DE1210488B - Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-bauelementen, insbesondere von Tunnel-Diodenbzw. Esaki-Dioden, mit im Halbleiterkoerper eingebettetem PN-UEbergang - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIl

Deutsche KL: 21g-11/02

Nummer: 1210 488

Aktenzeichen: J 23881 VIII c/21 g

Anmeldetag: 15. Juni 1963

Auslegetag: 10. Februar 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Tunnel-Dioden bzw. Esaki-Dioden. Die Erfindung schließt dabei auch ein Verfahren zur Miniaturisierung der Halbleiterbauelemente und der Halbleiterfertigungsanlagen durch Erhöhung der Packungsdichte ein.

Bei der Fabrikation von Tunnel-Dioden kommt es sehr darauf an, daß man eine äußerst dünne PN-Übergangszone erreicht und daß die Möglichkeit gegeben ist, äußerst gedrängte Spitzenströme in diesen Halbleiterbauelementen zu erhalten. Bei der Anwendung der bisher in der Halbleitertechnik entwickelten, üblichen Verfahren haben sich jedoch erhebliche Schwierigkeiten herausgestellt. Diese Schwierigkeiten bestehen darin, daß die Erfordernisse einer schmalen und kleinen PN-Übergangsfläche mit den Erfordernissen eines mechanisch stabilen Endgebildes im Einklang stehen müssen.

Die gegenwärtig in weitem Umfange benutzten Legierungsverfahren zum Herstellen von Tunnel-Dioden erfordern einen Ätzverfahrensschritt zur Reinigung der Oberfläche, wobei der PN-Übergang oder die Spitzenstromkontrolle in einem sehr schmalen, mechanisch unstabilen Untersatz aus Halbleitermaterial, der zwischen Legierungspille und Kristallplättchen gehalten ist, entsteht.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich beim Bekannten darin, daß die Oberflächen-Leckeffekte nicht mehr vernachlässigbar sind, sobald Toleranzen in der Größenordnung von einigen Prozent vorgeschrieben sind. Dieser Fall ist z. B. bei der Herstellung von Tunnel-Dioden gegeben, die in Schaltungen von Rechenanlagen verwendet werden sollen.

Ein Mittel zur Schaffung mechanisch stabiler Tunnel-Diodeneinheiten ist die epitaktisch gezüchtete Heterokristallstruktur. Hierunter versteht man einen aus einem Stück bestehenden Kristallaufbau, welcher mehrere Halbleitermaterialien, die sich in ihren elektrischen Eigenschaften unterscheiden, vereinigt. In einer besonderen Anwendung dieses Prinzips wirkt eines dieser Materialien als isolierender Träger des aktiven Bauelements. Die verschiedenen Materialien wählt man nach ihrer kristallinen Verträglichkeit aus. Insbesondere ist schon eine epitaktisch gezüchtete Ge-GaAs-Struktur vorgeschlagen worden, in der das Gallium-Arsenid als Trägermaterial benutzt ist. Das aktive Bauelement ist dabei mit der tragenden Grundsubstanz zu einer Einheit gestaltet worden.

Ziel der Erfindung soll es sein, dieses System des heterokristallinen Aufbaus zu erweitern, um die engen Packungen von Bauelementen oder Reihen von Bau-

Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Tunnel-Dioden
bzw. Esaki-Dioden, mit im Halbleiterkörper
eingebettetem PN-Übergang

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. R. Schiering, Patentanwalt,

Böblingen (Würtl), Westerwaldweg 4

Als Erfinder benannt:

Richard Frederick Rutz,

Cold Spring, Putnam, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 18. Juni 1962 (203 211)

elementen, insbesondere solche mit Tunnel-Dioden-Übergängen, einzuschließen.
Wenn auch hier Tunnel-Dioden-Übergänge besonders erwähnt sind, so ist die Erfindung auch auf andere PN-Übergänge in Dioden und Transistoren anwendbar. Sie ist ebensogut anwendbar auf irgendein Halbleiterbauelement, das extrem schmale und kleine PN-Übergangsflächen und in Zusammenhang damit Oberflächenpassivierung verlangt. Der Erfindungsgedanke ist gleichfalls anwendbar auf einen Umstand, welcher eine dicht benachbarte Plazierung von Bauelementen verlangt, wie dies in den integrierten Schaltungen der Fall ist, wo eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit oder enge Packung von Schaltungen gewünscht wird.

Es ist ein Hauptziel der Erfindung, ein Halbleiterbauelement zu schaffen, das eine mechanische Festigkeit aufweist, während seine Konstruktion zugleich einen PN-Übergang von sehr schmaler wirksamer Fläche enthält. Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bauelements mit ausgezeichnetem Oberflächenschutz und insbesondere mit einer Isolierung des PN-Überganges von der Oberfläche des HaIbleiterkristalls. Ein anderes Ziel ist die Schaffung eines Halbleiterbauelements, ζ. B. einer Tunnel-Diode, die einen sehr kleinen Wert für die in Reihe liegende

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Induktanz und Widerstand aufweist. Noch ein anderes In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen die

Ziel ist die Schaffung von Reihen von Tunnel-Dioden gleichen Bauteile. Mit 1 ist danach ein Plättchen aus oder anderen Halbleiterbauelementen mit den vor- Gallium-Arsenid bezeichnet. Es hat vorzugsweise eine stehend aufgeführten Eigenschaften und Kennlinien. Dicke von 0,25 bis 0,38 mm. Das Material des Plätt-

Ein weiteres Ziel der Erfindung betrifft eine Dioden- 5 chens 1 ist vorteilhaft so ausgewählt, daß ein sehr hoher packung von derart kleiner Größe, daß sie unmittelbar spezifischer Widerstand in der Größenordnung von auf einem gedruckten Schaltungsbrett oder in anderen 10⁸ Ohm · cm zur Verfügung steht. Derartig hohe integrierten Schaltungen und Dioden-Kopfstücken spezifische Widerstände stehen jedoch in solchem verwendet werden kann. Ein anderes Ziel der Erfin- Material für ausreichende Materialmengen erst seit dung ist die Schaffung eines Fabrikationsverfahrens i° relativ kurzer Zeit zur Verfügung. Die Eigenschaften zur Bildung vollständiger Schaltungen, welche ver- eines solchen Materials sind von CH. Go och, schiedenartige Bauelemente enthalten. C. Hi 1 sum und B. R. Holeman unter der Be-

Für ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiter- zeichnung »Properties of Semi-Insulating GaAs« im bauelementen, insbesondere von Tunnel-Dioden bzw.* Journal of Applied Physics, Supplement to Vol. 32, Esaki-Dioden, mit im Halbleiterkörper eingebettetem 15 Nr. 10 (Oktober 1961) auf den Seiten 2069 bis 2073 PN-Übergang besteht danach die Erfindung darin, daß beschrieben.

in ein Halbleiterplättchen aus etwa eigenleitendem Nach F i g. 1 ist auf einer Oberfläche 2 des Plätt-

Galhum-Arsenid oder Zink-Selenid auf einer Ober- chens 1 eine konische oder pyramidenförmige Verflächenseite mindestens eine nach innen spitz zulaufende tiefung3 gebildet. Diese kann durch mechanisches Vertiefung mit der 111- bzw. der ΠΤ-Kristallfläche 20 Abtragen des Materials, durch Ätzen oder durch Ultraentsprechenden Seitenflächen eingearbeitet wird, daß schall-Kavitation- Sandstrahlbehandlung hergestellt danach auf die Seitenflächen der Vertiefung dotiertes werden. Die Vertiefung 3 kann bis zu einer Tiefe in das Halbleitermaterial des einen Leitfähigkeitstyps aufge- Material eindringen, die etwas kleiner ist als die Gebracht wird, daß an der Oberfläche der gegenüber- samtdicke des Plättchens 1, oder die Vertiefung 3 kann liegenden Seite des Halbleiterplättchens die Spitze der 25 auch das Plättchen 1 voll durchdringen.
Vertiefung freigelegt wird und daß daran anschließend F i g. 1A zeigt eine Seitenansicht der Struktur nach

diese Oberflächenseite mit einer Schicht aus dotiertem F i g. 1 im Querschnitt, jedoch in der umgekehrten Halbleitermaterial des anderen Leitfähigkeitstyps be- Lage. Der nächste Schritt in dem Verfahren nach einer deckt wird, die dann im Bereich der vorher freigelegten beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung be-Spitze den nach allen Seiten völlig eingebetteten 30 steht in der Ablage von stark dotiertem Germanium 4 PN-Übergang bildet. auf die Oberfläche 2 und in die Einsenkung 3 der

Die Verwendung einer oberflächenseitigen Vertiefung Gallium-Arsenid-Matrize hohen spezifischen Widerist bei PJN-Halbleiterbauelementen aus Germanium stands (vgl. Fig. IB). Dieses Germanium ist vom oder aus Silicium bereits bekannt. Diese Vertiefung Leitungstyp N+ und hat eine Dotierung von etwa führt zur Einbettung des PN-Überganges und dient 35 10¹⁹ Atomen pro Kubikzentimeter. Die Ablagerung beim Bekannten der Verkürzung des Abstandes der dieses Materials vom Leitungstyp N⁺ kann z. B. aus . beiden durch die eigenleitende Schicht getrennten der Dampfphase durch Trennung von einem HaIodotierten Halbleiterzonen innerhalb eines kleinen Ge- geniddampf erfolgen. Diese Dampfverbindung war bietes. Sie dient damit wiederum der Verbesserung des vorher durch Reaktion einer Menge Germaniums mit Frequenzverhaltens des Halbleiterbauelements. Bei der 40 einem Halogen-Transportelement zustande gekommen. Erfindung geht es insbesondere darum, ein Halbleiter- Einzelheiten dieser Halogenid-Niederschlagstechnik bauelement mit im Halbleiterkörper eingebetteten sind im IBM Journal of Research and Development, PN-Übergang zu schaffen, welches die Miniaturisie- Juli 1960, S. 248 bis 255, von J. C. Marinace rung bei integrierten Schaltungen fordert. Die Erfin- (»Epitaxial Vapor Growth of Ge Single Crystals in a dung hat dabei den Vorteil, daß der verringerte Raum- 45 Closed-Cycle Process«) beschrieben,
bedarf eine Steigerung der Packungsdichte, d. h. der Dieses besondere Verfahren gewährt den Vorteil der

Anzahl von Bauelementen pro Volumeinheit, ermög- Züchtung von Kristallschichten bei Temperaturen, die licht, wobei den Erfordernissen eines mechanisch genügend niedrig liegen, so daß die Diffusion des stabilen Endproduktes Rechnung getragen ist. wichtigen Dotierungsmittels relativ klein ist, was die

Die Erfindung sei nachstehend an Hand der schema- 50 Bildung der sehr scharfen PN-Übergänge, wie man sie tischen Zeichnungen für einige beispielsweise Ausfüh- bei Tunnel-Dioden braucht, ermöglicht. Die Dicke des rungsformen näher erläutert. " PN-Übergangs ist in diesen Fällen in der Größenord-

F i g. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines nach nung von 100 Ängströmeinheiten.
dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten In F i g. 1C ist der obere Teil des Gallium-Arsenid-

Halbleiterplättchens; 55 Plättchens geläppt oder geätzt, bis die Spitze 5 des ab-

F i g. IA bis IE sind verschiedene Ansichten der in gelagerten Germaniums in der Vertiefung 3 freigelegt den verschiedenen Fabrikationsstufen des Verfahrens ist. Wo Germanium auf oder in einer Gallium-Arsenidnach der Erfindung gewonnenen Halbleiterstrukturen; Matrize abgelagert ist, sind die Spitzen infolge der ver-

F i g. 2 A bis 2 C sind Ansichten einer Diodenreihe in schiedenen Reflexionsfähigkeiten von Gallium-Arsenid verschiedenen Stufen der Weiterbildung; 60 und Germanium sehr leicht zu bemerken.

F i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Der Läppvorgang bzw. der Ätzvorgang wird bis zu

Erfindung unter Verwendung eines Legierungs-Pillen- einer Tiefe durchgeführt, die in F i g. 1C durch die kontaktes; Linie 6 dargestellt ist. Im Anschluß hieran wird auf

Fig. 4Äund4B zeigen Teile einer Halbleiterkonfi- die geläppte bzw. geätzte Seite des Plättchens stark

guration gemäß einer Weiterbildung des Erfindungs- 65 dotiertes Germanium mit einer Konzentration in der

gedankens; Größenordnung von z.B. 10¹⁹Atomen pro Kubik-

F i g. 5 zeigt eine Strom-Spannungs-Kennlinie für Zentimeter aufgetragen. Das aufgetragene Germanium?

eine besondere Tunnel-Diode gemäß der Erfindung. ist im Falle des Beispiels vom Leitungstyp P⁺. Die

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Ablagerung des Germaniums 7 kann dabei entweder und Ätz-Maskenverfahren, durch Elektronenstrahlenaus der Dampfphase gemäß dem vorstehend zitierten bombardierung oder durch Verwendung von Laser-Verfahren oder durch Kristallwachsen aus der Lösung strahlen gebildet werden. Wahlweise lassen sich auch bei einem anderen Tieftemperaturprozeß erfolgen. andere Standardmethoden, einschließlich dem Sand-Auf diese Weise kommt (vgl. F i g. 1 D) an der 5 strahlverfahren, der Funkenentladung usw. anwenden. Stelle 8 ein P+N+-Übergang im Germanium zustande. Durch die Bildung der gleichmäßig definierten, In Verbindung von F i g. 1 mit F i g. 1D läßt sich schmalen Flächenöffnungen als eine Alternative zu erkennen, daß der P+N+-Übergang 8 völlig einge- dem Verfahren, das an Hand der F i g. 1 bis IE bekapselt ist in der mit hohem spezifischem Widerstand schrieben wurde, wird ein weiterer Vorteil gewonnen, ausgerüsteten Gallium-Arsenid-Matrize, so daß kein "> welcher darin besteht, daß ein Abtrieb in höherem Teil des Übergangs 8 zwischen den hochdotierten Maße in jeder folgenden Läppverfahrensstufe erlaubt Zonen 4 und 7 an einer äußeren Oberfläche erscheint. ist, weil das Läppen nicht genau parallel zur unteren Obgleich aus Gründen einer vereinfachten Dar- Oberfläche der Matrize stattfindet. Nach der Herstelstellung in den Zeichnungen das Plättchen zu einer lung der schmalen Flächenaperturen wird zuerst einzelnen Einheit verarbeitet ist, soll die Erfindung 15 Germanium vom Leitungstyp P⁺in die Matrize abgenicht hierauf beschränkt sein. Vielmehr ist die Her- lagert, darauf folgt der Niederschlag von Germanium stellung ganzer Reihen, z. B. für Speicheroberflächen des Leitungstyps N⁺, wie aus den F i g. 2B und 2C zu in Rechenanlagen, von Tunnel-Dioden oder anderen ersehen ist.

höherentwickelten Halbleiterbauelementen gleichzeitig Bei der Anpassung an besondere Strukturen kann möglich. Dort, wo eine große Reihe von Bauelementen 2° man auch Vorteile ziehen aus der Tatsache, daß vergleichzeitig hergestellt wird und individuelle Dioden schiedene Halbleitermaterialien sich in äußerst unterverlangt werden, kann die große Reihe in kleine Zylin- schiedlichem Ausmaße mit einem gegebenen Ätzmittel der, wie in F i g. 1E gezeigt, aufgeschnitten werden. ätzen lassen und daß verschiedene Leitfähigkeiten und Ganze Schaltungen, die aus verschiedenartigen Bau- Leitfähigkeitstypen eines gegebenen Halbleiters auch elementen zusammengesetzt sind, können auch durch 25 verschiedene Ätzwirkungen zeigen. So lassen sich z. B. Anwendung der Maskenmethode und durch besondere beim elektrolytischen Ätzen mit verdünntem Ätzkali Ätzverfahren hergestellt werden. hochdotierte Zonen viel schneller ätzen als leicht

Eine wichtige Bedeutung besteht für viele Schal- dotierte Zonen.

tungen, insbesondere für viele Schaltungen in Rechen- Auf diese Weise kann im Falle des dargestellten Ausanlagen, darin, daß die Charakteristiken der Bauele- 30 führungsbeispiels, nachdem Germanium vom Typ P⁺ mente bis zu extrem engen Toleranzen kontrollierbar in und rings um die Gallium-Arsenid-Matrize niedersind. Zum Beispiel wird bei Rechenschaltungen mit geschlagen worden ist und der Germaniumüberschuß Tunnel-Dioden oft verlangt, daß die Spitzenströme entfernt wurde, damit eine Struktur gemäß F i g. 2 B innerhalb weniger Prozente eines Muster-Mittelwertes erreicht wird, das Germanium vom Typ P⁺ an der gehalten werden können. Im Falle der Tunnel-Diode 35 Spitze der Einsenkung, d. h. am oberen Teil der Obersind die Spitzenströme bestimmt durch die Fläche des fläche der Struktur nach F i g. 2 B, geätzt werden, um PN-Übergangs und durch den Dotierungspegel der die Bildung des P+N+-Übergangs tiefer innerhalb der N- und P-Zonen. Die Flächenkontrolle ist ein ernstes Matrize zu ermöglichen. Dies ist in Fig. 2B durch Problem. Dieses kann aber im vorliegenden Falle durch Strichlinien angedeutet. Damit kann man den Serieneine leicht abgewandelte Technik gelöst werden. Da- 40 widerstand leicht regulieren. Im Bedarfsfalle kann man nach werden die ursprünglich geformten Vertiefungen das Ätzen genügend weit bis in die Pyramide fortbis zu einer Tiefe hergestellt, welche kleiner ist als die schreiten lassen, um den Bereich des P+N+-Übergangs Tiefe des isolierenden Plättchens, und dann wird die zu regulieren. Mit der Verwendung einer elektrolyti-, Durchdringung durch das Plättchen durch Anwendung sehen KOH-Ätzung, bei der die Höhe des Stromes einer gut kontrollierten, alternierenden Technologie 45 natürlich auf die zu ätzende Fläche bezogen ist, ist eine vervollständigt. Kalibrierung der Fläche möglich.

Diese alternierende Verwendung einer feinkontrol- Wenn auch im besonderen Beispiel nach Fig. 2B lierten Technik als Mittel zum Erreichen einer gleich- die anfängliche Ablagerung von Germanium vom förmig schmalen oder kleinen Fläche ist in den Leitungstyp P⁺ herausgestellt ist, sollte man die Ab-F i g. 2A, 2B und 2C illustriert. 50 lagerung von Gallium-Arsenid vorziehen. Die Schwie-In F i g. 2 A ist eine Seitenansicht einer typischen rigkeit des Beobachtens eines Unterschieds zwischen Gruppe mit bestimmenden Vertiefungen in einer dem niedergeschlagenen Gallium-Arsenid-Material und strukturellen Anordnung gezeigt. Die Matrize besteht dem Gallium-Arsenid-Matrizenmaterial^kann durch wiederum aus Gallium-Arsenid von hohem spezifi- den Gebrauch eines elektrolytischen Ätzverfahrens schem Widerstand, wie schon an Hand der Fig. 1 55 behoben werden, um die Grenze des niedergeschlagebis 1E beschrieben wurde. Vertiefungen 3 oder Ein- nen Gallium-Arsenid-Materials im Kontrast zu dem Senkungen oder Kerben sind durch eine Oberfläche Matrizenmaterial zu enthüllen, dieser einen hohen spezifischen Widerstand aufweisen- Die einzelne Baueinheit nach F i g. IE, die besonden Matrize aus Gallium-Arsenid gebildet. Im Falle ders hergestellt worden war oder aus einer Reihe von des Beispiels nach F i g. 2A sind indessen die Ein- 60 massenweise fabrizierten Bauelementen herausgesenkungen 3 zuerst bis auf eine Tiefe hergestellt, wie schnitten worden ist, wird durch ein Standardversie die F i g. 2 A zeigt. Danach werden schmale Be- fahren weiterbehandelt, bei dem der obere und der reiche mit zylindrischen Öffnungen durch die gegen- untere Teil der Oberflächen der Vorrichtungen metalliüberliegende Oberfläche der Hochwiderstandsmatrize siert werden, d. h. bei dem diese Oberflächen mit gebildet, wie dies F i g. 2 B zeigt. 65 einem geeigneten Material versehen werden, um die Dieses schmale Öffnungsgebiet in der Größenord- ohmschen Kontakte 9 und 10 zu bilden. Die Leitungen nung von 0,025 mm oder weniger kann mit -dem 11 und 12 sind in der üblichen Weise an den ohmschen normalen, an sich bekannten, Photoschutzmassen- Kontakten 9 und 10 befestigt.

Die in F i g. 1E dargestellte Vorrichtung ist ein Endprodukt und kann unmittelbar in Schaltungen verwendet werden. Da nur dünne Schichten niedergeschlagenen Materials verwendet werden und die Kontaktauflage aus Metall besteht, wird ein sehr niedriger Serienwiderstand erhalten. Die dargestellte Geometrie ermöglicht auch, zu extrem niedrigen Induktivitäten zu gelangen.

Die Wahl des isolierenden Materials beeinflußt wegen der Dielektrizitätskonstante die Kapazität. Man kann das in den verschiedenen Beispielen verwendete Gallium-Arsenid z. B. durch Zink-Selenid, das im wesentlichen dieselbe Gitterkonstante hat, aber eine geringere Dielektrizitätskonstante aufweist, im Bedarfsfalle ersetzen. Die Wahl des isolierenden Materials beeinflußt auch den Parallelwiderstand oder den Leckwiderstand, was der Verschiedenartigkeit der Mechanismen, z. B. PJN-Durchbruch, Halbleiterkörperlecks oder Oberfiächenlecks, zuzuschreiben ist. Diese sind alle abhängig der Größe nach von den detaillierten Eigenschaften des gewählten Isolators.

Nach einer abgewandelten Methode bei der Bildung des entartet dotierten Materials, das zur Erzeugung des den Tunneleffekt aufweisenden PN-Übergangs gebraucht wird, wird zuerst ein halbwegs hochdotiertes Germanium, z.B. vom N-Typ, in die Einkerbungen gemäß F i g. 2 B abgelagert. Dieses Verfahren entspricht auch der oben an Hand der Fig. IB beschriebenen Methode. Das Plättchen wird dann geläppt, bis sich die konische Vertiefung zeigte. Aber die Muster werden dann z. B. in einer Arsen-Atmosphäre untergebracht, wo das Arsen in die freigelegte Spitze hineindiffundieren kann, bis das Germanium stark N-leitend wird. Darauf wird wieder, wie bereits beschrieben wurde, die obere Schicht des Germaniums vom Leitungstyp P⁺ wahlweise durch Züchten aus dem Dampf oder aus der Lösung gebildet.

Obgleich auf den Niederschlag von Germanium auf oder in eine Gallium-Arsenid-Matrize hingewiesen wurde, kann auch das Gallium-Arsenid für den Gesamtaufbau verwendet werden. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann auch das Gallium-Arsenid in die Vertiefungen der einen hohen Widerstand aufweisenden Matrize abgelagert und ein Hetero-PN-Übergang gebildet werden, welcher bestimmt ist durch die freigelegte Spitze des anfänglich niedergeschlagenen Gallium-Arsenids und einer Menge von Germanium, die auf den oberen Flächenteil der Struktur abgelagert ist. Auf diese Weise kann das aktive Bauelement mit dem PN-Übergang teilweise oder ganz aus Gallium-Arsenid hergestellt werden. Es können auch andere Kombinationen von Halbleitern verwendet werden, soweit sie im epitaktischen Sinne miteinander vertraglieh sind.

Weiterhin können durch zusätzliche Schichten, durch passendes Ändern des elektrischen Widerstands der niedergeschlagenen Schichten und durch zusatzliehe Elektroden Transistoren oder kompliziertere Bauelemente gebaut werden.

In F i g. 3 ist eine andere Modifikation in einer in vielfacher Hinsicht ähnlichen Weise behandelt wie im Falle der F i g. 1 bis 1 E. An Stelle des Niederschiagens von Germanium in die vorher gebildete Vertiefung ist hier eine Menge von Gallium-Arsenid vom Leitungstyp P⁺ in die Vertiefung abgelagert worden. Nach dem Abtragen des Plättchenmaterials im Läppverfahren bis zur Freilegung der Spitze der Einsenkung wird eine mit Zinn dotierte Legierungspille über die freigelegte Spitze gesetzt. Das Ganze wird dann in einem an sich bekannten Verfahren erhitzt. Das in der Pille enthaltene Zinn macht als Dotierungsmittel das Gallium-Arsenid zum N-Typleiter. Wegen der hohen Konzentration des verwendeten Zinns wird beim Heizen und der darauffolgenden Rekristallisation eine legierte Zone 13 im Kontakt mit der vorher gebildeten P⁺-Zone erzeugt. Es entsteht damit ein P⁺N+-Übergang des Gallium-Arsenide, der den Tunneleffekt aufweist.

*° Da Gallium-Arsenid, aus dem die musterhafte Matrize in den verschiedenen Ausführungsformen besteht, ein polarer Kristall ist, kann man auch Vorteile ziehen aus der bevorzugten Ätzbehandlung bei der Anpassung der Vertiefungen 3. Wenn z. B. die Seiten einer vierseitigen Pyramide aus 111- und TTf-Flächen gemäß Fig. 4 Abestehen, dann ergeben sich Ätzungen (5 Teile NaOH, 1 Teil H₂O₂), welche bevorzugt diesen Ebenen folgen. Diese ergeben eine stark zugespitzte Kante am Boden der Vertiefungen.

Eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens läßt sich nach F i g. 4 B erreichen, wenn die Vertiefungen muldenartig sind und einen dreieckigen Querschnitt aufweisen und wenn sie durch besonderes Ätzen spitze Senken 14 α und 146 bilden. Nach dem Ablagern von Germanium und dem Füllen mit Metall erhält man an den Kreuzungen 15 Dioden. Die Auskleidungen der Mulden mit Metall wirken als Verbindungsdrähte der getrennten Dioden. Die Mulde kann wahlweise vollständig mit niedergeschlagenem entartet dotiertem Germanium gefüllt werden und kann selbst wie ein Leitungsdraht wirken, obgleich ein größerer Querschnitt benötigt werden wird als im Falle der Metallauskleidung bei gleichen elektrischen Verlusten. Diese Abänderung eignet sich für die Zusammenschaltung von Bauelementenreihen.

Um die Spitzenströme auf vorher festgelegte Werte abZugleichen^stesVorteilhaf^WennmandieP^^N^Ubergangsflachen derart ausbildet, daß hierfür die Spitzenströme für jede von ihnen die Anweisung überschreitet. Dann erfolgt eine Wärmebehandlung der Dioden, so daß eine atomische Umlagerung an der Diodengrenzfläche eintritt, wodurch die einen Tunnelstrom aufweisende Spitze durch Erweiterung des P+N+-Übergangs herabgesetzt wird, bis die Anweisung erfüllt ist. Es ist auf diese Weise möglich, den tunnelnden Strom experimentell durch Wärmebehandlung der Gesamtvorrichtung bei einigen hundert Grad Celsius während weniger Minuten zu ändern.

In F i g. 5 ist die Strom-Spannungs-Kennlinie gezeigt, wie man sie für einen erfindungsgemäß »eingebetteten« Tunnel-PN-Übergang erhält. Es sei bemerkt, daß ein Spitzenstrom von etwa 50 Milliampere und ein Talstrom von etwa 5 Milliampere bei dem Bauelement nach der Erfindung erreicht wird. Mit dieser typischen Bauelementeinheit kommt man zu einer Kapazität von etwa 47 μαΡ. Damit ergibt sich ein Verhältnis von J_v zu C, das annähernd 1 ist. Dieser Wert muß als ein ausgezeichnetes und verdienstvolles Ergebnis betrachtet werden. Dieses Ergebnis entspricht einer Schaltgeschwindigkeit in der GrößenOrdnung von einer Nanosekunde und weniger für die besondere Bauelementeinheit. Mit anderen typischen Einheiten, die in ähnlicher Weise nach dem Verfahren gemäß der Erfindung fabriziert wurden, konnten sogar extrem niedrige Werte dieses Verhältnisses in der Größenordnung von 0,3 erreicht werden.

Mit der Erfindung ist eine neue Fabrikationstechnik und Kapselung von Halbleiterbauelementen,

insbesondere von Tunnel-Dioden gewonnen worden. Diese Technik gründet sich teilweise auf den erwünschten Zustand bei der Züchtung von PN-Übergängen und komplexen Reihen von PN-Übergängen bei ungleichen Halbleiterbauelementen. Die besondere Wahl S des Materials nach einer Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist auf die Tatsache gegründet, daß diese Materialien höchst vielseitig sind, so daß praktisch alle gegenwärtig bekannten nützlichen Halbleiterbauelemente aus ihnen hergestellt werden können. Die Gitterkonstanten und die thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieser Materialien sind eng angepaßt.

Weiterhin wird mit der Verwendung von Gallium-Arsenid als Matrize ein hoch isolierender Träger für Vorrichtungen geliefert, die sonst mechanisch zu schwach in der Konstruktion werden. Andere halbleitende und isolierende Materiahen, die untereinander epitaktisch verträglich sind, sind auch brauchbar.

Die Erfindung ermöglicht die Erzielung eines sehr scharfen PN-Überganges, in der Größenordnung von 100 Ängströmeinheiten, was ein Erfordernis für die Erreichung der Eigenschaft des negativen Widerstands in der Kennlinie der Tunnel-Diode ist. Obgleich konventionelle Legierungsverfahren bei der Produktion scharfer PN-Übergänge in Tunnel-Dioden verwendet worden sind, haben die diesen Verfahren innewohnenden Schwierigkeiten die Entwicklung der Technik für die Erreichung stabiler und zuverlässiger Bauelemente gehindert.

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Tunnel-Dioden bzw. Esaki-Dioden, mit im Halbleiterkörper eingebettetem PN-Übergang, dadurch ge kenn- · zeichnet, daß in ein Halbleiterplättchen (1) aus etwa eigenleitendem GaUium-Arsenid oder Zink-Selenid auf einer Oberflächenseite mindestens eine nach innen spitz zulaufende Vertiefung (3) mit der 111- bzw. der ΤΤΪ-Kristallfläche entsprechenden Seitenflächen eingearbeitet wird, daß danach auf die Seitenflächen der Vertiefung (3) dotiertes Halbleitermaterial (4) des einen Leitfähigkeitstyps aufgebracht wird, daß an der Oberfläche der gegenüberhegenden Seite des HaIbleiterplättchens (1) die Spitze (5) der Vertiefung (3) freigelegt wird und daß daran anschließend diese Oberflächenseite mit einer Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial (7) des anderen Leitfähigkeitstyps bedeckt wird, die dann im Bereich der vorher freigelegten Spitze (5) den nach allen Seiten völlig eingebetteten PN-Übergang (8) bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Halbleiterplättchen (1) ein halbleitendes Material verwendet wird, dessen spezifischer Widerstand in der Größenordnung von 10⁸ Ohm · cm ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Halbleiterplättchens von 0,25 bis 0,38 mm gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (3) konisch oder pyramidenförmig gestaltet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (3) bis zu einer Tiefe in das Plättchenmaterial eingebracht wird, die nur wenig kleiner ist als die Gesamtdicke des Plättchens (1).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Oberflächenseiten des Plättchens (1) längliche, sich nach innen verjüngende Vertiefungsrillen (14 a, 14 b) so eingearbeitet werden, daß die obenhegende Vertiefungsrille (14 a) die untenliegende Vertiefungsrille (14Z>) kreuzt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Vertiefung (3) und auf die Oberfläche mit der freigelegten Spitze (5) halbleitendes Germanium verschiedenen Leitfähigkeitstyps aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Vertiefung (3) und auf die Oberfläche mit der freigelegten Spitze (5) entartet dotiertes Halbleitermaterial verschiedenen Leitfähigkeitstyps zur Ablage gebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstoffkonzentration in dem abgelagerten Germanium etwa 10¹⁹ Dotierungsatome pro Kubikzentimeter gewählt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (5) der Vertiefung (3) als eine zylindrische Öffnung ausgebildet wird, die zur gegenüberliegenden Oberfläche des Plättchens (1) ausläuft.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der zylindrischen Öffnung zu etwa 0,025 mm gewählt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 8, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Vertiefung (3) und auf der freigelegten Oberfläche abgelagerte Halbleitermaterial aus dotiertem Gallium-Arsenid verschiedenen Leitfähigkeitstyps besteht.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 8, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß an der vorher freigelegten Spitze (5) der Vertiefung (3) ein tunnelnder P+N+-Übergang im Gallium-Arsenid-Material gebildet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

13, dadurch gekennzeichnet, daß bei länglicher Ausbildung der Vertiefungen (14 a, 14 δ) in diese Vertiefungen eine metallische Auskleidung eingelegt wird, die als Zuleitung benutzbar ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablagern des halbleitenden Materials in der Vertiefung (3) bzw. auf der Oberfläche mit der frei-, 'gelegten Spitze (5) durch epitaktischen Niederschlag aus der Dampfphase durchgeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 3 008 089;
französische Patentschrift Nr. 1 228 530;
Solid State Physics in Electronics and Telecommunication, London, 1960, Vol. 2, S. 1110 bis 1113.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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