DE975179C - Verfahren zur Herstellung eines Flaechengleichrichters oder Flaechentransistors - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Flaechengleichrichters oder Flaechentransistors

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DE975179C DER13270A DER0013270A DE975179C DE 975179 C DE975179 C DE 975179C DE R13270 A DER13270 A DE R13270A DE R0013270 A DER0013270 A DE R0013270A DE 975179 C DE975179 C DE 975179C
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Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Flächenhalbleiter und bezieht sich auf ein vorteilhaftes Verfahren zu ihrer Herstellung.
Ein Flächenhalbleiter dieser Art enthält einen Körper aus halbleitendem Material, beispielsweise aus Germanium oder Silizium und eine oder mehrere gleichrichtende Schichten, welche durch Eindiffundieren eines Verunreinigungs- bzw. Dosierungsmaterials, welches eine andere Leitfähigkeit hervorruft, in dem Halbleiterkörper gebildet werden. Beispiele für Verunreinigungsmaterialien sind unter anderem Indium, Gallium, Tantal, Arsen und Antimon. Mit zwei Inversionsschichten stellt ein solcher Halbleiter einen Transistor mit drei Elementen dar, nämlich einer Basiselektrode, welche durch das Halbleitermaterial gebildet wird, und.
zwei kleineren Körpern von Verunreinigungsmaterial, welche mit zwei einander gegenüberliegenden Flächen des Halbleiterkörpers verschmolzen werden und den Emittor und den Kollektor darstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Herstellung solcher Flächengleichrichter die Form der entstehenden Inversionsschicht zu beeinflussen.
Bei Transistoren kann es z. B. erwünscht sein, daß in dem fertigen Transistor beide Inversionsschichten eben sind, oder es kann auch z. B. erwünscht sein, daß beide Inversionsschichten gekrümmt sind, aber überall den gleichen Abstand voneinander besitzen.
Daß man bei dem üblichen Herstellungsverfahren für Inversionsschichten, nämlich beim Aufschmel-
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zen eines Aktivatorkörpers auf einen Halbleiterkörper, keine Möglichkeit besitzt, die Form der entstehenden Inversionsschichten zu beeinflussen, kann anschaulich so erklärt werden, daß man zunächst eine kleine Scheibe oder Pille eines Verunreinigungsmaterials betrachtet, welches auf einer ebenen Scheibe des Halbleitermaterials aufliegt. Wenn die Scheibe oder Pille schmilzt, so nimmt sie zunächst infolge ihrer Oberflächenspannung eine ίο etwa kugelförmige Gestalt an, und die Diffusion beginnt an der kleinen Kontaktfläche mit dem Halbleiter. Beim weiteren Erhitzen breitet sich das geschmolzene Verunreinigungsmaterial aus und benetzt eine größere Fläche des Halbleiters, in den es dann eindiffundiert, wobei das Verunreinigungsmaterial die Form eines Halbellipsoids annimmt. Dabei bildet sich eine gekrümmte Inversionsschicht, die in der Mitte am tiefsten liegt.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Flächengleichrichters oder Flächentransistors, bei dem ein Halbleiterkörper mit aus einem Dotierungsmaterial bestehenden Aktivatorkörper verschmolzen wird, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der von dem geschmolzenen Dotierungsmaterial eingenommene Raum während des Verschmelzens nach der von der Oberfläche des Halbleiterkörpers abgewandten Seite durch einen Begrenzungskörper begrenzt wird, der aus einem Material höheren Schmelzpunktes als das Dotierungsmaterial besteht, und durch dessen Formgebung der Verlauf der gleichrichtenden Schicht im Halbleiterkörper bestimmt wird.
Bei diesem Verfahren gelingt die Beeinflussung der Form der Inversionsschicht deshalb, weil der geschmolzene Aktivatorkörper der gemäß dem Obengesagten die Form eines Halbellipsoids besaß, nun künstlich in eine andere Form gebracht wird, die durch die Gestalt des Begrenzungskörpers an der von der Oberfläche des Halbleiterkörpers abgewandten Seite des geschmolzenen Dotierungsmaterials bestimmt ist. Die Erfahrung hat gezeigt, und es wird an den Ausführungsbeispielen der Erfindung noch erläutert werden, daß die entstehende Inversionsschicht etwa das Spiegelbild der genannten Fläche des Begrenzungskörpers ist.
Um die Halbleiteranordnung zu kühlen und einen elektrischen Anschluß an die Inversionsschicht zu schaffen, wird der Begrenzungskörper aus gut wärmeleitendem Metall hergestellt, welches mit dem Aktivatormaterial während der erwähnten Erhitzung oberflächlich verschmilzt und sich somit dauernd mit ihm verbindet. Eine nachträgliche Erhitzung zur Befestigung einer Kühlfahne oder einer elektrischen Anschlußklemme wird daher vermieden.
Bei der Formgebung des Begrenzungskörpers
muß außer der Oberflächenspannung berücksichtigt werden, ob der formende Begrenzungskörper durch das geschmolzene Verunreinigungsmaterial benetzt wird oder nicht.
Der formende Begrenzungskörper kann einen geschlossenen Raum bilden, der das geschmolzene Verunreinigungsmaterial während der Formung umschließt. Es kann auch die ganze Anordnung unter Druck gesetzt werden, wobei vorzugsweise ein nicht benetzender Abstandshalter zwischen dem Begrenzungskörper und dem Halbleiterkörper benutzt wird, der die Dicke des Verunreinigungsmaterials bei der Erstarrung bestimmt. Ein solcher Abstandshalter wirkt auch dabei mit, den obenerwähnten geschlossenen Raum zu bilden.
Diejenigen Teile des Begrenzungskörpers, welche nicht durch das geschmolzene Verunreinigungsmaterial des Aktivatorkörpers benetzt werden sollen, können aus Kohlenstoff oder Graphit oder aus einem mit Kohlenstoff überzogenen Metall hergestellt werden. Diese Teile können entfernt werden, bevor der Halbleiter in ein Gehäuse eingebaut wird.
Die oben beschriebenen Arbeitsgänge lassen sich dann leichter ausführen, wenn man zuerst den Halbleiterkörper mit einem dünnen Überzug von gegen Wärme widerstandsfähigem Isoliermaterial umhüllt und dabei nur an der Seite, an der eine Inversionsschicht gebildet werden soll, diesen Überzug ausspart. Ferner kann vorzugsweise am Rande des Halbleiterkörpers eine Stelle in dem isolierenden Überzug für einen Anschluß ausgespart werden, der gleichzeitig mit der Erhitzung zur Herstellung der Inversionsschichten angebracht wird.
Fig. ι veranschaulicht im Querschnitt einen Halbleiterkörper, der teilweise mit einem isolierenden Überzug versehen ist;
Fig. 2 zeigt im Querschnitt den Zusammenbau der verschiedenen Körper vor dem Erhitzungsprozeß gemäß obigem Herstellungsverfahren;
Fig. 3 zeigt die Anordnung nach Fig. 2 nach dem Erhitzungsprozeß;
Fig. 4 zeigt im Querschnitt eine Halbleiteranordnung gemäß obigem Herstellungsverfahren; Fig. 5 bis 10 veranschaulichen verschiedene weitere Ausführungsformen gemäß obigem Herstellungsverfahren.
Alle Figuren stellen stark vergrößerte Querschnitte der Anordnungen dar.
In Fig. ι ist eine Scheibe 2 von halbleitendem Material dargestellt, die auf dem größten Teil ihrer Oberfläche einen chemisch inerten zusammenhängenden Überzug 4 aus einem wärmebeständigen Stoff trägt, beispielsweise einen Überzug aus aufgedampftem Siliziumdioxyd. Drei getrennte Flächen 3, 5 und 7 der Halbleiteroberfläche bleiben dabei frei. Gemäß Fig. 2 werden auf die Flächen 3 und 5 kleine Aktivatorkörper 10 und 12 (Scheiben) von Verunreinigungsmaterial aufgelegt, und an der Fläche 7 wird ein kleines Kügelchen 14 aus Zinn oder einer-Legierung am Ende eines Anschlußdrahtes 16 angebracht. Um die Aktivatorkörper 10 und 12 herum sind Abstandshalter 6 und 8, welche aus Glimmerscheiben oder Ringen bestehen können, angeordnet. Mit den Aktivatorkörpern 10 und 12 werden metallische Begrenzungskörper 18 und 20 in Berührung gebracht. Diese üben einen Druck auf die Aktivatorkörper aus und pressen diese zusammen. Die Abstandshalter verhindern beim
Schmelzen des Aktivatorkörpers eine zu starke Verformung desselben. Die gesamte Anordnung wird sodann in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre genügend hoch und lange erhitzt, um die gleichrichtenden Schichten zu bilden. Eine Erhitzung auf 5000 C für etwa io Minuten lieferte gute Ergebnisse, jedoch können auch andere Temperaturen und Zeiten verwendet werden. Bei dieser Erhitzung schmilzt der Aktivatorkörper an den Stirnflächen 23 und 25 der Begrenzungskörper 18 und 20 fest, und es verschmilzt ferner das Kügelchen 14 mit der Scheibe 2, so daß ein fertiger Halbleiter entsteht.
Die Fig. 3 zeigt, wie sich dabei die gleichrichtenden Schichten 22 und 24 durch Eindiffundieren des Verunreinigungsmaterials in dem Halbleiterkörper 2 bilden und wie die obenerwähnten Verschmelzungsvorgänge stattfinden. Das Kügelchen 14 ist mit der Halbleiterscheibe 2 ohne Bildung einer gleichrichtenden Schicht verschmolzen und bewirkt somit einen guten elektrischen Anschluß der Basiselektrodenzuleitung 16. Die Begrenzungskörper 18 und 20 können mit Löchern 28 und 30 versehen werden, in welche Kühlfahnen eingeschraubt werden können. Der ganze Halbleiter kann von einem Kunststoffkörper 26 umschlossen sein. Dieser dient dazu, den Halbleiter gegen Beschädigung, Korrosion, atmosphärische Feuchtigkeit und sonstige schädliche Einflüsse zu schützen.
In der Ausführungsform nach Fig. 4 hat der Begrenzungskörper 18 die Form eines Bechers, in dem die Halbleiterscheibe 2, die kleinen Aktivatorkörper 10 und 12, die Abstandshalter 6 und 8, die mit dem Zinnkügelchen 14 versehene Leitung 16 und ein zweiter Begrenzungskörper 20 angeordnet werden. Diese Teile werden mittels eines Zentrierdeckels 32 festgehalten. Die ganze Anordnung wird sodann erhitzt, so daß sich die Inversionsschichten 22 und 24 bilden und gleichzeitig die Aktivatorkörper 10 und 12 mit den Begrenzungskörpern 18 und 20 verschmelzen sowie die Leitung 16 an den Körper 2 angeschmolzen wird. Nach der Erhitzung wird der Zentrierdeckel 32 entfernt, und der becherförmige Begrenzungskörper 18 kann mit Kunststoff gefüllt werden.
Die Fig. 4 zeigt auch dünne Überzüge 19 und 21, die durch Elektroplatierung oder durch Aufdampfen auf den Stirnflächen der Begrenzungskörper 18 und 20 angebracht werden können, um eine Diffusion des Materials dieser Körper durch das Verunreinigungsmaterial hindurch in den Halbleiterkörper 2 hinein zu verhindern. Da Gold einen verhältnismäßig großen Atomdurchmesser besitzt, der viel größer ist als der von Kupfer und Nickel, besitzt Gold eine niedrige Diffusionsgeschwindigkeit, so daß das Kupfer oder Nickel der Begrenzungskörper 18 und 20 nicht in Richtung der Inversionsschichten diffundieren kann. Eine Anfertigung der Körper 18 und 20 vollständig aus Gold verbietet sich aus Preisgründen.
Die Fig. 5 zeigt einen Halbleiterkörper 2, wie Germanium oder Silizium, auf dessen einer Oberfläche 34 ein Aktivatorkörper 36 aus Verunreinigungsmaterial, vorzugsweise aus Indium, angebracht ist, aber auch durch ein anderes der eingangs erwähnten Verunreinigungsmaterialien ersetzt werden kann. Das Verunreinigungsmaterial wird von einem Begrenzungskörper 38, der auf seiner Unterseite eine Vertiefung besitzt, umschlossen und fest an die Halbleiteroberfläche 34 angedrückt. Der Begrenzungskörper 38 soll aus einem Material von hohem Schmelzpunkt, beispielsweise aus Kohle oder Graphit, bestehen und durch das geschmolzene Verunreinigungsmaterial nicht benetzt werden. Insbesondere soll er sich auch nach dem Erhitzungsprozeß leicht von dem Halbleiter abheben lassen. Die ganze Anordnung nach Fig. 5 wird für etwa 20 Minuten auf etwa 5000 C erhitzt. Durch den Begrenzungskörper 38 wird das geschmolzene Verunreinigungsmaterial flach gedrückt, so daß es auf seiner ganzen Berührungsfläche in den Halbleiterkörper gleichmäßig schnell und tief eindiffundiert. Somit wird eine nahezu ebene Inversionsschicht 40 gebildet. Wenn zwei derartige Schichten in demselben Erhitzungsprozeß auf der Ober- und Unterseite einer dünnen Halbleiterscheibe 2 gebildet werden, treten die Ladungsträger zwischen diesen Inversionsschichten gleichmäßiger über, als zwischen ellipsoidartigen Inversionsschichten, wie sie ohne den Körper 38 entstehen würden.
Die Fig. 6 veranschaulicht eine andere in ähnlicher Weise herstellbare Form der Inversionsschichten. Auf dem Halbleiterkörper 2 befindet sich das geschmolzene Aktivatormaterial 36'. Die in Fig. 6 dargestellte Form der Vertiefung in dem Begrenzungskörper 38' bewirkt, daß die Inversionsschicht 40' annähernd ein Spiegelbild der kegelförmigen Gestalt der Begrenzungsfläche wird. Die Form des Aktivatorkörpers bleibt nach der Erstarrung desselben bestehen.
In Fig. 7 wird ein Abstandshalter benutzt, beispielsweise eine metallische Ringscheibe 37, die mit einer Kohleschicht 39 überzogen ist. Auf dieser Ringscheibe und dem Aktivatorkörper 36 liegt ein Begrenzungskörper 42 auf, der seinerseits auf seiner Unterseite einen Kohlestoffüberzug 45 besitzt. Bei dieser Anordnung entsteht ein geschlossener Raum zwischen dem Begrenzungskörper 42 und der Oberseite 34 des Halbleiterkörpers 2, welcher das durch die Erhitzung geschmolzene Aktivatormaterial 36 begrenzt. Dabei entsteht eine ebene Inversionsschicht 40, wie in Fig. 5, und die Dicke des Aktivatorkörpers 36 wird durch die Dicke des Ringes 37, 39 bestimmt.
In Fig. 8 wird das geschmolzene Verunreinigungsmaterial 36' durch eine beispielsweise aus Nickel oder Kupfer bestehende Begrenzungselektrode 50 geformt, die durch das Verunreinigungsmaterial benetzt wird. Durch das Zusammenwirken der Form der Begrenzungselektrode 50 und der Oberflächenspannung des geschmolzenen Aktivatorkörpers 36' wird der letztere in der Mitte der Oberfläche 34 zusammengehalten. Durch Diffusion wird dann eine gekrümmte gleichrichtende Inversionsschicht 40' gebildet, welche etwa spiegelbildlieh zur Begrenzungselektrode 50 verläuft. Bei der
Abkühlung wird die Elektrode festgeschmolzen und dadurch dauernd mit dem Halbleiter verbunden, sodaß sie als Anschluß und zur Wärmeableitung dient. Fig. 9 veranschaulicht die Herstellung eines Flächentransistors. Auf der Oberseite und Unterseite 34 und 35 einer Halbleiterscheibe 2 ist je ein Aktivatorkörper 44 und 46 aus Verunreinigungsmaterial angebracht. Diese letzteren Körper werden durch die Begrenzungselektroden 48 und 50 ge*- halten. Eine dritte Elektrode 52, die wenigstens am Ende 53 verzinnt ist, bildet mit dem Halbleiterkörper 2 einen nicht gleichrichtenden Basiskontakt. Die drei Elektroden sind beispielsweise an einem Stab 54 gehalten. Die ganze Anordnung wird für etwa 20 Minuten in einer nicht oxydierenden Atmosphäre auf ungefähr 500° C erhitzt, so daß sich die gleichrichtenden Schichten 40 und 40' bilden und gleichzeitig die Elektroden 48, 50 und 52 mit den Aktivatorkörpern 44, 46 und diese mit dem Halbleiter verschmolzen werden. Somit wird ein Transistor mit zwei einander gegenüberliegenden Inversions- oder p/n-Schichten gebildet. Die p/n-Schicht 40 ist konvex und die p/n-Schicht 40' konkav, und zwar jeweils gegenüber der anderen Schicht, so daß der Abstand der beiden Schichten fast konstant ist. Vorzugsweise ist die p/n-Schichtfläche4O kleiner als die p/n-Schichtfläche4o'.
Die Fig. 10 veranschaulicht die Herstellung einer weiteren Ausführungsform eines Transistors. Diese Anordnung enthält einen Halbleiterkörper 2, auf dessen Ober- und Unterseite 34 bzw. 35 die Aktivatorkörper 44 und 46 und die Abstandshalter 37 und 41 liegen. Ein Ring 43, der aus Zinn oder aus verzinntem Metall bestehen kann, stellt einen nicht gleichrichtenden Kontakt zu der Oberseite 34 des Halbleiterkörpers 2 her. Die Anordnung ist in einem Becher 58 aus Kohle oder Graphit angebracht und wird durch einen Begrenzungskörper 60 aus Kohle oder Graphit, der in den Becher 58 eingeschoben werden kann, gehalten. Zur Bildung der beiden gleichrichtenden Schichten 40 und 40" wird die ganze Anordnung, wie oben beschrieben, erhitzt. Der Becher 58, der Begrenzerkörper 60 und die beiden Ringscheiben 37 und 41 umschließen je einen Raum für das geschmolzene Aktivatormaterial. Bei dieser Anordnung kann also ein Halbleiter mit zwei dicht aneinanderliegenden parallelen gleichrichtenden Schichten gebildet werden. Gleichzeitig mit der Bildung der beiden Inversionsschichten wird der Ring 43 zur Herstellung eines nicht gleichrichtenden Kontaktes mit dem Halbleiterkörper 2 verschmolzen.
Bei denjenigen der beschriebenen Ausführungsformen, bei denen ein geschlossener Raum für das geschmolzene Aktivatormaterial gebildet wird, wird durch das Gewicht der Begrenzungskörper 38, 38', 42 oder 60 bereits ein Druck auf den Halbleiter ausgeübt. Dieser Druck kann von außen auch noch verstärkt werden.
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Claims (8)

  1. Patentansprüche:
    i. Verfahren zur Herstellung eines Flächengleichrichters oder Flächentransistors, bei dem ein Halbleiterkörper mit einem aus einem Dotierungsmaterial bestehenden Aktivatorkörper verschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem geschmolzenen Dotierungsmaterial eingenommene Raum während des Verschmelzens an der von der Oberfläche des Halbleiterkörpers abgewandten Seite durch einen Begrenzungskörper begrenzt wird, der aus einem Material höheren Schmelzpunktes als das Dotierungsmaterial besteht, und durch dessen Formgebung der Verlauf der gleichrichtenden Schicht im Halbleiterkörper bestimmt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungskörper aus gut wärmeleitendem Metall besteht und mit dem Aktivatorkörper während der Erhitzung zur Bildung der gleichrichtenden Schicht oberflächlich verschmilzt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines sperrschichtfreien Anschlusses an den Halbleiterkörper eine Anschlußleitung am Ende verzinnt oder mit einer geeigneten Legierung überzogen, mit dem Halbleiterkörper in Kontakt gebracht und während der Bildung der gleichrichtenden Schicht mit diesem verschmolzen wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper zunächst mit einer dünnen Schicht eines wärmebeständigen Isoliermaterials überzogen wird mit Ausnahme derjenigen Stelle, an der er mit einem Aktivatorkörper oder Basisanschluß verschmolzen werden soll.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1
    bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Begren- ">° zungskörper becherförmig ausgebildet ist und mit dem Becherrand auf dem Halbleiterkörper aufliegt.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1
    bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nicht be- *°5 netzbare Abstandshalter zwischen dem Begrenzungskörper und dem Halbleiterkörper angeordnet werden.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1
    bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Begren- »» zungskörper an ihrer den Aktivatorkörper berührenden Fläche mit einer Schicht eines difrusionshemmenden Materials sehr kleiner DifEusionsgeschwindigkeit, vorzugsweise mit einer Goldschicht überzogen werden.
  8. 8. - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterverstärkers bzw. Flächentransistors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 unter Verwendung zweier ungleich großer Aktivatorkörper aus Verunreinigungsmaterial, welche einander gegenüberliegend auf zwei Seiten des Halbleiterkörpers angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Aktivatorkörper mit einem die Form der gleichrichtenden Schicht beeinflussenden Begrenzungskörper in Berührung steht und daß die Berührungsflächen der beiden
    Begrenzungskörper so zueinander verlaufen, daß die kleinere gleichrichtende Schicht von der größeren überall den gleichen Abstand besitzt.
    g. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Begrenzungskörper aus gut wärmeleitendem Metall besteht, daß der Halbleiterkörper, die Aktivatorkörper und die Begrenzungskörper übereinander angeordnet werden, so daß ein einziger Erhitzungsvorgang zur Bildung der gleichrichtenden Schichten und zur Verschmelzung aller Körper miteinander führt.
    ι o. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungskörper von dem geschmolzenen Aktivatormaterial nicht benetzt werden und auf das Aktivatormaterial während der Erhitzung einen Druck ausüben, daß ein nicht benetzbarer Abstandshalter zur Festlegung der Dicke jedes Aktivatorkörpers vorhanden ist und ein benetzbarer Metallring ao mit dem Halbleiterkörper während des Erhitzungsprozesses sperrschichtfrei verschmolzen wird.
    In Betracht gezogene Druckschriften:
    Deutsche Patentschrift Nr.-814 487;
    schweizerische Patentschriften Nr. 243 490,
    247861;
    britische Patentschrift Nr. 596 910;
    USA.-Patentschriften Nr. 2395743, 2 530110; Zeitschrift »Kunststoffe«, Bd. 42, 1952, S. 150;
    »Proceedings of the I. R. Ε.«, Bd. 40, Nr. 11 (November i952)> S. ΐ342> Ι512·
    Hierzu ι Blatt Zeichnungen
    © 609 526/360 5.56 (109 664/3 9.61)
DER13270A 1952-12-31 1954-01-01 Verfahren zur Herstellung eines Flaechengleichrichters oder Flaechentransistors Expired DE975179C (de)

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