DE2549614C3

DE2549614C3 - Halbleiterschalter

Info

Publication number: DE2549614C3
Application number: DE2549614A
Authority: DE
Inventors: Nikolai Michailovitsch Belenkov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-11-05
Filing date: 1975-11-05
Publication date: 1979-05-10
Also published as: DE2549614A1; FR2334209B1; FR2334209A1; US4109274A; DE2549614B2

Description

Die Erfindung betrifft Schalt-Bauelemente mit zwei stabilen Zuständen auf der Strom-Spannungs-Kennlinie: einem Zustand niedriger Leitfähigkeit, d. h. einem gesperrten Zustand, und einem Zustand hoher Leitfähigkeit, d. h. einem leitenden Zustand, insbesondere Halbleiterschalter mit einem Festwert für die Kippspannung.

Die Erfindung geht aus von einem Halbleiterschalter auf der Grundlage eines Halbleiterkristalls mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, nämlich einem Emitter, einer Steuerbasis, einer an sie angrenzenden Basis und einem weiteren Emitter und mit einem in der Steuerbasis ganz oder teilweise gelegenen Zusatzgebiet von gegenüber dieser entgegengesetztem Leitungstyp, das an der Oberfläche der Steuerbasis anliegt und mit der an die Steuerbasis angrenzenden Basis elektrisch leitend verbunden ist Ein solcher Halbleiterschalter ist aus der DE-OS 15 64 048 bekannt

Der durch die Basen dieses Thyristors gebildete mittlere pn-Übergang ist durch einen pn-Übergang für niedrige Spannungen vom Typ einer Zener-Diode überbrückt, der durch die Steuerbasis des Schalters und das lokale, an der Austrittsstelle des mittleren pn-Überganges auf der Kristalloberfläche gelegene, zusätzliche Diffusionsgebiet gebildet ist Die Größe der Durchbruchspannung dieses pn-Überganges für niedrige Spannungen bestimmt die Kippspannung des Schalters, dessen technologische Reproduzierbarkeit und Stabilität im vorgegebenen Temperaturbereich.

Derartige Halbleiterschalter mit einem Zusatzgebiet an der Austrittsstelle des mittleren pn-Überganges auf der Oberfläche weisen eine Kippspannung im Bereich von 6 bis 12 V auf. Die Begrenzung des Kippspannungsbereiches wird durch konstruktive Besonderheiten bestimmt Die elektrischen Parameter der mehrschichtigen Schaltstrukturen werden bekanntlich durch elektrophysikalische Kenndaten der einzelnen Schichten bestimmt. So wird speziell die Größe der Kippspannung im wesentlichen durch ein Oberflächenkonzentrationsverhältnis von Störstellen des Zusatzgebiets und der Steuerbasis bestimmt. Zur Realisierung einer Schalterstruktur mit befriedigenden elektrischen Parametern ist es notwendig, daß die Störstellenkonzentration auf der Oberfläche der Steuerbasis im Bereich von 10" bis I0¹⁸ cm -> und die Oberflächenstörstellenkonzentration des üblicherweise im Vorgang der Ausbildung einer Emitterschicht von der gleichen Leitungsart erzeugten Zusatzgebiets oberhalb von 5· 10¹⁸CiTr¹ liegt. Ein derartiges Verhältnis von Fremdstoffkonzentrationen in den genannten Gebieten gewährleistet die Realisierung von Schaltern mit einer Kippspannung im Bereich von 6 bis 12 V.

Zur Erhöhung der Kippspannung eines Halbleiterschalters ist es erforderlich, die Oberflächenstörsteilenkonzentration der Steuerbasis herabzusetzen. Dies führt aber zur Erniedrigung der Kippspannung der Vierschichtstruktur im ganzen auf Grund der Herstellung einer Verbindung zwischen dem Verarmungsgebiet des mittleren pn-Überganges und dem pn-Emitterübergang. Darüber hinaus ist es herstellungstechnisch schwierig, einen recht niedrigen Wert der Oberflächenstörstellenkonzentration zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterschalter der genannten Art zu entwickeln, der es gestattet, den Arbeitsspannungsbereich des Schalters um ein Vielfaches zu erweitern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Halbleiterschalter gekennzeichnet ist durch eine an der Austrittsstelle des Zusatzgebiets auf der Oberfläche vorgesehene Mulde, deren Grundfläche die Austrittsfläche des Zusatzgebiets auf der Oberfläche überschreitet, so daß das Zusatzgebiet in den Grenzen des Grundes der Mulde, ohne deren Seitenwände zu berühren, liegt.

Zur Zuverlässigkeitserhöhung des Halbleiterschalters liegt zweckmäßig ein Teil des Zusatzgebiets in der an die Steuerbasis angrenzenden Basis, wobei die Oberflächenstörstellenkonzentration des Zusatzgebietes die Größe der Störstellenkonzentration in der Basis überschreitet

Es ist zur Erweiterung des Arbeitsspannungsbereiches vorteilhaft, daß auf dem Grund der ersten Mulde im Zusatzgebiet eine zweite Mulde ausgeführt ist, deren Seitenwände die Grenzen des Zusatzgebiets nicht berühren.

Zweckmäßig weist zur Zuverlässigkeitserhöhung des Halbleiterschalters und Erweiterung dessen Arbeitsspannungsbereiches ein durch seine Basen gebildeter pn-Übergang einen lokalen Austritt unter dem Zusatzgebiet auf.

Zweckmäßig ist zur Steuerung der Größe des Temperaturkoeffizienten der Kippspannung vorgesehen, daß in der Steuerbasis ein zweites, an deren Oberfläche anliegendes Zusatzgebiet von derselben Leitungsart wie auch die Steuerbasis mit einer Störstelienkonzentration, die die Störstellenkonzentration in der Steuerbasis um mindestens eine Größenordnung übersteigt, liegt, das vom ersten Zusatzgebiet eine Entfernung hat, die das Verarmungsgebiet eines pn-Überganges übersteigt, und an einem in der Steuerbasis befindlichen Emitter anliegt.

Zweckmäßig ist zur Steuerung der Größe des Temperaturkoeffizienten der Kippspannung auf der Oberfläche der Steuerbasis zwischen dem Emitter und dem Zusatzgebiet eine lokale Schicht aus leitendem Stoff vorgesehen.

Vorteilhaft ist dieser leitende Stoff ein Werkstoff mil negativem Widerstandstemperaturkoeffizienten.

Hauptvorteile des erfindungsgemäß ausgeführten Halbleiterschalters sind eine wesentliche Erweiterung des Arbeitsspannungsbereiches und ggf. eine Verbesserung des Temperaturkoeffizienten der Kippspannung. Der Halbleiterschalter zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit, konstruktive und herstellungstechnische Einfachheit aus, bedarf keiner Entwicklung und Anwendung einer speziellen Ausrüstung und Technologie und kann auf der Grundlage von beherrschten und bewährten technologischen Prozessen hergestellt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch die Struktur des Halbleiterschalters mit einer an der Austritlsstelle des Zusatzgebiets auf der Oberfläche liegenden Mulde,

F i g. 2 die Strom-Spannungs-Kennlinie des in F i g. 1 dargestellten Halbleiterschalters,

F i g. 3 die Struktur des Halbleiterschalters mit einem an der Austrittsstelle eines durch die Basen des Schalters gebildeten pn-Überganges auf der Oberfläche eines Zusatzgebiets im Längsschnitt,

Fig.4 die Struktur des Halbieiterschalters mit einer Zusatzmulde im Längsschnitt,

Fig.5 einen Längsschnitt durch die Struktur des Halbleiterschalters mit einem lokalen Austritt des durch die Basen des Schalters gebildeten pn-Überganges unter dem Zusatzgebiet,

Fig.6 einen Längsschnitt durch die Struktur des Halbleiterschalters mit einem zum Teil in einer breiten η-leitenden Basis liegenden Zusatzgebiet,

Fig. 7 die Draufsicht des ^;· Fig.6 dargestellten Halbleiterschalters,

Fig.8 einen Längsschnitt durch die Struktur des Halbleiterschalters mit zwei Zusatzgebieten,

F i g. 9 einen Längsschnitt durch die Struktur des Halbleiterschalters mit einer lokalen Schicht aus > leitendem Stoff auf der Oberfläche der steuerbaren Basis.

Die in F i g. 1 schematisch dargestellte Struktur des Halbleiterschalters besteht aus folgenden einander abwechselnden Schichten vom entgegengesetzten Lei-

Hi tungstyp: einem p+-Emitter 1, einer an diesen angrenzenden breiten n-Basis 2, eine- p-leitenden Steuerbasis 3 und einem darin liegenden n-Emitter 4. In der Steuerbasis 3 gibt es an der Austrittsstelle eines η-leitenden Zusatzgebiets 5 eine Mulde 6. An die

ι> Emitter 1 und 4 des Schalters sind Metallelektroden 7 und 8 angeschlossen, während das Zusatzgebiet 5 und die breite Basis 2 über eine Leiterbahn 9 elektrisch gekoppelt sind.

Auf der Oberfläche des Halbleiterschalters liegt eine

2(i Passivierungsschicht 10. Der in der Steuerbasis 3 liegende n-Emitter 4 bildet mit dieser einen pn-übergang 11. Der mittlere pn-Übergang 12 einer Vierschichtstruktur ist durch dessen Basen 3 und 2 und der pn-Emitteriibergang 13 durch den Emitter 1 und die

2") breite η-leitende Basis 2 gebildet. Das Zusatzgebiet 5 bildet mit der Steuerbasis 3 einen pn-Übergang 14.

Fig.2 zeigt die Strom-Spannungskennlinie I=f(V) des in F i g. t dargestellten Halbleiterschalters mit auf der Abszissenachse aufgetragenen Spannungswerten V

to und auf der Ordinatenachse — Stromwerten /. Die elektrischen Parameter sind auf der Strom-Spannungs-Kennlinie, wie folgt, bezeichnet:

/i — Kippstrom des Halbleiterschalters —
Γι Hauptstrom beim Kippunkt;

h — Haltestrom des Halbleiterschalters —

Mindestwert des Durchlaßstroms über den

Schalter im leitenden Zustand;
A — Sperrstrom des Halbleiterschalters —
in Strom über den Schalter im gesperrten Zustand

bei einer bestimmten Durchlaßspannung:
Vi — Kippspannung des Halbleiterschalters —

Hauptspannung beim Kippunkt;
K₂ — Durchbruchspannung — Sperrspannungswert,
ι) bei dem der Strom über den Schalter

lawinenartig ansteigt;
K₁ — Durchlaßspannung — die im Durchlaßzustand

zwischen den Hauptanschlüssen des Schalters

auftretende Spannung.

Die Gebiete der Strom-Spannungs-Kennlinie tragen folgende Bezeichnungen:

A — Sperrgebiet

Γι S — Umschaltgebiet

C — Gebiet negativen Widerstandes

D — Durchlaßgebiet

F i g. 3 zeigt schematisch die Struktur eines HaIbhii leiterschalters, bei dem im Unterschied zu dem in F i g. 1 dargestellten Halbleiterschalter ein Teil des Zusatzgebiets 5 und der Mulde 6 an der Austrittsstelle auf der Oberfläche des mittleren, durch die Steuerbasis 3 und die an sie angrenzende breite Basis 2 gebildeten tvi pn-Überganges 12 liegt. Die Oberflächenstörstellenkonzentration des η-leitenden Zusatzgebiets 5 übertrifft die Größe der Störstellenkonzentration in der breiten Basis 2 vom gleichen Leitungstyp. Eine derartige Schichten-

Ordnung beim Schalter und der Mulde 6 schließt die Notwendigkeit der Auftragung einer stromführenden Verbindungsleiterbahn aus.

Ein Halbleiterschalter mit geringen Schaltspannungswerten kann auf der Grundlage einer in Fig.4 dargestellten Struktur realisiert werden, bei der es zum Unterschied von der Struktur des in F i g. 1 dargestellten Halbleiterschalters in der Mulde 6 eine zweite Mulde 15 gibt, deren Seitenwände die Grenzen des Zusatzgebiets 5 nicht berühren.

Die Tiefe der Mulde 15 muß in diesem Fall die Herstellung einer Verbindung zwischen dem Zusatzgebiet 5 und der breiten n-leitenden Basis 2 ermöglichen.

Auf der Grundlage einer in F i g. 5 wiedergegebenen Struktur des Haibieiterschalters ist es möglich, die Schalter mit einer Kippspannung im weiten Bereich zu realisieren. Bei dieser Variante des Schalters weist der durch die Steuerbasis 3 und die breite Basis 2 vom n-Leitungstyp gebildete pn-übergang 12 der Struktur einen lokalen Austritt 16 unter dem Zusatzgebiet 5 auf, der eine das Zusatzgebiet 5 mit der breiten n-leitenden Basis 2 elektrisch verbindende Brücke 17 bildet.

Die Passivierung des durch das Zusatzgebiet 5 und die Steuerbasis 3 gebildeten pn-Überganges wird dadurch gewährleistet, daß der lokale Austritt 16 in den Grenzen des Zusatzgebiets 5 liegt.

Ein Halbleiterschalter mit einer hohen Kippspannung kann auf der Grundlage einer in Fig.6 dargestellten Struktur erhalten werden. Wie bei der Variante eines auch in F i g. 1 gezeigten Schalters gibt es in diesem Fall in der Steuerbasis 3 an der Austrittsstelle des Zusatzgebiets 5 auf der Oberfläche eine Mulde 6. Der Abstand vom Grund der Mulde 6 bis zu dem durch die Steuerbasis 3 und die an sie angrenzende n-leitende breite Basis 2 erzeugten pn-übergang 12 muß in diesem Fall kleiner als die Tiefe des normalerweise gleichzeitig mit dem n-Emitter 4 durch Eindiffusion eines jeweiligen Fremdstoffes gebildeten Zusatzgebiets 5 sein. Dies sichert die Herstellung einer Verbindung des Zusatzgebiets 5 mit der η-leitenden breiten Basis 2.

Falls Halbleiterschalter mit geringen Kippspannungswerten realisiert werden, wird die Erzeugung von Mulden geringer Tiefe gefordert, was die Durchführung eines speziellen Vorganges zur Herstellung eines Zusatzgebiets 5 erforderlicher Tiefe voraussetzt, die für die Herstellung einer Verbindung mit der n-leitenden breiten Basis ausreichend ist

F i g. 7 zeigt die Draufsicht des Halbleiterschalters gemäß Fig.6, der einen p-leitenden Emitter 1, eine η-leitende breite Basis 2, eine Steuerbasis 3 und einen n-leitenden Emitter 4 enthält In der Steuerbasis 3 gibt es an der Austrittsstelle des Zusatzgebiets 5 auf der Oberfläche eine runde Mulde 6. An die Emitter 1 und 4 des Halbleiterschalters sind die Metallelektroden 7 und 8 angeschlossen.

Fig.8 zeigt schematisch die Struktur eines Halbleiterschalters, bei dem im Unterschied zu dem in F i g. 6 dargestellten Schalter auf der Oberfläche der Steuerbasis 3 ein zweites Zusatzgebiet 18 von derselben Leitungsart wie auch die Basis 3 mit einer Störstellenkonzentration, die die Störstellenkonzentration in der Steuerbasis 3 um mindestens eine Größenordnung übersteigt, liegt Das Zusatzgebiet 18 liegt am Emitter 4 (in einigen Fällen kann es den Emitter 4 zum Teii überdecken) an und befindet sich vom Zusatzgebiet 5 in einer Entfernung, die die Maße des Verarmungsgebiets des durch das Zusatzgebiet 5 und die Steuerbasis 3 gebildeten Überganges 14 übertrifft Das Vorhandensein des zweiten Zusatzgebiets 18 verringert den dynamischen Widerstand im Gebiet B (Fig. 2) der Strom-Spannungs-Kennlinie bei der Umschaltung des Halbleiterschalters vom gesperrten Zustand A in den leitenden Zustand D, was die Streuung der Kippspannung, besonders im Falle einer Realisierung von Schaltern mit recht großen Werten des Einschaltstromes, reduziert.
F i g. 9 zeigt die Struktur eines Halbleiterschalters, bei

ίο dem es im Unterschied zu der in Fig.6 dargestellten Struktur auf der Oberfläche der Steuerbasis 3 zwischen dem Emitter 4 und dem Zusatzgebiet 5 eine lokale Schicht 19 aus leitendem Stoff, beispielsweise aus einer Metall-Silizid-Legierung mit 8 bis 10% Ni, 30 bis 40%

ι 5 Cr und 50 bis 60% Si, gibt.

Außer den im Hinblick auf den in F i g. 8 dargestellten Halbleiterschalter genannten Vorteilen gestattet es die vorliegende Struktur, den Wert des Temperaturkoeffizienten der Schaltspannung zu variieren. Zu diesem Zweck ist als elektrisch leitende Schicht 19 das obengenannte Material aufgetragen, das durch einen festgelegten Betrag und ein negatives Vorzeichen des Widerstandstemperaturkoeffizienten ausgezeichnet ist.

Die Arbeitsweise eines Halbleiterschalters wird am Beispiel der in F i g. 1 dargestellten Struktur erklärt. An die metallisierten Elektroden 8 und 7 des Schalters, die einen ohmschen Kontakt zum p-leitenden Emitter 1 und n-leitenden Emitter 4 bilden, die eine Anode bzw Kathode des Halbleiterschalters darstellen, wird eine

i» Spannung gegen die Anode 8 positiver Polarität angelegt. Unter der Wirkung dieser Spannung werden der durch die steuerbare Basis 3 und den Emitter 4 des Schalters gebildete pn-übergang 11 und der durch den Emitter 1 und die an diesen angrenzende breite Basis 2

ii gebildete pn-übergang 13 in Durchlaßrichtung vorgespannt. Der durch die Basen 2 und 3 des Schalters gebildete pn-übergang 12 wird in Sperrichtung vorgespannt. Falls die an die Elektroden 8 und 7 angelegte Spannung den Wert der Durchbruchspan-

4(i nung des pn-Überganges 12 und des durch das Zusatzgebiet 5 und die Steuerbasis 3 des Schalters gebildeten pn-Überganges nicht übersteigt, fließt über den Halbleiterschalter in dem Stromkreis: Anode 8 Emitter 1, pn-übergang 13, η-leitende Basis 2

4ί pn-übergang 12, p-leitende Steuerbasis 3, pn-übergang 11, n-Emitter 4 und Kathode 7 ein Strom gleich dem Sperrstrom /₃ des in Sperrichtung vorgespannten pn-Überganges 12 (s. das Gebiet A der Strom-Spannungs-Kennlinie in F i g. 2).

Die Erhöhung der angelegten Spannung auf den Wen der Durchbruchspannung des durch das n-leitende Zusatzgebiet 5 und die p-leitende Steuerbasis 3 gebildeten pn-Überganges 14 bewirkt einen lawinenartigen Stromanstieg über die Elektroden 7 und 8 des Schalters auf Grund eines Durchschlages dieses pn-Überganges 14 (s. das Gebiet B der Strom-Span nungs-Kennlinie in F i g. 2). Der Strom fließt in diesem Fall von der Anode 8 über p-Emitter I, pn-übergang 13 n-Basis 2, Leiterbahn 9, Zusatzgebiet 5, pn-übergang 14 Steuerbasis 3, pn-übergang II, n-Emitter 4 zur Kathode 7. Beim Anstieg des über den Halbleiterschaltei fließenden Stromes auf den Wert, bei dem der gesamte Verstärkungsfaktor des durch die Schichten des n-Emitters 4, der Steuerbasis 3 und der n-leitender breiten Basis 2 gebildeten npn-Transistors und des durch die Schichten des p-Emitters 1, der n-leitender breiten Basis 2 und der Steuerbasis 3 gebildeter pnp-Transistors gleich 1 (Gebiet B der Strom-Span-

nungs-Kennlinie, Stroniweii /ι in F i g. 2) wird, schaltet der Schalter in den Zustand hoher Leitfähigkeii um. Hierbei fällt die Spannung an den Elektroden 8 und 7 des Schalters auf eine Durchlaßspannung (Gebiet D, Spannungswerl V₃ in F i g. 2) ab, und der Strom über den Schalter fließt von der Elektrode 8 in entsprechender Weise über p-Emitter 1, breite Basis 2, steuerbare Basis 3, n- Emitter 4 zur Elektrode 7.

Die Arbeitsweise des Halbleiterschalters, dessen Struktur in F i g. 3, 4 und 6 dargestellt ist, ist analog der oben beschriebenen, nur daß der Strom bei der Einschaltung des Schalters von der Anode 8 zur Kathode 7 über p-Emitter 1, breite n-Basis 2, Zusalzgebiet 5, pn-Obergang 14, Steuerbasis 3, n-Emitter 4 fließt. Der Einschaltstrom des Halbleiterschalters, dessen Struktur in F i g. 5 dargestellt ist, fließt bei der Einspeisung der Spannung auf die Elektroden 7 und 8 von der Anode 8 über p-Emitter 1, breite n-Basis 2, über die Brücke 17 in das Zusatzgebiet 5 und ferner über pn-Übergang 14, Steuerbasis 3, n-Emiuer 4 zur Kathode 7.

Bei der Einspeisung der Spannung in die in F i g. 8 und 9 dargestellten Halbleiterschalter fließt der Einschaltstrom nach dem Durchschlag des pn-Überganges 14 hauptsächlich über das zweite Zusatzgebiet 18 (F i g. 8) oder über die lokale leitende Schicht 19 (F i g. 9). Da der Gleichstromwiderstand der Schichten des Zusatzgebiets 18 und der lokalen Schicht 9 viel niedriger als der Ausbreitungswiderstand der Steuerbasis 3, besonders auf dem Boden der Mulde 6, ist, wird dadurch der dynamische Widerstand im Durchlaßbereich B der Strom-Spannungs-Kennlinie (s. F i g. 2) wesentlich reduziert. Die Herstellung der Schicht 19 (F i g. 9) aus einem Werkstoff mit negativem Widerstandstemperaturkoeffizienten gestattet es in Verbindung mit einer Kompensationswirkung der durchlaßvorgespannten pn-Übergänge 11 und 13, die für pn-Siliziumübergänge einen Gesamtwert des Temperaturkoeffizienten der Spannung in der Größenordnung von 3 bis 4 mV/°C aufweisen, den positiven Temperaturkoeffizienten der Durchschlagspannung des pn-Überganges 14 teilweise oder ganz auszugleichen.

Das Herstellungsverfahren des Halbleiterschalters gemäß F i g. 1 wird am Beispiel der Herstellung eines Schalters aus Silizium veranschaulicht.

Die Siliziumplatten werden als p-leitendes Ausgangsmaterial mit einer Störstellenkonzentration um 10¹⁹cm~³ zuerst einem mechanischen und dann einem chemischen Polieren zwecks Entfernung einer beschädigten Schicht ausgesetzt, anschließend wird auf die Wirkfläche der Platten in einem bekannten Verfahren, beispielsweise durch epitaxiales Aufwachsen unter Reduktion von Siliziumtetrachlorid, eine Epitaxieschicht eines η-leitenden Siliziumeinkristalls mit einer Dicke von 30 bis 35 μΐη und einer Störstellenkonzentration um 10¹⁵ cm~³ aufgewachsen.

Durch thermische Oxydation bei einer Temperatur r=1240°C im Laufe von 2 h in der Atmosphäre feuchten Sauerstoffes wird auf die Plattenoberfläche eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke nicht unter 0,6 μπι aufgewachsen. Im fotoüthografischen Verfahren werden in die Oxidschicht Fenster zur Erzeugung einer Schicht der Steuerbasis 3 eingeätzt. Die Bordiffusion in die oberflächennahe Schicht der Halbleiterplatte erfolgt bei r=950°C im Laufe von 30 min. Nach der chemischen Entfernung des auf der Plattenoberfläche ausgebildeten Borsilikatglases läßt man die Störstellen in der Atmosphäre des feuchten Sauerstoffes im Laufe von 2 h weiter eindiffundieren. Die Oberflächenstörstellenkonzentration der erzeugten Schicht bewegt sich in den Grenzen von 10¹⁷ bis 10^l9cm-³. Die Einlagerungstiefe des pn-Überganges 12 beträgt 7 bis 8 μπι, die 5 Oberflächenstörstellenkonzentration liegt in den Grenzen von 10¹⁷ bis 5· 10^l8cm-³. Dann wird auf der Oberfläche der erzeugten Steuerbasis 3 vom p-Leitungstyp auf chemischem Wege eine Mulde 6 erforderlicher Tiefe geschaffen. Auf die Oberfläche der

ίο Mulde 6 wird eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von nicht weniger als 0,2 μπι aufgetragen oder thermisch aufgewachsen. Nach der Ätzung von Fenstern zur Schaffung des η+ -Emitters 4 und des Zusatzgebiets 5 in die Oxidschicht werden die Platten einem lonenbeschuß zwecks Einbringung der n-leitenden Störstellen in die Platte unterzogen. Die als Maske bei der Durchführung der Fotolithografie zur Bildung der Fenster in der Oxidschicht dienende Fotolackschicht tritt auch als Schutzüberzug bei einer lonenim-

2(i plantation auf. Bei Anwendung von anderen Dotierungsverfahren für die oberflächennahe Schicht ist es notwendig, die Plattenoberfläche durch eine zur Maskierung genügend dicke Siliziumoxidschicht zu schützen.

Als Schutzüberzug können auch andere Werkstoffe, beispielsweise Schichten aus Siliziumnitrid, eingesetzt werden.

Die Erzeugung des η-leitenden Emitters 4 und des Zusatzgebiets 5 erfolgt auf Grund einer Phosphordiffu-

3(i sion in der Oxydationsatmosphäre bei T=UOO⁰C im Laufe von 2 h. Die Oberflächenstörstellenkonzentration dieser Schichten beträgt ca. 10²⁰cm-³, die Tiefe ca.

3 μιτι.

Nach einer Einätzung von Kontaktfenslern und einer

Γι Vakuumbedampfung von Aluminium erfolgen ein Fotoätzen der Aluminiumschicht und ein Einbrennen im neutralen Medium zwecks Erzeugung der Elektroden 7, 8 des Schalters und der Leiterbahn 9.

Die Herstellungstechnologie für die Halbleiterschal-

4(i ter, deren Strukturen in F i g. 3, 4, 5, 6, 7, 8,9 dargestellt sind, ist analog der für den Schalter in F i g. 1 beschriebenen mit einigen Ausnahmen, die für jede Figur, falls notwendig, nachstehend der Reihe nach aufgeführt werden.

Bei der Herstellung des in Fig.3 dargestellten Halbleiterschalters werden die Mulde 6 und das Zusatzgebiet 5 an der Austrittsstelle des mittleren pn-Überganges auf der Oberfläche des Halbleiterkristalls erzeugt.

Der Unterschied in der Herstellung des in Fig.4 dargestellten Halbleiterschalters von den vorstehend betrachteten (F i g. 1 und 3) läuft darauf hinaus, daß nach der Erzeugung der Mulde 6 und der Abdeckung der Kristalloberfläche mit einer Siliziumoxid-Schutzschicht ausreichender Stärke darin eine zweite Mulde 15 erzeugt wird, während die Störstellendiffusion zur Ausbildung des η-leitenden Emitters 4 und des Zusatzgebiets 5 aus der Gasphase erfolgt.

Während des Fotoätzens der Oxidschicht zur Erzeugung einer Schicht der Steuerbasis 3 bei der Herstellung des in Fig.5 wiedergegebenen Halbleiterschalters wird an der Stelle des im folgenden zu erzeugenden Zusatzgebiets 5 eine Siliziumoxid-Schutzschicht vorgesehen, die die Kristallobei-fläche vor der Störstelleneinwirkung bei der Erzeugung der Schicht der Steuerbasis 3 maskiert Die Minimalwerte der Abmessungen dieser Oxid-Schutzschicht müssen um das mindestens Zweifache die Schichtdicke der Steuerbasis

3 übertreffen. Hierbei bildet der mittlere pn-Übergang 12 einen lokalen Austritt 16 mit einer Brücke 17 unter dem Zusatzgebiet 5.

Zur Erzeugung des zweiten Zusatzgebiets 18 wird bei der Herstellung des in F i g. 8 wiedergegebenen Halbleiterschalters von einer Bordiffusion unter den Verhältnissen Gebrauch gemacht, die bei der Beschreibung der Herstellungstechnologie des in F i g. 1 dargestellten Schalters genannt sind.

Die Besonderheit der Herstellung des in Fig.9 wiedergegebenen Halbleiterschalters besteht in der Schaffung — unter Benutzung von Methoden einer Vakuumaufdampfung — einer leitenden Schicht 19 auf der Oberfläche der Steuerbasis 3 aus einem Werkstoff mit negativem Widerstandstemperaturkoeffizienten. Diese Schicht wird nach der Erzeugung der Emitterelektroden 7 und 8 geschaffen.

Nachstehend werden elektrophysikalische Kenndaten und geometrische Abmessungen der Schichten eines auf der Grundlage der in F i g. 5 dargestellten Struktur realisierten Siliziumschalters angegeben:

Störstellenkonzentration
im ρ+-Emitter 1

Störstellenkonzentration in der
breiten, an den p+-Emitter 1
angrenzenden n-Basis 2

5 · 1O¹⁸Cm'

10^l5cm-^J

10

Oberflächenstörstellenkonzen-	10^l7cm-^J
tration der Steuerbasis 3
Oberflächenstörstellenkonzen-
tration des η+-Emitters 4 und	1O²⁰Cm-'
des Zusatzgebiets 5	3.5 · 10-->cm
Dicke der η + -Emitterschicht 4
Dicke der Schicht der	3,8 ■ 10-" cm
Steuerbasis 3
Dicke der Schicht der breiten	14 μίτι
n-Basis 2	4,5 · 10-" um
Tiefe der Mulde 6

Bei einer Temperatur von T=25°C wies dieser Halbleiterschalter mit einem technologischen Neben-1> Schluß von 250 Ohm im η-leitenden Emitter 4 folgende elektrische Parameter auf:

Kippspannung V,	35 V
Einschaltstrom /ι	1,4 mA
Sperrstrom bei V = ■—	0,3 μΑ
Durchlaßspannung V₃ bei einem
Durchlaßstrom von 50 mA	0,75 V
Haltestrom h	3,2 mA
Durchbruchspannung Vj	140 V
Temperaturkoeffizient der
Schaltspannung	<0,08%/°C

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterschalter auf der Grundlage eines Halbleiterkristalls mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, nämlich einem Emitter, einer Steuerbasis, einer an sie angrenzenden Basis und einem weiteren Emitter und mit einem in der Steuerbasis ganz oder teilweise gelegenen Zusatzgebiet von gegenüber dieser entgegengesetztem Leitungstyp, das an der Oberfläche der Steuerbasis anliegt und mit der an die Steuerbasis angrenzenden Basis elektrisch leitend verbunden ist, gekennzeichnet durch eine an der Austrittsstelle des Zusatzgebiets (5) auf der Oberfläche vorgesehene Mulde (6), deren Grundfläche die Austrittsfläche des Zusatzgebiets (5) auf der Oberfläche überschreitet, so daß das Zusatzgebiet in den Grenzen des Grundes der Mulde (6), ohne deren Seitenwände zu berühren, liegt (F ig. 1).

2. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Zusatzgebiets (5) in der an die Steuerbasis (3) angrenzenden Basis (2) liegt, wobei die Oberflächenstörstellenkonzentration des Zusatzgebiets (5) die Größe der Störstellenkonzentration in der Basis (2) überschreitet (Fig. 3).

3. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Grund der ersten Mulde (6) im Zusatzgebiet (5) eine zweite Mulde (IS) ausgeführt ist, deren Seitenwände die Grenzen des Zusatzgebiets (5) nicht berühren (Fig. 4).

4. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch seine Basen (2, 3) gebildeter pn-übergang (12) einen lokalen Austritt (16) unter dem Zusatzgebiet (5) aufweist (Fig. 5).

5. Halbleiterschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da3 in der Steuerbasis (3) ein zweites, an deren Oberfläche anliegendes Zusatzgebiet (18) von derselben Leitungsart wie auch die Steuerbasis (3) mit einer Störstellenkonzentration, die die Störstellenkonzentration in der Steuerbasis (3) um mindestens eine Größenordnung übersteigt, liegt, das vom ersten Zusatzgebiet (5) eine Entfernung hat, die das Verarmungsgebiet eines pn-Überganges (14) übersteigt, und an einem in der Steuerbasis (3) befindlichen Emitter (4) anliegt (F ig. 8).

6. Halbleiterschalter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine auf der Oberfläche der Steuerbasis (3) zwischen dem Emitter (4) und dem ersten Zusatzgebiet (5) angeordnete lokale Schicht (19) aus leitendem Stoff (F i g. 9).

7. Halbleiterschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Stoff ein Werkstoff mit negativem Widerstandstemperaturkoeffizienten ist.