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Hochfrequenztransistor und Verfahren zu seinem Herstellen Bekanntlich
ist es schwierig, Transistoren herzustellen, die auch bei hohen Frequenzen noch
in befriedigender Weise z. B. als Verstärker arbeiten. Um einen Transistor zu erzeugen,
dessen Verhalten im Bereich der Rundfunkfrequenzen oder noch höheren Frequenzen
den Anwendungen angemessen ist, müssen Anordnungen getroffen werden, die einen Kompromiß
zwischen den verschiedenen Kennwerten des Transistors darstellen. Zu den wesentlichen
Kennwerten in dieser Richtung gehören, der innere Basiswiderstand, der allgemein
mit Rh bezeichnet wird, und die Kapazität der verschiedenen PN-Übergänge, insbesondere
die Kapazität der Kollektorsperrschicht, die mit C, bezeichnet wird. Um einen Betrieb
bei hohen Frequenzen zu ermöglichen, sollen die Werte dieser Größen so klein als
möglich sein.
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Es sind verschiedene Halbleiterbauelemente bekanntgeworden, bei denen
der Wert des Basiswiderstandes und der Kollektorkapazität wesentlich verringert
ist. Hierbei tritt aber das Problem der einwandfreien Anbringung der Elektrodenanschlüsse
auf. Je kleiner die Abmessungen werden, desto schwieriger lassen sich die Elektroden
anbringen.
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So ist ein Hochfrequenztransistor bekannt, bei dem auf einer kleinen
säulenförmigen Erhebung eines Halbleiterkörpers eine dünne Basiszone und eine Emitterzone
ausgebildet sind. Die Emitterelektrode und die Basiselektroden befinden sich auf
der Oberseite der Erhebung, deren Abmessungen deshalb nicht beliebig klein gemacht
werden können.
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Die Erfindung hilft diesem Übelstand ab. Sie bezieht sich auf einen
Hochfrequenztransistor, der aus einem Halbleiterkörper mit dünner Basiszone und
mit einer auf einer säulenförmigen Erhebung angebrachten Emitterzone besteht. Erfindungsgemäß
ist dieser Hochfrequenztransistor so ausgebildet, daß die unter der Emitterzone
auf der säulenförmigen Erhebung befindliche dünne Basiszone sich an der Außenfläche
der Erhebung fortsetzt.
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Auf diese Weise kann die Emitterelektrode an der Stirnfläche und die
Basiselektrode an der Seitenfläche der Erhebung angebracht sein. Der Durchmesser
einer kreisförmigen Erhebung kann so ohne weiteres auf die Größenordnung von 0,1
mm verringert werden, da nur eine Elektrode an der Stirnfläche der Erhebung angebracht
ist.
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Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Hochfrequenztransistor in der
Weise hergestellt, daß ein Halbleiterkörper eines bestimmten Leitfähigkeitstyps
mit einer Erhebung versehen wird, daß die Basiszone und auf ihr die Emitterzone
in der Erhebung erzeugt, ein Teil der Erhebung abgedeckt und der Halbleiterkörper
dann geätzt wird, bis die an den nichtabgedeckten Stellen vorhandenen Teile der
Zonen entfernt sind. Vor der Bildung der Erhebung kann noch in an sich bekannter
Weise eine stärker dotierte Oberflächenschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp auf
dem Halbleiterkörper erzeugt werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung. Hierin ist F i g.
1 eine stark vergrößerte Darstellung einer Halbleiterscheibe eines bestimmten Leitfähigkeitstyps,
F i g. 2 eine Darstellung entsprechend F i g. 1 nach dem Eindiffundieren einer zusätzlichen
Verunreinigung vom gleichen Leitfähigkeitstyp, F i g. 3 eine stark vergrößerte schematische
Ansicht der Halbleiterscheibe nach Ausbildung der säulenförmigen Erhebung, F i g.
4 ein Schrägbild der Scheibe nach F i g. 3, F i g. 5 ein noch stärker vergrößerter
schematischer Teilschnitt der Scheibe nach F i g. 4 in einer senkrechten Ebene durch
die Mitte der Erhebung nach dem Anbringen der Emitter- und Basiselektroden, F i
g. 6 ein Schnitt gemäß F i g. 5 nach der Ausbildung der Basiszone, F i g. 7 ein
Schnitt gemäß F i g. 6 nach dem Anbringen der Abdeckschicht zum Ätzen, F i g. 8
und 9 weitere Schnitte zur Darstellung des Ätzvorgangs, F i g. 10 ein stark vergrößerter
Schnitt im Schrägbild durch den fertigen Transistor unter Angabe der einzelnen Schichten
von verschiedenem Leitfähigkeitstyp und F i g. 11 eine Seitenansicht der Scheibe
nach F i g. 10 nach dem Anbringen der entsprechenden Elektroden.
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Die F i g. 1 zeigt einen Halbleiterkörper 1, der mit einer dotierenden
Verunreinigung versehen ist. Diese
ist im vorliegenden Falle eine
Verunreinigung vom N-Typ. Der Halbleiterkörper 1 besteht vorzugsweise aus Germanium
oder Silizium. Statt dessen können in bekannter Weise auch andere halbleitende Verbindungen
Verwendung finden, deren Leitfähigkeitstyp durch Verunreinigungen verändert werden
kann. Hierzu gehören Siliziumcarbid und die halbleitenden Verbindungen aus Elementen
der 111. und V. Gruppe des Periodischen Systems. Darunter fallen z. B. Indiumantimonid,
Indiumphosphid, Indiumarsenid und Galliumantimonid. Bei den letzteren können als
dotierende Verunreinigungen auch Elemente aus der 11. bzw. V1. Gruppe des Periodischen
Systems dienen.
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Der Halbleiterkörper nach F i g. 1 kann rundum mit einem Bereich 2
versehen werden, der eine stärkere Dotierung von N-Typ als der Hauptteil aufweist.
Diese verstärkte Dotierung ist durch das Symbol N- - angedeutet. Der Bereich 2 kann
durch irgendein bekanntes Verfahren hergestellt werden, vorzugsweise durch Diffusion
aus der Gasphase. Der Halbleiterkörper nach F i g. 1 bzw. 2 kann dann in mehrere
kleinere Scheibchen zerteilt werden, die je eine säulenförmige Erhebung 3 auf einer
Fläche 4 aufweisen. Die Erhebung 3 kann beispielsweise durch Ultraschallbohren vor
dem nachfolgenden Zerteilen oder auf andere Weise auf dem Halbleiterkörper 1 ausgebildet
werden. Nach dem Zerteilen und Ätzen erhält man ein Scheibchen gemäß den F i g.
3 und 4. Das Scheibchen braucht selbstverständlich nicht rechteckig zu sein, sondern
kann auch z. B. kreisförmigen oder elliptischen Umriß haben. Auch ist die Erhebung
3 des Scheibchens 4 nicht unbedingt ein Zylinder, sondern kann auch rechteckige
oder sonstige Gestalt haben.
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Nach der Bearbeitung des Scheibchens 4 in der angegebenen Weise kann
eine ohmsche Elektrode 5 an der N-Zone angebracht werden, die sich an der Stirnfläche
der Erhebung 3 befindet. So ergibt sich eine Emitterelektrode für die Emitterzone
6 vom N-Typ. Ferner kann eine Basiselektrode 7 an der übergangsstelle zwischen der
Erhebung und der Oberseite des Hauptteils des Scheibchens 4 angebracht werden. Vorzugsweise
werden diese Verbindungen gleichzeitig durch einen einzigen Schmelzvorgang hergestellt.
Die Basiselektrode 7 wird dadurch ohmisch gemacht, daß man eine Pille aus einem
Werkstoff verwendet, der die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften des Scheibchens
nicht beeinflußt, oder indem man ein P-Material an der betreffenden Stelle in das
Scheibchen und die Erhebung einlegiert.
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Bei dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht die
Basiselektrode 7 aus einem solchen P-Material. An der Stelle, wo die Erhebung in
die Oberseite des Scheibchens 4 übergeht, entsteht also eine kleine P-Zone 8, die
sich in den Unterteil der Erhebung und in den benachbarten Hauptteil des Scheibchens
vom N-Typ erstreckt. Nach der Bildung der P-Zone 8 wird das Scheibchen einer Behandlung
unterworfen, bei der eine dotierende P-Verunreinigung so eingeführt wird, daß sich
eine P-Schicht 9 bildet, die sich über die P-Zone 8 hinaus erstreckt, wie F i g.
6 zeigt. Die P-Schicht 9 wird vorzugsweise durch Diffusion in ähnlicher Weise wie
die N-Zone 2 erzeugt. Die verwendete P-Verunreinigung hat vorzugsweise eine erheblich
größere Diffusionskonstante als die Verunreinigung in der Zone 8, so daß der Stoff,
der die Schicht 9 bildet, sehr viel schneller diffundiert als die P-Verunreinigung
in der Zone B.
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Nach Beendigung des Diffusionsvorganges erstreckt sich die P-Schicht
9 um das ganze Scheibchen 4 herum und derjenige Teil von ihr, der nach dem nachfolgenden
Ätzen verbleibt, bildet die akitve Basiszone des fertigen Transistors.
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Da bei den verwendeten Diffusionstemperaturen die Emitterzone 6 und
die P-Zone 8 aus örtlich geschmolzenen Tröpfchen bestehen, geschieht die Diffusion
des zusätzlichen P-Materials durch diese Tröpfchen hindurch praktisch augenblicklich,
so daß die Diffusionsschicht 9 vom P-Typ konstante Dicke hat und an allen Stellen
dem Umriß der festgebliebenen Fläche folgt, durch welche sie eindiffundiert wurde.
In F i g. 6 zeigt die Linie 11 die weiteste Erstreckung der Zone 8 in das Scheibchen
4, während die Zone 8 geschmolzen ist. Die Linie 11 bildet also die Grenzfläche
zwischen dem festen Teil des Scheibchens 4 und der geschmolzenen Zone
B. Bei Temperaturerniedrigung erstarrt natürlich die Zone 8 wieder.
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Man sieht, daß nun der Transistor im wesentlichen bereits fertig ist,
abgesehen davon, daß diejenigen Teile des Bereichs 9 entfernt werden müssen, die
sich längs der Unterfläche des Scheibchens 4 und an seinen Seiten befinden.
Die in F i g. 6 gezeigte Anordnung besitzt nämlich bereits eine Emitterzone 6, eine
Basiszone 9 und eine Kollektorzone 12 mit PN-Übergängen bei 13 und
14. Die P-Zone 8 wirkt nur als bequemes Mittel zur Herstellung des Kontaktes zwischen
der Basiszone 9 und einem äußeren Anschluß, der später an die Basiselektrode 7 angefügt
wird. Die aktive Basiszone besteht im wesentlichen aus dem Gebiet zwischen der Emittergrenzschicht
13 und demjenigen Teil der Kollektorgrenzschicht 14, der sich unmittelbar darunter
befindet, während derjenige Teil des Bereiches 9, der sich an den Seiten der Erhebung
3 nach unten erstreckt, zwar noch zur Basiszone gehört, aber in erster Linie ein
Mittel darstellt. das das Herstellen eines äußeren Anschlusses an die Basiszone
gestattet. Die Grenzschichtkapazität ist jedoch eine Funktion der gesamten Fläche
der betreffenden Grenzschicht und nimmt demgemäß entsprechend der Länge der Grenzschichten
zu.
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Um diese Kapazität und insbesondere die besonders störende Kollektorkapazität
zu verringern, werden die überflüssigen Teile der Basiszone entfernt, die nicht
eine besondere Aufgabe erfüllen, aber die Kapazität erhöhen. Zu diesem Zweck wird
die Anordnung nach F i g. 6 mit einer Abdeckung 15 versehen, die nur die Stirnfläche
der Erhebung und die Basiselektrode 7 bedeckt, wie F i g. 7 zeigt. Als Abdeckmaterial
kommt irgendein bekannter Stoff, z. B. Glyptol oder auch einfach Nagellack in Frage.
Nach der Anbringung des Deckmaterials wird das Scheibchen 4 mit einer der
ebenfalls bekannten Ätzlösungen behandelt. Bei fortschreitender Ätzung wird die
Diffusionsschicht 9 an allen Oberflächen des Scheibchens entfernt, die nicht durch
das Abdeckmaterial bedeckt sind. F i g. 7 zeigt eine Stufe des Prozesses, bei der
die Diffusionszone 9 bis zu der Stelle entfernt ist, wo sie die Oberseite des Scheibchens
unter der rechten Ecke der Basiselektrode 7 erreicht.
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Ein Teil der linken Seite der Erhebung ist ebenfalls weggeätzt, wodurch
der Durchmesser der gesamten Erhebung und damit die Länge der Emittergrenzschicht
13 verringert wird. Der Ätzvorgang kann fortgesetzt werden, bis die Schicht 9 immer
mehr
verschwindet, wie F i g. 8 und 9 zeigen. Die Basiszone 9 wird also immer kleiner,
wodurch sich auch die Gesamtlänge der Kollektorgrenzschicht 14 und damit ihre Kapazität
entsprechend verringert.
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Wenn der Ätzvorgang im gewünschten Ausmaß durchgeführt wurde, wird
er abgebrochen und das Abdeckmaterial 15 entfernt. Dann können äußere Anschlüsse
16, 17 und 18 gemäß F i g.11 in bekannter Weise angebracht, z. B. angelötet werden.
Nun ist der Transistor zur Einbettung fertig. Die in F i g. 7 bis 9 gezeigte Ätzung
ist zur Verdeutlichung stark übertrieben gezeichnet. In Wirklichkeit kann die Ätzung
so weit fortgesetzt werden, daß die Erhebung gerade noch breit genug ist, um die
Anbringung eines äußeren Anschlusses 16 zu ermöglichen. Wenn verhindert werden soll,
daß die Ätzlösung die linke Seite der Erhebung 3 zu stark angreift, kann die Ätzung
unterbrochen und die linke Seite der Erhebung abgedeckt werden, woraufhin die Ätzung
wieder aufgenommen wird, um das Unterschneiden der Basiselektrode und der Basiszone
9 im gewünschten Ausmaß fortzusetzen, wie F i g. 8 und 9 zeigen. Der Ätzvorgang
könnte also fortgesetzt werden, bis sich die Basiszone 9 an einer Stelle auf der
Seite einer neugebildeten Erhebung befindet, anstatt an der Ecke zwischen der Erhebung
3 und der Oberseite des Scheibchens 4 zu liegen.
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F i g. 10 zeigt im Schrägbild einen Schnitt durch einen Transistor,
der gemäß den F i g. 7 bis 9 geätzt wurde. Die Basiszone 9 erstreckt sich hierbei
über den ganzen Querschnitt der Erhebung unterhalb der Emitterzone 6 und zieht sich
dann in einem schmalen Streifen längs der Seitenfläche der Erhebung nach unten,
bis sie dort in den Hauptteil des Scheibchens übergeht, wo sich die Basiselektrode
7 befindet.
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Bei einem Ausführungsbeispiel wurde ein Transistor nach F i g. 10
dadurch hergestellt, daß man eine Verunreinigung vom N-Typ in ein Stück aus N-Silizium
bis zu einer Tiefe von etwa 0,025 mm eindiffundieren ließ. So ergab sich die Zone
2 in F i g. 2. Das Siliziumstück wurde dann mit Utraschall gebohrt, so daß sich
Erhebungen ergaben, deren Durchmesser etwa 0,1 mm und deren Höhe etwa 0,075 mm betrug.
Dann wurde das Siliziumstück in mehrere kleine kreisförmige Scheibchen aufgeteilt,
die je mit einer Erhebung versehen waren. Die Scheibchen wurden dann geätzt, bis
sich eine Form gemäß F i g. 3 ergab. Das Scheibchen nach F i g. 3 wurde nun mit
einer ohmschen Pille 5 auf der Stirnfläche der Erhebung und mit einer Pille 7 vom
P-Typ aus Indium versehen. Letztere hatte einen Durchmesser von 0,12 mm und eine
Dicke von 0,025 mm und befand sich an der Ecke zwischen dem Unterteil der Erhebung
und der Oberseite des Hauptteils 1 des Scheibchens 4. Beide Pillen werden vorzugsweise
-gleichzeitig angeschmolzen. Dann wurde die P-Schicht 9 durch Dampfdiffusion in
das Scheibchen 4 und die Erhebung 3 erzeugt, bis sie eine Tiefe von der Größenordnung
0,01 mm hatte. Nach dem Abdecken wurde die Anordnung geätzt, um die un--erwünschten
Teile der Schicht 9 zu entfernen, wie die F i g. 7 bis 9 zeigen. Es wurde gefunden,
daß die Entfernung einer Oberflächenschicht in der Größenordnung von 0,01 bis 0,025
mm Dicke ausreichte.
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An Stelle eines NPN-Transistors, wie vorstehend beschrieben, könnte
natürlich genauso gut ein PNP-Transistor oder eine andere Kombination von N- und
P-Zonen in der erfindungsgemäßen Weise hergestellt werden. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren lassen sich Transistoren herstellen, die bei wesentlich höheren Frequenzen
als die bekannten Transistoren betrieben werden können. Der Grundgedanke der Erfindung
beruht in der Schaffung einer Basiszone, die im wesentlichen auf den Bereich unterhalb
der Stirnfläche der Erhebung beschränkt ist, sich jedoch längs der Seite der Erhebung
um die Ecke herum fortsetzt und nach unten bis zur Oberseite des- Hauptteils des
Halbleiterkörpers weiterläuft. Hierdurch ergibt sich eine Anordnung, bei der die
Basiselektrode und die Emitterelektrode sich in verschiedener Höhe über der Hauptfläche
des Scheibchens befinden. So können außerordentlich schmale Erhebungen zur Verwendung
kommen, die nur gerade noch Platz für einen Anschlußdraht auf ihrer Oberseite haben,
ohne daß die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen Emitter- und Basiselektrode besteht.
Es wurde gefunden, daß bei der beschriebenen Anordnung die Kollektorkapazität größenordnungsmäßig
mindestens um das Doppelte der besten bekannten Transistoren herabgesetzt wird.
Die Kapazität läßt sich bis auf etwa zwei Picofarad verringern, was zu einer erheblichen
Steigerung der Grenzfrequenz des Transistors führt.