DE1286657C2

DE1286657C2 - Verfahren zur herstellung eines bistabilen halbleiter-schaltelements und danach hergestelltes halbleiter-schaltelement

Info

Publication number: DE1286657C2
Application number: DE19651286657
Authority: DE
Inventors: Kristensen Nordborg Knud (Dänemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1965-12-07
Filing date: 1965-12-07
Publication date: 1974-11-14
Also published as: NL6617140A; BE690143A; FR1503192A; DE1286657B

Description

Bereich zu suchen, abgewichen und ein Material Die Abkühlungsgeschwindigkeit sollte mindestens

außerhalb dieses glasartigen Bereichs gewählt Dieses 5°C/s betragen. Dieser Wert ist am ein Vielfaches

Material erstarrt bei einer normalen Abkühlung aus größer als die normale Abkühlung bei Raumtempera-

der Schmelze in Raumtemperatur grundsätzlich kri- tür in stehender Luft.

stallin. Ein solches kristallines Material ist bei den 5 Das zuletzt beschriebene Verfahren kann zu einer

bisherigen Untersuchungen bistaoiler Schaltelemente weiteren Vereinfachung der Herstellung ausgenutzt

unberücksichtigt geblieben, weil es von vornherein werden, wenn das Halbleitermaterial aus mindestens

niederohmig ist und dieser Zustand durch keine der zwei Komponenten besteht und diese in dem der

üblichen elektrischen Maßnahmen in einen hoch- raschen Abkühlung vorzuschütenden Schmelzvor-

ohmigen Zustand zu überführen war. io gang miteinander legiert werden. Hierbei wird also

Wenn man jedoch ein solches normalerweise die Legierungsschmelze gleich als Ausgangsbasis für kristallines Material in einer die Kristallisation unter- die vorgesehene Abkühlung benutzt,
drückenden Weise zum Halbleiterkörper formt, Es ist zwar bereits bekannt, die Schmelze eines nimmt das Material zwangsweise einen amorphen glasartigen Halbleitermaterials in Eiswasser abzu-Zustand ein. In diesem amorphen Zustand ist es 15 schrecken, um dadurch der Gefahr einer Entglasung fixiert und blitzt, wie die früher betrachteten glas- vorzubeugen. Dies war einer der Versuche, die beartig erstarrenden Materialien, einen hochohmigen kannten Halbleitergläser zu verbessern, er betraf je-Zustand. Allerdings schaltet das Material besonders doch nicht ein bisher als unbrauchbar angesehenes, leicht in den niederohmigen Zustand um und ver- normalerweise kristallin erstarrendes Material,
bleibt auch in diesem Zustand, da es ja von Natur so Weitere Untersuchungen haben ergeben, daß das aus bestrebt ist, den kristallinen Zustand einzuneh- für den Erfindungszweck geeignete Halbleitermaterial men, wenn die Voraussetzungen dafür gegeben sind. eine Kristallisationstemperatur besitzen sollte, die Umgekehrt hat aber der sich im Betrieb einstellende zwischen 150 und 300° C liegt. Ferner sollte der Erkristalline Strompfad einen außerordentlich kleinen weichungspunkt zwischen 100 und 200⁰C liegen.
Querschnitt. Wenn innerhalb dieses Querschnitts »5 Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herdurch einen sehr starken Strom der Schmelzzustand gestelltes bistabiles Halbleiter-Schaltelement ist daerreicht und alsdann der Strom abgeschaltet wird, durch gekennzeichnet, daß beide angelegten Elektrowird wegen der geringen Querschnittsfläche die den als Flächenkontakt ausgebildet sind. Großflächige Warme so rasch abgeführt, daß die Schmelze wieder- Elektroden können besser als Spitzenelektroden die um nicht in der Lage ist, kristallin zu erstarren; der 30 Wärme von der Kontaktfläche wegführen. Demzu-Strompf ad kehrt daher in den amorphen, hochohmi- folge helfen diese Elektroden mit, daß der Strompfad, gen Zustand zurück. wenn er über die flüssige Phase in den hochohmigen

Es hat sich herausgestellt, daß die für den Erfin- Zustand zurückgeführt werden soll, auch tatsächlich

dungszweck am besten brauchbaren Halbleitermate- rasch genug abkühlt, um eine Kristallisation zu ver-

rialien einen Unterschied zwischen der Kristalli- 35 hindern.

sationstemperatur und der Schmelztemperatur größer Für den Erfindungszweck kommen beispielsweise

als 120° C, vorzugsweise größer als 150° C, besitzen. Halbleitermaterialien aus nur zwei Komponenten in

Es wird also ein relativ großer Temperaturbereich Frage. Speziell verwiesen sei auf ein Gemisch aus

angestrebt, in welchem das Material einen kristallinen Germanium und Tellur im Mischungsverhältnis von

stabilen Zustand einnehmen kann. Es ist daher nicht 40 16 Atomprozent Germanium und 84 Atomprozent

mehr möglich, daß wegen der engen Nachbarschaft Tellur.

von Kristallisationspunkt und Schmelzpunkt im Es kommen auch Halbleitermaterialien aus be-

Strompfad eine die Kristallisation ergebende Erwär- kannten Drei-Stoff-Systemen in Frage, wenn sie

mung unmittelbar darauf zum Schmelzen führt, so außerhalb des glasartigen Bereichs liegen. Speziell

daß beim Abschalten des Stromes der Strompfad in 45 verwiesen sei auf das Drei-Stoff-System Arsen—TeI-

den amorphen, hochohmigen Zustand zurückkehrt. lur—Jod und vorzugsweise auf ein Mischungsverhält-

Möglicherweise ist der große Abstand zwischen nis von 30 Atomprozent Arsen, 60 Atomprozent TeI-

Kristallisationspunkt und Schmelzpunkt auch als lur und 10 Atomprozent Jod.

Merkmal dafür anzusehen, daß das Material bevor- In den Zeichnungen werden noch einige zusätz-

zugt im kristallinen Zustand erstarrt. 50 liehe Erläuterungen zur Erfindung gegeben. Es zeigt

Ein besonders empfehlenswertes Verfahren, die F i g. 1 ein DTA-Diagramm für ein erfindungsge-Kristallisation bei der Herstellung des Halbleiter- maß verwendbares Halbleitermaterial,
Schaltelements zu unterdrücken, besteht darin, daß F i g. 2 ein Drei-Stoff-Diagramm, in welches erfin-— wenn das Halbleitermaterial aus mindestens zwei dungsgemäß verwendbare Halbleitermaterialien einKomponenten besteht — diese Komponenten durch 55 getragen sind und

Kathodenzerstäubung auf eine Unterlage, z. B. eine F i g. 3 eine schematische Darstellung eines erfin-

Elektrode, aufgetragen werden. Bei der Kathoden- dungsgemäßen Halbleiter-Schaltelements,

zerstäubung werden so kleine Teilchen aufgestäubt, F i g. 1 zeigt ein DTA-Diagramm (Differential

daß sich keine Kristalle bilden können. Thermal Analysis) des Halbleitermaterials Ge_}e-Te₈₄.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß das 60 Zur Aufnahme eines solchen Diagramms wird das

Halbleitermaterial geschmolzen und so rasch abge- Halbleitermaterial in einem langsam erwärmten bzw.

kühlt wird, daß es im amorphen Zustand erstarrt. abgekühlten Körper untergebracht und die Differenz

Die rasche Abkühlung kann auf verschiedene zwischen der Temperatur dieses Körpers und der Weise erzielt werden, beispielsweise durch Ab- Temperatur des Halbleitermaterials gemessen. Irgendschrecken in Eiswasser, durch Beblasen mit einem 65 welche Materialumwandlungen machen sich durch Kühlluftstrom u. dgl. Wesentlich ist lediglich eine so spezielle Ausprägungen am Diagramm bemerkbar, rasche Abkühlung, daß der amorphe Zustand des an Bei langsamer Erwärmung wird zunächst der Punkt A sich kristallinen Halbleitermaterials erreicht wird. erreicht, in welchem das Material zu erweichen be-

^{5 6}

ginnt. Er liegt bei etwa 15O⁰C. Der Punkt B ent- Eignung als bistabile Halbleiter-Schaltelemente unterspricht der Kristallisation. Die Kristallisationstempe- sucht worden sind. Erfindungsgemäß werden Miratur liegt bei etwa 240° C. Der Punkt C entspricht schlingen außerhalb dieses Bereichs G verwendet, der Schmelztemperatur. Diese liegt bei etwa 420° C. beispielsweise das Gemisch E, das aus 40 Atom-Wenn dann die Abkühlung erfolgt, wird bei D der 5 gewichtsprozent Arsen und 60 Atomgewichtsprozent Erstarrungspunkt erreicht, der bei etwa 320° C liegt. Tellur besteht. Ein anderes brauchbares Material ist

Das Diagramm entspricht einem erfindungsgemäß beispielsweise durch den Punkt F gegeben, der das

behandelten Material, das trotz seiner Tendenz zum Mischungsverhältnis von 30 Atomprozent Arsen,

kristallinen Erstarren im amorphen Zustand »ge- 60 Atomprozent Tellur und 10 Atomprozent Jod

boren« wurde. Demzufolge ist der Abschnitt zwischen io kennzeichnet.

dem Nullpunkt und dem KristaUisationspunkt B für In F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des bistabilen

den hochohmigen Zustand kennzeichnend, während Halbleiter-Schaltelements schematisch veranscb.au-

der Abschnitt zwischen dem KristaUisationspunkt B licht Es besteht aus einer ersten Elektrode 1, der

und dem Schmelzpunkte, welcher Abstand 180⁰C Halbleiterschicht 2 und einer zweiten Elektrode 3.

beträgt, für den niederohmigen Zustand verantwort- 15 An die Elektroden sind Zuleitungen 4 und 5 ange-

lich ist. Wenn über den Strompfad ein Strom züge- lötet. Bei der Herstellung wurde auf die Elektrode 1

führt wird, der eine Erwärmung über den Schmelz- das Halbleitermaterial 2 durch Kathodenzerstäubung

punkt C hinaus bewirkt, erfolgt bei der Abkühlung aufgebracht und auf diese Schicht die zweite Elek-

im Punkt D die Erstarrung, die wegen des kleinen trode 3 aufgelegt.

Strompfadquerschnitts so plötzlich vor sich geht, daß ao Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind 2 g der Strompfad in den amorphen Ursprungszustand Halbleitermaterial aus 16 Atomgewichtsprozent Gerzurückkehrt. Wäre das Material nicht in der erfin- manium und 84 Atomgewichtsprozent Tellur in einer dungsgemäßen Weise vorbehandelt worden, hätte es geschlossenen Ampulle geschmolzen worden, worauf im Nullpunkt bereits den niederohmigen Zustand; es diese Ampulle in Eiswasser abgeschreckt wurde. Aisergäbe sich ein nur schwach ausgeprägter oder über- as dann wurde die Ampulle zerbrochen und das gehaupt kein KristaUisationspunkt B. Es wäre nicht wonnene Halbleitermaterial mit zwei MetaUelektromögüch, dieses Material in der übüchen elektrischen den bedeckt Das so gewonnene Halbleiter-Schalt-Weise in den hochohmigen Zustand zu bringen. element arbeitet in der angestrebten Weise als bi-

In F i g. 2 ist ein Drei-Stoff-Diagramm für Arsen— stabiler Schalter.

Tellur—Jod gezeigt, wie es in der Literatur zu finden 30 Der Ausdruck »kristallin« soll im vorUegendei

ist. Innerhalb des umrandeten Bereichs G findet man Fall Einkristalle, einen polykristallinen Zustand ode

glasartige Halbleitermaterialien, die bisher für die einen mikrokristallinen Zustand umfassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

ohmig ist, einnehmen kann, und auf ein nach diesem Patentansprüche: Verfahren hergestelltes bistabiles Halbleiter-Schalt element

1. Verfahren zur Herstellung eines bistabilen Es sind Drei-Stoff-Systeme bekannt, die innerhalb

Halbleiter-Schaltelements, dessen Halbleitermate- 5 eines genau umgrenzten Mischungsbereichs beim Abrial eine amorphe Phase, die hochohmig ist, und kühlen aus der Schmelze glasartig oder amorph sreine kristalline Phase, die niederohmig ist, ein- starren. Innerhalb dieses Mischungsbereichs befinden nehmen kann, dadurchgekennzeichnet, sich Gläser, die durch Phasenwechsel zwei stabile daß ein bei normaler, in Raumtemperatur statt- elektrische Zustände einnehmen können. Sie sind in findender Abkühlung kristallin erstarrendes Halb- io der amorphen Phase hochohmig und in der kristallileitermaterial verwendet wird, bei dem der Unter- ..?'. aen Phase niederohmig. Ein Beispiel hierfür ist das schied zwischen der Umwandlungstemperatur zwi- System Arsen—Tellur—Jod, das innerhalb eines sehen dem amorphen und dem kristallinen Zu- genau beschreibbaren Mischungsbereichs glasartige stand, der Kristallisationstemperatur einerseits und Halbleitermaterialien zu erzeugen gestattet, die einen der Schmelztemperatur andererseits größer als 15 hochohmigen Zustand von 10⁵ bis 10⁶ Ohm-cm und 120° C ist, und daß das Material des Halbleiter- einen niederohmigen Zustand von 10²bis 10^s Ohm-cm körpers in einer die Kristallbildung unterdrücken- einnehmen können, den Weise behandelt wird. Als Halbleitermaterialien für derartige Schaltele-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- mente sind auch zahlreiche andere Zwei- und Mehrkennzeichnet, daß das Halbleitermaterial aus ao Stoff-Systeme bekannt, darunter ein aus Tellur und mindestens zwei Komponenten besteht und diese Germanium bestehendes System. Unter vielen verKomponenten durch Kathodenzerstäubung auf schiedenen Behandlungsarten des Halbleitermaterials eine Unterlage aufgetragen werden. zur Bildung von Rekombinationszentren findet sich

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch neben chemischen, physikalischen und mechanischen gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial ge- as Behandlungen auch das rasche Abkühlen. Ferner schmolzen und so rasch abgekühlt wird, daß es werden solche Elemente auch durch das Aufdampfen im amorphen Zustand erstarrt. des Halbleitermaterials hergestellt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge- Praktische Verwertung haben diese bistabilen kennzeichnet, daß mindestens zwei Komponenten Halbleiter-Schaltelemente allerdings nicht erlangt, da des Halbleitermaterials in dem der raschen Ab- 30 es nicht gelungen ist, reproduzierbare Elemente herzukühlung vorzuschaltenden Schmelzvorgang mit- stellen, die in jedem einzelnen Fall erstens mit Sichereinander legiert werden. heit vom stabilen hochohmigen Zustand in den

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch niederohmigen Zustand schalten, zweitens nicht von gekennzeichnet, daß die Abkühlungsgeschwindig- selbst in den hochohmigen Zustand zurückkehren, keit mindestens 5° C/s beträgt. 35 sondern im niederohmigen Zustand verbleiben, und

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, drittens auf Wunsch wieder in den hochohmigen Zudadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitermate- stand zurückgeführt werden können. Zwar fanden rial verwendet wird, bei dem der Unterschied sich unter einer Mehrzahl von Proben immer einige, zwischen der Kristallisationstemperatm· und der die — in der gewünschten Weise — beim Überschrei-Schmelztemperatur größer als 15O⁰C ist. 40 ten des Schwellenwerts einer angelegten Spannung

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitermate- schalteten und beim Überschreiten eines Grenzwertes rial verwendet wird, dessen Kristallisationstem- des hindurchfließenden Stromes wieder in den hochperatur zwischen 150 und 300° C liegt. ohmigen Zustand zurückkehrten. Es gelang jedoch

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 45 nicht, hieraus eine Herstellungsvorschrift abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitermate- In manchen Fällen war man auch bestrebt, glasrial aus Germanium und Tellur im Mischungsver- artige Körper au- .aem Drei-Stoff-System zu erzeuhältnis 16 Atomprozent Germanium und 84 Atom- gen, die beim A ^gen einer genügend großen Spanprozent Tellur verwendet wird, nung von ciusu .-umhmigen in einen niederohmi-

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 50 gen Zustand -jp --'rhpHen, am Ende des hindurchdadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitermate- fließenden Striu;.u~apulses aber selbsttätig in den rial aus Arsen, Tellur und Jod außerhalb des glas- hochohmigen Zustand zurückkehren.

artigen Bereichs, vorzugsweise im Mischungsver- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein-

hältnis 30 Atomprozent Arsen, 60 Atomprozent wandfrei reproduzierbare, bistabile Halbleiter-Schalt-Tellur und 10 Atomprozent Jod, verwendet wird. 55 elemente der eingangs beschriebenen Art anzugeben.

10. Nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gebis 9 hergestelltes bistabiles Halbleiter-Schaltele- löst, daß ein bei normaler, in Raumtemperatur stattment, dadurch gekennzeichnet, daß beide ange- findender Abkühlung kristallin erstarrendes Halblegten Elektroden als Flächenkontakt ausgebildet leitermaterial verwendet wird, bei dem der Untersind. &⁰ schied zwischen der Umwandlüngstemperatur zwischen dem amorphen und dem kristallinen Zustand,

- der Kristallisationstemperatur, einerseits und der

Schmelztemperatur andererseits größer als 120° C ist, und daß das Material des Halbleiterkörpers in einer

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur 65 die Kristallbildung unterdrückenden Weise behandelt Herstellung eines bistabilen Halbleiter-Schaltelements, «vird.

dessen Halbleitermaterial eine amorphe Phase, die Bei der Erfindung wird bewußt von den bisherigen

hochohmig ist, und eine kristalline Phase, die nieder- Überlegungen, das Halbleitermaterial im glasartigen