DE1292256B - Drift-Transistor und Diffusionsverfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Drift-Transistor und Diffusionsverfahren zu seiner Herstellung

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DE1292256B
DE1292256B DER28445A DER0028445A DE1292256B DE 1292256 B DE1292256 B DE 1292256B DE R28445 A DER28445 A DE R28445A DE R0028445 A DER0028445 A DE R0028445A DE 1292256 B DE1292256 B DE 1292256B
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Webster Jun William Merle
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Description

Zonen ab, da hierdurch die Konzentration der be- ίο verlaufendem Kollektor-pn-Übergang zu hoch, und
weglichen Ladungsträger bestimmt wird. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Steilheit des pn-Überganges zwischen Emitter- und Basiszone und des pn-Überganges zwischen Basis- und Kollektorzone. Die pn-Übergänge können abrupt und scharf sein. Das bedeutet, daß sich der Leitfähigkeitstyp längs einer sehr kurzen Strecke rasch ändert und die Dicke des pn-Uberganges von der Größe der Verarmungsschicht ist.
Im Bereich eines pn-Überganges existiert auch ohne äußere Vorspannung eine Verarmungszone. Die Breite der Verarmungszone hängt dabei zwar etwas von den Dotierungsverhältnissen ab; doch ist dieser Einfluß in erster Näherung vernachlässigbar.
andererseits verläuft der pn-übergang zwischen Basis- und Kollektorzone zu steil, wenn die Diffusion unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, daß eine Kollektorzone mit verhältnismäßig niedrigem Widerstand entsteht. Es ist also verhältnismäßig schwierig, gleichzeitig die Forderungen nach einer Kollektorzone hoher Leitfähigkeit und nach einem allmählich verlaufenden Basis-Kollektor-pn-Übergang zu erfüllen.
Man hat bereits versucht, diese Probleme durch entsprechende Steuerung des Kristallwachstums beim Ziehen eines Halbleitereinkristalls zu lösen. Die Kollektorzone solcher aus der Schmelze gezogener Flächentransistoren besitzt einen Teil niedriger Leit-
Ändert sich der Leitfähigkeitstyp dagegen längs 25 fähigkeit im Anschluß an die Basiszone und einen einer Strecke, die einige Male größer ist als die Breite sich an diesen anschließenden Teil hoher Leitf ähigder Verarmungszone, so soll im folgenden der pn- keit. Die Leitfähigkeit dieser zwei Teile der Kollektor-Übergang als allmählich verlaufend und als breit be- zone ist in sich jedoch verhältnismäßig konstant, zeichnet werden. d. h., die Leitfähigkeitsänderung innerhalb der KoI-
pn-Übergänge, die durch Auflegieren eines Dotie- 30 lektorzone ist nicht allmählich, sondern mehr oder
weniger unstetig. Außerdem hat die Basiszone solcher Transistoren eine im wesentlichen konstante, mittlere Leitfähigkeit. Wie bekannt, ist es jedoch bei hohen Frequenzen erwünscht, daß die Basiszone eine relativ kleine und sich kontinuierlich ändernde Leitfähigkeit hat, die ein Driftfeld entstehen läßt, das die vom Emitter in die Basiszone injizierten Ladungsträger zum Kollektor-pn-Übergang beschleunigt. Eine weitere Schwierigkeit tritt dadurch auf, daß der Emitter-
rungsstoffes erzeugt werden, sind ziemlich abrupt,
während durch Ziehen eines Halbleiter einkristalle
unter Zusetzen von Dotierungsstoffen erzeugte pn-Übergänge gewöhnlich allmählich verlaufen. Durch
Diffusion hergestellte pn-Übergänge nehmen hinsieht- 35
lieh ihres Verlaufes eine Zwischenstellung ein, bei tiefen
Diffusionstemperaturen und bei niedriger Konzentration des Dotierungsstoffes in der den Halbleiterkristall umgebenden Atmosphäre entstehen allmählich verlaufende pn-Übergänge, während bei hohen 40 pn-übergang und der Kollektor-pn-Übergang durch Diffusionstemperaturen und hohen Konzentrationen dasselbe Kristallziehverfahren gebildet werden, sie des Dotierungsmaterials steilere pn-Übergänge ge- sind daher beide abrupt oder beide allmählich verbildet werden. ' laufend, während es, wie erwähnt, vorzuziehen ist, Für manche Anwendungsgebiete, wie Ablenk- daß sich die beiden pn-Übergänge hinsichtlich ihres Schaltungen in Fernsehempfängern, werden Transi- 45 Verlaufes unterscheiden.
stören benötigt, die ohne Gefahr eines Durchschlages Es ist auch aus der deutschen Auslegeschrift
des pn-Überganges zwischen Kollektor- und Basis- 1033 787 bereits bekannt, Hochfrequenztransistoren zone hohen Sperrspannungen ausgesetzt werden kön- durch eine kombinierte Technik herzustellen, bei der nen. Ferner sollen solche Transistoren relativ hohe mit Eindiffundieren- und Ausdiffundierenlassen so-Ströme zu führen vermögen und schnell schalten. 50 wie Legieren gearbeitet wird. Zur Festlegung der pn-Um hohen Sperrspannungen widerstehen zu können, Übergänge in der Halbleiterscheibe muß man sich beispielsweise bei Germaniumtransistoren Sperr- dabei jedoch verhältnismäßig komplizierter Verfahren Spannungen von über 100 Volt, muß die Kollektor- bedienen, außerdem ist die Bildung großflächiger Sperrschicht allmählich verlaufend ausgebildet und pn-Übergänge mit der erforderlichen Genauigkeit der spezifische Widerstand des an den pn-Übergängen 55 und Reproduzierbarkeit schwierig. Es ist deshalb biszwischen Basis- und Kollektorzone angrenzenden
Teiles der Kollektorzone hoch sein. Um hohe Ströme führen zu können, soll der weiter vom Kollektor-pn-Übergang entfernte Teil der Kollektorzone einen geringen spezifischen Widerstand aufweisen.
pn-Übergänge, die beim Ziehen des Halbleiterkristalls aus der Schmelze hergestellt wurden, haben zwar den für den pn-übergang zwischen Basis- und Kollektorzone erwünschten allmählichen Verlauf, der spezifische Widerstand der Kollektorzone ist jedoch 65 zu hoch. Durch Legierungsverfahren lassen sich zwar Kollektorzonen niedrigen Widerstandes herstellen, der pn-übergang zwischen Basis- und Kollektorzone
her auch noch nicht gelungen, Germaniumtransistoren herzustellen, die Ströme bis zu 20 Ampere führen und 220 Volt übersteigenden Sperrspannungen widerstehen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sperrspannung und die zulässige Kollektorstromstärke eines Drift-Transistors zu erhöhen und ihn nach einem Verfahren herzustellen, bei dem großflächige pn-Übergänge genau und reproduzierbar herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Falle eines npn-Transistors die gesamte Emitterzone n+ dotiert, die Breite des pn-Übergangcs
zwischen Emitter- und Basiszone von der Größe seiner Verarmungszone, der pn-übergang zwischen Kollektor- und Basiszone einige Male breiter als der pn-übergang zwischen Emitter- und Basiszone und die Kollektorzone in Richtung von der Basiszone zu ihrer Oberfläche so dotiert ist, daß ihre Leitfähigkeit allmählich von η nach n+ zunimmt, und daß im Falle eines pnp-Transistors die Leitfähigkeitstypen jeweils die entgegengesetzte Polarität aufweisen.
Ein vorteilhaftes Diffusionsverfahren zur Herstellung eines solchen Drift-Transistors besteht darin, daß in die zwei Hauptflächen einer monokristallinen Halbleiterscheibe eines ersten Leitfähigkeitstyps ein Dotierungsstoff eines zweiten, entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps derart eindiffundiert wird, daß sich eine muldenförmige, relativ flach verlaufende Störstellenverteilung ergibt und zwei voneinander beabstandete pn-Übergänge parallel zu .den Hauptflächen entstehen, daß die Halbleiterscheibe dann von einer Hauptfläche aus auf ungefähr die Hälfte ihrer ao ursprünglichen Dicke abgearbeitet wird, wobei der eine pn-übergang entfernt wird, und daß in die zwei Hauptflächen der verbliebenen Hälfte der Halbleiterscheibe ein Dotierungsstoff des zweiten Leitf ähigkeitseinen einfachen Diffusionsvorgang hergestellt wurde, sowie das Profil der Verunreinigungskonzentration in einem durch ein bekanntes Legierungsverfahren hergestellten Transistor;
F i g. 2 zeigt das Störstellenprofil in dem oben beschriebenen Transistor;
Fig. 3a bis 3d zeigen im Schnitt verschiedene Fabrikationsstufen des oben beschriebenen Transistors;
F i g. 3 e zeigt perspektivisch einen fertigen Transistor;
F i g. 4 zeigt das Profil der Verunreinigungskonzentration in einem Halbleiterkörper bei einer Herstellungsstufe des in Verbindung mit Fig. 3 erläuterten Verfahrens.
In F i g. 1 zeigt die Kurve 10 die resultierende Störstellendichte in einem durch ein Legierungsverfahren hergestellten Transistor. Die Kurve 10 stellt dabei den Verlauf der resultierenden Störstellendichte dar, die als der Überschuß der Anzahl von Donatoratomen Nn über die Anzahl von Akzeptoratomen NA pro Kubikzentimeter definiert ist; auf der Abszisse ist dabei die Ortskoordinate χ senkrecht zur Hauptfläche der Halbleiterscheibe aufgetragen. Bei dem kompen-
typs unter solchen Bedingungen eindiffundiert wird, 25 sierten, mit Null bezeichneten Störstellenpegel ist
daß sich an den zwei Hauptflächen jeweils eine dünne, stark leitende Oberflächenschicht ausbildet, die auf der Seite der durch Abarbeitung entstandenen Hauptfläche mit dem Teil ersten Leitfähigkeitstyps der Halbleiterscheibe den pn-übergang zwischen Emitter- und Basiszone bildet und die auf der Seite der verbliebenen Hauptfläche nicht bis zu dem durch den ersten Diffusionsvorgang gebildeten pn-übergang zwischen Kollektor- und Basiszone reicht.
Ein anderes vorteilhaftes Diffusionsverfahren zum Herstellen eines solchen Drift-Transistors besteht darin, daß in eine der beiden Hauptflächen einer monokristallinen Halbleiterscheibe eines ersten Leitfähigkeitstyps ein Dotierungsstoff eines zweiten, entdie Anzahl der Akzeptoratome gleich der Anzahl der Donatoratome, so daß die Halbleiterscheibe an den entsprechenden Stellen weder n- noch p-leitend ist. Oberhalb dieses Nullpegels wächst der Überschuß der Donatoren über die Akzeptoren, wobei sich der Leitfähigkeitstyp des Halbleitermaterials von η nach n+ ändert. Unterhalb des Nullpegels wächst der Überschuß der Akzeptoren über die Donatoren und die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials ändert sich von ρ nach p+. Beginnend an der Ordinatenachse, die den Ort der einen Hauptfläche der Halbleiterscheibe darstellt, kreuzt die Kurve 10 den Nullpegel zweimal, zuerst beim pn-übergang zwischen der η-leitenden Emitterzone zu der p-leitenden Basiszone
gegengesetzten Leitfähigkeitstyps unter solchen Be- 40 und anschließend beim pn-übergang von der Basisdingungen eindiffundiert wird, daß sich eine zur zone zur η-leitenden Kollektorzone. Die Kurve 10 anderen, zweiten Hauptfläche der Halbleiterscheibe beginnt bei a, hier herrscht ein hoher Donatorüberrelativ flach abfallende Störstellenverteilung ergibt schuß und der Halbleiterkörper ist n+-leitend. Die und in der Nähe der ersten Hauptfläche, durch die Emittersperrschicht, d. h., der pn-übergang zwischen hindurch eindiffundiert wird, der pn-übergang zwi- 45 Emitterschen Kollektor- und Basiszone- entsteht und daß
dann in beide Hauptflächen der Halbleiterscheibe
ein Dotierungsstoff des zweiten Leitfähigkeitstyps
unter solchen Bedingungen eindiffundiert wird, daß
an den beiden Hauptflächen jeweils eine dünne Ober- 50 Bereich hoher Donatorendichte ansteigt, wo sie bei flächenschicht hoher Leitfähigkeit entsteht, die auf d endet. Der Bereich zwischen α und b entspricht der Seite der ersten Hauptfläche nicht bis zu dem der Emitterzone, der Bereich zwischen b und c der durch den ersten Diffusionsvorgang gebildeten pn- Basiszone, und der Bereich zwischen c und d entÜbergang zwischen Kollektor- und Basiszone reicht, spricht der Kollektorzone. Die Kollektorzone besitzt und die auf der Seite der zweiten Hauptfläche mit 55 eine hohe Donatorkonzentration, so daß der spezidem Teil ersten Leitfähigkeitstyps der Halbleiter- fische Widerstand klein ist und die Kollektorzone
dadurch hohe Ströme führen kann. Der Basis-Kollektor-pn-Übergang ist jedoch sehr scharf, so daß die Sperrschicht durchschlägt, wenn Sperrspannungen von 100 Volt und darüber angelegt werden. Transistoren mit einem der Kurve 10 entsprechenden
und Basiszone liegt bei b, wo die Kurve steil in den p-leitenden Bereich übergeht. Die Kollektorsperrschicht, d. h. der pn-übergang zwischen Basis- und Kollektorzone, befindet sich am zweiten Übergang c, wo die Kurve steil wieder in einen
scheibe den pn-übergang zwischen Emitter- und Basiszone bildet.
Drift-Transistoren dieser Art sind in der Lage, sowohl große Ströme zu führen und diese Ströme schnell zu schalten als auch hohen Sperrspannungen standzuhalten.
Der oben beschriebene Transistor und die zwei Verfahren zu seiner Herstellung sollen nun an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.
F i g. 1 zeigt in einem Diagramm das idealisierte Profil der Verunreinigungskonzentration in einem Transistor, der in üblicher, bekannter Weise durch Dotierungsverlauf werden beispielsweise durch Aufschmelzen von Blei-Antimon-Kügelchen auf die Hauptflächen einer p-leitenden Germaniumscheibe hergestellt.
Die Kurve 12 zeigt die resultierende Störstellendichte eines durch Diffusion hergestellten Transistors, es kann sich beispielsweise um eine p-leitende SiIi-
keit, hohe Ströme zu führen, erhalten. Der Transistor mit der der Kurve 20 entsprechenden Dotierung vereinigt also in sich die Vorzüge der gut leitenden Kollektorzone von Legierungstransistoren mit den Vor-5 zügen der flach verlaufenden Sperrschicht von Transistoren, die durch einmalige Diffusion hergestellt wurden.
Die in Fig. 2 durch die Kurve20 dargestellte resultierende Störstellendichte kann beispielsweise
ziumscheibe handeln, in die Phosphor eindiffundiert
wurde, oder um eine p-leitende Germaniumscheibe,
in die Arsen eindiffundiert wurde. Die Kurve 12 gibt
zwischen d und V die resultierende Störstellendichte
in der Emitterzone, zwischen b' und c' in der Basiszone und zwischen c' und d! in der Kollektorzone
wieder. Bei diesem Transistor ist der pn-übergang
zwischen Basiszone und Kollektorzone allmählich, so
daß die Sperrschicht verhältnismäßig hohen Sperrspannungen ausgesetzt werden kann. Die Störstellen- io dadurch hergestellt werden, daß man von einer monokonzentration und damit die spezifische Leitfähigkeit kristallinen Halbleiterscheibe eines ersten Leitfähigist jedoch in der Kollektorzone nicht so hoch wie bei keitstyps ausgeht, deren Dicke ungefähr das Doppelte dem durch Legierung hergestellten Transistor (vgl. der Dicke der Halbleiterscheibe des endgültigen Kurve 10). Die Kollektorzone des durch Diffusion Transistors beträgt. Die Halbleiterscheibe besitzt hergestellten Transistors ist also nicht in der Lage, 15 ursprünglich einen räumlich konstanten, niedrigen ebenso hohe Ströme zu führen wie die Kollektorzone spezifischen Widerstand und kann beispielsweise wie eines legierten Transistors. Die Kollektor-Sperr- in F i g. 4 p-leitend sein. Nun läßt man in die Halbschicht des durch Diffusion hergestellten Transistors leiterscheibe ein Dotierungsmaterial eindiffundieren, kann durch entsprechende Wahl der Temperaturen das geeignet ist, den Leitfähigkeitstyp der Scheibe und durch niedrige Konzentration des Dotierungs- 20 umzukehren. Im vorliegenden Fall ist es ein Donator, materials im angrenzenden Außenraum während der da die Scheibe p-leitend angenommen wurde. Die Diffusion noch flacher verlaufend ausgebildet werden. Temperatur und die Konzentration des Verunreini-Hierdurch verringert sich jedoch die Leitfähigkeit gungsmaterials werden während der Diffusion so geder Kollektorzone in entsprechendem Maße. Wenn steuert, daß sich ein flacher pn-übergang ausbildet, man andererseits die Konzentration des Dotierungs- as der das ganze Scheibeninnere umschließt. Die sich materials im Außenraum während des Diffusions- ergebende resultierende Störstellendichte ist durch Vorganges hoch hält, bekommt die Kollektorzone die Kurve40 in Fig. 4 dargestellt. Nun wird die zwar eine höhere Leitfähigkeit, doch führt die hohe Halbleiterscheibe von einer Oberfläche aus auf unKonzentration des Verunreinigungsmaterials während gefahr die Hälfte ihrer ursprünglichen Dicke abder Diffusion zu einem unerwünscht scharfen pn- 30 gearbeitet, wobei der in dieser Schicht liegende Übergang. Die resultierende Störstellendichte in einen pn-übergang mit entfernt wird. Die Störstellendichte
solchen, durch einen einmaligen Diffusionsvorgang hergestellten Transistor ist also bestenfalls ein Kompromiß zwischen einer optimalen Stromgröße und einer hohen Sperrspannung.
In F i g. 2 zeigt die Kurve 20 das Profil der Störstellenkonzentration bei einem Ausführungsbeispiel des oben beschriebenen Drift-Transistors. Die Kurve 20 gibt die resultierende Störstellendichte längs eines
in der verbleibenden Hälfte der Halbleiterscheibe entspricht der KurveA-B in Fig. 4 und Fig. 2. In Fig. 2 ist der Deutlichkeit halber gegenüber Fig. 4 35 die Abszisse gestreckt.
Nun wird die verbleibende Hälfte der Halbleiterscheibe einem zweiten Diffusionsschritt unterworfen. Es wird wieder ein Donator in die Halbleiterscheibe eindiffundiert. Bei diesem zweiten Diffusionsschritt
Schnittes durch einen Transistor senkrecht zu den 40 werden jedoch die Temperatur, die Diffusionszeit Hauptflächen des Halbleiterkörpers wieder, be- und die Konzentration der Dotierungsstoffe im ginnend an einem metallischen Emitteranschluß über Außenraum so gewählt, daß eine dünne Oberflächendie Emitterzone, die Basiszone und die Kollektor- schicht gebildet wird, die stark η-leitend ist und daher zone bis zu einem metallischen Kollektoranschluß, eine hohe Leitfähigkeit besitzt. Die bisher niedrige der ebenso wie der Emitteranschluß mit der ent- 45 Störstellenkonzentration im Anschluß an die Hauptsprechenden Zone einen ohmschen Kontakt bildet. flächen der Halbleiterscheibe, die den gestrichelten Die Kurve 20 ist für einen npn-Transistor gezeichnet, Teilen der Kurve A -B in Fig. 2 entspricht (schwach wie auch die Kurven 10 und 12 in Fig. 1. Selbst- p-leitend im Anschluß an A und schwach n-leitend verständlich kann durch entsprechende Wahl dei vor B), wird durch diesen zweiten Diffusionsschritt Verunreinigungsstoffe auch ein pnp-Transistor in ent- so stark vergrößert. Die Kombination dieser zwei gesprechender Weise hergestellt werden. Für die Dar- trennten Diffusionsschritte ergibt die der ausgezogestellung der resultierenden Störstellenkonzentration nen Kurve 20 entsprechende resultierende Störeines pnp-Transistors ist nur das Vorzeichen der stellendichte. Zur Fertigstellung des Transistors ist Ordinate in Fig. 2 umzukehren. nur noch erforderlich, einen Teil der stark leitenden
Der der Kurve 20 entsprechende Transistor weist 55 Oberflächenschicht zu entfernen und Anschlüsse an eine Emitterzone a"-b" hoher Leitfähigkeit und einen den beiden Hauptflächen und der Basiszone aiizuscharfen pn-übergang zwischen Emitter- und Basis- bringen. Der so gebildete Transistor umfaßt eine zone im Bereich um die Stelle b" auf. Ferner besitzt stark dotierte Emitterzone, eine steil verlaufende der Transistor eine Basiszone b"-c" mit verhältnis- Emittersperrschicht, eine schwach dotierte Basiszone, mäßig geringer Leitfähigkeit, die in Richtung auf die 6° eine flach und allmählich verlaufende Kollektorsperr-KoIIektorzone hin abnimmt, wodurch sich besonders schicht und eine Kollektorzone, deren Dotierung in gute Hochfrequenzeigenschaften ergeben; einen flach dem der Kollektorsperrschicht abgewandten Bereich verlaufenden pn-übergang zwischen Basis- und sehr stark ist, während der Bereich im Anschluß an Kollektorzone im Bereich um die Stelle c" und eine die Kollektorsperrschicht verhältnismäßig schwach Kollektorzone c"-d" mit sich ändernder Leitfähigkeit. 65 dotiert ist.
Der Bereich hoher Leitfähigkeit liegt dabei in einem Man kann auch nach einem anderen Herstellungsgewissen Abstand von der Kollektorsperrschicht, die verfahren eine Hauptfläche der Halbleiterscheibe abhohe Sperrspannung bleibt dadurch trotz der Fähig- decken und das Material mit entgegengesetztem Leit-
fähigkeitstyp in die andere Hauptfläche unter solchen Bedingungen eindiffundieren lassen, daß sich nur eine allmählich verlaufende Sperrschicht innerhalb der Halbleiterscheibe bildet. Die Störstellenverteilung entspricht dann dem Teil A B der Kurve 40 in F i g. 4. Anschließend wird die Abdeckung entfernt und ein zweiter Diffusionsschritt mit demselben oder mit einem Dotierungsstoff, der denselben Leitfähigkeitstyp erzeugt, ausgeführt, so daß die resultierende Störstellendichte der ausgezogenen Kurve 20 in F i g. 2 entspricht.
Die Vorteile werden durch die zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Diffusionsvorgänge erzielt, bei denen ein Dotierungsstoff desselben Leitfähigkeitstyps in den Halbleiterkörper eindiffundiert wird. Die nach diesem Verfahren hergestellten Transistoren dürfen jedoch nicht mit den sogenannten »Doppeldiffusion-Transistoren« verwechselt werden. Der Begriff »Doppeldiffusion« hat sich für Verfahren eingebürgert, bei denen gleichzeitig oder nacheinan- ao der zwei Dotierungsstoffe verschiedenen Leitfähigkeitstyps in denselben Halbleiterkörper zur Eindiffusion gebracht werden, z. B. gleichzeitig ein Akzeptor und ein Donator.
Im folgenden soll nun die Herstellung einer groß- as flächigen npn-Germaniumtriode nach dem oben angegebenen Verfahren im einzelnen beschrieben werden. Selbstverständlich können auch nach dem oben angegebenen Verfahren pnp-Transistoren hergestellt werden. Man kann dabei auch von anderen Halbleitern, wie Silizium, Germanium-Silizium-Legierungen und halbleitenden Verbindungen, wie den Phosphiden, Arseniden und Antimoniden des Aluminiums, Galliums und Indiums ausgehen.
F i g. 3 a zeigt einen Schnitt durch eine monokristalline Halbleiterscheibe 30 mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptflächen. Die Scheibe 30 soll hier aus p-Germanium eines spezifischen Widerstands zwischen ungefähr 1 und 20 Ohm cm bestehen. Die genauen Abmessungen der Scheibe sind nicht kritisch. Bei diesem Beispiel war die Halbleiterscheibe 30 7,5-7,5 mm groß und etwa 150 μ dick. Die eine Hauptfläche der Halbleiterscheibe 30 wurde durch eine Schicht 31 abgedeckt, die für die bei der Diffusion verwendeten Dotierungsstoffe praktisch undurchlässig ist. Eine hierfür geeignete Schicht wurde beispielsweise durch Erhitzen der Halbleiterscheibe 30 in den Dämpfen einer organischen Siloxanverbindung bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Germaniums, jedoch oberhalb der Zersetzungstemperatur des Siloxane hergestellt, so daß eine inerte, fest haftende Schicht aus Siliziumdioxyd auf der Scheibenoberfläche entstand. Die Germaniumscheibe wurde hierbei etwa 10 bis 15 Minuten bei ungefähr 700° C in einem Quarzofen erhitzt, der Triäthoxylan enthielt, die Siloxandämpfe wurden dabei mit Argon, das als Trägergas diente, durch den Ofen geführt. Die entstehende Schicht 31 bedeckt die ganze Scheibenoberfläche, sie kann jedoch von der einen Scheibenoberfläche leicht mittels 5%iger Flußsäure entfernt werden. Man kann die Germaniumscheibe auch von der Behandlung mit dem Siloxan mit einem Wachs auf einem Objektträger festkleben, so daß sich die Schicht 31 nur auf der frei liegenden Fläche bilden kann. Das Wachs wird dann anschließend mittels eines organischen Lösungsmittels, wie Trichloräthylen, entfernt. Man läßt nun in die durch die Siliziumdioxydschicht 31 abgedeckte Germaniumscheibe 30 einen Dotierungsstoff, bei diesem Beispiel einen Donator, in die Germaniumscheibe 30 eindiffundieren, so daß sich die in F i g. 3 b dargestellte Konfiguration ergibt. Die Dotierungsstoffe diffundieren in die frei liegende Hauptfläche der Germaniumscheibe mindestens zwei Größenordnungen schneller ein, als in die Schicht 31, so daß eine durch Diffusion η-leitend gewordene Zone 32 im Anschluß an die frei liegende Hauptfläche der Germaniumscheibe 30 entsteht. Zwischen der n-Zone32 und dem verbleibenden p-leitenden Teil 33 der Germaniumscheibe 30 entsteht ein pnübergang 34.
Verfahren zur Herstellung von pn-Übergängen durch Diffusion sind bekannt (vgl. beispielsweise die USA.-Patentschrift 2 870 050). Man kann z.B. die Germaniumscheibe 30 in ein Pulver einbringen, das aus Germanium besteht, welches pro Kubikzentimeter 4 · 1016 Antimonatome enthält. Die Germaniumscheibe wird in dem Pulver ungefähr 1 Stunde auf 800° C erhitzt. Das Antimon diffundiert dabei in die nicht abgedeckte Oberfläche der Germaniumscheibe ungefähr 7,5 μΐη tief ein, während in die abgedeckte Oberfläche praktisch kein Antimon endringen kann. Man läßt die Germaniumscheibe dann erkalten, entnimmt sie dem Pulver und erhitzt sie erneut etwa 20 Stunden lang in einer Stickstoffatmosphäre auf 850° C. Hierbei diffundiert das Antimon in die Germaniumscheibe bis zu einer Tiefe von etwa 75 μΐη ein, und seine Konzentration nimmt in Richtung auf das Scheibeninnere hin allmählich ab. Die Konzentration des Antimons in dem als Quelle dienenden Pulver, die Ofentemperatur und die Dauer der jeweiligen Erhitzungen werden so bemessen, daß die Konzentration an der Oberfläche der Germaniumscheibe 30 etwa 10ie Antimonatome pro Kubikzentimeter beträgt. Bei dieser allmählichen Abnahme der Störstellenkonzentration entspricht der Verlauf der Dotierung in der Germaniumscheibe 30 dem Teil A B der Kurve 40 in Fig. 4. Der pn-übergang 34 liegt etwa 75 μΐη unterhalb der Scheibenoberfläche. Unterhalb der Oxydschicht 31 bleibt weiterhin ein p-leitender Kristallbereich 33 erhalten. Der Übergang von ρ nach η verläuft so allmählich, daß die Sperrschicht hohe Sperrspannungen aushält.
Gemäß Fig. 3c wird nun die Schicht31 aus Siliziumdioxyd dadurch entfernt, daß man die Germaniumscheibe 30 in 5°/oiger Flußsäure wäscht, anschließend wird die Germaniumscheibe einem weiteren Diffusionsschritt unterworfen. Bei dieser Diffusion werden die Parameter der Konzentration des Dotierungsstoffes im Außenraum der Temperatui und der Zeit im Ofen so gewählt, daß sich ein hoher Gradient der Störstellenkonzentration ergibt. Bei diesem Beispiel wurde hierzu die Germaniumscheibe 30 ungefähr 1 Stunde lang bei 800° C in einem mit Stickstoff ausgespülten Ofen erhitzt, die Germaniumscheibe 30 befand sich dabei innerhalb eines Pulvers, das gewichtsmäßig aus 95% Germanium und 5% Arsen bestand. Hierdurch wird eine dünne Oberflächenschicht 35 der Germaniumscheibe 30 stark mit Arsen dotiert, dadurch n+-leitend und angrenzend an den p-leitenden Kristallbereich 33 der steil verlaufende pn-übergang 36 hergestellt. Die Arsenkonzentration beträgt an der Scheibenoberfläche dann etwa 1020 Atome pro Kubikzentimeter.
Als nächstes werden die Ränder der Germaniumscheibe 30 entfernt, so daß ein Halbleiterkörper ver-
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bleibt, der Schichten verschiedener Leitfähigkeit enthält, wie Fig. 3d zeigt. Der Leitfähigkeitstyp der einzelnen Schichten ist von unten an n+, n, p, n+. Die Entfernung der Ränder kann durch Schleifen, Schneiden, Läppen oder Ätzen nach entsprechender Abdeckung erfolgen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurden die abzudeckenden Teile der Germaniumscheibe mit einer Ätzschutzschicht, beispielsweise Wachs, überzogen, und die frei liegenden Teile wurden mittels einer Mischung aus Flußsäure und SaI-petersäure abgeätzt. Die Entfernung der Ränder der Germaniumscheibe teilt die n+-Schicht 35, die die ganze Scheibenoberfläche bedeckt hatte, in zwei getrennte Zonen. Eine n+-Zone35 grenzt an die n-Zone32 an, während die andere n+-Zone35' in F i g. 3 d an die p-Zone 33 angrenzt. Um den Basisanschluß leichter anbringen zu können, wird zweckmäßig während des gleichen Ätzvorganges ein Teil der n+-Zone 35', die auf die p-Zone33 folgt, entfernt und ein Teil der Oberfläche der p-Zone 33 freigelegt. Bei dem vorliegenden Beispiel besaß der nach dem Ätzen verbleibende Teil der n+-Zone35' die Form eines scheibenförmigen Tisches 37 mit einem Durchmesser von etwa 5,5 mm. Für solche erhöhte und emporstehende Teile einer Halbleitereinrichtung hat sich der Begriff »Mesa« eingebürgert. Die mesaförmige Zone 37 wird die Emitterzone, die p-Zone 33, die Basiszone und die n-Zone32 und die n+- Zone 35 die Kollektorzone des Transistors. In der unterhalb der Kollektorsperrschicht 34 gelegenen Kollektorzone ist die weiter entfernt von der Sperrschicht gelegene Arsen enthaltende n+-Zone 35 stärker dotiert als die das eindiffundierte Antimon enthaltende n-Zone 32, die an die Kollektorsperrschicht 34 angrenzt.
Wie aus Fig. 3e ersichtlich ist, wird die Halbleiterscheibe 30 auf einen Kupferblock 14 gelötet, der zur Aufnahme der vom Transistor entwickelten Verlustwärme dient. Der Kupferblock 14 wird isoliert von zwei Zuführungsleitern 15 und 16 durchsetzt. Ein Teil des Kupferblockes 14 ist mit einem Gewinde 17 versehen, um die Halterung des Transistors in einem entsprechenden Loch im Chassis zu erleichtern. Die Halbleiterscheibe 30 wurde bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels eines Blei-Antimon-Lotes auf dem Kupferblock 14 befestigt, wobei die mesaförmige Emitterzone 37 nach oben wies. Die Zuführungsleitung 15 ist mittels eines Metallstreifens 18, der auf die mesaförmige Emitterzone 37 aufgelötet ist, mit ihr verbunden. Der Metallstreifen 18 bestand hier aus Nickel oder einer Nickellegierung, die mit einem Blei-Zinn-Lot plattiert war. Die Zuführungsleitung 16 ist über einen Blech streifen19, der in einen Ring 13 ausläuft, mit der freigelegten Oberfläche der p-leitenden Basiszone 33 der Halbleiterscheibe 30 um die mesaförmige Emitterzone 37 herum verbunden. Der Blechstreifen 19 bestand hierbei aus mit Indium überzogenem Nickel. Der Transistor kann dann in bekannter Weise vergossen und in ein Gehäuse eingesetzt werden.
Der Emitter dieser Transistoren besitzt einen hohen Injektionswirkungsgrad, da eine Emitterzone hoher Leitfähigkeit an eine Basiszone geringer Leitfähigkeit angrenzt. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft besteht darin, daß die resultierende Störstellendichte in der Basiszone vom Emitter zum Kollektor hin abnimmt. Dieser räumliche Verlauf der Störstellendichte hat ein inneres Feld zur Folge, durch das die Minoritätsladungsträger in der Basiszone vom Emitter zum Kollektor hin beschleunigt werden, wodurch sich verbesserte Hochfrequenzeigenschaften ergeben. Durch den in einem gewissen Abstand von der Kollektorsperrschicht gelegenen Kollektorzonenbereich hoher Leitfähigkeit kann der Transistor Ströme bis zu 20 Ampere führen, während gleichzeitig der allmählich verlaufende pn-übergang hohe Sperrspannungen gewährleistet. Übliche npn-Germaniuni-Transistoren schlagen durch, wenn die Kollektorsperrspannung etwa 60 bis 100 Volt erreicht. Im Gegensatz dazu, halten die oben beschriebenen Transistoren Sperrspannungen von 400VoIt und mehr aus. Nach dem in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Verfahren gelang es sogar Transistoren herzustellen, die 20 Ampere Strom führen konnten und deren Durchschlagsspannung bei 700VoIt lag.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Drift-Transistor mit Emitter-, Kollektor und Basiszone, bei dem die Dotierung der Basiszone angrenzend an die Emitterzone höher ist als angrenzend an die Kollektorzone, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines npn-Transistors die gesamte Emitterzone (35') n+ dotiert, die Breite des pn-Überganges (36) zwischen Emitter- und Basiszone von der Größe seiner Verarmungszone, der pn-übergang (34) zwischen Kollektor- und Basiszone einige Male breiter als der pn-übergang (36) zwischen Emitter- und Basiszone und die Kollektorzone (32, 35) in Richtung von der Basiszone (33) zu ihrer Oberfläche so dotiert ist, daß ihre Leitfähigkeit allmählich von η nach n+ zunimmt, und daß im Falle eines pnp-Transistors die Leitfähigkeitstypen jeweils die entgegengesetzte Polarität aufweisen.
2. Diffusionsverfahren zur Herstellung eines Drift-Transistors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die zwei Hauptflächen einer monokristallinen Halbleiterscheibe (30) eines ersten Leitfähigkeitstyps ein Dotierungsstoff eines zweiten, entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps derart eindiffundiert wird, daß sich eine muldenförmige, relativ flach verlaufende Störstellenverteilung (40 in F i g. 4) ergibt und zwei voneinander beabstandete pn-Übergänge parallel zu den Hauptflächen entstehen, daß die Halbleiterscheibe dann von einer Hauptfläche aus auf ungefähr die Hälfte ihrer ursprünglichen Dicke abgearbeitet wird, wobei der eine pn-übergang entfernt wird, und daß in die zwei Hauptflächen der verbliebenen Hälfte der Halbleiterscheibe ein Dotierungsstoff des zweiten Leitfähigkeitstyps unter solchen Bedingungen eindiffundiert wird, daß sich an den zwei Hauptflächen jeweils eine dünne, stark leitende Oberflächenschicht ausbildet, die auf der Seite der durch Abarbeitung entstandenen Hauptfläche mit dem Teil ersten Leitfähigkeitstyps der Halbleiterscheibe den pnübergang (36, b") zwischen Emitter- und Basiszone bildet, und die auf der Seite der verbliebenen Hauptfläche nicht bis zu dem durch den ersten Diffusionsvorgang gebildeten pn-übergang (34, c") zwischen Kollektor- und Basiszone reicht.
3. Diffusionsverfahren zur Herstellung eines Drift-Transistors nach Anspruch 1, dadurch ge-
kennzeichnet, daß in eine der beiden Hauptflächen einer monokristallinen Halbleiterscheibe eines ersten Leitfähigkeitstyps ein Dotierungsstoff eines zweiten, entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps unter solchen Bedingungen eindiffundiert wird, daß sich eine zur anderen, zweiten Hauptfläche der Halbleiterscheibe relativ flach abfallende Störstellenverteilung ergibt und in der Nähe der ersten Hauptfläche durch die hindurch eindiffundiert wird, der pn-übergang (34, c") zwischen Kollektor- und Basiszone entsteht, und daß dann in beide Hauptflächen der Halbleiter-
scheibe ein Dotierungsstoff des zweiten Leitfähigkeitstyps unter solchen Bedingungen eindiffundiert wird, daß an den beiden Hauptflächen jeweils eine dünne Oberflächenschicht hoher Leitfähigkeit entsteht, die auf der Seite der ersten Hauptfläche nicht bis zu dem durch den ersten Diffusionsvorgang gebildeten pn-übergang (34, c") zwischen Kollektor- und Basiszone reicht, und die auf der Seite der zweiten Hauptfläche mit dem Teil ersten Leitfähigkeitstyps der Halbleiterscheibe den pn-übergang (36, b") zwischen Emitter- und Basiszone bildet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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