DE1027800B - Verfahren zur Herstellung eines Transistors mit einem Halbleiterkoerper aus zwei Schichten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Transistors mit einem Halbleiterkoerper aus zwei Schichten

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DE1027800B DEW12314A DEW0012314A DE1027800B DE 1027800 B DE1027800 B DE 1027800B DE W12314 A DEW12314 A DE W12314A DE W0012314 A DEW0012314 A DE W0012314A DE 1027800 B DE1027800 B DE 1027800B
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Description

DEUTSCHES
Die Erfindung betrifft unter der Bezeichnung Transistoren bekannte Halbleiter-Signalübertragungseinrichtungen, insbesondere Schichttransistoren.
Solche Schichttransistoren bestehen im allgemeinen aus einem Körper aus Halbleitermaterial, ζ. Β. Germanium oder Silizium mit einer Schicht von bestimmtem Leitfähigkeitstyp, die zwischen zwei Schichten des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps liegt und mit diesen flächenhafte Verbindungen bildet. An den Schichten sind im wesentlichen ohmsche Elektroden angebracht, und die Elektrode an der Zwischenschicht wird Basiselektrode und die an den Außenschichten werden Emitterelektrode und Kol'lektorelektrode genannt. Die Eigenschaften solcher Halbleitereinrichtungen sind in einem Aufsatz von R. L. Wallace und W. J. Pietenpol im »Bell System Technical Journal«, Juli 1951, S. 530, geschildert.
Unter den Betriebseigenschaften von Schichttransistoren sind von besonderer Bedeutung: der Stramvervielfachungsfaktor, der gewöhnlich mit α bezeichnet wird, und der Betriebsfrequenzbereich, insbesondere der Frequenzbereich, in dem mindestens eine vorbestimmte Verstärkung erreichbar ist. Wichtig sind außerdem die Leistungsaufnahmefähigkeit und die Betriebsstabilität.
Mit der Erfindung sollen die Betriebseigenschaften von Transistoren verbessert werden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, die Verstärkung und den Betriebsfrequenzbereich von Transistoren zu vergrößern, ihre Leistungsaufnahmefähigkeit zu erhöhen, die Stabilität solcher Einrichtungen zu verbessern und den Bau von Schiehttransistoren zu erleichtern.
Die Besonderheit der Erfindung besteht im wesentlichen in einer neuen Verfahrensart zur Herstellung eines Transistors mit einem Halbleiterkörper aus zwei Schichten. Erfindungsgemäß wird die eine Schicht im wesentlichen eigenleitend hergestellt, an dieser wird eine nicht ohmsche Kollektorelektrode angebracht, die zweite an die erste angrenzende Schicht wird mit Störstellenleitung versehen, und an dieser werden eine nicht ohmsche Emitterelektrode und eine ohmsche Basiselektrode angebracht. Bei der Ausbildung des Halbleiterkörpers ist somit der Kollektor von der Basisschicht durch eine eigenleitende Schicht wesentlicher Stärke getrennt, welche die Anlegung einer hohen maximalen Spannung und die Einhaltung einer kleinen Kapazität zwischen Kollektor und Basis ermöglicht. Infolgedessen kann die Basisschicht in wesentlich geringerer Stärke und mit geringerem spezifischen Widerstand ausgeführt sein, als es bisher möglich, war, mit dem Erfolg, daß die Laufzeit ohne Vergrößerung des Basiswiderstandes herabgesetzt werden kann.
In besonders vorteilhafter Weise wird der Körper Verfahren zur Herstellung
eines Transistors mit einem
Halbleiterkörper aus zwei Schichten
Anmelder:
ίο Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr. Dr.· R. Herbst, Rechtsanwalt,
Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 16. Dezember 1952
James Michael Early, Morristown, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden
als Einkristall ausgebildet, der aus zwei aneinandergrenzenden Schichten besteht, deren eine den für das
Basisgebiet gewünschten Leitfähigkeitstyp aufweist und deren andere im wesentlichen Eigenleitfäbigkeit besitzt. Die Emitterelektrodenschicht und die Kollektorelektrodenschicht eines Schichttransistors lassen sich durch Einbringen einer geeigneten Beimengung in Teile der Basishalbleiterschicht und der Schicht mit Eigenleitfähigkeit herstellen, um hierdurch in diesen Schichten Inseln oder Teilsehichten mit einem Leitfähigkeitstyp zu schaffen, der demjenigen der Basishalbleiterschicht entgegengesetzt ist.
Beim Betrieb der Halbleitereinrichtung wird die Emitterelektrode in Flußrichtung und die Kollektorelektrode in Sperrichtung gegen die Basiselektrode vorgespannt. Wegen der Vorspannung in Sperrichtung an der Kollektorelektrode erhalt man ein Raumladungs- oder Sperrschicht-Gebiet zwischen der Basis- und der Kollektorelektrode. Dieses kann infolge des Vorbandenseins des Gebiets, dessen Leitfähigkeit im wesentlichen auf Eigenleitung beruht, bei verhältnismäßig niedriger Kollektorelektrodenspannung von der
Kollektorelektrode bis zur Basiselektrode reichen.
Die Erfindung und ihre Besonderheiten sollen an Hand der nachfolgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung der Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt
709 959/337
Fig. 1 die schematische 'Darstellung eines Schichte transistors, der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt,
Fig. 2 „ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, ■ ] ¥ -
Fig. 3, 4 und 5 graphische Darstellungen, die den Zusammenhang gewisser Parameter zeigen, die beim Betrieb von Transistoren 'gemäß der Erfindung von besonderer Bedeutung sind.
die Überschußladungsträgerkonzantration sehr klein und der spezifische Widerstand hoch ist. Vorteilbafterweise ist der spezifische Widerstand größer als 30 Ohm-Zentimeter.
Beim Betrieb der Halbleitereinrichtung wird vorteilhafterweise die Vorspannung in Sperrichtung an der Kollektorhalbleiterschicht 14 so vorgesehen, daß ein Raumladungs- oder Sperrschichtgebiet sich durch die Eigenleitfähigkeitsschicht 11 erstreckt, d. h.
In der Zeichnung ist der Deutlichkeit der Dar- io die Raumladung die Basis- und Kollektorhalbleiterstellung wegen der Halbleiterkörper in stark ver- schicht überbrückt. Wie bekannt, erhält man auch bei größertem Maßstab gezeichnet. Bei typischen Einrichtungen kann dieser Körper einen Querschnitt von
0,025 bis 2,54 X 0,025 bis 25,4 mm haben, die Basisleite:
im
0,06 bis 0,127 mm dick sein. In der Zeichnung ist ferner der Iveitfähigkeitstyp der verschiedenen Zonen durch entsprechende Buchstaben N, I oder P angegeben.
Die in Fig. 1 dargestellte Übertragungseinrichtung besteht aus einer Scheibe oder Platte 10 aus Halbleitermaterial, z. B. aus Silizium oder Germanium, die eine Schicht 11 mit vorwiegender Eigenleitfähigkeit
der Vorspannung Null eine elektrostatische Spannung an jeder der Verbindungen zwischen der Eigenleitfähigkeitsschicht 11 und den Basis- und Kollektorhalbleiterzone kann etwa 0,001 bis 0,101 mm dick und 15 halbleiterschichten 12 und 14. Die Summe dieser das im wesentlichen eigenleitfähige Gebiet etwa Spannungen und der Kollektorelektrodenvorspannung,
die notwendig ist, damit das Sperrschichtgebiet von der Basis- zur Kollektorelektrode reicht, wird hier die Sperrschichtspannung genannt. Der Zusammenhang zwischen dieser und der Dicke oder Breite der Schicht 11 ist für verschiedene Werte der Überschuß ladungsträgerkonzentration oder des spezifischen Widerstandes für die Schicht 11 bei Germanium in Fig. 3 dargestellt. In dieser Figur veranschaulicht die
und eine Schicht 12 mit einem ausgeprägten Leit- 25 Kurvet diesen Zusammenhang für eine Schicht 11 fähigkeitstyp aufweist,- z. B. N-Typ, wie in der mit einem spezifischen Widerstand von etwa Zeichnung angegeben ist. Die Scheibe oder Platte 10 30 Ohm-Zentimeter entsprechend einer Überschußenthält ferner zwei Schichten 13 und 14, die einen ladungsträgerkonzentration von etwa 3 X 1013/cm3, ausgeprägten Leitfähigkeitstyp aufweisen, der dem- die Kurve B gilt für eine Schicht 11 mit einem spezijenigen der Schicht 12 entgegengesetzt ist, z.B. P-Typ. 30 fischen Widerstand von etwa 45 Ohm-Zentimeter ent-Die Schichten 12,13 und 14 bilden die Basis-, Emitter- sprechend einer Überschußladungsträgerkonzentration und Kollektorhalbleitergebiete des Transistors und von etwa 1013/cm3 und die Kurve C für eine Schicht sind mit ohmschen Elektroden versehen. 11, bei· der die Überschußladungsträgerkonzentration
Beim Betrieb der Einrichtung ist die Verbindung etwa 3· X 1012 beträgt. Aus Fig. 3 ergibt sich, daß bei zwischen dem Basishalbleitergebiet 12 und dem 35 emerHalblekereinirichüMi^dererjiScMcshtlldileEigeini-Emitterhalbleitergebiet 13 in Flußrichtung vorge- schäften, entsprechend, der Kurve C hat, airae Sperrspannt, z. B. durch eine Batterie 17. Zwischen diesen sohichtspianraung von etwa 5VoIt notwendig ist, wenn Gebieten werden Signale z. B. durch die Queue 18 die Schicht 11 etwa 5 X 10—3 cm dick bzw. breit ist. aufgedrückt. Die Schicht 14 ist in bezug auf die Basis Der Zustand eines Sperrschichtgebietes, das die
in Sperrichtung vorgespannt, z. B. durch die Batterie 40 Eigenleitfähigkeitsschicht überbrückt, ist nicht nur 15, die in Reihe mit einer in allgemeiner Weise durch bei verhältnismäßig kleiner Kollektorelektrodenvorden Widerstand 16 dargestellten Belastung liegt. spannung erreichbar, wie oben festgestellt wurde.
A'Orteilhafterweise ist die Halbleiterscheibe oder sondern ohne wesentliche Änderung auch bei Ver-Platte ein Einkristall, bei dem die N-Schicht 12 da- änderung der Kollektorelektrodenspannung. Weiter ist durch hergestellt ist, daß man eine Schmelze aus 45 er ohne schädliche Verringerung der Dicke der Basis-Material, dessen Leitfähigkeit im wesentlichen auf halbleiterschkht 12 zu erreichen. Wie durch die Eigenleitung beruht, mit einer die Leitfähigkeit be- Kurve D in Fig. 4 gezeigt ist, wächst bei einer Einstimmenden Beimengung, wie Antimon, stark ver- richtung der in Fig. 1 gezeigten Art, bei welcher der setzt. Die P-Gebiete 13 und 14 können dadurch her- Halbleiterkörper PNIP-Aufbau hat, die SperrschichtgesteWt werden, daß man die Schicht 11 mit Eigen- 50 breite mit der Kollektorelektrodenspannung bis zu leitfähigkeit und der N-Typ-Schicht 12 eine Akzeptor- einer gewissen, der Sperrschichtspannung entsprechen-
beimengung wie Indium zulegiert.
Vorteilhafterweise besitzen die Schichten 12, 13 und 14 ausgeprägte Störstellenleitfähigkeit, wodurch unter anderem ein niedriger Basishalbleiterwiderstand erzielt wird, eine reichliche Lieferung von Mehrheitsladungsträgern an der Steuerschicht 13 entsteht, die für die Einbringung in die Basishalbleiterschicht 12 verfügbar wird, und eine verhältnismäßig große
den Spannung und bleibt dann im wesentlichen konstant. Bei einem Halbleiterkörper mit PNP-Aufbau wächst, wie die Kurve E zeigt, die Sperrschichtbreite kontinuierlich mit der Kollektorelektrodenspannung. Somit ermöglichen Halbleitereinrichtungen gemäß der Erfindung eine große Betriebsstabilität.
Wie die Kurve F in Fig. 5 zeigt, nimmt bei einem PNIP-Transistor der in Fig. 1 dargestellten Art die
Temperaturunempfindäichkeit an der Kollektor el ek- 60 effektive Breite der Basisschicht mit der Kollektortrode zustande kommt. Zum Beispiel können bei einer elektrodenspannung ab, bis der Sperrschichtspantypischen Einrichtung, deren Halbleitermaterial Ger- nungswert erreicht ist, und bleibt dann konstant. Bei manium ist, die Basishalbleiterschicht 12 einen spezi- einem PNP-Transistor nimmt jedoch, wie die fischen Widerstand von etwa 0,001 bis 1,0 Ohm-Zenti- Kurve G zeigt, die Basishalbleiterzonenbreite mit meter und die Emitter- und Kollektorhalbleiter- 65 wachsender Kollektorelektrodenspannung ab, bis die schichten 13 und 14 einen spezifischen Widerstand von Breite Null wird, d. h. ein Zusammenbruch der Basiswenigeir als 0,001 Ohm-Zentimeter aufweisen. halbleiterschicht auftritt. Somit ermöglichen HaIb-In der im wesentlichen mit Eigenleitfähigkeit aus- leitereinrichtungen gemäß der Erfindung einen Begestatteten Schicht 11 sind jedoch die Donatoren und trieb bei höheren Leistungspegeln, als sie bisher ohne Akzeptoren im wesentlichen im Gleichgewicht, so daß 70 Ausfall des Transistors erreichbar waren.
Weiter hat man festgestellt, daß beim Betrieb von Transistoren die Verstärkung bei hohen Frequenzen abhängig von der Kollektorelektrodenkapazität, dem Basishalbleiterwiderstand und dem Kollektorhalbleiterwiderstand ist. Um auch bei hohen Frequenzen Verstärkung zu erhalten, ist es insbesondere vorteilhaft, daß das Produkt aus der Kollektorelektrodenkapazität und der Summe des Basishalbleiterwiderstandes und des Kollektorhalbleiterwiderstandes klein ist. Bei Halbleiitereinrichtungen gemäß der Erfindung erhält man infolge des Eigenleitfähigkeitsgebietes eine kleine Kollektorelektrodenkapazität. Femer können sowohl der Basishalbleiterwiderstand als auch der Kollektorhalbleiterwiderstand leicht klein gemacht werden.
Somit wird das obengenannte Produkt klein, und es läßt sich eine hohe Verstärkung in einem großen Frequenzbereich erzielen. Weiter erkennt man, daß alle drei vorhandenen Parameter beim Entwurf verändert werden können, so daß ihre Beziehung zueinander optimal ausgeführt werden kann, um eine vorbestimmte Betriebseigenschaft zu erhalten, z. B. eine Verstärkung von einer gewissen Mindestgröße in einem speziellen Frequenzband.
Die Erfindung kann auch bei Transistoren mit einem oder mehreren Punktkontakten ausgeführt werden. Bei einer Ausführung, die in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Emitterelektrode ein Punktkontakt 130, der auf der Basishalbleiterschicht 12 aufliegt, und die Kollektorelektrode ist ein Punktkontakt 140, der auf dem Eigenleitfähigkeitsgebiet 11 aufliegt. Vorteilhafterweise wird die Kollektorelektrode elektrisch auf eine Art und Weise gebildet, wie sie bereits in der Technik bekannt ist. Selbstverständlich kann die Erfindung auch bei Transistoren mit flächenhafter Emitterelektrode und Punktkontakt-Kollektorelektrode und bei solchen mit Punktkontakt-Emitterelektrode und flächenhafter Kollektorelektrode angewendet werden.
Ideales Halbleitermaterial mit Eigenleitfähigkeit, d. h. Material, bei dem die Donatoren und Akzeptoren genau im Gleichgewicht sind, ist nicht für die Verwirklichung der Vorteile von Halbleitereinrichtungen gemäß der Erfindung wesentlich. Das bedeutet, daß das im wesentlichen Eigenleitfähigkeit besitzende Gebiet 11 entweder eine leichte N- oder eine leichte P-Leitfähigkeit, d. h. eine Überschuß ladungsträgerkonzentration von etwa 5 X 10ls bzw. einen spezifischen Widerstand von etwa 30 Ohm-Zentimeter aufweisen kann. Vorteilhafterweise ist das Vorzeichen der Überschußladungsträger derart, daß die Raumladung der beweglichen Träger, welche den Leitungsstrom zur Kollektorelektrode bilden, neutralisiert wird. Demnach kann bei einem Halbleiterkörper mit PNIP-Aufbau, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, das im wesentlichen Eigenleitfähigkeit besitzende Halbleitergebiet etwas P-Leitfähigkeit haben, um hierdurch die Raumladung zu neutralisieren, die infolge der in das Basishalbleitergebiet oder die Halbleiterschicht 12 von der Emitterhalbleiterschicht 13 eingebrachten und von der Kollektorhalbleiterschieht 14 angezogenen Löcher entsteht. Die hierdurch bewirkte Neutralisation der Raumladung erhöht den bei einer gegebenen Spannung erreichbaren Strom oder verringert umgekehrt die zur Erreichung eines vorgegebenen Stromes erforderliche Spannung.
Wenn die Erfindung auch mit besonderem Bezug auf Transistoren mit einem Halbleiterkörper mit PNIP-Aufbau beschrieben wurde, so kann sie doch auch bei Halbleitereinrichtungen verwendet werden, deren Körper NPIN-Aufbau aufweist.
Ferner sind selbstverständlich die dargestellten und beschriebenen Ausführungen der Erfindung nur Beispiele. Verschiedene Abänderungen können vorgenommen werden, ohne daß man vom Wesen und Ziel der Erfindung abweicht.

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Transistors mit einem Halbleiterkörper aus zwei Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Schicht im wesentlichen eigenleitend hergestellt wird, daß an dieser eine nicht ohmsche Kollektorelektrode angebracht wird, daß die zweite an die erste angrenzende Schicht mit Störstellenleitung versehen wird und daß an dieser zweiten Schicht eine nicht ohmsche Emitterelektrode und eine ohmsche Basiselektrode angebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an der zweiten Schicht angebrachten Emitterelektrode eine übliche dritte inselförmige Schicht im Halbleiterkörper vorgelagert wird, deren Leitfähigkeitstyp demjenigen der zweiten Schicht entgegengesetzt ist, und daß der an der ersten Schicht angebrachten Koilektorelektrode eine vierte inselförmige Schicht im Halbleiterkörper vorgelagert wird, deren Leitfähigkeitstyp demjenigen der zweiten Schicht entgegengesetzt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode und Kollektorelektrode als Punktkontakte ausgebildet werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Germanium, daß die erste Schicht mit einem spezifischen Widerstand von etwa 30 Ohm-Zentimeter oder mehr und daß die zweite Schicht mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,1 bia 1 Ohm-Zentimeter hergestellt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite bzw. die dritte Schicht mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,1 Ohm-Zentimeter und die dritte bzw. zweite Schicht mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,001 Ohm-Zentimeter hergestellt wird, daß die Kollektorelektrode an der Schicht mit dem niedrigeren spezifischen Widerstand angebracht wird und daß die Basiselektrode an derjenigen Schicht des Schichtenpaares angebracht wird, die den höheren spezifischen Widerstand hat.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangskreis zwischen der Basiselektrode und der Emitterelektrode angeschlossen wird, daß ferner eine Belastung an die Kollektorelektrode angekoppelt wird und daß schließlich Mittel vorgesehen werden, die die Kollektorelektrode gegenüber der Basiselektrode mit einer solchen Spannung vorspannen, daß ein Raumladungsgebiet entsteht, welches sich durch die erste Schicht von der Kollektorelektrode zu der Schicht erstreckt, an der die Emitterelektrode angebracht ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung ρ 44957 VIIIc/21h;
Proc. IRE, Bd. 40, 1952, S. 1311 bis 1313.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 7» 959/337 4.58
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