DE2365745C2

DE2365745C2 - Integrierte Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2365745C2
Application number: DE2365745A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-08-31
Filing date: 1973-08-31
Publication date: 1983-09-29
Also published as: DE2365745A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des An-Spruches 1.

Es ist bereits aus der Zeitschrift »I.E.E.E. Journal of Solid-State Circuits« Vol. SC 7 Nr. 5, Okt. 1972, Seiten 340—351 bekanntgeworden, daß mit Licht bestrahlte Halbleiterbauelemente, beispielsweise Dioden, so wirken, 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 pn-Übergänge vorgesehen werden, welche die notwendigen Ladungsträger wie im Falle der Lichtbestrahlung liefern.

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

Es ist aus der genannten Zeitschrift auch bereits bekannt, bei diesen integrierten Schaltungen neben den konventionell üblichen Isolationstechniken 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 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 anzugeben, um die Packungsdichte der Bauelemente zu erhöhen und die Herstellungsprozesse so zu vereinfachen, daß keine zusätzlichen .Prozeßschritte zur Herstellung von ohmschen Kontakten erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird bei einer integrierten Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst

Durch diese vorstehend definierte Ausgestaltung einer integrierten Halbleiteranordnung wird der Vorteil erzielt, daß die metallischen Belegungen einerseits mit unter ihnen liegenden Halbleiterzonen direkt Kollektoren von Transistoren bilden und andererseits elektrische Verbindungen zwischen Transistoren herstellen können. Auf diese Weise werden Diffusionsprozesse für Kollektoren eingespart. Insbesondere ist auch eine einfachere Leitungsführung möglich, weil Halbleiterzonen und metallische Belegungen in Weiterbildung der Erfindung streifenförmig ausgebildet werden können, wobei an Kreuzungsstellen entweder leitende ohmsche Verbindungen oder direkt Kollektoren entstehen können.

Ausgestaltungen des Effindüngsgedänkens sind Gegenstand der Unteransprüche.

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

F i g. 1 eine Ausführungsform mit halbleitenden Zonen und metallischen Belegungen;

Fig.2 eine Ausführungsform mit streifenförmig

ausgebildeten Zonen und metallischen Belegungen;

F i g. 3 eine dreidimensionale Ausführungsform;

F i g. 4 eine weitere Ausführungsfonn mit streifenförmig ausgebildeten Zonen und metallischen Belegungen und

Fig.5 eine Ausführungsfcrm mit einem Ladungsträger injizierenden pn-übergang.

Gemäß Fig. 1 ist in einem Halbleiterkörper 1 eine erste hochdotierte Zone 2 vorgesehen, welche beispielsweise η-leitend sein kann. Diese Zone 2 ist ganzflächig mit einer metallischen Belegung 3 versehen. Ober 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 Leitungstyp, also beispielsweise p-leitend sind.

Weiterhin sind auf der Seite der Zonen 5 und 6 metallische Belegungen 21, 22 und 23 vorgesehen, welche die Zonen 5 und 6 in der dargestellten Weise überlappen.

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

Auf diese Weise wird eine integrierte Halbleiteranordnung mit zwei Transistoren erhalten, deren Emitter durch die Zone 2, deren Basen durch die Zonen 5 und 6 und deren Kollektoren durch die metallischen Belegungen 21,22,23 gebildet werden, welche mit den darunter liegenden Zonen 5 und 6 in Sperrichtung betriebene Schottky-Kontakte bilden.

Durch die Kontaktierung an den Stellen 10 und 11 (Fig.2) ist eine Verbindung vom Kollektor eines Transistors zur Basis des anderen Transistors gegeben.

Auf Grund 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 //ird.

Wie sich aus der Darstellung nach F i g. 1 ergibt, sind die Teile der metallischen Belegungen 21, 22 und 23, welche mit den darunterliegenden Zonen 5 und 6 einen Schottky-Kontakt als Basis-Kollektor-Übergang gegenüber den Teilen, welche den Emitter-Basis-Übergang bilden — 24 und 25 in F i g. 1 — groß ausgebildet

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung können die zweiten Zonen 5, 6 und die metallischen Belegungen 21, 22, 23 streifenförmig ausgebildet sein und etwa orthogonal zueinander verlaufen.

Eine derartige Ausführung ist in F i g. 2 dargestellt, in der gleiche Elemente wie in F i g. 1 mit gleichen 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 Erfindung ist vorgesehen, daß die sich durch die Folge der ersten und zweiten Zonen sowie der metallischen Belegungen ergebenden Funktionselemente im Halbleiterkörper in drei Koordinatenrichtungen wiederholt vorgesehen sind, wobei insbesondere die metallischen Belegungen im Halbleiterkörper in den drei Koordinatenrichtungen verlaufen. Eine derartige Ausführungsform ist in Fig.3 dargestellt, in der gleiche Elemente wie in den F i g. 1 und 7 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

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

Bei dieren dreidimensionalen Halbleiterstrukturen wird der Vorteil der anhand λ«γ F i g. 1 bis 3 beschriebenen Strukturen besonders deutlich. Die bekannten Strukturen, bei denen die Transistoren in einer Isolationswanne angeordnet sind, können aus topologischen 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 vergrößert werden kann und daß komplizierte-Verknüpfungen ohne Leitungskreuzungen und mit verhältnismäßig kurzen Leitungen realisierbar sind.

In der Anordnung nach Fig. 1, 2 und 3 sind die Kontakte 24, 25 und 24' und 25' keine ohmschen Kontakte. Deren Herstellung würde zusätzliche Her-

Stellungsprozesse erfordern. Um ohmsche Kontakte einzusparen werden solche Materialien für die Zonen verwendet, daß die Flußspannung zwischen der Kollektor-Basis-Diode kleiner als die Flußspannuig der Basis-Emitter-Diode — bei gleichem Flußstrom — ist.

Diese Voraussetzung wird z. B. bei der Anordnung nach F i £-1 erfüllt, wenn für die Schichten 22,23 Aluminium auf Silicium verwendet wird. Es besteht bei dieser Anordnung kein grundsätzlicher Unterschied zwischen dem Kollektor und dem Basiskontakt Damit trotzdem die Signalflußrichtung in der Schaltung eindeutig festgelegt ist, werden die Flächen verschieden groß gemacht. Eine große Fläche der Schichten 22, 23 über der Basis 5,6 wirkt als Kollektor. Zwar wirkt auch eine kleine Fläche als Kollektor; wird aber die Fläche so

^⁰ klein gemacht, daß die Stromverstärkung dieses Teiltransistors kleiner als eins ist, so kann er den mit ihm verbundenen Transistor nicht durchschalten. Bezogen auf F i.?. 1 heißt das, daß auch bei nichtohmschen Kontakten 24, 25 der linke Transistor den rechten durchschalten kann, daß aber der rechte Trannistor nicht den linken Transistor durchschalten kann, wenn nur die Überlappungsfläche der Zonen 22 und 25 genügend klein sind. Eine derartige Ausgestaltung für die Anordnung nach F ig. 1 ist in Fig.4 dargestellt, in def

gleiche Elemente wie in F i g, 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Die in den Ausführungsbeispielen nsch den F i g. 1 bis 4 dargestellten Strukturen sind natürlich nicht auf die einfachen gezeigten Verknüpfungen beschränkt. Viel-

mehr können weseniiich komplizierte Strukturen mit einer Vielzahl von Transistoren realisiert werden, wobei insbesondere auch die Transistoren jeweils mehrere Eingänge und Ausgänge besitzen können.

Eine Aufführungsform, bei der die Ladungsträger nicht durch Lichtbestrahlung sondern durch einen injizierenden pn-übergang geliefert werden, ist in F i g. 5 dargestellt, welche einen in der Zeichenebene rechts von einer Schnittlinie 12-12 in Fig. 1 liegenden Teil dieser Anordnung zeigt. Im Gegensatz zur Anordnung nach Fig. I sind statt der hochdotierten Zone 2 zwei Zonen 61 und 62 vorgesehen, von denen die Zone 61 im Beispiel p ⁺ -dotiert und die Zone 62 η+ -dotiert ist. Der zwischen diesen Zone»! gebildete pn-Übergang liefert bei Vorspannung in Flußrichtung die Minoritätsladungsträger, die in den Transistorbereich diffundieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Halbleiteranordnung, bei der die Energieversorgung der Bauelemente durch Strahlungsanregung oder Ladungsträgerinjektion über in Durchlaßrichtung vorgespannte pn-Obergänge erfolgt, bei der in einem Halbleiterkörper benachbart zu mindestens einer ersten Zone eines ersten Leitungstyps im Abstand voneinander befindliche, mit metallischen Belegungen versehene zweite Zonen eines zweiten Leitungstyps vorgesehen sind, die durch hochohmige Bereiche des Halbleiterkörpers voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Zonen (5,6; 5', 6') durch die metallischen Belegungen (21,22,23; 21', 22', 23') unter Bildung von Metall-Halbleitersperrkontakten miteinander verbunden sind und daß die Kontaktbereiche der Metall-Halbleitersperrkontakte zwischen einer metallischen Belegung (beispielsweise 22), und mindestens zwei zweiten Zonen (beispielsweise 5,6) so unterschiedlich groß gewählt sind, daß der mit der einen zweiten Zone (5) gebildete Metall-Halbleitersperrkontakt mit der größeren Fläche als Kollektor eines durch die erste Zone (4), die entsprechende zweite Zone (5) und die metallische Belegung (22) gebildeten Transistors wirkt und daß der mit der anderen zweiten Zone (6) gebildete Metall-Halbleitersperrkontakt eine so kleine Fläche aufweist, daß der aus erster Zone (4), der entsprechenden zweiten Zone (6) und der metallischen Belegung (22) gebildete Transistor eine Stromverstärkung kleiner Eins hat.

2. Halbleiteranordnung nac&, Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß db metallischen Belegungen (21,22,23) streifenförmig ausges/'det sind.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen metallischen Belegungen (21, 22, 23) etwa orthogonal zueinander verlaufen.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich durch die Folge der ersten und zweiten Zonen (2; 5,

6) und der metallischen Belegungen (21, 22, 23; ergebenden Funktionselemente im Halbleiterkörper (1) in drei Koordinateneinrichtungen wiederholt vorgesehen sind.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Belegungen (21, 22, 23) im Halbleiterkörper (1) in den drei Koordinatenrichtungen verlaufen.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein injizierender pn-Übergang großflächig auf einer Seite des Halbleiterkörpers (1) vorgesehen ist.

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