DE1172777B - Halbleiterbauelement mit mindestens einem pn-UEbergang und Verfahren zum Herstellen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIl

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

Nummer: 1 172 777

Aktenzeichen: J 20423 VIII c / 21g

Anmeldetag: 18. August 1961

Auslegetag: 25. Juni 1964

Die Erfindung bezieht sich.auf ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellen.

Angesichts der dauernd zunehmenden Betriebsfrequenzen zahlreicher Schaltungen und/oder Anlagen, in welchen Halbleiterbauelemente verwendet werden, ist es nötig, Halbleiterbauelemente so auszulegen und aufzubauen, daß sie imstande sind, bei immer höheren Frequenzen zu arbeiten.

Einer der Faktoren, welcher die höchste Frequenz bestimmt, bei welcher ein Halbleiterbauelement zufriedenstellend arbeitet, ist die Fläche des pn-Ubergangs oder der pn-Übergänge, wobei die Forderung dahin geht, die Fläche des Übergangs so klein wie möglich zu machen. Mit diesem Problem ist das weitere Problem verbunden, mit dem aktiven Teil oder den aktiven Teilen des Bauelementes einen geeigneten Kontakt herzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es, die Größe der pn-Übergangsfläche oder der pn-Übergangsflächen leicht und genau zu steuern, und zwar bis hinunter zu außerordentlich kleinen Abmessungen, und gleichzeitig das leichte Herstellen von zufriedenstellenden Kontakten mit dem Bauelement zu erlauben.

Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterbauelement mit mindestens einem pn-übergang gelöst. Erfindungsgemäß wird ein solches Halbleiterbauelement so ausgebildet, daß auf einer Unterlage aus isolierendem Material oder eigenleitendem Halbleitermaterial zwei im Verhältnis zur Unterlage dünne nebeneinanderliegende Halbleiterschichten entgegengesetzten Leitungstyps so angeordnet sind, daß sie einen pn-übergang sehr kleiner Fläche bilden und daß die Halbleiterschichten bis an den pn-übergang mit Metallüberzügen zur Kontaktierung versehen sind.

Es ist zwar bereits ein Halbleiterbauelement bekannt, bei dem auf zwei Blöcken aus Isoliermaterial mit einer dazwischenliegenden Elektrode dünne Halbleiterschichten angeordnet sind, die durch Einwirkung des Materials der Elektrode teilweise zum anderen Leitungstyp umgewandelt sind. Abgesehen davon, daß diese Anordnung, insbesondere bei Temperaturänderungen, mechanisch instabil ist, handelt es sich hierbei nicht um pn-Übergänge möglichst kleiner Fläche. Außerdem werden bei der bekannten Anordnung auf die Halbleiterschichten keine Metallüberzüge aufgebracht.

Es ist weiter bekannt, Halbleiterkörper mit pnübergang mit einer Schutzschicht aus eigenleitendem Halbleitermaterial zu überziehen. Hierbei handelt es sich aber nicht um, im Verhältnis zur eigenleitenden Schicht, dünne Halbleiterschichten.

Halbleiterbauelement mit mindestens einem
pn-übergang und Verfahren zum Herstellen

Anmelder:

International Standard Electric Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,

Stuttgart 1, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:

John Bernard Setchfield, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 30. August 1960 (29 818)

Schließlich ist es bekannt, ein Keramikplättchen mit eingebrannten Zuleitungen zu versehen und ein Halbleiterplättchen. auf der Keramikunterlage in Kontakt mit den Zuleitungen anzubringen.

Erst durch die Anordnung gemäß der Erfindung werden jedoch Halbleiterbauelemente erhalten, die sich für sehr hohe Frequenzen eignen, weil die Fläche des pn-Übergangs sehr klein gemacht werden kann, die Kontakte sich insbesondere für Hochfrequenz eignen und unerwünschte Verluste in der Halbleiterschicht dadurch ausgeschaltet werden, daß nur der Bereich in unmittelbarer Nähe des Übergangs dem Hochfrequenzfeld ausgesetzt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in welcher
Fig. 1 bis 7 aufeinanderfolgende Stufen der Herstellung einer für den Betrieb bei Mikrowellenfrequenzen geeigneten Halbleitervorrichtung und

F i g. 8 und 9 Varianten einer nachgebildeten oder simulierten Spitzendiode zeigen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in Draufsicht bzw. in Seitenansicht eine Scheibe 1 aus hochohmigem eigenleitendem Halbleitermaterial, ζ. B. Silizium, auf deren einer Oberfläche zwei dünne nebeneinanderliegende, mit Fremdstoffen dotierte Schichten 2 und 3 entgegengesetzten Leitungstyps angeordnet sind.

Die Schichten 2 und 3 können auf der Scheibe 1 entweder durch Diffusion im Festzustand oder durch Niederschlag gebildet werden, wie z. B. durch epi-

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taktisches Aufwachsen, wobei das gegenseitige Anliegen der beiden Schichten 2 und 3 einen pn-übergang 4 von Rechteckform bildet, welcher zwischen den beiden Schichten in der zur Oberfläche der Scheibe 1 senkrecht stehenden Zwischenschicht vorhanden ist. Dieser Überzug ruht auf einer nichtleitenden Unterlage, welche aus dem eigenleitenden Halbleitermaterial besteht.

Einzelne Einheiten etwa von der in der Fig. 3 gezeigten Art werden dadurch erhalten, daß man die diffundierte Scheibe in Streifen schneidet. Der Übergang Aa erstreckt sich über die ganze Breite des Streifens.

Um die Länge des Übergangs zu vermindern, werden Teile der Schichten im Bereich des Übergangs entfernt, beispielsweise durch Ätzung oder durch einen Ultraschallschneidvorgang. In der F i g. 4 sind die Schichten derart abgetragen, daß halbkreisförmige Aussparungen 1 α des Eigenhalbleiters auf jeder Seite des Übergangs 4 b entstehen, während in der F i g. 5 dreieckförmige Aussparungen Ib des Halbleiters frei liegen.

Nachdem man den durch Diffusion oder durch einen sonstigen Niederschlag aufgebrachten Schichten einer Diode die in den F i g. 3, 4 oder 5 gezeigte Form gegeben hat, werden diese Schichten mit einem Metall, z. B. Aluminium, bis zu einer nahe der Übergangsfläche liegenden Stelle überzogen, wie dies die F i g. 6 zeigt, in welcher ein Metallüberzug 5 auf den Schichten 2 und 3 bis zu einer Stelle aufgebracht ist, welche nahe der Übergangsfläche 4 b liegt.

Wie aus dem in der F i g. 7 gezeigten Schnitt hervorgeht, ist eine Silberschicht 6 an jedem Ende des Metallüberzuges 5 angebracht, und das so aufgebaute Halbleiterbauelement wird in einem zweiteiligen Metallröhrchen montiert, welches beispielsweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung besteht und in der Mitte der Längsausdehnung eine Glasverbindung 8 aufweist. Die beiden Enden des Röhrchens 7 werden mit Lot 9 verschlossen und gleichzeitig ein Anschluß mit dem Halbleiterbauelement hergestellt, indem das Lot mit den Silberschichten 6 in Berührung steht.

Die dargelegte Konstruktion ergibt eine Kapsel oder Patrone, welche für den Einsatz in einem Hohlleiter geeignet ist.

Eine geeignete Anwendung für die vorstehend beschriebene Halbleiterdiode liegt in parametrischen Verstärkern vor, und insbesondere in solchen, in welchen der variable Parameter eine spannungsvariable Halbleiterkapazität ist.

Bei einer Diode mit spannungsabhängiger Kapazität ist die anerkannte Gütezahl für diese Anwendung die Grenzfrequenz f_c, welche gegeben ist durch

3. dem Kontaktwiderstand,

4. dem Verlustfaktor, der sich aus der endlichen Leitfähigkeit des umgekehrt vorgespannten Übergangs ergibt

5. dem Verlustfaktor, der sich aus der direkt in das Hauptmaterial eingekoppelten Hochfrequenzenergie ergibt, welche den Übergang nicht durchschreitet,

6. dem Skin-Effekt, welcher bei den höheren Frequenzen, z. ß. Mikrowellenfrequenzen, vorhanden ist.

Außerdem ist auch bei Mikrowellenfrequenzen ein großer Wert von C_min störend, da er zu einem großen kapazitiven Nebenschluß führt und im besten Falle noch schwierige Anpassungsprobleme mit sich bringt. Bei einer Flächendiode von der in der F i g. 7 gezeigten Art läßt sich eine rechteckige Übergangsfläche von beispielsweise 0,05 mm Breite und

ao 0,005 mm Tiefe, d. h. mit einer Fläche von 25 · 10 ~^ä mm² ohne Schwierigkeit erreichen. Dies entspricht einer Verminderung um ungefähr das Zehnfache gegenüber den kleinsten heute erzielbaren Übergangsflächen einer bekannten Form von Dioden mit spannungsabhängiger Kapazität, welche Druckkontakte zwischen einem in der Tiefe des Materials parallel zur Oberfläche geformten Übergang aufweist, und außerdem wird der Wert von C_mi„ entsprechend vermindert.

Weitere Vorteile der oben beschriebenen Diode sind

1. Steuerung der Herstellungsparameter in engen Grenzen;

2. es können mit einer Scheibe gleichzeitig mehrere Bauelemente hergestellt werden;

3. es lassen sich gute und dauerhafte niederohmige Kontakte mit der Diode leicht herstellen, und es sind keine Druckkontakte nötig;

4. Verminderung der Induktanz der Anschlüsse, da keine großen Elektroden verwendet werden;

5. Verminderung unerwünschter Verluste im Hauptkörper des Halbleitermaterials, da nur der Bereich in unmittelbarer Nähe des Übergangs dem HF-Feld ausgesetzt ist, während die übrigen Teile mit Metall bedeckt sind;

6. Verminderung des durch den Skin-Effekt hervorgerufenen Widerstandes wegen der unter 5

angegebenen Gründe.
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2?ri?_s

wo R_$ der Serienwiderstand und C„„„ die Minimalkapazität der Diode ist.

Offensichtlich ist es erwünscht, die Werte von i?_s und C_min möglichst tief zu halten.

R_s ist umgekehrt proportional zur Übergangsfläche und C_mi„ direkt proportional zur Übergangsfläche, Der Wert R_s ist nicht ein einfacher, sondern zusammengesetzter Wert und abhängig von

1. dem Widerstand des Übergangs,

2. dem Ausbreitungswiderstand im Hauptmaterial der Diode,

Nachstehend werden nun weitere Möglichkeiten dargelegt. Es lassen sich Tunneldioden mit kleinen Flächen herstellen, indem man eine genügend hohe Fremdstoffkonzentration in den nebeneinander auf der Unterlage aus hochohmigem Eigenhalbleitermaterial befindlichen Oberflächenschichten erzeugt. In der Fig. 8 ergibt eine Zunge 10a mit n-Leitfähigkeit, welche einen Teil einer mit Fremdstoff dotierten Schicht 10 bildet, einen Übergang 11, welcher so klein ist wie ein Spitzenkontakt zwischen den Schichten 10 und 12, welche entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisen und auf einer Unterlage aus hochohmigem Eigenhalbleitermaterial liegen. Zum Herstellen der Zunge 10a wird eine Oxydmaske verwendet, bei welcher eine noch nicht mit den Schichten versehene Unterlage in einem Ofen in einer geeigneten Atmosphäre erwärmt wird, so daß an der Oberfläche eine Oxydschicht entsteht, welche nach-

her mit Ausnahme der Teile 13 entfernt wird, so daß eine Oxydmaske entsteht, welche die Zunge 10 a bestimmt. Nachdem die mit Fremdstoff dotierten Schichten auf der Unterlage aufgebracht worden sind, wird die Oxydmaske entfernt.

Als Variante zu den vorstehend beschriebenen Anordnungen ist es möglich, für eine Schicht ein Diffusionsverfahren und für die andere Schicht 'ein Legierungsverfahren zu verwenden. Diese Möglichkeit ist in der Fig. 9 veranschaulicht, in welcher >■> eine Schicht 14 mit η-Leitfähigkeit durch Diffusion auf der Oberfläche des hochohmigen Eigenhalbleitermaterials 15 (z. B. Silizium) erzeugt wird, während eine Schicht 16 mit p-Leitfähigkeit beispielsweise durch aufgedampftes und legiertes Aluminium und Bor erzeugt wird, und zwar mit einer solchen Form, daß ein Übergang 17 entsteht, welcher einen Spitzenkontakt nachbildet.

An Stelle der Verwendung einer Unterlage aus hochohmigem Eigenhalbleitermaterial, in dessen Oberfläche die nebeneinanderliegenden Schichten von Fremdstoffen entgegengesetzter Leitfähigkeit eindiffundiert werden, kann irgendein anderes geeignetes und praktisch nichtleitendes Material als Unterlage für die Schichten verwendet werden, welche dann durch irgendeinen geeigneten Vorgang aufgebracht werden.

So kann z. B. die Unterlage aus einem keramischen Stoff bestehen, wobei die nebeneinanderliegenden Schichten bei einer als Diode ausgebildeten Vorrichtung auf die Oberfläche der Unterlage gleichzeitig aus zwei getrennten Quellen mit dotiertem Silizium niedergeschlagen werden können, so daß die eine Quelle Halbleiterstoff mit p-Leitfähigkeit und die andere Quelle Halbleiterstoff mit η-Leitfähigkeit liefert.

Eine weitere Möglichkeit ist die Herstellung von Transistoren. Indem man drei nebeneinanderliegende Schichten auf der Oberfläche einer Unterlage aus hochohmigem Eigenhalbleiterstoff anbringt, und zwar beispielsweise eine Schicht mit p-Leitfähigkeit zwischen zwei Schichten mit η-Leitfähigkeit, wird ein npn-Transistor erhalten.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit mindestens einem pn-übergang, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Unterlage aus isolierendem Material oder eigenleitendem Halbleitermaterial zwei im Verhältnis zur Unterlage dünne nebeneinanderliegende Halbleiterschichten entgegengesetzten Leitungstyps so angeordnet sind, daß sie einen pn-übergang sehr kleiner Fläche bilden, und daß die Halbleiterschichten bis an den pn-übergang mit Metallüberzügen zur Kontaktierung versehen sind.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage aus keramischem Material besteht.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle des Übergangs die Länge des pn-Ubergangs kleiner als die Länge der Unterlage ist.

4. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer nichtleitenden Unterlage zwei nebeneinanderliegende Halbleiterschichten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps derart erzeugt werden, daß sie längs ihrer Ränder zwecks Erzeugung eines pn-Übergangs zwischen diesen Rändern in Berührung stehen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch Niederschlagen erzeugt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch eindiffundieren erzeugt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 814 487, 969 465;
USA.-Patentschrif t Nr. 2 789 258.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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