DE2458735A1

DE2458735A1 - Transistor mit einem hohen stromverstaerkungsfaktor bei kleinen kollektorstroemen

Info

Publication number: DE2458735A1
Application number: DE19742458735
Authority: DE
Inventors: Ingrid E Magdo; Steven Magdo
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-12-26
Filing date: 1974-12-12
Publication date: 1975-07-10
Also published as: FR2256542B2; DE2458735C2; JPS5135834B2; GB1482163A; CA1019462A; FR2256542A2; IT1051369B; US3855609A; JPS5098287A

Description

:Transistor mit einem hohen Stromverstärkungsfaktor bei kleinen ι Kollektorströmen

I Die Erfindung betrifft einen Transistor mit hohem Stromverstär-Ikungsfaktor bei kleinen Kollektorströmen, bei dem in einer Oberj flächenschicht eines Halbleitersubstrats der einen Leitungsart I in der Schichtebene abwechselnd Dotierungszonen der einen und !der anderen Leitungsart angeordnet sind, die sich von der Ober- !fläche des Halbleitersubstrats in dessen Tiefe erstrecken, und der spezifische Widerstand des Halbleitersubstrats, die Tiefe der Dotierungszonen und der Abstand der Dotierungszonen so bemessen ist, daß die dielektrische Relaxationszeit im Raumladungsbereich zweier benachbarter Dotierungszonen der gleichen Leitungsart größer ist als die Laufzeit der Ladungsträger.

Eine raumladungsbegrenzte Transistorstruktur dieser Art ist bereits bekannt (DOS 2 259 256) . Bei dieser bekannten Anordnung sind zwei laterale Transistoren in einem Substrat mit hohem spezifischem Widerstand überlagernd angeordnet. Der obere Transistor ist ein parasitärer, lateraler, bipolarer Transistor, während der untere Transistor den erwünschten lateralen Transistor mit begrenzter Raumladung darstellt. Im Betrieb sind beide Transistoren gesperrt, wenn zwischen Basis und Emitter keine Vorspannung anliegt. Wenn der Basis-Emitter-übergang in zunehmendem Maße in Vorwärt sr ich tung vorgespannt wird, wird zunächst im unteren Transistor ein durch die Raumladung begrenzter Stromfluß eingeleitet. Wenn die Vorspannung in Vorwärtsrichtung auf höhere Werte gebracht

509828/0517

wird, tritt auch in dem oberen Transistor die Wirkung eines bipolaren Transistors ein.

Bei der bekannten Anordnung sind Vorkehrungen getroffen, um das Wirksamwerden des bipolaren, oberen Transistors zu reduzieren und die Raumladungswirkung des unteren Transistors auch bei höheren Vorspannungen aufrecht zu erhalten. Diese Vorkehrungen wirken in der Weise, daß der Betrieb mit der erwünschten hohen Stromverstärkung des Transistors mit begrenzter Raumladung verlängert wird und daß das Einsetzen der Wirkung des bipolaren Transistors mit der geringeren Stromverstärkung verzögert wird. Jedoch können in dem Maße, in dem die Wirkung des unerwünschten, parasitären, bipolaren Transistors nicht ganz eliminiert werden kann, die Vorteile des Transistors mit begrenzter Raumladung nicht voll zur Geltung gebracht werden. Zusätzlich weist die bekannte Anordnung auch unter Einschluß der Vorkehrungen zur Reduzierung der bipolaren Transistorwirkung relativ große parasitäre Kapazitäten der Emitter- und Kollektorübergänge auf sowie linear ansteigende Übergangsprofile, welche die hohe Schaltgeschwindigkeit beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Transistoranordnung mit begrenzter Raumladung anzugeben, bei der nur die Raumladungszonen wirksam sind und die bipolare Transistorwirkung unterdrückt ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Transistorstruktur der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen aufeinanderfolgenden Dotierungszonen der einen und der anderen Leitungsart dielektrische Zonen angeordnet sind, die sich von der Oberfläche des Halbleitersubstrats In dessen Tiefe erstrecken und die Dotierungszonen voneinander trennen.

Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Transistors besteht darin, daß die dielektrischen Zonen sowohl zwischen den als Emitter und als Bisis dienenden Dotierungszonen als auch zwi-

^FI973026 509828/0517

245873$

sehen den als Basis und als Kollektor dienenden Dotierungszonen angeordnet sind, und daß die Dotierungskonzentration aller Dotie-

19
rungszonen mindestens 10 Atome pro Kubikzentimeter beträgt.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des Transistors besteht darin, daß die dielektrischen Zonen nur zwischen den als Emitter und als Basis dienenden Dotierungszonen angeordnet sind, und daß die Dotierungskonzentration der als Emitter und als Kollektor die-

19
nenden Dotierungszonen mindestens 10 Atome pro Kubikzentimeter beträgt, während die Dotierung der als Basis dienenden Dotierungszonen niedriger ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Transistors besteht darin, daß sich die Dotierungszonen der einen Leitungsart tiefer in das Halbleitersubstrat hineinerstrecken als die Dotierungszonen der anderen Leitungsart, und daß die Tiefe der dielektrischen zonen zwischen der Tiefe der Dotierungszonen der beiden Leitungsarten liegt.

Die zwischen benachbarten Dotierungszonen angeordneten dielektrischen Zonen sind in vorteilhafter Weise durch Oxidation des Substrats gebildet. Insbesondere werden die dielektrischen Zonen durch geätzte Ausnehmungen gebildet, die mit einem isolierenden Material, vorzugsweise einem Oxyd, aufgefüllt sind. In vorteilhafter Weise können bei dieser Anordnung die Anschlußleitungen der Transistorelektroden auf der Oberfläche der dielektrischen Zonen angeordnet werden.

Der Transistor ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, daß das Halbleitersubstrat einen spezifischen Widerstand von minde-

4
stens 10 Ohm . cm aufweist, und daß die der Substratoberfläche gegenüberliegenden Flächen der Dotierungszonen mit dem Substrat abrupte übergänge bilden, derart, daß eine Beeinflussung der Ladungsträger im Raumladungsgebiet unterhalb zweier benachbarter Dotierungszonen der einen Leitfähigkeit und einer dazwischenliegenden Dotierungszone der anderen Leitfähigkeit erfolgt.

FI 973 026

$09828/0517

Die Erfindung wird anhand von durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: eine dem Stand der Technik entsprechende Transistorstruktur im Querschnitt,

Fign. 2, 2A - 2D im Querschnitt, eine komplementäre Transistorstruktur entsprechend den Merkmalen der Patentansprüche mit verschiedenen Ausführungsformen von NPN- und PNP-Transistoren,

Fign. 3A, 3B eine graphische Darstellung der Störstellen-

und Ladungskonzentration bei einem eigenleitenden N⁺-N~-übergang gegenüber dem Abstand, gemessen von der Oberfläche der Anordnung entsprechend der Fig. 2,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Störstellen- und ;

Ladungskonzentration bei einem eigenleitenden P -N -tibergang gege]
von der Oberfläche,

P -N -tibergang gegenüber dem Abstand, gemessen

Fign. 5A-C Querschnitte eines NPN-Transistors mit verschiedenen Vorspannungen, und

Fig. 6 eine graphische Darstellung von Störstellenpro-

filen zur Erläuterung des Unterschiedes zwischen einem linear ansteigenden Übergang und einem ab- j rupten Übergang. |

In Fig. 1 ist im Querschnitt eine Transistorstruktur dargestellt, die dem Stand der Technik entspricht. Bei dieser Anordnung ist mit 1 ein N -Siliziumsubstrat bezeichnet, dessen spezifischer Widerstand mindestens 10 Ohm . cm beträgt. Auf der Oberfläche des Substrats ist eine P-leitende Dotierungszone 2 aufgebracht. Die in Abständen angeordneten N -Diffusionszonen 3 und 4 dringen

FI 973 026

S09828/0S17

durch die Zone 2 hindurch auf das N -Substrat 1. Die dielektrische Relaxationszeit ist viel größer als die Laufzeit der Ladungsträger durch das N~-Substrat vom N -Bereich 3 bis zum N -Bereich 4, so daß bei geeigneter Vorspannung ein im Raumladungsbereich begrenz- _; ter Strom fließt. Die Vorspannungspotentiale für Emitter, Kollektor und Basis werde]
Bereich 5 angelegt.

tor und Basis werden an die N -Bereiche 3 und 4 sowie an den P-

Die bekannte Struktur besteht aus zwei übereinanderliegenden la- \ teralen Transistoren, von denen der obere in der Ebene B-B ein la-_: teraler, bipolarer Transistor ist und der untere in der Ebene A-A j

ein lateraler Transistor mit begrenzter Raumladung ist. Im Betrieb! sind beide Transistoren gesperrt, wenn die Basis-Emittervorspan- i nung gleich null ist. Wenn die Basis-Emitter-Vorspannung ansteigt,ι fließt zunächst in der Ebene A-A des unteren Transistors ein |

Strom innerhalb des begrenzten Raumladungsgebietes. Wenn die Vorwärts-Vorspannung weiter ansteigt, wird auch in der Ebene B-B des oberen bipolaren Transistors die Transistorwirkung ausgelöst. Die Wirkungsweise wird insgesamt beeinträchtigt, wenn dieser parallel geschaltete, bipolare Transistor wirksam wird, da die Verstärkung des bipolaren Transistors um Größenordnungen geringer ist als die !Verstärkung des Transistors mit begrenzter Raumladung. Der Wirikungsgrad dieser Anordnung wird ferner dadurch beeinträchtigt, daß ι zwischen dem N -Emitter 3 und der P-Basis 5 sowie zwischen der P-Basis 5 und dem N -Kollektor 4 relativ große Kapazitäten gebildet iwerden, welche die Schaltgeschwindigkeit begrenzen.

jBei der bekannten Anordnung sind auch Maßnahmen getroffen, um den !Transistor mit begrenzter Raumladung auch bei höheren Vorspannungen wirksam werden zu lassen, indem das Einsetzen des Arbeitens des bipolaren Transistors verhindert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß das Material des hochohmigen Substrats im Basisbereich zwischen dem Emitter 3 und dem Kollektor 4 bis zur oberen Oberfläche der Anordnung hochgezogen wird. Diese Unterbrechung des Basisbereiches durch das hochohmige Halbleitermaterial reduziert die bipolare Transistorwirkung wesentlich und ermöglicht,

^PI973026 509828/0517

245873$

daß die durch den Raumladungsstrom bedingte Wirkung auf höhere Stromwerte in der Größenordnung von einem mA ausgedehnt wird. Gleichzeitig wird dadurch die Kapazität der übergänge verringert und die Durchbruchsspannung des bipolaren Transistors erhöht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß das Hineinbringen von hochohmigem Substratmaterial in den Basisbereich des bipolaren Transistors die bipolare Transistorwirkung nicht völlig unterbindet und die Möglichkeit der Reduzierung der Kapazität der übergänge und der Erhöhung der Durchbruchsspannung an den übergängen nicht voll ! ausnützt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Transistoranordnung sind zur Be-' hebung dieser Schwierigkeiten vertiefte Oxydzonen 6 vorgesehen, die in konventioneller Weise z.B. dadurch hergestellt werden, daß das Substrat 7 mit einer Oxidationsmaske, z.B. Siliciumnitrid, überzogen wird, das in das Nitrid an den Stellen, an denen I das Oxyd gebildet werden soll, öffnungen eingebracht werden, daß ί das Silicium geätzt wird, und daß dann die sich ergebende Struktur oxidiert wird. Ebenso können auch in das Substrat Rillen geätzt

werden an den Stellen, an denen die oxidierten Zonen gebildet , werden sollen, und die sich ergebende Struktur kann sodann mit einem passivierenden dielektrischen Material ohne Verwendung einer Oxidationsmaske überzogen werden. Nach der Oxidation wird \ das Material der Nitridmaske entfernt und alle angedeuteten N und P -Bereiche einschließlich der N -Bereiche 8 und 10 und des | P -Bereiches 9 werden gebildet, beispielsweise unter Anwendung I von Diffusion, Ionenimplantation, durch Legieren oder Sintern. J

Die Bereiche 10, 9 und 8 bilden den Emitter, die Basis und den Kollektor des NPN-Transistors 11, während die Bereiche 12, 13 und 14 den Emitter, die Basis und den Kollektor des PNP-Transistors 15 bilden. Der P⁺-Bereich 36 und der N⁺-Bereich 37 isolieren den Transistor 11 vom Transistor 12. Die Dotierungskonzentration aller N -Bereiche und aller P -Bereiche liegt vorzugsweise

19

in der Größenordnung von mindestens 10 Atome pro Kubikzentimeter. Die N - und P -Zonen sind auf ihren Seiten gegeneinander- I

PI 973 026

509828/0617

isoliert durch die ausgesparten Siliciumdioxydzonen. Die unteren Grenzflächen der N - und P -Zonen sind gegeneinander isoliert durch das hochohmige Substrat 7, das aus einem Halbleitermaterial mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von mindestens 10 Ohm . cm (vorzugsweise 30 000 Ohm . cm oder mehr) besteht. Vorzugsweise sind die StörStellenverteilungen sowohl in den N⁺- als auch in den P -Zonen derart, daß sie abrupte Obergänge mit dem Substrat bilden. Die N⁺-Zonen bilden eigenleitende "Hoch-Tief"-Übergänge mit dem N~-Substrat 7. Die P⁺-Zonen bilden eigenleitende unsymmetrische Übergänge mit dem N -Substrat 7.

Die N -Zonen dringen tiefer in das Substrat 7 ein als die P -Zo- j nen. Bei der Herstellung kann zu diesem Zweck so verfahren wer- j den, daß die P -Diffusionen als Schicht aufgebracht werden, nachdem die ausgesparten Oxydzonen gebildet wurden und die N -Zonen dadurch gebildet werden, daß N -Störstellen durch die P -Schicht hindurch an den betreffenden Stellen eindiffundiert wird. Andererseits können sowohl die P - als auch die N -Zonen durch maskierte Diffusionen hergestellt werden. In diesem Falle haben diese Zonen eine einheitliche Tiefe, wie in den Fign. 2A und 2B anhand der komplementären NPN- und PNP-Transistoren dargestellt. Es kann auch eine N -Schichtdiffusion einer maskierten P⁺-Diffusion vorangehen, um eine PNP-Transistoranordnung entsprechend der j Fig. 2D zu bilden. In dem Falle, daß eine Schichtdiffusionstechnik j verwendet wird, durch die sich P - und N -Bereiche verschiedener Tiefe ergeben, werden vorzugsweise die tiefer eingedrungenen Zonen als Emitter und als Kollektor des Transistors verwendet, wie in den Figuren 2, 2C und 2D dargestellt. Der NPN-Transistor der Fig. 2C ist auf demselben monolithischen Substrat hergestellt wie der PNP-Transistor der Fig. 2D mit Hilfe von vier aufeinanderfolgenden Diffusionen. Ein Vorteil der Anordnungen der Figuren 2C und 2D gegenüber den Anordnungen der Figuren 2A und 2B besteht darin, daß durch die zusätzliche Diffusion der N⁺-Berei-I ehe der Fig. 2C und der P⁺-Bereiche der Fig. 2D die kleinstmögliche erreichbare Basisbreite reduziert wird im Vergleich zu den

FR 973 026

$09828/0517

Anordnungen der Figuren 2A und 2B, bei denen die N - und P -Bereiche dieselben Tiefen aufweisen.

j In Fig. 3A ist die Störstellen- und freie Ladungsträgerdichte j gegen den Abstand im Substrat 7 aufgetragen. Diese Darstellung entspricht dem eigenleitenden Typ eines abrupten "Hoch-Tief"-

I- j. —

j Überganges zwischen jeder der N -Zonen und dem hochohmigen N Substrat 7 unter der Annahme des thermischen Gleichgewichts ; (Stromfluß = 0). Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß Elek-

! tronen von der Seite der hohen Störstellenkonzentration des ι
Überganges auf die Seite der niedrigen Störstellenkonzentration diffundieren bis zu einer Tiefe von ungefähr 3 Debeye-Längen und eine angereicherte N-leitende Zone bilden. Der herausgezeichnete Teil, der eine Vergrößerung des Bereichs 16 der Kurve 17 darstellt, zeigt, daß auf der oberen Seite des Überganges eine teilweise verarmte Zone mit positiven Ionen gebildet wird. Diese teilweise verarmte Zone hält das elektrische Gleichgewicht mit den diffundierten Elektronen aufrecht. Die Dichte der freien Elektronen auf der oberen Seite zeigt ein Maximum beim metallischen übergang, und die Dichte nimmt mit der Entfernung von diesem übergang schnell ab. Die stark angereicherte Zone, in welcher die Elektronendichte mindestens eine Größenordnung höher ist als dem Wert des thermischen Gleichgewichts entspricht, beträgt ungefähr 0,5 Debeye-Längen in die Tiefe. Die maximale Dichte der freien Elektronen beträgt ungefähr 0,35 N,, wobei N, die Störstellenkonzentration auf der oberen Seite des Übergangs ist. Die Potentialverteilung des Hoch-Tief-übergangs (für den stromlosen Fall) ist durch die ausgezogene Kurve 18 der Fig. 3B dargestellt. Wenn der "Hoch-Tief"-übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, also eine positive Spannung an die tiefe Seite angelegt wird, ändert sich die Potentialverteilung entsprechend der gestrichelten Kurve 19.

Im Falle einer Vorspannung in Vorwärtsrichtung (im Falle eines Stromflusses) verschwindet ein Teil der positiven Ladungen in der teilweise verarmten Zone und eine entsprechende Anzahl von

FI 973 026

509828/0S17

■ ■-»-■ -j

freien Elektronen auf der unteren Seite des Überganges wird frei- ι gesetzt. Gleichzeitig tritt auf der unteren Seite des tiberganges \ die gleiche Anzahl von positiven Ladungen auf und zieht die frei- ! gesetzten Elektronen an. So beginnt ein Elektronenstrom vom "Hoch-! Tief"-Obergang zu dem vorgespannten Kontakt auf der unteren Sei- j te des Übergangs zu fließen. Die rücktreibende Kraft zwischen j den sich bewegenden Elektronen bildet eine Potentialvertiefung 1 oder ein Minimum, das den Stromfluß begrenzt. Mit anderen Worten, der Strom ist durch die Raumladung begrenzt entsprechend

2 3 dem Mott-Gurney'sehen Gesetz und ist proportional zu V /d , wobei V die angelegte Spannung und d der Abstand vom metallischen "Hoch-Tief"-Übergang zum Vorspannungskontakt auf der Tiefenseite des Überganges ist.

Bei den NPN-Anordnungen der Figuren 2, 2A und 2C bildet der Vorspannungskontakt an der unteren Seite des "Hoch-Tief"-Überganges einen zweiten "Hoch-Tief" (N~. nach N )-übergang und macht damit die Struktur N -N~-N vollständig. Diese Struktur hat keine gleichrichtenden Eigenschaften, da ein Hoch-Tief-übergang im Prinzip einenohm'sehen Kontakt zum Leitungsband des N -leitenden, hochohmigen Substrats darstellt.

Das Fließen eines raumladungsbegrenzenten Stromes in einem Hoch-Tief -übergang erfordert, daß die Dichte der freien Elektronen viel größer ist als ihre kompensierte Dichte irgendwo auf der unteren Seite. Der Vorspannungskontakt auf der unteren Seite kann nicht zu weit vom metallischen Hoch-Tief-übergang entfernt sein. Für sehr kleine Ströme entspricht die Elektronenverteilung ungefähr der Darstellung der Fig. 3A für den stromlosen Fall. Ein raumladungsbegrenzter Strom mit kleinen Stromwerten in einer N -N -N -Struktur erfordert somit, daß die Breite der N⁺-Zone ungefähr einer Debeye-Länge oder weniger entspricht. Bei dieser Breite berühren sich die hochangereicherten Zonen der beiden angrenzenden Hoch-Tief-übergänge.

FI 973 026

509828/0517

Die Erfordernisse für einen raumladungsbegrenzten Strom bei höheren Stromstärken sind etwas geringer, da sich freie Elektronen von den hochangereicherten Zonen in die weniger angereicherten oder neutralen Zonen bewegen. Es ist jedoch wichtig, daß die Ladung der freien Elektronen nicht durch die dielektrische Relaxation während des Durchganges durch die N -Zone kompensiert werden. Mit anderen Worten, die dielektrische Relaxationszeit muß viel größer sein als die Laufzeit der Ladungsträger. Die Debeye-Länge (L,) ist mit der dielektrischen Relaxationszeit (C)verbunden

d , /2

durch die Gleichung L^ = (D¹ * τ ) ' , wobei D die Diffusionskonstante für Elektronen darstellt.

In Fig. 4 ist der eigenleitende Typ eines abrupten asymmetrischen; P-N~-Oberganges bei thermischem Gleichgewicht (stromloser Fall) dargestellt. Der eigenleitende asymmetrische P-N -übergang ergibt einen ohm"sehen Kontakt zum Valenzband des N -Substrats 7, während der eigenleitende Hoch-Tief-N -N -übergang einen ohm'sehen j Kontakt zum Leitungsband des N~-Substrats 7 bildet. Aus Fig. 4 '· ist ersichtlich, daß Löcher von der P-Seite zur N^--SeIte der i Verbindung diffundieren und damit die N~-Seite in die P-Leitung invertieren. Das Ergebnis ist, daß sich der elektrische übergang vom metallischen übergang trennt und tief in die N~-Zone eindringt mit einer Entfernung, die ungefähr 1,5 Debeye-Längen beträgt.

Der elektrische übergang ist auf beiden Seiten mit teilweise verarmten, positiv geladenen Zonen umgeben. In dem Maße wie die Elektronen in dem invertierten Bereich verarmen, wird die Ladungsträgerdichte der Löcher durch die Ladungsträgerdichte der positiven Ionen verstärkt. Auf der P-Seite des Überganges wird eine teilweise verarmte Zone von negativen Ionen gebildet. Diese teilweise verarmte Zone hält das elektrische Gleichgewicht mit den diffundierten Löchern und ebenfalls mit der positiv geladenen, teilweise verarmten Zone der N~-Seite aufrecht. Die Dichte der freien Löcher auf der N~-Seite hat ein Maximum beim metallischen übergang und nimmt mit dem Abstand vom metallischen über-

FI 973 026

509828/0517

2A5873S

gang schnell ab. Der stark angereicherte Bereich, in welchem die J Dichte der freien Löcher größer als die Dichte der positiven Ionen¹ ist, liegt ungefähr 0,5 Debeye-Längen unterhalb des metallischen I Überganges. Die größte Dichte der freien Löcher beträgt ungefähr , 0,35 N , wobei N die StörStellenkonzentration auf der P-Seite '

el el !

des Überganges ist. Die PotentialVerteilungen für den stromlosen Fall und den (nicht dargestellten) stromführenden Fall sind ähnlich denjenigen der Fig. 3B. Der in Vorwärtsrichtung fließende Strom ist durch die Raumladung begrenzt und gehorcht dem Mott-Gurney¹sehen Gesetz. Die Erfordernisse für einen raumladungsbegrenzten Strom für den asymmetrischen Übergang sind dieselben wie für Hoch-Tief-Übergänge.

Aus den Figuren 3A und 4 ist zu ersehen, daß ein eigenleitender Übergang nicht ein Übergang im gewöhnlichen Sinne ist. Erstens ist mit dem eigenleitenden Übergang an sich keine Kapazität ver- [ bunden. Weiterhin hat der eigenleitende Typ eines Überganges kei- ! ne gleichrichtenden Eigenschaften. Der Strom in Vorwärtsrichtung des eigenleitenden Überganges ist durch die Raumladung begrenzt entsprechend dem Mott-Gurney'sehen Gesetz und steigt nicht exponentiell an wie im Normalfall. Die Raumladung auf der Tiefenseite wird hauptsächlich durch bewegliche Ladungsträger gebildet. Es findet keine Injektion von Ladungsträgern statt. Die Ladungsträger werden emittiert oder freigesetzt durch die Vorspannung in Vorwärtsrichtung. Auf der Tiefenseite sind keine Minoritäts- und Majoritäts-Ladungsträger. Die eigenleitenden Übergänge sind grundsätzlich ohm'sche Kontakte entweder zum Leitungs- oder zum Valenzband auf der Tiefenseite. Sie gleichen der Kathode einer Vakuumröhre mit der Austrittsarbeit von nahezu null. Zur Beschreibung der Wirkungsweise eines NPN-Transistors mit begrenzter Raumladung bei verschiedenen Basisvorspannungen wird nunmehr auf die Figuren 5 Bezug genommen. In Fig. 5A ist der NPN-Transistor mit der Vorspannung 0 dargestellt. Der raumladungsbegrenzte Transistor wird nicht gebildet durch P- und N-leitende Störstellenzonen in einem jSiliciumsubstrat, wie dies bei den Emitter-, Basis- und Kollektor·

^FI973026 5O9828/0S17

zonen von konventionellen Transistoren der Fall ist. Anstelle dessen wird der Transistor gebildet in einem nahezu eigenleitenden Bereich durch die elektrischen Felder, die durch die N -, P⁺- und N⁺-Zonen oberhalb des nahezu eigenleitenden Bereichs auftreten. Die P⁺- und N -Zonen dienen auch als ohm'sche Kontakte. '< Wie in Fig. 5A dargestellt ist, erzeugen die beiden N⁺-Zonen 20 'und 21 angereicherte N-leitende Gebiete 22 und 23 im hochohmigen ^! Substrat 24, wobei die Bereiche 22 und 23 den Emitter- und KoI-i lektorbereich des raumladungsbegrenzten Transistors darstellen.

! Der P⁺-Bereich 25 bildet einen invertierten P-leitenden Bereich 26 im Substrat und bildet dadurch den Basisbereich des raumladungsbegrenzten Transistors. Unterhalb des invertierten P-Bereichs 26 befindet sich der teilweise verarmte Bereich 27. Der Basisbereich 26 trennt den Emitter 22 vom Kollektor 23 durch BiI-

! dung von elektrischen übergängen zwischen dem angereicherten N-leitenden Emitterbereich 22 und dem P-leitenden Basisbereich 26 und zwischen dem angereicherten N-leitenden Kollektorbereich und dem P-leitenden Basisbereich 26. In dem angenommenen Fall der Vorspannung null an der Basis wird unter der Voraussetzung, daß der Kollektor positiv gegenüber dem Emitter vorgespannt ist, der Stromfluß zwischen dem Emitter 22 und dem Kollektor 23 unterbrochen durch diese elektrischen übergänge gemeinsam mit der teilweise verarmten Zone 27.

In Fig. 5B ist der Fall dargestellt, in welchem der Kollektorkontakt 28 positiv gegenüber dem Emitterkontakt 29 vorgespannt ist und an den Basiskontakt 30 ein gegenüber dem Emitterkontakt 29 positiver Impuls angelegt wird. Durch die positive Vorspannung wird ein Teil der dichten Elektronen- und Löcherkonzentrationen an den metallischen Emitter- und Basisübergängen freigesetzt. Die freigesetzten Ladungen induzieren Ladungen entgegengesetzter Polarität im Substrat, was zum Entstehen eines vertikalen elektrischen Feldes führt. Gleichzeitig wird ein horizontales elektrisches Feld erzeugt in der Richtung vom Emitter zum Kollektor des raumladungsbegrenzten Transistors. Das vertikale elektrische

Fl 973 ÖJ6

509828/0517

Feld erzeugt eine vertikale Raumladungswelle, die sowohl Elektronen als auch Löcher in das Substrat bewegt, wo sie miteinander rekombinieren. Das horizontale elektrische Feld erzeugt eine Raumladungswelle, bei der die Elektronen zum Kollektor bewegt werden, wo sie eingesammelt werden. Da keine Elektrode für das ; Einsammeln der Löcher vorgesehen ist, neigen die Löcher dazu, sich zum Emitter zu bewegen und teilweise die negative Raumladung zu neutralisieren, die durch den Elektronenfluß zum Kollektor ent-* standen ist. Die Löcher bewegen sich sodann langsam in das Sub- ι strat hinein, wo sie schließlich rekombinieren. Die Lebensdauer der Locher ist sehr hoch, solange sie durch das hochohmige Sub- ;

stratmäterial wandern. \

In Fig. 5C ist der Fall eines dauernd fließenden Kollektorstromes j dargestellt, nachdem der Übergangszustand der Fig. 5B durchlau- i fen ist. Ein horizontaler Elektronenstrom fließt von der Emitter- ! elektrode 31 zur Kollektorelektrode 32. Dieser Strom ist raumla- ! dungsbegrenzt, und die Elektronen bewegen sich durch eine Drift. Zusätzlich zum horizontalen Kollektorstrom fließt ein vertikaler Löcher- und Elektronenstrom zum Substrat, wo die Löcher und Elektronen rekombinieren bei einer Tiefe, die ungefähr einer ambipolaren Diffusionslänge entspricht (ungefähr 100 um). Die Rekombinationsströme schreiten hauptsächlich durch Diffusion fort, da das ständig aufrechterhaltene vertikale elektrische Feld sehr niedrig ist. Der Löcherstrom bleibt durch die Raumladung begrenzt, da sich in vertikaler Richtung ein Potentialmaximum entwickelt, während der Elektronenstrom in horizontaler Richtung einem Potentialminimum (Sattelpunkt)ausgesetzt ist. Der vertikale Löcheroder Basisstrom neutralisiert teilweise die negative Raumladung des horizontalen Elektronenstroms. Diese Neutralisierung ist jedoch klein, in der Größenordnung von ungefähr 1 Prozent oder weniger für Kollektorströme im Bereich von 10 mA, er gibt jedoch

ι -

j Anlaß zu einer exponentieIlen Elektrostromcharakteristik in dem j raumladungsbegrenzten Transistor als Funktion der Basisspannung.

FI 973 026

509828/0517

Die Stromverstärkung oder das Verhältnis des Kollektorstromes zum Basisstrom ist sehr hoch, da der Kollektorstrom durch Drift fortschreitet, während der Basisstrom durch Diffusion fortschreitet.

Die erforderliche Zeit zum Schalten des raumladungsbegrenzten Transistors ist sehr kurz (unterhalb etwa einer Nanosekunde), da die Einschalt- und Ausschalt-übergänge von Elektronen- und Löcherströmen unter dem Einfluß von hochlokalisierten elektrischen Feldern, verbunden mit Raumladungswellen, fortschreiten. Da zusätzlich keine Kapazität mit den eigenleitenden Übergängen verbunden ist, sind die Eingangs- und Ausgangskapazitäten der Anordnung ungefähr gleich groß wie die geometrischen Kapazitäten zwischen den N - und P -Zonen, die sehr niedrig sind.

In den Ausführungsbeispielen der Figuren 2, 2A bis 2D und 5A bis

5C sind sowohl zwischen den N - und P -Emitter- und Basiskontakten als auch zwischen den P - und N -Basis- und Kollektorkontakten ausgesparte oxidierte Bereiche vorgesehen. Eine wesentliche Verbesserung gegenüber den bekannten Anordnungen von raumladungsbegrenzten Transistoren entsprechend der Fig. 1 kann auch erreicht! werden, wenn die ausgesparten oxidierten Zonen nur zwischen den Emitter- und den Basiskontakten angeordnet werden. In diesem Falle ist vorzugsweise die Dotierungskonzentration im Basiskontaktbereich etwas zu reduzieren, um ein übermäßig niedriges Durch- _; bruchspotential des Kollektorüberganges zu vermeiden, das entste- \ hen würde, wenn die P - und N -Basis und Kollektorzonen aneinanderstoßen würden und nicht durch eine ausgesparte oxidierte Zone ! getrennt wären. Durch das Anbringen einer ausgesparten oxidierten Zone nur zwischen den Emitter- und Basiskontaktzonen wird die Stromverstärkung in Vorwärtsrichtung des oberen lateralen bipolaren Transistors vollständig unterdrückt.

In dem Falle, daß die ausgesparten oxidierten Zonen sowohl die Emitter- als auch die Kollektor-Übergangsbereiche des oberen lateralen, bipolaren Transistors eliminieren, besteht kein Grund,

FI 973 026

509828/051

die Störstellenkonzentration der N- oder der P-leitenden Bereiche des raumladungsbegrenzten Transistors zu beschränken.

Fig. 6 zeigt die Diffusionsprofile bei einer Oberflächenkonzentration von 8 . 10 Atomen pro Kubikzentimeter im P-Bereich 5 der

21 bekannten Anordnung entsprechend der Fig. 1 und von 10 Atomen pro Kubikzentimeter in den Basisbereichen der beschriebenen Transistoranordnung. Das erstere Profil, dargestellt durch die Kurve 34, zeigt eine lineare Abnahme, während das letztere Profil, dargestellt durch die Kurve 35, einen abrupten übergang darstellt. Der Flächenwiderstand an der Oberfläche in Verbindung mit der Kurve 34 ist relativ hoch (ungefähr 500 Ohm pro Quadrat) und erzeugt sehr hohe Spannungsabfälle bei hohen Basisströmen. Die tieferen N⁺-DIffusionen 3 und 4 der bekannten Anordnung der Fig. 1 müssen einen übergang mit linearem Anstieg mit dem Substrat bilden, um i ein Durchschlagen im relativ leicht dotierten P-Bereich des lateralen bipolaren Transistors zu vermeiden. Aus diesen Gründen ist bei der bekannten Anordnung die Fähigkeit, Elektronen und Löcher j an den eigenleitenden übergängen zu emittieren, verringert. Infol-¹gedessen können sich während der Einschaltübergänge die Raumladungswellen nicht ausbilden, was eine längere Schaltzeit zur Folge hat. Die Schaltzeit wird bei der bekannten Anordnung auch bei !niedrigen Basisströmen noch vergrößert, da die großen Kapazitäten, j die mit den fremdleitenden N -P-übergängen verbunden sind, zunächst

I t

aufgeladen werden müssen.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist eine sogenannte geschlossene Geometrie gewählt, d.h., der Kollektorbereich schließt den zugehörigen Emitterbereich vollständig ein. Anstelle dessen kann ebensogut eine streifenförmige Geometrie gewählt werden, in dem die bei der Diffusionen der N⁺- und P⁺-Bereiche verwendeten Maskierungen entsprechend geändert werden. Die beschriebenen Anordnungen sind ebenso funktionsfähig, wenn anstelle des N -leitenden Substrates ein P~-leitendes Substrat verwendet wird oder wenn die P⁺-Diffusionen und die N⁺-Diffusionen vertauscht werden mit entsprechender Änderung der Betriebspotentiale,

FI 973 026

509828/0517

Für die Isolierung der verschiedenen Dotierungszonen voneinander ist eine oxidierte Zone beschrieben worden. Diese kann ersetzt werden durch andere dielektrische Isoliermaterialien. Z.B. können an den betreffenden Stellen Rillen in das Silicium geätzt werden. Diese Rillen können dann vorzugsweise durch Siliciumnitrid, pyrolithisches Oxyd, thermisches Oxyd, Aluminiumoxyd, usw. ausgefüllt werden.

FI 973 026

509828/49517

Claims

- 17 -

PATENTANSPRÜCHE

Transistor mit hohem Stromverstärkungsfaktor bei kleinen Kollektorströmen, bei dem in einer Oberflächenschicht eines Halbleitersubstrats der einen Leitungsart in der Schichtebene abwechselnd Dotierungszonen der einen und der anderen Leitungsart angeordnet sind, die sich von der Oberfläche des Halbleitersubstrats in dessen Tiefe erstrecken, und der spezifische Widerstand des Halbleitersubstrats , die Tiefe der Dotierungszonen und der Abstand der Dotierungszonen so bemessen ist, daß die dielektrische Relaxationszeit im Raumladungsbereich zweier benachbarter Dotierungszonen der gleichen Leitungsart größer ist als die Laufzeit der Ladungsträger, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen aufeinanderfolgenden Dotierungszonen der einen und der anderen Leitungsart (z.B. 8, 9) dielektrische Zonen (6) angeordnet sind, die sich von der Oberfläche des Halbleitersubstrats in dessen Tiefe erstrecken und die Dotierungszonen voneinander trennen.
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Zonen sowohl zwischen den als Emitter und als Basis dienenden Dotierungszonen (z.B. 9, 10) als auch zwischen den als Basis und als Kollektor dienenden Dotierungszonen (z.B. 8, 9) angeordnet sind, und daß die Dotierungskonzentration aller Dotierungszonen mindestens

19
10 Atome pro Kubikzentimeter beträgt.
3. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Zonen nur zwischen den als Emitter und als Basis dienenden Dotierungszonen angeordnet sind, und daß die Dotierungskonzentration der als Emitter und

19 als Kollektor dienenden Dotierungszonen mindestens 10 Atome pro Kubikzentimeter beträgt, während die Dotierung mit der als Basis dienenden Dotierungszonen niedriger ist.

FI 973 026

"503828/0517

2Ä5873S
4. Transistor nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dotierungszonen der einen Leitungsart tiefer in das Halbleitersubstrat hineinerstrecken als die Dotierungszonen der anderen Leitungsart, und daß die Tiefe der dielektrischen Zonen zwischen

. der Tiefe der Dotierungszonen der beiden Leitungsarten liegt.

5. Transistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen benachbarten Dotierungszonen angeordneten dielektrischen Zonen durch Oxidation des Substrats gebildet sind.

6. Transistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Zonen durch geätzte Ausnehmungen gebildet werden, die mit einem isolierenden Material, vorzugsweise mit einem Oxyd, aufgefüllt sind.

7. Transistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis |

6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleitungen der Transistorelektroden auf der Oberfläche der dielektrischen Zonen angeordnet sind.

8. Transistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat ι

4 ι

einen spezifischen Widerstand von mindestens 10 Ohm . cm aufweist, und daß die der Substratoberfläche gegenüber- j liegenden Flächen der Dotierungszonen mit dem Substrat abrupte übergänge bilden derart, daß eine Beeinflussung der Ladungsträger im Raumladungsgebiet unterhalb zweier benachbarter Dotierungszonen der einen Leitfähigkeit und einer dazwischenliegenden Dotierungszone der anderen Leitfähigkeit erfolgt.

FI 973 026

509828/0517

Leerseite