Полупроводниковый прибор

Союз Советских Социалистическин Республик(2осударстаенный комитетСовета Министров СССРоо делам иэооретенийн открытий ополнительный к пате 51) Ж"Мй;) Авторыизобретени Иностранцы зиме Яги.и Тадахару Ц(71) Заявител КОВЫЙ ПРИБОР 54) ПОЛУПРО Изобретение относится к по унрс 1 водни 1 сссв 1,х приоорам, имеющим большое количествоо р-п-пс реходов, например биполярным транзисторам или тиристорам, в цастности к 11 рнбору, в котором обеспечивасгся такая концентрация примеси в области эмиттера, цри которой эффективная диффузионная длин нсосновных носителей заряда оказывается значительно больше, чем ширина об.асти эмиттсра, и устройствам, обсспечива 1 с 1- шим такую генерацию неосновных носителей заряда, инжектируемых в область эмиттера, которые уравновсчпиваот неосновные нос 1- тели заряда, инткектируемые в область эмиттер из об.сти базы.Известны полупроводниковые приборы с большим колицеством р-и-переходов 11.Иаиболсс б 1 изкое техническое решение к изобретению - полупроводниковый прибор, имеющий эмиттерную, базовую и коллекторную зоны чередующегося типа проводимости и образующие два р-п-перехода, дополнительную зону противоположного типа проводимости в эмиттере и образующую с ней догОгНительный р-п-переход, и сре сство для прямого смешения 12. Однако в этом приборе нс определен ни вид распределения концснтрации примесей, ни го, какой дс 151 нсна быть пирина базы 1 лн эмиттера.Концентрацию легируюц 1 их э.Смснгсн вэмиттере ооеспечивают оолсс высокой, чем в базе. Го мере увеличсния этой разицы повышастся эффективность эмиттср, которая принимает значение. близкое к сдиницс. Однако 11 ри сильно 1 стспсни легир 11 нания црс 1 исходи г возрастание концентрации дефест 11 в решетки и дислокаций в теле полупроводника. У;Сньцение степени легирования сопроВождется в транзисторзх снижснием коэффициента усиления по току.11 с,ь изобретения - л 1 ньспс н 1 с 1 ц мувел 1 Чс 1 Нс коэффициента усленя о; 1 м.Поставленная цель досгигег,я гсм, 1 то а расстояние между переходом эмигтс 11-бсз;И ДО 11051 ПИТС 1 ЬПЫМ ЦСРСХОДС 1 С 11 о 1:1 С, 1 С диффузшгнная длин; нсосновных носГгслсй в эмиттерс, цто позволяет получа ь рав 11 о- МЕрНЮ КОНце 1 ГГрацИЮ НЕОСНОВНЫХ НОСИтсЛСй в области эмит 1 ера.Базовая и дополнительная зсиы элсктрнцсски соединены, а переход эм 1 ттср-спз; и дои 1, Ните,1 ьный переход смс .ыс.11 ф 11 Г.схстически показнс 1 11 стьцопс 1 ц 1 Н 1 о разреза 1 Х-т 11 Нзсго 1;1; нвфиг. 2 - диаграмма распределения нричеси в приборе и концентрации неосновных носителей заряда в области эмиттера; нэ фиг. 3 изображена часть поперечного разреза чипа интегральной схемы, в которую входят предлагаемый МьЧ-транзистор и РМР-транзистор известной конструкции, обеспечивающие создание дополнительной пары транзисторов в чипе интегральной схемы;на фиг. 4, 5 и 6 представлены варианты технического решения; на фиг, 7 показана зависимость коэффициента Ь усиления по то ку, получаемого в схеме с заземленным эмиттером, от тока коллектора; на фиг. 8 - зависимость шум-фактора от частоты при значении полного входного сопротивления, равного 1000 Ом; на фиг. 9 - зависимость шум-фактора от частоты при значении пол 15 ного входного сопротивления, равноч 30 Ом;на фиг. 10 даны шумовые диаграммы, на которы шум-фактор построен в зависимости от тока коллектора; на фиг, 11 представлена зависимость коэффициента (11 г,) от 20 температуры.Предлагаемый прибор имеет подложку 1, сильно легированную примесями 1 Ч-типа, т.е.подложка чожет образовываться на базе кремния, сильно легированного сурьмой.Г 1 редпочтительное значение концентрации легируюшей примеси составляет 4 Х 10см, а удельное сопротивление подложки - приблизительно 0,01 Ом см. При этой концентрации легирующей примеси удельное сопротивление подложки может меняться в пределах от 0,008 до 0,012 Омсм, предпочтительное значение толщины подложки составляет приблизительно 250 мкм.На подложку 1 наносят выращенный эпитаксиально слой 2 кремния, имеющий 1 Ч-тип+проводимости, который вместе с 1 Ч -облас тью подложки образует область коллектора. Этот эпитаксиальный слой слабо легирован сурьмой таким,образом, чтобы концентрация легирующей примеси в нем составляла 7 Х 10 г 4 см . Удельное сопротивление слоя в этом случае равно приблизительно 8 - 10 Омсм. Предпочтительное значение толщины эпитаксиального слоя составляет приблизительно 20 мкм.Далее на М-слой 2 наносят эпитаксиально слой 3 кремния р-типа для создания ак тивной базы транзистора. В качестве легируюшего элемента для этого слоя может оыть взят бром в таком количестве, чтобы концентрация легируюшей примеси составляла 1 Х 106 см з. Удельное сопротивление слоя составляет 1,5 Омсм. Предпочтительное значение толщины эпитаксиального слоя 3 составляет приблизительно 5 мкм.На слой 3 Р-типа накладывают эпитаксиально слой 4 кремния Ч-типа, с подошью которого создается эмиттер. Слой 4 слабо легирован сурьмой таким образом, что концентрация легирующей примеси составляет приблизительно 5 5 Х 10" см з, удельное сопротивление слоя приблизительно 1 Омсч, толщина слоя от 2 до 5 чкч.Нэ Ч-слой 4.затем методом диффузии наносится слой Т Ч-типа, предназначенный для обеспечения создания контакгной поверхности к области эмиттера. Этот слой легирован фосфором, концентрация примесей на его поверхности составляет 5 Х 10 о см , а глубина залегания порядка 1 мкм.Сильно легированная область 6, охватывающая область коллектора, образуется методом диффузии, причем эта область проникает через Р-базу в 1 Ч-коллекторный слой 2.Легируюшей примесью в этом случае является фосфор, а поверхностная концентрация легирующей примеси составляет приблизительно 3 Х 1 Осм .Область 7 Р-типа, получаемая методом диффузии, проникает через 1-слой 4 эмиттера в слой 3 базы Р-типа, который ограничивает область эмиттера и охватывает ее.Концентрация на поверхности легируюшегоэлемента, в качестве которого выбран бор, составляет 7 Х 10 см , В области 7 методом диффузии создается область 8 Р-типа, сильно легированная бором, поверхностная концентрация атомов которого равна приблизительно 5 Х 10 см з, а глубина области 8 - 1,8 мкм.Верхнюю часть прибора покрывают слоем двуокиси кремния для пассивирования поверхности.Электрод к псЪерхности области 9 коллектора, образуемый с помощью алюминия, наносится на 1 Ч область подложки 1. Электрод 10 к области базы создается на основе алюминия, который наносится на контактную область 8 базы. Электрод 11 к области эмиттера наносится на контактный слой 5 эмиттера. На Х-область эмиттера наносится методом диффузии область Р-типа, с помощью которой образуется РЧ-переход между ней и слоемэмиттера. Эта область легирована бором и образуется одновременно с образованием контактной области 8 базы, концентрация легируюшей примеси составляет 510 см , глубина залегания слоя - приблизительно 1,8 мкм.Таким образом, переход 12 коллектор -база создан 1 Ч-слоем 2 и Р-слоем 3. С помощью Р-слоя 3 и Х-слоя 4 образуется переход 14 эмиттер-база, а с помощью 1 Х(-слоя 4 и дополнительной области Р-типа - дополительный РЧ-переход 14. Предпочтительное расстояние между переходом 13 эмиттер-база и дополнительным Р(Ч-переходом 14 от 2 до 5. мкм.В варианте, показанном на фиг. 3, 1 ЧР)Чтранзистор, который был изображен на фиг. 1, используется в интегральной схеме с другими полупроводниковыми элементами (напричер РХР-транзистор). Интегральная схема содержит транзисторы двух различных типов (например дополнительные трав 626713Г)зисторы, в Гстгос) ХРХ-транзцспр ц РХР- транзистор). Эт транзисторы созлак)я ца пОдлокк( 5, выполненОЙ из крс)цц 5 Р-тГ- па. ХРХ-т;днзистор включает в ссоя сцг) цо легировдннукГ область коггсктора, функщк которой ВыпО,няет пол )Ожка 1, слаоо;ец рованный сл( й 2 коллектора, слабо легированный слой 3 базы, слабо легированный слой 4.эмиттера, сильцГ легированный контактный слой 5 эмиттера, ввод в область 6 коллектора, контактную область 6 коллектора, ввод в базовую область 7, контактную область 8 базы, дополнительную область, электрод к области 9 коллектора, базовый электрод 10 и электрод 11 к области эмцттера.В РХР-трацзисторе имеется коллектор 17 Р-тица, база 18 Х-типа, эмиттер 19 Р-типа, коллектор 20 Р-типа, контактная область 21 коллектора, контактная область 22 базы Х-типа, коллекторный электрод 23, базовый электрол 24 и эмиттерный электрод 25.Электрическое разделение транзисторов осуществляется с помоцью РХ-переходов.Изолцруюцая область 26 Р-типа примыкает к подложке 5 Р-типа и охватывает как ХРХ-, так и РХР-трацзисторы. Три области Х-типа, 27, 28 и 29 образуют чашеобразную изолирующую область, охватывающую только РХР-транзцстор. В этой интегральной схеме олшвременно создается большое количество парных или строенных элементов, например ХР-слоии 3 образуются методом селективной диф)узии в подложку 15 Р-типа. Слой 2 и область 28 создаются методом эпитаксиального выращивания материала Х-тица, Р-слой 3 транзистора ХРХ и коллектор 17, Р-типа транзистора РХР создаются либо методом эпитаксиального выращивания, либо методом селективной диффузии. Х-слой 4 ХРХ транзистора и Х-база 18 РХР-транзистора создаются методом эпитаксиального выращивания. Области Х+ 6 и 29 создаются с помощью диффузии элементов, приводящих к возникновению Х-ти па проводимости. Р-область 7 и коллектор 20 создаются с помощью диффузии элементов, приводящих к возникновению слоя Р-типа проводимости. Р-область 8 РХР-транзистора, дополнительная область транзистора и ХРХ-эмиттер 19 РХР-транзистора создаются с помощью диффузии элементов, приводящих к возникновению слоя Р-типа проводимости. Области 5, 16 и 22 созданы метолом диффузии..50В варианте, показацном,на фиг. 4, дополнительная область примыкает к области 7 ц области 8 базы. Базовый электрол может наноситься не только на области 7 базы, цо ц нд дополнительную область 30.В варианте по фиг. 5 нд цновсрхцосги сла оо легированного слоя 4 эмцттерд р зчещаетс 5 Л 011-срчктчр(мстг-Окцсг-цогъ и роцолцик .уцрвгяоццц ,скгр. 631, цпоц.снцый о алюминия, ц слой 32 двуокиси Г рсчцця вч(стс со слоем 4 эчиттерд Обр,.( к)т МОП-струит ру. Прц прГклалы );ниц здрднее выбранных значений ндпряж(цця к уцрсвл 5 оцс)у эгектролу 31 цод ц Г, роцьц) слоем 32 процсхолцт образовне барьер 3 . СЛОЙ 32 называется тдкм(е цц(рс,ым слосч, облдстькэ истовения цлц Г)Г.Г "Ь ЦКОПЛСЦП 5.В цдрцацге, показанном на фиг. 6, ца поверхность слабо легированного слоя 4 эчцтера наносится слой, с помощью которого создается барьер Шоттки. Для образования барьера Шотткц на Х-слой 4 эмиттера наносится подходящий для этой цели металл, например платина.На фцг. 2 представлена диаграмма распрел(леция примеси и коцентрации неосновных носителей заряда в эмиттере прибо;"), представленного на фиг. . В верхней ча( ц показаны кривые, относящиеся к Х -легированной кречниевой подложке 1, слою 2 Х-коллектора, слою 3 Р-базы, слою 4 эмиттера и Р-областц. Распределение концентрации примеси в каждой из этих областей показано в центральной части,и в нижней части - распределение концентрации цнжектированных в эмиттер неосновных носителей заряда, которая является комбинацией цнжектированных неосновных носителей заряда из базовой области слоя 3 и из РХ-перехода, разделяющего Р-область и слой 4.Компонент концентрации, возникающий в результате инжекции неосновных носителей заряда из перехода 13 эмиттер-база, изображен линией 34 градиента, компонент концентрации, возникающий в результате инжекцци тока неосновных носителей заряда из дополнительного перехода 14, - линией 35 градиента. Так как инжектированные цеосновные носители заряда перемещаются в противоположных направлениях, они облалаот тенденцией к рекомбинации друг с другом, в результате чего определяется строго плоская илц находящаяся ца одном уровне лццця 35 градиента. Именно за счет эп)й характеристики обеспечивается большо( значение коэффициента усиления по Гоку и ццзкцйр(вень шумов в приборе. Неосцовцье носители заряда дырки), ццжектцрованцыс через переход эмцттер-база, лГ)стцгдют дополнительного переход 14 и ц)цдлдот в дополнительную облдсть. С лрусгороцы о Р-области также гроцсхолит ццжекцця льОк в с 1 ое 4 эмиттера Х-тццд, н этц дырки проходят через эмиттер и лохо,ят до перехода 13 эмиттер-база, поскольку диффузионная длина цнжектированных носителей ЮЕ меньше, чем диффузионная ллцца в слое 4 Х-эмиттера. Когда уровень ицжекции дырок из Р-области достаточно Г)сок, лырочцый ток нз дополнительного перехода, направленный в сторону переход 13, комп(нсируст лырочный ток,7протекающий от перехода 13 к дополнитель. . ному переходу 14, В результате этой компенсаций обеспечивается плоское распределение концентрации дырок в эмиттере Ж-типа н уменьшается величина дырочного тока, текущегоот слон 3 базы к слою 4 эмнттера.С помощью прибора, показанного на фиг. 1, достигаются высокое значение коэффициента усиления по току и малый уровень шумов, Это происходих потому, что коэффициент Ьу усиления по току в схеме с за. земленнь 1 м эмиттером является одним из важнейших параметров транзистора.Ои определяется Ь,= ф (1) где 4, коэффициент усиления в схеме с заземленной базой. Хоэффицйент И.усиления по току находят по формулео(, = юР(2) где ФР - отношение, связанное с умножением на коллекторе; ф - коэффициент передачи базы;- эффективность эмиттера.В ИРМ.транзисторе, например, эффек. тивность эмиттера определяет я как где За - плотность электронного тока, создаваемого электронами, которые инжектируются через переход эмиттер-база в направлении от эмиттера к базе, а плотность дырочного тока, создаваемого дырками, которые иижектируются через тот же переход - в обратном направлении от базы к эмиттеру,Величина плотности электронного тока задается Й Рв 1 ) 5)Р где Ее - это диффузионная длина электронов в базе, имеющей р-тип проводимости;Еу - диффузионная длина дырокв эмиттере, имеющем И-тип проводимости; Оа - коэффициент диффузии для дырок; Ое - , коэффициент диффузии для электронов;ц р - концентрация электронов, являющихся неосновными носителями в базеР-типа в состоянии равновесия;Р 4 - концентрация дырок, являющихся неосновными носителями в эмиттере Х-типа проводимости в состоянии равновесия;Ч, - напряжение, приложенное к Р-Х-перехозц:;1 а Ьр Эа отношению заменив соотношение. А/ Рр ОКО Кривые отражают экспериментальные результаты, полученные при исследованиях двух различных транзисторов. Разница между двумя кривыми объясняется тем, что имеет место различная плоскостная конфигурагде Й - концентрация примесей в областибазы;И - концентрация примеси в областищ эмиттера;% - ширина базы, величина которойограничивает диффузионную длину электронов 1.а в области базы.Коэффициенты диффузии носителей заря-да Оп и О являются функциями подвижиос ти носителей заряда и температуры и могутбыть практически постоянными.При уменьшении значения 3 величинау становится близкой к единице в соответствии с уравнением (3), значение Й, возрастает в соответствии с уравнением (2) и значение Ь - в соответствии с уравнением (1)Низкие шумовые характеристики объясняются следующим: концентрация дефектоврешетки или дислокаций значительно уменьшается в связи с тем, что И-переход эмитЗЗ тер-база образуется сильно легированнымслоем 4 эмиттера и сильно легированнымслоем 3 базы, Концентрация примесей в силно легированном слое 4 эмиттера с точкизрения шумовых характеристик, .временижизни тр и диффузионной длины неосновиыхносителей заряда Ер, должна быть уменьшена до значений, приблизительно меньших,чем 1 О 8 см .Другим фактором, приводящим к низкому уровню шумов, является то, что ток4 З эмиттера течет почти в вертикальном направлении как в сильно легированном слое 4эмиттера, так и в сильно легированном слое3 базы,Высокие значения коэффициента усиления по току - для схемы с заземленным56эмиттером Ь для прибора, представленного на фиг. 1, показаны на фиг. 7 двумяграфиками 36, 37.6267 Формула изобретения 9ция эмиттера. Обе кривые свидетельствуют, что приборы обладают высокими зиачвниями коэффициеита усиления по току в схеме с заземленным эмиттером.На фиг. 8 приведеиы зависимости уров. ня шумов от частоты, полученные для прибора, изображенного иа фиг. 1, случай, когда полное входное сопротивлеиие равно 1000 Ом, ток коллекторамА, а иапряжение смещения, приложеииое между эмиттером и коллектором,6 В. Значения уровня шумов показаны лииией 38. Уровеиь шумов для транзистора, изготовлеииого по известной технологии, при которой уровень шумов мииимальиый, показан иииией 39.На фиг. 9 представлена кривая, подоб" иая кривой иа фиг. 8, где характеристики прибора, представлеииого иа фиг. 1, изображеиы лииией 40, а уровень шумов, наблюдаемый иа прйборе, изготовлеииом по технологии предшествующего уровня техники, показан линией 41 Кривые иа фиг, 9 соответствуют величине полного входного сопротив лений, равного ЗО Ом, при этом величииы тока коллектора и напряжение между эмиттером и коллектором такие же, как при построении диаграмм иа фиг. 8.НЪ фиг. 10 представлены щумоые диаграммы для известного транзистора 42) и прибора, изображенного иа фиг.(43).Обе диаграммы построены для уровня шума вЗдб:Кривые, построенные на фиг. 11, являются зависимостью от температуры. Ктивая 44 3 в отиосится к известному прибору, а кривая 45 - к предлагаемому.Выражение фактически плоское, которое используется для описания распределения концентрации на основных носителях заряда вдоль эффективной области эмиттера, следует понимать таким образом, что комбинированное зиачеиие концентрации не- основных носителей заряда, которые иижектируются из активной области базы в активную область эмиттера, и концентрация иеосновных носителей заряда в эмиттере, перемещающихся в противоположном направлеиии под воздействием возникающего контактиого поля, оставалось иа одном уровие 310но всей активной области эмигтера. Это состояиие представлеио частью линии иа фиг. 2, которая отиосится к области эмиттера и идет горизонтально.В описанных выше вариаитах прибора за счет хорошего качества поверхности кремния и иаиесеиия пассивирующего слоя %0 обес. печивается низкое значение скорости поверхностей рекомбинации. С помощью до. полиительиого барьера, описанного выше, также удается получить низкое значение скорости поверхностной рекомбинации и иа по. всрхностях отдельных плоскостей переходов.Хотя изобретение поясиеио с помощью МРИ-транзистора, показанного иа фиг. 1, очеви ио, что это может быть и РЯР.траизистор, имеющий подобную структуру и характеристики. Практически вариантом изоб. ретеиия может быть и полупроводииковый прибор ХРАБР.типа.. Полупроводниковый прибор, имеющий эмиттерную базовую и коллекториую зоны чередующегося типа проводимости и образующие два р-п-перехода, дополиительиую. зоиу противоположиого типа проводимости в эмиттере и образующую с ней дополиительиый р-п-переход, и средство для прямого смещения, отличаюиийся тем, что, с целью уменьшения шумя и увеличения коэффициента усиления по току, расстояние между переходом эмиттер-база и дополиительиым переходом меиьше, чем диффузионная длина иеосиовных носителей в эмиттере, что позволяет получить равиомериуо концентрацию иеосновиых йосителей в области эмиттера.2, Прибор по п. 1, отличающийся тем, что базовая и дополнительная зоны электрически соединены, а переход эмиттер-база и дополнительный переход смежные.Источники информации, принятые во виимание при экспертизе:626713г 8 гУ го гФ гг 18 л. л 8 г г 7 г 8 17 Я 7 8 ЯИ 3,7 ЛУ 1111 г 1 г .Ф626713 11 Ф 7 таа тк так тоок- -Уг)10 О 0 О,ОО 1 10 01 1 с(тт 41 моиг. иг. 11 едактор Т. Рыбалоаказ 5477/22 НИИПИ Госуда тве лам сква Патент, г. Ужгород, ул. Проектн ф тоГю/4 113035, МФилиал ППП арА ьпА тотттА тоатА 1 с 01 иг, 7 та тао тк тол тоо- э,1 Яг) григ. 9оставитель О. Федюкинаехред О. Луговая Корректор В. Серп раж 960 Подписное ого комитета Совета Министров СССРизобретений и открытий Ж 35, Раушская наб., д. 4(5