DE2344099C3

DE2344099C3 - Integrierte Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2344099C3
Application number: DE19732344099
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8019 Ebersberg Krause
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-08-31
Filing date: 1973-08-31
Publication date: 1979-01-18
Also published as: DE2344099B2; DE2344099A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiteranordnung, bei der die Energieversorgung der Bauelemente durch Strahlungsanregung oder durch Ladungsträgerinjektion über in Durchlaßrichtung vorgespannte pn-Übergänge erfolgt und bei der in einem Halbleiterkörper benachbart zu mindestens einer ersten Zone eines ersten Leitungstyps in Abstand voneinander befindliche zweite Zonen eines zweiten Leitungstyps und benachbart zu den zweiten Zonen dritte Zonen des ersten Leitungstyps vorgesehen sind.

Es ist bereits aus der Zeitschrift »I.E.E.E Journal or Solid-State Circuits«, Vol. SC 7, Nr. 5, OkC 1972, S. 340—351, bekanntgeworden, daß mit Licht bestrahlte Halbleiterbauelemente, beispielsweise Dioden, so wirlu ken, als ob ihnen eine Spannungsquelle parallelgeschaltet sei. Diese Spannung schaltet den pn-übergang der Diode in Durchlaßrichtung. Dieser Effekt ergibt sich aus einer Erhöhung der Minoritätsträgerkonzentration in der Nachbarschaft des pn-Übergangs aufgrund von durch Lichtabsorption erzeugten Loch-Elektronenpaaren.

Wird ein Transistor mit Licht bestrahlt, so ergeben sich zwei derartige Spannungsquellen; wird der Transistor invers betrieben, so ist die Wirkung die, daß der Basis-Emitter-pn-Übergang in Durchlaßrichtung betrieben wird. Bei außen nicht angeschlossener Basis zieht der Kollektor dann einen Strom, welcher gleich dem Produkt aus Basisstrom und Stromverstärkung ist.

Die gleichen Effekte werden erzielt, wenn zusätzlich 2^r, pn-Übergänge vorgesehen werden, weiche die notwendigen Ladungsträger wie im Falle der Lichtbestrahlung liefern.

Auf diese Weise können integrierte Schaltungen gebildet werden, welche ohne äußere Strom- bzw. )o Spannungsversorgung auskommen. Integrierte Schaltungen der eingangs genannten ArI. sind ebenfalls in der obengenannten Veröffentlichung beschrieben.

Es ist aus der genannten Zeitschrift auch bereits bekannt, neben den konventionell üblichen Isolations-ι^Γ> tcchniken für die einzelnen Bauelemente durch wannenförmige Isolationswände in Form von pn-Übergängen auch eine Selbstisolation ohne solche Isolationswände vorzusehen.

Bei diesen vorbekannten integrierten Schaltungen ■»> sind jedoch Transistoren noch in konventioneller Planartechnik ausgebildet, wobei auch die elektrischen Verbindungen — wie bisher in der integrierten Technik üblich — durch Leiterbahnen gebildet werden. Insbesondere besitzen die Transistoren noch mindestens drei 4■> im Halbleiterkörper liegende Zonen abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen noch einfacheren Aufbau für Bauelemente in einer solchen integrierten Schaltung anzugew ben, um die Packungsdichte der Bauelemente zu erhöhen, die Herstcllungsprozcsse, beispielsweise Diffusionsprozesse zu vereinfachen und die Ausbeule zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer integrierten Halblciter^r>^r> anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die /weiten Zonen durch hochohmige Bereiche des Halbleitcrkörpers voneinander getrennt sind, und daß die dritten Zonen voneinander getrennte zweite Zonen derart mitcinanwi der verbinden, daß an mindestens einer Verbindungsstelle einer zweiten und einer dritten Zone ein sperrender Kontakt vorhanden ist.

Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

'·'> Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. I eine Ausfuhrungsform im Schnitt;

Fig.2 eine Aiisführungsform mit streifenförmig ausgebildeten Zonen;

F i g. 3 eine dreidimensionale Ausführungsform;

F i g,4 eine weitere Ausführungsform mit streifenförmig ausgebildeten Zonen und

Fig.5 eine Ausführungsform mit einem Ladungsträgerinjizierenden pn-übergang.

Gemäß Fig. 1 ist in einem Halbleiterkörper 1 eine erste hochdotierte Zone 2 vorgesehen, welche beispielsweise n-leiterd sein kann. Diese Zone 2 ist ganzFlächig mit einer metallischen Belegung 3 versehen. Über der hochdotierten Zone 2 befindet sich eine hochohmige Zone 4, welche praktisch eigenleitend ist. In diese Zone

4 sind zwei Zonen 5 und 6 eindiffundiert, welche gegenüber der Zone 2 von anderem Leitiingstyp, also beispielsweise p-leitend sind.

Weiterhin sind auf der Seite der Zonen 5 und 6 oberflächennahe Zonen 7,8 und 9 vom Leitungstyp der Zone 2 eindiffundiert, weiche die Zonen 5 und 6 in der dargestellten Weise überlappen. An den Verbindungsstellen 10,11 der Zone 7 mit der Zone 5 bzw. der Zone 8 mit der Zone 6 ist die Dotierung mit den Zonen 7 und 8 so groß, daß sich praktisch ein ohmscher Koniakt zu den darunterliegenden Zonen 5 und 6 ergibt.

Die gesamte Anordnung nach Fig. 1 wird nun mit optischer Strahlung bestrahlt, so daß die eingangs erläuterte Ladungsträgerpaar-Erzeugung eintritt.

Die Anordnung nach F i g. 1 ist eine integrierte Halbleiteranordnung mit zwei Transistoren, deren Emitter durch die Zone 2. deren Basen durch die Zonen

5 und 6 und deren Kollektoren durch die Zonen 8 und 9 gebildet werden. Weiterhin ist durch die sperrschichtfreie Kontaktierung an den Stellen 10 und 11 gleichzeitig eine Verbindung vom Kollektor eines Transistors zur Basis des anderen Transistors gegeben.

Aufgrund der Hochohmigkeit der Zone 4 übernimmt diese Zone die Isolation zwischen den Bauelementen, so daß Isolationsdiffusionen oder Oxidisolationen nicht erforderlich sind, weil die zu isolierenden Spannungen maximal 0,6 V betragen und weil ein beträchtlicher Teil dieser Spannung durch vorhandene Potentialbarrieren aufgefangen wird.

Wie sich aus der Darstellung nach F i g. 1 ergibt, sind gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung die Teile der Zonen 7, 8 und 9, welche mit den ^J darunterliegenden Zonen 5 und β einen sperrenden Kontakt in Form eines pn-Übergangx bilden, gegenüber den Teilen 10 und 11. welche ohmsche Kontakte bilden, groß ausgebildet.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfin- '■■ dung können die zweiten und dritten Zonen 5,6 bzw. 7, 8,9 streifenförmig ausgebildet sein und etwa orthogonal zueinander verlaufen.

Eine derartige Ausführung ist in F i g. 2 dargestellt, in der gleiche Elemente wie in Fig. 1 mit gleichen ι Bezugszeichen versehen sind. Daraus ergibt sich der Vorteil eines besonders geringen Platzbedarfs sowie eine unkritische Isolierung, weil nur Kreuzungen vorhanden sind.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin- *> dung ist vorgesehen, daß die sich durch die Folge der ersten, zweiten und dritten Zonen ergebenden Funktionselemente im Halbleiterkörper in drei Koordinatenrichtungen wiederholt vorhanden sind, wobei insbesondere die dritten Zonen im Halbleiterkörper in den drei · Koordinatenrichtungen verlaufen. Eine derartige Ausführungsform ist in Fig.3 dargestellt, in der gleiche Elemente wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Anordnungen von Funktionselementen in drei Koordinatenrichtungen sind an sich aus der US PS 33 23 198 bekannt,

Wie aus F i g, 3 zu ersehen ist, wird im unteren Teil dieser Anordnung eine der Anordnung nach Fig. 1 entsprechende Anordnung gebildet, so daß sich wiederum zwei miteinander verschaltete Transistoren ergeben. Auf dieser Anordnung befindet sich eine iü zweite entsprechende Anordnung, wobei die entsprechenden Elemente mit apostrophierten gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zu der im unteren Teil der F i g. 3 ausgebildeten Anordnung ist die hochdotierte Zone 2' jedoch durch einen Bereich der hochohmigen Zone 4' unterbrochen, durch den zur Verbindung der Zonen 6 und 6' (Verbindung zweier Basiszonen) ein hochdotierter Bereich 30 verläuft, dessen Dotierung so hoch ist, daß er praktisch einen Leiter darstellt.

Bei diesen dreidimensionalen Halbleiterstrukturen wird der Vorteil der anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Strukturen besonders deutlich. Bekannte Strukturen, bei denen die Transistoren in einer Isolationswanne angeordnet sind, können aus topologisehen Gründen in dreidimensionaler Ausführung überhaupt nicht realisiert werden.

Der Vorteil von dreidimensionalen Strukturen ist, daß mit ihnen die Packungsdichte gegenüber zweidimensionalen Strukturen um mehrere Zehnerpotenzen vergrö- !<> Bert werden kann und daß komplizierte Verknüpfungen ohne Leitungskreuzungen und mit verhältnismäßig kurzen Leitungen realisierbar sind.

In den Anordnungen nach Fig. 1,2 und 3 sind an den Stellen 10 und 11 ohmsche Kontakte vorgesehen. Die r. Herstellung dieser ohmschen Kontakte erfordert zusätzliche Herstellungsprozesse. In Weiterbildung der Erfindung können diese ohmschen Kontakte eingespart werden. Hierzu werden solche Materialien für die Zonen verwendet, daß die Flußspannung — bei ίο gleichem Flußstrom — zwischen der Kollektor-Basis-Diode kleiner als die Flußspannung der Basis-Emitter-D.ode ist. Es besteht kein grundsätzlicher Unterschied zwischen dem Kollektor- und dem Basiskontakt. Damit trotzdem die Signalflußrichtung in der Schaltung > eindeutig festgelegt ist, werden die Flächen gemäß F i g. 4 verschieden groß gemacht. Eine große Fläche von Schichten 22, 23 über der Basis 5, 6 wirkt als Kollektor. Zwar wirkt auch eine kleine Fläche als Kollektor. Wird aber die Fläche so klein gemacht, daß ο die Stromverstärkung dieses Teiltransistors kleiner als Eins ist, so kann er den mit ihm verbundenen Transistor nicht durchschalten. Bezogen auf die Fig. 1 heißt das, daß auch ohne die ohnschen Kontakte an den Stellen 10, 11 der linke Transistor den rechten durchschalten ■'· kann, daß aber der rechte Transistor nicht den linken Transistor durchschalten kann, wenn nur die Überlappungsfläche der Zonen 8 und 6 genügend klein ist. Eine derartige Ausgestaltung für die Anordnung nach F i g. 1 ist in F i g. 4 dargestellt, in der gleiche Elemente wie in ι« F i g. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die in den Ausführungsbeispielen nach den F i g, 1 bis 4 dargestellten Strukturen sind natürlich nicht auf die einfachen gezeigten Verknüpfungen beschränkt. Vielmehr können wesentlich kompliziertere Strukturen mit ■ einer Vielzahl von Transistoren realisiert werden, wobei insbesondere auch die Transistoren jeweils mehrere Eingänge und Ausgänge besitzen können. Eine Ausführungsform, bei der die Ladungsträger

nicht durch Lichtbestrahlung sondern durch einen Zone 2 zwei Zonen 61 und 62 vorgesehen, von denen die

injizierenden pn-Übergang geliefert werden, ist in Zone 61 im Beispiel ρ+ -dotiert und die Zone 62

Fig. 5 dargestellt, welche einen in der Zeichenebene η+ -dotiert ist. Der zwischen diesen Zonen gebildete

rechts von einer Schnittlinie 12-12 in Fig. 1 liegenden pn-Übergang liefert bei Vorspannung in Flußrichtung

Teil dieser Anordnung zeigt. Im Gegensatz zur ο die Minoritätsladungsträger, die in den Transistorbe-

Anordnung nach Fig. I sind statt der hochdotierten reich diffundieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Halbleiteranordnung, bei der die Energieversorgung der Bauelemente durch Strahlungsanregung oder durch Ladungsträgerinjektion über in Durchlaßrichtung vorgespannte pn-Übergänge erfolgt und bei der in einem Halbleiterkörper benachbart zu mindestens einer ersten Zone eines ersien Leitungstyps in Abstand voneinander befindliche zweite Zonen eines zweiten Leitungstyps und benachbart zu den zweiten Zonen dritte Zonen des ersten Leitungstyps vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Zonen (5,6) durch hochohmige Bereiche (4) des Halbleiterkörpers (1) voneinander getrennt sind, und daß die dritten Zonen (7,8,9) voneinander getrennte zweite Zonen derart miteinander verbinden, daß an mindestens einer Verbindungsstelle einer zweiten und einer dritten Zone (beispielsweise 6 und 9) ein sperrender Kontakt vorhanden ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einer Verbindungsstelle einer zweiten und einer dritten Zone (beispielsweise 11) ein ohmscher Kontakt vorhanden ist.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Zone (beispielsweise 8) an den Verbindungsstellen mit zweiten Zonen (5, 6) nur sperrende Kontakte bildet.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis j, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbereiche mindestens einer dritten Zone (beispielsweise 8) mit mindestens zwei zweiten Zonen (6,7) unterschiedlich grof sind.

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (2) hochdotiert ist.

6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten und dritten Zonen (5, 6; 7, 8, 9) streifenförmig ausgebildet sind.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen zweiten und dritten Zonen (5, 6; 7, 8, 9) etwa orthogonal zueinander verlaufen.

8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die sich durch die Folge der ersten, zweiten und dritten Zonen (2; 5,6; 7,8,9) ergebenden Funktionselcmente im Halbleiterkörper (1) in drei Koordinatenrichtungen wiederholt vorgesehen sind.

9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Zonen (7, 8, 9) im Halbleiterkörper(l)indendrei Koordinatenrichtungen verlaufen.

10. Halbleiteranordnung nach Anspruch I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein injizierender pn-Übergang großflächig auf einer Seite des Halbleiterkörpers (1) vorgesehen ist.