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Flächen-Transistor mit streifenförinigen Emitterzonen und Verfahren
zu seiner Herstellung Das Hochfrequenzverhalten eines Transistors kann allgemein
durch seine maximale Schwingfrequenz charakterisiert werden. Daraus leitet sich
eine Gütezahl G ab, die proportional der Quadratwurzel aus dem Leistungsgewinn
und der Bandbreite ist.
Diese beiden Größen lassen sich andererseits durch den Basiswiderstand rb', die
Kollektorkapazität Q
und die Laufzeit des elektrischen Signals vom Emitter
zum Kollektor -r" ausdrücken.
Wie J. M. E a r 1 y in Proc. of the IRE vom Dezember
1958, S. 1924 bis 1927, gezeigt hat, läßt sich bei einem Transistor
mit streifenförmigen Emitterzonen aus dieser Gleichung ein rein geometrischer Faktor
s abspalten, so daß die Gleichung wie folgt gesetzt werden kann:
Hierin bedeutet s die Breite der streifenförmig ausgebildeten Emittetzone, R, ist
als Flächenwiderstand und C", als Kollektorkapazität pro Quadratzentimeter definiert.
Der Abstand der Emitterzone von der Basiskontaktelektrode muß dabei s- gewählt
2 werden. Die Länge der Emitterstreifen ist ohne Einfluß auf die maximale Schwingfrequenz,
die Leistung des Transistors ist dagegen dieser Länge proportional. Leistung und
Hochfrequenzverhalten schließen sich demnach in einem Transistor mit streifenförmigen
Emitterzonen, der den vorstehend aufgeführten Bemessungsregeln genügt, nicht gegenseitig
aus. Bei maximaler Anpassung der Glieder unter der Wurzel läßt sich für die Gfitezahl
folgende numerische Angabe machen:
Bisher ist als Transistor mit streifeinförmiger Emitterzone und ebenfalls streifenförmiger
Basiskontaktelektrode der Mesatransistor bekanntgeworden, dessen Name vom tafelbergförmigen
Aufbau seiner Emitterzone und der Basiskontaktelektrode auf der durch Diffusion
in ein als Kollektor wirkendes Halbleiterplättehen gewonnenen Basisschicht herrÜhrt
(Electronic Industries, August 1958, S. 55 bis 60).
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Werden bei einem Transistor mit Mesastruktur sehr hohe Frequenzen
angestrebt, so führt das zu sehr geringer Streifenbreite s und demzufolge zu sehr
kleinem Abstand zwischen Emitter und Basiskontakt, wie unmittelbar aus der Formel
(3) gesehen werden kann. Sehr enge Streifen lassen sich nach bisher bekannten
Verfahren jedoch schwer herstellen und kontaktieren.
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Nach der Erfindung kann diese Schwierigkeit dadurch behoben werden,
daß mindestens eine der streifenförmigen Emitterzonen aus Halbleitermaterial besteht,
dessen verbotenes Band einen breiteren Bandabstand als das der Basiszone aufweist,
daß die Basiszone stärker dotiert ist als die Emitterzonen und daß die Basiskontaktelektrode
von den Emitterzonen weiter entfernt liegt als die halbe Streifenbreite der Emitterzonen.
Durch die Verwendung von Halbleitermaterial für eine Emitterzone mit breiterem Bandabstand
als der für die Basiszone und durch die damit mögliche starke Dotierung der
Basiszone nimmt diese einen fast metallisch leitenden Charakter an. Hierdurch gelingt
es, die Beschränkungen der vorstehend angeführten Bemessungsregel nach
E a r 1 y zu umgehen, denn es ist bei einer so stark leitenden Basiszone
nicht mehr nötig, die Basiskontaktelektrode ün Abstand der halben Streifenbreite
der Emitterzone von dieser entfernt anzubringen. Praktisch geht der Faktor
s durch die unmittelbar an die Ernitterzone anschließende, fast metallisch
leitende Basiszone gegen
Null, so daß die äußere Basiskontaktelektrode
unabhängig von der durch E a r 1 y gegebenen Bemessungsregel in einer
technologisch leicht verwirklichbaren Entfernung angebracht werden kann.
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Der Transistor nach der Erfindung weist also keine Mesastruktur mehr
im strengen Sinne auf. Die im Abstand der halben Streifenbreite angeordnete streifenförmige
Basiskontaktelektrode ist ersetzt durch eine weiter entfernt angeordnete Basiskontaktelektrode.
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Erwähnt sei, daß bereits Halbleiterbauelemente der Schichtenbauart
bekannt sind, bei denen der Emitterhalbleiter einen größeren Bandabstand als der
Basishalbleiter aufweist und der Basishalbleiter stärker dotiert ist als der Emitterhalbleiter
(deutsche Patentschrift 1021488). Hier wird durch die Anwendung eines
Emitters mit größerem Bandabstand, in der angelsächsischen Literatur allgemein als
»Wide-gape«-Emitter bezeichnet, eine Verringerung der für das Grenzfrequenzverhalten
eines Transistors wichtigen Basisdicke ohne gleichzeitige Erhöhung des Basiswiderstandes
angestrebt. Eine Verringerung des Basiswiderstandes tritt auch bei dem Transistor
nach der Erfindung ein, in ihr soll jedoch nicht das Ziel der Erfindung gesehen
werden, sondern darin, daß die Streifenbreite s in der Bemessungsformel nach
E a r 1 y
um eine bis zwei Größenordnungen erhöht werden kann, ohne
daß damit die Gütezahl G verschlechtert zu werden braucht.
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Bei gleicher Gütezahl kann demnach eine wesentliche Erleichterung
in der Technologie eines Transistors mit streifenförmigen Emitterzonen erreicht
werden. Auch die Gesamtlaufzeit -r" der Minoritätsträger erleidet dabei keine Verschlechterung,
wie leicht an Hand folgender Gleichung gezeigt werden kann:
Im ersten Term wird die Emitterkapazität C, trotz größerer Streifenbreite
s und stärkerer Dotierung der Basiszone durch geringere Dotierung in der Emitterzone
selbst unverändert bzw. sogar verkleinert. DiQ, Stromdichte JE wird im letzteren
Fall herabgesetzt. Dies wirkt sich günstig auf den Drifteffekt in der Basiszone
aus, der im zweiten Term der Gleichung (4) durch den Multiplikator n seinen Ausdruck
findet. Die Diffusionskonstante Db nimmt umgekehrt proportional mit der dritten
Wurzel der Dotierung der Basiszone ab (Db L--- N'). Dieser Verlust
wird durch ein größeres Driftfeld, das aus der höheren Dotierung folgt, wieder ausgeglichen,
so daß das Produkt nDb konstant gehalten wird. Außerdem läßt sich die Basisweite
w in weitem Maße einstellen. Der dritte Term wird durch den »Wide-gape«-Emitter
nicht beeinflußt, da v."" die maximale Elektronengeschwindigkeit im Kollektorrandfeld,
x. physikalische Größen des ursprünglichen Materials darstellen.
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In folgendem soll der Aufbau eines Transistors nach der Erfindung
nach einem neuen Verfahren an Hand einer schematischen Darstellung angegeben werden.
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1 . Ein Halbleiterplättchen 1 wird einer Diffusion von
Störstellen unterworfen, derart, daß ein pn-Übergang 1, 2 entsteht. Der Oberflächenwiderstand
soll durch eine Aktivatordichte > 1016
bestimmt sein.
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2. Auf dieser Oberfläche wird ein dünner Metallfilm 3 aufgebracht,
der z. B. aus Al bestehen kann. 3. Durch ein photolithographisches
Verfahren wird dieser Metallfilm bis auf den ursprünglichen Halbleitergrund in Streifen
4 bestimmter Breite und beliebig wählbarer Länge wieder weggeätzt.
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4. Der Metallfilm wird anschließend durch eine chemische Reaktion,
z. B. Sauerstoff, oberflächlich zu einem Isolator 5 umgewandelt. Die Isolationsschicht
5 soll nur einen Teil der ursprünglich aufgebrachten Metallschicht
3 ausmachen.
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5. Die freigelegte Halbleiteroberfläche wird mit einer
Schicht für die Emitterzone z. B. aus Ge-oder Si-Jodid oder aus All' Bv#Verbindungen,
z. B. GaAs, durch Niederschlagen aus der Gasphase versehen.
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6. Die einzelnen Ernitterzonen können anschließend durch Metallisierung
aus der Dampfphase oder elektrolytisch miteinander leitend verbunden werden.
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7. Anschließend werden Emitterzone, Basiszone und Kollektorzone
mit Kontakten versehen. Davon abweichend kann folgendermaßen verfahren werden.
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3a Der Metallfilm wird durch eine dünne Isolatorschicht bedeckt.
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4a Durch ein photolithographisches Verfahren werden dünne Streifen
maskiert und vom Isolator und Metall befreit. Der offene Metallrand wird nachträglich
durch Oxydation eder durch Mischkristallbildung aus der Dampfphase zu einem Nichtleiter
umgeformt.
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Die weiteren Schritte können wie oben erfolgen. Die einzelnen Verfahrensschritte
sind in der schematischen Darstellung mit Ausnahme der Aufbringung der Emitterzone
verdeutlicht.
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Durch das beschriebene Verfahren fällt die bisher unumgängliche Ätzung
der Emitterzone weg, so daß die Oberflächenstruktur des Halbleiters nicht durch
die Umgebung beeinflußt werden kann. Hierdurch gelingt es, ein rauscharmes Verhalten
und einen konstanten Stromverstärkungsfaktorx der nach diesem Verfahren hergestellten
Transistoren zu erzielen.
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Im Ausführungsbeispiel sollen zwei Emitterzonen aufgebracht werden,
so daß zwei bis auf das Halbleitergrundmaterial 1 weggeätzte Stellen 4 erkennbar
sind. Die Anschlüsse des Basiskontaktes B können in beliebiger Entfernung von der
Emitterzone an dem verbliebenen Metallfilm 3 erfolgen.