DE1019765B - Verfahren zur galvanischen Herstellung eines Elektroden-Anschlusses fuer die p-Zone eines stabfoermigen Halbleiterkoerpers mit zwei zu beiden Seiten der p-Zone angeordneten n-Zonen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur galvanischen Herstellung eines Elektroden-Anschlusses für die p-Zonen eines Halbleiterkörpers. Es sind stabförmige Halbleiterkörper bekannt, die zwei zu beiden Seiten der p-Zone angeordnete η-Zonen enthalten. Wenn man solche Flächenhalbleiter als Transistoren benutzen will, so ist es notwendig, Leitungen für den Emitter und den Kollektor an die beiden η-Zonen und eine Basiselektrodenzuleitung an die mittlere p-Zone anzuschließen.

Um bei derartigen Flächentransistoren eine hohe Verstärkung und ein gutes Verhalten bei hohen Frequenzen zu erzielen, wird die p-Zone gewöhnlich sehr dünn gehalten und besitzt nur eine Dicke von etwa 0,025 oder 0,05 mm. Die frei liegende, d. h. die von außen zugängliche Schmalseite der p-Zone ist also entsprechend klein, und es ist sehr schwierig oder sogar unmöglich, auf diese kleine Fläche einen Elektrodendraht aufzulöten. Es ist daher üblich, für diesen Elektrodendraht eine Punktelektrode zu verwenden, welche auf die Außenfläche der p-Schicht aufgesetzt wird und dort durch Punktschweißung beifestigt wird. Diese Art der Befestigung bringt jedoch eine Reihe von Schwierigkeiten mit sich. Erstens ist es nämlich schwierig, die erwähnte Spitzenelektrode lediglich auf die p-Zone aufzusetzen, ohne daß gleichzeitig eine oder beide Inversionsschichten überbrückt werden. Unter Umständen kommt sogar die Elektrodenspitze vollständig auf eine der η-Zonen, statt auf die p-Zone zu liegen. Zweitens wird durch den Schweiß Vorgang die Spitzenelektrode mit der p-Zone verschmolzen, und das geschmolzene Elektrodenmaterial überbrückt häufig die Inversionsschichten und beeinträchtigt dadurch deren Funktion. Außerdem hat die geringe Größe der Berührungsfläche zwischen der p-Zone und der aufgesetzten Elektrode häufig einen hohen Übergangswiderstand zur Folge, der für die Gesamteigenschaften des Transistors schädlich ist.

Es ist bekannt, zur Vergrößerung der Leistung eines Halbleiterverstärkers oder Halbleitergleichrichters sich eines galvanischen Verfahrens zu bedienen, bei dem der Halbleiter und eine Anode in eine galvanische Lösung eingetaucht werden·, um bei im übrigen, einheitlichen und homogenen Halbleitern Oberflächenteile mit guten und schlechten Kontakteigenschaften zu trennen, indem ein Wechselstrom während des Galvanisationsprozesses angelegt wird.

Zur Schaffung eines einwandfreien Anschlusses \ werden erfindungsgemäß dem Halbleiter und der '\ Anode solche Spannungen zugeführt, daß die p-Zone negativ gegenüber der Anode wird und die Anode negativ gegenüber den η-Zonen, derart, daß das Metall sich aus der galvanischen Lösung nur auf der Außenseite der p-Zone niederschlägt, und auf den an Verfahren zur galvanischen Herstellung

eines Elektroden-Anschlusses

für die p-Zone eines stabförmigen

Halbleiterkörpers mit zwei zu beiden

Seiten der p-Zone angeordneten n-Zonen

Anmelder:

General Electric Company, Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt, Frankfurt/M.-Eschersheim, Lichtenbergstr. 7

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 11. Mai 1953

Robert Noel Hall, Schenectady, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

der Außenseite der p-Zone aufgebrachten galvanischen Überzug wird eine Anschlußlertung aufgesetzt.

Diese Metallschicht bildet einen vollständigen Ring um die p-Zone herum und stellt einen hervorragend guten Anschluß an diese Zone her. Da bei diesem Verfahren keine Erhitzung des Flächenhalbleiters nötig ist und somit auch keine Legierungsbildung stattfindet, werden die elektrischen Eigenschaften des Flächenhalbleiters durch diese Art des Anschlusses der Basiselektrodenzuleitung nicht beeinträchtigt. Der erwähnte Metallring oder ringförmige Metallschicht ist in ihrer Dicke von der Dauer des Elektroplattierungsprozesses abhängig. Gewünschtenfalls wird diese Dauer so gewählt, bis ein verhältnismäßig starker Ring oder Bund auf der Außenfläche der p-Schicht entstanden ist, an welchem dann eine Klemme durch Anpressen befestigt oder auf andere geeignete Weise angebracht werden kann.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird dieser Anschluß der Basiselektrodenzuleitung dadurch hergestellt, daß eine Wechselspannung zwischen die beiden η-Zonen und eine Gleichspannung über eine geeignete Anode der Elektroplattierungslösung zuge-

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führt werden. Die p-Zone wird nicht unmittelbar angeschlossen, nimmt jedoch wegen der Gkichrichterwirkung in den Inversionsschichten ein gegenüber den η-Zonen negatives Potential an. Dabei dient dann die p-Zone als die Kathode für den. Galvanisierungsprozeß.

Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens werden zunächst temporäre oder auch endgültige Anschlüsse an die p-Zone und an die beiden n-Zonen

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die Oberfläche des ganzen Halbleiters mit Einschluß der mit dem galvanischen Überzug verseheneu

abgeätzt, so daß der galvanische Überzug, der auf den Außenkanten der Inversionsschichten aufliegt, wieder entfernt wird und ein Kurzschluß dieser Inversionsschichten somit vermieden wird.

Fig. 1 stellt eine Ausführungsform einer Schaltung zur Ausübung der Erfindung dar, bei welcher die p-Schicht auf einer geeigneten negativen Spannung gegenüber den n-Zonen gehalten wird, ohne daß dazu

gleichzeitig die Inversionsschichten 17 und 18 weniger stark kurzschließt, sofern es nämlich auf den Kanten dieser Inversionsschichten sich ablagert. Das Potential der Lösung 15 wird durch die Anode 19 bestimmt, welche zweckmäßig aus Graphit ader aus rostfreiem Stahl bestehen kann.

Die Galvanisierung lediglich der Außenfläche der p-Schicht 16 wird in Weiterbildung der Erfindung dadurch bewerkstelligt, daß eine Spannung an den hergestellt. Sodann wird zwischen die p-Zone und io ganzen Halbleiter 10 gelegt wird, derart, daß die jede η-Zone eine Spannung gelegt, welche die p-Zone p-Schicht negativ gegenüber den n-Zonen 13 und 14 auf einem negativen Potential gegenüber den n-Zonen gemacht wird, während die Lösung 15 und die Anode hält, und zwar durch die Sperrwirkung der Inver- 19 auf eine Spannung kommen, welche positiv gegensionsschichten. Die p-Zone wird sodann ebenfalls als über der p-Zone 16, aber negativ gegenüber den Kathode in den Galvanisierungsstromkreis einge- 15 n-Zonen 13 und 14 ist. In Fig. 1 wird diese Spannungsschaltet. verteilung ohne einen unmittelbaren Anschluß an die

p-Zone 16 hergestellt. Die Elektroden 11 und 12 werden an die beiden Außenklemmen einer mit einer Mittelanzapfung versehenen Sekundärwicklung 20 p-Zone und mit Einschluß der Kanten der Inversions- 20 eines Transformators 21 angeschlossen, dessen Prischichten auf chemischem oder elektrolytischem Wege märwicklung 22 von einer Wechselstromquelle 23 über

einen verstellbaren VoTSchaltwiderstand 24 gespeist wird. Dadurch wird eine Wechselspannung von einstellbarer Größe zwischen den Elektroden 11 und 12 erzeugt. Diese Wechselspannung wird vorzugsweise ziemlich klein gehalten und beträgt beispielsweise zwischen 0,5 und 1 Volt. Die Anode 19 wird durch Anschluß an einen Anzapfpunkt 25 eines Spannungsteilerwiderstandes 26, der seinerseits parallel zu einer

ein unmittelbarer Anschluß an die p-Zone zu bewerk- 30 Batterie 27 und zu einem Potentiometer 28 liegt, stelligen ist. dessen Anzapfpunkt 29 mit der bereits erwähnten

Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung eines Mittelanzapfung 30 verbunden ist, auf die geeignete Transistors, der mit der Schaltung nach Fig. 1 her- Spannung gebracht. Zwischen der Anode 19 und dem gestellt wird. Anzapfpunkt 25 liegt dabei ein Strommesser 31. Die

Fig. 3 veranschaulicht eine weitere Ausführungs- 35 Widerstände 26 und 28 stellen eine Gleichstrombrücke form einer geeigneten Schaltung, bei welcher ein An- dar, mit deren Hilfe die dem Halbleiter 10 und der Schluß an die p-Zone vorgenommen wird, um die er- Anode 19 zugeführten Spannungen eingeregelt werden forderlichen Spannungen zwischen die p-Zone und die können. Die den Elektroden 11 und 12 von der Sebeiden n-Zonen zu legen. kundärwicklung 20 zugeführte Wechselspannung wird

Fig. 4 schließlich zeigt einen Transistor mit einem 40 der seitens der Gleichspannungsquelle 27 über den Basiselektrodenanschluß, der mit der Schaltung nach Widerstand 28 übertragenen Gleichspannung über-Fig. 3 hergestellt ist. lagert. Die Spannung der Anode 19 ist eine reine

In Fig. 1 ist der ganze Flächenhalbleiter mit 10 be- Gleichspannung. Die mittlere Spannung der p-Zone 16 zeichnet und enthält zwei metallische Elektroden 11 ist stärker negativ als die an dem Anzapfpunkt 29 und 12, welche dem Emitter und dem Kollektor eines 45 herrschende Spannung, die ihrerseits natürlich gleich Transistors entsprechen und mit den n-Zonen 13 und der am Punkt 30 herrschenden Spannung ist. Das Po-14 verschmolzen oder anderweitig mit ihnen verbun- tential der p-Zone 16 ist deshalb stärker negativ als den sind. Der Halbleiter 10 ist mit seinen Elektroden die Gleichspannung im Punkt 29 und 30, weil dlie In-11 und 12 in eine Metallionen enthaltende Galvani- Versionsschichten 17 und 18 die an ihnen liegende sierungslösung 15 eingetaucht. Der Halbleiter 10 besitzt 50 Wechselspannung gleichrichten. Während der einen eine dünne p-Schicht 16 und zwei n-Schichten 13 und Halbwelle der Wechselspannungsquelle 23 ist die

Elektrode 11 positiv gegenüber der Elektrode 12, und es fließt also Strom in der Durchlaßrichtung durch die Inversionsschicht 18 von der Zone 16 in die Zone 14. Dabei tritt an der Inversionsschicht 18 nur ein geringer oder gar kein Spannungsabfall auf, so daß die Zone 16 auf die Spannung der Elektrode 12 kommt. Da die Elektrode 11 und die n-Zone 13 positiv gegenüber der p-Zone 16 sind, wird die andere Inversions-

enthalten, aus der ein leitendes Metall unter dem Ein- 60 schicht, nämlich die Schicht 17, in der Sperrichtung fluß eines ionisierenden elektrischen Stromes durch beansprucht, führt somit keinen Strom, so daß die geElektrolyse¹ ausgeschieden werden kann. Beispiels- samte Wechselspannung an der Schicht 17 liegt, weise sind wäßrige Lösungen von Goldcyanid, Gold- Während der anderen Halbwelle der Wechselfluorid, Kupfersulfat und Indiumzyanid zweckmäßig spanuungsquelle23 ist die Elektrode 12 positiv gegen- J und brauchbar. Die wäßrige Lösung von Indium- 65 über der Elektrode 11, und es fließt Strom in der > eyanid hat sich als besonders geeignet erwiesen, da Durchlaßrichtung durch die Inversionsschicht 17, Indium einen Akzeptor für Germanium- und Silizium- während die Inversionsschicht 18 in der Sperrichtung

halbleiter darstellt und daher die p-Eigeuschafteii der beansprucht wird, so daß die p-Zone 16 negativ gegen- -

p-Zone zu verstärken geeignet ist, auf der es durch über der Elektrode 12 ist. Somit haben die Elektroden Elektroplattierung niedergeschlagen wird und dabei 70 11 und 12 und die an sie angeschlossenen n-Zonen 13

14, zwischen denen die Inversionsschichten 17 und 18 liegen. Der Halbleiterkörper 10 kann zweckmäßig ein kleiner Germaniumstab von etwa 0,615 cm Länge, etwa 0,25 cm Breite und 0,05 cm Dicke sein. Die p-Schicht 16 besitzt für die Verwendung als Halbleiter als Transistor vorzugsweise eine Dicke weniger als 0,005 cm. Die Galvamsierungslösung 15 kann irgendeine der bekannten Metallverbindungslösungen

und 14 eine mittlere Gleichspannung, welche positiv gegenüber der mittleren Spannung der p-Zone 16 ist. Durch Verstellung des Anzapfkontaktes 29 kann die Spannung der Anode 19 gegenüber der Spannung im Halbleiter 10 eingestellt werden. EMe Anode 19 wird somit schwach positiv gegenüber der p-Zone 16., aber schwach negativ gegenüber den n-Zonen 13 und 14 gemacht oder auf das gleiche Potential wie diese η-Zonen gebracht. Die Anode 19 braucht dabei nur sehr schwach positiv gegenüber der p-Zone 16 zu sein, beispielsweise nur um weniger als 0,5 Volt positiv gegenüber dieser p-Zone zu sein, da die Ionisation und die galvanische Ausscheidung des Metalls aus der Lösung 15 und seine Ablagerung auf der Zone 16 am besten mit schwachen Strömen von ganz ungefähr 20 Mikroampere vor sich geht.

Die Menge des durch den Galvanisierungsprozeß niedergeschlagenen Metalls hängt natürlich von der Galvanisierungsdauer ab. Unter geeigneten Bedingungen wird ein Film oder Überzug 32 von etwa 0,00125 cm Dicke innerhalb von 15 Minuten auf der p-Zone 16 erzeugt. Diese Metallschicht 32 (vgl. Fig. 2 und 4) stellt einen hervorragend guten Anschluß von geringem Übergangswiderstand zu der p-Zone 16 her.

Die Metallschicht 32 wird zunächst auf der ganzen Außenfläche der Zone 16 erzeugt und kann dabei die Kanten der Inversionsschichten 17 und 18 sogar schwach überdecken. Um einen Kurzschluß dieser Inversionsschichten zu vermeiden, wird der ganze Halbleiterkörper 10 sodann auf chemischem oder elektrolytischemWege abgeätzt. Hierzu können eine Reihe von bekannten chemischen Ätzmitteln, beispielsweise eine Mischung aus 20%Flußsäure und 80%Salpetersäure, verwendet werden. Durch die Ätzung wird ein Teil der Schicht 32 entfernt, und zwar insbesondere an den Kanten der .Schicht 32, so daß die Ränder der Inversionsschichten 17 und 18 freigelegt und gereinigt werden. Nach Durchführung dieses Ätzvorganges liegt also die Schicht 17 und 18 derart zu der Schicht 32, wie es in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Auf den Ring oder die Schicht 32 kann sodann eine Federklemme 33 unter einem geeigneten Anpreßdruck aufgesetzt werden. Man kann aber auch einen Draht mit dem Ring 32 verlöten oder anderweitig verschmelzen.

Eine weitere Methode zur Herstellung des Basiselektrodenanschlusses an die Zone 16 sei an Hand der Fig. 3 erläutert. Bei diesen letzteren Verfahren wird zunächst ein vorläufiger oder dauernder Anschluß an die p-Zone hergestellt. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise eine aus einem Akzeptor, z. B. aus Indium bestehende Elektrode 34 auf die Außenfläche der p-Zone 16 eines Germanium- oder Siliziumhalbleiters 10' aufgesetzt.

Statt dessen kann man auch eine Metallelektrode mit einem Punktkontakt oder mit einem Linienkontakt auf die p-Zone 16 aufsetzen. Die Elektrode 34 wird mit der negativen Klemme 35 einer Batterie 36 verbunden, während die Elektroden 11 und 12 an die positive Klemme 37 der Batterie 36 angeschlossen werden. Parallel zur Batterie 36 liegt ein Widerstand 40 und ein Potentiometer 38, wobei dessen Anzapfkontakt 39 über einen Strommesser 34 mit der Anode Vti verbunden ist. Der Halbleiterkörper 10' wird sodann in die Galvanisierungslösung eingetaucht und der Schleifkontakt 39 so eingestellt, daß ein Strom geeigneter Stärke fließt. Da die Zone 16 auf negativem Potential gegenüber der Anode 19 liegt, die ihrerseits negativ gegenüber den Elektroden 11 und 12 ist, wirkt die p-Zone 16 als Kathode, und es schlägt sich auf ihr eine Metallschicht 32' nieder. Die Elektrode 34 darf dabei nur die p-Zone 16 berühren und darf die Inversionsschichten 17 und 18 nicht überbrücken. Wenn doch eine solche Überbrückung stattfindet, so würde sich nur eine verschwindend kleine Potentialdifferenz zwischen den η-Zonen und der p-Zone ausbilden können. Wenn jedoch ein Akzeptor, z. B. Indium, als Elektrode 34 verwendet und mit einem Halbleiter aus Germanium oder Silizium verschmolzen wird, so braucht dieser Akzeptor nicht nur mit der p-Zone 16 in Berührung zu stehen, sondern darf auch die Kanten der Inversionsschichten überdecken. Die Verschmelzung dieses Akzeptors mit dem Halbleitermaterial ruft nämlich eine Inversionsschicht zwischen dem in das Halbleitermaterial eingedrungenen Akzeptor und dem übrigen Halbleiter der beiden η-Zonen hervor. Die auf diese Weise hergestellten Inversionsschichten vereinigen sich mit den zuerst vorhandenen Inversionsschichten 17 und 18, so daß die Akzeptorelektrode 32 einen guten elektrischen Kontakt lediglich mit der p-Zone 16 herstellt und von den η-Zonen durch Inr Versionsschichten getrennt bleibt. Wenn ein Halbleiter mit einer solchen aufgeschmolzenen Akzeptorelektrode 34 in einer Schaltung nach Fig. 3 galvanisiert wird und eine Schicht 32' auf ihm erzeugt wird, so vereinigt sich diese mit der Akzeptorelektrode 34, so daß die Anschlußfläche an die p-Schicht 16 verbreitert wird. Sodann wird mittels eines Ätzvorganges ein etwa noch vorhandener Kurzschluß der Inversionsschichtränder beseitigt. Der fertige Transistor ist in Fig. 4 dargestellt.

Man kann zwar auch von einer schemischen Abätzung Gebrauch machen, jedoch ist die an Hand der Fig. 3 dargestellte elektrolytische Abätzung insofern vorzuziehen, als die Einrichtung nach Fig. 3 sowohl für die Erzeugung der Schicht 32 auf galvanischem Wege als auch für die elektrolytische Ätzung verwendbar ist. Für den letzteren Zweck wird lediglich die in Fig. 3 mit 15 bezeichnete Galvanisierungslösung durch eine elektrolytische Ätzlösung ersetzt, beispielsweise durch eine Lösung von 20% Natriumhydroxyd in Wasser, und es wird der Widerstand 40 so eingestellt, daß ein geeigneter Strom fließt, z. B. ein Strom von 0,1 Ampere.

Akzeptoren für Germanium- und Siliziumhalbleiter sind an sich bekannt und sind Elemente aus der III. Gruppe des Periodischen Systems, z. B. Indium, Gallium und Aluminium.

Wie an Hand der Fig. 1 beschrieben, kann der Anschluß an die Basiselektrode somit auf galvanischem Wege hergestellt werden, ohne daß dabei zunächst ein Kontakt mit der p-Zone geschaffen werden muß. Gemäß einer weiteren, an Hand der Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird zur Herstellung des endgültigen gewünschten Anschlusses der Basiselektrode zunächst ein Anschluß an einen Punkt auf dem Umfang der p-Zone hergestellt und sodann der Rest der p-Zone mit einem galvanischen Niederschlag versehen. Wenn ein Akzeptor zur Herstellung dieses galvanischen Überzuges auf der p-Zone verwendet wird, so besteht nur eine geringe Gefahr des Kurzschlusses der Inversionsschlichten und nur eine gering;-Gefahr des Verderbens der Gleichrichtereigenschaftet! dieser Inversionsschichten,. Wenn andere Metalle als Akzeptoren benutzt werden und auch bei Benutzung von Akzeptoren soll vorzugsweise nachträglich eine etwa vorhandene Überbrückung der Inversionsschichten durch Ätzung beseitigt werden. Der gemäß der Erfindung auf galvanischem Wege hergestellte Kontaktüberzug der p-Zone zeigt nur einen geringen Übergangswiderstand und ist doch so dick, daß ein

Anschlußdraht auf den Überzug aufgedrückt oder mit ihm verschmolzen werden kann.

Claims (5)

Patentansprüche-

1. Verfahren zur galvanischen Herstellung eines Elektrodenanschlusses für die p-Zone eines stabförmigen Halbleiterkörpers mit zwei zu beiden Seiten der p-Zone angeordneten n-Zonen, bei dem der Halbleiter und aine Anode in eine galvanische Lösung eingetaucht werden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Halbleiter und der Anode solche Spannungen zugeführt werden, daß die p-Zone negativ gegenüber der Anode wird und die Anode negativ gegenüber den n-Zonen, derart, daß das Metall sich aus der galvanischen Lösung nur auf der Außenseite der p-Zone niederschlägt und daß auf den an der Außenseite der p-Zone aufgebrachten galvanischen Überzug eine Anschlußleitung aufgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die η-Zonen des Halbleiters an eine Wechselspannung angeschlossen werden, so daß die p-Zone vermöge der Gleichrichterwirkung der Inversionsschichten negativ gegenüber den n-Zonen wird, und daß eine Gleichspannung an die Anode gelegt wird, so daß diese positiv gegenüber der p-Zone aber negativ gegenüber den n-Zonen wird,

derart, daß sich aus der galvanischen Lösung Metall, insbesondere Akzeptormaterial, nur auf der Außenseite der p-Zone niederschlägt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode auf einen Punkt der Außenseite der p-Zone aufgesetzt wird, daß der ganze Halbleiter mit dieser Elektrode in eine galvanische Lösung eingetaucht und auf dem Rest der Außenseite der p-Zone ein galvanischer Niederschlag dadurch erzeugt wird, daß Gleichspannungen an diese Elektrode, an die n-Zonen und an die galvanische Lösung angelegt werden, so daß die erwähnte Elektrode gegenüber der Lösung und den n-Zonen negativ wird.

4. Verfahren nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus Germanium besteht, die Anschluß-Elektrode an die p-Zone des Halbleiters aus Indium und daß die galvanische Lösung eine wäßrige Lösung von Indiumcyanid ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Halbleiterkörper mit seinem galvanischen Überzug in der Nähe der Kanten der Inversionsschichten und auf diesen Kanten abgeätzt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 829191.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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