DE1204332B - Verfahren zur Herstellung eines Unipolartransistors - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung eines Unipolartransistors Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Unipolartransistors, bei dem in einem Halbleiterkörper eines bestimmten Leitungstyps durch Diffusion von Donatoren und Akzeptoren eine erste, dünne innere Zone des anderen Leitungstyps und eine zweite, äußere Zone vom ersten Leitungstyp erzeugt und die dünne Zone mit zwei sperrfreien Hauptelektroden und mindestens eine der beiden äußeren Zonen mit einer Steuerelektrode versehen wird.
• Ein Unipolartransistor besteht aus einem Halbleiterkörper mit zwei im wesentlichen sperrfrei aufgebrachten Hauptelektroden und einer mit einer Steuerelektrode verbundenen Halbleiterzone (Steuerzone) auf der einen Seite des Stromweges, wobei der Leitfähigkeitstyp der Steuerzone entgegengesetzt dem des Halbleiterkörpers zwischen den Hauptelektroden ist.
• Bekanntlich wird bei einem Unipolartransistor der Widerstand des Stromweges zwischen den beiden Hauptelektroden durch Variation des wirksamen Querschnittes gesteuert. Die sich an der Steuerzone, die gegen den Halbleiterkörper in Sperrichtung vorgespannt ist, ausbildende Raumladungszone ändert ihre Eindringtiefe abhängig von der an ihr angelegten Spannung. Die Steuerwirkung wird noch verstärkt, wenn zwei einander gegenüberliegende Steuerzonen auf dem stromführenden Halbleiterkörper angebracht sind.
• Eine solche Anordnung ist in F i g. 1 dargestellt. Längs eines verhältnismäßig hochohmigen n- oder p-leitenden Halbleiterstäbchens 8 werden einen pn-übergang bildenden Zonen angebracht und diese gegenüber dem Halbleiterstäbchen in Sperrichtung vorgespannt. Je nach Größe der Vorspannung breiten sich die Raumladungszonen 17 und 18 der pn-Ü'bergänge mehr oder weniger in den Strompfad hinein aus und können diesen schließlich vollkommen überdecken. Da die Raumladungszone stets hochohmig gegenüber dem Halbleiterstrompfad ist, bedeutet eine Veränderung der Raumladungsbreite eine Verengung oder Erweiterung des Strompfades. Die beiden Hauptelektroden werden als Quellenelektrode 1 und als Saugelektrode 2 bezeichnet, und 31 und 41 sind die Steuerelektroden. Der zwischen 1 und 2 fließende, von der Spannungsquelle 7 gespeiste Majoritätsträgerstrom wird durch die von der Steuerspannung der Spannungsquelle 6 abhängigen Raumladungen vor den Steuerzonen nach Art einer Stromengensteuerung moduliert.
• Zur Herstellung derartiger Anordnungen ist vorgeschlagen worden, die Steuerzonen durch ein Legierungsverfahren anzubringen. Nach einem anderen Vorschlag wird ein rundes Stäbchen, z. B. Germanium, durch anodische Behandlung in einem Elektrolyten in einem gewissen Bereich auf einen kleinen Durchmesser abgeätzt und dann elektrochemisch ein Metallbelag als Elektrode abgeschieden. In beiden Fällen gelangt man zu einem mechanisch außerordentlich empfindlichen System, bei dem außerdem die notwendige Wärmeabfuhr erheblich erschwert ist. Ferner ist es praktisch unmöglich, die zur Erzielung hoher Grenzfrequenzen erforderlichen sehr geringen Dicken des Strompfades von einigen Mikron bis zu Bruchteilen von Mikron nach einem dieser Verfahren herzustellen.
• Um dies bei einem Verfahren zur Herstellung eines Unipolartransistors, bei dem in einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps durch Diffusion von Donatoren und Akzeptoren eine erste, dünne innere Zone des anderen Leitungstyps und eine zweite, äußere Zone wiederum vom ersten Leitungstyp erzeugt und die dünne Zone mit zwei sperrfreien Hauptelektroden und mindestens eine der beiden äußeren Zonen mit einer Steuerelektrode versehen wird, zu erreichen, wird durch die Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß durch gleichzeitige oder nachfolgende Diffusion eines dem Leitungstyp der Grunddotierung des Halbleiterkristalls hervorrufenden weiteren schnell diffundierenden Störstoffes die Dicke der inneren Zone durch den zusätzlichen Dotierungsstoff verringert und ihre Dotierung teilweise kompensiert wird.
• Beim Verfahren gemäß der Erfindung kann von einem verhältnismäßig dicken Kristallstäbchen von beispielsweise 1 mm Dicke ausgegangen und die dünne Zone durch ein Diffusionsverfahren hergestellt werden. Die verbleibende dicke Unterlage gewährleistet hohe mechanische Festigkeit und eine gute Wärmeabfuhr. Dabei muß der Strompfad, d. h. die dünne Zone, verhältnismäßig hochohmig sein, da die Eindringtiefe der Raumladungszone in den Halbleiterkörper der in dieser vorhandenen Störstellenkonzentration umgekehrt proportional ist. Demnach sind beim Diffusionsvorgang besondere Bedingungen einzuhalten, die anders sind als bei den bisher gebräuchlichen Verfahren zur Herstellung von Transitoren, Gleichrichtern oder Photozellen, wo man stets niederohmige Diffusionsschichten verlangt.
• Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird zunächst als Ausführungsbeispiel die Herstellung eines Unipolartransistors, wie er in der F i g. 2 dargestellt ist, beschrieben. Auf einem z. B. n-leitenden Halbleiterkörper 4 von etwa 1 mm Dicke wird durch Diffusion eine sehr dünne, d. h. einige Mikron bis zu Bruchteilen von Mikron dicke p-leitende Schicht 9 erzeugt und außerdem eine n-leitende Schicht 3 von der gleichen Flächenausdehnung wie die p-Schicht. Die Quellenelektrode 1 und die Saugelektrode 2, die die Schicht 9 sperrfrei kontaktieren, bestehen z. B. aus einlegiertem Aluminiumdraht. Die beiden n leitenden Zonen 3 und 4 sind die mit einer Steuerelektrode verbundenen Steuerzonen, die in der p-leitenden Schicht 9 eine von der angelegten Spannung abhängige Raumladung erzeugen und somit den wirksamen Querschnitt des Stromweges 9 steuern. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses der Steuerzone 3 mit den Hauptelektroden 1 und 2 sind die Teile 16 der n-leitenden Schicht 3 z. B. durch Atzen oder auf mechanischem Wege entfernt.
• Der Halbleiterkörper besteht bei dieser Anordnung z. B. aus einem n-leitenden Silizium-Einkristallblättchen, in dem durch gleichzeitige oder zeitlich aufeinanderfolgende Diffusion eines Domtors und eines Akzeptorstoffes eine dünne hochohmige Zone 9 vom entgegengesetzten und eine niederohmige Zone 3 vom gleichen Leitf'ähigkeitstyp wie der des Halbleiterkörpers 4 erzeugt wird. Dazu wird das z. B. n -leitende Silizium-Einkristallblättchen 4 einer Atmosphäre von Antimon (Domtor) und Aluminium (Akzeptor) ausgesetzt. Aluminium diffundiert ungefähr 100mal so schnell in den Halbleiterkörper ein wie Antimon. Daher erreicht Antimon an der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine 100mal so große Konzentration wie das schnell in das Innere abwandernde Aluminium. Es bildet sich also auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine n-dotierte Schicht 3 und darunter eine p-dotierte Zone 9 aus. Der Kozentrationsverlauf, der sich einstellt, ist in F i g. 4 a durch die Kurve 13 angegeben. Unmittelbar an der Oberfläche überwiegt die n-Dotierung. Man erhält also eine stark n-dotierte Schicht 3, und etwas tiefer im Kristall findet sich eine schmale Zone 9, in der die rascher vorgedrungenen Akzeptoren vorherrschen und eine p-leitende Schicht schaffen, während im Inneren des Kristalls 4 noch die ursprüngliche Donatorendichte den Leitfähigkeitscharakter bestimmt.
• Zur Erzielung einer hochohmigen Zone von z. B. 0,1 bis 100 Et Dicke wird gleichzeitig oder in einem getrennten Arbeitsgang zusätzlicher schnell diffundierender Störstoff des gleichen Typs wie die Grunddotierung des Kristalls 4 eindiffundiert (Dreifachdiffusion). Der Konzentrationsverlauf des zusätzlichen Dotierungsstoffes (z. B. Donator) ist in F i g. 4 a durch die gestrichelte Kurve 12 angedeutet. In F i g. 4b gibt die Kurve 14 den resultierenden Konzentrationsverlauf an. Man sieht, daß jetzt die Dotierung der p -Zone, als die des Strompfades 9, wesentlich geringer ist und außerdem die Breite dieser p -Zone durch den zusätzlichen Dotierangsstoff noch verringert worden ist.
• Die Struktur nach F i g. 2 kann auch auf einer Zylindermantelfläche angeordnet sein, wie sie in der F i g. 3 dargestellt ist. Bei dieser nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Anordnung ist die Zone 9 -die Mantelfläche eines Zylinders 4, der selbst eine mit den Steuerelektroden 17 und 18 versehene Steuerzone bildet, und die zweite Steuerzone 3 und die beiden Hauptelektroden 1 und 2 sind auf den beiden Stirnflächen des Zylinders ringförmig auf die Zone 9 aufgebracht.
• Die zweite Steuerzone 3, die die ganze Mantelfläche 9 umgibt, isst gleichzeitig mit der Zone 9 erzeugt worden. Um einen Kurzsahluß zwischen der Steuerzone 3 und den Hauptelektroden 1 und 2 zu vermeiden, sind die Teile 16 des Zylindermantels wieder durch Ätzen oder auf mechanischem Wege entfernt worden.
• Die Anordnungen gemäß der Erfindung haben außerdem den Vorteil, daß störende Serienwiderstände klein gehalten werden können. Zu diesen gehören der Widerstand auf der Eingangsseite zwischen Quellenelektrode 1 und Steuerzone, der in F i g. 1 mit R1 bezeichnet ist, und der entsprechende Widerstand auf der Ausgangsseite R2 zwischen Saugelektrode 2 und der Steuerzone. R1 beeinträchtigt die Grenzfrequenz, während R2 die erforderliche Saugspannung, die durch die Spannungsquelle 7 geliefert werden muß, und die Verlustleistung erhöht.
• Bei den in F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen kann man die Unterlage 4 mit der äußeren Steuerzone 3 koppeln, um eine größere Steuerwirkung zu erzielen, oder man gibt ihr eine feste Gleichspannung in Sperrichtung gegenüber dem Strompfad. Durch Variation dieser Sperrvorspannung wird die Steuerwirkung der äußeren Steuerzone modifiziert, wodurch ein Regelvorgang nach Art einer Regelröhre (mit variabler Gittersteigung) herbeigeführt werden kann. Schließlich kann man äußere Steuerzone 3 und Unterlage 4 mit Wechselspannungen verschiedener Frequenz beaufschlagen und so eine Frequenzmischung vornehmen.
• Man kann mit diesen Verfahren im Gegensatz zu den bisher vorgeschlagenen Methoden sehr dünne, in der Dicke wohldefinierte Strompfade erzielen, ohne die mechanische Stabilität zu beeinträchtigen. Außerdem ist die Möglichkeit einer günstigen Wärmeabfuhr gegeben.
• Die angegebenen Herstellungsmethoden eignen sich schließlich auch zum Aufbau einer Halbleiteranordnung gemäß der deutschen Auslegeschrift S 32766 VIII c/21 g, die eine Abart des Unipolartransistors darstellt. Bei dieser Anordnung übernimmt eine der Steuerzonen die Funktion der Quelle, die andere die Funktion der Saugelektrode, während von 1 und 2 aus die Steuerung vorgenommen wird. Die Vorspannungen an den Steuerzonen müssen so gewählt sein, daß sich eine ausgedehnte Raumladungszone ausbildet mit einem ausgeprägten Potentialberg, der von den Steuerzonen aus in der Höhe gesteuert wird. Im Verhältnis zu den zuerst beschriebenen Anordnungen muß in diesem Fall der Abstand der Elektroden 1 und 2 klein gehalten werden. Es ist aber auch ein kleiner Abstand von einigen Mikron der Steuerzonen erwünscht, wozu das Diffusionsverfahren gut geeignet ist.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Verfahren zur Herstellung eines Unipolartransistors, bei dem in einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps durch Diffusion von Donatoren und Akzeptoren eine erste, dünne innere Zone des anderen Leitungstyps und eine zweite, äußere Zone, wiederum vom ersten Leitungstyp, erzeugt und die dünne Zone mit zwei sperrfreien Hauptelektroden und mindestens eine der beiden äußeren Zonen mit einer Steuerelektrode versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch gleichzeitige oder nachfolgende Diffusion eines den Leitungstyp der Grunddotierung des Halbleiterkristalls hervorgerufenen weiteren schnell diffundierenden Störstoffes die Dicke der inneren Zone durch den zusätzlichen Dotierungsstoff verringert und ihre Dotierung teilweise kompensiert wird.