DE1288198B - Verfahren zum Herstellen eines Transistors mit einem heterogenen Zonenuebergang und mit einem Driftfeld - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines Transistors mit einem heterogenen Zonenuebergang und mit einem DriftfeldInfo
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Description
1 2
Mit dem Fortschreiten des Entwicklungsstandes der gänge mit quantenmechanisch tunnelnden Eigen-Halbleitertechnik
wurde mehr und mehr Aufmerk- schäften bekannt
samkeit darauf verwendet, eine hohe Arbeitsgeschwin- Zur Herstellung solcher Übergänge werden Dampf-
digkeit der Halbleiterbauelemente zu erzielen. Eine züchtungsverfahren, insbesondere die spezielle Form
hohe Arbeits- bzw. Schaltgeschwindigkeit ist beson- 5 der Dampfzüchtung mittels einer Transportreaktion
ders auch für mit Halbleiterbauelementen ausge- mit einem Halogen als Träger benutzt. Dieses Verrüstete
elektronische Rechner mit logischen Schal- fahren ist in besonderer Weise der Herstellung heterotungen
von Wichtigkeit. Ein für diese Zwecke brauch- gener Übergangsstrukturen angepaßt, zu welchen der
barer Transistor war der sogenannte Driftfeldtran- Transistor mit Weitbandemitter gehört. Wegen den
sistor, in dem die Basiszone durch Einführung von io günstigen Eigenschaften dieses Verfahrens bei der
Dotierungsmaterialien durch Diffusion in den Halb- kristallographischen Vereinigung von Halbleitermateleiterkörper
derart erzeugt wird, daß sich innerhalb rialien mit voneinander beträchtlich unterschiedlichen
der Basiszone ein Konzentrationsgradient der Stör- Bandabständen durch Züchten aus der Dampfphase
Stellenverteilung ergibt. Als Folge dieses Gradienten heraus kann der Weitbandemitter in günstiger Weise
baut sich ein überlagertes Driftfeld auf, welches eine. 15 realisiert werden. Eine detaillierte Darstellung eines
solche Richtung hat, daß der Transport der Minoritäts- derartigen Aufdampfprozesses aus der Dampfphase
ladungsträger vom Emitter zum Kollektor durch die bei niedrigen Temperaturen zur Herstellung einer
Basiszone hindurch erleichtert wird. Eine eingehendere abrupten heterokristallinen Übergangsstruktur findet
Beschreibung des Diffusionsverfahrens und seiner man z. B. im USA.-Patent 3 072 507.
Vorteile für die damit hergestellten Halbleiterbau- 20 Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe elemente finden sich in dem Artikel »Ein Hochfrequenz- zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen transistor aus Germanium mit durch Diffusion er- eines Transistors mit einem heterogenen Zonenüberzeugter Basiszone« von C. A. L e e, in der Zeitschrift gang und einem Driftfeld aufzuzeigen, bei dem auf »The Bell System Technical Journal«, Bd. 35 (1956), einem ersten Element-Halbleitermaterial mit definier-H. 1 auf den Seiten 23 bis 34. 25 tem Bandabstand und Leitfähigkeitstyp, eine Schicht
Vorteile für die damit hergestellten Halbleiterbau- 20 Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe elemente finden sich in dem Artikel »Ein Hochfrequenz- zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen transistor aus Germanium mit durch Diffusion er- eines Transistors mit einem heterogenen Zonenüberzeugter Basiszone« von C. A. L e e, in der Zeitschrift gang und einem Driftfeld aufzuzeigen, bei dem auf »The Bell System Technical Journal«, Bd. 35 (1956), einem ersten Element-Halbleitermaterial mit definier-H. 1 auf den Seiten 23 bis 34. 25 tem Bandabstand und Leitfähigkeitstyp, eine Schicht
Eine weitere Transistorart erregte auch, wenigstens aus einer intermetallischen Verbindung mit einem
vom theoretischen Standpunkt her, große Aufmerk- größeren Bandabstand, die als Emitter dienen soll,
samkeit. Diese Transistoren besitzen einen Emitter epitaktisch aufgebracht wird. Die Aufgabe wird nach
mit weitem Bandabstand. Ein gutes Verständnis der der Erfindung dadurch gelöst, daß durch eine Wärme-Konzeption
eines Transistors mit weitem Bandabstand 30 behandlung der so erzeugten Halbleiterstruktur einer
vermittelt ein Artikel von H. K r ö m e r mit dem Titel der Bestandteile der intermetallischen Verbindung
»Quasielektrische und Quasimagnetische Felder in derart in das Gebiet des Element-Halbleiters einnicht
gleichförmigen Halbleiterkörpern« in der Zeit- diffundiert wird, das ein Gebiet des Element-Halbschrift
»RCA Review«, Bd. 18 (1957), H. 3, S. 332 bis leitermaterial eine Umkehr seines Leitfähigkeitstyps
342. Der Transistor mit Weitbandemitter besteht im 35 erfährt.
wesentlichen aus einer Halbleiterstruktur, welche zwei Dieses verhältnismäßig einfach zu handhabende
zwei Zonen umfaßt, in deren einer das Material einen Verfahren gestattet Strukturen mit ziemlich abrupten
weiteren Bandabstand besitzt als dies in der unmittel- heterogenen Übergängen herzustellen,
bar daran angrenzenden Zone der Fall ist. Ein der- Im folgenden wird an Hand eines bevorzugten Ausartiger Emitter kann innerhalb eines Transistors 40 führungsbeispiels das Verfahren nach der Erfindung benutzt werden, um den Injektionswirkungsgrad des im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Emitters zu erhöhen, wobei diese Maßnahme gleich- In den Zeichnungen bedeutet
bar daran angrenzenden Zone der Fall ist. Ein der- Im folgenden wird an Hand eines bevorzugten Ausartiger Emitter kann innerhalb eines Transistors 40 führungsbeispiels das Verfahren nach der Erfindung benutzt werden, um den Injektionswirkungsgrad des im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Emitters zu erhöhen, wobei diese Maßnahme gleich- In den Zeichnungen bedeutet
zeitig die Möglichkeit einer Herabsetzung der Emitter- F i g. 1 das Energiebanddiagramm für einen pnp-
kapazität bietet, da die Dotierungskonzentration Transistor mit einem heterogenen Zonenübergang und
innerhalb der Emitterzone herabgesetzt werden kann. 45 Weitbandemitter,
Obwohl jedoch dieser Weitbandemitter und seine Fig. 2A und 2B verschiedene Verfahrensschritte
Eigenschaften vielfach studiert und diskutiert wurden, zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach dem
ist es bis jetzt praktisch noch nicht gelungen, eine Verfahren der Erfindung,
derartig voll zufriedenstellende Vorrichtung her- F i g. 3 eine Aufzeichnung der Abhängigkeit der
zustellen. Innere Felder, die als Driftfelder für La- 5° thermoelektrischen Spannung in einer Transistordungsträger ausgenutzt werden können, sind be- struktur nach F i g. 1 und F i g. 2 in Abhängigkeit von
kanntlich nicht zu erwarten, solange man es mit der Längenausdehnung senkrecht zu der Übergangseinem
chemisch homogenen Halbleiterkörper zu fläche,
tun hat, der eine konstante Störstellenverteilung F ί g. 4 ein Diagramm der Ausgangscharakteristik
aufweist und auf den keine elastischen Spannungen 55 eines typischen nach dem Verfahren der Erfindung hereinwirken,
gestellten Transistors in einer Schaltung mit gemein-
Es ist bereits bekannt, innere Felder durch ehe- samem Emitter.
mische Inhomogenität eines Halbleiterkörpers zu In F i g. 1 ist das Banddiagramm für einen pnp-Tran-
erzeugen. Zu diesem Zweck wählt man auf beiden sistor mit Weitbandemitter dargestellt, welcher einen
Seiten des Überganges chemisch verschiedene Halb- 60 Emitter aus p-leitendem Galliumarsenid, eine Basis
leitersubstanzen. Ein derartiger Übergang wird auch aus η-leitendem Germanium sowie einen Kollektor
als Hetero-Übergang bezeichnet So sind z. B. in der von p-leitendem Germanium hat. Der vergrößerte
Zeitschrift »Journal of the Electrotechnical Society«, Injektionswirkungsgrad der Anordnung ist haupt-Bd.
111 (1964), Heft 6, auf den Seiten 674 bis 682 der- sächlich zurückzuführen auf den größeren Bandartige
Übergänge aus Galliumarsenid-Germanium, 65 abstand des heterogenen pn-Überganges, d. h. auf die
Galliumphosphid - Germanium und Galliumarsenid- höhere Potentialschwelle zwischen dem n-leitenden
Galliumphosphid sowie deren Eingenschaften be- Germanium und dem p-leitenden Galliumarsenid, was
schrieben. Ferner wurden auch bereits Hetero-Über- auf der rechten Seite der F i g. 1 bildlich dargestellt ist.
3 4
Dieser Abstand setzt effektiv die Elektroneninjektion nutzt werden, so ergibt sich ein pnprTransistor mit
in umgekehrter Richtung herab und vermindert so das einem Emitter mit weitem Bandabstand und einer
Injektionsdefizit. Basis mit Driftfeld.
Die Verteilung des Diffusionspotentials über den F i g. 3 zeigt ein Diagramm der thermoelektrischen
heterogenen Übergang zwischen beiden Materialien 5 Spannungsänderung, welche erhalten wird mit einem
hängt von der relativen Dotierungskonzentration und nach dem vorliegenden Verfahren hergestellten Tran-
den Dielektrizitätskonstanten dieser beiden Ma- sistor. Es sei besonders bemerkt, daß die Zwischenfläche
terialien ab. Ist der Emitter nicht so hoch dotiert wie zwischen dem p-leitenden Galliumarsenid und dem
die Basiszone, so hängt im vorliegenden Fall die η-leitenden Germanium einen abgestuften Übergang
Emitterkapazität von der Dotierungskonzentration io der Thermospannung aufweist. Da die Anordnung auf
des Emitters ab, während im Falle eines Transistors der Oberfläche mit der Neigung 100:1 montiert ist
mit homogenen Übergängen die Emitterkapazität von und die lokale Erhitzung der thermischen Sonde dem
der Basisdotierung abhängt. Mittel der Thermospannung des Materials in der
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann Umgebung der Sonde entspricht, sollte man nicht
auch als ein nachepitaktisches Diffusionsverfahren 15 erwarten, daß sich ein abrupter Übergang einstellt, da
des Transistors bezeichnet werden. Die detaillierte Be- das effektive Auflösungsvermögen der thermischen
Schreibung erfolgt unter Zugrundelegung des spe- Sonde in Frage gestellt erscheint,
ziellen Falles der Benutzung von Galliumarsenid für Bei dem speziellen Transistor, für den die in F i g. 3 den Emitter und Germanium für die Basis und für den aufgezeigten Werte gemessen wurden, besaß die Basis-Kollektor des Transistors. Es ist jedoch klar, daß die 20 zone eine Dicke von 1,3 μηα. Mit einigen anderen hier dargelegten Prinzipien ebenfalls auf Kombi- Proben, bei deren Herstellung Zeiten von 30 Minuten nationen anderer Materialien in einem weiten Bereich und 180 Minuten für den eigentlichen Diffusionsanwendbar sind. Vorgang angesetzt waren, wurden Dicken der Basis-
ziellen Falles der Benutzung von Galliumarsenid für Bei dem speziellen Transistor, für den die in F i g. 3 den Emitter und Germanium für die Basis und für den aufgezeigten Werte gemessen wurden, besaß die Basis-Kollektor des Transistors. Es ist jedoch klar, daß die 20 zone eine Dicke von 1,3 μηα. Mit einigen anderen hier dargelegten Prinzipien ebenfalls auf Kombi- Proben, bei deren Herstellung Zeiten von 30 Minuten nationen anderer Materialien in einem weiten Bereich und 180 Minuten für den eigentlichen Diffusionsanwendbar sind. Vorgang angesetzt waren, wurden Dicken der Basis-
Wie bereits im vorhergehenden erwähnt, kann ins- zone von 0,55 und 1,7 μΐη erhalten- Diese Werte
besondere durch die Benutzung eines Züchtungs- 25 scheinen unter Zugrundelegung einer konstanten
Verfahrens aus der Dampfphase heraus ein Germanium- Oberflächenkonzentration ungefähr mit der Verteilung
Galliumarsenid-pp-Übergang hergestellt werden, wie der Fehlerfunktion in Übereinstimmung zu sein. Bei
es in der F i g. 2 A an einem uus den Zonen 1 und 2 Benutzung dieser Daten besteht die Möglichkeit,
aufgebauten Halbleiterkörper gezeigt ist. Gewöhn- durch Extrapolation einen Wert für die Oberflächen-
lich ist die aufgewachsene Schicht die Germanium- 30 konzentration zu erhalten, der bei etwa 1019 Atomen
Schicht 1. Dementsprechend wählt man als Material pro Kubikzentimeter liegt mit einem besonders bei
für das Substrat die intermetallische Verbindung Germanium vorliegenden Verunreinigungsuntergrund
Galliumarsenid und züchtet z. B. nach den Lehren in der Größenordnung von 1018 Atomen pro Kubik-
des USA.-Patents 3 072 507 die Zone 1 aus p-leitendem Zentimeter.
Germanium epitaktisch auf das Galliumarsenid- 35 Der spezielle pnp-Transistor mit einem Emitter
substrat auf. Man kann jedoch auch an Stelle eines weiten Bandabstandes und einer Basisdicke von
η-leitenden Galliumarsenidsubstrates ein solches mit 1,3 μηι, der schon im Zusammenhang mit F i g. 3
p-Leitfähigkeit wählen. Die Zone 1 wird epitaktisch erwähnt wurde, weist eine Charakteristik gemessen
auf das Substrat 2 bei einer Temperatur von ungefähr mit geerdetem Emitter auf, die der F i g. 4 entspricht.
4000C aufgezüchtet, so daß in diesem Bereich nur 40 Im Basisstrombereich von 40 bis 60 mA liegt der
eine Diffusion zwischen dem Substrat und der auf- Kollektorstrom in der Größenordnung von 0,15 bis
gewachsenen Schicht stattfindet. 0,2 entsprechend einem Verstärkungsfaktor der Größen-
Im nächsten Schritt des Verfahrens der vorliegenden Ordnung 0,13 bis 0,17. Die beobachtete geringe Strom-Erfindung
wird dann der heterogene Übergang, verstärkung, welche mit dem speziellen Transistor bewelcher
in F i g. 2 A dargestellt ist, einer Wärme- 45 obachtet wurde, steht nicht im Einklang mit dem theobehandlung
unterzogen, wobei ein Arsenüberdruck retisch vorausgesagten hohen Injektionswirkungsgrad,
in einem geschlossenen Reaktionsgefäß bei etwa 500 wenn man annimmt, daß die Dicke der Basis innerhalb
bis 7000C angewendet wird. Unter den genannten einer Diffusionslänge liegt. Einen wichtigen Grund
Temperaturverhältnissen entweicht der flüchtige Kon- hierfür geben wahrscheinlich in der Trennfläche gestituent
Arsen aus dem Galliumarsenid, wobei Gallium 50 legene Oberflächenzustände ab, welche als Rekombiim
Galliumarsenid im Überschuß zurückbleibt. Dabei nationszentren wirksam sind. Das Anwachsen des
diffundiert das Arsen an der Trennfläche des hetero- Verstärkungsfaktors « mit zunehmendem Strom bei
genen pp-Übergangs direkt in das Germanium, wobei diesem Transistor steht im Einklang mit der Annahme,
sich eine Verteilung ergibt, die der normalen umge- daß diese Zustände bei hohem Injektionsniveau der
kehrten Fehlerfunktion entspricht. Infolgedessen ent- 55 Träger allmählich ausgefüllt oder mit Trägern übersteht
die η-leitende Schicht 3 aus Germanium mit schwemmt werden.Es konnte jedoch noch nicht volleinem
inneren Gradienten der Verunreinigungskon- ständig erklärt werden, welcher Natur die weiteren
zentration zwischen dem p-leitenden Galliumarsenid begrenzenden Ursachen der Stromverstärkung sind,
und dem p-leitenden Germanium, wie es in Fig. 2B Es versteht sich, daß, wenn auch die Herstellung gezeigt ist. 60 eines pnp-Transistors als ein Ausführungsbeispiel des
und dem p-leitenden Germanium, wie es in Fig. 2B Es versteht sich, daß, wenn auch die Herstellung gezeigt ist. 60 eines pnp-Transistors als ein Ausführungsbeispiel des
Es besteht somit die Möglichkeit, einen Gallium- Verfahrens der vorliegenden Erfindung hier beschrie-
arsenid-Germanium-pn-Übergang 4 sowie einen ho- ben wurde, gleichfalls die entgegengesetzte Polaritäts-
mogenen Germanium-pn-Übergang 5 mit Hilfe des anordnung des Transistors gewählt, d. h. ein npn-Tran-
genannten nachepitaktischen Diffusionsverfahrens her- sistor hergestellt werden kann, wobei im übrigen
zustellen. 65 Verfahrensschritte der bisher beschriebenen Art an-
Zieht man in Erwägung, daß der heterogene gewendet werden können. In diesem Falle würden zu-
Galliumarsenid-Germanium-Übergang als Emitter und nächst z. B. ein nn-Heteroübergang erzeugt, wobei
der homogene Germaniumübergang als Kollektor be- verschiedene Halbleitermaterialien benutzt werden,
die beträchtlich voneinander abweichende Bandweiten aufweisen, dann würden einfach durch geeignete Wahl
der Diffusionsparameter der Zeit und der Temperatur die übrige p-leitende Basiszone zwischen den beiden
η-leitenden Zonen erzeugt, indem sichergestellt wird, daß die p-Leitung hervorrufende Dotierungssubstanz,
die den einen Konstituenten der Halbleiterverbindung bildet, in der Weise diffundiert wird, daß er innerhalb
eines Teilgebietes der Zone 1 überwiegt.
Es soll noch betont werden, daß mannigfache andere Kombinationen von Materialien an Stelle von Germanium
und Galliumarsenid benutzt werden können, z. B. können verschiedenartige Halbleitermaterialien
wie Silizium und Galliumphosphid kristallographisch miteinander vereinigt werden, in typischer Weise dadurch,
daß Silizium auf ein Substrat aus Galliumphosphid aufgezüchtet wird. In diesem Falle umfaßt
die Struktur zwei verschiedene Zonen von Silizium und Galliumphosphid, welche so erhitzt werden, daß das
Phosphor aus dem Gebiet des Galliumphosphids herausdiffundiert, wodurch sich daher ein Teil der Siliziumzone
bezüglich seiner Leitfähigkeit in den η-Typ umkehren wird. Auf diese Weise wird im
wesentlichen dieselbe pnp-Transistorstruktur realisiert, wie sie im vorhergehenden in Verbindung mit Germanium
und Galliumarsenid beschrieben wurden.
Claims (4)
1. Verfahren zum Herstellen eines Transistors mit einem heterogenen Zonenübergang und einem
Driftfeld, bei dem auf ein erstes Element-Halbleitermaterial
mit definiertem Bandabstand und Leitfähigkeitstyp eine Schicht aus einer intermetallischen
Verbindung mit einem größeren Bandabstand, die als Emitter dienen soll, epitaktisch
aufgebracht wird, dadurchgekennzeic hnet, daß durch eine Wärmebehandlung der so
erzeugten Halbleiterstruktur einer der Bestandteile der intermetallischen Verbindung derart in das
Gebiet des Element-Halbleiters eindiffundiert wird, daß ein Gebiet des Element-Halbleitermaterials
eine Umkehrung seines Leitfähigkeitstyps erfährt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das epitaktische Wachstum der intermetallischen Schicht bei etwa 4000C und der
Diffusionsvorgang zur Erzeugung der Basiszone im Temperaturbereich von 500 bis 700° C durchgeführt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Kollektorzone
p-leitendes Germanium, für die Emitterzone mit weitem Bandabstand Galliumarsenid verwendet
wird und daß der Diffusionsvorgang zur Erzeugung der Basiszone bei einem Arsenüberdruck
durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Galliumphosphid epitaktisch auf
Silizium abgeschieden wird und daß in dem Silizium eine Zone entgegengesetzter Leitfähigkeit
durch Eindiffusion von Phosphor aus Galliumphosphid erzeugt wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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