DE976348C - Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit pn-UEbergaengen und nach diesem Verfahren hergestellte Bauelemente - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit pn-UEbergaengen und nach diesem Verfahren hergestellte Bauelemente

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DE976348C
DE976348C DEJ4677A DEJ0004677A DE976348C DE 976348 C DE976348 C DE 976348C DE J4677 A DEJ4677 A DE J4677A DE J0004677 A DEJ0004677 A DE J0004677A DE 976348 C DE976348 C DE 976348C
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Robert Noel Hall
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General Electric Co
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Description

(WiGBl. S. 175)
AUSGEGEBENAM 18. JULI 1963
J 4677 VIII el 21g
ist in Anspruch genommen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit pn-Übergängen sowie auf die nach diesem Verfahren hergestellten Bauelemente.
Halbleiter sind Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der sehr geringen Leitfähigkeit von Isolatoren und der guten Leitfähigkeit metallischer Leiter liegt. Der Stromtransport in Halbleitern beruht hauptsächlich auf Elektronenleitung, wobei die Ladungsträger entweder selbst Elektronen sein können oder Defektelektronen sind, welche ihrerseits durch die Bewegung von Elektronen entstehen. Die Leitfähigkeit der Halbleiter hängt im allgemeinen stark von der Temperatur und von den in den Halbleitern vorhandenen Verunreinigungen ab. Wenn auch bei dem Verfahren nach der Erfindung verschiedene Halbleitermaterialien verwendet werden können, so werden doch die wichtigsten Vorteile und die größten Anwendungsmöglichkeiten dann erzielt, wenn Halbleiter mit einem Diamantgitter, wie es in der Gruppe IV des Periodischen Systems der Elemente, beispielsweise bei Germanium und Silizium, vorkommt, verwendet werden.
Ein bekanntes Anwendungsgebiet für Halbleiter sind Gleichrichter, bei denen eine Elektrode
309 642/9 a
einen Spitzenkontakt mit dem Halbleiterkörper macht und auch Transistoren mit Spitzenkontakten. Bei diesen Bauelementen werden die Gleichrichtereigenschaften von praktisch punktförmigen Kontaktflächen zwischen dem Halbleiterkörper und einer geeigneten Metallelektrode ausgenutzt. Die Kontaktfläche besitzt etwa 0,0013 cm Durchmesser und selten einen größeren Durchmesser als 0,0025 cm· Der Strom, der durch eine kleine Fläche hindurchfließen kann, ohne zu Verbrennungserscheinungen zu führen, beträgt etwa 100 mA, und die Anwendbarkeit der genannten Schaltelemente war daher bisher nur für Schwachstrom gegeben. Außerdem sind derartige Schaltelemente mechanisch nur wenig widerstandsfähig, und die geringe mechanische Widerstandsfähigkeit dieser notwendig sehr kleinen Kontaktfläche hat zu großen Schwierigkeiten bei Erschütterungen geführt oder wenn die Gleichrichter einer rauhen Behandlung ausgesetzt waren.
Man hat daher auch vorgeschlagen, die· Elektroden durch Anschweißen zu befestigen und das Anschweißen z. B. durch einen Stromstoß zu bewirken, der durch den Gleichrichter geschickt wird. Ein solches Anschweißen der Elektroden durch einen Stromstoß soll jedoch bei dem Verfahren nach der Erfindung nicht angewendet werden.
Es sind ferner Versuche unternommen worden,, aus einem Halbleitergußstück Gleichrichter mit einem pn-übergang herzustellen, deren gleichrichtende Fläche erheblich größer ist als die der obenerwähnten Spitzenkontakte. Derartige Gleichrichter besitzen eine im Vergleich zu den obengenannten Spitzenkontakten sehr viel größere Fläche, die gewöhnlich über 0,645 crn·2 liegt und selten weniger als dieser Wert beträgt. Da jedoch nur derjenige Teil des Halbleiterkörpers, der unmittelbar an den pn-übergang angrenzt, für die Benutzung im Gleichrichter geeignet ist, kann man nur eine begrenzte Anzahl von Gleichrichterkörpern aus einem Halbleitergußstück herausschneiden, und die Fabrikation ist somit kostspielig und zeitraubend. Außerdem sind die elektrischen Eigenschaften eines in dieser Weise ausgebildeten Halbleiterkörpers nahezu vollständig unvorhersehbar und unbeeinflußbar, da im Halbleiterkörper viele nichthomogene Gebiete sogar in sehr kleinen Ausschnitten vorkommen können. Außerdem wird durch die lineare Abnahme an Aktivatoren in der Nähe des pn-Übergangs einer erstarrten Schmelze das Verhältnis des Voorwärtszum Rückwärtswiderstand solcher aus Gußstücken herausgeschnittenen Halbleiterkörper mit pn-Übergang und ferner auch die Sperr-Spitzenspannung daraus hergestellter Gleichrichter vermindert. So haben beispielsweise nur wenige solche herausgeschnittene Halbleiterkörper mit pn-übergang im allgemeinen ein Verhältnis des Vorwärtswiderstandes zum Rückwärtswiderstand größer als 1000 und eine Sperrspannung von etwa 100 Volt.
Daher besteht ein Hauptzweck der Erfindung in der Schaffung von Halbleiterbauelementen mit mindestens einem pn-übergang, dessen Fläche groß gegenüber derjenigen eines Spitzenkontaktes ist und der ein günstiges Verhältnis des Vorwärts-Widerstandes zum Rückwärtswiderstand hat. Die Bauelemente sollen ohne durchzubrennen ziemlich starke Ströme, manchmal sogar Ströme von vielen Ampere aufnehmen können.
Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Verbesserung eines Verfahrens, bei dem ein Halbleiterkristall, insbesondere ein Kristall mit Diamantgitterstruktur, mit einem einen vorbestimmten Leitungstyp erzeugenden Aktivatormaterial in Berührung gebracht und das Aktivatormaterial zur teilweisen Umwandlung des Leitungstyps des Halbleiterkristalls durch eine Wärmebehandlung in diesen eingebracht wird.
Gemäß der Erfindung wird das Verfahren derart durchgeführt, daß das Aktivatormaterial auf einen flächenhaften Teil des Halbleiterkristalls aufgebracht und zusammen mit diesem durch von außen zugeführte Wärme, z. B. durch Einbringen der ganzen Anordnung in einen Ofen oder das Innere einer Heizspule oder durch Induktionsheizung auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher ist als diejenige, bei der das Aktivatormaterial den Halbleiterkristall zu benetzen beginnt, und niedriger ist als diejenige, bei der das Aktivatormaterial mit dem ganzen Halbleiterkristall verschmilzt, und daß dann der Halbleiterkristall mit dem verschmolzenen Aktivator so abgekühlt wird, daß sich innerhalb des ursprünglichen Halbleiterkristalls eine stark dotierte Zone und ein steller pn-übergang bildet.
Die Erhitzung braucht nur kurze Zeit, etwa ι Minute lang zu dauern. Der zur Herstellung benutzte Halbleiter kann ein p-Halbleiter, ein n-Halbleiter oder auch ein eigenleitender Halbleiter sein. In dem durch das Aktivator material dotiertem Gebiet überwiegen die Ladungsträger, welche das umgekehrte Vorzeichen besitzen, wie die in dem betreffenden Halbleiterkristall bereits vorhandenen Ladungsträger.
Das nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestellte Bauelement kann aus einem Halbleiterkristall bestehen, bei dem das Aktivatormaterial an zwei oberflächennahen Bereichen des Kristalls aufgeschmolzen ist.
Das Aktivatormaterial kann in Form von zwei Aktivatoren mit entgegengesetzten Seiten des Kristallplättchens verschmolzen sein. Dabei kann der eine Aktivator ein Donator und der andere Aktivator ein Akzeptor sein oder ihn enthalten.
Die Tiefe des mit dem Aktivatormaterial dotierten Gebietes wird so gewählt, daß nur eine ziemlich dünne, unbeeinflußt bleibende Schicht bestehenbleibt, in welcher der pn-übergang die beiden dotierten Gebiete voneinander trennt. Auf dem Halbleiterkristall werden auf beiden Seiten iao des pn-Übergangs Elektroden gut leitend aufgesetzt. Die äußeren Flächen des Aktivatormaterials können abgeätzt werden, und zwar sowohl um einen Kurzschluß des pn-Übergangs zu vermeiden als auch um die Gleichrichtereigenschaften zu verbessern.
Wenn zwei verschiedene Aktivatormaterialien,
welche Ladungsträger entgegengesetzten Vorzeichens hervorrufen, verwendet werden, werden sie auf die Kristall- oder Halbleiteroberfläche an zwei Stellen aufgelegt, die entweder auf derselben Seite oder auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers liegen. Es wird dann das Aufschmelzen der beiden Aktivatormaterialien vorzugsweise in einem einzigen Erhitzungsvorgang durchgeführt, bis nur mehr ein dünnes Gebiet zwi-
xo sehen den beiden dotierten Zonen besteht. Elektrodenanschlüsse können durch Auflegen auf den Halbleiterkörper an gegenüberliegenden Seiten des pn-Übergangs angebracht werden, und zwar entweder bevor oder während oder nachdem das Eindringen der Aktivatoren in den Halbleiterkörper hinein stattgefunden hat.
Fig. ι und 2 zeigen die Bewegung der Ladungsträger innerhalb eines Halbleiters mit einem pn-Übergang;
Fig. 3 ist eine im Schnitt gezeichnete perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gleichrichters ;
Fig. 4 bis 6 zeigen Abwandlungen des Gleichrichters nach Fig. 3;
Fig. 7 zeigt eine typische statische Kennlinie der Gleichrichter in Fig. 3 und 5, und
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch einen großflächigen Transistor gemäß der Erfindung.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sind in Fig. ι und 2 vereinfachte Darstellungen der Bewegung der Ladungsträger innerhalb eines Halbleiterkristalls mit pn-Übergang bei einer Spannungsumkehr dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Halbleiterkristall, beispielsweise aus Germanium, der auf der einen .Seite ein p-Halbleiter und auf der anderen Seite ein η-Halbleiter ist mit einem dazwischenliegenden pn-Übergang.
Der p-Teil enthält einen Überschuß von positiven Ladungsträgern, also Defektelektronen oder »Löchern«, die als durch kleine Kreise umgebene Pluszeichen dargestellt sind, während der n-Teil einen Überschuß an freien Elektronen, der durch in Kreisen angeordnete Minuszeichen dargestellt ist, enthält. Im Bereich des pn-Übergangs sind beide Arten von Ladungsträgern praktisch in gleicher Anzahl \rorhanden, wobei die Elektronen an den Löchern oder Fehlstellen gebunden oder eingefangen sind, so daß dort die kleinste Leitfähigkeit oder eine Sperrschicht vorhanden ist.
In diesem Gebiet sind normalerweise daneben noch einige thermisch erzeugte Stromträger in Form von freien positiven und negativen Ladungen vorhanden.
Die Leitfähigkeit eines Halbleiters ist proportional der in seinem Inneren vorhandenen Zahl von Ladungsträgern und scheint durch diese auch begrenzt zu werden. Wenn daher an den Halbleiter ein elektrisches Feld in der durch die eingezeichnete Polarität an den Zuleitungen A und B angedeuteten Richtung angelegt wird, bewegen sich die positiven Löcher in der Pfeilrichtung zum negativen Leiter B und die negativen Elektronen in der entgegengesetzten Richtung zum Leiter A. Wenn der Abstand klein ist, d. h., wenn er 1 cm nicht überschreitet, bewegen sich diese Löcher und Elektronen aneinander vorbei, ohne daß dabei eine Rekombination stattfindet, so daß der Halbleiter in dieser »Vorwärts «-Richtung eine, hohe Leitfähigkeit besitzt. Wenn man das elektrische Feld, wie in Fig. 2 dargestellt, umkehrt, sind in dem n-Teil keine Löcher und in dem p-Teil keine Elektronen vorhanden, so daß also der äußere Stromkreis nicht geschlossen wird. Infolgedessen findet in dieser umgekehrten Richtung nur ein geringer Ladungstransport statt, d. h. nur in dem Umfang, in dem Löcher und Elektronen innerhalb des pn-Übergangs erzeugt werden. Wenn man aber ein genügend hohes elektrisches Feld anlegt, wird eine solche Sperrschicht durchschlagen, so daß dann auch in dieser Sperrichtung Strom durch den Halbleiter fließt.
Man sieht daher, daß die Gleichrichtereigenschaften eines Halbleiterkörpers mit pn-Übergang von der Gegenwart positiver Löcher und freier Elektronen in den jeweiligen p- und n-leitenden Gebieten abhängen und von der Dicke und der Zusammensetzung des zwischen diesen Gebieten liegenden Bereichs des pn-Übergangs.
In Fig. 3 ist ein Gleichrichter gemäß der Erfindung unter Benutzung eines solchen pn-Übergangs dargestellt. Ein Halbleiterkristall 10, der zweckmäßig aus einer dünnen Scheibe besteht, ist aus einer beliebigen Stelle einer gerichtet gekühlten Probe aus Germanium herausgeschnitten und möge so stark gereinigt worden sein, daß er einen Gesamtwiderstand von 1 bis 50 Ohm je Zentimeter besitzt. Der Germaniumkristall kann entweder ein p-Halbleiter oder ein η-Halbleiter oder ein eigenleitendes Stück Germanium sein. Er soll aber vorzugsweise fast vollständig verunreinigungsfrei sein, d. h. einen Gesamtwiderstand von ungefähr 30 bis 50 Ohm pro Zentimeter besitzen, seine Leitfähigkeit also im Bereich der des eigenleitenden Germaniums liegen. Derartige weitgehend gereinigte dünne Germanium- oder Siliziumstücke werden in Spitzenkontaktgleichrichtern benutzt; ihr Herstellungsverfahren ist bekannt und bedarf daher keiner Beschreibung. Die Bezeichnung »dünn« für den Halbleiterkörper 10 soll andeuten, daß dieser Körper etwa nur 0,127 cm dick ist, Vorzugsweise soll seine Dicke sogar zwischen 0,0254 ur>d 0,1016 cm liegen, da der höchste Wert des Verhältnisses von Vorwärts- zum Rückwärtswiderstand normalerweise bei dieser Dicke erreicht wird. Schichten oder Plättchen mit einer Dicke unter 0,0254 cm ergeben häufig Gleichrichter mit einem zu niedrigen Rückwärtswiderstand, während Plättchen von größerer Dicke als 0,1016 zu Gleichrichtern führen, die einen zu hohen Vorwärtswiderstand haben.
Auf einer Stelle der einen Seite der Scheibe 10 wird ein Akzeptormaterial 11, beispielsweise Indium, aufgebracht, während auf der gegenüberliegenden Seite ein Donatormaterial 12, beispielsweiseAntimon, angebracht wird. DieseAktivatoren 11 und 12 können nach Belieben in fester, in
flüssiger Form oder in Suspension in einem Gase aufgebracht werden, und zwar in einer beliebigen Weise, durch welche ein Kontakt mit der Halbleiteroberfläche herbeigeführt werden kann, z. B. durch Aufstreichen, Auflegen, Aufdampfen oder durch elektrischen Niederschlag des Aktivatormaterials auf der Oberfläche der Scheibe io. Vorzugsweise werden die Aktivatoren ii und 12 in fester Form aufgebracht und dann mit dem HaIbleiterkristall 10 in einem Erhitzungsprozeß, wie weiter unten beschrieben, verschmolzen. Die Größe der Aufbringungsfläche der Aktivatoren wird zweckmäßig so klein gehalten, als es sich mit der Größe der gleichzurichtenden Ströme verträgt, damit der pn-übergang sich nur in einem möglichst kleinen Gebiet bildet und der Strom in der Sperrrichtung, der durch Fehler im pn-übergang auftreten kann, möglichst klein ausfällt. Ein kleines Tröpfchen des Aktivatormaterials, welches eine Kontaktfläche von etwa 0,0645 ctn2 m^ dem Halbleiterkristall bildet, reicht normalerweise aus, um einen Gleichrichter mit pn-übergang für eine Stromstärke von mehreren Ampere zu bilden.
Die Stelle 13 der Scheibe 10, die unmittelbar unter der Pille 11 des Aktivatormaterials liegt und in Fig. 3 kreuzschraffiert angedeutet ist, enthält die eingedrungene Menge des Akzeptors. Ebenso enthält das an die Unterseite angrenzende Gebiet 14 der Scheibe 10 die eingedrungene Menge des Donators 12. Das Gebiet 13 hat daher ausgesprochene Eigenschaften eines p-Halbleiters. während das Gebiet 14 ausgesprochene n-Leitung zeigt.
Im Gebiet 15, welches zwischen den beiden durch Aktivatoren imprägnierten Gebieten 13 und 14 liegt, befindet sich der pn-übergang; das Gebiet kann entweder n- oder p-leitend oder eigenleitend sein, je nach der Art des Materials, das für die Scheibe 10 gewählt wurde. An der Stelle 15 soll die Scheibe nicht dicker als 0,082 cm und vorzugsweise dünner als 0,041 cm sein, wenn auch Dicken über 0,082 cm in denjenigen Fällen brauchbar sind, in denen kein geringer Vorwärtswiderstand verlangt wird. Wenn man die Scheibe 10 aus η-Germanium herstellt, ist der den Übergang enthaltene Teil des Gebietes 15 auf die Nähe der inneren Grenze des Akzeptorgebietes 13 beschränkt, während bei der Benutzung von p-Germanium als Ausgangsmaterial der Übergang im Gebiet 15 an der inneren Grenze des Donatorgebietes 14 liegt.
Die Elektroden 16 und 17 vermitteln einen guten Kontakt mit den Donator- und Akzeptorgebieten 13 und 14. Vorzugsweise sollen sie auf das Donator- und das Akzeptormaterial unmittelbar aufgelötet werden. Zur Erleichterung der Herstellung eines derartigen Gleichrichters soll eine Elektrode, beispielsweise die Elektrode 17, aus einem Metall sehr guter Leitfähigkeit, beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Legierung bestehen, auf welches eine Schicht des Aktivatormaterials 12 aufgebracht wird. Die Scheibe 10 wird dann einfach auf diese Schicht aufgelegt und durch einen noch weiter unten zu beschreibenden Erhitzungsprozeß mit dieser Schicht verbunden.
Bei der n-Germaniumscheibe το α in Fig. 4 braucht nur ein Gebiet entsprechend dem Akzeptorgebiet 13 in Fig. 3 hergestellt zu werden. Im übrigen entspricht die Fig. 4 der Fig. 3 mit der Ausnahme, daß nur ein Aktivatormaterial, nämlich das Akzeptormaterial 11, auf der Germaniumscheibe angebracht ist und nur dieses Aktivatormaterial in die Scheibe ioa eingedrungen ist.
Die Art des Leiters, welcher auf der Unterseite der Scheibe 10 α benutzt wird, ist nicht sehr kritisch und kann beliebig gewählt werden; er muß jedoch freie Elektronen an den Halbleiterkörper liefern können. Ein Donator ist natürlich für den zuletzt genannten Kontakt verwendbar, jedoch sind bestimmte andere Elektronen liefernde Elemente, beispielsweise Zinn, ebenfalls geeignet. Die Germaniumscheibe 10 α kann beispielsweise auf dem Nickeleisenblock unmittelbar angelötet oder in anderer Weise leitend befestigt werden, wie es in Fig. 4 angedeutet ist.
In Fig. 5 ist eine Abwandlung des in Fig. 4 dargestellten Gleichrichters gezeigt, bei der jedoch die Scheibe 10 b aus p-Germanium besteht. In Fig. 5 wird der pn-übergang durch Eindringen eines Donators 12 gebildet, welcher zu diesem Zweck auf einer kleinen Stelle der Oberfläche der Scheibe 10 b angebracht ist. In diesem Fall kann auf der Unterseite der Scheibe ein beliebiger, Defektelektronen an die Scheibe liefernder Leiter angebracht werden. Auch in diesem Fall läßt sich ebenfalls ein Akzeptor zur Lieferung der Defektelektronen verwenden, aber man kann auch ein Defektelektronen lieferndes Material, welches keinen Akzeptor darstellt, benutzen. Wie in Fig. 5 dargestellt, kann die Germaniumscheibe daher unmittelbar mit einem derartigen Defektelektronen liefernden Material, beispielsweise mit Aluminium, verbunden bzw. auf ihm befestigt werden.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Konstruktion wird der Nickeleisenblock 17 erst in ein geeignetes Gehäuse eingebaut, sodann das Donatormaterial 12, anschließend die Germaniumscheibe 10 und schließlich das Akzeptormaterial 11 jeweils in Form einer Schicht angebracht. Die ganze Anordnung wird dann so hoch erhitzt, daß ein Eindringen beider Aktivatoren in die Germaniumscheibe hinein stattfindet. Das Erhitzen soll bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch von außen zugeführte Wärme, beispielsweise durch Einbringen der ganzen Anordnung in einen Ofen oder in das Innere einer Heizspule, durch Verwendung einer Induktionsheizung vorgenommen werden. Das Erhitzen erfolgt nur für kurze Zeit, gewöhnlich nicht für langer als ι Minute, so daß die Aktivatormaterialien nur bis zu einer begrenzten Tiefe eindringen. Wenn die Erhitzungs temperatur zu hoch oder die Erhitzungszeit zu lang ist, kann das Eindringen bis zu dem egenüberliegenden Gebiet stattfinden und einen Kurzschluß des Halbleiters hervorrufen. Bei einer begrenzten Eindringtiefe nach Fig. 3 bildet sich edoch ein pn-übergang, auf dessen einer Seite
ein Gebiet mit hoher p-Konzentration, und auf dessen anderer Seite ein Gebiet mit hoher n-Konzentration vorhanden ist, so daß ein ausgesprochener pn-Übergang zwischen diesen beiden Gebieten entsteht.
Im Laufe der Erhitzung tritt auch im gewissen Ausmaß eine Legierungsbildung zwischen dem Block 17, dem Halbleiterkörper 10 und den Verunreinigungselementen 11 und 12 auf, mit dem Ergebnis, daß die ganze Anordnung unter Bildung von Schichten fest zusammenschmilzt. Wenn man ein Aktivatormaterial für die Scheibe 12 verwendet, welches nicht gut mit dem Metall 17 verschmilzt, kann man weitere leitende Verbindungsmittel, beispielsweise Lötmittel, zunächst auf den beiden aufeinanderzulegenden Flächen anbringen oder man kann den fertigen Halbleiter mit dem pn-Übergang auf dem Block 17 nach Abschluß des Erhitzungsvorganges festlöten.
Man kann manchmal auch feststellen, daß die Eindringgeschwindigkeit eines Aktivatormaterials bei der optimalen Temperatur viel größer ist als die Eindringgeschwindigkeit des anderen verwendeten Aktivatormaterials. In diesem Fall könnte das erste Aktivatormaterial möglicherweise die ganze Germaniumscheibe durchsetzen, bevor das andere Aktivatormaterial überhaupt beginnt, in den Halbleiterkörper einzudringen. Unter solchen Umständen kann man die Anordnung in zwei Erhitzungsvorgängen herstellen, wobei zunächst das schwerer eindringende Aktivatormaterial bei dem ersten Erhitzungsvorgang eingeschmolzen und sodann das leichter eindringende Aktivatormaterial in einem abschließenden Erhitzungs-Vorgang eingeschmolzen wird.
Nachdem sich der pn-Übergang gebildet hat, wird die Elektrode 16 mit dem den Akzeptor enthaltenden Teil in guten Kontakt gebracht. Vorzugsweise soll die Elektrode 13 mit dem Aktivatormaterial 11 durch ein geeignetes Lötmittel verbunden werden. Wahlweise kann man die Elektrode auch mit dem Aktivatormaterial während des Erhitzungsvorganges verschmelzen.
Die in. Fig. 4 und 5 dargestellte Anordnung eines Gleichrichters stimmt sehr weitgehend mit der Fig. 3 überein, jedoch mit der Ausnahme, daß das Aufbringen und das Eindringen eines Aktivatormaterials, und zwar je nach der Art der Germaniumscheibe entweder des Donators oder des Akzeptors fortfällt. Bei den Anordnungen nach den Fig. 4 und 5 wird der pn-Übergang an der unteren Grenze der Eindringtiefe des mit dem Halbleiterkörper verschmolzenen Aktivatormaterials erzeugt.
Um unerwünschte Ab- und Einlagerungen auf der Oberfläche zu entfernen und einen Kurzschluß des pn-Überganges zu vermeiden, kann man nach dem Einschmelzvorgang die Halbleiteroberfläche in der Umgebung des Aktivatormaterials chemisch oder elektrochemisch ätzen. Hierdurch wird im allgemeinen auch eine wesentliche Verbesserung des Verhältnisses des Vorwärtswiderstandes zum Rückwärtswiderstand erreicht. Wenn Indium als Akti- I vatormaterial 11 auf Germanium benutzt wird, wird durch das Ätzen gewöhnlich eine ziemlich 6g ausgesprochene Rille 18 erzeugt. Vorzugsweise soll die ganze Anordnung in ein Ätzmittel, z. B. io%iges Kaliumhydroxyd, eingetaucht werden und gleichzeitig die Anordnung kurzzeitig, nämlich etwa 30' Sekunden lang mit Strom gespeist werden. Wahlweise kann man auch den fertigen Halbleiterkörper kurzzeitig in konzentrierte Salpetersäure eintauchen.
Wenn auch in Fig. 3 dargestellt ist, daß das Akzeptormaterial auf einer kleineren Fläche und das Donatorniaterial auf einer größeren Fläche aufgebraucht ist, so sei doch bemerkt, daß man die Anbringung und die gegenseitige Größe dieser von den Aktivatoren bedeckten Flächen auch umgekehrt wählen kann. Im übrigen ist es nicht wesentlich, daß das Donator- und das Akzeptormaterial auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe IO' angebracht werden. Man kann vielmehr auch nebeneinanderliegende Gebiete entgegengesetzten Leitungstyps erzeugen, indem man die beiden AktivatoTtnaterialien nebeneinander auf derselben Seite der Scheibe anbringt.
Es ist außerdem zu erkennen, daß man eine vollständige Schicht sowohl eines Donators als auch eines Akzeptors auf beiden einander gegenüberliegenden Seiten der Scheibe 10 anbringen kann und daß man nicht genötigt ist, das Aktivatormaterial nur auf einen kleinen Bruchteil der betreffenden Scheibenseite zu beschränken. Wenn beide Seiten der Halbleiterscheibe 10 vollständig durch das betreffende Donator- bzw. Akzeptormaterial bedeckt sind, ergibt sich die in Fig. 6 dargestellte Anordnung. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil größerer Strombelastbarkeit und den Vorteil einer größeren mechanischen Festigkeit als die in Fig. 3 bis 5 gezeigten Anordnungen. Außerdem können schwere Metallblöcke 20 und 21 als Elektroden benutzt werden, bei denen durch eine innere Wasserkühlung über die Leitungen 22 die Strombelastbarkeit erhöht werden kann.
Die für den Erhitzungsprozeß benutzten Temperaturen hängen weitgehend von den jeweils verwendeten Aktivatoren ab. So liegen beispielsweise die Temperaturen, bei denen alle bekannten Akzeptor- und Donatormaterialien in Germanium eindringen, zwischen 200 und 7000 C.
Im allgemeinen hängt die untere Grenze der für ein besonderes Aktivatormaterial zu benutzenden Temperatur von der Temperatur ab, bei welcher das betreffende Material das Germanium zu benetzen beginnt, und zwar in dem Sinne, daß der Eindringvorgang schon in erkennbarem Umfang seinen Anfang nimmt. Diese Temperatur liegt beispielsweise für Indium in der Nähe von 2500 C, während die Benetzungstemperatur von Antimon in der Nähe von 6oo° C liegt. Die obere Temperaturgrenze ist weitgehend diejenige Temperatur, bei welcher die Aktivatormaterialien sich vollständig mit dem Germanium legieren. Dies ist im allgemeinen bei einer Temperatur von 700 bis 8oo° C der Fall.
309 642/9 a
Die notwendige Dauer der Erhitzung ist gewöhnlich ziemlich kurz und liegt im allgemeinen unterhalb einer Minute. Auch hier ist die günstigste Zeitspanne weitgehend von der Dicke der HaIbleiterscheibe abhängig und von der Art des gewählten Aktivatormaterials. Diese günstigste Zeit kann leicht durch einige Vorversuche bestimmt werden.
Die elektrischen Eigenschaften der gemäß Fig. 3 ίο bis 5 hergestellten Bauelemente sind in Fig. 7 veranschaulicht. In dieser ist die Spannung zwischen den Elektroden 16 und 17 längs der horizontalen Achse aufgetragen und der das Bauelement durchfließende Strom längs der vertikalen Achse. Die Kurve läßt erkennen, daß Ströme von etwa 500 Milliampere leicht beherrscht werden können; es werden sogar Ströme bis zu 5 Ampere bei einer Vorwärtsspannung von nur 1 Volt erreicht, während in der Sperrichtung bei Spannungen bis zu 400 Volt noch kein nennenswerter Strom fließt.
Durchlaßwiderstände von 0,2 Ohm sind bei Sperrwiderständen von io^ bis io6Ohm erreicht worden. Bei wassergekühlten Bauelementen nach Fig. 6 konnten Ströme bis zu 200 Ampere bei verhältnismäßig kleinen Abmessungen des Halbleiterkristalls ohne Durchschlag beherrrscht werden. Der Vorwärtswiderstand bei wassergekühlten Bauelementen mit Kontaktflächen von 1 cm2 ist außerordentlich niedrig und beträgt etwa 0,001 Ohm. Obwohl der Rückwärtswiderstand, d. h. Sperrwiderstand, dabei viel niedriger ist als der bei den kleinflächigen Gleichrichtern nach Fig. 3 bis 5, ist er doch immer noch hoch genug, um eine gute Gleichrichtung zu gewährleisten.
Eine weitere wichtige Eigenschaft der oben beschriebenen Halbleitergleichrichter mit pn-übergang liegt darin, daß die Verlustleistung dieser Gleichrichter nur ungefähr ein Fünftel bis ein Zehntel der Verlustleistung anderer Trockengleichrichter beträgt. Dadurch können viel höhere Ströme bei kleineren Abmessungen der Gleichrichter beherrscht werden.
Der Grund für diesen bemerkenswerten Fortschritt hinsichtlich der Gleichrichtungseigenschaften von Halbleiterkristallen mit pn-übergang gemäß der Erfindung gegenüber Halbleiterkörpern, die aus dem Bereich des pn-Übergangs eines gerichtet gekühlten Gußstückes herausgescnhitten sind, liegt vermutlich in der viel stärkeren Konzentration der Ladungsträger in den dotierten Gebieten und in den viel dickeren und in besserem Grade gleichmäßigen Bereich des pn-Übergangs, den man mit dem Verfahren nach der Erfindung erzielt.
Außerdem kann sowohl die Konzentration der Aktivatormaterialien als auch die Eindringtiefe bei dem oben beschriebenen Verfahren für die Herstellung von Halbleiterkristallen mit großflächigen pn-Übergängen auf die günstigsten Werte eingestellt werden.
Man kann außerdem erkennen, daß ein Bauelement mit den in der oben beschriebenen Weise hergestellten pn-Übergängen auch mit drei Elektroden hergestellt werden kann, so daß ein Transistor entsteht, der bei entsprechender Schaltung eine Verstärkerwirkung ausüben kann. Zu diesem Zweck kann in einem Halbleiterkristall eine npn-Struktur gemäß Fig. 8 auf die oben beschriebene Weise erzeugt werden. Bei dem Transistor nach Fig. 8 bestand der Ausgangskörper aus einem p-Halbleiterkristall, auf welchem an einander gegenüberliegenden Seiten zwei durch Donatormaterial dotierte Zonen 23 und 24 erzeugt wurden. Eine Emitterelektrode wird sodann auf das Donatormaterial bzw. das Donatorgebiet 23 aufgesetzt und eine Kollektorelektrode auf das gegenüberliegende Donatorgebiet 24. Die Basiselektrode wird an dem mittleren Teil 25 des p-Halbleiters angebracht.

Claims (12)

  1. PATENTANSPRÜCHE:
    i. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit mindestens einem pn-Übergang, dessen Fläche groß gegenüber derjenigen eines Spitzenkontaktes ist, bei dem ein Halbleiterkristall, insbesondere ein Kristall mit Diamantgitterstruktur, mit einem einen vorbestimmten Leitungstyp erzeugenden Aktivatormaterial in Berührung gebracht und das Aktivatormaterial zur teilweisen Umwandlung des Leitungstyps des Halbleiterkristalls durch eine Wärmebehandlung in diesen eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivatormaterial auf einen flächenhaften Teil des Halbleiterkristalls aufgebracht und zusammen mit diesem durch von außen zugeführte Wärme oder durch Induktionsheizung auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher ist als diejenige, bei der das Aktivatormaterial den Halbleiterkristall zu benetzen beginnt, und niedriger ist als diejenige, bei der das Aktivatormaterial mit dem ganzen Halbleiterkristall verschmilzt, und daß dann der Halbleiterkristall mit dem verschmolzenen Aktivator so abgekühlt wird, daß sich innerhalb des ursprünglichen Halbleiterkristalle eine stark dotierte Zone und ein steiler pn-Übergang bildet.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen zum Verschmelzen des Aktivatormaterials mit dem Halbleiterkörper etwa 1 Minute dauert.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Aktivatormaterialien in einem gemeinsamen Erhitzungsprozeß mit dem Halbleiterkristall verschmolzen werden.
  4. 4. Bauelement, hergestellt nach dem Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivatormaterial mit zwei räumlich getrennten oberflächennahen Teilen des Halbleiterkristalls verschmolzen ist.
  5. 5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivatormaterial in Form von zwei Aktivatoren mit entgegengesetzten Seiten des Kristallplättchens verschmolzen ist.
  6. 6. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Aktivator ein. Donator und der andere Aktivator ein Akzeptor ist oder ihn enthält.
  7. 7. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eigenleitend ist.
  8. 8. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen eine erste vorgegebene Leitfähigkeit, z. B. n, hat und die beiden Aktivatormaterialien den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, also p, hervorrufen.
  9. 9. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Elektrode in leitendem Kontakt mit den beiden Mengen von Aktivatormaterialien in Verbindung steht.
  10. 10. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Elektrode an einem vom aufgebrachten Aktivatormaterial unbeeinflußten Teil des Kristallplättchens angebracht ist.
  11. 11. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode mit einer Kühlvorrichtung versehen ist.
  12. 12. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Aktivatormenge auf einer größeren Fläche mit dem Kristallplättchen verschmolzen ist als die andere.
    In Betracht gezogene Druckschriften:
    »Naturforschung und Medizin in Deutschland, 1939—1946«, Bd. 15, Teil i, 1948, S. 282.
    In Betracht gezogene ältere Patente:
    Deutsches Patent Nr. 814487.
    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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