DE1040700B

DE1040700B - Verfahren zur Herstellung eines Diffusionstransistors

Info

Publication number: DE1040700B
Application number: DES51273A
Authority: DE
Inventors: Dr Herbert Goetzeler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1956-11-16
Filing date: 1956-11-16
Publication date: 1958-10-09
Also published as: GB862008A; CH357808A; FR1186472A

Description

DEUTSCHES

In der Literaturstelle »The Bell' System Technical Journal«, Bd. XXXV, Nr. 1 vom Januar 1956, S. 23 bis 34, ist eine besonders zweckmäßige Form von Diffusionstransistoren 1>ekanntgeworden. Um einen solchen Diffusionstransistor herzustellen, geht man von einem größeren prismatischen η-leitenden Siliziumeinkristall, vorzugsweise mit rechteckigem Querschnitt, aus, den man in bekannter Weise aus einer Schmelze herstellt. In diesen Siliziumkörper läßt man nun von allen Seiten her gleichzeitig Aluminium- und Antimonatome eindiffundieren. Es bildet sich nach einiger Zeit eine n-p-n-Struktur im Halbleiterkörper aus, derart, daß der Kern des Halbleiterkörpers η-leitend ist, der von einer p-leitenden Schicht rings umgeben wird, die ihrerseits wieder von einem η-leitenden Mantel eingehüllt ist. Nach der Dotierung wird der Kristall zerschnitten, und zwar derart, daß er eine im Inneren des Teilkörpers liegende p-Zone enthält. Einzelheiten zeigt die Fig. 1, die den entstandenen Teilkristall mit dem Verlauf der Zonen verschiedenen Leitungstypus darstellt. Demgemäß liegen die vier dünneren Kantenflächen der p-Zone an der Oberfläche des Teilkristalls, während ihre wesentlich größere obere und untere Fläche von je einer der beiden η-Zonen flankiert wird. Die obere n-Zone 1 und die darunterliegende p-Zone sind durch den Diffusionsvorgang entstanden und können daher extrem dünn gehalten werden. So besitzt z. B. die obere n-Zone 1 eine Stärke von etwa 6 μ, die mittlere p-Zone 2 eine solche von 8 μ. Die untere, vorzugsweise wesentlich stärkere n-Zone 3 besteht aus dem ursprünglichen η-leitenden Siliziumgrundmaterial, welches durch den Diffusionsvorgang nicht beeinflußt wurde.

Das so präparierte Kristallstück gemäß Fig. 1 wird nun zu dem in Fig. 2 im Schnitt gezeigten fertigen Diffusionstransistor vervollständigt. 1, 2 und 3 bedeuten die drei Schichten des Kristallkörpers in derselben Reihenfolge wie in Fig. 1. 4 stellt den auf die Oberfläche der oberen, dünneren η-Schicht aufgebrachten Emitteranschluß und 5 den an der Oberfläche der unteren, dickeren n-Schicht 3 angebrachten Kollektoranschluß dar. Beide können z. B. aus einem Gemisch von Gold mit Antimon bestehen und werden entweder aufgedampft oder in Form einer Kugel auflegiert.

Die Basiselektrode wird dann durch einen aus reinem Aluminium bestehenden Stift 6 gebildet, der durch die obere, dünne n-Schicht 1 mindestens bis zu der darunterliegenden p-Schicht 2 vorgetrieben ist. Er stellt dann mit der p-Schicht 2 einen rein ohmschen Kontakt her, während sich an der Begrenzung mit der oberen, dünnen n-Schicht 1 und gegebenenfalls mit der unteren, dickeren n-Schicht 3 aus bekannten Verfahren zur Herstellung
eines Diffusionstransistors

Anmelder:
Siemens Sd Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Dr. Herbert Goetzeler, München,
ist als Erfinder genannt worden

Gründen ein n-p-Übergang und damit eine gewisse Sperrwirkung ausbildet.

Der auf diese Weise entstandene Diffusionstransistor ist als Verstärker für einen sehr weiten Frequenzbereich brauchbar. Bei geeigneter Dimensionierung der durch Diffusion entstandenen Schichten 1 und 2 kann die Grenzfrequenz bis 100 MHz und darüber liegen. Die Ursache für dieses günstige Verhalten ist in der extrem dünnen Stärke der Basisschicht 2 des Diffusionstransistors gemäß obiger Konstruktion zu suchen.

Leider ist die Stromverstärkung dieses Diffusionstransistors noch nicht hoch genug. Der diesbezügliche Verstärkungsfaktor beträgt 0,95, während der entsprechende Wert der meisten älteren Transistortypen bei 0,98 bis 0,99 liegt. Die vorliegende Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, die Stromverstärkung des Diffusionstransistors gemäß obiger Konstruktion zu \^-erbessern.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Ursache der schlechten Stromverstärkung dieses Diffusionstransistors darin liegt, daß sich wegen der zu großen Konzentration der in der obersten, dünnen Emitterschicht 1 befindlichen Ladungsträger in dieser keine genügend intensive Sperrschicht gegen den Basiskontakt 6 ausbilden kann, welche den Stromdurchgang vom Emitteranschluß 4 durch die Emitterschicht 1 zum Basiskontakt 6 verhindert. Der durch den Emitterkontakt 4 fließende Strom geht deshalb bereits innerhalb der Emitterschicht 1 zum Basisanschluß 6, statt seinen Weg über den p-n-Übergang zwischen Schicht 1 und 2 zu nehmen. Dieser Stromanteil trägt also nichts zur Steuerung des Kollektorstromes bei, so daß die Stromverstärkung eines solchen Transistors klein ist. Infolgedessen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, den durch den Emitterkontakt 4 fließenden Strom zu zwingen, seinen Weg •möglichst über den p-n-Übergang zu nehmen.

309 657/362

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Diffusionstransistors, dessen Halbleiterkörper aus Silizium od. dgl. besteht und dessen Basiselektrode die Emitterhalbleiterschicht und gegebenenfalls auch noch die Kollektorhalbleiterschicht berührt. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß der Bahnwiderstand des innerhalb der Emitterhalbleiterschicht von der Emitterelektrode zur Basiselektrode fließenden Stromes durch einen Schnitt im Halbleiter zwischen diesen beiden Elektroden erhöht wird.

Gegenüber der bekannten Ausführung eines Diffusionstransistors, dessen Basiselektrode die Emitterschicht, gegebenenfalls auch noch die Kollektorschicht berührt und dessen Emitterhalbleiterschicht hochohmig auszuführen ist, um einen schädlichen Schluß zwischen den Elektroden 6 und 4 zu vermeiden, weist die Ausführung gemäß der Erfindung den Vorteil auf, daß sie die Möglichkeit schafft, die äußere Schicht 1 niederohmig zu gestalten, um auf diese Weise einen höheren Stromverstärkungsfaktor zu erzielen.

Eine besondere Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß — wie in Fig. 3 dargestellt — die Emitterhalbleiterschicht 1 von vorzugsweise etwa 6 μ Stärke durch einen bis zur Grenze des zwischen Emitterhalblederschicht 1 und Basishalbleiterschicht 2 liegenden p-n-Überganges herangeführten Schnitt 7 in zwei Teilzonen aufgetrennt wird und die Teilzonen mechanisch und elektrisch nur noch über die darunterliegende Basishalbleiterschicht 2 zusammenhängen.

Da der Widerstand der Bahn des innerhalb der Emitterschicht 1 zum Basisanschluß 6 fließenden Stromes sehr rasch mit wachsender Tiefe des Einschnittes 7 zunimmt, wandern die Ladungsträger in rasch zunehmendem Maße über den p-n-Übergang in die Basis 2 und steuern damit den Kollektorstrom. Dadurch wird die Stromverstärkung wirksam verbessert. Der Stromverstärkungsfaktor kann auf diese Weise bis auf 0,99 und darüber gesteigert werden.

Die Maßnahme der vorliegenden Erfindung zeigt noch einen günstigen Nel>eneffekt, denn sie verbessert gleichzeitig die sogenannte i/_£ß-/_CB-Charakteristik des Transistors. In Fig. 4 wird die Uι-_:Η-ΙcB'Cha.rakteristik 1 eines auf diese Weise verbesserten Diffusionstransistors mit der entsprechenden Kennlinie 2 des idealen Transistors und der Charakteristik 3 eines Diffusionstransistors gemäß obiger Konstruktion verglichen, der nicht nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verbessert wurde. Dabei bedeutet l^T/._:B die an den Transistoreingang, d. h. zwisehen Emitter- und Basisanschluß, gelegte Spannung und I_CB den an der Ausgangsseite des Transistors, d. h. zwischen Basisanschluß und Kollektoranschluß, abgenommenen Strom. Man erkennt deutlich, wie die Emittersperreigenschaften des Diffusionstransistors obiger Konstruktion durch die Maßnahme der Erfindung verliessert werden. Fig. 5 stellt ein Schema der zugehörigen Meßschaltung dar.

Den Einschnitt in die dünne Emitterschicht 1 gemäß der Erfindung kann man nach 1>ekannten Verfahren, z. B. durch mechanisches Einschneiden mit einer Sägeeinrichtung oder mit Hilfe eines geeignet fokussierten Elektronenstrahles, durchführen. Besonders vorteilhaft benutzt man ein Ätzverfahren. Man kann dann einfach die dünne Emitterscfeicht 1 längs der Linie, an der man sie anschneiden will, mit Ätzflüssigkeit l>enetzen, welche innerhalb kurzer Zeit den gewünschten Effekt, d. h. die Auf trennung der S-rhicht in zwei Teilzonen, bewirkt. Außerdem ist eine Anzahl von Methoden vorgeschlagen worden, welche gestatten, den Einschnitt exakt bis zur Grenze der ersten n-Schicht 1 und der darunterliegenden p-Schicht 2 durchzuführen.

Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, das Kontaktierungsmaterial zu wechseln. So kann die Basiselektrode durch irgendein anderes Metall mit Akzeptoreigenschaften ersetzt werden. Für den Emitter- und KoI lekto ran Schluß kann unter Umständen auch die Verwendung eines Metalls der IV. Gruppe des Periodischen Systems erwünscht sein, dem man dann zweckmäßig Donatorenmaterial zusetzt. Hier hat sich vor allem Blei mit einem Zusatz von 5 bis 10% Antimon oder Arsen bewährt. Durch Verwendung einer Bleielektrode als Emitterkontakt 4 kann man mit Sicherheit verhindern, daß diese Elektrode nicht durch die extrem dünne Emitterschicht 1 zur darunterliegenden Basisschicht 2 durchlegiert. Ein solcher Vorgang würde praktisch ein Kurzschließen der Emitterschicht 1 bedeuten.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Diffusions transistors, dessen Halbleiterkörper aus Silizium oder dergleichen besteht und dessen Basiselektrode (6) die Emitterhalbleiterschicht (1) und gegebenenfalls auch noch die Kollektorhalbleiterschicht (3) berührt, dadurch gekennzeichnet, daß der Bahnwiderstand des innerhalb der Emitterhalbleiterschicht (1) von der Emitterelektrode (4) zur Basiselektrode (6) fließenden Stromes durch einen Schnitt im Halbleiter zwischen diesen beiden Elektroden erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterhalbleiterschicht (1) vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 6 μ durch einen bis zur Grenze des zwischen Emitterhalbleiterschicht (1) und Basishalbleiterschicht (2) liegenden n-p-Ül>erganges herangeführten Schnitt in zwei Teilzonen aufgetrennt wird und die Teilzonen mechanisch und elektrisch nur noch über die darunterliegende Basishalbleiterschicht (2) zusammenhängen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einschneiden der Emitterschicht ein Ätzverfahren benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 zur Herstellung eines n-p-n-Transistors, dadurch gekennzeichnet, daß für die Emitter- und Kollektorelektroden Gold, vorzugsweise eine Gold-Antimon-Legierung, und für die Basiselektrode (6) Aluminium verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 zur Herstellung eines n-p-n-Transistors, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode aus einem Metall der IV. Gruppe des Periodischen Systems, vorzugsweise aus Blei, hergestellt wird, dem Donatormaterial, z. B. 5 bis 10% Antimon oder Arsen, zugesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 zur Herstellung eines n-p-n-Transistors, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode aus einem Metall mit Akzeptoreigenschaften hergestellt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung G 13110 VIIIc/21g (l>ekanntgemacht am 3. 2. 1955).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen