DE1439921B2 - Verstärkendes Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein verstärkendes Halbleiterbauelement mit einer npn- oder pnp-Zonenfolge. von denen die beiden äußeren Zonen als in einer Hauptfläche des Halbleiterkörpers vorhandene Oberflächenzonen vorliegen und je mit einer Anschlußelektrode versehen sind, und von denen die mittlere Zone mit einer über eine genetische Oxidschicht angekoppelten Steuerelektrode versehen ist.

In diesem Zusammenhang sei zu Definitionszwecken vermerkt, daß eine Oxidschicht, die durch Umsetzung des Halbleitermaterials von der Oberfläche des Halbleiterkörpers entsteht und nicht durch Niederschlag von Halbleitermäterial-Oxid aus fremden Quellen, im folgenden als-»genetische«; Oxidschicht bezeichnet wird.

Bei einem aus der USA.-Patentschrift 2 900 531 bekannten Halbleiterbauelement der vorstehend angesprochenen allgemeinen Art handelt es sich um einen modifizierten bipolaren Transistor. Im einzelnen besteht dort der Halbleiterkörper aus Germanium und haben die beiden äußeren Zonen (Emitter und Kollektor),, die als Oberflächenzonen vorliegen, vergleichsweise' größen Abstand voneinander, d. h., die Basiszone ist entsprechend lang. In Emitternähe ist die Basiszone mit dem üblichen ohmschen Anschluß versehen. Weiterhin ist an der Basiszonenoberfläche noch eine über eine genetische Oxidschicht an die Basiszone kapazitiv angekoppelte Steuerelektrode vorgesehen. Die genetische Oxidschicht soll dabei den Vorteil bringen, daß — weil auf Grund ihrer Entstehungsart in innigem Kontakt mit dem darunterliegenden Halbleitermaterial stehend — schon vergleichsweise kleine Steuerelektrodenspannungen für die Erzeugung eines Feldes ausreichen, das nennenswerte Bereiche des darunterliegenden Halbleitermaterials zu beeinflussen vermag. Die Anordnung ist dabei so getroffen, da das von der Steuerelektrode ausgehende Feld wedc den emitterseitigen noch den kollektorseitigen pt Übergang erfaßt, sondern ausschließlich auf di Basiszone beschränkt bleibt und in dieser eine Leii fähigkeitsmodulation bewirkt, was sich dann schließ lieh in einer entsprechenden Modulation des Emittei Kollektor-Stroms äußert. Auf . Grund der bauart bedingten vergleichsweise langen Basiszone wiri

ίο jedoch unvermeidlich ein beachtlicher Prozentsat der zum Kollektor driftenden Minoritätsladungsträ ger rekombinieren. Aus diesem Grund hat sich da bekannte Halbleiterbauelement als in der Praxi weitgehend unbrauchbar erwiesen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabi zugrunde, unter dem Einfluß einer von der Steuer elektrodenspannung abhängigen Ladungsansamm lung auf der Steuerelektrode eine Ladung des ent . gegengesetzten Vorzeichens im darunter befindlicher Oberflächenteil des Halbleiterkörpers zu induzierer und damit einen je nach Vorzeichen und Größe dei Steuerelektrodenspannung mehr oder weniger gui leitenden »Kanal« zwischen den beiden äußerer, Zonen zu erzeugen, um so eine Verstärkung zu ermöglichen.

Die Erzeugung eines leitenden Kanals war bereits bekannt für ein Halbleiterbauelement, das reine Schalterfunktion, jedoch keine Verstärkerwirkung

/ besitzt (vgl. USA.-Patentschrift 2 791 760). Dort handelt es sich um einen Halbleiter-Schalter mit einem eine pnp- oder npn-Zonenfolge aufweisenden Siliziumhalbleiterkörper, je eine Hauptelektrode an den beiden äußeren Zonen und eine über eine ferroelektrosche Zwischenschicht an die mittlere Zone angekoppelten Steuerelektrode, die nebst Zwischenschicht wenigstens einen Teil der Schnittlinien von den beiden pn-Übergangsflächen und der Oberfläche des Halbleiterkörpers überdeckt. Normalerweise ist dieses Halbleiterbauelement nichtleitend, wenn eine Spannung an die beiden äußeren Zonen angelegt wird, da einer der beiden pn-Übergänge stets in Sperrichtung vorgespannt sein wird. Wenn nun eine geeignete Ladung in der ferroelektrischen Schicht durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Steuerelektrode induziert wird, so konzentrieren sich die Minoritätsleitungsträger in einer dem Ferroelektrikum benachbarten Schicht der mittleren Zone mit der Folge, daß hier eine feldinduzierte Inversion des Leitungstyps entsteht, also ein die beiden äußeren Zonen verbindender und den gesperrten pnübergang überbrückender Kanal gebildet wird. Dieses bekannte Halbleiterbauelement ist daher als ein mittels Polarisation eines Dielektrikums arbeitender reiner Ein-Aus-Schalter anzusehen. Eine Verstärkungswirkung, wie diese erfindungsgemäß angestrebt werden soll, ist nicht erreichbar.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist nun dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper Silizium ist und die genetische Oxidschicht durch thermische Umsetzung erzeugt ist und daß die Steuerelektrode nebst Oxidschicht wenigstens einen Teil der Durchstoßlinien der pn-Übergänge mit der Hauptfläche überdeckt.

Es ist zwar bekannt, genetische Siliziumdioxidschichten auf Silizium zu erzeugen, man war bisher aber der Auffassung, daß eine genetische Siliziumoxidschicht auf Silizium eine permanente Fixierung der elektrischen Eigenschaften von Siliziumoberflä-

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jchen bewirkt (vgl. USA.-Patentschrift 2 899 344). dem Kontakt 24. Unter dem Einfluß der durch die I Es war daher zu erwarten, daß mit dem System Spannung V₁ erzeugten Ladungsansammlung _: des I Silizium-Siliziumoxid allenfalls feldeffektgesteuerte einen Vorzeichens auf der Elektrode 21 wird eine !Schalter realisiert werden könnten, die in ihrer Ladung mit dem entgegengesetzten "Vorzeichen im grundsätzlichen Wirkung dem oben angesprochenen 5 Oberflächenteil23 der Scheiben induziert,
mittels Polarisation eines Dielektrikums arbeitenden Eine typische Belastungslinie für die Belastung L Schalter entsprechen. ist durch die strichpunktierte Linie 31 in F i g. 2 dar-• Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß gestellt. Zunächst ergibt sich, daß alle Kennlinien, i dem keineswegs so ist und ein verstärkendes Halb- die je einer festen Spannung V₁ entsprechen, einen im ! leiterbauelement der in Rede stehenden Art dann io wesentlichen waagerechten Teil aufweisen, in dem j erhalten werden kann, wenn im übrigen die gene- die Spannung verhältnismäßig · unabhängig vom j tische Siliziumoxidschicht durch thermische Um- Strom ist. Demgemäß ist die beschriebene Schaltung i Setzung erzeugt ist. als Spannungsregler verwendbar, wenn sie mit koni Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement läßt stanter Spannung V₁ betrieben wird. Femer ist eri sich ohne weiteres auch in einer Schaltung mit 15 sichtlich, daß eine Einstellung auf eine feste Spanj kathodenfolgeähnlichem Verhalten, also zur Lei- _nung V₁ eine Beeinflussung der Spannung erlaubt, ^: stungsverstärkung, verwenden. bei der die Regelung stattfindet. Demgemäß erhält ; Im folgenden ist die Erfindung an Hand der man einen Spannungsregler, dessen Spannungspegel ; Zeichnung beschrieben, es zeigt einfach dadurch geändert werden kann, daß die ; F i g. 1A eine teilweise geschnittene Ansicht einer 20 Spannung zwischen der Elektrode 21 und dem Konbevorzugten Ausführungsform des Halbleiterbau- takt 24 geändert wird. Alternativ kann eine Signalelements sowie ein Schaltungsbeispiel hierfür, quelle in Reihe mit der Gleichspannungsquelle V_f F i g. 1B eine alternative Schaltungsanordnung für geschaltet werden. Diese Anordnung ist schematisch die Ausführungsform nach Fig. IA und in Fig. IB dargestellt. Bei dieser Betriebsweise be-Fig. 2 ein Diagramm des Stromspannurigskenn- 25 wirken Änderungen der Spannung der Signalquelle linienfeldes des Halbleiterbauelements in der Schal- entsprechende Änderungen der Spannung an der. Betung nach Fig. 1. lastung L, wenn auch mit einer Phasenumkehr. Da Das Halbleiterbauelement 10 weist nach Fig. IA die Eingangsimpedanz typischerweise viel größer als eine Halbleiterscheibe 11 aus einkristallinem Silizium die Belastungsimpedanz ist, wird eine Leistungsvermit beispielsweise einer Kantenlänge von etwa 30 Stärkung möglich.

0,15 cm und einer Dicke von 0,025 cm auf. Der Beim Entwurf des Halbleiterbauelements ist die

Hauptteil 12 der Scheibe 11 ist η-leitend, und auf bekannte Hauptüberlegung wichtig, das größte Feld E

der einen Hauptfläche 18 der Scheibe befinden sich im Halbleitermaterial bei der kleinsten Eingangs-

im Abstand voneinander angeordnete p-leitende spannung V₁ zu erzeugen. Die Gleichung in bezug

Oberflächenteile (Oberflächenzonen) 13 und 14. Die 35 auf E und V lautet

Oberflächenzonen 13 und 14 sind etwa 0,0025 cm _e γ

dick und werden durch bekannte Diffusions- und E =

Fotomaskierverfahren hergestellt. Der Teil 15 zwi- ^es^?

sehen den beiden Oberflächenzonen 13 und 14 ist wobei e_f die Dielektrizitätskonstante des dielektri-

etwa 0,0076 cm breit und durch die beiden pn-Über- 4° sehen Belags, e_s die Dielektrizitätskonstante des

gänge 16 und 17 begrenzt. Vorteilhafterweise wird Halbleitermaterials und t die Dicke des dielektrischen

die Fläche der Zonen 13 und 14 klein gehalten, um Belags ist. Um das größte Feld bei der geringsten

eine übermäßige Kapazität zu vermeiden. Beim dar- Eingangsspannung zu erhalten, ist also der Faktor

gestellten Beispiel hat jede Oberflächenzone das _e

Aussehen eines »Schlüssellochs«, dessen größte Ab- 45 —

messungen auf der Oberfläche kleiner als 0,0625 cm ^l

sind und eine Fläche von weniger als 2 · 10~³ cm² der als Gütefaktor angesehen werden kann, möglichst

einnimmt. Die Schicht 19 ist ein genetischer Oxid- groß zu machen. e_s für Siliziumdioxid beträgt 3,8.

belag, der demgemäß in innigem Kontakt mit der Eine typische Dicke t für den Oxidbelag ist 1000 A-

Oberflächel8 steht. Das Oxid ist etwa 1000 A dick 50 Einheiten oder 10~⁵ cm. Daher ergibt sich für den

und nach einem der Verfahren thermisch aufgewach- Gütefaktor als typischer Wert 3,8-10⁵ (cms"¹). Die

sen, die in der USA.-Patentschrift 2 930 722 be- Leichtigkeit, mit der eine Siliziumdioxidschicht von

schrieben sind. Diese Verfahren ergeben zunächst 1000 Α-Einheiten auf Silizium wächst, macht das

einen Oxidbelag auf dem gesamten Halbleiterkörper. Siliziumsystem besonders attraktiv. Ferner ist zur

Das Oxid kann auf Wunsch nach bekannten Me- 55 Erzielung einer optimalen Steilheit bekanntlich die

thoden auf ausgewählte Teile der Oberfläche be- Länge des Oberflächengebiets zwischen den beiden

grenzt werden. Auf der Außenseite 22 des Oxid- äußeren Oberflächenzonen geteilt durch die Breite

belages 19 ist eine Elektrode 21 so aufgebracht, daß möglichst groß zu machen.

sie sich über das Gebiet der Schnittlinien beider pn-

Übergänge 16 und 17 ausdehnt. An den Oberflächen- 60 Beispiel

zonen 13 und 14 sind ohmsche Kontakte 24 und 25

als Anschlußelektroden vorgesehen. Zwischen den Zur Herstellung eines Halbleiterbauelements der in

Kontakten 24 und 25 sind eine Belastung L und eine Rede stehenden Art wurde von einer n-leitenden

Batterie 27 mit der Spannung V in Reihe geschaltet. Siliziumscheibe ausgegangen, die gleichmäßige Phos-

Die Batterie ist so gepolt, daß der pn-übergang 16 in 65 phorkonzentration und einen spezifischen Widerstand

Sperrichtung und der pn-übergang 17 in Flußrich- von etwa 6 Ohm/cm aufwies. Auf der Oberfläche

tung vorgespannt sind. Eine Spannungsquelle 28 der der Scheibe wurde ein Siliziumdioxidbelag durch

Spannung V, liegt zwischen der Elektrode 21 und 120 Minuten langes Erhitzen in Wasserdampfatmo-

Sphäre bei 1200° C erzeugt. Es wurden Fotomaskierverfahren benutzt, um die für die beiden p-Oberflächenzonen vorgesehenen Teile der Halbleiteroberfläche durch das Oxid hindurch geeignet festzulegen. Sodann wurde die Scheibe Borpentoxid-Dampf ausgesetzt, um die beiden Teile der Halbleiteroberfläche auf eine Oberflächenkonzentration von etwa 10²⁰ Bor-Atomen/cm³ zu dotieren. Durch diese Diffusionsbehandlung erhielt man zwei p-leitende Oberflächenzonen, die jeweils die Form eines »Schlüssellochs« hatten und durch ein n-Oberflächengebiet von 0,0046 X 0,0625 cm getrennt waren. Das restliche Oxid wurde dann in konzentrierter Flußsäure entfernt. Diese Säure ergibt in etwa 5 bis 10 Minuten einen Belag auf den p-Oberflächenzonen, der oftmals zur Bestimmung der Lage der pn-Übergänge im Silicium benutzt wird. Hier wurde jedoch der Belag dazu verwendet, um das p-Gebiet für die nachfolgende Ätzung abzudecken, in deren Verlauf die Scheibe 20 bis 30 Sekunden lang in einer 10:1-Lösung von Salpetersäure und Flußsäure gewaschen wurde. Von den nicht abgedeckten Teilen der Oberfläche der Scheibe wurden etwa 0,003 cm Silizium abgeätzt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die anfängliche Dotierstoff-Oberflächen-Konzentration der p-Oberfläche erhalten bleibt, da diese 5 Oberflächen durch den erwähnten Belag geschützt sind, so daß die Anbringung von ohmschen Kontakten erleichtert wird. Die Scheibe wurde dann gereinigt und entsprechend den Lehren der USA.-Patentschrift 2 930 722 in Dampf oxidiert. Durch 40 Minuten langes Erhitzen der Scheibe auf etwa 650° C bei einem Druck von 55 Atmosphären wurde ein Oxidbelag von 1000 Α-Einheiten gebildet. Auf den Oxidbelag gegenüber den beiden pn-Übergängen und dem zwischenliegenden η-Kanal wurde eine etwa 1500 Ä dicke Aluminium-Elektrode aufgedampft. Durch das Oxid wurden zwei Löcher zu den p-Oberflächenteilen der Scheibe gebohrt, dann wurde ein Goldleiter mit den offenliegenden Teilen verbunden. Die Frequenzgrenze des Halbleiterbauelements lag

so oberhalb 10⁸ Hertz, während die maximale an die Übergänge angelegte Spannung 105 Volt bei Vf=5 Volt betrug.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verstärkendes Halbleiterbauelement mit einer npn- oder pnp-Zonenfolge, von denen die beiden äußeren Zonen als in einer Hauptfläche des Halbleiterkörpers vorhandene Oberflächenzonen vorliegen und je mit einer Anschlußelektrode versehen sind und von denen die mittlere Zone mit einer über eine genetische Oxidschicht angekoppelten Steuerelektrode versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper Silizium ist und die genetische Oxidschicht durch thermische Umsetzung erzeugt ist und daß die Steuerelektrode nebst Oxidschicht wenigstens einen Teil der Durchstoßlinien der pn-Übergänge mit der Hauptfläche überdeckt.

2. Verstärkendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußelektroden mit den äußeren Zonen durch oberhalb derselben gelegenen Öffnungen der genetischen Oxidschicht hindurch in Kontakt stehen.

3. Verstärkendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genetische Oxidschicht etwa 1000 A dick ist.