DE2822166C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement ent­ sprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Halbleiterbauelement dieser Art ist aus der JP-OS 52-61 968 bekannt.

Transistoren mit einer aufgeteilten Emitterkonfiguration werden gewöhnlich für hohe Leistungen verwendet. Bekanntlich wird in Bipolartransistoren, bei größeren Strömen, der größte Teil des Emitterstroms in die Basis über jene Teile des Emitter-Basis- Übergangs injiziert, die dem Basiskontakt am nächsten liegen. Teile des Emitter-Basis-Übergangs, die weiter von dem Basiskon­ takt entfernt sind, sind infolge von Spannungsverlusten in der Basis nicht oder nahezu nicht effektiv. Dadurch, daß der Emitter aufgeteilt wird, kann dem Basiskontakt eine derartige Konfigura­ tion gegeben werden, daß ein Emitter-Basis-Übergang mit einer auch bei größeren Strömen verhältnismäßig großen emittierenden Oberfläche erhal­ ten wird. Der Basiskontakt kann dabei z. B. in Form einer Anzahl von Basiskontaktfingern ausgebildet werden, die zwischen den Emitterfingern liegen.

Leistungstransistoren dieser Art sind oft mit Widerständen in der Emitter- oder Basisstrecke versehen, um einen sogenannten Durchbruch der zweiten Art zu vermeiden. Dieser Effekt, der meistens als "Second breakdown" bezeichnet wird, kann infolge einer örtlichen Temperaturerhöhung des Emitter-Basis- Übergangs auftreten. An der Stelle, an der eine der­ artige, sogar geringe Temperaturerhöhung auftritt, wird der Emitterstrom über dem Emitter-Basis-Übergang zunehmen. Dies ergibt eine örtliche Zunahme der Ver­ lustleistung und damit eine weitere Temperaturzunahme. Auf diese Weise kann ein Lawineneffekt entstehen, der einen Durchbruch ergibt, der die Zerstörung des Transistors zur Folge haben kann. Indem nun z. B. in der Emitterstrecke des Transistors Widerstände (die mit dem Emitterfingern verbunden sind) angeordnet wer­ den, wird erreicht, daß bei einer etwaigen örtlichen Temperaturerhöhung und der damit in erster Linie ein­ hergehenden Stromzunahme die Vorwärtsspannung über dem Emitter-Basis-Übergang des betreffenden Emitterfingers und damit der Emitterstrom über diesem Emitter-Basis- Übergang herabgesetzt wird.

Um eine möglichst gute Sicherung gegen "Se­ con breakdown" für den ganzen Wirkungsbereich des Transistors zu erhalten, sind verhältnismäßig große Widerstände erforderlich. Oft sind aber die Betriebs­ bedingungen derart, daß viel niedrigere Widerstandswerte genügen können, z. B. wenn der Strom groß und damit der Spannungsabfall über dem Wider­ stand niedrig ist. Im allgemeinen läßt sich daher sa­ gen, daß, weil die Widerstandswerte der genannten Reihenwiderstände im Hinblick auf bestimmte Betriebsbedingungen des Transistors gewählt werden, dieses Ver­ fahren keine optimale Funktion des Transistors unter anderen Betriebsbedingungen gewährleisten kann.

Es hat sich herausgestellt, daß eine wich­ tige Ursache von "Second breakdown" in der ungleich­ mäßigen Temperaturverteilung liegt, die beim Betrieb in dem Halbleiterkörper auftritt. Messungen haben ergeben, daß die Temperatur am Rande des Tran­ sistors niedriger als in der Mitte ist. Dadurch wird im allgemeinen "Second breakdown" eher in der Mitte als am Rande des Transistors auftreten.

Aus der bereits obengenannten JP-OS 52-61 968 ist ein Transi­ stor bekannt bei dem zur Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Tempe­ raturverteilung die Emitterfinger in der Mitte des Transistors kürzer sind als die Emitterfinger an den Seiten des Transistors. Die Basiszone in diesem bekannten Transistor weist die Form eines geschlossenes Rechtecks auf, die mit den Emitterfingern und den dazwischenliegenden Basiskontaktfingern versehen ist. Ein solcher Aufbau erfordert jedoch Platz, d. h. daß der Transistor um einen bestimmten Strom liefern zu können, zusätzlich vergrößert werden muß. Im Allgemeinen, insbesondere wenn der Transistor einen Teil einer integrierten Schaltung bildet, ist es aber wünschenswert, die Abmessungen des Transistors möglichst klein zu halten. Außer­ dem können, wenn der Transistor Teil einer integrierten Schaltung ist, die Kollektorkontakte nur am Rand der Basiszone angebracht werden, was oft einen zu hohen Kollektorreihenwiderstand zur Fol­ ge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistor der gattungsgemäßen Art, insbesondere für eine integrierte Schaltung so auszubilden, daß er geringe Abmessungen und einen niedri­ gen Kollektorreihenwiderstand aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Aufgrund der Tatsache, daß bei dem erfindungsgemäß ausgestalteten Halbleiter­ bauelement der Kollektorstrom nur einen verhältnismäßig kleinen Weg zurückzulegen braucht, kann der Kollektorreihenwiderstand verhältnismäßig niedrig gehalten werden.

Dadurch, daß die Teilzonen der Basis verschiedene Längen aufweisen, wird erreicht, daß der durch den Transistor benötigte Platz nicht vergrößert wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil eines Halbleiterbauelements nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Bauelement längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Bauelement längs der Linie III-III in Fig. 1, und

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines zweiten Ausführungsbeispiels der Er­ findung.

Es sei bemerkt, daß die Figuren nur schematisch dargestellt und nicht maßstäblich gezeichnet sind. Außerdem sind in Fig. 1 der Deutlichkeit halber Passivierungsschichten auf der Oberfläche des Halb­ leiterkörpers nicht dargestellt.

Die Figuren zeigen einen Leistungstransi­ stor, der einen Teil einer monolithischen integrierten Schaltung bilden kann. Diese Schaltung, die weiter in der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann z. B. aus einer Verstärkervorrichtung bestehen, wobei der betref­ fende Transistor zu der Ausgangsstufe des Verstärkers gehört.

Die Anordnung enthält einen Halbleiterkörper 1 einer für übliche integrierte Schaltungen gebräuch­ lichen Form mit einem p-leitenden Siliziumsubstrat 2 und einer darauf niedergeschlagenen epitaktischen Sili­ ziumschicht 3. Die Oberfläche 4 des Körpers 1 ist mit einer isolierenden Passivierungsschicht 9 überzogen, die meist aus Siliziumoxid besteht und mit Löchern an Stellen versehen ist, an denen der Körper 1 oder Teile desselben kontaktiert werden müssen.

Der Transistor enthält eine n-leitende an die Oberfläche 4 des Körpers 1 grenzende Emitterzone, eine ebenfalls an die Oberfläche grenzende p-leitende Basiszone und eine im vorliegenden Falle gleichfalls an die Oberfläche 4 grenzende n-leitende Kollektorzone 7. Die Kollektorzone 7 enthält einen Teil der epitaktischen Schicht 3, eine zwischen der epitaktischen Schicht 3 und dem Substrat 2 gebildete niederohmige vergrabene n-leitende Kollektorzone 8 und von der Oberfläche 2 bis in die vergrabene Schicht 8 reichende n-leitende Kollektorkontaktzonen 17.

Zum Erhalten einer möglichst großen emit­ tierenden Oberfläche ist die Emitterzone in eine Reihe fingerförmiger Gebiete aufgeteilt, die nachstehend als Emitterfinger bezeichnet werden. Diese Emitter­ finger, die zur Unterscheidung mit den Buchstaben a, b, c, d usw., angedeutet sind, erstrecken sich parallel zueinander.

Wie aus der Draufsicht nach Fig. 1 hervor­ geht, sind die Emitterfinger nicht, wie üblich, alle etwa gleich lang, sondern weisen verschiedene Längen auf. Wie nachstehend noch näher erläutert wird, wird mit dieser be­ sonderen Emitterkonfiguration und mit der damit ein­ hergehenden nichtgleichmäßigen Stromverteilung eine im Vergleich zu dem Fall, in dem die Emitterfinger gleich lang wären, gleichmäßigere Temperaturverteilung im Transistor beim Betrieb erhalten.

In einem solchen Transistor wird der Wirkungsbereich, innerhalb dessen der Transistor ohne Durchbruch betrieben werden kann (SOAR = safe operating area) auf sehr einfache und, wie Versuche ergeben haben, sehr zweckmäßige Weise vergrößert.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, nimmt die Länge der Emitterfinger 5 a-5 i vom Rand des Transi­ stors auf der linken und der rechten Seite der Figur zur Mitte des Transistors in der Mitte der Figur allmählich ab. In den meisten Fällen, in denen die Tempe­ raturverteilung im Halbleiterkörper bestimmt ist durch die Verlustleistung im Transistor ist diese Ausgestaltung günstig.

Um einen niedrigen Kollektor­ reihenwiderstand zu erhalten, ist die Basiszone oder wenigstens der wirksame oder eigenleitende Teil der Basiszone in eine Anzahl von Teilzonen aufgeteilt. Um diese Teilzonen von­ einander unterscheiden zu können, sind die einzelnen Teilzonen von links nach rechts in Fig. 1 und 2 mit den Buchstaben a, b, c, d usw. versehen. In jeder Teilzone 6 a, 6 b, 6 c usw. liegt nur ein einziger Emitterfinger 5 a, 5 b, 5 c usw. Die Emitterfinger können aber auch auf andere Weise über die verschiedenen Basisteilzonen 6 a, b, c usw. verteilt sein, z. B. zwei Emitterfinger pro Basisteilzone.

Die Basisteilzonen sind mit Basiskontaktfingern 10 aus einem ge­ eigneten Metall, z. B. Aluminium, oder aus einer Kom­ bination von Metallen, versehen, die auf den Basis­ teilzonen 6 a-6 i durch in der Oxidschicht 9 gebil­ dete Kontaktfenster angebracht sind. Die Basiskontakt­ finger 10 erstrecken sich parallel zu den Emitterfingern über die Oberfläche 4 des Körpers 1 und sind miteinander durch einen gemeinsamen Basisanschluß 11 aus demselben Metall oder denselben Metallen wie die Basiskontakt­ finger 10 verbunden. Da zur Vermeidung von "Second breakdown" keine Basisreihenwiderstände erforderlich sind, können die Basiskontaktfinger 10 leitend mit dem gemeinsamen Kontakt 11 verbunden werden. Diese niederohmige Verbindung wird durch sogenannte Tunnel gebildet, die aus in der Kollektorzone 7 angebrachten und an die Basisteilzonen 6 a, b, c usw. grenzenden p-leitenden Zonen 12 und n-leitenden Oberflächen 13, die in den Zonen 12 liegend und dadurch gegen die n-leitende Kol­ lektorzone isoliert sind, bestehen. Die Zonen 12 und 13 können während der Her­ stellung des Bauelements zugleich mit der Basiszone bzw. der Emitterzone angebracht werden. In dem Ausführungsbei­ spiel wird jede Teilzone 6 a-6 i der Basiszone über einen eigenen Tunnel 12, 13 mit dem gemeinsamen Basisanschluß 11 verbunden. Diese Konfiguration weist u. a. den Vorteil auf, daß Streukapazitäten insbeson­ dere zwischen der Basiszone und der Kollektorzone des Transi­ stors verhältnismäßig niedrig gehalten werden können. In jenen Fällen, in denen weniger strenge Anforderungen in be­ zug auf Streukapazitäten gestellt werden, können die Zonen 12, 13 auch als zusammenhängendes Gebiet ausgebildet werden. Die pn-Übergänge zwischen den Zonen 12 und 13 sind wenigstens auf der Basis­ kontaktseite, im vorliegenden Ausführungsbeispiel aber auch auf der anderen Seite, und zwar durch den gemeinsamen Basisanschluß 11 und durch die Basiskontakt­ finger 10, kurzgeschlossen, die an der Stelle dieses Kurzschlusses mit lateral hervorragenden Teilen 14 versehen sind, wie in Fig. 1 dargestellt ist.

Die Kollektorzone 7, 8 ist mit einem Kollektor­ kontakt 15 über eine Anzahl von Kollektorkontaktfingern 16 verbunden, die mit den Teilen 17 der Kollektorzone, die zwischen den Basisteilzonen 6 a, b, c usw. liegen, kontaktiert sind und sich zwischen den Emitterfingern 5 a-5 i und den Basiskontaktfingern 10 erstrecken. An den Stellen der Kontakte zwischen den Kollektorkontaktfingern 16 und der Kollektorzone 7, 8 sind, wie üblich, hochdotierte n-leitende Kontaktzonen 17 angebracht.

Die Basis- und Kollektorkontakte (10, 11; 15, 16) sind in der Draufsicht nach Fig. 1 mit ge­ strichelten Linien angegeben. Die Stellen, an denen der gemeinsame Basiskontakt 11 mit dem Tunnel 12, 13 kontaktiert ist, sind in Fig. 1 mit x bezeich­ net.

In der dargestellten Konfiguration ist jeder Emitterfinger 5 a-5 i zwi­ schen einem Basiskontaktfinger 10 und einem Kollektor­ kontaktfinger 16 gelegen. Die Emitterzone ist mit einem Emitterkontakt 18 versehen, der in Fig. 1 nur teilweise und durch strichpunktierte Linien angegeben ist. Der Kontakt 18 enthält eine Anzahl von Emitterkontakt­ fingern 19, die zwischen den Basiskon­ taktfingern 10 und den Kollektorkontaktfingern 17 liegen. Die Finger 19 sind asymmetrisch zu den Emit­ terfingern 5 a-5 i angeordnet, und zwar an dem Rand der Emitterfinger, der am weitesten von den zugehörigen Basiskontaktfingern 10 entfernt ist. Dadurch, daß wenigstens bei größeren Strömen praktisch nur der­ jenige Teil jedes Emitterfingers 5 a-5 i, der dem benach­ barten Basiskontaktfinger am nächsten liegt, Elektronen in die Basis injiziert, liefert der Innenwiderstand in den Emitterfingern infolge der asymmetrischen Lage der Emitterkontaktfinger 19 einen Beitrag zu der Gleichmäßigkeit der Stromverteilung in der Längs­ richtung der Emitterfinger.

Wie weiter aus Fig. 1 ersichtlich ist, weisen außer den Emitterfingern 5 a-5 i auch die Basisteilzonen 6 a, b, c usw. verschiedene Längen auf. Die Mitten der Emitterfinger 5 a, b, c usw. fallen mit der Linie II-II in Fig. 1 zusammen. Eine der­ artige symmetrische Konfiguration ist in thermischer Hinsicht vorteilhaft, weil gewöhnlich die Temperaturver­ teilung in dem Halbleiterkörper bei einer symmetrischen Konfiguration eine größere Gleichmäßigkeit als bei einer asymmetrischen Konfiguration aufweist.

Der Teil des Halbleiterkörpers 1, der neben der Mitte des Transistors, in der die Emitterfinger 5 a-5 i und die Basisteilzonen 6 a-6 i am kürzesten sind, gelegen ist, kann z. B. für Leiterbahnen verwendet werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die­ ser Teil des Halbleiterkörpers 1 zum Anbringen einer Kontaktfläche 20 zum Anschließen eines äußeren Anschlußleiters 21 benutzt. Die Kontaktfläche 20 liegt über einen Teil 22 der epitaktischen Schicht 3, der durch eine p-leitende Isolierzone 23 von der Insel, in der der Transistor liegt, getrennt ist. In dem Teil 22 der epitaktischen Schicht 3 können gegebenen­ falls weitere Schaltungselemente oder Teile derselben angebracht werden. Die Kontaktfläche 20 ist, wie in Fig. 3 dargestellt ist, von der epitaktischen Schicht 3 durch die Oxidschicht 9 getrennt.

Der beschriebene Transistor kann mit Hilfe allgemein be­ kannter Techniken hergestellt werden, die hier nicht näher erläutert werden.

Die gegenseitigen Verhältnisse zwischen den Längen der Emitterfinger hängen insbe­ sondere von dem Wärmewiderstand zwischen den verschie­ denen Emitterfingern und daher von den Abständen zwi­ schen den Emitterfingern ab. In einer praktischen Ausführungsform war der größte gegenseitige Abstand der Emitterfinger etwa 140 µm und der kleinste Abstand etwa 100 µm. Es stellte sich heraus, daß günstige Er­ gebnisse erzielt werden konnten, wenn die Emitter­ finger 5 a-5 e Längen von etwa 450 µm, 400 µm, 350 µm, 300 µm bzw. 250 µm aufwiesen. Wenn die Abstände zwischen den Emitterfingern größer wer­ den, können die Unterschiede zwischen den Längen der Emitterfinger kleiner werden. Wenn dagegen die Ab­ stände zwischen den Emitterfingern kleiner werden, z. B. wenn die Kollektorzone nur am Rande des Transistors und nicht durch die Kollektorkontakt­ finger 16 kontaktiert ist, müssen die Unterschiede zwischen den Längen der Emitterfinger größer gemacht werden.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines Transistors nach der Erfindung, der für kleinere Leistungen als der Transistor nach dem ersten Ausführungsbeispiel dient und daher nur sechs Emitterfinger 5 a-5 f enthält. Es sei bemerkt, daß in der Draufsicht nach Fig. 4 lediglich der Deutlichkeit halber die Emit­ terfinger dargestellt sind. Die gegenseitigen Abstände der Emit­ terfinger 5 a-5 f betragen in diesem Falle abwechselnd etwa 104 und 138 µm. Es stellt sich heraus, daß dabei günstige Ergebnisse bei Längen der Emitterfinger 5 a- 5 f von 450, 380, 300, 300, 380 bzw. 450 µm erzielt werden konnten.

Abwandlungen von den hier gegebenen Ausführungsbeispielen sind möglich. So können die Emitterfinger selbst auch noch in eine Anzahl durch zwischenliegende Teile der Basisteilzonen voneinander ge­ trennte Teile aufgeteilt sein. Eine derartige Auftei­ lung des Emitters kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Länge der Emitterfinger groß, z. B. größer als 500 µm ist. Weiter können die Leitungstypen der verschiedenen Gebiete umgekehrt werden. Statt der ge­ nannten Materialien, z. B. für die Metallisierung, kön­ nen auch andere Materialien mit Vorteil angewendet werden. Statt der Basiskontaktfinger 10, die über Tunnel 12, 13 mit dem gemeinsamen Basisanschluß 11 verbunden sind, kann auch ein Basiskontakt in Form eines einzigen Leiterstreifens, der sich mäander­ förmig zwischen den Emitterkontaktfingern 19 und den Kollektorkontaktfingern 16 erstreckt, verwendet werden.

Claims (8)

1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1) mit einem Transistor mit einer an eine Oberfläche (4) grenzen­ den Emitterzone von einem ersten Leitungstyp, einer an die Oberfläche grenzenden Basiszone von einem zweiten Leitungstyp und einer an die Basiszone grenzenden Kollektor­ zone (7) vom ersten Leitungstyp, bei dem die Emitterzone im wesentlichen aus einer Reihe fingerförmiger Emitterteilzonen (5 a bis 5 i) - im folgenden als Emitterfinger bezeichnet - besteht, die sich mit ihrer Längsausdehnung parallel zueinander und senkrecht zu der Richtung der Reihe der Emitterfinger erstrecken, bei dem die Emitterfinger verschiedene Längen in einer Anordnung aufweisen, bei der in der Richtung der Reihe der Emitterfinger eine ungleiche, die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in dem Halb­ leiterkörper erhöhende Verteilung der Verlustleistung er­ halten wird, und bei dem die Basiszone von einer Anzahl von Basis­ kontaktfingern (10) kontaktiert ist, die auf der Basiszone angebracht sind und sich parallel zu den Emitter­ fingern und zwischen diesen auf der Oberfläche des Halblei­ terkörpers erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone aus einer Anzahl von Teilzonen (6 a bis 6 i) besteht, die ebenfalls verschiedene Längen aufweisen und die vonein­ ander durch zwischenliegende an die Oberfläche grenzende Teile (17) der Kollektorzone getrennt sind und je mindestens einen Emitterfinger enthalten, wobei die Basisteilzonen mit einer Anzahl von Kontaktfingern (10) versehen sind, die auf den Teilzonen angebracht sind und sich parallel zu den Emitterfingern über die Ober­ fläche des Halbleiterkörpers erstrecken, während die Kollektorzone mit einer Anzahl von Kollektorkon­ taktfingern (16) versehen ist, die auf den zwischen den Basisteilzonen liegenden Teilen der Kollektorzone angebracht sind und sich parallel zu den Emitterfingern und den Basis­ kontaktfingern über die Oberfläche des Halbleiterkörpers erstrecken.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Emitterfinger (5 a bis 5 i) vom Rand des Transistors zur Mitte des Transistors hin abnimmt.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterfinger (5 a bis 5 i) je zwischen einem Kollektorkontaktfinger (16) und einem Ba­ siskontaktfinger (10) liegen, und daß die Emitterfinger mit je einem Emitterkontakt­ fingern (19) versehen sind, der an dem Rand der Emitter­ finger angebracht ist, der am weitesten von dem zugehöri­ gen Basiskontaktfinger (10) entfernt ist.

4. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Basisteilzone (6 a bis 6 i) nur einen einzigen Emitterfinger (5 a bis 5 i) enthält.

5. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiskontaktfinger (10) leitend mit ei­ nem gemeinsamen Basisanschluß (11) verbunden sind.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Basis­ anschluß (11) mit jeder der Basisteilzonen (5 a bis 6 i) über eine in der Kollektorzone angebrachte Ver­ bindung verbunden ist, die durch eine erste Teilzone (12), vom zweiten Leitungstyp, die an eine zugehörige Basisteilzone grenzt, und durch eine zweite Teil­ zone (13) vom ersten Leitungstyp gebildet wird, die durch die erste Teilzone von der Kollektorzone getrennt ist.

7. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitten der Emitterfinger (5 a bis 5 i) auf einer geraden Linie liegen, die sich in der Längs­ richtung der Reihe der Emitter­ finger erstreckt.

8. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Emitter-, Basis- und Kollektorzonen mit einer Kontaktfläche (20) zum Anschließen eines äußeren Anschlußleiters (21) verbunden ist, wobei diese Kontaktfläche direkt neben den in der Mitte des Transistors vorhandenen kürzesten Emitterfingern (5 e) liegt.