DE1130522B - Flaechentransistor mit anlegierten Emitter- und Kollektorelektroden und Legierungs-verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

P 18553 Vinc/21g

ANMELDETAG: 14. MAI 1957

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 30. MAI 1962

Die Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente nach Art der Transistoren, welche an einem Halbleiterkörper eines bestimmten Leitfähigkeitstyps Elektroden zur Minoritätsladungsträger-Injektion aufweisen und zur Verwendung im Hochfrequenzgebiet bestimmt sind. Im besonderen betrifft sie derartige Halbleiterbauelemente mit Legierungselektroden, bei welchen in bekannter Weise durch Anlegieren der Elektrode an dem als Basiszone dienenden Halbleiterkörper gleichzeitig die entgegengesetzte Dotierung der mit der Elektrode verbundenen Minoritätsladungsträger injizierenden Zone erreicht wird.

Diese Halbleiterbauelemente mit Legierungselektroden stellen derzeit die herstellungsmäßig, insbesondere in kommerzieller Massenherstellung, am besten beherrschte Bauart dar. Die Tiefe, bis zu welcher die Aktivatorsubstanzen bei der Elektrodenherstellung in den Halbleiterkörper einlegiert werden, d. h. die Dicke der betreffenden Minoritätsladungsträger in den Halbleiterkörper injizierenden bzw. aus ihm sammelnden Zone, beträgt dabei mindestens mehrere Mikron, üblicherweise liegt sie in der Größenordnung von 10 Mikron.

Diese verhältnismäßig große Legierungstiefe der bekannten Anordnungen hat den Nachteil, daß die an der Grenzfläche zu dem nicht legierten Halbleiterkörper gebildeten pn-Übergänge verhältnismäßig unregelmäßig und zackig verlaufen. Die pn-Übergänge der einander gegenüberliegenden Emitter- und Kollektorelektroden eines Transistors weichen daher bei der üblichen Herstellung auf dem Legierungswege von der gewünschten planparallelen Anordnung ab und weisen gegenseitige Abstände auf, deren Größe kritisch von dem Legierungsvorgang abhängen und gegenüber kleineren Schwankungen im Herstellungsverfahren in hohem Maße empfindlich sind. Demgegenüber ist bekannt, daß für zufriedenstellende elektrische Eigenschaften der fertiggestellten Halbleiteranordnungen, insbesondere für gute Hochfrequenztauglichkeit derartiger Legierungstransistoren, eine möglichst genaue, insbesondere planparallele Lage der Emitter- bzw. Kollektorzonen bzw. der mit ihnen verbundenen pn-Übergänge erforderlich ist. Diese genaue räumliche Anordnung der Zonen ist bei den herkömmlichen Legierungselektroden mit verhältnismäßig großer Legierungstiefe aus den aufgeführten Gründen nicht oder nur mit großem Aufwände reproduzierbar zu erzielen.

Einer Verringerung der Legierungstiefe, wodurch sich die räumliche Ausbildung der entstehenden Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bzw. der mit ihnen verbundenen pn-Übergänge besser beherrschen Flächentransistor mit anlegierten Emitter- und Kollektorelektroden und Legierungsverfahren zu seiner Herstellung

Anmelder:

Philco Corporation, Philadelphia, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. C.Wallach, Patentanwalt, München 2, Kaufingerstr. 8

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 18. Mai 1956

Albert Deita Rittmann,

Hungtingdon Valley, Pa. (V. St. A.),

ist als Erfinder genannt worden

und durch entsprechende Oberflächengestaltung des Halbleiterkörpers an der für die Elektroden in Aussicht genommenen Stelle in gewünschter Weise beeinflussen ließe, stand bisher entgegen, daß durch die damit verbundene Annäherung des äußeren, im wesentlichen ohmschen Elektrodenanschlusses an den pn-Übergang die unerwünschte, in Richtung aus dem Halbleiterkörper in die injizierende Zone hineinfließende Stromkomponente stark anwächst, wodurch das üblicherweise mit Gamma bezeichnete Injizierungsvermögen, d. h. das Verhältnis der erwünschten Minoritätsladungsträger-Stromkomponente zu dem die injizierende Zone durchfließenden Gesamtstrom, verringert wird. Dies wiederum hat, da das genannte Injizierungsvermögen die theoretische obere Grenze der erzielbaren Stromverstärkung Alpha darstellt, eine Verringerung der erzielbaren Stromverstärkung zur Folge. Als weiterer Nachteil ist mit der Verringerung des Injizierungsvermögens Gamma als Folge geringerer Legierungstiefe eine Verringerung der Ausgangsimpedanz der gemeinsamen Basis verbunden.

Die Erfindung bezieht sich somit auf einen Flächentransistor mit einem plättchenförmigen Halbleiterkörper eines bestimmten Leitfähigkeitstyps und mit an diesem auf gegenüberliegenden Oberflächenseiten

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anlegierten Emitter- und Kollektorelektroden mit anteil, im wesentlichen nur als Folge von Wärmevorgelagerten Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeits- schwingungen des Kristallgitters auf. Die Beweglichtyps, keit ist daher im wesentlichen unabhängig von der

Zur Vermeidung der geschilderten Nachteile der Fremdatomkonzentration. Wird jedoch die bekannten Legierungselektroden mit verhältnismäßig 5 tration der ionisierten Fremdatome in der genannten großer Legierungstiefe wird ein derartiger Flächen- Weise größer als etwa 10¹⁸ je Kubikmeter gewählt, so

transistor gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß die fällt die Streuung der Majoritätsladungsträger a

Dicken der Emitterzone oder der Emitter- und diesen Fremdatomen ins Gewicht. Daher fällt die

Kollektorzonen kleiner als 0,25 Mikron sind und daß Beweglichkeit der Majoritätsladungsträger des unerdiese Zone bzw. diese Konzentration von ionisierten i° wünschten Stromanteils mit wachsender Konzentration

Fremdatomen von mehr als 10¹⁸ je Kubikmeter auf- der Fremdatome rasch ab, wodurch der Tendenz des

weisen. .n.·/-* unerwünschten Stromanteils, der Majoritätsladungs-

Durch die Ausbildung gemäß der Erfindung kann träger aus der Basisschicht in die injizierende Schicht,

die Dicke der Emitter- und der Kollektorzone einer mit zunehmender Nähe des äußeren Elektrodenan-

Legierungselektrode auf einen bisher nicht für möglich 15 Schlusses zu dem inneren pn-Übergang, d. h. mit

gehaltenen geringen Wert verringert werden, ohne daß abnehmender Dicke der injizierenden Schicht, zuzu-

dadurch die elektrischen Eigenschaften des Halbleiter- nehmen, entgegengewirkt wird, bauelementes, insbesondere das Injizierungsvermögen Nach einer bevorzugten Ausführungsform der

der Zone und die Stromverstärkung des Halbleiter- Erfindung ist vorgesehen, daß die Dicke der halb-

bauelementes, beeinträchtigt werden. 20 leitenden Legierungsschicht kleiner als 0,025 Mikr

Durch die außerordentlich geringe Legierungstiefe und die Konzentration an ionisierten Fremdatom von weniger als 0,25 Mikron wird erreicht, daß die in ihr größer als 10¹⁹ je Kubikmeter ist. -ΐι&ί :4" Lage der Inversionsschicht genau der Form der Halb- Die Erfindung ist gleich gut in Verbindung η leiterkörperoberfläche folgt und somit durch ent- einem Halbleiterkörper aus N- oder aus P-Material sprechende Formgebung der für die Elektrode vorge- 25 anwendbar, in dem die Aktivierungssubstanzen in sehenen Halbleiterkörperoberfläche genau vorher be- bekannter Weise jeweils vom entgegengesetzten Leitstimmt werden kann. Werden beispielsweise beide fähigkeitstyp gewählt werden. Bei einem Halbleiter-Elektroden eines Legierungstransistors, Emitter und bauelement mit einem Halbleiterkörper aus N-Ger-Kollektor, in dieser Weise ausgebildet, kann man die manium wird als Aktivatorsubstanz für die Legierungsfür gute Hochfrequenztauglichkeit erwünschte plan- 3° zone vorzugsweise Gallium oder Aluminium verparallele Lage der Inversionsschichten an gegenüber- wendet.BestehtderHalbleiterkörperausP-Germanium, liegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers in geringem so dient als Aktivatorsubstanz für die Legierungszone Abstand voneinander mit der erforderlichen Genauig- vorzugsweise Arsen, Antimon oder Wismut, keit ohne Schwierigkeit auch bei der Massenherstellung Die Ausbildung einer Legierungselektrode gemäß derartiger Halbleiterbauelemente erzielen. Bei dieser 35 der Erfindung findet in erster Linie bei der Herstellung geringen Dicke der Emitter- und der Kollektorzone von Emitterelektroden Anwendung. Sie ist jedoch kann auch die Dicke des Basisbereiches zwischen ebenso auch für Kollektorelektroden geeignet, da ihnen ebenfalls sehr klein, beispielsweise 2,5 Mikron, durch die genannte Verringerung der Beweglichkeit gewählt werden, ohne daß sie kritisch von der prozen- infolge der hohen Konzentration an ionisierten Fremdtualen Genauigkeit der Legierungstiefe abhängt. 40 atomen gleichzeitig die Impedanz der Legierungszone

Legierungselektroden mit derart geringerLegierungs- für Vorspannung in Sperrichtung erhöht wird, ergibt tiefe, d. h. mit derart geringer Dicke der betreffenden sich bei Anwendung der Erfindung auf die Kollektorinjizierenden Zone, wurden bisher nicht für möglich elektrode ein niedriger Sperrstrom und eine hohe gehalten. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, Ausgangsimpedanz, was bei vielen Transistoranwendaß sich die mit der Verringerung der Dicke der 45 düngen erwünscht ist.

injizierenden Zone normalerweise verbundene starke Die Erfindung betrifft ferner auch ein Legierungs-Erhöhung der unerwünschten Stromkomponente aus verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes Majoritätsladungsträgern des Halbleiterkörpers da- mit Legierungselektroden der genannten Art. Diese durch vermeiden läßt, daß man die Konzentration an erfolgt gemäß der Erfindung in der Weise, daß an dem ionisierten Fremdatomen in der injizierenden Zone 50 für die Legierungselektrode vorgesehenen Ober- !; besonders hoch, nämlich größer als 10¹⁸ je Kubiköieter flächenbereich des Halbleiterkörpers eine die Aktivator- *J wählt. Dieser überraschende Zusammenhang, dessen substanz enthaltende Schmelze angeformt und so lange Erkenntnis der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, auf einer zur Lösung des darunter befindlichen Halbdürfte darauf zurückzuführen sein, daß durch die leitermaterials ausreichenden Temperatur gehalten ungewöhnlich hohe Aktivatorkonzentration in der 55 wird, wie erforderlich ist um den Halbleiterkörper bis Legierungszone die Beweglichkeit für die Träger der zu der für die injizierende Zone gewünschten geringen unerwünschten Stromkomponente stark herabgesetzt Tiefe von weniger als 0,25 bzw. 0,025 Mikron zu wird. Diese überraschende Abnahme der Beweglichkeit lösen, worauf die Schmelze zur Rekristallisation des für Ladungsträger des entgegengesetzten Leitfähig- gelösten Halbleitermaterials unter Bildung der injikeitstyps bei den genannten hohen Fremdatomkonzen- 60 zierenden Zone mit dem gewünschten hohen Geh trationen in der injizierenden Zone dürfte auf eine bei an ionisierten Fremdatomen von mehr als 10¹⁸ derart hohen Konzentrationen auftretende Streuung 10¹⁹ je Kubikineter abgekühlt wird, kS-vU " % der Majoritätsladungsträger aus der Basiszone an den Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei 7 Fremdatomen zurückzuführen sein. Bei den üblicher- vorgesehen, daß die Schmelze während des Legierungsweise verwendeten niedrigeren Fremdatomkonzen- 65 Vorganges auf einer Temperatur unterhalb 19O⁰C getrationen in der injizierenden Zone tritt eine derartige halten wird.

Streuung der aus der Basisschicht kommenden Majori- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungs-

tätsladungsträger, das ist der unerwünschte Strom- form erfolgt die Herstellung in der Weise, daß die

Schmelze ein den Halbleiterkörper bei der unterhalb 190°C liegenden Legierungstemperatur gut benetzendes Material sowie die Aktivatorsubstanz enthält und die Aktivatorsubstanz eine wesentlich größere Festlöslichkeit in dem Halbleiterkörper besitzt als das Benetzungsmaterial.

Vorteilhafterweise wird bei der Herstellung, um eine genaue räumliche Lage der Inversionsschichten zu erzielen, so verfahren, daß der Halbleiterkörper vor

Da die ursprünglichen Oberflächenbereiche des Halbleiterkörpers an den Böden der Vertiefungen 14 und 15 im wesentlichen planparallel sind, sind die Grenzschichten 26 und 28 ebenfalls im wesentlichen, wie dargestellt, planparallel.

Da ferner die Legiertiefe, die zur Erzeugung der dünnen Emitter- und Kollektorzonen 30 und 34 erforderlich ist, ein verhältnismäßig kleiner Teil der gesamten Basisdicke Wb sein kann, und da die gesamte

stellten Halbleiteranordnung und

Fig. 3 eine Darstellung, teilweise im Schnitt und teilweise in Ansicht, die sich auf das Herstellungsver-

Anformung der Schmelze zur Erzielung der gewünschten io Dicke des Halbleiterkörpers während der Herstellung Lage und Form der injizierenden Zone in geeigneter der gegenüberliegenden Vertiefungen genau geregelt Weise, beispielsweise mittels elektrolytischer Strahl- werden kann, kann die Basiszonendicke Wb selbst bei ätzung, formgebend bearbeitet wird. der Massenherstellung genau vorbestimmt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung Wegen der geringen Basiszonendicke und der genau ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines 15 planparallelen Emitter- und Kollektor-Übergangs-Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung. In schichten, die in dieser Weise erzielt werden können, dieser zeigt werden äußerst hohe Arbeitsfrequenzen erzielt.

Fig. 1 im Schnitt einen Flächentransistor nach der Bei der Verwendung von Emitterzonen solcher

Erfindung, extrem geringer Dicken wurde festgestellt, daß zur

Fig. 2 in einem vergrößerten Teilschnitt in weiteren 20 Erzielung hoher Alphawerte in einem Transistor die Einzelheiten den mittleren Teil der in Fig. 1 darge- dünne Emitterzone 30 eine durchschnittliche Konzentration von ionisierten aktivierenden Unreinheitsatomen von mehr als etwa 10¹⁸ je Kubikmeter und Vorzugs- , weise mindestens 1O¹⁹Je Kubikmeter aufweisen sollte. ~ fahren eines Flächentransistors nach Art der in Fig. 1 25 Da die Anzahl der freien Ladungsträger im wesentdargestellten bezieht. liehen gleich der Zahl der ionisierten Unreinheits-

In den Fig. 1 und 2 sind gleiche Teile mit den atome ist,, .ist., die Anzahl der freien Ladungsträger gleichen Bezugszeichen versehen, die einzelnen Teile je Kubikmeter ebenfalls größer als etwa 10¹⁸. Bei/i aber nicht unbedingt maßstäblich gezeichnet. In Fig. 1 einem Körper aus Germanium des η-Typs ist z. B. ist ein Körper 10 aus halbleitendem Werkstoff darge- 3° eine Konzentration von mehr als 10¹⁸ ungebundenen stellt, an den ein Basisplättchen 12 als ohmsche Kon- Löchern je Kubiknieter in der Emitterzone 30 vortaktelektrode angelötet ist. Der Halbleiterkörper weist handen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann zwei einander gegenüberliegende Vertiefungen 14 und die Kollektorzone 34 eine ähnliche Konzentration 15 mit im wesentlichen flachen Böden auf. von Überschußladungsträgern aufweisen, so daß ein

Ein Metallkörper 16, an den eine Zuleitung 18 ange- 35 hoher Alphawert für die Gegenrichtung erzielt werden lötet ist, dient als Emitterelektrode. Ein anderer kann.

Metallkörper 20 bildet eine Kollektorelektrode mit Die Einzelheiten irgendeiner bestimmten Theorie

dem Kollektorbereich des Halbleiterkörpers 10 und sollen keine einschränkende Wirkung für die Erfindung ist mit einem in geeigneter Weise angelöteten Kollek- haben. Die folgenden Betrachtungen haben sich jedoch torzuleitungsdraht 22 versehen. Im wesentlichen plan- 40 als hilfreich für das Verständnis und die Anwendung parallele gegenüberliegende Grenzschichten 26 und 28, der Erfindung in verschiedenen Formen erwiesen. Wenn

Emitterbereiche mit Dicken W₆ der Größenordnung von 0,02 Mikron verwendet werden, so ist, wie sich herausgestellt hat, das Injizierungsvermögen Gamma 45 des Emitters unerwünscht niedrig, wenn gewöhnliche Konzentrationen von Unreinheitsatomen für den Emitterbereich verwendet werden. Es werde zu diesem Zweck ein spezieller Fall betrachtet, bei welchem der Basisbereich aus Germanium des η-Typs besteht. Bereich zwischen der Kollektorübergangsschicht 28 50 Solche verhältnismäßig niedrigen Gammawerte herrund dem Kollektorkontakt 20 aufweist. Der Halb- sehen wegen eines übermäßig starken Flusses eines leiterwerkstoff der Dicke Wb zwischen den beiden unerwünschten Elektronenstromes von der Basiszone Grenzschichten bildet dann die Basiszone des Tran- in die Emitterzone 30, wenn die Übergangsschicht 26 sistors. wie für normale Arbeitsweise des Transistors in Durch-

Nach der Erfindung ist mindestens die Emitter- 55 laßrichtung vorgespannt ist. Dieser starke Elektronenzone 30 äußerst dünn, und wenn sie in der bevorzugten strom wird durch die Nähe des im wesentlichen Weise durch Einlegieren von Metall in die Oberfläche ohmschen Kontaktes 16 gegenüber der Emitterüberdes Halbleiterkörpers gebildet wird, ist die Emitter- gangsschicht aus den folgenden Gründen hervorübergangsschicht im wesentlichen genau parallel zu gerufen. Bei einer derart geringen Dicke der Emitterder ursprünglichen Fläche des Halbleiterkörpers 10. 60 zone wird der Konzentrationsgradient von Leitfähig-Insbesondere ist nach der Erfindung die Dicke W_e des keitselektronen in der Emitterzone, wenn der Emitter Emitters geringer als 0,25 Mikron und vorzugsweise in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, durch die Dicke von der Größenordnung 0,02 Mikron oder weniger. der Emitterzone bestimmt, und nicht durch den Wert Ebenso kann die Kollektorzone 34 eine verhältnis- der Diffusionslängencharakteristik des Werkstoffes, mäßig geringe Dicke W₀ aufweisen. Ihre räumliche 65 aus dem die Emitterzone besteht. Insbesondere Anordnung wird daher im wesentlichen vollständig hat sich herausgestellt, daß die Elektronenkomponente durch die Form der Oberfläche des unmittelbar an des Emitterstromes in einer so dünnen Emitterzone diese angrenzenden Halbleiterkörpers 10 bestimmt. des p-Typs sich im wesentlichen umgekehrt proportio-

die klarer durch die gestrichelten Linien 26 und 28 in Fig. 2 dargestellt sind, sind in dem halbleitenden Körper 10 unterhalb des Emitterkontaktes 16 bzw. des Kollektorkontaktes 20 angeordnet.

Wie insbesondere Fig. 2 zeigt, weist der Emitterbereich des Transistors den Bereich 30 einer Dicke W_e zwischen der Emittergrenzschicht 26 und der Metallschicht 16 auf, während der Kollektorbereich 34 den

einen niedrigen Sperrstrom und eine hohe Ausgangsimpedanz, was bei vielen Anwendungen der Transistoren in Schaltungen erwünscht ist.

Die nötigen hohen Konzentrationen entweder für die Emitterzone oder die Kollektorzone in einem Germaniumkörper sind, wie festgestellt wurde, durch Verwendung von Gallium als Verunreinigungszusatz,., Überschußträgerkonzentrationen von mehr als 10W^ Träger je Kubiknfeter" und ausgezeichnete Gamma

und Leistungskenngrößen bestimmter bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden weiter unten im einzelnen angegeben.

Obwohl Flächentransistoren nach der Erfindung nach einem beliebigen, von verschiedenen voneinander abweichenden Verfahren hergestellt werden können, wurde ein Verfahren als besonders vorteilhaft ermittelt. Nach diesem Verfahren werden zunächst die einander

Aß

nal zur Dicke W_e der Emitterzone ändert und daher
schnell wächst, während W_e sich Null nähert. Da
Änderungen der Dicke der Emitterzone eine kleine
oder keinerlei Wirkung auf die erwünschte Löcherkomponente des Emitterstromes haben, sucht der
geringe Wert von W_e> der in einer sehr dünnen
Emitterzone vorhanden ist, das Injizierungsvermögen
Gamma eines solchen Emitters wesentlich herabzusetzen. „ ., . „

Es wurde jedoch festgestellt, daß den sonst mit 1° und Alphawerte leicht auf diese Weise erzielbarXj äußerst dünnen Emitterzonen erzielten niedrigen Spezielle Beispiele typischer Werkstoffe, Abmessungen Injizierungsvermögen dadurch entgegengewirkt werden
kann, daß in den Emitterzonen die oben beschriebenen
ungewöhnlich hohen Konzentrationen von ionisierten
Unreinheitsatomen verwendet werden. Insbesondere 15
wurde folgendes festgestellt: Wird die Emitterzone 30
mit einer Aktivierungsunreinheit so stark versetzt, daß
in diesem eine Konzentration von Überschuß-Ladungsträgern von mehr als etwa 10¹⁸ und vorzugsweise 10¹⁹

oder mehr Trägern je Kubik-rrieSi erzeugt wird, so 20 gegenüberliegenden Flächen des Halbleiterkörpers in wird die Beweglichkeit des unerwünschten Typs von der schließlich für die Emitter- und Kollektorüber-Trägern in der Emitterzone stark herabgesetzt. Ob- gangsschichten erwünschten Form und mit dsm wohl beimittleren oder niedrigenTrägerkonzentrationen erwünschten Abstand zwischen ihnen ausgebildet, und diese Beweglichkeit im wesentlichen unabhängig von dann wird an die geeignete Fläche eine Schmelze angeder Konzentration zu sein scheint, so sinkt, während 25 formt, die eine Aktivierungsunreinheit des den gedieTrägerkonzentration über 10^lsTrägerjeKubik#eter wünschten Emitterbereich bildenden Typs enthält. Die gesteigert wird, die Beweglichkeit im wesentlichen Menge des Werkstoffes in der Schmelze und die Zeit umgekehrt proportional der ²/₃-Potenz der Träger- und Temperatur seiner Anwendung werden so konzentration. Da die unerwünschte Stromkomponente gewählt, daß das erwünschte und äußerst dünne durch die Emitterübergangsschicht im wesentlichen 30 Legieren des Metalls mit dem darunterliegenden proportional der Beweglichkeit ist, erzeugen Zunahmen Halbleiterkörper erzielt wird. Ein allgemeines Verfahren

für eine solche Herstellung wird nun im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben.

In dieser Figur stellt der abgebildete Halbleiterbaugang, der bei niedrigen Konzentrationen nicht auf- 35 teil den Zustand des Bauteils nach Fig. 1 dar, der tritt. unmittelbar vor der Bildung des Emitterbereiches

durch Legieren vorhanden ist. Der Körper 10 kann aus einem einkristallinen Halbleiterwerkstoff, wie Germanium oder Silizium, mit einem verhältnismäßig

die schnelle Zunahme der Streuung von Elektronen 40 hohen spezifischen Widerstand bestehen, der für den durch die ionisierten Unreinheitsatome, die bei derart Basisbereich eines Transistors geeignet ist. Das Basishohen Konzentrationen auftritt. Bei niedrigen Kon- plättchen 12 kann zweckmäßig an den Körper 10 zentrationen von ionisierten Unreinheitsatomen tritt mit einem geeigneten ohmschen Lot vor der Bildung nämlich die Elektronenstreuung hauptsächlich infolge der Emitter- und Kollektorgrenzschichten angslötet der Wärmeschwingungen des Kristallgitters auf, und 45 werden, so daß für eine zweckmäßige Halterung und die Beweglichkeit ist daher im wesentlichen unab- eine elektrische Verbindung während der Verarbeitung hängig von der Trägerkonzentration. Wenn jedoch die gesorgt ist. Die gegenüberliegenden Vertiefungen 14 Dichte der ionisierten Unreinheitsatome etwa 10¹⁸ und 15 können dann im Körper 10 in an sich bekannter Atome je Kubikmeter übersteigt, wird die von solchen Weise durch elektrolytisches Strahlätzen ausgebildet Atomen erzeugte Streuung wesentlich. Oberhalb 50 werden, so daß zwischen den Vertiefungen ein Bereich dieses Wertes fällt die Beweglichkeit mit wachsender des Halbleiterwerkstoffes übrigbleibt, der die geKonzentration rasch ab. wünschte geringe Dicke hat und im wesentlichen Demgemäß wird durch Verwendung von Träger- planparallele gegenüberliegende Flächen aufweist. Die konzeiurationen von mehr als etwa 10¹⁸ Trägern je kleinen metallischen Ablagerungen 16a und 20a kön-Kubiljmerer im Emitterbereich dem Bestreben der 55 nen an die gegenüberliegenden, im wesentlichen planäußerst geringen Dicke des Emitterbereiches, die parallelen Oberflächenbereiche an den Böden der Verunerwünschte Stromkomponente durch die Emitter- tiefungen 14 bzw. 15 durch elektrolytisches Strahlgrenzschicht stark zu erhöhen, entgegenwirkt, und es plattieren angeformt werden.

wird ein hoher Prozentsatz des Emitterstromes von Vorzugsweise ist die Menge des so abgelagerten

dem Trägertyp befördert, der in die Basiszone injiziert 60 Werkstoffes so klein, daß, selbst wenn sie wenig über werden soll. Dies ist identisch mit einem hohen ihren Schmelzpunkt erhitzt wird und in Berührung Gammawert. Ferner ist die Impedanz einer solchen mit der Halbleiteroberfläche während einer verhältnis-Grenzschicht, wenn diese in Sperrichtung vorgespannt mäßig langen Zeitdauer gelassen wird, nicht viel Metall ist, ebenfalls etwas höher, wenn die Beweglichkeit in in den Halbleiterkörper eindringt, verglichen mit der dieser Weise durch äußerst starke Verunreinigung des 65 Dicke der schließlich erwünschten Emitter- und Halbleiters herabgesetzt wird. Demgemäß besitzt eine Kollektorbereiche. Durch eine solche Begrenzung der dünne Kollektorzone wie 34 in Fig. 2 nicht nur einen Menge des verwendeten Überzugsmetalls werden dis hohen Alphawert für die Gegenrichtung, sondern auch Wirkungen kleiner Änderungen der Legierzeit auf de

der Trägerkonzentration in diesem Bereich hoher
Konzentration wesentliche Abnahmen der unerwünschten Stromkomponente durch einen Vor-

Die physikalische Grundlage für das Auftreten dieser
merkbaren Abnahme der Beweglichkeit bei äußerst
hohen Trägerkonzentrationen ist, wie man annimmt,

Dicke der Emitterzone stark herabgesetzt. Der Werkstoff der Ablagerung 16 a ist vorzugsweise ein Werkstoff, der unter normalen Arbeitstemperaturen mechanisch stabil ist und an den die Leiter 18 und 22 leicht angelötet werden können und der außerdem vorzugsweise einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt hat, so daß ein Legieren bei niedriger Temperatur in den folgenden Verfahrensschritten angewendet werden kann.

Zum Bewerkstelligen der gewünschten Art des äußerst flachen Legierens kann eine geringe Menge einer geeigneten Aktivierungssubstanz 38, wie z. B. Gallium, auf den Emitterkontakt, wie dargestellt, aufgebracht werden. Es wird vorzugsweise eine Aktivierungssubstanz mit einer hohen Festlöslichkeit in dem Werkstoff des Halbleiters und einem niedrigen Schmelzpunkt gewählt, und die Festlöslichkeit der Substanz ist vorzugsweise wesentlich größer als die des Metalls der Ablagerung 16 a. Die Aktivierungssubstanz 38 und das Metall der Ablagerung 16a können dann eine kurze Zeit lang auf eine Temperatur erhitzt werden, die gerade hoch genug ist, um beide Substanzen zu schmelzen und beide in äußerst geringem Maße mit der darunterliegenden Halbleiterfläche zu legieren. Typischerweise werden die Substanzen auf eine Temperatur von nur etwa 170⁰C wenige Sekunden lang erhitzt. Wegen der starken Benetzung zwischen dem Überzugsmetall und dem Halbleiter, wenn das Metall durch elektrolytisches Strahlplattieren aufgebracht wird, ist ein Legieren bei niedriger Temperatur bis in eine sehr geringe Tiefe möglich, ohne daß ein Zusammenballen der Schmelze und ein sich daraus ergebender Verlust der Kontrolle über die Form des legierten Bereiches eintritt.

Zur Durchführung dieses Erhitzens und Legierens kann ein Heizelement 40 mit einer haarnadelartigen Drahtschleife 42 verwendet werden. Die Schleife wird durch elektrischen Strom aus einer geeigneten Stromquelle 44 gespeist. Die Schleife 42 kann so nahe am Emitterkontakt angeordnet werden, daß sie diesen durch Strahlung heizt, in einem typischen Falle während einer Zeitdauer, die lang genug ist, um ein beobachtbares Schmelzen oder Absacken des zusammengesetzten Gebildes aus der Aktivierungssubstanz und dem benachbarten abgelagerten Metall zu erzielen. In diesem Zeitpunkt kann der Heizstrom unterbrochen und der Körper abgekühlt werden, so daß sich die erwünschte äußerst dünne Emitterzone bildet. Wenn auch der Kollektor von der Bauart mit legierter Grenzschicht sein soll, kann der Körper 10 umgedreht werden, so daß die Ablagerung 20a nach oben weist. Ein geeigneter kleiner Körper einer Aktivierungssubstanz wird dann wie im Falle der Emitterelektrode an die Ablagerung angefügt, und die Verfahrensschritte des Erhitzens, Schmelzens, des flachen Legierens und des Abkühlens werden zur Bildung der Kollektorzone wiederholt.

Die Zuleiter 18 und 22 können dann an die Emitterbzw. Kollektorkontakte angelötet und ein Lot verwendet werden, das aus Indium und Kadmium im eutektischen Gemisch besteht. Vorzugsweise wird dieses Löten bei einer niedrigen Temperatur und einer kurzen Erhitzungsdauer ausgeführt, so daß der Kontakt während des Lötens nicht wesentlich schmilzt. Das zum Löten erforderliche angemessene Erhitzen kann dadurch herbeigeführt werden, daß ein elektrischer Strom durch einen Teil der entsprechenden Jieiter eine kurze Zeitlang geführt wird.

In einem als Beispiel dienenden Falle sind die genauen Bedingungen und die zur Herstellung verwendeten Substanzen sowie die physikalischen und elektrischen Eigenschaften des sich ergebenden Bauteiles folgende: Ein rechteckiges Plättchen von η-Germanium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1 Ohm · cm und einer Lebensdauer von 100 |i.sec wurde bearbeitet und auf eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke von etwa 80 Mikron geätzt. Ein Basiselektrodenplättchen aus Nickel wurde an das eine Ende des Germaniumplättchens angelötet, wozu ein Blei-Zinn-Antimon-Lot zur Erzeugung einer im wesentlichen ohmschen Elektrode verwendet wurde. Das Germaniumplättchen wurde dann durch darauffolgendes Eintauchen in H₂O und C₂H₄O₂ gereinigt und mit Hilfe seiner plattenförmigen Basiselektrode in einem leitfähigen Halter gehaltert. Darauf wurden zwei Strahlen aus einem Elektrolyten gebildet, der aus 7,7 g In₂(SOi)₃, 11 g NH₄Cl, 0,5 g Natriumlaurat und einem Liter H₂O besteht. Die in diesem Falle verwendeten Strahlen hatten Durchmesser von 0,13 bzw. 0,18 mm, wurden gegen gegenüberliegende Seiten des Halbleiterplättchens in der Nähe von dessen Mitte gerichtet und negativ gegenüber der Basiselektrode vorgespannt, wodurch zwei gegenüberliegende Vertiefungen mit flachen Böden in dem Körper durch elektrolytisches Strahlätzen erzeugt wurden. Mit Hilfe von Infrarotstrahlung wurde die Dicke des zwischen den Böden der Vertiefungen verbleibenden Werkstoffes überwacht. Hierdurch konnte der Ätzvorgang angehalten werden, wenn die Dicke auf etwa 2,5 Mikron herabgesetzt worden war.

Die Polarität des angelegten Potentiales wurde dann umgekehrt und dadurch Indiummetall elektrolytisch auf die Böden der Vertiefungen aufplattiert. Die Indiumablagerung hatte in jedem Falle eine Dicke von ungefähr 25 Mikron in ihrer Mitte. Das die gegenüberliegenden Indiumtupfen tragende Plättchen wurde dann durch etwa fünf Sekunden langes Eintauchen in H₂O gereinigt. Der Durchmesser des von dem dünneren Strahl erzeugten Indiumtupfens betrug dann etwa 0,15 mm und der Durchmesser des von dem dickeren Strahl erzeugten Tupfens etwa 0,2 mm. Der kleinere Tupfen diente schließlich als Emitterkontakt und der größere als Kollektorkontakt. Die auf diese Weise abgelagerten Indiumtupfen bildeten Oberflächen-pn-Schicht-Kontakte. Durch Vorspannen des Kollektorkontaktes in Sperrichtung wurde die Durchschlagspannung experimentell gemessen. Diese lieferte eine Angabe über die Dicke des Halbleiterkörpers zwischen den Kontakten vor dem Legieren.

Als nächstes wurde ein winziges Galliumkügelchen, dessen Volumen gleich dem einer Kugel von etwa 25 Mikron Durchmesser war, auf den Emitterkontakt gelegt und das Germaniumplättchen wie in Fig. 3 angeordnet, so daß der Emitterkontakt oben lag. Diese Galliummenge ist etwa 1 % der Indiummenge in der Ablagerung und ist, wie sich herausgestellt hat, groß genug, um die Grenzschichteigenschaften zu bestimmen, und klein genug, um zu verhindern, daß ein Kontakt gebildet wird, der für ein befriedigendes Befestigen des Leiters zu weich ist. Eine Haarnadelschleife, wie die in Fig. 3, wurde durch einen hindurchgeleiteten elektrischen Strom erhitzt und etwa 1,6 mm vom Emitterkontakt entfernt gehalten, bis- ein Absacken der Indiumablagerung erkennbar wurde, die anzeigte, daß das Schmelzen eingetreten war. Die Heizdauer betrug einige Sekunden und die von der

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Claims (16)

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Schmelze erreichte Temperatur etwa 170°C. Der hergestellt wurden, mit der Ausnahme, daß das

durch die Drahtschleife geschickte Strom wurde dann Gallium weggelassen wurde und nur das Indium mit

unterbrochen und dem Gebilde gestattet, etwa dem Germanium legiert wurde. Der Alphawert des

1 Minute lang abzukühlen. Der Halbleiterkörper sich ergebenden Transistors betrug etwa 0,97 bei 1 mA, wurde dann umgekehrt, ein Galliumkügelchen, ähnlich 5 verglichen mit 0,99 mit Galliumaktivierung. Der ent-

dem vorher auf den Emitterkontakt gesetzten, auf den sprechende Betawert betrug etwa 32, verglichen mit

Kollektorkontakt aufgebracht und wiederum Strom 138. Bei etwa 50 mA sank der mittlere Betawert auf

durch die Drahtschleife eine kurze Zeit lang geschickt, etwa 5, verglichen mit einem Wert von 118 für den

die ausreicht, momentan das Indium des Kollektor- galliumaktivierten Transistor nach der Erfindung. Eine kontaktes zu schmelzen. Das Gebilde wurde dann io Untersuchung des Bauteiles mit indiumaktivierter

wiederum zum Rekristallisieren des Werkstoffes abge- Übergangsschicht zeigte, daß, während die Dicke der

kühlt. Emitterzone etwa dieselbe wie bei der Verwendung

Geeignete Zuleiter wurden an den beiden gegenüber- von Gallium war, die Löcherkonzentration in der _; liegenden Kontakten durch Schnell-Löten mit einem Emitterzone wesentlich geringer war, d. h. ^yjonud eutektischen Indium-Kadmium-Lot befestigt. Hierzu 15 Größenordnung von 10¹⁷ Trägern je Kubikmeter? Öle wurde ein Ende jedes Zuleiters gegen einen der Beweglichkeit von Elektronen in der Emitterzone Kontakte gesetzt und das Lot auf den Zuleiter ober- daher etwa zehnmal größer als bei der Verwendung von" halb des Berührungspunktes aufgebracht. Ein elek- Gallium und der unerwünschte Elektronenstrom aus irischer Strom wurde durch einen Teil des Zuleiters diesem Grunde etwa hundertmal größer, so lange und in einer solchen Stärke geführt, daß das 20 Obwohl die Erfindung insbesondere im Hinblick auf Lot geschmolzen wurde, ohne den Indiumkontakt zu mit Gallium versetzte Emitterzonen in Körpern aus schmelzen. Der sich ergebende Bauteil wurde dann η-Germanium beschrieben wurde, kann sie auch bei durch etwa 2 Sekunden langes Eintauchen in eine anderen Formen angewandt werden, bei welchen eine Lösung aus 15On³C₂H₄O₂, 8cm³HN0₃und5cm⁸HF Emitterzone der angegebenen geringen Dicke mit der gereinigt. 25 hohen Überschußträgerkonzentration verwendet wird. Messungen der Durchschlagspannung wurden dann Zum Beispiel kann Aluminium an Stelle von Gallium für den vervollständigten Transistor durchgeführt. bei der Herstellung von Emitterzonen des p-Typs ver-Diese Messungen zeigten, daß der Abstand zwischen wendet werden. Wenn die Emitterzone aus n-Gerder Emitter- und der Kollektorgrenzschicht um etwa manium besteht, kann die zuzusetzende Verunreini-50 ηιμ geringer war als die bei der vorher erwähnten- 30 gungssubstanz Arsen, Antimon oder Wismut sein. Für Durchschlagmessung bestimmte Körperdicke. Hieraus eine Siliziumemitterzone des p-Typs kann die Verergab sich eine Dicke der Emitterzone von etwa unreinigungssubstanz Bor sein, und für eine Silizium-25 ηιμ und eine gleich große Dicke für die Kollektor- emitterzone des η-Typs können Phosphor, Arsen oder zone. Es stellte sich heraus, daß dieser Wert für die Antimon verwendet werden. Zur Erzielung vonEmitter-Dicke der Emitterzone auch mit dem Wert überein- 35 zonen mit Dicken von wesentlich weniger als 0,25 stimmte, der beim Legieren von Indiumkontakten in Mikron und hohen Gammawerten sollte die Κοη-χ-Τΐ> Germanium des η-Typs bei einer Temperatur von zentration von ionisierten Unreinheitsatom^n i_n jedem ~;^ etwa 17O⁰C zu erwarten war. Falle größer als etwa 10¹⁸ je Kubibrrieler sein, ent- ' *J Die mittlere Gleichgewichtskonzentration von sprechend einem spezifischen Widerstand von weniger _s.,;£^ Löchern im Emitterbereich wurde durch Messungen 40 als etwa 0,01 Ohm · cm. Für Emitterzonendicken in der Änderung der Stromverstärkung β des Transistors dem bevorzugten Bereich von etwa 25 ηιμ oder mit geerdetem Emitter bei Zunahmen des Kollektor- weniger sollte die_;,jCon,zentration mehr als etwa 10¹⁹ stromes bestimmt und durch Messungen des spezi- Atome je Kubik^neflr'betragen, entsprechend fischen Widerstandes von in gleicher Weise herge- spezifischen Widerstand von weniger als etwa stellten, jedoch größeren Emitterzonen. Die Ergebnisse 45 Ohm ■ cm.

dieser Messungen zeigten, daß die Ladungsträger- Das Herstellungsverfahren kann auch wesentlich konzentration in der Emitterzone des in der beschrie- von dem oben beschriebenen abweichen. Zum Beispiel benen Weise hergestellten Bauteiles größer als 10¹⁹ je kann der BasiszonenwerkstofF nach anderen Verfahren Kubikmeter war. ZS-h-H als dem elektrolytischen Strahlätzen vorbereitet undge-Der sich ergebende Transistor wurde geprüft und 50 formt werden. Ferner können die Aktivierungssubstanz, die folgenden Kenngrößen ermittelt, die bei einer z. B. Gallium, und die bei der bevorzugten Ausfüh-Kollektorbasisspannung von —3 V und einem Kollek- rungsform verwendete hauptsächliche Metallkompotorstrom von 1 mA gemessen wurden: nente, z. B. Indium, gleichzeitig aufgebracht werden, Fmitterwiderstand 33 Ohm ^z·^{Bl durch} g^leichzeitiges Elektroplattieren, oder die Kollektorwiderstand _rc 2,92 MOhm 55 Aktivierungssubstanz kann sogar auf den Halbleiter-Kollektorkapazität Cc 3,78 pF 1^Οΐψ ^vor/^er hauptsächlichen Komponente aufge-

MaximaleSchwingungsfrequenz/_ro(U; 61 MHz/sec bracht werden.

Maximale Kollektorspannung V_max 8 V

Stromverstärkung bei geerdeter Basis 0,9928 PATENTANSPRÜCHE:

Stromverstärkung β bei geerdetem ° , _ra. , . ., ... ,..„.τ. _r·· ·

Emitter 138 !.Flächentransistor mit einem plattcnenf orangen Mittleres ß, gemessen bei 10 mÄ''.'.'. 192 Halbleiterkörper eines bestimmten Leitfähigkeits-Mittleres ß, gemessen bei 20 mA ... 172 ¹XFTu ^mit· ^an Τ™ νgegenuberhegenden Mittleres ß, gemessen bei 5OmA ... 118. Oberflachenseiten unlegierten Emitter- und Kollek^r 65 torelektroden mit vorgelagerten Zonen entgegen-Die durch den starken Zusatz von Gallium erzielte gesetztenLeitfähigkeitstyps,dadurchgekennzeichnet, Verbesserung wurde auch geprüft, indem Transistoren daß die Dicken (We bzw. W₀ in Fig. 2) der Emitterin der gleichen Weise, wie vorstehend beschrieben, zone oder der Emitter- und Kollektorzonen

(30 bzw. 34) kleiner als 0,25 Mikron sind und daß diese Zone bzw. diese Zonen eine Konzentration von ionisierten Fremdatomen von mehr als 10¹⁸ je Kubikmeter aufweisen. &;^ι

2. Flächentransistor nach Anspruch I₅ dadurch S gekennzeichnet, daß die Dicke der Emitterzone (30 bzw. 34 in Fig. 2) kleiner als 0,025 Mikron ist

■ und eine Konzentration an ionisierten Fremdatomen von mehr als 10¹⁹ je Kubikmeter aufweist.

3. Flächentransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durchschnittliche spezifische Widerstand in der Emitterzone weniger als 0,01 Ohm · cm beträgt.

4. Flächentransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durchschnittliche spezifische Widerstand in der Emitterzone weniger als 0,001 Ohm · cm beträgt.

5. Flächentransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper vom N-Typ ist und daß die Emitterzone als Aktivatorsubstanz ionisierte Fremdatome aus Gallium, Aluminium oder Bor aufweist.

6. Flächentransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus N-Germanium besteht und daß die Emitterzone als Aktivatorsubstanz ionisierte Fremdatome aus Gallium oder Aluminium aufweist.

7. Flächentransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus N-Silizium besteht und daß die Emitterzone als Aktivatorsubstanz ionisierte Fremdatome aus Bor aufweist.

8. Flächentransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper vom P-Typ ist und daß die Emitterzone als Aktivatorsubstanz ionisierte Fremdatome aus Arsen, Antimon, Wismut oder Phosphor aufweist.

9. Flächentransistor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus P-Germanium besteht und daß die Emitterzone als Aktivatorsubstanz ionisierte Fremdatome aus Arsen, Antimon oder Wismut aufweist.

10. Flächentransistor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus P-Silizium besteht und daß die Emitterzone als Aktivatorsubstanz ionisierte Fremdatome aus Phosphor, Arsen oder Antimon aufweist.

11. Legierungsverfahren zur Herstellung eines Flächentransistors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem für die Legierungselektroden (16 bzw. 20 in Fig. 1) vorgesehenen Oberflächenbereich (14 bzw. 15 in Fig. 3) des Halbleiterkörpers (10) eine die Aktivatorsubstanz enthaltende Schmelze (16 a, 38 bzw. 20 a in Fig. 3) angeformt wird und so lange auf einer zur Lösung des darunter befindlichen Halbleitermaterials ausreichenden Temperatur gehalten wird, daß der Halbleiterkörper bis zu der für die gewünschte geringe Tiefe von weniger als 0,25 bzw. 0,025 Mikron gelöst wird, und daß dann die Schmelze bis zur Rekristallisation so abgekühlt wird, daß die Zonen mit dem gewünschten hohen Gehalt an ionisierten Fremdatomen von mehr als 10¹⁸ bzw. 1O¹⁹Je Kubikmefei gebildet werden.

12. Legierungsverfahfen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze während des Legierungsvorganges auf einer Temperatur unterhalb 190⁰C gehalten wird.

13. Legierungsverfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelze ein solches den Halbleiterkörper bei der unterhalb 190⁰C liegenden Legierungstemperatur gut benetzendes Material (16 a, 20 a in Fig. 3) sowie die Aktivatorsubstanz (38 in Fig. 3) zugesetzt werden, daß die Aktivatorsubstanz eine wesentlich größere Festlöslichkeit in dem Halbleiterkörper als das Benetzungsmaterial besitzt.

14. Legierungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anformung der Schmelze der Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers mit einem Metall als Benetzungsmaterial überzogen wird (16 a bzw. 20 a), auf welches die Aktivatorsubstanz (38) vor der Erwärmung aufgebracht wird.

15. Legierungsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Benetzungsmetall (16 a) im elektrolytischen Strahlplattierverfahren auf den vorgegebenen Oberflächenbereich (14 bzw. 15) des Halbleiterkörpers aufgebracht wird.

16. Legierungsverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (10) vor Anformung der Schmelze (16 a bzw. 20 a) zur Erzielung der gewünschten Lage und Form der Emitterzone (30 bzw. 34) formgebend, beispielsweise mittels elektrolytischer Strahlätzung, bearbeitet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 894 293;
belgische Patentschriften Nr. 536 149, 539 908;
Proc. IRE, Bd. 40, 1952, S. 1327 bis 1337.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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