DE975772C - Verfahren zur Herstellung von Legierungsflaechengleichrichtern oder -transistoren - Google Patents

Description

AUSGEGEBENAM 30. AUGUST 1962

T 8810 VIII c/21g

oder -transistoren

Die Erfindung betrifft ein Legierungsverfahren zum Herstellen eines Flächengleichrichters oder eines Flächentransistors, bei dem flüssiges Störstellenmaterial auf die Oberfläche eines erwärmten Halbleiterkörpers aufgebracht wird.

Einlegierte pn-Übergänge haben bekanntlich eine Stromspannungscharakteristik, wie in Abb. ι dargestellt. Die maximale Sperrspannung ist dabei durch den Punkt α bestimmt. Sie beträgt bei den

ίο nach den heute üblichen fertigungstechnischen Verfahren hergestellten Legierungsgleichrichtern und Transistoren mit Germanium als Halbleiter ungefähr 400 Volt. Sperrspannungen dieser Größe reichen aber für viele Zwecke nicht aus.

Es werden zwar in der Literatur zuweilen viel höhere Sperrspannungswerte angegeben. Solche Angaben beziehen sich jedoch bei Legierungsflächengleichrichtern nicht auf reproduzierbare Werte, die in der Fertigung für große Stückzahlen erreicht werden müssen. Vielmehr handelt es sich dabei stets um Einzelexemplare, die im Bereich der fabrikatorischen Streuung Spitzenwerte darstellen. Nach den heute üblichen Verfahren zur fabrikatorischen Fertigung von Gleichrichtern und Transistoren vom Legierungstyp ist es noch nicht möglieh, pn-Übergänge mit erheblich höheren Sperrspannungswerten unter Beibehaltung großer Ströme in Flußrichtung reproduzierbar herzustellen. Dies ist vor allem bei Herstellungsverfahren der Fall, bei denen zur Erzeugung von pn-Übergängen das Störstellenmaterial, welches zur Legierungsbildung mit dem Kristall in Berührung gebracht wird, mit

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ebener Fläche auf die Kristalloberfläche aufgesetzt wird.

In Abb. 2 ist mit ι das S tor Stellenmaterial, z. B. eine Indiumperle, und mit 2 der Halbleiterkristall, beispielsweise ein Germaniumeinkristall vom n-leitenden Typ, bezeichnet. Da die einander gegenüberstehenden Flächen jedoch niemals genau eben sind, erhält man bei diesem Verfahren Gas-, Feuchtigkeits- und Oxydeinschlüsse 3 mit der Folge, daß an den Stellen dieser Einschlüsse eine Legierungsbildung des Störstellenmaterials mit dem Kristallmaterial verzögert ist. Es kommt daher eine Legierungsfront mit verhältnismäßig ungleichmäßiger, mit Spitzen und Zacken behafteter Struktur zwischen dem n- und p-leitenden Bereich des Kristalls zustande, die in Abb. 2 mit 4 bezeichnet ist. Eine solche mit Spitzen und Kanten behaftete Trennfläche zwischen dem n- und p-leitenden Kristallbereich bringt es mit sich, daß sich im Betriebszustand an den Spitzen s verhältnismäßig hohe elektrische Feldstärken ausbilden, was ein frühzeitiges Zusammenbrechen der Sperrspannung zur Folge hat.

Man hat schon versucht, eine gleichmäßigere Berührung des Störstellenmaterials mit dem Kristall dadurch zu erreichen, daß man das Störstellenmaterial —· beispielsweise Indium zur Erzeugung eines p-leitenden Bereichs in einem n-leitenden Germaniumkristall — vor dem Legierungsvorgang unter Anwendung von Druck gegen die Kristalloberfläche preßt. Dieses Verfahren hat jedoch nicht den gewünschten Erfolg gebracht, da man durch diese Maßnahme, wie aus Abb. 3 ersichtlich ist, nicht verhindern kann, daß sich nach wie vor zwischen dem Störstellenmaterial 1 und der Oberfläche des Kristalls 2 Gas-, Oxyd- und Feuchtigkeitseinschlüsse bilden. Diese Einschlüsse 3 sind lediglich von kleinerer Ausdehnung, treten dafür aber in größerer Zahl auf. Diese Einschlüsse verhindern wiederum die Ausbildung einer gleichmäßigen Legierungsfront, so daß bei den in Abb. 3 vorliegenden Gegebenheiten etwa die Legierungsfront 4 zustande kommt.

Es ist auch versucht worden, vor dem Aufbringen des eigentlichen Störstellenmaterials die Kristalloberfläche in dem Legierungsbereich mit einem Material vom gleichen Störstellentypus zu bedampfen, welches gegenüber dem Störstellenmaterial eine größere Benetzbarkeit als das Kristallmaterial zeigt. Jedoch war auch diese Methode nicht geeignet, den Einschluß von Verunreinigungen auf der Oberfläche des Störstellenmaterials beim Legierungsvorgang zu unterbinden.

Man erhält also bei Legierungsflächengleichrichtern oder -transistoren um so höhere Sperrspannungen, je besser es gelingt zu verhindern, daß sich bei der Herstellung zwischen dem Störstellenmaterial und der Kristalloberfläche beim Aufsetzen dieses Störstellenmaterials Einschlüsse bilden, die eine gleichmäßige Ausbildung der Legierungsfront beeinträchtigen.

Ein bekanntes Verfahren besteht darin, einen mit Störstellen dotierten Halbleiterkörper flüssig zu machen und über eine Art Rutsche auf die Oberfläche eines anderen Halbleiterkörpers auffallen zu lassen. Nach diesem Verfahren sollen zwei Halbleiterkörper vom entgegengesetzten Leitungstyp zusammenlegiert werden, so daß zwischen den Halbleiterkörpern vom verschiedenen Leitungstyp ein pn-übergang entsteht. Dieses Verfahren hat unter anderem den Nachteil, daß es die Möglichkeit ausschließt, die Berührungsfläche des Legierungsmaterials mit dem Halbleiter genau festzulegen. Außerdem kann sich das Legierungsmaterial auf der Halbleiteroberfläche vom Beruh- rungspunkt aus nicht langsam radial nach außen ausbreiten. Durch die Berührung mit der Rutsche wird das mit Störstellen versetzte Halbleitermaterial außerdem verunreinigt, so daß die Gefahr besteht, daß A^erunreinigungen mit diesem Verfahren miteinlegiert werden.

Zur Behebung dieser Mängel und zur Erzielung einer möglichst einwandfreien Legierung wird bei dem Verfahren nach der Erfindung das flüssige Störstellenmaterial in Form eines Tropfens aus einer Kapillare auf die Kristalloberfläche aufgebracht und der Tropfen auf die Kristalloberfläche in der Weise langsam aufgesetzt, daß der Tropfen diese Fläche nur an einem Punkt berührt.

Das Prinzip dieser Maßnahme ergibt sich aus Abb. 4, auf die im folgenden näher eingegangen werden soll. Mit 1 ist die nach unten gewölbte Oberfläche des Störstellenmaterials bezeichnet, welche im ersten Augenblick des Aufsetzens nur im Punkt 6 die Kristalloberfläche 3 berührt. Im weiteren Legierungsverlauf schmiegt sich das Störstellenmaterial gemäß Kurve 7, 8 und 9 mit zunehmender Berührungsfläche immer mehr an die Kristalloberfläche an. Es leuchtet ein, daß bei dieser Art des Auflegierens störende Gaseinschlüsse an der Legierungsfront nicht möglich sind, da alles Gas zur Seite abgedrängt wird.

Mit diesem Verfahren erhält man pn-Übergänge mit besonders hoher Sperrspannung, wenn zusätzlich dafür gesorgt ist, daß die Oberflächen der beiden miteinander in Berührung zu bringenden Materialien von vornherein schon frei von Oxyd- und Feuchtigkeitsschichten sind, und auch während des Legierungsvorganges die Bildung solcher Verunreinigungen unterbunden wird. Es entstehen dann weder Gasblasen noch Oxyd- oder Feuchtigkeitseinschlüsse an der Legierungsfront. Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird zweckmäßig eine Anordnung mit einem mit einem reduzierenden Gas gespülten Ofen, z. B. einem Quarzrohrofen, benutzt, in welchen der als Scheibchen ausgebildete Kristall horizontal eingelegt wird und der ein in die der Kristalloberfläche gegenüberliegenden Ofenwand in vertikaler Richtung eingelassenes und an seinem im Ofen befindliehen Ende spitz zulaufendes Kapillarrohr besitzt, welches mit dem flüssigen Störstellenmaterial gefüllt ist. Hierbei ist während des Legierens eine Oxydation oder Bildung von Feuchtigkeitsschichten ausgeschlossen, wenn sowohl der Halbleiterkristall als auch das Störstellenmaterial bereits vor

dem Aufbringen des Störstellenmaterials zumindest auf eine solche Temperatur gebracht werden, bei der die Oberflächenfeuchtigkeit verlorengeht. Der Kristall kann sich beim Aufbringen des Stör-Stellenmaterials bereits auf der gewünschten Legierungstemperatur befinden, um das Herstellungsverfahren abzukürzen. Bei diesem Verfahren ist das Zustandekommen einer absolut glatten Legierungsfront gewährleistet, wie es z. B.

ίο Abb. 5 zeigt. Die nach diesem Verfahren hergestellten pn-Übergänge zeichnen sich daher durch eine hohe Sperrspannung aus, die, ohne eine Verminderung des Stromes in Flußrichtung in Kauf nehmen zu müssen, um ein vielfaches größer sein kann als die nach bekannten Verfahren erreichbare Sperrspannung.

Das Verfahren sei im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.

In Abb. 6 ist 10 ein Quarzrohrofen, der mit trockenem, gereinigtem Wasserstoffgas oder einem indifferenten Gas durchspült wird. In diesem Ofen befindet sich der bereits auf seine Basiselektrode 11 sperrschichtfrei aufgelötete η-leitende Germaniumeinkristall 2, der als dünnes Scheibchen ausgebildet ist. In die dem Scheibchen gegenüberliegende Ofenwand ist ein am unteren Ende spitz zulaufendes Kapillarrohr 12 beweglich eingelassen, welches mit einem flüssigen Storstellenmaterial, beispielsweise Indium, zum Teil gefüllt ist. Der obere Teil des Kapillarrohres enthält einen verschiebbaren Stempel 13, welcher dazu dient, unter Anwendung von Druck einen in der Menge dosierten Indiumtropfen 14 aus der unteren Kapillaröffnung herauszupressen. Dabei befindet sich das Kapillarrohr in einem solchen Abstand von dem Germaniurnscheibchen, daß der an der Kapillarspitze sich bildende Tropfen die Kristalloberfläche noch nicht berührt. Das Innere des Ofens wird vorzugsweise auf einer Temperatur von ungefähr 300⁰ C oder mehr gehalten. Hierdurch ist eine feuchtigkeitsfreie Oberfläche des Germaniumscheibchens und des Indiumtropfens gewährleistet. Durch die Wasserstoffspülung des Ofens ist ferner eine Oxydbildung ausgeschlossen.

Um den Indiumtropfen mit dem Germanium zum Legieren zu bringen, wird das Kapillarrohr 12, nachdem der Indiumtropfen 14 die gewünschte Größe angenommen hat, so weit in den Ofen hineingeschoben, daß der Indiumtropfen mit seiner Unterseite die Kristalloberfläche berührt. Diese Berührung erfolgt, wie bereits an Hand von Abb. 4 ausgeführt, zunächst nur in einem einzigen Punkt. Nach einiger Zeit hat sich der Indiumtropfen über einen bestimmten Bereich mit der Kristalloberfläche metallisch verbunden. Ein Nachströmen von weiterem Storstellenmaterial aus dem Kapillarrohr ist dabei nicht möglich, da der Stempel 13 luftdicht in das Kapillarrohr 12 eingeschlift'en ist. Dann wird das Kapillarrohr 12 zurückgezogen, wobei sich der Indiumtropfen 14 von der Kapillarrohrspitze ablöst. Anschließend wird das Halbleitersystem, beispielsweise durch Herausziehen aus der heißen Zone des Ofens oder durch Abschaltung der Ofenheizung, abgekühlt.

In entsprechender Weise kann das erfmdungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung von Transistoren verwendet werden, bei denen bekanntlich mehrere solche Sperrschichten in einem Halbleiterkristall erzeugt werden müssen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Legierungsverfahren zum Herstellen eines Flächengleichrichters oder eines Flächentransistors, bei dem flüssiges Storstellenmaterial auf die Oberfläche eines erwärmten Halbleiterkörpers aufgebracht wird, dadurch gekennzeich net, daß das flüssige Storstellenmaterial in Form eines Tropfens aus einer Kapillare auf die Kristalloberfläche aufgebracht wird und daß der Tropfen auf die Kristalloberfläche in der Weise langsam aufgesetzt wird, daß der Tropfen diese Fläche nur an einem Punkt berührt.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

. einen mit reduzierendem Gas gespülten Ofen, z. B. einen Ouarzrohrofen, in welchen der als Scheibchen ausgebildete Kristall horizontal eingelegt ist, sowie durch ein in die der Kristalloberfläche gegenüberliegende Ofenwand in vertikaler Richtung eingelassenes und an seinem im Ofen befindlichen Ende spitz zulaufendes Kapillarrohr, welches mit dem flüssigen Storstellenmaterial gefüllt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem oberen Teilstück des Kapillarrohres ein verschiebbarer Stempel zum Hinausdrücken des Störstellenmaterials in dosierten Mengen vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung I 4677 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 29. 5. 1952);
USA.-Patentschrift Nr. 2629672;
Proc. IRE, 40 (1952), S. 1512, 1513.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 961 913.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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