DE961763C - Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Halbleiterkoerpers durch Ziehen aus der Schmelze mittels eines Impfkristalls - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Halbleiterkörpers durch Ziehen aus der Schmelze mittels eines Impfkristalls Bereits mehrfach sind Verfahren angegeben worden, die dazu dienten, einkristalline Halbleiterkörper durch Ziehen aus der Schmelze mit Hilfe eines Impfkristalls herzustellen. Dabei wurde im allgemeinen ein einkristalliner Impfkristall in die Schmelze des betreffenden Halbleitermaterials eingetaucht und unter Rotation um seine Achse aus dieser herausgezogen. Bei diesem Verfahren wächst das erstarrende Halbleitermaterial einkristallin an dem Impfkristall an. Dieses Verfahren hat eine Reihe von Nachteilen. Zunächst bedarf es zur Herstellung von Einkristallen mit einem wesentlichen Durchmesser eines großen apparativen Aufwandes, und die Schwierigkeiten, die die Erzeugung eines gleichmäßigen Wachstums mit sich bringt, steigerten sich mit dem Durchmesser des erwünschten Kristalls. Hinzu trat dabei der Umstand, daß die Grenzschicht zwischen der festen und der flüssigen Phase gekrümmt verlief, und zwar mit um so stärkerer Krümmung, je dicker der gezogene Kristall war. Dies bewirkte, daß beim Ziehen von Kristallen, die Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters aufwiesen, auch die Grenzschichten zwischen diesen Zonen gekrümmt waren. Wollte man einen derart hergestellten Übergang, beispielsweise zur Herstellung eines Trockengleichrichters, aus dem gezogenen Kristall ausschneiden, so mußten die beiden Schnitte in einem Abstand geführt werden, der um einiges größer war als die durch die Krümmung bedingte Erstreckung der Grenzfläche zwischen den Zonen in Richtung des Kristallwachstums. Das hatte zur Folge, daß nicht nur sehr viel Material verbraucht wurde, sondern auch noch der elektrische Widerstand des Gesamtsystems durch diesen Mehraufwand an Material wesentlich erhöht wurde. Hinzu kam, daß durch die Krümmung der Grenzfläche unerwünschte elektrische Nebenwirkungen eintraten.
• Die Erfindung hat ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Halbleiterkörpers zum Gegenstand, bei dem der Halbleiterkörper durch Ziehen aus der Schmelze mittels eines Impfkristalls hergestellt wird und das sich von den bisher bekannten dadurch unterscheidet, daß der in die Schmelze getauchte Impfkristall um eine solche Achse, die parallel zum Spiegel der Schmelze verläuft, gedreht und gleichzeitig unter paralleler Verschiebung dieser Achse aus der Schmelze gezogen wird. Mit Vorteil wird man dazu einen im wesentlichen stabförmigen, einkristallinen Impfkristall verwenden und ihn mit seiner Mantelfläche in die Schmelze tauchen. Sodann wird er unter Rotation um seine Achse aus dieser herausgehoben, so daß das Material der Schmelze einkristallin an der Mantelfläche des Impfkristalls anwächst. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können also Kristalle gewonnen werden, die einen größeren Durchmesser aufweisen als' die, die mit dem bekannten Verfahren hergestellt werden. Das Wachstum erfolgt nämlich nicht in Richtung der Länge des Impfkristalls, sondern senkrecht dazu, so daß der fertiggestellte Halbleiterkörper sich in seiner Länge nicht wesentlich von der Länge des Impfkristalls unterscheidet, wohl aber hinsichtlich seines Durchmessers.
• Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Halbleiterkristallen, die mehrere in Richtung des Kristallwachstums - also in Richtung senkrecht zur Achse des Impfkristalls - aufeinanderfolgende Zonen mit von Zone zu Zone wechselndem Leitfähigkeitscharakter enthalten. Der Kristall wird dabei aus einer im wesentlichen aus dem reinen Material des Halbleiters bestehenden Schmelze gezogen, die sowohl Donatoren- als auch Akzeptorenverunreinigungen in einem solchen Verhältnis enthält, daß es eine zufolge der unterschiedlichenAbscheidungskoeffizienten der Verunreinigungen für dieses Verhältnis kritische Wachstumsgeschwindigkeit gibt, bei der der gezogene Kristall Eigenleitung zeigt, derart, daß bei einer über dieser kritischen Wachstumsgeschwindigkeit liegenden Wachstumsgeschwindigkeit die eine Verunreinigungsart, beispielsweise die Donatoren, zu einem höheren Grade in den wachsenden Kristall eingebaut wird als die Akzeptoren, während bei einer unter dieser kritischen Wachstumsgeschwindigkeit liegenden Wachstumsgeschwindigkeit die andere Verunreinigungsart, beispielsweise die Akzeptoren, zu einem höheren Grade in den wachsenden Kristall eingebaut wird als die Donatoren. Es läßt sich also nach diesem Verfahren ein Halbleiterkörper herstellen, der beispielsweise walzenförmig ist und dessen Seele beispielsweise p-leitend ist, während der Mantel n-leitend ist. Die zwischen diesen beiden Bereichen gebildete Sperrschicht ist also ebenfalls zylindrisch. Solcher Art hergestellte Halbleiterkörper haben den Vorteil, daß die Randlänge der an die Oberfläche tretenden Sperrschicht im Verhältnis zu deren Gesamtfläche sehr klein gehalten werden kann, wodurch die an den Rändern auftretenden Störungen, beispielsweise durch Luftfeuchtigkeit, weitgehend vermindert werden können.
• Es ist indessen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, Halbleiterkörper herzustellen, die höhere Spannungen sperren als es ein einzelner p-n-Übergang vermag. Die dazu erforderlichen Halbleiterkörper, bei denen Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters in der Wachstumsrichtung des Kristalls abwechselnd aufeinanderfolgen und bei denen die Übergänge zwischen den Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters in ihrer Breite derart unterschiedlich sind, daß sich an jedem zweiten Übergang eine Sperrschicht ausbildet und die so gebildeten Sperrschichten gemeinsam in gleicher Stromrichtung durch den Halbleiterkörper sperren bzw. durchlassen, während die dazwischenliegenden mindestens nahezu sperrschichtfrei sind, werden derart hergestellt, daß die Zonenfolge durch Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit erzeugt und an Übergängen, die eine Sperrschicht erhalten sollen, die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit schneller vorgenommen wird als bei den in entgegengesetztem Sinne erfolgenden Änderungen der Wachstumsgeschwindigkeit, die zu mindestens nahezu sperrschichtfreien Übergänger. führen.
• Die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit wird durch Änderung der der Schmelze zugeführten Heizleistung und/oder Änderung der Ziehgeschwindigkeit bewirkt. Dabei kann die Ziehgeschwindigkeit, die sich aus der zum Spiegel der Schmelze senkrechten Komponente der Umfangsgeschwindigkeit des Kristalls an der Stelle, an der der Kristall aus der Schmelze austritt und aus der Geschwindigkeit zusammensetzt, mit der der Kristall angehoben wird, durch Änderung einer der genannten Geschwindigkeiten beeinflußt werden. Es entstehen auf diese Weise Systeme hohlzylinderförmiger Art, wie sie bereits geschildert worden sind, die jedoch wesentlich höhere Sperrspannungen aufnehmen können als Systeme, die nur einen p-n-Übergang enthalten, die aber trotzdem den Vorzug haben, einkristallin zu sein.
• Als Impfkristall zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich besonders eine massive oder hohlzylindrische Walze. Die letztere kann aus einer massiven Walze mittels spanabhebender Verfahren, beispielsweise durch Bohren, hergestellt werden. Besonders bewährt hat es sich aber, das Bohren mit einem Elektronenstrahl vorzunehmen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Vorteil im Vakuum oder im Schutzgas durchgeführt. Bei Substanzen, die bei ihrem Schmelzpunkt bereits einen merklichen Dampfdruck haben, findet das Schutzgas besonders Anwendung, um Materialverluste durch Abdampfen zu vermeiden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Halbleiterkörpern, die aus Germanium, Silizium oder einer intermetallischen Verbindung oder aus einer Legierung mit diesen Stoffen bestehen.
• Die so hergestellten Halbleiterkörper können einen beliebigen, vorzugsweise aber kreisförmigen Ouerschnitt senkrecht zur Zylinderachse aufweisen. Sie können aber auch die Form von Ausschnitten aus einem Hohlzylinder haben, was beispielsweise durch formgebende Bearbeitung nach dem Ziehen bewirkt werden kann; d. h., es werden aus dem ursprünglich gebildeten Zylinder Kreisringe, Segmente oder Sektoren ausgeschnitten, die die erforderliche Anzahl von Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters aufweisen. Es ist hierbei zudem möglich, die erzeugten Halbleiterkörper durch Abtragen so zu dimensionieren, daß ihre geometrische Begrenzung ähnlich dem Verlauf der Sperrschicht oder Sperrschichten in ihnen ist.
• Die so erzeugten Halbleiterkörper eignen sich vorzüglich zur Verwendung in elektrisch unsymmetrisch leitenden Systemen, wie Trockengleichrichter oder Kristallverstärker, insbesondere Transistoren. Dabei wird die an ihnen vorzunehmende Kontaktierung günstig an zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden gegenüberliegenden Flächen vorgenommen. Es ist von besonderem Vorteil, wenn eine der der Kontaktierung dienenden Elektrode zugleich als mechanische Halterung des Halbleiterkörpers dient.
• Zu besonders günstigen Kühlungsverhältnissen gelangt man, wenn mindestens eine der Elektroden mit einem Kühlmittel in wärmeleitender Verbindung steht. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, daß die Elektrode einen Teil eines von den Kühlmitteln durchströmten Röhrensystems darstellt.
• Die Kontaktierung zwischen dem Halbleiterkörper und der Elektrode wird in vielen Fällen vorteilhaft mit Substanzen vorgenommen, die mindestens teilweise aus einem Material bestehen, das geeignet ist, den Leitfähigkeitscharakter des Halbleiterkörpers in der Umgebung der kontaktierten Fläche zu ändern.
• Die Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung ein Beispiel des Herstellungsprozesses sowie die mit dein erfindungsgemäßen Verfahren zu erzielenden Vorteile und Ausführungsbeispiele von Trockengleichrichtern, die mit Halbleiterkörpern versehen sind, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.
• In Fig. i enthält der Tiegel i eine Halbleiterschmelze 2. In diese Halbleiterschmelze taucht ein Impfkristall 3, der die Form eines Hohlzylinders hat, mit seiner Mantelfläche ein. Während des Ziehverfahrens rotiert der Impfkristall 3 um die angedeutete Achse 4 im Sinne des gekrümmten Pfeiles und wird zugleich aus der Schmelze angehoben. Dabei wachsen an der Stelle, an der die Mantelfläche aus der Schmelze auftaucht, also längs der angedeuteten Linie 5, auf den Hohlzylinder weitere Halbleiterschichten unter Wahrung des einkristallinen Charakters auf. Es läßt sich z. B. ein einfacher p-n-Übergang dadurch bewirken, daß ein n-leitender einkristalliner Impfkristall zum Ziehen aus einer Schmelze verwendet wird, aus der sich p-leitende Substanz abscheidet.
• Die Fig.2 und 3 zeigen in Gegenüberstellung die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den bekannten. Zieht man z. B. nach den bekannten Verfahren Halbleiterkörper aus der Schmelze, die Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters aufweisen, so bilden sich die Zonen 6 an ihren Grenzflächen gekrümmt aus. Um eine bestimmte Zonenfolge aus dem Halbleiterkörper auszuschneiden, müßten die Schnitte bei 7 und 8 geführt werden, wodurch bei q tote Räume entstehen, die Materialverlust und steigenden Gesamtwiderstand mit sich bringen. Demgegenüber ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, wie durch Fig. 3 -dargestellt, Halbleiterkörper herzustellen, bei denen die Grenzschicht io zwischen den Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters stets annähernd den gleichen Abstand von den beiden Mantelflächen des Hohlzylinders aufweisen.
• Halbleiterkörper, wie sie in F ig. 3 schematisch dargestellt sind, lassen sich z. B. zu Trockengleichrichtern verarbeiten, wie sie in Fig. 4 und 5 angegeben sind.
• In Fig. 4 ist mit 13 ein gut wärmeleitendes Rohr bezeichnet, durch das eine Kühlflüssigkeit in Pfeilrichtung fließt. über dieses Rohr ist der Halbleiterkörper i i geschoben und mit ihm elektrisch und mechanisch fest verbunden. Auf dem äußeren Mantel des Halbleiterkörpers i i befindet sich eine weitere Elektrode 12. Enthält der Halbleiterkörper i i bereits die in Fig. 3 angedeutete Sperrschicht io, so wird die Kontaktierung zu den beiden Elektroden so ausgeführt, riaß der Halbleiterkörper gegen die Elektroden keine Sperrwirkung zeigt. Besteht jedoch der Halbleiterkörper 11 aus einem Material mit homogenem Leitfähigkeitscharakter, so wird man eine der Elektroden, insbesondere aber die Elektrode 13, unter Verwendung eines Lotes mit dem Halbleiterkörper verbinden, das geeignet ist, diesen in der Nähe des Rohres i3 hinsichtlich seines Leitfähigkeitscharakters zu verändern. Die gleichen Überlegungen gelten für das in F ig. 5 dargestellte System, bei dem die Elektrode 14 als Gefäß eines Siedekühlers 15 ausgebildet ist.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Halbleiterkörpers durch Ziehen aus der Schmelze mittels eines Impfkristalls, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Schmelze getauchte Impfkristall um eine solche Achse, die parallel zum Spiegel der Schmelze verläuft, gedreht und gleichzeitig unter paralleler Verschiebung dieser Achse aus der Schmelze gezogen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen stabförmiger einkristalliner Impfkristall mit seiner Mantelfläche und um seine Achse rotierend derart in eine Schmelze getaucht und aus dieser herausgehoben wird, daß das Material der Schmelze einkristallin an der Mantelfläche des Impfkristalls anwächst.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i oder 2 zum Herstellen von Halbleiterkristallen, die mehrere in Richtung des Kristallwachstums aufeinanderfolgende Zonen mit von Zone zu Zone wechselndem Leitfähigkeitscharakter enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus einer im wesentlichen aus dem reinen Material des Halbleiters bestehenden Schmelze gezogen wird, die sowohl Donator- als auch Akzeptorverunreinigungen in einem solchen Verhältnis enthält, daß es eine zufolge der unterschiedlichen Abscheidungskoeffizienten der Verunreinigungen für dieses Verhältnis kritische Wachstumsgeschwindigkeit gibt, bei der der gezogene Kristall Eigenleitung zeigt, derart, daß bei einer über dieser kritischen Wachstumsgeschwindigkeit liegenden Wachstumsgeschwindigkeit die eine Verunreinigungsart, beispielsweise die Donatoren, zu einem höheren Grade in den wachsenden Kristall eingebaut wird als die Akzeptoren, während bei einer unter dieser kritischen Wachstumsgeschwindigkeit liegenden Wachstumsgeschwindigkeit die andere Verunreinigungsart, beispielsweise die Akzeptoren, zu einem höheren Grade in den wachsenden Kristall eingebaut wird als die Donatoren.
4. 4. Verfahren nach -Anspruch 3 zum Herstellen von Halbleiterkörpern, bei denen Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters in der Wachstumsrichtung des Kristalls abwechselnd aufeinanderfolgen und bei denen die Übergänge zwischen den Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters in ihrer Breite derart unterschiedlich sind, daß sich an jedem zweiten Übergang eine Sperrschicht ausbildet und die so gebildeten Sperrschichten gemeinsam in gleicher Stromrichtung durch den Halbleiterkörper sperren bzw. durchlassen, während die dazwischenliegenden mindestens nahezu sperrschichtfrei sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonenfolge durch Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit erzeugt wird und an Übergängen, die eine Sperrschicht erhalten sollen, die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit schneller vorgenommen wird als bei den im entgegengesetzten Sinne erfolgenden Änderungen der Wachstumsgeschwindigkeit, die zu mindestens nahezu sperrschichtfreien Übergängen führen.
5. 5. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehgeschwindigkeit, die sich aus der zum Spiegel der Schmelze senkrechten Komponente der Umfangsgeschwindigkeit des Kristalls an der Stelle, an der der Kristall aus der Schmelze austritt und aus der Geschwindigkeit, mit der der Kristall angehoben wird, zusammensetzt, durch Änderung einer der genannten Geschwindigkeiten beeinflußt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit durch Änderung der der Schmelze zugeführten Heizleistung und/oder Änderung der Ziehgeschwindigkeit bewirkt wird.
7. 7. Vei fahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Impfkristall eine massive oder hohlzylindrische Walze verwendet wird. B. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlzylindrische Walze aus einer massiven zylindrischen Walze mittels spanabhebender Verfahren, beispielsweise durch Bohren, hergestellt wird. g. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohren mit einem Elektronenstrahl vorgenommen wird. io. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß es im Vakuum oder unter einem Schutzgas ausgeführt wird. s i. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch seine Anwendung auf die Herstellung von Halbleiterkörpern, die aus Germanium, Silizium oder einer intermetallischen Verbindung oder aus Legierungen mit diesen Stoffen bestehen. 12. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch seine Verwendung zum Herstellen von Halbleiterkörpern, die die Form eines Hohlzylinders mit beliebigem., vorzugsweise kreisförmigem Quer= schnitt senkrecht zur Zylinderachse aufweisen. 13. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper nach dem Ziehen einer formgebenden Bearbeitung unterzogen wird. 14. Halbleiterkörper, hergestellt nach Anspruch i oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch seine Verwendung in elektrisch unsymmetrisch leitenden Systemen, wie Gleichrichtern oder Kristallverstärkern, insbesondere Transistoren. 15. Halbleiterkörper nach Anspruch 14, insbesondere ein Halbleiterkörper, der nach dem Verfahren gemäß Anspruch 13 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er die Form von Ausschnitten aus einem Hohlzylinder aufweist. 16. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System mit einem Halbleiterkörper gemäß Anspruch 1q. oder 1s, dadurch gekennzeichnet, daB die Kontaktierung an zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden, gegenüberliegenden Flächen erfolgt. 17- System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der der Kontaktierung dienenden Elektroden als mechanische Halterung des Halbleiterkörpers dient. 18. System nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die eine der Elektroden mit einem Kühlmittel in wärmeleitender Verbindung steht. r9. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode einen Teil eines von dem Kühlmittel durchströmten Röhrensystems darstellt. 2o. System nach Anspruch 16 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daB die Kontaktierung zwischen dem Halbleiterkörper und der Elektrode mit Substanzen vorgenommen wird, die mindestens teilweise aus einem Material bestehen, das geeignet ist, den Leitfähigkeitscharakter des Halbleiterkörpers in der Umgebung der kontaktierten Fläche zu ändern.