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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Germanium-Mesa-Transistors für die Anwendung im Ultrahochfrequenzbereich, wobei die Basiszone durch Diffusion einer n-Leitfähigkeit verursachenden Verunreinigung in eine p-dotierte Germaniumscheibe und zunächst der Basiskontakt durch Aufdampfen einer goldhaltigen Legierung hergestellt werden und sodann der Emitter durch Aufdampfen von Aluminium auf die Basiszone und Einlegieren desselben in die Basiszone hergestellt wird, wobei der Emitter eine Breite von mehr als 18 bum, vorzugsweise 20 bum, aufweist, wonach durch Thermokompression die Basis- und Emitterzone mit je einem Golddraht mit einem Durchmesser von mehr als 12 hum, insbesondere 15jus. verbunden werden.
Aus der Literatur und der Praxis sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Mesa-UltrahochfrequenzTransistoren (mit Funktion bei 800 MHz) bekannt. Sämtliche bisher üblichen Verfahren, darunter auch ein aus der deutschen Patentschrift Nr. 1232266 bekanntgewordenes Verfahren, verlangen zur Erzielung der erwünschten Hochfrequenz-Leistungsverstärkung eine Verringerung der Elektrodenabmessungen. Die anzuwendenden kleinen Abmessungen erschweren und verteuern aber die Fertigung der Transistorsysteme. Infolge der kleinen kontaktierenden Fläche und des dünnsten industriell herstellbaren Golddrahtes kann die Kontaktierung des Transistorsystems nur mit grossem Zeitaufwand und entsprechend hohen Kosten durchgeführt werden.
Die optimale Leistungsverstärkung V L opt von Hochfrequenz-Transistoren ergibt sich aus der folgenden Formel :
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worin ci Messfrequenz T Transitfrequenz des Transistors, fbCk Rückwirkungszeitkonstante rbCk = rb'-CTC,
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Widerstand zwischen dem Emitterübergang und der Kontaktierungsstelle am Transistorsystem, bedeuten.
Im mittleren Frequenzbereich (bis etwa 100 MHz) ist in der obigen Formel nur mit den Parametern des sogenannten inneren Transistors zu rechnen. Bei Ultrahochfrequenz-Transistoren sind jedoch - zufolge der kleinen Abmessungen - die Ausführungswiderstände, nämlich der Übergangswiderstand des mittels Thermokompression befestigten Drahtes und der ohmsche Widerstand des dünnen Golddrahtes, hoch. Die äusseren Anschlussdrähte des Transistors werden im allgemeinen aus ferromagnetischem Stoff hergestellt. Solche Stoffe sind für Hochfrequenzströme praktisch als Nichtleiter anzusehen. Der Strom fliesst ausschliesslich in einer Überzugsschicht aus paramagnetischem Material. Die Stärke und Qualität desselben sind daher wichtige Konstruktionsparameter beim Entwurf des Transistors.
Hinsichtlich des Transistorsystems selbst spielen bei Hochfrequenztypen wegen der kleinen Abmessungen des Systems auch diejenigen Oberflächenfaktoren eine wichtige Rolle, die die Parameter der bei niedriger Frequenz gebräuchlichen Transistoren nur in geringem Masse beeinflussen. Dazu gehören beispielsweise die mittels Oberflächendiffusion gebildeten, sehr dünnen Schichten.
Das traditionelle Verfahren berücksichtigt nicht diese Faktoren, sondern sichert die erwünschte Leistungsverstärkung bloss durch die Verringerung der Elektrodenabmessungen zur Erhöhung des'T-Wertes mittels einer äusserst schwierigen und kostspieligen Technologie. Gemäss der eingangs erwähnten deutschen Auslegeschrift 1232266 ist es dabei erforderlich, dass bei einer Breite der rechteckförmigen Basis- und
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schwierig hantierbar und seine Verbindung mit den Elektroden mittels Thermokompression ist in der Serienfertigung nicht einfach durchzuführen.
Aus der Siemens-Zeitschrift, August 1961, Heft 8, S. 602 bis 609, sind zwar Germanium-Mesa-Transistoren mit etwas grösseren Elektrodenabmessungen bekannt, für deren Kontaktierung demnach auch etwas stärkere Golddrähte verwendet werden könnten, aber diese Transistoren sind für den Frequenzbereich um 800 MHz nicht mehr geeignet. Weiters ist in dieser Literaturstelle erwähnt, dass an einem Mesa-Transistor Abschlussbehandlungen der Oberfläche vorgenommen werden können, die sich bei legierten Transistoren meistens nicht durchführen lassen. So kann das hergestellte Transistorsystem einer Vakuumausheizung unterworfen werden, da die verwendeten, am niedrigsten schmelzenden Verbindungen im Gegensatz zu legierten Germanium-Transistoren erst oberhalb 350 C flüssig werden.
Dies bedeutet, dass bei der Vakuumausheizung Temperaturen bis unterhalb 350 C anwendbar sind.
Die österr. Patentschrift Nr. 230939 bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zur Herstellung von Mesa-Transistoren, doch finden sich darin keine Angaben über die Grössen der Elektrodenflächen und die Stärke des zur Kontaktierung zu verwendenden Golddrahtes. Bezüglich der Herstellung des Basiskontaktes ist die übliche Vorgangsweise, nämlich Aufdampfen und Einlegieren einer Gold-Antimonlegierung, erwähnt. Nähere Hinweise über die dabei anzuwendenden Temperaturen sowie, ob Aufdampfen und Einlegieren in zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten oder nahezu gleichzeitig erfolgen, sind dieser Literaturstelle nicht zu entnehmen.
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Ein anderes Problem bei der Herstellung von Mesa-Transistoren ist in der deutschen Auslegeschrift 1231354 erörtert. Bei der üblichen Herstellung einer Elektrode durch Aufdampfen einer dünnen Metallschicht auf einen Halbleitereinkristall in einem ersten Verfahrensschritt und Einlegieren dieser Schicht in einem zweiten Verfahrensschritt hat es sich gezeigt, dass beim Einlegieren der Metallschicht in den Halbleiterkörper ein Zusammenlaufen des Legierungsmetalls zu Tropfen unterschiedlicher Grösse und unterschiedlichen Abstandes erfolgen. Nun muss aber die Elektrodenoberfläche durch einen Golddraht mittels Thermokompression kontaktiert werden, wobei im Falle der Tröpfchenbildung die Verbindung eine geringe mechanische Stabilität und ungünstige elektrische Werte aufweist.
Es hat sich gezeigt, dass bei einer Orientierung der für das Einlegieren der Elektrode bestimmten Oberfläche des Halbleiterkristalls um mehr als ein Viertel Grad gegen die [111] -Ebene eine Verminderung der Tröpfchenbildung erzielbar ist. Der bevorzugte Winkelbereich der Desorientierung liegt zwischen 2 und 40. Es wird damit ein Zusammenlaufen des Metalls zu grossen Tropfen verhindert, so dass nach dem Einlegieren eine gleichmässige, nahezu zusammenhängende Metallschicht an der Stelle der Elektrodenfläche entsteht. Bei einer als günstig angesehenen Oberflächenstruktur liegt der Durchmesser der Tröpfchen in der Grössenordnung von l tm.
Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zur Herstellung eines Germanium Mesa-Transistors für die Anwendung im Ultrahochfrequenzbereich (mit Funktion bei 800 MHz) zu schaffen, ohne eine vorbestimmte Grösse der Elektrodenabmessungen unterschreiten zu müssen, so dass ein noch gut hantierbarer Golddraht zur Kontaktierung der Elektroden verwendet werden kann. Die wichtigste Forderung zur Lösung dieses Problems ist die Verringerung des rbb,-Wertes.
Die Erfindung besteht darin, dass beim Verfahren der eingangs erwähnten Art die Germaniumscheibe während der Aufdampfung des Basiskontaktmemetalls auf einer über der eutektischen Temperatur der Germanium-Gold-Legierung, d. i. über 365 C liegenden Temperatur gehalten wird, so dass im Laufe der Verdampfung des Basiskontaktmetalls das Gold auf der Germaniumscheibe mittels Oberflächendiffusion zerfliesst und an der Germaniumoberfläche eine nicht zusammenhängende Schicht mit einer Stärke in der Grössenordnung von 10 A gebildet wird und dass in an sich bekannter Weise die Anschlussdrähte des Transistorgestells mit einem paramagnetischen Stoff in einer Stärke überzogen werden, die grösser ist als die Stromeindringtiefe infolge des Skineffektes bei einer Betriebsfrequenz von 800 MHz.
Durch das Zerfliessen des Goldes auf der Germaniumscheibe mittels Oberflächendiffusion entsteht eine äusserst dünne, nicht zusammenhängende Goldschicht, die im Gegensatz zu der aus der deutschen Auslegeschrift 1231354 bekannten, wesentlich gröberen Struktur nicht auf die Elektrodenoberfläche beschränkt ist, sondern über deren Grenzen hinausreicht. Dadurch, dass die Schicht nicht zusammenhängend ist, entsteht keine Gefahr eines Kurzschlusses beispielsweise zwischen Basiselektrode und Emitterelektrode, jedoch wird die Leitfähigkeit der Oberfläche in erwünschter Weise vergrössert und damit der rbb,-Wert herabgesetzt, was zur Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften des Transistors führt.
Mit der aus der deutschen Auslegeschrift 1231354 bekannten, auf die Elektrodenfläche beschränkten groben Tröpfchenstruktur wäre diese Verbesserung der Eigenschaften. nicht erzielbar, sondern es ist hiefür die über die Basiselektrode hinausreichende nicht zusammenhängende Schicht erforderlich, wobei die Schichtdicke und damit auch der Durchmesser der Goldtröpfchen in der Grössenordnung von 10 A liegen.
Zur vollen Ausnützung der erzielten Verringerung des rbb,-Wertes des Transistorsystems ist auch eine geringe Impedanz der Stromzuführungsdrähte des Transistors erstrebenswert, da diese Impedanz mit dem Widerstand rbb'in Reihe liegt. Diesem Zweck dient der Überzug der Anschlussdrähte mit einem paramagnetischen Stoff.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen und der Beschreibung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemässen Verfahrens näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen Fig. l eine bekannte Oberflächenstruktur der Elektroden eines Mesa-Transistors und Fig. 2 die Umgebung der Basiselektrode eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Transistors.
In Fig. l ist ein Teil eines aus Gold bestehenden Aufdampfflecks nach dem Einlegieren in eine Germaniumoberfläche dargestellt. Dabei wurde zur Verhinderung des Zusammenlaufens des Legierungsmetalls zu grossen Tropfen die Germaniumoberfläche gegen die [111] -Ebene um zwei bis vier Grad desorientiert, wie dies in der deutschen Auslegeschrift 1231354 angegeben ist. Die Tröpfchen befinden sich innerhalb des Elektrodenumrisses und ihr Durchmesser liegt in der Grössenordnung von l jam.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Draufsicht auf die Basiselektrode eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Transistors erstreckt sich über den Rand der Basiselektrode eine nicht zusammenhängende Schicht aus Gold mit einer Stärke in der Grössenordnung von 10 A und demnach liegt auch der Durchmesser der Goldtröpfchen in dieser Grössenordnung. Dadurch wird die erwünschte Herabsetzung des Basisbahnwiderstandes im Transistorsystem erzielt.
Beispiel l : Eine Germaniumscheibe wird während des Aufdampfens des Basismetalls auf eine über der eutektischen Temperatur der Germanium-Goldlegierung, d. h. über 3650, liegenden Temperatur erwärmt.
Bei der Verdampfung des Basismetalls wird eine mit 20, um breiten Öffnungen versehene, mechanische Maske verwendet, die aus Gold-, Silber- und Goldschichten besteht. Die mechanische Maske wird auf der Oberfläche der Germaniumscheibe um 30 bum verschoben und dann wird das Aluminiummetall zur Fertigung des
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Emitters aufgedampft und einlegiert. Die Thermokompression wird mit einem Golddraht von 15 Mm Durchmesser und mit einem Keil mit besonders kleinem Spitzenradius von 10,um durchgeführt, wodurch sich bei minimaler Verbreiterung des Golddrahtes eine tadellose Bindung ergibt. Die Anschlussdrähte des Transistorgestells werden mit einem 10 pm dicken, galvanischen Zinnüberzug als paramagnetisches Material versehen.
Beispiel 2 : Das Verfahren entspricht Beispiel 1, nur wird anstatt der mechanischen Maske für die Elektrodenfertigung eine 20,um breite Photomaske zur Anwendung des bekannten photolithographischen Verfahrens eingesetzt.
Beispiel 3 : Das Verfahren entspricht Beispiel l bzw. 2, nur wird anstatt des 10 pm dicken Zinnüberzuges ein 3 pm dicker Goldüberzug als paramagnetisches Material auf dem ferromagnetischen Trägermaterial der Anschlussdrähte angewandt.
Beispiel 4 : Das Verfahren entspricht Beispiel 3, nur wird anstatt des 3 Mm dicken Goldüberzuges ein 5 pm dicker Kupfer- und ein 0,5,um dicker Goldüberzug auf den Anschlussdrähten angewandt.
Im Laufe der Verdampfung des Basismetalls zerfliesst das Gold auf der Germaniumscheibe von eutektischer Temperatur der Germanium-Goldlegierung mittels Oberflächendiffusion und bildet dort eine nicht zusammenhängende Schicht, deren Stärke von der Grössenordnung von 10 Ä ist. Dies ist die erste Phase der
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Handhabung einfacher, die Thermokompression etwa zweimal produktiver, die Thermokompressionskühlung stärker und sicherer. Die Betriebssicherheit der derart hergestellten Transistoren ist wesentlich höher, da nämlich diese Transistoren am häufigsten wegen Loslösung der schwachen Thermokompressionsbindungen schadhaft werden.
Schliesslich ergibt sich eine weitere bedeutende Verringerung des rbb,-Wertes durch den aus paramagnetischem Material gefertigten Überzug der Anschlussdrähte des Transistorgestells, wobei die Stärke des überzuges grösser ist als die Stromeindringtiefe infolge des Skineffektes bei einer Betriebsfrequenz von 800 MHz.