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DE1564534A1 - Transistor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Transistor und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number
DE1564534A1
DE1564534A1 DE1966R0043500 DER0043500A DE1564534A1 DE 1564534 A1 DE1564534 A1 DE 1564534A1 DE 1966R0043500 DE1966R0043500 DE 1966R0043500 DE R0043500 A DER0043500 A DE R0043500A DE 1564534 A1 DE1564534 A1 DE 1564534A1
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DE
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emitter
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transistor
metallic
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DE1966R0043500
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English (en)
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Inventor
Turner Norman Clare
Cavitt James Henry
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RCA Corp
Original Assignee
RCA Corp
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Publication date
Application filed by RCA Corp filed Critical RCA Corp
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Description

Transistor und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft allgemein Halbleiter-Bauelemente., insbesondere einen verbesserten Transistor und ein Verfahren zu seiner Herstellung, Der vorliegende Transistor eignet sich besonders für die Verwendung in verhältnismäßig hochamperigen (10 Ampere) und hochwattigen (100 Watt) elektronischen Schaltungsanordnungen.
Es wurde bereits vorgeschlagen (deutsche Patentanmeldung R 39 O65), einen Transistor mit mehreren diskreten Emittern und einem großen Verhältnis von Emitterumfang zu Emitterfläche für Hochleistungszwecke herzustellen. Um zu erreichen, daß der Transistor große Leistungen verarbeiten kann, wurde für den Emitter- und den Basiskontakt des Transistors eine verzahnte Anordnung aus aufgedampftem Metall und/oder entartetem Halbleitermaterial verwendet. Bei dieser Konstruk-
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tion werden durch einen Satz von Metallfingern Emittergruppen parallelgeschaltet und durch einen weiteren Satz von Metallfingern das Basisgebiet kontaktiert. Während eine solche verzahnte Ausbildung für Transistoren mit verhältnismäßig hohen Betriebsfrequenzen (250 MHz) und einer Ausgangsleistung von mehreren Watt (10 Wattf zufriedenstellend ist, führt bei Transistoren mit verhältnismäßig hohen Ausgangsleistungen (lOO Watt) selbst bei Frequenzen unterhalb des UHF-Bereiches der Spannungsabfall über die Finger der verzahnten Anordnung zu ungleichen Emitter-Basisspannungen. Durch derartige ungleiche Emitter-Basisspannungen wird bei einem Hochleistungstransistor mit Mehrfachemitter die Ausgangsleistung begrenzt und der Betriebswirkungsgrad oder die Arbeitsleistung herabgesetzt.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, einen verbesserten Transistor zu schaffen, der gegenüber vorbekannten Transistoren der gleichen Ausgangsleistung oder Strombelastbarkeit verhältnismäßig klein in seinen Abmessungen ist, äine verhältnismäßig kleine Emitterkapazität sowie einen verhältnismäßig niedrigen Emitter- und Basisserienwiderstand hat und eine verbesserte Durchißspannungs-Durchbruchscharakteristik aufweist.
Erfindungsgemäß werden mehrere diskrete Emittergebiete in einem Basisgebiet in dessen Oberfläche gebildet. Ein metallischer Basiskontakt ist an das Basisgebiet angeschlossen, wobei Teile dieses Basiskontaktes jedes der Emittergebiete umgeben. Ein metallischer Emitterkontakt ist im Abstand
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vom Basiskontakt an jedes der Emittergebiete angeschlossen. Durch diese Anordnung ergeben sich im wesentlichen gleiche Potentiale zwischen der Basis und jedem der Emitter des Transistors,
Die Erfindung wird im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1-5 fragmentarische Schnittdarstellungen in einer Vertikalebene durch eine Längsachse eines Halbleiterkörpers in verschiedenen Stadien der Herstellung des erfindungegemäßen Transistors;
Fig. 6 eine fragmentarische Grundrißansicht des Transistors in der Ausbildung nach Fig. 5;
Fig. 7 eine fragmentarische Schnittansicht entlang der Linie 7-7 in Fig. 6, die zusätzlich ein an mehrere Emitterknöpfe angeschlossenes Emitterkontaktteil sowie ein an einen Metallgitter-Basiskontakt des Transistors angeschlossenes Basiskontaktteil zeigt;
Fig. 8 eine fragmentarische Ansicht des Emitterkontaktes entlang der Linie 8-8 in Fig. 7 und
Fig. 9 eine Ansicht des in einem Gehäuse montierten erfindungsgemäJ3en Transistors.
Fig. 1 zeigt einen Körper 10, bestehend aus einer Scheibe 11 aus kristallinem Halbleitermaterial und einem Kollektorgebiet, beispielsweise einer Schicht 12 aus N-leitendem Halbleitermaterial, auf der einen Fläche 14 der Scheibe 11. Die genaue Größe und Form sowie der Leitungstyp und die Zusammensetzung der Scheibe 11 sind nicht kritisch. Bei der hier be-
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schriebenen Ausführungsform besteht die Scheibe 11 aus monokristallinem Silicium, das mit einem Donatorstoff, beispielsweise Phosphor, so stark dotiert ist, daß der Leitungstyp N+ entsteht. Die Scheibe 11 ist 4,29 mm (169 Mil) lang, 3,^0 mm (130 Mil) breit, ungefähr 0,15 mm (6 Mil) dick und hat einen spezifischen Widerstand von weniger als 0,01 Ohmzentimeter. Die Schicht 12 besteht aus N-leitendem Silicium und ist nach irgendeinem geeigneten, in der Halbleitertechnik bekannten Verfahren epitaktisch auf die Fläche 14 der Scheibe a ufgewachsen. Beispielsweise kann die Schicht 12 in der Weise hergestellt werden, daß man ein Gemisch aus Wasserstoff und
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Siliciumchlorid über die erhitzte Scheibe 11 leitet. -Die: Epi- , taxialschichtb.2 wächst dabei in Portsetzung des Kristallgitters der Scheibe 11 auf. Die in einer Dicke von ungefähr 0,012 bis 0,102 mm (0,5 - 4 Mil) aufgebrachte Schicht 12 ist mit einem Dotierungsstoff vom N-Typ versetzt, so daß sie einen spezifischen Widerstand im Bereich von 1 bis 40 Ohmzentimetern hat.
Die Schicht 12 mit verhältnismäßig hohem spezifischen Widerstand kann auch nach in der Transistortechnik wohlbekannten Diffusionsverfahren hergestellt werden.
In der Kollektorschicht 12 wird ein Basisgebiet, beispielsweise die Basisschicht l6 gebildet. Dies kann dadurch geschehen, daß man nach irgendeinem bekannten Diffusionsverfahren einen Verunreinigungs- oder Fremdstoff durch die eine Oberfläche l8 der Kollektorschicht 12 eindiffundiert. Beispielsweise wird der Körper 10 (Fig. l) ungefähr 30 Mi-
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nuten lang auf ungefähr 1000 0C in einer Atmosphäre erhitzt, die Stickstoff und einen geeigneten Akzeptor (P-Dotierungsstoff) enthält, beispielsweise in Boroxyddämpfen erhitzt. Die Basisschicht 16 wird bis in eine Tiefe von ungefähr 0,018 mm eindiffundiert, so daß ein PN»-Übergang 20 mit der Kollektorsehioht 12 gebildet wird (Fig. 2). :.
Nunmehr wird ein elektrisch isolierender Belag 22 auf die Fläche 18, die jetzt die eine Oberfläche der diffundierten Basisschicht 16 bildet, nach irgendeinem geeigneten bekannton Verfahren aufgebracht. Beispielsweise kann der Isolierbelag 22 aus Siliciumdioxyd, das durch thermische Oxydation der Basisschicht 16 gebildet ist, bestehen. Zu diesem Zweck kann die Scheibe 11 mit den darauf befindlichen Schichten ungefähr 20 Minuten lang in Wasserdampf bei ungefähr 1200 0C erhitzt werden, wodurch die Schicht 22 aus Siliciumdioxyd entsteht (Fig. 2),
Durch den Isolierbelag 22 werden mehrere Löcher 24 (Fig. 3)* vorzugsweise in einer regelmäßigen Anordnung, geätzt, so daß mehrere Emittergebiete 26 durch die exponierte Oberfläche 18 der Basisschicht 16 eindiffundiert werden können. Die Löcher 24 können in den Isolierbelag 22 mit Hilfe eines geeigneten Ätzmittels nach irgendeinem bekannten Lichtdruckverfahren eingeätzt werden, wobei beispielsweise auf den Oxydbelag 22 ein lichtempfindliches Ätzschutzmittel aufgebracht und anschließend mit einem entsprechenden Muster optisch belichtet wird, um bestimmte Bereiche des Ätζschutzmittelbe-
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lages zu härten, während die übrigen Bereiche dann mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels entfernt werden.
Die Emittergebiete 26 werden vorzugsweise in die Basisschicht 16 dadurch eindiffundiert, daß man die Basis«, schicht 16 in einer Atmosphäre erhitzt, die einen geeigneten Dotierungsstoff vom N-Typ wie Phosphor enthält. Beispielsweise wird die Basisschicht 1β ungefähr 10 Minuten lang bei einer Temperatur von ungefähr 1200 0C in einer Phosphorpentoxyd enthaltenden Atmosphäre erhitzt, wobei die Eralttergebiete 26 bis zu einer Tiefe von ungefähr 0,01 mm (0,4 Mil) in die Basisschicht 16 eindiffundieren. Der Leitungstyp der Emittergebiete ist mit N+ bezeichnet, da ihr spezifischer Widerstand gegenüber dem der Kollektorsohicht 12 verhältnismäßig niedrig ist.
Die in Fig. 3 gezeigte Transistoranordnung wird nunmehr ungefähr 20 Minuten lang bei ungefähr 1000 0C in Wasserdampf erhitzt, um über den Emittergebieten 26 den Siliciumdloxydbelag wiederherzustellen. Dieser neugebildete Siliciumdioxydbelag ist mit dem früheren Isolierbelag 22 vereinigt und in Fig. 4 mit 22a bezeichnet. Dieser Isolierbelag 22a ist über der Basisschicht 16 dicker als über den Emittergebieten 26 und kann somit als Führung beim anschließenden Ätzen durch bestimmte Teile dieses Belages 22a dienen, wie nach- ', stehend beschrieben werden wird.
Mit Hilfe geeigneter photolithographischer Abdeck- und Ätzverfahren wird der Silieiumdioxyd-Isolierbelag 22a
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in der Weise weggeätzt, daß ein Loch 28 Über jedem einzelnen der Emittergebiete 26 sowie eine Reihe von Verbindungsrillen 30, die jedes der Löcher 28 umgeben, entstehen (Fig. 5 und 6). Die Rillen 30 legen die Oberfläche 18 der Basisschicht 16 frei, während die Löcher 28 die durch die Oberfläche 18 eindiffundierten Emittergebiete 26 freilegen. Die die Rillen 30 begrenzenden Ränder des Isolierbelages 22a verlaufen im \tesentlichen parallel oder abstandsgleich zu denjenigen benachbarten Rändern des Isolierbelages 22a, welche die Löcher 28 begrenzen.
Die durch die Löcher 28 und die Rillen 30 freigelegten Teile der Oberfläche 18 werden nunmehr durch Aufdampfen oder Plattieren,beispielsweise stromloses Plattieren, mit einem Metall wie Nickel beschichtet, so daß über den freiliegenden Teilen dieser Fläche 18 ein dünner Nickelbelag 32 entsteht (Fig. 5). Dieser Belag 32 wird nunmehr mit geschmolzenem Lötmittel, beispielsweise durch Eintauchen in geschmolzenes Blei, behandelt, wobei über dem Belag 32 auf den einzelnen Emittergebieten 26 jeweils ein knopfförmiges Gebilde 34 aus Blei entsteht (Fig.5)· Beim Eintauchen in das Bleilot entsteht außerdem über dem Nickelbelag 32 in den einzelnen Rillen 30 ein metallischer Basiskontakt 36 von gitterförmlger Struktur. An denjenigen Teilen der Scheibe, die den Oxydbelag aufweisen, haftet das Lötmittel nicht an. Der Basiskontakt 36 besteht somit aus Bereichen oder Teilen, die von den einzelnen Emitterknöpfen 34 räumlich getrennt oder beabstandet sind. Beispiels-
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-erweise hat der gitterförmige Basiskontakt 36 Teile 36a, 36b, 36c und 36d, die den Emitterknopf 34a an der linken unteren Ecke der Transistoranordnung (ges. in Fig. 6) im Abstand umgeben oder einfassen. Die Ränder der Teile 36a - 36d des Basiskontaktes j56 verlaufen im wesentlichen parallel und abstandsgleich zu den Rändern des Emitterknopfes 34a.
Sämtliche Emittergebiete 26 werden miteinander, und zwar in Parallelschaltung verbunden. Zu diesem Zweck wird über dem Basiskontakt 36 in Berührung mit jedem der einzelnen Emitterknöpfe 34 ein Emitterkontakt 38 aus einem Metall wie Kupfer angebracht (Fig. 7). Der Emitterkontakt 38 kann auf der Seite und an den Stellen, wo er die einzelnen Emitterknöpfe 34 kontaktiert, jeweils eine kleine Erhöhung 40 haben (Fig. 7 und 8). Der Eraitterkontakt 38 kann aus einem profilierten, gestanzten, geprägten oder sonstwie geformten Bleckstück oder aus gitterförmigem Material, beispielsweise einem Draht- oder Bandnetz oder -gitter bestehen. Er kann auch als aufgedampfte oder aufgesprühte Metallschicht ausgebildet sein. Der Emitterkontakt 38 wird elektrisch an die einzelnen Emitterknöpfe 34, dadurch angeschlossen, daß man die Transistoranordnung und den Emitterkontakt 38 auf eine Temperatur erhitzt, bei der die Emitterknöpfe 34 an den Ernitterkontakt 38 anschmelzen. Um einen äußeren Anschluß zu ermöglichen, wird ein Metallstreifen 42 an den Emitterkontakt 38 angelötet.
Ein Streifen 44 aus einem Metall wie Kupfer, bestehend aus einem rechteckigen ösen- oder Schlaufenteil 46
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und einem Laschenteil 48 (Pig, 7 und 9), wird mit diesem Laschenteil 48, beispielsweise durch Löten, an den Umfang des Basiskontaktes 36 elektrisch angeschlossen, was vorzugsweise gleichzeitig mit dem Ansehließen des Emitterkontaktes 38 an die EmitterkiTöpfe J>K geschieht. Um den Anschluß zu vereinfachen, kann man auch.einen einzigen Metallstreifen an einem beliebigen Teil des Basiskontaktes 36 anbringen. Da die Emitterknöpfe "54 höher vorstehen als irgendein Teil des Basiskontaktes 36, ist dafür gesorgt, daß der Emitterkontakt 38 vom Basiskontakt 3>6 beabstandet ist. Die in Fig. 7 gezeigte Transistoranordnung 50 stellt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transistors dar.
Fig. 9 zeigt die Transistoranordnung 50 nach ihrem Einbau in ein metallisches Gehäuse 5I. Das Gehäuse 51 dient sowohl als Wärmesenke als auch zum Schutz des Transistors. Die untere Fläche der N -Siliciumscheibe 11 ist an das Gehäuse 51 angelötet, das als Kollektoranschluß des Transistors 50 dienen kann. Der Streifen 44 ist nach der einen Seite des Gehäuses 51 herausgeführt und vom Gehäuse durch einen elektrischen Isolator 52 aus beispielsweise Epoxydharz, Glas oder Keramik isoliert. Eine geeignete Zuleitung (nicht gezeigt), die als äußere Basisanschluß des Transistors dient, kann dann an den Streifen 44 angelötet werden. Der Streifen 42 ist ebenfalls mittels eines dem Isolator 52 ähnlichen elektrischen Isolators 54 am Gehäuse 51 befestigt, und eine äußere Zuleitung (nicht gezeigt) kann an den Streifen 42 als äußerer Anschluß angelötet werden.
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Die Ausführungsform 50 des erfindungsgemäßen Transistors ist hier lediglich beispielsweise, nicht jedoch im einschränkenden Sinne, als NPN-Siliciumtransistor beschrieben. Der Leitungstyp der verschiedenen Gebiete kann umgekehrt werden, so ,daß man einen PNP-Transistor erhält. Auch andere kristalline Halbleitermaterialien wie Germanium, Galliumarsenid und dergl. können zusammen mit anderweitigen geeigneten Akzeptoren und Donatoren verwendet werden. Die metallischen Kontakte können auch aus anderen Metallen als Nickel, Blei und Kupfer bestehen und am kristallinen Halbleitermaterial nach anderen als den hier beschriebenen Verfahren angebracht werden. In Fällen, wo als Halbleitermaterial statt Silicium andere Stoffe wie Germanium, Galliumarsenid und dergl. verwendet werden, kann man die Isolierschichten aus Siliciumdioxyd durch thermische Zersetzung von Siloxanverbindungen aufbringen, wie es in der USA-Patentschrift 3 089 793 vom 14.5.1963 (Erfinder: Jordan und Donahue) beschrieben ist.
Die Emitterknöpfe können in verschiedenartigen Gruppierungen angeordnet sein und unterschiedliche Formen haben; ebenso kann die Formgebung der Gitterteile des metallischen Basiskontaktes verschieden sein. Obschon um der besseren Deutlichkeit willen das Halbleiterbauelement hier als einzelne Einheit, bestehend aus einem einzigen Körper, beschrieben ist, kann man in der Praxis eine größere
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Anzahl von Transistoren gleichzeitig und kostensparend auf einer größeren Scheibe oder Schnitte eines kristallinen Halbleiterrohlings herstellen und dann die Anordnung in einzelne Einheiten mit einheitlichen und reproduzierbaren elektrischen Eigenschaften zerteilen.
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Claims (7)

-12- . IRRAg 3 4 Patentansprüche
1. Transistor mit einem Kollektorgebiet eines gegebenen Leistungstyps, einem an das Kollektorgebiet angrenzenden Basisgebiet des entgegengesetzten Leitungstyps, mehreren diskreten Emittergebieten des gegebenen Leitungstyps in der vom Kollektorgebiet abgewandten Oberfläche des Basisgebietes und einem elektrisch an das Basisgebiet angeschlossenen metallischen Kontaktteil, das die Form eines Gitters hat, indem es Teile aufweist, die jedes der Emittergebiete im wesentlichen abstandsgleich zum betreffenden Emittergebiet vollständig umgeben, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Emittergebiete (26) mit einem eigenen metallischen Kontaktknopf (34) kontaktiert ist und daß ein an sämtliche dieser Knöpfe angeschlossener metallischer Kontakt (38) im Abstand über dem metallischen Kontaktgitter (36) angeordnet ist.
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Kontakt (38) an den Stellen, v/o er die einzelnen Emittergebiete (26) kontaKtiert, jeweils eine Erhebung (4o) hat.
3. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daio die metallischen Kontaktknöpfe (34) aus einem Lot bestehen.
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4.. Transistor nach Anspruch 1, da d u r e h gekennzeichnet* daB zwischen den einzelnen metallischen Kontaktknöpf en (34) und Emottergebieten (26) jeweils eine Schicht aus Nickel (^) angeordnet ist'»
5- Verfahren zur Herstellung eines Transistors aus einem Körper mit einem Kollektorgebiet und einem daran unter Ausbildung eines J5N-Überganges angrenzenden Basisgebiet, wobei mehrere diskrete Emittergebiete in das Basisgebiet eindiffundiert werden und das Basisgebiet mit einem metallischen Gitter mit jedes der Emittergebiete vollständig umgebenden Teilen kontaktiert wird, dadurch g ek e η η ζ e i c h η e t, daß jedes der Emittergebiete (26) mit einem metallischen Belag in Form eines aufgewölbten Knopfes {0), dessen Höhe größer 1st als die des metallischen Gitters (36), versehen und an den einzelnen Knöpfen ein gemeinsames Emitterkontaktteil (3,8) angebracht wird.
6, Verfahren jiaeh Anspruch 5, dadurch g ek e η η ζ e i c h η e t, daß zuerst eine Niekelschicht (32) auf die Emittergebiete (26) und anschließend auf diese Niekelschicht ein Lot zwecks Bildung der Knöpfe (34) aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennze ichnetj daß das Aufbringen des Lotes auf die Nickelgchiehten (32) durch Eintauchen der Anordnung in das geschmolzene Lot erfolgt. . ....',
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