DE1076275B - Halbleiteranordnung mit mindestens einem flaechenhaften pn-UEbergang - Google Patents
Halbleiteranordnung mit mindestens einem flaechenhaften pn-UEbergangInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen mit Korngrenze bzw. mit einer zwischen einkristallinen
Zonen gebildeten Grenzfläche sowie auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Es ist bereits ein Spitzengleichrichter hoher Stabilitat
und Leistung bekannt, der einen vorzugsweise zylindrischen Körper aus Halbleitermaterial aufweist,
bei welchem durch eine Mehrzahl linienartiger Kontaktstreifen punktartige Kontakte, wie sie für die
Arbeitsweise eines Spitzengleichrichters charakteristisch sind, geschaffen werden.
Es ist ferner eine elektrisch unsymmetrisch leitende Halbleiteranordnung bekannt, die eine Mehrzahl paralleler
Halbleiterkristalle umfaßt.
Ferner sind Halbleiteranordnungen mit mindestens einem flächenhaften pn-übergang, die nach dem Diffusionsverfahren
so behandelt sind, daß eine Bildung verschiedener Schichten erfolgt, bekannt.
Da ein zunehmender Bedarf an Halbleiteranordnungen besteht, die im Betriebe bei hohen und immer ao
höheren Frequenzen arbeiten sollen, ergibt sich die Notwendigkeit, die Anordnungen so auszubilden, daß
sie gewisse Bereiche, die relativ dünn und auch oft relativ kurz sind, aufweisen. Bei Flächengleichrichtern
z. B. ist die Dicke der Basisschicht bzw. der Basis- as
zone für die Arbeits- oder Ansprechfähigkeit bei Hochfrequenz maßgebend. Die Abschaltfrequenz wird
um so höher, je dünner die Basiszone gemacht wird. Bei Feldwirkungstransistoren ist es wichtig, die Dicke
und Länge des Kanals zu vermindern, um zu erreichen, daß der Transistor bei relativ hohen Frequenzen betrieben
werden kann.
Zweck der Erfindung ist es hauptsächlich, eine Halbleiteranordnung,
die insbesondere für die vorgenannten Zwecke geeignet ist, mit Korngrenze sowie ein Verfahren
zu ihrer Herstellung zu schaffen und dabei dafür zu sorgen, daß Bereiche mit längs Korngrenzen
gebildeten Zonen von relativ kleinen Abmessungen hergestellt werden können.
Die Erfindung bezieht sich daher auf eine Halbleiteranordnung mit mindestens einem flächenhaften
pn-übergang. Die Erfindung besteht darin, daß ein Halbleiterkörper vom einen Leitfähigkeitstyp mit zwei
einkristallinen Zonen verwendet ist, die an einer Grenzfläche zusammenhängen, einer ersten Diffusionszone
vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp auf mindestens einem Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers,
die einen flächenhaften pn-übergang mit dem Halbleiterkörper bildet, daß über der Grenzfläche des
Halbleiterkörpers eineweitereDiffusionszonevomgleichenLeitfähigkeitstyp
wie der des Halbleiterkörpers gebildet ist, die sich längs der Grenzfläche indenHalbleiterkörperhineinerstrecktunddie
ersteDiffusionszone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp durchwächst.
Halbleiteranordnung
mit mindestens einem flächenhaften
pn-übergang
Anmelder:
Shockley Transistor Corporation,
Palo Alto, Calif. (V. St. A.)
Palo Alto, Calif. (V. St. A.)
Vertreter: Dipl.-Ing. F. Werdermann, Patentanwalt,
Hamburg 13, Innocentiastr. 30
Hamburg 13, Innocentiastr. 30
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 18. März 1957
V. St. v. Amerika vom 18. März 1957
William Shoddey, Los Altos, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung
beispielsweise näher erläutert.
Fig. IA bis ID zeigen eine perspektivische Darstellung
der einzelnen Schritte zur Bildung einer Halbleiteranordnung mit Korngrenze gemäß der Erfindung;
Fig. 2 A bis 2 C zeigen die Schritte zur Bildung einer anderen Ausführungsform einer Halbleiteranordnung
mit Korngrenze gemäß der Erfindung, und
Fig. 3 zeigt die Schritte zur Bildung noch einer weiteren Ausführungsform einer Halbleiteranordnung
mit Korngrenze gemäß der Erfindung.
Bekanntlich findet eine Diffusion in Kristallen leichter längs Korngrenzen statt, als es durch den
Körper oder die Masse des Kristalls hindurch geschieht. Es wird angenommen, daß dies auf die
schlechte Zusammenpassung zwischen den Atomen an einer Korngrenze zurückzuführen ist. Eine gewisse
Lockerheit in der Packung der Atome an der Grenze ergibt mehr Raum für Atome des diffundierenden
Materials, so daß sich diese an den Atomen, welche den Kristall aufbauen, vorbeibewegen können. Im Ergebnis
dringt das diffundierende Material an Korngrenzen tiefer in das Grundmaterial des Kristalls ein.
Es wurde gezeigt, daß die Leichtigkeit der Diffusion halbleitenden Materials' in Korngrenzen abhängig ist
von der Richtung, in welcher die Diffusion stattfindet. Es wurde z. B. bei einer Untersuchung der Eindringtiefe
von radioaktivem Zink, das in Kupfer diffun-
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diert, gefunden, daß die Diffusion in der Korngrenze leichter längs Kristallrichtungen stattfindet, die weniger
gut zusammenhängen. Für eine Korngrenze in einem Kristall, in welchem ein kleiner Winkelunterschied
zwischen den Körnern besteht, sind dies die Kantenverlagerungen.
Bei jedem Halbleitermaterial können Korngrenzen in einem Kristall während des Züchtungsprozesses
gebildet werden. Kristalle mit Korngrenzen werden durch Einsäen eines Paares von Kristallsamen gezüchtet,
die zueinander die richtige Orientierung in die Schmelze hinein haben. Wenn die Samen herausgezogen
werden, wird eine Grenze oder Grenzschicht gebildet. Wenn das Kristallgitter der Samen geneigt
wird, so daß ein kleiner Winkel zwischen den gemeinsamen Kubusachsen besteht, wird der gezüchtete
Kristall ein Bikristall mit Kantenverlagerungen. Der Abstand der Kantenverlagerungen ist für kleine
Winkel abhängig von dem Winkel.
Eine geneigte Korngrenze in einem Kristall der p-Type ist in Fig. IA dargestellt. Wie dort zu sehen
ist, verläuft die Grenze 11 im wesentlichen senkrecht zur Ober- und Unterfläche. Die Kantenverlagerungen
12 treffen die Vorderflächen des Kristalls wie angedeutet. Ein Kristall der dargestellten Art kann aus
einem Barren geschnitten werden, der die Korngrenze enthält, so daß die Enden der Verlagerungen die
Vorderseite des Stückes treffen.
Um eine Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung zu bilden, kann der Kristall gemäß Fig. 1A einer Diffusion
unterworfen werden, bei der Verunreinigungsatome, z. B. Donatorstoffe, in das Kristallmaterial
eintreten, um eine Schicht der η-Type, wie in Fig. 1B
gezeigt, zu bilden. Die Donatorstoffe diffundieren leichter in der Richtung der Kantenverlagerungen.
Infolgedessen dringt der Bereich oder die Schicht der η-Type an der Stelle 13 tiefer in den Kristall ein.
Anschließend an diesen Diffusionsvorgang wird der gemäß Fig. 1B eine Haut von der η-Type aufweisende
Kristall einer weiteren Diffusion unterworfen. Verunreinigungsatome, z. B. Akzeptorstoffe, diffundieren
in dem Kristall, um über der Schicht der η-Type eine Schicht der p-Type zu bilden. Ist die Dichte der
Akzeptorstoffe relativ hoch, so wird eine Schicht der p-Type von hoher Konzentration an dem Stück gebildet.
Die Schicht diffundiert wiederum leicht in den Richtungen der Kantenverlagerungen in der Korngrenze.
In Fig. 1C ist zu sehen, daß die Schicht von der p-Type sich längs der Kantenverlagerung erstreckt
und den Bereich 13 der η-Type kompensiert, welcher tiefer als der Rest der Schicht der η-Type eingedrungen
ist. Zwischen den Enden der Schicht von der n-Type wird ein Bereich 14 von der p-Type gebildet.
Das Werkstück wird anschließend maskiert und geätzt, es werden Kontakte angebracht, und es ergibt
sich der in Fig. ID gezeigte Aufbau. In diesem Aufbau
kann entweder die obere Schicht der p-Type oder der innere Block der p-Type für die Basisanschlüsse
benutzt werden. Die beiden Bereiche der η-Type, die durch die erste Diffusion gebildet wurden, bilden die
Emitter- und die Kollektorzone des Transistors. Die Basisdicke ist äußerst gering und gestattet hierdurch
einen Betrieb bei relativ hohen Frequenzen ohne Herabsetzung des Verstärkungsfaktors. Weiterhin ist
die Länge der Basisschicht in Querrichtung äußerst klein, wodurch der Basiswiderstand und die Basiskapazität
beträchtlich herabgesetzt werden, was die Leistungsfähigkeit bzw. Wirkungsweise noch bedeutend
verbessert. Die Vorteile einer Wirkungsweise als Flächentetrode können dadurch realisiert werden, daß
getrennte Anschlüsse an die Bereiche der p-Type an beiden Enden der Korngrenze hergestellt werden.
Der gebildete Aufbau kann auch als Unipolar- oder Feldwirkungstransistor benutzt werden. An die obere
Schicht der p-Type wird ein Zuflußkontakt und an den inneren Körper der p-Type ein Abflußkontakt hergestellt.
Bei in der vorstehenden Weise hergestellten Anschlüssen stützt die weniger abrupte Verbindungsstelle
zwischen dem Material der η-Type und dem der
ίο p-Type an der Basis die höhere Spannung, und wegen
ihres allmählichen Konzentrationsgradienten ist sie für den Abflußkontakt besser geeignet. Die Bereiche
der η-Type werden zur Steuerung verwendet und dienen dazu, die Raumladungsschicht in dem Kanal zu
verbreitern und zu verengen.
Wird der Aufbau von Fig. ID für einen Feldwirkungstransistor
angewendet, so ist die Kapazität an der Verbindungsstelle zwischen der Abfluß- und
der Steuerzone relativ groß, und es werden relativ hohe Steuerspannungen benötigt, um den Transistor
abzusperren. In Fig. 2 ist ein verbesserter Korngrenzentransistoraufbau gezeigt, bei dem zwischen der
Abfluß- und der Steuerzone Verbindungsstellen von niedriger Kapazität gebildet sind bei einem Übergang
von hoher Kapazität längs des Kanals. Dies ermöglicht eine Steuerung des Kanalstromes mit relativ
niedrigen Spannungen.
In den Fig. 2 A bis 2 C sind vergrößerte Darstellungen
der Umgebung der wirksamen Bereiche einer Halbleiteranordnung gezeigt. Die Diffusion der Donatorstoffe
in dem Körper der p-Type sowie längs der Korngrenze wird in zwei Stufen durchgeführt. Bei
der ersten Diffusionsstufe wird eine relativ niedrige Konzentration von Donatorstoffen für eine relativ
lange Zeitdauer angewendet, und es wird dabei eine mit dem Symbol n— bezeichnete Schicht der n-Type
gebildet. Anschließend an diese Diffusion wird eine Diffusion mi t einer höheren Konzentration von Donatorstoffen
kurzzeitig durchgeführt, um die Schicht der n-Type zu bilden, die mit dem Symbol n-\- bezeichnet
ist. Diese Diffusionen ergeben die beiden verschieden stark dotierten Bereiche der n-Type, die in Fig. 2A
dargestellt sind.
An diese Diffusionen schließt sich eine Diffusion mit einer hohen Konzentration von Akzeptorstoffen
an. Im Falle λόπ Silicium diffundieren die Akzeptoratome
rascher als die Donatoratome, so daß die Akzeptorstoffe die Donatorstoffe in einem gewissen Ausmaß
überholen. Im Ergebnis wird an der Korngrenze ein p-\—Kanal in dem «+-Bereich gebildet. Das resultierende
Diffusionsprofil ist in Fig. 2 B dargestellt.
Anschließend an die Diffusion der Akzeptorstoffe wird die Vorrichtung maskiert und geätzt, und es
werden Kontakte angebracht. Es wird die in Fig. 2 C gezeigte Vorrichtung gebildet. Wie vorher beschrieben,
besteht der Vorteil dieses Aufbaues in der niedrigen Kapazität des Überganges zwischen der Abfluß- und
der Steuerzone sowie der hohen Kapazität des Überganges längs des Kanals.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß es durch diese Technik möglich ist, Feldwirkungstransistoren herzustellen,
in denen die Kanallänge und die Kanalbreite äußerst klein sind. Dies ist wichtig für die Wirkungsweise
bei Hochfrequenz.
Fig. 3 erläutert das Verfahren der Herstellung einer anderen Ausführungsform von Flächentransistoren.
Es wird eine kleine Scheibe aus Material der n-Type aus einem Kristall parallel zur Korngrenze 11 herausgeschnitten.
Die Scheibe wird dann einer Diffusion von Akzeptorstoffen ausgesetzt. Die Diffusion der
Akzeptorstoffe längs der Korngrenze ergibt eine Basisschicht, die sich durch das Material hindurch erstreckt,
wie es Fig. 3 B zeigt. Der resultierende Aufbau wird dann an den beiden Enden abgeschnitten, geätzt oder
sonstwie bearbeitet und an den Seiten ebenfalls abgeschnitten, geätzt oder sonstwie behandelt, um einen
Teil der Schicht der p-Type zu entfernen und einen Aufbau von der in Fig. 3 C gezeigten Art zu schaffen.
Dadurch wird an die relativ lange Basiszone auf der Oberseite oder Unterseite ein Basiskontakt angeschlossen.
Kontakte für Emitter und Kollektor werden, wie dargestellt, an die Bereiche der n-Type
angeschlossen.
Wenngleich hier besonders Silicium und Material von einem besonderen Leitfähigkeitstyp, wie für den
Ausgangsblock, genannt wurden, so ist es doch zu beachten, daß auch andere Halbleitermaterialien und
der entgegengesetzte Leitfähigkeitstyp benutzt werden können. Es ist ferner zu beachten, daß die Zeichnungen
lediglich erläuternde Bedeutung haben, und daß verschiedene Abmessungen dabei im Hinblick auf die
Deutlichkeit übertrieben dargestellt sind.
Claims (6)
1. Halbleiteranordnung mit mindestens einem flächenhaften pn-übergang, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Halbleiterkörper vom einen Leitfähigkeitstyp mit zwei einkristallinen Zonen verwendet
ist, die an einer Grenzfläche zusammenhängen, einer ersten Diffusionszone vom entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp auf mindestens einem Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers, die einen flächenhaften
pn-übergang mit dem Halbleiterkörper bildet, daß über der Grenzfläche des Halbleiterkörpers
eine weitere Diffusionszone vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der des Halbleiterkörpers
gebildet ist, die sich längs der Grenzfläche in den Halbleiterkörper hinein erstreckt und die erste
Diffusionszone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp durchwächst.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Diffusionszone
vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp Teile mit verschiedenen Fremdstoffkonzentrationen enthält.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Diffusionszone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sich
an der Grenzfläche tiefer in den Halbleiterkörper als außerhalb des Bereiches der Grenzfläche erstreckt.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Diffusionszone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sich
so tief an der Grenzfläche in den Halbleiterkörper erstreckt, daß sie den Halbleiterkörper in zwei
Teile aufteilt.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine verlängerte Diffusion
in Abwesenheit von Fremdstoffen eine relativ dünne Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp längs der Grenzfläche bildet.
6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere weitere
Diffusionszone teilweise entfernt ist und Basis-, Emitter- und Kollektorelektroden angebracht
sind.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 935 382;
USA.-Patentschrift Nr. 2 362 545;
deutsche Auslegeschrift L 16497 VIIIc/21g
kanntgemacht am 5. 4. 1956).
Deutsche Patentschrift Nr. 935 382;
USA.-Patentschrift Nr. 2 362 545;
deutsche Auslegeschrift L 16497 VIIIc/21g
kanntgemacht am 5. 4. 1956).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
909 757/400 2.
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