DES0034671MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 4. August 1953 Bekanntgemacht am 5. April 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichtkristallen, insbesondere von solchen für Schichtkristallgleichrichter und Schiehtkri'Stallverstärker.

Es iist bereits bekannt, daß man Kristallgleichrichter umd Kri'Stallverstärker nicht nur aus Halbleiterkristallen mit Spitzen'kontakten, sondern auch aus solchen mit flächenhaften Kontakten aufbauen kann. Zu den Kristallgleichrichtern und-verstärkern mit flächenhaften Kontakten rechnen insbesondere Halbleiterkörper mit sogenannten p-n-Übergängen, d. h. Halbleiterkörper, die mindestens zwei Gebiete verschiedenen Leitfähigkeitstyps enthalten. Bei Kristallverstärkern, die nach diesem Prinzip aufgebaut sind, befindet sich eine oder mehrere meist dünne Schichten von bestimmtem Leitfähigkeitstyp zwischen zwei meist dickeren Schichten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps. Wenn die mittlere Schicht η-Leitfähigkeit und die beiden äußeren Schichten p-Leitfähigkeit haben, so spricht man von einer sogenannten p-n-Schicht, im umgekehrten Falle von einer p-n-Schicht. Als Halbleiter für derartige Schichtkristalle werden vornehmlich Germanium und Silizium verwendet. Der Verstärkereffekt bei diesen Schichtkristallen ist um so besser, je schärfer der p-n-Übergang und je schmaler die mittlere Zone ist. Die Herstellung von derartigen .Schichtkristallanordnungen macht gewisse Schwierigkeiten.· ■ .

Anordnungen, die durch Aneinanderpressen oder Aneinanderschmelzen von Kristallen verschiedenen

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Leitfähigkeitstyps erhalten werden, zeigen an den Übergangsflächen Korngrenzen, die durch erhöhte Rekombination den Effekt stark reduzieren können. Wenn man p-n-Übergänge durch Eindiffusion von Fremdatomen erzeugt, so fällt es schwer, eine hinreichend schmale Mittelzone zu erhalten. Außerdem ist es schwierig, Kontakte an der «ehr schmalen Mittelzone, die oft nur einige Zehntel Millimeter dick sein darf, anzubringen. Dasselbe gilt für

ίο Schichtkristalle, die durch Zufügen von Dotiersubstanzen während des Ziehens von Einkristallen erzeugt wurden. Zudem ist 'die Herstellung von Schichtkristallen mit mehr als !zweimaligem Wechsel des Leitungistyps unmöglich bzw. sehr

erschwert. . .

Durch die Erfindung werden die genannten Schwierigkeiten vermieden, und es wird dadurch ermöglicht, Schichtkristalle mit mehrmaligem Wechsel des Leitfähigkeitstyps auf einfache Weise herzustellen.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wird in die in einem Tiegel befindliche und wenig über den Schmelzpunkt erhitzte Schmelze eines Halbleiters bestimmten Leitfähigkeitstyps eine dünne Platte eines Halbleiters entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps annähernd senkrecht zur Flächennormalen eingetaucht, beispielsweise so, daß die Schmelze durch die Platte vollkommen in zwei Teile getrennt wird, und die Platte wird in der Schmelze so gekühlt, daß sich das flüssige Halbleitermaterial von der Kristallplatte aus nach beiden Tiegelenden langsam verfestigt. Durch Wahl 'der Scheibenstärke läßt sich die Dicke der Mittelzone des Schichtkristalls willkürlich bestimmen und in gewissen Grenzen verändern. Weiter ist es bei dem Verfahren nach der Erfindung von großem Vorteil, daß es ohne weiteres möglich ist, den Kontaktanschluß für die Mittelzone vor Fertigstellung des Schichtkristalls vorzunehmen und so die Schwierigkeiten, die.dem Anbringen eines Kontaktes an der dünnen Mittelzone, beispielsweise einer p-n-Schicht, entgegenstehen, zu umgehen.

Das.Verfahren gemäß der Erfindung wird in der Weise ausgeführt, daß man aus Halbleitermaterial des gewünschten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise aus n-Typ-Germanium, eine dünne Platte von beispielsweise mehreren Zehntel Millimeter Dicke durch Sagen, Schleifen oder auf eine andere geeignete Weise ausschneidet. Diese Platte wind von den durch den Trennvorgang anhaftenden kleinen Teilchen des Halbleitermaterials gründlich, beispielsweise durch Ätzen, befreit und derart in die Schmelze eines Halbleiters entgegengesetzter Leitfähigkeit, beispieleweise von p-Typ-Germanium, eingetaucht; daß die Schmelze vollkommen in zwei Hälften getrennt wird.' Dies geschieht am einfachsten in. der Weise, daß man der dünnen, in die Schmelze einzutauchenden Halbleiterplatte die Form des Querschnitts des Schmelztiegels gibt.

Es ist aber auch ^ ohne weiteres möglich, im Schmelztiegel an den Seitenwänden Schlitze vorzusehen, in welche die Kristallplatte gesteckt werden kann. Infolge der großen Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls wird die Tiegelwandung so wenig benetzt, daß das geschmolzene Metall durch diese Schlitze nicht herausflie'ßt. In diesem Fall kann die Kristallplatte größere Ausdehnungen, als es der Tiegelquerschnitt sonst erlaubt, haben.

Es muß dafür gesorgt wenden, daß die Schmelze ganz langsam abgekühlt wird, so daß ,sich 'das Material der Schmelze in festem Zustand an der eingesetzten Kristallplatte abscheidet. Man erreicht das, wenn man die Kristallplatte entsprechend gegenüber dem Tiegel bzw. der Schmelze abkühlt. Die Abkühlung der Kristallplatte kann auf mehrfache Weise erfolgen. Beispielsweise kann die in die Schmelze eingetauchte Kri'stallplatte an ihrem herausragenden Teil mit einem größeren gekühlten Metalliblock in Kontakt stehen. Bs ist auch möglich, den herausragenden Teil der Kristallplatte durch Anblasen¹ mit gekühlten Gasströmen abzukühlen, wobei jedoch beachtet werden muß, daß nicht die Oberfläche des flüssigen Metalls ebenfalls von dem kühlenden Gasstrom berührt wird. Am einfachsten ist es, die Kristallplatte gleich mit einer elektrischen Zuleitung in Draht- oder Bandform zu versehen und vermittels dieser Zuleitung die Wärme aus der Kristallplatte abzuleiten. Es ist ja gerade ein Vorteil des Verfahrens nach ider Erfindung, daß an der dünnen Mittelschicht des Schichtkristalle die Zuleitung schon vor der Herstellung angebracht werden kann. Die einzutauchende Kristallplatte wird zweckmäßig etwas höher gewählt als der Schmelztiegel, so daß das Metall der elektrischen Zuleitung oder der Kontaktierung auf keinen Fall mit der Schmelze in Berührung kommt. Das Anbringen der Zuleitung kann auf die bekannte Weise durch Anlöten, Anschweißen usw. geschehen.

Die Kristallplatte bestimmten Leitfähigkeitstyps wind also in die erhitzte Metallschmelze entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps so eingesenkt, daß die Schmelze dadurch in zwei Teile, vorzugsweise in zwei Hälften geteilt wird. Durch Abkühlung der Kristallplatte, wie dies oben angedeutet wunde, erzielt man ein Ankristallisieren des Materials der Schmelze auf beiden Seiten der Kristallplatte. Da die Kristallplatte weiter gekühlt und somit die Kristallisationswärme laufend abgeführt wird, wachsen die festen, sich an der Kristallplatte abscheidenden Teile des Tiegelinhaltes von der Kristallplatte weg gegen die Enden des Tiegels in die Schmelze hinein. Diese enstarrt also von der Mitte aus nach dem Rande zu.

Gemäß der weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens können beim Erstarren der Schmelze gleichzeitig die Elektrddenanschlüsse für die beiden äußeren Halbleiterschichten eingebracht werden. Wenn nämlich nur noch ein kleiner Teil der Schmelze zu beiden Seiten der Kristallplatte flüssig ist, können entsprechende Drähte oder Bänder in die Schmelze eingetaucht werden, die nach deren Erstarren die Zuleitung izu den beiden äußeren Halbleitenschichten bilden. Nach Entfernung des Halbleitenblockes aus dem Tiegel erhält man auf. diese Weise einen Schichtkristall mit abwechseln-

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der η- und p-Leitfähigkeit.. Derartige Anordnungen eignen sich 'besonders als Kristallverstärker.

Selbstverständlich können auch mehrere Kristallplatten in die .Schmelze eingebracht werden, so daß sich ein beliebig oftmaliger Wechsel des Leitfähigkeitscharakters ergibt.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung können gleichzeitig dotierende Stoffe in die Schmelze eingebracht weiden, dermaßen, daß die Kristallplatte

ίο an einer oder beiden Seiten mit einer dünnen Schicht der entsprechenden Störstoffe versehen ■wird, bevor sie in die Schmelze eingesenkt wird. So kann man beispielsweise auf einer Seite der Kristallplatte eine dünne Schicht von Störstoffen

t5 durch Aufdampfen, aufbringen. Wenn die Kristallplatte nun in die Schmelze eingetaucht wird, so verteilen sich die Störstoffe infolge der großen Diffusionsgeschwindigkeit der Schmelze schnell und gleichmäßig in dem geschmolzenen Halbleiter und

ao erzeugen einen bestimmten Leitfähigkeitstyp oder verändern die Leitfähigkeit in bestimmter Weise. Mit diesem Verfahren gelingt es beispielsweise,, die beiden äußeren Schichten gleichartiger Leitfähigkeit verschieden stark zu dotieren. . .

as In den Figuren sind .Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt.
Fig. ι zeigt das Schema eines Schichtkristalls,
Fig. 2 die Herstellung eines Schichtkristalls nach dem Verfahren gemäß der Erfindung,

Fig. 3 die einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Schichtkristalls,

Fig. 4 Anschlußmöglichkeiten bei der dünnen Kristallplatte und

Fig. 5 das Verfahren, bei dem die Kristallplatte in Schlitze des Tiegels eingebracht ist.

Ein Schic'htkristall, wie er beispielsweise in Fig. ι schematisch dargestellt ist, besteht aus mehreren Schichten verschiedener Leitfähigkeit, welche mit ρ und η bezeichnet sind. Die mittlere Schicht ist vorzugsweise nur ganz dünn, während die beiden äußeren Schichten eine größere Dicke aufweisen. Alle drei 'Schichten sind mit je einer elektrischen Zuleitung versehen, wie dies in Fig. ι angedeutet ist.

Fig. 2 zeigt schematisch die Herstellung eines Schichtkristalls nach dem Verfahren gemäß der . Erfindung. In einem Schmelztiegel i, welcher aus geeignetem reinem Material besteht und vorzugsweise die Form des zu erzeugenden Schichtkristalls besitzt, wird eine entsprechende Menge des Halbleitermaterials 2 geschmolzen und an entsprechender Stelle die Kristallplatte 3 aus Halbleitermaterial entgegengesetzter Leitfähigkeit so in die Schmelze 2 eingetaucht, daß diese in zwei vollkommen getrennte Teile aufgeteilt wird. Die Kristallplatte 3 wird vorzugsweise etwias höher als die Wandung des Tiegels gewählt, so daß die Anschlußstelle des Anschlußdrahtes 4 und dieser selbst auf keinen Fall mit der Schmelze 2 in Berührung kommen. Durch Kühlung der Kristallplatte 3 wird erreicht, daß sich die Metallschmelze 2 von der Mitte her nach den Tiegelenden verfestigt. Nach Abkühlung wind das ganze Gebilde dem Tiegel entnommen, geätzt, evtl. in mehrere Einheiten zerteilt und schließlich die beiden äußeren Schichten mit entsprechenden Anschlüssen durch. Aufdampfen, Aufspritzen ader galvanisches Auf-, bringen von Metall und/oder durch Anlöten oder Anschweißen von Drähten versehen. Der fertige Schichtkristall kann, wie dies bekannt ist, noch mit einer feuchtigkeitsdichten, isolierenden Um-, hüllung, beispielsweise aus Kunststoff, versehen oder in ein geeignetes Gehäuse eingebaut werden;.

In Fig. 3 sind vier Phasen des erfindungs-, gemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt., Zuerst wird, wie in Fig. 3 a angedeutet ist, der Halbleiter 2 im Tiegel 1 . geschmolzen. Die Kristallplatte 3 ist zweckmäßig an ihrem Anschluß 4 derart in der Nähe der Schmelze gehaltert, daß sie leicht in die Schmelze eingetaucht werden kann. Ebenfalls werden zweckmäßig die Anschlußdrähte 4_a für die äußeren Teile des Schichtkristalls so oberhalb der Schmelze befestigt, daß sie ebenfalls leicht in die Schmelze, und zwar vorzugsweise nahe am Tiegelrand, eingetaucht werden können.

Wie in Fig. 3 b dargestellt, wird nun die Kristallscheibe 3 in die Schmelze 2 eingetaucht und vorzugsweise vermittels des Anschhißdrahtes oder Bandes 4 gekühlt, so daß sich.'die Schmelze in der Nähe der Kristallplatte 3 verfestigt, wie dies bei 5 angedeutet ist.

Wenn die Verfestigung der Schmelze· so weit gegen die Tiegelränder fortgeschritten ist, wie dies in Fig. 3 c beispielsweise dargestellt· ist, so werden die beiden Anschlußdrähte 4_a und 4_b in den noch verbleibenden flüssigen Teil 2 eingesenkt und bis zur vollständigen Verfestigung darin belassen. Der so erhaltene .Schic'htkristall ist in Fig. 3d dargestellt. Die Kristallplatte 3 aus Halbleitermaterial bestimmter Leitfähigkeit ist nun in den verfestigten Block 5 von Halbleitermaterial entgegengesetzter Leitfähigkeit eingeschlossen, in dem sich ebenfalls die beiden Zuleitungen 4_a und 4_b befinden. Es ist dabei zu beachten, daß das Halbleitermaterial 5 vollkommen durch die Scheibe 3 in zwei Hälften getrennt wird. Wenn dies nicht vollkommen der Fall sein sollte, muß der Block 5 entsprechend weit abgeschliffen oder auf eine andere Weise abgetragen werden, bis die Kristallscheibe 3 überall zutage tritt.

Um den Anschlußdraht 4 besser an der dünnen Kristallscheibe 3 befestigen zu können, kann es zweckmäßig sein, die Scheibe 3 mit einer entsprechenden Verbreiterung 3_a zu versehen, wie dies in Fig. 4a und 4b beispielsweise dargestellt ist. Der Anschlußdraht 4 wird dann nach einem der bekannten Verfahren an der verbreiterten Stelle befestigt. Man kann aber die Kristallscheibe auch so weit aus der Schmelze bzw. aus dem Halbleiterblock entgegengesetzter Leitfähigkeit herausragen lassen, daß eine entsprechende Zuleitung 4 an der Breitseite der Platte befestigt werden kann, wie dies in Fig. 4 c dargestellt ist.

In Fdg. 5 ist ein Beispiel für die Herstellung eines Schichtkristalls dargestellt, bei dem der Schmelztiegel 1 zwei Schlitze 6 enthält (oder ganz

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durchgesägt ist, wie in Fig. 5b angedeutet), in die die Kristallplatte 3 eingeschoben ist, so daß sie beiderseits noch etwas über die Schlitze 6 herausragt. Die Schmälze 2 wird dadurch ebenfalls in zwei vollkommen getrennte Teile geteilt und das Herausfließen des (geschmolzenen Materials 2 vor dem Einschieben der Kristallplatte 3 wird durch die starken Oberflächenkräfte des Schmelzgutes verhindert.

Die dargestellten und beschriebenen Beispiele für die Ausführung des Verfahrens gemäß ider Erfindung sollen jedoch keine Beschränkung des Erfmdungsgedankens !bedeuten.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   ι . Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichtkristallen mit p'-n-Übergängen, vor-

   . zugsweise zur Verwendung in Schichtkristallgleichrichtern und Schiditkristallverstärkern, dadurch gekennzeichnet, daß in die in einem Tiegel befindliche und wenig über den Schmelzpunkt erhitzte Schmelze eines Halbleiters bestimmten Leitfähiigkeitstyps eine dünne Platte eines Halbleiters entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps annähernd senkrecht zur Flächennormalen eingetaucht wird, beispielsweise so, daß die Schmelze durch die Platte vollkommen in zwei Teile getrennt wird, und daß die Platte in der Schmelze so gekühlt wird,

   . daß sich das flüssige Halbleitermaterial von der Kristallplatte aus nach beiden Tiegelenden langsam verfestigt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallplatte vor dem Eintauchen in die Schmelze mit einer elekfrischen Zuleitung versehen wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Schmelze herausragende Rand der Platte, welcher die elektrische Zuleitung trägt, verbreitert ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallplatte beim und/oder nach dem Eintauchen gekühlt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitung über die elektrische Zuleitung der Kristallplatte erfolgt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mehrere Scheiben gleicher oder verschiedener Leitfähigkeit eingetaucht werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Kristallplatte bzw. den Kristallplatten oder nachher in die noch flüssige Schmelze elektrische Zuleitungen eingebracht werden.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die einzutauchende Kristallplatte bzw. 'die einzutauchenden Kriistallplatten ein- oder beiderseitig dotierende Substanzen aufgebracht werden.

   Angezogene Druckschriften:
   Das Elektron, Bd. 5, 1951/52, Heft 13/14, S. 430 bis 433·

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen