DE2711562A1

DE2711562A1 - Halbleiteranordnung und deren herstellung

Info

Publication number: DE2711562A1
Application number: DE19772711562
Authority: DE
Inventors: John Martin Shannon
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-03-24
Filing date: 1977-03-17
Publication date: 1977-09-29
Also published as: JPS5938742B2; FR2345814A1; DE2711562B2; US4149174A; CA1078073A; FR2345814B1; GB1573309A; JPS589366A; DE2711562C3

Description

PHB. 32 5'«2. VA/EVH.

τ:ϋ ; ··. ■ r.u 12.3.-4977.

. Philip;/GWilampenfabrietai ^L

Halbleiteranordnung und deren Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper mit einem ersten und einem zweiten Gebiet von einem ersten Leitungstyp, die durch ein Sperrschichtgebiet mit einer Netto—Aktivator— konzentration vom entgegengesetzten Leitungstyp voneinander getrennt sind, und mit einem Stromweg in der Anordnung zwischen dem genannten ersten und dem genannten zweiten Gebiet über das genannte Sperrschichtgebiet, wobei der Stromdurchgang durch das genannte Sperrschichtgebiet durch Ladungsträger vom genannten ersten Leitungstyp erfolgt und wobei das erste Gebiet eine höhere Dotierungskonzentration

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PHB. 325^2.

-ι-

vom ersten Leitungstyp als das zveite Gebiet aufweist. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf Verfahren zur Herstellung derartiger Halbleiteranordnungen. Derartige Halbleiteranordnungen können mit Eigenschaften hergestellt werden, durch die sie zur Anwendung in Gleichrichter-,-Verstärker-, logischen oder optoelektronischen Schaltungen geeignet sind. Eine Halbleiteranordnung der obenbeschriebenen Art ist aus der US-PS 3 9hO 783 bekannt.

Es ist bekannt, Sperrschichten in Halbleiteranordnungen entweder als pn-Uebergänge oder als Schottky-Sperren auszubilden. Solche Potentialsperren werden in Halbleiterdioden, Transistoren und anderen Halbleiteranordnungen, einschliesslich integrierter Schaltungen, verwendet.

Der pn-Uebergang, wie er in bekannten Halbleiteranordnungen hergestellt und verwendet wird, bildet eine Potentialsperre in einem Halbleiterkörper zwischen zwei Halbleitergebieten vom entgegengesetzten Leitungstyp; mit Ausnahme einer schmalen Erschöpfungsschicht am pn-Uebergang

!0 sind diese beiden Halbleitergebiete vom entgegengesetzten Leitungstyp nicht an beweglichen Ladungsträgern erschöpft, wenn wenigstens über dem Uebergang eine Nullvorspannung auftritt. Wenn ein Strom durch die Struktur fliesst, wenn diese in der Durchlass- oder der Sperrichtung vorgespannt ist, erfolgt der Stromfluss über den Uebergang zu einem der

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beiden Gebiete durch Ladungsträger von dem dieses Gebietes entgegengesetzten Leitungstyp, d.h. durch Minoritätsladungsträger. Vie in der Halbleitertechnik allgemein bekannt ist, kann eine solche Anwendung von Minoritätsladungsträgern für viele Anordnungen, z.B. durch Minoritätsladungsträgerspeichereffekte, niedrige Schaltgeschwindigkeiten und einem verhältnismässig grossen : purchlassspannungsabfall ungünstig sein.

Bei vielen Anwendungen dieser Anordnungen wird daher bekanntlich eine Schottky—Sperre statt eines pn-Uebergangs benutzt. Eine Schottkys-Sperre ist ein Metall-Halbleiter-Uebergang, der zwischen einer Elektrode und einem Halbleitergebiet von einem ersten Leitungstyp gebildet wird und an der Oberfläche durch die Elektrode kontaktiert wird, mit Ausnahme einer schmalen Erschöpfungsschicht an der Schottky-Sperre ist das Halbleitergebiet nicht an beweglichen Ladungsträgern vom ersten Leitungstyp erschöpft, wenn wenigstens eine Nullvorspannung auftritt, während der Stromfluss durch die Struktur, wenn diese vorgespannt ist, durch Ladungsträger vom gleichen Leitungstyp wie das genannte Gebiet, d.h. durch Majoritätsladungsträger, erfolgt. Es können daher Schottky-Dioden gebildet werden, die vernachlässigbare Minoritätsladungsträgerspeichereffekte, hohe Schaltgeschwindigkeiten und niedrige Durchlassspannungsabfälle aufweisen. Schottky-Sperren

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12.3.77. -K-

• ΛΠ*

weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie an einer Oberfläche eines Halbleiterkörpers gebildet werden. Die Höhe der Potentialsperre zwischen dem Halbleiter und dem Metall wird von den Oberflächenzuständen und dem allgemeinen Zustand der Halbleiteroberfläche beeinflusst. Ausserdem ist die Technologie der Schottky-Sperren nicht dazu geeignet, Potentialsperren in der Masse eines Halbleiterkörpers zu bilden, wodurch die Möglichkeiten zur Integration von Schottky—Sperren in Halbleiteranordnungsstrukturen beschränkt werden.

In der US-PS 3 9^0 ?83 ist eine Gleichrichterund Spannungsreferenzhalbleiterstruktur beschrieben, in der der Hauptstromfluss durch Majoritätsladungsträger erfolgt Die Anordnung enthält eine p-leitende Halbleiterschicht zwischen zwei η-leitenden Halbleitergebieten, die auch die Form von Schichten aufweisen; die p-leitende Schicht bildet zwei pn-Uebergänge mit den beiden n-leitenden Gebieten und weist vorzugsweise eine Dicke von 1 /um (10 A) auf. Eine Spannung wird zwischen den beiden n-leitenden Gebieten und somit über der p-leitenden Schicht angeordnet, von der eine erhebliche Dicke unter Nullvorspannung nicht an Löchern erschöpft ist. Die Grosse der Vorspannung wird beim Betrieb erhöht, um zu bewirken, dass sich eine der Erschöpfungsschichten, die an einem der beiden pn-Uebergänge gebildet wird, über die Dicke der p-leitenden Schicht ausbreitet, derart, dass sich endgültig diese

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sich ausbreitende Erschöpfungsschicht über die ganze Dicke der p-leitenden Schicht erstreckt , wodurch diese Schicht nahezu völlig erschöpft wird und die beiden η-leitenden Gebiete miteinander verbunden werden. Unter diesen Bedingungen findet ein Stromfluss von Majoritätsladungsträgern zwischen den η-leitenden Gebieten statt. Da es aber in dieser Anordnungsstruktur notwendig ist, eine Vorspannung anzuwenden, um die ganze p-leitende Schicht zu erschöpfen, weist die Strom-Spannungs-Kennlinie einer solchen Anordnung; bei Anwendung als Gleichrichter in der Durchlassrichtung einen nicht-abrupten Einschaltteil bei einem beträchtlichen Durchlasspannungsabfall auf. Dadurch kann die Asymmetrie der Durchlass- und -Sperrkennlinien beeinträchtigt und kann ihre zweckmässige Anwendung in anderen Konfigurationen beschränkt werden. So wäre eine solche npn-Sperrschichtstruktür, die eine Vorspannungserschöpfung erfordert, nicht besonders geeignet für Anwendung als eine Sperre einer komplexeren Mehrsperrenanordnungsstruktur, wie z.B. eines Transistors, und in der genannten USA-rPatentschrift wird nicht verwiesen auf und keine Anzeige gegeben über eine derartige Anwendung einer solchen Struktur. Ausserdem weist, weil es notwendig ist, zum Erschöpfen der ganzen p-leitenden Schicht Vorspannung anzuwenden, die Anordnung nach der US-PS 3 9**0 783 keine vernachlässigbaren Minoritätsladungsträgerspeichereffekte und keine hohe Schaltgeschwindigkeit auf.

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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist die Halbleiteranordnung dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrschichtgebiet genügend dünn ist, damit die Erschöpfungsschichten die bei Nullvorspannung mit dem genannten ersten sowie dem genannten zweiten Gebiet gebildet werden, in dem genannten Sperrschichtgebiet zusammenfliessen, um bei Nullvorspannung das ganze Sperrschichtgebiet praktisch an beweglichen Ladungsträgern vom ersten sowie vom entgegengesetzten Leitungstyp zu erschöpfen.

Unter Aktivatoren sind hier nicht nur die gebräuchlichen Donator- und Akzeptoratome, sondern auch Leerstellen, Kristallfehlstellen, Tiefniveauverunreinigungen und alle andere Arten von Aktivatorzentren zu verstehen, die p— oder n—Leitfähigkeit bestimmen können.

Indem zwischen dem genannten ersten und dem genannten zweiten Gebiet ein solches dünnes Sperrschichtgebiet gebildet wird, dessen ganze Dicke bereits bei Nullvorspannung nahezu erschöpft ist, wird eine Potentialsperrenstruktur erhalten, die sogar bei sehr niedrigen Vorspannungen das Aussehen einer Potentialsperre an der Grenzfläche einer n-n oder p-p Struktur statt von pn-Uebergängen an den Grenzflächen zwischen n- und pleitenden Gebieten in einer npn- oder pnp-Struktur aufweist|· Eine derartige Potentialsperre zwischen solchen ersten und zweiten Gebieten einer Anordnung nach der Erfindung

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- r-

kann als eine Potentialspitze in einem Teil der Masse des Halbleiterkörpers dargestellt werden und steuert den Stromfluss zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet. Dieser Stromfluss erfolgt durch Ladungsträger vom genannten ersten Leitungstyp, d.h. durch Majoritätsladungsträger auf beiden Seiten der Potentialsperre. So können Anordnungen nach der Erfindung vernachlässigbare Minoritätsladungs— trägerspeichereffekte und eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweisen.

Indem ein sehr dünnes, nahezu erschöpftes Sperrschichtgebiet mit einer hohen Netto-Aktivatorkonzentration verwendet und für das erste Gebiet eine sehr hohe Dotierungskonzentration gewählt wird, kann die so zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet gebildete Potentialsperre eine erhebliche Asymmetrie zwischen der Durchlass- und der Sperr-Strom-Spannungs-Kennlinie aufweisen. So kann die Durchlasskennlinie einen abrupt verlaufenden Einschaltteil bei einem niedrigen Durchlasspannungsabfall aufweisen. Insbesondere kann ein solches dünnes Sperrschichtgebiet, das bei Nullvorspannung bereits nahezu erschöpft ist, leicht dazu verwendet werden, auf gedrängte Weise eine oder mehrere Sperren einer Mehrsperrenhalbleiteranordnung oder eines Halbleiterschaltungselementes, wie z.B. einer Art Transistor, zu erhalten, dessen Basisgebiet vom ersten Leitungstyp ist und durch den der Stromfluss

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l-ilb. 32542. I2.3.77.

durch Majoritätsladungsträger erfolgt.

Die Höhe der Potentialsperre zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet (und somit die Grosse des Stromflusses über das Sperrschichtgebiet für eine gegebene Vorspannung) ist auf die Grosse der genannten entgegengesetzten Leitungstyp bestimmenden Aktxvatorkonzentration im genannten Sperrschichtgebiet bezogen. Eine derartige Aktivatorkonzentration kann dadurch gebildet werden, dass in das Halbleiterkristallgitter Strahlungsbeschädigung eingeführt wird, die Energiepegel aufweist, die für.den genannten entgegengesetzten Leitungstyp in dem Halbleiter kennzeichnend sind; solche Beschädigungszentren können z.B. durch Implantation neutraler Ionen gebildet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist aber das Sperrschichtgebiet ein Halbleitergebiet, das mit Dotierungsatomen vom genannten entgegengesetzten Leitungstyp dotiert ist; durch eine solche Dotierung kann das Sperrschichtgebiet eine leichter reproduzierbare und sehr hohe Aktivatorkonzentration vom genannten entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen.

Das erste, das zweite und das Sperrschichtgebiet können einen Teil einer Halbleiterdiode, eines Transistors oder einer anderen Art Halbleiteranordnung, einschliesslich einer integrierten Schaltung, bilden. In Abhängigkeit von den Dotierungen und Dicken, die für die unterschiedlichen

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Gebiete derartiger Anordnungen gewählt sind, kann ein grosser Bereich von Eigenschaften für Halbleiteranordnungen nach der Erfindung erhalten werden. Insbesondere können Anordnungen und Schaltungselemente mit einem niedrigen Durchlasspannungsabfall, einem niedrigen Sperrleckstrom und einer hohen Ansprechgeschwindigkeit erhalten werden.

Halbleiteranordnungen nach der Erfindung können unter Verwendung verschiedener Techniken hergestellt werden. Es ist aber besonders vorteilhaft, Ionenimplantation wenigstens zur Bildung des Sperrschichtgebietes anzuwenden. So ist weiter ein Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung einer erfindungsgemässen Halbleiteranordnung dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrschichtgebiet dadurch gebildet wird, dass in einen Halbleiterkörperteil vom ersten Leitungstyp über eine Oberfläche des Halbleiterkörpers Ionen eines den genannten entgegengesetzten Leitungstyp bestimmenden Aktivators implantiert werden, wobei die Energie der implantierten Ionen derart gewählt wird, dass eine maximale Konzentration des genannten Aktivators auf einem von der genannten Körperoberfläche getrennten Tiefenpegel im genannten Körper erhalten wird.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

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i>HB. 12.3.77.

Fig. 1 die Aenderung mit der Tiefe der Netto-Dotierungskonzentration, der Elektronenenergie und der Raumladung Tür eine Halbleiterstruktur mit einem dünnen Gebiet mit Akzeptoren in einem η-leitenden Halbleiterkörperteil in thermischem Gleichgewicht;

Fig. 2 das Potentialdiagramm einer nicht-

erfindungsgemässen Halbleiteranordnung mit einer der nach Fig. 1 ähnlichen Struktur;

Fig. 3 ein Potentialdiagramm für eine erfindungsgemässe Halbleiteranordnung;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Halbleiter— körperteil einer Halbleiterdiode nach der Erfindung, die durch das erfindungsgemässe Verfahren hergestellt ist; Fig. 5 die Strom/Spanjiungs—Kennlinien einer derartigen Halbleiterdiode nach Fig. 4;

Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörperteil einer anderen Halbleiterdiode nach der Erfindung, die durch das erfindungsgemässe Verfahren hergestellt ist; Fig. 7 das Potentialdiagramm eines Transistors nach der Erfindung;

Fig. 8 einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörperteil eines derartigen Transistors nach Fig. 7»

Fig. 9 einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörperteil einer integrierten Schaltung nach der Erfindung, ^und

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ΓΗΒ.

12.3.77...

Fig. 10 ein Potentialdiagramm eines weiteren Transistors nach der Erfindung.

Es sei bemerkt, dass die Zeichnungen nur schematisch dind und dass, insbesondere in den Zeichnungen der Anordnungsstrukturen, die gewissen Dicken der Deutlichkeit halber übertrieben gross dargestellt sind, während andere Dicken der Einfachheit halber herabgesetzt sind.

Zur Illustrierung werden zunächst an Hand der Fig. 1 und 2 nicht-erfindungsgemässe Strukturen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Situation, in der eine kleine Anzahl von Akzeptoratomen A in die Masse eines η-leitenden Halbleiterkörperteiles eines Substrats mit einer gleichmässigen Dotierungskonzentration N~ eingeführt werden, um ein dünnes Gebiet 1 mit einer Netto-Akzeptorkonzentration N_A zu bilden, das Gebiete 2 und 3 des Substrats voneinander trennt. Fig. i(a) zeigt die Netto-Akzeptor- oder Donatorkonzentration N als Funktion der Tiefe d im Substrat. Fig. i(b) zeigt das entsprechende Elektronenenergiedlagramm, das die verbotene Energiezone zwischen der Valenzbandkante E_v und der Leitungsbandkante E„ zusammen mit dem Ferminiveau E_T, und den Energiepegeln

der Akzeptoren A in der Nähe von E_v und der Donatoren D in der Nähe von E„ darstellt. Fig. i(c) zeigt die Raumladungsverteilung Q.
In dem Gebiet 1, das die n-lei,tenden Gebiete 2

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FHB. J25-42.

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und 3 voneinander trennt, ist die Donatorkonzentration durch eine hohe Konzentration an Akzeptorverunreinigung überkompensiert. Alle Aktivatoren im schmalen Gebiet 1 sind aber dadurch erschöpft, dass darin die Erschöpfungsschichten die natürlicherweise an den Uebergängen 2-1 und 1-3 bei Nullvorspannung gebildet werden, zusainmenf liessen. ~ Dies ergibt die negative Raumladung durch das ganze Gebiet nach Fig. 1(c).

Wie in der Halbleitertechnologie allgemein bekannt ist, wird ein Halbleitergebiet (wie das Gebiet 1) als nahezu völlig an Ladungsträgern beider Leitungstypen er-, schöpft betrachtet, wenn die Anzahl beweglicher Ladungsträger beider Leitungstypen vernachlässigbar (z.B. im allgemeinen zwei Grössenordnungen niedriger) im Vergleich zu der der Netto-Aktivatorkonzentration im genannten Gebiet ist.

Das Vorhandensein des Gebietes mit negativer Raumladung nach Fig. i(c) führt Bandkrümmung ein, wie in Fig. i(b) dargestellt ist, was eine Sperre für den Elektronendurchgang zur Folge hat. Die Höhe dieser Sperre ist durch 0 in Fig. i(b) und 2 dargestellt.

So liefert das nahezu erschöpfte Gebiet 1

Potential sperren 0_ für den Durchgang von Elektronen von dem ersten sowie dem zweiten η-leitenden Gebiet 2 bzw. 3 des Substrats. Fig. 2 ist ein Potentialdiagramm, das

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ί-ΗΒ.

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der Leitungsbandkante folgt und das Verhalten einer derartigen Struktur mit entgegengesetzten Vorspannungen zwischen Elektronenverbindungen mit dem ersten und dem zweiten Gebiet 2 bzw. 3 zeigt. Die Potentialkurve 10 stellt die Situation dar, in der keine Vorspannungen zwischen den Gebieten 2. und 3 angelegt sind. Die Potentialkurven und 12 gelten für die Fälle, in denen das Gebiet 3 negativ (V₁) bzw. positiv (V_) in bezug auf das Gebiet 2 vorgespannt ist. V₁ und V₂ stellen die negativen bzw. positiven Vorspannungen dar, die in bezug auf das Ferminiveau E„ bei Nullvorspannung gemessen werden. E und E„ stellen, die Ferminiveaus mit negativen bzw. positiven Spannungen V

bzw. V₂ dar. Die Sperre bei Nullvorspannung ist 0^. Diese Sperre wird durch das Anlegen der positiven Vorspannung V_ herabgesetzt. Die Potentialsperre für Elektronen von dem Gebiet 3 unter der Vorspannung V₁ ist mit 0_Λ bezeichnet. Die Potentialsperre für Elektronen von dem Gebiet 2 unter der Vorspannung V₂ ist mit 0~ bezeichnet. 0- und 0~ sind beide kleiner als 0~. Da die Dotierungskonzentration des Gebietes 2 gleich der des Gebietes 3 ist, ist 0- gleich 0₂, wenn V₁ gleich V₂ ist. Dadurch wird eine symmetrische Anordnung erhalten, die bei beiden Vorspannungspolaritäten bei nahezu dem gleichen Wert von V₁ und V₂ leitend wird.

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Eine nichtsymmetrische Anordnung nach der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Anordnungsstruktur enthält ein nahezu erschöpftes Sperrschichtgebiet 1, das dem nach den Fig. 1 und 2 ähnlich ist und ein erstes und ein zweites Gebiet 2 bzw. 3 voneinander trennt, die beide einen ersten Leitungstyp z.B. den η-Typ, aufweisen. In dieser Anordnungsstruktur weist jedoch das erste Gebiet 2 eine höhere Dotierungskonzentration (n+) vom ersten Leitungstyp als das zweite Gebiet 3 auf. Ein Stromweg, der durch Elektrodenverbindungen mit den Gebieten 2 und 3 definiert ist, ist zwischen dem zweiten und dem dritten Gebiet 2 bzw. 3 über das Sperrschichtgebiet 1 angeordnet. Der Stromfluss über das Sperrschichtgebiet 1 erfolgt durch Ladungsträger vom genannten ersten Leitungstyp (Elektronen bei n-leitenden Gebieten 2 und 3).

Das Sperrschichtgebiet 1 ist ein Halbleitergebiet mit einer Netto-Aktivatorkonzentration vom entgegengesetzten Leitungstyp, um die genannten Potentialsperren für den Durchgang von Ladungsträgern vom ersten Leitungstyp vom ersten sowie vom zweiten Gebiet 2 bzw. 3 zu erhalten und Erschopfungsschichten bei Nullvorspannung mit dem ersten sowie dem zweiten Gebiet 2 bzw. 3 zu bilden. Das Sperrschichtgebiet 1 ist genügend dünn, damit die genannten Erschopfungsschichten, die bei Nullvorspannung mit dem ersten und zweiten Gebiet 2 bzw. 3 gebildet werden,

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1KB. 'y-i-jUi. 12.3.77.

in dem genannten Sperrschichtgebiet 1 zusainmenfHessen um das genannte Sperrschichtgebiet 1 nahezu völlig an beweglichen Ladungsträgern vom ersten sowie vom entgegengesetzten Leitungstyp zu erschöpfen. Mit Ausnahme der mit dem Gebiet 1 gebildeten Erschöpfungsschichten bleiben die Gebiete 2 und 3 bei Nullvorspannung unerschöpft. Eine annähernde Auflösung der Poissonschen Gleichung in dieser Situation ergibt:

(i q«N . t is

wobei q = die Ladung an einem Elektron,

£ - die Dielektrizitätskonstante im freien Kaum, c. = die relative Dielektrizitätskonstante des

Halbleitermaterials,

0_ = die Potentialsperre bei Nullvorspannung für vom Gebiet 2 zum Gebiet 3 wandernde Elektronen,

t = die Dicke des Sperrschichtgtibietes 1 und N = gleich (t.N ) ist und die Netto-Raumladungsdichte im Sperrschichtgebiet 1 darstellt. Da N der Netto-Verunreinigung vom entgegengesetzten Typ pro Oberflächeneinheit des Sperrschichtgebietes

entspricht, kann dieser Wert auf z.B. Verunreinigungsionendosen bezogen werden, die zur Bildung eines derartigen Sperrschichtgebietes 1 implantiert werden können.

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PUB.

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Falls eine erhebliche Bandkrümmung auftritt,

muss 0_O grosser als z.B. k.T/q sein, wobei k die Boltsmann-Konstante und T die absolute Temperatur darstellen.

Daher folgt aus der Gleichung (i), dass für eine Dicke t

11 von z.B. 100 A,N grosser als nahezu 2 . 10 Verunrelnigungsatome/cm² sein muss.

Wenn jedoch das Ferminiveau E einen Wert innerhalb

einiger k.T von der Valenzbandkante E im Sperrschichtgebiet 1 erreichen würde, wäre das Sperrschichtgebiet nicht mehr an beweglichen Ladungsträgern vom genannten entgegengesetzten Leitungstyp erschöpft, so dass sich pn-Uebergänge bilden würden. Dadurch wird der Höchstwert von 0„ für diesen Halbleiter beschränkt und wird der zulässigen Grosse von N für einen gegebenen Wert von t eine obere Grenze gesetzt. So folgt aus der Gleichung (i), dass für einen Siliziumhalbleiterkörper der Wert von N kleiner als nahezu 2 . 10 Verunreinigungsatoine/cni für

ο eine Dicke t des Sperrschichtgebietes von 100 A sein muss,

um dieses Gebiet nahezu erschöpft zu halten.

In Fig. 3 ist das η-leitende Gebiet 2 höher (n+) mit Donatoren als das η-leitende Gebiet 3 dotiert. Infolgedessen ist die Sperre 0₁ für Elektronen vom Gebiet unter einer Vorspannung V. (wobei das Gebiet 3 negativ in bezug auf das Gebiet 2 vorgespannt ist) niedriger als die Sperre 0.. für Elektronen vom Gebiet 2 unter einer

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PUB. 13-3-'» 1--.3.77.

Vorspannung V_ (wobei das Gebiet 3 positiv in bezug auf das Gebiet 2 mit V„ = V vorgespannt ist). So wird die Anordnung wirksam und stromleitend bei einer niedrigeren Spannung, wenn das Gebiet 3 negativ in bezug auf das Gebiet 2 vorgespannt ist, als wenn es positiv vorgespannt ist. Insbesondere kann das Leitend werden der Anordnung bei negativer Vorspannung (V..) bei weniger als 1 V (wobei die Elektronen vom η-leitenden Gebiet 3 über das Sperrschichtgebiet 1 zum n—leitenden Gebiet 2 fliessen) auftreten, während das Leitend werden bei positiver Vorspannung (V„) bei mehr als 10 V (wobei die Elektronen vom n-leitenden Gebiet 2 über das Sperrschichtgebiet 1 zum n—leitenden Gebiet 3 fliessen) erfolgen kann. Die Werte von V und V beim Leitend werden der Anordnung werden durch die für die Gebiete 2 und 3 gewählte asymmetrische Dotierung bestimmt. Die Dotierungskonzentration des ersten Gebietes 2 kann leicht mindestens zwei oder drei oder sogar vier Grössenordnungen höher als die des zweiten Gebietes 3 gemacht werden.

Der Aktivator des Sperrschichtgebietes 1 kann ein Dotierungsmittel mit untiefem Niveau von dem am ersten und zweiten Gebiet 2 und 3 entgegengesetzten Leitungstyp sein. Ein derartiges Dotierungsmittel bildet ein untiefes Energieniveau im verbotenen Band des Halbleitermaterials in der Nähe der Kante des verbotenen Bandes, die der für

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ein Dotierungsmittel vom genannten ersten Leitungstyp gegenüberliegt. Das Sperrschichtgebiet 1 kann aber stattdessen mit einer Tiefniveauverunreinigung vom genannten entgenegesetzten Leitungstyp dotiert sein. Eine derartige Verunreinigung weist ein Energieniveau tief in dem verbotenen Band weit von der Kante E„ sowie der Kante E_v des verbotenen Bandes und in der Nähe seiner Mitte auf. Ein möglicher Vorteil der Anwendung einer solchen Verunreinigung auf tieferliegendem Niveau als Aktivator ist, dass, indem eine genügend hohe Dotierung geliefert wird, die Potentialsperre einem Wert nahe kommen kann, der dem tiefen Energieniveau der Verunreinigung entspricht und der für die Grosse der Tiefniveaudotierung unempfindlich ist.

Für eine gegebene Dicke t bestimmt die Anzahl N von Aktivatoratomen vom genannten entgegengestzten Leitungstyp im Sperrschichtgebiet 1 im allgemeinen die Höhe der Potentialsperre 0_n zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet 2 und 3 und somit die Grosse des Stromflusses über das Sperrschichtgebiet 1 für eine gegebenene Vorspannung, Um eine maximale Asymmetrie in den Kennlinien zu erhalten, ist es vorteilhaft, eine geringe Dicke t und eine hohe Netto-Dotierung N für das Gebiet 1 zu wählen. Daher ist

vorzugsweise die Aktivatorkonzentration vom genannten entgegengesezten Leitungstyp im Sperrschichtgebiet 1 z.B. mindestens eine oder zwei Grossenordnungen höher als die

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ΓΗΒ. 32542 12.3.77.

Aktivatorkonzentration vom genannten ersten Leitungstyp in diesem Gebiet. Eine derart hohe Konzentration bringt mit sich, dass das Sperrschichtgebiet 1 auch sehr dünn sein muss, um bei Nullvorspannung erschöpft zu bleiben. Insbesondere weist das Sperrschichtgebiet eine Dicke von

z.B. höchstens nahezu 250 A auf.

Fig. 4 zeigt eine besondere Form einer Diodenstruktur nach der Erfindung. Die Diode weist eine asymmetrische Strom-Spannungs-Kennlinie auf, was darauf zurückzuführen ist, dass ihr erstes Gebiet 2 eine höhere Dotierungskonzentration vom ersten Leitungstyp als das zweite Gebiet 3 besitzt. Diese Diode ist daher vom allgemeinen durch das Potentialdiagramm nach Fig. 3 illustrierten Typ. In dieser Anordnung grenzt das erste Gebiet 2 an eine Oberfläche des Halbleiterkörpers 20 und ist durch das nahezu erschöpfte Sperrschichtgebiet 1 von einem unterliegenden Halbleiterkörperteil 3 getrennt, der zu dem zweiten Gebiet der Diode gehört. Das an die Oberfläche grenzende Gebiet 2 wird daher einfach durch eine Elektrode kontaktiert, die auf der Halbleiterkörperoberfläche angeordnet ist. Das Gebiet 2 wird seitlich von einer unerschöpften ringförmigen Zone 2k vom entgegengesetzten Leitungstyp begrenzt, die sich genügend tief in dem Körper 19 erstreckt, um das Sperrschichtgebiet 1 zu schneiden. Die unerschöpfte ringförmige Zone 2^!\ wirkt

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PHB. 3-5^2.

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als ein Schutzring ähnlich den in bekannten Schottky-Diodenkonfigurationen verwendeten Schutzringen. Die Zone 2k stellt sicher, dass das Gebiet 2 seitlich von dem umgebenden Teil des Gebietes 3 getrennt und nicht mit diesem am Rande des Sperrschichtgebietes 1 kurzgeschlossen wird.

Wie nachstehend beschrieben wird, kann eine solche unerschöpfte Zone 2k während desselben Dotierungsschrittes gebildet werden, der auch zur Bildung der erschöpften Sperrschichtgebietes 1 verwendet wird. Wie an Hand der Fig. k beschrieben wird, kann aber die Zone 2k eine Dotierung aufweisen, die von der des genannten Sperrschichtgebietes verschieden ist. Dadurch können die Dotierung und die Tiefe der Zone 2k unabhängiger gewählt werden, so dass die Zone 2k eine höhere Sperre mit dem Gebiet 3 als das Sperrschichtgebiet 1 bilden kann.

Das zweite Gebiet 3 der Diode nach Fig. k bildet einen Teil einer epitaktischen Schicht auf einem stärker leitenden Substrat 13» das auch den ersten Leitungstyp aufweist. Die Elektrodenverbindung 23 mit dem Gebiet 3 kontaktiert die Hinterfläche des Substrats 13· Auf diese Weise wird eine einfache diskrete Diodenstruktur mit einander gegenüber liegenden Elektroden 22 und 23 gebildet .

Die Diodenstruktur nach Fig. k kann auf folgende Weise, ebenfalls nach der Erfindung hergestellt werden.

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PH3. 325^2.

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Im vorliegenden Beispiel sei angenommen, dass der erste Leitungstyp des ersten und des zweiten Gebietes 2 und 3 der η-Typ ist.

Auf einem stark leitenden η-Typ einkristallinen Siliziumsubstrat 13 wird eine η-leitende epitaktische Siliziumschicht 3 auf bekannte Weise angewachsen. Die epitaktische Schicht 3 kann einen spezifischen Widerstand von*insbesondere z.B. 5 Λ·cm und eine Dicke von z.B. 12 /um aufweisen. Auf der Oberfläche der Schicht 3 wird eine thermische Oxidschicht auf bekannte Weise zur Anwednung als Maske gegen Dotierung angewachsen. Unter Verwendung bekannter photolithographischer und Aetztechniken werden ringförmige Fenster durch die Oxidschicht geätzt , an den Stellen, an denen die ringförmigen Zonen Zk in der epitaktischen Schicht erzeugt werden Sollen. Es ist klar, dass im allgemeinen viele Dioden gleichzeitig in derselben Halbleiterscheibe dadurch hergestellt werden, dass die Bearbeitung an vielen Stellen auf der Scheibe durchgeführt und anschliessend die Scheibe unterteilt wird, um gesonderte Halbleiterkörper für jede Halbleiteranordnung zu erhalten. Der Einfachheit halber wird jedoch der Herstellungsvorgang nur für die an einer dieser Stellen durchgeführten Bearbeitung beschrieben.

Nachdem das ringförmige Fenster in der Oxidmaske geöffnet ist, wird ein Akzeptordotierungsmittel in die

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±>h.-3. 325*12. 12.3.77.

epitaktische Schicht 3 eingeführt, um die p+-leitende ringförmige Zone 2k zu bilden, die sich bis zu einer grösseren Tiefe als die Tiefe erstreckt, auf der das Sperrschichtgebiet 1 gebildet werden wird. Ein solches Dotierungsinittel kann durch bekannte Techniken, z.B.

thermische Diffusion von Bor, eingeführt werden. Nach der Bildung der Zone 2k wird die ganze Dotierungsmaske entfernt, wird die Oberfläche der epitaktischen Schicht gereinigt und wird eine frische Isolierschicht 26 auf bekannte Weise erzeugt. Diese Schicht 26 kann z.B. aus thermisch

ο ^: angewachsenem Silizumoxid mit einer Dicke von z.B. 1200 A bestehen. Unter Verwendung bekanntet photolithographischer und Aetztechniken wird dann die Isolierschicht 26 mit einem Fenster 21 versehen, das in geringem Masse den Innenrand der vorher erzeugten p+-leitenden ringförmigen Zone 2k überlappt. Ueber das Fenster 21 werden Aktivator-. ionen implantiert, wobei die Schicht 26 als Implantationsmaske verwendet wird, Um ein hochdotiertes n+-leitendes Oberflächengebiet 2 und ein sehr dünnes hochdotiertes aber nahezu erschöpftes Sperrschichtgebiet 1 zu bilden. Vorzugsweise werden die Ionenenergie und -masse derart gewählt, dass das Gebiet 1 möglichst dünn (z.B. nahezu

ο v

150 A dick) gemacht wird, während die Ionendosis derart gewählt wird, dass das Gebiet 1 möglichst hoch dotiert wird. Die Ionen für das Gebiet 1 können Ionen eines

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Flachniveauakzeptors sein, um die Donatorkonzentration des Substrats im Gebiet 1 zu überkompensieren. Ein ge eignetes massives Akzeptorion ist Indium mit einer Ionen- strahlenergie von z.B. 20 keV. Diese Energie für Indium- ionen wird eine maximale Dotierungskonzentration für das Potentialsperrschichtgcbiet auf einer Tiefe vun nahezu

ο
150 A von der Siliziumoberfläche liefern.

Das Gebiet 2 wird durch eine Donatorimplantation

von z.B. 10 keV-Antimonionen erzeugt, wodurch für das

ο
Gebiet 2 eine Tiefe von nahezu 100 A erhalten wird.

Die für das Diodengebiet 2 nach Fig. k verwendete Donatordosis kann den Innenrand der p+-Schutzringes 2k überdotieren, wo er über das Fenster 21 freigelegt ist. Vorzugsweise wird das Gebiet 2 vor dem Gebiet 1 implantiert, um die Kanalbildung der implantierten Ionen herabzusetzen und so die Breite des Sperrschichtgebietes 1 zu verringern. Aus demselben Grunde werden die Implantationen vorzugsweise unter einem kleinen Winkel zu den Haupthalbleiterkristallachsen durchgeführt.

Die Implantationen zur Bildung der Gebiete 1 und können bei Zimmertemperatur mit Dosen insbesondere zwischen 10 und 10 Antimonionen/cm² für das Gebiet 2 und
zwischen z.B. 5 . 10 und 5 . 10 Indiumionen/cm² für das Gebiet 1 durchgeführt werden. Die beiden implantierten Gebiete werden dann bei z.B. einer Temperatur von insbesondere

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ΊΟ-

75O°C und in einem Hochvakuum ausgeglüht, ohne dass eine nennEnswerte Diffusion auftritt. Diese Ionendosen für das Sperrschichtgebiet 1 sind höher als die Netto-Werte

von N , die oben vorgeschlagen wurden, weil es notwendig s

ist, sowohl die Dotierung der epitaktischen Schicht im Gebiet 1 als auch die Donatordotierung ebenfalls in diesem Gebiet infolge der Implantation des Gebietes 2 zu überdotieren

Nach dem Ausglühen der implantierten Gebiete werden die η-leitenden Gebiete 2 und 3 auf bekannte Weise mit ElektrodenanschlÜBsen in Form leitender Schichten 22 bzw. versehen. Durch das Vorhandensein der Schichten 22 und 23, die einen nahezu ohmschen Kontakt mit den Gebieten 2 und bilden, wird eine Majoristätsladungsträgerdiode erhalten. Die Elektroden 22 und 23 bestehen insbesondere aus einem Metall, z.B. aus Aluminium oder Titan.

Fig. 5 zeigt die Strom-Spannvngs-Kennlinien

einer derartigen asymmetrischen Diode mit der allgemeinen Struktur nach Fig. k, die unter Verwendung eines derartigen Verfahrens hergestellt wird. Die Diode nach Fig.

enthält eine η-leitende epitaktische Schicht 3 mit einem spezifischen Widerstand von 4 -Q.« cm. Die einer Bordiffusion unterworfene ringförmige Zone 2k weist eine Tiefe von 0,5 /um und eine kreisförmige Symmetrie mit einem Innendurchmesser von 55 ,um und einem Aussendurchmesser von 90 ,um auf. Das Fenster 21 in der Oxidschicht 26 ist auch kreisförmig

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mit einem Durchmesser von 7Qyum. Das erste Gebiet 2 wird durch eine implantierte Antimondosis von 5 · 10 Ionen/cm² bei 10 keV erhalten. Das Sperrschichtgebiet 1 wird durch eine implantierte Indiumdosis von 1 . 10 Ionen/cm² bei 30 keV erhalten. Die implantierten Gebiete werden zusammen 15 Minuten lang bei 75O°C im Vakuum ausgeglüht.

Die Strom-Spannungs-Kennlinien nach Fig. 5 werden dadurch gemessen, dass Durchlass- und Sperrvorspannungen V₁ bzw. V_ über die Diodenelektroden 22 und angelegt werden, wie in Fig. k dargestellt, und dass der erhaltene Stromfluss I gemessen wird. Unter der Vorspannung V. wird das höher dotierte η-leitende Gebiet mit einem positiven Potential in bezug auf das weniger hoch dotierte η-leitende Gebiet 3 vorgespannt und die Kennlinie I-V.. nach Fig. 5 wird erhalten. Unter einer Sperrvorspannung V„ wird das Gebiet 2 negativ in bezug auf das Gebiet 3 vorgespannt und die Kennlinie Ι-^ν? wird · erhalten. In der graphischen Darstellung nach Fig. 5 sind die Durchlass- und Sperrspannungen V₁ und V„ in Volt als Abszisse und ist der Stromfluss I über die Diode in mA in einem logarithmischen Masstab als Ordinate aufgetragen. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass diese Majoritätsladungsträgerdiode nach der Erfindung unter Durchlassvorspannung bei einer Spannung unter 1 V leitend wird und dass bei einer Durchlassvorspannung von 1 V der Stromfluss durch

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die Anordnung 10 mA nahe kommt. Bei einer Sperrvorspannung von 1 V ist jedoch der Stromfluss durch die Diode weniger als 1 /uA, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Sogar bei einer Sperrspannung von 15 V ist der Stromfluss nur nahezu 5 /uA. Eine derartige Diode kann z.B. als ein Gleichrichter verwendet werden.

In der Diode nach den Fig. 4 und 5 ist das ganze Sperrschichtgebiet 1 nahezu an beweglichen Ladungsträgern beider Leitungstypen bei Nullvorspannung erschöpft, dadurch, dass die Erschöpfungsschichten die das Sperrschichtgebiet bei Nullspannung natürlicherweise mit dem ersten und dem ■ zweiten Gebiet 2 und 3 der Diode bildet in dem Sperrschichtgebiet 1 zusammenfHessen, Die Diode nach Fig. 4 und 5 weist daher eine Durchlasskennlinie 1-V₁ mit einem abrupt verlaufenden Einschaltteil auf, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Venn nicht nahezu das ganze Sperrschichtgebiet bereits ohne Vorspannung an Ladungsträgern beider Typen erschöpft wäre, würde eine nicht-erfindungsgemässe Anordnung gebildet werden, wobei ein gleichmässiger verlaufender Einschaltteil der Strom-Spannungs-Kennlinie mit höherem Spannungsabfall, sowie eine niedrigere Schaltgeschwindigkeit erhalten werden würden, welches Verhalten ohne weiteres gemessen werden kann. So kann durch solche Messungen detektiert werden, ob, wie erforderlich, das Sperrschichtgebiet 1 nahezu erschöpft ist oder nicht.

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Es leuchtet ein, dass viele Abwandlungen im Rahmen der Erfindung möglich sind und dass ein solches erstes, zweites und Sperrschichtgebiet in vielen verschiedenen Ausführungsformen der Anordnung verwendet werden können. Mehrere dieser weiteren Abwandlungen werden nun an Hand der Fig. 6 bis 10 beschrieben. Die Teile dieser Anordnungen, die denen der Anordnungen nach den Fig. 3 und entsprechen, werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Anordnung nach Fig. 6 ist die ringförmige Zone Zk während des Dotierungsschrittes gebildet, der auch zur Bildung des erschöpften Sperrschichtgebietes 1 angewandt wurde. Der Vorteil einer derartigen Ausführung ist, dass die für die Herstellung benötigte Anzahl von Bearbeitungsschritten erheblich herabgesetzt wird und eine sehr gedrägte Anordnungsstruktur gebildet werden kann.

Dies kann auf folgende Weise erzielt werden. Nach Ablagerung

der epitaktischen Schicht 3 wird die thermisch angewachsene

Oxidschicht 26 mit einer Dicke bis zu z.B. I500 A erzeugt. Das Fenster 21, das den Umrissen des erforderlichen ersten Gebietes 2 entspricht, wird dann in der Schicht 26 gebildet und Ionen zur Bildung des ersten Gebietes 2 werden über das Fenster 21 unter Verwendung der Schicht 26 als Implantationsmaske implantiert. Die Struktur wird dann einer Tauchätzbehandlung in z.B. verdünnter Fluorwasserstoff-

säure unterworfen, um etwa z.B. 400 A der Schicht 26

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3t.

wegzuätzen. Durch diese Tauahätzbehandlung wird daher das Fenster 21 etwas verbreitert. Das verbreiterte Fenster wird dann als Iniplantationsf ens ter für das implantierte Sperrschichtgebiet verwendet, das sich bis zu der Ober— fläche rings um das implantierte Gebiet 2 erstreckt. Das verbreiterte Fenster 21 kann auch als Kontaktfenster für die Elektrode 22 verwendet werden, die das erste Gebiet kontaktiert; in diesem Falle kontaktiert die Elektrode auch die ringförmige Zone 2h, Die durch die Aetzung erhaltene Verbreiterung des Fensters 21 und somit die Breite der sich ergebenden ringförmigen Zone 2k können genügend gering gemacht werden, damit diese Zone 24 auch nahezu erschöpft ist. Eine breite Zone 24, die während der Implantation des Sperrschichtgebietes implantiert wird, ist jedoch nicht völlig erschöpft und verhält sich somit auf gleiche Weise wie die diffundierte p-leitende Zone 2h in der Anordnung nach Fig. h. Erwünschtenfalls kann eine weitere Isolierschicht im uergrösserten Fenster 21 entweder vor oder nach der Implantation des Sperrschichtgebietes abgelagert werden, wonach in dieser weiteren Schicht ein Kontaktfenster gebildet werden kann, so dass nur das Gebiet 2 für Kontaktierung durch die Elektrode freigelegt wird.

Eine andere Abwandlung nach Fig. 6 besteht darin, dass eine Dotierungskonzentration 30 im zweiten Gebiet 3

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in der mit dem genannten Sperrschichtgebiet 1 gebildeten Erschöpfungsschicht vorhanden ist. Die Dotierungskonzentration 30 ist höher als die in der unterliegenden Masse des genannten Gebietes 3· Eine derartige vergrösserte Dotierungskonzentration 30 kann einfach durch Implantation von Dotierungsionen in das Gebiet 3 gebildet werden, die den gleichen Leitungstyp wie das Gebiet 3 aufweisen, wobei die ^Implantation bei einer derartigen Energie durchgeführt wird, dass diese Ionen etwas weiter in den Halbleiterkörper als die Ionen in das implantierte Sperrschichtgebiet eindringen. Venn die Dotierungskonzentration 30 wenigstens hauptsächlich innerhalb der an NuI!vorspannung liegenden Erschöpfungsschicht liegt, die sich vom Sperrschichtgebiet bis in das Gebiet 3 erstreckt, tritt ein vernachlässigbarer Effekt auf die asymmetrische Dotierung der Gebiete 2 und 3 auf. Die Dotierungskonzentration 30 wird daher vorzugs-

o
weise innerhalb nahezu I50 A vom Sperrschichtgebiet 1 gebildet.

Eine derartige örtlich vergrösserte Dotierungskonzentration dient dazu, die Grosse des elektrischen Feldes im Gebiet 3 in der Nähe des Sperrschichtgebietes 1 zu erhöhen. Infolgedessen erhält der abfallende Teil der Potentialkurve im Gebiet 3, die im Potentialdiagramm nach Fig. 3 dargestellt ist, einen steileren Verlauf und fliessen Träger leichter über die Potentialsperre zwischen den Gebieten 2 und 3· Eine bevorzugte Donatorionendosis für die Bildung der

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•ι Dotierungskonzentration 30 kann z.B. zwischen 2 und 5 .

Arsenionen/cm² liegen.

Fig. 6 zeigt auch eine weitere Abwandlung, bei der die Elektrode 22, die das erste Gebiet 2 kontaktiert, mit einer Oeffnung versehen ist. Auf diese Weise kann ein Fenster für Photonenstrahlung auf dem grössten Teil des ersten Gebietes 2 erhalten werden. Die in Fig. 6 dargestellte Elektrodenverbindung 22 ist ringförmig und kontaktiert den Umfang des Gebietes 2. Eine derartige Anordnungsstruktur kann als ein Photonen-Detektor für niedrige Intensität mit einer hohen Quantumausbeute und Verstärkung zum Detektieren von durch das Elektrodenfenster einfallender Photonenstrahlung verwendet werden. Minoritätsladungsträger, die von der Strahlung erzeugt werden, können im Sperrschichtgebiet 1 gesammelt werden, wodurch die Höhe der Sperre und die Grosse des Minoritätsladungsträgerstromflusses über die Sperre geändert werden. Die Elektrodenschicht kann z.B. aus'hochdotiertem polykristallinem Silizium oder einem Metall bestehen.

Das Sperrschichtgebiet 1 und das erste und das zweite Gebiet 2 bzw. 3 können leicht mit anderen Halbleitergebieten und Elektroden integriert werden, um komplexere Halbleiteranordnungen zu bilden.

Es wird eine interessante Majoritätsladungsträger-(Unipolar)-Transistorstruktur erhalten, wenn das Gebiet

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zusätzlich durch einen Schottky-Metallkontakt M kontaktiert wird. Der Schottky-Kontakt wirkt als der Emitter und injiziert Elektronen in das η-leitende Gebiet 2; dies erfordert selbstverständlich, dass der Schottky-Kontakt unter Sperrvorspannung betrieben wird. Das n-leitende Gebiet 2 wirkt als die Basis und ist mit einem ohmschen Kontakt 22 (dem Basiskontakt) neben dem Schottky-Kontakt M versehen. Das η-leitende Gebiet 3 wirkt als der Kollektor. Es sei bemerkt, dass in der Basis (dem Gebiet 2) einer derartigen Transistorstruktur der Strom durch Majoritätsladungsträger, somit durch Elektronen in einem n-leitenden Gebiet 2, geftihrt wird. Die Emittersperre (Schottky-Sperre) soll derart gewählt werden, dass sie höher als die Sperre des Sperrschichtgebiotes 1 ist. Das Energiebanddiagramm eines derartigen Transistors ist in Fig. 7 dargestellt. Die Energie der Majoritätsladungsträger, die den Strom in der Basis 2 zwischen dem Emitter und dem Kollektor . führen, ist wesentlich höher als die Fermi-Energie, so dass ein derartiger Transistor als ein "Heisselektrontransistor", bezeichnet werden kann.

Verschiedene Ausführungen eines Heisselektron-Transistors sind in vielen Jahren vorgeschlagen worden, aber ohne dass ein kommerziell akzeptabler Transistor erhalten wurde. In diesem Zusammenhang sei z.B. auf Seiten 587 bis 615 des Buches von S.M. Sze, mit dem Titel

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"The Physics of Semiconductor Devices" verwiesen, das von Wiley Inter-science, Copyright 1°-69 veröffentlicht ist; diese Seiten sind hierbei als Referenzmaterial in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Vorher vorgeschlagene 5r Ausführungen von Heisselektron-Transistoren bestanden grundsätzlich aus abwechselnd Metall- und Isolier- oder Halbleitermaterial, wobei einige dieser Ausführungen Schottky-Sperren enthielten. Derartige vorher vorgeschlagene Anordnungen liessen sich technologisch schwer herstellen. Im allgemeinen wurde das Basisgebiet durch eine dünne zwischengefügte Metallschicht gebildet. Grenzflächenprobleme ergaben sich zwischen den verschiedenen Materialien. Die Ladungsträger müssen eine Anzahl von Grenflächen zwischen verschiedenen Materialien und Halbleitermaterialien und/oder dielektrische Materialien mit verschiedenen verbotenen Energiezonen durchlaufen, die in einer allgemeinen Anordnungsstruktur kombiniert werden. Dies hatte einen schlechten Ladungsträgertransport und eine geringe Emitter- und Kollektorwirkung zur Folge.

Nach der Erfindung kann jedoch ein Heisselektron-Transistor hergestellt werden, bei dem, wie in Fig. 7 dargestellt ist, das Basisgebiet ein Halbleitergebiet ist und die Sperren in demselben Halbleiterkörper gebildet werden. Solche Heisselektron-Transistoren können vernachlässigbare Minoritätsladungsträgerspeichereffekte sowohl

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im Emitter als auch in der Basis aufweisen und eignen sich dann zur Anwendung bei einer grossen Geschwindigkeit oder einer hohen Frequenz. Sie können auch einen niedrigen Basiswiderstand aufweisen infolge der Tatsache, dass eine hohe Dotierungskonzentration vom ersten Leitungstyp für das Basisgebiet 2 gewählt ι wird, und sie können für Inhomogenitäten in der Basisdotierung relativ unempfindlich sein. Daher können derartige Transistoren wesentliche Vorteile im Vergleich zu üblichen Bipolartransistoren vom npn- oder pnp-Typ aufweisen.

Fig. 8 zeigt eine besondere Ausführungsform

eines solchen Heisselektron-Transistors nach der Erfindung. Das erste Gebiet 2 weist eine hohe Dotierung vom ersten Leitungstyp (z.B. vom η-Typ) auf und bildet das Basisgebiet des Transistors. Der Emitter-Basis-Uebergang wird mit dem Gebiet 2 durch Sperrenbildungsmittel erzeugt, die in der Ausführungsform nach Fig. 8 eine Schottky-Elektrode kO aus z.B. Gold oder Nickel enthalten, die einen Teil des Gebietes 2 icontaktiert, um die Schottky-Sperre zu bilden.

Der Basiskontakt wird durch die Elektrodenverbindung 22 mit dem Gebiet 2 gebildet. Das Kollektorgebiet des Transistors wird durch das zweite Gebiet 3 vom einen Leitungstyp gebildet und das Gebiet 3 kann, wie oben beschrieben wurde, eine epitaktische Schicht sein. Der Kollektorkontakt des Transistors nach Fig. 8 kontaktiert

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die hintere Fläche des hochdotierten Substrats I3, ebenfalls vom ersten Leitungstyp, auf dem die epitaktische Schicht abgelagert ist. Eine hohe Dotierungskonzentration 30 vom ersten Leitungstyp kann auch in das Kollektorgebiet 3 in der Nähe des Sperrschichtengebietes 1 eingeführt sein. Das nahezu erschöpfte Sperrschichtgebiet 1 bildet die Basis-Kollektor-Sperre des Transistors.

Beim Betrieb ist die Emitter-Elektrode 40 negativ in bezug auf die η-leitende Basis 2 vorgespannt, die ihrerseits negativ in bezug auf die Kollektor-Elektrode 23 vorgespannt ist. Die Basis- und Kollektor-Elektrodenanschlüsse 22 und 23 dienen zum Anlegen der Sperrvorspannung über dem nahezu erschöpften Sperrschichtgebiet 1. Die Emitter- und Kollektor-Elektroden definieren den Hauptstromweg in der Anordnung, der sich durch das erste Gebiet 2 und das Sperrschichtgebiet 1 zu dem zweiten Gebiet 3 erstreckt. Wie in Fig. 8 angegeben ist, kann ein Wechselstromeingangssignal zwischen der Emitter- und der Basis-Eelektrode 4o und 22 angelegt und kann ein verstärktes Ausgangssignal über einer Belastung R zwischen der Basis- und der Kollektor-Elektrode 22 und 23 entnommen werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Dotierungskonzentration des genannten ersten (Basis)-Gebietes 2 unter der genannten Schottky-Elektrode ko auf Abstand von der Oberfläche einen Höchstwert auf.

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Dies kann dadurch erreicht werden, dass höhere Ionenenergien für die implantierten Gebiete angewendet werden. Unter Sperrvorspannung wird durch einen solchen Abstand ein Potentialabfall zwischen dem Emitter und dem unerschöpften Teil des Basisgebietes 2 eingeführt, so dass das Potential des Kollektor-Sperrschichtgebietes 1 zu niedrigeren Werten in bezug auf den Emitter verschoben wird, wenn die Sperrvorspannung erhöht wird. Auf diese Weise wird eine Energieverteilung erhalten, die die Kollektorwirkung am Sperrschichtgebiet 1 begünstigt. Ein derartiger Abstand ist in Fig. 7 durch die n- und n+-Symbole im Gebiet 2 dargestellt. Die höhere Dotierungskonzentration 30, die örtlich in der Masse des Gebietes 3 gebildet wird, ist in Fig. 7 auch mit den n- und n(-)-Symbolen im Gebiet angegeben, wobei das Symbol n(-) die Massendotierung des

Gebietes 3 darstellt. Diese örtlich gebildete Dotierungskonzentration 30 begünstigt auch die Kollektorwirkung in einer gleichen Weise wie oben für Fig. 6 beschrieben wurde. Fig. 9 zeigt einen Teil einer integrierten Schaltung mit einem Heisselektron-Transistor nach der Erfindung. In diesem Beispiel wird das zweite Gebiet durch einen Inselteil einer epitaktischen Schicht vom ersten Leitungstyp (z.B. vom η-Typ) auf einem Substrat vom entgegengesetzten Leitungstyp gebildet. Die Insel 3

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ist elektrisch auf bekannte Weise gegen andere Inselteile der epitaktischen Schicht durch den pn-Uebergang 5 zwischen den Inseln und dem Substrat 13 und durch die Isolierwände 5I isoliert, die seitlich die Inseln begrenzen. Wie in der Technologie integrierter Schaltungen bekannt ist, können derartige Isolierwände durch z.B. Diffusion eines Dotierungsmittels vom entgegengesetzten Leitungstyp örtlich durch die Dicke der epitaktischen Schicht und/oder durch Isoliermaterial gebildet werden, das z.B. durch örtliche Oxidation der epitaktischen Schicht erzeugt wird. Nach der Bildung der gesonderten Inseln wird der Heisselektron-Transistor in der Insel 3 gebildet und werden andere Schaltungselemente in den anderen Inseln 53 gebildet. Die unterschiedlichen Schaltungselemente werden in derselben integrierten Schaltung mittels der Elektrodenanschlüsse an der Oberfläche der epitaktischen Schicht angeordnet. Die Schaltung kann z.B. eine logische Schaltung sein.

In der Ausführungsform nach Fig. 9 kontaktiert der Kollektor-Elektrodenanschluss 23 des Transistors die Oberfläche des Inselteiles 3· Um den Kollektorreihenwiderstand herabzusetzen, können eine höher dotierte Oberflächenkontaktzone ^k und eine vergrabene Schicht 551 beide vom ersten Leitungstyp, auf bekannte Weise erzeugt werden, wie in Fig. 9 dargestellt ist.

Der Heisselektron-Transistor nach Fig. 9 unter-

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scheidet sich auch von dem nach Fig. 8 darin, dass eine Anzahl von Emitter-Basis-Sperren mit dem genannten ersten Gebiet 2 gebildet werden, wodurch der Basiswiderstand herabgesetzt wird. Diese Mehremitterstruktur wird durch eine Anzahl von Schottky-Kontakten ^O erhalten, die z.B. in einer kammartigen Struktur mit einer Anzahl von Basiskontakten 22 zusammenarbeiten.

Wie oben beschrieben wurde, braucht eine ringförmige Zone 2h eines Heisselektron-Transistors nach der Erfindung nicht eine Tiefe und eine Dotierung aufzuweisen, die von denen des nahezu erschöpften Sperrschichtgebietes verschieden sind, sondern kann diese Zone während des zur Bildung des Sperrschichtgebietes 1 angewandten Dotierungsschrittes gebildet werden.

Fig. 10 ist das Potentialdiagramm eines weiteren Transistors mit heissen Elektronen nach der Erfindung. Statt einer Schottky-Elektrode enthält dieser Transistor ein drittes Gebiet 60, das den gleichen ersten Leitungstyp wie das erste Gebiet 2 (z.B. den η-Typ) aufweist und den Emitter des Transistors bildet. Das Gebiet 60 ist von dem darunterliegenden ersten Gebiet 2 durch ein Sperrschichtgebiet 61 getrennt, das den Emitter-Basis-Uebergang bildet. Dieses Emitter-Basis-Sperrschichtgebiet 61 ist ein Halbleitergebiet mit einer Dotierungskonzentration, die den entgegengesetzten Leitungstyp bestimmt und die höher als

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die Dotierungskonzentration vom genannten ersten Leitungstyp im genannten Sperrschichtgebiet ist, so dass Potentialsperren für den Durchgang von Ladungsträgern vom ersten Leitungstyp vom ersten sowie vom dritten Gebiet 2 bzw. erhalten und Erschöpfungsschichten bei Nullvorspannung mit dem ersten sowie dem dritten Gebiet 2 bzw. 6o gebildet werden. Das Emitter-Basis-Sperrschichtgebiet 61 ist genügend dünn, damit die genannten Erschöpfungsschichten, die bei Nullvorspannung m±t dem genannten ersten sowie dem genannten dritten Gebiet 2 bzw. 6o gebildet werden im genannten Sperrschichtgebiet 61 zusammenfliessen um bei Nullvorspannung nahezu das genannte ganze Sperrschichtgebiet an beweglichen Ladungsträgern vom genannten ersten und vom genannten entgegengesetzten Leitungstyp zu erschöpfen.

So enthält ein derartiger Transistor nahezu erschöpfte Sperrschichtgebiete 61 und 1, die die Emitter-Basis- sowie die Kollektor—Basis-Sperren bilden, während die Emitter-, Basis- und Kollektorgebiete 60, 2 bzw. 3 alle den gleichen Leitungstyp aufweisen. Die Gebiete 61 und 60 können selbstverständlich durch Ionenimplantation gebildet werden.

Das Verfahren zur Herstellung besonderer Ausführungen von. Heisselektron-Transistoren von den in Fig. 7 bis 10 dargestellten Typen und insbesondere die Dotierungsmittel, die Dotierungskonzentrationen und die Dicken ihres Sperrschichtgebietes 1 und der ersten

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und zweiten Gebiete 2 und 3 können denen für die an Hand der Fig. 3 bis 6 beschriebenen Diodenstrukturen gleich sein, So kann z.B. die Elektrode 22 der Anordnung nach Fig. k mit Oeffnungen versehen sein und können die Anordnungen nach Fig. k und 6 einen Schottky-Kontakt mit dem Gebiet innerhalb der Oeffnung in der Elektrode 22 enthalten, wodurch diese Strukturen in Heisselektron-Transistoren verwandelt werden.

Es dürfte einleuchten, dass Heisselektron-Transistoren nach der Erfindung in umgekehrtem Sinne gebildet und verwendet werden können, so dass das erste und das zweite Gebiet 2 und 3 das Basis- bzw. das Emittergebiet bilden und das nahezu erschöpfte Sperrschichtgebiet 1 dazwischen die Emitter-Basis-Sperre bildet.

Es ist klar, dass viele andere Abwandlungen und Anwendungen im Rahmen der Erfindung möglich sind. Obgleich Jonenimplantation als besonders geeignet für die Bildung des schmalen, nahezu erschöpften Sperrschichtgebietes 1 und z.B. des hochdotierten ersten Gebietes erwähnt wurde, sind auch andere bekannte Techniken möglich. So wäre Molekularstrahlepitaxie geeignet für die Bildung solcher dünnen dotierten Gebiete mit z.B. einem III-V-Halbleitermaterial, wie Galliumarsenid. Die seitlichen Abmessungen von Gebieten, die mit Hilfe von Molekularstrahlepitaxie angewachsen sind, können durch eine anschliessende

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lokalisierte Bearbeitung, z.B. eine lokalisierte Entfei-nung durch Aetzen, lokalisierte Ueberdotierung oder die Bildung von halbisolierenden Zonen unter Verwendung eines lokalisierten Protonenbeschusses definiert werden.

Es leuchtet ein, dass gemäss der Erfindung Anordnungen mit entgegengesetzten Leitungstypen hergestellt werden können. So können z.B. das erste und das zweite Gebiet 2 und 3 p-leitend sein und kann die Verunreinigungskonzentration des Sperrschichtgebietes 1 durch Donator- niveaus gebildet werden. Auch ist es einleuchtend, dass Elektroden, die zum Anlegen einer Vorspannung über dem Sperrschichtgebiet 1 zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet 2 und 3 und zum Definieren in einer Halbleiteranordnung eines Stromweges dienen, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet 2 und 3 über das Sperrschichtgebiet 1 erstreckt, nicht direkt die Gebiete 2 und zu kontaktieren brauchen, sondern indirekt mit diesen Gebieten über weitere Halbleitergebiete oder sogar weitere Schaltungselemente der Anordnung verbunden werden können, je nach der besonderen Struktur der Anordnung.

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Leerseite

Claims

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PATENTANSPRUECHE:

f IJ llalblei teranordnung mit einem Halbleiterkörper mit einem ersten und einem zweiten Gebiet von einem ersten Leitungstyp, die durch ein Sperrschichtgebiet mit einer Netto-Aktivatorkonzentration vom entgegengesetzten Leitungstyp voneinander getrennt sind, und mit einem Stromweg in der Anordnung zwischen dem genannten ersten und dem genannten zweiten Gebiet über das genannte Sperrschichtgebiet, wobei der Stromdurchgang durch das genannte Sperrschichtgebiet durch Ladungsträger vom genannten ersten Leitungstyp erfolgt, und wobei das erste Gebiet eine höhere Dotierungskonzentration vom ersten Leitungstyp als das zweite Gebiet aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrschichtgebiet genügend dünn ist, damit die Erschöpfungsschichten, die bei Nullvorspannung mit dem genannten ersten sowie dem genannten zweiten Gebiet gebildet werden, in dem genannten Sperrschichtgebiet zusammenf Hessen, um bei Nullvorspannung nahezu das ganze Sperrschichtgebiet an beweglichen Ladungs.trägern vom ersten sowie vom entgegengesetzten Leitungstyp zu erschöpfen.

2. llalblei teranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrschichtgebiet ein Halbleitergebiet ist, das mit Aktivatoratomen vom genannten entgegengesetzten Leitungstyp dotiert ist.

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3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sperrschichtgebiet die Konzentration von Aktivatoren vom genannten entgegengesetzten Leitungstyp mindestens zwei Grössenordnungen höher als die Konzentration von Aktivatoren vom genannten ersten Leitungstyp ist.

h . Halbleiteranordnung nach einem der vors teilenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das träte Gebiet an eine Oberfläche des Halbleiterkörpers grenzt und durch das Sperrschichtgebiet von einem unterliegenden Ilalbleiterkörperteil getrennt wird, der zu dem zweiten Gebiet gehört.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das an die Oberfläche grenzende erste Gebiet seitlich von einer unerschöpften ringförmigen Zone vom genannten entgegengesetzten Leitungstyp begrenzt wird, die das genannte erste Gebiet seitlich von einem Teil des genannten zweiten Gebietes trennt und sich genügend tief in dem Körper erstreckt, um das genannte Sperrschichtgebiet zu schneiden.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die genannte unerschöpfte ringförmige Zone eine Dotierung aufweist, die von der des genannten Sperrschichtgebietes verschieden ist.

7- Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel,

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die den genannten Stromweg definieren, einen ersten Elektrodenanschluss, der das erste Gebiet kontaktiert, und einen zweiten Elektrodenanschluss mit dem zweiten Gebiet enthalten.

8. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, das zweite und das Sperrschichtgebiet zusammen eine Diode bilden, durch die der Stromfluss durch Majoritätsladungsträger erfolgt.

9· Halblei teranordnuiig nach einem der Ansprüche 1 bis 71 dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bildung einer Potentialsperre mit dem genannten ersten Gebiet vorhanden sind, und dass das genannte erste Gebiet das Basisgebiet eines Transistors bildet, wobei die Emitter-Basis- und die Basis-Kollektor-Sperren dieses Transistors durch die genannten Mittel und das genannte Sperrschichtgebiet gebildet werden und der Stromfluss durch den genannten Transistor durch Major'itätsladungsträger erfolgt, 10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel eine SChottky-Elektrode enthalten, die einen Teil des genannten ersten Gebietes kontaktiert und den Emitter des genannten Transistors bildet.

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11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration des genannten ersten Gebietes unter der genannten Schottky-Elektrode auf Abstand von der Oberfläche einen Höchstwert aufweist.

12. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9_t dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Gebiet vom genannten ersten Leitungstyp den Emitter des genannten Transistors bildet und von dem unterliegenden ersten Gebiet durch ein Sperrschichtgebiet getrennt wird, das die Emitter-Basis-Sperre bildet, wobei dieses Emitter-Basis-Sperrschichtgebiet ein Halbleitergebiet ist, das eine den genannten entgegengesetzten Leitungstyp bestimmende Verunreinigungskonzentration aufweist, die höher als die Dotierungskonzen tration vom genannten ersten Leitungstyp im genannten Sperrschichfcgebiet ist, so dass Potentialsperren für den Durchgang von Ladungsträgern vom ersten Leitungstyp von dem ersten sowie von dem dritten Gebiet erhalten und Erschöpfungsschichten bei Nullvorspannung mit dem ersten sowie mit dem dritten Gebiet gebildet werden, wobei das Emitter—Basis-Sperrschichtgebiet genügend dünn ist, damit die genannten.Erschöpfungsschichten, die bei Nullvorspannung mit dem ersten sowie dem dritten Gebiet gebildet werden, im genannten Sperrschichtgebiet zusammenfliessen, um bei Nullvorspannung nahezu das ganze genannte Sperr-

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PI^r13. J25'l2. 12.3.77.

schichtgebiet an beweglichen Ladungsträgern vom genannten ersten und vom genannten entgegengesetzten Leitungstyp zu erschöpfen.

13· Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Transistor eine Anzahl von Emitter-Basis-Sperren enthält, die mit dem genannten ersten Gebiet gebildet werden. 14. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte zweite Gebiet in der mit dem genannten Sperrschichtgebiet gebildeten Erschöpfungsschicht eine höhere Dotierungskonzentration als in dem unterliegenden Teil des genannten zweiten Gebietes aufweist.

15· Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte zweite Gebiet uin Teil einer epitaktischen Schicht vom ersten Leitungstyp ist, der auf einem stärker leitenden Substrat vom ersten Leitungstyp liegt, während eine ElekLrodenverbindung mit dem genannten zweiten Gebiet das genannte Substrat kontaktiert.

16. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte zweite Gebiet ein Teil einer epitaktischen Schicht vom ersten Leitungstyp ist, der auf einem Substrat vom ent£cn.-ngesetzten Leitungstyp liegt, während eine Elektrodenvorbindung

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PH3.

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mit dem genannten zweiten Gebiet die Oberfläche des genannten Schichtteils kontaktiert.

17« Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrschichtgebiet dadurch gebildet wird, dass in einen Halbleiterkörperteil vom ersten Leitungstyp durch eine Halbleiterkörperoberfläche Ionen einer Verunreinigung vom genannten entgegengesetzten Leitungstyp implantiert werden, wobei die Energie der implantierten Ionen derart gewählt wird, dass eine maximale Konzentration der genannten Verunreinigung auf einer Tiefe im genannten Körper auf Abstand von der genannten Oberfläche erhalten wird.

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