DE1073632B - Drift-Transistor mit einer Zonenfolge P-N-P bzw. N-P-N und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Drift-Transistor mit einer Zonenfolge P-N-P bzw. N-P-N und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen,
insbesondere auf Drift-Transistoren, unter Verwendung von Halbleiterverbindungen, im Gegensatz
zu chemischen Elementen, wie Germanium oder Silizium. Beispiele solcher Verbindungen sind die
Phosphide, Arsenide und Antimonide des Aluminiums, Galliums oder Indiums. Diese Verbindungen werden
häufig »III-V-Verbindungen« genannt, da sie Elemente aus den entsprechenden Gruppen des
Periodischen Systems enthalten. In diesen Verbindungen ist die Beweglichkeit der negativen Ladungsträger
im allgemeinen größer als in Germanium oder Silizium.
Es hat sich bei l>ekannten Transistoren gezeigt, daß
der Emitternutzeffekt steigt, wenn die verbotene Zone des Emitter-Halbleiterniaterials größer ist als die des
Basis-Halbleitermaterials. Es hat sich gleichfalls gezeigt, daß ein Transistor, in welchem die Konzentration
der Verunreinigungsstoffe in der Basiszone abgestuft ist, d. h. sich vom Emitter zum Kollektor hin
ändert, eine verbesserte a-Grenzfrequenz, einen niedrigen
Basis widerstand und eine niedrige Kollektorkapazität besitzt. Eine derartige Halbleiteranordnung
wird oft »Drift-Transistor« genannt (s. beispielsweise den vorveröffentlichten Artikel von H. Kroemer,
»Der Drift-Transistor«, auf S. 202 bis 220 des Buches »Transistors I«, RCA Laboratories 1956).
Bei der Erfindung werden in einem Transistor die Vorzüge einer hohen Elektronenbeweglichkeit, eines
hohen Emitternutzeffektes und einer abgestuften Basis vereinigt, ferner wird ein einfaches Verfahren
zur Herstellung eines solchen Transistors angegeben.
Die besonderen Eigenschaften der III-V-Verbindungen, insbesondere ihr verhältnismäßig großer
Bandabstand und die hohe Trägerbeweglichkeit, sind bekannt. Es sind auch bereits Bemühungen unternommen
worden, diese Verbindungen zur Herstellung von Halbleiteranordnungen zu verwenden.
Weiterhin ist auch die Wirkung von Dotierungsstoffen in Halbleitereinkristallen weitgehend bekannt,
und es läßt sich voraussagen, ob ein bestimmtes Element in einem bestimmten Halbleiter als Donatoroder
Akzeptorverunreinigung wirkt oder ob es diesem Halbleiter gegenüber neutral ist.
Es ist ferner bekanntgeworden, die zwischen zwei äußeren Zonen liegende Basiszone so auszubilden, daß
ihre Leitfähigkeit von der einen der beiden äußeren Zonen zur anderen hin abnimmt.
Die Erfindung bezieht sich auf einea Drift-Transistor mit einer Zonenfolge P-N--P bzw. N-P-N und mit
einer Konzentration eines Verunreinigungselementes in der mittleren Basiszone, die am größten in der
Nähe der Emitterzone ist und mit zunehmender Entfernung von der Emitterzone zur Kollektorzone hin
Drift-Transistor
mit einer Zonenfolge P-N-P bzw. N-P-N und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder:
Radio Corporation of America,
New York, N. Y. (V. St. A.)
New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6
München 23, Dunantstr. 6
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 18. Juni 1956
V. St. v. Amerika vom 18. Juni 1956
Dietrich Alfred Jenny, Princeton, N. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
abnimmt. Der Drift-Transistor ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Basiszone aus einer ersten Halbleiterverbindung mit einem ihren Leitungstyp bestimmenden
Verunreinigungselement besteht und daß die Emitterzone aus einer zweiten solchen Halbleiterverbindung
besteht, die aus demselben Verunreinigungselcment der ersten Halbleiterverbindung und einem
der Elemente der ersten Halbleiterverbindung gebildet ist.
Vorzugsweise stellt die Basiszone einen Teil eines Niederschlages oder einer Scheibe dar, die die Kollektorzone
bildet. Die zweite Halbleiterverbindung der Emitterzone hat vorzugsweise eine breitere verbotene
Zone als die erste Halbleiterverbindung der Basiszone.
Die Herstellung eines Transistors gemäß der vorliegenden Erfindung kann von einer Scheibe einer
halbleitenden ITI-V-Verbindung ausgehen. Die Scheibe wird in einer Atmosphäre eines Verunreinigungselementes,
welches aus der IL, VI. Gruppe des Periodischen Systems stammen kann, erhitzt, und bei
diesem Temperungsvorgang wird erstens eine Oberflächenschicht einer verschiedenen Halbleiterverbindung
gebildet, die eines der Elemente der Verbindung, aus der die ursprüngliche Scheibe bestand, und das
Verunreinigungselement enthält. Diese Oberflächenschicht bildet die Emitterzone. Zweitens wird ein
gleichrichtender Übergang bzw. eine Sperrschicht anschließend an den inneren Teil der Schicht gebildet
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und drittens eine sich daran anschließende Basiszone,
die aus der ursprünglichen Verbindung der Scheibe besteht und einen sich ändernden Prozentsatz an eindiffundiertem
Verunreinigungselement enthält. Die Konzentration der Verunreinigung ist an der Sperrschicht
am größten und nimmt mit wachsendem Abstand von ihr ab. Der Teil der ursprünglichen Scheibe
oder Unterlage, in den keinerlei Verunreinigungselement eindiffundiert ist, bildet die Kollektorzone des
Transistors.
In den Zeichnungen, Fig. IA, IB, IC, ID, IE
und 1F, ist in stark vergrößerten Querschnitten die
Herstellung eines Transistors gemäß der Erfindung erläutert.
Fig. 2 zeigt die abgewandelte Ausführungsform eines derartigen Transistors.
In den Zeichnungen sind gleichartige Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Nach Fig. IA wird eine Scheibe 41, die beispielsweise
aus N-leitendem Indiumphosphid, etwa 2,54 mm im Quadrat und 0,3 mm dick, bestehen kanu, in einem
Ofen erhitzt, der eine Atmosphäre aus einem Verunreinigungselement enthält, das einen dem Leitungstyp der Scheibe entgegengesetzten Leitungstyp zu erzeugen
in der Lage ist. Bei diesem Beispiel ist Kadmium ein geeigneter Akzeptor für das N-leitende Indiumphosphid.
Die Temperatur und die Dauer der Erhitzung soll ausreichend sein, so daß eine gewisse
Menge des Kadmiums in die Oberfläche eindiffundieren kann und sich direkt an der Oberfläche eine
dünne Schicht bildet, die den entgegengesetzten Leitungstyp besitzt wie die Masse der Scheibe. Bei diesem
Beispiel wurde die N-leitende Scheibe aus Indiumphosphid in einer Atmosphäre von Kadmiumdampf
3 Minuten lang auf 800° C erhitzt, bei anderen Stoffen können jedoch auch andere Zeiten und Temperaturen
nötig sein.
Wie in Fig. 1B angedeutet ist, bildete die Diffusion
eine dünne Schicht 42 aus P-leitendem Indiumphosphid an der Oberfläche der Scheibe 41 infolge des Eindringens
der Kadmiumverunreinigung. Zwischen der Schicht 42 und der Masse der Scheibe 41 wird ein
P-N-Übergang 43 gebildet. Die Schicht 42 besitzt eine abgestufte Konzentration an der Verunreinigung; da
nämlich das Kadmium von der Oberfläche her in die Scheibe eindiffundiert, herrscht an der Oberfläche der
Scheibe eine hohe Kadmiumkonzentration, die mit wachsender Tiefe schnell abnimmt. Das hochkonzentrierte
Kadmium an der Oberfläche reagiert bei der Temperatur des Ofens mit dem Indiumphosphid unter
Bildung einer dünnen Oberflächenschicht von Kadmiumphosphid
44, das N-leitend ist. Dies kann von einer gewissen Menge gelöst zurückbleibendem Indium
herrühren. Während Indium in Germanium ein Akzeptor ist, hat es in Kadmiumphosphid Donatoreigenschaften.
Da die Kadmiumphosphidschicht N-leitend ist und die abgestufte Zone unterhalb der Oberfläche
P-Leitfähigkeit besitzt, wird gleich unterhalb der Oberfläche der Scheibe eine zweite und
äußerst wichtige P-N-Übergangszone 45 gebildet. Die zwei P-N-Inversionsschichten sind auf diese Weise
eng benachbart, da sie nur durch die Dicke der abgestuften Schicht 42 getrennt werden.
Anschließend wird ein größerer Teil der Oberfläche der Scheibe mit einem Ätzschutz, wie beispielsweise
Lack oder Polystyrol, überzogen und die so präparierte Scheibe in ein Ätzmittel eingetaucht. Ein
geeignetes Ätzmittel für halbleitende III-V-Verbindungen besteht aus gleichen Teilen konzentrierter
Salpetersäure und konzentrierter Salzsäure. Das Ätzmittel entfernt die Indiumphosphidschicht 42 und die
Kadmiumphosphidschicht 44 von alien Oberflächenteilen der Scheibe, die nicht vom Ätzschutz bedeckt
sind. Anschließend wird der Ätzschutz durch ein Lösungsmittel entfernt, was bei Polystyrol Toluol sein
kann; die Scheibe befindet sich dann in dem in Fig. 1C dargestellten Zustand.
Nach Fig. 1D wird nun ein Kadmiumkügelchen 46, das mit einem als Emitterzuleitung dienenden Draht
ίο 47 versehen werden kann, mit der Kadmiumphosphidschicht
44 verschmolzen.
Anschließend wird, wie in Fig. 1E dargestellt, eine
Seite der Scheibe unter einem Winkel geschnitten oder angeschliffen, so daß eine größere Fläche der
Sehichf 42, die die Basiszone darstellt, frei liegt. Die
so freigelegte Oberfläche wird zur Verhütung von Oberflächenverlusten über die Sperrschichten angeätzt
und dann in entspanntem Wasser gewaschen. Daraufhin wird mit der freigelegten Kante der Schicht 42.
ao ein sehr kleines Indiumkügelchen 48 verschmolzen, das
mit einem als Basiszuleitung dienenden Draht 49 versehen wird.
Wie in Fig. 1F dargestellt ist, wird mit dem aus
dem ursprünglichen Indiumphosphid bestehenden Teil der Scheibe ein Streifen 50 verschmolzen, der mit
einem Draht 51 versehen ist, welcher als Kollektorzuleitung dient. Geeignete Metalle für den Streifen
50 sind Nickel, Kupfer und Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen.
Sie können vor dem Anbringen mit Indium überzogen werden.
Der so gebildete Transistor vereinigt in sich verschiedene
Vorzüge. Erstens sind die beiden P-N-Übergänge 43 und 45 sehr nahe benachbart auf gegenüberliegenden
Seiten einer dünnen Basiszone 42 angeordnet, wodurch die Laufzeit der Ladungsträger verringert
und die Eigenschaften der Halbleiteranordnung, vorzugsweise bei hohen Frequenzen, verbessert
wird. Als zweites besitzt die Basiszone eine verlaufende Konzentration an Verunreinigungsstoffen, die
sich von einem hohen Wert beim Emitter 44 zu einem niedrigen Wert beim Kollektor 41 ändert. Der Abfall
der Konzentration ist annähernd exponentiell, wodurch die Vorzüge eines Drift-Transistors erreicht
werden. Drittens besitzt die Emitterzone 44 eine größere verbotene Zone als die Basiszone 42, so daß
der Nutzeffekt des Emitters verbessert wird. Viertens kann der Transistor einfach und billig gefertigt
werden, da das Emitterkügelchen 46, der Kollektorstreifen 50 und das Basiskügelcben 48 in einem einzigen
Verfahrensschritt mit der Scheibe verschmolzen werden können.
Die in Fig. 2 dargestellte Abwandlung geht von der in Fig. ID dargestellten Zwischenstufe aus. Der Ätzschutz,
beispielsweise Polystyrol, wird auf das Emitterkügelchen 46 und die Emitterleitung 47 aufgebracht.
Die Einrichtung wird dann in der beschriebenen Weise geätzt, jedoch nur so lange, bis die Kadmiumphosphidschicht
44 mit Ausnahme des unmittelbar unterhalb der Emitterpille 46 liegenden Teils entfernt
ist. Die Einrichtung wird dann in entspanntem Wasser gewaschen, bevor die Schicht 42 von der Ätzlösung
angegriffen wird. Nun wird der Ätzschutz durch ein geeignetes Lösungsmittel, wie beispielsweise
Toluol im Falle von. Polystyrol, entfernt. Daraufhin wird eine Basisverbindungspille 48 mit der Basisschicht
42 auf derselben Seite der Scheibe wie das Emitterkügelchen 46 verschmolzen. Zur gleichen Zeit
wird der Kollektorstreifen 50 auf die andere Seite der Scheibe auflegiert. Die sich ergebende Anordnung besitzt
die Vorteile, die sich atts einer kleinen Emitter-
fläche ergeben, insbesondere also eine kleine Emitterkapazität.
Einige der Ill-V-Verbindungen, die durch Synthese der Elemente hergestellt wurden, sind normalerweise
N-leitend, wie beispielsweise Galliumarsenid S und Indiumphosphid. Andere sind im Normalzustand
P-leitend, wie beispielsweise Galliumantimonid. Es wird angenommen, daß der Leitfähigkeitstyp von geringen
Abweichungen λόιι einer exakten stöchiometrischen
Zusammensetzung der Verbindung ebenso abhängt wie von der Art und dem Betrag der vorhandenen
Verunreinigungen. Ganz allgemein können N-leitende III-V-Verbindungen mit Zink, Kadmium
oder Quecksilber (Gruppe II) dotiert werden, so daß sie P-leitend werden, während P-leitende III-V-Verbindungen
mit Selen, Schwefel oder Tellur (Gruppe VI) N-leitend gemacht werden können.
In der folgenden Tabelle sind einige Beispiele von N-P-N- und P-N-P-Kombinationen gemäß der vorstehenden
Beschreibung angegeben.
Zonel | Zone 2 | Scheibe | (Leitungstyp) |
(Emitter) | (Basis) | (Kollektor) | N |
CdP | InP+ Cd | InP | N |
CdAs | GaAs + Cd | GaAs | N |
ZnP | InP+ Zn | InP | P |
GaTe | GaAs + Te | GaAs | P |
InSe | InP + Se | InP | P |
InS | InP+ S | InP |
Die obenstehende Tabelle enthält nur Angaben über die Anwesenheit von chemischen Elementen in verschiedenen
halbleitenden Verbindungen, ohne Rücksicht auf Wertigkeit oder Mengenverhältnisse.
Die Grenzen für die Betriebstemperaturen eines Transistors sind in erster Linie eine Funktion der
Breite der verbotenen Zone zwischen dem Valenzband und dem Leitfähigkeitsband des betreffenden Halbleitermaterials,
Wenn die Temperatur einen Punkt erreicht, bei dem die thermische Energie ausreicht, eine
wesentliche Anzahl von Elektronen über die verbotene Zone zu heben, werden die elektrischen Eigenschaften
des Halbleitermaterials nachteilig beeinflußt. In der folgenden Tabelle sind zu Vergleichszwecken die 4^
AVer te für die Breite der verbotenen Zonen (Elektronenvolt) für verschiedene Halbleitermaterialien
angegeben.
Material | Breite der ver botenen Zone (eV) |
Germanium Silizium Galliumarsenid Galliumphosphid Indiumphosphid Aluminiumarsenid Aluminiumantimonid |
0,7 1,1 1,35 2,4 1,25 2,4 1,6 |
55
60
Die Ill-V-Verbindungen können also, ganz allgemein gesprochen, bei höheren Temperaturen betrieben
werden als Germanium und Silizium. Durch die gianz allgemein höhere Beweglichkeit der
Ladungsträger in den Ill-V-Verbindungen sind also 6g zwei Vorzüge in einem Halbleiter vereinigt.
Claims (5)
1. Drift-Transistor mit einer Zonenfolge P-N-P bzw. N-P-N und mit einer Konzentration eines
Verunreinigungselementes in der mittleren Basiszone, die am größten in der Nähe der Emitterzone
ist und mit zunehmender Entfernung von der Emitterzone zur Kollektorzone hin abnimmt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone aus einer ersten Halbleiterverbindung mit einem ihren Leitungstyp
bestimmenden Verunreinigungselement besteht und daß die Emitterzone aus einer zweiten
solchen Halbleiterverbindung besteht, die aus demselben Verunreinigungselement der ersten Halbleiterverbindung
und einem der Elemente der ersten Halbleiterverbindung gebildet ist.
2. Drift-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone einen Teil eines
Niederschlages oder einer Scheibe darstellt, die die Kollektorzone bildet.
3. Drift-Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterverbindung
der Emitterzone eine breitere verbotene Zone als die erste Halbleiterverbindung der
Basiszone besitzt.
4. Drift-Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
erste Halbleiterverbindung der Basiszone als eines ihrer Elemente Arsen, Antimon oder Phosphor, als
anderes Element Aluminium, Gallium oder Indium und als Verunreinigungselement Kadmium,
Zink, Quecksilber, Tellur, Selen oder Phosphor enthält und daß die zweite Halbleiterverbindung
der Emitterzone aus demselben Verunreinigungselement als einem ihrer Elemente und einem der
Elemente der ersten Halbleiterverbindung als weiterem Element besteht.
5. Verfahren zur Herstellung eines Drift-Transistors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Halbleiterscheibe aus einer ersten Halbleiterverbindiung in einer Atmosphäre
eines Verunreinigungselementes so erhitzt wird, daß erstens eine Oberflächenschicht aus einer
anderen zweiten Halbleiterverbindung, die eines der Elemente der ersten Halbleiterverbindung der
Halbleiterscheibe und das Verunreinigungselement enthält, entsteht, die die Emitterzone darstellt, daß
zweitens ein gleichrichtender Übergang zwischen der Halbleiterscheibe und dem anschließenden
inneren Teil dieser Oberflächenschicht entsteht und daß drittens eine anschließende Basiszone aus
der Haibleiterverbindung der Halbleiterscheibe erhalten wird, in der wechselnde Mengen des Verunreinigungselementes
so eindiffundiert werden, daß die Konzentration des Verunreinigungselementes an dem gleichrichtenden Übergang am
größten ist und mit wachsendem Abstand von ihm abnimmt, und daß schließlich der Teil der Halbleiterscheibe,
in dem keine Verunreinigungen eindiffundiert sind, als Kollektorzone verwendet wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 277 131;
französische Patentschrift Nr. 1 098 372;
Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58, 1954, Nr. 5, S. 283 bis 321.
Schweizerische Patentschrift Nr. 277 131;
französische Patentschrift Nr. 1 098 372;
Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58, 1954, Nr. 5, S. 283 bis 321.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 909 710M30 1.60
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