DE1104072B

DE1104072B - Legierungstransistor mit einem scheibenfoermigen einkristallinen Halbleiterkoerper aus Silizium und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1104072B
Application number: DES62962A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Adolf Herlet; Dr-Ing Hubert Patalong
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-05-12
Filing date: 1959-05-12
Publication date: 1961-04-06
Also published as: GB893879A; BE590761A; NL251527A; CH382298A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf einen Legierungstransistor mit einem einkristallinen scheibenförmigen Halbleiterkörper aus Silizium, der eine p-leitende Basiszone und mindestens zwei auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Basiszone unmittelbar angebrachte großflächige und gegenüber der Basiszone hochdotierte, η-leitende Emitter- und Kollektorzonen aufweist. Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, eine möglichst günstige Auslegung des Legierungstransistors hinsichtlich einer möglichst hohen zulässigen Spannung zwischen Emitter- und Kollektorelektrode gleichzeitig hinsichtlich eines möglichst hohen Stromverstärkungsfaktors zu erzielen. Demgemäß weist erfindungsgemäß zur Steigerung der zulässigen" Spannung zwischen Emitter- und Kollektorelektrode auf ungefähr 500 Volt die p-leitende Basiszone zwischen der Emitter- und der Kollektorzone eine Dicke von 80 bis 120 μ und einen spezifischen Widerstand von etwa 200 Ohm · cm auf.

Die Erfindung ist auf Transistorelemente mit p-leitendem Silizium-Halbleiterkörper beschränkt, da im η-leitenden Silizium die Beweglichkeit der Ladungsträger zu gering ist. Daher kann es sich bei einem bekannten Transistor mit η-leitender Basis von etwa 0,1 mm Dicke nur um einen solchen aus Germanium handeln. Andererseits tauchen aber die mit der Dicke zusammenhängenden Probleme beim Germanium infolge der höheren Diffusionslängen praktisch nicht auf. Bei Germanium entfällt ja auch von vornherein das Streben nach Sperrspannungen von mehr als etwa 100 V, weil Germaniumtransistoren wegen ihrer thermischen Instabilität ohnehin nur für verhältnismäßig niedrige Sperrspannung einsatzfähig sind.

Bei einer anderen bekannten Transistoranordnung aus Germanium mit npn-Aufbau soll die p-leitende Zone sehr dünn, z.B. 1 · 10~²cm oder weniger ausgeführt und leicht auf p-Typ eingestellt werden. Über das Herstellungsverfahren ist nichts Näheres ausgeführt. Es handelt sich aber offensichtlich nicht um einen Legierungstransistor mit scheibenförmigem einkristallinem Halbleiterkörper aus Silizium. Zu einer vergleichbaren Anordnung, die im Zusammenhang mit dieser bekannten Anordnung beschrieben wird, wird eine Spannung von 10 bis 100 V für den Ausgangskreis angegeben. Die Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung unterscheidet sich also vorteilhaft von dieser bekannten Anordnung.

Die Leistung von Leistungstransistoren läßt sich einerseits durch eine Vergrößerung des Stromverstärkungsfaktors α und andererseits durch eine Vergrößerung der Sperrspannung U_c des kollektorseitigen pn-Überganges steigern. Gemäß einem früheren Vorschlag sollen der spezifische elektrische Widerstand ρ des Halbleitermaterial der Basiszone und die in Legierungstransistor mit einem
scheibenförmigen einkristallinen

Halbleiterkörper aus Silizium
und Verfahren zu seiner Herstellung

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

₂, Dr.-Ing. Hubert Patalong und Dr. rer. nat. Adolf Herlet,

Pretzfeld (OFr.),
sind als Erfinder genannt worden

Zentimeter angegebene Dicke W dieser Basiszone so aufeinander abgestimmt sein, daß der Wert

εε_ο/μΕ_κ

Ohm

ist, wobei ε_ο=8,86 · ΙΟ"¹⁴ A sec/Vcm die absolute Dielektrizitätskonstante, ε die Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials (dimensionslos), μ in cm²/Vs die Beweglichkeit der Majoritätsträger im Basisgebiet und E_K in V/cm die kritische elektrische Feldstärke des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers bedeuten. Bei optimaler Anpassung des spezifischen Widerstandes ρ der Basiszone wächst die erreichbare Sperrspannung proportional mit der Basisdicke W. Um höhere Sperrspannungen zu erhalten, muß man also die Basisdicke und im gleichen Verhältnis auch den spezifischen Widerstand vergrößern. Einer Vergrößerung der Basisdicke würde aber nach bisheriger Anschauung eine Verschlechterung der Stromverstärkung entgegenstehen, da diese proportional zu {L/W)² ist (mit L=Diffusionslänge), also mit zu-

109 539/463

nehmender Basisdicke W bei sonst gleichen Verhältnissen quadratisch abnehmen würde.

Die Erfindung beruht demgegenüber auf der Entdeckung, daß die Diffusionslänge L keine Konstante ist, die nur von den spezifischen Eigenschaften des verwendeten Siliziums, den Verunreinigungen, den thermischen Gitterstörungen und dergleichen, also insbesondere der Vorbehandlung, bestimmt wird, sondern daß sie auch von der Dicke des verwendeten Materials und damit von der Basisdicke W abhängt. Es zeigt sich, daß mit größer werdender Basisdicke W auch die Diffusionslänge L größer wird, und zwar bis zu Basisdicken von über 100 μ nahezu proportional. Mit einer Vergrößerung der Basisdicke W läßt sich also bis zu diesen Werten ohne weiteres eine Vergrößerung der Sperrspannung erzielen, die nicht durch eine merkliche Verminderung der Stromverstärkung erkauft werden muß.

An Hand eines Beispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figur zeigt ein Transistorbauelement, das durch ein Legierungsverfahren hergestellt wurde. Der Deutlichkeit halber ist es stark vergrößert und etwas verzerrt dargestellt, insbesondere in den Dickenverhältnissen. Es besteht in der Hauptsache aus einer Scheibe aus hochohmigem p-leitendem Silizium, in welche Elektroden einlegiert worden sind. Der größere Teil 2 der Scheibe ist unverändert geblieben. Auf der Oberseite befinden sich konzentrisch angeordnet eine scheibenförmige Kontaktelektrode 3, eine ringförmige Kontaktelektrode 4 und eine ringförmige Kontaktelektrode 5, auf der Unterseite eine scheibenförmige Kontaktelektrode 6. Den metallischen Kontaktelektroden sind jeweils hochdotierte Zonen 7, 8, 9 und 10 gegen die unverändert gebliebene Basiszone 2 vorgelagert.

Für die Herstellung der Elektroden werden zweckmäßigerweise Folien a.us Goldlegierungen verwendet, die das Dotierungsmaterial enthalten. Diese Folien können z. B. 30 bis 50 μ stark sein. Das dargestellte Halbleiterbauelement kann beispielsweise so hergestellt werden: Auf eine Folie aus einer Gold-Antimon-Legierung (etwa 0,5% Sb) von etwa 14 mm Durchmesser wird eine Scheibe des hochohmigen, p-leitenden Siliziums von etwa 12 mm Durchmesser gelegt. Auf der Oberseite der Siliziumscheibe werden eine Scheibe aus einer Gold-Bor-Legierung mit etwa 0,2% Bor oder aus Aluminium von 3 mm Durchmesser, eine ringförmige Folie aus einer Gold-Antimon-Legierung mit etwa 0,5% Sb mit einem Außendurchmesser von 5 mm und eine ringförmige Folie aus der Gold-Bor-Legierung oder aus Aluminium mit einem Außendurchmesser von 7 mm konzentrisch angeordnet. Die Innendurchmesser der ringförmigen Folien werden so gewählt, daß sich eine Spaltbreite B zwischen den einzelnen Elektroden von jeweils etwa 50 μ ergibt. Durch einen Erwärmungsvorgang werden die Folien einlegiert, worauf sich das in der Figur dargestellte Bild ergibt. Die einlegierten Folien, die nun die Kollektorelektrode 6, die Emitterelektrode 4 und die Basiselektrode 3 und 5 bilden, bestehen aus dem Gold-Silizium-Eutektikum mit dem jeweiligen Dotierungsmaterial und ruhen auf hochdotierten Zonen, die aus rekristallisiertem Silizium mit eingebauten Atomen des Dotierungsstoffes bestehen. Die Grenzen zwischen den hochdotierten p-leitenden Zonen 7 und 9 und der weniger hochdotierten p-leitenden Zone 2 sind durch eine unterbrochene Linie angedeutet. Soll die Basisdicke W zwischen der hochdotierten n-leitenden Zone 8 und der hochdotierten η-leitenden Zone 10 (Emitter, Kollektor) gemäß der Erfindung etwa 100 μ betragen, so geht man zweckmäßigerweise von einer Dicke der Siliziumscheibe von 150 bis 170 μ vor dem Legierungsvorgang aus.

Ein Vergleich mit nach dem gleichen Verfahren hergestellten Transistorbauelementen mit geringerer Basisdicke zeigt die Vorteile der Erfindung. So zeigt ein Transistorbauelement der beschriebenen Abmessungen bei einer Basisdicke W von 50 μ und einem spezifischen Widerstand der p-leitenden Zone 2 von

ίο 100 Ohm-cm eine Sperrspannung U_Cmax von ungefähr 250 V und einen Stromverstärkungsfaktor α^12 bei einem Basisstrom J_B = 500 mA. Wird erfindungsgemäß die Basisdicke W zu 100 μ gewählt und dementsprechend zwecks Beibehaltung des gleichen Verhältnisses ρ/W der spezifische Widerstand der p-leitenden Zone 2 zu ungefähr 200 Ohm-cm, so läßt sich hierdurch eine Steigerung der Sperrspannung U_Cmax auf ungefähr 500 V erzielen, wobei der Stromverstärkungsfaktor α bei dem gleichen Basisstrom /ß = 500 mA nur auf etwa 8 absinkt statt auf 3, wie gemäß der Formel [LIW)¹ zu erwarten gewesen wäre. Man kann also zugunsten einer möglichst hohen Sperrfähigkeit von der bisherigen geringeren Bemessung der Basisdicke W ohne allzu große Einbuße hinsichtlich der Verstärkung abgehen und auf diese Weise im Endeffekt eine Steigerung der zulässigen Gesamtleistung erzielen. Bei wesentlich über 100 μ hinausgehenden Werten der Basisdicke W zeigt sich aber wiederum eine stärkere \^erschlechterung des Strom-Verstärkungsfaktors, da die Diffusionslänge L nicht unbegrenzt mit der Basisdicke W anwächst. Die Angabe W = QtWa, 0,1 mm soll demzufolge etwa den Bereich von 80 bis 120 μ umfassen und die Angabe ρ = etwa 200 Ohm · cm einen entsprechenden Bereich.

Bei der Herstellung des Legierungstransistors gemäß der Erfindung muß darauf geachtet werden, daß keine zu hohen Temperaturen angewendet werden, weil hierdurch die Diffusionslänge verschlechtert werden könnte. Bei dem Herstellungsverfahren gemäß dem Beispiel kann man die Folie aus den Goldlegierungen z. B. durch eine Erwärmung auf etwa 700° C in den p-leitenden Halbleiterkörper einlegieren. Diese Temperatur von 700° C dürfte auch die obere Grenze darstellen, die man zweckmäßigerweise nicht überschreitet, da sonst eine Verschlechterung der Stromverstärkung eintreten kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Legierungstransistor mit einem scheibenförmigen einkristallinen Halbleiterkörper aus Silizium, der eine p-leitende Basiszone und mindestens zwei auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Basiszone unmittelbar angebrachte großflächige und gegenüber der Basiszone hochdotierte, n-leitende Emitter- und Kollektorzonen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der zulässigen Spannung zwischen Emitter- und Kollektorelektrode auf ungefähr 500 V die p-leitende Basiszone zwischen der Emitter- und Kollektorzone eine Dicke von 80 bis 120 μ und einen spezifischen Widerstand von etwa 200 Ω-cm aufweist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Legierungstransistors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, daß auf eine p-leitende Siliziumscheibe Folienstücke eines η-dotierenden Materials aufgebracht und durch einen Erwärmungsvorgang einlegieit werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als η-dotierendes Material für die

5 6

Folienstücke eine Gold-Antimon-Legierung mit In Betracht gezogene Druckschriften: etwa 0,5% Antimon verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch ge- Deutsche Patentschrift Nr. 814 487;

kennzeichnet, daß der Erwärmungsvorgang bei einer deutsche Auslegeschriften Nr. 1 007 438, 1 018 556;

Temperatur von etwa 700° C vorgenommen wird.

5 französische Patentschrift Nr. 1 163 048.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen