<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention concerne l'utilisation du silicium pour la fabrication de monocristaux comportant un grand nombre de jonc- tions P-N suivant le procédé décrit dans le brevet principal et en par- ticulier dans le 6me perfectionnement au brevet principal.
Ce procédé.est simple, il permet de fabriquer rapidement des monocristaux semi-conducteurs tant une, plusieurs ou un grand nom- bre de jonctions P-N ayant chacune des caractéristiques prédéterminées.
Suivant ce procédé, on fait croître un germe de cristal de semi-conducteur dans un mélange en fusion contenant le corps semi-con- ducteur, une faible quantité de corps donateur et une faible quantité de corps accepteur en proportions déterminées. Pour une certaine vi- tesse de croissance du mono-cristal, celui-ci est du type intrinsèque.
On fait varier périodiquement la température du mélange en fusion, de manière que la vitesse de cristallisation varie depuis une valeur à laquelle la partie du monocristal en formation a la conduction de type
N, jusqu'à une valeur à laquelle la partie du monocristal en formation a la conduction de type N.
Comme il est connu, une jonction P-N se forme à la limite commune entre les parties adjacentes du monocristal qui présentent la con- duction N et la conduction P.
L'application de ce procédé permet de fabriquer plusieurs jonctions P-N et le choix de leurs conditions de formation permet d'obtenir des jonctions présentant des caractéristiques prédéterminées.
C'est ainsi qu'on peut préparer au moyen du procédé décrit dans le 6e perfectionnement (N 522.097) au brevet principal, des jonctions P-N présentant des variations lentes des concentrations de corps accepteur et donateur, respectivement suivant un trajet traversant normalement lesdites jonctions, depuis une région où les porteurs de charges majoritaires ont un certain signe, jusqu'à la région voisine où les porteurs majoritaires ont le signe contraire.
On peut également préparer par ce procédé des jonctions P-N ayant des variations rapides des concentrations de corps accepteur et donateur, suivant un trajet traversant ces jonctions.
En conséquence, une application importante du procédé, objet de l'invention, est la fabrication de transistron fonctionnant en haute fréquence, puisque les premières jonctions ont les qualités des jonctions entre collecteur et base, tandis que les secondes ont les qualités des 'jonctions entre émetteur et base.
Enfin, dans le 6e perfectionnement au brevet principal, on a également décrit un mode d'application du procédé à la fabrication de monocristaux de germanium comportant plusieurs jonctions P-N. Les perfectionnements, objet de la présente invention consistent à fabriquer des monocristaux obtenus à partir d'un germe de'.cristal de silicium que l'on fait croître dans un mélange en fusion contenant une faible quantité de silicium, le corps accepteur (aluminium) et une faible quantité de corps donateur (antimoine) en porportions détermi- nées) .
Suivant une variante' préférée, les proportions relatives de corps accepteur et donateur sont deux à trois parties d'aluminium pour une d'antimoine, le mélange aluminium-antimoine étant ajouté à raison de 0,1 à 10 go de silicium.
Pour mieux faire comprendre la présente invention et ses différents avantages techniques, on va en décrire un exemple de réalisation,
<Desc/Clms Page number 2>
étant entendu que celui-ci n'a aucun caractère limitatif quant au mode de mise en oeuvre et aux applications qu'on peut en faire.
- La figure 1 représente une partie d'un appareil que l'on utilise pour appliquer le procédé, objet de l'invention.
- La figure 2 représente un ensemble de courbes donnant le taux de ségrégation en fonction de la vitesse de croissance du cristal pour divers corps accepteurs ou donateurs.
- La figure 3 représente un ensemble de quatre courbes montrant les variations en fonction du temps, de la puissance de chauffage du mélange en fusion, de la température de ce mélange, de la vitesse de croissance du monocristal et de la longueur de celui-ci* - La figure 4 représente un transistron jonction dont l'élément semi-conducteur est obtenu par sciage d'un monocristal préparé suivant le procédé objet de l'invention.
Les figures 1, 2, 3-et 4 sont identiques aux figures 1, 3, 5 et 7 du 6ème perfectionnement au brevet principal et leur description sera succinte.
La figure 1 représente un appareil pour la préparation des monocristaux semi-conducteurs comportant un grand nombre de jonctions P-N. On distingue un creuset de quartz 10 disposé dans un four étanche à l'air (non représenté). Un élément de chauffage par induction 11 entoure ce creuset; il est alimenté à une course de tension 12; une résistance ajustable 13 sert à régler la puissance de chauffage; un interrupteur 14 est associé en série entre la résistance 13 et l'élément de chauffage. On met dans un creuset 10 un corps semi-conduc- teur de grande pureté, puis on ajoute de fàibles quantités d'un corps accepteur et d'un corps donateur. Le mélange 15 est chauffé sous vi- de, en atmosphère réductrice ou inerte.
Un germe de cristal 16, du corps semi-conducteur contenu dans le mélange 15, est fixé dans un support à pince 17. On abaisse celui-ci de manière que l'extrémité du germe 16 soit immergée dans le mélange fondu. On imprime au support 17 un mouvement de rotation de vitesse supérieure à 20 tours par minute environ. On provoque ainsi une agitation du mélange qui a pour effet de maintenir uniforme la composition du mélange au voisinage de la surface de contact entre phases liquide et solide. Il est possible néanmoins de préparer un monocristal comportant des jonctions P-N sans rotation du cristal en formation. Le support 17 est animé d'un mouvement de translation suivant la flèche 19. La vitesse de translation doit être égale à la vitesse moyenne de croissance du cristal.
Celle-ci dépend du gradient de température suivant un trajet-sensiblement normal à la surface de contact entre phases liquide et solide et traversant celle-ci; ce gradient de température est une fonction de plusieurs variables, néanmoins il est pratiquement déterminé par la température du mélange 15 qui dépend de la puissance fournie par la source 12 à l'élément de chauffage Il. Quand le semi-conducteur, constituant l'essentiel du mélange 15, est du germanium, celui-là doit être porté à une température supérieure à 941 C., température de fusion de ce corps à l'état pur ; si le semi-conducteur est du silicium, le mélange doit être porté à une température supérieure à 1430 C., température de fusion du silicium. La vitesse moyenne de la cristallisation amorcée par le germe 16 peut être 7,5 cm/h.
Tandis que le support 17 est éloigné de la surface du mélange en fusion, un monocristal 18 se forme. Il est pratiquement impossible de mesurer le gradient de température au voisinage de la surface de contact entre phases liquide et
<Desc/Clms Page number 3>
solide, cependant la vitesse de cristallisation peut être facilement déterminée en observant la croissance du cristal, lorsqu'on fait varier la température du mélange. Comme il est connu, la vitesse du cristallisation est égale à 7,5 cm/h. par exemple, quand, pour une vitesse de 7,5 cm/h de translation du support 17, le diamètre du monocristal reste constant.
Conformément à l'invention, on fait varier la vitesse de croissance du cristal 18 suivant des cycles prédéterminés; pour cela, on détermine la loi de variation, en fonction du temps, de la puissance fournie à l'élément chauffant 11. De cette loi de variation, de la nature des corps accepteurs et donateurs et de leur concentration respective, dépend le changement du type de conduction dans la partie du monocristal 18 en formation.
On détermine la nature des corps accepteurs et donateurs, mélangés au semi-conducteur pur, ainsi que leurs concentrations respectives d'après les courbes du taux de ségrégation de ces corps relatif au semi-conducteur en fonction de la vitesse de cristallisation V Les courbes T = f (V ) sont caractéristiques de ces corps pour
EMI3.1
un semi-conducteur donné.
On sait que le taux de ségrégation d'un corps accepteur ou donateur, relatif à un semi-conducteur, est le rapport entre les concentrations de ce corps dans la partie du cristal, et la région du mélange en fusion 15 qui soit voisines de la surface de contact entre phases solide et liquide.
La figure 2 représente les courbes T = f (V) pour l'indium (In) et le gallium (Ga) ainsi que pour l'arsenic c(As) et l'antimoine (Sb) lorsque ils sont mélangés au germanium, les deux premiers étant utilisés comme corps accepteurs et les autres comme corps donateurs* Les taux de ségrégation pour le gallium et l'indium, corps du type accepteur, ont été divisés par 10 ; ces taux sont pratiquement invariables lorsque la vitesse V est comprise entre 0 et - 15 cm/ho Au contraire, Ts varie dans des proportions relativement importantes, pour l'arsenic et l'antimoine, qui sont des corps du type donateur. On constate que les valeurs de Tsont très différentes suivant la nature des corps donateurs ou accepteurs. Le tableau suivant résume les valeurs de T pour divers corps donateurs et accepteurs et plusieurs valeurs de V2c.
$Ts relatif au germanium
EMI3.2
<tb>
<tb> Vc <SEP> Corps <SEP> du <SEP> type <SEP> accepteur <SEP> Corps <SEP> du <SEP> type <SEP> dona-
<tb>
EMI3.3
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ teur
EMI3.4
<tb>
<tb> In <SEP> Ga <SEP> Sb <SEP> As
<tb> 2,5 <SEP> cm/h <SEP> 0,0011 <SEP> 0,11 <SEP> 0,003 <SEP> 0,05
<tb> 7,5 <SEP> cm/h <SEP> 0,0011 <SEP> 0,11 <SEP> 0,005 <SEP> 0,07
<tb> 12,5 <SEP> cm/h <SEP> 0,0012 <SEP> 0,12 <SEP> 0,006 <SEP> 0,08
<tb>
Les variations des taux de ségrégation, relatifs au silicium, de divers corps accepteurs et donateurs, sont sensiblement inférieures à celles des taux de ségrégation relatifs au germanium.
La mesure de ces taux présente de sérieuses difficultés pour de grandes vitesses de cristallisation* Dans le cas d'une vitesse de cristallisation inférieure à 2,5 cm/h, le taux T relatif au silicium est 0,018 pour l'antimoine', 0,0016 pour l'aluminium, et 0,00027 pour l'indium.
<Desc/Clms Page number 4>
La variation du taux de ségrégation T relatif à un semi- conducteur en fonction de la vitesse de cristasllisation V pour un corps accepteur ou donateur donné est exprimée par la relation :
T = K + (Ka- K ) C Vi s o a o Vc
Dans cette formule, K est le rapport des concentrations du corps donateur ou accepteur dans le monocristal et dans le liquide en équilibre.
K est le rapport des concentrations du corps donateur ou accepteur dans la couche superficielle du monocristal au contact du mélange en fusion et dans ce mélange en fusion.
C est un terme qui dépend de la constante de diffusion du corps accepteur ou donateur dans le semi-conducteur.
V est la vitesse instantanée de cristallisation et c V. est un facteur caractéristique du corps accepteur ou do- nateur et de la constante de diffusion de ces corps dans le semi-con- ducteur.
Dans le 6ème perfectionnement au brevet principal, on a pré- cisé la composition de l'alliage 15 qui,est dans le creuset, lorsque le semi-conducteur est du@germanium, que le corps accepteur appartient au groupe indium-gallium et que le corps donateur appartient au'.groupe ar- senic-antimoine.
Conformément au présent perfectionnement, le semi-conducteur est du silicium, les corps accepteur et donateur peuvent être respec- tivement l'aluminium et l'antimoine. Le rapport des poids d'aluminium et d'antimoine introduits dans le mélange 15 est compris entre 2 et 3 et, de préférence, égal à 2,5. L'alliage aluminium-antimoine est ajou- té au silicium à raison de 4 mg de mélange pour 10 g de silicium. Ain- si, pour une vitesse de cristallisation de 12,5 cm/h, le monocristal a la conduction de type N, tandis que pour une vitesse de cristallisa- tion de 2,5 cm/h, le monocristal à la conduction P.
Les proportions d'aluminium, d'antimoine et de silicium men- tionnées peuvent évidemment varier entre des limites relativement larges, suivant les caractéristiques désirées des jonctions P-N . Le procédé décrit a permis d'obtenir des jonctions P-N de diverses carac- téristiques en utilisant un poids total de corps accepteur et donateur compris entre 0,1 et 10 mg pour 10 g de silicium.
Les quatre courbes de la figure 3 représentent, respective- ment, en fonction du temps : - la puissance P de chauffage du four contenant le creuset 10 (courbe A) - la température TM du mélange en fusion 15 (courbe B) - la vitesse de cristallisation Vc du monocristal (courbe C) - la longueur du monocristal (courbe D).
Cet ensemble de courbes illustre le mode de fabrication d'un monocristal de germanium comportant plusieurs jonctions P-N. Les différentes phases de cette fabrication, désignées par les lettres E, F, G, H, I et J, ont été décrites dans le 6ème perfectionnement au brevet principal.
<Desc/Clms Page number 5>
Dans le cas d'un cristal de silicium, les courbes de la fi- gure 3 ont la même allure générale. On peut obtenir un monocristal fournissant après sciage plusieurs éléments N-P-N dont l'épaisseur de la zône de conduction P est inférieure à 0,02 mm. Dans ce cas, le mélange 15 doit contenir 1,3 mg d'aluminium et 0,5 mg d'antimoine pour
5 g de silicium, l'amplitude des variations de la puissance de chauf- fage P est relativement grande et la fréquence de ces variations est deux cycles par minute.
Ainsi, des intervalles de croissance rapide du cristal alter- nent avec des intervalles durant lesquels le monocristal se dissout par- tiellemento (Ces derniers intervalles correspondent aux régions hachu- rées sur la figure 4c).
Par sciage du monocristal, on peut obtenir des éléments semi- conducteurs du type N-P-N, identiques à celui du transistron de la fi- gure 4. Cet élément a la forme d'une plaquette mince ayant une largeur de 6 mm et une épaisseur inférieure au millimétrée Des éléments de dimensions plus faibles peuvent être obtenus, en vue de fabriquer des transistrons fonctionnant en haute fréquence.
Le transistron de la figure 4 comporte deux zônes de conduc- tion N relativement longues et une zone de conduction P (28) qui est très mince. La liaison de cette z8ne centrale avec un conducteur de connexion 41, sans provoquer la mise en court circuit des jonctions P-N situées de part et d'autre de ladite z8ne pose un problème de fabrication délicat.
L'utilisation d'une électrode de connexion qui permet de réaliser une surface de contact relativement étendue et¯parfaitement stable avec la couche centrale permet de pallier cet inconvénient.
Le brevet que la Société demanderesse a déposé le 18 noem- bre 19539 sous le n 524.376,comme 8ème perfectionnement au brevet principal, a pour objet la réalisation de telles conne$ions.