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Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einem durch
Wärmebehandeln zusammengefügten Halbleiterkörper Bekanntlich benutzt murn bei der
Hexstellung eiektrisch unsymumetrisch leitender Systeme in neuerer Zeit mit Vorzug
chemische Elemente als Halbleiter, wie z. ß. Germanium oder Silizium oder deren
Gemiscbe. Dire Herstellung derartiger Systeme ist irn jedem Falle mit gewisseu Schwierigkeiten
verknüpft, da die gewünschten Eigenschaften gute Sperrwirkung, kleiner Widerstand
in Durchlaßrichtung, hohe Sperrspannupg usw. im wesentlichen von der Reinheit des
verwendeten Halbleiterstoffes, seines Gefüges und der Art der eingelagerten Fehlstellen
abhängeu.
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Es sind die verschiedensten Verfahren bekanntgeworden, um zu derartigen
Halbleiterbauelementen zu kommen. Grundsätzlich liegt allen diesen Verfahren die
Absicht zugrunde, einen möglichst reimen Stoff zu verweunden, des während seines
Herstellungsprozesses oder auch anschließend mit einem genau definierten Zusatz
vorn Störstellen versetzt wird, Man kann dies dadurch erreichen, daß man den Halbleiterstoif
bei inexter oder reduzierender Atmosphäre unter Umständen bei bestimmten Drucken
oder auch im Vakuum schmilzt und dabei den gewünschten Halbleiterkörper formt. Gleichzeitig
kann bei diesem prozeß der die Störstellen bildende Stoff eingelagert worden.
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Die Diffusionsgeschwindigkeit der Störstellen ist aber bei der Schmelztemperatur
des Halbleiterstoffes verhältnismäßig hoch und hängt sehr stark von der Temperatur
ab, auf der sich die Stoffe befinden. Es liegt auf der Hand, daß daher Halbleiterkörper
mit genau vorher bestimmtem Störstellengehalt sich nicht einfach in gleicher Güte
reproduzieren lassen, weil es schwierig ist, die erforderlichen Temperaturen genau
einzuhalten. Außerdem aber können während dieses Prozesses unerwünschte Störatome,
beispielsweise durch den Schmelztiegel, eingeschleppt werden bzw, können auch erwünschte
Störstellen wieder herausdiffundieren. Schließlich treten auch beim Abkühlen eines
derart erschmolzenen Körpers weitere unerwünschte Effekte, wie Entmischung usw.,
auf.
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Ausch .andere Verfahren, beispielsweise das Ziehen eines Krästalls
aus einer Schmelze bei gleichzeitigem Zusatz entsprechender Störstellenstoffe, führt
nicht zu einem einfachen und reproduzierbaren Verfahren.
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Selbst wenn aber in dieser Weise unter Aufwand großer Mittel Halbleiterstoffe
mit brauchbaren Eigenschaften hergestellt werden können, treten weitere Schwierigkeiten
bei des nun folgenden Verarbeitung ein. Die Halbleiterkörper müssen für ihre beabsichfigte
Wirkung mit Stromanschlußelektroden versehen werden. Die Anbringung dieser Elektroden
bedeutet wiederum die Gefahr des Einschleppens unerwünschter Storstellen, die aus
der Metallelektrode in den Hälbleiterkörper einwandern kennen. Schließlich sind
auch die bisher erreichten Leistungen derartiger Systeme verhältnismäßig unbefriedigend,
und es liegt auf der Hand, daß Systeme, die für bessere Leistungen geeignet sein
sollen, irn der beschriebenen Art nicht ohne große Schwierigkeiteu hergestellt werden
können.
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Ein bekannte Verfahren zum Herstellen von Flächentransistoren wird
so durchgeführt, daß man zwischeu drei nebengeinander .angeordneten Elektroden isolierendes
Material derart anbriingt, daß ein Körper mit ebener Oberfläche entsteht, an dem
die von den einzelnen Elektroden gebildeten Oberüächepteile durch Isoliermaterial
voneinander getrennt sind. Die mittlere Elektxode enthält ein Stör, stellenmaterial,
während die beiden äußeren Elektrodenr kein Störstellen erzeugendes Material besitzen.
Auf die Oberfläche des Körpers wird ein Halbleitermatexial in dünner Schicht aufgebracht,
das den entgegengesetzten Leitungstyp zu dem Leitungstyp besitzt, den der in der
mittleren Elektrode anwesende Aktivatorstoff hervorrufen würde. Anschließend wird
durch eine Chermische Behandlung der Störstellenstoff der mittleren Elektrode in
die dünne Halbleiterschicht zum Eiindiffundieren gebracht und dadurch der Leitungstyp
in einer an die mittlere Elektrode angrenzenden ' Zone der niedergeschlagenen Schicht
in den Gegmtyp fgewaudelt. nie beiden äußeren, als Enütter- und Kollektorzone z.
u verwendenden Z.oneu der Halbleiterschicht werden durch die
darunterliegenden
beiden äußeren Elektroden, die mittlere als Basiszone zu verwendende Zone von entgegengesetztem
Leitungstyp wird durch die mittlere Elektrode kontaktiert. Ein solches Verfahren
ist zwar einfach durchzuführen, es führt jedoch dazu, daß die pn-Übergänge zur mittleren
Zone unscharf werden, während im Interesse eines guten Wirkungsgrades eines Transistors,
Gleichrichters u. dgl., im allgemeinen scharfe, wohldefinierte pn-Übergänge angestrebt
sind.
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Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, daß man Halbleiterstücke
von gleichem oder entgegengesetztem Leitungstyp unter Verwendung eines dotierend
wirkenden Bindemittels zu einem einzigen Halbleiterkörper verbindet. Bei der Auswahl
der Bindemittel ist man dabei der Beschränkung unterworfen, daß das Halbleitermaterial
mit dem Bindemittel keine chemische, als Verunreinigung wirkende Verbindungen eingehen
darf. Das Bindemittel darf außerdem nicht als Metallschicht zwischen den beiden
Halbleiterkörpern verbleiben, sondern muß so weit von den Halbleiterstücken »aufgelöst«
werden, daß an der Verbindungsstelle nur halbleitendes Material anwesend ist. Die
Behandlungsdauer, die hierzu notwendig ist, ist auch, wenn das Bindemittel in sehr
dünner Schicht zur Anwendung gelangt, beträchtlich, da die sich zunächst bildende
Legierung aus Halbleitermaterial und Bindemittel durch Diffusion vollständig zum
Verschwinden gebracht werden muß, da andernfalls definierte pn-Übergänge nicht entstehen
können.
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Bei der Vereinigung der beiden Halbleiterstücke ist es zweckmäßig,
wenn die Wärmebehandlung so gesteuert wird, daß der Schmelzpunkt des Halbleiterstoffs
nur in einem an der Verbindungsstelle liegenden, schmalen Bereich überschritten
wird. Arbeitet man, wie beim Bekannten, mit einem metallischen Bindemittel und versucht
außerdem, die Verbindung durch Stromverschweißung herbeizuführen, so erwärmt sich
der Halbleiterstoff an den zu verbindenden Stellen weniger stark als an den übrigen
Teilen, da das Bindemittel und der von dem Bindemittel unmittelbar beeinflußte Bereich
des Halbleiterstoffs einen kleineren elektrischen Widerstand als der übrige Bereich
der Halbleiterstücke besitzt. Dies führt also bei einer Stromverschweißung dazu,
daß man entsprechend stärkere Ströme anwenden muß und daß deshalb größere Bereiche
der Halbleiterstücke aufschmelzen, bevor man die gewünschte, von Resten des Bindemittels
freie Verbindung erzielt hat. Außerdem werden infolge der Anwendung eines Bindemittels,
welches notwendig in den Halbleiterkristall eindiffundieren muß, die pn-Übergänge
von der Grenze zwischen den beiden Halbleiterstücken weg in das Innere der beiden
Halbleiterstücke verschoben. Da auch minimale Unterschiede der Schichtstärken des
angewendeten Bindemittels erheblichen Einfluß auf die notwendige Diffusionszeit
nehmen müssen und sich die Schicht des Bindemittels nicht mit absoluter Gleichförmigkeit
aufbringen läßt, wird die Lage der pn-Übergänge, die beim Bekannten erzielt wird,
auch bei sonst gleichen Abmessungen der zu verbindenden Anordnungen und Verwendung
gleicher Materialien und Behandlungstemperaturen von Fall zu Fall sehr stark schwanken,
so daß die Erzielung reproduzierbarer Verhältnisse unmöglich ist.
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Aus diesem Grunde ist es günstig, wenn die zu vereinigenden Oberflächenteile
der zu verbindenden Halbleiterstücke einen höheren Widerstand als die übrigen Teile
der Halbleiterkörper besitzen. Aus diesem Grunde und im Interesse einer möglichst
kurzen -Zeit der thermischen Behandlung wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung
von der Verwendung eines Bindemittels abgesehen. -Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren zum-Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einem Halbleiterkörper,
der aus zwei getrennten, unterschiedlichen Störstellengehalt aufweisenden Halbleiterstücken
unter Wärmebehandeln zusammenge-
fügt wird. Ein solches Verfahren wird erfindungsgemäß
so durchgeführt, daß das Halbleitermaterial der zusammenzufügenden Halbleiterstücke
in stör= stellenfreiem Zustand aus der Schmelze oder aus der Gasphase auf einem
metallischen, gleichzeitig als Elektrode dienenden und Störstellenmaterial enthaltenden
Träger aufgebracht wird, daß dieses Gebilde so hoch erhitzt wird, daß Störstellenmaterial
aus dem, Träger in die Halbleiterschicht eindiffundiert, und daß zwei solche den
entgegengesetzten Leitungstyp aufweisende Gebilde mit den Halbleiterschichten aufeinandergelegt
und durch einen Stromstoß verschweißt werden.
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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden also die den Leitungstyp
der Halbleiterstücke erzeugenden Störstellen durch einen Diffusionsprozeß aus der
Trägerelektrode in das Halbleiterstück eingebracht. Damit ergibt sich eine Störstellenverteilung
in den zu vereinigenden Halbleiterkörpern, die in der Nähe der Trägerelektrode größer
als in den entfernteren Teilen und damit vor allem an den zu verbindenden Stellen
der Halbleiterkörper ist. Diese Stellen bieten deshalb dem Stromdurchgang den größten
Widerstand, so daß bei Stromfluß durch die beiden zu vereinigenden, mit diesen Stellen
aufeinandergelegten Halbleiterkörper sich die Berührungsstellen am stärksten erwärmen
müssen. Durch einen Stromstoß entsprechender Größe kann somit erreicht werden, daß
nur an den aneinandergelegten Stellen der beiden Halbleiterkörper der Schmelzpunkt
des Halbleitermaterials überschritten wird, während alle übrigen Teile der Halbleiterkörper
niedrigere Temperatur besitzen. Es kann somit erreicht werden, daß nur eine sehr
dünne Schicht aufschmilzt, die nach dem Erstarren eine einwandfreie Verbindung der
beiden Halbleiterstücke liefert. Die Behandlungsdauer wird entsprechend kurzzeitig,
da das Verfahren gemäß der Erfindung ohne Bindemittel durchgeführt wird. Diesem
Umstand ist es auch zu verdanken, daß das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen
von Halbleiterbauelementen mit reproduzierbaren: elektrischen Eigenschaften führt.
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In der Praxis geht man bei der Herstellung des gewünschten Systems
folgendermaßen vor. Zunächst wählt man eine Anschlußelektrode gewünschter Formgestaltung
aus einem derartigen Metall aus, dessen Atome entsprechend gewünschte Störstellen
im später aufzubringenden Halbleitermaterial bilden. Sollte es im einzelnen Fall
nicht möglich sein, ein derartiges Metall zu wählen, kann man auch von einer entsprechenden
Metall-Legierung ausgehen oder auch ein Metall wählen, das mit nichtmetallischen
Zusätzen versehen ist, beispielsweise auch durch entsprechend aufgebrachte Oberflächenschichten,
die den gewünschten Störstellenstoff darstellen oder enthalten. Auf diese Elektrode
wird dann nach einem der bekannten Verfahren der Halbleiterstoff
aufgebracht.
Dies kann durch Aufdampfen, Aufstäuben, thermische Zersetzung entsprechender, gegebenenfalls
gasförmiger Verbindungen, Aufgießen, Eintauchen in eine Schmelze usw. erfolgen.
Man muß nur bei der Weiterverarbeitung Rücksicht auf das angewendete Auftragsverfahren
nehmen, weil diese untereinander verschiedene Eigenschaften des gebildeten Halbleitersystems
zur Folge haben. Atomar aufgebrachte Halbleiterstoffe pflegen normalerweise keine
gute Kristallbildung zu zeigen, weil die Temperatur bei der Auftragung zu niedrig
ist. Außerdem sind in diesem Falle häufig Sperrschichten zwischen Elektrode und
Halbleiterstoff vorhanden. In diesen Fällen muß man daher das so weit hergestellte
System einer Nachbehandlung unterziehen. Diese besteht im wesentlichen und in der
Norm in einer thermischen Behandlung, bei welcher sich der Halbleiterstoff in einen
kristallinen Zustand überführen läßt und bei welcher gleichzeitig die erwünschten
Stoffe aus der Metallelektrode in den Halbleiterstoff eindiffundieren und in diesem
einen homogenen, gleichmäßigen Leitungstyp schaffen.
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Wählt man für die Auftragung ein anderes Verfahren, beispielsweise
das Eintauchen der Elektrode in eine Schmelze des Halbleiterkörpers, dann kann auf
eine Nachbehandlung verzichtet werden, weil der schmelzflüssige Zustand des Halbleiterstoffs
genügende Störstellen aus der Elektrode herauslöst und schließlich auch zu einer
guten brauchbaren Kristallisation führt. Es ist damit also ein sperrschichtfreier
Übergang zwischen Elektrode und Halbleiterstoff gewährleistet, und gleichzeitig
sind definierte Störstellen in den Halbleiter eingebracht.
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In gleicher Weise stelltsman nun ein zweites Gebilde her, lediglich
mit dem Unterschied, daß dieses einen Halbleiterkörper entgegengesetzten Leitungstyps
besitzt. Diese beiden Teile werden, Halbleiter auf Halbleiter liegend, die zu diesem
Zweck vorher plangeschliffen sein können, gegebenenfalls durch Druck und einen Stromstoß,
zusammengeschweißt. Bei diesem Schweißvorgang, der einem oberflächlichen Schmelzen
der aufeinanderliegenden Flächen nahekommt, wird durch gegenseitige Diffusion der
verschiedenartigen Störstellen die gewünschte pn-Übergangszone geschaffen.
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In dieser Art können auch ein, zwei oder mehr Spitzenkontakte hergestellt
werden, indem der eine der beiden zusammengesetzten Teile mit entsprechend vielen
Halbleiterspitzen versehen ist.
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Da bei der Herstellung des Halbleiterkörpers auf der Elektrode im
schmelzflüssigen Zustand bzw. bei der Nachbehandlung eines atomar aufgebrachten
Halbleiterstoffs unter Umständen je nach Art der Elektrodenwahl zu viele Störstellen
in den Halbleiterkörper eindiffundieren, so daß ein Optimum der beabsichtigten Wirkung
nicht erzielbar ist, kann mit besonderem Vorteil das Verfahren in folgender Weise
erweitert werden. Nach der Herstellung der beiden Elektroden mit aufgebrachter Halbleitersubstanz
wird auf jeder eine zweite Halbleiterschicht aus möglichst störstellenfreiem Halbleiterstoff
wieder nach irgendeinem der bekannten Verfahren aufgebracht. Zweckmäßig ist es hierbei,
für diese zweite Schicht ein Verfahren zu wählen, das die Auftragung des Halbleiterstoffs
bei geringerer Temperatur als der Schmelztemperatur zuläßt, also beispielsweise
ein Aufkondensieren zu wählen. Durch eine genau zu steuernde thermische Nachbehandlung
kristallisiert dann diese zweite Schicht auf die erste auf und bildet praktisch
mit der ersten einen einheitlichen Körper. Durch entsprechende Führung der thermischen
Nachbehandlung kann man nun aus der ersten Halbleiterschicht, die mit Störstellen
stark angereichert ist, eine beliebig große Anzahl von Störstellen in die zweite
Schicht eindiffundieren lassen, um zu einem Optimum der Wirkungsweise zu gelangen.
Die erste Schicht stellt somit gleichsam ein Sieb für die Störstellenmasse der Elektrode
zum eigentlich wirksamen Halbleiterteil dar und bildet weiterhin ein Reservoir für
im Laufe des Betriebes der Einrichtung etwaig notwendig werdende Nachlieferung von
Störstellen. Die weitere Behandlungsart, nämlich die Vereinigung von zwei in dieser
Weise hergestellten Teilen, erfolgt wie vorbeschrieben.
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Ein derartiges, unsymmetrisch leitendes Gebilde stellt dann einen
Richtleiter oder Gleichrichter mit pn-Übergangszone dar. Reicht nun die Spannungsfestigkeit
eines derartigen Bauelements den Forderungen entsprechend nicht aus, dann kann man,
da man es in der Hand hat, beliebig viele solcher Aufbauelemente mit eindeutigem
Leitungstyp zu schaffen, entsprechend mehrere hintereinander in Reihe anordnen.
und miteinander verschweißen. Für die mittleren Aufbauteile empfiehlt es sich, von
Elektroden auszugehen, die in Form flächenhafter Gebilde mit Löchern versehen oder
als Sieb oder Gitter ausgebildet sind. Diese werden zweckmäßigerweise auf beiden
Oberflächen mit Halbleiterstoff bedeckt, so daß sie sich einfach aufeinanderschichten
lassen, wie beispielsweise die Säulenanordnung eines bekannten Trockengleichrichters.
Außerdem können derartige Mittelelektroden als Steuerelektroden in Transistoranordnungen
benutzt werden, und es ist in dieser Weise möglich, Polyoden entsprechend den bekannten
Mehrgitterröhren zu schaffen. Beispielsweise taucht man ein Metallnetz in die Schmelze
eines möglichst sörstellenfreien Halbleiterstoffs, so daß das Netz auf beiden Seiten
und durch die Poren hindurch mit Halbleiterstoff bedeckt ist. Die Schichtstärke
des Halbleiterkörpers kann sehr gering gehalten werden. Durch das Tauchen in die
Schmelze erfolgt gleichzeitig die Ausbildung eines sperrschichtfreien übergangs
zur Elektrode; außerdem werden aus der entsprechend gewählten Elektrode ausreichend
Störstellen in den Halbleiterkörper aufgenommen. Ist die Störstellenzahl ausreichend,
kann dieses Gebilde ohne weiteres benutzt werden; ist die Anzahl jedoch zu hoch,
dann bringt man auf beiden Seiten des flächenhaften Gebildes je eine weitere Halbleiterschicht
auf, die entsprechend der oben angegebenen Darstellung nachbehandelt wird.
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Das Verfahren gestattet gleichzeitig ferner, die Anschlußelektroden
bzw. auch die Mittelelektroden durch ihre Formgestaltung und/oder ihre sonstige
Ausgestaltung als Kühlflächen zu benutzen, so daß es möglich ist, verhältnismäßig
große Leistungen auf kleinem Querschnitt umzusetzen. Schließlich kann durch Anordnung
zusätzlicher Stoffe zwischen den die Halbleiteranordnung überragenden Teilen der
Elektroden ein Abschluß der Halbleiteranordnung von der Umgebung erzielt werden.
Wählt man beispielsweise kreisförmige Scheiben als Elektroden, die lediglich in
einem zentralen Bezirk mit Halbleiterstoff versehen sind, dann kann zwischen den
Elektrodenscheiben, die die Halbleitergrenze überragen, eine Gummidichtung oder
ähnliches vorgesehen
werden, die beim Zusammensetzen der einzelnen
Teile zusammengepreßt werden und eine Abdichtung hervorrufen.
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Beim Umsetzen besonders großer Leistengen ist es sogar möglich, die
Elektroden mindestens im äußeren Teil hohl zu gestalten und Kühlmittel durchfließen
zu lassen.