DE1764023A1

DE1764023A1 - Halbleiterbauelement mit verbesserter Durchbruchsspannung

Info

Publication number: DE1764023A1
Application number: DE19681764023
Authority: DE
Inventors: Cave Eric Frederick; Czorny Bohdan Robert
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1967-03-22
Filing date: 1968-03-22
Publication date: 1972-03-30
Also published as: SE346419B; GB1152156A; DE1764023C3; ES351788A1; BR6897822D0; DE1764023B2; US3443175A; FR1557424A

Description

6568-68, Seh/Kl

HCA 56 965

U.So Serial No.: 625 o6?

Filed: March 22, 1967

Radio Corporation of America New York, N_eX«,V.St_oA_o

Halbleiterbauelement mit verbesserter Durchbruchsspannung

Die Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente mit einem kristallinen Halbleiterkörper eines Leitungstyps, an dessen eine Fläche sich unmittelbar eine Zone des anderen Leitungstyps anschließt, wobei zwischen dieser Zone und dem Rest des Körpers ein PN-Uebergang besteht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in einer Erhöhung der Sperrdurchbruchs spannung und wird erfindungsgemäß durch eine polykristalline Schicht eines Halbleitermaterials vom entgegengesetzten Leitungßtyp wie die erwähnte Zone gelöst. Diese polycristalline Schicht bewirkt, daß die Sperrdurchsbruchsspannung des PN-Uebergangs erhöht wird.

Zwti Ausführungsbeiepiele der Erfindung sind in den beiliegenden Figuren 1 und 2 dargestellt und im folgenden beschrieben» Es zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen Mehrteiligen

Körper, der eine Mehrzahl von Halbleiterdioden ■ entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung enthält und
Fig. 2 einen Teilßchnitt durch einen Transistor gemäß

einer anderen Ausführungsform der Erfindung. 209814/1236 _ ₂ _

Beispiel I

Figur 1 zeigt einen zusammengesetzten Aufbau Io , der aus einer Mehrzahl gegeneinander isolierter Halbleiterbauelemente 11 besteht, die durch eine Isoliermatrix 12 miteinander verbunden sind, welche geeigneterweise aus Glas besteht. Der Aufbau Io kann hergestellt werden, in JLem eine Glasplatte und ein in geeigneter Weise vorbereiteter Halbleiterkörper heiß zusammengepresst werden.

Jedes Halbleiterbauelement 11 enthält einen halbleitenden Träger 13ο Die genaue Größe, Form, Leitungstyp und Zusammensetzung des Halbleiterträgers 13 ist für die Durchführung der Erfindung unkritisch. Der Träger 13 kann entweder P-leitend oder N-leitend sein, ferner kann er polykristallin oder monokristallin sein, obgleich monokristallines Material zur Erreichung der höchsten Durchbruchsspannung bevorzugt wird. Der Träger 13 kann weiterhin aus elementarem Halbleitermaterial, wie Germanium oder Silizium, oder auch legierten Halbleitermaterialien wie Silizium-Germaniumlegierungen, oder aus Halbleiterverbindungen wie Nitriden, Phosphiden, Arseniden oder Antimon!den der Elemente Bor, Aluminium, Gallium oder Indium bestehen. Im vorliegenden Beispiel ist jeder Halbleiterträger 13 scheibenförmig mit einem Durchmesser von etwa o,75 - 1*25 mm ausgebildet und besteht aus monokristallinem,N-leitendem Silizium mit einem niedrigen elektrischen spezifischen Widerstand (etwa o,ol Ohm/cm)·

Eine erste epitaktische Schicht 14 von monokristallinem Silizium des gleichen Leitungstyps wie der Träger 13 wird auf einer Oberfläche des trägers 13 abgelagert. Diese erste epitaktische Schioht 14 ist im vorliegenden Beispiel N-leitend und etwa Z^JLooo mm diok,

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und sie hat einen spezifischen Widerstand von etwa 2o-25 Ohm/cm« Die Grenzfläche 15 zwischen dem niederohmigen Halbleiterträger 13 und der hochohmigen epitaktischen Schicht 14 kann als hochohmigniderohmiger Uebergang bezeichnet werden.

Auf der ersten epitaktischen Schicht 14 wird eine zweite : ■epitaktische Schicht 16 aus einem kristallinen Halbleitermaterial abgelagert. Der Leitungstyp der zweiten Schicht 16 ist entgegengesetzt dem des Halbleiterträgers 13 und der ersten epitaktischen Schicht 14. Bei dieser Ausführuiigsform besteht die zweite epitaktische Schicht 16 aus P-leitendem monokristallinen Silizium, sie

ist etwa J=2— mm dick und hat einen spezifischen Widerstand von looo ^r

etwa 35-5o Ohm/cm. Die Grenzfläche 17 zwischen der zweiten epitaktischen Schicht 16 und der ersten epitaktischen Schicht 14 stellt einen gleichrichtenden PN-Uebergang dar.

Auf der zweiten epitaktischen Schicht 16 wird eine Schicht 18 aus polykristallinem Halbleitermaterial abgelagert, die vom gleichen Leitungstyp wie die zweite epitaktische Schicht 16 ist, jedoch vorzugsweise einen niedrigeren spezifischen Widerstand hat. Vorzugsweise ist der spezifische Widerstand der polykristallinen Schicht 18 um mindestens 2 Größenordnungen kleiner als der der angrenzenden epitaktischen Halbleiterschicht 16, d.h· er ist nicht Größer als l/loo des spezifischen Widerstandes der Schicht 16. Beim vorliegenden Beispiel besteht die Schicht 18 aus P-leitendem polykristallinen Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,008 Ohmjrfcm und einer Dicke von etwa o,125 bis o,175 mm. Die Grenzschicht 19 zwischen der P-leitenden epitaktischen Schicht 16 hohen spezifischen Wideretandes und der P-leitenden polykristal-

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linen Schicht 18 niedrigen spezifischen Widerstandes läßt sich als niederohmig- hochobmiger Uebergang bezeichnen« Durch Ablagerung der Schicht 18 bei niedrigeren Temperaturen oder durch schnellere Ablagerung, als es für die monokristallinen Schichten erforderlich ist, wird die Schicht 18 polykristallin.

Will man eine schnell arbeitende Diode herstellen, so kann man vor der Bildung des vollständigen zusammengesetzten Körpers Io in den Träger 13 ein Material hineindiffundieren, welches für das verwendete Halbleitermaterial die Ladungsträgerlebensdauer herabsetzt, tfenn der Halbleiterträger 13 im vorliegenden Beispiel aus Silizium besteht, so wird auf eine Fläche des Trägers 13 ein nicht dargestellter dünner Goldfilm abgelagert, und der Träger wird dann auf etwa 95o° C. erhitzt, so daß das Gold in den Träger 13 hineindiffundiert. Das eindiffundierte Gold verringert die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger im Silizium.

Auf jeder polykristallinen Schicht 18 wird ein metallischer Ueberzug 2o, der beispielsweise aus aufplattiertem Nickel bestehen kann, abgelagert. Din gleicher metallischer Ueberzug 21, der ebenfalls aus einem nicht elektrisch aufplattiertem Nickelfilm bestehen kann, wird auf die freiliegende Oberfläche jedes Trägers 13 abgelagert. Die Metallüberzüge 2o und 21 dienen als Kontakte bzw. Elektroden. Die Elektrode 2o befindet sich überall im Abstand von der epitaktischen Schicht oder Zone 16, sie hat also keinen Kontakt mit ihr.

Die weiteren Schritte der Trennung der einzelnen Dioden und der Befestigung der elektrischen Zuleitungsdrähte an die Metallkon-

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takte werden in bekannter Weise durchgeführt und sind hier nicht beschriebene Gegebenenfalls können Gruppen, die aus einer Mehrzahl solcher Dioden bestehen, aus dem zusammengesetzten Körper Io ausgeschnitten werden, und die einzelnen Dioden jeder Gruppe werden durch bekannte Verfahren in Reihe geschaltet.

Normale Dioden, die in der vorbeschriebenen Weise hergestellt sind, jedoch die pdferkristalline Schicht 18 nicht enthalten, haben eine Durchbruchsspannung von 4oo Volt bei einem Strom von Io Mikroampere. Weiterhin sind die I-U-Kenn^linien stark abgerundet. Im Gegensatz dazu, zeigen die Dioden, welche die erfindungsgemäße pojrkristalline Halbleiterschicht 18 aufweisen, eine Durchbruchsspannung, die beträchtlich über 9oo Volt bei Io Mikroampere liegt. Auch ist der fCennlinienknick der I-U-Kennlinien schärfer.

Im vorliegenden Beispiel ist die polykristalline Siliziumschicht auf einer angrenzenden monokristallinen Siliziumschicht abgelagert. Alternativ kann auch eine polykristalline Germaniumschicht auf der monokristallinen Siliziumschicht abgelagert werden« In ähnlicher Weise kann polykristallines Silizium auf monokristallinem Germanium abgelagert werden. Auch können die Leitungstypen der verschiedenen Zonen des beschriebenen Bauelementes umgekehrt werden.

Beispiel II

Bei der vorbeschriebenen Ausführungsform wurde der PN-Uebergang angrenzend an eine epitaktische Schicht eines Halbleitermaterials ausgebildet. Bei der nun beschriebenen Ausf ührunijsform wird der P-N-Uebergang angrenzend an eine diffundierte Halbleitermaterialschicht ausgebildet.

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Gemäß Fig. 2 wird dabei ein Transistor 3o gebildet, der einen kristallinen Halbleiterkörper 51 eines Leitungstyps mit mindestens einer Fläche 32 aufweist. Hierbei besteht der Körper 31 aus monokristallinem ßilizium und ist N-leitend. Eine Isoliermaskenschicht 33 wird auf der einen Seite 32 des Halbleiterkörpers 31 abgelagert. Diese Isoliermaskenschicht 33 kann beispielsweise aus Siliziumdioxyd bestehen, das durch Aufheizung des Halbleiterkörpers 31 im Dampf eine Siloxanverbindung abgelagert ist.

Unmittelbar angrenzend an die Fläche 32 des Halbleiterkörpers 31 befindet sich eine diffundierte Zone 34- des entgegengesetzten Leitungstyps. ImVorliegenden Beispiel ist die Zone 34· P-leitend und durch Diffusion von Boroxyd in einen nichtmaskierten Teil der Fläche 32 ausgebildet worden. Die Grenzfläche 35 zwischen der P-leitenden Zone 34· und dem N-leitenden Material des Halbleiterkörpers 31 wird der Basis-Kollektor-PN-Uebergang des Transistors»

Unmittelbar angrenzend an die Fläche 32 und innerhalb der P-leitenden Basiszone 34- ist eine diffundiert· Emitterzone 36 vom ersten Leitungstyp, also vom gleichen Leitungstyp wie die Hauptmasse des Halbleiterkörpers 31» angeordnet. Die diffundierte Zone 36 ist im vorliegenden Beispiel N-leitend und ist durch Ündiffundieren von Phosphorpentoxyd in einen unmaskierten Teil der Fläche 32 ausgebildet worden. Die Grenzfläche 37 zwischen der N-leitenden Emitterzone 36 und der P-leitenden Basiszone 34- dient als Emitter-Basis-PN-Uebergang des Transistors.

Eine ringförmige Schicht 38 aus polykristallinem Halbleitermaterial ist auf einem nicht abgedeckten Teil der Fläche 32 in unmittelba-

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rem Kontakt mit der Basiszone 34 abgelagert. Die polykristalline Schicht 38 hat den gleichen Leitungstyp die die Basiszone 34, doho im vorliegenden Beispiel ist sie P-leitend., Vorzugsweise ist der spezifische Widerstand der polykristallinen Schicht

38 kleiner als o.ol Ohm/cm.

Auf einem nicht abgedeckten Teil der Fläche 32 wird in direktem Kontakt mit der Emitterzone 36 eine Schicht 39 aus polykristallinem Halbleitermaterial abgelagert. Die polykristalline Schicht

39 hat den gleichen Leitungstyp wie die Emitterzone 36, im vorliegenden Beispiel ist sie also N-leitend. Vorzugsweise ist der Widerstand der polykristallinen Schicht 39 kleiner als o,ol Ohm/cm. Im vorliegenden Beispiel bestehen die polykristallinen Schichten 38 und 39 beide aus Germanium. Andererseits können die polykristallinen Schichten 38 und 39 auch aus Silizium oder aus zwei verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen» Die Herstellung des Bauelementes wird durch bekannte photolithograpliische Maskierungsund Aetztechniken ausgeführt.

Zur Vervollständigung des Bauelementes wird ein erster ringförmiger Lietallfilm 4o auf der polykristallinen Schicht" 38 und ein zweiter metallitscher Film 4-1 auf der polykristallinen Schicht abgelagert. Die Hetallfilme 4o und 41 bestehen geeigneter Weise aus Chrom, Palladium, Aluminium, Wickel oder dergleichen und dienen als Basis-bzw. Emitterelektroden des Transistors» Die Elektrode 4-0 hat überall von der Basiszone 34 einen Abstand, und die Elektrode 41 hat überall von der Emitterzone 36 einen Abstand. Elektrische Zuleitungsdrähte 4-3 und 42 werden an die Elektroden 4-0 bzw. 41 angeschlossen.

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Bei dem fertiggestellten Transistor 3o verbessern die polykristallinen Schichten 38 und 39 nicht nur die elektrischen Charakteristiken der Basis-Kollektor-Uebergangs 35 und des Emitter-Basis-Uebergangs 37t sondern sie dienen auch zum Schutz dieser Uebergänge, indem sie diese gegen störende Wirkungen von Feuchtigkeit und anderen unerwünschten Umgebungsverunreinigungen abdichten.

Patentansprüche:

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Claims

6568-68, 3ch/Kl λ 7 β Δ Π 2 ^

HCA 56 965 3 -

Patentansprüche

Halbleiterbauelement mit einem monokristallinen halbleitenden Körper eines Leitungstyps, der mindestens eine große Oberfläche hat, und mit einer unmittelbar angrenzend an dieser Oberfläche angeordneten Zone vom entgegengesetzten Leitungstyp, wobei zwischen dieser Zone und dem Hauptmaterial des Körpers ein PN-Uebergang besteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine polykristalline Halbleiterschicht (18,38) vom entgegengesetzten Leitungstyp wie die Zone (16,35) auf dieser angeordnet ist und daß auf dem Halbleiterkörper (13,31) und der polykristallinen Schicht (18,38) elektrische Kontakte (2o,4o, 41) angebracht; sind.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß die polykristalline Schicht (18,38) aus dem gleichen Halbleitermaterial wie der Halbleiterkörper (13»31) besteht.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der spezifische v/iderstand der polykristallinen Schicht (18,38) mindestens zwei Grössenordnungen kleiner als der spezifische Widerstand der Zone (16,34) ist.
4. Halbleiterlement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der elektrische Kontakt (2o, 4o,41) auf der polykristallinen Sc.iichb (.Ui, -j'j)ni.ch überall

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