DE1008416B

DE1008416B - Verfahren zur Herstellung von Flaechentransistoren

Info

Publication number: DE1008416B
Application number: DEW13173A
Authority: DE
Inventors: Richard Leon Longini
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1953-03-20
Filing date: 1954-02-02
Publication date: 1957-05-16
Also published as: BE527468A; FR1098296A; GB750998A; NL185041C

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Flächentransistoren. Solche Transistoren bestehen aus einer dünnen Halbleiterschicht des einen Leitungstyps (z. B. η-Typs) zwischen zwei Schichten aus Material des anderen Leitungstyps (z.B. p-Typs). Geeignete Halbleiter sind z.B. Germanium, Silizium und andere Halbleiter mit einer geringen Beimischung von Elementen der Gruppe III des Periodischen Systems bei den p-Ieitenden Materialien und einer Spur eines EIementes der Gruppe V des Periodischen Systems bei η-Halbleitern. Die Zwischenschicht von entgegengesetztem Leitungstyp soll sehr dünn, d. h. zwischen 0,0125 und 0,05 mm stark sein. Es lassen sich sowohl n-p-n-Verbindungen als auch p-n-p-Verbindungen verwenden.

Bei einem am häufigsten angewandten Verfahren zur Herstellung von Transistoren wird ein Germaniumeinkristall von z. B. 9,5 mm Durchmesser mit genügender Beimengung von Antimon oder einem Element der Gruppe V des Periodischen Systems zur Erzielung eines spezifischen Widerstandes von etwa 1 Ohm · cm an einem Halter befestigt! wobei sein unteres Ende in eine Schmelze der gleichen Zusammensetzung eintaucht. Der Kristall wird in Umdrehung und Vibration versetzt und, sobald das geschmolzene Germanium an seiner unteren Fläche fest zu werden beginnt, langsam nach oben gezogen, so daß der Kristall in Längsrichtung allmählich wächst. Darauf wird eine kleine Tablette aus Gallium oder einem anderen Element der Gruppe III des Periodischen Systems in die Schmelze geworfen. Bei der Rührbewegung des rotierenden Kristalls diffundiert das Gallium sehr schnell, und es bildet sich eine dünne Schicht Germanium mit so viel Gallium, daß das sich verfestigende Germanium auf der wachsenden Kristallfläche vom η-Typ zum p-Typ wechselt. Nach etwa 10 bis 20 Sekunden wird ein Kügelchen Arsen zur Rückumwandlung der Schmelze in η-Material mit sehr niedrigem spezifischem Widerstand in die Schmelze geworfen, und es bildet sich über der p-Schicht eine η-leitende Schicht, deren Dicke ausreichend für eine leichte Bearbeitung sein kann und nicht kritisch ist. Ist die letzte Schicht ausreichend dick, so wird der Kristall abgenommen. Er wird dann an beiden Seiten der p-Schicht abgeschnitten. Die sich ergebenden Plättchen werden in kleinere Würfelchen unterteilt. Die elektrischen Kontakte erhält man sehr leicht durch Anschweißen oder Anlöten von Metall an die beiden η-Schichten jedes Stückes, jedoch ist die Anbringung einer Elektrode an der dünnen Zwischenschicht ziemlich schwierig. Außerdem ist die Herstellung einer gleichmäßigen Dicke der p-Zwischen- oder Basisschicht sehr Verfahren zur Herstellung
von Flächentransistoren

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt, Frankfurt/M., Friedridi-Jibert-Str.' 53

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 20. März 1953

Richard Leon Longini, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

schwierig, selbst wenn man mit äußerst genauer Temperaturregelung arbeitet.

Neben dem beschriebenen Kristallziehverfahren ist es auch bekannt, Transistoren dadurch herzustellen, daß ein kleiner Akzeptorkontakt auf jede Seite einer n-Typ-Germaniumplatte aufgeschmolzen bzw. auflegiert wird. Bei derartigen Transistoren ist es weiterhin bekannt, die Emitter,- und Kollektorelektroden als kammartig ineinandergreifende Elektroden vorzusehen, die auf der einen Seite eines Germaniumplättchens aufgelötet bzw. aufgeschweißt sind, während die Basisverbindung die andere Seite bedeckt.

Erfindungsgemäß wird nach dem Kristallziehverfahren ein Halbleiterstab mit Schichten, die abwechselnd p- und n-Leitungstyp aufweisen, hergestellt und längs der p-n-Grenzflächen so in einzelne Halbleiterkörper zerschnitten, daß beide Leitungstypen enthalten sind. Dieser Halbleiterkörper wird sodann zur Erzielung einer bestimmten Schichtdicke an derjenigen Schicht, an welcher der Basisanschluß erfolgt, geschliffen und ein Teil dieser Schicht dann mit einem Metall bedeckt und legiert, das ein Aktivatorelement enthält, welches den Leitungstyp des legierten Teils ändert.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Transistor nach der Erfindung und .

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stand von etwa 1 Ohm ■ cm in das Schmelzbad geworfen. Durch das von der Rotation und den Schwingungen des Kristalls hervorgerufene Umrühren diffundiert diese Substanz sehr schnell, und es ver-5 festigt sich eine p-Schicht von etwa 1,8 mm Dicke auf der Kristallfläche. Nach ungefähr 25 Sekunden werden ein oder mehrere Stücke mit einer ausreichenden Beimengung eines Elementes der Gruppe V, beispielsweise Antimon, in die Schmelze

Fig. 2 eine schematische, perspektivische Ansicht eines gezogenen Kristalls zum Zerschneiden in einzelne Transistoren.

Auf diese Weise wird eine Schicht genau dimensionierter Dicke aus beispielsweise p-Germanium auf
beiden Seiten mit η-Germanium begrenzt hergestellt,
und zwar auf der einen Seite in Größe des Lotes,
wobei ein p-leitender Restteil bleibt, der zum Anschluß eines Leiters an den p-Bereich, d. h. zum
Basisanschluß, dient. Die Anschlüsse für die beiden io geworfen, und es bildet sich eine η-Schicht mit einem η-Bereiche lassen sich in einfacher Weise wie üblich spezifischen Widerstand von etwa 1 Ohm · cm auf der herstellen. Oberfläche der p-Schicht. Die η-Schicht läßt man so Der in Fig. 1 dargestellte Transistor weist einen weit wachsen, daß sie eine Dicke von etwa 1,8 mm erKollektor 1 aus n-Germanium, η-Silizium oder einem reicht. Dieses Verfahren wird durch abwechselnde anderen Halbleiter mit einer Beimengung eines EIe- 15 Beigabe von Gallium und Antimonzusätzen wiedermentes der Gruppe V des Periodischen Systems, bei- holt, bis eine Anzahl solcher 1,8 mm dicken Schichten spielsweise Antimon, auf, das in solcher Menge vor- entgegengesetzter Leitfähigkeit entstanden ist. handen ist, daß der spezifische Widerstand ungefähr Der entstandene Kristall wird dann längs der 1 Ohm · cm entspricht und η-Leitfähigkeit besteht. Linien K zerschnitten, so daß Stangen mit Schich-Eine seiner Oberflächen mit einer Fläche von etwa 20 ten P aus p-Material entstehen, die durch n-Schichten 3,2 mm² für die meisten Anwendungen ist mit einer von etwa 1,8 mm Dicke getrennt sind. Diese Stangen Schicht 2 aus Germanium, Silizium oder einem werden dann in Scheibchen geschnitten, wobei die anderen Halbleiter bedeckt, die ausreichende Bei- Schnitte zwischen jede zweite Inversionsschicht, wie mengungen eines Elementes der Gruppe III des bei L, geführt werden. Jedes Scheibchen enthält somit Periodischen Systems, beispielsweise Gallium, enthält, 25 eine p-n-Verbindung und hat eine Oberfläche aus so daß ein Halbleiter des p-Typs mit einem Wider- p-Material und eine andere aus η-Material. Die stand von ungefähr 1 Ohm · cm entsteht. Ein ein Scheibchen werden mit der p-Schicht nach unten auf Element der Gruppe V, beispielsweise Antimon, ent- eine Platte aufgesetzt, die mit einem Schleifmittel, haltendes Lot 3 bedeckt den größeren Teil der Ober- beispielsweise Siliziumkarbid, versehen ist, und gefläche der Schicht 2, wobei lediglich der Teil 4 frei 30 schliffen, bis die p-Schicht die gewünschte Dicke, beibleibt. Wenn das Antimonlot über den zu bedecken- spielsweise 0,076 mm für die meisten Zwecke, hat. den Teil der Schicht 2 geflossen ist, reagiert es mit Die Dicke läßt sich während des Schleifens oder deren Oberfläche und wandelt diese dort zu einem Polierens auf verschiedene Weise bestimmen. Bein-Halbleiter um, der zum Emittor des Transistors spielsweise kann die Dicke der p-Schicht jederzeit wird. Die Emittorleitung 5 sitzt auf dem Lot 3, 35 durch Aufsetzen zweier Spitzen mit kurzem Abstand während der Kollektoranschluß 6 am Kollektor 1 in auf der Oberfläche festgestellt werden, wobei die eine üblicher Weise angebracht oder befestigt ist. Spitze 2 Volt negativ gegen die η-Schicht und die Die p-Zwischenschicht 2 bildet die Basiselektrode andere Spitze 0,4 Volt negativ gegen die erste Spitze des Transistors, und der Basisanschluß 7 kann durch gemacht wird. Die Elektronen fließen dann von der ein Lot befestigt sein, das ein Element der Gruppe III 40 zweiten Spitze zur ersten und zum η-Material. Das enthält. Verhältnis dieser beiden Elektronenströme hängt Der Transistor nach Fig. 1 wird aus einem Kristall- von der Dicke der p-Schicht ab. Mit einer einfachen, stück herausgeschnitten, dessen Form in Fig. 2 dar- bekannten Kalibrierung kann die Dicke der p-Schicht gestellt ist. Bei der Herstellung eines solchen Kristalls in Beziehung zu diesen Spitzenstrommessungen gebeginnt man beispielsweise mit einem Einkristall 11 45 bracht und das Schleifen bei der richtigen Dicke einaus Germanium mit einer Seitenlänge von annähernd gestellt werden.

6,4 mm, der in einem geeigneten Halter 12 montiert Die p-Schicht kann auch eine negative Vorspan-

ist. Letzterer sitzt senkrecht über der Oberfläche eines nung gegenüber der η-Schicht durch Aufsetzen einer

Bades aus geschmolzenem Germanium oder Silizium einzelnen Spitze erhalten. Wird die p-Schicht mit

mit einer genügenden Beimischung eines Elementes 50 Licht bekannter Intensität bestrahlt, so entsteht ein

der Gruppe V, beispielsweise Antimon, so daß der Strom mit einer Polarität, die dem Fluß positiver

Kristall einen spezifischen Widerstand von ungefähr Ladungen von der p-Schicht zur η-Schicht entspricht,

1 Ohm · cm aufweist. Der Halter 12 wird mit etwa 60 Umdr./Min. um seine Mittelachse gedreht und in Axialrichtung mit etwa 30 Schwingungen pro 55 Sekunde vibriert. Der Einkristall 11 ist so angeordnet, daß er gerade unter die Oberfläche des geschmolzenen Metalls taucht. Dadurch schmilzt etwas von diesem Einkristall ab, der dann langsam, und

wobei der Strom von der Dicke der p-Schicht abhängig ist.

Ein anderes Verfahren besteht darin, daß man eine Widerstandsmessung nach der Vierspitzenmethode auf der p-Schicht durchführt. Das η-Material erhält gegenüber dem p-Bereich eine positive Vorspannung, so daß die Verbindungsfläche als Grenzfläche wirkt.

zwar mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,076 mm 60 Solche Messungen ergeben die Dicke der p-Schicht pro Sekunde gehoben wird, so daß er in der Länge am genauesten. wächst, wenn sich die Schmelze auf seiner Oberfläche

daß

verfestigt. Die Temperatur wird so eingeregelt,
der Kristall erst auf den gewünschten Durchmesser wächst, und dann geändert, um den Durchmesser 65 wenigstens annähernd beizubehalten.

Ist ein ausreichender Durchmesser erreicht, so wird ein Stück Germanium oder Silizium mit einem genügenden Anteil an Gallium zur Erzeugung eines

Ist die p-Schicht auf die gewünschte Dicke geschliffen, so wird sie mit einem Standardätzmittel gereinigt, bis ungefähr 0,0125 mm Germanium entfernt sind. Dann wird mit Ausnahme eines kleinen Bereiches der p-Halbleiter mit einem »Lot« bedeckt, das ein Element der Gruppe V enthält, jedoch frei von Kupfer, Zink und Elementen der Gruppe III ist, beispielsweise ein Wismut-Antimon-»Lot«. Dieses

p-leitenden Materials mit einem spezifischen Wider- 70 »Lot« wird dann durch Wärmebehandlung mit dem

p-Bereich legiert. Man steigert beispielsweise die Temperatur auf 500° C für 1 Minute, senkt sie dann für 20 Minuten auf 480° C und kühlt schließlich auf Raumtemperatur ab. Als »Lot« kann Antimon selbst Verwendung finden, oder bei Silizium als Halbleiter gibt Aluminium eine besonders gute Emittorfläche. Auf diese Weise wird eine sehr geringe Dicke der p-Schicht in einen hochleitfähigen n-Halbleiter übergeführt. Bei einem nach diesem Verfahren aufgebauten Transistor ist also die mit dem Lot bedeckte Schicht der Emittor, die p-Schicht die Basisschicht und die andere η-Schicht der Kollektor. Die Kollektorschicht kann geschliffen und/oder poliert und/oder geätzt werden, so daß die Oberfläche verbessert wird.

Der Anschlußkontakt der p-Schicht läßt sich an der vom Lot freien Fläche durch ein Zinn oder Blei und ein Element der Gruppe III des Periodischen Systems enthaltendes Lot oder ein Lot mit Kupfer oder Zink, jedoch nicht durch ein Lot mit einem ao Element der Gruppe V anbringen. Die Anschlüsse für den Emittor und den Kollektor lassen sich in bekannter Weise befestigen.

Dieser Transistor hat den Vorteil der leichten Herstellbarkeit verbunden mit dem einer gewachsenen Kollektorverbindung, was wegen der Verstärkereigenschaften und des geringen Rauschens große Vorteile gegenüber Legierungsverbindungen bedeutet. Die Emittorverbindung ist eine Legierungsverbindung, die keinerlei Nachteile gegenüber den gewachsenen Emittorverbindungen aufweist.

Statt des eben beschriebenen n-p-n-Transistors kann man auch einen p-n-p-Transistor nach einem analogen Verfahren herstellen, das mit dem gleichen Halbleiterkristall mit abwechselnden p- und n-Halbleiterschichten beginnt. Die η-Schicht wird in diesem Fall auf die gewünschte Basisdicke gebracht. Das Verfahren besteht gegenüber dem beschriebenen nun darin, immer Elemente der Gruppe III oder Zink mit p-Halbleitern und Elemente der Gruppe V mit η-Halbleitern zusammenzustellen und zu verbinden. Man vermeidet jedoch zweckmäßig Kupfer. Als »Lot« kann beispielsweise Indium zur Umwandlung einer n-Schleiffläche in einen Emittor verwendet werden.

Obwohl Germanium als besonderes Beispiel für einen Halbleiter erwähnt wurde, für das sich die Erfindung eignet, ist sie jedoch nicht auf dieses Element beschränkt, da unter anderem Halbleiter nicht nur aus der Gruppe IVb des Periodischen Systems (d.h. Silizium und Germanium) hergestellt werden können, sondern auch A H₁-By-Verbindungen, d. h. durch Kombination von Atomen aus der Gruppe III b des Periodischen Systems (d. h. Aluminium, Gallium, Indium, Thallium) mit der gleichen Anzahl von Atomen aus Elementen der Gruppe Vb des Periodischen Systems (d. h. Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut) hergestellt werden können. Beispielsweise ergeben Atome des Indiums aus der Gruppe III b in Verbindung mit Atomen des Antimons aus der Gruppe Vb in stöchiometrischer Zusammensetzung gute Halbleiterkristalle. Diese Verbindungshalbleiter können nach dem für Germanium beschriebenen Verfahren n- oder p-Leitfähigkeit erhalten.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Flächentransistoren, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Kristallziehverfahren ein Halbleiterstab mit Schichten, die abwechselnd p- und n-Leitungstyp aufweisen, längs der p-n-Grenzflächen so in einzelne Halbleiterkörper zerschnitten wird, daß beide Leitungstypen enthalten sind, daß dieser Halbleiterkörper sodann zur Erzielung einer bestimmten Schichtdicke an derjenigen Schicht, an welcher der Basisanschluß erfolgt, geschliffen wird und ein Teil dieser Schicht dann mit einem Metall bedeckt und legiert wird, das ein Aktivatorelement enthält, welches den Leitungstyp des legierten Teils ändert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Halbleiterschicht, an welcher der Basisanschluß erfolgt, vor der Legierung geätzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisanschluß so erfolgt, daß ein Teil der Oberfläche der Schicht mit einem Lot abgedeckt und legiert wird, das keine den Leitungstyp ändernden Bestandteile enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Proc. I.R.E. (1952), Bd. 40, S. 1512 bis 1515.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 709 509/324 5.