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Diffusionstransistor und Verfahren zu dessen Herstellung Die Erfindung betrifft einen Diffusionstransistor, der aus einem dünnen Halbleiterkörper mit einer auf einer Körperseite, vielfach an der Oberfläche dieser Seite, liegenden diffundierten Basiszone besteht, auf der eine Emitterelektrode und eine Basiselektrode angebracht sind, wobei sich von der Basiszone aus in Richtung auf die gegenüberliegende Körperseite eine mit einem Kollektorkontakt versehene Kollektori zone erstreckt. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf Verfahren zur Herstellung solcher Diffusionstransistoren.
Unter einem Diffusionstransistor wird hier in üblicher Weise ein Transistor verstanden, dessen Basiszone durch Feststoff-Diffusion wirksamer Verunreinigungen oder stöchiometrischer Abweichungen in den betreffenden Körperteil erzielt ist, wie z. B. durch Diffusion eines Donator in eine Oberflächenschicht eines p-Typ Halbleiterkörpers. Hiedurch tritt in der Basiszone eines Diffusionstransistors stets ein Gradient in der Konzentration an wirksamen Verunreinigungen in Richtung der Diffusion auf. Es sind bereits verschiedene Arten von Diffusionstransistoren und Verfahren zu deren Herstellung bekannt, wie z. B. diejenige, welche im "Bell System Technical Journal" Band 35, Nr. l, Januar [1956], S. 23-34, beschrieben wurde, oder der sogenannte doppeldiffundierte Transistor, der in derselben Nummer der obenerwähn- ten Zeitschrift auf den Seiten 1-22 beschrieben wurde.
In der Zeitschrift"Proceedings ofthe I. R. E.", Band 46, Nr. 6, Juni [1958], S. 1161-1165, wurde wieder eine andere Ausführungsform eines Diffusionstransistors, u. zw. der sogenannte Legierungs-Diffusionstransistor beschrieben, dessen Basiszone von einer aufgeschmolzenen Elektrode aus eindiffundiert wird. In derselben Nummer der Zeitschrift "Proceedings of the I. R. E." wurde auf den seiten 1074-1076 wieder eine andere Ausführungsform eines Diffusionstransistors, nämlich ein Transistor mit einer ausdiffundierten Basiszone beschrieben.
Es wurde festgestellt, dass diese Diffusionstransistoren einerseits infolge der mit der Diffusionstechnik erzielbaren äusserst geringen Basisstärke des Transistors den grossen Vorteil der Anwendungsmöglichkeit für sehr hohe Frequenzen bieten, anderseits aber gerade durch ihren infolge der Anwendung der Diffusionstechnik erzielten Aufbau für Schaltanwendungen, die eine schnelle Umschaltung des Transistors erfordern, weniger geeignet sind. Bei einem Diffusionstransistor wird nämlich nur ein sehr geringer Teil des Halbleiterkörpers von der Basiszone beansprucht, z. B. eine Schichtstärke von wenigen Mikron, während der verbleibende vorwiegend grössere Teil des Körpers, z.
B. eine Schichtstärke von 100 Mikron, nahezu völlig als Kollektorzone benutzt wird, welche im allgemeinen auch noch hochohmig ist, d. h. einen höheren spezifischen Widerstand als die Basiszone aufweist, wie für Germanium und Silizium z. B. einen grö- sseren spezifischen Widerstand als 0, 050 cm. Bei Anwendung dieser Diffusionstransistoren für Schaltzwecke, bei denen der Transistor ausgesteuert wird, tritt in einem der Schaltzustände sogenanntes "bottoming" auf, wobei die Emitterspannung und die Kollektorspannung praktisch einander gleich werden und der Übergang zwischen der Basiszone und der Kollektorzone in die Vorwärtsrichtung kommt. Dies bewirkt in diesem Schaltzustand eine beträchtliche Injektion von Ladungsträgern in die Kollektorzone.
Um den Transistor von diesem Schaltzustand, dem"Ein"-Zustand, in den andern Schaltzustand, den" Aus"- Zustand, überführen zu können, müssen diese injizierten Ladungsträger zunächst aus der Kollektorzone entfernt werden. Da bei einem Diffusionstransistor die Kollektorzone hochohmig und gross ist und weiterhin aus dem gleichen Halbleitermaterial mit grosser Lebensdauer der Ladungsträger besteht wie dasjenige, aus dem die Basiszone aufgebaut ist, ist dieser Ausführungsvorgang verhältnismässig langsam und die Wiederherstellungszeit verhältnismässig gross.
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zu beschreibenden elektrischen Verbindung auf der Kollektorzone, die zum Überwachen der elektrischen Grösse während der Erosionsbearbeitung benutzt wird, angebracht werden.
Bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung wird bei der Erosionsbearbeitung vorzugsweise von einem Halbleiterkörper mit eindiffundierter Basiszone ausgegangen, wobei beiderseits des Überganges zwischen der Basiszone und der Kollektorzone eine elektrische Verbindung mit dem Halbleiterkörper vorgesehen ist, und während der Erosionsbearbeitung wird der Fortgang dieser Bearbeitung durch Prüfung einer für diese Bearbeitung empfindlichen elektrischen Grösse des Halbleiterkörpers überwacht, wobei die Bearbeitung fortgesetzt wird, bis die gewünschte Änderung der geprüften elektrischen Grösse erreicht ist.
Dazu brauchbare elektrische Grössen sind z. B. der Reihenwiderstand zwischen den Elektroden oder der Sperrstrom zwischen den Elektroden. Auf diese Weise ist eine reproduzierbare Herstellung möglich. Vorzugsweise wird in diesem Zusammenhang von einem Halbleiterkörper ausgegangen, auf dem bereits die endgültig gewünschte Emitterelektrode, Basiselektrode und Kollektorelektrode angebracht sind, wobei diese Kontakte zur Prüfung der betreffenden elektrischen Grösse benutzt werden können. Vorzugsweise wird dann als elektrische Grösse unmittelbar die Schaltcharakteristik des Kollektorzone-Basiszone-Überi ganges angewendet.
Nach einer weiteren besonders geeigneten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird während der Erosionsbearbeitung der Momentanwert der elektrischen Grösse in einem Vergleichskreis mit einem Bezugswert der elektrischen Grösse verglichen, der dem endgültig gewünschten Wert dieser Grösse entspricht, und das Ausgangssignal des Vergleichskreises wird zum automatischen Stoppen der Erosionsbearbeitung benutzt, wenn der gewünschte Wert erreicht ist.
Die Erfindung wird an Hand einiger Zeichnungen und Beispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt einer Ausführungsform eines an sich bekannten Diffusionstransistors, Fig. 2 einen Diffusionstransistor während der Erosionsbearbeitung nach der Erfindung, Fig. 3 ein Schaltbild zum Überwachen der elektrischen Grösse während der Erosionsbearbeitung und Fig. 4 eine dabei auftretende elektrische Signalform. Fig. 5 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Diffusionstransistors nach der Erfindung und in den Fig. 6 und 7 sind andere Ausführungsformen eines Diffusionstransistors nach der Erfindung im Schnitt dargestellt.
In Fig. 1 ist ein ohne Anwendung der Erfindung erzielter Diffusionstransistor dargestellt. Auf dem Teil 1 des Halbleiterkörpers, der als Kollektorzone benutzt wird und z. B. aus Germanium vom p-Typ mit einem spezifischen Widerstand von 20 cm besteht, befindet sich die diffundierte Basiszone 12, welche aus Germanium vom n-Typ mit Antimon als Donatorverunreinigung besteht. Auf der Basiszone befindet sich an einer Seite die Emitterelektrode, welche aus der p-Typ kristallisierten halbleitenden Zone 2b'mit Aluminium als vorherrschende Verunreinigung und aus dem auf dieser aufgeschmolzenen Metallkontaktteil 3b'besteht, der aus Blei mit etwas Antimon und Aluminium und gegebenenfalls etwas Germanium zusammengesetzt ist. Auf dem Kontaktteil 3b'ist mit Hilfe von Indiumlot ein Zuleitungsdraht 19 festgelötet.
Daneben befindet sich auf der Basiszone die Basiselektrode, welche aus der n-Typ wiederkristallisierten halbleitenden Schicht 2a und dem auf dieser angebrachten Metallkontaktteil 3a besteht, der aus Blei mit etwas Antimon zusammengesetzt und an dem gleichfalls ein Zuleitungsdraht 18 mit Hilfe von Indiumlot befestigt ist. Auf der Kollektprzone 1 ist die Kollektorelektrode angebracht, welche aus der p-Typ wiederkristallisierten Zone 14 mit einem Indium-Galliumkontakt 15 auf dieser Zone besteht, auf dem mit Hilfe von Indiumlot der Zuführungsleiter 16 festgelötet ist.
Nach nicht vorveröffentlichten Vorschlägen in der österr. Patentschrift Nr. 212374 kann dieser Diffu - sionstransistor dadurch hergestellt werden, dass von einem p-Typ Körper mit einem spezifischen Widerstand von etwa 2 n cm ausgegangen wird. Auf einer Seite dieses Körpers wird eine Blei-Antimon-Legierung mit einigen Prozent Antimon kurzzeitig aufgeschmolzen, so dass eine Haftung mit dem Körper erzielt wird. Darauf wird mit Hilfe eines ultrasonisch schwingenden Messers das aufgeschmolzene Elektrodenmaterial durch einen bis in den Halbleiterkörper eindringenden Schlitz in zwei Teile geteilt. Dann wird auf einen dieser Elektrodenteile, u. zw. auf denjenigen, welcher als Emitterelektrodebestimmtist, eine kleine Aluminiummenge aufgebracht.
Darauf wird das Ganze auf eine so hohe Temperatur erhitzt, dass die beiden Elektrodenteile beiderseits des Schlitzes schmelzen, ohne dass sie ineinander fliessen, und dass von den beiden getrenntenElektrodenschmelzen aus über die Schmelzfronten Antimon in das darunterliegende Halbleitermaterial eindiffundiert und so eine diffundierte Basiszone vom n-Typ im Körper erzielt wird,'die nach einer Ätzbehandlung eine Gestalt haben kann wie die in Fig. 1 mit 12 bezeichnete Zone. Die Stärke dieser Basiszone, welche z. B. einige Mikron betragen kann, wird durch die Temperatur und die Zeitdauer dieser Behandlung bedingt.
Bei Abkühlen setzt sich von der Schmelzfront auf der Basiszone aus an einer Seite des Schlitzes die vorherrschend mit Aluminium dotierte wiederkristallisierte p-Typ Zone 2b'ab, mit dem Metallkontakt 3b', und an der andern Seite des Schlitzes setzt sich die vor-
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herrschend mit Antimon dotierte wiederkristallisierte n-Typ Zone 2a ab, mit dem Metallkontaktteil 3a.
Auf der Kollektorzone 1 kann dann z. B. mit Hilfe einer Indium-Gallium-Legierung mit z. B. 1Ufo Gallium eine ohm'sche Kollektorelektrode angebracht werden.
Dieser Diffusionstransistor ist für eine Schaltanwendung mit Aussteuerung, wie im übrigen auch die andern bekannten Diffusionstransistoren, bei denen stets eine verhältnismässig dicke Kollektorzone mit einer Stärke von z. B. 100 Mikron vorliegt, die vielfach noch hochohmig ist, wenig geeignet, weil unter anderem infolge der grossen Oberfläche der Kollektorzone, infolge der langen Lebensdauer der Ladungs- träger darin und infolge des hohen Reihenwiderstandes in der Kollektorzone der bei Vorwärtspolung des Kollektorilberganges in die Kollektorzone injizierte Ladungsträgerinhalt zu langsam entfernt werden kann.
Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Diffusionstransistor während der Anwendung des Verfahrens nach der Er- findung. Für ähnliche Teile sind in Fig. 2 die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Die Her- stellung dieses Transistors weist anfänglich nahezu die gleichen Stadien auf wie die des Diffusionstransistors nach Fig. 1, nur mit dem Unterschied, dass eine kleinere Kollektorelektrode 14,15 seitlich auf der Kollektorzone-Oberfläche angebracht wird. Nach dem Anbringen der Kollektorelektrode wird der Halb- leiterkörper einer bei Diffusionstransistoren üblichen Ätzbehandlung unterworfen, wobei die in die Ober- fläche eindiffundierte, an die Basiszone 12 anschliessende n-Typ Zone gemäss der gestrichelten Linie 23 vom Körper entfernt wird.
Dazu wird der Schlitz zwischen den Teilen 2a, 3a und 2b', 3b'vorher dadurch gefüllt, dass man einen Tropfen in Äthylmethylketon gelösten, verdünnten Polystyrollacks in den Schlitz fallen und den Lack trocknen lässt. Der Lack ist mit 22 bezeichnet. Das Ganze wird dann in ein Ätzbad einer Saigon wässerigen NaOH-Lösung eingetaucht, wobei eine Platinelektrode als Kathode verwendet wird und die Emitterelektrode mit der Anode verbunden ist. Etwa 5 Minuten lang wird ein Strom von etwa 5 mA durch das Ätzbad geschickt, so dass der durch die gestrichelte Linie 23 angedeutete Teil des Körpers weggeätzt wird.
Der Lack 22 wird dann mit Hilfe von Äthylmethylketon aus dem Schlitz gelöst und das Ganze wird darauf etwa 15 Sekunden lang wieder in das Ätzbad eingetaucht und einer oberflächlichen Nachätzbehandlung unterworfen.
Die eine Seite des Transistors wird darauf mit einer dicken schützenden Lackschicht 24 bedeckt und die gegenüberliegende freie Kollektorzone-Oberfläche wird, dem Basis-Kollektor-Übergang gegenüber, der Erosionsbehandlung nach der Erfindung durch Beschuss mit Teilchen eines Schleifmittels, wie z. B.
Karborundum Nr. 305 unterworfen, so dass an der Oberfläche der Kollektorzone, wie durch die Pfeile 25 angedeutet, über eine der diffundierten Basiszone 12 gegenüberliegende und in bezug auf die Basiszone grössere Oberfläche der Kollektorzone Erosion stattfindet.
Die Linie 26 deutet die Stelle der angegriffenen Oberfläche an, nachdem die Erosionsbearbeitung unter Entfernung des Materials 27 erfolgt ist, und die Linie 28 zeigt die Begrenzung desjenigen Teiles der Kollektorzone, der zwar nicht entfernt, aber durch den Teilchen-Beschuss beschädigt worden ist. In dem zwischen den voll ausgezogenen Linien 26 und 28 liegenden Material des Teiles 1 haben die Minoritätsträger infolge der darin vorhandenen Kristallfehler eine kurze Lebensdauer. Diese Schichtstärke kann z. B.
20 Mikron betragen.
Während des Erosionsvorganges wird das Verhalten des Basis-Kollektor-Überganges dauernd mittels einer Schaltung nach Fig. 3 überwacht.
Die Schaltung nach Fig. 3 besitzt einen Impulsgenerator 29, dessen Ausgang über ein die Vorspannung und die Impulshöhe bedingendes Netzwerk 30 an die Reihenschaltung des Basis-Kollektor-Übergan- ges 31 des Transistors und eines Widerstandes 32 gelegt wird. Die am Widerstand 32 auftretende Spannung wird dem Ablenkkreis eines Elektronenstrahloszilloskops (nicht dargestellt) über Verbindungen 33 zugeführt. Die Emitterelektrode wird bei diesem Prüfverfahren nicht benutzt.
Die zugeführten Impulse können z. B. eine Wiederholungsfrequenz von 10 kHz bei einer Impulsbreite von 5 psec haben und einen Vorwärisstrom durch den Basis-Kollektor-Übergang 31 von 2 mA herbeiführen.
Anfänglich wird durch zu spätes Aussterben des Ladungsträgerinhaltes in der Kollektorzone die durch die Linien 34,35 nach Fig. 4 angegebene Impulsform am Oszilloskop erzielt. Die Zeit a beträgt 5/sec, und die Zeit b beträgt 3 usec. Je nachdem die Erosionsbearbeitung fortschreitet, wird der Teil 35 sowohl in der Breite (entsprechend der Zeitdauer) als auch in der Amplitude verkleinert, bis eine Impulsform erzielt ist, wie sie durch die Linien 34, 36 in Fig. 4 dargestellt ist, wobei also das Entfernen des Ladungsinhaltes aus der Kollektorzone viel schneller geschieht, da der Ladungsinhalt infolge der vorhandenen Rekombinationszentren schneller ausstirbt und infolge der Verkleinerung des Kollektorzonenvolumens geringer ist.
Das Ausgangssignal nach Fig. 4 kann durch einen Gleichrichter geschickt werden, der derart ange-
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