DE1514010A1

DE1514010A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE1514010A1
Application number: DE1965I0028041
Authority: DE
Inventors: Castrucci Paul Philip
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-05-27
Filing date: 1965-05-03
Publication date: 1969-06-19
Also published as: GB1103184A; US3446995A; NL6506585A; FR1444297A; CH424995A

Description

Die Erfindungbezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung und damit ausgeführte Schaltungen mit verbesserten elektrischen Kenndaten_o Im einzelnen handelt es sich bei der Erfindung um Halbleitervorrichtungen mit PN Flächenübergängen und. Maßnahmen zur.Herabsetzung.ihres Yerlustströmes sowie zur Verbesserung verschiedener elektrischer Eigenschaften, beispielsweise Durchschlagsspannung, Stromverstärkung und Stabilität der elektrischen Kenndaten. \ . "' .. -_:

Bei d^r,..heut-e.;praktizierten Herstellung von Halble-itervorrichtungen beobachtet man einen bestimmten Trend zu Vorrichtungen hin, die eine oder mehrere Plächenübergänge an ihrer Oberfläche haben mit einer Passivierungsschicht von isolierendem Material über den oberflächlich dargebotenen !lachen und den üieh daran anschließenden, benachbarten Oberflächenzonen₀ Typisch ο ind hierbei planare Halbleitervorrichtungen aus einem Stoff

,..,.._,_. 809626/0751 bad original -a--

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wie ."beispielsweise Silizium mit einer Passivierungsschichtaus.--•Siliziumdioxyd.. Obwohl die im folgenden ■beschriebene Erfindung natürlich nieht_: auf .splche Torrichtj^ngen be^schränkt .bleiben . ■_.-soll,., so wird, sie doch in dieser Form imd Grestali; beschrieben..

I¹Ur .viele ■ Anwendungen .ist es wünschenswert, eine Halbleitervorrichtung wie ^beispielsweise eine Diode oder einen !Transistor zu verwenden, der nicht nur eine hohe Durchschlags-Spannungscharakteristik, sondern auch eine solche aufweist, die über einen.weiten Bereich der Betriebstemperatur stabil bleibt. Im Falle_;des Transistors, ist. es tatsächlich schwierig, eine hohe Eollektor-Basis-DurGhschlagsspannungs^Charakteristik zu erreichen,; In -der Praxis hat es sich bisher als unmöglich heraus-"·' "^: gestellt-,: .eine- Durchschlags-Öharakterlstik zuerzielen, die '

des

im wesentlichen gleich ist dem theoretischen: Wert Lawinendur chschlags der Torrichtung. Unerwünschte Oberflächenverluste am betreffenden Übergang-führet gewöhnlich zu·tatsächlichen Werten für.den Durchschlag^ die etwas unterhalb des theoretischen Wertes- liegen, sogar wenn"die ^Vorrichtung einer äußerst ' sorgfältigen und .grundliehen Oberflächenbehandlung unterworfen worden ist» Darüber hinaus vermindert sich im Falle des Transistors ..die Stromverstärkung' infolge der verschiedenen Verlustströme..· Bei einem" planar en' PHP"Transistor ist die Köllekto'rkapazität' of t "größer als^: es für verschiedene VerweÄdüngsmÖglich keiten -Buträg-lich- is-tV- :'-·■■·■■■ " ■ - -- .";■.·-■-- ■·■-··-

Der Erfindung: liegt .soiMit aie-Äufgäbe zugrunde, eine Halb- ' "'"''' leit.er.vcir.ri.ch*tung·. zu/isch'a'fi'eh-mit einer höheren' Durchschlags-"'"

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spajmungs-Charakteristik, vornehmlich, einen verbesserten Transistor mit einer wesentlich höheren Kollektor-Basis-Durchschlagsspannungs-Charakteristik, wobei die Erzielung eines Wertes für den Spannungsdurchschlag angestrebt wird, der im wesentlichen in der Größenordnung des zu erwartenden theoretischen Wertes für den Iiawinendurchschlag liegt, bei gleichzeitiger Erhöhung der Stabilität der erzielten Werte gegenüber Schwankungen der Betriebstemperatur.

Es gehört darüber hinaus zur Aufgabenstellung der Erfindung, nach einem verbesserten. IPabrikationsverfahren hergestellte Halbleitervorrichtungen zu schaffen, die eine Isolierstoff-Passivierungsschicht tragen, wobei man die von den konventionellen Halbleitervorrichtungen her bekannten, durch die Oberflächenbeschaffenheit bedingten Probleme beherrscht.

Die erfindungsgemäße lösung dieser Aufgabenstellungen führtinsgesamt zu einer beachtlichen Verbesserung der elektrischen Kenndaten von Halbleitervorrichtungen, insbesondere * der in Planartechnik ausgeführten Sransistoren·

Die erfindungsgemäße lösung der Aufgabenstellung besteht in der Schaffung einer Halbleitervorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Zone von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, die einen flächenhaften PN Übergang bilden, der sich von einer Halbleiteroberfläche einwärts erstreckt und mit einer diese Oberfläche überdeckenden Isolierschicht, wobei das kennzeichnende Merkmal darin besteht, daß auf der Isolierschicht

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oberhalb mindestens eines'leiles der Leitfähigkeitszonen in der unmittelbaren Nachbarschaft des PN Überganges eine Plächen-

; elektrode angebracht ist, die eine elektrische Vorspannung erhält sum Zwecke der Steuerung der Akkumulation negativer La- ^v dungsträger in einem Oberflächenbereich der einen Leitfähigkeitszone unterhalb der genannten Elektrode.

Hfeitere Ziele, Eigenschaften und Merkmale der Erfindung werden in der folgenden Detailbeschreibung unter Hinzuziehung der beigefügten Zeichnungen auseinandergesetzt und erläutert. Ih ■ den Zeichnungen bedeuten:

■ 1 den Querschnitt durch eine erste Ausftihrungsform einer Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung mit Angabe der Schaltung zu deren Betrieb!

2 das.Strom-Spannungs-Diagramm zur· Erklärung der Betriebsweise des Ausführungsbeispieles nach Mg. 1$

Pig. 3 den Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung mit Angabe der Schaltung zu deren Betriebf

Pig· 4 bis 6 weitere Ausführungsbeispiele von Halbleitervorrichtungen gemäß der Erfindung, wobei in den Pig. 4 und 6 ein !Drsnsistor und in Pig· 5 eine Diode gezeigt sind, jeweils mit Angabe der Schaltung zu deren Betrieb. ,

j Es wird nun auf Pig· 1 Bezug genommenf sie zeigt einen Schalt-· j kreis zur Signalübertragung unter Einbeziehung einer als Diode' dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiter-• Vorrichtung, der das allgemeine Überweisungszeichen J|O zugeordnet ist· Obwohl die Vorrichtung aus irgendeinem geeisten Halb*- leitermaterial, wie ζ.BV Silizium, Germanium oder einer

intermetallischen Halbleiterverbindung, hergestellt sein kann, ^; ■ . ■ wird in dieser Beschreibung angenommen» daß es sich um eine Siliziumdiode, vorzugsweise vom planar en (Dypus, handelt. Biese \ Biode umfaßt eine Halbleiter-Substratplatte 11mit einer ersten Zone 12 und einer"zweiten Zone 13 von entgegengesetzter Leitfähigkeit, die einen flächenhaften-.Bf Übergang 14 bilden, der sich von der einen lalbleiteroberfläche 15 der Platte nach einwärts erstreckt. Es wird davon ausgegangen, daß die Zone 12 _t vom U- und die Zone 13 vom P-üeitfähigkeitstyp ist. Obwohl es Λ in der Zeichnung¹ nicht dargestellt ist, so kann, wenn dies er-

■'■■■'■■ eixie - - '.-■'.- ■;

wünscht ist, die Zone 1J Bpitaxial-Behicht oder auch ein höher

dotiertes oder IF Substrat sein· ■

Der Körper 11 umfaßt auch eine neutrale undurchdringliche ■Isolierschicht 16, vorzugsweise In der 3?orm einer Oxydsehicht ; t welche ·

die Oberfläche 15 überdeckt und mit dieser enger Berührung steht· Obwohl man versohiedenö Arten derartiger äußerer Schutzschichten ι anwenden kann, besteht die Isolierseilicht IS vorzugsweise aus Siliziumdioxyd, das auf der Oberfläche'15 durch Aufheizen des Körpers auf 900 bis 14OÖ°0 in &in«r ait Waaserdampf gesättigten Sauer st off-Atmosphäre gebildet wird· Sine andere BUjglichkeit der Bildung der Schicht 16 besteht im Briiitzen des Körpers 11 im Dampf einer organisemen Siloxanferbindungi »·Β* Setraetnyoxysilan, bei einer unterhalb dee Schmelzpunktes des Körpers aber oberhalb der Siloxaneeraetzung liegenden iEemperatur» »o dafi es zur Bildung eines inerttn leollerfilmee von Silisixia-

ORIGINAL INSPECTlß ^:- β ·

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auf der gewünschten Oberfläche korait· 2m ^1Ie der hier betrachteten ebenen odeifplanaren Torriciitöag bildet man die £one 13 in bekannter Weisedurch BindiffBatieren von Yeraii- ; reinigungen durch ein in die Silizltraäloxjä—Sehl&ht nach be-

; .kannten' ÜTotogravierverf ahren eingeätsEtes JjDcii 17 hindurciu Man erzielt auf diese Weise in der Zone 13 eise Störstellen-: Verteilung, die von der Oberfläche 15 her graduell abnimmt· Im erwähnten Verfahren spielt die SeidLeiEfc 16 öle Rolle einer Oberflächenpassivierungs— und SHifEisics^ssice· Beim !Diffusions— prozeS wird man beobachten, daß die die Zoae 13 bildenden ¥erunreinigungen noch ein kurzes Stück uster den geätzten !Beil

j der Siliziumdioxyd-Schicht 16, der ias leeh 17 definiert,

I kriechen oder diffundieren»

j Ohm'sche Verbindungen in form von erstem m&ü. sweitea Elektroden

18 bjäw. 19 werden au frei Hegen&G feile der Soaen 13 bzw· 12 ! durch Auf dampf en oder 3?iattieren - aufgebraeht· 2MLö Blektrode 19 ! wird vorzugsweise an die der Oberfläche 15 gegeirfiberiiegeiide j Oberfläche 20 angebracht· Die bis hierher lesehriebene SaIbleitercSode ist typisch für den. Stand dear feelssiS:. Sine f2S-' chenhafte Elektrode 21 wird z.B. durch lufdaiapfen auf die Siliisiumdioxyd-Sohicht 16 Über dem sich einwärts erstreckenden Übergang 14 iHid oberhalb zumindest eines feiles der Halbleiter-· aone 12, die sich an den Übergang 14 anseiiließt, auf gebracht· Ie ist bei diese» Ausführungsbeispiel asgenoKaen, daS es sich um «in« ringförmige »lektrod* 21 handelt, die die Elektrode 19. ▼on Ihr jtdouh 4uvoh die Silissiiatdloiyd-SchiQht 16

. - -"ν ■;* " - 7 ORIGINAL INSPECTED

isoliert ist. Hatürlieh könnte man der Elektrode 21 auch eine andere passende geometrische Gestalt geben in Abhängigkeit von der geometrischen form der Torrichtung.

Es wurde gefunden, daß dort, wo es von der Oberfläche 15 abhängt, ob der übergang durch Diffusion, legieren oder andere Verfahren hergestellt wird, bei der Passivierung der Halbleiter-Oberfläche 15 mit der Siliziumdioxyd-Schicht 16 und bei der Bewahrung des Überganges 14 von Verunreinigungen, unerwünschte Oberflächenzustände offenbar voa Donatortyp entstehen· Ihre Entstehungs-' weise^vwährend der Bildung der Passivierungsschicht 16 ist ziemlich komplex und noch nicht vollständig erklärbar» Eine exakte Erklärung dafür, warum die Oberflächenzustände vom Donatortyp sein sollten, gibt es noch nicht. Man nimmt jedoch an, daß es in dent&renzbereich der Siliziumdioxyd-Schicht 16 und*der Oberfläche des Siliziumsubstrats 11 zu einer Anhäufung von negativen !Ladungsträgern kommt, die in dem Oberflächenteil des Siliziumsubstrats 11 in der Uähe der Oberfläche 15 auftreten. In | dem Oberflächenäbschnitt der IT-Zone 12 ia der Sähe der Oberfläche 15 nimmt man an, daß sich die ladungsträger selbst* in Form einer stärker Bf-dotierten Haut oder Kanal 22 manifestieren, der mit IT oder als degenerativ bezeichnet ist» }

Es gehört zum erfinderischen Schritt, erkannt au haben, daß dieser in der Zeichnung als Kanal 22 bezeichnete Donatorzustand in Abwesenheit einer entsprechenden Vorspannung auf einer flächenhaften Elektrode 22 die Öegenspannungs-Durohsohlags-'

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festigkeit der HaIMeitervörrichtung in unerwünschter Weise'auf

die einen Wert herabsetzt, der kleiner ist als wahre Lawinendurchschlagsspannung der Masse des Halbleitermaterialeso Beispielsweise erzielte man bei einer Ausführungsform einer Siliziumdiode des hier betrachteten Eypes eine G-egenspannungs-Durchschlagsfestigkeit, die gleichzusetzen wäre einer Pseudo-Lawinendurchschlagsspannung γοη 80 Y bei Abwesenheit der vorgespannten Elektrode 21, während eine Spannungs-Durchschlagsfestigkeit von etwa 290 V, was praktisch der wahren Lawinen-Durchschlagsspannung entspricht, mit einer entsprechend vorgespannten Elektrode 21 erzielt wurde₀ Offenbar ist es für'viele Anwendungen, beispielsweise in mit willkürlich auftretenden Stromspitzen beaufschlagten Schaltungen sehr wünschenswert oder dringend notwendig, in der .· Halbleitervorrichtung eine hohe &egenspannungs-Durchschlagsfestigkeit zu haben. Bislang jedenfalls gab es keinen praktisch vernünftigen Weg zur Erzielung dieses gewünschten Ergebnisses_o ^v Es wurde auch festgestellt, daß die Donator-Oberflächenzustände zunehmen, sobald man für die hier zu betrachtenden Vorrichtungen Halbleitermaterialien mit höherem Widerstand anwendet. Bei der hier beschriebenen Halbleiterdiode (man ignoriere jetzt einmal · die Anwesenheit der Elektrode 21) scheint es, daß ein an der H⁺P Oberflächenzone der Vorrichtung fließende hohe Verluststrom von Einfluß sein könnte bei der Herabsetzung der Gegenspannungs-Durchschlagsfestigkeit des Überganges 14 unter den wahren Wert Lawinendurchschlages.

Um eine Verbesserung an der bis tferher beschriebenen Halbleitervorrichtung zu erzielen oder um deren Nachteile zu überwinden,

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wendet man eine flächenhafte Elektrode 21 an, die durch geeignete S^haltmaßnahmen elektrisch vorgespannt wird, zur Steuerung der Anhäufung der negativen !Ladungsträger in einem Oberflächenbereich 22 der N-Leitiähigkeitszone 12, die sich unterhalb dieser Elektrode befindet, das Ganze zum Zweck der Verbesserung von mindestens der Gegenspannungs-Durchschlagseharakteristik des PH-Überganges 14· Die Mittel zur Aufbringung dieser elektrischen Vorspannung umfassen übliche leiter 23 und 24, die mit der flächenhaften Elektrode 21 bzw· der auf , der Unterseite angebrachten Elektrode 19 verbunden sind und die eine von der Spannungsquelle 25 erzeugte Vorspannung an die Vorrichtung anlegen· Der Spannungswert der Quelle 25 ist einstellbar und die Polarität so gewählt, daß die Elektrode gegenüber der Elektrode 19 negativ vorgespannt ist· In. manchen Anwendungsfällen, beispielsweise, wenn die Halbleitervorrichtung ähnlich einer üblichen Diode betrieben wird, kann als Spannungsquelle 25 eine Batterie vorgesehen werden, die Spannungswerte von gewählten Größenordnungen anzulegen gestattet. ' In einem anderen Anwendungfall - dieser wird anschließend beschrieben - kann die Spannungsquelle auch als die Hintereinanderschaltung einer Vorspannungsbatterie, die in der eingezeichneten Weise gepolf; ist, und einem Spannungs-Impulsgenerator für Erzeugung positiv gepolter Impulse ausgebildet seinj die Impulse wirken dabei so, daß sie die von der Batterie erzeugte Vorspannung überwinden·

Der hier betrachtete Schaltkreis umfaßt als weitere Vorspannungsmittel eine Lastimpedanz 26, die zwischen die Ohm*schen

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Anschlüsse oder Elektroden 18 und 19 geschaltet ist und den Zweck hat, die Halbleitervorrichtung unter normalen Bedingungen im nicht leitenden Zustand zu halten. Dazu dienen die Leitungen 27 und 28 sowie die Reihenschaltung eines Widerstandes 32 mit

die

einer Spannungsquelle, z.B. der Batterie 29, die für Vorspannung des PiMJb er ganges 14 umgekehrt gepolt ist. Wie gezeigt, ist die leitung 28 geerdet« An. die lastimpedanz 26 ist ein Klemmenpaar 3-0-angeschlossen, an dem ein Ausgangssignal abgegriffen werden kann. Als weitere Schaltmaßnahme sind schließlich noch Mittel vorgesehen, die man parallel zur Batterie und zum Widerstand 32 schalten kann, zur Aktivierung der Halbleitervorrichtung mit dem Ziel, einen Stromfluß durch die Lastimpedanz 26 hervorzurufen* Dies läßt sich erzielen mit Hilfe eines geeigneten Spannungs-Impulsgenerators, den man an das Klemmenpaar 31 anschließt, zur Erzeugung von Impulsen positiver KLarität, die - solange sie vorhanden sind - die von der Batterie 29 erzeugte, in bezug auf den Übergang 14 wirkende Sperrvorspannung überwinden können.

Bevor auf die Erklärung der Betriebsweise der Schaltung von J¹Ig. 1 übergegangen wird, soll versucht werden, zu erklären, welche Vorstellungen man sich über die Ereignisse macht, die zur Verbesserung mindestens einer der Gegenspannungs-DurchschlagsCharakteristiken der Vorrichtung, des Verluststromes und der Eemperaturstabilität führen. Die in diesem Zusammenhang an Vorrichtungen der hier betrachteten Art durchgeführten Untersuchungen haben erbracht, daß die Gegenspannungs-Durch- \ gchlagsfestigkeit der Diode nioht durch Dotierung des Halbleiter-

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materiales bestimmt ist, sondern durch die G-röße der Oberflächenladung beeinflußt wird. Wahre Lawinendurchbrüehe treten auf, wenn man die Dichte, der negativen■Oberflächenladung .reduziert auf einen Wert, welcher der Dotierungsdichte der Hauptmasse des Materials entspricht« Durch Verwendung der vorgespannten Hilfs- oder Flächenelektrode 21 können die'in der N⁺-HaUt oder im Kanal 22 angehäuften negativen Itadungsträger entfernt werden durch Anlegen eines Feldes negativer Polarität im G-renzschiehtbereieh zwischen der Siliziumdioxyd-Schicht 16 ^ und der ^-Leitfähigkeitszone 12„ Die zur Erzielung des Spannungsdurchbruches an die Elektrode anzulegende Größe der negativen Spannung, die gewöhnlich etwas kleiner ist als die Lawinendur chschlags spannung, variiert in Abhängkeit von den Parametern der Vorrichtung, beispielsweise Oxydschichtdicke, Störstellenkonzentration in den.Halbleitersonen, verwendeter HaIble it er st off und geometrische Formgebung«) Eine dickere Oxydschicht 16 verlangt im allgemeinen das Anlegen einer höheren Gegenspannung an die Elektrode 21,

Mit einer an die Elektrode 21 angelegten entgegengesetzten Spannung entsprechender G-röße bewirkt die auf ihr auftretende, durch die Spannungsquelle 25 hervorgerufene negative Ladung ein Zurückstoßen der negativ geladenen Träger in der unter der Elektrode 21 befindlichen I⁺-Haut 22 und ihre Verschiebung in eine tiefer gelegene Zone entlang der Oberfläche oder überhaupt in den Bereich der Hauptmasse der Halbleiterzone 12 vom H-Iyp, In Fig. 1 wurde diese Wirkung schematisch darzustellen"

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^ID1479. -¹²- 151401Ö,

versucht durch die Anzahl von Minuszeichen (-) unterhalb der N^-Haut 22β Diese Verschiebung in die Hauptmasse des Halbleiter materiales steuert oder reduziert die Anhäufung der negativ

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geladenen Träger in der N⁺-HaUt in der Nachbarschaft des sich einwärts erstreckenden PN-Überganges 14 und führt zu einer bedeutenden Verbesserung der Gegenspannungs-Durchschlagsfestigkeit dieses Überganges. Tatsächlich kann man diese Verschiebung auch als eine Eliminierung der N -Haut 22 betrachten. Diese Wirkung setzt auch die Yerlustströme herab, die ansonsten von der Oberfläche der N-Zone 12 zu der freiliegenden, von der Siliziumdioxyd-Schicht 16 unbedeckten Oberfläche der N⁺-Haut 22 und dann durch diese Schicht 16, über den dortigen Übergang und in. die P-Zone 13 fließen wtird^Noch ein weiterer wichtiger Vorzug ist erkannt worden. Man hat eine Verbesserung der Temperaturstabilität der Halbleitervorrichtung in bezug auf die G-egenspannungs-Durchschlagsfestigkeit bei hohen Betriebstemperaturen in der Größenordnung von 150-200°0 festgestellt« Durch Einstellen der von der Quelle 25 gelieferten Spannung läßt sich die Durchschlägsspannung so fixieren, daß sie praktisch mit der Lawinendurchschlagsspannung übereinstimmt, während die Durehschlagsspannung ohne die Vorspannungselektrode 21 nicht nur ihrem Wert nach niedriger ist, sondern einer inversen Variation bezüglich der Größe der Betriebstemperatur unterliegt» Im praktischen Betrieb ist deshalb die in Pig. 1 gezeigte verbesserte Diode in mancher Hinsicht eine viel zuverlässigere Halbleitervorrichtung.,

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An einem Beispiel soll nun gezeigt werden, in welchem Ausmaß eine■ Verbesserung der (jegenspannungs-Durchschlagscharakteristik für eine Halbleiterdiode,,wie sie in Hg. 1 dargestellt ist, erzielt werden kann. Diese Diode umfaßt eine N-Leitfähigkeitszone 12 mit einem Widerstandswert von 5 Ohm cm, eine durch Diffusion hergestellte P~Leitfähigkeltszone 13 mit einer _: Bbr-Störstellenkonzentration von 2 χ 10 Atomen / cur an der Oberfläche und eine durch einen thermischen Oxydationsprozeß hergestellte Schicht 16 mit einer Dicke von 5000 bis | 6000 Ä, die sich - wie in der Pig«, angedeutet - etwa 0,025 bis 0,05 mm über den P-Übergang 14 in die P-Leitfähigkeitszone 13 erstreckte Mit dieser Diode konntejsine DurchschOagsspannung von 300 V erzielt warden unter Anwendung einer PeIdelektrode 21, die sich über' den genannten übergang erstreckte und an die eine in bezug auf die gegenüber angebrachte Elektrode 19 negative Vorspannung von 200 V angelegt war_β Bei Nichtvorhandensein der Vorspannungselektrode 21 ergab sich eine , .Durchschlagsspannung von nur 80 V₀

Beim Anlegen einer negativen Spannung von 200 V an die Elektrode 21 mit Hilfe der Spannungsquelle 25 läßt sich die in Pig. gezeigte Diode in gleicher Weise betreiben wie jede konventionelle Halbleiterdiode. Der Übergang 14 wird durch die Batterie 29 entgegengesetzt vorgespannt, so daß die Diode normalerweise nichtleitend ist. Durch Anlegen eines positiven Impulses von genügend großer Amplitude zur Überwindung der Vorspannung an die Anschlußklemmen 31 wird die Diode in einen leitenden Zustand

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versetzt, und es kommt zum Stromfluß durch die lastimpedanz 26, Dies wiederum verursacht das Auftreten eines Ausgangsimpulses von positiver Polarität an den Anschlußklemmen 30.

• Die drei-Elektroden-Halbleitervorrichtung gemäß Pig. 1 kann auch noch auf eine andere Weise "betrieben werden, wobei es auf eine sehr große.Leistungsverstärkung ankommt und sie eine hohe Eingangsimpedanz wie ein Elektronenröhrenverstärker aufweist· Unter Bezugnahme auf Fig. 2 soll mit der Bezeichnung -V₁«die Pseudo-Durchsohlagsspannung des entgegengesetzt vorgespannten Übergangs 14 bezeichnet werden. Wenn somit beiMchtvorhandensein der entgegengesetzt vorgespannten Feldelektrode 21 die Vorspannung dem Wert V₁, gleichgemacht wäre, so würde der Übergang durchschlagen. Fun wird angenpmen, daß erstens der Übergang 14·jenseits -V₁ zur größeren Spannung -Vp hin vorgespannt ist und daß zweitens die Elektrode 21 eine ausreichende Vorspannung erhält, um das Auftreten eines Durchschlages bei -V₂ und damit einen Stromfluß zu verhindern. Wenn nun die.negative Vorspannung an der Elektrode 21 plötzlich abgeschaltet oder durch einen von der Spannungsquelle 25 gelieferten positiven Impuls überwunden wird, kommt es zu einem großen Stromstoß durch die Vorrichtung und den Belastungswiderstand 26, der sich als negativer Stromimpuls an den Ausgangsklemmen 30 bemerkbar macht. Wie bei einer Elektronenröhre , löst also eine Steuerspannung das Fließen eines Ausgangsstromes aus.

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Es^:^wiird^/:nun auf^Eig. 3 Bezug genommen, wo eine der Mg. 1 sehr ähnliche Halbleiterdiode dargestellt ist»Entsprechende Elemente der Vorrichtung sind' deshalb· mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das Ausführungsbeispiel von "Fig. 5 unterscheidet sich von dem in KLgY 1 dargestellten darin, daß eine einzige Elektrode 33 zur Anwendung kommt nicht nur zur Herstellung einer Ohm¹sehen Verbindung zur P-Leitfähigkeitszone 13, sondern auch als eine leldelektrode zur ;Steuerung der Anhäufung der negativ geladenen Träger in der H -Überflächenzone 22_e Der Mittelteil der Elektrode 33 stellt zu der Zone 13 eine Verttndung mit niedriger Impedanz her, während der verflanschte Außenteil über die Vertikale des Überganges 14 hinausreicht und sich oberhalb eines !Teiles der Haut 22 und der Siliziumdioxyd-Schicht 16 erstreckte Eine der Quelle 25 von Pig. 1 entsprechende Hilf s vor spannung mit den entsprechenden •♦Verbindung sleitungen 23 und 24 ist in diesem !"alle unnötig, da die für die Beaufschlagung des PH-Überganges 14 mit einer entgegengesetzten Vorspannung vorgesehene Spannungs quelle- oder Batterie 29 auch diesem Zwecke dient.

Die von der Spannuiigsquelle 29 aufgebrachte, auf die erweiterte Elektrode 33 wirkende G-egenvorspannung am PH-Übergang 14 verursacht eine Erschöpfung der negativen Ladungsträger in der Grenzschicht der Siliziumäioxyd-Schicht 16 und der Oberfläche 15, der IT-Leit'fähigkeitszone 12. Infolge dar im Zusammenhang mit 1 bereits erläuterten Wirkung kommt es zu einer Verminderung

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in der Anhäufung der negativ geladenen Träger in der Oberflächenzone oder Haut 22 der N-Leitfähigkeitszone 12 unterhalb der Elektrode 33* was seinerseits wieder die Verbesserung ·" der G-egenspajinungs-Durchschlagscharakteristik und anderer Kenn- werte der Halbleiterdiode gemäß Tig. 3 zur Folge hat«

lig, 4 zeigt einen Transistor 40 mit Elementen, die im Prinzip auch wieder ähnlich sind denen der in den Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiele. Zur Erleichterung des Verständnisses sind entsprechende Elemente auch wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Zone 12 stellt den Kollektor und die Zone 13 die Basis des Transistors dar. Die Emitterzone 41 ist nach Art der.üblichen Planartransistor=fcechnik in die Zone 13 eindiffundiert ο Eine Emitterelektrode 42 ist mit einem Teil der nach oben hin liegenden Oberfläche der Emitterzone ohmisch verbunden! ein Seil der Siliziumdioxyd-Schicht 16 bedeckt die-^ jenigen Seile des Emitter-Basi'süberganges 43» wo dieser an die Oberfläche 15 der Vorrichtung stößt. Der Transistor umfaßt eine ringförmige Basiselektrode 44» die einen .ohm'sehen Kontakt mit der Basiszone 13 herstellt und eine erweiterte Außenzone aufweist, die in der schon mit Bezug .auf Fig. 3 beschriebenen Weise den Übergang 14 und Teile der Siliziumdioxyd-Schicht 16 überdeckt. Eine zwischen Kollektorelektrode 19 und Masse über einen Belastungswiderstand 26 eingeschaltete Spannungsquelle 45 ist mit solcher Polarität angeschlossen, daß eine entgegengesetzte Vorspannung des Kollektor-Basis-Überganges 14 des Transistors 40 'erzielt wird. Die Emitterelektrode 42 ist über die

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leitung 46 direkt mit Masse verbunden„ Von den Anschlußklemmen 31 her kommende Eingangssignale gelangen über einen Vorwiderstand 47 und die Leitung 48 an die Basiselektrode 44 bzw. direkt an Masse. Mit Hilfe einer negativen Vorspannung..-E, die über einen Widerstand 49 und die Leitung 48 an der Basis liegt, wird der insist or normalerweise in einem nichtleitenden Zustand gehaltene Wie ein Fachmann sicherlich beurteilen kann, mag es für manche Anwendungen durchaus wünschenswert" sein, die Zone · 13 als eine Epitaxialschicht auf einem viel höher dotierten Substrat vom H-Leitfähigkeitstyp auszubilden,, Obwohl das nicht explizit in der Zeichnung dargestellt ist, stellt es doch eine für den Pachmann offenkundige Maßnahme dar«

Die allgemeine Arbeitswelse des beschriebenen Transistors in dem Schaltkreis gemäß Mg₀ 4 ähnelt der eines konventionellen EPl-Transistor Inverterschaltkreises mit geerdetem Emitter und wird deshalb nur kurz erwähnte Die Spannung -E hält den !Transistor normalerweise in einem nichtleitenden Zustand« Durch Anlegen eines positiven Impulses von ausreichender Größe zur Überwindung dieser Vorspannung an die Klemmen 31 wird der Transistor in einen leitenden Zustand versetzt, und der im Belastungswiderstand 26 fließende Strom verursacht einen negativen Ausgangsimpuls an den Anschlußklemmen 30· Da die Basiselektrode 44 in bezug auf die Kollektorelektrode 19 entgegengesetzt vorgespannt ist, und sie eine über den Kollektor-Basis-Übergang 14 und einen Teil der KolKctörzone 12 sich erstreckende Randzone aufweist, führt diese Basiselektrode

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eine Verminderung der Anhäufung negativer ladungsträger im Oberf lächenteil der Kollektor-ζ one au^ganz ähnliche Weise herbei, wie es bereits früher in bezug auf die Pig. 1 und 3 beschrieben wurde. Als Ergebnis stellt sich eine bedeutende Erhöhung der Durchschlagsspannung am Kollektor-Basis-Übergang um einen Wert ein, der nahezu dem wahren Lawinendurchschlag des Iransistorsubstrates gleichkommt. Bei einigen Transistoren wurden Kollektor-Basis-Durchschlagsspannungen bis zur Höhe von 400 Ύ erreicht.

Eine Kollektor-Basis-Iawinendurchschlagsspannung von 100 Y wurde in einem erfindungsgemäßen NPN Siliziumtransistor mit folgenden Kenndaten erreicht? Kollektorzone vom N-Leitfähig-

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keitstyp mit einer Störstelleiikonzentration von 10 Atomen/cm ,

Basiszone vom P~Leitfähigkeitstyp mit einer Störstellenkonzentration von 8 χ 10 Atomen/cm , Emitterzone vom N-Leitfähigkeitstyp mit einer StorStellenkonzentration von 10 Atomen /cm , einer Kollektor-Bäsis-Übergangstiefe von 0,216 χ 10 cm, einer

Emitter-Basis-Ubergangstiefe von 0,108 χ 10 ^J cm, einer Ba^.sbreite von 0,108 χ 10 ^J cm, einer Dicke der Siliziumdioxydschicht von 6000 bis 7000 1 und einer Überlappung von 5 x 10"⁵emdes Kollektor-Basis-Überganges durch die Siliziumdioxyd-Schicht_o Bei NichtVorhandensein der erweiterten Zone am Basiskontakb wurden um etwa 30 Y geringere Lawinendurchschläge erzielt.

!Eine ganze Reihe von NPN-Silizium-Planartransistoren wurde gleichzeitig von einem N⁺ Substrat mit einer Epitaxialschicht

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aus einem Material vom IJ-Leitfähigkeitstyp mit einem eha-.rakteristisehen Widerstandswert von O_r9 Ohm cm. Die Geometrie des Basiskontaktes wurde variiert in verschiedenen Ausführungsformen, die vom erweiterten Basiskontakt gemäß der vorliegenden Erfindung bis zu dem nicht erweiterten Kontakt nach dem Stande der lechnik reichten. Die folgende tabellarische Übersicht zeigt die dabei erzielten Ergebnisse für die Traasistor-Ausführungsformen 1 bis 5 bei Anwendung des erweiterten Basiskontaktes im Gegensatz zu konventionellen Äusführungsformen A bis D.

jQr an-

sistor

Kollektor-Basis Durchschlagsspannung BV_cb0 bei

tO/U A

Kollektor-Emitter
Durchschlagsspan

nung BY

bei

Kollektor-Basis Verluststrom in ns

86 89 89 89 89 50 46 60 62 55

56 54 56 52 52 38 51 54 50

19 16

4 51 35

über 1000 12 57

Aus dieser Tabelle ersieht man eine bedeutende Verbesserung für die Kollektor-Basis-Durchschlagsspannung und den Kollektor-Basis-Verlust strom für die Ausführungsbeispiele 1-5 von Erasistoren gemäß der vorliegenden Erfindung«

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Pig. .5 stellt eine Halbleiterdiode J5O mit Schaltung dar, die im "wesentlichen- der von Hg. 1 entspricht . In den beiden Figuren korrespondierende Elemente sind deshalb durch glei- ^:. ehe Bezugszeichen dargestellt. Mg. 5 unterscheidet sich von Mg.- 1 darin, daß das Material des Ausgangssubstrates der Zone vom P-Leitfähigkeitstyp anstatt vom ^-Leitfähigkeitstyp ist und daß Störstellen vom N-iDyp in einen gewissen Bereich des oberen Teiles des Substrates eindiffundiert sind zur Bildung des PH-Überganges 14 und der Zone 13«. Dementsprechend ist auch die Yorspannungsq.uelle 29 zur Erteilung einer Vorspannung an den Übergang 14 mit umgekehrter Polarität angeschlossen.

Bei der Herstellung der hier betrachteten Vorrichtung bildet sich eine unerwünschte IT-Haut oder Kanal 22 auf der Oberfläche der P-Zone 12, namentlich wenn die letztere ziemlich schwach dotiert ist_o Diese Haut stellt einen Stuomverlustweg dar zwi- _v sehen der N-Zone 15 und der P-Zone 12 über die Oberfläche der letzteren hinweg zum unbedeckten und nicht passivierten vertikalen Rand der Diode hin. Die durch die SpannungsqueLle 29 andie felderzeugende Elektrode 21 angelegte negative Vorspannung., weist die negativen Ladungsträger.in der unter der Elektrode liegenden Haut 22 zurück und bewirkt die Entfernung einiger oder aller von ihnen in Abhängigkeit von der Größe der durch die Spannungsquelle 25 aufgebrachten Vorspannung. Nach diesem Verfahren kann die unter der Elektrode 21 liegende Haut wirkungsvoll beseitigt und die Oberfläche der Zone 12 zum P-Leitfähigkeitstyp gemacht werden. Dadurch werden nicht nur

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Stromverlustwege auf der Oberfläche zwischen den Zonen 12 und 13 ausgemerzt, sondern man erzielt auch eine bedeutende Verbesserung der G-egenspannungs-Durchschlagscharakteristik der Vorrichtung. ·

Zur Überwindung der durch die Spannungsquelle 29 aufgebrachten Schwellwert-Vorspannung werden Impulse von negativer Polarität angelegt, wodurch die Diode in den Zustand der Leitfähigkeit versetzt wird und an den Anschlußklemmen 30 negative Aus- ™

gangsimpulse auftreten.

Ih Fig. 6 ist ein planar er PNP transistor _60 gezeigt, der in vieler Hinsicht eine grundsätzliche Ähnlichkeit mit NPN QJraH-sistor 40 von Pig. 4 aufweist« Aus diesem G-runde sind ebenfalls wieder korrespondierende Elemente in den beiden Figuren" mit den gleichen Bezugsζeichen ν ersehen. Da die Basiselektrode des hier betrachteten PHP !Transistors als Vorspannung eine Vorwärtsspannung benötigt, die durch die Spannungsquelle +E i über die leitung 48 zur Verfugung gestellt wird, steht man vor der Notwendigkeit der Anwendung einer diskreten leldelektrode 62, die mit Hilfe der Spannungsquelle 63bezüglich der Elektrode 49 negativ vorgespannt ist.

Bei der Herstellung des PHP IDransistors 60 bildet sich eine

N-Haut 22 auf der Oberfläche 15 der P-Kollektorzone 12 unterder
halb Siliziumdioxyd-Schicht 16. Diese Haut stellt auch wieder' ·

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einen unerwünschten Verluststroiaweg zwischen der Kollektor- und Basiszone 12 bzw_e 13 dar, der die Wirksamkeit der Halbleitervorrichtung beeinträchtigt und darüber hinaus die KqI-lektorkapazität in unerwünschter Weise erhöht. Bevor diese Erfindung zur Anwendung kam, stellte die Beseitigung dieser hohen Kollektorkapazität ein besonders schwieriges Problem bei planaren. PUP-!Transistoren dar. Wenn in Weiterverfolgung der Planartechnik zwei oder mehrere PUP-(Transistoren auf einem einzigen Substrat untergebracht wurden, wie das heute₍ in vielen Anwendungsfällen notwendig ist, so erstreckte sich die N-Haut 22 zwischen den beiden Basiszonen und stellte zwischen diesen eine höchst unerwünschte Verbindung dar, so daß deren Isolierung verlorentging.

Die entgegengesetzt vorgespannte Elektrode 62 beseitigt diese Verbindung in der bereits im Zusammenhang mit der Diode J50 von fig. 5 beschriebenen Weise durch wirksame Eliminierung oder Unterbrechung der H-Haut 22, wo diese unter der Elektrode gelegen ist. Die Kollektor-Basis-Lawinendurchschlagsspannung des [Transistors wird bedeutend heraufgesetzt, der Kollektor-Basis-Verluststrom; entscheidend reduziert und die Stromverstärkung der Vorrichtung verbessert. Durch Einstellung der. Größe der von der Quelle 63 bereitgestellten Vorspannung kann die Kollektorkapazität des Transistors in durchaus brauchbarer Weise beeinflußt werden.

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Die Schaltungsart für den [Dransistor 60, entspricht der eines Avert er s mit geerdetem Emitter,bei dem an die Klemmen 31 angelegte negative Eingangsimpulse den Yorspannungssehwellwert überwinden und die Vorrichtung in einen Zustand der Leitfähigkeit versetzen, so daß an den Anschlußklemmen positive Ausgangsimpulse entstehen.

Patentansprüche s

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Claims

D3 1479 - 24 -■' Pat entansprüche

1.j Halbleitervorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Zone von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, die einen flächenhaften PN-Übergang bilden, der sich von einer Halbleiteroberfläche einwärts erstreckt und mit einer diese Oberfläche überdeckenden Isolierschicht, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Isolierschicht oberhalb mindestens eines Seiles der Leitfähigkeitszonen in der unmittelbaren Nachbarschaft des PN-Überganges eine flächenelektrode angebracht ist, die eine elektrische Vorspannung erhält zum Zwecke der Steuerung der Akkumulation negativer Ladungsträger in einem Oberflächenbereich der einen Leitfähigkeitszone unterhalb der genannten Elektrode.

2. Halbleitervorrichtung mit einer ersten flächenhaften Zonenelektrode und- einer zweiten flächenhaften Zonenelektrode, die mit der ersten bzw» zweiten Leitfähigkeitszone ohm'sche Verbindungen herstellen, gemäß Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß eine (18| 61) der beiden erwähnten flächenhaften Z_onenelektroden und die auf der Iso.liersch.icht angebrachte Flächenelektrode (211 62) auf der gleichen Seite der Halbleitervorrichtung getrennt voneinander angeordnet sind (Pig. 1, 5 und 6)*

3. Halbleitervorrichtung mit einer ersten und einer zweiten flächenhaften Zonenelektrode, die mit der ersten bzwo

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zweiten"'Leitfähigkeitszone ohm¹sehe Verbindungen herstellen gemäß Patentanspruch 1, dadurch g e k e η nzei c h net ,daß eine der: beiden erwähnten flächenhaften Zonenelektroden und die auf der Isolierschicht angebrachte Flächenelektrode auf der gleichen Seite der Halbleitervorrichtung angebracht und zu einer einzigen Elektrode (33J 44) vereinigt sind (Fig. 3und 4)_#

4. Halbleitervorrichtung in der Ausführungsform eines !Urassistors, wobei die Zone erster Leitfähigkeit die Kollektorzone und die Zone zweiter Leitfähigkeit die Basiszone darstellen und innerhalb der,Basiszone nach einem an sich bekannten Diffusionsverfahren eine Emitterzone eingebaut ist, mit der über eine dritte flächenhafte Zonenelektrode (42) eine ohm-sche Verbindung hergestellt ist, nach Patentanspruch 1, dad u r c h g e k e η η ζ e i c h η et , da ß die Kollektorelektrode (19) auf der einen, die Basiselektrode (44| 61), die Emitterelektrode (42) und die auf der Isolierschicht angebrachte Flächenelektrode (44J 62) auf der anderen Seite der Halbleitervorrichtung angeordnet sind (Fig. 4 und 6).

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch

g e k e η η ζ e i c h η et , d aß die auf der Isolierschicht angebrachte Flächenelektrode eine negative Vorspannung erhält.

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10.9.82.6/075 r.

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6. HaIt)Ie it ervpr richtung nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (12) vom B-Leitfählgkeitstyp und die zweite Zone (13) vom H-Xieitfähigkeitstyp ist und daß die mit der Η-Zone ohmisch verbundene flächenhafte Zonenelektrode (18J 61) an positiver Spannung liegt (3?ig. 5 und 6)„

7 ο Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (12) vom F-Leitfähigkeitstyp und die zweite Zone (13) vom P-Leit-

daß
fähigkeitstyp ist und die mit der P-Zone ohmisch verbundene flächenhafte Zonenelektrode (18$ 33% 44) ebenso wie die auf der Isolierschicht angebrachte Flächenelektrode (21| 33? 44) an negativer Spannung liegt (Fig» I, 3 und 4)»

8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r ch gekennzeichnet, daß die negative-Yorspannung wahlweise einstellbar ist₀ - ■

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