DE3048816A1

DE3048816A1 - Durchbruch-referenzdiode

Info

Publication number: DE3048816A1
Application number: DE19803048816
Authority: DE
Inventors: Hideharu Yamanashi Fujii; Kiyoichi Ohme Tokyo Ishii; Kenji Koufu Yamanashi Kobayashi
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Microcomputer Engineering Ltd
Current assignee: Hitachi Microcomputer System Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1979-12-26
Filing date: 1980-12-23
Publication date: 1981-09-17
Also published as: JPS5691478A; US4405932A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Durchbruch-Referenzdiode, insbesondere eine Diode, die in der Lage ist, die Schwankungen einer Durchbruchspannung sowie das Auftreten eines negativen Widerstandes zu verhindern.

Herkömmliche Referenzdioden, die den Zener-Durchbruch verwenden, erhalten konstante Spannungscharakteristika, indem sie die Sperreigenschaften von PN-Halbleiterübergängen ausnutzen. In einem Bereich niedriger Spannungen, z.B. unterhalb von 6 Volt, wird jedoch der Betriebswiderstand sehr hoch und beträgt z.B. R_d = 1,5 kü in einem Bereich von einigen Hundert Milliampere, was zu dem Nachteil geführt hat, daß die konstanten Spannungscharakteristika nicht erreicht werden.

Als Bauelement, das diesen Nachteil ausräumt, ist eine Durchbruchs-Referenzdiode entwickelt worden, die den "Punch-Through-Effekt" oder Kollektor-Emitter-Durchbruch zwischen dem Emitterbereich und dem Kollektorbereich eines Transistors ausnutzt.

Eine solche Durchbruchs-Referenzdiode ist z.B. in den JP-OS'en 49-1183, 53-6582 und 54-14689 beschrieben. All diese Beispiele verwenden einen npn-Planar-Transistor, dessen Kollektor-Basis-Übergang in der Weise durchbricht, daß eine die Durchbruchspannung überschreitende Vorspannung in Sperrrichtung daran angelegt wird, wobei der Emitterbereich und der Basisbereich des Transistors kurzgeschlossen sind. Zu diesem Zeitpunkt ist natürlich die Durchbruchspannung des Kollektor-Basis-überganges größer als die Durchbruchspannung.

Bei diesen Beispielen ist zunächst einmal festzustellen, daß der Emitterbereich und der Basisbereich des Planar-Transistors kurzgeschlossen sind. Als zweites ist die Verun-

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reinigungskonzentrationsverteilung des Basisbereiches flach oder hat einen Gradienten, gemäß dem die Verunreinigungskonzentration auf der Seite des Basis-Emitter-Überganges hoch ist und zur Seite des Kollektor-Basis-Überganges allmählich abnimmt. Das bedeutet, die Verunreinigungskonzentrationsverteilung des Basisbereiches hat einen solchen Gradienten,daß die Verunreinigungskonzentration der kurzgeschlossenen Übergangsseite hoch ist und daß die Verunreinigungskonzentration auf der Übergangsseite, an welche die Vorspannung in Sperrichtung angelegt ist, niedrig ist.

Derartige herkömmliche Referenzdioden haben den Nachteil, daß in einem Spannungsbereich von oberhalb 4 Volt wegen des Auftretens eines negativen Widerstandes keine abrupten konstanten SpannungsCharakteristika erhalten werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß in einem Strombereich unterhalb von 1 Milliampere keine konstanten Spannungscharakteristika erzielt werden, so daß diese Bauelemente nicht als Referenzdioden verwendet werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Referenzdiode anzugeben, die einen Durchbruch in einem breiten Spannungsbereich ausführt und die frei ist von den Eigenschaften negativer Widerstände.

Mit der erfindungsgemäßen Referenzdiode wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß man konstante Spannungscharakteristika in einem niedrigen Stromstärkenbereich von einigen pA bis zu einigen iiiA erzielen kann.

Gemäß der Erfindung ist eine Durchbruch-Referenzdiode vorgesehen, die einen ersten und einen dritten Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp sowie einen zweiten Bereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, der zwischen den beiden ersten Bereichen angeordnet ist und mit ihnen entsprechende PN-Übergänge bildet, und zeichnet sich dadurch aus, daß der PN-Übergang, der zwischen mindestens zwei benachbarten Bereichen der drei Bereiche gebildet ist, kurzgeschaltet ist.

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"— Ό "~

Ferner ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der zweite Bereich eine solche Verunreinigungskonzentrationsverteilung aufweist, daß die Verunreinigungskonzentration von der Seite des kurzgeschalteten PN-Überganges zur Seite des anderen, nicht kurzgeschlossenen Überganges höher wird. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 einen Schnitt durch eine Durchbruch-Referenzdiode gemäß der Erfindung;

Figur 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Verunreini'gungskonzentrationsverteilung längs einer Schnittlinie A-A¹ der Durchbruch-Referenzdiode nach Figur 1; ein Ersatzschaltbild der Durchbruch-Referenzdiode in Figur 1;

einen Schnitt zur Erläuterung einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode;

ein Diagramm zur Erläuterung der Verunreinigungskonzentrationsverteilung längs einer Schnittlinie A-A' der Durchbruch-Referenzdiode in Figur 4; einen Schnitt zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der. erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode ;

ein Diagramm zur Erläuterung der Verunreinigungskonzentrationsverteilung längs einer Schnittlinie A-A¹ der Durchbruch-Referenzdiode in Figur 6; ein Diagramm zur Erläuterung von konstanten Spannungscharakteristika der Durchbruch-Referenzdiode gemäß der Erfindung;

Figur 9A bis 9D Darstellungen im Schnitt zur Erläuterung der verschiedenen Schritte bei einem Verfahren zur Herstellung der Durchbruch-Referenzdiode nach Figur 1; Figur 1OA bis 1OC Schnitt zur Erläuterung der verschiedenen Schritte eines Verfahrens-,zur Herstellung der

Figur 3
Figur 4

Figur 5
Figur 6
Figur 7

Figur 8
30

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Durchbruch-Referenzdiode nach Figur 6;

Figur 11 _ei_nen Schnitt einer weiteren Ausfuhrungsform

der erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode;

Figur 12 einen Schnitt zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Durchbruch-

Referenzdiode ;

Figur 13 eine Draufsicht zur Erläuterung einer v/eiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode;

Figur 14 einen Schnitt längs der Linie B-B' der Durchbruch-Referenzdiode nach Figur 13;

Figur 15 ein Diagramm zur Erläuterung von konstanten Spannungs charakteristika der Durchbruch-Referenzdiode nach Figur 13;
Figur 16 ein Diagramm zur Erläuterung der Rauschkennlinien

der Durchbruch-Referenzdiode nach Figur 13;

Figur 17 ein Diagramm zur Erläuterung der Temperaturkompensationscharakteristika der Durchbruch-Referenzdiode nach Figur 13;
Figur 18A bis 18C Schnitte zur Erläuterung der verschiedenen

Schritte eines Verfahrens zur Herstellung der Durchbruch-Referenzdiode nach Figur 13; und in

Figur 19 einen Schnitt zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode.

Zunächst einmal soll eine neuartige Durchbruch-Referenzdiode anhand der Darstellung im Schnitt gemäß Figur 1 erläutert werden. Dabei ist ein Halbleiterkörper aus folgenden Bestandteilen aufgebaut: Einem η -leitenden Halbleitersubstrat 1 aus Silizium, das den Kollektor eines Planartransistors bildet; einer n~-leitenden Epitaxialschicht 2, die auf dem Substrat 1 ausgebildet ist und auch den Kollektor bildet; einem p-leitenden Basisbereich 3, der von der Oberfläche der Epitaxialschicht 2 selektiv diffundiert ist; und einem n⁺-leitenden Emitterbereich 4, der in einem Teil

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des Basisbereiches 3 ausgebildet ist. Eine Elektrode 5 aus einer GoId-Antimon-Legierung, welche einen Kollektor-Basisübergang J 2 kurzschließt, ist über dem Basisbereich und dem Kollektorbereich ausgebildet. Eine erste Elektrode 6 aus einer Gold-Antimon-Legierung ist auf dem Emitterbereich ausgebildet, während eine zweite Elektrode 7 aus einer Gold-Antimon-Legierung 7 auf der rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist. Der Basisbereich 3 und der Emitterbereich 4 sind kreisförmig ausgebildet, und 0 die einen Kurzschluß bildende Elektrode 5 ist in Form eines Ringes ausgebildet. Bei dieser Durchbruch-Referenzdiode ist die Zener-Durchbruchspannung eines Basis-Emitter-Überganges J.J größer als die Durchbruchspannung zwischen Emitterbereich und Kollektorbereich. Dementsprechend bewirkt die Durchbruch-Referenzdiode einen Durchbruch, indem man eine Spannung zwischen der ersten Elektrode 6 und der zweiten Elektrode 7 anlegt, um den Basis-Emitter-Übergang J₁ in Sperrrichtung vorzuspannen. Ein Ersatzschaltbild der Durchbruch-Referenzdiode ist in Figur 3 dargestellt. Gemäß der Erfindung ist die Verunreinigungskonzentrationsverteilung innerhalb des Basisbereiches in spezieller Weise ausgelegt, so daß die Verunreinigungskonzentration vom kurzgeschlossenen Kollektor-Basis-Übergang zu dem nicht kurzgeschlossenen Emitter-Basis-Übergang höher werden kann.

. Figur 2 zeigt die Verunreinigungskonzentrationsverteilung längs der Schnittlinie A-A¹ der Durchbruch-Referenzdiode. Die Verunreinigungskonzentration auf der Seite des kurzgeschlossenen Kollektor-Basis-Überganges ist geringer. Beispielsweise

17 18 wird die höhere Konzentration in der Basis auf 10 bis 10 _2

cm gebracht, während die geringere Konzentration Werte im

ic 14 _2
Bereich von 10 bis 10 cm hat. Wenn die Vorspannung in Sperrichtung an den Basis-Emitter-Übergang angelegt wird, breitet sich eine Verarmungsschicht in Richtung des Pfeils vom Basis-Emitter-Übergang J- im Basisbereich aus. Wenn eine Vorspannung in Sperrichtung, die die Durchbruchspannung

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überschreitet, an den Basis-Emitter-Übergang J- angelegt wird, erreicht die Verarmungsschicht den Kollektor-Basisübergang J₂ vom Basis-Emitter-Übergang J.,. Das heißt, der Durchbruchvorgang wird vorgenommen.

Auf diese Weise werden gemäß der Erfindung der Basisbereich und der Kollektorbereich kurzgeschlossen, und die Verunreinigungskonzentrationsverteilung des Basisbereiches ist so definiert, daß die Verunreinigungskonzentration auf der Seite des Überganges J₁, an den die Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird, kann höher werden als die Verunreinigungskonzentration auf der Seite des Überganges J₂, der von den beiden kurzgeschlossenen Bereichen gebildet wird.

Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode vom npn-Typ. Der Basisbereich dieser Diode ist in spezieller Weise unter Verwendung der Epitaxialtechnik ausgebildet. Die Durchbruch-Referenzdiode weist ein η -leitendes Halbleitersubstrat 1, das als Kollektor eines Planartransistors dient,und eine p-leitende Epitaxialschicht 8 auf, die als Basis dient und durch Epitaxialtechnik auf dem Substrat 1 ausgebildet ist. Die Epitaxialschicht 8 hat einen Gradienten in ihrer Verunreinigungskonzentration. Diese Epitaxialschicht 8 ist mit einem η -leitenden Bereich 4 ausgebildet, der den Emitter bildet, der selektiv von der Oberfläche her diffundiert ist. Außerdem ist eine ringförmige Diffusionsschicht 9, die auch den Kollektor bildet, in der Weise ausgebildet, daß sie sich von der Oberfläche der Epitaxialschicht nach unten zum Substrat 1 erstreckt. Über dem Basisbereich und dem Kollektorbereich ist eine Elektrode 5 ausgebildet, um sie elektrisch zu verbinden. Eine erste Elektrode 6 ist auf dem Emitterbereich ausgebildet, während eine zweite Elektrode auf der rückseitigen Oberfläche des Substrats ausgebildet ist. Das Ersatzschaltbild dieser Diode hat die gleiche Form wie die Anordnung in Figur 3.

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Figur 5 zeigt die Verunreinigungskonzentrationsverteilung im Schnitt längs einer Schnittlinie A-A¹ in der Durchbruch-Referenzdiode nach Figur 4. Ein Pfeil in Figur gibt die Richtung an, in der sich eine Verarmungsschicht ausbreitet.

Bei der zweiten Ausführungsform ist eine Kurzschlußelektrode vorgesehen, die den Basisbereich und den Kollektorbereich kurzschließt, und die Verunreinigungskonzentrationsverteilung des von der Epitaxialschicht gebildeten Basisbereiches ist so definiert, daß wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform die Verunreinigungskonzentration von dem kurzgeschlossenen Kollektor-Basis-Übergang J2 zu dem nicht kurzgeschlossenen Emitter-Basis-Übergang J₁ höher werden kann. In gleicher Weise wie bei der oben beschriebenen Diode wird bei dieser Diode eine Spannung an die erste Elektrode 6 und die zweite Elektrode 7 angelegt, um den Emitter-Basis-Übergang in Sperrichtung vorzuspannen. Somit erstreckt sich die Verarmungsschicht vom ersten übergang J., zum zweiten Übergang J-.

Figur 6 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode vom npn-Typ. Diese Durchbruch-Referenzdiode verwendet einen Planartransistor vom sogenannten inversen Typ, bei dem der Kollektor des Transistors in der Hauptfläche eines Halbleiterkörpers ausgebildet ist. Sie besteht aus einem n⁺-leitenden Halbleitersubstrat 1, das einen Emitter bildet; einer p-leitenden Epitaxialschicht 10, die als Basis auf dem Substrat ausgebildet ist; einem η -leitenden Bereich 11, der einen Kollektorbereich bildet, der von der Oberfläche der Epitaxialschicht 10 selektiv eindiffundiert ist; einer Diffusionsschicht 12, die in der Weise ausgebildet ist, daß sie sich von der Oberfläche der Epitaxialschicht 10 zum Substrat 1 erstreckt und die die Epitaxialschicht 10 einschließlich des η -leitenden Bereiches 11 umschließt und auch den Emitter bildet; einer Kurzschluß-Elektrode 13, die den Kollektorbereich und den Basisbereich kurzschließt; und einer Substrat-Elektrode 7,

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die auf der rückseitigen Oberfläche des Substrats ausgebildet ist. Bei dieser Ausfuhrungsform ist der Kollektor-Basis-Übergang J₂ kurzgeschlossen, während die Verunreinigungskonzentrationsverteilung der p-leitenden Epitaxialschicht so definiert ist, daß die Verunreinigungskonzentration von einem Emitter-Basis-Übergang J., zum Kollektor-Basis-Übergang J2 abnehmen kann. Eine Spannung wird zwischen die Elektrode 13 und die Elektrode 7 gelegt, um den Emitter-Basis-Übergang J₁ in Sperrichtung vorzuspannen, so daß eine Verarmungsschicht sich vom Emitter-Basis-Übergang J- ausbreitet, um den Kollektor-Basis-Übergang J₂ zu erreichen.

Figur 7 zeigt die Verunreinigungskonzentrationsverteilung längs einer Schnittlinie A-A¹ der Durchbruch-Referenzdiode in Figur 6. Bei einer Durchbruch-Referenzdiode, deren Basisbereich eine Verunreinigungskonzentrationsverteilung gemäß Figur 7 besitzt, wenn die Vorspannung in Sperrichtung an den Emitter-Basis-Übergang J- angelegt wird, breitet sich die Verarmungsschicht im wesentlichen in Richtung eines Pfeiles von diesem Übergang J- aus.

Die Eigenschaften der dritten Ausführungsform sind so, daß eine Kurzschluß-Elektrode 13 vorgesehen ist, welche den Kollektorbereich und den Basisbereich kurzschließt, und daß die Verunreinigungskonzentrationsverteilung des Basisbereiches so ist, daß die Verunreinigungskonzentration auf der Seite des Emitter-Basis-Überganges J.,, an den die Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird, höher ist als die Verunreinigungskonzentration auf der Seite des Kollektor-Basis-Überganges J₂, der von den beiden kurzgeschlossenen Bereichen gebildet wird.

Wie sich aus den oben beschriebenen Ausführungsformen ergibt, werden gemäß der Erfindung bei einer Durchbruch-Referenzdiode, die einen Planartransistor verwendet, mindestens zwei benachbarte Bereiche der drei Bereiche eines Transistors kurzgeschlossen, und die Verunreinigungskonzentrationsverteilung des Basisbereiches ist so definiert,

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daß die Verunreinigungskonzentration auf der Seite des pn-überganges, der von den beiden kurzgeschlossenen Bereichen gebildet wird, niedriger werden kann als die Verunreinigungskonzentration auf der Seite des anderen Überganges, d.h. dem Übergang, an den die Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird.

Die Kurzschlußelektrode zum Kurzschließen des einen PN-überganges (J-) verhindert die Transistorwirkung oder den Transistoreffekt, der ein Grund für das Auftreten eines negativen Widerstandes ist. Genauer gesagt, der negative Widerstand, der bei einer Durchbruch-Referenzdiode unter Ausnutzung eines Planartransistors beobachtet wird, bildet sich wegen der drei Halbleiterbereiche in einer sandwichartigen Anordnung aus, die als Transistor arbeitet. Gemäß der Erfindung ist die Verunreinigungskonzentration des Basisbereiches höher auf der Seite des in Sperrichtung vorzuspannenden Überganges (J-) als auf der Seite des anderen Überganges (J₂), und außerdem ist der andere übergang (J₂) kurzgeschlossen, so daß die Transistorwirkung nicht stattfindet.

Im allgemeinen gilt in Transistoren die Beziehung

^₄T , wobei V„,_ eine Kollektor-Emitterj-e UCU

Spannung bei offener Basis, V^^.^ eine Kollektor-Basis-Spannung bei offenem Emitter, h_f eine Stromverstärkung bei geerdetem Emitter und η einen Koeffizienten bedeuten. Die Stromverstärkung h_f bei geerdeter Emitterspannung hängt von einem Kollektorstrom I_CE ab, und ersterer nimmt mit letzterem zu. Betrachtet man einen Fall, bei dem ein npn-Transistor in solcher Weise in den Durchbruch-Betrieb gebracht wird, daß bei geerdetem Kollektor und offener Basis eine Spannung zwischen den Kollektor und den Emitter gelegt wird, um den Basis-Emitter-Übergang in Sperrichtung vorzu-

ΤΛ — ·—

spannen. In diesem Falle gilt die Beziehung V_CE0 = V_CBQ/ ^h_f Wenn nun eine bestimmte feste Spannung zwischen Kollektor und Emitter gelegt wird, treten Durchbrucheigenschaften auf

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und der Kollektor strom I,-™,-, bei offener Basis steigt an.

V-UjU

Dementsprechend nimmt die Stromverstärkung h~ zu, und die Spannung V__EO zwischen Kollektor und Emitter nimmt ab. Infolgedessen wird ein negativer Widerstand beobachtet. . Andererseits sind bei der erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode die Basis und der Kollektor kurzgeschlossen, so daß die Transistorwirkung, d.h. die Stromverstärkung nicht stattfindet. Auch wenn der Strom I.-,„~. fließt, wird

C-XjU

er dementsprechend nicht verstärkt, und es treten auch keinerlei Schwankungen der Stromverstärkung h_fe auf, die damit zusammenhängen. Dies verhindert ein Schwanken der Spannung

V™„ und verhindert somit das Auftreten des negativen Wider-Lüu

Standes. Somit wird das Auftreten des negativen Widerstandes vollständig verhindert, so daß steile Konstantspannungs-Charakteristiken erhalten werden können. Das Verhindern des Auftretens des negativen Widerstandes ist im Falle der Herstellung von Referenzdioden vorteilhaft, die dazu dienen, vergleichsweise hohe Konstantspannungen von mindestens 4 Volt zu liefern. Auch wenn Referenzdioden zur Lieferung von 0 vergleichsweise hohen Spannungen hergestellt werden, indem man die Basisbreite zwischen den Kollektor- und Emitterbereichen groß macht, kann das Auftreten des negativen Widerstandes verhindert werden, so daß sich steile Konstantspannungs-Charakteristiken erhalten lassen.

Im Zusammenhang mit der Verunreinigungskonzentrationsverteilung des Basisbereiches gemäß der Erfindung können die Rauscheigenschaften in einem Strombereich von einigen mA bis zu einigen pA weiter /verbessert werden, so daß Konstantspannungs-Charakteristiken im Bereich niedriger- Stromstärken erhalten werden können.

Die Verunreinigungskonzentrationsverteilung des Basisbereiches einer herkömmlichen Durchbruch-Referenzdiode sieht so aus, daß die Verunreinigungskonzentration auf der Seite eines Überganges, an den eine Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird, gering ist und daß sie zum anderen Übergang hin

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höher wird. Wenn bei einer herkömmlichen Durchbruch-Referenzdiode die an den Kollektor-Basis-Übergang angelegte Vorspannung in Sperrichtung die Durchbruchspannung überschreitet, erreicht eine Verarmungsschicht, die sich vom Kollektor-Basis-Übergang ausgebreitet hat, den Basis-Emitterübergang. Das bedeutet, die Durchbruch-Operation wird durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt werden Minoritätsträger (Elektronen) vom Emitterbereich in den Basisbereich injiziert. Die injizierten Minoritätsträger haben das gleiche Vorzeichen wie feste Ladungen im Basisbereich. Da die festen Ladungen auf der Verunreinigung des Basisbereiches beruhen, ist ein Potential aufgrund der festen Ladungen auf der übergangsseite niedrig, an den die Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird, während sie auf der anderen Übergangsseite hoch ist. Dementsprechend bewegen sich die injizierten Minoritätsträger von der Seite höheren Potentials zu der Seite niedrigeren Potentials wegen der festen Ladungen. Somit werden die injizierten Träger vom Potential weiter beschleunigt, mit dem Ergebnis, daß der Grad der Streuung der Träger des Basisbereiches zunimmt, was den Grund für die Entwicklung von Rauschen bildet.

Im Gegensatz dazu ist bei der erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode, wie in Figur 2, 5 und 7 dargestellt, die Verunreinigungskonzentrationsverteilung des Baoisbereiches so definiert, daß die Verunreinigungskonzentration auf der Übergangsseite, an die die Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird, höher werden kann als auf der anderen Übergangsseite. Das bedeutet, die Relation zwischen dem übergang, an den die Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird, und der Verunreinigungskonzentrationsverteilung des Basisbereiches ist entgegengesetzt zu einer herkömmlichen Durchbruch-Referenzdiode. Es soll'nun die Durchbruch-Referenzdiode nach Figur 2 als Beispiel genommen werden. Wenn die die Durchbruchspannung überschreitende Vorspannung in Sperrichtung an den Basis-Emitter-Übergang angelegt wird, erreicht die Verarmungsschicht, die sich vom Basis-Emitter-Übergang J.,

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ausgebreitet hat, den Kollektor-Basis-Übergang J₂, d.h. die Durchbruch-Operation wird vorgenommen. Zu diesem Zeitpunkt werden Elektronen vom Kollektorbereich in den Basisbereich injiziert. Die injizierten Minoritätsträger im Basisbereich haben das gleiche Vorzeigen wie die festen Ladungen im Basisbereich. Ein Potential aufgrund der festen Ladungen ist hoch auf der Seite des Basis-Emitter-Überganges und niedrig auf der Seite des Kollektor-Basis-Überganges. Dementsprechend bewegen sich die injizierten Träger in der Richtung gegen das Potential. Aus diesem Grunde wird die Strömung der injizierten Träger gesteuert, so daß die Streuung der Träger im Basisbereich verhindert wird und die Träger sich im wesentlichen in konstanter Richtung bewegen. Infolgedessen kann die Entwicklung von Rauschen verringert werden.

Figur 8 zeigt I_R-V_-Strom-Spannungs-Kennlinien der erfindungsgemäßen Referenzdiode. R^ bis R, bezeichnen verschiedene Proben, deren Durchbruchspannungen durch Variation der Basisbreite gesteuert wurden.

Gemäß der Erfindung werden Durchbruch-Referenzdioden mit steilen Konstantspannungs-Charakteristiken in einem Bereich geringer Stromstärken geschaffen, wie es in Figur dargestellt ist, und zwar aus den nachstehend angegebenen Gründen. Auch wenn der Strom I_R der Diode sich in einem niedrigen Strombereich von einigen pA bis einigen mA bewegt, steigt gemäß der Erfindung die Spannung der Diode steil an, und es werden gute Konstantspannungs-Charakteristiken geliefert. In einem Bereich von z.B. 1 bis 5 Volt können die harten Wellenformen R^ bis R₄ mit gutem Anstieg erhalten werden, bei denen die Betriebswiderstände R.. Werte von 0,2 bis 0,5 kfi haben. Außerdem können Referenzdioden, die keine negativen Widerstände hervorrufen, für Durchbruchspannungen von 4 Volt oder mehr hergestellt werden.

Nachstehend soll ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode gemäß Figur 1 anhand der Figuren 9A bis 9D erläutert werden.

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(A) Es wird ein n⁺-leitendes Substrat 1 hergestellt, auf dem eine η -leitende Epitaxialschicht 2 vom gleichen Leitfähigkeitstyp ausgebildet wird. Die Verunreinigungskonzentrationsverteilung dieser Epitaxialschicht wird flach ausgebildet (Figur 9A).

(B) Unter Verwendung eines Oxidfilms 14 als Maske wird eine p-leitende Diffusion in die Oberfläche der η-leitenden Epitaxialschicht durchgeführt, um einen p-leitenden Basisbereich 3 herzustellen. Dieser p-leitende Basisbereich 3 bildet einen pn-übergang J„ zwischen sich und der η -leitenden Epitaxialschicht (^igur 9B).

(C) Durch Diffusion einer η -leitenden Verunreinigung in die Oberfläche des p-leitenden Basisbereiches wird ein η leitender Eir.itterbereich 4 hergestellt. Ein pn-übergang J₁ ist zwischen dem Emitterbereich und dem Basisbereich definiert (9C) .

(D) Durch Anbringen einer Kurzschluß-Elektrode 5 auf dem Oberflächenbereich des Basis-Kollektor-Überganges werden der Basisbereich und der Kollektorbereich kurzgeschlossen.

Gleichzeitig wird eine Substrat-Elektrode hergestellt (Figur 9D) .

Die Verunreinigungskonzentrationsverteilung dieser Durchbruch-Referenzdiode entspricht der Darstellung in Figur Die Figuren 1OA bis 1OC erläutern ein Verfahren zur Herstellung der Durchbruch-Referenzdiode gemäß Figur 4. Diese Referenzdiode wird gemäß den nachstehenden Schritte hergestellt:

(A) Es wird ein η -leitendes Siliziumsubstrat 1 als Ausgangssubstrat hergestellt (Figur 10A).

(B) Eine p-leitende Epitaxialschicht 10, die als Basisbereich dient, wird auf dem Substrat 1 ausgebildet. Die Verunreinigungskonzentrationsverteilung der p-leitenden Epitaxialschicht (Basis) ist so ausgebildet, daß sie einen Konzentrationsgradienten besitzt, gemäß dem die Verunreinigungskonzentration auf der Substratseite hoch und auf der Ober-

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flächenseite niedrig ist, wie es in Figur 5 dargestellt ist. Während des epitaxialen Aufwachsens wird beispielsweise die Dotierungsmenge mit Bor vom p-Typ allmählich von der Größen Ordnung von 10 cm zur Größenordnung von 10 cm verringert. Alternativ dazu wird zuerst eine nicht dotierte Epitaxialschicht hergestellt, woraufhin eine Ionenimplantation der Verunreinigung durchgeführt und die Dosierung im umgekehrten Verhältnis zum Wert der Implantationsenerg.ie variiert wird, so daß eine abgestufte Konzentration aufgebaut werden kann, die auf der Substratseite höher und auf der Oberflächenseite geringer ist. Ein pn-übergang J., wird zwischen der Epitaxialschicht und dem Substrat hergestellt (Figur 10A).

(C) In einem Umfangsbereich der Epitaxialschicht wird eine η -leitende selektive Diffusion, die das Substrat erreicht, durchgeführt, um einen Isolationsbereich 12 herzustellen. Anschließend wird eine flache η -leitende Diffusion in einem mittleren Bereich durchgeführt, um einen n' -leitenden Emitterbereich 11 herzustellen. Ein pn-übergang J~ wird zwischen dem Emitterbereich und dem Basisbereich hergestellt (Figur 10B).

(D) Der Teil eines Oxidfilmes 15, der dem Oberflächenbereich des Überganges zwischen dem p-leitenden Basisbereich und dem η -leitendem Emitterbereich entspricht, wird mit einem Fenster geöffnet, in dem eine Kurzschluß-Elektrode 13 angeordnet wird, um die Basis und den Emitter kurzuschließen (Figur 10C).

Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen sind in den Figuren 11 und 12 dargestellt.

Figur 11 zeigt einen Fall, wo ein p-leitender Basisbereich 16 durch Diffusion hergestellt wird, um ein η leitendes Substrat 1 zu erreichen, während die anderen Herstellungsschritte die gleichen sind wie im Falle der Figuren 9A bis 9D. Die Verunreinigungskonzentrationsverteilung längs einer Schnittlinie A-A¹ wird in diesem Falle ähnlich dem Fall in Figur 5.

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Figur 12 zeigt einen Fall, wo eine p-leitende Epitaxialschicht 12 als Basisbereich verwendet wird, anstatt einen p-leitenden Basisbereich durch Diffusion herzustellen. Bei der Herstellung der p-leitenden Expitaxialschicht wird die Dotierungsmenge mit beispielsweise Bor allmählich während des Aufwachsens der Epitaxialschicht verringert; alternativ dazu wird nach der Herstellung einer Epitaxialschicht die Dosierung einer Verunreinigung im umgekehrten Verhältnis zum Wert der Implantationsenergie variiert, so daß die Verunreinigungskonzentration des Basisbereiches in einem tiefen Teil klein und in einem Oberflächenteil groß gemacht wird. Die Verunreinigungskonzentrationsverteilung längs einer Schnittlinie A-A¹ wird in diesem Falle ähnlich dem in Figur 2 dargestellten Fall.Anschließend wird ein η -leitender Diffusionsbereich 18 in einem Umfangsbereich der Epitaxialschicht in der Weise ausgebildet, daß er das Substrat erreicht. Die anderen Herstellungsschritte sind die gleichen wie bei der nachstehend beschriebenen Ausführungsform gemäß Figur 14.

Die Erfindung ist dabei nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsformen beschränkt. Obwohl die obigen Ausfuhrungsformen im Zusammenhang mit npn-tibergängen erläutert worden sind, ist die Erfindung in gleicher Weise anwendbar auf Bauformen mit pnp-übergängen.

Die Figuren 13 und 14 zeigen eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode vom pnp-Typ. Figur 13 zeige eine Draufsicht der Ausführungsform, während Figur 14 einen Schnitt längs der Linie B-B¹ in Figur 13 zeigt. Diese Durchbruch-Referenzdiode verwendet einen pnp-Planar-Transistor. Sie besteht aus einem Siliziumhalbleitersubstrat 2O vom ρ -Typ, das als Teil eines Kollektorbereiches dient; einer Siliziumepitaxialschicht 21 vom ρ -Typ, die auf dem Substrat 2O ausgebildet ist und einen Teil des Kollektorbereiches bildet; einem η-leitenden Basisbereich 22, der selektiv von der Oberfläche der Epitaxialschicht ausgehend gebildet wird; einem ρ -leitenden Emitter-

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bereich 23, der in einem Teil des Basisbereiches ausgebildet ist; einem ringförmigen ρ -leitenden Bereich 24, der um den Basisbereich herum ausgebildet ist und das Substrat erreicht; einem ringförmigen, η -leitenden Bereich 25, der im Inneren des p⁺-leitenden Bereiches 24 an diesen angrenzend ausgebildet ist; einer η -leitenden Isolationsschicht 26; einer Kurzschluß-Elektrode 27, die den Basisbereich und den Kollektorbereich kurzschließt; einer ersten Elektrode 28 zur Herstellung einer Silberwarzenelektrode, die auf dem Emitterbereich ausgebildet ist; einer zweiten Elektrode 29 zur Herstellung einer Silberelektrode, die auf der rückseitigen Oberfläche eines Substrats ausgebildet ist; einer Silberwarzenelektrode 30, die eine Anode darstellt; einer Silberelektrode 31, die auf der zweiten Elektrode auf der rückseitigen Oberfläche des Substrats ausgebildet ist und eine Kathode bildet; sowie einem Oxidfilm 32, einem Phosphorglasfilm 33 und einem Phosphosilikatglasfilm 34, die durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt werden und alle zur Isolation dienen. Die Verunreinigungskonzentrationsverteilung des Basisbereiches ist so gewählt, daß die Verunreinigungskonzentration auf der Seite des kurzgeschlossenen Überganges niedrig ist, während die Verunreinigungskonzentration auf der Seite des Überganges hoch ist, an den eine Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird. Dementsprechend wird die Verunreinigungskonzentration bei einer Schnittlinie A-A¹ in diesem Falle eine Verteilung, bei der die Leitfähigkeitstypen in Figur 2 umgekehrt sind.

Bei dieser Durchbruch-Referenzdiode ist die Durchbruchspannung des Basis-Emitter-Überganges größer eingestellt als die Durchbruchspannung zwischen dem Emitter und dem Kollektor. Dementsprechend findet bei der Durchbruch-Referenzdiode ein Durchbruchvorgang in der Weise statt, daß eine die Durchbruchspannung überschreitende Spannung bei der Vorspannung des Basis-Emitter-überganges in Sperrichtung zwischen die beiden Elektroden 30 und 31 als Anode und Kathode angelegt

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wird. Zu dieser Zeit breitet sich eine Verarmungsschicht vom Basis-Emitter-Übergang aus und erreicht den Kollektor-Basis-Übergang im Basisbereich.

Diese Ausführungsform besitzt die Eigenschaften der Erfindung, nämlich eine Kurzschluß-Elektrode, die die beiden benachbarten Bereiche des Planartransistors kurzschließt, und eine Verunreinigungskonzentrationsverteilung des Basisbereiches, bei der die Verunreinigungskonzentration niedrig auf der Seite des kurzgeschlossenen Überganges und hoch 0 auf der Seite des Überganges ist," an den die Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird. Dementsprechend kann die Transistorwirkung ausgeräumt und das Auftreten von negativen Widerständen verhindert .'werden, indem man die Kurzschluß-Elektrode in der angegebenen Weise vorsieht. Darüber hinaus kann wegen des speziellen Gradienten, gegeben durch die Verunreinigungskonzentrationsverteilung des Basisbereiches, das Auftreten von Rauschen aufgrund der Streuung von Minoritätsträgern verringert werden, die aus dem Kollektorbereich in den Basisbereich injiziert werden.

Diese Ausführungsform ist dementsprechend verwendbar als Referenzdiode im Strombereich von einigen pA bis zu einigen mA. Da keine negativen Widerstände bei Durchbruchspannungen von 4 V oder darüber auftreten, werden somit Durchbruch-Referenzdioden geschaffen, deren Durchbruchspannungen in einem breiten Bereich eingestellt werden.

Außerdem hat sich diese Aufuhrungsform unter Verwendung eines pnp-Planar-Transistors als vorteilhafter gegenüber einem npn-Transistor im Hinblick auf die Unterdrückung von Rauschen erwiesen. Bei dem Durchbruch dieser Durchbruch-Referenzdiode breitet sich die Verarmungsschicht vom Basis-Emitter-Übergang aus und erreicht den Kollektor-Basis-Übergang im Basisbereich. Zu diesem Zeitpunkt werden Löcher aus dem Kollektorbereich in den Basisbereich injiziert. Die Löcher haben das gleiche Vorzeichen wie die festen Ladungen im Basisbereich. Da ein Potential aufgrund der festen La-

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düngen von der Verunreinigungskonzentration abhängig ist, bewegen sich die injizierten Löcher entgegen dem Potential. Somit wird der Fluß der injizierten Löcher gesteuert, und auch ihre Streuung in der Basis wird gesteuert. Infolgedessen wird das Rauschen verringert. Hierbei ist der Grund, warum die injizierten Löcher sich entgegen dem Potential aufgrund der festen Ladungen des Basisbereiches mit gleichem Vorzeichen bewegen können, der, daß sie von einem elektrischen Feld beschleunigt werden, das von der angelegten Spannung aufgebaut wird. Der Grad oder das Ausmaß, mit dem sie vom,elektrischen Feld beschleunigt werden, ist unterschiedlich in Abhängigkeit von der Art der Träger. Das bedeutet, wenn die Träger Elektronen sind, ist der Grad der Beschleunigung höher als im Falle von Löchern. Dies liegt daran, daß die Beweglichkeit von Elektronen größer ist als die von Löchern. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Minoritätsträger, die in den Basisbereich injiziert werden, Löcher, und der Strom der Löcher wird in wirksamer Weise vom Potential mit gleichem Vorzeichen aufgrund des kleineren Beschleunigungsgrades der Löcher gesteuert. Dementsprechend kann bei der erfindungsgemäßen Referenzdiode vom pnp-Typ das Auftreten von Rauschen verglichen mit einer Referenzdiode vom npn-Typ verringert werden.

Die erfindungsgemäße Referenzdiode in Figur 13 und 14 verwendet eine Struktur, die im Hinblick auf das Herstellungsverfahren vorteilhaft ist. Wenn ein η-leitender Basisbereich durch Ionenimplantation von Arsen (As) und der ρ -leitende . Emitterbereich durch Ionenimplantation von Borfluorid (BF₂) hergestellt wird, kann die Breite des Basisbereiches ohne weiteres gesteuert werden, und es kann eine Gitterverzerrung im Basis-Emitter-Übergang verringert werden, an den die Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird.

Nach der Ionenimplantation von Borfluoruid (BF-) wird eine Streckungsdiffusion durchgeführt.. Hierbei ist der Diffusionskoeffizient von Arsen (As) kleiner als der von Bor (B), so daß auch dann, wenn das durch Ionenimplantation

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eingebrachte Bor thermisch diffundiert wird, um den Emitterbereich zu bilden, das Arsen kaum diffundiert wird. Aufgrund der unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten kann die Breite des Basisbereiches schmal genug gemacht werden, um den Durchbruch zu bewirken, und die Basisbreite kann genau und leicht gesteuert werden.

Durch Kombination der Verunreinigungen As und B, um die Basis- und Emitterbereiche herzustellen, kann die Gitterverzerrung inder Basis-Emitter-Übergangsseite verringert werden. Die Verringerung der Gitterverzerrung in der Übergangsfläche macht es möglich, Leckströme und Rauschen zu verringern .

Die obigen Effekte können in gleicher Weise bei der Herstellung des Emitterbereiches durch Diffusion von B erreicht werden. Auch wenn As durch Antimon (Sb) ersetzt wird, können ähnliche Effekte erreicht werden. Dies deswegen, weil der Diffusionskoeffizient von Sb ausreichend klein im Vergleich zu dem von B ist, und auch die Kombination von Sb und B kann die Gitterverzerrung in der Übergangsfläche verkleinern.

Figur 15 zeigt I_R-v_R~Strom-Spannungskennlinien der Durchbruch-Referenzdiode mit einem Aufbau gemäß Figur 13 und 14. Insbesondere zeigt sie Konstantspannungs-Charakteristiken von drei Durchbruch-Referenzdioden R-I₁, R^ ^²*¹^ ^i 3 ^m*-*~ unterschiedlichen Durchbruchspannungen. Die Ordinatenachse gibt den Strom I_ nach dem Durchbruch in logarithmischem Maßstab, während der Abszissenachse die Spannung V_R nach dem Durchbruch angibt. Sämtliche Referenzdioden besitzen Linearität in einem Stromstärkenbereich von einigen pA bis zu einigen mA und können gute Konstantspannungs-Charakteristiken liefern. Diese Charakteristiken geben an, daß kein negativer Widerstand auftritt, auch wenn die Durchbruchspannung oberhalb von 4 Volt liegt.

Die Durchbruchspannung ist nicht auf die drei Beispiele in Figur 15 begrenzt, sondern kann auf einen vorgegebenen Wert gesetzt werden, indem man die Basisbreite

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einstellt.

Figur 16 zeigt eine Rauschcharakteristik der erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode gemäß Figur 13 und 14. Die Ordinatenachse gibt eine Rauschspannung V_n in logarithmischem Maßstab, während die Abszissenachse einen Strom I„ nach dem Durchbruch angibt. AV„ bzeichnet einen Streubereich unter den Proben. Die Rauschspannungen im niedrigen Strombereich konnten auf ungefähr die Hälfte von entsprechenden Werten bei herkömmlichen Referenzdioden verringert werden.

Figur 17 zeigt Temperaturkompensationscharakteristika der drei Beispiele mit unterschiedlichen Durchbrucheigenschaften gemäß Figur 15 der erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode gemäß Figur 13 und 14. Die Abszissenachse gibt die Klemmenspannung V_n zu dem Zeitpunkt an, wenn der Strom I„ nach dem Durchbruch 0,5 mA beträgt, während die Ordinatenachse den Temperaturkoeffizienten y_r in mV/ C der Änderungsrate der Klemmenspannung pro Temperatureinheit zu dem Zeitpunkt angibt, wenn eine Umgebungstemperatur sich von 25°C auf 125°C ändert, wobei der Strom I_R nach dem Durchbruch bei 0,5 mA gehalten wird. Wie sich aus Figur 17 ergibt, betragen die Temperaturkoeffizienten der drei Dioden ungefähr -0,7mV/°C, -0,9 mV/°C bzw. -1,1 mV/°C, wobei diese Werte mit herkömmlichen Durchbruch-Referenzdioden nicht erreicht werden konnten.

Als nächstes soll ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Dürchbruch-Referenzdiode gemäß Figur 13 und 14 anhand der Figuren 18A bis 18C näher erläutert werden. (A) Wie in Figur 18A dargestellt, wird eine p~-leitende Epitaxialschicht 21 auf einem ρ -leitenden Halbleitersubstrat 20 aufgewachsen und eine Tiefe ρ -leitende Diffusionsschicht 24 in Form eines Ringes ausgebildet, so daß sie das Substrat erreicht. Anschließend werden z.B. Arsenionen (As) implantiert, und der implantierte Bereich wird eine Streckungsdiffusion unterworfen, um einen Basisbereich 22 im Inneren

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der ringförmigen, p⁺-leitenden Diffusionsschicht 24 in Kontakt mit dieser herzustellen. Beim nächsten Schritt werden z.B. Ionen von Borfluorid (BF₀) implantiert, um einen ρ -leitenden Emitterbereich 23 herzustellen. Zu diesem Zeitpunkt werden ein ringförmiger, n⁺-leitender Bereich 25, der im Inneren von und in Kontakt mit dem ringförmigen, ρ -leitenden Bereich 24 liegt, sowie ein rechteckiger, n⁺-leitender Bereich 26, der einen Diodenbereich umgibt, gleichzeitig durch Ionenimplantation von BP₂ hergestellt. Ein Siliziumdioxidfilm 32 und ein Phosphosilikatglasfilra 33 werden auf der vorderen Oberfläche erneut ausgebildet, und die Oberfläche des Übergangsbereiches zwischen dem ringförmigen, p⁺-leitenden Bereich 24, und dem n⁺-leitenden Bereich 25 und cie Oberfläche eines Teiles des Emitterbereiches werden freigelegt. Filme 35 und 29, z.B. aus einer Au-Ga-Legierung werden jeweils auf den gesamten Bereichen des vorderen und hinteren Oberflächen des resultierenden Halbleitersubstrats mit einer Verdampfungstechnik hergestellt.

(B) Wie aus Figur 18B ersichtlich, wird der aufgedampfte Au-Ga-Fi.lm 35 mit einem Ätzverfahren entfernt, und nach dem Sintern des Substrats wird ein Phosphosilikatglasfilm 34 auf der gesamten vorderen Oberfläche mit einem chemischen Gasphasenabscheidungsverfahren ausgebildet.

(C) Wie in Figur 18C dargestellt, wird der Teil des Phosphosilikatglasfilmes 34, der über dem Emitterbereich liegt, mit einem Ätzverfahren entfernt, um einen aufgedampften Au-Ga-FiIm 28 auf dem Emitterbereich freizulegen, unter Verwendung des aufgedampfen Au-Ga-Filmes 28 als Anode und des aufgedampften Au-Ga-Filmes 29 auf der rückseitigen Oberfläche des Substrats als Kathode wird eine warzenförmige Elektrode 30 aus Silber (Ag) auf dem Metallfilm 28 durch Galvanisierung ausgebildet. Bei der Galvanisierung werden eine Ag-Elektrode 36 und das Siliziumplättchen zur Herstellung des EIementes darin in einen nicht dargestellten Elektrolyten in

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demselben Bad eingetaucht, und die Elektrode 29 des Siliziumplättchens und die Ag-Elektrode 36 werden jeweils mit dem negativen Pol 0 und dem positiven (+) einer Gleichspannungsversorgung verbunden.

Anschließend wird eine Ag-Schicht 31 auf der rückseitigen Oberfläche des Siliziumplättchens mit einem Verdampfungsverfahren hergestellt.

Obwohl in den Figuren 1SA bis 18C nur ein Element der Referenzdiode dargestellt ist, versteht es sich von selbst, daß eine große Anzahl von derartigen Elementen gleichzeitig auf einem einzigen großen Siliziumhalbleiterplättchen gemäß den vorstehend beschriebenen Schritten hergestellt werden kann. Das einzelne Siliziumhalbleiterplättchen, das mit einer großen Anzahl von erfindungsgemäßen Referenzdioden ausgebildet ist, wird längs der rechteckigen, η -leitenden Bereiche 26 angerissen und in einzelne Elemente oder Pellets geteilt. Jedes Element mit einer warzenförmigen Silberelektrode 30 wird schließlich in Glas eingekapselt. Diese Glaseinkapselung kann beispielsweise mit einem Verfahren durchgeführt werden, wie es in der JP-GM 42-4828 beschrieben ist. Bei diesem Verfahren werden die Halbleiterpille und die externen Leitungen in eine Glashülse eingesetzt und eine Wärmebehandlung durchgeführt, um die externen Leitungenan der Üalbleiterpille gleichzeitig mit der Glaseinkapselung anzubringen.

Mit den obigen Schritten wird eine große Anzahl von erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdioden auf einem einzigen Plättchen hergestellt. Anschließend wird das Plättchen' längs der mittleren Teile der rechteckigen, η -leitenden Bereiche 26 in Chips zerschnitten, die einer DHD-Einkapselung unterworfen werden. Dann sind die Bauelemente fertig.

Bei der erfindungsgemäßen Durchbruch-Referenzdiode gemäß Figur 13 und 14 können die folgenden Wirkungen erreicht werden:

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(1) Da der Kollektorbereich und der Basisbereich des pnp-Planartransistors kurzgeschlossen sind, kann die Galvanisierung leicht verwendet werden. Insbesondere wird die Galvanisierung durchgeführt, wobei die pn-übergangsdiode in Durchlaßrichtung betrieben wird, und somit wird sie nicht behindert.

(2) Der ringförmige η -leitende Bereich 24 und der p⁺-leitende Bereich 25 werden vorgesehen, und der Kontakt mit einer Kurzschluß-Elektrode 27 ist mehr ein Ohm¹scher. Insbesondere wenn die Galvanisierung verwendet wird, wird der Widerstand in Durchlaßrichtung verringert, was zur Herstellung einer gleichmäßigen, warzenförmigen Elektrode beiträgt.

(3) Bei der Herstellung von Chips wird das Plättchen längs den rechteckigen, η -leitenden Bereichen 26 geschnitten, so daß es schwierig ist, das nicht passende Artikel auftreten. Der rechteckige, n⁺-leitende Bereich kontrolliert das ungünstige Eindringen einer Verunreinigung in den das Element bildenden Bereich*

(4) Die warzenförmige Ag-Elektrode wird so ausgebildet, daß sie größer ist als der Emitterbereich und den Basis-Emitter-Bereich überdeckt, so daß die Spannung des Oberflachendurchbruchs erhöht werden kann. Das bedeutet, die Verarmungsschicht wird durch die Form der warzenförmigen Ag-Elektrode gesteuert, und dies dient dazu, die Durchbruchspannung des Basis-Emitter-Überganges größer als die Durchbruchspannung zwischen dem Emitterbereich und dem Kollektorbereich zu machen.

Anstatt den ringförmigen, ρ -leitenden Bereich 24 und

den n⁺-leitenden Bereich 25 für den Ohm'sehen Kontakt mit der Kurzschluß-Elektrode vorzusehen, kann auch eine V-förmige Nut hergestellt werden, in der eine Kurschluß-Elektrode ausgebildet wird. Figur 19 zeigt eine weitere AusfUhrungsform gemäß der Erfindung unter Verwendung einer derartigen V-förmigen Nut. Wie aus Figur 19 ersichtlich, werden ein Basis-Bereich 22, ein Emitterbereich 23 und ein rechteckiger,

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n⁺-leitender Bereich 26 in Teilen einer p~-leitenden Epitaxialschicht 21 auf einem ρ -leitenden Substrat 20 ausgebildet, und ein Oxidfilm 32 und ein Phosphosilikatglasfilm 33 werden auf der vorderen Oberfläche des Substrats ausgebildet. Anschließend wird die V-förmige Nut durch Ätzen in einem Teil ausgebildet, in dem der ringförmige, ρ -leitende Bereich und der η -leitende Bereich auszubilden sind. Die V-förmige Nut wird in Kontakt mit dem Umfang des Basisbereiches 22 und in der Weise hergestellt, daß sie das ρ leitende Substrat 20 erreicht. In einer der Seitenflächen der V-förmigen Nut werden der η-leitende Basisbereich 22, die ρ -leitende Epitaxialschicht 21 und das ρ -leitende Substrat 20 freigelegt. Anschließend wird ein Teil der Oberfläche des Emitterbereichs freigelegt, und die Kurzschlußelektrode 37 wird gleichzeitig mit einer Emitterelektrode 28 hergestellt. Die anderen Schritte sind die gleichen wie bei der Erläuterung anhand von Figur 18C.

Verwendet man eine Harzeinkapselung anstelle der Glaseinkapselung, kann die w.arzenförmige Ag-Elektrode durch eine Aluminiumelektrode (Al) ersetzt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, daß keine Al-Barriere wegen des pnp-Typs gebildet wird.

Die Durchbruch-Referenzdiode gemäß Figur 13 und 14 hat zahlreiche, oben angeführte Vorteile, insbesondere ausgezeichnete Strom-Spannungs-Charakteristiken und Rauscheigenschaften sowie einen kleinen Temperaturkoeffizienten. Dies stellt einen höchst vorteilhaften Aspekt für die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung dar. Wie sich aus der obigen Beschreibung der verschiedenen Ausfuhrungsformen ergibt, lassen sich gemäß der Erfindung folgende Eigenschaften erreichen:

(1) Das Auftreten von negativen Widerständen kann verhindert werden.

(2) Die Entwicklung von Rauschen kann verringert werden. Bei der Verwendung eines pnp-Typs kann das Rauschen stärker verringert werden als bei einer Durchbruch-Referenzdiode

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unter Verwendung eines npn-Planartransistors. (3) Es können steile Durchbruchcharakteristiken aufrecht erhalten werden, auch wenn nur Stromstärkenwerte von einigem pA vorhanden sind.

(4) Es liegen gute Temperaturkompensationscharakteristika vor.

(5) Die Strom-Spannungs-Charakteristiken sind nicht zweiseitig. Die Strom-Spannungs-Charakteristiken in Durchlaßrichtung sind dieselben wie bei herkömmlichen Dioden.

(6) Der Betriebswiderstand ist niedrig.

Die Erfindung betrifft somit eine Durchbruch-Referenzdiode, die folgenden Aufbau aufweist: Einen ersten Halbloiterbereich vom ersten Leitfähigkeitstyp, der in einem Hcilbleiterkörper ausgebildet ist; einen zweiten Halbleiterbereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp, der im Halbleiterkörper ausgebildet ist, wobei der zweite Halbleiterbereich an den ersten Halbleiterbereich angrenzt und einen ersten pn-übergang mit dem ersten Halbleiterbereich bildet; einen dritten Halbleiterbereich vom ersten Leitfähigkeitstyp, der im HaIbleiterkörper ausgebildet ist, wobei der dritte Halbleiterbereich an den zweiten Halbleiterbereich angrenzt und einen zweiten pn-übergang mit dem zweiten Halbleiterbereich bildet, so daß der zweite Halbleiterbereich sich zwischen dem ersten pn-übergang und dem zweiten pn-übergang befindet.

Die Durchbruch-Referenzdiode zeichnet sich dadurch aus, daß der zweite Halbleiterbereich eine Verunreinigungskonzentrationsverteilung besitzt, bei der die Konzentration einer Verunreinigung vom zweiten Le.itfähigkeitstyp vom ersten pn-übergang in Richtung des zweiten pn-übergangs zunimmt,, daß die ersten und zweiten Halbleiterbereiche mit einer Verbindung versehen sind, um sie zum Kurzschließen des ersten pn-überganges elektrisch zu verbinden, und daß die ersten und zweiten Halbleiterbereiche jeweils mit Anschlüssen ausgerüstet sind, um eine Spannung zuzuführen, mit der der zwei te pn-übergang in Sperrichtung vorgespannt wird.

SJ/Ug

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, 23

Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE
SCHIFF V. FÜNER STREHL SCHÜ BEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 Λ 3, MÜNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 9BO16O, D-8OOO MÜNCHEN 95

HITACHI, LTD. 23. Dezember 19 80

HITACHI MICROCOMPUTER ENGINEERING LTD.

DEA-25 316

Durchbruch-Referenzdiode

PATENTANSPRÜCHE

r\ J Durchbruch-Referenzdiode,
mit einem Halbleiterkörper,

mit einem ersten Halbleiterbereich vom ersten Leitfähigkeitstyp, der im Halbleiterbereich ausgebildet ist,

mit einem zweiten Halbleiterbereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp, der im Halbleiterkörper ausgebildet ist, wobei der zweite Halbleiterberexch an den ersten Halbleiterberexch angrenzt und einen ersten pn-übergang mit dem ersten Halbleiterberexch bildet,

und mit einem dritten Halbleiterberexch vom ersten Leitfähigkeitstyp, der im Halbleiterkörper ausgebildet ist, wobei der
dritte Halbleiterberexch an den zweiten Halbleiterberexch angrenzt und einen zweiten pn-übergang mit dem zweiten Halbleiterberexch bildet, wobei der zweite Halbleiterberexch zwischen dem ersten pn-übergang und dem zweiten pn-übergang angeordnet

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ist, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Halbleiterbereich eine Verunreinigungskonzentrationsverteilung aufweist, bei der die Konzentration einer Verunreinigung vom zweiten Leitfähigkeitstyp vom ersten pn-übergang in Richtung des zweiten pn-überganges zunimmt, daß die ersten und zweiten Halbleiterbereiche mit einer Verbindung versehen sind, um sie zum Kurzschließen des ersten pn-Uberganges elektrisch zu verbinden, und daß die ersten und dritten Halbleiterbereiche jeweils iiit Anschlüssen zum Anlegen einer Spannung versehen sind, um den zweiten pn-übergang in Sperrichtung vorzuspannen.
2. Referenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und dritten Halbleiterbereiche vom p-Typ und der zweite Halbleiterbereich vom n-Typ sind.
3. Referenzdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Halbleiterbereich aus einem schwer dotierten, p-leitenden Substrat und einer Epitaxialschicht besteht, die auf dem Substrat ausgebildet und leicht dotiert ist, und daß die Epitaxialschicht an den zweiten Halbleiterbereich angrenzt, um den ersten pn-Ubergang mit dem zweiten Halbleiterbereich zu bilden.
4. Referenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Halbleiterbereich

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mit einer Verunreinigung aus Bor dotiert ist, während der dritte Halbleiterbereich mit einer Verunreinigung dotiert ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Antimon und Arsen besteht.

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