DE968581C

DE968581C - Process for the production of crystals intended for rectifiers, directional conductors, transistors or the like

Info

Publication number: DE968581C
Application number: DES27341A
Authority: DE
Inventors: Dr Heinz Henker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1952-02-24
Filing date: 1952-02-24
Publication date: 1958-03-06

Description

Verfahren zur Herstellung von für Gleichrichter, Richtleiter, Transistoren od. dgl. bestimmten Kristallen Zum Aufbau von Gleichrichterelementen oder Richtleitern, Detektoren bzw. Transistoren oder Halbleiteranordnungen mit mehr als drei Elektroden benutzt man unter anderem Halbleiter, wie z. B. Germanium oder Silizium od. ä. Es zeigt sich dabei, daß der benutzte Halbleiter, der maßgebend für die Wirkung des Erzeugnisses ist, bestimmten Bedingungen genügen muß. So ist es beispielsweise, insbesondere bei Detektoren und Transistoren, erforderlich, daß der Halbleiterstoff in Form eines Kristalls vorliegt und daß seine Reinheit ein bestimmtes Maß aufweist, wobei jedoch gleichzeitig die Einschränkung zu machen ist, daß die - allerdings in sehr geringen Spuren - in diesem Stoff noch befindlichen Verunreinigungen hinwiederum bestimmter Natur sein müssen, damit die beabsichtigte Wirkung überhaupt eintritt.Process for the production of for rectifiers, directional conductors, transistors or the like. Specific crystals For the construction of rectifier elements or directional conductors, Detectors or transistors or semiconductor arrangements with more than three electrodes one uses among other things semiconductors such. B. germanium or silicon or the like. It shows that the semiconductor used, which is decisive for the effect of the Product must meet certain conditions. So it is for example especially with detectors and transistors, required that the semiconductor material is in the form of a crystal and that its purity has a certain level, at the same time, however, the restriction must be made that the - indeed in very small traces - on the other hand there are impurities in this substance must be of a certain nature so that the intended effect occurs at all.

Man hat sich nun zunächst darum bemüht, die für den Aufbau benutzten Halbleiterstoffe möglichst rein herzustellen, wenn man mit den natürlich vorkommenden Stoffen und den darin befindlichen natürlichen Verunreinigungen das gesteckte Ziel nicht erreicht. Man ist dabei die verschiedensten Wege gegangen. Der geeignetste war bisher die Herstellung eines äußerst reinen Halbleitermaterials, dem entweder vor oder beim Schmelzen die notwendigen geringfügigen Zusätze beigemischt werden. Es zeigte sich nun, daß beim Schmelzen in einem Tiegel meist außerdem noch unerwünschte Verunreinigungen hinzukamen, die entweder vom Tiegelmaterial selbst oder von den im Tiegelmaterial vorhandenen Verunreinigungen stammen. Hierdurch werden die elektrischen Eigenschaften der aus der Schmelze gewonnenen Halbleiterkristalle wesentlich verschlechtert. Außerdem können die Tiegefwände beim Erstarren der Schmelze im Halbleiter unerwünschte mechanische Spannungen hervorrufen, die ebenfalls zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften führen.One has now tried first to use the ones used for the construction Produce semiconductor materials as pure as possible, if you deal with the naturally occurring Substances and the natural impurities they contain not reached. One has gone the most different ways. The most suitable was previously the production of an extremely pure semiconductor material, either the necessary minor additives are added before or during melting. It has now been found that, when melting in a crucible, it is usually also undesirable Impurities were added, either from the crucible material self or from the impurities present in the crucible material. This will be the electrical properties of the semiconductor crystals obtained from the melt significantly worsened. In addition, the deep walls can when the melt solidifies cause undesired mechanical stresses in the semiconductor, which also lead to lead to a deterioration in electrical properties.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die für den Aufbau der gekennzeichneten Einrichtungen notwendigen Halbleiter in einer bislang nur sehr selten erreichten Güte und diese hinwiederum reproduzierbar zu erzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß gepulvertes Halbleitermaterial in nicht oxydierender Umgebung stetig oder intermittierend auf eine vorzugsweise aus einem reinen Block des entsprechenden Halbleiterstoffes bestehende, an der Oberfläche unter Anwendung einer verbrennungslosenErhitzungsart so weit erhitzte Unterlage aufgebracht wird, daß es dort in dünner Schicht schmilzt, und daß beim Aufbringen weiterer Pulvermengen die erste geschmolzene Schicht stetig oder schrittweise aus der Zone der Schmelztemperatur entfernt wird, wobei gegebenenfalls eine zusätzliche definierte Kühlung benutzt werden kann, so daß die erste Schicht zu erstarren beginnt. Dieses Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis ein Kristall gewünschter Größe erreicht ist. Das Ergebnis nach diesem Verfahren ist ein Einkristall bisher nur sehr selten erzeugter Größe für den angegebenen Zweck, der die geeignetste Ausgangsform für die Herstellung der Halbleiterelemente darstellt. Das Wachsen dieses Einkristalles muß deswegen in nicht oxydierender Umgebung vorgenommen werden, weil die Schmelztemperaturen der im wesentlichen benutzten Halbleiter und deren Affinität zum Sauerstoff so groß ist, daß eine durchaus störende Oxydation des Halbleiterstoffes eintreten würde, wenn nicht die angegebene Vorsichtsmaßregel Anwendung fände.The invention is based on the object for the construction of the identified Facilities necessary semiconductors in a so far only very rarely achieved Quality and to produce it in a reproducible manner. The method according to the invention is that powdered semiconductor material in a non-oxidizing environment continuously or intermittently on a preferably from a pure block of the corresponding Semiconductor material existing on the surface using a non-combustion type of heating the substrate is heated to the point where it melts in a thin layer, and that as further amounts of powder are applied, the first molten layer becomes steady or is gradually removed from the zone of the melting temperature, where appropriate an additional defined cooling can be used, so that the first layer begins to freeze. This process is continued until a crystal desired size is reached. The result of this process is a single crystal So far only rarely produced size for the stated purpose, which is the most suitable Represents the initial form for the manufacture of the semiconductor elements. Growing this Single crystal must therefore be made in a non-oxidizing environment because the melting temperatures of the semiconductors essentially used and their affinity to oxygen is so great that an oxidation of the semiconducting material is quite disruptive would occur if the stated precaution were not applied.

Das Verfahren, gepulvertes Material auf einem Träger aus dem gleichen Material durch Anwendung von Wärme tiegellos zusammenzuschmelzen, ist an sich nicht neu, sondern. bereits in der Technik der Herstellung von künstlichen Edelsteinen angewandt worden. Die diesem Verfahren zugrunde liegende Aufgabe bestand jedoch darin, die Verwendung von besonders hohen Schmelztemperaturen zu ermöglichen. Demgegenüber besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, besonders große Reinheiten beim Halbleiterkristall zu erzielen, wie sie für die Verwendung des Kristalls in Transistoren und anderen Halbleiteranordnungen erforderlich sind. Außerdem wurde bei der Herstellung von künstlichen Edelsteinen im allgemeinen mit einem Knallgasgebläse gearbeitet, bei dem das Hineingelangen von Verbrennungsrückständen oder sonstigen durch die Verbrennung erzeugten Verunreinigungen in die Schmelzmasse nicht hinreichend vermieden werden kann.The process of powdered material on a carrier of the same Melting material together using heat without a crucible is not per se new but. already in the technique of making artificial gemstones been applied. The task underlying this process, however, existed in enabling the use of particularly high melting temperatures. In contrast the object on which the invention is based is to obtain particularly high purities in the semiconductor crystal as it is for the use of the crystal in Transistors and other semiconductor devices are required. In addition, was in the manufacture of artificial gemstones generally with an oxyhydrogen blower worked in which the ingress of combustion residues or other Impurities generated by the incineration in the molten mass are not sufficient can be avoided.

Demgegenüber hat die Anwendung der verbrennungslosen Erhitzungsart den Vorteil, daß keine bei Verbrennungen stets auftretenden Verunreinigungen in das zu gewinnende Halbleitermaterial gelangen können.In contrast, the use of non-combustion heating the advantage that no impurities that always occur in burns the semiconductor material to be obtained can arrive.

Das gekennzeichnete Verfahren, das nachstehend im einzelnen noch näher erläutert wird, gestattet vor allem eine genau dosierte Beigabe der erforderlichen Verunreinigungen, weil dem Halbleiterpulver diese in genau bestimmter Menge beigefügt werden können. Man kann auch den Herstellungsvorgang in einer Atmosphäre durchführen, die den in den Kristall einzubauenden Stoff in einer ganz bestimmten Konzentration enthält. Des weiteren ergibt sich aus dem gekennzeichneten Verfahren aber auch die Möglichkeit, nicht nur einen Einkristall bestimmten Leitfähigkeitstypus herzustellen, sondern auch Kristalle zu züchten, bei denen an gewünschter Stelle eine beliebig dünne Schicht mit einer anderen Verunreinigung eingewachsen sein kann, so daß dadurch die Herstellung eines Flächentransistors, beispielsweise der Art n-p-n oder p-n-p, möglich ist. Auch kann man daran denken, in gleicher Weise abwechselnd mehrere Schichten verschiedenen Typus übereinanderzulegen, wobei entweder die Art und; oder die Menge der Verunreinigungen schrittweise geändert werden kann.The identified method, which is detailed below in more detail is explained, allows above all a precisely dosed addition of the necessary Impurities, because they are added to the semiconductor powder in precisely defined quantities can be. The manufacturing process can also be carried out in an atmosphere the substance to be built into the crystal in a very specific concentration contains. In addition, however, the identified method also results in the Possibility of producing not only a single crystal of a certain conductivity type, but also to grow crystals in which any one at the desired location thin layer may have grown in with another impurity, so that as a result the manufacture of a junction transistor, for example of the n-p-n or p-n-p type, is possible. One can also think of alternating several layers in the same way of different types, with either the type and; or the crowd the impurities can be changed gradually.

Das erfindungsgemäße Verfahren lagert also dünne Schichten des geschmolzenen Halbleiterstoffes übereinander und regelt dabei den Vorgang so, daß beim Aufbringen der folgenden Schicht die vorhergehende zu erstarren beginnt. Hierdurch wird erreicht, daß die jeweils erstarrende Schicht in der Struktur der vorhergehenden erstarrt, so daß also von einem Kristallwachstum gesprochen werden kann.The method according to the invention therefore stores thin layers of the molten material Semiconductor material on top of each other and regulates the process in such a way that when it is applied of the following layer the previous one begins to solidify. This achieves that the solidifying layer solidifies in the structure of the previous one, so that one can speak of crystal growth.

Beispielsweise ist folgende Einrichtung verwenbar: In einer nicht oxydierenden Atmosphäre, beispielsweise in Argon oder Helium, rieselt Halbleiterpulver in bestimmter Menge nach unten. Während der Fallbewegung werden die Teilchen mindestens zum Teil geschmolzen und bilden auf der Unterlage, auf welcher der Kristall aufwachsen soll, eine dünne geschmolzene Schicht. Weitere herabrieselnde Teilchen lagern sich entsprechend auf der ersten Schicht ab, während diese durch entsprechend geringfügiges Senken der Unterlage aus der Zone der Schmelztemperatur herausgezogen wird, so daß, gegebenenfalls bei zusätzlicher geregelter Kühlung,- der Erstarrungsvorgang schichtweise entsteht. Man kann durch Automatisierung dieses Vorganges, wozu die Menge des herabrieselnden Halbleiterpulvers in einem bestimmten Verhältnis zur Wanderungsgeschwindigkeit der sich entfernenden Unterlage stehen muß, erreichen, daß Kristallgebilde von der Größe mehrerer cm entstehen.For example, the following setup can be used: Not in one In an oxidizing atmosphere, for example in argon or helium, semiconductor powder trickles down down in a certain amount. During the falling motion the particles become at least partly melted and form on the base on which the crystal grows supposed to be a thin melted layer. More particles trickling down are deposited correspondingly on the first layer, while this by correspondingly minor Lowering the substrate is pulled out of the zone of the melting temperature, so that, if necessary with additional regulated cooling, - the solidification process in layers arises. One can automate this process, including the amount of trickling down Semiconductor powder in a certain ratio to the migration speed of the must stand away from the base, achieve that crystal formations of the size several cm arise.

Die Aufschmelzung der pulverförmigen Teilchen kann nun mittels der verschiedenartigsten Wärmegeneratoren durchgeführt werden. Es ist z. B. möglich, die Kristalle bei vermindertem Druck der Umgebung mittels einer Gasentladung herzustellen, indem man die Kristallunterlage bzw. die bereits aufgewachsenen Kristallteile als eine Elektrode schaltet, der eine flächenhaft verhältnismäßig weit größere Elektrode gegenübersteht. Durch die Gasentladung und die Konzentration auf die kleine Halbleiterelektrode kann die für die Auf schmelzung erforderliche Temperatur erzeugt werden.The powdery particles can now be melted by means of the A wide variety of heat generators can be carried out. It is Z. B. possible to produce the crystals at reduced ambient pressure by means of a gas discharge, by using the crystal base or the crystal parts that have already grown as an electrode switches which has a relatively larger electrode in terms of area facing. By the gas discharge and focus on the small semiconductor electrode can achieve the temperature required for melting be generated.

Es ist aber auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren im Hochvakuum durchzuführen. In diesem Falle kann die Schmelztemperatur durch Kathoden- oder auch Ionenstrahlen erzeugt werden, wobei man sich im Falle der Benutzung von Ionenstrahlen der Möglichkeit bedienen kann, die erforderlichen Verunreinigungen für den Halbleiterstoff durch die Ionenstrahlen zuzuführen.But it is also possible to carry out the process according to the invention in a high vacuum perform. In this case, the melting temperature can be through cathode or also Ion beams are generated, which is the case in the case of the use of ion beams the possibility of serving the necessary impurities for the semiconductor material by supplying the ion beams.

Aber auch mit sichtbarem oder unsichtbarem Licht ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, indem man Licht- oder Wärmestrahlen, insbesondere reine Infrarotstrahlen, mit Hilfe von Sammellinsen oder Hohlspiegeln auf die Unterlage konzentriert.But the implementation is also possible with visible or invisible light the method according to the invention possible by light or heat rays, in particular pure infrared rays, with the help of converging lenses or concave mirrors on the surface concentrated.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß auch eine Erwärmung mittels kurzer elektromagnetischer Wellen durchgeführt werden kann, wobei man sich sowohl eines Spulen- als auch eines Kondensatorfeldes bedienen kann.Finally, it should be noted that heating by means of short electromagnetic waves can be carried out, being both a coil field as well as a capacitor field can operate.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Process for the manufacture of for electrical Semiconductor arrangements, such as rectifiers or transistors, certain semiconductor crystals, for example of germanium or silicon, characterized in that powdered Semiconductor material in a non-oxidizing environment continuously or intermittently a preferably consisting of a pure block of the corresponding semiconductor material, on the surface using a non-combustion type of heating so far heated base is applied so that it melts there in a thin layer, and that when applying further amounts of powder by steady or gradual removal the first layer from the zone of the melting temperature and optionally additional Defined cooling this begins to solidify, etc., until a crystal is desired Size is reached.

2. The method according to claim i, characterized in that the purest Semiconductor powder or those with certain, precisely dosed impurities for Achieving desired conductivity types is used for crystal formation.

3. The method according to claim i or 2, characterized in that at a certain time interval during the growth of the crystal by choosing different semiconductor powders or different types of impurities and / or different amounts of these Impurities layers of various types are obtained. q ..

Procedure according to Claim 3, characterized in that alternating layers of n- and p-type are formed.

5. The method according to claim i to q., Characterized in that the melting of the semiconductor powder onto the substrate in a non-oxidizing process Environment, e.g. B. argon, helium or hydrogen is made.

6. Procedure according to Claim i to q., Characterized in that the heating of the base and the Melting of the semiconductor powder by means of a gas discharge at low gas pressure are caused, the semiconductor electrode having a relatively large area, preferably additionally cooled electrode faces.

7. The method according to claim i to q., characterized in that the heating of the substrate and the melting of the Semiconductor powder caused by cathode or ion beams in a high vacuum the impurities required to achieve the desired type of layer of the semiconductor powder are optionally supplied by the ion beams. B.

Method according to claims i to q., Characterized in that the heating of the Base and the melting of the semiconductor powder by means of visible or invisible Light, preferably from the infrared region, can be made with the help is concentrated on the base by converging lenses or concave mirrors.

9. The method according to claim i to 4, characterized in that the heating of the substrate and the melting of the semiconductor powder are carried out by means of short electromagnetic waves in a coil or capacitor field. References contemplated: U.S. Patent No. 2,576,267; Book by J. S trong: "Modern Physical Laboratory Practice", New York, 1938, p. 529.