DE1168567B

DE1168567B - Verfahren zum Herstellen eines Transistors, insbesondere fuer Schaltzwecke

Info

Publication number: DE1168567B
Application number: DEN19491A
Authority: DE
Inventors: Oscar Willem Memelink; Pieter Johannes Wilhel Jochems
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1960-01-30
Filing date: 1961-01-26
Publication date: 1964-04-23
Also published as: CH403086A; NL121713C; GB958521A; ES264383A1; NL247918A; US3172785A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIl

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

Nummer: 1168 567

Aktenzeichen: N 19491 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 26. Januar 1961

Auslegetag: 23. April 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Transistors, insbesondere für Schaltzwecke, bei dem die Emitterzone durch Einlegieren eines Aktivators eines Typs in den Halbleiterkörper des Transistors und bei dem mindestens der zwischen Kollektor und Emitter liegende Teil der Basiszone durch gleichzeitige Eindiffusion eines Aktivators entgegengesetzten Typs hergestellt wird.

In bekannten Transistorschaltungen können störende Nachwirkungen (Speicherwirkungen) auftreten, wenn der Transistor aus dem geöffneten Zustand plötzlich gesperrt werden soll. Im geöffneten Zustand wird nämlich die Übergangsschicht zwischen der Kollektorzone und der Basiszone von dem Strom in Vorwärtsrichtung durchflossen, was eine starke Injektion von Ladungsträgern in die Kollektorzone zur Folge hat. Bevor der Transistor vollständig gesperrt ist, müssen diese Ladungsträger entfernt werden, was eine nicht vernachlässigbare Zeit in Anspruch nimmt.

Die Lebensdauer dieser Ladungsträger kann durch den Zusatz bestimmter, Rekombinationszentren bildender Materialien (Verunreinigungen), auch »Verminderer« genannt, in das Halbleitermaterial verkürzt werden. Als solche Zusätze sind z. B. bei Germanium Eisen, Nickel, Kupfer und Gold anwendbar. Bei der Herstellung schnell schaltbarer Dioden werden solche Zusätze häufig verwendet; bei der Herstellung von Transistoren tritt jedoch der Nachteil auf, daß zum Erzielen einer hohen Verstärkung gerade eine lange Lebensdauer der Ladungsträger mindestens in der Basiszone und insbesondere in demjenigen Teil derselben notwendig ist, der zwischen Emitterzone und Kollektorzone liegt.

Auf Grund anderer Erwägungen, nämlich um Transistoren oder Dioden zu erhalten, die eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweisen, ist es bereits bekannt, ähnliche Verunreinigungen, z. B. Nikkei, Kobalt, Eisen und Gold, dem Halbleitermaterial zuzusetzen. Soweit dabei auch eine Verkürzung der Lebensdauer der Ladungsträger, auch in der Basiszone, auftritt, ergibt sich dabei eine Verminderung des Verstärkungsfaktors.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß solche die Lebensdauer der Ladungsträger verkürzende Verunreinigungen keine nachteilige Verminderung des Verstärkungsfaktors bewirken, wenn ihre Konzentration in demjenigen Teil der Basiszone, der zwischen der Emitterzone und der Kollektorzone liegt, sehr klein gemacht wird. Dies läßt sich bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erreichen, wenn gemäß der Erfindung ein Halbleiterkörper verwendet wird, der mit einer die Lebens-Verfahren zum Herstellen eines Transistors,
insbesondere für Schaltzwecke

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande);

Vertreter:

Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:
Pieter Johannes Wilhelmus Jochems,
Oscar Willem Memelink,
Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 30. Januar 1960 (247 918)

dauer der Ladungsträger verkürzenden Verunreinigung dotiert ist» und wenn zum Einlegieren der Emitterzone ein von einer solchen Verunreinigung freies Material benutzt wird.

Wenn nämlich das Emitterkontaktmaterial aufgeschmolzen und eine Verunreinigung zur Bildung der Basiszone eindiffundiert wird, ergibt sich, daß gleichzeitig die Verunreinigung zur Verkürzung der Lebensdauer aus der Nachbarschaft des geschmolzenen Kontaktmaterials in die Schmelze hinein und damit aus der Basiszone heraus diffundiert. In der Basiszone wird somit die Konzentration der Verunreinigung zur Verkürzung der Lebensdauer der Ladungsträger wesentlich herabgesetzt, so daß die für einen hohen Verstärkungsfaktor wichtige größere Lebensdauer der Ladungsträger in diesem Teil des Transistors wiederhergestellt wird.

Es erfolgt somit gewissermaßen eine Reinigung derjenigen Teile des Halbleiterkörpers, die in der Nähe des aufgeschmolzenen Kontaktmaterials liegen, und zwar insoweit, als es sich um Verunreinigungen handelt, die zwar im Halbleiterkörper, nicht aber im aufgeschmolzenen Kontaktmaterial vorhanden sind. Da hierbei das Kontaktmaterial während einer verhältnismäßig langen Zeit bei verhältnismäßig hoher Temperatur mit dem Halbleiterkörper in Berührung steht, um die diffundierte Basisschicht zu erzeugen, ist auch eine Wanderung von Verunreinigungen aus

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dem Halbleiterkörper in das Kontaktmaterial in ausreichendem Maße möglich.

Die Konzentration (Q₁) dieser Verunreinigungen im geschmolzenen Kontaktmaterial soll geringer sein als die Konzentration (C _{k s}) der betreffenden Verunreinigungen in dem von dem Konktaktmaterial bedeckten Oberflächenteil des Halbleiterkörpers, geteilt durch den Verteilungskoeffizienten k der betreffenden Verunreinigung zwischen der betreffenden Schmelze und dem festen Stoff. Diese Bedingung kann wie folgt angegeben werden:

1
K

C_k,_s

Dies bedeutet, daß die Konzentration der Verunreinigungen in dem Elektrodenmaterial so gering ist, daß die Verunreinigungen aus dem festen Stoff in die Schmelze wandern. Bei den üblichen Verunreinigungen dieser Art, z. B. Eisen, Nickel, Gold und Kupfer, ist der Koeffizient k so klein, daß diese Bedingung leicht erfüllt werden kann.

Es sei bemerkt, daß es für die Erfindung nicht wesentlich ist, daß die Konzentration der die Lebensdauer der Ladungsträger verkürzenden Verunreinigungen im Halbleiterkörper, der nach diesem Verfahren behandelt wird, homogen ist, da die Wirkung in erster Linie für das Gebiet beabsichtigt ist, wo die Basiszone zwischen der Emitterzone und der Kollektorzone gebildet wird.

Es sei weiter darauf hingewiesen, daß der Halbleiterkörper nicht nur eine Emitter-, eine Basis- und eine Kollektorzone, sondern, wie z. B. bei npnp-Transistoren, noch andere Zonen enthalten kann. Vorzugsweise hat der Teil der Basiszone, der sich zwischen der Emitter- und der Kollektorzone befindet, eine Stärke von minimal 0,1 μ. Andererseits beträgt diese Stärke zweckmäßig nicht mehr als 2 μ, um eine effektive Verminderung der »Verminderer« in diesem Teil der Basiszone zu erreichen.

Wenn der Halbleiterkörper aus Germanium besteht, so werden als die Lebensdauer kürzende Verunreinigungen vorzugsweise eines oder mehrere der Elemente Gold, Eisen, Nickel oder Kupfer verwendet. In diesem Fall wird die Basisschicht zweckmäßig durch Diffusion von Arsen und/oder Antimon gebildet. Besteht der Körper aus Silicium, so können vorzugsweise Eisen und/oder Gold als Rekombinationszentren und mindestens eines der Elemente-Aluminium, Indium oder Gallium als Verunreinigung verwendet werden, die durch Diffusion die Basisschicht bilden.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in einer Zeichnung veranschaulicht ist.

Die Figuren zeigen verschiedene Herstellungsstufen eines Transistors in schematischen Schnitten, wobei insbesondere dünne Schichten in vergrößertem Maßstab gezeichnet sind.

Als Ausgangsmaterial dient z. B. eine p-leitende Germaniumscheibe 1 (s. F i g. 1) mit einer Stärke von 200 μ und einem spezifischen Widerstand von 1 Ohm · cm. Auf einer Seite wird eine Goldschicht 2 mit einer Stärke von 0,3 bis 0,4 μ aufgedampft, aus der das Gold durch eine 4 Stunden lange Erhitzung in Wasserstoff bei 800° C in das Material der Scheibe eindiffundiert wird. Die Goldschicht 2 legiert sich dabei gleichzeitig mit dem Germanium und verschwindet teilweise durch Diffusion. Selbstverständlich kann auch eine Scheibe benutzt werden, die aus einem Germaniumkörper gesägt ist, der als Ganzes mit Rekombinationszentren wie z. B. Gold dotiert wurde.

Darauf wird der obere Teil der Scheibe bis zu einer Stärke von 100 μ weggeätzt, um etwaige Oberflächenverunreinigungen vollkommen zu beseitigen (s. Fig. 2).

Auf dieser Scheibe, die hier mit 3 bezeichnet wird,

ίο werden zwei Mengen Kontaktmaterial angebracht, die in Form von Kügelchen mit einem Durchmesser von 150 μ und einem gegenseitigen Abstand von 40 μ angebracht werden. Diese Kügelchen bestehen aus Legierungen von Blei mit 5 Gewichtsprozent Antimon und etwa 1 Gewichtsprozent Aluminium bzw. Blei mit 5 Gewichtsprozent Antimon.

Durch Erhitzen in Wasserstoff für 6 Minuten bei einer Temperatur von etwa 750° C wird das Kontaktmaterial auflegiert (s. Fig. 3). Dabei diffundiert das Antimon aus dem Material in die Oberfläche der p-leitenden Scheibe und bildet dort eine Basiszone mit einer Stärke von etwa 1 μ. Diese Schicht 4 bedeckt die ganze Scheibe und setzt sich unterhalb der Kontakte 5 und 6 fort, was in F i g. 3 in vergrößertem Maßstab veranschaulicht ist. Während des Aufschmelzvorganges wird in dem Kontaktmaterial Germanium gelöst, welches beim Abkühlen rekristallisiert und unterhalb der Kontakte 5 und 6 zwei Schichten 7 und S bildet, von denen die erstere durch den Antimongehalt η-Leitfähigkeit und die zweite Schicht 8 infolge der großen Löslichkeit von Aluminium im Germanium p-Leitfähigkeit aufweist. Die Schicht 8 bildet somit die Emitterzone, während die Teile 4 und 7 die Basiszone bilden.

Während dieses Diffusionsvorganges wandert eine kleine Menge Gold aus der unmittelbaren Nähe der Kontakte in eine Richtung, die der Richtung des diffundierenden Antimons entgegengesetzt ist, wodurch die Anzahl der Rekombinationszentren in der Basiszone wenigstens teilweise verringert wird.

Es ist dabei besonders wichtig, daß die Rekombinationszentren aus demjenigen Teil der Basiszone 4 weggesaugt werden, der sich zwischen der Emitterzone 8 und der Kollektorzone befindet. Die Kollektorzone wird in diesem Falle durch denjenigen Teil der Scheibe 3 gebildet, der sich unterhalb der Schicht 4 befindet.

Schließlich wird ein maskierender Stoff 9 wie z. B. Lack zwischen den Kontakten 5 und 6 angebracht, nachdem diese mit Zuführungsdrähten 10 und 11 versehen worden sind und nachdem die Scheibe 3 z.B. mittels Indium mit etwas Gallium auf einem Kollektorkontakt 12 festgelötet worden ist. Der die Kontakte 5 und 6 umgebende, an der Oberfläche der Scheibe 3 liegende Teil wird darauf weggeätzt (s. Fig.4).

Auf diese Weise erhält man einen Transistor, der sowohl einen annehmbaren Verstärkungsfaktor und einen niedrigen Kollektor-Basis-Ableitungsstrom als auch die für schnelle Schaltungen erforderliche schnelle Rekombination der Ladungsträger aufweist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Transistors, insbesondere für Schaltzwecke, bei dem die Emitterzone durch Einlegieren eines Aktivators eines Typs in den Halbleiterkörper des Transistors und bei dem mindestens der zwischen Kollektor

und Emitter liegende Teil der Basiszone durch gleichzeitige Eindiffusion eines Aktivators entgegengesetzten Typs hergestellt wird, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Halbleiterkörpers, der mit einer die Lebensdauer der Ladungsträger verkürzenden Verunreinigung dotiert ist, und durch die Verwendung eines von einer solchen Verunreinigung freien Materials zum Einlegieren der Emitterzone.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß derjenige Teil der Basiszone, der zwischen der Emitter- und der Kollektorzone liegt, eine Stärke von mindestens 0,1 μ hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil der Basiszone, der zwischen Emitter- und Kollektorzone liegt, eine Stärke von maximal 2 μ hat.

4. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Germanium besteht und daß als die Lebensdauer der Ladungsträger verkürzende Verunreinigung Gold, Eisen, Nickel und/oder Kupfer verwendet werden.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als die durch Diffusion die Basisschicht bildende Verunreinigung Arsen und/oder Antimon verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Silizium besteht und daß als die Lebensdauer verkürzende Verunreinigung Gold und/oder Eisen verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als die durch Diffusion die Basisschicht bildende Verunreinigung Aluminium, Indium und/oder Gallium verwendet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1051983,
632;

deutsche Auslegeschrift S 43734 VTII c/21 g (bekanntgemacht am 18.10.1956);

französische Patentschrift Nr. 1163 048;

»Proc. Phys. Soc.« London, Vol. 70,1957, Part. 11 Sect. B, S. 1087 bis 1089.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 560/304 4.64

■ Bundesdruckerei Berlin