DE2756514A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Dr.-Ing. Reiman König · Dipl.-Ing. Klaus Bergen Cecilienallee 76 A Düsseldorf 3O Telefon 4SSOOB Patentanwälte

16. Dezember 1977 31 869 B

RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)

»Halbleiterbauelement*

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit zwei an dessen Oberfläche angrenzenden Bereichen entgegengesetzten Leitungstyps und mit einer auf der Oberfläche liegenden, mit den Bereichen kontaktierten leitenden Schicht.

Ein Hauptproblem herkömmlicher Halbleiterbauelemente, insbesondere Transistoren, welche fingerartig ineinandergreifende Basis-Emitter-Strukturen aufweisen, besteht darin, daß jeder Finger der ineinandergreifenden Bereiche auf einem anderen Spannungspotential arbeitet. Das bedeutet also, daß dort, wo sich eine Elektrode von einem Anschlußpol aus längs des Randes der Fingerteile erstreckt, ein beträchtlicher Spannungsabfall zwischen den nahe dem Anschlußpol und den weiter abliegenden Fingerteilen auftritt; der relative Abstand der Fingerteile vom Anschlußpol sei dabei längs der Elektrode gemessen. Dieselbe Situation liegt bei einer Elektroden-Konfiguration vor, bei der sich ein Leiterteil von einem Anschlußpol aus erstreckt und eine Vielzahl von leitenden Fingern aufweist, die direkt von dort aus in die Fingerteile des ineinandergreifenden Bereichs vorspringen. Solche Unterschiede in den Spannungswerten zwischen den Fingerteilen

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kann zur Instabilität des Halbleiterbauelementes führen.

Zusätzlich zu der unausgeglichenen Spannungsverteilung selbst werden die Elektrodenfinger, die näher an dem Anschlußpol liegen, gewöhnlich zu hoch vorgespannt, damit sichergestellt ist, daß die weiter wegliegenden Elektrodenfinger auf einer minimalen Betriebsspannung gehalten werden. Das bedeutet also, daß die näher an dem Anschlußpol liegenden Finger höher vorgespannt werden als das für eine einwandfreie Betriebsweise erforderlich wäre. Folglich fließt mehr Strom in die Fingerteile des ineinandergreifenden Bereichs, der näher an dem Anschlußpol liegt als in die weiter ab befindlichen Finger. Das führt zu einem übermäßigen Strom in den näher liegenden FingerteiLen und kann eine örtliche Überhitzung hervorrufen, durch welche das Bauelement beschädigt oder zerstört werden kann.

Bisherige Versuche zur Lösung dieser Probleme waren grundsätzlich darauf gerichtet, den Widerstand der Hauptleitung herabzusetzen, um dadurch die Differenz der unterschiedlichen Spannungsabfälle in den einzelnen Fingern zu vermindern. Eine solche Lösung besteht darin, die Leiterstrecken aus einem Material mit vergrößerter Leitfähigkeit herzustellen. Eine weitere Lösung war es, entweder die Dicke oder die Breite der Elektrode oder beides zu vergrößern.

Obwohl diese Lösungen zur Verminderung des Widerstandes der Leiter und damit der Unterschiede in den Spannungsabfällen zwischen den einzelnen Elektrodenfingern führten, blieb das grundsätzliche Problem bestehen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zu einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Gattung

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eine Elektroden-Konfiguration zu schaffen, bei der die Unterschiede in den Spannungsabfällen zwischen den einzelnen Elektrodenfingern im wesentlichen eliminiert sind. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die leitende Schicht aus einem ersten kammartigen Bereich mit einem ersten Steg und mit von dem Steg ausgehenden ersten Fingern und aus einer Verbindungsleitung mit einem im wesentlichen parallel zu dem ersten Steg verlaufenden Abschnitt besteht, und daß die Leitung den ersten Steg zwischen den Stegenden kontaktiert.

Dadurch wird erreicht, daß der maximale Spannungsabfall zwischen der Kontaktstelle des Kammrückens und dem entferntesten Finger von dieser Kontaktstelle beträchtlich kleiner ist als der Spannungsabfall, der auftreten würde, wenn der Kammrücken an einem seiner Enden kontaktiert wäre.

Anhand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen werden weitereEinzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 nicht maßstabgetreue Draufsichten auf Teile verschiedener Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Elektroden.

Fig. 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Halbleiterbauelement, dessen Halbleiterkörper 12 eine Oberfläche 14 besitzt.

An die Oberfläche 14 grenzt eine erste halbleitende Zone 16 an, die im folgenden als P-leitend beschrieben ist, aber ebenso gut N-leitend sein könnte, wenn der Leitungstyp der anderen im folgenden angegebenen Zonen ebenfalls geändert wird.

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Innerhalb der ersten Zone 16 und angrenzend an die Oberfläche 14 ist wenigstens eine zweite halbleitende Zone 18 des anderen Leitungstyps - also im Beispiel mit N-Leitung - vorgesehen. An der Grenzschicht zwischen der ersten Zone 16 und der zweiten Zone 18 ist ein PN-Übergang 20 gebildet. Vorzugsweise greifen die erste Zone 16 und die zweite Zone 18 fingerartig ineinander, obwohl auch andere Formen angewendet werden können, z. B. kann die zweite Zone 18 einen Oberflächenabschnitt in Form eines in der Zeichnung nicht dargestellten Gitters haben. Unter "fingerartig ineinandergreifen" ist zu verstehen, daß Finger der ersten Zone 16 mit entsprechenden Fingern der zweiten Zone 18 verflochten sind.

Eine Schicht 22 aus leitendem Material kontaktiert die erste Zone 16 elektrisch und bildet eine Elektrode. Vorzugsweise kontaktiert die Schicht 22 die erste Zone 16 nur an deren Fingerteilen, d. h. die leitende Schicht hält zur ersten Zone 16 mit Hilfe einer nicht gezeichneten Isolierschicht Abstand. Die Isolierschicht besitzt öffnungen, in denen die Fingerteile freigelegt sind, damit die Schicht 22 die erste Zone 16 durch diese Öffnungen hindurch kontaktieren kann. Die Schicht 22 besteht aus einem kammartigen Bereich 24 mit einem zweiendigen Kammsteg 26, welcher mit mehreren Fingern 28 versehen ist, die sich über die Fingerteile der ersten Zone 16 erstrecken. Der Aufbau der Schicht 22 enthält außerdem eine Verbindungsleitung 30 mit einem Teilstück oder Abschnitt 32, welches im wesentlichen parallel zum Steg 26 des kammartigen Bereiches 24 verläuft. Die Leitung 30 geht von einem Anschlußpol 34 aus und kontaktiert den Steg 26 des kammartigen Bereiches 24 an einer Stelle zwischen den Stegenden.

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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Finger 28 im wesentlichen symmetrisch längs des Stegs 26 mit Bezug auf die Kontaktstelle der Leitung 30 verteilt. Dadurch wird sichergestellt, daß der maximale Spannungsabfall zwischen der Kontaktstelle der Zuleitung 32 mit dem Steg 26 und dem am weitesten abgelegenen Finger 28 beträchtlich kleiner ist als der Spannungsabfall sein würde, wenn die Zuleitung 32 mit einem Ende des Stegs 26 kontaktiert wäre.

Das Maß des Unterschiedes zwischen dem Spannungsabfall bei dem vorliegenden AusfUhrungsbeispiel im Verhältnis zu einem nicht gezeichneten Aufbau, bei dem die Zuleitung den Kammrücken an einem von dessen Enden kontaktiert, wird durch die folgende Rechnung deutlich.

Der durchschnittliche Spannungsabfall (Δ V) einer leiten-

IR den Elektrode ist durch die allgemeine Formel A V = ^p gegeben. Darin bedeuten: I den Strom; und

R den Widerstand des Stegs.

Der Widerstand R kann angegeben werden als: R ₌ £ü^p Darin sind a die Länge des Weges, w die Breite des Weges und f der spezifische Flächenwiderstand des Materials des Stegs.

Bei einem nicht gezeichneten Elektrodenaufbau, bei dem die Zuleitung ein Ende des Stegs kontaktiert, ergibt sich also ein Spannungsabfall längs des Stegs von

f s*

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 haben der Strom und die Weglänge die Hälfte des Wertes wie bei

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dem obigen Aufbau, da die Kontaktstelle in der Mitte zwischen den Enden des Stegs 26 liegt und die Finger 28 symmetrisch dazu angeordnet sind.

Der entsprechende Spannungsabfall für eine Elektrode des vorliegenden Ausführungsbeispie^s gemäß Fig. 1 beträgt daher:

Ia

ns

Δ V_r = (^T/2) (^a/2) _ρ = i In = Ia J> = Ia /1 y* = (V₁ )/4.

^ά 2w ^s 2w -⁷S 8w ^x s 2w ^K%^)J s

2w ^s 2w * s 8w ^T s 2w ^N^'" s

Der Unterschied der Spannungsabfälle zwischen der Kontaktstelle der Zuleitung mit dem Steg und dem am weitesten entfernt gelegenen Finger ist daher beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel viermal kleiner als bei einem Aufbau, bei dem die Verbindungsleitung den Steg an einem seiner Enden kontaktiert.

Durch die erfindungsgemäße Lösung und die damit verbundene enorme Herabsetzung der Unterschiede im Spannungsabfall ergeben sich zahlreiche überraschende Vorteile. Da es in erster Linie Aufgabe jeder Ausbildung einer Elektrode ist, eine bestimmte Betriebsspannung an dem am weitesten von der Kontaktstelle mit der Verbindungsleitung entfernten Finger 28 zu gewährleisten, ist zunächst ersichtlich, daß bei der erfindungsgemäßen Ausbildung das Potential an der Kontaktstelle zwischen der Leitung und dem Steg 26 wegen des verminderten Spannungsabfalls zu den Fingern 28 beträchtlich kleiner sein kann, als das bisher bei Kontaktierung der Leitung 30 an einem Ende des Stegs 26 der Fall war. Da der maximale Spannungsabfall längs des Stegs 26 erfindungsgemäß reduziert ist, können die" Abmessungen der Leitung 30 verglichen mit de-

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neu einer Leitung, die ein Ende des Stegs kontaktiert, vermindert werden. Während eine Verkleinerung der Abmessungen den Widerstand der Leitung 30 vergrößert, kann der Oberflächenbereich des gesamten Bauelements jedoch reduziert werden. Das ist ein wichtiger Gesichtspunkt, da die Flächenmaße eines Chips in der Technologie der Halbleiterbauelemente gewöhnlich ein entscheidendes Kriterium ist.

Neben dem Spannungsabfall zwischen der Kontaktstelle der Verbindungsleitung und den davon entferntesten Fingern spielt bei der Konstruktion eines Elektrodenaufbaus auch der Spannungsabfall zwischen benachbarten Fingern eine Rolle. Eine Verminderung des Spannungsabfalls zwischen benachbarten Fingern kann durch ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel erreicht werden. Ein solcher Aufbau ist in Fig. 2 dargestellt.

Das Bauelement 40 gemäß Fig. 2 entspricht dem Bauelement 10 gemäß Fig. 1 insoweit, als es einen Halbleiterkörper 42 mit einer Oberfläche 44 aufweist.

Innerhalb des Halbleiterkörpers 42 und angrenzend an dessen Oberfläche 44 befindet sich eine erste Zone 46 des einen Leitungstyps. Eine zweite Zone 48 des anderen Leitungstyps liegt innerhalb der ersten Zone 46 und grenzt an die Oberfläche 44 an. Vorzugsweise greifen die erste Zone 46 und die zweite Zone 48 fingerartig ineinander. An der Grenzfläche zwischen der ersten Zone 46 und der zweiten Zone 48 wird ein PN-Übergang 50 gebildet.

Eine Schicht 52 aus leitendem Material kontaktiert elektrisch die erste Zone 46 und bildet eine Elektrode. Die Schicht 52 bildet einen kammartigen Bereich 54, zu dem

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ein Steg 56 und mehrere Finger 58 gehören, die sich über Bereiche der ersten Zone 46 erstrecken. In diesem Ausführungsbeispiel hat der Steg an einem seiner Enden 56 einen vergleichsweise breiten Bereich 59 und einen vergleichsweise engen Bereich 60 an dem anderen Ende. Die leitende Schicht 52 bildet außerdem eine Verbindungsleitung 62, zu der ein Abschnitt 64 gehört, der im wesentlichen parallel zum Steg 56 liegt. Die Leitung 62 geht von einem Anschlußpol 66 aus und kontaktiert den Steg 56 des kammartigen Bereiches 54 an einem Punkt A, der zwischen den Stegenden liegt. Vorzugsweise ist der Punkt A asymmetrisch mit Bezug auf die Finger 58 angeordnet, d.h. die Leitung 62 kontaktiert den Kammrücken 56 mehr in der Nähe seines vergleichsweise schmaleren Endes.

Mit ähnlichen Berechnungen, wie sie oben angegeben worden sind, können die Ausdehnung des vergleichsweise breiteren Bereichs 59 und die Lage des Kontaktpunktes A so bestimmt werden, daß die Spannungsabfälle zwischen dem Punkt A und jedem Ende des Stegs 56 gleich sind. Da der Widerstand des vergleichsweise breiteren Bereichs 59 kleiner ist als der des vergleichsweise schmaleren Bereichs 60, liegt der Punkt A näher dem Ende des Stegs 56 mit dem vergleichsweise schmaleren Bereich 60. Durch diese Anordnung wird der Spannungsabfall zwischen benachbarten Fingern 58 längs des schmaleren Bereichs 60 vermindert, weil dort wegen der asymmetrischen Lage des Punktes A ein größeres Spannungspotential näher dem Ende des schmaleren Bereiches 60 besteht. Wegen des kleineren Widerstandes des vergleichsweise breiteren Bereichs 59 ist ferner auch der Spannungsabfall zwischen benachbarten Fingern 58 in diesem Bereich vermindert. Der Aufbau der leitenden Schicht 52 nach diesem Ausführungsbeispiel

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reduziert also nicht nur den Spannungsabfall zwischen der Kontaktstelle A der Zuleitung 62 und den entferntesten Fingern 58, sondern auch den Spannungsabfall zwischen benachbarten Fingern. Im Ergebnis sind die Finger 58 bei Betrieb des Bauelementes 40 im wesentlichen alle auf demselben Potential.

Zum Bauelement 10 gemäß Fig. 1 wird festgestellt, daß mit der Zahl der vom Steg 26 ausgehenden Finger 28 das Bedürfnis nach noch weiterem Ausgleich des Spannungsabfalls ebenfalls stärker wird. Diese Forderung kann im wesentlichen durch den Aufbau gemäß Fig. 3 erfüllt werden. Das Bauelement 68 gemäß Fig. 3 besteht aus einem Halbleiterkörper 70 mit einer Oberfläche 72 sowie ferner einer ersten Zone 74 mit einem ersten Leixtungstyp innerhalb des Halbleiterkörpers 70 und angrenzend an dessen Oberfläche 72.

Innerhalb der ersten Zone 74 und angrenzend an die Oberfläche 72 ist eine zweite Zone 76 des anderen Leitungstyps vorgesehen. Vorzugsweise greifen die erste Zone 74 und die zweite Zone 76 fingerartig ineinander. Ein ineinandergreifender PN-Übergang 78 besteht an der Grenzfläche zwischen der ersten Zone 74 und der zweiten Zone 76.

Eine Schicht 80 aus leitendem Material liegt über der ersten Zone 74 und kontaktiert diese elektrisch. Der Aufbau der leitenden Schicht 80 umfaßt einen ersten kammartigen Bereich 82 und eine Verbindungsleitung 84. Der erste kammartige Bereich 82 weist einen Steg 86 auf, von dem aus sich mehrere Finger 88 erstrecken. In diesem Ausführungsbeispiel sind Finger 88 längs dem ersten Steg 86 im wesentlichen gleichverteilt.

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Ein zweiter kammartiger Bereich 90, der vorzugsweise mit Abstand von und im wesentlichen parallel zu dem ersten kammartigen Bereich 82 liegt, besteht aus einem zweiten Steg 92 und mehreren vom Steg ausgehenden Fingern 94. Der zweite Steg 92 ist durch die Finger 88 des ersten Stegs 86 kontaktiert. In diesem Ausführungsbeispiel sind die vorgenannten Kontakte im wesentlichen symmetrisch längs dem zweiten Steg 92 verteilt.

Die Leitung 84 weist einen Abschnitt 96 auf, der im wesentlichen sowohl parallel zum ersten Steg 86 als auch zum zweiten Steg 92 verläuft. Die Leitung 84 führt von dem Anschlußpol 98 zu dem ersten kammartigen Bereich und kontaktiert diesen in der Mitte zwischen den Enden des ersten Stegs 86.

Funktionsmäßig kann dieses Ausführungsbeispiel als ein Paar der anhand des Bauelements 10 beschriebenen Elektroden in Kaskadenschaltung angesehen werden. Das bedeutet, daß der erste kammartige Bereich 82 als Nebeneinspeisung wirkt, wobei jeder Finger 88 als Zuleitung den zweiten kammartigen Bereich 90 kontaktiert. Wie oben erläutert, sind die Spannungsabfälle zwischen dem Zuleitungsteil 84 und jedem Finger 88 im wesentlichen gleich. Weil nun die Finger 88 den zweiten Kammrücken 92 in im wesentlichen symmetrischer Weise kontaktieren, sind die Spannungsabfälle zwischen jedem Finger 88 und jedem Finger 94 im wesentlichen gleich. Die Spannungsabfälle zwischen der Zuleitung 84 und jedem der Finger 94 sind demgemäß ebenfalls im wesentlichen gleich. Dieses Kaskadenprinzip kann auch im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 verwendet werden.

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Die leitenden Schichten 22, 52 und 80 können z.B. aus Gold, Nickel-Blei oder ähnlichem bestehen. Die erfindungsgemäßen Konfigurationen können mit Hilfe bekannter Methoden, z.B. photolithographischen Techniken hergestellt werden.

Obwohl zuvor Bauelemente mit ineinandergreifenden Zonen beschrjöDen wurden, sind die Elektrodenausbildungen ebenfalls auf Bauelemente mit einer Vielzahl einzelner Oberflächenbereiche, die mit einer einzigen Elektrode zu kontaktieren sind, anwendbar.

Die erfindungsgemäßen Bauelemente 10, 40 und 68 weisen erheblich verminderte Spannungsabfälle zwischen den Fingern 28, 58 und 94 der Elektroden auf, es gibt daher kaum Anlaß, irgendeinen der Finger 28, 58 oder 94 zu hoch vorzuspannen. Demgemäß besteht kaum Gefahr, daß örtliche Uberhitzungen infolge von durch ungleichmäßige Spannungsverteilung bedingten, übermäßigen Strömen die Bauelemente 10, 40 oder 68 beschädigen.

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Claims (6)

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.) Patentansprüche:

1.)Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit zwei an dessen Oberfläche angrenzenden Bereichen entgegengesetzten Leitungstyps und mit einer auf der Oberfläche liegenden, mit den Bereichen kontaktierten leitenden Schicht, dadurch gekennzeichnet , daß die leitende Schicht (22) aus einem ersten kammartigen Bereich (24) mit einem ersten Steg (26) und mit von dem Steg (26) ausgehenden ersten Fingern (28) und aus einer Verbindungsleitung (30) mit einem im wesentlichen parallel zu dem ersten Steg (26) verlaufenden Abschnitt (32) besteht, und daß die Leitung (30) den ersten Steg (26) zwischen den Stegenden kontaktiert.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Finger ^28) längs des Steges (26) im wesentlichen gleichverteilt angeordnet sind und daß die Leitung (30) mit dem Steg (26) an einem in bezug auf die LängserStreckung des Steges im wesentlichen symmetrisch liegenden Punkt kontaktiert ist (Fig. 1).

3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Steg (56) an einem seiner Enden einen vergleichsweise schmaleren Bereich (60) und am anderen Ende einen vergleichs-

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weise breiteren Bereich (59) aufweist und daß die Leitung (62) den ersten Steg (56) an einer näher an dem ersten Ende liegenden Stelle (A) kontaktiert (Fig. 2).

4. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweiter kammartiger Bereich (90) mit einem zweiten Steg (92) und einer zweiten Schar von von dem zweiten Steg (92) ausgehenden Fingern (94) vorgesehen ist und daß der zweite Steg (92) durch die ersten Finger (88) kontaktiert ist (Fig. 3)

5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Schar von Fingern (94) längs des zweiten Stegs (92) im wesentlichen gleichverteilt ist.

6. Bauelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Steg (92) im wesentlichen parallel und mit Abstand zum ersten Steg (86) angeordnet ist.

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