DE2330810C3 - Temperaturempfindliches Halbleiterbauelement, Verfahren zum Herstellen und zum Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein temperaturempfindliches Halbleiterbauelement, bestehend aus einem Halbleitersubstrat, auf dem eine Zinnoxydschicht unter Bildung einer gleichrichtenden Sperrschicht angeordnet ist, wobei diese und die gegenüberliegende Oberfläche des Substrats mit Elektroden kontaktiert sind.

Verschiedene Arten von temperaturempfindlichen Halbleiterbauelementen sind bisher bekannt und in der Praxis benutzt worden. Temperaturemnfindliche Halbleiterbauelemente bestehen zum Beispiel aus einer Mischung von Fe₁O₄ und MgCr₂O₄ ode- einer Mischung von FeiO₄ und MgAI₂O₄. wobei die elektrische Leitfähigkeit der Mischungen als Funktion der Temperatur des Materials veränderbar ist. Die elektrische Leitfähigkeit derariiger Materialien wächst mit dem Anwachsen der Temperatur an. Derartige Halbleiterbauelemente sind zum Beispiel kommerziell als sogenannte Thermistoren erhältlich. Ihre Temperatureimpfindlichkeit ist jedoch klein, da der Temperaturempfindlichkeitsbereich schmal und die Ansprechgeschwindigkeit auf Temperaturschwankungen und die Linearität der Ansprechcharakteristik gering ist was die Anwendung derartiger Bauelemente begrenzt Für den Einbau in Temperaturmeßgeräte sind sie nicht geeignet

Des weiteren sind neuere Entwicklungen von Halbleiterbauelementen bekannt, bei denen dünne Isolierschichten auf der Oberfläche des Halbleiters /u verschiedenen Zwecken aufgebracht werden, beispiels weise um denselben vor der umgebenden Atmosphäre zu schützen oder um die Leitfähigkeit der Oberfläche des Halbleiters zu verändern. Dabei ist es bekannt, derartige Halbleiterbauelemente unter Elektro- Wärme-Formierungsprozessen herzustellen. Die DE-AS 14 89 052 beinhaltet ein derartiges Verfahren zum Behandeln von Halbleiterbauelementen zum Einstellen der Oberflächenladungsdichte auf einen gewünschten Wert. Ein kristalliner Halbleiterkörper besitzt auf mindestens einem Oberflächenbereich eine Isolator-

schicht, wobei senkrecht zur Fläche dieser Isolatorschicht ein elektrisches Gleichfeld mit einer Feldstärke unterhalb der Durchbruchfeldstärke der Isolatorschicht bei gleichzeitiger Erhitzung des Halbleiterbauelements angelegt wird. Durch dieses Verfahren kann man den Wert der Oberflächenladungsträgerdichte auf jeden gewünschten Wert einstellen, insbesondere läßt sich dadurch ein Minimalwert der Oberflächenladungsträgerdichte erreichen. Des weiteren ist durch die deutsche Offenlegungssehrift 16 14 146 ein Elektro-Formierungsverfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen bekanntgeworden, bei dem ein Gleichspannurigsfeld an eine isolierende Schicht auf einem Halbleitermaterial angelegt wird, um die in der isolierenden Schicht vorhandenen Ionen an die Oberfläehe zu überführen und von dort zu entfernen. Dadurch können Kristallverunreinigungen wie Störstellen oder Rekombinaiionszentren vermindert werden. Diese Behandlung erfolgt jedoch vor dem Niederschlagen des Elektrodenmetalls auf das Halbleitermaterial und auf die isolierende Schicht und stellt somit eine Durchgangsstufe dar Durch die deutsche Offenlegung schrift 19 04 763 ist des weiteren ein Verfahren zur Erhöhung der Stromverstärkung und der Strahlungsresistenz von Siliciumtransistoren mit Siliciumoxyd-Deckschicht bekanntgeworden, bei dem die Transistoren einer intensiven ionisierenden Röntgen-, γ- oder Elektronenstrahlung unterworfen werden. Bei diesem Verfahren ist es auch bekannt, gleichzeitig zum Zwecke der elektrischen Belastung zwischen dem Emitter- und dem Jo Basiskontakt eine elektrische Spannung in Durchlaßrichtung und zwischen dem Emitter- und dem Kollektorkontakt bzw dem Basis- und dem Kollektorkontakl eine weitere elektrische Spannung anzulegen, wobei der KolIektorbasis-pn-Übergang eines sunhen ³^ Transistors in Sperrichtung vorgespannt ist. Die derart hergestellten Halbleiterbauelemente kommen dort zum Einsatz, wo eine lohe Strahlungsresistenz der Bauelemente verlangt wird.

Die Halbleiterbauelemente der genannten Druck- -<ⁿ Schriften sind jedoch keine Temperatur- Detektoren und können als solche mit Erfolg spezifisch nicht eingesetzt werden, sondern dienen normalen Anwendungszwekken. zum Beispiel als Verstärkerelement mit stabilisierten Oberflächenladungsträgerdichten. *'>

In all dieser Fällen ist eine Tempera urabhängigkeit der verschiedenen Größen des Halbleiterbauelementes, sobald dadurch die Ausgangsgröße empfindlich gestört wird, unerwünscht.

Nun ist aber der Sperrst: im eines Halbleiterbauele- w mentes rrvt pn-Wbergang bekanntlich exponentiell temperaturabhängig Die Änderung des Sperrsiromes derartiger Halbleiterbauelemente bei Änderung der Temperatur ist jedoch sehr gering.

Durch die DF-C)S 10 47 176 ist ein Halbleiterbauele « ment bekanntgeworden, das aus einem Halbleitersub strat besieht, auf dem eine Schicht aus isolierendem Material in solcher Weise angeordnet ist. daß ein Teil der Hauptoberfläche des Substrates von der Isolierschicht frei bleibt. Auf diesem Teil ist eine Zinnoxyd- t>o Schicht angeordnet zur Bildung einer gleichrichtenden Sperrschicht. Dieses Halbleiterbauelement ist ein Fotoelement.

Das Halbleiterbauelement, welches vorzugsweise aus Silicium als Halbleitersubstratmaterial besieht, besitzt &■» einen Film von Zinnoxyd (SnOj), der auf dem Halbleitersubstrat niedergeschlagen ist und eine gleichrichtendeundfolaelektrischeCharakteristikaufweist.Die Grenzschicht ist sehr wahrscheinlich eine Schottcky-Grenzschicht. Der Zinnoxydfilm ist transparent und leitend, weshalb ein derartiges Element als fotoelektrisches Bauelement dienen kann. Als Ansprechcharakteristik dient die Sperr-Spannungs-Stromcharakteristik, die im Bereich der sichtbaren Wellenlängen empfindlicher ist, als diejenige von gewöhnlichen fotoelektrischen Bauelementen. Es weist des weiteren eine größere Ausgangsleistung bei geringer Beleuchtung auf und kann leicht und mit geringen Kosten als Massenprodukt hergestellt werden, im Hinblick auf die Tatsache, daß die Zinnoxydschicht, die direkt auf das Halbleitersubstratmaterial niedergeschlagen wird, bei geringeren Temperaturen erhalten werden kann, verglichen mit den Herstellungsverfahren bekannter fotoelektrischer Siliciumhalbleiterbauelemente. Jedoch ist die Sperr-Spannungs-Stromcharakteristik dieses Bauelementes stark nichtlinear und für Anwendungen zur Temperaturmesung ungeeignet.

Des weiteren ist ein fotoelektrisches Halbleiterbauelement vorgeschlagen worden (DE-A^ 22 55 025), das aus einem Halbleitersubstrat besteht, auf dem ein Isolierfilm und ein Zinnoxydfilm (SnO₂) angeordnet ist, wobei der Zinnoxydfilm auf dem Isolierfilm niedergeschlagen ist und das Halbleiterbauelement gleichrichtende Charakteristik hat. Vorzugsweise ist das Halbleitersubstrat aus der Gruppe, bestehend aus Si, Ge und GaAs ausgewählt. Das Material des genannten Isolierfilmes ist vorzugsweise aus der Gruppe der Materialien SiO₂. Si₁N₄ und GeO₂ ausgewählt. Die Dicke des Isolierfilmes beträgt zwischen 27 nm und 30 nm. wobei der bevorzugte Bereich zwischen 27 nm und 10 nm liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein temperaturempfindliches Halbleiterbauelement der eingangs genannten Gattung zu schaffen, dessen Sperrstrom in Abhängigkeit der Temperatur des Halbleitersubstrates als Ausgangsgröße dient, wobei das Halbleiterbauelement eine hohe Ansprechempfindlichkeit und eine lineare Sperrstrom-Temperatur-Charakteristik aufweisen soll.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß zwischen dem Substrat und der Zinnoxydschicht im Bereich der Sperrschicht eine Isolierschicht von 1 nm bis 30 nm Dicke angeoHnet ist und an die Elektroden eine Sperrspannung in Sperrichtung gelegt ist zum Nachweis von Änderungen des Sperrstromes in Abhängigkeit von der Temperatur des Halbleiterbauelementes.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement besitzt gegenüber bekannten Halbleiterbauelementen den hervorstechenden Vor'eil, daß es eine Temperaturempfindlichkeitscharakteristik innerhalb eines großen Temperaturbereiches aufweist, «vobei die Abhängigkeit des Spe· rsti .>rr.es von der Temperatur linear bei hoher Ansprechempfindlichkeit ist Des weiteren besitzt d?s Halbleiterbauelement eine schnelle Ansprecheinpfindlichkeit bei Temperaturänderung. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement zur billigen Herstellung in Massenproduktion geeignet.

Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Halbleiterbauelementes sind in den Unteransprüehen genannt.

Ausführungsbeispielc der Erfindung sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen SchnMt durch den grundsätzlichen Aufbau des Halbleiterbauelementes,

Fig.2 eine bevorzugte Anordnung einer Apparatur zur Herstellung des Bauelementes gemäß Fig. 1,

Fig.3 in Schnitten entsprechend Pig. I das Bauelement bei verschiedenen Stufen des Herstellungsprozesses,

Fig.4 in grafischer Darstellung die Änderung des Sperrstromes in Abhängigkeit von der Temperatur des Bauelements, wobei dieses mit einer geeigneten Spannung in Sperrichtung vorgespannt ist,

Fig.5 eine grafische Darstellung der Sperr-Spannungs-Stromcharakteristik des Bauelements gemäß Fig. I für verschiedene Temperaluren als Parameter,

F i g. 6 eine grafische Darstellung, die der Darstellung von Fig. 5 ähnelt, wobei nur der Sperrstrom über der Sperrspannung mit verschiedenen Temperaturen als Parameter in vergrößerter Darstellung abgebildet ist,·

F i g. 7 eine der F i g. 4 ähnelnde grafische Darstellung der Temperaturempfindlichkeitscharakteristik über einen weiten Temperaturbereich entsprechend Fig.6, wobei auf der Ordinate der Sperrstrom und auf der Abszisse d;c Temperatur, und zwar beide Größen logarithmisch, aufgetragen sind,

Fig.8 eine grafische Darstellung der Beziehung des Sperrstromes in Abhängigkeit von der Dicke der dazwischenliegenden SiOrlsolierschicht mit verschiedenen Temperaturen als Parameter, wobei ein Bauelement entsprechend Fig. 1 mit einer Grenzschicht von 9 mm² Flächengröße und einer Sperrspannung von -3 Volt benützt wird,

F i g. 9 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des temperaturempfindlichen Stromes, d. h. des Sperrstromes, der in relativen Werten, bezogen auf eine Temperatur der Anordnung bei 0°C aufgetragen ist, über der Sperrspannung, die bei einer Hitzebehandlung von 300°C auf das Halbleitersubstrat angelegt wird mit verschiedenen Zeitabschnitten der Hitzebehandlung, die als Parameter durch die entsprechenden Kurven angezeigt sind,

Fig. 10 eine grafische Darstellung der Beziehung des temperaturempfindlichen Stromes (Sperrstrom) in relativen Werten, bezogen auf verschiedene Temperaturen des Halbleiterbauelementes, die als Parameter der entsprechenden Kurve gezeigt sind, aufgetragen über der Zeitdauer der Hitzebehandlung, und

Fig. 11 eine der Fig.8 ähnliche grafische Darstellung der Beziehung des temperaturempfindlichen Stromes (Sperrstrom) in relativen Werten, bezogen auf eine Temperatur von 25° C des Bauelements, aufgetragen über die Dicke der SiOrlsolierschicht

In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.

In Fig. 1 ist im Schnitt der grundsätzliche Aufbau eines Halbleiterba»elementes eines Ausführungsbeispiels gemäß vorliegender Erfindung gezeigt Das Bauelement umfaßt ein N-Einkristallsiliciumsubstrat 1 mit dem spezifischen Widerstand von 1 Ohm-cm, einer ersten dünnen Schicht 2 von Siliciumdioxyd (SiO₂), die durch eine weitere zweite dicke Schicht 7 von Siliciumdioxyd (SiO₂) begrenzt ist, wobei beide Schichten auf dem Halbleitersubstrat 1 gebildet sind, und eine weitere Schicht 3, bestehend aus Zinnoxyd (SnCh), die des weiteren auf der genannten SiO₂-Schicht 2 abgelagert ist Das gezeigte Bauelement umfaßt des weiteren eine Metallelektrode 4, die auf der SnO₂-Schicht 3 über der SiO₂-Schicht 7 gebildet ist, eine weitere Metallelektrode 9, die auf dem Substrat 1 auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist und eine Schaltkreisverbindung einschiießiich eines Amperemeters 6 und eine Sperrspannungsquelle 5, die mit beiden Elektroden 4 und 9 verbunden ist Die Dicke der SiCh-isolierschichl 2 ist zwischen I nm und 30 nm gewählt, was im nachfolgenden genauer beschrieben Wird. Die Dicke der SiOj-Schicht 7 beträgt ungefähr 1 Mikron.

In Fig.2 ist nun eine bevorzugte Anordnung einer Apparatur zur Herstellung des Halbleiterbauelementes gefiläß Fig. 1 gezeigt. Die Apparatur umfaßt ein Quarzheizrohr 21, das von einem Elektro-Erhitzer 22 umgeben ist, der die Reaktionszone des Heizrohres zwischen 400 und 700°C kontrolliert zu heizen imstande ist. Drei Zuleitungen ii und 18 und 15 sind mit einer Endwand 25 des Heizrohres 21 verbunden. Die Zuleitung 11 wird zur Zuführung eines oxydierenden Gases, wie zum Beispiel Sauerstoff. Luft oder einer Mischung aus Sauerstoff und Stickstoff in das Heizrohr 21 benützt und ist durch einen Absperrhahn 29, ein kontrollventil 13 und einen Durchflußmesser 12 mit einer Oxydgasquelle verbunden, wie es durch einen Pfeil 3 gekennzeichnet isi. Die Zuleitung IS wird zur Zuführung von Wasserdampf / in das Heizrohr 21 benützt und ist über einen Absperrhahn 30 mit einem Verdampfer 17 verbunden, in dem sich Wasser e befindet. Die Zuleitung 15 wird zur Zuführung von einer Gasmischung d, bestehend aus Dimethylzinndichloriddampf c und einem Inertgas a", in das Heizrohr 21 benützt und ist über ein Kontrollventil 16 mit einem Verdampfer 14 verbunden, in dem sich eine Flüssigkeit b von Dimuhylzinndichlorid ([CH₃]JSnCI₂) befindet Beide Verdampfer 17 und 14 sind in das Öl h eines Ölbades 19 getaucht, so daß beide Verdampfer kontrolliert zwischen 110 und IWC durch einen nicht gezeigten Erhitzer erhitzt werden können. Ehie Zuführung 11',die mit dem Verdampfer 14 an einem Ende desselben verbunden ist und ebenfalls teilweise in das Öl h des Ölbades 19 getaucht ist. ist über einen Absperrhahn 29', ein Kontrollventil 13', ein Durchflußmeter 12' mit einer Inertgasquelle verbunden, wie es durch den Pfeil a' angezeigt ist. Das andere Ende des Heizrohres 21 ist mittels einer Verschlußkappe 26 geschlossen und das Gas innerhalb des Heizrohres 21 wird deshalb gezwungen, durch einen Gasauslaßstutzen 27 mit einer gegebenen Strömungsgeschwindigkeit auszutreten Ein Quarzträger 23 ist innerhalb der Reaktionszone des Heizrohres 21 angeordnet; ein Siliciumplättchen 1

« befindet sich auf dem Quarzträger 23.

Nun sollen die einzelnen Herstellungsstufen des Halbleiterbauelementes gemäß Fig. 1 bei Gebrauch der Apparatur gemäß Fig.2 anhand von Fig. 3 beschrieben werden, die Querschnittsansichten des Halbleiterbauelementes bei verschiedenen Stufen des Herstellungsprozesses zeigt

Ein N-Siiiciumplättchen 1 [Fig.3(a)] wird, nachdem es physikalisch oder chemisch derart behandelt worden ist, daß es nach Wunsch eine spiegelglänzende oder matte Hauptoberfläche aufweist, innerhalb einer verdünnten Lösung von Flußsäure (HF) gewaschen, um eine SiO₂-Schicht zu entfernen, die möglicherweise sich auf der Hauptoberfläche des Plättchens 1 gebildet hat Das Plättchen 1 wird dann auf dem Quarzträger 23 plaziert und in das Quarzheizrohr 21 eingeschoben, so daß es innerhalb der Reaktionszone des Heizrohres 21 angeordnet ist wie es in Fig.2 gezeigt ist Das Siliciumplättchen 1 wird dann mittels des Erhitzers 22 zwischen 400 und 600°C erhitzt vorzugsweise auf 520° C.

Wenn das Siliciumplättchen 1 die eben genannte Temperatur erreicht werden das Ventil 13 und der Absperrhahn 29 und 30 geöffnet, so daß das

oxydierende Gas und der Dampf /"durch die Zuleitungen 11 und 18 jeweils in das Quarzheizrohr 21 zugeführt werden, um so eine oxydierende Atmosphäre innerhalb der Reaklionszoiie zu erzeugen. Während das Siliciumplättchen der oxydierenden Atmosphäre zum Beispie! 30 Minuten lang ausgesetzt wird_t wird eine SiO2-Schichl 7 von der Dicke von 1 Mikron auf der Oberfläche des Plältchens 1 gebildet [F i g. 3(b)]. Das Plättchen 1 wird dann einem bekannten Fotoätzprozeß unterworfen, um einen Teil der SiO₂-Schicht 7 zu entfernen, um so einen vorbestimmten Teil der Oberfläche des Plältchens 1 entsprechend F i g. 3(c) freizulegen.

Nach dem Fotoälzprozeß der Schicht 7 wird das Plättchen 1 wiederum in das Heizrohr 21 plaziert, um die freigelegte Oberfläche des Plättchens 1 einer weiteren Oxydation zu unterwerfen. Während das Siliciumplättchen 1 der Oxydationsatmosphäre 5 Minuten lang zum Beispiel unterworfen wird, wird auf der freigeleglen Überfläche des Plättchens 1 eine SiO₂-IsO-lierschicht 2 von 2 nm Dicke gebildet [Fig. 3(d)]. Die Dicke der SiO₂-Isolierschicht wird wie gewünscht kontrolliert ausgewählt innerhalb eines Bereiches von 1 nm bis 30 nm, als Funktion der Zeitdauer, während der das Plättchen 1 der oxydierenden Atmosphäre unterworfen ist. Jedoch sollte bei der Herstellung einer SiOrlsolierschicht von größerer Dicke als 5 nm die Temperatur des Heizrohres 21 auf ungefähr 700°C erhöht werden, wodurch die erforderliche Zeit zur Bildung der SiO₂-lsolierschicht gewünschter Dicke ohne eine substantielle Änderung der Qualität der Schicht reduziert wird. Die Auswahl der Dicke derSiO₂-Isolierschichl wird anschließend genauer beschrieben werden.

Wenn die SiO₂-Schicht 2 von gewünschter Dicke auf der Substratoberfläche gebildet ist, werden das Ventil 13' und der Absperrhahn 29' ebenso geöffnet, so daß ein inertes Trägergas a' durch die Zuführung 11' zum Verdampfer 14 strömt, der Dimethylzinnchlorid b enthält. Wie in F i g. 2 zu ersehen ist, wird das inerte Gas a'auf eine bestimmte Temperatur vorerhitzt, wenn das Gas durch einen Teil der Zuführung 11' strömt, der in das Ölbad 19 eingetaucht ist. Das Ölbad 19 wird durch _P;„_a„ ni^hi "°z°i"ter: Erhitzer erhitzt se dsß das ö! h erhitzt auf einer Temperatur zwischen 110 und 150°C, vorzugsweise auf 135°C, gehalten ist Dementsprechend wird der Verdampfer 14 ebenfalls erhitzt, um einen Dampf von Dimethylzinndichlorid darin zu erzeugen. Der Dimethylzinndichloriddampf innerhalb des Verdampfers 14 strömt zusammen mit dem Trägergas <?', wenn das Trägergas durch den Verdampfer 14 hindurchströmt, wodurch eine Gasmischung d in das Heizrohr 21 einströmt, dessen Druck gewöhnlich durch eine nicht gezeigte Vakuumpumpe, die am Auslaßstutzen 27 angeschlossen ist, reduziert wird. Gleichzeitig mit der Zuführung des Mischgases d wird ebenfalls Wasserdampf /"in das Heizrohr 21 eingeführt, wenn es notwendig sein sollte. Es wurde gefunden, daß ein zusätzliches Einführen von Wasserdampf in das Heizrohr 21 während dem Niederschlagen der SnO₂-Schicht die Zeitdauer reduziert, die zur Ablagerung der SnO2-Schicht von gewünschter Dicke notwendig ist, ohne daß dabei eine substantielle Änderung der Qualität der Isolierschicht auftritt

In der Reaktionszone unterliegen O₂ und (CH₃J₂SnCI des Mischgases «/einer Pyrolyse und einer oxydierenden Reaktion, wodurch eine Schicht 3 von Zinnoxyd dauerhaft auf der SiO2-Isolierschicht 2 auf der Oberfläche des Siliciumplättchens 1 abgelagert wird, wie in F i g. 3(e) im Querschnitt dargestellt

Die Prozeßreaktion kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:

(CH₃J₂SnCI₂+ O₂- SnO₂ + 2 CH₃CI

Die Zinnoxydschicht, die durch dieses Verfahren gebildet worden ist, ist von hoher optischer Durchlässigkeit, ihre Durchlässigkeitsrate ist höher als 80 bis 90% für Licht innerhalb des Wellenlängenbereiches von 400 mn bis 800 Γημ. Die Schicht ist ebenso von hoher Leitfähigkeit. Wenn es jedoch gewünscht ist, kann deren Leitfähigkeit weiterhin gesteigert werden durch die Inkorporation einer geringen Menge von Antimondichlorid (SbCU) in die Dimethylzinndichloridlösung b

Das Halbleitersubstrat gemäß Fig.3(e) wird nun einer Nickelbedampfung (Ni), zum Beispiel, unterworfen, so daß Metallelektrodenschichten 4 und 9 auf der SnO₂-Schicht 3 und dem Substrat 1 gebildet werden, wie im Querschnitt in F i g. 3(f) gezeigt.
Es wurde nun gefunden, daß ein N-Siliciumhalbleiter ein geeignetes Material für das Substrat des genannten Bauelements ist. Jedoch konnte ebenso ein Halbleiterbauelement mit gleicher Gleichrichter- und Temperaturempfindlichkeitscharakteristik hergestellt werden beim Gebrauch eines P-Halbleiters. Es wurde gefunden, daß bei der Benutzung von P-Material es vorteilhaft ist, die Reaktion der Ablagerung der SnO₂-Schicht bei einer etwas höheren Temperatur durchzuführen oder auch das Bauelement, hergestellt durch die Ablagerung von SnO₂ bei der obengenannten Reaktionstemperatur, einer geeigneten Hitzebehandlung zu unterwerfen. Es wurde gefunden, daß Anordnungen von ähnlicher gleichrichtender und temperaturempfindlicher Charakteristik mit Ge oder GaAs als Substratmaterial erhalten werden können. Es wurde weiterhin gefunden, daß Si₃N₄ oder GeO₂ anstelle von SiO₂ als Isolierschicht 2 zwischen der SnO₂-Schicht 3 und dem Halbleitersubstrat 1 ebenfalls verwendet werden kann und daß Si₃N₄, .SiO₂-AI₂O₁ oder SiO₂-PbO anstelle von SiO₂ als Isolierschicht 7 verwendet werden können.

«0 Nachdem nunmehr der strukturelle Aufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Halbleiter-

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ben worden ist, sollen anschließend dessen verschiedene charakteristische Eigenschaften als ein temperaturemp-

+5 findliches Halbleiterbauelement anhand der verschiedenen Schaubilder besprochen werden. Es sei hervorgehoben, daß diese verschiedenen Charakteristiken für ein spezifisches Beispiel erhalten wurden, bei dem ein N-Einkristallsiliciumsubstrat von 1 Ohm · cm Widerstand und von 1 mm² Fläche mit einer Dicke von 200 ιημ und einer Zinnoxydschicht mit einem Durchmesser von ti mm und einer Dicke von 0.6 Γημ vorgesehen war.

F;g. 4 ist eine grafische Darstellung, die eine Änderung des Sperrstromes in Abhängigkeit von der Änderung der Temperatur des Halbleiterbauelementes zeigt, wenn dieses mit 3 Volt in Sperrichtung vorgespannt ist Die Kurve B in Fig.4 zeigt eine charakteristische Kurve des Sperrstromes über der Temperatur eines Halbleiterbauelementes, das entsprechend dem obengenannten Verfahren hergestellt ist. Es ist zu sehen, daß das Halbleiterbauelement eine bevorzugte lineare Sperr-Strom-Temperaturcharakteristik bei einem Temperaturbereich oberhalb ungefähr 130° C zeigt.

Die Sperr-Strom-Temperaturcharakterisük kann überraschenderweise durch eine geeignete Hitzebehandlung des Halbleiterbauelements verbessert werden, während eine geeignete Sperrspannung an das Halb-

leiterbauelement angelegt ist. Die Kurve A in Fig.4 zeigt eine ähnliche Sperr-Slrom-Temperaturcharakteristik des genannten Halbleilerbauelementes, wobei dieses in gleicher Weise wie oben ausgeführt in Sperrichtung vorgespannt war, und zwar wurde das Halbleiterbauelement bei ungefähr 25O⁰C hitzebehandelt bei einer Sperrspannung von 5 Volt während 30 Minuten. Beim Vergleich beider Charakteristikkurven ist zu sehen, daß eine Hitzebehandlung eine bemerkenswerte Verbesserung der Sperr-Slfom-Temperaturcharakteristik zur Folge hat, so daß ein linearer Teil der Charakteristikkurve einen weiten Temperaturbereich bis hinunter zu normalen Temperaturen bedeckt. Es sei hervorgehoben, daß eine weitere Beschreibung von anderen verschiedenen Charakteristiken des Bauelementes gemäß Fig. 1 bei einer Hitzebehandlung mit einer Sperrspannung, wie es oben beschrieben wurde, gemacht wird. Die Hitze-Sperrspannungsbehandlung wird detaillierter im Nachfolgenden bei der Beschreibung der Fig. v, iöund i i beschrieben werden.

Des weiteren wurde gefunden, daß das Halbleiterbauelement verschiedene Sperrslrom-Sperrspannungscharakteristikkurven in der Gleichrichtungscharakteristik als Funktion der Temperatur des Bauelementes besitzt. Fig. 5 ist ein Schaubild, in dem solche verschiedenen Sperrspannungs-Sperrstromcharakteristikkurven des Bauelementes gemäß F i g. I gezeigt sind, bei einer Hitzebehandlung unter Sperrspannung mit verschiedenen Temperaturen als Parameter, wie es in den entsprechenden Kurven angezeigt ist. Wie aus dem Schaubild zu entnehmen ist, werden die Kurven flach bei Erhöhen der Temperatur und gehen in einen Sättigungsbereich über, wenn eine spezifische Sperrspannung, ungefähr -2VoIt, in Sperrichtung angelegt ist. Es sei hervorgehoben, daß Fig. 5 eine Stromspannungscharakteristik des Bauelementes bei einer Sperrspannung von -3 Volt zeigt.

Fig.6 zeigt eine ähnliche grafische Darstellung wie Fig. 5, wobei nur der Sperrstrom über der Sperrspannung bei verschiedenen Temperaturen als Parameter in vergrößertem Maßstab dargestellt ist. Die Ordinate des Diagramms in Fig.6 ist logarithmisch unterteilt. Wie

Halbleiterbauelement einen weiten Änderungsbereich des Sperrstromes in Abhängigkeit vor der Änderung der Temperatur des Halbleiterbauelementes über einen weiten Temperaturbereich.

F i g. 7 ist eine ähnliche grafische Darstellung svie Fig.4 und zeigt die Temperaturempfindlichkeitscharakteristik des Sperrstromes über der Temperatur über einen weiten Temperaturbereich wie die grafische Darstellung in Fig. 6. Die Ordinate des Diagramms in Fig. 7 ist wiederum logarithmisch unterteilt. Das Schaubild wurde dadurch erhalten, daß das Halbleiterbauelement gemäß Fig-. 1 mit einer Sperrspannung von — 5VoIt in Sperrichtung vorgespannt wurde. Die grafische Darstellung in Fig.7 bestätigt, daß das Halbleiterbauelement eine hohe Empfindlichkeit über einen Temperaturbereich von - 30°C bis 300° C zeigt

Aus den Fig.4 bis 7 ist ersichtlich, daß ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in vorteilhafter Weise zum Zwecke des Nachweises einer Änderung der Temperatur über einen großen Bereich benützt werden kann. Es ist des weiteren verständlich, daß bei Benützen des Halbleiterbauelementes in Sperrichtung, wobei sich dieses im Sättigungsbereich entsprechend der Darstellung gemäß F i g. 5 befindet, die Sperrspannung leicht festgelegt werden kann. Bei geeigneter Wahl des Aufbaus der gleichrichtenden Grenzschicht und der Bedingungen der Hitzebehandlung ist es möglich, ein Halbleiterbauelement herzustellen, das bis zu einer Temperatur von - 100°C empfindlich ist.

Die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemenles bezüglich der Temperatur hängt weitestgehend von der Dicke der Isolierschicht 2 ab, die zwischen der SnO2-Schicht 3 und dem Halbleitersubstrat 1 angeordnet ist. Fig. 8 ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Sperrstrom in Abhängigkeit von der Dicke der dazwischen angeordneten SiOj-Schicht zeigt, mit verschiedenen Temperaturen als Parameter, wobei wiederum ein Halbleiterbauelement gemäß Fig.] verwendet wurde mit einer gleichrichtenden Grenzschicht von 9 mm² Fläche und einer Sperrspannung von - 3 Volt. Vorzugs weise kann das Material der Isolierschicht aus der Gruppe bestehend aus SiO?, S11N4 und GeOi ausgewählt sein. Die Dicke der Isolierschicht ist zwischen 1 nm und

K 30 nm ausgewählt, doch kann vorzugsweise die Dicke der Isolierschicht zwischen 2 nm und 30 nm mit einem bevorzugten Bereich von 3 nm bis 10 nm ausgewählt sein.

Im Vorhergehenden wurde schon eine kurze Be-Schreibung der Hitzebehandlung des Halbleiterbauelements mit einer geeigneten Sperrspannung gegeben, um so die Tcmperaturempfindlichkeitscharakteristik /u verbessern. Anhand der Fig.9 bis Il soll eine genaue Beschreibung in dieser Hinsicht erfolgen.

Es wurde gefunden, daß eine Temperatur von 150° C bis 400⁰C zum Zwecke der Elektro-Wärme-Formierung bei Anlegen einer Sperrspannung verwendet werden kann, wobei der Temperaturbereich von 250"C bis 350⁰C vorzuziehen ist.

F i g. 9 zeigt eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des temperaturempfindlichen Stromes, d. h. des Sperrstromes, in relativen Werten, bezogen auf eine Temperatur der Anordnung von O⁰C, aufgetragen über der Sperrspannung, die bei der Hitzebehandlung bei Temperaturen von 300⁰C angewendet wird, mit verschiedenen Zeitdauern der Hitzebehandlung, was als Parameter in den betreffenden Kurven angezeigt ist.

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lungsperiode zwischen 15 und 30 Minuten bei einer

*5 Sperrspannung von ungefähr 4 bis 5,5 Volt eine Gleichförmigkeit der Quantität der Bauelemente zur Folge hat, besonders der Temperaturempfindlichkeit der Halbleiterbauelemente. Aus diesem Grunde wird bevorzugt, die obengenannte Zeitdauer anzuwenden.

so Jedoch sei hervorgehoben, daß die Anwendung von anderen Bedingungen wie zum Beispiel eine Dauer von 8 oder 5 Minuten, wenn die Sperrspannung auf einen ähnlichen Bereich begrenzt ist, ebenfalls eine Gleichförmigkeit der Temperaturempfindlichkeit zur Folge hat.

Die Temperaturempfindlichkeit des letztgenannten Halbleiterbauelementes ist jedoch, verglichen mit dem früher genannten Halbleiterbauelement, geringer.

F i g. 10 zeigt in grafischer Darstellung die Abhängigkeit des temperaturempfindlichen Stromes, d.h. des Sperrstroms, in relativen Werten, bezogen auf verschiedene Temperaturen des Halbleiterbauelementes, was als Parameter bei den entsprechenden Kurven ausgedrückt ist, aufgetragen über der Zeitdauer der Hitzebehandlung. Aus der grafischen Darstellung ist abzulesen, daß die Hitzebehandlung über einen Jüngeren Zeitraum als 5 Minuten, vorzugsweise langer als 8 Minuten, eine Gleichförmigkeit der Empfindlichkeit der resultierenden Halbleiterbauelemente hervor-

Fig. 11 zeigt eine der Fig. 8 ähnelnde grafische Darstellung der Abhängigkeit des tcmperaturempfindiichen Stromes, d. h. des Sperrstroms, in relativen Werten, bezogen auf eine Temperatur von 25°C des Halbleiterbauelementes, aufgetragen über die Dicke der zwischen der SnOrSchicht und dem Halbleitersubstrat angeordneten SiOrlsolierschicht. Wie aus der grafischen Darstellung zu entnehmen ist, kann durch die Auswahl der Dicke der SiCVSchicht, wobei die Dicke zwischen

2 nm und 3 nm betragen soll, die Empfindlichkeit des Halbleiterbauelementes bemerkenswert gesteigert werden. ]e dicker andererseits die SiO2-Schicht ausgebildet wird, um so mehr wird der Sperrstrom reduziert. Bezüglich der Darstellung in Fi g. 8 kann die Dicke der is SiCVSchicht zwischen 1 nm bis 30 nm gewählt werden, jedoch soll vorzugsweise die Dicke der SiO2-Schicht zwischen 2 nm und 30 nm, bevorzugtermaßen zwischen

3 nm und 10 nm gewählt werden.

Es sei bemerkt, daß das Bauelement gemäß Fig. 1 lichtempfindlich ist und daher ohne Benützung irgendeiner Maske auf der SiC^-Schicht 3 gleichermaßen empfindlich ist für die umgebende Temperatur und für auf das Halbleiterelement auftreffendes Licht. Zur Herstellung eines nur temperaturempfindlichen Halbleiterbauelements muß auf dem Halbleiterbauelement eine Maske vorgesehen werden, um das einfallende Licht abzuschirmen. Solch eine Maske kann eine Metallschicht, zum Beispiel aus Nickel sein, die gleichzeitig als Elektrode 4 oder als geeignetes Gehäuse des Halbleiterbauelementes benützt werden kann. Es sei hervorgehoben, daß die Messungen der grafischen Darstellungen der F i g. 4 bis 11 bei dunklen Bedingungen durchgeführt wurden.

Bei Anordnung des Halbleiterbauelementes an einem bestimmten Platz ist das Element empfindlich gegenüber der Tempentur der Atmosphäre, der es ausgesetzt ist. Wenn es jedoch gewünscht wird, daß das Halbleiterbauelement die Temperatur irgendeines besonderen Gegenstandes messen soll, so kann irgendeine geeignete Wärmeverbindung mit dem Halbleiterbauelement vorgesehen werden. In vorteilhafter Weise können eine Basisplatte zur Halterung des Ha'ibleiterbiiuelementes oder ein Gehäuse zum Einkapseln desselben zur Hitzeleitung vorgesehen werden, wobei die Basisplatte oder das Gehäuse aus einem Material mit guten Wärmeleiteigenschaften, wie zum Beispiel Kupfer, besteht.

Wenn es gewünscht ist, kann das Halbleiterbauelement mit anderen Halbleiterbauelementen, so zum Beispiel einem Transistor, kombiniert werden.

Solch eine kombinierte Halbleiteranordnung kann auf demselben Substrat hergestellt werden, aus dem das temperaturempfindliche Halbleiterbauelement besteht, in dem diese voneinander durch eine Isolierschicht gelrennt sind. Bei ähnlichem Gebrauch der Isolierschicht 7 können mindestens 2 SnCVSchichten und 2 SiCVSchichten 2 gebildet werden, die voneinander durch die Schicht 7 nach Art eines integrierten Schallkreises isoliert sind. Jedoch ist der typische Vorteil der Verwendung der Isolierschicht 7 der, daß die Schicht eine Grenzschichtregion bildet, wie es bei einem Photoätzprozeß gewünscht wird und so den peripheren Teil der Grenzschichtregion davor schützi, der Atmosphäre ausgesetzt zu sein, wodurch die Temperaturempfindlichkeitscharakteristik des temperaturempfindlichen Halbleiterbauelementes stabilisiert wird.

Eine der bevorzugten Anwendungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes besteht im Aufbau eines temperaturempfindlichen Meßinstrumentes; jedoch kann das vorliegende erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ebenso als thermischer Schalter, zur thermischen Zeichenerkennung oder ähnliches verwendet werden.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Temperaturempfindliches Halbleiterbauelement, bestehend aus einem Halbleitersubstrat, auf dem eine Zinnoxydschicht unter Bildung einer gleichrichtenden Sperrschicht angeordnet ist, wobei diese und die gegenüberliegende Oberfläche des Substrates mit Elektroden kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrat (1) und der Zinnoxdschicht (3) im Bereich der Sperrschicht eine Isolierschicht (2) von 1 nm bis 30 nm Dicke angeordnet ist und an die Elektroden (9, 4) eine Sperrspannung in Spernchtung gelegt ist zum Nachweis von Änderungen des Sperrstromes in is Abhängigkeit von der Temperatur des Halbleiterbauelementes.

2. Temperaturempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet. d*ß das Halbleitersubstrat aus der Gruppe Si, Ge und GaAs gewäh!' ist und vorzugsweise aus Si vom N-Leitfähigkeitstyp besteht.

3. Temperaturempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, duß das Material der Isolierschicht (2) aus der Gruppe 2^r> SiO₂, Si 1N₄ und GeCl₂ ausgewählt ist und vorzugsweise aus SiO₂ besteht.

4. Temperaturempfindlichcs Halbleiterbauelement nach Anspruch 3. dadurch gekennze hnet, duß die Dicke der SiO₂-Schicht zwischen 3 nm und 10 nm κ> beträgt.

5. Temperaiurempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, da .lurch g kennzeichnet, daß die Zinnoxydschicht mit einer lichtundurchlässigen Metallschicht, die die Elektrode bili Λ, bedeckt ist. »

6. Temperaturempfindliches Halbleilerbauele ment nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus Nickel besteht.

7. Temperaiurempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet. d:..ß ■'" auf dem Substrat (1) eine weitere Isolierschicht (7) angeordnet ist, die dicker ist als die zwischen dem Substrat (1) und der Zinnoxydschicht (3) im Bereich der Sperrschicht angeordnete Isolierschicht (2) urd auf der Substratoberfläche an diese anschließt urd ■»■> daß die Zinnoxydschicht (3) sich auf der dickeren Isolierschicht (7) erstreckt.

8. Temperaturempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der dickeren Isolierschicht aus der Vt Gruppe SiO₂. Si₁N.,, SiO? -AI₂O, und SiO₂-PbO ausgewählt ist.

9. Temperaturempfindliche« Halbleiterbauelement nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet.daß dasselbe auf einer Grundptatte montiert ist. «

10. Temperaturempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei gleichrichtende Sperrschichten bildende Zinnoxydschichien vorgesehen sind, die voneinander isoliert sind. to

11. Temperaturempfindliehes Halbleiter^aueU;-ment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe mit anderen Halbleiterbauelementen in Form einer integrierten Schaltung auf einem Chip angeordnet ist. &5

12. Verfahren zur Herstellung eines temperaturempfindlichen Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitersubstrat auf einer Oberfläche mit einer Isolierschicht von 1 nm bis 30 nm Dicke bedeckt wird, auf der eine Zinnoxydschicht niedergeschlagen wird und daß danach das Halbleiterbauelement einer Hitzebehandlung unterorfen wird, während der man an der gleichrichtenden Sperrschicht eine Sperrspannunganlegt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzebehandlunf. bei Temperaturen von 150^JC bis 400⁰C durchgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die während der Hitzebehandlung angelegte Sperrspannung betragsmäßig zwischen 3 und 6 Volt beträgt, vorzugsweise betragsmäßig zwischen 4 und 5,5 Volt.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzebehandlung während einer Zeitdauer von mehr als 5 Minuten durchgeführt wird.

16. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrspannung so gewählt ist, daß der durch sie erzeugte Sperrstrom im Sättigungsbereich liegt.