NO140844B - Halvlederanordning. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en halvlederanordning omfattende

et første halvlederområde av en første ledningsevnetype og med en forutbestemt forurensningskonsentrasjon, et andre halvlederområde av -an andre ledningsevnetype og med en forutbestemt forurensningskonsentrasjon og som omgir det første område og danner en første PN-overgang med dette, et tredje halvlederområde av den første ledningsevnetype og med en forutbestemt forurensningskonsentrasjon og som omgir det andre område og danner en andre PN-overgang med dette, og et fjerde halvlederområde av den første ledningsevnetype i det første område og som har en forutbestemt forurensningskonsentrasjon som er høy-

ere enn for det første område og danner en L-H-overgang med dette, og forspenningsanordninger for injisering av majoritets-bærere i det første område via det andre område til det tredje område, idet det første område har en tykkelse som er mindre enn diffusjonsveilengden for minoritetsbærere i dette.

Det har tidligere vært vanlig praksis å fremstille transistorer med et kraftig dopet emitterområde. Den kjente teknikk omfatter også en transistor som er konstruert for høy-frekvensdrift og som har lav forurensningskonsentrasjon i emitter- og kollektorområdene, se US patent nr. 3 591 430. I dette patentskrift foreslås videre et område med høy forurensningskon-sentras jon- over en vesentlig del av emitterområdet, og et andre område med høy forurensningskonsentrasjon over kollektorområdet.

I patentskriftet er ikke angitt den idé at diffusjonsveilengden for minoritetsbærerne må være større enn emitterområdets tykkelse, og heller ikke at de minoritetsbærere som reflekteres av det innebygde felt, i hovedsaken skal balansere den injiserte minoritetsbærer-diffusjonsstrøm som går fra basisen gjennom emitteren.

I det nevnte patentskrift er ikke angitt hvordan den endelige profil av forurensningskonsentrasjonen bør være, og heller ikke hvor stor basistykkelsen eller emittertykkelsen bør være. I patentskriftet er heller ikke angitt noe om vilkårene for epitaksial tilvekst (f.eks. temperatur eller avsetningshas--tighet), men angir bare noe om tilstanden før diffusjon, hvil-ket ikke antyder den endelige struktur.

Ved fremstilling av konvensjonelle bipolare transistorer er det-blitt vanlig praksis å benytte en dobbeldiffusjons-teknikk for å danne emitter-basisovergangen. Både fra teore-tisk og eksperimentelt synspunkt gjøres dopingskonsentrasjonen for emitteren høyere enn for basisen. Etter hvert som denne forskjell blir større, blir emitterens virkningsgrad større og nærmere én. Ved kraftig doping øker imidlertid gitjterdefekter og dislokasjoner eller forrykninger i halvledersubstratet. Som en følge av den kraftige doping reduseres minoritetsbærernes diffusjon i det dopede område. En reduksjon av dopingen i de tidligere kjente former for transistorer har vært ledsaget av en reduksjon av forsterkningen.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en halvlederanordning med flere overganger som har en vesentligøket strømforsterkningsfaktor i forhold til den kjente teknikk, og som også har forbedrede lavs-tøyegenskaper.

Et ytterligere formål er å tilveiebringe en halvlederanordning med flere overganger som kan benyttes som en del av en integrert krets sammen med konvensjonelle transistorer, deri-blant komplementære transistorer.

Ovennevnte formål oppnås ved en halvlederanordning av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjen-netegnet ..ved. at. forskjellen mellom f orurensningskonsentras jone-ne for de første og fjerde omrao der er av størrelsesorden 10<4>slik at det tilveiebringes et innebygd felt av en sådan verdi at den av dette frembragte driftstrøm av minoritetsbærere i det vesentlige balanserer diffusjonsstrømmen av minoritetsbærere som injiseres fra det første område.

Minoritetsbærernes diffusjonsveilengde i en konvensjonell transistor er trolig av størrelsesorden 1-2 ym. Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en halvlederanordning som har flere overganger og som har en diffusjonsveilengde for minoritetsbærerne på 50 - 100 ym. Strømforsterkningsfaktoren for en konvensjonell transistor kan grovt settes til 500, mens den for anordningen ifølge oppfinnelsen er 3000 eller mer.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et skjematisk, ufullstendig tverrsnittsbilde av en NPN-transistor ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser en forurensningsprofil for den på fig. 1 viste anordning og viser også minoritetsbærerkonsentrasjonen i emitterområdet, fig. 3 viser et ufullstendig tverrsnittsbilde av en integrert kretsbrikke med en NPN-transistor ifølge oppfinnelsen, og dessuten en PNP-transistor av konvensjonell utførel-se, hvorved det dannes et komplementært transistorpar iden integrerte kretsbrikke, fig. 4 viser en kurve over strømforsterk-ningen (hFE) ved jordet emitter som funksjon av kollektorstrøm-men, fig. 5 viser en kurve over støyfaktoren som funksjon av frekvensen ved en inngangsimpedans på 1000 ohm, fig. 6 viser en kurve over støyfaktoren som funksjon av frekvensen ved en inngangsimpedans på 30 ohm, fig. 7 viser en kurve over strømfakto-ren som funksjon av kollektorstrømmen.

På fig. 1 er vist en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, realisert i form av en NPN-transistor. Slik som vist, kan et substrat 1 som er kraftig dopet med forurensninger av N-type, dannes av silicium som er kraftig dopet med antimon.

18 —3

Dopingen er fortrinnsvis 4.10 cm . Dette gir en spesifikk motstand på ca. 0,01 ohm.cm. Det har vist seg at denne doping kan variere mellom 0,008 og 0,012 ohm.cm. Subtratets tykkelse er fortrinnsvis ca. 250 ym.

Et epitaksialt siliciumsjikt 2 av N-type er dannet på substratet 1 for å benyttes som kollektor sammen med N<+->substratet 1. Dette epitaksiale sjikt 2 er lett dopet med antimon i

14 tilstrekkelig grad til å gi en dopingskonsentrasjon på 7*10

-3

cm . Den spesifikke motstand er ca. 8-10 ohm.cm. Det epitaksiale sjikt kan passende ha en tykkelse på ca. 20 ym.

Et epitaksialt siliciumsjikt 3 av P-type er deretter dannet på N-sjiktet 2 for tilveiebringelse av den aktive basis for transistoren. Dopingsemnet kan være bor i tilstrekkelig mengde til å gi en dopingskonsentrasjon på 1*10"'"^ cm ^. Den spesifikke motstand eller resistivitet er 1,5 ohm-cm. Tykkelsen av sjiktet 3 er ca. 5 ym.

Et epitaksialt siliciumsjikt 4 av N-type er deretter dannet på P-sjiktet 3 for tilveiebringelse av en emitter. Sjiktet 4 er lett dopet med antimon idet dopingskonsentrasjonen er

15 -3

ca. 5,5*10 cm . Den spesifikke motstand er ca. 1 ohm*cm. Sjiktets 4 tykkelse er ca. 2-5 ym.

Det er deretter anordnet et diffundert sjikt 5 av N<+->type som er kraftig dopet med fosfor. Dette diffunderte sjikt har en overflatedopingskonsentrasjon på ca. 10 20 cm -3 og en tykkelse på ca. 1,0 ym. Forskjellen mellom forurensningskon-sentras jonen e i sjiktene 5 og 4 er således her ca. 1,8*10^.

Et diffundert område 6 av N-type som er kraftig dopet med fosfor, omgir den foran beskrevne NPN-transistor. Dopingen

19 -3

er ca. 3*10 cm som en overflatekonsentrasjon. Denne doping trenger gjennom sjiktet 3 av ..P-type og inn i sjiktet 2 av N-type inntil den når subtratets N<+->område 1. Den omgir således basisområdet 3.

Et diffundert område 7 av P-type utnyttes som led-ningsbane for basisområdet 3. Området 7 er dopet med bor med en dopingskonsentrasjon på ca. 3"10 19 cm -3 ved overflaten. Det diffunderte område 7 trenger gjennom sjiktet 4 av N-type og inn i P-basissjiktet 3 som begrenser og omgir emitterområdet 4.

Et diffundert område 8 av P-type danner basiskontaktområde og er et område som er kraftig dopet med bor. Dopings-18 —3 konsentrasjonen ved overflaten er ca. 5*10 cm

En kollektorelektrode 9 av aluminium er dannet på sub-stratets 1 underside. En basiselektrode 10 av aluminium er dannet på basiskontaktområdet 8. En emitterelektrode 11 av aluminium er dannet på det kraftig dopede emitterområde 5.

Et siliciumdioxydsjikt 67 for passivering dekker anord-ningens overside.

Som følge av ovenstående danner N-sjiktet 2 og P-sjiktet 3 en kollektor-basisovergang 12. P-sjiktet 3 og N-sjiktet

4 danner en emitter-basisovergang 13. N-sjiktet 4 og N<+->sjiktet 5 danner en L-H-overgang 14 mellom lett og kraftig doping av samme forurensningstype. Betegnelsen "L-H" angir således to tilstøtende områder med samme forurensningstype, hvor det ene område er lett dopet og det andre er kraftig dopet (engelsk: Lightly doped - Heavily doped). Bredden eller tykkelsen W£ mellom emitter-basisovergangen 13 og L-H-overgangen 14 er ca.

6 ym.

Fig. 2 viser et bilde av forurensningsprofilen og minoritetsbærerkonsentrasjonen i emitteren i den foran beskrevne anordning. I figurens øvre del er angitt de relative beliggen-heter av emitteren, basisen og kollektoren. I figurens midt-parti er vist forurensningskonsentrasjonen i atomer/cm 3 fra den ytre overflate av substratdelen 1. Figurens nedre del viser den relative størrelse av minoritetsbærerkonsentrasjonen i for-skjellige områder med begynnelse fra N<+->området 5 og gjennom emitterområdet 4. Når minoritetsbærernes diffusjonsveilengde er mindre enn tykkelsen av emitteren (WE), representeres minori-tetsbærerprofilen av den bratte, strektegnede linje (a). Når det er anordnet et innebygd felt, men dette ikke er tilstrekkelig stort, slik som senere beskrevet, representeres minoritets-bærerkonsentras jonen av den strektegnede linje (b).

Den foran beskrevne struktur gir en høy hFE~verdi og lav støy. Ved forklaring av hvordan dette resultat oppnås, skal det understrekes at strømf ors terkning en (h-,-,) ved jordet emitter er en av transistorens betydningsfulle parametre. Denne er generelt gitt som

der a er strømforsterkningen ved jordet basis. Strømforsterk-ningen a er gitt som:

der ax er et kollektormultiplikasjonsforhold, 3 er en basis-transportfaktor og y er emittervirkningsgraden.

I f.eks. en NPN-transistor er emittervirkningsgraden Y gitt som:

der Jn er elektronstrømtettheten som følge av de elektroner som injiseres gjennom emitter-basisovergangen fra emitteren til basisen, og Jp er hullstrømtettheten for hull som injiseres i motsatt retning gjennom samme overgang fra basisen til emitteren.

Elektronstrømtettheten Jn og hullstrømtettheten Jp er gitt som:

der Ln er elektrondiffusjonsveilengden i basisen av P-type, Lp er hulldiffusjonsveilengden i emitteren av N-type, Dn er elek-trondif fus jonskonstanten, Dp er hulldiffusjonskonstanten, Np er minoritetselektronkonsentrasjonen i basisen av P-type i en likevektstilstand, Pn er minoritetshullkonsentrasjonen i emitteren av N-type i en likevektstilstand, v er den påtrykte spenning på emitterbasisovergangen, T er temperaturen, q er elektronladnin-gen og k er Boltzmann's konstant.

En verdi 6 av forholdet mellom Jp og Jn kan da vises

å være:

og kan også vises å være: ved innsetning av:

der NA er forurensningskonsentrasjonen i basisområdet, NQer forurensningskonsentrasjonen i emitterområdet og W er basis-

tykkelsen som begrenser elektrondiffusjonsveilengden Ln i basisområdet.

Ladningsbærerdiffusjonskonstantene Dn og Dp er funk-sjoner av ladningsbærernes mobilitet og temperaturen og de kan være i hovedsaken konstante.

I anordningen ifølge fig. 1 er den lett dopede emitter 4 dannet mellom emitter-basisovergangen 13 og L-H-overgangen 14 mellom lett og kraftig dopede områder med samme forurensningstype, og verdien Lp blir derfor meget stor. Under den forutsetning at den lett dopede emitter 4 har forurensningskonsentrasjonen 5,5"10 15 cm -3og det epitaksiale sjikt er fremstilt for å oppvise en god gittertilstand, blir eksempelvis Lp-verdien ca. 50 - 100 ym.

Minoritetsdiffusjonsveilengden i emitteren i en transistor av kjent type skulle konvensjonelt sett være lik eller mindre enn emitterområdets tykkelse WE på grunn av rekombina-sjon under emitterens overflate. I anordningen ifølge oppfin-nélsen er imidlertid minoritetsbærer-diffusjonsveilengden i emitteren større enn tykkelsen WE mellom emitter-basisovergangen og overgangen mellom lett og kraftig dopede områder i den lett dopede emitter.

En annen viktig faktor i forbindelse med oppfinnel-er at L-H-overgangen 14 er beliggende i den lett dopede emitter 4. Overgangen 14 danner et "innebygd felt" i emitteren og dette felt virker i en slik retning at hullstrømmen fra emitter-basisovergangen 13 reflekteres mot overgangen 13.

Når det innebygde felt i overgangen mellom lett og kraftig dopede områder av samme forurensningstype er tilstrekkelig stort (av størrelsesorden 10 4 slik som foran angitt), kom-penseres diffusjonsstrømmen av hull og blir nesten lik drift-strømmen av hull på grunn av feltet i den lett dopede emitter 4. Denne kompensasjon minsker hullstrømmen Jp som injiseres fra basisen gjennom emitter-basisovergangen 13 inn i den lett dopede emitter 4.

Ifølge oppfinnelsen endrer det "innebygde felt" likning (5) på følgende måte:

og under forutsetning av at Lp >> Wg, fåes følgende: Da potensialforskjellen $ for det innebygde felt er stor, får man at

På grunn av den store verdi for Lp blir verdien —2 meget liten. Som følge av dette blir verdien for J'p<L>^ nesten lik null.

Minskningen av Jp gjør at verdien av y blir nesten lik én ifølge likning (3), verdien av a blir stor ifølge likning (2) og verdien av hpEblir stor ifølge likning (1).

Lavstøyegenskapene kan forklares på følgende måte.Gitterdefekter eller dislokasjoner reduseres kraftig på grunn av at emitter-basisovergangen 13 er dannet av den lett dopede emitter 4 og den også lett dopede basis 3. Forurensningskonsentrasjonen for den lett dopede emitter 4 bør av hensyn til støyegenskapene, levetiden td og minoritetsdiffusjonsveilengden

18 —3

Lp begrenses til en verdi som er mindre enn ca. 10 cm

En annen faktor som forårsaker lavt støynivå er at emitterstrømmen flyter i nesten vertikal retning i den lett dopede emitter 4 og den lett dopede basis 3.

Overgangen 14 er dannet av de lett og kraftig dopede områder av samme ledningsevnetype. Overgangen 14 er i hovedsaken ugjennomtrengelig for minoritetsbærerne, men ikke for majo-ritetsbar erne .

Den høye forsterkning (h _) ved jordet emitter er vist på fig. 4. Forskjellen mellom kurvene 15 og 16 beror bare på en spesiell planarkonfigurasjon. Begge kurver viser imidlertid en meget høy strømforsterkning ved jordet emitter. Linjen 17 på fig. 5 viser støyfaktoren som funksjon av frekv.ense.n for anordningen på fig. 1. Linjen 18 på fig. 5 viser støyfaktoren for en anordning ifølge tidligere kjent teknikk av den hittil laveste støytype. Linjene 19 og 20 på fig. 6 er kurver som kan sammenliknes med kurvene på fig. 5 med en annen inngangsimpedans.

På fig. 7 er vist en støylinje 21 for en anordning ifølge tidligere kjent teknikk sammenliknet med en"støylinje 22 for den på fig. 1 viste anordning. Linjene 21 og 22 er støy-faktoren ved 3 dB. Det som er innenfor den i hovedsaken para-belformede linje, ligger under 3 dB. Ved betraktning av fig.

4, 5, 6 og 7 fremgår at den foreliggende oppfinnelse gir en meget merkbar forbedring i forhold til de tidligere kjente ty-per av anordninger.

Fig. 3 viser en andre utførelse av oppfinnelsen, idet den på fig. 1 viste NPN-transistor er dannet i en integrert krets sammen med ett eller flere andre halvlederelementer, eksempelvis en PNP-transistor av konvensjonell type. De to transistorer danner komplementære transistorer. I et substrat 3 0 av P-type er en NPN-transistor 31 dannet på den måte som er beskrevet i forbindelse med fig. 1. Denne omfatter en kraftig dopet kollektor 1, en lett dopet kollektor 2, en lett dopet basis 3, en lett dopet emitter 4, et kraftig dopet område 5, et kollektortillederområde 6, et kollektorkontaktområde 15, et basistillederområde 7, et basiskontaktområde 8, en kollektorelektrode 9, en basiselektrode 10 og en emitterelektrode 11. I samme substrat 30 er dannet en PNP-transistor 32 av konvensjonell type som har en kollektor 63 av P-type, en basis 64 av N-type, en emitter 38 av P-type, en kollektortilleder 37 av P-type, et kollektorkontaktområde 48 av P-type, et basiskontaktområde 35 av N-type, en kollektorelektrode 39, en basiselektrode 40 og en emitterelektrode 41. De to transistorer 31 og 32 er elektrisk isolert ved hjelp av PN-overganger. Et isolasjonsområde 50 av P-type er forbundet med substratet 20 og omgir både NPN- og PNP-transistorene 31 og 32. Tre områder 61, 62 og 66 av N-type danner et skålformet isolasjonsområde som omgir PNP-transistoren 32.

I denne integrerte krets er et antall par eller trip-ler dannet samtidig. Som eksempel er N<+->områdene 1 og 61 dannet ved selektiv diffusjon inn i substratet 30 av P-type. N-områdene 2 og 62 er dannet ved epitaksial tilvekst av N-type. P-området 3 som danner NPN-transistorens 31 basis, og området 63 som danner PNP-transistorens 3 2 kollektor, er dannet ved epitaksial tilvekst av P-type, eller ved selektiv diffusjon. N-områdene 4 (den lett dopede emitter i NPN-transistoren) og 64 (PNP-transistorens basis) er dannet ved epitaksial tilvekst av N-type. N<+->områdene 6 og 66 er dannet ved diffusjon av N-type. P-områdene 7 og 37 er dannet ved diffusjon av P-type. P+<->områdene 8, 38 og 48 er dannet ved diffusjon av P-type. N<+->områdene 5 (NPN-transistorens emitter) og 15 (NPN-transistorens kollektorkontaktområde) og 35 (PNP-transistorens basiskontaktområde er dannet ved diffusjon.

Når uttrykket "i hovedsaken ensartet" benyttes i forbindelse med minoritetsbærerkonsentrasjonstilstanden over det aktive emitterområde, menes det med dette uttrykk at den kombi-nerte verdi av minoritetsbærerne som kommer fra det aktive basis-område og injiseres i det aktive emitterområde, og minoritetsbærerne i emitteren som beveger seg i motsatt retning som følge av det innebygde felt, er relativt ensartet eller jevnt over hele det aktive emitterområde. Dette representeres ved emitter-delen av linjen (c) på fig. 2, hvor denne del ligger i hovedsaken horisontalt.

Selv om den utførelse av oppfinnelsen som er vist på fig. 1, er en NPN-transistor, er det selvsagt klart at den også kan være en PNP-transistor med sammenliknbar konstruksjon og sammenliknbare egenskaper..Det er videre klart at oppfinnelsen også kan realiseres som en halvledertyristor av NPNP-type.

Claims (2)

1. Halvlederanordning omfattende et første halvlederområde (4) av en første ledningsevnetype og med en forutbestemt for-urensningskonsentras jon , et andre halvlederområde (3) av en andre ledningsevnetype og med en forutbestemt forurensningskonsen-tras jon og som omgir det første område (4) og danner en første PN-overgang (13) med dette, et tredje halvlederområde (1, 2) av den første ledningsevnetype og med en forutbestemt forurensningskonsentrasjon og som omgir det andre område (3) og danner en andre PN-overgang (12) med dette, og et fjerde halvlederområde (5) av den første ledningsevnetype i det første område (4) og som har en forutbestemt forurensningskonsentrasjon som er høyere enn for det første område (4) og danner en L-H-overgang (14) med dette, og forspenningsanordninger for injisering av rnajoritetsbærere i det første område (4) via det andre område (3) til det tredje område (1, 2), idet det første område (4) har en tykkelse som er mindre enn diffusjonsveilengden for minoritetsbærere i dette,karakterisert vedat forskjellen mellom forurensningskonsentrasjonene for de første (4) og fjerde (5) områder er av størrelsesorden 10^ slik at det tilveiebringes et innebygd felt av en sådan verdi at den av dette frembragte driftstrøm av minoritetsbærere i det vesentlige balanserer diffusjonsstrømmen av minoritetsbærere som injiseres fra det første område (4).

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisertved at summen av tykkelsene av det første område (4) og det fjerde område (5) er mindre enn diffusjonsveilengden for minoritetsbærere i det første område (4).