DE1514727A1

DE1514727A1 - Production of pn junctions by plastic deformation of semiconductors

Info

Publication number: DE1514727A1
Application number: DE19651514727
Authority: DE
Inventors: Schaefer Dipl-Phys Siegfried
Original assignee: SCHAEFER DIPL PHYS SIEGFRIED
Current assignee: SCHAEFER DIPL PHYS SIEGFRIED
Priority date: 1965-09-30
Filing date: 1965-09-30
Publication date: 1969-06-19

Description

Herstellung von p-n-Übergängen durch plastische Verformung von Halbleitern Anwendungsgebiet der Erfindung Das angegebene Verfahren eignet sich zur Herstellung von Halbleiterbauelementen (Dioden, Transistoren) aus Germanium und Silizium.Production of pn junctions by plastic deformation of semiconductors Field of application of the invention The specified method is suitable for the production of semiconductor components (diodes, transistors) from germanium and silicon.

Technische Aufgabe Ein p-n-Übergang in Halbleitern ist dadurch charakterie siegt, daß ein Halbleitereinkristall mit Elektronenleitung:(n-Typ) mechanisch- fest und elektrisch störungsfrei -- in einen Einkristall mit lücherleitung (p-Typ) übergeht. Bekannte Herstellungsverfahren Die p-n-Übergänge werden heute durch Verändern der Dotierung beim Ziehen der Einkristalle hergestellt, durch Einlegieren oder Eindiffundieren der Störatome.Technical task A p-n junction in semiconductors is characteristic of this wins that a semiconductor single crystal with electron conduction: (n-type) mechanically strong and electrically interference-free - merges into a single crystal with a Lueche line (p-type). Known Manufacturing Processes The p-n junctions are made today by changing the Doping produced when pulling the single crystals, by alloying or diffusing in of the impurity atoms.

-Literatur: . 1.) W. (rruggenbühl u.a., Halbleiterbauelemente I S.-175-188, Birkhäuserverlag Basel 1964. -2.) K. Seiler, Physik und Technik der Halbleiter S. 81 - 90, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Me B: H. Stuttgart 1964 Kurze zusammenfassende Beschreibung Es ist bekannt, daß die bei Raumtemperatur-spröden Halb- , Leiter bei hohen Temperaturen plastisch verformbar werden (Schäfer u.a., Phys. stat. solid. #., 247 (1964), B. Reppich u.a.Acta Met. 12, 128:3 (1964)). Ferner werden in der Literatur Verfahren angegeben, die es gestatten, durch 'Schleifen, Zäppen und anschließendem chemi- . sehen Polieren eine sehr glatte Oberfläche herzustellen* ,- (17.W. - Tyler und W.0. Dash, "Dislocation Arrays in Germanium" J. Appl. Phys.,- 28, 1221 - 1224 (1957); T.1. Johnston, 0.H. Ei und C.I. Knudson "Spinal Etch Pits in Silicon'l, J. Appl. Phys.l 28, 746 (1957)i _ ' Eine solche glatte Oberfläche wird an einem Stück p-Hglbl.eiter und einem Stück u:Halbleiter hergestellt. Die kristallographigche Zage. der Flächen ist beliebig.- Die Halbleiterstücken werden mit ihre: polierten Flächen aufeinandergelegt (Abb. 1). Wird jetzt die Temperatur erhöht und eine plastische von mindestens 0920,49 auogeführt, erhält man eire mechanisch feste Verbindung zwischen p-Halbleiter und n-Halbleiter.-Literature:. 1.) W. (rruggenbühl et al., Semiconductor components I pp-175-188, Birkhäuserverlag Basel 1964. -2.) K. Seiler, Physics and Technology of Semiconductors pp. 81 - 90, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Me B: H. Stuttgart 1964 Brief summary description It is known that semi-conductors, which are brittle at room temperature, become plastically deformable at high temperatures (Schäfer et al., Phys. Stat. Solid. #., 247 (1964), B. Reppich et al. Acta Met. 12, 128 : 3 (1964)). Furthermore, methods are given in the literature that allow 'grinding, tapping and then chemical. see polishing to produce a very smooth surface *, - (17.W. - Tyler and W.0. Dash, "Dislocation Arrays in Germanium" J. Appl. Phys., - 28, 1221-1224 (1957); T.1 . Johnston, 0.H. Ei and CI Knudson "Spinal Etch Pits in Silicon'l, J. Appl. Phys. L 28, 746 (1957) i _ 'Such a smooth surface is made on a piece of p-Hglbl.leiter and One piece: Semiconductor manufactured. The crystallographic shape of the surfaces is arbitrary.- The semiconductor pieces are placed on top of one another with their polished surfaces (Fig. 1). If the temperature is now increased and a plastic of at least 0920.49 is achieved, eire is obtained mechanically strong connection between p-semiconductors and n-semiconductors.

Der auf diese weise hergestellte p-n-Übergang zeigt auch die üblichen elektrischen Eigenschaften: In einer Richtung wird der Strom durchgelassen, in der anderen fließt nur ein kleiner Sperrstrom. Abbö 2 zeigt die Kennlinie eines solchen p-n-Übergangs bei Germanium (parn = 1017Atome/cm3). Ein Halbleiterbauelement mit dieser Kennlinie ist ein Gleichrichter-Ausführliche Beschreibung 1.) Herstellung einer glatten Oberfläche durch Schleifen. Die Halbleiteroberflächen werden auf mechanischem Wege durch Schleifen und: Zäppen so glatt wie möglich gemacht. Die Proben .werden zunächet auf Schmirgelpapier geschli±fen, wobei man vorm grober Körnung (50°10-3mm) zu immer feinerer Körnung (bis 5#10-3mm) übergeht. Dann erfolgt ein Feinschleifen (Läppen) -auf einer ratierendei Schleifscheibe (250U/min), wobei man als Schmirgel biaxaantpaste mit abnehmender Kör-' ,wobei verwendet, (;3 - O! 25. 10 mm)-. 2.) Chemisches Poliren der Oberflächen. ,, Im Anschluß an das läppert werden die Proben chemisch poliert. Der chemische Poliervorgang ist für die einzelnen Halbleiter verschieden. -Germanium: _ -30 Minuten in °10m1 HF (40%) + 1m1 HNO3 (65ö), -dann abspülen mit '9asser und 5-10 Sekunden in "Superoxol",- d.h. 10 ml HF WA + 10 ml- H202 (30g) + 33 ml H20. Silizium: -2-3 Minuten in 20.m1 HNO3 (rauchend) + 10 ml HF (40%) + 10 ml Eisessig (96%)-# _ -Die Fläche muß sichtoptisch rein und glatt sein. Ist das nicht: der Fall" muß nochmals geläppt werden. Wirkt das Poliermittel zu stark] wird der Zusatz von Eisessig empfohlen® 3) Ausführung der plastischen Verformung Unter plastischer Verformung versteht man die bleibende Formänderung nach vorhergegangener Belastung. Als Maß für die Verformung wird die relative Längenänderung in Druckrichtung in % angegeben: -(io -- l)/lo # 1oo%-lo = Ausgangslänge vier Probe -1 = Länge nach plastischer Verformung Die plastische Verformung kann entweder bei konstanter Normalspannung S = G/7 (G = auf den p-z2-tbergang wirkendes Gewichtg F = Fläche. des p-n-Überganges) oder bei ,konstanter Verformungsgeschwindgkeit v = Vorschub/Zeit erfolgen: Im ersten Fall spricht man von statischer im zweiten'Fall von dynamischer Versuchsführung. Eine Apparatur tür dynamische Versuchsführung wunde von Schäfer (Diplomarbeit Göttingen . 19&3) und eine Apparatur für. statische Versuchsführung von KBerner (Diplomarbeit Göttingen 1955) beschrieben. . Im folgenden sei eine Druckapparatur für statische Versuchsfü. hrung anhand der Abb. 1 erläutern An der Grundplatte (16).ist der untere Stempel (15) festgeschraubt. Ihm gegenüber befindet sich der bewegliche . Stempel (13), der die obere Platte (9) trägt, auf dieser arm geführt. Der Eisenstift (1) ändert bei Bewegung d-es Stempele den magnetischen Fluß der Spule (2). Mit Hilfe dieses :induktiven Gebers können Längenänderungen bis 10-3 mm gemessen werden. Die Stempel sind von einem Quarzrohr (4) umgeben, das an der oberen Platte und dem unteren Stempel gasdicht befestigt werden kann. Das Quarzrohr wiederum ist Ton einem aufklappbaren elektrischen Ofen (15) umgeben. Das Schutzgas (He oder-Ar) wird bei (7) eingeführt und bei (12) ausgeführt. (10) stellt eine reibungsarme .Plüsäigkeitsdichtung dar: Eine am oberen beweglichen Stem-pel befestigte Dose taucht in eine Flüssigkeit, die sich in einem Gefäß befindet,-das auf der mittleren platte befestigt ist und von zwei. Dosen mit verschiedenem Radius gebildet wird._ Die Proben., ein stück p-Halbleiter, das auf einem Stück n-Halbleiter liegt (14), befinden eich zwischen den Stempeln. Zwischen Probe und Stempel liegt ein Graphitplättchen Germanium ist ab 400°0, Silizium ab 'i00°0 plastisch verformbar. Heizt man die Proben oberhalb dieser Temperaturen auf und verformt sie mindestens 092%p haften p- und n-Halbleiter mechanisch fest aneinander, und der p-n-über#-gang zeigt die üblichen elektrischen Eigenschaften (Abb. 2) Hat man eine weniger gute Oberfläche erhalten (etwa durch I'artlassen des chemischen Polierens) , kann man durch stärkere plastische Verformung doch noch einen einwandfreien R@..U'-aübergang erhalten. steht ein Gewicht (8). Der bewegliche Stempel wird von der raumfesten mittleren Platte (3) durch Rollage@lllibungs- Besonders:-gute Ergebnisse wurden bei folgenden Verf-ormungadaten erzielt (F-= Fläche des p-n-Überganges in mm2) Halbleiter Temperatur (00)' Gewicht (kp) Verformun s- Verformun s- dauer(minl grad @@ Germanium _ 600 1 F 10 0,2 ir 600 2 F 1 5 095 @@ 660 2 F 15 - 192 n 760 2 F 15 590 8.00 a` 2 F 10 790 Silizium 1000 ,. 2.F 10 3,0 Vorteile gegenüber dem.Stand der Technik 1.) Das-beschriebene Verfahren kann-mit allen heute üblichen Verfahren in Konkurrenz treten, die die Herstelluni von p-n-Übergängen in Halbleitern .betreffen,.da es gegenüber diesen eine Zeitersparnis bringt. Die plastische Verformung läuft in-15min ab, wenn die Verformungstemperatur erreicht ist. Diese braucht nicht sehr genau eingestellt zu werden. legierungsverfahren erfordern eine genaue Temperatureinstellung, und Diffusionsverfahrensdauern über Stunden.The pn junction produced in this way also shows the usual electrical properties: the current is allowed to pass in one direction, while only a small reverse current flows in the other. Fig. 2 shows the characteristic of such a pn junction for germanium (parn = 1017 atoms / cm3). A semiconductor component with this characteristic is a rectifier-Detailed description 1.) Production of a smooth surface by grinding. The semiconductor surfaces are made as smooth as possible by mechanical means by grinding and: zapping. The samples are first sanded on emery paper, changing from a coarse grain size (50 ° 10-3mm) to an increasingly fine grain size (up to 5 # 10-3mm). Then there is a fine grinding (lapping) -on a ratierendei grinding wheel (250U / min), being used as emery biaxaant paste with decreasing grain- ', being used (; 3 - O! 25.10 mm) -. 2.) Chemical polishing of the surfaces. “Following the lapping, the samples are chemically polished. The chemical polishing process is different for the individual semiconductors. -Germanium: _ -30 minutes in ° 10m1 HF (40%) + 1m1 HNO3 (65ö), -then rinse with water and 5-10 seconds in "Superoxol", - ie 10 ml HF WA + 10 ml- H202 ( 30g) + 33 ml H20. Silicon: -2-3 minutes in 20.m1 HNO3 (smoking) + 10 ml HF (40%) + 10 ml glacial acetic acid (96%) - # _ -The surface must be visually clean and smooth. If that is not the case: "You have to lap it again. If the polishing agent has too strong an effect], the addition of glacial acetic acid is recommended relative change in length in compression direction given in%: - (io - l) / lo # 1oo% -lo = initial length four specimen -1 = length after plastic deformation The plastic deformation can either be at constant normal stress S = G / 7 (G = on The weight acting on the p-z2 transition F = area of the pn transition) or at constant deformation speed v = feed / time: In the first case one speaks of static, in the second case of dynamic testing von Schäfer (diploma thesis Göttingen. 19 & 3) and an apparatus for static experimentation by KBerner (diploma thesis Göttingen 1955) jerk apparatus for static test feet Explain with reference to Fig. 1 The lower punch (15) is screwed onto the base plate (16). Opposite it is the movable one. Stamp (13), which carries the upper plate (9), guided on this arm. The iron pin (1) changes the magnetic flux of the coil (2) when the punch moves. With the help of this: inductive encoder, changes in length of up to 10-3 mm can be measured. The stamps are surrounded by a quartz tube (4) which can be attached to the upper plate and the lower stamp in a gas-tight manner. The quartz tube is in turn surrounded by a hinged electric furnace (15). The protective gas (He or -Ar) is introduced at (7) and carried out at (12). (10) constitutes a low-friction .Plüsäigkeitsdichtung: A pel fixed to the upper movable Stem- box immersed in a liquid contained in a vessel, -the is fixed on the middle plate and of two. Doses with different radius is formed. _ The samples., A piece of p-semiconductor, which lies on a piece of n-semiconductor (14), are located between the punches. A graphite platelet lies between the sample and the stamp. Germanium is plastically deformable from 400 ° 0, silicon from 100 ° 0. If the samples are heated above these temperatures and they are deformed at least 092% p p- and n-semiconductors adhere firmly to one another mechanically, and the pn-over # transition shows the usual electrical properties (Fig. 2) If the surface is not as good obtained (for example by letting chemical polishing start), a flawless R @ .. U'-transition can still be obtained through stronger plastic deformation. there is a weight (8). The movable stamp is made of of the fixed central plate (3) by means of a roll-up @ lllibungs- Particularly: -good results were achieved with the following deformation data (F- = area of the pn junction in mm2) Semiconductor temperature (00) 'Weight (kp) Deformation- Deformation- duration (minl grad @@ Germanium _ 600 1 F 10 0.2 ir 600 2 F 1 5 095 @@ 660 2 F 15 - 192 n 760 2 F 15 590 8.00 a` 2 F 10 790 Silicon 10 0 0,. 2.F 10 3.0 Advantages over the prior art 1.) The process described can compete with all processes customary today which concern the production of pn junctions in semiconductors, since it saves time compared to these. The plastic deformation takes place in -15min when the deformation temperature is reached. This does not need to be set very precisely. Alloying processes require precise temperature control and diffusion process times in excess of hours.

- 2.) Das Verfahren liefert auf einfache Weise abrupte p-n-Übergänge mit geringer Kapazität, wie sie in der Hoohfrequenztechnk erwünscht sind. Abrupte p-n-Übergängo von hochdotierten Halbleitern sind für den Hau von Tunneldioden erf örderli ch.- 2.) The method provides abrupt p-n transitions in a simple manner with low capacitance, as they are desired in high frequency technology. Abrupt p-n transitions of highly doped semiconductors are necessary for the construction of tunnel diodes conducive.

3,)- Abrupte Übergänge, die vom hoehdotierten Material zum normalleitenden führen sind herstellbar. Solche Übergänge . sind bisher nur mit dem komplizierten.Epitaxie-ge$fahren zu verwirklichen. Sie werden für Hochfrequenztransistoren benötigt_(K. Seiler,-Phys. u.'Techn. d. Halbleiter S. 191) 4.) Durch wiederholte plastische Verformung oder tfibereinanderschichten von mehr als zwei Kristallen können mehrere p-n-Übergänge gleichzeitig erzeugt werden.3,) - Abrupt transitions from the highly doped material to the normally conductive leads can be produced. Such transitions. have so far only driven with the complicated epitaxy to realize. They are required for high-frequency transistors_ (K. Seiler, -Phys. u.'Techn. d. Semiconductors p. 191) 4.) Through repeated plastic Deformation or layering of more than two crystals can be several p-n junctions are generated simultaneously.

Abbildung 1 Schematisches Schnittbild einer Druckapparatur zur Heretel.1 lung von p-n-Übergängen durch plastische Verformung. Erläuterungen im Text auf Seite 4. Figure 1 Schematic sectional view of a pressure apparatus for the manufacture of pn junctions through plastic deformation. Explanations in the text on page 4.

Abbildung 2 Kennlinie einer Germanium-Diode, die durch plastische Verformung'hergestellt wurde. Die negative Stromachse ist gegenüber der positiven Achse um den Faktor 10 vergrößert. Dotierung: p n = 16-17Atome/cm3. Figure 2 Characteristic curve of a germanium diode produced by plastic deformation. The negative current axis is enlarged by a factor of 10 compared to the positive axis. Doping: pn = 16-17 atoms / cm3.

Claims

Patent claim Manufacture of g-n junctions in the semiconductors germanium and silicon by plastic deformation, characterized in that p- and n-semiconductors touch and become plastic together at elevated temperature under the application of pressure be deformed i