DE1564522A1

DE1564522A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE1564522A1
Application number: DE19661564522
Authority: DE
Inventors: Ronald Rosenzweig
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1965-03-17
Filing date: 1966-03-10
Publication date: 1972-01-20
Also published as: SE326502B; GB1137388A; US3427511A; NL6603436A; ES324211A1; BR6677894D0; JPS499269B1; NL150949B

Description

6302-66}Dr.Sd/Ro. 156 A 522

RCA 54 736
US-Ser.No. 440,397
Filed: March 17, 1965

Radio Corporation of America, New York, N.Y., USA

Halbleitervorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte Halbleitervorrichtungen, welche eine hohe Leistung bei hohen Frequenzen übertragen können.

Transietoren, welche eine hohe Leistung Übertragen konnten, nämlich eine höhere Leistung als ein Watt zeigten bei hohen Frequenzen, nämlich bei mehr als 100 MHz eine unerwünschte Erscheinung, die als zweiter Durchbruch bezeichnet werden kann. Bei diesem sogenannten zweiten Durchbruoh konzentriert sich der Emitteratrora eines Transistors auf kleine Bezirke und bewirkt eine örtlich· überhitzung des Transietors. Dies kann nicht nur die Wirkungsweise des Transistors erheblich beeinträchtigen, sondern auch zu seiner vollständigen Zerstörung führen.

10 988 4/1415

Wenn der soßenannte zweite Durchbruch eintritt, ändert sich der Ausgangswiderstand eines Transistors fast augenblicklich von einem großen Wert auf einen kleinen Wert. Der dabei eintretende Betriebszustand unterscheidet sich von dem normalen Betriebszustand eines Transistors dadurch, daß die Basiselektrode den Kollektor nicht mehr zu steuern vermag. Der zweite Durchbruch hängt mit Unvollkoramenheiten der Halbleitervorrichtung zusammen und tritt in höherem Grade bei Halbleitervorrichtungen für hohe Leistungen, die einer naehrfachen Diffusion unterworfen waren, auf,

Ein Zweck der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Transistor anzugeben, der bezüglich des zweiten Durchbruchs bessere Eigenschaften besitzt.

Ein« Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tranaistors hat eine Emitterzone vom einen Leitungstyp und eine Basiszone de« entgegengesetzten Leitungstype, welche die Emitterzone umgibt. Die Emitterzone besteht aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil, wobei der erste Teil ein praktisch nicht emittierender Teil ist und der zweite Emitterteil der aktive Emitter ist. Der EmitteranschluSkontakt wird nur an dem ersten Teil der Emitterzone angebracht»

Fig. 1 stellt eine Aufsicht auf einen Teil eines erfindungsgemäSen Transistors dar.

Pig, 2 ist ein Schnitt längs der Schnittebene 2-2 in Fig. 1.

109884/U15

Fig, 3 ist eine vergrößerte Darstellung eines Schnittes längs der Schnittebene 3-3 in Pig. I und

Fig. 4 eine Aufsicht auf einen Transistor für hohe Leistungen, welcher Merlanale der Erfindung aufweist.

Fig. I bis 4 veranschaulichen eine AusfUhrungsi'orni eines erfindungsgeraäßen Transistors.

In Fig. I und 2 let ein kleiner Teil eines Planar-Leistungstransistors veranschaulicht, welcher vollständig in Flg. 4 dargestellt ist. Der Transistor enthält einen im ganzen mit 2 bezeichneten Einkristall aus Si11slum mit einer Kollektorzone 4 von der Leitfähigkeit N+j die einen spezifischen Widerstand von etwa 0,01 Ohmxentiraeter haben kann. Die Dicke der Zone 4 kann etwa 0,15 bis 0,2 mm betragen und die Epitaxialechlcht 6 kann beispielsweise eine Dicke von 0,02 tun besitzen.

Auf der Oberfläche 8 dee Silieiumkörpers ist eine Mehrzahl von getrennten kreisförmigen und durch Eindiffusion entstandenen Basiszonen 10 vom P-Lsitungstyp vorgesehen. Die Basiszonen 10 können Je eine Dicke von etwa 0,002 nun bis 0,00£5 mm besitzen. Der Oberflächenwiderstand oder Schichtwiderstand dieser Teile kann etwa 150 0hm je Flächeneinheit betragen. Sie können durch Eindiffundieren von Bortrioxyd oder Bortribromid in die Oberfläche 8 bei Temperaturen von 890 bis 920⁰C hergestellt werden, wobei dieser Eindiffusionsvorgang etwa 30 Minuten dauert und sodann eine weitere Eindiffusion bei 1200°c für weitere 30 Minuten

109884/U15

vorgenommen wird. Diese diskreten Basissonen 10 stellen Jedoch nur einen Teil der ganzen Basiszone der Halbleiter/orrichtung dar«

Dl· BasisjBon« enthält nämlich eine weitere Zone 12 von Leitungstyp P+, der die kreisförmigen Teile 10 umsohlieSt und 41· ganse Oberfläche des Halbleiterkörper« außerhalb der kreieförmigen Teil· 10 bedeckt. Die Zone 12 hat einen Flächenwiderstand von etwa 1 Ohm Je Flächeneinheit, Sie kann dadurch hergestellt werden« daft man Bor entweder in Form von Bortrioxid oder in For» von Bortribromld beispielsweise bei 1150⁰C für die Dauer von 15 Minuten eindiffundiert, Die Zone 12 wird mit einen Basiskontakt versehen.

Von der Oberfläche 8 aus wird in Jeder Basiszone 10 noch . •Ine Imltterwiderstandssone 14 von einer Dick· von etwa —

ι Q angebracht. Dl··· Zonen haben einen FlKohenwlderstand von etwa 10 oder 20 bis 100 Ohm Je Flächeneinheit, sie können durch Eindiffundieren von beispielsweise Phosphoroxychlorid (POCl^) bei 900⁰C für die Dauer von 25 Minuten hergestellt werden. Bei der dargestellten Halbleitervorrichtung haben dl· Zonen 14 etwa einen Durchmesser von 0,038 sst^', ^>c< ^

Ferner 1st mit Jeder Baalssone 10 und jeder Kaitterwiderstandesooe 14 noch «In kreieringföreiger Eeitterteil 16 verbunden« der den Leitungstyp IN· beeitit. Diese Teile 16 bilden dl· aktiven Eeittersonen der Halbleitervorrichtung, Bei der In Flg. 2 dargestellten Konstruktion haben dl· Teile 16 «inen

109884/U15 bad original

äußeren Durchmesser von 0,06 mm (2,5 mil) und sind auf ein· Tiefe von etwa O₄QOl mm (0,05 mil) eindiffundiert. Si« erstrecken eich daher in eine etwas größere Tiefe und sind etwas stärker dotiert als die Teile 14. Sie können einen Flächenwideretand von 0,5 bis 2 Ohm je Flächeneinheit besitzen· Di· Teile 16 können dadurch hergestellt werden, dafl man Phosphoroxychlorid in die Oberfläche 8 bei 1025°C für die Dauer von 16 Minuten eindiffundiert.

Die gesamte Oberfläche θ mit Ausnahme von Aussparungen für die Kontakte der Emitter und der Basis wird mit einem isolierenden Oberzug aus Silisiuradioxyd 18 versehen. Metallische Emitterkontakte 20 in Form von Streifen aus beispielsweise Aluminium werden durch Aufdampfen Ια Vakuum auf der Slliziumoxydschioht angebracht und stellen «inen leitenden Kontakt durch die Oxydschicht hinduroh bis zur Mitte jedes Emitterwiderstandeteils 14 dar. Diese Kontakte sind kreisförmig und sind in Fig. 1 und 2 mit 22 bezeichnet. Wie in Flg. 4 dargestellt werden die Streifen 20 an ihrem einen Ende durch einen Querbalken 24 ähnlich wie die Zähne eines Kammes miteinander vereinigt«

Die Basiskontakte der Halbleitervorrichtung werden beispielsweise mittels im Vakuum aufgedampfter Aluminiumstrelfen 26 auf der Slllzlumdloxydsohioht 18 angebracht und reichen durch Öffnungen 28, in dieser Schicht 18 gemäß der in Fig. 3 enthaltenen Darstellung bis zur Basiszone 12 hln-

BAD ORKäiMAL

109884/U1 5

durch. Die Offnungen l8 haben eine Fliehe von 0,025 χ 0,025 mm und eine leicht klssenföraiige Gestalt, Diese Kontakte werden ao angebracht» dafl ihre konkaven Kanten symmetrisch zu dem kreisförmigen Rand der Emitterzonen 16 liegen. Die Kanten der Öffnungen 28 sind Kreisbögen, welche den gleichen Mittelpunkt haben, wie die ihnen zunächst liegenden Emitterzonen

Wenn man in Fig. 4 eine Emitterzone, beispielsweise die Emitterzone 16* betrachtet, so sind die vier Basiskontakte 28a, 28b, 28c und 28d symmetrisch um die Zone 16* verteilt, so dafl alle Teile des Emitterumfange sich auf dem gleichen Potential bezüglich der Basiskontakt· befinden. Diese Anordnung bewirkt eine praktisch gleichmäßige Verteilung der Emltter-Basisstrume und wirkt bei der Verhinderung des zweiten Durchbruchs mit. Wie In Flg. 4 dargestellt, sind die Basisanschltlsse 26 alle miteinander verbunden und stehen an der Oberseite der Fig. 4 wie die Zähne eines Kammes durch einen Balken 20 miteinander in Verbindung.

Der Fllchenwiderstand des Ballastwiderstandes 14 kann zwischen zwei und hundert 0hm Je Flächeneinheit gewählt werden, um die gewünschte Anpassung an die Jeweilig vorliegenden Verhältnis»· zu erreichen* Auier durch die Oröße des Flächenwiderstandes des Materials wird der Wideretand«wert noch durch das logarithmische Verhältnis des äuBeren Durohmessers des Widerstandes 14 sum Inneren Durchmesser der Kontaktflächen beeinflußt. Bei der dargestellten Halbleitervorrichtung

BkD ORiCiNAL 109884/U16

ist ein bevorzugtes YerMlferiis des 3£uß@r®ra Purchmeesers -sum inneren Durchmesser der Wert 5«

Es ist nicht ttealmiehtlgt« da® ill® Widerst&ntefeeil· 1% ale Emitter für den Sferois arbeiten« da dies ihr© Wirkeas&eit beeinträchtigen wfirde.

Bei der im Fig. 2 dargestellten Vorrichtung verhinderst die Ringe 16, die, sie tiefer in die 6a&iszon@ eindringen« mim die Widerstünde 1% eine Iiijsktion e-elt^nr dieser WMwpateiade_e da sie diese fiidiersitiiüiie -won der Eaeissons 16 trexmesio ein Basisstroa Sie Mld&re&Mnie 1^- err#l@h@a teemn

zone mit hohem Fll@hesi«idl4is%tfind unter am Emitterringen hisiöarchflisE^v, Ein guter dem sweiten Stfr@ J

«renn di« Teile 1% und l€ il@i@h ti«f @inilffimäl®Ft die Emiesion de* Enitfe#r«>B«iisffitroRi@&; fast nmr des Initterc afcs,itfin£«t,. M© dargestellt® stellt daher eiii« tevorsisgte AusfUhrungefoi^ der dar.

Die Wirkens de« B&ll&st.wMtrstande» 14 b®st«h% die EmItter-B*.jFlasiJ«nnunjE sis verkleinern, w®m% der einer Seite sttrk

Es wurden Iranelstören hergestellt mit einess wideretand bl& zu 25 Ohm Je Eoiitt®rlej?%«-sf Diese

109884/1415

zeigen einen wesentlichen Portschritt bezüglich des zweiten Durchbruohs, wenn der Ballastwiderstand erhöht wurde. Transistoren, welche normalerweise nicht mehr als 35 Volt bei einen Ampere auehielten« konnten mit diesen Widerständen mit 100 Volt belastet werden.

Transistoren IUmIloh der PIg. 4, Jedoch mit der

ία-doppelten Zahl von Emittereeltea- und der doppelten FlKohen- grö8e sind als C-Verstärker geprüft worden. Bei 30 MHz war das Verhalten etwa das gleiche wie bei den nicht belasteten Transittoren» es wurden nämlich 65 Watt bei 28 Volt mit einer Steuerleistung von 5 Watt geliefert. Die große Verbesserung bezüglich des zweiten Durchbruchs wurde also bei dieser Frequenz ohne Einbuße an anderen Eigenschaften erreicht. Wegen der großen Zahl der parallelgeschalteten Ealttef1st der Oeaajotwlderstand sehr niedrig. Bei einem typischen Transistor mit 180 Knittern hatte jeder Emitter etwa 18 Ohm Widerstand und der Oesamtwlderstand war daher nur ungefähr 0,1 On«.

Wenn auch in dem beschriebenen AusfUhrungsbelsplel die aktiven Eeitterteile 16 und die Widerstandsteile 14 als rlngfOralg und kreisförmig dargestellt sind, so kann «an doch auoh ander« Foreen beispielsweise Beohteokforaen verwenden. Der Ausdruck "konzentrisch" soll eich auf jede Fora beziehen, in welcher beide Teile den gleichen Mittelpunkt besitzen.

10988A/U15

Claims

1561522 ' - 9 -

Patentansprüche

1.) Traneistor mit Emitterzone vom einen Leitung!typ und Basiszone vom entgegengesetzten Leitungetyp, dadurch gekennzeichnet , daß die Basiszone die Eaitterzone umschließt, und daß der Emitter aus einen ersten praktisch nicht emittierenden Teil und einem zweiten als aktiver emitter wirkenden Teil besteht, und daß die Bmitterzuleitung nur am ersten Teil befestigt ist.

2.) Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daS der erste Teil der Emitterzone «inen erheblich höheren spezifischen Widerstand aufweist als der zweite Teil der Emitterzone,

"3.) Transietor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g · -kennzei ohnet > daß sich die Emitterzone konzentrisch zu der Basiszone befindet, und daß der erste und zweite Teil der Emitterzone ebenfalls konzentrisch zueinander liegen.

ty.) Transistor nach Anspruch j5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Teil der Emitterzone kreisförmig sind und konzentrisch zueinander liegen.

5.) Transistor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dafi der erste Teil der Emitterzone ein Ballastwiderstand ist und der zweite Teil der Emitterzone einen aktiv emittierenden Umfang in der Nähe

109884/1415

der Basiszone besitzt· daß die Emltterzuleltung an den Ballast· widerstand angeschlossen ist* so daß praktisch der gleiche Wideretand für einen Strom zwischen der Bmitterzuleltung und allen Teilen des aktiven Ernitterunfangs des zweiten Teils der Emitterzone besteht,

6.) Transistor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet» daß der Transistor eine Vielzahl von Emitterzonen enthält und da3 alle ersten Teile dieser Emitterzonen parallelgeschaltet sind.

7.) Transistor nach einem der vorstehenden Ansprüche« dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone einen ersten Teil enthält, der eine verhältnismäßig geringe Leitfähigkeit in der unmittelbaren Umgebung jedes zweiten Teils der Emitterzone aufweist* da3 die Basiszone einen weiteren Teil von verhältnismäßig hoher Leitfähigkeit in der Umgebung der ersten Basiszone besitzt, und daß elektrische Kontakte zu den zweiten Teilen der Basiszonen bestehen, so daß die gesamte emittierende Fläche der Emitterzonen sich praktisch auf gleichen Potential gegenüber diesen Kontakten befinden.

9.) Transistor nach Anspruch 6 oder 7« dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzonen von einem isolierenden überzug bedeckt sind, da3 ferner diese Emitterzonen durch parallele Streifen angeschlossen werden, welche

10988 4/1415

aus aufgedampft« Metall auf den loolierUbersug bestehen« und daß metallische Leitungen von den Streifen an die ersten Teile der Emitterzonen durch öffnungen In dem leoIierUbersug hin» durch vorhanden sind.

10 9 8 8 4/1415