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Verfahren zum Herstellen eines Unipolartransistors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Unipolartransistors, bei dem in einem niederohmigen Halbleiterkörper eines bestimmten Leitungstyps durch Diffusion eine dünne Zone entgegengesetzten Leitungstyps erzeugt und an ihren beiden Enden mit je einer sperrfreien Hauptelektrode versehen wird.
In Fig. l ist ein bekannter Unipolartransistor dargestellt. Längs eines verhältnismässig hochohmigen n- oder p-leitenden Halbleiterstäbchens 8 werden einen pn-Übergang bildende Zonen 3 und 4 angebracht und diese gegenüber dem Halbleiterstäbchen in Sperrichtung vorgespannt. Je nach Grösse der Vorspannung breiten sich die Raumladungszonen 17 und 18 der pn-Übergänge mehr oder weniger in den Strompfad hinein aus und können diesen schliesslich vollkommen überdecken. Da die Raumladungszone stets hochohmig gegenüber dem Halbleiterstrompfad ist, bedeutet eine Veränderung der Raumladungsbreite eine Verengung oder Erweiterung des Strompfades. Die beiden Hauptelektroden werden als Quellenelektrode 1 und als Saugelektrode 2 bezeichnet, während 3 und 4 die Steuerelektroden darstellen.
Der zwischen den Elektroden 1 und 2 fliessende, von der Spannungsquelle 7 gespeiste Majoritätsträgerstrom wird durch die von der Steuerspannung der Spannungsquelle 6 abhängigen Raumladungen vor den Steuerzonen nach Art einer Stromengensteuerung moduliert.
Zur Herstellung derartigerAnordnungen ist es bekannt, die Steuerzonen durch ein Legierungsverfahren anzubringen. Weiter ist es bekannt, ein rundes Stäbchen, das z. B. aus Germanium besteht, durch anodische Behandlung in einem Elektrolyten in einem gewissen Bereich auf einen kleinen Durchmesser abzuätzen und dann elektrochemisch einen Metallbelag als Elektrode abzuscheiden. In beiden Fällen gelangt man zu einem mechanisch ausserordentlich empfindlichen System, bei dem ausserdem die notwendige Wärmeabfuhr erheblich erschwert ist. Ferner ist es praktisch unmöglich, die zur Erzielung hoher Grenz-
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diffusionsschicht zu versehen, an dieser Schicht in gegenseitigem Abstand zwei sperrfreie Elektroden anzubringen und einen zwischen diesen Elektroden liegenden Teil der Diffusionsschicht in den p-Leitungstyp umzuwandeln, wobei der umgewandelte Teil als Steuerelektrode dient.
Die Diffusionsschicht stellt dabei den dünnen Strompfad dar und die Germaniumscheibe wirkt als passiver Trägerteil. Man erhält auf diese Weise zwar ein mechanisch relativ unempfindliches System, aber es bereitet Schwierigkeiten, einen dünnen und gleichzeitig hochohmigen Strompfad durch Eindiffundieren von Störstellen in einen niederohmigen Halbleiterkörper herzustellen. Da die Eindringtiefe der Raumladungszone in den Halbleiterkörper der in diesem vorhandenen Störstellenkonzentration umgekehrt proportional ist, ist aber für eine grosse Steuerwirkung neben der geringen Dicke des Strompfades auch ein sehr hoher Widerstand desselben von wesentlicher Bedeutung.
Demnach sind beim Diffusionsvorgang besondere Bedingungen einzuhalten, die anders sind als bei den bisher gebräuchlichen Verfahren zur Herstellung von Transistoren, Gleichrichtern oder Fotozellen, wo man stets niederohmige Diffusionsschichten verlangt.
Zur Herstellung eines Unipolartransistors mit einem hochohmigen und dünnen Strompfad wird erfindungsgemäss ein Verfahren vorgeschlagen, bei den in einem niederohmigen Halbleiterkörper eines bestimmten Leitungstyps durch Diffusion eines Donatorstoffes und eines Akzeptorstoffes eine dünne Zone entgegengesetzten Leitungstyps und eine niederohmige Zone von gleichen Leitungstyp wie der des Halbleiterkörpers erzeugt und die dünne Zone an ihren beiden Enden mit je einer sperrfreien Hauptelektrode versehen wird, mit dem Kennzeichen, dass durch gleichzeitige oder in einem getrennten Arbeitsgang erfolgende Diffusion eines zusätzlichen,
schnell diffundierenden Störstoffes des gleichen Typs wie die Grunddotierung des niederohmigen Halbleiterkörpers die Dicke und die Dotierung der dünnen Zone verringert wird und dass vor oder nach dem Aufbringen der sperrfreien Hauptelektrode Teile der niederohmigen Zone, die einen Kurzschluss dieser Zone mir den Hauptelektroden bewirken würden, in an sich bekannter Weise durch Ätzen oder auf mechanischem Wege entfernt werden.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird als Ausführungsbeispiel die Herstellung eines Unipolartransistors wie er in Fig. 2 dargestellt ist, beschrieben. Bei diesem Unipolartransistor ist auf einem z. B.
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n-leitenden Halbleiterkörper 4 von etwa 1 mm Dicke durch Diffusion nach dem Verfahren gemäss der Erfindung eine sehr dünne, d. h. einige (lom bis zu Bruchteilen von (lom dicke p-leitende Schicht 9 erzeugt und ausserdem eine n-leitende Schicht 3 von der gleichen Flächenausdehnung, wie sie die p-Schicht aufweist. Die Quellenelektrode 1 und die Saugelektrode 2, die die Schicht 9 sperrfrei kontaktieren, bestehen z. B. aus einlegiertem Aluminiumdraht.
Die beiden n-leitenden Zonen 3, 4 sind die mit einer Steuerelektrode verbundenen Steuerzonen, die in der p-leitenden Schicht 9 eine von der angelegten Spannung abhängige Raumladung erzeugen und somit den wirksamen Querschnitt des Stromweges 9 verändern. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses der Steuerzone 3 mit den Hauptelektroden 1 und 2 sind die Teile 16 der n-leitenden Schicht 3, z. B. durch Ätzen oder auf mechanischem Wege, entfernt. Der Halbleiterkörper 4 besteht bei dieser Anordnung z. B. aus einem n-leitenden Siliziumeinkristallplättchen, in das durch gleichzeitig oder zeitlich aufeinanderfolgende Diffusion eines Donatorstoffes und eines Akzeptorstoffes eine Zone 9 von entgegengesetztem und eine Zone von gleichem Leitungstyp wie der des Halbleiterkörpers 4 erzeugt wird. Dazu wird das Siliziumplättchen z.
B. in einer Atmosphäre von Antimon (Donator) und Aluminium (Akzeptor) ausgesetzt. Aluminium diffundiert ungefähr hundertmal so schnell in den Halbleiterkörper ein als Antimon. Daher erreicht Antimon an der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine hundertmal so grosse Konzentration wie das schnell in das Innere abwandernde Aluminium. Es bildet sich also auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine n-dotierte Schicht 3 und darunter eine p-dotierte Zone 9 aus. Der sich einstellende Konzentrationsverlauf ist in Fig. 3 durch die Kurve 13 angegeben.
Man erhält also eine stark n-dotierte und daher niederohmige Schicht 3, und etwas tiefer im Kristall findet sich eine schmale Zone 9, in der die rascher vorgedrungenen Akzeptoren vorherrschen und eine p-leitende Schicht schaffen, während im Innern des Kristalls 4 noch die ursprüngliche Donatorendichte den Leitfähigkeitscharakter bestimmt. Zur Erzielung eines hochohmigen dünnen Strompfades 9 von z. B. 0, cm bis 100 {/. m Dicke wird gleichzeitig oder in einem getrennten Arbeitsgang ein zusätzlicher schnell diffundierender Störstoff des gleichen Typs wie die Grunddotierung des Kristalls 4 eindiffundiert. Der Konzentrationsverlauf des zusätzlichen Dotierungsstoffes (z. B. Donator) ist in Fig. 3 a durch die gestrichelte Kurve 12 angedeutet.
In Fig. 3 b gibt die Kurve 14 den resultierenden Konzentrationsverlauf an. Man sieht, dass jetzt die Dotierung der p-Zone, also die des Strompfades 9, wesentlich geringer ist und ausserdem die Breite dieser Zone durch den zusätzlichen Dotierungsstoff noch verringert wurde.
Man kann mit diesem Verfahren sehr dünne, in der Dicke wohldefinierte hochohmige Strompfade erzielen, ohne die mechanische Stabilität des Unipolartransistors zu beeinträchtigen. Ausserdem ist auch die Möglichkeit einer günstigen Wärmeabfuhr gegeben. Die Anordnung gemäss Fig. 2 hat ausserdem den Vorteil, dass störende Serienwiderstände klein gehalten werden können. Zu diesen gehören der Widerstand auf der Eingangsseite zwischen Quellenelektrode 1 und der Steuerelektrode, der in Fig. 1 mit Rl bezeichnet ist und der entsprechende Widerstand auf der Ausgangsseite R2 zwischen der Saugelektrode 2 und der Steuerelektrode. Rl beeinträchtigt die Grenzfrequenz, während R2 die erforderliche Saugspannung, die durch die Spannungsquelle 7 geliefert werden muss und die Verlustleistung erhöht.
Die angegebenen Herstellungsmethoden eignen sich schliesslich auch zum Aufbau einer Halbleiteranordnung, die eine Abart des Unipolartransistors darstellt. Bei dieser Anordnung übernimmt eine der Steuerzonen die Funktion der Quelle, die andere die Funktion der Saugelektrode, während von 1 und 2 aus die Steuerung vorgenommen wird. Die Vorspannungen an den Steuerzonen müssen so gewählt sein, dass sich eine ausgedehnte Raumladungszone ausbildet mit einem ausgeprägten Potentialberg, der von den Steuerzonen aus in der Höhe gesteuert wird. Im Verhältnis zu den zuerst beschriebenen Anordnungen muss in diesem Falle der Abstand der Elektroden 1 und 2 klein gehalten werden. Es ist aber auch ein kleiner Abstand von einigen atm der Steuerzonen erwünscht, wozu das Diffusionsverfahren gut geeignet ist.