DE1029936B - Legierungs-Verfahren zum Herstellen von p-n-Schichten - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von p-n-Übergängen in n-Typ-Elementhalbleitern, wie z. B. Germanium und Silizium. P-n-Übergänge innerhalb von Halbleiterkörpern können auf verschiedene Arten erzeugt werden. Für ein Halbleitergerät mit Großflächen-p-n-Übergang besteht ein Verfahren zur Bildung des p-n-Überganges innerhalb des Halbleiterkörpers in einem Legierungsprozeß, bei welchem ein Donator- oder Akzeptormaterial bei hoher Temperatur mit einer Oberfläche des Halbleiterkörpers, der gewöhnlich eine Scheibe von dünner Stärke ist, in Kontakt gebracht wird. Bei hohen Temperaturen wird dann der Akzeptor oder Donator mit dem Halbleiter verschmolzen und diffundiert in diesen ein. Wenn unter hohen Temperaturen ein bestimmtes Aktivatormaterial mit dem Halbleiterkörper verschmilzt und in diesen Halbleiterkörper, der entgegengesetzte Leitungseigenschaften aufweist, eindiffundiert, dann ändert der Bereich, in welchen die Aktivatorverunreinigung eindiffundiert, seinen ursprünglichen Leitungstyp. Der Bereich zwischen den zwei verschiedenartigen Halbleitermaterialien bildet so einen p-n-Übergang. P-n-Übergangshalbleitergerät wurden größtenteils auf Einheiten mit kleinen Flächen begrenzt, weil die zur Verfügung stehenden Akzeptorelemente mit Halbleitern, wie z. B. Germanium und Silizium, Eutektika bilden, welche äußerst spröde und brüchig sind. Dies führt zu Rissen, Brüchen und Spalten zwischen der legierten Oberfläche und dem Körper aus Halbleitermaterial während der Abkühlung nach dem Anlegieren.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Herstellen von p-n-Schichten in n-Typ-Elementhalbleitern durch Legieren, das sich von den bisher bekannten dadurch unterscheidet, daß zur Legierungsbildung bzw. Diffusion ein Akzeptormaterial aus einer Gallium-Aluminium-Legierung verwendet wird.

Dieses Akzeptormaterial zeichnet sich durch eine bisher nicht mögliche Kombination von wünschenswerten elektrischen und mechanischen Eigenschaften aus, welche die Herstellung von verbesserten Großflächen-p-n-Übergangsgeräten, wie z. B. Gleichrichtern und Transistoren, ermöglichen.

Die neuartigen Gesichtspunkte und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 5 hervor.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines p-n-Übergangshalbleitergerätes gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen Teil des Gerätes gemäß Fig. 1;

Fig. 3 zeigt ein Diagramm der elektrischen Eigenschaften des Gerätes von Fig. 1;

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine andere Ausführung des Gerätes nach Fig. 1;

Legierungs-Verfahren
zum Herstellen von p-n-Schichten

Anmelder:

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

Vertreter: Dr.-Ing. A. Schmidt, Patentanwalt,
Berlin-Charlottenburg 9, Württembergallee 8

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 1. Juni 19S4

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

Fig. 5 ist ein vertikaler Querschnitt durch einen gemäß der Erfindung konstruierten Transistor.

Großflächen-p-n-Übergangshalbleiter können auf vielerlei Art hergestellt werden. Das allgemeine Verfahren zur Herstellung besteht in der Verschmelzung und Diffusion eines Verunreinigungselementes an bzw. in die Oberfläche einer dünnen Scheibe aus Halbleitermaterial, wie z. B. Germanium oder Silizium. Das Verfahren zur Herstellung einer dünnen Scheibe kristallinen η-leitenden Germaniums oder Siliziums ist bekannt und wird im weiteren nicht mehr erwähnt. Eine derartige kristalline, n-Ieitende Halbleiterscheibe wird dann mit einem Verunreinigungselement, welches in der Lage ist, positive Leitungsträger in den Halbleiter einzuführen, in Oberflächenkontakt gebracht; die Eindringung des Verunreinigungsmaterials bis auf die gewünschte Tiefe innerhalb des Halbleiters wird durch ein geeignetes Verfahren bewirkt. Das bekannteste Verfahren besteht in der thermischen Legierung und Diffusion. Bei einem derartigen Prozeß wird eine geringe Menge eines Aktivaitoirmaterials auf die Oberfläche einer Halbleiterscheibe gebracht, in welcher ein p-n-Übergang erzeugt werden soll, und mittels Druck darauf festgehalten,, während die beiden Elemente einer hohen Temperatur ausgesetzt werden, welche ausreicht, um ein teilweises Verschmelzen des Halbleiters mit dem Aktivator zu verursachen. Nachdem Verschmelzung und Diffusion stattgefunden haben,

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läßt man den Halbleiterkörper abkühlen, -und ein Legierungsmaterials mit dem Befestigen eines niederniederohmiger Kontakt wird an die äußere Ober- ohmigen Kontaktes an das Halbleitergerät kombiniert, fläche des Halbleiterkörpers angelötet oder auf irgend- derart, daß das Akzeptoraktivatormaterial als Löteine andere Art befestigt. Andererseits kann der mittel zwischen diesen beiden verwendet wird. Dies Aktivator auch als Lötmittel zur Befestigung eines 5. wird durch Erhitzen einer Halbleiterscheibe, eines niederohmigen Kontaktes anöden Halbleiterkörper in · Teiles eines Akzeptormaterials und eines niedereinem einzigen Arbeitsgang dienen. Bei der Herstel- ohmigen Kontaktes, wobei eins über dem anderen lung eines derartigen Halbleitergerätes treten jedoch Hegt, bei einer Temperatur und für eine Zeit beviele Schwierigkeiten auf. Die augenblicklich zurVer- wirkt, die ausreicht, um den gewünschten Grad der fügung stehenden Akzeptoren für Legierungen mit io Eindringung der Verunreinigung und der Verlötung Germanium und Silizium, wie z. B··. Aluminium, GaI- zu veranlassen.

lium und Indium, sind mechanisch zur Bildung von In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäß hergestellte

Großflächenkontakten mit den genannten Halbleiter- p-n-Übergangshalbleitereinheit dargestellt. Das Gerät materialien nicht geeignet. Gallium ist bei Zimmer- 10 ist einGroßnächenhalbleitergleichrichter, bestehend temperaturen flüssig und ist deshalb nicht brauchbar. 15 aus einer η-leitenden Halbleiterscheibe 11 und zwei Indium hat einen niedrigen Schmelzpunkt (155° C) niederohmigen Elektroden 12 und 16., welche vorzugs- und ist auf den Gebrauch bei niedrigen Temperaturen weise aus Nickel oder Fernico bestehen und in elekbeschränkt. Die thermischen Ausdehnungskoeffizient irischem Kontakt mit den gegenüberliegenden Hauptten der Eutektika, die durch Aluminium mit Germa- flächen der Scheibe 11 stehen. Die niederohmige Eleknium und Silizium gebildet werden, sind sehr ver- 20 trode 12 wird durch die im vorhergehenden beschrie- .;■■■ schieden von den thermischenAusdehnungskoeffizienten bene Akzeptorlötmasse 13 an der Scheibe 11 befestigt, von Germanium und Silizium. Derartige Unterschiede wobei das Lötmittel 13 aus einer Legierung von Aluverursachen thermische Spannungen, welche einen minium und Gallium besteht, welche an die n-leitende Gro'ßflächenkontakt zwischen einem Aktivator und Halbleiterscheibe 11 angeschmolzen und in diese eineinem Halbleiterkörper beschädigen oder unbrauchbar 25 diffundiert ist, wodurch verursacht wird, daß ein an machen können. Wird Aluminium zur Bildung eines . die Oberfläche grenzender Bereich 14 der Halbleiter-Großflächen-p-n-Überganges mit Germanium oder scheibe 11 in einen p-leitenden Halbleiter umgewan-Silizium verwendet, dann bildet sich ein spröder delt wird. Der Grenzbereich zwischen dem an die Übergang, und während der Abkühlung nach der Oberfläche angrenzenden Bereich 14 und dem ■; Verschmelzung bricht oder spaltet sich die spröde 30" Scheibenkörper 11 bildet einen Großflächen-p-n-Über-Legierung zwischen dem Aktivatorelement und dem gang 15. Das Akzeptorlötmittel 13 besteht aus einer Siliziumhalbleiterkörper und macht das Halbleiter- Legierung von Gallium mit Aluminium im Bereich gerät unbrauchbar. Ein weiterer Faktor macht die von 25 bis 35 Gewichtsprozent Gallium und ist vorzur Verfügung stehenden Akzeptorelemente zur BiI- zugsweise zusammengesetzt aus annähernd 30% GaI- ] dung von Großflächenkontakten mit Silizium un- 35 Hum und 70% Aluminium. Diese Akzeptorlegierung geeignet. Silizium wird durch legierende Materialien erweist sich als gute Quelle von Akzeptoratomen zur nicht ohne weiteres benetzt. Reines Indium benetzt Umwandlung des an die Oberflächen grenzenden BeSilizium nicht leicht. Zugaben von anderen Metallen reiches 14 der n-Halbleiterscheibe 11 in einem p-Halbzum Indium,, um ein Benetzen zu veranlassen, führen leiter und bildet auch eine ausreichend dehnbare Verdazu, daß die Akzeptoreigenschaften des Indiums zer- 40 Schmelzung mit der Halbleiterscheibe 11, welche ge^ stört werden. So kann also weder Aluminium noch stattet, daß sich die Scheibe bei Temperaturschwan-Gallium noch Indium als Akzeptoraktivatorkontakt kungen ausdehnt und zusammenzieht, ohne zwischen für einen Silizium-Großflächengleichrichter oder ein Lötmittel 13 und Scheibe 11 zu brechen, zu spalten Halbleitergerät benutzt werden. oder sich zu teilen. Die niederohmige Elektrode 16 wird

Es hat sich herausgestellt, daß, obgleich Gallium 45 mit der Halbleiterscheibe 11 mittels einer Lötschicht und Aluminium einzeln genommen als Großflächen- 17 verbunden, welche eine Legierung eines Donator-Akzeptoraktivatorkontakte für Germanium- und SiIi- materials sein kann, die gute thermische und mechazium-Halbleiterkörper nicht geeignet sind, eine Mi- nische Eigenschaften aufweist. Diese an sich böschung von Gallium in Aluminium zu einer Legierung kannte Legierung kann aus einem geringen Prozentführt, welche bei normalen Betriebstemperaturen für 50 satz eines Donatorelementes, wie z. B. Arsen, Anti-Halbleitergeräte ausreichend beständig ist, um die mon und Phosphor, und Indium bestehen. Zu diesem erforderliche mechanische Festigkeit zu geben. Wenn Zweck kann eine Mischung von 10 bis 30 Gewichtsdiese Legierung an einen Halbleiterkörper ange- prozent eines Donatorelementes in Indium verwendet schmolzen wird, um damit einen p-n-Überzug zu bil- werden. Da der Abscheidungskoeffizient von Indium den oder um ihm nur positive Leitungsträger zuzu- 55 in Germanium und Silizium, d. h. das Verhältnis von führen, ist sie trotzdem in der Lage, große Tempera- fester Löslichkeit von Indium in Germanium und turschwankungen hinzunehmen, ohne sich von dem Silizium zu dem Prozentsatz von Indium in der Halbleiter zu lösen, zu spalten oder zu brechen. Da- flüssigen Phase beim Legieren, wesentlich geringer ist durch ergibt sich also ein Akzeptoraktivatormaterial als dieAbscheidungskoeffizienten derDonatorelemente für Halbleitergeräte, welches wünschenswerte elek- 60 in Germanium oder Silizium, werden die elektrischen irische und mechanische Eigenschaften aufweist und Eigenschaften des durch die Legierung des Donator-Silizium leicht benetzt. Obwohl dieses Aktivator- elementes Indium mit der Halbleiterscheibe gebildeten material sowohl für Germanium als auch für Silizium Überganges vom Donatorelement beherrscht werden, mit Erfolg verwendet werden kann, eignet es sich Da andererseits überwiegend Indium in der Legiebesonders zur Verwendung mit Silizium, für welches 65 rung vorhanden ist, besitzt sie im wesentlichen die bisher kein anderes Akzeptoraktivatormaterial zur gleichen mechanischen Eigenschaften wie reines InVerfügung stand, das für Großflächenkontakte bei dium, d.h., die Legierung ist ausreichend dehnbar, beliebiger Temperatur geeignet gewesen wäre. um Temperaturspannungen ohne Brechen oder Spalten

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Er- zu widerstehen, und bildet einen Kontakt, der die findung wird die Diffusion des Akzeptoraktivator- 70 notwendige Dehnbarkeit für einen Großflächenkontafet

äußerst niedrig, nämlich weniger als 3OmA für Sperrspannungen bis zu 20O¹ V, Die gleichrichtenden Eigenschaften des Gleichrichters 10 gemäß Fig. 3 variiren über Temperaturbereichen von der Temperatur des 5 flüssigen Stickstoffes bis zu Temperaturen von 200° C äußerst wenig. Der Durchlaßwiderstand dieses Gleichrichters kann weitgehend reduziert werden, wenn man eine'dünnere Scheibe mit niedrigerem spezifischem Widerstand verwendet. - ' ''-...

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt. Der in Fig. 4 dargestellte Gleichrichter unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten nur dadurch, daß die Nickelelektrode 13 weggelassen wird und die Zuleitung 18

mit der Halbleiterscheibe 11 aufweist. Außerdem benetzt diese Legierung Germanium und Silizium, wenn sie als Lötmittel zwischen der niederohmigen Elektrode 16 und der Scheibe 11 benutzt wird. Die Donatorlegierung 17 kann vorzugsweise aus einer Legierung von 10 bis 30% Arsen im Indium bestehen.

Ein Gleichrichter 10, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, kann erfindungsgemäß auf folgende Art hergestellt werden. Eine Scheibe 11 aus η-leitendem, vorzugsweise einkristallinem Silizium wird aus einem io
Siliziumeinkristall geschnitten, welcher eine Spür
eines Donatoraktivatorelementes, wie z. B. Antimon,
Phosphor oder Arsen, enthält, um ihm negative bzw.
n-Leitungseigenschaften zu geben. Die Scheibe 11 besteht vorzugsweise aus einem dünnen Stück Silizium 15 direkt mit einem Körper von Gallium-Aluminiummit einer Stärke von etwa 0,0508 cm. Die Stärke kann Akzeptormaterial 19 verbunden ist, welcher mit der jedoch von sehr dicken Scheiben bis zu den dünnst- η-leitenden Halbleiterscheibella verschmolzen und möglichen Dimensionen variieren, entsprechend der in diese eindiffundiert ist.

mechanischen Stärke für den schließlichen Verwen- Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erdungszweck des Gerätes. Länge und Breite der 20 findung ist in Fig. 5 dargestellt, wo ein Dreielektro-Scheibe sind nicht kritisch, betragen jedoch Vorzugs- dentransistor dargestellt ist, der aus einer Scheibe weise etwa 0,635 cm. Die Bildung eines p-n-Über- aus η-leitendem Halbleitermaterial besteht, welche ganges 15 innerhalb des Gleichrichters 10 von Fig. 2 vorzugsweise aus einem Einkristall aus n-Material und das gleichzeitige Anlöten einer Elektrode 12 an geschnitten wurde. Eine Basiselektrode 20, welche aus die Siliziumscheibe 11 mittels einer Akzeptorlegierung 25 jedem beliebigen Donatormaterial, wie z. B. Arsen 13 einerseits und das Anlöten einer Elektrode 16 an oder Antimon oder eine Legierung von. Indium und die Scheibe 11 mittels einer Donatorlegierung 17 einem Donatoraktivator, bestehen kann, wird an eine andererseits kann in einem Heizschritt oder aber in Hauptfläche der Halbleiterscheibe 11 angeschmolzen, zwei unabhängigen Schritten bewirkt werden. Vor- Die Zuführung 21 wird an die Elektrode 20 gelötet, zugsweise werden beide Schritte gleichzeitig vorge- 30 Eine Emitterelektrode 130, welche aus der erfindungsnommen. Die Siliziumscheibe 11, die Elektroden 12 gemäßen Akzeptorlegierung aus Aluminium und GaI- und 16, welche vorzugsweise aus Nickel bestehen, lium von 25 bis 35% und vorzugsweise etwa 30% und dünne Scheiben aus einer Donatorlegierung 17 Gallium in Aluminium besteht, wird an die gleiche und einer Akzeptorlegierung 12 werden, wie in Fig. 2 Hauptfläche der Halbleiterscheibe 11 c angeschmolzen dargestellt, in einem geeigneten Ofen oder einer Heiz- 35 und für eine ausreichende Zeit und bei einer genügenkammer übereinander angeordnet. Das Heizen wird den Temperatur erhitzt, um eine Verschmelzung zu bei einer solchen Temperatur und über einen solchen erreichen. Die Diffusion der Aktivatorlegierung in Zeitraum durchgeführt, daß die Akzeptorlegierung 12 die Halbleiterscheibe 11 c verwandelt den an die Oberdie Siliziumscheibe 11 benetzt und teilweise hinein- flächen angrenzenden Bereich 14 c in der Halbleiterdiffundiert und so einen p-n-Übergang 15 erzeugt; 40 scheibe lic in einen p-leitenden Halbleiter, und ein die Akzeptorlegierung 12 diffundiert jedoch nicht in p-n-Übergang 15 c wird zwischen dem p-leitenden, an den ganzen Körper der Siliziumscheibe 11. Eine voll- die Oberfläche angrenzenden Bereich 14 c und dem ständige Diffusion würde den gesamten Körper der Körper der η-leitenden Halbleiterscheibe lic geScheibe 11 in p-leitendes Silizium verwandeln, und bildet. Die Zuführung 18 c ist mit der Emittorelekes würde kein p-n-Übergang gebildet werden. Die 45 trode 13 c verbunden. Eine Kollektorelektrode 22, an Temperatur kann etwas variieren, sollte jedoch über welche der Pol 23 befestigt ist, wird dem Transistor etwa 600° C liegen, der Temperatur, bei welcher die von Fig. 5 derartig angebracht, daß ein guter Leiter, Siliziumscheibe 11 von der Akzeptorlegierung 12 be- welcher beispielsweise Fornico sein kann, an die entnetzt wird, und unter 900° C, der Temperatur, bei gegengesetzte Hauptoberfläche der Scheibe lic mit welcher zu starkes Legieren und Diffundieren der 50 der Akzeptorlegierung von Aluminium und Gallium Akzeptorlegierung 12 in die Siliziumscheibe 11 be- -— wie bereits beschrieben ■— angelötet wird. Diese ginnt. Die Heizzeit kann je nach der Stärke der SiIi- Legierung kann aus 25 bis 35°/» Gallium in Alumiziumscheibe 11 etwas variieren. Es hat sich erwiesen, nium bestehen; sie besteht vorzugsweise aus andaß bei einer Stärke der Siliziumscheibe von etwa nähernd 30% Gallium, wobei der Rest Aluminium 0,0508 cm eine Wärmebehandlung bei 700° C vonl 55 ist. Das Erhitzen zur Bildung der Lötstelle wird bei ¹U bis 2 Minuten Dauer geeignete p-n-Übergänge er- einer Temperatur und für eine Zeit durchgeführt, gibt. welche ausreichen, die Diffusion der Akzeptorlegie-

Ein nach dem obigen Verfahren hergestellter Gleich- rung in die η-leitende Scheibe lic zu veranlassen, um richter 10 ist dann als gleichrichtendes Halbleiter- die Bildung eines an die Oberflächen angrenzenden gerät über einem großen Temperaturbereich verwend- 60 Bereiches 24 und eines p-n-Uberganges 25 zu verbar. Ursachen.

In Fig. 3 ist die Gleichrichtungscharakteristik eines Silizium-Großflächengleichrichters gemäß der Erfindung dargestellt, welcher eine n-Siliziumscheibe von 0,0508 cm Stärke und 20 Ohm -cm aufweist. Wie 65 man aus der Kurve in Fig. 3 ersieht, läßt der Gleichrichter 10 hohe Ströme bis zu mehreren tausend mA für Spannungen von weniger als 10 V durch, wenn er in Durchlaßrichtung geschaltet ist. Wird die Polarität umgekehrt, ist der Rückstrom des Gleichrichters 10 7°

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von p-n-Schichten in η-Typ Elementhalbleitern durch Legieren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Legierungsbildung bzw. Diffusion ein Akzeptormaterial aus einer Gallium-Aluminium-Legierung verwendet wird.

2; Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Akzeptormaterial aus einer Legierung aus 25 bis 35 Gewichtsprozent, vorzugsweise 30 Gewichtsprozent Gallium und 75 bis 65 Gewichtsprozent, vorzugsweise 70 Gewichtsprozent Aluminium besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Anwendung auf Halbleitermaterial aus Germanium oder Silizium.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Akzeptorlegierung als Lotmaterial für die Elektrode verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung T 6752 VIIIc/21g;
Bvc. IRE, 40 (1952), S. 1513.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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