DE1960465A1

DE1960465A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE1960465A1
Application number: DE19691960465
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl-Phys Dr Goldbach
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1969-12-02
Filing date: 1969-12-02
Publication date: 1971-06-09

Description

"Halbleiteranordnung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit mindestens einem Metall-Halbleiter-Kontakt, der Richtwirkung besitzt. Solche Halbleiteranordnungen sind in den meisten Fällen Schottky-Dioden. Bei der Herstellung von Schottky-Dioden wird meist von einem aus zwei Schichten bestehenden Halbleiterkörper, beispielsweise einem Halbleiterkörper aus epitaktischem Silizium, ausgegangen. Die untere Schicht wird sperrschichtfrei kontaktiert und ist zur Veringerung des Bahnwiderstandes hoch dotiert und damit niederohmig. Auf die höherohmige iialbleiterschicht wird bei den bekannten Schottky-Dioden eine Metallelektrode aufgedampft, die einen sperrenden Kontakt mit der Halbleiterunterlage bildet. Wird Gold auf n-leitendes Silizium aufgedampft, ergibt sich beispielsweise eine Sperrschichtpotialdifferenz von 0.8 v.
Schottky-Dioden sind Majoritätsladungsträger-Bauelemente.
Es sind bereits Halbleiteranordnungen mit Metall-Halbleiterübergängen bekannt geworden, bei denen der gleichrichtende Übergang von einem Metall verursacht wird, das gegenüber dem Material des Halbleiterkörpers eine große Elektronenaustrittsarbeit besitzt. Diese Elektronenaustrittsarbeit wird in der Literatur vielfach auch als Potentialbarriere oder in vereinzelten Fälle@ auch mit Kontaktpotential bezeichnet. Schottky-Dioden, bei denen am Übergang eine große Potentialbarriere besteht, zeichnen sich durch eine gute Sperrcharakteristik aus. Diese Bauelemente besit en hohe Durchbruchspannungswerte und führen nur sehr kleine Sperrströme. Im Durchlaßbereich weisen diese Schottky-Dioden einen kleinen differentiellen Widerstand auf. Dafür ist jedoch bei vorgegebenen kleinen Durchlaßströmen Ii die Durchlaßspannung relativ hoch.
Etwas anderes liegen die Verhältnisse, wenn bei der Herstellung des gleichrichtenden Matall-Halbleiterübergangs ein Metall gewählt wird, das gegenüber dem Material des Halbleiterkörpers eine relativ niedere Elektronenaustritts arbeit besitzt. In diesem Fall ergibt sich zwar eine Verschlechterung der Sperrcharakteristik gegenüber der oben erwähnten Halbleiteranordnung. Auch das Durchlaßverhalten wird insofern schlechter, als der differentielle Durchlaßwiderstand bei einem I1 entsprechendem Strom relativ groß ist. Als Vorteil kann verbucht werden1 daß bei einem Metallkontakt mit geringer Elektronenaustrittsarbeit bereits bei kleinen Spannungen das Durchlaßverhalten der Diode einsetzt, so daß das Bauelement bereits bei sehr kleinen Durchlaßspannungen einen merklichen Durchlaßstrom führt.
Somit sind bei den bekannten Halbleiteranordnungen entweder hohe Durchlaßströme erst bei hohen Durchlaßspannungen möglich, oder es lassen sich kleine Durchlaßspannungen nur bei relativ kleinen Strömen erreichen, wobei noch ein relativ hoher differentieller Durchlaßwiderstand in Kauf genommen werden muß. Das bisher geschilderte Verhalten von bekannten Schottky-Dioden behinderte bislang die Ausdehnung des Anwendung sgebietes von Schottky-Dioden. So konnte vor allem der Vorteil der Schottky-Dioden, daß sich durch Wahl entsprechender Metalle kleinere Durchlaßspannungen als bei diffundierten oder legierten Dioden erreichen lassen, bisher nicht ausgenutzt werden, weil der differentielle Widerstand derartiger Dioden im Durchlaßbereich zu groß und das Sperrverhalten zu schlecht war. Schottky-Dioden waren bisher nur begrenzt einsatzfähig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu beseitigen und das Anwendungsgebiet von Halbleiteranordnungen mit gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Übergangen wesentlich zu erweitern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kontakt aus mindestens zwei galvanisch miteinander verbundenen Einzelkontakten besteht, die gegenüber dem Halbleiterkörper eine voneinander verschiedene Elektronenaustrittsarbeit besitzen.
Bei einer derartigen Halbleiteranordnung übernimmt im Durchlaßbereich zunächst der Einzelkontakt mit der kleineren Potentialbarriere den Durchlaßstrom. Ist die Potentialbarriere dieses Einzelkontaktes klein, wird über den Über gang bereits bei sehr kleinen Durchlaßspannungen ein merklicher Durchiaßstrom fließen Bei ansteigender Durch laßspannung übernimmt im zunehmen Maße der Einzelkontakt mit der höheren Potentialbarrier den Durchlaßstrom, so daß bei höheren Strömen ein sehr kleiner differentieller Widerstand zur Wirkung kommt. Mit der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung lassen sich somit im Durchlaßbereich auch bei kleineren Spannungen hohe Strome erzielen. In Sperrichtung kann das gute Sperrverhalten des Einzelkontaktes mit hoher Elektronenaustrittsarbeit des Meta@ls gegenüber dem Halbleiterkörper voll ausgenutzt werden, wenn das Metall des Einzelkontaktes mit hoher Elektronenaustrittsarbeit zugleich den Randbereich des gesamten Metallkontaktes bildet.
Die beiden Einzelkontakte können auf der Oberflächenseite des Halbleiterkörper unmittelbar aneinander angrenzen oder auch räumlich voneinander getrennt sein In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung umgibt auf einer Oberflächenseite des Halbleiterkörpers der eine Einzelkontakt den anderen ringförmig. Dabei kann der äußere oder der innen liegende Einzelkontakt die größere Elektronenaustrittsarbeit gegenüber dem Halbleitermaterial besitzen Um Anordnungen mit gutem Sperrverhalten des gleichrichtenden Kontaktes zu erzielen, ist es jedoch sinnvoll, den ringförmigen äußeren Einzelkontakt aus einem Metall zu wählen, das von den beiden verwendeten Metallen die größere Elektronenaustrittsarbeit gegenüber dem Halbleiterkörper besitzt Das Sperrverhalten kann noch dadurch verbessert werden, daß in die die Metallkontakte tragende Oberfläche des Halbleiterkörpers eine ringförmige hochdotierte Zone von dem Halb leiterkörper entgegengesetzten Leitungstyp so eingelassen wird,- daß nach dem Aufbringen d r Metallkontaktes des äußeren ringform en Einzelkontaktes über dieser ringförmigen Diffus onszone liegt Die Erfindung soll im weiteren anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Als Ausführungsbeispiel wird eine Schottky-Diode gewählt, für die die erfindungsgemäße Aufteilung des Metallkontaktes - wie bereits ausgeführt - besonders vorteilhaft ist In der Figur 1 sind die Strom-Spannungs-Kennlinien von drei verschiedenartigen Schottky-Dioden dargestellt. Die Funktion (a) charakterisiert eine Diode1 bei der der Metall kontakt aus einem Material mit niederer Fotentialbarriere gegenüber dem Halbleiterkörper besteht Ein solches Metall ist bei einem n-leitenden Silizium-Halbleiterkörper beispielsweise Nickel Aus der Kennlinie ergibt sich, daß bereits bei kleinen Spannungen ein Durchlaßstrom auftritt, jedoch, auch bei hohen Spannungen, keine große Durchlaßstrome erzielt werden können , Der differentielle Durchlaßwiderstand der Diode ist groß, das Sperrverhalten relativ schlecht. Die Funktion (b) beschreibt eine Diode, bei der der gleichrichtende Metallkontakt aus einem Blas terial mit hoher Potentialbarriere gegenüber dem Halbleitermaterial besteht m einen merklichen Durchlaßstrom zu erzielen, sind relativ hohe Spannungen erforderlich er differentielle Widerstand dieser Diode ist im Durchlaßbereich jedoch sehr klein. das Sperrverhalten ausgezeichnet. Die Funktion (c) charakterisiert das Durchlaßverhalten einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schottky-Diode Man erkeni,t, , daß bereits bei niederen Spannungen merkliche Durchlaßstrome erreicht werden, und daß mit wachsender Spannung auch die Stromstärke sehr rasch zunimmt, so daß trotz niederer Mindestdurchlaßspannung sehr große Ströme bei einem kleinen differentiellen Durchlaßwiderstand erzielt werden Das Sperrverhalten dieser Anordnung steht der Anordnung, die durch die Funktion (b) beschrieben wird, in nichts nach.
In der Figur 2 ist ein Halbleiterkörper dargestellt, der beispielsweise aus Silizium besteht. Der Ilalbleiterkörper setzt sich aus einem stark n+-dotierten Grundkörper 1 und einer auf diesem Grundkörper schwach n-dotierten Oberflächenschicht 2 zusammen Die Obenflächenschicht 2 wird beispielsweise durch epitaktisches Abscheiden hergestellt Die Unter seite des Halbleitergrundkörpers 1 ist mit einem sperrschichtfreien Anschlußkontakt 3 versehen Die diesem Kontakt gegenüberliegende Oberflächenschicht ist vorzugbweise mit einer Isolierschicht 4, insbesondere einer Oxydschicht, bedeckt Zur Herstellung des Metallkontaktes 5 wird in die Oxydschicht 4 eine erste Öffnung eingebracht, deren Durchmesser dem Durchmesser des herzustellenden Kontaktes entspricht Danach wird in die Oxydschichtöffnung vorzugsweise im Vakuum ein Metallbelag 5 aufgedampft, der gegenüber dem Halbleitermaterial eine relativ geringe Potentialbarriere bzw. Elektronenaustrittsarbeit besitzt. Danach wird die Öffnung in der Oxydschicht radial zeitwert und in die Offnungserweiterung ein zweites Metall eingebracht, das eine relativ hohe Potentialbarriere gegenüber dem n-leitenden Silizium-Halbleiterkörper bildet. Dieser zweite Einzelkontakt 6 umgibt nun den Kontakt 5 unmittelbar an der Halbleiteroberfl; he ringförmig. Zugleich überdeckt der Metallkontakt 6 den innen liegenden Einzelkontakt 5, so daß auf diese Weise die galvanische Verbindung zwischen den beiden Kontakten hergestellt ist.
Als Material für den Kontakt mit der geringen Potentialbarriere wird vorzugsweise ein Metall verwendet, dessen Elektronenaustrittsarbeit gegenüber dem Halbleiterkörper kleiner als 0,7 eV ist. Solche Metalle sind u. a. Nickel, Molybdän, Titan, Kobalt oder Vandium. Das Metall für den Kontakt mit der größeren Elektronenaustrittsarbeit besteht beispielsweise aus Gold, Palladium, Platinsilizid oder aus anderen Metallen oder Metallverbindungen mit einer Elektronenaustrittsarbeit über 0,7 eV. In der Figur 1 ist mit der Ziffer 7 die sich im Halbleiterkörper ausbildende Raumladungszone angedeutet; wenn an den Elektroden der Halbleiteranordnung keine äußere Spannung anliegt.
Aus dem Verlauf dieser Raumladungszone 7 sieht man, daß sie sich unter dem Einzelkontakt 6 mit der höheren Potentialbarriere tiefer in das Halbleitermaterial erstreckt als unter dem innen liegenden Einzelkontakt 5 mit der -niederen Potentialbarriere Das Sperrverhalten der in der Figur 2 dargestellten Schottky-Diode kann noch wesentlich verbessert werden, wenn gemäß Figur 3 nter dem äußeren Rand des ringförmigen äußeren Einzelkontaktes 6 eine hochdotierte p+-leitende und ringförmig ausgebildete Halbleiterzone 8 angeordnet wird. Die Geometrie dieser Diffusionszone muß natürlich nicht unbedingt ringförmig sein, aber sie muß der Geometrie des außen liegenden Einzelkontaktes 6 angepasst sein, die bei' spielsweise auch rechteckförmig sein kann.
Die Diffusionszone 8, deren Leitungstyp dem des halbleiterkörpers entgegengesetzt ist, wird vorzugsweise durch Diffusion unter Verwendung der bekannten Planartechnik vor dem Aufdampfen der Metallkontakte 5 und 6 erzeugt. Der Metallkontakt 6 bildet gegenüber der p+-Halbleiterzone 8 einen guten sperrfreien Kontakt, während in dem Bereich, wo der Metallkontakte 6 unmittelbar auf der n-leitenden Zone 2 aufliegt, e@ @leichrichtender Qatall-Halbleiterkontakt zustandekommt. Die Diffusionsspannung des zwischen den Zonen 2 und 8 bestehenden pn-Überganges liegt jedoch be trächtlich über den Potentialbarrierenbbeider Einzel kontakte 5 und. 6, so daß über diesen Außenbereich eine Beeinflussung des Durchlaßverhaltens der Schottky-Diode erst bei sehr hohen Stromwerten einsetzt. Beim Betrieb der Halbleiteranordnung in Sperrichtung verhindert die Diffusionszone 8 jedoch einen vorzeitigen Spannungsdurchbruch, da durch sie eine Reduzierung der elektrischen Feldstärke an der Halbleiteroberfläche verursacht wird.
Bei der in der Figur 3 argestellten Halbleiteranordnung ist wesentlich, daß nur ein Teil des äußeren Einzelkontaktes 6 auf der Diffusionszone 8 liegt, wobei es sich um den außersten Rand des Einzelkontaktes 6 handelt.
wahrend der innen liegende Teil des Metallkontaktes 6 mit einem Oberflächenbereich der Halbleiterzone 2 einen gleichrichtenden Teilkontakt bildet.
Der Einzelkontakt 6 erstreckt sich vorzugsweise auf die den Kontakt umgebende Isolierschicht 4 Hierdurch ist die in den Figuren dargestellte Halbleiteranordnung leicht kontaktierbar Die erfindungsgemäße Ausbildung eines gleichrichtenden Metall-Halbleiterkontaktes kann über eine Schottky-Diode hinaus auch auf andere Halbleiteranordnungen übertragen werden. So ist es beispielsweise möglich, bei MOS-Feldeffekttransistoren die Source- und Drain-Elektroden als gleichrichtende Metall-Halbleiterkontakte auszubilden.
Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß der hochdotierte Schutzring auch an einem äußeren Metallkontakt niederer Potentialbarriere angrenzen kann, der dann einen innen liegenden Metallkontakt großer Potentialbarriere umgibt Hierdurch kann insbesondere die Injektion von Ladungsträgern über den pn- Übergang verhindert werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1) Halbleiteranordnung mit mindestens einem Metall-Halbleiter-Kontakt, der Richtwirkung besitzt, dadurch gekenn zeichnet, daß dieser Kontakt aus mindestens zwei galvanisch miteinander verbundenen Einzelkontakten (5 und 6) besteht, die gegenüber dem Halbleiterkörper eine voneinander verschiedene Elektronenaustrittsarbeit besitzen.

2) Haibleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einzelkontakte (5 und 6) auf dem Halbleiterkörper unmittelbar aneinander angrenzen,

3) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einzelkontakt (6) den anderen Einzelkontakt (5) ringförmig umgibt

4) Ilalblei teranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere, ringförmige Einzelkontakt (6) gegenüber dem Halbleiterkörper eine höhere Elektronenaustrittsarbeit besitzt als das Metall des Inneren Einzelkontaktes (5).

5) Halbleiteranordnung nach Anspruch 3; dadurch gekennzeichnet, daß der äußere, ringförmige Einzelkontakt (k6) aus einem Metall mit geringerer Elektronenaustrittsarbeit als das Metall des inneren Einzelkontaktes (5) besteht

6) Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelkontakte auf einer Oberflächenseite eines Halbleiterkörpers vom ersten Leitungstyp angeordnet sind, und daß in die die Metallkontakte tragende Oberflächenseite des Halbleiter körpers eine ringförmige Zone (8) vom zweiten Leitungstyp eingelassen ist, die unter dem äußeren Randbereich des äußeren ringförmigen Einzelkontaktes (6) angeordnet ist

7) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einzelkontakte räumlich nicht aneinander angrenzen.

8) Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des äußeren, ringformigen Einzelkontaktes (6) das Metall des innerhalb des äußeren Einzelkontaktes liegenden zweiten Einzelkontaktes (5) überdeckt

9) Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus hochdotierten, n+-leitendem Silizium (1) besteht, und daß dieser Halbleiterkörper an seiner die Metallkontakte (5 und 6) tragenden Oberflächenseite eine schwächer dotierte, n-leitende Oberflächenzone (2) aufweist.

10) Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Einzelkontakte aus Gold, Palladium, Platinsilizid oder aus einem anderen Metall mit einer Elektronenaustrittsarbeit gegenüber dem Halbleiterkbrper größe als 0,7 eV besteht, während der andere Einzelkontakt aus Nickel, Molybdan, Titan, Kobalt, Vanadium oder aus einem anderen Metall mit einer Elektronenaustrittsarbeit kleiner als 0,7 eV besteht ll) Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die n-leitende Oberflächenzone mit Hilfe der Planartechnik eine ringförmige, stark dotierte und -leitende Zone (8) eingelassen ist.

L e e r s e i t e