herstellung der in Fig. 4 gezeigten Halbleiteranordnung dargestellt. Die abgebildete Apparatur umfaßt ein heizbares Quarzrohr 21, das von einer elektrischen Heizung 22 umgeben ist, die die Reaktionszonc des Heizrohres zwischen 400" C und 700' C kontrolliert erhitzen kann. Drei Zuleitungsröhren 11, 18 und 15 sind mit einem Ende mit einer Rückwand 25 des Heizrohres 21 verbunden. Die Zuleitung 11 wird zur Zuführung eines oxydierenden Gases, z. B. Sauerstoff benützt, oder von Luft oder einer Mischung von Sauerstoff und Stickstof!, wobei das Gas in das Rohr 21 eingeleitet wird. Die Zuleitung 11 ist über einen Absperrhahn 29, ein Kontrollventil 13 und einen Durchflußmesser 12 mit einer Oxydgasquelle verbunden, wie es durch den Pfeil α angezeigt ist. Die Zuleitung 18 wird zur Zuführung von Wasserdampf / in die Röhre 21 benutzt und ist über einen Absperrhahn 30 an einem Verdampfer 17 angeschlossen, der Wasser e enthält. Die Zuführung 15 wird zur Zuleitung einei Gasmischung d von Dimethylzinndichlorid-Dampf c und eines Inertgases α in das Rohr 21 benutzt und ist über ein Kontrollventil 16 mit einem Verdampfer 14 verbunden, der flüssiges Dimethylzinndichlorid ([CH³J₂SnCl₂)O enthält. Beide Verdampfer 17 und 14 sind in ein Öl h eines Ölbades 19 getaucht, so daß beide Verdampfer 17,14 kontrolliert zwischen 110 C und 150 C mittels eines nicht gezeigten Erhitzers erhitzt werden können. Eine Zuführung 11', die mit dem Verdampfer 14 an einem Ende in Verbindung steht und teilweise in das öl h des Ölbades 19 getaucht ist, ist über einen Absperrhahn 29', ein Kontrollventil 13' und ein Flußmeter 12' an eine Inertgasquelle angeschlossen, wie es ein Pfeil α in der Figur zeigt. Das andere Ende des Heizrohres 21 befindliche Gas ist gezwungen, durch einen Gasaustrittsstutzen 27 mit fester Ausströmgeschwindigkeit g auszutreten. Ein Quarzträger 23, auf dem ein Siliciumplättchen 1 plaziert ist, ist in der Reaktionszone des Heizrohres 21 angeordnet.

In Vorbereitung der Herstellung der Halbleiter-Anordnung gemäß vorliegender Erfindung wird ein N-Siliciumplättchen 1, wie es in Fig. 6a gezeigt ist und das physikalisch oder chemisch so behandelt worden ist, daß es eine spiegelglänzende oder, sollte es der Fall sein, eine rauhe Oberfläche besitzt, mittels einer verdünnten Lösung von Flußsäure (HF) gewaschen wird, um einen Siliciumdioxydfilm zu entfernen, der sich womöglich auf der Hauptoberfläche des Plättchens 1 gebildet haben könnte. Das Plättchen 1 wird dann auf den Träger 23 plaziert und in das Quarzrohr 21 eingeführt, so daß es in der Reaktionszone des Rohres 21 zu liegen kommt, wie es in F i g. 5 abgebildet ist. Das Siläciumplättcnen 1 wird dann mittels der Heizung 22 auf 400 bis 6(K)' C erhitzt, vorzugsweise auf 520"' C.

Wenn das Siliciumplättchen 1 die genannte Temperatur erreicht hat, werden das Ventil 13 und der Absperrhahn 29 and 30 geöffnet, so daß das oxydierende Gas β und der Dampf / durch die Zuleitung 11, bzw. 18 in das Heizrohr 21 eintreten können, um dort eine oxydierende Atmosphäre innerhalb der Reaktionszone zu erzeugen. Während das Siliciumplättchen 1 der oxydierenden Atmosphäre z. B. 5 Minuten lang unterworfen wird, wird ein Siliciumdioxydfilm 2 von 20 A Dicke auf der Oberfläche des Plättclicns 1 gebildet. Die Dicke des Siliciumdioxydfilmcs wird wie gewünscht kontrolliert ausgewählt innerhalb eines Bereiches zwischen 15 A und 500A z. B., als eine Funktion der Zeit, innerhalb der das ίο Plättchen dieser oxydierenden Atmosphäre unterworfen ist. Jedoch sollte zur Herstellung eines Siliciumdioxydfilmes, der dicker als 50 A ist, die Temperatur des Heizrohres auf ungefähr 700° C erhöht werden, um so die erforderliche Zeitspanne zur Bildung der Siliciumdioxydschicht von gewünschter Dicke zu reduzieren ohne substantieller Änderung der Qualität dieses Filmes. Die Auswahl der Dicke des SiO₂-FiI-mes wird genauer im folgenden beschrieben.
Wenn der SiO₂-FiIm von gewünschter Dicke auf der Oberfläche des Plättchens gebildet ist, werden das Ventil 13' und der Absperrhahn 29' geöffnet, so daß ein inertes Trägergas α durch die Zuführung 11' in den Verdampfer 14 geleitet wird, der Dimethylzinnchlorid b enthält. Wie es in F i g. 5 gezeigt ist.

wird das Inertgas α auf eine bestimmte Temperatur vorerhitzt, wenn es durch einen bestimmten Teil der Zuführung 11' strömt, der in das Ölbad 19 eintaucht. Das ölbad 19 wird mittels eines nicht abgebildeten Erhitzers erhitzt, so daß das Öl h auf eine Temperatür zwischen 110' C und 150' C, vorzugsweise 135 C erhitzt ist. Folglich wird der Verdampfer 14 ebenfalls erhitzt, um einen Dimethylinzinndichlorid-Dampf darin zu erzeugen. Der innerhalb des Verdampfers 14 befindliche Dimethylzinndichlorid-Dampf wird danach zusammen mit dem Trägergas α, das durch den Verdampfer strömt, in das Heizrohr21 geleitet, wobei der Druck innerhalb des Heizrohres gewöhnlich durch eine nicht gezeigte Vakuumpumpe reduziert wird, die an dem Gasauslaßstutzen 27 angeschlossen ist. Gleichzeitig mit der Zuführung des Gasmischung d, wird Wasserdampf /, wenn nötig in das Heizrohr eingeleitet. Es wurde gefunden, daß die zusätzliche Zuführung von Wasserdampf in das Heizrohr während der Abscheidung des Zinndioxydfilmes die erforderliche Zeit zur Abscheidung desselben von bestimmter Dicke verringert, ohne eine grundsätzliche Änderung der Qualität des Filmes zu bewirken.

In der Reaktionszone unterliegen O₂ und (CH₂)₂ SnCl₂ des Mischgases d einer Pyrolyse- und Oxy-

dationsreaktioa, wodurch ein Film von Zinndioxyd fest auf dem genannten Siliciumdioxydfilm 2 auf der Oberfläche des Siliciumplättchens 1 abgeschieden wird. Die so hergestellte Querschnittsstruktur während dieses Verfahrensschrittes der SnO₂-SiO₂-Si-An-Ordnung ist in F i g. 6 b gezeigt

Diese Verfahrensreaktion kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:

(CHj)₂SnCl₂ + O₂-y SnO₂

+ 2CH₃Cl

fio Der auf diese Weise entstandene Zinndioxydfilm ist von hoher optischer Durchlässigkeit, seine Transmissionsrate ist höher als 80 bis 90% für Licht von einer Wellenlänge von 400 ΐημ bis 800mji. Der Film fet ebenfalls hochleitend. Falls es gewünscht wird, kann die Leitfähigkeit jedoch noch weiter erhöht werden (Verminderung des Widerstandes) durch Em-Jluß einer kleinen Menge von AntimontricWorid (SbC I₃) in die Dimenthylzinndichlorid-Lösung b.

Die in Fig. 6b gezeigte Halbleiter-Anordnung wird nun ζ. B. einem Nickeldampf (Ni) ausgesetzt, so daß eine Metallelektrode 4 auf dem SnO₃-FiIm 3 gebildet wird. Die Querschnittsstruktur der Anordnung nach Versehen mit einer Metallelektrode 4 ist in F i g. 6 c gezeigt.

Danach wird ein peripherer Teil von sowohl der Metallelektrodenschicht 4 als der SnO₃-Schicht 3 weggeätzt, um eine Halbleiter-Anordnung gemäß Fig. 6d zu erzeugen und danach, wobei die verbleibenden Schichten 4 und 3 als Massen benutzt werden, wird ein entsprechender peripherer Teil des Siliciumdioxydes ebenfalls durch eine 5°/oige Flußsäurelösung weggeätzt, um so eine Halbleiter-Struktur gemäß Fig. 6e zu erzeugen. Dabei ist das Plättchen 1 rund oder quadratisch, wobei der weggeätzte periphere Teil der Schichten 4, 3 und 2 rund um läuft.

Es ist ersichtlich, daß ein peripherer Teil der Barriere der Anordnung gemäß Fig. 6e der Atmosphäre frei zugänglich ist. Wie es jedoch eben beschrieben worden ist, wird das Siliciumplättchen 1 mit einem sehr dünnen Film von Oxyd, z. B. Siliciumdioxyd bedeckt, wie es durch die gestrichelte Linie in Fig. 6e und durch ausgezogene Linien in F i g. 4 angedeutet ist, und zwar durch natürliche Oxydation. Es sei wiederholt, daß dieser sehr dünne Siliciumdioxydfilm, gebildet durch natürliche Oxydation, den peripheren Teil der Barriere überdeckt, ebenso wie die gesamte freiliegende Oberfläche des Plättchens und dazu dient, die Charakteristik der Halbleiter-Anordnung zu stabilisieren. Aus diesem Grunde kann ein gleicher Siliciumdioxydfilm z. B. durch einen zusätzlichen Oxydationsprozeß gebildet werden. Die Metallelektrode 9 wird schließlich noch auf die untere Oberfläche des Substrates durch eine geeignete Methode und mit einem passenden Material aufgebracht, wie es in dieser Technik bekannt ist.

Es sei wiederholt, daß die Halbleiter-Anordnung vorliegender Erfindung eine fotoelektrische Charakteristik hat. Jedoch ist die Anordnung gemäß Figur 6 e nicht strahlungsenergieempfindlich, weil die gesamte Barrierefläche der Anordnung mit der Metallelektrode 4 bedeckt ist, die lichtundurchlässig ist. Die Metallelektrode 4 jedoch kann teilweise nachfolgend weggeätzt werden, um eine nur kleine Flächenelektrode gemäß F i g. 4 zu erzeugen. Die Anordnung einer solchen Halbleiter-Struktur erlaubt das Auftreffen von Strahlungsenergie auf der Barriere. Als Ergebnis wird ein neues Halbleiter-Bauelement erhalten, das sowohl auf die umgebende Feuchtigkeit als auch auf auftreffende Strahlungsenergie empfindlich ist

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes kann ebenso als Substratmaterial Ge, GaAs oder P-Sniciummaterial verwendet werden. Bei Benutzung von P-Material wurde jedoch gefunden, daß die Reaktion des Niederschlags des SnO₈ vorzugsweise bei einer etwas höheren Temperatur durchzuführen ist oder die Hitzebehandlung bei einer geeigneten obengenannten Reaktionstemperatur zur SnOjj-Ablagerung durchzuführen ist Es wurde desweiter«! gefunden, daß Si₃N₄ oder GeO₂ anstelle von SiG₂ als Isolierfilm zwischen dem Zinndioxydfilm and dem Halbleiter-Substrat für die Zwecke vorliegender Erfindung verwendet werden können.

Gemäß F ig. 4 werden die verschiedenen gezeigten Charakteristiken einen Saicrum-Ein-Kristall vom N-Typ mit einem Widerstand von 1 ohm cm, einer Fla- ehe von 2 mm-, einer Dicke von 220 μ. einem Zinndioxydfilm von I mm Durchmesser und einer Dicke von 0,6 11 erhalten.

Die im Zusammenhang mit den Fi g. 4 und 6 beschriebene Anordnung zeigt verschiedene Sperrspannungs-Stromcharakteristikcn als Funktion der umgebenden Feuchtigkeit. Das Schaubild in Fig. 2 zeigt zur gleichen Zeit solch verschiedene Sperrspannungs-Stromcharakteristik-Kurven der Anordnung gemäß Fig. 4, wie es durch Bezugszeichen A', B' und C bezeichnet ist, mit verschiedenen Werten der relativen Feuchtigkeit als Parameter, in Paranthese zu den betreffenden Kurven. Es sei hervorgehoben, daß der spezifische Widerstand des Halbleitermaterials für die Kurven A, B und C in F i g. 2 5ohmcm beträgt, wohingegen die Kurven A\ B' und C" einem spezifischen Widerstand von 1 ohm cm entsprechen. Es wurde experimentell gefunden, daß ein Abnehmen des spezifischen Widerstands des Substratmaterials zum Gebrauch in vorliegender Anordnung die Durchbruchspannung in Sperrichtung des Elementes verringert. Ebenso wurde gefunden, daß eine Vergrößerung der Bchandlungszeit der Halbleiter-Anordnung mit Flußsäuie zur Entfernung des Siliciumdioxyd-Filmes im peripheren Teil der Barriere ebenfalls die Durchbruchspannung der Anordnung verringert. Die Kurven A', B' und C" wurden mit einem Element gemäß F1 g. 4 erhalten, das einer Behandlung während 30 Sekunden mittels einer 5°/oigen Flußsäurelösung ausgesetzt war. Es ist verständlich, daß die Abnahme der Durchbruchspannung der Halbleiter-Anordnung erwünscht ist, im Hinblick auf die Tatsache, daß die Sperrvorspannung, die für die vorliegende Erfindung benotigt wird, demzufolge erniedrigt wird.

Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Gleichrichtercharakteristik eines feuchtigkeitsempfindlichen Halbleiter-Bauelementes mit SnO₂-SiO.,-Si-Struktur gemäß Fig. 4 mit derjenigen einer SnO₂-Si-Struktur gemäß Fig. 1. Die Kunze C in Fig. 7 repräsentiert die Gleichrichtercnaraktenstik des Bauelementes gemäß Fig. 4: die Kurven A und b repräsentieren die Gleichrichter-Charakteristik des Bauelementes gemäß Fig. 1. Die Kurve A wurde erhalten durch die Benützung einer Anordnung, bei der die gebildete Siliciumdioxydsch,cht zwischen dem Zinndioxydfilm und dem Mliciumsubstrat eliminiert wuide, die Kurve B wurde erhalten mittels einer Anordnung, bei der keine besonderen derartigen Vorkehrungen getroffen wurden. Wie aus den Kurven des Schaubildes zu entnehmen ist. ist der Sperrstrom oder Dunkelstrom der Anordnung gemäß Fig. 4 verglichen mit der bekannten

ößer ^{S 3tark verkleinert}' ^d· ^h· betragsmäßig

^Fi8-8 ist eine graphische Darstellung eines weiteren Vergleichs des Elementes gemäß Fig.4 rat {C^em y°" ^Fig- I in statistischer Weise. Ia dein ^ciiauoüd ist anf Ordinate die relative Frequenz aufgetragen, während auf der Abszisse die DuTchbrodispannung in Sperrichtung aufgetragen ist Me Kurve c dieses Schaubildes zeigt eine statistische verteilung der Darchbrachspaanang in Spenäcntssi ^f^s,,^ElemeS,^tes S^B F ig. 4, während die ί&η-ven A and W die Verteflaag eines Elementes geffläB rig. 1 darstellen. Wederam worde Karve β dmxfc Benutzen einer Anordnung erhalten, bei der der Shcramdioxydfflm zwischen dem ZinndiexyäSta and dem Sffichnnsubstrat entfernt waMe, «Se

h

Kurve B' wurde erhalten durch Benutzen eines Bauelementes, bei dem keine derartige Behandlung vorgenommen worden war. Wie aus dem Schaubild ersichtlich ist, sind die Bauelemente gemäß F i g. 4 sehr gleichmäßig bezüglich ihrer Durchbruchspannung in Sperrichtung woru'ngegen diese Spannung bei Elementen hergestellt gernäß F i g. 1 weit streut.

Fig. 9 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung des Sperrstromes in Abhängigkeit von der Dicke des Siliciumdioxydfilmes eines Elementes ge- ίο maß Fig. 4, wobei auf das Element keine Strahlungsenergie aufgegeben ist. Wie aus dem Schaubild ersichtlich ist, ist der Sperrstrom um so geringer, je dicker der Siliciumdioxydfilm ausgebildet ist und besonders nimmt der Sperrstrom dann rapids ab, wenn die Dicke des Siliciumdioxydfilmes von ungefähr 20 A bis ungefähr 60 A anwächst. Es wurde gefunden, daß bei einem Anwachsen der Dicke des Siliciumdioxydfilmes über ungefähr 500 A der Sperrstrom demzufolge vollständig auf 0 reduziert wird.

Fig. 10 zeigt in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Durchbruchspannung in Sperrichlung von der Dicke des Siliciumdioxydfilmes eines Elementes gemäß Fig. 4, ebenfalls bei Fehlen einer Strahlungsenergie. Wie aus dem Schaubild von F i g. 7 zu entnehmen ist, und im Gegensatz zum Schaubild von Fig. 9, wird die Durchbruchspannung in Sperrrichtung um so größer, je dicker der Siliciumdioxydfilm ausgebildet ist und gleicherweise wie die Dicke des Siliciumdioxydfilmes von ungefähr 20 bis zu 60 A anwächst, nimmt die Durchbruchspannung in Sperrichtung ziemlich schnell zu. Vermutlich resultiert die Änderung der Durchbruchspannung in Sperrichtung, die von der Dicke der Siliciumdioxydschicht abhängt, von der Tatsache, daß die Siliciumdioxydschicht bei zunehmender Dicke in zunehmendem Maße als Isolierschicht wirkt.

In der vorangegangenen Beschreibung der Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes bezüglich den Fig. 5 und 6 wurde die auf natürliche Weise gebildete Siliciumdioxydschicht vollständig durch eine Flußsäurelösung entfernt, bevor die Siliciumdioxydschicht anschließend wiederum gebildet wurde. Der Grund liegt darin, daß die Dicke der auf natürliche Art und Weise entstandenen Siliciumdioxydschicht auf dem Siliciumplättchen verschieden oder die Oberfläche nicht gleichförmig ist. Jedoch muß die natürlich entstandene Siliciumdioxydschicht nicht vollständig entfernt werden; wenn die Schicht als Ergebnis der genannten Vorbehandlung eine gleichmäßige Dicke aufweist, so kann dieser Film als Teil der nachfolgend aufgebrachten Siliciumdioxydschicht dienen, die durch genau kontrollierte Oxydationsbedingungen mittels eines oxydierenden Gases, der Temperatur und der Oxydationszeit hergestellt wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

ι ? wurde. Es ist dabei bekannt, daß die elektrische Leit- Patentansprüche: fähigkeit der obengenannten Materialien entspre chend der Feuchtigkeit in der Umgebung der ge-

1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiter- nannten Materialschicht anwächst.

substrat und zwei auf den Hauptoberflächen an- 5 Durch die DT-AS 10 54 544 ist eine Halbleiterangeordneten Metallelektroden, wobei zwischen Ordnung mit einem hochohmigen Halbldterbläitchen einer der Metallelektroden und der einen Haupt- bekanntgeworden, das als Feuchtemesser Verwenoberfläche eine eine gleichrichtende Grenzschicht dung finden kann. Das Halbleiterblättchen ist auf bildende Zinnoxydschicht angeordnet ist, da- einem halbleitenden Grundkristall angeordnet, der durch gekennzeichnet, daß bei Verwen- io einen anderen spezifischen Widerstand besitzt als das dung als feuchtigkeitsempfindliches Element Blättchen, wobei dasselbe als dünne Invasionsschicht über die Elektroden (4,9) eine Vorspannung in ausgebildet ist und sperrschichtfreie Elektroden be-Sperrichtung angelegt ist, die größer als die sitzt, an welchen eine Spannung solchen Vorzeichen Durchbruchspannung in Sperrichtung ist. gelegt ist, daß ein Strom die Invasionsschicht durch-

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, da- 15 fließen kann, aber am Eintreten in den einfließenden durch gekennzeichnet, daß dasselbe eine Isolier- Grundkristall durch die zwischen dem Grundkristall schicht (2) enthält, die zwischen der Zinnoxyd- und der Invasionsschicht bestehende Sperrschicht schicht und dem Halbleitersubstrat angeordnet gehindert ist. Die Halbleiteranordnung ist ein modiist. fizierter Unipolar-Transistor, die Stromverändenmg

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, da- 20 wird durch Veränderung des Widerstände;, des HaIbdurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht eine leiterblättchens bewirkt.
Halbleiter-Komponente ist. Des weiteren ist durch die DT-AS 10 37175 eine

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, da- Feuchtigkeitsmeßeinrichtung mit einem keramischen durch gekennzeichnet, daß das Material der Iso- Halbleiter bekanntgeworden, bei dem Titandioxyd lierschicht aus einem Glied der Gruppe SiO₂, Si₃ 25 als keramischer Halbleiterkörper in poröser Form N₄ und GeO., besteht. für feuchtigkeitsempfindliche Elemente von Feuch-

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, da- tigkeitsmeßapparaten benützt wird. Das Halbleiterdurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial element ist ein gesinterter keramischer Halbleiterkor-Siiiciumdioxid ist. per, der in der Regel keine guten Halbleiter-Eigcn-

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, da- 30 schäften besitzt.

durch gekennzeichnet, daß die Dicke der Silicium- Die bekannten feuchtigkeitsempfindlichen HaIbdioxidschicht ungefähr .'.wischen 15 A und 500A leiterbauelemente besitzen nur eine geringe Ansprechbeträgt, empfindlichkeit. Der Grund niieint zu sein, daß die

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5. da- Bauelemente eine Änderung der elektrischen Leitdurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Silicium- 35 fähigkeit des Materials benützen, die durch die von dioxidschicht zwischen 15 A und 300A beträgt. der Schicht absorbierten Wassermoleküle herrührt,

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, da- als Funktion der Umgebungsfeuchtigkeit des Baueledurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Silicium- mentes.

dioxidschicht 2OA bis 100 A vorzugsweise 2OA De> weiteren ist durch die DT-OS 20 47 175 eine

beträgt. 40 Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zu deren

9. Halblei.'erbauelement nach Anspruch 2, da- Herstellung bekanntgeworden, bei der auf einem durch gekennzeichnet, daß die Zinnoxydschicht Halbleitersubstrat, das z. B. n-silicium sein kann, nur teilweise die Hauptoberfläche des Substrates eine Zinnoxydschicht SnO₂ niedergeschlagen ist. Diebedeckt und der von der Zinnoxydschicht nicht ses Halbleiterbauelement ist ein Fotoelement, daß bedeckte terifere Teil der Substratoberfläche mit 45 die Tatsache ausnützt, daß ein dünner Zinnoxydfilm einer Isolierschicht (8) bedeckt ist. lichtdurchlässige Eigenschaften hat, da er auf dem

10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, da- Halbleitersubstrat eine gleichrichtende Barriere biildurch gekennzeichnet, daß die zwischen der den kann und somit als Fotoelement Verwendung Zinnoxydschicht und dem Halbleitersubstrat lie- finden kann. Hierzu wird ein genügend hoher Sperrgende Barriere teilweise der Atmosphäre aus- 50 strom in Abhängigkeit von der Lichtintensität angegesetzt ist. strebt, wobei die fotoelektrische Charakteristik der

Empfindlichkeitskurve des menschlichen Auges nahe kommen soll. Dieses Halbleiterbauelement verwendet als fotoelektrische Charakteristik den normalen 55 Sperrstrom, der bei jedem Halbleiterelement mit pnübergang bei Anlegen einer kleinen Sperrspannung Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement auftritt.

mit einem Halbleitersubstrat und zwei auf den Haupt- Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein

oberflächen angeordneten Metallelektroden, wobei Halbleiterbauelement der eingangs genannten Gatzwischen einer der Metallelektroden und der einen 60 tung zu schaffen, daß eine große Ansprechempfincl-Hauptoberfläche eine eine gleichrichtende Grenz- lichkeit bezüglich der Umgebungsfeuchtigkeit in schicht bildende Zinnoxydschicht angeordnet ist. einem breiten Bereich aufweist, wobei die Charakte-

Die bekannten typischen feuchtigkeitsempfhidli- ristik stabil sein soll, um auch eine Massenprodukchen Halbleiterbauelemente benützen als Halbleiter- tion des Bauelementes zu ermöglichen.
Material z. B. Magneteisenstein, Selen, Kaliumme- 65 Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß erfinthaphosphat oder ähnliche, bei denen die elektrische dungsgemäß bei Verwendung des Halbleiterbauele-Leitfähigkeit als Funktion der Feuchtigkeit veränder- mentes als feuchtigkeitsempfindliches Element über bar ist, die von einer Schicht des Materials absorbiert die Elektroden eine Vorspannung in Sperrichtung