DE1110765B - Legierungstransistor zum Schalten mit einem scheibenfoermigen n- oder p-dotierten Halbleiterkoerper - Google Patents

Legierungstransistor zum Schalten mit einem scheibenfoermigen n- oder p-dotierten Halbleiterkoerper

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DE1110765B DES65125A DES0065125A DE1110765B DE 1110765 B DE1110765 B DE 1110765B DE S65125 A DES65125 A DE S65125A DE S0065125 A DES0065125 A DE S0065125A DE 1110765 B DE1110765 B DE 1110765B
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Description

DEUTSCHES
PATENTAMT
ANMELDETAG!
BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT:
25. SEPTEMBER 1959
13. JULI 1961
Bekanntlich sind gewisse Metalle, z. B. Kupfer oder Nickel, in der Lage, in Halbleitermaterialien, ζ. B. Silizium oder Germanium, als Rekombinationszentrum zu wirken. Die in dem Halbleitergitter eingebauten Atome dieser Metalle fördern die Rekombination der freien Ladungsträger und verkürzen deshalb deren Lebensdauer. Sie sind aber auch noch in der Lage, die thermische Ladungsträgererzeugung zu unterstützen.
Dies wird z. B. in Halbleiterdioden mit einem pn-Übergang zwischen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps ausgenutzt, deren Zonen den Leitfähigkeitstyp bestimmende Fremdatome enthalten, welche Energieniveaus erster Art besitzen, die so nahe an der Kante eines Energiebandes liegen, daß sie bei der niedrigsten Betriebstemperatur praktisch unbesetzt sind. Zusätzlich enthält wenigstens eine der beiden Zonen außerdem noch mindestens eine weitere fremde Störstellenart, die Energieniveaus zweiter Art herbeiführt, die zwischen den Energieniveaus erster Art und der Mitte des verbotenen Bandes liegen und deren Besetzungsgrad über der Betriebstemperatur durch Lieferung von Majoritätsladungsträgern beträchtlich abnimmt, wodurch die Temperaturabhängigkeit der Anzahl von Minoritätsträgern und des Stromes durch das Elektrodensystem in diesem Temperaturbereich geringer ist als bei Abwesenheit der Energieniveaus zweiter Art. Durch die Zugabe dieser Energieniveaus zweiter Art erzeugenden Dotierungsstoffe, die bekanntlich Rekombinationszentren erzeu- gen, wird die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes des pn-Überganges verringert. Dabei ist wesentlich, daß sich diese Rekombinationszentren erzeugenden Atome auch am pn-Ubergang befinden. Die Rekombinationszentren erzeugenden Stoffe können auf verschiedene Weise, z. B. durch Diffusion aus einer gegebenenfalls auch noch andere Aktivatorstoffe enthaltenden Legierungspille in den Halbleiter eingebracht werden.
Eine andere bekannte Halbleiteranordnung besteht aus einem mit einem Elektrodenpaar versehenen Körper aus reinem kristallinen Germanium, der mindestens teilweise mit 10+13 bis 10+15 Goldatomen je Kubikzentimeter versetzt und im wesentlichen frei von anderen Akzeptoratomen als Gold ist. Durch die Zugabe des Rekombinationszentren erzeugenden Goldes erhält der Germaniumkristall eine hohe Wärmeempfindlichkeit bzw. Fotoempfindlichkeit seines elektrischen Widerstandes bei niedrigen Temperaturen von —100 bis —200° C.
Die Erfindung nutzt ebenfalls die Eigenschaften von Rekombinationszentren erzeugenden Fremdstof-Legierungstransistor zum Schalten
mit einem scheibenförmigen
n- oder p-dotierten Halbleiterkörper
Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2
Dipl.-Phys. Dieter Enderlein, München,
ist als Erfinder genannt worden
fen, allerdings zur Lösung einer von dem Bekannten unterschiedlichen Aufgabe aus, die im folgenden näher beschrieben wird.
Eine übliche Bauart von Legierungstransistoren enthält einen n- oder p-leitenden scheibenförmigen Halbleiterkristall, der an den beiden Flachseiten mit je einer einlegierten gleichrichtenden, als Emitter bzw. Kollektor dienenden Elektrode und an seinem Rand mit einer ringförmigen Basiselektrode sperrfrei kontaktiert ist. Vorzugsweise sind dabei Emitter- und Kollektorelektrode einander genau gegenüberliegend einlegiert, so daß zwischen diesen beiden Elektroden ein schmaler Bereich des durch den mit dem Einlegieren verbundenen Umdotierungsvorgang nicht beeinflußten ursprünglichen Halbleiterkristalls verbleibt. Dieser Bereich stellt die effektive Basiszone dar und ist über den ebenfalls unverändert gebliebenen Randbereich des Halbleiterkristalls mit der Basiselektrode verbunden. Ein solcher Transistor ist in Fig. 1 dargestellt.
Die aus einem n- oder p-leitenden Halbleiterkristall bestehende, beispielsweise kreisförmige Halbleiterscheibe 1 ist an ihrem Rand mit einer ringförmigen Basiselektrode 2 verlötet, während an den Flachseiten die Emitterelektrode 3 und die Kollektorelektrode 4 aus einem Metall, das den ursprünglichen Leitungstyp des Halbleiterkristalls in den entgegengesetzten Leitungstyp überführt, einlegiert ist. Es ist üblich, die Kollektorelektrode etwas größer als die Emitterelektrode zu machen.
Wird ein solcher Transistor als schaltendes Bauelement betrieben, so fließen beim Einschaltvorgang, falls der Transistor bis in das Gebiet des Sättigungs-
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3 4
Stromes gesteuert wird, sowohl vom Emitter als auch Emitter- und Kollektorelektrode aus Indium bestehen, vom Kollektor gleichzeitig Minoritätsladungsträger in Zwar ist Indium als Legierungsmetall bei Halbleiterdie Basiszone ein, so daß diese von Minoritäts- vorrichtungen üblich; im vorliegenden Fall gewinnt ladungsträgern überschwemmt wird. Beim darauffol- dieses Metall jedoch zusätzlich deshalb an Interesse, genden Ausschaltvorgang muß mindestens ein Teil 5 weil es in ausgeprägtem Maße in der Lage ist, die dieser in der Basiszone anwesenden Minoritäts- aus dem Halbleiter eindiffundierten Nickel- oder ladungsträger zum Kollektor abfließen, ehe dieser auf Kupferatome festzuhalten und sie nicht bei der ein Sperrpotential gelangt und der Kollektorstrom Rekristallisation wieder abzustoßen. Eine ähnliche unterbrochen wird. Die von diesem Vorgang be- Wirkung besitzt auch Zinn, selbst wenn es mit einem nötigte Relaxationszeit ist bei Schaltvorgängen beson- io Zusatzstoff wie Antimon versetzt ist. Bei einem ders störend. Durch Verwendung von Halbleiter- p-Leitung aufweisenden Germaniumkristall können material mit kleiner Lebensdauer läßt sich diese Re- deshalb die Emitter- und Kollektorelektroden aus mit laxationszeit verkürzen. Im Interesse der Stromver- Antimon versetztem Zinn bestehen. Die Lehre der Stärkung des Transistors ist jedoch mindestens in Erfindung erfordert dabei, daß merkliche Mengen des dem Bereich zwischen Emitter und Kollektor eine 15 Rekombinationszentren erzeugenden Materials der größere Lebensdauer der Minoritätsladungsträger er- Basiselektrode in die Randgebiete der Halbleiterwünscht, scheibe bis in die Nähe der Emitter- und Kollektor-
Die Erfindung bezieht sich daher auf einen Legie- elektrode eindiffundiert sind, während es andererseits rungstransistor zum Schalten mit einem scheiben- zweckmäßig ist, daß das unmittelbare Halbleitergebiet förmigen n- oder p-dotierten Halbleiterkörper, vor- 20 zwischen Emitter- und Kollektorelektrode von zugsweise aus einem Einkristall, mit auf den beiden Rekombinationszentren praktisch frei ist. So ist vorOberflächen des Halbleiterkörpers einlegierten gegen- zugsweise angestrebt, daß die Lebensdauer in dem überliegenden Emitter- und Kollektorelektroden und · zwischen Emitter- und Kollektorelektrode liegenden mit einer ringförmigen sperrfreien Basiselektrode. Um Gebiet des Halbleiterkristalles 300 μβ oder mehr, im die genannten, bei Anwendung des Transistors zum 25 übrigen Gebiet dagegen nur ΙΟ^μβ oder weniger Schalten von Stromkreisen auftretenden Nachteile zu beträgt.
beseitigen, wird der Legierungstransistor erfindungs- Zur Herstellung eines Transistors nach der Lehre gemäß so aufgebaut, daß die Basiszone des Halb- der Erfindung kann man zweckmäßigerweise wie leiterkörpers zwischen Emitter-und Kollektorelektrode folgt vorgehen. Der in bekannter Weise einer Ober- und außerhalb dieses Bereiches so unterschiedlich mit 30 flächenbehandlung unterzogene Halbleitereinkristall Rekombinationszentren erzeugenden Aktivatoren (Abätzen, Polieren usw.) wird zunächst mit der aus dotiert ist, daß die Lebensdauer der Ladungsträger einem Rekombinationszentren erzeugenden, vorzugsaußerhalb des zwischen den Emitter- und Kollektor- weise eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit im Halbelektroden liegenden Bereiches der Basiszone wesent- leiterkristall entwickelnden Metall bestehenden lieh herabgesetzt ist, und daß vorzugsweise die 35 Basiselektrode verlötet und so lange einer Wärme-Lebensdauer in dem zwischen Emitter- und Kollektor- behandlung unterzogen, bis die Lebensdauer der elektrode liegenden Bereich der Basiszone 300 με Ladungsträger in dem Material des Halbleiterkristalls, oder mehr, außerhalb dagegen nur 10-2μ8 oder mindestens in den über die geplante Emitter- und weniger beträgt. Kollektorelektrode hinausgehenden Bereichen, stark
So ist gemäß der Erfindung bei einer Anordnung 40 herabgesetzt ist. Anschließend werden die Emitternach Fig. 1 vorgesehen, daß in den punktierten Rand- und Kollektorelektrode bei einer Temperatur untergebieten des Halbleiterkristalls 1 ein Rekombinations- halb der zum Eindiffundieren der aus der Basiselekzentren erzeugender Aktivator vorhanden ist oder trode stammenden Atome benutzten Temperatur so nachträglich, gegebenenfalls auch nach Fertigstellung weit einlegiert, daß nur eine dünne Zwischenschicht des Transistors, durch einen Diffusionsprozeß einge- 45 aus dem ursprünglichen Material des Halbleitergrundbracht wird. So kann z. B. bei einem solchen Legie- kristalls verbleibt. Die Dicke dieser Schicht beträgt rungstransistor die den scheibenförmigen, Vorzugs- vorzugsweise 10 bis 50 μ oder weniger. Die Bestimweise kreisscheibenförmigen Halbleiterkristall ring- mung der zum Eindiffundieren der Atome aus der förmig kontaktierende Basiselektrode aus einem in Basiselektrode benötigten Zeit hängt von den verdem Halbleiterkristall Rekombinationszentren erzeu- 50 wendeten Materialien und von der Größe des HaIbgenden Metall bestehen, von dem infolge einer leiterkristalls, insbesondere von der Größe der Wärmebehandlung Atome in solcher Menge in den überstehenden Bereiche, ab. Sie kann deshalb nur an Halbleiterkristall eindiffundiert sind, daß die Lebens- einem Beispiel erläutert werden. Bei abweichenden dauer in dem angrenzenden Teil des Halbleiters Materialien sowie Dimensionen ist der gewünschte wesentlich herabgesetzt ist. Um jedoch die in das 55 Endzustand an Hand von Lebensdauermessungen, Gebiet zwischen Emitter und Kollektor gelangenden welche mittels an den Halbleiterkristall angelegter Rekombinationszentren zu beseitigen, wird man bei Sonden durchgeführt werden, festzulegen,
der Herstellung der als Emitter und Kollektor dienen- Das gemäß der weiteren Ausbildung der Erfindung den Elektroden ein Material verwenden, welches angewendete Verfahren zur Herstellung des Transineben der den Leitungstyp des Halbleitermaterials in 60 stors benutzt vorzugsweise, wie bereits angedeutet, den Gegentyp umdotierenden Wirkung eine absorbie- ein Legierungsmaterial für die Emitter- und Kollekrende Wirkung auf die in dem Halbleitergrundmaterial torelektrode, welches aus einem auf die im Halbleitergelösten, Rekombinationszentren erzeugenden Metall- kristall gelösten, Rekombinationszentren erzeugenden atome aus der Basiselektrode mindestens bei Legie- Metallatome absorbierend einwirkenden Metall oder rungstemperatur besitzt. 65 aus einer Metallmischung besteht, welche einen derart
Dies kann z. B. erreicht werden, wenn der Halb- absorbierend wirkenden und einen den Leitungstyp
leiterkristall aus η-leitendem Germanium, die Basis- des Halbleiterkristalls in den Gegentyp umändernden
elektrode aus einem Nickel- oder Kupferring und die Stoff enthält. Als Beispiel wurde bereits die n-Leitung
erzeugende Zinn-Antimon-Mischung und der Akzeptor Indium genannt. Die Legierungstemperatur und die Legierungszeit werden dabei so groß gewählt, daß das die Lebensdauer herabsetzende Aktivatormaterial mindestens teilweise aus dem Gebiet zwischen Emitter- und Kollektorelektrode wieder entfernt wird.
Ein Transistor der beschriebenen Art besitzt beispielsweise folgende Daten: Eine η-leitende einkristalline Germaniumscheibe mit 1,5 mm Durchmesser und 60 μ Stärke ist in einem Nickelbasisring mittels Bleilot eingelötet. Unmittelbar anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung bei 750° C während der Dauer von 15 Minuten. In dem derart vorbereiteten Halbleiterkristall werden die Emitter- und Kollektorelektrode aus einer Legierung von beispielsweise 99,95 % Indium und 0,05% Gallium auflegiert, und die Legierungstemperatur kann zwischen 450 und 600° C, die Legierungsdauer zwischen 15 bis 300 Minuten schwanken. Der Emitterdurchmesser ist 0,3 mm, der Kollektordurchmesser 0,4 mm, der Innendurchmesser des Basisringes 1,1 mm (vgl. Fig. 2).
Im Vergleich zu einer die Lehre der Erfindung nicht erfüllenden, im übrigen gleichen Halbleiteranordnung konnte die genannte Relaxationszeit um mehr als den Faktor 0,5 verkleinert werden. Sie beträgt bei der üblichen Anordnung entsprechend den genannten Dimensionen und Materialien, bei der nicht Atome der Basiszone in den Halbleiterkristall hineindiffundiert wurden, 1 μβ, bei der entsprechend der Lehre verbesserten Anordnung hingegen nur 0,4 μβ oder weniger.
Das Material der Basiszone wird im allgemeinen neben einer Rekombinationszentren erzeugenden Fähigkeit auch noch einen den Leitungstyp bzw. die Leitungsfähigkeit des Halbleiterkristalls beeinflussende Wirkung aufweisen. So wirken Kupfer und Nickel beispielsweise auch p-dotierend. Wird das Verfahren mit den genannten Materialien als Basiselektrode zur Herstellung eines pnp-Transistors durchgeführt, so wird der Bahnwiderstand in der Basiszone vergrößert, bei der Herstellung von npn-Transistoren hingegen kleiner. Es kann deshalb zweckmäßig sein, wenn die den Leitungstyp bzw. die Leitfähigkeit beeinflussenden Eigenschaften des als Basiselektrode verwendeten Metalls durch einen entgegenwirkenden, der Basiselektrode in geringen Mengen beigemischten Aktivator mit möglichst gleicher Diffusionsgeschwindigkeit kompensiert wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung eines Legierungstransistors gemäß der Erfindung besteht darin, daß der Halbleiterkristall im vornherein den Rekombinationszentren erzeugenden Aktivator, z. B. in gleichmäßiger Verteilung, enthält. Es kann z. B. ein aus einer mit einem den Leitungstyp bestimmenden Aktivator und einem Rekombinationszentren erzeugenden Aktivator versetzten Halbleiterschmelze gezogener Kristall verwendet werden. Wenn dann die Emitter- und Kollektorelektrode aus einem entsprechend den oben gegebenen Ausführungen auf den in dem Halbleitermaterial gelösten, Rekombinations-Zentren erzeugenden Aktivator absorbierend einwirken und beide Elektroden so tief in den Halbleiterkristall einlegiert werden, daß nur eine dünne Zwischenschicht verbleibt, so wird sich die absorbierende Wirkung auf die in dem Zwischengebiet vorhandenen, Rekombinationszentren erzeugenden Atome, z. B.
Kupfer, Nickel oder Gold, erstrecken und dadurch die Lebensdauer in diesem Zwischengebiet beträchtlich erhöht. Die vorher beschriebenen Schritte, wonach Atome aus der Basiselektrode in den Halbleiterkristall eindiffundieren müssen, unterbleiben bei diesem Verfahren, so daß die Basiselektrode aus einem beliebigen, in den Halbleiterkristall sperrfrei einlegierenden Metall bestehen kann. Natürlich ist das Einlegieren der Emitter- und Kollektorelektrode so vorzunehmen, insbesondere auf die entsprechende Zeit auszudehnen, daß die in dem genannten Zwischengebiet anwesenden Rekombinationszentren erzeugenden Aktivatoratome aus dem besagten Zwischengebiet in die Emitter- und Kollektorelektrode hineindiffundieren können.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE:
    1. Legierungstransistor zum Schalten mit einem scheibenförmigen n- oder p-dotierten Halbleiterkörper, vorzugsweise aus einem Einkristall, mit auf den beiden Oberflächen des Halbleiterkörpers einlegierten gegenüberliegenden Emitter- und Kollektorelektroden und mit einer ringförmigen sperrfreien Basiselektrode, dadurch gekennzeich net, daß die Basiszone des Halbleiterkörpers zwischen Emitter- und Kollektorelektrode und außerhalb dieses Bereiches so unterschiedlich mit Rekombinationszentren erzeugenden Aktivatoren dotiert ist, daß die Lebensdauer der Ladungsträger außerhalb des zwischen den Emitter- und Kollektorelektroden liegenden Bereiches der Basiszone wesentlich herabgesetzt ist, und daß vorzugsweise die Lebensdauer in dem zwischen Emitter- und Kollektorelektrode liegenden Bereich der Basiszone 300 μβ oder mehr, außerhalb dagegen nur 10-2 μβ oder weniger beträgt.
    2. Legierungstransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone zwischen Emitter- und Kollektorelektrode praktisch von Rekombinationszentren frei ist.
    3. Legierungstransistor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode aus einem in dem Halbleiterkörper beim Eindiffundieren Rekombinationszentren erzeugenden Metall besteht und daß die Emitter- und Kollektorelektroden ein Material enthalten, das beim Legieren Rekombinationszentren absorbiert.
    4. Legierungstransistor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus η-leitendem Germanium, die Basiselektrode aus Nickel oder Kupfer und die Emitter- und Kollektorelektrode aus Indium bestehen.
    5. Legierungstransistor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus p-leitendem Germanium, die Basiselektrode aus Nickel oder Kupfer und die Emitter- und Kollektorelektrode aus einer Zinn-Antimon-Legierung bestehen.
    In Betracht gezogene Druckschriften:
    Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 012 696,
    1051983, S 43734 VIII c/21g (bekanntgemacht am
    18. 10. 1956); britische Patentschrift Nr. 799 670;
    Zeitschrift für angewandte Physik, Bd. 11, 1959,
    Nr. 5, S. 162.
    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
    © 109 647/403 7.61
DES65125A 1959-09-25 1959-09-25 Legierungstransistor zum Schalten mit einem scheibenfoermigen n- oder p-dotierten Halbleiterkoerper Pending DE1110765B (de)

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