Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die einen ersten Halbleiterbereich mit einem ersten Leitungstyp, einen zweiten Halbleiterbereich mit einem zweiten Leitungstyp, einen dritten Bereich, Vorspannungsmittel, um Majoritätsträger des ersten Bereiches durch den zweiten Bereich in den dritten Bereich zu injizieren, und einen PN-Übergang, den die Majoritätsträger durchqueren, zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich beinhaltet, wobei der erste Bereich eine an den PN-Übergang angrenzende schwachdotierte Region und eine an diese schwachdotierte Region angrenzende hochdotierte Region hat, so dass ein Übergang von zwei Regionen des gleichen Störstellentyps entsteht.
Es war in der Vergangenheit üblich, Halbleiter mit hoch dotierten Emitter-Bereichen zu produzieren. In der US-PS 3 591 430 ist ein Transistor für Hochfrequenzbetrieb angegeben, welcher eine geringe Störstellenkonzentration im Emitter und im Kollektorbereich aufweist. Diese Veröffentlichung schlägt ferner einen Bereich hoher Störstellenkonzentration, welcher im wesentlichen dem Emitterbereich überlagert ist und einen zweiten Bereich hoher Störstellenkonzentration, welcher dem Kollektorbereich überlagert ist, vor.
Diese Patentschrift gibt hingegen nicht an, dass die Diffusionslänge der Minoritätsträger grösser sein muss als die Breite des Emitterbereiches und dass die durch das eingebaute Feld reflektierten Minoritätsträger im wesentlichen den injizierten Minoritätsträger-Diffusionsstrom ausgleichen müssen, welcher durch den Emitter von der Basis herrührt.
Es wird in dieser Schrift weder darüber ausgesagt, wie das endgültige Störstellenkonzentrationsprofil aussehen soll, noch wie gross die Breite der Basis oder des Emitters sein soll. Auch wird nichts über die epitaxialen Wachstumsbedingungen (Temperatur oder Ablagerungsrate) ausgesagt, nur etwas über die Vordiffusionsbedingungen, welche nicht die endgültige Struktur nahelegen.
Es war üblich bei der Herstellung von konventionellen bipolaren Transistoren eine Doppeldiffusionstechnik zur Herstellung des Emitter-Basisüberganges anzuwenden. Sowohl vom theoretischen wie vom experimentellen Standpunkt aus wird die Dotierungskonzentration des Emitters grösser als die der Basis gemacht. Bei zunehmender Differenz wird der Wirkungsgrad des Emitters grösser und nähert sich der Einheit. Andererseits erhöht eine starke Dotierung Gitterdefekte und Versetzungen in dem Halbleitersubstrat. Bei den herkömmlichen Arten von Transistoren bedingte eine Abnahme der Dotierung eine Abnahme der Verstärkung.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiter vorrichtung mit stark verbesserten Charakteristiken anzugeben, eingeschlossen eine sehr wesentliche Erhöhung des Stromverstärkungsfaktors und verbesserte rauscharme Eigenschaften. Es ist ein anderes Ziel, eine neue Halbleitervorrichtung mit Mehrfach-Übergängen anzugeben mit einer hohen Durchbruchsspannung und die thermisches Wegdriften verhindert, und die als Teil einer integrierten Schaltung verwendet werden kann nebst konventionellen Transistoren mit komplementären Transistoren.
Dies wird erfindungsgemäss durch eine Halbleitervorrichtung mit Mehrfach-Ubergängen erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Datierungsprofil der hochdotierten Region und der schwachdotierten Region so gewählt ist, dass zwischen den beiden Regionen ein Feld gebildet ist, das sich innerhalb der Diffusionslänge in die schwachdotierte Region des PN-Überganges erstreckt und dessen Stärke so gross ist, dass der durch das Feld erzeugte Driftstrom praktisch den vom PN-Übergang injizierten Diffusionsstrom kompensiert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert, wobei
Fig. 1 einen teilweisen schematischen Schnitt durch einen NPN-Transistor zeigt,
Fig. 2 ein Störstellenprofil der in Fig. 1 gezeigten Vorrich.
tung und die Minioritätsträger-Konzentration im Emitterbereich,
Fig. 3 einen teilweisen Schnitt einer integrierten Schaltung mit einem erfindungsgemässen NPN-Transistor und einem zusätzlichen konventionellen PNP-Transistor, welche zusammen ein komplementäres Paar von Transistoren bilden, in Fig. 4 ist die Stromverstärkung bei Emitterschaltung (hFE) als Funktion des Kollektorstroms aufgezeichnet, in Fig. 5 ist der Rauschfaktor als Funktion der Frequenz bei einer Eingangsimpedanz von 1000 Ohm aufgezeichnet, in Fig. 6 ist der Rauschfaktor als Funktion der Frequenz bei einer Eingangsimpedanz von 30 Ohm aufgezeichnet und in Fig. 7 ist der Rauschfaktor als Funktion des Kollektorstromes dargestellt.
Es wird angenommen, dass die Diffusionslänge der Minoritätsträger eines konventionellen Transistors in der Grössenordnung 1-2 Mikron liegt, in der neuen Halbleitervorrichtung beträgt die Diffusionslänge der Minoritätsträger 50 bis 100 Mikron. Der Stromverstärkungsfaktor eines konventionel- len Transistors beträgt ungefähr 500, während derjenige der vorliegenden Vorrichtung 3000 und mehr beträgt. Dadurch dass ein Übergang zwischen schwachdotierten und starkdotierten Bereichen des gleichen Störstellentyps im Emitter vorgesehen ist, kann der Driftstrom dazu benutzt werden, um im wesentlichen den Minoritätsträger-Diffusionsstrom auszubalancieren.
Weiterhin besitzt die neue Vorrichtung einen hohen Stromverstärkungsfaktor (hFE) und eine rauscharme Charakteristik, eine niedrige Störstellenkonzentration im Emitterbereich, eine niedrige Rekombinationsgeschwindigkeit und ein gutes Kristallgitter.
Eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Vorrichtung, als NPN-Transistor ausgebildet, ist in Figur 1 gezeigt.
Das Substrat 1 ist stark mit N-Typ-Störstellen dotiert. Vorzugsweise kann das Substrat 1 aus stark mit Antimon dotiertem Silizium bestehen. Die Dotierung ist vorteilhafterweise 4 x 1018 cm-3. Dies ergibt einen spezifischen Widerstand von ungefähr 0,01 Ohm-cm. Es wurde gefunden, dass diese Dotierung zwischen 0.008 und 0.012 Ohm-cm variieren kann.
Die Dicke des Substrats beträgt vorzugsweise ungefähr 250 Mikron. Auf den Substrat 1 wird eine N-Typ-Silikon-Epitaxialschicht 2 gebildet und mit diesem N+-Substrat 1 zusammen als Kollektor benutzt. Diese Schicht 2 wird mit einer Konsens tration von 7 x 1014 cm-3 leicht mit Antimon dotiert, wobei der spezifische Widerstand ungefähr 8-10 Ohm-cm beträgt.
Die epitaxiale Schicht ist vorzugsweise ungefähr 20 Mikron dick.
Auf der Schicht 2 wird eine P-Typ-Silizium epitaxiale Schicht 3 gebildet, um die aktive Basis für den Transistor zu bilden. Die Dotierung kann aus Bor bestehen, in einer genügend grossen Menge, um eine Dotierungskonzentration von 1 x 1016 cm-3 zu ergeben, wobei der spezifische Widerstand ungefähr 1,5 Ohm-cm wird und die Dicke der Schicht 3 ungefähr 5 Mikron beträgt.
Auf dieser P-Schicht 3 wird eine N-Typ-Silizium epitaxiale Schicht 4 gebildet, um den Emitter zu ergeben. Diese Schicht 4 ist leicht mit Antimon dotiert, mit einer Dotierungskonzentration von ungefähr 5.5 x 1015 cm-3, mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr 1 Ohm-cm und mit einer Schichtdicke von ungefähr 2-5 Mikron.
Darauf kommt eine N+-Typ-Diffusionsschicht 5, welche stark mit Phosphor dotiert ist und die Emitter-Kontaktzone bildet Diese Diffusionsschicht hat eine Oberflächendotierungskonzentration von ungefähr 1020 cm-3 und eine Dicke von ungefähr 1.0 Mikron.
Um den Kollektorbereich ist ein stark mit Phosphor do tierter N-Typ-Diffusionsbereich 6 vorgesehen. Die Oberflächenkonzentration beträgt ungefähr 3 x 10'9 cm-3. Diese Schicht 6 dringt durch die P-Basisschicht 3 in die N-Kollektorschicht 2 ein.
Ein P-Typ-Diffusions-Bereich 7 wird als Leitungspfad zum Basisbereich 3 benutzt. Dieser Bereich 7 ist mit Bor dotiert, mit einer Oberflächenkonzentration von ungefähr 3 x
1019 cm-3. Der Diffusionsbereich 7 dringt durch die N-Typ Schicht 4 in die P-Basisschicht 3 ein, welche den Emitterbereich 4 umgibt und abgrenzt.
Ein P-Typ-Diffusionsbereich 8 dient als Basiskontaktzone und ist stark mit Bor dotiert. Die Oberflächenkonzentration beträgt ungefähr 5 x 1018 cm3.
Eine Kollektorelektrode 9 aus Aluminium wird auf der un teren Oberfläche vom Substrat 1 gebildet. Auf der Basiskontaktzone 8 wird eine Basiselektrode 10 aus Aluminium gebildet, während eine Emitterelektrode 11 aus Aluminium auf dem stark dotierten Emitterbereich 5 gebildet wird. Eine Siliziumdioxydschicht 67 für die Passivierung bedeckt die obere Oberfläche der Vorrichtung.
Aus dem obigen geht hervor, dass die N-Schicht 2 und die P-Schicht 3 einen Kollektor-Basisübergang 12 bilden. Die P-Schicht 3 und die N-Schicht 4 bilden einen Emitter-Basis übergang 13. Die N-Schicht 4 und die N+ -Schicht 5 bilden einen NN+ Übergang 14 von zwei Bereichen des gleichen Störstellentyps, wobei einer leicht und der andere stark dotiert ist. Die Breite WE zwischen dem Emitter-Basisübergang
13 und dem NN+ Übergang 14 beträgt ungefähr 6 Mikron.
Figur 2 ist ein Bild des Störstellenprofils und der Minoritätsträgerkonzentration im Emitter der oben beschriebenen Vorrichtung. Der oberste Teil der Figur zeigt die relative
Stellung des Emitters, der Basis und des Kollektors. Der mittlere Teil zeigt die Störstellenkonzentration in Atomen pro cm3 der äusseren Oberfläche (so bezeichnet) bis zum Sub stratteil 1. Der untere Teil der Figur zeigt den relativen Betrag der Minoritätsträgerkonzentration in verschiedenen Be reichen, beginnend mit dem N+-Bereich 5 bis zum Emitterbereich 4. Wenn die Diffusionslänge der Minoritätsträger weniger als die Breite des Emitters (WE) beträgt so ist das Minoritätsträgerprofil durch die steile gebrochene Linie (a) darge stellt.
Wenn ein eingebautes Feld vorgesehen ist, welches aber nicht gross genug ist, wie nachher diskutiert werden wird, ist die Minoritätsträgerkonzentration durch die gebrochene Linie (b) dargestellt.
Die oben beschriebene Struktur bewirkt eine hohe hFE Charakteristik und Geräuscharmut. Um dieses Resultat zu erklären ist festzustellen, dass die Stromverstärkung (hufe) der
Emitterschaltung einer der wichtigsten Parameter des Transi- stors ist. Dies wird im allgemeinen gegeben durch
EMI2.1
wobei a die Stromverstärkung der Basisschaltung ist. Die Stromverstärkung a ist gegeben durch
EMI2.2
wobei a* ein Kollektormultiplikationsfaktor, B ein Basistransportfaktor und y der Emitter-Wirkungsgrad ist.
Für einen NPN-Transistor, z. B., ist der Emitterwirkungsgrad y gegeben durch
EMI2.3
wobei Jn die Elektronenstromdichte bedeutet, die von den Elektronen welche durch den Emitter-Basisübergang vom Emitter zu der Basis injiziert werden, herrühren, während Jp die Defektelektronen-Stromdichte von Löchern ist, welche umgekehrt durch den gleichen Übergang von der Basis zum Emitter injiziert werden.
Die Elektronenstromdichte Jn ist gegeben durch
EMI2.4
EMI2.5
wobei Ln die Elektronendiffusionslänge in der P-Typ-Basis, Lp die Löcherdiffusionslänge im N-Typ-Emitter, Dn die Elektronendiffusionskonstante, Dp die Löcherdiffusionskonstante, Np die Minoritätselektronenkonzentration in der P-Typ-Basis in einem Gleichgewichtszustand, Pn die Minoritätslöcherkonzentration im N-Typ-Emitter im Gleichgewichtszustand, v die am Emitter-Basisübergang angelegte Spannung, t die Temperatur, q die Ladung der Elektronen und k die Boltzmann-Konstante ist.
8 ist das Verhältnis von Jp zu Jn und ist gegeben durch
EMI2.6
und auch durch
EMI2.7
welche das Verhältnis
EMI2.8
ersetzt, wobei NA die Störstellenkonzentration des Basisbereichs, ND die Störstellenkonzentration des Emitterbereichs und W eine Basislänge ist, welche die Elektronendiffusionslänge Ln im Basisbereich einschränkt. Die Trägerdiffusionskonstanten Dn und Dp sind Funktionen der Trägerbeweglich keit und der Temperatur und sind im wesentlichen konstant.
In der Vorrichtung nach Figur 1 wird der leicht dotierte Emitter 4 zwischen dem Emitter-Basisübergang 13 und dem NN+ Übergang 14 gebildet, wodurch der Wert von Lp sehr gross wird. Wenn z. B. der leicht dotierte Emitter 4 eine Störstellenkonzentration von 5.5 x 10'5 cm-3 und die epitaxiale Schicht als gutes Gitter erzeugt worden ist, wird der Wert Lp ungefähr 50-100 Mikron.
Üblicherweise würde die Minoritätsdiffusionslänge im Emitter eines herkömmlichen Transistor ungefähr gleich oder weniger als die Breite WE des Emitter-Bereiches werden, bedingt durch die Rekombination unter der Oberfläche des Emitters. Ein wesentlicher Punkt ist, dass die Minoritätsträgerdiffusionslänge des Emitters grösser ist als die Breite WE zwischen dem Emitter-Basisübergang im leicht dotierten Emitter.
Ein anderer wichtiger Punkt ist, dass der NN+ Übergang 14 sich im leicht dotierten Emitter 4 befindet. Der NN+ Übergang 14 bildet ein eingebautes Feld im Emitter und dieses Feld wirkt in einer solchen Richtung, dass der Löcherstrom vom Emitter-Basisübergang 13 gegen den Übergang 13 reflektiert wird.
Wenn das eingebaute Feld des NN Überganges gross genug ist, wird der Löcherdiffusionsstrom kompensiert und wird ungefähr gleich dem Driftstrom der Löcher durch das Feld im leicht dotierten Emitter 4. Diese Kompensation schwächt den Löcherstrom Jp, welcher von der Basis durch den Emitter-Basisübergang 13 in den leicht dotierten Emitter 4 injiziert wird, ab.
Durch das eingebaute Feld ändert sich die Gleichung (5) wie folgt:
EMI3.1
Weil die Potentialdifferenz d) des eingebauten Feldes gross ist und eqolkT > 1.
EMI3.2
Der grosse Wert von Lp bedingt, dass WE
Lp sehr klein wird, wodurch J'p fast verschwindet.
Die Abnahme von Jp bedingt, dass der Wert y fast eins wird gemäss Gleichung (3), der Wert a gross wird gemäss Gleichung (2) und der Wert hFE gemäss Gleichung (1) gross wird.
Die rauscharme Charakteristik kann folgendermassen erklärt werden. Die Gitterfehler oder die Versetzungen werden weitgehend vermindert, weil der Emitter-Basisübergang 13 durch den leicht dotierten Emitter 4 und durch die ebenso leicht dotierte Basis gebildet wird. Die Störstellenkon- zentration des leicht dotierten Emitters 4 muss wegen der Rauschcharakteristik der Lebensdauer Tp und der Minoritäts diffusionslänge Lp, auf einen Wert von weniger als 1018 cm-3 begrenzt werden.
Ein anderer Faktor, welcher den niedrigen Rauschpegel bedingt, ist, dass der Emitterstrom fast in einer vertikalen Richtung im leicht dotierten Emitter 4 und in der leicht dotierten Base 3 fliesst.
Der NN+ Übergang wird durch leicht und stark dotierte Bereiche des gleichen Leitertyps gebildet. Dieser Übergang ist weitgehend undurchlässig für Minoritätsträger doch nicht für Majoritätsträger.
Die hohe Verstärkung der Emitterschaltung (hFE) wird in
Figur 4 gezeigt Der Unterschied zwischen den Kurven 15 und 16 ist nur durch eine unterschiedliche planare Konfigura- tion bedingt. Beide Kurven zeigen jedoch eine sehr hohe Stromverstärkung in Emitterschaltung. Die Linie 17 von Figur 5 zeigt eine Rauschfigur als Funktion der Frequenz für die Vorrichtung von Figur 1. Die Linie 18 zeigt die Rauschfigur 5 einer herkömmlichen Vorrichtung eines bis dahin niedrigsten Rauschtyps. Die Linien 19 und 20 von Figur 6 stellen eine zu Figur 5 vergleichbare Kurve dar, doch bei verschiedener Eingangsimpedanz.
In Figur 7 wird eine Rauschkurvenlinie 21 einer herkömm lichen Vorrichtung gezeigt, und mit einer Rauschkurvenlinie 22 der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung verglichen. Die Linien 21 und 22 stellen die Rauschfaktoren bei 3 db dar. Was sich innerhalb der allgemein dargestellten Parabel befindet ist unterhalb 3 db. Aus den Figuren 4, 5, 6 und 7 ist klar zu er- kennen, dass die vorliegende Erfindung eine sehr bemerkenswerte Verbesserung gegenüber herkömmlichen Typen von Vorrichtungen bringt.
Die Figur 3 zeigt eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei der in Figur 1 beschriebene NPN-Transistor in einer integrierten Schaltung gebildet ist, mit einem oder mehreren anderen Halbleiterelementen wie z. B. ein PNP-Transistor herkömmlicher Art. Beide bilden komplementäre Transistoren. Ein P-Typ Substrat 30 weist einen NPN Transistor 31 auf, welcher wie in Verbindung mit Figur 1 beschrieben gebildet wurde. Dies beinhaltet einen stark dotierten Kollektor 1, einen leicht dotierten Kollektor 2, eine leicht dotierte Basis 3, einen leicht dotierten Emitter 4, einen stark dotierten Bereich 5, eine Kollektorleiterzone 6, eine Kollektor-Kontaktzone 15, eine Basisleiterzone 7, eine Basiskontaktzone 8, eine Kollektor-Elektrode 9, eine Basis-Elektrode 10 und eine Emitter-Elektrode 11.
Im gleichen Substrat 30 ist ein konventioneller PNP-Transistor 32 gebildet, welcher einen P-Typ-Kollektor 63, eine N-Typ Basis 64, einen P-Typ Emitter 38, einen P-Typ Kollektorleiter 37, eine P-Typ-Kollektor-Kontaktzone 48, eine N-Typ Basiskontaktzone 35, eine Kollektorelektrode 39, eine Basiselektrode 40 und eine Emitter-Elektrode 41 aufweist. Die zwei Transistoren 31 und 32 sind durch einen PN-Übergang elektrisch voneinander isoliert Eine P-Typ-Isolierungszone 50 ist mit dem Substrat 20 verbunden und umgibt beide Transistoren NPN und PNP, 31 und 32. Drei N-Typ-Bereiche 61, 62 und 66 bilden eine schalenförmige Isolierungszone, welche den PNP-Transistor 32 umgibt.
In diese integrierte Schaltung werden eine Vielzahl von Paaren oder Trios gleichzeitig gebildet. So werden z. B. die N+-Bereiche 1 und 61 durch eine selektive Diffusion in das P-Typ Substrat 30 gebildet. Die N-Bereiche 2 und 62 werden durch ein N-Typ Epitaxialziehen gebildet. Der P-Bereich 3, welcher die Basis des NPN-Transistors 31 und Bereich 63, welcher den Kollektor des PNP-Transistors 32 bildet, wer den durch ein P-Typ Epitaxialziehen oder durch selektive Dif fusion gebildet. Der N- Bereich 4 (der leicht dotierte Emitter des NPN-Transistors) und 64, die Basis des PNP-Transistors, werden durch ein N-Typ Epitaxialziehen gebildet. Die N Be reiche 6 und 66 werden durch eine N-Typ-Diffusion gebildet.
Die P-Bereiche 7 und 37 werden durch eine P-Typ Diffusion gebildet. Die P+ Bereiche 8, 38 und 48 werden durch P-Typ
Diffusion gebildet. Der N+ Bereich 5 (der Emitter des PNP
Transistors) und 15 (die Kollektorkontaktzone des NPN-Tran sistors) und 35 (die Basiskontaktzone des PNP-Transistors) werden durch Diffusion gebildet.
Man merkt, dass der Emitterteil der Linie (c), Fig. 2, im allgemeinen horizontal liegt und wesentlich flach ist. Der Ausdruck wesentlich flach , wenn im Zusammenhang mit dem Zustand der Minoritätsträgerkonzentration über den aktiven Emitterbereich gebraucht, ist so gedacht, dass der kombinierte Wert der Minoritätsträger vom aktiven Basisbereich, welche in den aktiven Emitterbereich injiziert werden und die Minoritätsträger im Emitter, welche, bedingt durch das eingebaute Feld, sich in umgekehrter Richtung bewegen, relativ eben ist über den gesamten aktiven Emitterbereich.
Während die Erfindung wie in Figur 1 dargestellt als NPN-Transistor dargestellt wurde, ist es natürlich selbstverständlich, dass es auch ein PNP-Transistor mit vergleichbaren Strukturen und Charakteristiken sein kann. Es ist ferner selbstverständlich, dass die Erfindung auch als Halbleiterthyri stor des NPNP-Typs ausgeführt werden kann.