DE1077788B

DE1077788B - Halbleiteranordnung mit mindestens einem PN-UEbergang und einem Driftfeld

Info

Publication number: DE1077788B
Application number: DEI15432A
Authority: DE
Inventors: Lloyd Philip Hunter
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1957-09-24
Filing date: 1958-09-23
Publication date: 1960-03-17
Also published as: US3111611A

Description

DEUTSCHES

kl. 21g 11/02

INTERNAT. KL. HOIl

PATENTAMT

I15432VIIIc/21g

ANMELDETAG: 23. SEPTEMBER 1958

B EKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 17.MÄRZ1960

Bei den bisher bekanntgewordenen Drifttransistoren wird das Driftgefälle dadurch erzeugt, daß man die Störstellenkonzentration in der Basiszone nicht konstant wählt, sondern etwa exponentiell von der Emitter- zur Kollektorzone abfallen läßt. Für eine Halbleiteranordnung mit mindestens einem PN-Übergang und einem Driftfeld besteht demgegenüber die Erfindung darin, daß die eine Zone des Halbleiterkörpers von einem Leitfähigkeitstyp, insbesondere die Basiszone eines Transistors, aus solchem Halbleitermaterial besteht, daß die Lücke zwischen Leitfähigkeitsband und Valenzband örtlich in der Zone verschieden ist.

Es ist bereits bei einem Halbleiterelement bekanntgeworden, eine P-Typ-Schicht eines Halbleitermaterials auf einem N-Typ-Körper irgendeines anderen Halbleitermaterials oder umgekehrt zu verwenden. Mit dieser Maßnahme allein entsteht jedoch innerhalb einer Halbleiterzone noch kein Driftfeld. Fernerhin ist bereits eine Halbleiterkristallöde der Schichtenbauart mit PN-Verbindungen, bei der der Emitterhalbleiter gegenüber dem Basishalbleiter einen größeren Bandabstand, d. h. eine größere Breite der verbotenen Zone, aufweist und der Basishalbleiter stärker dotiert ist als der Emitter- oder Kollektorhalbleiter, vorgeschlagen worden. Auch diese Halbleiterkristallode liefert innerhalb einer Zone noch kein Driftfeld. Die örtliche Differenz in der Bandkantenenergiehöhe des Materials innerhalb einer Zone gemäß der Erfindung führt zu elektrischen Feldern, die den Minoritätsträgerfluß beeinflussen können, so daß die in dem Halbleiterkörper der Halbleiteranordnung vorhandenen Minoritätsträger die Neigung haben, zu einem von ihnen bevorzugten Bereich zu fließen und sich darin zu sammeln. Infolgedessen können Halbleiteranordnungen hergestellt werden, in denen durch die Ausgestaltung des Halbleitermaterials nach der Erfindung die Ansprechgeschwindigkeit, die Injektionsleistung der angelegten Elektroden, die Steuerung der diesen Elektroden zugeordneten Kapazität und eine Differenz im Bandkantenenergieniveau ohne entsprechende Differenz in der Dotierungskonzentration verbessert werden können.

Der Drifttransistor nach der Erfindung zeichnet sich durch eine niedrige Emitterkapazität und durch eine hohe Emitterdurchschlagspannung aus. Nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens erscheint eine Differenz in der Energiebandlücke an einem PN-Übergang der Halbleitervorrichtung.

Der Drifttransistor nach der Erfindung enthält in vorteilhafter Weise im Basisbereich keinen Störstellenkonzentrationsgradienten.

Die Erfindung sei an Hand der Zeichnungen für eine beispielsweise Ausführungsform näher erläutert.

Halbleiteranordnung

mit mindestens einem PN-Übergang

und einem Driftfeld

Anmelder:

IBM Deutschland
Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m. b. H.₍
Sindelfingen (Württ), Tübinger Allee 49

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. September 1957

Lloyd Philip Hunter, Leende (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 1 ist ein Energieniveaudiagramm für einen Halbleiterkörper mit abgestufter Energiebandlücke nach der Erfindung, und zwar für die Erzeugung eines Driftfeldeb in der Basis eines Transistors;

Fig. 2 veranschaulicht ein Energieniveaudiagramm, das die abgestufte Energiebandlücke der Erfindung, in Anwendung zur Erzeugung eines abgestuften Emitterschichtbereichs in einem Transistor zeigt; im dargestellten Zustand ist die normale elektrische Vorspannung angelegt;

Fig. 3 zeigt an einer Transistoranordnung ein Verfahren zur Herstellung der abgestuften Energiebandlückenbreite nach Fig. 1 und 2 in einem Transistor.

Die Energiebandlücke in einem Halbleitermaterial ist die Differenz in der Energiehöhe zwischen der Oberseite des Valenzbandes und der Unterseite des Leitungsbandes des Bändermodells des Materials. Die Lücke zwischen dem Valenz- und dem Leitfähigkeitsband eines bestimmten Materials wird gewöhnlich als »verbotener Bereich« bezeichnet und stellt die Mindestenergiemenge dar, die nötig ist, um ein Elektron zum Verlassen des Valenzbandes und zum Eintreten in das Leitfähigkeitsband zu veranlassen. In dem Bereich zwischen dem Valenz- und dem Leitfähigkeitsband des Halbleitermaterials besteht ein als »Fermi«-Niveau bekanntes Energieniveau, das die thermische Besetzungswahrscheinlichkeit von V2 darstellt. Die Lage

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der »Fermi«-Kante gegenüber dem Leitfähigkeitsband ist ein Maß für den Besetzungsgrad des Leitfähigkeitsbandes durch Leitfähigkeitselektronen und bestimmt dadurch die elektrische Leitfähigkeit des Materials.

In Halbleiteranordnungen wird durch eine Differenz in der Breite der Energiebandlücke in dem Material zwischen einem Bereich und einem anderen eine Veränderung des Abstandes zwischen dem Leitfähigkeitsund dem Valenzband des Halbleitermaterials und dem Ferminiveau bewirkt, so daß in dem einen Bereich des Materials eine niedrigere Besetzungswahrscheinlichkeit besteht. Da das Ferminiveau in einem gegebenen Bereich der Halbleiteranordnung konstant ist, ist es klar, daß die Minoritätsträgerbandkante keine konstante Energiehöhe haben darf, wenn die Energiebandlücke sich in diesem Bereich verändert. Diese Veränderung in der Höhe der Bandkante stellt ein eingebautes elektrisches Feld dar, das die Minoritätsträger veranlaßt, eine niedrigere Energiestufe aufzusuchen. Da der Bereich niedrigerer Bandkantenenergie mit dem ao Bereich höherer Besetzungswahrscheinlichkeit zusammenfällt, besteht im Gleichgewichtszustand ein Minoritätsträgerdiffusionsstrom gleich dem elektrischen Feldstrom und diesem entgegengerichtet infolge der Neigung der Bandkante. Unter den normalen Vor-Spannungsbedingungen während des Betriebes werden die Minoritätsträger aus dem Bereich höherer Besetzungswahrscheinlichkeit entfernt, so daß die in diesem Bereich eines Halbleitermaterials einer bestimmten Vorrichtung vorhandenen Minoritätsträger unter die Einwirkung des internen eingebauten elektrischen Feldes gelangen und dadurch in der Richtung der niedrigeren Energiestufe ohne entgegenwirkenden Diffusionsstrom abtreiben.

Wenn die Differenz in der Energiebandlücke in eine Zone mit einem bestimmten Leitfähigkeitstyp, z.B. die Basis eines Transistors, gebracht wird, wobei die größere Lücke nahe der Emitterzone und die kleinere an der Kollektorzone liegen, entsteht ein internes eingebautes elektrisches Driftfeld. Dieses Feld verkürzt sowohl die Durchgangs- als auch die Speicherzeit des Transistors merklich und ermöglicht einen Betrieb mit sehr hoher Frequenz. Durch die Verwendung der abgestuften Energielücke nach der vorliegenden Erfindungkann natürlich ein solcher Drifttransistor ohne die erheblichen Schwierigkeiten hergestellt werden, die sich durch die Schaffung eines Gradienten von Verunreinigungen im Basisbereich von Drifttransistoren ergeben, um die richtige Änderung im Abstand der Fermikante von der Minoritätsträgerbandkante zu erreichen.

In Fig. 1 ist nun das Energiediagramm eines NPN-Schichttransistors dargestellt. Die abgestufte Energiebandlücke erscheint in der Basis des Transistors, der nach dieser Darstellung aus zwei Halbleitermaterialien hergestellt ist. In Fig. 1 besteht die Emitterzone aus einem ersten Halbleitermaterial, z. B. Silizium, und die Kollektorzone aus einem zweiten Halbleitermaterial, z. B. Germanium. Die Basiszone des Transistors nach Fig. 1 besteht aus einer Legierung der beiden Halbleiterstoffe mit einem Vorherrschen des Halbleiters A, das ist der Halbleiterstoff mit größerer Energiebandlücke, im an die Emitterzone angrenzenden Bereich und einem Vorherrschen von Halbleiter B mit kleinerer Energiebandlücke im an die Kollektorzone angrenzenden Bereich. Da der Halbleiter A eine andere Energiebandlücke hat als der Halbleiter B, besteht in dem Bereich zwischen beiden Stoffen eine abgestufte Energiehandlücke. Die abgestufte Energiebandlücke von der Emitterzone zur Kollektorzone ist in Fig. 1 im Basisbereich dargestellt und als »Driftfeld-Spannungsabfall « bezeichnet.

Wenn die abgestufte Energiebandlücke nach der Erfindung im Basisbereich eines Transistors verwendet wird, um ein Driftfeld gemäß Fig. 1 zu bilden, hat das so erlangte Feld eine größere Stärke und wird ohne die vielen Leistungsbeschränkungen der Vorrichtung erreicht, die durch die bisher übliche Schaffung eines Driftfeldes durch Veränderung der Konzentration der Verunreinigungen verursacht werden. Die nachstehende Besprechung eines Vergleichs des Verfahrens gemäß der Erfindung mit der Abwandlung der Verunreinigungskonzentration soll zum Verständnis der Erfindung beitragen und wichtige Effekte aus winzigen Unterschieden in der Zusammensetzung eines Körpers einer Halbleitervorrichtung auf die Leistung herausstellen.

In einem Drifttransistor kann die Driftfeldspannung, wenn sie durch die Verwendung der Änderung in der Energiebandlücke nach der Erfindung erzeugt wird, beträchtlich höher sein als bei Erzeugung durch Veränderung der Verunreinigungskonzentratipn. Dieser größere Bereich der Driftfeldstärke ergibt sich, weil die Veränderung in der Energiebandlückenbreite in Halbleitermaterialien beträchtlich größer ist als die Differenz in der Bandkantenenergiehöhe in einem Halbleitermaterial, die durch eine Veränderung der Verunreinigungskonzentration erzeugt werden kann. Bei einer Veränderung der Verunreinigungskonzentration, wie sie bisher zur Bildung eines Drifttransistors angewendet worden ist, wird der absolute Wert des Spannungsabfalls über den Basisbereich auf eine beträchtlich niedrigere Stufe beschränkt als die halbe Energiebandlückenbreite des Halbleitermaterials, aus dem der Basisbereich besteht. Das beruht darauf, daß das eingebaute elektrische Feld in der Basis eines Drifttransistors als Ergebnis der Driftspannungsdifferenz gleich der Differenz zwischen der Trennung des Ferminiveaus vom Leitfähigkeitsband auf der Emitterseite der Basiszone und der Trennung des Ferminiveaus vom Leitfähigkeitsband auf der Kollektorseite der Basiszone ist.

In den bisher verfügbaren Drifttransistorvorrichtungen ist das Maximum der Veränderung des Ferminiveaus durch eine Kombination von Herstellungsund Leistungsproblemen beschränkt worden. Von diesem Problem sind drei vom größtenEinfluß, nämlich die Löslichkeit der in den Basisbereich zur Erzeugung des Driftfeldes eingeführten Verunreinigungen, die Notwendigkeit der sogenannten »Emitterdurchschlagspannung« in der Vorrichtung, die ein Maß der physikalischen Konzentration der Verunreinigungen in dem direkt an die Emitterzone angrenzenden Bereich ist, und die von der Vorrichtung geforderte sogenannte »Emitterinjektionsleistung«, die ebenfalls von der physikalischen Konzentration von Verunreinigungen auf beiden Seiten der Emitterzone abhängt. Bei Germaniumhalbleiterstoffen begrenzen z. B. diese Rücksichten tatsächlich die Spannungsdifferenz über die Basiszone durch das Driftfeld auf einen Höchstwert von etwa 0,2 Volt, und um diese maximale Spannungsdifferenz in Germanium zu erreichen, hat es sich als nötig erwiesen, den als »Emitterdurchschlagspannung« bezeichneten Parameter auf die Größenordnung von 1 Volt herabzusetzen. Ein weiterer Parameter, die »Emittereingabekapazität« solcher Vorrichtungen, hängt ab von der Zahl der Träger in der unmittelbaren Umgebung der Emitterzone, und da für Durchschlagspannungen dieser Größe der spezifische Widerstand des Materials niedrig ist, besteht eine große Konzen-

tration von Trägern in Verbindung mit den den niedrigen spezifischen Widerstand erzeugenden Verunreinigungszentren. Mit diesen Vorrichtungen waren also relativ hohe »Emittereingabekapazitäten« verbunden. Im Gegensatz dazu wird durch die Verwendung der abgestuften Energiebandlücke nach der Erfindung für die Erzeugung eines Driftfeldes im Basisbereich eines Transistors das Driftfeld in der Basis durch die Übergangslegierung (Fig. 1) des Halbleitermaterials A₃ das den Emitterbereich bildet, und des Halbleiters B₁ der den Kollektorbereich bildet, erzeugt, so daß die Veränderung der Energiebandlückenbreiten den Spannungsabfall über den Basisbereich ohne jede Abstufung des Verunreinigungsgehaltes erzeugt. Infolgedessen entsteht eine Anordnung, in der die Stärke des Driftfeldes unabhängig von der Verunreinigungskonzentration im Basisbereich ist und daher das Driftfeld gesteuert werden kann, ohne daß die Steuerung außerdem die bekannten Einschränkungen beeinflußt, nämlich die »Emitterinjektionsleistung«, die »Emitterdurchschlagspannung« und die »Emittereingabekapazität«.

Gemäß Fig. 1 hat auf der Emitterseite der Halbleiter A eine größere Energiebandlückenbreite als der als Kollektorzone dienende Halbleiter B. Die durch das in Fig. 1 gezeigte Energiehöhendiagramm dargestellte Basiszone fällt zusammen mit einem die Halbleiter A und B kombinierenden Legierungsbereich. Dieser Legierungsbereich enthält Halbleiterverunreinigungen vom P-Typ, während die Emitter- und die Kollektorzone Verunreinigungen vom iST-Typ enthalten, so daß eine NPN-Anordnung entsteht. Es ist natürlich klar, daß auch die umgekehrte PNP-Anordnung genau so betriebsfähig ist. In der Basiszone gibt die Trennung zwischen dem Ferminiveau und der Kante des Minoritätsträgerbandes die volle Differenz in der Energiebandlückenbreite zwischen den Halbleitern A und B wieder. Gemäß Fig. 1 hat durch die Verwendung des Materials mit der größeren Energiebandlückenbreite als Emitterzone das so erzeugte eingebaute Driftfeld die richtige Polarität, um den Transport von injizierten Minoritätsträgern, bei der gezeigten NPN-Anordnung Elektronen, in ihrem Weg vom Emitter zum Kollektor durch die Basiszone zu unterstützen.

Als weitere Hilfe für das Verständnis und die Ausübung der Erfindung werden die folgenden numerischen Werte der in dem gewählten Ausführungsbeispiel verwendeten Spannungen angegeben. Es versteht sich jedoch, daß diese nicht als Einschränkung dienen sollen, da auch andere Werte hierzu zur Verfugung stehen. Wenn angenommen wird, daß für die Emitterzone der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung Silizium als Halbleiter A und für die Kollektorzone Germanium als Halbleiter B verwendet werden, so beträgt die' Differenz der Energiebandlückenbreite etwa 0,4 Elektronenvolt, so daß ein mit diesen beiden Halbleiterstoffen gemäß Fig. 1 hergestellter Drifttransistor einen Spannungsabfall von 0,4VoIt über die Basiszone hätte. Wie schon erwähnt, ist dieser Abfall in Fig. 1 als »Driftfeldspannungsabfall« bezeichnet.

Es besteht ein großer Unterschied in der Energiebandlücke zwischen verschiedenen Typen von Halbleiterstoffen, und zwar sind die wohlbekannten monoatomaren Halbleitermaterialien Silizium und Germanium als ein Ausführungsbeispiel beschrieben worden. Es gibt eine vollständige Gruppe von Halbleiterstoffen, unter der Bezeichnung »intermetallische Verbindungen« bekannt, die sehr viele verschiedene Energiebandbreiten haben, welche noch größere Energiebandlückengradienten erzeugen können. Einige der verfügbaren Materialien sind in der Tabelle aufgeführt. Natürlich kristallisieren alle zweiatomischen Verbindungen von Elementen der Gruppe III derPeri-5 odischen Tafel mit Elementen der Gruppe V der Periodischen Tafel mit Ausnahme von Bornitrid (BN) im selben Kristallaufbau und sind daher mechanisch verträglich. Da sie alle verschiedene Energielücken haben, ist eine große Kombination von abgestuften Energielückenbreiten verfügbar. Jede Zeile der Tabelle stellt eine Klasse von Materialien mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften für die Zwecke der Erfindung dar, und Kombinationen von vorteilhaften Angehörigen der Klassen können leicht so kombiniert werden, daß eine Vorrichtung mit der gewünschten Veränderung in der Lückenbreite entsteht.

Halbl A	eher B	Energielückendifferenz (ev)
Emitter	Kollektor	etwa
Si	Ge	0,40
GaAs	Ge	0,73
GaAs	InAs	0,99
GaAs	GaSb	0,58
Zn₃ As₂	ZnAs₂	0,40

Gemäß der Tabelle ist es also möglich, viel höhere eingebaute Driftspannungen durch die Erfindung zu erlangen als durch die bisher verwendeten Verunreinigungsgradienten.

Es dürfte jedoch klar sein, daß die Vorteile dieser höheren Spannungen nur dann voll realisiert werden können, wenn die wirksame Beweglichkeit der injizierten Träger in den Basisbereichen der Transistoren, wie z. B. in Fig. 1 dargestellt, mit der in Verunreinigungsgradient-Drifttransistoren der bekannten Typen vergleichbar ist. Es sei wiederum angenommen, daß, wie· im vorstehenden Beispiel, im Transistor nach Fig. 1 Silizium als Halbleiter A und Germanium als Halbleiter B verwendet ist. In der Anordnung nach Fig. 1 beträgt die Beweglichkeit von Elektronen in Germanium etwa 3600 cm/sec/volt/cm. Es steht fest, daß in Silizium die Elektronenbeweglichkeit etwas

niedriger' als die Hälfte dieses Wertes liegt, so daß in einem Transistor, wie dem in Fig. 1 gezeigten, in einer Basiszone aus einer Germanium-Silizium-Legierung die effektive Durchgangszeit durch eine Basiszone mit einer gegebenen Stärke nur wenig kürzer ist als die effektive Durchgangszeit durch die Basiszone eines Drifttransistors mit Germaniumbasis von abgestufter Verunreinigung. Es kann also von einem Silizium-Germanium-Transistor mit abgestufter Energiebandlücke nicht erwartet werden, daß er die Geschwindig¹ keit eines aus reinem Germanium bestehenden Drifttransistors übertrifft, aber er hätte die anderen angeführten Vorteile, die durch mildere Anforderungen an die Verunreinigungskonzentration erlangt werden. Bei anderen Halbleiterstoffen können jedoch beträchtliche Geschwindigkeitsvorteile erlangt werden. Die Minoritätsträgerbeweglichkeit ist sowohl in Indiumantimonid (InAs) als auch in Galliumantimonid (GaAs) höher als in Germanium, so daß die effektive Durchgangszeit in einer solchen Vorrichtung eine Größenordnung kleiner sein kann als die effektive Durchgangszeit in einem herkömmlichen Transistor mit abgestufter Basis, wie er zur Zeit verfügbar ist, wenn eines dieser Halbleitermaterialien allein verwendet wird. Es ist klar, daß eine wesentliche Verkürzung der Minoritätsträgerdurchgangszeit in einer Halbleitervorrichtung

mit einer entsprechenden beträchtlichen Erhöhung des Frequenzganges verbunden ist, vorausgesetzt, daß die echten Frequenzbeschränkungen der betreffenden Halbleitervorrichtung mehr in der Durchgangszeit der Minoritätsträger als in anderen Faktoren liegen, wie z. B. der Kapazität der Kollektor- und Emitterelektroden. Einer der Hauptvorteile der Erfindung ist es, daß das Herstellungsverfahren für einen Drifttransistor mit abgestufter Energiebandlücke eine unabhängige Steuerung des Basisdriftfeldes gestattet und den Einfluß des Driftfeldes auf die Emitter- und Kollektorelektrodenkapazität und die Emitterdurchschlagspannung und -injektionsleistung ausschaltet.

Jetzt sei die Anwendung der abgestuften Energiebandlücke nach der Erfindung auf eine Halbleiterv,orrichtung betrachtet, in der die Differenz in der Energiebandlücke so gelagert ist, daß sie mit einem bestimmten PN-Übergang des Transistors, z. B. dem Emitter-PN-Übergang zusammenfällt. Fig. 2 zeigt ein Energieniveaudiagramm, in dem die Emitterzone eines Schichttransistors aus einem Halbleitermaterial A besteht mit einer breiten Trennung zwischen dem Leitfähigkeits- und dem Valenzband. Kollektor-und Basiszone bestehen aus Halbleitermaterial B mit einer Energielückenbreite, die kleiner ist als die des Halbleitermaterials^. Ein Übergangsbereich, der aus einer Legierung der Halbleiterstoffe A und B besteht, erscheint zwischen Emitter- und Basiszone (Fig. 2) und fällt mit dem Emitter-PN-Übergang zusammen. Wie die den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Verunreinigungen eingebracht werden, um die Anordnung mit den Bandenergiehöhen von Fig. 2 zu erreichen, wird genauer an Hand der Fig. 3 beschrieben werden.

Das. Energieniveaudiagramm nach Fig. 2 veranschaulicht einen Transistor, in dem durch die abgestufte Energiebandlücke nach der Erfindung der Effekt der Verringerung der »Emittereingabekapazität« unter Aufrechterhaltung einer hohen »Emitterinjektionsleistung« erreicht wird. Die Energiebandlückenanordnung nach Fig. 2 zeigt die Anlegung einer normalen elektrischen Vorspannung in der gewöhnlich bei Schaltungsanwendungen des PNP-Transistors an sich verwendeten Art. In der Halbleiteranordnung nach Fig. 2 tritt die Abstufung der Energiebandlücke über dem Emitter-PN-Übergang auf. Die Wirkung der Abstufung besteht in der Erzeugung einer nichtsymmetrischen Emittersperrschicht, die eine stärkere Sperre für Majoritätsträger (hier Elektronen) in der Basis als für Minoritätsträger (hier Löcher) im Emitter darstellt. Durch diese nichtsymmetrische Sperrschicht wird den Löchern (Minoritätsträgern) eine hohe Injektionsleistung gegeben, wenn der Emitter in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Diese Wirkung wird verständlich angesichts der relativen Größe der Löcherverteilung oberhalb der Emittersperrschicht mit

dem Symbol %l und der Bezeichnung^' zu der Größe der Elektronenverteilung mit dem Symbol rs und der

Bezeichnung B' oberhalb derselben Sperrschicht. Der schraffierte Teil des Symbols zeigt die Verteilungsgröße an. Da das Ferminiveau nach Fig. 2 denselben Abstand (A'E_g) vom Majoritätsträgerband sowohl in der Emitter- als auch in der Basiszone hat, ist natürlich auch bei Verunreinigungskonzentration in der Emitter- und in der Basiszone gleich. Daraus geht hervor, daß bei niedriger Verunreinigungskonzentration in diesen Zonen, da die Übergangskapazität der Verbindung, in diesem Fall die »Emittereingabekapazität« proportional der Konzentration der Verunreinigungen ist, eine niedrige »Emittereingabekapazität« erreicht wird. Gleichzeitig erhält man eine hohe »umgekehrte Emitterdurchschlagspannung«, weil eine niedrige Verunreinigungskonzentration einen breiten Emitter-PN-Übergangserschöpf ungsbereich ergibt; die erwähnte Steuerung der Übergangskapazität und der Durchschlagspannung beruht auf der Anwendung der Erfindung auf einen beliebigen injizierenden oder sammelnden PN-Übergang in einer Halbleitervorrichtung.

Auf Grund dieser Anordnung ist es natürlich möglich, die Konzentration der Verunreinigungen in der Basiszone abzustufen und dadurch ein gewisses Driftfeld in dem Bereich zu bilden, welches eine Erhöhung im Frequenzansprechen erzielt, wie es in den bekannten Drifttransistoren der Fall ist. Da die meisten bekannten Drifttransistoren durch Kapazitätseffekte beeinträchtigt sind, besteht eine äußerst vorteilhafte Anwendung der Veränderung in der Energiebandlücke nach der Erfindung in der Bildung eines Emitter-PN-Überganges, der gleichzeitig eine hohe Injektionsleistung und eine niedrige Kapazität hat. Ein Verfahren zur Herstellung eines Transistors mit einer Energiebandlücke gemäß Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt.

Auf die Fig. 3 bezugnehmend, sei nun als Beispiel eine Scheibe 1 aus Germaniumhalbleitermaterial vom P-Typ angenommen, die als Halbleiter B dient. Um einen äußeren Anschluß an den noch zu beschreibenden Diffusionsbereich zu erleichtern, wird die Scheibe 1 zunächst vorbereitet, indem z. B. durch Diffusion den N-Leitfähigkeitstyp bestimmende Verunreinigungen in eine dünne Haut auf der einen Oberfläche eingeführt werden, z. B. indem die Oberfläche einem Arsendampf ausgesetzt wird. Dadurch entsteht eine Haut 2 vom N-Leitfähigkeitstyp. DieseN-Typ-Haut2 bildet später einen breitflächigen Kontakt zu einem diffundierten Bereich, der hier die Basiszone des Transistors sein kann. Es wird eine Legierung hergestellt, die hauptsächlich aus einem Trägermaterial besteht, das solche Eigenschaften hat, daß es relativ träge in bezug auf die Mitteilung eines Leitfähigkeitstyps an das verwendete Halbleitermaterial ist und sowohl den Halbleiter A als auch den Halbleiter B auflösen kann, die zur Emitter- bzw. Kollektorzone der Vorrichtung werden sollen. Einige Beispiele für verwendbare Trägerstoffe sind Blei, Zinn, Gold oder Silber, wenn der Halbleiter Λ! Silizium und der Halbleiter B Germanium sind. Das Trägermaterial der Legierung wird bei einer noch zu beschreibenden Temperatur mit dem zweiten Halbleitermaterial A, hier Silizium, gesättigt. Daher* hat bei der Verschmelzung der Halbleiter B (Silizium) eine größere Bandlücke als das Halbleitermaterial^/ (Germanium) der P-Zonel. Außerdem enthält die Legierung Spuren von den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Verunreinigungen sowohl vom N- als auch vom P-Typ. Zum N-Typ können z. B. Elemente der Gruppe V des Periodischen Systems und zum P-Typ z. B. Elemente der Gruppe III gehören. Diese Spuren müssen in einem solchen Verhältnis in der Legierung vorkommen, daß der N-Typ einen größeren Diffusionskoeffizienten im Halbleiter B hat als der P-Typ und daß der P-Typ ein größeres Produkt aus Segregationskoeffizient und Konzentration als der N-Typ in einer Legierung der Legierung und des Halbleiters B hat. Der Diffusionskoeffizient ist ein Maß der Fähigkeit des einen Materials, in ein anderes einzudringen. Der Segregationskoeffizient ist das Verhältnis von der Konzentration des aufgelösten Stoffes in dem Festkörper zu seiner Konzentration in der

Flüssigkeit; eine Menge dieser Legierung ist in Fig. 3 als Element 3 angegeben, das Kontakt mit der N-Typ-Haut2 auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung hat. Die Kombination wird nun mit Wärme behandelt, bis die Legierung 3 über einen kleinen Teil der N-Typ-Oberfläche 2 der Scheibe 1 geschmolzen ist und eine gewisse Germaniummenge darunter aufgelöst ist. Jetzt wird das geschmolzene Material, das eine gesättigte Lösung eines Trägermaterials, des Halbleiters B und des Halbleiters A ist und Spuren von beiden Typen der die Leitfähigkeit bestimmenden Verunreinigungen enthält, bei einer genügend hohen Temperatur gehalten, daß die den N-Leitfähigkeitstyp bestimmende Verunreinigung in die Germaniumscheibe diffundieren kann, wodurch der N-Häuptbereich sich unter der Legierung 3 weiter in den P-Bereich ausdehnt und dadurch eine Basiszone mit abgestuftem spezifischem Widerstand bildet. Eine geeignete Temperatur wäre z. B. 800° C für die angegebenen Stoffe. Die Bildung des Basisbereiches durch die Diffusion ist in Fig. 3 durch eine gestrichelte Linie dargestellt, die eine PN-Schicht4 zwischen dem dünnen N-Bereich und dem diffundierten Basisbereich und der P-Platte beschreibt. Die PN-Schicht 4 verläuft aus der Ebene der N-Typ-Haut hinaus nahe an den Umriß des geschmolzenen Bereiches unter der Legierung 3 und folgt diesem Umriß.

Während der Heizzeit diffundiert das den P-Leitfähigkeitstyp bestimmende Verunreinigungselement nicht merklich in das Germanium hinein, da der D iffusionskoeffizient für solche Elemente so gewählt worden ist, daß er niedriger als der des N-Leitfähigkeitselements ist. Bei Abschluß der Diffusion läßt man den geschmolzenen Bereich abkühlen, und es wächst eine rekristallisierte Halbleiterzone 5 in die Oberfläche der Germaniumplatte. Dieser Bereich trägt das Bezugszeichen 5. Der rekristallisierte Bereich 5 enthält infolge des gewählten hohen Produkts aus Segregationskoeffizient und Konzentration der P-Typ-Verunreinigung eine vorherrschende Menge von den P-Leitfähigkeitstyp bestimmenden Verunreinigungen und besteht aus einem Übergangsbereich einer Legierung aus Silizium und Germanium solcher Art, daß die Legierung einen größeren Bestandteil von Germanium und einen kleineren Bestandteil von Silizium in der Nachbarschaft des diffundierten Basisbereiches und einen größeren Bestandteil von Silizium und einen kleineren Bestandteil von Germanium in der Nachbarschaft der Legierung 3 hat. Bei dieser Anordnung tritt eine abgestufte Luckenbreite auf, die zwischen dem größeren Wert im Germanium und dem kleineren Wert in der rekristallisierten Zone5, wo das Material ganz aus Silizium besteht, liegt. Die den P-Leitfähigkeitstyp bestimmende Verunreinigung herrscht vor gegenüber der N-Verunreinigung, da die rekristallisierte Zone so wächst, 6aß der PN-Übergang 6, der Emitter-PN-Übergang der Vorrichtung werden soll, im abgestuften Bandlückenbereich liegt.

Die Steuerung der Lückenbreitenabstufung in der rekristallisierten Emitterzone hängt ab von der Steuerung des im Trägermaterial, hier z. B. Blei, aufgelösten Germaniums und Siliziums. Um eine rekristallisierte Zone zu erlangen, die mechanisch vereinbar gegenüber dem Ausdehnungskoeffizientenverhältnis zu der Germaniumscheibe ist, ist es vorteilhaft, die Menge der Legierung auf einen Wert zu begrenzen, der eine kleine Emitterzone garantiert. Um eine niedrige Emitterkapazität sicherzustellen, ist es weiter vorteilhaft, die den P-Leitfähigkeitstyp bestimmenden und die den N-Leitfähigkeitstyp bestimmenden Verunreinigungen auf relativ niedrige Stufen zu begrenzen. Wenn solche Kapazitäten erwünscht sind, kann man das auf eine Weise dadurch erreichen, daß man die geschmolzene Blei-Silizium-Legierung Dämpfen der den P- und den N-Leitfähigkeitstyp bestimmenden Verunreinigungsverbindungen entweder vor oder während der Schmelzung der Legierung auf der Oberfläche der Germaniumscheibe aussetzt. Ohmsche Kontakte 7, 8 und 9 können zur N-Zone, zum P-Bereich und zu der Legierung hergestellt werden als Basis-, Kollektorbzw. Emitterkontakte.

Im Vorstehenden ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Differenz in der Minoritätsträgerbandkanten-Energiehöhe innerhalb einer Halbleitermenge, die als Körper einer Halbleiteranordnung verwendbar ist, beschrieben. Die Differenz in dem Minoritätsträgerbandkanten-Energieniveau übt in dem Körper einer Vorrichtung einen Einfluß auf die darin befindlichen Minoritätsträger aus, der zu Leistungsvorteilen führen kann. Es sind zwei Darstellungen des Einflusses dieser Differenz in dem Minoritätsträgerbandkanten-Energieniveau in Verbindung mit einem an sich bekannten Schichttransistor veranschaulicht worden. Die erste zeigt die Wirkung der Differenz im Minoritätsträgerbandkanten-Energieniveau in einem einen einzigen Leitfähigkeitstyp umfassenden Bereich eines Halbleiterkörpers, und die zweite zeigt die Wirkung bei Anlegung der Differenz im Minoritätsträgerbandkanten-Energieniveau über die Grenzschicht zwischen zwei nicht demselben Leitfähigkeitstyp angehörenden Bereichen. Aus diesen Darstellungen kann man ersehen, daß die abgestufte Energiebandlücke nach der Erfindung vorteilhaft für die Trägersteuerung der nach und nach verfügbaren komplizierteren Mehrzonen- und Mehrelektrodenanordnungen anwendbar ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung mit mindestens einem PN-Übergang und einem Driftfeld, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Zone des Halbleiterkörpers von einem Leitfähigkeitstyp, insbesondere die Basiszone eines Transistors, aus solchem Halbleitermaterial besteht, daß dieLückezwischenLeitf ähigkeitsband und Valenzband örtlich in der Zone verschieden ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone aus verschiedenen Schichten von Halbleitermaterial mit verschiedenen Bandlücken besteht.

3. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zpne außerdem eine gleichmäßig verteilte Störstellenkonzentration aufweist.

4. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung ein Transistor ist und daß im Halbleiterkörper das. Halbleitermaterial mit der größeren Bandlücke in Emitternähe und das Halbleitermaterial mit der kleineren Bandlücke in Kollektornähe angebracht ist.

5. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung ein Transistor ist und daß die Emitterzone aus Silizium, die Kollektorzone aus Germanium und die Basiszone aus einer Legierung von Germanium und Silizium besteht.

6. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-

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anordnung ein Transistor ist und daß die Emitterzone bzw. die Kollektorzone aus einem Elementhalbleiter, die Kollektorzone bzw. die Emitterzone aus einer halbleitenden Verbindung und die Basiszone aus einer Legierung des Elementhalbleiters mit der halbleitenden Verbindung besteht.

7. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung ein Transistor ist und daß die Emitter-

zone und die Kollektorzone aus verschiedenen halbleitenden Verbindungen bestehen.

8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone aus Galliumarsenid und die Kollektorzone aus Indiumarsenid besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 277 131.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen