DE1086347B - Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkristall - Google Patents

Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkristall

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DE1086347B DES57388A DES0057388A DE1086347B DE 1086347 B DE1086347 B DE 1086347B DE S57388 A DES57388 A DE S57388A DE S0057388 A DES0057388 A DE S0057388A DE 1086347 B DE1086347 B DE 1086347B
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Description

DEUTSCHES
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Es ist bereits ein Vorschlag für einen Spitzengleichrichter hoher Stabilität und Leistung bekannt, der einen vorzugsweise zylindrischen Körper aus Halbleitermaterial aufweist, bei welchem durch eine Mehrzahl linienartiger Kontaktstreifen punktartige Kontakte, wie sie für die Arbeitsweise eines Spitzengleichrichters charakteristisch sind, geschaffen werden. "Es ist ferner eine Halbleiteranordnung bekannt, die eine Mehrzahl paralleler Kristalle enthält, welche eine sie trennende Grenze aufweisen.
Weiter ist eine Halbleiteranordnung bekannt, die einen Bereich von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp an der Vereinigungsstelle zweier Bereiche vom gleichen Leitfähigkeitstyp aufweist.
Zweck der Erfindung ist es hauptsächlich, eine verbesserte Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkristall sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, indem längs Korngrenzen bzw. längs Grenzflächen zwischen einkristallinen Zonen gebildete wirksame Zonen hergestellt werden. Dabei wird vor allem eine Eignung der Halbleiteranordnung für einen Betrieb mit relativ hoher Frequenz angestrebt.
Erfindungsgemäß weist der Halbleiterkristall drei einkristalline Bereiche auf, die an drei in einer Linie sich schneidenden Grenzflächen zusammenhängen, längs der Grenzflächen sind Verunreinigungen derart eindiffundiert, daß zwei der Diffusionszonen vom einen Leitfähigkeitstyp und die dritte Diffusionszone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ist, und diese Diffusionszonen nähern oder berühren sich je nach Wahl der Diffusionszeit oder der Abmessung des Halbleiterkristalls mehr oder weniger in Richtung der Schnittlinie der drei Grenzflächen.
Es sind, wie noch erläutert wird, auch verschiedene Abwandlungen dieses Grundprinzips möglich.
Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
Fig. IA bis IC zeigen die Schritte zur Bildung einer neuartigen Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Konzentration von Donator- und Akzeptorstoffen als Funktion der Entfernung längs einer Korngrenze;
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausbildung einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 4 zeigt noch eine andere Ausführungsform einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung.
In Kristallen findet eine Diffusion leichter statt, wenn sie längs Korngrenzen statt durch die Masse des Kristalls hindurch erfolgt. Es wird angenommen, daß dies infolge des schlechten Zusammenhanges zwischen Atomen an einer Korngrenze der Fall ist. Die Locker-Halbleiteranordming
mit einem Halbleiterkristall
Anmelder:
Shockley Transistor Corporation,
Palo Alto, Calif. (V. St. A.)
Vertreter: Dipl.-Ing. F. Werdermann, Patentanwalt,
Hamburg 13, Innocentiastr, 30
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 18. März 1957
William Shockley, Los Altos, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden
heit in der Packung oder Zusammenpassung der Atome an der Korngrenze ergibt mehr Raum für die Atome zu einer gegenseitigen Bewegung. Daher diffundieren Atome schneller und leichter längs Korngrenzen.
Es wurde auch beobachtet, daß eine Diffusion in Korngrenzen eine bevorzugte Richtung hat. Im allgemeinen erfolgt die bevorzugte Diffusion bei einer geneigten zweifachen Grenze längs Kantenverlagerungen. Bei Korngrenzen mit großem Winkel geht die Diffusion in allen Richtungen im wesentlichen gleichmäßig vor sich.
In Fig. 1A ist ein Kristall aus Halbleitermaterial mit drei Korngrenzen 11, 12 und 13 geziegt. Diese haben die Form eines langgestreckten »Y«, wobei der untere Schenkel des »Y« wesentlich größer als die beiden Arme ist. Der dargestellte Kristallaufbau kann durch Verwendung eines Impfkristalls, welcher die erforderlichen Grenzflächen aufweist, gezogen werden, so daß die Grenzen 11 und 12 Zwillingsgrenzen sind, unter Einstellung eines kleinen Neigungswinkels beim Ziehen, um Kantenverschiebungen 14 zu erzeugen. Wo die Ebenen der Kantenverschiebungen 11 und 12 sich treffen, wird eine neue Grenze 13 gebildet. Die Grenze
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ist eine Korngrenze mit großem Winkel. Der gezüchtete Kristall wird so geschnitten, daß das dargestellte Kristallstück gebildet wird, bei welchem sich die Kantenverschiebungen bis zur Oberfläche erstrecken.
Wie vorstehend beschrieben, hat die Diffusion in den Grenzen 11 und 12 eine bevorzugte Richtung, und zwar in Richtung der Kantenverschiebungen, während die Diffusion im Bereich 13 rasch fortschreitet, und zwar im allgemeinen in allen Richtungen.
Der in Fig. IA gezeigte Aufbau kann dazu verwendet werden, um analoge Feldwirkungs- und Flächentransistoren zu bilden.
Durch Auswählen der Abmessungen der Korngrenzen längs der Ebenen 11, 12 und 13., der Konzentration der Verunreinigungsatome und der Diffusionszeit herrscht die Diffusion längs der Korngrenzen 11, 12 und 13 vor. Die Diffusion kann in dem Aufbau längs der Korngrenzen als im wesentlichen eindimensional angesehen werden.
Betrachtet man die Kurve, welche die Konzentration von Denator- und Akzeptorstoffen als Funktion der Entfernung oder Tiefe in das Material hinein für einen zweistufigen Diffusionsprozeß darstellt, nämlich erstens eine Diffusion der Akzeptorstoffe nach innen für eine gegebene Zeitdauer und dann eine nachfolgende Diffusion von Donatorstoffen für eine gegebene Zeitdauer, während der die Akzeptorstoffe an der Oberfläche austreten werden, so zeigt es sich, daß bei einer Tiefe Z1 das Material kompensiert ist. Bei Entfernungen, die geringer sind als die Tiefe X1, sind die Donatorstoffe vorherrschend, während bei Entfernungen, die größer sind als X1, die Akzeptorstoffe vorherrschen. Im Ergebnis erzeugt der Diffusionsprozeß bei flachen Tiefen Material des η-Typs, während bei größeren Tiefen Material des p-Typs erzeugt wird.
Ein neuartiger, analoger Transistor kann durch Auswählen der Abmessungen bei Fig. 1 derart gebildet werden, daß die Ebenen 11 und 12 sich bei einer etwa der Entfernung X1 entsprechenden Entfernung schneiden. Die Ebene 13 hat eine größere Länge, als die Entfernung X1 beträgt, so daß das nahe der Verbindungslinie der drei Korngrenzenflächen befindliche Material solches des p-Typs ist.
Um den neuartigen, analogen Transistor zu bilden, wird der Kristall gemäß Fig. 1 einer ersten Diffusion von Akzeptorstoffen für eine vorbestimmte Zeitspanne unterworfen, so daß die Akzeptorstoffe nach innen diffundieren. Darauf wird der Kristall einer Diffusion in Gegenwart von Donatorstoffen unterworfen. Die Donatorstoffe diffundieren nach innen, während die Akzeptorstoffe an der Oberfläche entweichen. An der Schnittstelle der Korngrenzen wird das Material, wenn die Zeiten und Entfernungen richtig gewählt werden, entsprechend dem Punkt X1 (Fig. 2) kompensiert. In den Ebenen 11 und 12 werden Bereiche des η-Typs gebildet, da die Entfernungsstrecke kleiner ist als X1, während in dem Schenkel des »Y« ein Bereich des p-Typs gebildet wird, da der Abstand größer ist als X1. Das Material des η-Typs erstreckt sich am Fußpunkt des Schenkels nach innen um eine Strecke, die derjenigen an der Oberseite entspricht.
Anschließend wird das Material von der Außenseite des Kristalls durch Ätzen od. dgl. entfernt, wie es in Fig. 1C gezeigt ist. Ein Kontakt 16 aus einer entsprechenden Legierung wird an dem Bereich des p-Typs hergestellt, der an der Korngrenze mit großem Winkel gebildet wird. Geeignete Kontakte 17 und 18 werden dann an die Bereiche des η-Typs an der Oberseite angeschlossen. Der sich so ergebende Aufbau ist in Fig. 1 C gezeigt.
Der Aufbau ähnelt einem analogen Transistor, bei dem einer der Bereiche des η-Typs die Rolle einer Kathode und der andere die Rolle einer Anode spielen kann. Der Bereich des p-Typs wirkt als Gitter zum Steuern des Trägerflusses von einen Bereich des η-Typs zum anderen.
Durch Steuern der Diffusionszeiten und -konzentrationen können die Aufbauten gemäß Fig. 3 oder 4 erzeugt werden. Bei Fig. 3 hängen die Bereiche des
ίο η-Typs an der Spitze des Bereiches des p-Typs zusammen. Es ist dies ein Feldwirkungstransistor, bei dem der Zuflußanschluß j und der Abflußanschluß d an die Bereiche des η-Typs hergestellt werden und der p-Typ-Kanal mit der Torelektrode g gebildet wird. Der p-Typ-Kanal kann äußerst kurz und schmal gemacht werden, um einen Hochfrequenzbetrieb zu erlauben.
In Fig. 4 erstreckt sich der Kanal des p-Typs nach oben bis zu den beiden Bereichen des η-Typs, trennt diese und bildet mit ihnen pn-Übergänge. Es wird ein
ao Flächentransistor mit einem Emitter e des n-Typs, einem Kollektor c des η-Typs und einem Basisbereich p gebildet. Hier kann der Basisbereich zum Zwecke des Hochfrequenzbetriebes relativ kurz gemacht werden.
Die Möglichkeiten zur Anwendung und Ausführung der Erfindung beschränken sich nicht auf die hier im einzelnen beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele; diese sollen nur dem Zweck der Erläuterung dienen, und insbesondere sind die verschiedenen Abmessungen übertrieben dargestellt, um die Erfindung möglichst deutlich zu erläutern.
Der Vorteil der gezeigten Bauformen besteht darin, daß die verschiedenen Bereiche äußerst klein gemacht werden können. Der Block aus Halbleitermaterial, der eine wesentlich kleinere Leitfähigkeit hat als die arbeitenden Bereiche, dient dazu, diese in einem Abstand voneinander festzuhalten. Unter den Bedingungen des Betriebes wirkt der Block im wesentlichen als isolierende dielektrische Schicht.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkristall, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall drei einkristalline Bereiche aufweist, die an drei in einer Linie sich schneidenden Grenzflächen zusammenhängen, daß Verunreinigungen längs der Grenzflächen derart eindiffundiert sind, daß zwei der Diffusionszonen vom einen Leitfähigkeitstyp und die dritte Diffusionszone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ist und daß diese Diffusionszonen sich je nach Wahl der Diffusionszeit oder der Abmessung des Halbleiterkristalls mehr oder weniger in Richtung der Schnittlinie der drei Grenzflächen nähern oder berühren.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Diffusionszonen des gleichen Leitfähigkeitstyps sich stellenweise vereinigen, so daß sie eine einzige Zone bilden, und daß die dritte Diffusionszone einen pn-übergang damit bildet.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Diffusionszone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp je einen pn-übergang mit jeder der beiden anderen Diffusionszonen des einen Leitfähigkeitstyps bildet.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die drei Diffusions-
zonen nur so weit nähern, daß ein Analogtransistor gebildet wird.
5. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächen im Halbleiterkristall in der Form eines »Y« angeordnet sind.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 935 382;
deutsche Patentanmeldung W 4642 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 30. 8. 1951);
deutsche Auslegeschrift L 16497 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 5. 4. 1956).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
©009 569/338 7.60
DES57388A 1957-03-18 1958-03-17 Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkristall Pending DE1086347B (de)

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