DE1963132A1 - Halbleitervorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Patentanwalt DIpl.-Ing. Walter Jackisch 7 Stuttgart N, Manufetrate 40

Western Electric Company Incorporated 195 BÄdway

New York 10007 USA

K 31 416 - es

Halbleitervorrichtung und V«r su deren Heretellung

Die Erfindung betrifft eine

einen monolithischen Halbleiterkörpm* mit ms®i%mt*n® eine Mehrzahl von Punktions2on«a

Schaltung aufweist _f wobei dia ruikktic^ssl«s»eiste

dee Halb leiter körper β isoliert angaordß®t5ind

Gegenstand der Erfindung gehört ferner ein Verfahsen Herstellung einer Halbleitervorrichtung slt eins«

monolithischen Halbleiterkörper und w®r»igsfeans &lm$ inte» grierten Schaltung.

Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen, welche die Funktionen einer ffcihrschl von Schaitungselemeaten oder Schaltungsgruppen innerhalb eines Halbleiterköxp&re wirklichen« ergeben sich besondere Probleme mit

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zunehmendem Umfang und entsprechender Kompliziertheit der Funktionsstruktüren, die ihrerseits wiederum vergleiche·» weise komplizierte und daher aufwendige Hersteilung«verfahren bedingers* Di© Herstellung von integrierten HalbleitereGhaltttfifen üblieher hst mit Isolierung durch Sperrschichten erfordert wenigstens einem Verfahreneschritt mit einem epitjfaxialer* Zieh» oäea? W&chstunsvorgang sowie weiterhin beispielsweise e&ebe» gs&önderte» fotolithographische Maskierungsvdrgl&ge tsad «stw* fünf selektive Diffusionsvorgänge him ®isigsfcl£a«sLich eines Verfahren«sehriltes, welcher die ersts Met£S,i£.@i@r!irris@e!iicht für die AnschluSelektroden

¥srS!iKeneechritten sind selektiv

harzustellent n*-leitende, K©I.I®k1:os393i«si» ρ -leitende Xsolierzonen,

feiafe Koilektorkontaktxonen» p«leitende Basisgoüanf) die oacydieche Schutzschicht limitakti&nstBZ mtä eine erste metallische

Da j@ f

samt(32i 3©i?s%eiAeBgsn;i«3fc©!5 visier Kfci ist di® niasgffiSTQsig aöfüeSist vielst «i^tistrebes* Äiaffaäe das Erfindung ist üt& Schaffung ein^r Halfeisiterstxaktur für in^grlert« SchaltaaföEip äii$ eish in 7®3rgl8ich' xu der bekannten Technik nit ©1ϊι®ε· g@siafes©E äassfel. tor Vesfahrca^suhrittsn· her·» stellen Itsst«. Hl@ c-rfi^äyngsg^silis® Lösung dieser Aufgabe Qh b&t einer Hal^l@iterv&rrl^t«iiig ύ&Σ

n art !u.uptsächli«h. dti2*@£t folgende Merkaales

a) se ist eine ringförmige, ein, Fun&tionseiement gebende Zone Vorgesehen, die mit dem Halbleitermaterial, in welchem die ringförmige Zone gebildet 1st« eine ringförmige pn-Sperrschicht

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b) die relativen Abstände und Dot-iaruiige&iim&os sind ■ derart eingestellt * ά&Ά siith die bei einer SperrvQrKp#Ef>iißg dsir K schicht unterhalb öe.s X&wi&an«3uirch&£U3ftT:3 Durchbruch) vor der £.in$föms ?j@» SpeieKk-v·.;?^ ans vollständig unterhalb äcta streckti

c) dae Funktionselestemt let taaerhaäb naterials volle täadig durch ·»*,»«

die von dieser

Eine spezielle

vorrichtung »dt «iß©» Mf^l-ira» ISsni&eSstor fö* «ia® grierte Schaiuung «rfe?Ä4U'fe st ,.B* nisv -äxmt gänge and eine

leiterschelbe geftiifet.,, <fit eÄ»»* S^etretsaae Leitfähigkeitßtyp» ^K^* vi-r^lÄ Widerstand und «ins OberiiE·■?>;.

niedrigem

abschnitt der fähigkeitstyp ajagekö^su ΈΙώβ s«atTBl# diese uingebenAei rJ;;^fiteSiigft KcXIsk^ii^ür^c. fcefefe "rcfi zweiten Leitfthigtesi 'i^typs» 'S-et^eöfc^i sich i aelnsaaie Tiefe ia i?i und die SeitterSi»** ale Saitter«Basisdi^:

dem Hauptabschnitt 4

KolXektorzone

zwiahen der Emitterzone und dem Substrat umfassen zusammen die BeriLesone des Transistors. Die relativen Abstände und spezifischen Widerstände dieser Zonen und Schicht- bzw· Subtr&tbereiche werden derart eingestellt, daß sich die Raumladungszone unter normalen Betriebsbedingungen von der ringförmigen Kollektor-Basfeperrschicht ausgehend in das Substrat erstreckt und die Emitterzone untergreift, wodurch eine isolierende Kollektorstruktur gebildet wird, welch« die Kollektorzone und die davon ausgehende Raumlajtfdungsxone umfasste

Das erfindungegeaässe Verfahren sur Lösung der gestellten Aufgabe _t d.h« sur Verminderung der Aaasahl gesonderter Ver» fahrensschritte bei der Herstellu»? von integrierten Schaltungen, kennzeichnet sieh hauptaSchiieh dstrch folgende Verfahensschrittes

a) auf einer Oberfläche eines nonokristallinen Halbleiter« körpers eise» ersten Leitfähigkeitstypfe »it vergleich»«» weise; hohem spesiflschem Widerstand wird ©ine vergleMis^ weise dumm* Ob©rflächerißchleht ües ersten Leit« fähigkeitstyp» mit. vergleieheweis© geringem spssi£4@ch@fn Widerstand gebildet, während gl@lcha®itig ein Flächenmuster von eine» zweiten sugehöi'igen Soß^ß ssssrngt wir^.^ ai® sich ja einer psi"*Spe3?rschiefet »it der

sämtlich im waaefttllchsrk auf die gleich® xi@fs in atm Oberflächenschicht erstrecken und von assrnn ein® S©a@ ausgebiläet «rird und elsiee £b&dkmLt& äms usnechlieseti

schicht wsEdea mit

S82S/1SSS

c) die relativen Abstände und Dotierungsniveaus der Oberflächenschicht-Zonen und des Halbleiterkörper· werden derart eingestellt, daß die Raumladungs&one bei einer Sperrvorspannung ^^Sperrschicht unterhalb des Lawinen-Durchbruche (avalanche-Durchbruch) von dieser Sperrschicht ausgehend den gesamten von der ringförmigen Zone umschlossenen Teil der Oberflächenschicht untergreift und diesen von der ringförmigen Zone eingeschlossenen Teil der Oberflächen* schicht von den übrigen« dem ersten Leitfähigkeit·« typ zugehörigen Teilen isoliert«

Bei einem solchen Verfahre werden Etofeierirngsraittel als Aktivatoren nichtselektHhr te ein s»jbstrafe @j,i&ee ersten Leitfähigkeitstyps mit vergleichsv«.i»e hohe» spesifisehem Widerstand eindiffi'Ediejrf-.e «rodtisel* sät?h «tar* u&srfllehimsone des gleichen LeitfÄhigkeitsfcifp« js&fe vergleich««»©!?* a.i«drigem ■ epexifiachem Widerstand bildet«. Andere Akt&^'&torest werden sodann zur Bildung der dem zweitem I^itf&hifkeitstyp angehörenden Emitterzone und Kall®ktMZW.Zim gieichsaitig selektiv in die Oberflächenzone eindiffundiert^ wokmt nur sin Maekierungavorgang erforderlieh ist« fwei weitere Maskierung·· vorgänge werden zur Bestimmung der die oberfllehenpaesiifieren· de Isolierschicht durchgreifenden Kont&ktfenstea? und zur Bestimmung der ersten Elektroden«Het&lHei«rmgst;@itl@!it benötigt«

Bei einer anderen Ausführungsfont der arfindu2ig*g«iali*een Halbleitervorrichtung werden örtlich begr«nst#_c eingebettet« Zonen de· zweiten Leitfähigkeitstyps susltxlieh stä den bereit· erwähnten Struktnraerkmalen vorgesehen* rot das für ein vollständiges Ontergreifen der Kaitterson« «rforderliehe Ausmae der XoHektor-Basis-Raualadunge^oiie sm ver-

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bad

mindern und um die StÄbelactbarkeit der Halbleitervorrichtung zu erhöhen. Eins derartige Struktur er forder': einen zusätzlichen Maskierungsv-organg und einen zusätzlichen Diffusionsvorgang für die Bildung der eingebetteten Zonen sowie die Bildung einer Epitaxialschicht»

Eine Vielzahl von anderen Funktionselementen, z.B. Dioden« Widerstände und Kondensatoren, kannfebenfalls in der erwähnten Weise isoliert wurden. Das zu isolierende Funktionselement bswo eine ftahrzahl derartiger Elemente werden durch eine

ringfiomige %omm etefeeeh-loesen, die aufgrund ihrer Ausbildung eine Erstrsdkuag der zugehörigen Raumladungszone unterhalb dt*« gesamte?! F&nktionseiesMintes'bzw. unterhalb der ent-· ΨίύΙζ$ΜΙ solcher Eleasente ermöglicht. Die

fes siad Ssierbsi vollständig innerhalb einer 9lfesssr«ktur eingeechlossen» welche die ring« fönsigc löfi'a «md di© tlavea ausgehende Raumladungszone um » fasst©

Weiter© M@slisa.il© miä Ψ3χ·ύ&11& öer ir finding ergeben sich der foXg^actea Sus^LStslbaagf ^«sn Auefüh^nngsb^lepieilin anhand

f feiesla

fifo 1 alm* ?icieh»iiär&ii£sic^t eines bipolaren

Tzm&l-vLoi'* ale Ftmktionseleaient einer :i£it^'i±e^tftn Schaltung siit Abschnitten' % Transistoren, hergestellt

öintar eisten &us£ührung»form des erfis&dungegemäesen Verfahren©, während die

Fig. 2 bis Fig_e 4 Stellquerschnitte tSar intargrierten Schaltung

gem&es Fig. 1 «intüpreuhend der dort eingetragenen Schnittebene 4-4 für verschiedene

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aufeinanderfolgende Verfahrensechritte wiedergeben.

Ferner zeigt Fig_o S einen Querschnitt des Traneistor-

Funktionselementes genäse Fig«, I mit Anechlußelektroden und eingetragenen Betriebsspannungen und

Fig. 6 eine Fläehendr&ufeicht eines gemass

einer »weiten Auaftthrungsfosa» des arfiwlangsgeasäseen Verfahrens hergestelltem TzaftsistoyHFuiri&i&&&el«iftente0

integrierten Schaltung, wahrend die

Fig. 7 bis Fig. 11 Quer-itch&itte der iüt«gri®£t®a Schaltung

Schr.ltte2sesMi 11 » 11 la Fig« S

Vecf«hE

Fig_e 12 zeigt endlich

Trssi »i störs*Funktlosisel.®m®3ites gemäss Fig« € mit Aß@chl«Sslektgöil®ä ^sjsd eitsg©· Betriebsspannungen»

Das in Fig. 1 angedeutete« eln©n Tr«n*isto'ir 21 Funktionseieoent dient nicht nur dsr Ver«neeh&uliäh«ßg des •rfindungsgeaässon Herart&ilmigeve^fah^enSr sondern xeigt auch wesentliche Strukt^markifi&le ei«-si: esfinduiig^gemllssen Halbleitervorrichtung· Dieses Funktionselemsnt ist »it benachbarten t teilweise aügedeutets» !Pr-&n»istorfSii 22 unu 23

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ähnlicher Art in einem Abschnitt 24 einer monokristallinen Halbleiterscheibe angeordnet. Die ausgesogenen Linien in dieser Flächendraufsicht umgrenzen Metallisierte AnschluB-elektroden des Transistors, während durchbrochene Linien die Lage der pn-Sperrschlchten unterhalb der Oberfläche einer passivierenden Isolierschicht darstellen« welch letztere die Halbleitersonen Bit Ausnahme der diesen Zonen zugeordneten AnschluAelektroden überdeckt· Die durchbrochenen Linien veranschaulichen sonit die Grenzen der verschiedenen Halbleiter* zonen« welche den Transistor bilden·

Zn einzelnen ^umfasst der Transietor 21 eine rechteckige* durch den LinlAug 25 begrenzte Emitterzone alt AnschluB-elektrode 26* eine ebenfalls rechteckige» durch den Linienzug 27 begrenzte Basiszone mit AnschluSelektrode 28 und eine ringförmige, duzh die rechteckiges Liniensfige 27 und 29 begrenzte Kollektorzone alt Anschl%elektroden 30 und 31.

Es versteht sich* daß die Bezeichnung "ringförmig· im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung la weitesten Sinne aufzufassen, d.h. jedenfalls nicht auf kreisringföraige und ähnliche Strukturen beschränkt ist, sondern Insbesondere auch abschnittsweise geradlinig begrjfenzte Strukturen umfasst·

Zm folgenden wird eine erste Aueführungeform des erfindungsgemässen Verfahrens anhand der Fig. 2 b~»ls 4 beschrieben·

Ausgangsprodukt des Verfahrens 1st gemäas Fig. 2 ein monokristallines Halbleitersubstrat 41« beispielsweise in Form einer Scheibe aus p-leitendem, bordotiertem Silizium mit einem gleichförmigen spezifischen Widerstand von

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»ehr als 10 0hm.cn. Das Substrat 41 kann beispielsweise eine Dicke von wenigen Mikron bis su einigen hundert Mikron auf· weisen und in bekannter Weise durch Mechanisches Lippen und Polleren oder durch chemische Bearbeitung hergestellt werden·

Xa nächsten Verfahreneschritt wird auf de« Substrat 41 eine p-leltende Oberflächenzone 42 von vergleichsweise geringe« spezifischem widerstand gebildet« und swar durch nicht·· selektives Eindiffundieren eines Akzeptors auf der gesaaten Substratoberfläche, durch übliches epitaxlalea Anwachsen, durch Ioneneinpflanzung oder »it Hilfe eines anderen geeigneten, für die Änderung des Leitfähigkeitstype von Halbleitern bekannten Verfahrens. Der spezl/ff lache widerstand und die Dicke der Oberflächenzone 42 können je nach de« . Verwendungszweck unterschiedliche Werte annehmen, wobei jedoch eine Dicke von etwa eine« Mikron einen üblichen Durchschnittswert darstellt« Bei Erzeugung der Oberflächenzone durch Diffusion oder Ioneneinpfluisung kommt eine Oberflächenkonzentr«

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tion von eta 10 Atomen pro cn in Betracht« Der durchbrochene Linienzug 43 soiyiie Begrenzung der Oberflächentone 42 gegenüber de« Substrat 41 andeuten» wobei es sich jedoch versteht, daß zwischen beiden Strukturelementen keine Grenze im eigentlichen Sinne vorhanden ist. Der Linienzug 43 markiert soait jene Stellendnnerhalb des Substrats, an welchen die Konsentration des ionisierten Akzeptors in der Oberflächenzone 42 auf den Wert der verhlltniSBlsslg gleichförmig verteilten Konzentration des ionisierten Akzeptors innerhalb des Substrats 41 abgefallen 1st.

Der nächste Verfahrensschritt uafasst einen Maakierungsvorgang für die siektive Bildung bzw. Formgebung einer

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η-leitenden, ringförmigen Kollektorzone 44, welche «ie in Figo 3 angedeutet eine Emitterzone 45 uaschliesst. Diese Konen können mittels selektivem Eindiffundieren von Phosphor durch eine Silisiumoxydmaske 46 mit einer Eindringtiefe von etwa 1,0 Mikron und einer Oberflächenkonzentration von etwa 10 Atomen pro cm hergestellt werden. Stattdessen kennt auch eine Erzeugung der Zonen 44 und 45 durch selektive loneneinpflanxung in Betracht» wobei die Maske 46 als Sperr· medium gegen die eindringenden Ionen wirksam sein muss ο Als Maske kommt demgemäss eine z.B. aus Gold oder Platin bestehende Metallauf lage von 3000 bis 10.000 Ä in Betracht· Wie noch näher zu erläutern ist, wird die Eindringtiefe der Zonen 44 und 45 mindestens entsprechend der Tiefe der Grenze 43 zwischen der Oberflächenzone 42 und dem Substrat 41 gewählt.

Zn einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurd einSubstrat mit einem spezifischen Widerstand von etwa 100 öfaa.cm auf eine Oberflächenkonzentration innerhalb der Sone 42 von etwa 10 Atomen cm dotiert, wobei die Breite der ringförmigen Zone 44 etwa 2 Mikhron und die Länge der kürzeren Seite der durch den Linienzug 27 dargestellten, rechteckigen Sperr? schicht in Fig. 1 etwa 10 Mikron betrug. Die Abmessungen der rechteckigen Emittaisme 45 betrugen etwa 2 Mikron χ 6 Mikron, während der Abstand von der durch den Linieftug 27 dargestellten Sperrschicht an allen Stellen wenigstens 1 Mikron betrug.

Die in Fig. 4 dargestellte Struktur wird durch überdeckung mit einer oberflächenpassivierenden Isolierschicht Sl und durch Bildung von niederohmigen AnschluSelektroden 26, 28,

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und 31 zur Kontaktierungcfer Funktionszonen vervollständigte Als Material für die Isolierschicht 51 können Siliziunoxyd, Siliziunnitrif<d, Aluminiumoxyd, Zirkonlunoxyd oder Kombinationen dieser Substanzen in Font von Mehrfachschichten sowie andere für die Zwecke der Passivierung geeignete Isolatoren In Betrachte Für die Kontaktierung und gegenseitige Verbindung der Funktionselemente kennt ebenfalls eine Vlelsüil von geeigneten Verfahren und Anordnungen in Betracht.

Bekanntlich ist mit jeder pn-Sperrschlcht, und zwar auch ohne Anlegen einer Spannung , eine Ra&ladungszma verbunden« Flg. zeigt eine ringförmige Sperrschicht 52 zwischen der ring* förmigen, n-leitenden Kollektorsone 44 und der p-leitenden Oberflächensone 42 sowie den ebenfalls p-leltenden Substrat 41· Der durchbrochene Linienzug 53 stellt die ungefähre Lag· der Grenzen der Raunladungssone dar, die ohne anliegende Vor» spannung alt der ringfumigen Sperrschicht 52 verbunden 1st· Hierbei versteht es sich» daß die Grenzen der Baunladungszone weder einen glatten Verlauf haben nocht scharf festliegen₀ Der durchbrochene Linienzug 1st sonlt nur als Darstellung eines entsprechenden Oberganges zu verstehen. Auch die Raunladungssone der Emitterzone 26 ist inFlg. 4 angedeutet. Xn o> Betrieb 1st die Enitter-Baslssperrschicht jedoch in DurchlaBrichtung vorgespannt, so daß die zugehörige Raumladungszone auf eine unbedeutende Grosse schrumpft.

In Fig. 5 1st schenatlseh die neuartige Verwendung der von einer Kollektor-Basissperrschicht eines Transistors ausgehenden Raunladungszone für die gleichseitige Verwirklichung einer Kollektorfunktion sowie einer Isolierfunktion innerhalb des Transistors dargestellt. Hiernach 1st ein erstes Potential V₁ an die Kollektorelektroden 30 und 31 sowie

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ein zweites Potential V₂ an die Basiselektrode 28 und Kassepotential an die Emitterelektrode 26 angelegt. Das Potential des Substrats 41 ist nicht unmittelbar festgelegt. Beim Betrieb des Transistors im normalen Areitsbereich beträgt V₂ gegenüber Masce etwa 0,7 bis 0,8 Volt und V₁ z.B. zwischen 1 und 5 Volt, ebenfalls gegen Masse. Die zwischen der nleltenden Zone 45 und der p-leitenden Xone 42 gebildete Emitter-Basiesperrschicht. ist dann in Durchlaßrichtung vorgespannt und die zugehörige Raumladungssone vergleichsweise schmal. Letztere ist infolgedessen für die Wirkungsweise der erfindungsgemissen Struktur von geringer Bedeutung und in Fig. 5 nicht dargeteilt.

Die Raumladungssone der ringförmigen Kollektor-Basftperreehieht 52 1st dagegen wesentlich für die erflndungegemässe Wirkungsweise. Oa der spezifische Widerstand des Substrats 41, z.B. 100 Ohm.cm, wesentlich grosser ale der spezifische Widerstand der Oberfllchenzone 42, z.B. 0,1 Ohm.cm, ist, so erstreckt sich die Itaumladungszone von der ringförmigen Zone 44 aus seitlich nicht sehr weit in die OberflSchensone 42 hinein, um so mehr jedoch in das Substrat 41. Es ergibt sich somit,

wedaß die Lage der Oberflächenzone 42/sentllch für die Be-

stionung von Form und Auedehnung der zur Zone 44 gehörigen Raumladungszone ist Insbesondere bei einer Sperrvorspannung der ringförmigen Sperrshicht 52 mit einer Spannung von nur ί einigen Volt entsprechend dem Beispiel gemäss Flg. 5 stoßen die von eiajegesrgesetzten Sektoren der ringförmigen Sperrschicht ausübenden Abschnitte der zugehörigen Raumladungezone zusammen, so daß die Raumladungssone das gesamte innerhalb der ringförmig 44 eingeschlossene Halbleitermaterial untergreift· XnjPig. 5 sind die Grenzen der Kollektor-Basis-Raumladungszone durch die unterbrochenen

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Liniensüge 55 und 56 angedeutet· Bei einer in dieser Weis« geschlossenen Raumladungssone ergibt sich infolge der Ent* blöfiung der Raumladungszone von Ladungsträgern eine elektrische Isolierung des eingeschlossenen Halbleiteraaterials von den p-leitenden Material der umgebenden, ringförmigen Zone» und zwar in ähnlicher Welse wie bei einer Isolierung durch gegeneinandergeschaltete Dioden· Die Herstellung einer erfindungsgemässen Isolierstruktur dieser Art ist gegenüber der bekannten Technik wesentlich vereinfacht«

Das AusmaS des Abzugs freier Ladungsträger aus der Baum· ladungszone bei einer gegebemn Sperrvorspannung anjter Kollektor-Basissperrschicht hängt la wesentlichen von dem Dotierungsniveau des su dieser Sperrschicht benachbarten Halbleitermaterials ab. Ein niedrigeres Dotierungsniveau bringt für eine gegebene VorAnnung eine grosser« Breit« der Raumladungszone «it sich· Aus diesem Grund wird die Eindring· tiefe der ringförmigen Kollektorzone vorteilhaft bezüglich der Tiefe der Grenze 43 zwischen der Oberflächenzone 42 und dem Substrat 41 gleich groB oder gröBer gevS*hlt, da die Oberflächenzone 42 la allgemein·» wesentlich höher dotiert ist als das Substrat 41. Diese Verhältnisse sind in Fig. angedeutet.

Kur weiteren Veranschaulichung werden im folgenden einig« Σahlenwerte gegeben» die jedoch nur als Beispiel« su betrachten sind und keinerlei einschränkend« Bedeutung für den Erfindungsgegenstand haben·

Bei integrierten Schaltungen wird dl« maximle Sperrspannung an der Isolierenden Kollaktorsperrschicht Im allgemeinen auf Warte von einigen Volt unterhalb der Lawinen-

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Durchbruchsspannung (ayalanen*-Durchbruch) begrenzte Bei @isa®r η -p-Sperrschicht mit einem spezifischen Widerat®;si€ äma pleitenden Materials von 100 Ohm· cm bei gie&giiSirmiger Verteilung des spezifischen Widerstandes beträgt diese Durchbruchsspannung mehr als 100 Volt. Infolge des Umstände*, dafl die ringförmigen Sperrschichten erfindungsgemäss innerhalb der vergleichsweise stark dotierten, p-leitenden Oberflächen* xonen gebildet sind, beträgt die wirksame Durchbruchsspannung an den ringförmigen Sperrschichten jedoch nur etwa 6 bis 8 VoIt₀ Bei einer Sperrspannung von 1,0 Volt beträgt die Breite der Raumladungszone in dem p-leitenden Material etwa 4 Mikron und bei einer Sperrspannung von 5,0 VoI etwa 8 Mikron. Es ergibt sieh somit, daB der maximale Innenradius einer ringförmigen Xsolier-Sperrschicht praktisch auf einen Wert von etwa 10 Mikron begrenst ist, sdern ein Substat von etwa 100 Ohm.cm spezifischen Widerstandes in Verbindung mit einer nicht selektiv, stärker dotierten Oberflächenzone sir Anwendung gelangte Auf höher dotierte Oberflächensonen kann verzichtet werden, sofern eine grössere Ausdehnung der Xsollersonen wichtiger 1st als das Hochfrequenzverhalten der hierdurch isolierten Funktionselemente„ Es können auch Substrate von höherem spezifischem Widerstand, etwa von 2.500 Ohm.cm, eingesetzt werden.

Insbesondere für den Fall, das ein vollständiges Untergreifen der Emitterzone durch die Raumladungszone bei minimalem Aufwand an Sperrvorspannung der Kollektor-Baeissperrschicht sowie eine im Vergleich su dem vorangehenden Beispiel grössere Ausdehnung des isolierten Halbleiterbereiches verlangt wird, kommt die in den Flg. β bis 12 dargestellte Ausfuhrungeform der Erfindung mit Vorteil in Betracht.

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Xn der Fl&chendraufslcht gemlss Fig. C let wiederum «la Transistor 121 ait VsIlMi benachbarter Transistoren 122 und 123 innerhalb eines scheibenförmigen Substrats 124 angedeutet. Hinsichtlich der Oberfllchengeometrie ist der Transistor 121 ihiUch vie der Transistor 21 gemlss Flg. 1 ausgebildet, während sieh hinsichtlich der funktion der Halbleitersonen einige Unterschiede ege«. Wie IeJMg. 1 sind die Metallischen Elektroden wieder mit dmshsslnscaa Llnlensügen umrandet wiedergegeben, wihrend die -a schichten und die Begrenzungen der den Transistor bildenden Halbleitersonen wieerum durch unterbrochene LlniensHge dargestellt sind. Xa einseinen umfasst der Transistor 121 eine rechteckige» durch den Liniensug 12S dargestellte Emit tenon« mit AnschluBelektrode 12«, eine ebenfalls rechteckige· durch den Liniensug 127 dargestellte Basissone mit AnschluBelektrode 128 sowie eine ringförmige Kollektorsone, welche durch die Liniensage 127 und 12f, 132 und 12t sowie 133 und 129 begrenst und mit Ansehluselektroden 130 sowie 131 versehen ist.

Das Herstellungsverfahren wird wiederum anhand der in den FigD 7 bis 11 veranschaulichten Verfahrensschritte erllutert.

Ausgangsprodukt ist ein Substrat 141 aus einem monokristallinen Halbleiter vergleichsweise hohen spesiflschen Widerstandes· Das Substrat kann s.B· als Abschnitt einer gleitenden, bordotierten Silislumscheibe mit einem gleichförmig verteilten spesifIschen widerstand von mehr als 10 Ohm.cm hergestellt werden. Das Substrat kann s.B. eine Dicke von wenigen Mikron bis su einigen 1OO Mikron aufweisen und wiederum in bekannter Weise durch mechanisches Lippen und tPolleren

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oder durch chemische Bearbeitung bsw. durch -Kombinationen dieser Verfahren hergestellt werden.'

die rechteckigen» η-leitenden Ionen 148 und 149» wie sie in Fig. 7 angedeutet sind» werden innerhalb des Substrats 141 entsprechend wie bei dsm ersten Ausführung Aispiel durch ein bekanntes Verfahren hergestellt» s.B.dureh Feststoff* diffusion in Verbindung mit einer fotolltbographisohen « Oxydmaskierungstechnik· Ein vergleichsweise langsam diffundierender Donator» z.B. Antimon oder Arsen» wird bis su einer Oberflächenkonjisentration von etwa- 10 Atomen pro cm oder mehr in eine Tiefe von etwa 1 bis'2 Mikron in das Substrat 141 eindiffundiert· Nach der Bildung der Ionen und 149 wird hierüber und fiber der gesamten Substratoberfläche eine p-leltende Oberfllehensone 142 vergleichsweise geringen spesifIschen Widerstandes gebildet» und swar mit Hilfe an sich bekannter Verfahren» s.B. mit Hilfe eines epitaxlelen «iehvejanges. Bei einer Hoehfrequens-Balbleitervorriehtung hat die Oberfllchensone 142 beispielsweise eine Dicke von weniger als 2 Mikron - in dem beschriebenen» speziellen Beispielsfall der Erfindung etwa 1 Mikron - und wird durch Dotierung mit Bor auf einen etwa gleichförmig verteilten spezifischen Widerstand von etwa 0,1 Ohm·cm gebracht. Bei Herstellung der Oberfläohensone 142 durch epltaxiales Anwachsen ist noch eine Wärmebehandlung erforderlich» während deren in gewissem Umfang ein Ausdiffundieren der Ionen 148 und 149 in die Oberfläehensone 142 erfolgt. Das Ausmafi dieses Dlffuslonsvorganges kann dutfeh entsprechende Bemessung der Wärmebehandlung und durch Anwendung von langsamer oder schneller diffundierenden Dotierungssubstansen für die Bildung der eingebetteten Ionen 148 und 149 gesteuert werden· Xn einem speziellen Beispielsfall werde für diese

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Zonen Antimon als Dotierung«substang verwendet» wobei ein Auediffundieren alt einer Eindringtiefe von etwa 0,25 Mikron in eine Epitaxialschicht von etwa 1 Mikron Dicke beobachtet wurdeο

Der Zustand nach Aufbringung der Oberflächensone 142 ist in Fig. 8 veranschaulicht.

I» nächsten Verfahrensschritt gemäss Flg. 9 wird ein Akzeptor nichtselektiv in die gesamte Oberfläche der Zone 142 eindiffundiert, so daß sich «ine stärker dotierte Ober* flächensone mit einer von der Oberfläche aus nach in%n abnehmenden Dichte der ionisierten Akzeptoratome ergibt» Die für die Einführung einer solchen Oberflächensone stattgebenden Gesichtspunkte werden weiter unten noch näher erläutert. In eine« speslellen Beispiel wurde Bor nichtselektiv bis su einer Oberflächenkonsentratlon von etwa 10 Atomen pro cm³ und bis su einer Bindringtiefe von etwa 0,6 Mikron innerhalb der Oberflächensone 142 eindiffundiert· Die unterbrochene Linie 143 in Fig. 9 gibt die Schichttiefe wieder_t bei der die Akzeptor-Io&konsentration das Niveau der ent" sprechenden Ausgangskonzentration innerhalb der Oberflächen· sone 142 erreicht hat.

Anschliessend wirden gemäss FIg₀ 10 die vergleichsweise nlederohnigen, n-leltenden Zonen 144 und 145 durch selektives Eidlffundieren eines Donators durch eine Maske 146 gebildet. Die Zone 144 1st ringförmig ausgebildet» umschliesst die Zone 145 und bestimmt die seitliche Ausdehnung der Basis« sone 147ο Die Zone 144 bildet ferner einen Teil der Kollektorsone und einen Teil der Isolierung des Transistors 121. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Ausführung*form

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ist die Basiszone 147 als duah die ringförmige Zone 144 eingeschlossenes» p-leitendes Halbleitermaterial zu betrachten. Die ringförmige Zone 144 wird vorteilhaft so ausgebildet» daß sie die eingebetteten Zonen 146 und* 149 tiberschneidet» wodurch sich ein Minimum des Kollektor-Serienwiderstandes ergibto Infolge dieser Überschneidung der Zone 144 mit den eingebetteten Zonen 148 und 149 und wegen des gleichen Leitfähigkeitstype stellen sich diese drei Zonen als ringförmige Gesamtstruktur dar ο

Die Emitterzone 145 ist unmittelbar oberhalb des Abstandes zwischen den Zonen 148 und 149 angeordnet» wodurch die gleichzeitige Herstellung der ringförmigen Zone 144 und der Emitterzone 145 ohne Überschneidung und entsprechende elektrische Kontaktierung zwischen der Emitterzone und einer eingebettet angeordneten Kollektorzone ermöglUit wird. In einen speziellen Beispiel wurden die Zonen 144 und 145 gleichzeitig durch Feststoffdiffuslon von Phosphor bls^fcu einer Oberflächenkonzentration von etwa 10 Atomen pro cm oder mehr hergestellt! Hierbei betrug der Abstand zwischen den Zonen 148 und 149 etwa 5 Mikron und die Breite der Emitterzone 145 etwa 2 Mikron.

Die Bildung einer niederohmigen» p-leitenden Oberflächen-Diffusionsschicht innerhalb der Oberflächenzone ist für die Anwendung der Erfindung nicht zwingend· Für die Anwendung einer derartigen Oberflächenschicht sind verschiedene Gesichtspunkte maßgebend. Zunächst ergibt sich durch ein derartiges Eindiffundiexjn eines Akzeptors eine höhere Akzeptordichte im Bereich der Seltenflächen des Emitters im Vergleich zu der Bodenfläche des Emitters. Diese Erscheinung

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wirkt in Richtung auf eine Unterdrückung der Injektion von Minorität»trägem durch die Seitenflächen des Emitters_o Da die hier injizierten Minorität»träger nur mit einer geringen Wahrscheinlichkeit «um Kollektor gelangen« wirkt sich diese Unterdrückung der Seitenwandinjektion in einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Emitterinjektion und der DurchlaBsteilheit, dastit aber auch in einer Erhöhung der Transistorverstärkung aus» Weiterhin ergibt sich durch das eindiffundiert· Dotierungsprofil in der Basiszone ein eingeprägte/s elektrisches Feld, und zwar »it einer der Bewegung der Minoritätsträger zur Oberfläche entgegengesetzten Richtungο Dieser Effekt vermindert die Rekombination der Minoritätsträger an der Ober* fläche betrachtIieh.Walterhin wird hierdurch das für die Speicherung von Minoritätsträgern wirksame Volumen innerhalb der Basiszone vermindert« Diesen Vorteilen steht der innerhalb des Herstellungsvorganges erforderliche» zusätzliche Verfahrens* schritt mit dner entsprechenden Aufwandserhöhung gegenüber_o

In Fig« 11 ist das gesamte Punktioneelement mit einem passivierenden Isolierüberzug 151, mit metallischen Anscauß·» dLektrodan 126, 128, 130 und 131 sowie mit Emitterzone 145, Basiszone 161 und Kollektorzone 144 dargestellt. Für Material und Ausbildung des IsolierÜberzuges 151 gilt das bereits im Zusammenhang mit dem ersten Aueführungebeispiel für den dortigen Passlvierungsübersug Ge^sagte« Für die Kontaktierung können ebenfalls die in der Integrationstechnik üblichen Anordnungen und Verfahren zur Herstellung von Metall· elektroden in Betracht, beispielsweise auch die Traganschlufltechniko

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Xn Fig· 12 sind ausserdem noch die entsprechenden Betriebepotentiale bzw. Spannungen des Transistors 121 eingetragene Die Anschlußelektrode 126 des Emitters liegt an Masse (Nullpotential) , während die Kollektorelektroden 130 und 131 an dem gleichen positiven Potential V. liegen. Die Basiselektrode 128 liegt an einem bezüglich V^ geringeren positiven Potential V₂o Bei normale» Betrieb beträgt V₂ etwa 0,7 bis 0,8 Volt und V₁ beispielsweise 1 bis 5 Volt· Die Kollektor-Basissperrschicht ist hierbei in Sperrichtung vorgespannt_o

Für eine vollständige Entleerung der Zone unterhalb des Emitters von Ladungsträgern 1st lnißei spiel genäss Fig. 12 im Vergleich zu derjenigen nach Fig. 5 eine geringere Sperrvorspannung der Kollektor-Basissperrschicht erforderlich· Dies ist auf die engere gegenseitige Anordnung der Zonen 148 und 149 in Vergleich zu den Zonen 44 in der Anordnung genäse Fig. 5 zurückzuführen· Für entsprechende Anwendungen, bei denen eine geringere Sperrvorspannung der Kollektor-Basisdiode erwünscht ist, könnt somit ein Trasistor geaäss FIg₀ 6 bzwo Flg. 12 bevorzugt in Betracht, während sich der Transistor 21 entsprechend dem ersten Atührungsbeispiel. durch besonders geringen Herstellungsaufwand auszeichnet und bevorzugt für weniger anspruchsvolle Anwendungen in Betracht zu ziehen 1st.

Ausgehend von den erläuterten Belspiekn ergeben sich zahlreiche zum Erfindungsgegenstand gehörende Abwandlungen. Beispielsweise kann es in ma/inchen Anwendungefällen von Vorteil sein, auf eine der beiden eingebetteten Zonen der Ausführung gemäss Fig„ 6 und 12 zu verzichten. Aus Fig. 11

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ergibt sich» daß dia ringförmige Kollektorxone 144 nicht äquidietant bezüglich der Emitterzone 145 angeordnet ist„ und zwarvagen der erforderlichen Einfügung der Basiselektrode 128c Ggf. kann somit die sich unterhalb der Basiselektrode erstreckende Zone 143 unter Fortfall der Zone 149 beibehalten werden«.

Aufgrund der gegebenen Erläuterungen kann das erfindungsgeaSsse Verfahren ohne Schwierigkeit auch zur Herstellung und/oder zur Isolierung von Dioden, Widerständen, Kondensatoren und Feldeffekt-Transistoren angewendet werden.

Ss versteht sich weiterhin» daß die Erfindung unter Verwendung von n-leitendem Halbleitermaterial für das Substrat und dl· Epitaxialschicht mit entsprechender Einführung von p-leitjffählgkelt als «weitem Leitfähigkeitetyp ainngem&ss auch für die Herstellung von bipolaren pnp-Transistoren und komplementären Strukturen anwendbar ist»

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Claims (1)

1. A 31 416 - sz

   A η β ρ r ü ch _e

   / Iy Halbleitervorrichtung, die einen monolithischen Halb** leiterkörper mit wenigstens einer eine Mehrzahl von Funktionszonen umfassenden integrierten Schaltung aufweist» wobei die Funktionselenente innerhalb des Halbleiterkörper isoliert angeordnet sind, gekennzeichnet dutch folgende Merkmalet

   a) as ist eine ringförmige, ein Funktionselement umgebende Zone (44) vorgesehen, die alt dem Halbleiter* material, in welchem die ringförmige Zone gebildet ist, eine ringförmige pn-Sperrschicht (52) bildet;

   b) die relativen Abstände und Dotierungsniveaus sind derart eingestellt, daß sich die Raumladungszone (Fig. 5, Fig. 12) bei einer Sperrvorspannung der ringförmigen Sperrschicht unterhalb des Lawinendurchbruchea (ayalanche^Durchbruch) von der ringförmigen Sperrschicht aus vollständig unterhalb des Funktionselementes erstreckt;

   c) das Funktionselement ist innerhalb des Halbleitermaterials vollständig durch eine Isolierstruktur eingeschlossen» welche die ringförmige Zone und die von dieser ausgehende Raumladungezone umfasst·

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   2ο Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Zone (44) und die zugehörig« Raumladungssone wirksame Bestandteile des Funktlonselenentes sindο

   3ο Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement als Transistor (21) und die ringförmige Zone (44) als Kollektorzone dieses Transistors ausgebildet ist»

   4.Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmales

   a) es ist ein scheibenförmiger Halbleiterkörper (24) vorgesehen, der einen Hauptabschnitt (41) eines ersten Leitfähigkeitstypa mit ^-vergleichsweise hohem spezifischem Widestand und eine diesen Hauptabschnitt überdeckende und die Oberfläche des Halbleiterkörpers bildende Schicht (42) des gleichen Leitfähigkeitstyps mit vergleichsweise niedrigem spezifischem Widerstand umfasst}

   b) eine ringförmige Zone (44) eines zweiten Leitfähigkeitstyps erstreckt sich von der Oberfläche des scheibenförmigen Halbleiterkörper in einen dem ersten Leitfähigkeit styp zugehörigen Abschnitt der Oberflächenschicht (42) ι

   c) die ringförmige Zone (44) bildet mit demjenigen Ab«

   schnitt der Oberflächenschicht, in welchem die ringförmige Zone angeordnet ist, eine ringförmige pn-Sperrschicht und umschliesst ein Funktionselement (21)„

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   Halbleitervorrichtung nach den vorangehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale ι

   ch

   a) die Oberflächensicht (42) weist ein Flächenmuster

   von mit gegenseitigen- Abstand angeordneten Zonen (44, 45) eines zweiten Leitfähigkeitetype auf, die sich von der Oberfläche aus im wesentlichen auf eine gemeinsame Tiefe innerhalb der im übrigen vergleichsweise hochohmigen und dem ersten Leitfähigkeitetyp zugehörigen Oberflächenschicht (42) erstrecken;

   b) wenigstens ein Abschnitt der Oberflächenschicht bildet eine Basiszone (unterhalb 28) der als Transistor ausgebildeten Halbleitervorrichtung;

   c) das Flächenmuster der mit gegenseitigem Abstand angeordneten Zonen des zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst eine zentral angeordnete erste Zone (45), welche einen Emitter dey*s Transistors bildet» und eine ringförmige zweite Zone (44), welche die erste Zone berührungefrei umschliesst und einen Kollektor des Transistors bildet sowie die seitlifche Ausdehnung der Basiszone begrenzt!

   d) die relativen Abstände und die relativen spezifischen Widerstände der Oberflächenschicht-Zonen und des Hauptabschnitts des Halbleiterkörperβ sind derart eingestellt, daB sich die Raumladungszone der ringförmigen Sperrschicht bei einer Sperrvorspannung dieser Sperrschicht mit einer Betriebsspannung unterhalb der Lawinen-Ourchbruchsspannung (ayalanche-Spannung) in den Hauptabschnitt des Halbleiterkörper und unter die Emitterzone erstreckt, und zwar in der Weise,

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   daß die von entgegengesetzten Sektoren der ringförmigen Sperrschicht ausgehenden Abschnitte der Raumladungszone zusammenstoßen;

   e) die Basiszone und die darin eingebettete Emitterzone sind innerhalb des Halbleiternaterials vollständig durch eine isolierende Kollektorstruktur eingeschlossen, zu deren Bestandteilen die ringförmige Zone und die von dieser ausgehenden Raumladungszonen gehören·

   6. Als aansistor ausgebildete Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet« daß die ringförmige Zone derart mit Abstand von der ersten Zone angeordnet ist» daß kein Abschnitt der ringförmigen Zone unmittelbar unterhalb eines Abschnitts der ersten Zone liegt (Fig. 11).

   7. Als Transistor ausgebildete HalbleitervorrichtuV nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als erster LeIt-* fähigkeltstyp die p-Leitfähigkeit und als zweiter Leitfähigkeitstyp die n-Leltfähigkeit vorgesehen ist«,

   8. Als Transistor ausgebildete Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichne t, daft der Innendurchmesser/ringförmigen Zone an allen Stollen weniger als > 20 mikron beträgt.

   9. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung alt einem Monolithischen Halbleiterkörper und wenigstens einer integrierten Schaltung, gekennzeichnet durch folgend· VerfahrensBchri/tte s

   • 5

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   a) auf einer Oberfläche eines monokrietallinen Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstype mit Vergleichs-* weise hohem spezifischem widerstand wird eine vergleichsweise dünne Oberflächenschicht des erden Leitfählgkeitstyps mit vergleichsweise geringem spezifische« Widerstan-d gebildet (Fig. 2), während gleichseitig ein Flttchenaüster von einen zweiten Leitfähigkeitstyp zugehörigen Zonen erzeugt wird, τ die sich unter Bildung je einer pn-Sperrschicht mit der Oberflächenschicht sämtlich im wesentlichen auf die gleiche Tiefe in die Oberflächenschicht erstrecken (Fig. 3) und von denen eine Zone (44) ringförmig ausgebildet wird und einen Abschnitt der Oberflächenschicht umschliesstf

   b) die Zonen des Flächenmusters und dte Oberflächenschicht werden mit Anschlueelektroden versehen (Fig. 4)f

   c) die relativen Abütändemd Dotierungsniveaus der Oberflächenschicht-Zonen und des Halbleiterkörpers werden derart eingestellt, daft die Raumladungezone bei einer Sperrvorspannung der Sperrschicht unterhalb des Lawinen-Durchbruche (avalanche -Druchbruch) von dieser Sperrschicht ausgehend den gesamten von der ringförmigen Zone umschl-ossenen Teil der Oberflächen· schicht untergreift und diesen von der ringförmigen Zone eingeschlossenen Teil der Oberflächenschicht von den übrigen, dem ersten Leitfähigkeitstyp zugehörigen Teilen isoliert.

   10. Verfiferen zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einem monolithischen Halbleiterkörper und wenigstens einer intergrierten Schaltung, gekennzeichnet duch folgende Verfahrensschrittes

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   a) ein erstes Flächenrauster von Zonen eines ersten Leitfähigkeitstype Mit einen Paar von in gegenseitigem Abstand angeordneten Zonen (148, 149) wird auf einer Oberfläche eines den streiten Leitfähigkeitetyp zugehörigen Halbleiterkörperβ erzeugt (Fig. 7)ι

   b) auf dieser Oberflächen des Halbleiterkörper», vird ein« das erste Zonen-Flächenmuster übergreifende, vergleichsweise dünne Deckschicht des zweiten Leitfähigkeitetyps mit vergleichsweise geringem spezifische!· Widerstand erzeugt (Flg. 8), während gleichzeitig auf der Oberfläche der Deckschicht ein zweites Flächennuster von Zonen des ersten Leitfähigkeitstyps erzeugt wird, die sich sämtlich unter Bildung je einer pn-Sperrschicht mit der Deckschicht im wesentlichen auf die gleiche Tiefe von der Oberfläche aus in die Deckschicht hinein erstrecken (Fig. 10) und von denen eine als ringförmig« Isolierzone ausgebildet und eine weitere mit Abstand innerhalb dieser ringförmigen Isolierzone angeordnet isti

   c) das zweite Zonen-Flächenmuster und die Deckschicht werden mit Anschlufielektroden versehen (Fig· 11)>

   d) die Emitterzone wird kleiner als der gegenseitige Abstand des Zonenpaares des ersten Zonen-Flächenmusters bemlsen und in dem Zwishenraum dieses Zonenpaares angeordnet, während die ringfinnige Zone (130, 131) des zweiten Zonen-Flächenmusters derart angeordnet wird, daß sis beide Zonen (148, 149) des in den ersten ' Flächenmuster enthaltenen Zonenpaares schneide;, und zwar in der Weise, daß der Zwischenraum des Zonenpaares innerhalb des ersten Flächeftmusters von freien Ladungsträgern entleert und eine elektrische

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   Isolierung für das in diesen Zwischenraum befindliche Halbleitermaterial gebildet werden kann.

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