DE1039646B

DE1039646B - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit mehreren UEbergaengen zwischen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps

Info

Publication number: DE1039646B
Application number: DES35943A
Authority: DE
Inventors: Dr Franz Kerkhoff
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1953-10-19
Filing date: 1953-10-19
Publication date: 1958-09-25

Description

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit mehreren Übergängen zwischen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps Es ist bekannt, Halbleiter, insbesondere Halbleitereinkristalle beispielsweise aus Silizium, Germanium oder Verbindungen von Elementen der III. und V. oder IV. und VI. Gruppe des Periodischen Systems nach dem Kristallziehverfahren aus der Schmelze herzustellen. Urn hierbei Zonen verschiedenen Leitfähigkeitstyps innerhalb eines solchen Halbleiterkristalls, beispielsweise Einkristalls, zu erzielen, ist es weiterhin bekannt; der Schmelze während des Ziehvorganges Donatoren bzw. Akzeptoren zuzusetzen und hierdurch p-n- bzw. n-p-Übergänge im Halbleiter herzustellen. Es ist jedoch sehr schwierig, nach diesem Verfahren mehrere solche Übergänge hintereinander herzustellen, d. h. diese Dotierung bzw. Umdotierung der Schmelze zu wiederholen.
Die Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, eine Halbleiteranordnung mit beliebig vielen übergangen zwischen Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps auf einfache Weise herzustellen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit mehreren Übergängen zwischen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps nach Art von p-n-p- öder n-p-n-Übergängen. Erfindungsgemäß wird zunächst ein Halbleiterkörper mit zwei flächenhaft aneinandergrenzenden Zonen unterschiedlichen Leitungstyps hergestellt und dann wird wenigstens eine Zone dieses Halbleiterkörpers durch einen oder mehrere Schnitte, die mittels eines mit Ätzflüssigkeit benetzten und/oder mit einem Schleifmittel bedeckten faden- oder drahtförmigen Werkzeuges erzeugt sind und die durch die Zone des einen Leitungstyps ganz hindurchgeführt sind, in mehrere Teilzonen aufgetrennt, welche nur über die "Zone des anderen Leitungstyps zusammenhängen.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsformen von Halbleiteranordnungen, welche sich auf Grund des Verfahrens nach der Erfindung ergeben, beispielsweise dargestellt.
In Fig. 1 ist eine an sich bekannte Anordnung dargestellt; welche aus einem Germanium-Einkristall besteht, der zwei p-Zonen und eine n--Zone aufweist. Diese Halbleiteranordnung ist in bekannter Weise nach dem Kristallziehverfahren hergestellt. Hierbei sind jedoch im allgemeinen die beiden p-Zonen nicht in demselben Maße dotiert, d. h., die Konzentration der Akzeptoren ist in den beiden Gebieten im allgemeinen verschieden.
In Fig. 2 ist eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung beispielsweise dargestellt. Die Anordnung besteht aus einem Halbleiterkörper mit einer p-leitenden Zone und einer n-leitenden Zone. Diese Anordnung ist zunächst nach einem an sich bekannten Verfahren einheitlich mit einem einzigen p-n-Übergang hergestellt, zweckmäßig nach dem Kristallziehv erfahren; unter Umständen kann dies aber auch nach einem Diffusionsverfahren geschehen,- indem auf eine n-Schicht oberflächlich eine p-Schicht oder ein Akzeptor aufgebracht wird, um teilweise in die vorher vorhandene n-Schicht hineinzudiffundieren. Die p-n-Schicht kann aber auch nach irgendeinem anderen bekannten oder vorgeschlagenen oder anderweitigen Verfahren hergestellt sein, bei dem beispielsweise die eine Schicht auf der anderen durch Gasetltladung, Glimmentladung; durch Elektronenbombardement oder Ioneneinlage oder auf andere Art erzeugt ist. Es können auch beispielsweise mindestens die eine Schicht oder auch alle beide Schichten aus der Gasphase auf einem gemeinschaftlichen Träger, vorzugsweise gleichzeitig die Basiselektrode bildenden, metallischen Träger, niedergeschlagen sein.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird mittels eines mit Ätzflüssigkeit benetzten und/oder mit einem Schleifmittel bedeckten faden- oder drahtförmigen Werkzeug in der p-Schicht ein Schnitt 1 erzeugt. Durch den Schnitt 1 ist die p-Zone in zwei getrennte Zonen aufgeteilt, die jede auf der n-Zone ruhen und nur durch diese miteinander elektrisch in Verbindung stehen. 2 bedeutet die Basiselektrode, auf" der die n-Schicht angeordnet ist, während 3 und 4 die Emitter- und Kollektorelektrode bedeuten, welche auf den beiden p-Schichten angeordnet sind.
Die durch das Verfahren gemäß der Erfindung gewonnene Anordnung gemäß dem Beispiel der Fig. 2 hat erstens den Vorteil, daß die beiden Teile der p-Zone bzw. daß die so entstandenen beiden p-Zonen genau gleiche Dotierung aufweisen. Das Verfahren hat noch den weiteren Vorteil, daß sich die Spaltbreite 1, die den Emitter-Kollektor-Abstand, also die Basisdicke bestimmt, sehr genau von vornherein festlegen läßt und in der Serie genau reproduzieren läßt. Durch die Verwendung eines mit Ätzflüssigkeit benetzten und/oder mit einem Schleifmittel bedeckten faden- oder drahtförmigen Werkzeuges können Schnitte von 1/1o mm Breite oder weniger mit größter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens wird der Schnitt nicht völlständig durch die p-Zone hindurch bis zur n-Schicht durchgeführt, sondern nur teilweise, so daß der Schnitt ein gewisses, vorher bestimmtes genaues Profil erhält. Die sich hierbei ergebende Anordnung ist in Fig.3 (vergrößert) beispielsweise dargestellt. Fig. 3 zeigt einen wieder nach dem Kristallziehverfahren hergestellten Silizium- oder Germaniumkristall mit einer n-Schicht und zunächst einer zusammenhängenden p-Schicht, welche schraffiert dargestellt ist. Die beiden mit p1 und p2 bezeichneten, positiv leitenden Zonen sind durch Einsägen oder Einschneiden der Schnittfuge 5 entstanden. B bedeutet die Basiselektrode, während E und C die Emitter- und die Kollektorelektrode bedeuten, die auf die Zonen p, und p, aufgesetzt sind. Dadurch, daß der Schnittdraht nicht bis in die Zone n hineingeführt, sondern nur eben bis an diese herangeführt und der Schnitt nicht sehr tief in die n-Zone eingedrungen ist, entsteht ein aus der Zeichnung ersichtliches Profil des Spaltes 5, d. h. es entsteht eine n-Zone 5', welche die beiden pi und p2-Zonen miteinander verbindet, deren Größe erheblich kleiner als die Gesamtschnittbreite des Schnittes 5 ist. Die Übergangszone 5' der n-Schicht beträgt nur vielleicht 20 oder 10% der Schnittbreite des ganzen Spaltes 5. Es ist auf diese Weise möglich, mit größter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit n-Zonen herzustellen, welche nur einige Hundertstel mm dick sind. Gegebenenfalls kann der mechanische Schnitt zunächst überhaupt nur bis eben an die Zone st herangeführt werden, so daß noch eine geringe, dünne Verbindung der beiden p-Zonen miteinander bestehenbleibt, während der Rest etwa durch eine chemische Ätzung oder ein Elektronenbombardement aufgetrennt wird. Gegebenenfalls kann auch ein Gravierungsstrich durch die verbliebene dünne p-Schicht gezogen werden, welche die beiden p-Zonen endgültig auftrennt. Man gelangt hier zu n-Zonen-Dicken von der Größe etwa der Striche eines Rowlandschen Strichgitters, d. h. von Bruchteilen von Tausendsteln mm.
Unter Umständen kann von vornherein mindestens die eine, etwa die p-Schicht, nur in ganz dünner, Bruchteile von 1 mm oder von 1/10a0 mm betragender Schichtdicke auf der anderen Leitfähigkeitszone, beispielsweise der n-Zone, niedergeschlagen sein. Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in Fig. 4 in Draufsicht dargestellt. Auf die n-Schicht ist eine kreisförmige Diffusionsschicht p aufgetragen, Welche gegebenenfalls nur einige wenige Molekülschichten beträgt. Durch eine dünne Gravierungslinie 6 ist diese Diffusionsschicht in zwei getrennte Schichten aufgespalten, welche wiederum nur durch die n-Zone miteinander in Zusammenhang stehen.
Fig.5 zeigt umgekehrt eine Anordnung, bei der verhältnismäßig dicke Schichten p und za angewandt werden und bei der die p-Schicht durch einen sehr tiefen Schnitt, der ganz bis in die n-Schicht hineinragt, aufgespalten ist. Hierdurch erhält man zwei ganz scharfe Übergänge von der pi Zone zu n und andererseits von der n-Zone zur Zone p2. Es ist noch zu erwähnen, daß die p- und die n-Zonen auch miteinander vertauscht sein können oder daß die Ausführungsbeispiele in der Weise abgewandelt sein können, daß etwa ein p-Übergang zu einer Intrinsiczone und von dieser zu einer anderen p-Zone hergestellt wird oder daß ein Übergang n-Intrinsic-n hergestellt wird.
Schließlich kann auch eine Intrinsiczone in zwei gleiche Teile aufgetrennt werden, welche sich auf einer n- oder einer p-Schicht befinden.
In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem beide Zonen, die ursprünglich einheitlich hergestellt waren, durch Schnitte auseinandergetrennt sind. Man erhält auf diese Weise einen n-p-n-p-Übergang. Bei dieser Anordnung sind eine Basiselektrode B, eine Emitter elektrode E und eine Kollektorelektrode C gezeichnet. Schließlich ist noch eine zusätzliche Steuerelektrode S in die Zeichnung eingetragen. Durch dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere eine bereits vorgeschlagene Anordnung zu verwirklichen, bei der ein Halbleiter mit p-n-p-n-Übergang in der Weise gesteuert wird, daß eine thyratronähnliche, instabile Sperrwirkung der Halbleiteranordnung entsteht.
Es ist auf diese Weise möglich, beliebig viele Unterteilungen der einen und/oder der anderen Zone vorzunehmen und dabei entweder genau symmetrische Verhältnisse in den einzelnen Übergängen zu erzielen oder gerade bestimmte erwünschte Übergänge--und Kombinationen von sehr scharfen und sehr diffusen Übergängen von einer Leitfähigkeitszone zu einer anderen, gegebenenfalls zu einer Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, zu erzielen.
Die Anordnung gemäß Fig.3 läßt sich beispielsweise auch in der Weise abwandeln, daß innerhalb des Schnittes 5 noch eine weitere Steuerelektrode angeordnet ist, so daß eine Art Vierpol entsteht, welcher in der Weise geschaltet werden kann, daß eine den normalen Elektronenröhren ähnliche Halbleiteranordnung entsteht, wie sie zum Teil bereits vorgeschlagen worden ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit mehreren Übergängen zwischen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps nach Art von p-n-p- oder n-p-n-Übergängen, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Halbleiterkörper mit zwei flächenhaft aneinandergrenzenden Zonen unterschiedlichen Leitungstyps hergestellt wird und daß dann wenigstens eine Zone dieses Halbleiterkörpers durch einen oder mehrere Schnitte, die mittels eines mit Ätzflüssigkeit benetzten und/ oder mit einem Schleifmittel bedeckten faden-oder drahtförmigen Werkzeuges erzeugt sind und die durch die Zone des einen Leitungstyps ganz hindurchgeführt sind, in mehrere Teilzonen aufgetrennt wird, welche nur über die Zone des anderen Leitungstyps zusammenhängen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Übergang zwischen zwei Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps nach dem Kristallziehverfahren hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Zone des Halbleiters zunächst nach einem Verfahren, beispielsweise durch Ziehen aus der Schmelze, hergestellt wird und die zweite Zone unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps nach einem anderen Verfahren, beispielsweise durch Diffusion von der Oberfläche her, hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die eine Leitfähigkeitszone auftrennende Schnitt in die Zone des anderen Leitungstyps weit hineinragt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die eine Leitfähiglceitszone auftrennende Schnitt durch diese nur so weit hindurchgeführt wird, daß die beiden durch den Schnitt getrennten Zonen des einen Leitungstyps nur durch einen sehr schmalen Bereich der Zone des anderen Leitungstyps verbunden sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schnittprofil eine bestimmte, vorzugsweise zum Übergangsbereich hin konvexe Krümmung gegeben wird und dadurch ein bestimmter Übergangsgradient von der Zone des einen Leitungstyps zur Zone des anderen Leitungstyps hervorgerufen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnitt symmetrisch zur gesamten Halbleiteranordnung angeordnet wird. B. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Zone sehr dünn ausgebildet wird, gegebenenfalls nur einige Molekülschichten dick ist. 9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eine nicht geteilte Zone auf einer Basiselektrode angeordnete wird und daß an den beiden aufgeteilten Teilzonen des anderen Leitungstyps eine Emitter- und eine Kollektorelektrode angeordnet wird. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schnitt eine vierte Elektrode als Steuerelektrode angeordnet wird, mit der eine Potentialwallsteuerung erfolgt. 11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden L eitfähigkeitsbereichen Schnitte derart angeordnet werden, daß je ein p-n-p-n-Übergang oder mehrere Übergänge entstehen. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden äußeren Leitfähigkeitszonen Emitter- und Kollektorelektroden angelegt werden, während einer der beiden mittleren Zonen eine Steuerelektrode zugeführt wird. 13. Schaltungsanordnung zum Betrieb der Halbleiteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode oder weitere Steuerelektroden dazu dienen, mittels einer Spannung oder eines Spannungsimpulses den durch den betreffenden Leitfähigkeitsbereich infolge der in ihm erzeugten Raumladung hervorgerufenen Potentialwallberg entweder abzubauen oder wieder aufzubauen und dadurch eine Aufhebung der Sperrwirkung der Halbleiteranordnung zu bewirken oder aber diese Sperrwirkung wiederherzustellen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 823 468, 823 470; deutsche Patentanmeldung L 10055 VIII c/21 g (bekanntgemacht am 18. Dezember 1952) ; USA.-Patentschrift Nr. 2 560 594; französische Patentschrift Nr. 1034 265.