DE1094886B - Halbleiteranordnung mit Kollektorelektrode, insbesondere Transistor fuer hohe Frequenzen und grosse Verlustleistung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit Kollektorelektrode, insbesondere einen Transistor für hohe Frequenzen und große Verlustleistungen, bei der zwischen Kollektor- und Basiselektrode eine Zone aus intrinsic-leitendetn Halbleitermaterial liegt.

Es ist bekannt, daß der Frequenzbereich eines Flächentransistors zu höheren Frequenzen hin erweitert werden kann, wenn man zwischen Kollektor- und Basiselektrode eine intrinsic-leitende Zone schaltet und damit einen Transistor mit pnip- bzw. npin-Zonenfolge erhält. Die Raumladungszone am Kollektorübergang breitet sich dann im wesentlichen in der i-Zone aus. Damit kann die Basiszone sehr dünn gemacht und so die Laufzeit der Ladungsträger verringert werden, ohne daß ein Kurzschluß durch die mit der Kollektorspannung wachsende Raumladungszone zwischen Kollektor und Emitter auftritt. Außerdem kann man den Basiswiderstand gering machen, ohne die Kollektordurchbruchspannung zu beeinflussen, da diese nun allein durch den elektrischen Durchbruch der i-Zone bestimmt wird. Weiter wird durch die i-Zone der »Plattenabstand«, der für die Kollektorkapazität und damit für die obere Grenzfrequenz bestimmend ist, vergrößert.

Eine weitere Verringerung der Kollektorkapazität kann durch die Verminderung der Kollektorfläche erzielt werden. Andererseits ist aber die zulässige Verlustleistung bei Leitungstransistoren um so größer, je größer die Kollektorfläche ist, da die durch die Verlustleistung hervorgerufene Wärme über den Kollektor abgeführt wird.

Offensichtlich widersprechen sich beide Forderungen nach gutem Hochfrequenzverhalten und großer Verlustleistung eines Transistors bei den bekannten Anordnungen, und es ist bei diesen daher nur ein Kornpromiß möglich.

Durch die Erfindung wird eine Halbleiteranordnung ermöglicht, die es erlaubt, große Verlustleistungen mit gutem Hochfrequenzverhalten, insbesondere kleiner Kollektorkapazität, zu kombinieren. Die Erfindung bezieht sich daher auf einen Transistor, insbesondere für hohe Frequenzen und große Verlustleistung, bei dem zwischen Kollektor- und Basiselektrode eine Zone aus etwa intrinsic-leitendem Halbleitermaterial liegt. Erfindungsgemäß nimmt der Querschnitt der etwa intrinsic-leitenden Zone mit zunehmender Entfernung vom Kollektor so ab, daß die Fläche der etwa intrinsic-leitenden Zone am Kollektorübergang größer als die gegenüberliegende Fläche am Übergang an der dem Kollektor abgewandten Seite ist.

Es ist zwar eine Halbleiteranordnung bekannt, bei der sich der Querschnitt der Intrinsic-Zone ändert. Bei dieser bekannten Halbleiteranordnung ist aber die intrinsic-leitende Zone sperrfrei mit der Kollektor-Halbleiteranordnung

mit Kollektorelektrode,

insbesondere Transistor für hohe

Frequenzen und große Verlustleistung

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr. Adolf Götzberger, Palo Alto, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

elektrode kontaktiert und bildet damit also selbst die Kollektorzone. Das hat zur Folge, daß die Kollektordurchbruchepannung sehr stark von der Dicke bzw. der Dotierung der Basisschicht abhängt. Außerdem ist die Querschnittsabnahme der intrinsic-leitenden Zone gerade umgekehrt wie bei der Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung. Die Kollektorfläche ist also klein und somit die Anordnung nicht für große Verlustleistungen geeignet.

Eine nähere Erläuterung der Erfindung wird durch die folgende Beschreibung der Figuren gegeben:

In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel ein pnip-Transistor dargestellt, bei dem gemäß der Erfindung der Querschnitt der intrinsic-leitenden oder nahezu intrinsic-leitenden Zone 4 vom p-dotierten Kollektor 5 bis zur Basiszone 3 hin stetig abnimmt. 6 ist die Kollektorpille. In dieser Anordnung ist der Kollektor 5 großflächig ausgebildet, und damit ist die Wärmeableitung, d. h. die mögliche Verlustleistung, groß. Die Kapazität kann trotzdem sehr klein gehalten werden, da die für die Kollektorkapazität maßgebende Fläche durch die der Basiszone 3 zugewandte Begrenzungsfläche der vom Kollektor ausgehenden Raumladungszone bestimmt ist, deren Querschnitt kleiner ist als der Kollektorquerschnitt. Wenn insbesondere die Raumladungszone bis zur hochdotierten und damit einen kleinen Basiswiderstand aufweisenden n-Zone 3 durchgreift, ist nur die Fläche F der Basiszone 3 für die Kollektorkapazität maßgebend. Die Verlustleistung fällt in der felderfüllten i-Zone an, also in den nahe am Kollektor gelegenen Gebieten, die in enge Verbindung mit einem gut wärmeleitenden Metall gebracht werden können. In die η-leitende Basiszone 3

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Claims (8)

1. 3 4

   ist die Emitterpille 1 einlegiert, durch die eine p- größere elektrische Feldstärke wirksam ist und damit

   dotierte Rekristallisationszone gebildet wird. 2 ist der die Laufzeiten der vom Emitter zum Kollektor flie-

   Basiskontakt. ßenden Minoritätsträger verkürzt und somit die

   Ein weiterer Vorteil der Halbleiteranordnung ge- Grenzfrequenz des Transistors erhöht wird. Außer-

   mäß der Erfindung ist außerdem, daß der Sperrstrom 5 dem tritt eine weitere Verringerung des Sperrstroms

   geringer ist als bei dem bekannten pnip- bzw. npin- auf, da dieser auch vom spezifischen Widerstand der

   Transistor. Zone 4 abhängt.

   Zur näheren Erläuterung dienen die Fig. 2 und 2 a. In den Fig. 3,4 und 5 sind einige besonders günstige

   In Fig. 2 ist der bekannte pnip-Transistor im Quer- Ausführungen eines Transistors gemäß der Erfindung

   schnitt dargestellt. 1 ist die Emitterpille und 3 die io dargestellt. Der Transistor in Fig. 3 weist eine stufen-

   Basiszone, die durch die ringförmige Basiselektrode 2 weise Abnahme der Zone 4 auf. In Fig. 4 ist eine HaIb-

   kontaktiert ist, 4 ist die intrinsic-Zone und 6 die KoI- leiteranordnung gemäß der Erfindung dargestellt, bei

   lektorpille. Die Breite der Zone 4 zwischen Kollektor der die ringförmige Basiselektrode 2' die Emitterelek-

   und Basis, also ihre Ausdehnung senkrecht zur KoI- trode 1' konzentrisch umschließt. Bei dem in Fig. 5

   lektorfläche, ist bei beiden in den Fig. 2 und 2 a dar- 15 dargestellten Transistor sind die Emitterelektrode 1"

   gestellten Anordnungen kleiner oder gleich der effek- und die Basiselektrode 2" linienförmig ausgebildet,

   tiven Diffusionslänge der den Sperrstrom bestimmen- Im folgenden soll nun noch kurz auf ein besonders

   den Ladungsträger. Der vom Kollektor zur Basis günstiges Verfahren zur Herstellung eines Transistors

   fließende Sperrstrom setzt sich ganz allgemein aus gemäß der Erfindung eingegangen werden,

   einem Volumen- und einem Oberflächenanteil zusam- ao Die Herstellung der pnip- bzw. npin-Zonenfolge des

   men. Dabei entsteht dieser Oberflächenanteil an den Transistors kann z. B. so erfolgen, daß man in eine

   Bereichen der Oberfläche, die vom Kollektor etwa eine intrinsic- oder schwach mit Störstellen, die den glei-

   effektive Diffusionslänge D entfernt sind. Dies ent- chen Leitungstypus erzeugen, wie ihn die Basiszone 3

   spricht in Fig. 2 einem im Schnitt durch die ge- hat, dotierte Halbleiterscheibe 4 den Emitter und KoI-

   strichelten Linien angedeuteten Kreisring, der 25 lektor, insbesondere nach dem bekannten Pulverlegie-

   Breite D und in Fig. 2 a einen ebenfalls im Schnitt längsverfahren, einlegiert. Dabei soll z. B. die Emit-

   durch die gestrichelten Linien angedeuteten Kegel- terpille n- und p-Störstellen gleichzeitig enthalten,

   mantel mit der Mantellinie der Länge D. Da der an wobei als dotierende Stoffe solche gewählt werden,

   den genannten Bereichen der Oberfläche entstehende deren Störstellen mit verschiedener Geschwindigkeit

   Anteil des Sperrstroms wesentlich größer als sein 30 in die Halbleiterscheibe 4 eindiffundieren. Will man

   Volumenanteil ist, so ist der vom Kollektor zur Basis also z. B. einen p-dotierten Emitter herstellen, so

   fließende Sperrstrom also praktisch diesen Ober- nimmt man als Emitterpille 1 ein Gemisch von GaI-

   rlächenbereichen proportional. lium und Arsen oder Aluminium und Antimon. Arsen

   Durch Vergleich der Fig. 2 und 2 a ist zu erkennen, bzw. Antimon diffundiert schneller in das Germanium daß der Sperrstrom bei der erfindungsgemäßen An- 35 bzw. Silizium als Gallium bzw. Aluminium. Außerordnung wesentlich verringert wird. Da bei der in dem soll die Emitterpille an Gewichtsprozenten GaI-Fig. 2 a dargestellten Anordnung der Sperrstrom auf lium bzw. Aluminium mehr enthalten als anGewichtsder Mantelfläche eines Kegelstumpfs entsteht, dessen prozenten Arsen bzw. Antimon. Beim Einlegieren die-Mantellinie höchstens gleich der effektiven Diffusions- ser Emitterpillen bildet sich dann eine überwiegend länge ist, in Fig. 2 aber auf der Oberfläche eines 40 p-dotierte Rekristallisationszone 7 aus. Nach dem Ein-Kreisrings, dessen Dicke D gleich der effektiven Dif- legieren wird die den Emitter umgebende Oberfläche fusionslänge ist. Da die Mantelfläche in jedem Fall der Halbleiterscheibe 4 mit einer Folie aus n-dotierenkleiner ist als die Fläche des Kreisrings, so ist auch dem Metall, die zugleich die Basiselektrode bildet, der Sperrstrom des in Fig. 2 a dargestellten Tran- belegt und das ganze System einer Diffusion untersistors der kleinere. 45 worfen. Die in der Emitterpille enthaltenen n-Stör-

   In Fig. 2b ist außerdem die Raumladungszone 8 im stellen, z. B. Arsen bzw. Antimon, diffundieren dann Querschnitt angedeutet, wie sie in einer bekannten wegen ihrer, gegenüber dem Gallium und Aluminium Anordnung durch die Kollektorsperrschicht 5 hervor- großen Diffusionsgeschwindigkeit weiter in die Halbgerufen wird. Da die Teile der Raumladungszone 8, leiterscheibe 4 ein als die p-Störstellen, und es bildet die im Querschnitt der Fig. 2 b durch die gekrümmten 50 sich um die p-leitende Rekristallisationszone 7 eine Flächen 9 und 10 dargestellt sind und die einen kon- η-leitende Halbleiterzone aus. Aus der Folie diffunstanten, vom spezifischen Widerstand der Zone 4 ab- dieren ebenfalls n-Störstellen in die Halbleiterhängigen Teil der Kollektorkapazität liefern, bei der scheibe 4 ein, so daß sich die Basiszone 3 ausbildet. Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung nicht mehr Während des Diffundierens kann die Basiszone gevorhanden sind, ist es nicht unbedingt erforderlich, 55 gebenenfalls auch kontaktiert werden, man erhält so als Ausgangsmaterial für die Zone 4 ein möglichst eine pnip-Zonenfolge. Nun werden die Elektroden abhochohmiges Material zu verwenden. Man kann jetzt gedeckt und die Querschnittabnahme der Zone 4 durch den spezifischen Widerstand der Zone 4 sowie ihre geeignete Maßnahmen, z. B. durch Ätzen, erzielt. Das Dicke so wählen, daß bei der Betriebsspannung die Wesentliche bei diesem Verfahren ist, daß die Quer-Raumladungszone der Kollektorgrenzschicht gerade 60 Schnittverminderung erst an dem mit Elektroden verbis zur Basiszone 3 hin reicht, und die Kollektor- sehenen, also fertigen System, vorgenommen wird. Basis-Kapazität dabei einen durch dieBetriebsfrequen- Das Einlegieren der Elektroden nach der Querschnittzen festgelegten Wert nicht überschreitet. In weiterer verminderung wäre wegen der kleinen Abmessungen, Ausbildung der Erfindung kann man also die Zone 4 die die Halbleiterscheibe dann aufweist, sehr unschwach mit Störstellen dotieren, die insbesondere den 65 günstig,
   gleichen Leitfähigkeitstypus erzeugen, wie ihn die

   Basiszone 3 besitzt. Die Dotierung der Zone4 soll da- Patentansprüche·.

   bei schwach gegenüber der angrenzenden p- bzw. n- 1. Halbleiteranordnung mit Kollektorelektrode,

   Zone sein. Das hat den Vorteil, daß in der früher i-, insbesondere Transistor für hohe Frequenzen und

   jetzt schwach η-leitenden Raumladungszone eine 70 große Verlustleistung, bei dem zwischen Kollektor-

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   und Basiselektrode eine Zone aus etwa intrinsicleitendem Halbleitermaterial liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der etwa intrinsicleitenden Zone (4) mit zunehmender Entfernung vom Kollektor (6) so abnimmt, daß die Fläche (5) der etwa intrinsic-leitenden Zone am Kollektorübergang größer als die gegenüberliegende Fläche am Übergang an der dem Kollektor abgewandten Seite ist.
2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der etwa intrinsic-leitenden Zone (4) stetig abnimmt.
3. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der etwa intrinsic-leitenden Zone (4) stufenweise abnimmt.
4. 4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die etwa intrinsic-leitende Zone (4) mit Störstellen des gleichen Leitfähigkeitstyps wie die Zone (3) an der Basiselektrode schwach dotiert ist.
5. 5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand der etwa intrinsic-leitenden Zone (4) sowie ihre Dicke so gewählt ist, daß bei der Betriebsspannung die Raumladungszone am Kollektorübergang gerade bis zu der an der Basiselektrode liegenden Zone (3) reicht.
6. 6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Basiselektrode (2') die Emitterelektrode (1') konzentrisch umschließt.
7. 7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode (1") und die Basiselektrode (2") linienförmig ausgebildet sind.
8. 8. Verfahren zum Herstellen eines Transistors nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der drei Elektroden und der Bildung der Übergänge durch Einlegieren oder EindifFundieren des Störstellenmaterials in eine Halbleiterscheibe die Elektroden abgedeckt und die Querschnittsabnahme der etwa intrinsic-leitenden Zone, insbesondere durch Ätzen, erzielt wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 035 780, 1 035 787.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 009 678/431 12.60