NO156613B - Apparat for raffinering av smeltet metall. - Google Patents

Description

Halvlederinnretning.

Foreliggende oppfinnelse angår en halvlederinnretning med stabiliserte overflateegenskaper, med et halvlederlegeme med p-type og n-type områder, som møtes til dannelse av i det minste en p-n-overgang, og oppfinnelsen angår særlig styring av overflateforholdene på halvlederinnretninger til forebyggelse av uønsket kanal-dannelse.

Det er nylig konstatert at overflate-virkningene ved halvlederinnretninger, som f.eks. transistorer, kan stabiliseres ved pas-sivering av overflaten. Dette iverksettes som regel ved tilveiebringelse av et fast-hengende isolerende lag på overflaten av et halvlederlegeme til forebyggelse av variasjoner i overflateforholdene med tiden og med den omgivende atmosfære. Et slikt isolerende lag eller overtrekk kan på et legeme av silicium med fordel dannes som et oksyd av innretningens halvledermaterial, men kan også fremstilles på annen måte. Dette overtrekk beskytter p-n-over-gangene ved overflaten mot forringelse og stabiliserer overflateforholdene.

Selv om den omtalte overflatepassive-ring er ytterst fordelaktig og anvendes i stort omfang, er den dog beheftet med visse ulemper. Det ikke-ledende overtrekk vil under visse omstendigheter kunne virke som et dielektrikum til oppsamling av elektriske ladninger og kan dermed på uheldig måte påvirke funksjonen av halv-lederinnretningen. F. eks. kan de luftarter som er innesluttet innenfor den hermetiske innkapsling av en halvlederinnretning, bli

ionisert hurtig ved den kraftige stråling, som forekommer i det ytre rom, i nærheten av atomkjernereaktorer og i tilsvarende omgivelser. Selv om de herved dannede negative ioner for størstedelen spredes på overflaten av det metallhylster, som omslutter apparatet, vil de positive ioner sam-

les på halvlederinnretningens ikke ledende overtrekk av oksyd eller annet material. Den positive ladning som således oppstår

på yttersiden av det ikke-ledende overtrekk vil indusere et inversjonslag, dvs. et lag med like så stor negativ ladning, umiddelbart under overtrekket på overflaten av innretningens p-type halvledermaterial. Det således dannede negative lag utgjør en n-type kanal på overflaten av p-type materialet, som i det minste vil påvirke plasse-ringen av tilstøtende p-n-overganger og vil endre overflateevnen, således at innretningens funksjon endres på utilsiktet måte.

Oppfinnelsen har til fordel å avhjelpe

de ovenfor omtalte ulemper ved halvlederinnretninger med passiverte overflater.

Oppfinnelsen angår således en halvlederinnretning med stabiliserte overflateegenskaper, med et halvlederlegeme med p-type og n-type områder, som møtes til dannelse av i det minste en p-n-overgang, som strekker seg ut til en av legemets overflater, og som har et passiverende isolerende overtrekk på den nevnte overflate av halvlederlegemet som dekker den nevnte overgang, og det særegne ved halvleder-innretningen i henhold til oppfinnelsen er at et metall-lag, som er festet til overflaten av det nevnte isolerende overtrekk, er anordnet over en vesentlig del av overgangen ved overflaten av halvlederlegemet, idet metall-laget er tilpasset til å tali påtrykket et potensial, som ikke er høyere enn potensialet av p-type området og n-type området, når den nevnte p-n-overgang står under sperrespenning.

Herved tilveiebringes eliminering eller kompensering av det elektriske feltområde ved overgangsflaten mellom det isolerende overtrekk og det underliggende halvledermaterial, som gir anledning til kanaldan-nelse i halvlederoverflaten. I henhold til oppfinnelsen står egenskapene av det metalliske overtrekk eller metall-laget på ut-siden av isolasjonsmaterialet i særlig rela-sjon til egenskapene av den øvrige del av innretningen. Spesielt er de elektriske egenskaper av metallet eller legeringen i det metalliske overtrekk valgt således med henblikk på egenskapene av det angjel-dende halvledermaterial, at den spennings-gradient som normalt foreligger over det isolerende overtrekk, elimineres under gitte driftsforhold. Ettersom det deretter ikke foreligger noen gradient over overtrekket, vil der ikke bli indusert noe inversjonslag på halvlederoverflaten, når der foreligger en gitt spenning på metall-lagene. Således kan f. eks. overflateegenskapene av et halvlederlegeme i henhold til oppfinnelsen stabiliseres imot f. eks. en ladning, som oppstår ved ansamling av ioner som følge av ionisering av luftarter innenfor en halv-lederinnretnings hermetiske innkapsling.

Andre trekk ved innretningen i henhold til oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende fremstilling i forbindelse med de vedføyde tegninger, hvori

fig. 1 viser et snitt gjennom en plan-ardiode, som i henhold til oppfinnelsen er utført således, at halvlederoverflatens egenskaper stabiliseres på ønsket måte,

fig. 2 viser et energinivådiagram, som anvendes i forbindelse med beskrivelsen av oppfinnelsens prinsipper,

fig, 3 viser et planriss av en transistor i henhold til oppfinnelsen,

fig. 4 viser et snitt etter linjen IV-IV i fig. 3, mens

fig. 5 og 6 viser tilsvarende snitt gjennom endrede utførelsesformer.

I fig. 1 er vist en halvlederinnretning 1 f. eks. av silicium, hvis overside er over-trukket med et lag 11 av siliciumoksyd eller et tilsvarende isolerende material. I henhold til oppfinnelsen elimineres det område med et høyt elektrisk felt som normalt finnes ved overflaten av halvlederen som følge av den kapasitive virkning av det isolerende overtrekk 11. Et slikt elektrisk felt kan f. eks. bli indusert ved positive ioner som samles på overflaten av det isolerende overtrekk 11. Som følge herav vil idet induseres en negativ ladning på halvlederoverflaten 12, hvorved der over halv-ilederens p-type-område 13 dannes negative eller n-type-kanaler 14 langs overflaten av p-type-området 13, som vist ved streklinjer. Disse kanaler vil kortslutte eller deformere innretningens overganger, som den viste p-n-overgang 15, og vil på uheldig måte påvirke ledeevnen. Når det elektriske felt ved halvlederoverflaten elimineres i henhold til oppfinnelsen, unngås kanaldan-nelse, og overflateegenskapene stabiliseres.

Det elektriske felt som normalt finnes ved halvlederoverflaten i halvlederinnret-ningene med passivert overflate, elimineres ved at der tilveiebringes metalliske lag 16

(av et metall eller en metall-legering), som dekker det isolerende overtrekk 11 i områder over halvlederens overgangsområder. I hvert overgangsområde, f. eks. innretningens p-n-overgang, dannes en sandwich-oppbygning bestående av metall-laget 16, isolasjonslaget 11, og selve halvlederlegemet 10. En slik sandwich-oppbygning vil normalt ha et energinivå-diagram av den type som er vist i fig. 2, og det vil ses at der normalt stadig vil foreligge en utilsiktet spenning (eller elektrisk felt) V0 i det isolerende overtrekk og følgelig ved halvlederoverflaten. En slik spenning V„ inneholder en termisk likevekts-spenningskomponent, som eksisterer mellom metall-laget 16 og halvlederen 10, når der ikke er påtrykt noen spenning. Spenningen V0 vil ytterligere kunne innbefatte en påtrykt spenningskomponent V, som normalt vil foreligge når der f. eks. påtrykkes en spenning på en kontakt 17 i den i fig. 1 viste diode. Den uønskede spenning over isolasjonsovertrekket blir i henhold, til oppfinnelsen lik null ved passende valg av forskjellige parametre for materialet og appa-ratets halvledermaterial. Når spenningen over isolasjonsovertrekket 11 er null,, kan halvlederoverflaten gjennomløpe et stort område for den påtrykte spenning. Dannelse av et lag med motsatt ladning eller av kanaler som følge av ladninger, som opp-samles på det metalliske overtrekk, vil na-turligvis være forhindret, etter som der ikke er noe spenningsfall over isolasjonsovertrekket.

Den uønskede spenning Vu mellom metall-laget og halvlederen kan som det

fremgår av diagrammet i fig. 2. uttrykkes således:

= løsrivelsesspenningen for

metall-laget

V = den ytre spenning påtrykt kontakten 17

X = elektronaffiniteten for halvlederen

VD = likevektshøyden for halvleder-sperrelaget eller diffusjons-spenningen

0F = Fermi-nivået for elektroner i lederen, målt fra kanten av led-ningsbåndet.

I henhold til oppfinnelsen gjøres V(1 lik null ved en gitt halvleder med et gitt innhold av urenheter (som bestemmer 0F) og en gitt overflatetilstands-konsentrasjon (som bestemmer Vu>), såvel som en gitt ytre spenning V påtrykt kontakten 17. Når V0 skal være null, må følgende ligning tilfreds-stilles:

Det velges et passende metall eller en passende legering til det metalliske overtrekk,, således at det oppnås en løsrivelses-spenning 0M, som tilfredsstiller denne ligning. Der kan f. eks. betraktes det tilfelle hvor halvlederen er silicium (X = 4,05 ev), og den ytre påtrykte spenning V er null. Videre antas, at der ikke er noen overflate-ladning, slik at Vu = O. Betingelsen for V„ = O er da:

Ved anvendelse av gull til metall-laget I er 0.M = 4,85 ev og Fermi-nivået for siliciummetallet er da:

r * ui

Den bærerkonsentrasjon p for p-type silicium, som kreves til dannelse av et Fermi-nivå på 0,80 ev, beregnes da av føl-gende uttrykk:

hvori nj = indre tetthet av bærere q = ladning av et elektron o|, = potensiell energi av et elektron i valensbåndet målt i forhold til Fermi-nivået

k = Boltzmanns konstant T = absolutt temperatur.

Ved silicium er ty = 0,544 og n, = 1,25 x 10in. Følgelig blir p = 1,25 x 1010exp (0,80 — 0,554/0,02585) = 1,8 x lO^/cm'. Dette svarer til en spesifik motstand i p-type silicium på ca. 70 ohm-cm.

Ved dette eksemplet blir således halvlederinnretninger rried passivert overflate med fordel fremstilt av silicium med de ovenfor nevnte egenskaper og med gull-lag som dekker det isolerende overtrekk av oksyd eller annet materiale over overgangs-områdene i siliciumlegemet. Når gull-lagene påtrykkes en ytre spenning i forhold til jord, vil derfor overflateegenskapene av p-type silicium bli stabilisert. På tilsvarende måte kan utvelges et passende metall eller en passende legering til oppnåelse av en spenning på null over det isolerende overtrekk i tilfelle hvor der påtrykkes apparatet en spenning som er forskjellig fra null. En sådan påtrykt spenning kan f. eks. være den som måtte forventes frembragt av positive ioner eller andre elektriske ladninger som under forut fastlagte driftsforhold ble akkumulert på metall-lagene.

Som et annet eksempel kan betraktes en siliciumhalvleder med en høy konsentrasjon av donoratomer med en tetthet pr. overflateenhet på Qss= 1,0x10" atomer/ cm<2>. Det antas at siliciummetallet er av p-type med en bærerkonsentrasjon på 1,0 x 10' Vcm'' og V = 0,293 ev. Det kan beregnes at Øj, = 0,72 for den nevnte konsentrasjon av bærere. Under forhold hvor den til metall-lagene påtrykte spenning er null, kan spenningen over det isolerende lag gjøres lik null ved anvendelse av metall-lag med en løsrivelsesspenning, 0,. som er gitt ved:

Også her kan spenningen V0 over det isolerende overtrekk elimineres ved en forut fastlagt spenning på metall-lagene ved utvelgelse av et metall med en passende løsrivelsesspenning.

På grunnlag av det ovenfor anførte skal det i fig. 1 viste apparat beskrives- i

detaljer. En planar siliciumdiode 10 består av et siliciumlegeme 13 av p-type, i

hvilket der ved diffusjon eller på annen

måte er dannet en øy 19 av n++ type ved

kraftig tilsetning av urenheter. Mellom øya 19 og legemet 13 er dannet en p-n-overgang 15 som strekker seg ut til halvlederens overside 12. På oversiden 12 er tilveiebragt et isolerende overtrekk 11 av siliciumoksyd eller et liknende materiale, således at det dekker overgangen 15, hvor denne kommer frem til oversiden 12. Midt på øya 19 er det på oversiden 12 fastgjort en ohmsk kontakt 17, hvis kant støter opp til overtrekket 11. På den motsatte side 21 av p-type legemet 13 er fastgjort en ohmsk kontakt 20.

Som vist i fig. 1 har det isolerende overtrekk 11 uensartet tykkelse, således som det vil kunne fremkomme ved den fremstillingsteknikk som anvendes ved fremstillingen av dioden. Overtrekket består av et forholdsvis tynt område 22 med i hovedsaken konstant tykkelse, dekkende p-type området av platen 12, og et forholdsvis tykt område 23 med i hovedsaken konstant tykkelse, dekkende n + + type-øya 19 (med en tilsetning av f. eks. IO<10> atomer/ cm<3>), opp til overgangen 15. I henhold til oppfinnelsen er der tilveiebragt et metall-lag 16 over det isolerende overtrekk. Metall-laget er formet etter overflaten av det isolerende overtrekk og kan f. eks. påføres ved plettering eller ved tilsvarende metoder. Som vist består laget 16 av i hovedsaken parallelle innbyrdes forskjøvete plane deler, henholdsvis 24 og 26 på oversidene av områdene 22 og 23 av overtrekket 11. Delene 24 og 26 er forbundet ved en overgangsdel 27, som omslutter den ytre omkrets av området 23. I det foreliggende tilfelle er metall-laget 16 forbundet til p-type siliciumlegemet 13 ved en ohmsk forbindelse. Dette skjer ved en overgangsdel 28, som slutter seg til den plane del 24. Overgangsdelen 28 omslutter den ytre omkrets av området 22 og er i direkte forbindelse med legemet

13 ved flaten 12.

Ved den i fig. 1 viste diode er spenningen V(1 i oksydovertrekket 11 bragt til ver-dien null ved en påtrykt spenning på null (dvs. spenningen mellom kontaktene 17 og 20) ved passende valg av parametrene for metall-laget og halvlederen på den foran beskrevne måte. I det forholdsvis tykke området 23 av oksydovertrekket 11 vil spenningen variere med den over overgangen 15 påtrykte spenning. Materialet under det tykke området 23 er imidlertid n++ type-øya 19. Som følge av denne tykkelse vil en mulig endring av overflatetilstanden eller egenskapene av oksydet som følge av be-vegelse av urenheter eller metallioner i oksydet ikke kunne bevirke en merkbar endring av overflateegenskapene eller egenskapene ved overgangen. Det område hvor siliciummetallet har lavt innhold av urenheter, dvs. p-type legemet 13 under det tynne område 22 av oksydet, vil kunne bli påvirket av den minste endring av over-flatetilstand eller oksydets egenskaper som følge av vandring av metalliske urenheter og andre ioner. Oversiden 12 av p-type området av siliciumlegemet er imidlertid be-skyttet mot feltpåvirkninger derved at metall-laget 16, nemlig dettes del 28, er forbundet til legemet 13. Spenningen V„ i ok-sydlaget 11 vil være lik null ved en påtrykt spenning på null over overgangen, og overflaten vil være ved et felt på null, når der påtrykkes overgangen en spenning forskjellig fra null, ettersom metall-laget 16 er forbundet til siliciumlegemet og derfor har det samme potensial som siliciummetallet under det tynne oksydområdet. Med andre ord er overflateegenskapene av p-type området opp til overgangen 15 stabilisert uan-sett variasjoner i overgangsspenningen.

Prinsippene i henhold til foreliggende oppfinnelse kan finne anvendelse på man-ge måter og overfor forskjellige former for halvlederinnretninger, herunder transistorer. Ved en planar n-p-n-transistor med passivert overflate kan overflateegenskapene stabiliseres ved at det isolerende overtrekk i områder over basis-kollektor- og basis-emitterområdene, eller begge, dekkes med metall-lag av et materiale, som er ut-valgt i henhold til det foregående. Det er særlig viktig å gjøre dette over overgangen mellom basis og kollektor. Metall-lagene kan være elektrisk svevende, eller ved visse anvendelser kan de for å tillate jordfor-bindelse av visse deler av transistoren for-bindes til de ohmske kontakter på transistoren, som skal jordforbindes.

fig. 3—6 er vist forskjellige utførelses-former for transistorer i henhold til oppfinnelsen. I fig. 4 er vist en transistor 30

med et kollektorområde 31, et basisområde 32 og et emitterområde 33. En emitterkon-takt 34 og en basiskontakt 35 er dannet på sedvanlig måte ved avleiring av metall gjennom åpninger i overflaten, som nær-mere beskrevet i f. eks. U.S. patentskrift nr. 3 025,589. Et metall-lag 36 er avleiret opp til kollektorområdet 31 over en overgang 37 mellom basis og kollektor. Metall-laget 36 er skilt fra overgangen 37 ved et oksydlag 38. Overflateegenskapene ved transistoren 30 er stabilisert ved hjelp av metall-laget 36. Ved den i fig. 4 viste ut-førelsesform er metall-laget 36 i kontakt med kollektorområdet 31.

Ved de i fig. 5 og 6 viste utførelsesfor-mer er der dannet et metall-lag på oversiden av overgangen mellom basis og emitter og overgangen mellom basis og kollektor. Ved den i fig. 5 viste utførelsesform er metall-laget 39 over emitter-basis-overgangen 40 sammenhengende med en basis-elektrode 41. Denne utforming er særlig velegnet ved kretsløp med jordforbundet basis. Et metall-lag 42 over basis-kollektor-overgangen 43 er elektrisk svevende. Der vil kunne oppnås en høy grad av overflate-stabilitet ved anvendelse av metall-lag over begge transistorens overganger som vist i fig. 5.

Ved den i fig. 6 viste utførelsesform finnes der metall-lag både over basis-emitter-overgangen 44 og basis-kollektor-overgangen 45. Også her er metall-laget 46 over basis-kollektor-overgangen 45 elektrisk svevende. Metall-laget 47 over emitter-basis-overgangen 44 er ved denne utførel-sesform direkte forbundet til emitterkon-takten 48. Den i fig. 6 viste transistor er derfor særlig egnet til kretser med jordforbundet emitter.

Når emitterelektroden 48 er jordforbundet, vil mulige ladninger som akkumu-leres på metall-laget 47, straks bli ledet til

jord gjennom den jordforbundne emitter.

Claims (7)

1. Halvlederinnretning med stabiliserte overflateegenskaper, med et halvlederlegeme med p-type og n-type områder, som møtes til dannelse av i det minste en p-n-overgang som strekker seg ut til en av legemets overflater, og med et passiverende isolerende overtrekk på den nevnte overflate av halvlederlegemet som dekker den nevnte overgang, karakterisert ved at et metall-lag (16) som er festet til overflaten av det nevnte isolerende overtrekk (11) er anordnet over en vesentlig del av den nevnte overgang (15) ved overflaten av halvlederlegemet (10), idet metall-laget er tilpasset til å bli påtrykket et potensial som ikke er høyere enn potensialet av p-type-området (13) og n-type-området (15), når den nevnte p-n-overgang står under sperrespenning.

2. Halvlederinnretning som angitt i påstand 1, karakterisert ved at for-spenningspotensialet mellom metall-laget og ett av de nevnte områder er null.

3. Halvlederinnretning som angitt i påstandene 1 og 2, karakterisert ved at metall-laget danner ohmsk kontakt med p-type-området.

4. Halvlederinnretning som angitt i påstand 1, karakterisert ved at metall-laget har en løsrivelsesspenning 0M, som er gitt ved 0M = X + V0 + 0F — V, hvor X er elektronaffiniteten, V0 = diffu-sjonsspenningen og 0,, = Fermi-nivået for elektroner målt fra kanten av ledningsbån-det, for p-type halvlederområdet under metall-laget, mens V er en forut bestemt spenning på metall-laget.

5. Halvlederinnretning som angitt i de foregående påstander, karakterisert ved i det minste to områder av en ledningsevnetype (31, 33) og ett område av den motsatte ledningsevnetype (32), til- sammen dannende en transistoroppbyg-ning, idet de tre områder er henhv. kollektor-, (31)-, emitter- (33)- og basis- (32)-område, hvor kollektor- og basisområdene møtes til dannelse av en p-n-kollektor-basis-overgang (37) og emitter og basisområdene møtes til dannelse av en basis-emitter-overgang (40), hvilke to overganger strekker seg til en overflate av det nevnte legeme under det passiverende isolerende overtrekk (38), idet metall-laget (36, 39, 42, 44 eller 46) er utformet liggende over det isolerende overtrekk over en vesentlig del av i det minste en av de nevnte overganger.

6. Halvlederinnretning som angitt i påstand 5, karakterisert ved emitter- og basiskontakter (34, 35) som er fastgjort henhv. til emitter- og basisområdene (33, 32) på den nevnte overflate av det nevnte legeme, og at det passiverende isolerende overtrekk (38) på den nevnte overflate har en første del mellom emitter og basiskontaktene, liggende over basis-emitter-overgangen (40), og en annen del som strekker seg over den nevnte overflate fra basiskontakten (41) og ligger over basis-kollektorovergangen (37), hvilken annen del avsluttes kort innenfor kanten av kollektorområdet (31), således at en blottet flatedel av kollektorområdet strekker seg utover fra den annen del, idet metall-laget (36 eller 42) strekker seg over overflaten av den annen del av overtrekket over overgangen og i berøring med den blottede overflatedel av kollektorområdet.

7. Halvlederinnretning som angitt i påstand 6, karakterisert ved at metall-laget har en ytterligere særskilt del (39) på overflaten av den første del av det isolerende overtrekk over den underliggende overgang og som strekker seg til sammenhengende elektrisk forbindelse med basiskontakten (41).