DE968581C

DE968581C - Verfahren zur Herstellung von fuer Gleichrichter, Richtleiter, Transistoren od. dgl. bestimmten Kristallen

Info

Publication number: DE968581C
Application number: DES27341A
Authority: DE
Inventors: Dr Heinz Henker
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1952-02-24
Filing date: 1952-02-24
Publication date: 1958-03-06

Description

Verfahren zur Herstellung von für Gleichrichter, Richtleiter, Transistoren od. dgl. bestimmten Kristallen Zum Aufbau von Gleichrichterelementen oder Richtleitern, Detektoren bzw. Transistoren oder Halbleiteranordnungen mit mehr als drei Elektroden benutzt man unter anderem Halbleiter, wie z. B. Germanium oder Silizium od. ä. Es zeigt sich dabei, daß der benutzte Halbleiter, der maßgebend für die Wirkung des Erzeugnisses ist, bestimmten Bedingungen genügen muß. So ist es beispielsweise, insbesondere bei Detektoren und Transistoren, erforderlich, daß der Halbleiterstoff in Form eines Kristalls vorliegt und daß seine Reinheit ein bestimmtes Maß aufweist, wobei jedoch gleichzeitig die Einschränkung zu machen ist, daß die - allerdings in sehr geringen Spuren - in diesem Stoff noch befindlichen Verunreinigungen hinwiederum bestimmter Natur sein müssen, damit die beabsichtigte Wirkung überhaupt eintritt.
Man hat sich nun zunächst darum bemüht, die für den Aufbau benutzten Halbleiterstoffe möglichst rein herzustellen, wenn man mit den natürlich vorkommenden Stoffen und den darin befindlichen natürlichen Verunreinigungen das gesteckte Ziel nicht erreicht. Man ist dabei die verschiedensten Wege gegangen. Der geeignetste war bisher die Herstellung eines äußerst reinen Halbleitermaterials, dem entweder vor oder beim Schmelzen die notwendigen geringfügigen Zusätze beigemischt werden. Es zeigte sich nun, daß beim Schmelzen in einem Tiegel meist außerdem noch unerwünschte Verunreinigungen hinzukamen, die entweder vom Tiegelmaterial selbst oder von den im Tiegelmaterial vorhandenen Verunreinigungen stammen. Hierdurch werden die elektrischen Eigenschaften der aus der Schmelze gewonnenen Halbleiterkristalle wesentlich verschlechtert. Außerdem können die Tiegefwände beim Erstarren der Schmelze im Halbleiter unerwünschte mechanische Spannungen hervorrufen, die ebenfalls zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die für den Aufbau der gekennzeichneten Einrichtungen notwendigen Halbleiter in einer bislang nur sehr selten erreichten Güte und diese hinwiederum reproduzierbar zu erzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß gepulvertes Halbleitermaterial in nicht oxydierender Umgebung stetig oder intermittierend auf eine vorzugsweise aus einem reinen Block des entsprechenden Halbleiterstoffes bestehende, an der Oberfläche unter Anwendung einer verbrennungslosenErhitzungsart so weit erhitzte Unterlage aufgebracht wird, daß es dort in dünner Schicht schmilzt, und daß beim Aufbringen weiterer Pulvermengen die erste geschmolzene Schicht stetig oder schrittweise aus der Zone der Schmelztemperatur entfernt wird, wobei gegebenenfalls eine zusätzliche definierte Kühlung benutzt werden kann, so daß die erste Schicht zu erstarren beginnt. Dieses Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis ein Kristall gewünschter Größe erreicht ist. Das Ergebnis nach diesem Verfahren ist ein Einkristall bisher nur sehr selten erzeugter Größe für den angegebenen Zweck, der die geeignetste Ausgangsform für die Herstellung der Halbleiterelemente darstellt. Das Wachsen dieses Einkristalles muß deswegen in nicht oxydierender Umgebung vorgenommen werden, weil die Schmelztemperaturen der im wesentlichen benutzten Halbleiter und deren Affinität zum Sauerstoff so groß ist, daß eine durchaus störende Oxydation des Halbleiterstoffes eintreten würde, wenn nicht die angegebene Vorsichtsmaßregel Anwendung fände.
Das Verfahren, gepulvertes Material auf einem Träger aus dem gleichen Material durch Anwendung von Wärme tiegellos zusammenzuschmelzen, ist an sich nicht neu, sondern. bereits in der Technik der Herstellung von künstlichen Edelsteinen angewandt worden. Die diesem Verfahren zugrunde liegende Aufgabe bestand jedoch darin, die Verwendung von besonders hohen Schmelztemperaturen zu ermöglichen. Demgegenüber besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, besonders große Reinheiten beim Halbleiterkristall zu erzielen, wie sie für die Verwendung des Kristalls in Transistoren und anderen Halbleiteranordnungen erforderlich sind. Außerdem wurde bei der Herstellung von künstlichen Edelsteinen im allgemeinen mit einem Knallgasgebläse gearbeitet, bei dem das Hineingelangen von Verbrennungsrückständen oder sonstigen durch die Verbrennung erzeugten Verunreinigungen in die Schmelzmasse nicht hinreichend vermieden werden kann.
Demgegenüber hat die Anwendung der verbrennungslosen Erhitzungsart den Vorteil, daß keine bei Verbrennungen stets auftretenden Verunreinigungen in das zu gewinnende Halbleitermaterial gelangen können.
Das gekennzeichnete Verfahren, das nachstehend im einzelnen noch näher erläutert wird, gestattet vor allem eine genau dosierte Beigabe der erforderlichen Verunreinigungen, weil dem Halbleiterpulver diese in genau bestimmter Menge beigefügt werden können. Man kann auch den Herstellungsvorgang in einer Atmosphäre durchführen, die den in den Kristall einzubauenden Stoff in einer ganz bestimmten Konzentration enthält. Des weiteren ergibt sich aus dem gekennzeichneten Verfahren aber auch die Möglichkeit, nicht nur einen Einkristall bestimmten Leitfähigkeitstypus herzustellen, sondern auch Kristalle zu züchten, bei denen an gewünschter Stelle eine beliebig dünne Schicht mit einer anderen Verunreinigung eingewachsen sein kann, so daß dadurch die Herstellung eines Flächentransistors, beispielsweise der Art n-p-n oder p-n-p, möglich ist. Auch kann man daran denken, in gleicher Weise abwechselnd mehrere Schichten verschiedenen Typus übereinanderzulegen, wobei entweder die Art und; oder die Menge der Verunreinigungen schrittweise geändert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren lagert also dünne Schichten des geschmolzenen Halbleiterstoffes übereinander und regelt dabei den Vorgang so, daß beim Aufbringen der folgenden Schicht die vorhergehende zu erstarren beginnt. Hierdurch wird erreicht, daß die jeweils erstarrende Schicht in der Struktur der vorhergehenden erstarrt, so daß also von einem Kristallwachstum gesprochen werden kann.
Beispielsweise ist folgende Einrichtung verwenbar: In einer nicht oxydierenden Atmosphäre, beispielsweise in Argon oder Helium, rieselt Halbleiterpulver in bestimmter Menge nach unten. Während der Fallbewegung werden die Teilchen mindestens zum Teil geschmolzen und bilden auf der Unterlage, auf welcher der Kristall aufwachsen soll, eine dünne geschmolzene Schicht. Weitere herabrieselnde Teilchen lagern sich entsprechend auf der ersten Schicht ab, während diese durch entsprechend geringfügiges Senken der Unterlage aus der Zone der Schmelztemperatur herausgezogen wird, so daß, gegebenenfalls bei zusätzlicher geregelter Kühlung,- der Erstarrungsvorgang schichtweise entsteht. Man kann durch Automatisierung dieses Vorganges, wozu die Menge des herabrieselnden Halbleiterpulvers in einem bestimmten Verhältnis zur Wanderungsgeschwindigkeit der sich entfernenden Unterlage stehen muß, erreichen, daß Kristallgebilde von der Größe mehrerer cm entstehen.
Die Aufschmelzung der pulverförmigen Teilchen kann nun mittels der verschiedenartigsten Wärmegeneratoren durchgeführt werden. Es ist z. B. möglich, die Kristalle bei vermindertem Druck der Umgebung mittels einer Gasentladung herzustellen, indem man die Kristallunterlage bzw. die bereits aufgewachsenen Kristallteile als eine Elektrode schaltet, der eine flächenhaft verhältnismäßig weit größere Elektrode gegenübersteht. Durch die Gasentladung und die Konzentration auf die kleine Halbleiterelektrode kann die für die Auf schmelzung erforderliche Temperatur erzeugt werden.
Es ist aber auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren im Hochvakuum durchzuführen. In diesem Falle kann die Schmelztemperatur durch Kathoden- oder auch Ionenstrahlen erzeugt werden, wobei man sich im Falle der Benutzung von Ionenstrahlen der Möglichkeit bedienen kann, die erforderlichen Verunreinigungen für den Halbleiterstoff durch die Ionenstrahlen zuzuführen.
Aber auch mit sichtbarem oder unsichtbarem Licht ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, indem man Licht- oder Wärmestrahlen, insbesondere reine Infrarotstrahlen, mit Hilfe von Sammellinsen oder Hohlspiegeln auf die Unterlage konzentriert.
Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß auch eine Erwärmung mittels kurzer elektromagnetischer Wellen durchgeführt werden kann, wobei man sich sowohl eines Spulen- als auch eines Kondensatorfeldes bedienen kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Herstellung von für elektrische Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter oder Transistoren, bestimmten Halbleiterkristallen, beispielsweise aus Germanium oder Silizium, dadurch gekennzeichnet, daß gepulvertes Halbleitermaterial in nicht oxydierender Umgebung stetig oder intermittierend auf eine vorzugsweise aus einem reinen Block des entsprechenden Halbleiterstoffes bestehende, an der Oberfläche unter Anwendung einer verbrennungslosen Erhitzungsart so weit erhitzte Unterlage aufgebracht wird, daß es dort in dünner Schicht schmilzt, und daß beim Aufbringen weiterer Pulvermengen durch stetiges oder schrittweises Entfernen der ersten Schicht aus der Zone der-Schmelztemperatur und gegebenenfalls zusätzlicher definierter Kühlung diese zu erstarren beginnt usf., bis ein Kristall gewünschter Größe erreicht ist.
2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß reinstes Halbleiterpulver oder solches mit bestimmten, genau dosierten Verunreinigungen zur Erzielung gewünschter Leitfähigkeitstypen für die Kristallbildung benutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in bestimmtem Zeitabstand während des Wachsens des Kristalls durch Wahl verschiedener Halbleiterpulver bzw. verschiedenartiger Verunreinigungen und/oder verschieden großer Beimengen dieser Verunreinigungen Schichten verschiedenen Typus erzielt werden. q..
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd Schichten von n- und p-Typus gebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß die Aufschmelzung des Halbleiterpulvers auf die Unterlage in einer nicht oxydierenden Umgebung, z. B. Argon, Helium oder Wasserstoff, vorgenommen wird.
6. Verfahren nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Unterlage und die Aufschmelzung des Halbleiterpulvers mittels einer Gasentladung bei geringem Gasdruck hervorgerufen werden, wobei der Halbleiterelektrode eine relativ großflächige, vorzugsweise zusätzlich gekühlte Elektrode gegenübersteht.
7. Verfahren nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Unterlage und die Aufschmelzung des Halbleiterpulvers mittels Kathoden- oder Ionenstrahlen im Hochvakuum hervorgerufen werden, wobei die zur Erzielung des gewünschten Schichttypus erforderlichen Verunreinigungen des Halbleiterpulvers gegebenenfalls durch die Ionenstrahlen zugeführt werden. B.
Verfahren nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Unterlage und die Aufschmelzung des Halbleiterpulvers mittels sichtbaren oder unsichtbaren Lichtes, vorzugsweise aus dem Infrarotgebiet, vorgenommen werden, das mit Hilfe von Sammellinsen oder Hohlspiegeln auf die Unterlage konzentriert wird.
9. Verfahren nach Anspruch i bis ,4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Unterlage und die Aufschmelzung des Halbleiterpulvers mittels kurzer elektromagnetischer Wellen in einem Spulen- oder Kondensatorfeld vorgenommen werden. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift N r. 2 576 267; Buch von J. S t r o n g : »Modern Physical Laboratory Practice«, New York, 1938, S. 529.