DE3027599A1

DE3027599A1 - Transistor mit heissen ladungstraegern

Info

Publication number: DE3027599A1
Application number: DE19803027599
Authority: DE
Inventors: John Martin Shannon
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-08-08
Filing date: 1980-07-21
Publication date: 1981-02-26
Also published as: NL186126C; GB2056166B; IE801633L; FR2463511A1; IT1132331B; GB2056166A; ES494024A0; IT8024018A0; AU6107680A; AU536182B2; CA1157961A; ES8104639A1; US4862238A; FR2463511B1; NL8004470A; IE50185B1; DE3027599C2

Description

η. V. Philips; Ο:ο3ίί3ίηρ2πίώ;]:hn, FlndhoYeii... _ „;.„ 3027533

PHB.3267Ο K *^-3 1.7.80

"Transistor mit heissen Ladungsträgern"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistor mit einem Halbleiterkörper, der eine Basiszone von einem ersten Leitungstyp, in der Stromdurchgang durch heisse Majoritätsladungsträger stattfindet, und sperrschicht-

" bildende Mittel enthält, die mit der genannten Basiszone Emitter—Basis— und Basis—Kollektor—Sperrschichten bilden, während die genannten Mittel zur Bildung der Emitter— Basis-Sperrschicht eine Sperrzone mit einer Dotierungskonzentration von einem den zweiten, entgegengesetzten

Ό Leitungstyp bestimmenden Dotierungsstoff enthalten.

Ein derartiger Transistor ist aus der US-PS 4.149.17^· bekannt. Ein derartiger Transistor kann als ein "Transistor mit heissen Elektronen" oder als ein "Transistor mit heissen Löchern" bezeichnet werden, abhängig von der Tatsache, ob die heisse Majoritätsladungsträger Elektronen oder Löcher sind. < ■

Ein "heisser" Ladungsträger ist ein Ladungsträger, der nicht mit dem Kristallgitter in thermischem Gleichgewicht ist. So weisen heisse Elektronen Energien auf, die mehr als einige kT oberhalb der Leitungsbandgrenze liegen (wobei k und T die Boltzmann-Konstante bzw. die Gitter-Temperatur darstellen), während heisse Löcher Energien aufweisen, die mehr als einige kT unterhalb der Valenzbandgrenze liegen.

. Derartige Transistoren können vernachlässibare

Minoritatsanhäufungseffekte in den Emitter-, sowie den Basiszonen haben und daher für Gebrauch bei hoher Schaltgeschwindigkeit oder hoher Frequenz geeignet sein. Sie können auch einen niedrigen Basiswiderstand aufweisen,

^JU dadurch, dass für die Basiszone eine hohe Dotierungskonzentration vom einen Leitungstyp gewählt wird, und sie können fCJ.r Inhomogenitäten in der Basisdotierung verhältnismässig

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unempfindlich, sein. Daher können derartige Transistoren im Vergleich zu üblichen npn- oder pnp-Bipolartransistoren grosse Vorteile aufweisen. Bei einer Ausführungsform, die in der genannten USA-Patentschrift beschrieben wird, enthalten die genannten Mittel zur Bildung einer Emitter-Basis-Sperrschicht eine Sperrzone, die eine Dotierungskonzentration aufweist, die einen Leitungstyp herbeiführt, der dem der Basiszone entgegengesetzt ist. Diese Sperrzone trennt eine Basiszone und eine Emitterzone vom gleichen Leitungstyp und bildet mit diesen Zonen Erschöpfungszonen. Die Sperrzone ist genügend dünn, damit sich diese bei Nullpotential gebildeten Erschöpfungszonen in der genannten Sperrzone verschmelzen, so dass bei Nullpotential die ganze genannte ' Sperrzone an beweglichen Ladungsträgern sowohl vom genannten ersten Leitungstyp als auch vom entgegengesetzten zweiten Leitungstyp erheblich verarmt wird.

In den Transistoren, die in der genannten USA-Patentschrift beschrieben werden, wurde der Energiesprung der Emitter-Basis-Sperrschicht höher als der der Basis-Kollektor-Sperrschicht gewählt, so dass der grösste Teil der heissen Ladungsträger, die in die Basiszone eingeführt werden, Energien aufweisen, die genügend gross sind, um die Basis-Kollektor-Sperrschicht zu überwinden-, wobei eine befriedigende Kollektbrwirkung enthalten wird, Eine hohe Kollektorwirkung dst wünschenswert, insbesondere · um eine grosse gemeinsame EmitterStromverstärkung für den Transistor zu erhalten. Auch ist es oft erwünscht, eine niedrige Emitterkapazitat zu benutzen, insbesondere bei Scitnelischalt— oder Hoclifrequenzbetrieb.

Die lEx-findurag schafft eine Verbesserung der Mittel zur Bildung der ükaütter·—Basis-Sperrschicht, wodurch die Energie der emittierten Träger in bezug auf den Energie sprung der Basis—Holleitor-Sperrschicht vergrössert wird und sich die Höglichkeit ergibt, Strukturen zu erhalten, die eine niedrigere Emitterkapazität haben können.

Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Transistor eingangs beschriebener Art dadux-ch gekenn-

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zeichnet,· dass die Dicke und die Dotierungskonzentration der genannten Sperrzone derart gross sind, dass die genannte Sperrzone mindestens über einen Teil ihrer Dicke nicht von der (den) Erschöpfungszone(n) beansprucht wird,

g die bei Nullpotential an der genannten Emitter-Basis-Sperrschicht vorhanden ist (sind), während das Anlegen einer Vorspannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors erforderlich ist, um eine Zufuhr der genannten heissen Majoritätsladungsträger mit Energien, die grosser

]q als der Energiesprung der Basis-Kollektor-Sperrschicht sind, zu bewerkstelligen.

Es ist eine Vorspannung einer bestimmten Grosse erforderlich, um die genannte Zufuhr heisser Majoritätsladungsträger zu der Basiszone zu bewerkstelligen.

}5 Diese Zufuhr kann durch die genannte Vorspannung dadurch bewerkstelligt werden, dass die genannte Vorspannung dafür sorgt, dass sich die genannte(n) Erschöpfungszone(n) über die ganze Dicke der Sperrzone zwischen der Emitter— und der Basiszone erstreckt (erstrecken); dies ist eine sogenannte "Punch-through"-Konfiguration. Die genannte Zufuhr kann auch auf andere Weise bewerkstelligt werden, z.B. dadurch, dass die genannte Vorspannung entweder'einen

Lawinendurchschlag der genannten Spe'rrzone herbeiführt oder eine Tunnelung der Ladungsträger in der genannten

ng Sperrzone zwischen den Leitungs- und Valenzbändern zur Folge hat. Solange die genannte Zufuhr nicht bewerkstelligt worden ist, hemmt der nicht verarmte Teil der Sperrzone die Emission heisser Ladungsträger in der Basiszone und der Effekt der angelegten Vorspannung besteht darin,

₃q dass in bezug auf die Basis-Kollektor-Sperrschicht die •Energie der zu emittierenden Ladungsträgerverteilung vergrössert wird. Dadurch wird die Energie der emittierten Ladungsträger, wenn Emission stattfindet, erheblich grosser als der Energiesprung der Basis-Kollektor- Sperrschicht sein können, so dass eine hohe Kollektorwirkung erhalten wird. Wie nachstehend beschrieben werden wird, kann eine niedrige Emitterkapazität dadurch erhs.lten werden, dass die angelegte Vorspannung für die Ausbreitung der

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Erschöpfungszone(η) an der Emitter-Basis-Sperrschicht bei Nullpotential benutzt wird, insbesondere wenn eine niedriger dotierte Zone in die Emitterstruktur aufgenommen ist und wenn eine "Punch-through"-Konfiguration verwendet wird. Die Sperrzone kann zwischen der Basiszone und entweder einem ohmschen Kontakt des Emitters oder einem Schottky-Kontakt des Emitters vorhanden sein. Die Sperrzone kann durch eine niedriger dotierte Zone von einem der genannten Leitungstypen von dem ohmschen Kontakt oder dem Schottky-Kontakt getrennt sein; wenn diese niedriger dotierte Zone den ersten Leitungstyp aufweist, bildet sie zugleich eine Erschöpfungszone mit der Sperrzone. Infolge der Ausbreitung der Erschöpfungszonen in der niedriger dotierten Zone und in der Sperrzone können derartige Strukturen eine äusserst niedrige Emitterkapazität aufweisen. Bei einer bestimmten Ausfuhrungsform können die Mittel zur Bildung der Emitter-Basis-Sperrschicht also einen Schottky-Kontakt an einer Oberfläche des Halblexterkörpers enthalten, wobei die genannte Sperrzone zwischen dem Schottky-Kontakt und der Basiszone vorhanden ist and wenigstens ein Teil der Dicke der genannten Sperrzone ausserhalb der Erschöpfungszone liegt, die bei Nullpotential am genannten Schottky-Kontakt vorhanden ist»

I 1

Die Kombination der mindestens teilweise nicht verarmten Sperrzone und des Schottky-Kontakts kann eine hohe EmitterBasis-Sperre für die Injektion sehr heisser Majoritätsladungsträger in die Basiszone herbeiführen, so dass olle Kollektorwirkung verbessert wird. Im Vergleich zu einem Schottky—Emitter ohne eine derartige Sperrzone kann die Emitterkapazität auch kleiner sein, insbesondere wenn mehrere Zonen vorgesehen werden, um die Erschöpfungszone noch weiter auszubreiten. So kann die genannte Sperrzone vom entgegengesetzten Leitungstyp von dem Schottky-Kor_takt durch eine niedriger dotierte Zone getrennt werden, die entweder den genannten zweiten entgegengesetzten Leitungstyp oder den ersten Leitungstyp aufweist»

Im allgemeinen empfiehlt es sich, dass die Basiszone stark dotiert wird, so dass die Ausbreitung \-on

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Erschöpfungszonen in der Basiszone herabgesetzt und der Basiswiderstand verringert wird. Daher weist die genannte Basiszone vorzugsweise eine den Leitungstyp bestimmende

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Dotierungskonzentration von mindestens 10 Dotierungsatomen/cm auf und kann als eine entartet dotierte Halbleiterzone betrachtet werden. Um eine ausserordentlich grosse Dicke der Emitter-Sperrschichtzone zu vermeiden, die die Aufnahme in die Transistorstruktur erschweren würde, muss ausserdem die Dotierungskonzentration im allgemeinen

-1 Q O

grosser als 10 Doti.erungsatome/cm sein.

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

Figuren 1 und 2 Energiediagramme für Transistoren nach der Erfindung sowohl unter Vorspannung als auch auf Nullpotential,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines derartigen Transistors mit möglichen Schaltungsanschlüssen ,

Fig. h einen Querschnitt durch ein anderes Beispiel eines derartigen Transistors mit möglichen Schaltungsanschlüssen, _M

Fig. 5 ein Energiediagramm für eine Abwandlung des Transistors nach Fig. 1, sowohl unter Vorspannung als auch auf Nullpotential,

Fig, 6 ein Energie diagramm für einen noch weiteren Transistor nach der Erfindung, sowohl unter Vorspannung als auch auf Nullpotential, und Fig. 7 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Transistors nach Fig. 2,

Es sei bemerkt, dass alle Figuren schematisch gezeichnet und nicht masstäblich dargestellt sind; die betreffenden Abmessungen und Verhältnisse gewisser Teile dieser Figuren sind der Deutlichkeit und Einfachheit halber grosser oder kleiner dargestellt. Entsprechende oder ähnliche Teile werden im allgemeinen in allen Figuren mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.

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Der in Fig. 1 gezeigte Transistor enthält einen einkristallinen Halbleiterkörper mit Halbleiterzonen 1 bis h. Die Zone 2 ist eine stark dotierte Basiszone von einem ersten Leitungstyp (im vorliegenden Beispiel vom n-Typ) . Die sperrschichtbildenden Mittel 1 und ^f-, 5 bilden zusammen mit der Basiszone 2 eine Basis—Kollektor—Sperrschicht bzw. eine Emitter—Basis—Sperrschicht. Der Stromdurchgang durch die Basiszone 2 (von der Emitter.-Basis— Sperrschicht zu der Basis-Kollektor-Sperrschicht) erfolgt über heisse Majoritätsladungsträgern (im vorliegenden Beispiel also heisse Elektronen der η-leitenden Basiszone 2), die durch Pfeile 7 angedeutet sind.

Die Basis-Kollektor-Sperrschicht wird durch eine Sperrzone 1 mit einer Dotierungskonzentration, die für den zweiten Leitungstyp (im vorliegenden Beispiel den p-Typ) kennzeichnend ist, gebildet, deren Grosse für die Höhe einer Potentialschwelle für den Durchgang von Ladungsträgern vom ersten Typ (im vorliegenden Beispiel Elektronen) von sowohl der Basiszone 2 als auch der Kollektorzone 3 her entscheidend ist. Die Sperrzone 1 ist genügend dünn, um es zu ermögliche, dass sich die Erschöpfungszonen, die sie bei Nullpotential mit sowohl der Basis- als auch der Kollektorzone bildet, in der Zone 1 verschmelzen, so dass sogar bei Nullpotential die ganze Zone 1 erheblich an beweglichen Ladungsträgern beider Typen verarmt wird. Die Kollektorzone¹ 3 weist den gleichen Leitungstyp (η-Typ) wie die Basiszone 2 auf, aber ist weniger stark dotiert. Die Dotierungskonzentration der Basiszone ist vorzugsweise mindestens 10 Donatoratome/cm . Die Bildung und die Anwendung der— artiger stark verarmter Sperrzonen 1 für die Basis-Kollektor-Sperrschichten von Transistoren mit heissen Elektronen (oder heissen Löchern) werden im Detail in der US-PS k„1^9.17^ beschrieben. Um die Sperrzone 1 bei Nullpotential stark verarmt zu halten, müssen die Dicke und der Dotierungspegel der Zone 1 bestimmte Bedingungen erfüllen, die in der US-PS k.1hS.17k beschrieben sind.

Die Emitter-Basis-Sperrschicht wird durch eine Metallschicht 5, die einen Schottky-Kontakt bildet, und

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eine Sperrschicht h gebildet, die eine Dotierungskonzentration von einem Leitungstyp (p-Typ) aufweist, der dem der Basiszone 2 entgegengesetzt ist. Es sei bemerkt, dass in der US-PS 4. 14-9.174 Transistoren beschrieben sind, die eine Emitter-Basis-Sperrschicht enthalten, die durch entweder einen Schottky-Kontakt oder eine stark verarmte Sperrzone gebildet wird. Nach der vorliegenden Erfindung ist jedoch die Sperrzone 4 zwischen dem Schottky-Kontakt und der Basiszone 2 vorhanden und weist sie eine derart grosse Dicke und Dotierungskonzentration auf, dass bei Nullpotential .Wenigstens ein Teil ihrer Dicke ausserhalb der am genannten Schottky-Kontakt vorhandenen Erschöpfungszone liegt. Venn also keine Vorspannung an den Schottky-Emitter 5 und an die Basiszone 2 angelegt wird, ist die Sperrzone 4 nicht über wenigstens einen Teil ihrer Dicke verarmt und verhält sich dann wie eine p--leitende Schicht, was in Fig. 1 mit ρ bezeichnet wird.

Die Linie a in Fig. 1 stellt die Elektronenenergie und den Potentialverlauf in der Transistorstruktur bei thermischem Gleichgewicht und bei Nullpotential dar.

Die Linie b in Fig. 1 zeigt das entsprechende Diagramm für die Basiszone 2 und die, Kollektorzone 3 mit einem Potential, das in bezug auf den Emitter 5 einen Wert V-,^ bzw. V„„ aufweist. Das Anlegen einer Vorspannung V_n-

DU/ Lthj HL·

ist notwendig, um eine Zufuhr heisser Elektronen 7 mit Energien, die grosser als der Energie sprung der Basis — Kollektor-Sperrschicht sind, zu bewerkstelligen^ In diesem Beispiel nach Fig. 1 werden keine heissen Elektronen 7 in grosser Menge vom Emitter 5 her in die Basiszone 2 injiziert, bevor die Basis-Emitter-Vorspannung V₁₃^ genügend gross ist, um die Erschöpfungszone über die ganze Dicke der Sperrzone 4 auszubreiten. Dann wird gesagt^ dass die Erschöpfungszone zwischen dem Emitter 5 und der Basiszone durch die Zone 4 hindurchbricht, was einen Stromdurchgang durch thermische Emission von Elektronen 7 zur Folge hat.

Die Linie b in Fig. 1 zeigt die Situation, in der V₁,- gerade genügend gross ist, um die ganze Zone 4 au verarmen,,

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- AO ~

¥ie sich aus einem Vergleich der Linien a und b in Fig. erkennen lässt, muss eine Vorspannung V^ mindestens einer bestimmten Grosse angelegt werden, bevor Strom zu . ·— fliessen beginnt, was zur Folge hat, dass das Potential der Basis—Kollektor—Sperrzone 1 zu einem niedrigeren (positiveren) Pegel in bezug auf den Emitter 5 verschoben wird, so dass, wenn Injektion von Ladungsträgern stattfindet (Linie b), die Energie der emittierten Ladungsträger 7 auf eine erhebliche Höhe in bezug auf den Energie sprung der Basis-Kollektor-Sperrschicht 1 zugenommen hat. Die Aufnahme einer Emitter—Basis—Sperrzone h- mit einer nicht verarmten Dicke bei Nullpotential vergrössert also die Kollektorwirkung der Basis-Kollektor-Sperrschicht 3· So sind Kollektorwirkungen von 75 °/° und höher möglich. Die Grosse der Vorspannung V_n.,,, die erforderlich ist, um die. Zone k völlig zu verarmen, ist von der Dicke und der Dotierungskonzentration der Zone h zwischen dem Schottky-Kontakt und der Basiszone 2 abhängig. In einem praktischen Fall können diese derart gewählt werden, dass eine Vorspannung ν_πτΛ von mindestens 0,5 V erforderlich ist, um "Punch-through" stattfinden zu lassen, so dass die Energie der emittierten Ladungsträger um einen entsprechenden Betrag erhöht wird. Wenn der Transistor mit einer Emitter-Basis-Vorspannung" wirkt, die grosser als der Mindes'tpegel ist, der für "Punch-through" erforderlich ist, wird der Energiesprung der Emitter-Basis-Sperrschicht verkleinert und also der Strom in der Basiszone 2 vergrössert. Diese Situation wird in Fig. 1 durch die Linie d dargestellt. Eine derartige Sperrzone k, die bei Nullpotential nicht über ihre ganze Dicke verarmt ist, kann jedoch eine derart grosse Dotierungskonzentration aufweisen_s dass die angelegte Vorspannung V._fl^ entweder Lawinendurchschlag oder Zener— durchschlag an der Sperrzone herbeiführt, bevor ein "Punch-through"--Zustand erreicht werden kann, Eine derartige Situation ist in Fig.. 2 veranschaulicht. In Fig. zeigen E (a) und E (a) die Grenzen des Leitungsbandes bzw. des Valenzbandes im Nullpotentialzustand, während E (b) u.c.id E (b) diese Grenzen bei einer Vorspannung V_„,

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-ΛΑ-

die zwischen dem Emitter 5 und der Basis 2 angelegt wird, darstellen. Infolge der grösseren Dotierungskonzentration der Sperrzone h in dieser geänderten Konfiguration erzeugt die angelegte Vorspannung V in den Erschöpfungsschichten der Zone 4 ein elektrisches Feld, das genügend gross ist, um an der.Sperrzone h Durchschlag entweder durch einen Lawinendurchschlag oder durch den Zener-Effekt herbeizuführen, so dass eine Zufuhr heisser Elektronen 7 erhalten wird, die in die Basiszone2 mit Energien, die erheblich grosser als der Energie sprung der Basis-Kollektor-Sperrschicht 1 sind, injiziert werden. Wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, werden die Energiebänder durch die angelegte Vorspannung V_O„ um mehr als den Energie sprung (Ε -E ) gebogen. Im Falle eines Zenerdurchschlags ist das erhaltene Feld genügend gross, um Elektronen aus den Siliziumgitteratomen zu entfernen, so dass eine direkte Tunnelung von Elektronen aus dem Valenzband zu dem Leitungsband stattfindet, wie in Fig. 2 durch den Pfeil 7a angedeutet ist. Im Falle eines Lawinendurchschlags ist das erhaltene Feld genügend gross, um Ladungsträger JTd zwischen den Kollisionen mit den Siliziumgitteratomen derart zu "-beschleunigen, dass sie bei Kollision imstande sind, Elektron—Loch-Paare zu erzeugen, wobei die heissen Elektronen 7c in die Basiszone 2 injiziert werden, während die heissen Löcher zu dem Emitter 5 fliessen, wie in Fig. 2 durch den Pfeil 17 angedeutet wird.

Die Vorspannung, die für einen derartigen geänderten Emitter auf Basis von Lawinen- oder Zenerdurchschlag verwendet wird, kann z.B. mehr als 1,5V betragen.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Transistors der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Art. Abgesehen von der Aufnahme der Sperrzone k, ist die Struktur dieses Transistors gleich der des Transistors, der in der US-PS k.1^9-17^ beschrieben ist, während diese Transistoren auf gleiche Weise mit Hilfe von Ionenimplantation hergestellt werden können. Die Kollektorzone 3 wird durch

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eine η-leitende epitaktisclie Siliziumschicht auf einem starkdotierten Siliziumsubstrat 13 vom gleichen Leitungstyp gebildet. Eine nicht verarmte ringförmige Zone 11 vom p-Leitungstyp, die als ein Schutzring rings um den Rand der Sperrzone 1 dienen muss, wird in der epitaktischen Schicht 3, z.B. durch Diffusion (siehe US-PS 4.149.17*4·) angebracht. Über ein Fenster in einer Isolierschicht 10 aus z.B. Siliziumdioxid an der Oberfläche der epitaktischen Schicht werden dann Zonen 1, 2 und K in der epitaktischen Schicht 3 mit Hilfe von Ionenimplantation erzeugt.

Zunächst kann die Sperrzone h mit Hilfe eines kleineren Fensters in der Schicht 10 implantiert werden, wonach das Fenster für Implantation der Basiszone 2 und danach der Sperrzone 1 verbreitert werden kann. Die implantierte Ionendosis und -energie für die Zone k müssen zusammen genügend gross sein, um sicherzustellen, dass die Zone k nicht nur die η-Typ Hintergrunddotierung der n-leitenden Zonen 2 und 3 umdotiert, sondern auch wenigstens teilweise ™ jenseits der Erschöpfungszone liegt, die bei Nullpotential am Schottky-Kontakt 5 vorhanden ist, so dass bei Nullpotential mindestens ein Teil der Zone k eine nicht verarmte p-leitende Zone bildet. Die für die Bildung der Basiszone 2 gewählte Ionenenergie kann derart sein, dass

I ι

die resultierende Dotierungskonzentration ihren Höchstwert in einiger Entfernung von der Sperrzone k erhält. Wenn Vorspannungen an den Emitter 5 und an die Basis- und Kollektorkontakte 8 bzw. 9 angelegt werden, führt diese Entfernung einen Potentialabfall zwischen dem Emitter 5 und dem nicht verarmten Teil der Basiszone 2 herbei, so dass das Potential der Kollektor-Sperrzone 1 noch weiter zu niedrigeren Pegeln in bezug auf den Emitter 5 "verschoben wird, wenn die Vorspannung grosser wird. Dieses Merkmal erhöht die Kollek.torwirku.ng noch weiter und ist in der U.S.-PS 4.1^9.174 beschrieben. 3'j In einem praktischen Beispiel können 1 keV-

Boriones oder h keV-Indiumionen in einer Dosis von z.B.

1 h /2
mindestens 10 Ionen/cm zur Bildung der nicht verarmte Sperrzone k_v können 10 keV-Arsenionen in einer Dosis von

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10 - 10 Ionen/cm zur Bildung der Basiszone 2 und können 5 keV-Borionen oder 20 keV—Indiumionen in einer Dosis von 5·10 - 5·10 Ionen/cm" zur Bildung der ganzen verarmten Sperrzone 1 implantiert werden. Die epitaktische Schicht 3 kann einen spezifischen Widerstand von z.B.

5 oder 10 0hm.cm und eine Dicke von z.B. 12 yum aufweisen. Unter derartigen Implantationsbedingungen wird die Spitze der implantierten Arsenverteilung, abhängig von den Ausglüh- und Kühlungsbedingungen, annahmeweise auf etwa 15 nm oder mehr unterhalb der Oberfläche der epitaktischen

20 21 Schicht mit einer Konzentration von etwa 10 — 10 Arsenatomen/cm auftreten. Die p—leitende Sperrzone h wird in einem Abstand von weniger als etwa 10 nm von der Oberfläche gebildet und weist eine derart grosse Dotierungs— konzentration auf, dass angenommen wird, dass sie bei Nullpotential über viel mehr als ihre halbe Dicke nicht verarmt ist. Der Abstand zwischen den Sperrzonen 4 und kann auf etwa 25 nm oder mehr geschätzt werden. Die Breite der Sperrzone 1 kann.auf etwa 15 nm geschätzt werden.

Nach dem Ausglühen der implantierten Materialien werden Metallschichten 5» 8 und 9 auf bekannte Weise angebracht· Die Schichten 8 und 9 (die z.B. aus'Aluminium bestehen können) bilden ohmsche Kontakte für die Basiszone 2 bzw. das Kollektorsubstrat 13· Die Schicht 5 bildet den Schottky-Kontakt für den Emitter des Transistors und kann z.B. aus Gold oder Nickel bestehen. Die Ausglühbedingungen bestimmen, wie gross die Menge jeder implantierten Dotierungsdosis ist, die elektrisch wirksam wird, und ob eine wesentliche Diffusion stattfindet. Wenn die zur Bildung der Sperrzone k implantierte Bor- oder Indium-

14 /2
ionendosis etwa 10 Ionen/cm ist und danach während etwa 15 Minuten eine Ausglühbehandlung bei etwa 750 C im Vakuum stattfindet, zeigen Berechnugen, dass die resultierende mittlere aktive Dotierungskonzentration der Zone h zwischen 5· 10 und 10 Atomen/cm-^ liegt und dass die angelegte Vorspannung V₁,_ "Punch-through" der Erschppfungsschichten in der resultierenden Sperrzone k

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herbeiführt. Die mittlere aktive Dotierungskonzentration der Sperrzone k kann durch Anwendung einer höheren Erhitzungstemperatur ein wenig und durch Anwendung einer grösseren Dosis in höherem Masse erhöht werden. Auf diese Weise kann die aktive Konzentration der Zone k- derart" erhöht werden, dass Durchschlag und die resultierende Zufuhr heisser Elektronen durch einen Lawinen- oder Zener-Effekt in den Erschöpfungsschichten statt durch "Punchthrough" bewerkstelligt werden können. Um Diffusion der implantierten Ionen herabzusetzen, soll eine während langer Zeit angewandte Ausglühtemperatur im allgemeinen nicht höher als 85Ο C sein. Die Ausglühbehandlung kann aber durch lokalisierte Erhitzung auf höhere Temperaturen mit Hilfe eines Laser- oder Elektronenstrahls mit kurzen Impulsen vorgenommen werden. Beim Betrieb in der in Pig. gezeigten Schaltungskonfiguration wird der Emitter 5 negativ in bezug auf den Basiskontakt 8 ' .vorerregt, der seinerseits negativ in bezug auf den Kollektorkontakt 9 vorerregt wird. Wie oben bereits erwähnt wurde, wird kein wesentlicher Stromdurchgang zwischen dem Emitter 5 und dem Kollektorkontakt 9 stattfinden, solange die Spannung, die zwischen dem Emitter 5 und dem Basiskontakt 8 angelegt wird, nicht genügend ist, um die Sperrzone h über ihre -ganze Dicke zu verarmen oder Lawinendurchschlag oder Zenerdurchschlag herbeizuführen. Wie in Fig_s 3 dargestellt ist,¹ kann ein Eingangssignal (z.B. mit hoher Frequenz) zwischen dem Emitter 5 und dem Basiskontakt 8 angelegt und kann ein verstärktes Ausgangssignal einer Belastung R zwischen den Basis- und Kollektorkontakten 8 bzw«, 9 entnommen werden. Infolge seiner hohen Kollektorwirkung kann der Transistor eine grosse Stromverstärkung.aufweisen»

Es ist einleuchtend, dass im· Rahmen der Erfindung viele Abwandlungen dieser Transistorstrukfcur möglich sind_o Wie z.Bo in Fig„ H dargestellt ist.- können de?? Schottky-Emitter 5 und seine Sperrzone K ringförmig cein und sich rings um den Basiskontakt 8 erstrecken. Bei dieser Ausführungsform mit einem äusrix&i). Enrlcter "r.arai die untiefe

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ρ—leitende Sperrzone 4 derart angebracht sein, dass sie in den tieferen p-leitenden Schutzring 11 der verarmten Sperrzone 1 versenkt ist. Wie in Fig. 4 dargestellt ist,' braucht der p—leitende Schutzring 11 nicht in einem besonderen Dotierungsschritt erzeugt zu werden, sondern kann er bei den Implantationen für die Sperrzonen 1 und erzeugt werden, dadurch, dass die Implantationen nach der Implantation für die Basiszone 2 und über ein etwas verbreitertes Fenster in der Schicht 10 stattfinden; ein ähnlicher Vorgang ist in der US-PS 4.149.17^· beschrieben. Andere in der US-PS 4.149.174 beschriebene Merkmale können auch angewandt werden. So kann z.B. die Dotierungskonzentration der Schicht 3 sofort neben der Sperrzone 1 dadurch vergrössert werden, dass nochmals Donatoren implantiert werden. Eine derartige örtliche Zunahme der Dotierung kann innerhalb eines Abstandes von etwa 75 ^nm von der Sperrzone 1 gehalten werden und dient zur Ver— grösserung des Umfangs des darin vorhandenen elektrischen Feldes, so dass der Spannungsabfall in der 7one 3 steiler gemacht und die Kollektorwirkung verbessert wird.

Fig. 5 zeigt eine andere Abwandlung nach der

Erfindung, bei der eine weniger starkdotierte Zone 6 in die Emitterstruktur zwischen dem Schottky-Kontakt 5 und der HauptSperrzone 4 aufgenommen ist. Für "Punch-through" muss auch diese Zone 6 unter Emitter—Basis—Vorspannung völlig verarmt sein, so dass Emission heisser Elektronen in der Basiszone 2 vom Schottky-Kontakt 5 her stattfinden kann. Es kann eine entsprechend niedrig dotierte Zone 6 mit einer einem Lawinen-- oder Zenerdurchschlag unterworfenen Sperrzone 4 aufgenommen sein, Die Hinzufügung der Zone 6 hat zur Folge, dass die Erschöpfungszone an der Emitter-BasisSperrschicht im Vergleich zu der Struktur nach Fig.1 noch breitere wird, so dass die Emitterkapazität des Transistors verkleinert vircL In der Ausführungsform nach Fig.5 xreist ä:z Z.or*e 6 den gleichen Leitungstyp wie die Sperr- ■L.on.2 k (e'en ρ -Typ) auf _y obgleich dieser Leitungstyp auch da rc.oc-Vb.-. LeJ.tungstyp wie der- der Basiszone 2 (der n-Typ)

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sein kann. Die Dotierungskonzentration der Zone 6 kann z.B. etwa 10 Atome/cm sein.

Die Struktur nach Fig. 5 kann durch Anwendung etwas höherer lonenenergien für die Implantation der Zonen h, 2 und 1 hergestellt werden, so dass die Spitzenkonzentration der implantierten Verunreinigung, die die Zone h bildet, auf Abstand von der Oberfläche der epitaktischen Schicht angebracht wird. Die Zone 6 kann durch die Dotierung gebildet werden, die zwischen dieser Spitzenkonzentration und der Oberfläche vorhanden ist, obgleich ihre Dotierungskonzentration vorzugsweise in einem besonderen Schritt, z.B. durch eine besondere Implantation mit kleinerer Dosis, angebracht wird. Bei einer Abwandlung der Transistorstruktur nach Fig. 5 ist der Schottky-Kontakt 5 durch eine stark dotierte η-leitende Emitterzone ersetzt. In diesem Falle wird die Emitter-Basis-Sperrschicht lediglich durch die p-leitenden Sperrzonen h und 6 gebildet, die die pn—Übergänge mit der Basiszone 2 bzw. mit dieser Emitterzone bilden. Es ist auch möglich, die Transistorstrukturen nach Fig.1 und Fig. 2 dadurch abzuändern, dass der Schottky-Kontakt 5 durch eine stark dotierte n-leitende Emitterzone ersetzt wird.

Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemässe Transistor-

I t

struktur mit heissen Elektronen, 'in der die Emitter— Basis-Sperrschicht lediglich durch die p-leitende Sperrzone¹ h gebildet wird, die pn-Ubergänge mit sowohl der n-leitenden Basiszone 2 als auch einer niedrig dotierten n-leitenden Emitterzone 6 bildet. Eine Schicht I5 bildet einen ohmschen Kontakt für die Emitterzone 6 und diese Schicht I5 kann z.B. aus einem Metall, wie Aluminium, oder einem stark dotierten n-leitenden Halbleitermaterial bestehen. Auf gleiche Weise vie für die Schottky-Emitter-Transistoren nach Figuren 1 "bis 5 muss eine "Vorspannung V_x,- zwischen der Basiszone 2 und desa Emiiterkontakt I5 angelegt werden, um die ErschöpfungssehichteTi der beiden pn-Ubergänge über die ga.nze Dicke der Zone k auszubreiten oder Lawinendurchschlag oder Zenerdurchschlag der Sperrzone k herbeizuführen. Gleich wie bei den Transistoren nach den

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Figuren 1 bis 5> wird dadurch, die Energie der emittierten Ladungsträger 7 in bezug auf die Basis-Kollektor-Sperrschicht erhöht. Im Vergleich zu den Transistoren nach den Figuren 1 bis 5 kann die Emitterkapazität aber kleiner sein.

Ein Transistor mit einer Struktur der in Fig.6 dargestellten Art kann auf gleiche Weise wie die Transistoren nach den Figuren 1 bis 5 mit Hilfe von Ionenimplantation hergestellt werden. Die Zone 6 und die Kontaktschicht 15 können z.B. auf folgende Weise angebracht werden: Nach der Erzeugung der Zonen 1, 2 und 4 in einer epitaktischen Siliziumschicht mit Hilfe von Ionenimplantation kann eine Siliziumschicht mit einem hohen spezifischen Widerstand und dann eine stark dotierte n—leitende Siliziumschicht auf einem Teil der p—leitenden Sperrzone 4 in einem Fenster in einer Isolierschicht angebracht werden, um die Zone 6 bzw. die Schicht I5 zu erhalten. Die Schicht mit hohem spezifischen Widerstand kann z.B. aus amorphem Silizium bestehen, das anschliessend mit einem Laser- oder einem Elektronenstrahl kristallisiert wird, der für die Ausglühbehandlung der implantierten^ Materialien verwendet wird. Die stark dotierte n~le itende Siliziumschicht kann auch derart angebracht werden, dass sie mit einem Teil der Basiszone 2 zum Erhalten des Basiskontakts in Kontakt kommt.

' Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der

Transistorstruktur nach Fig. 6, die mit Hilfe von Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden kann. Der Transistor enthält ein starkdotiertes η-leitendes Substrat I3 aus z.B.

Galliumarsenid, auf dem auf übliche Weise, z.B. durch Flüssigkeitsepitaxie, eine weniger starkdotierte n-leitende epitaktische Schicht aus demselben Material angewachsen wird. Dann werden nacheinander Galliumarsenidschichten mit den für die Zonen 1, 2, 4 und 6 gewünschten Dicken und DotierrungslcorLZentXationen auf der Oberfläche der .Schicht 3 mit Hilfe von Molekularstrahlepitaxie angebracht. Die zwei oberen Schichten werden danach durch Atzung mit einem Ionenstrahl oder durch ein anderes Atzverfahren über

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ihre ganze Dicke entfernt, ausgenommen an den Stellen, an denen sie für die Bildung der Zone 6 und der Sperrzone h abgedeckt sind. Dann werden die zwei übrigen Schichten auf ähnliche Weise über ihre ganze Dicke entfernt, ausgenommen an den Stellen, an denen sie für die Bildung" der Basiszone 2 und der Sperrzone 1 abgedeckt sind. Anschliessend werden Metallschichten, die ohmsche Kontakte mit dem Halbleiter bilden, zum Erhalten der Emitter-, Basis- und Kollektorkontakte 15, 8 bzw. 9 angebracht.

Erwünschtenfalls kann der Kontakt 15 angebracht werden, bevor Schichten entfernt werden, wobei dieser Kontakt dann als eine Maske beim Definieren der Zonen 6 und h durch Ionenätzung verwendet werden kann. Statt einer Materialentfernung zur Bestimmung der Grosse der Zonen und 2 kann ein lokalisierter Protonenbeschuss für die Bildung halbisolierender Gebiete rings um die Zonen 1 und 2 verwendet werden.

Die bisher beschriebenen Transistoren waren n—leitende Basiszonen 2 enthaltende Transistoren mit heissen Elektronen.Nach der Erfindung sind Transistoren mit heissen Löchern aber auch anwendbar, wobei die Basis- und Kollektorzonen 2 bzw. 3 p-leitend wären und die Sperrzonen 1 und k mit Donatoratomen dotiert wären.

Die in den Figuren 3> ^ und 7 dargestellten Transistoren enthalten eine einzige Emitter-Basis-Sperrschicht. Transistoren, die nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können aber mehrere Emitter enthalten, die mehrere Emitter-Basis-Sperrschichten mit einer Basiszone 2 bilden. Derartige Mehremittertransistoren können z.B. für Betrieb bei höheren Leistungen oder als schnellschaltender Transistor in einer logischen Schaltung verwendet werden.

Erfindungsgemässe Transistorstrukturen mit heissen Elektronen oder mit heissen Löchern können mit anderen Halbleiterzonen integriert und mit Kontakten zur Bildung komplexerer Schaltungselemente, z.B. eines Thyristors oder einer integrierten Schaltung (ic), versenen werden. In den in den Figuren 3_f ^ und 7

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dargestellten Anordnungen bildet die Kollektorzone 3 einen Teil einer epitaktischen Schicht, die auf einem Substrat vom gleichen Leitungstyp angebracht ist, während ein Elektrodenanschluss 9 auf der Zonen 3 einen Kontakt mit der Rückseite des Substrats 13 bildet. Es sind aber auch Anordnungen und integrierte Schaltungen mit Transistoren nach der Erfindung möglich, in denen die Kollektorzone 3 einen Teil einer Schicht vom ersten Leitungstyp bildet, die auf einem Substrat vom zweiten entgegengesetzten Leitungstyp, z.B. mit Rücksicht auf Isolierung, angebracht ist und in der ein Elektrodenanschluss auf der Kollektorzone 3 einen Kontakt mit der Oberfläche der epitaktischen Schicht, z.B. über eine stärker dotierte Oberflächenzone und eine vergrabene Schicht zur Herabsetzung des Reihen-Widerstandes, bildet.

In den Transistoren nach den Figuren 3» 4 und ist die Basis-Kollektor-Sperrschicht in den Halbleiterkörper unterhalb der Emitter-Basis-Sperrschicht vergraben, die an eine Oberfläche des Körpers grenzt. Es sind aber auch Transistoren nach der Erfindung möglich, deren Emitter-Basis—Sperrschicht in den Halbleiterkörper unterhalb , einer oder mehreren Kollektor-Basis-Sperrschichten vergraben ist. So kann z.B. die Kollektor-Basis-Sperrschicht einen Schottky-Kontakt mit der Basiszone 2 enthalten und kann die Emitter-Basis-Sperrschicht aus einer Sperrzone 4 bestehen, die bei Nullpotential über einen Teil ihrer Dicke nicht verarmt ist, während die Emitterzone eine Halbleiterzone vom gleichen Leitungstyp wie die Basiszone 2 ist.

In den bisher beschriebenen Transistoren wird die ' Basis-Kollektor-Sperrschicht durch eine Sperrzone 1 gebildet, die bei Nullpotential praktisch üb.er ihre ganze Dicke verarmt ist_o Bei gewissen Anwendungen kann es aber zu bevorzugen sein, eine Basis-Kollektcr—Spe-rcrzone 1 zu benutzen, die bei Nullpotential über einen Teil ihrer Dicke nicht verarmt ist. In dieser Situation kann der Wert des Sperrstroms niedriger als in de::- Situation stin, in der der Zone 1 völlig verarmt itv 1₁

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"PATENTANSPRÜCHE":

\ J Transistor mit einem Halbleiterkörper, der eine Basiszone von einem ersten Leitungstyp, in der Stromdurchgang durch heisse Majoritätsladungsträger stattfindet, und sperrschichtbildende MitteJ enthalt, die mit der genannten Basiszone Emitter-Basis- und Basis-Kollektor—Sperrschichten bilden, während die genannten Mittel zur Bildung der Emitter-Basis-Sperrschicht eine Sperrzone mit einer Dotierungskonzentration von einem den zweiten entgegengesetzten Leitungstyp bestimmenden Dotierungsstoff enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke und die Dotierungskonzentration der genannten Sperrzone derart gross sind, dass die genannten Sperrzone mindestens über einen Teil ihrer Dicke nicht von der (den) Erschöpfungszone(n) beansprucht wird, die bei Nullpotential an der genannten Eraitter-Basis-Sperrschicht vorhanden ist (sind), während das Anlegen einer Vorspannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors erforderlich ist, um eine Zufuhr der genannten heissen Majoritätsladungsträger mit Energien, die grosser als der Energiesprung der Basis—Kollektor-Sperrschicht sind, zu bewerkstelligen. 2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bildung der Emitter-Basis-Sperrschicht auf einer Oberfläche des Körpers einen Schottky-Kontakt enthalten; dass die genannte Sperrzone zwischen dem Schottky-Kontakt und der Basiszone vorhanden ist, und dass mindestens ein Teil der Dicke der genannten Sperrzone ausserhalb der Erschöpfungszone liegt, die bei Nullpotential am genannten Schottky-Kontakt vorhanden ist₃

3c Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekenn-. zeichnet, dass die genannte Sperrzone vom zweiten Leitungs-

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typ von dem Schottky-Kontakt durch eine Zone getrennt ist, die niedriger als die genannte Sperrzone dotiert ist. h. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekenn—

zeichnet, dass die Sperrzone zwischen der Basiszone und einem ohmschen Kontakt des Emitters Liegt, und dass die Sperrzone von dem ohmschen Kontakt durch eine Zone getrennt ist, die niedriger als die Sperrzone dotiert ist.

5. Transistor nach Anspruch 3 oder h, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte niedriger dotierte Zone den ersten Leitungstyp aufweist und mit der Sperrzone eine Erschöpfungszone bildet.

6. Transistor nach Anspruch 3 oder h, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte niedriger dotierte Zone den zweiten Leitungstyp aufweist.

7. Transistor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Basiszone eine den Leitungstyp bestimmende Dotierungskonzentration von mindestens 10 Atomen/cm enthält.

8. Transistor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlegen der genannten Vorspannung die Zufuhr der genannten heissen Majoritätsladungsträger dadurch bewerkstelligt, dass die genannte(n) Erschöpfungszone(n) über die ganze Dicke der Sperrzone, zwischen der Emitterzone und der Basiszone ausgebreitet wird (werden) . ■

9. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, dass das Anlegen der genannten Vorspannung die Zufuhr der genannten heissen Majoritätsladungsträger durch Lawinendurchschlag an der genannten Sperrzone bewerkstelligt.

• 10. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlegen der genannten Vorspannung die Zufnhr der genannten heissen Majoritätsladungsträger durch Tunnelung in der genannten Sperrzone bewerkstelligt.

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