Halbleiterbauelement Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement. Beim erfindungsgemässen Halbleiterbauelement werden insbesondere solche Oberflächeneigenschaften ange strebt, dass das Auftreten unerwünschter Oberflächen- Leitfähigkeit längs bestimmter Oberflächenbahnen ver mieden ist.
Es ist bekannt, dass Oberflächeigenschaften bei Halbleiterbauelementen, beispielsweise Transistoren, durch einen Überzug auf der Oberfläche stabilisiert werden können. In der Regel geschieht dies in der Weise, dass eine fest haftende Isolierschicht auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht wird, um Änderungen der Oberflächeneigenschaften in Abhängig keit von der Zeit und der umgebenden Atmosphäre zu verhindern. Beispielweise wird eine solche Isolierschicht bei Silizium aus einem Oxyd des Halbleitermaterials des Bauelementes gebildet.
Dieser Belag schützt pn-Über- gänge an der Oberfläche des Halbleiterbauelementes vor unerwünschten Veränderungen und stabilisiert die Ober flächeneigenschaften.
Obwohl der beschriebene Oberflächenschutz sehr vorteilhaft ist und viel verwendet wird, sind mit ihm jedoch auch Nachteile verbunden. Der nicht leitende Belag kann unter bestimmten Bedingungen als Dielektri- kum für die Speicherung elektrischer Ladungen wirken und dadurch die gewünschte Wirkungsweise des Halblei terbauelements stören. Beispielsweise werden die in der hermetischen Abdichtung eines Halbleiterbauelementes eingeschlossenen Gase schnell ionisiert, wenn eine ener giereiche Strahlung in der Umgebung z. B. in der Nähe von Kernreaktoren vorhanden ist.
Obwohl die so erzeug ten negativen Ionen sich in der Regel auf der Oberflä che der metallischen Umhüllung des Bauelementes ver teilen, werden die positiven Ionen auf dem Oxyd oder einer anderen nichtleitenden Schicht des Halbleiterbau elements gespeichert. Die dadurch auf der Aussenfläche der nichtleitenden Schicht vorhandene positive Ladung induziert eine Inversionsschicht, also eine gleich stark geladene jedoch negativ geladene Schicht unmittelbar unter der Schicht auf der Oberfläche des p-Halbleiterma- terials des Bauelements.
Die so erzeugte negative Schicht stellt einen n-leitenden Bereich an der Oberfläche des p- Materials dar, welcher zumindestens einen störenden Einfluss auf die benachbarten pn-Übergänge hat und die Oberflächenleitfähigkeit ändert, so dass die Arbeitsweise des Bauelementes in unerwünschter Weise verändert wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Halb leiterbauelement, welches einen Halbleiterkörper mit p- und n-Gebieten aufweist, die wenigstens einen pn- Übergang bilden, der sich bis zu einer Oberfläche des Halbleiterbauelementes erstreckt, und mit einem auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordneten isolie renden Schutzbelag, welcher den Übergang bedeckt, wobei ferner eine metallische Schicht, welche auf der Oberfläche des isolierenden Belages haftend angeordnet ist und mindestens einen Teil des Überganges an der Oberfläche des Halbleiterkörpers überdeckt,
und mit einem der beiden Gebiete einen ohmischen Kontakt herstellt.
Dadurch kann der elektrische Feldbereich in dem Grenzgebiet zwischen der Isolierschicht und dem darun- terliegenden Halbleiter, welcher die beschriebenen uner wünschten Oberflächeneigenschaften bewirkt, eliminiert oder kompensiert werden. Die Eigenschaften eines Me tallbelages oder einer Metallschicht auf der Aussenfläche der Isolation werden zweckmässigerweise den Eigen schaften des übrigen Bauelementes angepasst.
Vorzugs weise werden die elektrischen Eigenschaften des Metalls oder der Legierung des Metallbelages im Hinblick auf die Eigenschaften des im Einzelfall verwendeten Halblei termaterials ausgewählt, und zwar so, dass der Span nungsgradient, welcher normalerweise unter bestimmten Arbeitsbedingungen durch die Isolierschicht verläuft, eliminiert wird.
Infolge der dadurch bewirkten Aufhe bung des Gradienten in der Schicht wird keine Inver- sionsschicht auf der Halbleiteroberfläche durch eine an den Metallbelägen vorhandene Spannung induziert. Auf diese Weise können die Oberflächeneigenschaften des erfindungsgemässen Halbleiters in vorteilhafter Weise stabilisiert werden, beispielsweise gegen eine Ladung, welche durch eine Akkumulierung von Ionen durch die Ionisation von Gasen innerhalb der hermetischen Ab- schliessung eines Halbleiterbauelementes entsteht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfol gend an Hand der Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Planar-Dio- de.
Fig. 2 zeigt ein Energie-Bänder-Diagramm eines mit einer Metallschicht und einem isolierenden Belag verse- henen Halbleiteraufbaues.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäss aufgebautes Halbleiterbauelement, und Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht nach der Linie 4-4 der Figur 3.
Figuren 5 und 6 zeigen Schnittansichten von anderen Ausführungsformen von Halbleiterbauelementen gemäss der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein Halbleiterbauelement 10 aus Sili zium. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die obere Fläche des Halbleiterbauelementes 10 mit einem Belag 11 aus Siliziumoxyd oder einem anderen Isolier material versehen. Bei dem erfindungsgemässen Halblei ter kann das Gebiet des hohen elektrischen Feldes, das normalerweise an der Oberfläche des Halbleiters infolge von Kapazitätseffekten des isolierenden Belages 11 besteht, eliminiert werden. Ein solches elektrisches Feld gebiet kann beispielsweise induziert werden durch positi ve Ionen, welche sich an der Oberfläche des isolierenden Belages 11 ansammeln.
Das Ergebnis ist, dass eine negative Ladung an der Halbleiteroberfläche 12 indu ziert wird, welche über dem p-Halbleitergebiet 13 negative oder n-leitfähige Bereiche 14 an der Oberfläche des p-Gebietes 13 erzeugt, wie in Fig. 1 durch gestrichel te Linien dargestellt ist. Diese Bereiche haben die unerwünschte Eigenschaft, dass sie die Übergänge in dem Halbleiterbauelement, beispielsweise den Übergang 15, kurzschliessen oder stören und dadurch die Stromlei- tungseigenschaften des Überganges in nachteiliger Weise beeinflussen.
Bei einer speziellen Ausführungsart des erfindungs- gemässen Halbleiterbauelementes wird das Gebiet des elektrischen Feldes, welches normalerweise an der Halb leiteroberfläche von Halbleiterbauelementen mit passi vierten Oberflächen vorhanden ist, dadurch eliminiert, dass metallische (also aus Metall bzw. Legierungen bestehende) Schichten 16 den isolierenden Belag 11 in Gebieten bedecken, die über den Übergangsgebieten in dem Halbleiter liegen.
Mit anderen Worten: In jedem Übergangsgebiet, beispielsweise dem pn-Übergang des Halbleiterbauelementes, ist ein sandwichartiger Metall Isolator-Halbleiteraufbau geschaffen, welcher die Me tallschicht 16, den isolierenden Belag 11 und den Halbleiterkörper 10 einschliesst. Ein solcher Schichtauf bau würde normalerweise ein Energiebanddiagramm haben, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, und es sei bemerkt, dass eine unerwünschte Spannung V. und ein entspre chendes elektrisches Feld normalerweise noch in der Isolierschicht, und dadurch auch an der Halbleiterober fläche, vorhanden sein würde.
Eine solche Spannung V. schliesst eine bei thermischem Gleichgewicht vor handene Spannungskomponente ein, welche zwischen der Metallschicht 16 und dem Halbleiter 10 vorhanden ist, auch wenn die angelegte Spannung Null ist. Die Spannung V. kann ausserdem eine Spannungskompo nente V enthalten, welche von einer an den Kontakt 17 der Diode in Fig. 1 gegenüber Erde angelegten Span nung berührt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfin- dungsgemässen Halbleiters wird die unerwünschte Span nung über der Isolierschicht dadurch auf Null gebracht, dass die verschiedenen Parameter des metallischen Schichtmaterials und des Halbleitermaterials des Bauele mentes in geeigneter Weise gewählt werden. Wenn Nullspannung über dem isolierenden Belag 11 liegt, kann die Oberfläche des Halbleiterbauelementes einen grossen Bereich der angelegten Spannung aufnehmen.
Die Entstehung einer Inversionsladungsschicht oder von Kanälen auf Grund von Ladungen, die sich auf dem me tallischen Belag akkumulieren, ist naturgemäss ausge schlossen, da kein Spannungsabfall über dem isolieren den Belag besteht.
Die unerwünschte Spannung V" zwischen der Metallschicht und dem Halbleiter-wird aus dem Energie stufendiagramm der Fig. 2 wie folgt ermittelt: V. = Asst + V - -X - VD.
- OF. Dabei ist om = Austrittsarbeit der Metall schicht V = an Kontakt 17 angelegte äus- sere Spannung X = Elektronenaffinität des Halb leiters VD = Gleichgewichts-Halbleiter- sperrhöhe oder Diffusions spannung Fermi-Niveau der Elektronen in dem Halbleiter, gemessen vom Rande des Leitfähigkeits- bandes. Bei einem gegebenen Halbleitermaterial mit einer gegebenen Dotierung (durch die Or bestimmt ist)
und einer gegebenen Oberflächenzustandskonzentration (wel che VD bestimmt) und ebenso bei einer gegebenen äusseren Spannung V, welche an den Kontakt 17 angelegt wird, kann dann V" auf O gebracht werden, wenn die folgende Gleichung erfüllt ist: OM = X + VD + Or - V. Um den gewünschten Wert der Austrittsarbeit Ohr zu erhalten, welcher die angegebene Gleichung erfüllt, wird zweckmässig ein geeignetes Metall oder eine geeig nete Legierung für den Metallbelag ausgewählt.
Es bestehe beispielsweise der Halbleiter aus Silizium (X = 4,05 eV), und die aussen angelegte Spannung V sei gleich Null. Ferner sei angenommen, dass kein bestimm ter Oberflächenzustand besteht (VD gleich Null). Damit Va = O, ist dann Om = X + Or = 4.05 eV + OF. Wenn man nun Gold für die Metallschicht wählt, ist = 4.85 eV und das Fermi-Niveau des Silizium ist daher:
(hr = 4.85 - 4.05 = 0.80 eV. Die Trägerkonzentration (p) für p-Silizium, die erforderlich ist, um ein Fermi-Niveau von 0.80 eV zu erhalten, wird aus der folgenden Beziehung errechnet:
EMI0003.0004
Dabei ist ni = Eigenleitungsdichte der Ladungsträger q = Elektronenladung = potentielle Energie eines Elektrons im Valenzband, gemessen gegenüber dem Fermi-Niveau k= Boltzmann-Konstante T= absolute Temperatur.
Für Silizium ist V = 0,554, und ni = 1.25 x<B>1010</B> cm -3. Daher ist p = 1.25 x 1010 exp [0.80 - 0.554/0, 0/2585<B>]</B> = 1.8 x 1014 cm-3. Dies entspricht einem spe zifischen Widerstand von p-Silizium von ungefähr 70 Ohm.cm. Bei dem vorliegenden Beispiel werden daher Halbleiterbauelemente mit passivierten Oberflächen in vorteilhafter Weise aus Silizium aufgebaut, welches die obigen Eigenschaften hat und mit Goldschichten verse hen ist,
die die Oxyd- oder sonstigen isolierenden Beläge überlagern und gegen die pn-übergangsgebieten des Siliziums bedecken. Wenn an die Goldschichten K eine äussere Spannung angelegt ist, sind die Oberflächenei genschaften des p-Silizium daher stabilisiert. Die Wahl eines geeigneten Metalls oder einer geeigneten Legierung für die Nullspannung über der Isolierschicht kann in ähnlicher Weise vorgenommen werden, wenn eine von Null verschiedene Spannung an dem Bauelement liegt. Eine solche von Null verschiedene Spannung kann beispielsweise auch durch positive Ionen oder andere elektrische Ladungen erzeugt werden, welche sich unter bestimmten Betriebsbedingungen auf den Metallschich ten ansammeln.
Als zweites Beispiel zur Erläuterung des Erfindungs gedankens sei ein Siliziumhalbleiterelement betrachtet, welcher eine hohe Konzentration von Donator-Oberflä- chenzuständen hat, wobei die Oberflächenzustandsdichte je Flächeneinheit Qss = 1.0 x 1011 Atome/em2 ist. Es sei angenommen, dass p-Silizium verwendet wird mit einer Trägerkonzentration von 1,0 x 1015 /cm-3, und dass VD = 0.293 eV ist. Es kann dann berechnet werden, dass für die obige Trägerkonzentration 0,72 ist.
Unter der Voraussetzung, dass an die Metall schichten keine Spannung angelegt wird, kann die Spannung über der Isolierschicht durch Verwendung von metallischen Schichten, welche eine Austrittsarbeit haben gleich Null gemacht werden. Die Austrittsarbeit (Ilässt sich wie folgt errechnen: (hM=X+Vn+Or=4.05+0.293+0.72=5.06eV Hier kann wiederum die Spannung V" über der Isolierschicht für eine vorgegebene Spannung auf den Metallschichten eliminiert werden, indem man in ähnli cher Weise ein Metall wählt, welches den erforderlichen Wert der Austrittsarbeit hat.
Die obigen Überlegungen liegen dem Ausführungs beispiel nach Fig. 1 zu Grunde. Eine Planar-Silizium- Diode 10 hat einen p-Siliziumkörper 13 mit einer stark n-dotierten Insel 19, die z. B. durch Diffusion erzeugt wurde. Zwischen der Insel 19 und dem Körper 13 ist ein pn-übergang 15 vorhanden, und dieser Übergang er streckt sich bis zur Halbleiteroberfläche 12.
Ein isolie render Belag 11, beispielsweise ein Siliziumoxydbelag befindet sich auf der Oberfläche 12 und überlagert brückenartig den Übergang 15 dort, wo sich dieser zur Oberfläche 12 erstreckt. Mit der Oberfläche 12 in der Mitte der Insel 19 ist ein ohmscher Kontakt 17 verbun den, dessen äusserer Rand an die Schicht 11 anstösst. Auf der gegenüberliegenden Fläche 21 des p-Körpers 13 befindet sich ein ohmscher Kontakt 20.
Die in Fig. 1 dargestellte Diode weist einen isolieren den Belag 11 von ungleichförmiger Dicke auf, wie er beispielsweise bei Verfahrenstechniken entstehen kann, die bei der Herstellung der Diodenanordnung angewen det werden. Der Belag weist einen verhältnismässig dünnen Teil 22 auf, der eine im wesentlichen gleichblei bende Stärke hat und auf dem p-Gebiet der Oberfläche 12 angeordnet ist, und einen verhältnismässig dicken Teil 23 von ebenfalls im wesentlichen gleichbleibender Stärke, welcher über dem Gebiet der n-Insel 19 am Übergang 15 liegt.
Die stark dosierte n-Insel 19 kann beispielsweise 1019 Atome/ccm aufweisen. Eine Metall schicht 16 ist auf der Oberfläche des isolierenden Belages haftend angeordnet. Die Metallschicht entspricht in ihrer Form weitgehend der Oberfläche des isolieren den Belages, und sie kann beispielsweise durch Plattie ren oder durch andere geeignete Verfahren aufgebracht sein. Wie in der Zeichnung dargestellt wird, weist die Schicht 16 auf den Flächen der Gebiete 22 und 23 des Belages 11 im wesentlich flache und parallel gegeneinan der versetzte Teile 24 bzw. 26 auf. Die flachen Teile 24 und 26 sind durch einen winklig ausgebildeten Teil 27 verbunden, welcher dem Rand des Teiles 23 anliegt.
Im vorliegenden Fall ist die Metallschicht 16 mit dem p- Siliziumkörper 13 ohmisch verbunden. Dies wird durch einen winklig und stufenförmig ausgebildeten peripheren Teil 28 erreicht, welcher mit dem flachen Teil 24 verbunden ist. Der abgestufte Teil 28 liegt dem Rand des Teils 22 an, und ist mit dem Körper an der Oberfläche 12 direkt verbunden.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Bauelement wird in der bereits beschriebenen Weise durch geeignete Wahl der metallischen Schicht und der Halbleiterparameter die Spannung V" in dem oxydischen Belag 11 bei einer angelegten Nullspannung am Übergang (also der Span nung zwischen den Kontakten 17 und 20) auf Null gebracht. In dem verhältnismässig starken Teil 23 des Oxydbelages 11 ändert sich die Spannung mit der Spannung, die über dem Übergang 15 angelegt ist. Jedoch ist das Silizium unterhalb des starken Teils des Oxydes 23 die stark dotierte n-Insel 19.
Wegen der Stärke dieses Teils ist es sehr unwahrscheinlich, dass sich irgendwelche Änderungen der Oberflächenbedingungen oder der Eigenschaften des Oxydes, die infolge einer Wanderung von Verunreinigungen oder Metallionen in dem Oxyd auftreten, als Änderung der Oberflächenei genschaften oder der Eigenschaften des Überganges merklich auswirken. Das Gebiet, in dem das Silizium leicht dotiert ist, also der p-Körper 13 unterhalb des dünnen Teils 22 des Oxydes, kann durch die geringste Veränderung der Oberflächenbedingungen oder der Eigenschaften des Oxyds infolge einer Wanderung von Metallverunreinigungen oder anderen Ionen beinflusst werden.
Jedoch ist beim dargestellten Halbleiterbauele ment das Oberflächengebiet 12 dieses leicht dotierten Gebietes 14 des Siliziumkörpers gegen Feldeinflüsse durch die Verbindung der Metallschicht 16, insbesonde re des Teils 28, mit dem Gebiet 14 geschützt.
Die Spannung V" in der Oxydschicht 11 wird auf Null gebracht, wenn eine Spannung Null über dem Übergang liegt, und die Oberfläche liegt im Nullfeld, wenn keine Nullspannung an den Übergang angelegt ist, da die Metallschicht 16 mit der Siliziummasse verbunden ist und daher auf dem gleichen Potential liegt wie das Silizium unterhalb des dünnen Gebietes des Oxydes.
Mit anderen Worten: die Oberflächeneigenschaften des p- Gebietes am Übergang 15 sind stabilisiert, unabhängig von Spannungsänderungen am Übergang.
Die erfindungsgemässen Halbleiterbauelemente kön nen auch als Transistoren Verwendung finden. Beispiels weise kann bei einem planaren npn-Transistor mit passivierter Oberfläche die Oberflächeneigenschaften da durch stabilisiert werden, dass das Oxyd oder der sonstige isolierende Belag in den Gebieten über den Basis-Kollektor- und Basis-Emitter-Übergängen, oder bei beiden, mit Metallschichten aus einem Material bedeckt sind, das in der beschriebenen Weise ausgewählt ist.
Es ist besonders wichtig, den Basis-Kollektor- Übergang in dieser Weise auszubilden. Die metallischen Schichten können elektrisch ungeerdet sein, oder bei einigen Anwendungen können die metallischen Schichten mit den ohmschen Kontakten des zu erdenden Transi stors verbunden sein, um eine Erdung von Transistorzo nen zu ermöglichen.
Weitere erfindungsgemäss ausgebildete Halbleiter bauelemente sind in den Figuren 3-6 dargestellt. Der in den Figuren 3 und 4 dargestellte Transistor 30 hat ein Kollektorgebiet 31, ein Basisgebiet 32 und ein Emitter- gebiet 33. Emitterkontakt 34 und Basiskontakt 35 sind in üblicher Weise durch Niederschlagen von Metall durch Öffnungen in der Oberfläche ausgebildet, wie es an sich in der Transistorherstellung bekannt ist, bei spielsweise aus USA-Patent 3 025 589. Eine Metall schicht 36 ist auf das Kollektorgebiet 31 und über dem Basis-Kollektor-Übergang 37 aufgebracht. Die.
Metall schicht 36 ist von dem Übergang 37 durch die Oxyd schicht 38 getrennt. Die Oberflächeneigenschaften des Transistors 30 sind durch die Anwesenheit der Metall schicht 36 stabilisiert. In der Ausführungsform, die in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist, ist die Metallschicht 36 ungeerdet.
Bei den Ausführungsbeispielen, die in den Figuren 5 und 6 gezeigt sind, ist eine Metallschicht sowohl über dem Basis-Emitter-Übergang als auch über den Basis- Kollektor-Übergängen des Transistors ausgebildet. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die Metall schicht 39 über dem Emitter-Basis-Übergang 40 mit der Basis-Elektrode 41 einteilig verbunden. Diese Ausbil dung ist für Anordnungen mit geerdeter Basis besonders zweckmässig.
Die Metallschicht 42 über dem Basis- Kollektor-Übergang 43 ist ungeerdet. Durch die in Figur 5 gezeigte Verwendung von Metallschichten über beiden Übergängen des Transistors wird ein hoher Grad von Oberflächenstabilität erreicht.
Das in Figur 6 dargestellte Halbleiterbauelement hat ebenfalls eine Metallschicht sowohl über deren Basis- Emitter-Übergang 44 als auch dem Basis-Kollektor- Übergang 45. Die Metallschicht 46 über dem Basis- Kollektor-Übergang 45 ist wiederum ungeerdet. Die Metallschicht 47 über dem Emitter-Basis-Übergang 44 ist bei diesem Ausführungsbeispiel einteilig mit dem Emitterkontakt 48 verbunden.
Der Transistor gemäss Figur 6 ist daher besonders geeignet für Schaltungen mit geerdetem Emitter. Wenn die Emitterelekfrode 48 geer det ist, werden irgendwelche Ladungen, die sich auf der Metallschicht 47 ansammeln, unverzüglich durch den geerdeten Emitter zur Erde abgeführt.