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Halbleiteranordnung
Die Erfindung betrifft die Ausbildung elektronischer Schaltungen möglichst kleiner Abmessungen und Verfahren zur Herstellung solcher Schaltungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Schaltungen, die zu einer Einheit zusammengefasst sind und aus halbleitendem Material aufgebaut sind.
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mente angestrebt. Diese Bestrebungen hatten wohl viele Erfolge aufzuweisen, erreichten jedoch bald ihre Grenzen. Es wurde auch vorgeschlagen, die Grösse der einzelnen Schaltelemente dadurch zu verringern, dass die Schutzhüllen der Schaltelemoata reggelassen wurden, wobei die mehr oder weniger üblichen Ar-
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bei die verschiedenen Schaltelemente mit gleichen Abmessungen hergestellt wurden, um einen engeren
Zusammenbau in der ausgeführten Schaltung zu erreichen.
Alle diese Methoden und Herstellungsarten erfordern aber eine grosse Anzahl und eine Vielfalt von Ar- beitsgängen bei der Herstellung einer vollständigen Schaltung. Beispielsweise werden die Widerstände als von allen Schaltelementen am leichtesten herstellbar angesehen ; wenn es sich jedoch darum handelt, Widerstände für Schaltungen kleinster Abmessungen herzustellen, u. zw. mit Hilfe der üblichen Herstellungmethoden, so müssen zumindest die folgenden Arbeitsvorgänge durchgeführt werden : a. Bildung der Grundplatte, b. Vorbereiten der Grundplatte, c. Aufbringen der Anschlüsse, d. Vorbereitung des Widerstandsmaterials, e. Aufbringen des Widerstandsmaterials, f. Hitzebehandlung des Widerstandsmaterials, g. Behandlung zum Schutze oder zur Stabilisierung des fertigen Widerstandes.
Kondensatoren, Transistoren und Dioden verlangen, wenn sie in derartigen "miniaturisierten" Schal- tungen Verwendung finden sollen, zumindest gleich viele Arbeitsvorgänge zu ihrer Herstellung. Unglücklicherweise sind aber manche dieser Herstellungsphasen miteinander unvereinbar. So kann beispielsweise die Behandlung, die zur Erzielung eines ausreichenden Schutzes für einen Widerstand erforderlich ist, andere Schaltelemente, wie etwa einen Kondensator oder einen Transistor, zerstören. Mit der Verkleinerung der gesamten Schaltung wächst sohin die Wichtigkeit der Beachtung solcher einander beeinflussender Behandlungsweisen.
Solche gegenseitige Beeinflussungen können dadurch verringert werden, dass die einzel- nen Schaltelemente getrennthergestellt und sodann zur fertigen Schaltung zusammengesetzt werden ; beim Zusammensetzvorgang können jedoch die sehr empfindlich gewordenen Schaltelemente leicht beschädigt werden.
Zufolge der grossen Anzahl der erforderlichen Arbeitsgänge wird die Überwachung der Herstellung sol- cher"miniaturisierter"Schaltungen sehr schwierig. So müssen viele Rohmaterialien genau überprüft und kontrolliert werden, wenn alle ihre Eigenschaften nicht ohne weiters bekannt sind. Weiters werden sehr vie-
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le Prüfvorgänge erforderlich und gerade, wenn ein grosser Aufwand für jeden Arbeitsgang gemacht wird, ist der Gesamtausstoss häufig gering. Die Zuverlässigkeit solcher Schaltungen im Betrieb ist auch oft ge- ring im Hinblick auf die sehr grosse Anzahl der zu ihrer Herstellung erforderlichen Arbeits- und Kontroll- vorgänge.
Die getrennte Herstellung der einzelnen Schaltelemente macht natürlich die Anordnung eige- ner Anschlüsse an jedem Schaltelement notwendig. Diese Anschlüsse können äusserst klein werden und durch einen Punkt einer leitfähigen Farbe gebildet sein. Aber trotzdem beanspruchen diese Anschlüsse einennichtgeringen Anteil der verfügbaren Fläche oder des verfügbaren Volumens, welche bzw. welches für die Schaltung vorgegeben ist und ergeben eine zusätzliche Ursache für Störungen in der Schaltung oder für Ausschuss.
Im Gegensatz zu den bisher gemachten Versuchen zur Miniaturisierung geht die vorliegende Erfin- dung von einem neuen und vom bisherigen völlig verschiedenen Gedanken zur Miniaturisierung aus. Un- ter völligem Verlassendes bisher bekannten schlägt die Erfindung vor, die Miniaturisierung durch die Ver- wendung von wenigen Rohstoffarten und möglichst wenigen Herstellungsgängen durchzuführen.
Gemäss der Erfindung wird bei einer Halbleiteranordnung, bestehend aus einem Körper aus einem
Halbleitereinkristall einer bestimmten Leitfähigkeitstype, welcher eine diffundierte Schicht entgegenge- setzter Leitfähigkeitstype aufweist, die mit dem Körper einen pn-Übergang bildet, vorgesehen, dass der
Körper in einander benachbarten Regionen verschiedene Schaltelemente aufweist, die zumindest einen
Teil einer Schaltung bilden.
Es ist wohl bereits bekanntgeworden, auf einem Block von Halbleitermaterial eine Anzahl von Re- gionen anderer Leitfähigkeitstype anzuordnen, so dass etwa in einem Block der n-Type mehrere Zonen der p-Type vorgesehen wurden, sodass praktisch ein Transistor mit einer vergrösserten Elektrodenzahl ent- stand. Dieser"Universaltransistor"musste natürlich mit Hilfe von Anschlüssen und Leitungen mit den übri- gen. vom Halbleiterblock, der den Universaltransistor trug, getrennten Schaltelementen verbunden wer- den.
Weiters ist es bekannt, in einem Block aus Halbleitermaterial drei Zonen abwechselnd verschiedener Leitfähigkeitstype und damit zwei Übergänge zu schaffen und diesen Block sodann quer zu den Ebenen der Übergänge einzuschneiden, wobei jeder Einschnitt von der entgegengesetzten Seite des Blockes wie der vorhergehende seinen Ausgang nahm und immer beide Übergangszonen durchtrennt. Man erhielt auf diese Weise in Serie liegende Gleichrichterelemente, welche, wieder über Anschlüsse und Leitungen mit andern, ausserhalb des Blockes liegenden Schaltelementen verbunden, in den verschiedensten Schaltungskombinationen verwendet werden konnten.
Demgegenüber wird aber gemäss der Erfindung vorgesehen, auf ein-und demselben Block aus Halbleitermaterial verschiedene Schaltelemente vorzusehen, so dass auf einem solchen Block eine komplette, betriebsfähige Schaltung gebildet ist.
Gegenstand der Erfindung ist es auch, neuartige Kondensatoren als Schaltelemente für derartige Schaltungen vorzusehen.
Andere und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen genauer erläutert, in welchen die Fig. l - 5a in schematischer Weise verschiedene Schaltelemente zeigen, welche entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt worden sind, so dass sie in einen einzigen Körper halbleitenden Materials eingebettet werden oder aber einen Teil eines solchen Körpers bilden können. Fig. 6a zeigt vereinfacht einen Multivibrator, welcher gemäss der Erfindung hergestellt ist. Fig. 6b zeigt das Schaltschema des Multivibrators, wie er in Fig. 6a gezeigt ist, unter Berücksichtigung der Darstellungsweise in der Fig. 6a, Fig. 7 zeigt das Schaltschema des Multivibrators in der üblichen Darstellungsweise.
In Fig. 8a ist ein gemäss der Erfindung hergestellter RC-Generator mit Phasendrehungsnetzwerk gezeigt, Fig. 8b zeigt, wieder unter Berücksichtigung der Darstellungsweise der Fig. 8a, das Schaltbild dieses Oszillators, und Fig. 8c zeigt das Schaltbild dieses Oszillators in der herkömmlichen Darstellungsweise.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, um die Erfindung selbst und ihre verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten und Formen besser verständlich zu machen.
Wie zuvor schon ausgeführt worden ist, befasst sich die Erfindung mit der Verringerung der Abmessungen, dersogenannten"Miniaturisierung", elektronischer Schaltungen. Wie weiters auch schon ausgeführt, sieht die Erfindung die Verwendung eines Körpers aus halbleitendem Material vor, welchem eine zweckmässige, äussere Form gegeben ist und innerhalb dessen ein flächiger pn-Übergang bzw. pn-Übergänge vorgesehensind sowie die Massnahme, von Schaltelementen Gebrauch zu machen, die innerhalb dieses Körpers ausgebildet sind oder Teile desselben bilden.
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Die Fig. l - 5 zeigen im Detail Schaltelemente, welche gemäss dem Wesen der vorliegenden Erfin- dung aufgebaut sind und welche innerhalb eines Körpers aus halbleitendem Material vorgesehen werden können. Es ist an dieser Stelle besonders hervorzuheben, dass der Körper aus halbleitendem Material die
Struktur eines Einkristalls hat und aus irgendeinem halbleitenden Material bestehen kann. Als Beispiele i hiefür können angeführt werden : Germanium, Silizium, Metall-Legierungen wie etwa Gallium-Arsenid,
Aluminium-Antimonid, Indium-Antimonid und ebensogut auch andere.
Unter Bezugnahme auf Fig. l ist dort der typische Aufbau eines Widerstandes gezeigt, welcher in einem Halbleitereinkristall liegen oder mit einem solchen vereinigt sein kann. Wie aus Fig. l hervorgeht, ist bei diesem Widerstands-Aufbau ein Widerstandskörper 10 aus halbleitendem Material vorgesehen, wel- ) ches entweder der n-oder der p-Type angehören kann. Ohmsche Kontakte 11 und 12 sind an einer Ober- fläche des Körpers 10 vorgesehen und stehen voneinander in einem solchen Abstand, dass der gewünschte
Widerstandswert erreicht wird. Wie dem Fachmann bekannt ist, wird unter einem"ohmschen Kontakt" eine solche Verbindung verstanden, welche bezüglich des Widerstandes, der sich dem in beliebiger Rich- tung fliessenden Strome bietet. Symmetrie und Linearität zeigt.
Wenn zwei Widerstände miteinander zu verbinden sind, so ist es also nicht erforderlich, an dem beiden Widerständen gemeinsamen Punkt zwei
Anschlüsse vorzusehen. Der Widerstandswert kann nach der folgenden Formel errechnet werden :
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Hiebei bedeutet L die Länge in cm, A die Querschnittsfläche und p den spezifischen Widerstand des
Halbleitermaterials in Ohm/cm.
Ein Widerstand, wie er in Fig. l gezeigt ist, kann auch innerhalb eines Halbleiterkörpers, einen Teil desselben bildend, vorgesehen werden. So ist in Fig. la mit 10 ein Körper aus einem halbleitenden Ma- terial der p-Type bezeichnet, in welchem eine n-Region lOb formiert ist. Zwischen dem Körper 10a und der Region lOb ist somit ein pn-Übergang gegeben, welcher mit dem Bezugszeichen 13 benannt ist. An der einen Oberfläche der Region lOb sind Kontakte lla und 12a vorgesehen, welche voneinander entspre- chenden Abstand haben, dass zwischen ihnen der gewünschte Widerstandswert erreicht wird. Genau so wie beim Beispiel nach der Fig. l bilden die Kontakte lla und 12a ohmsche Verbindungen zur Region lOb. Ein
Widerstand, wie er gemäss der Fig. la ausgebildet ist, bietet eine Reihe wichtiger Vorteile.
Zum ersten bildet der pn-Übergang eine Grenze für einen Stromfluss von der Region lOb der n-Type in den Körper 10a, welcher der p-Type angehört ; somit wird der Stromfluss in einen Weg innerhalb der Region von der n-Type gezwungen, u. zw. von einem Kontakt zum andern. Der zweite Vorteil ist darin gelegen, dass der Gesamtwert des Widerstandes in hohem Masse verändert bzw. auf den genauen, gewünschten Wert gebracht werden kann.
Der Widerstandswert kann dadurch verändert werden, dass die gesamte Oberfläche leicht geschabt wird, wodurch die oberste Schicht der n-Region lOb abgetragen wird ; hiebei ist aber sehr darauf zu achten, dassderpn-Übergangnichtdurchstossenwird. Wenn nämlich dieser Übergang (die Grenzschicht 13) an bestimmten Stellen durchstossen wird, so wird die Länge des Weges, den der Strom zwischen den beiden Kontakten durchwandern muss, entsprechend vergrössert. Der dritte, sicherlich als grösster zu bezeichnende Vorteil, der sich durch die Ausbildung eines Widerstandes nach der Fig. la ergibt, ist jener, dass durch entsprechende Wahl der Konzentration der Verunreinigung in der n-Region lOb geringe bzw. nahezu konstante Temperaturkoeffizienten für den Widerstand erreicht werden können.
Die obige Beschreibung bezog sich auf einen Körper 10a der p-Type und auf eine Region lOb der n-Type ; es ist aber klar, dass der Körper ebensogut von der n-Type und die Region lOb von der p-Type sein kann. Der in Fig. la gezeigte Widerstand kann natürlich als selbständiges Schaltelement hergestellt werden.
Kondensatoren können unter Ausnützung der Kapazität eines pn-Überganges, wie in Fig. 2 gezeigt, aufgebaut werden. Hiebei ist eine Platte 15 aus halbleitendem Material der p-Type gezeigt, in welcher sich eine flächig ausgebreitete Region 16 der n-Leitungstype befindet. An den einander entgegengesetzten Seiten der Platte 15 sind ohmsche Kontakte 17 vorgesehen. Die Kapazität eines flächig ausgebreiteten Überganges ist durch die Formel C - A ( 1- gegeben ; hiebe i bedeutet A die Fläche des Übergan- ges in cm ; e ist die Dielektrizitätskonstante, q ist die Elektronenladung, a ist der Gradient der Dichte der Verunreinigung (Störstellendichte) und V ist die angelegte Spannung.
An Stelle der Kondensatorausbildung gemäss der Fig. 2 kann ein solcher Kondensator auch innerhalb eines Halbleitereinkristalls vorgesehensein, wie dies aus der Fig. 2a ersichtlich ist. Die Fig. 2a zeigt einen Körper 15a aus einem halbleitenden Material, welches von der n-oder von der p-Type sein kann. Dieser Körper bildet den einen Belag des Kondensators. Auf eine Seite des Körpers 15a ist eine Schichte 18 auf-
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gedampft, welche das Dielektrikum das Kondensators bildet. Es ist natürlich erforderlich, dass die Schicht
18 eine hinreichende Dielektrizitätskonstante aufweist und-wenn sie in Kontakt mit dem Körper 15a steht - inert ist.
Siliziumoxyd wurde zur Bildung der Dielektrikumscl1ichte 18 als geeignet befunden und kann durch Aufdampfen oder mit Hilfe thermischer Oxydationsvorgänge auf den Körper 15a aufgebracht werden. Ein Blättchen 19 bildet den andern Belag des Kondensators und wird durch Aufdampfen leitenden Materials auf die Schichte 18 erhalten. Zur Bildung des Blättchens 19 wurden Gold und Aluminium als geeignet befunden. Am Körper 15a aus halbleitendem Material ist ein ohmscher Kontakt 17a vorgesehen, während die Verbindung mit dem Blättchen 19 durch einen üblichen, elektrischen Kontakt (nicht dargestellt) bewerkstelligt werden kann.
Kondensatoren, wie sie in der Fig. 2a dargestellt sind, zeigten bessere Stabilitätund in hohem Ausmasse gleichbleibende Eigenschaften im Gegensatz zu Kondensatoren, die unter Ausnützung der Kapazität eines pn-Überganges hergestellt sind. Natürlich können diese Kondensatoren nach Fig. 2a auch als selbständiges Schaltelement hergestellt werden.
Kondensatoren gemäss der Fig. 2 wirken naturgemäss auch als Dioden und müssen demgemäss in der Schaltung unter Beachtung der Polarität angeordnet werden. Nichtpolarisierte Kondensatoren können durch Gegeneinanderschaltung zweier solcher Kondensatoren gebildet werden. Obgleich Übergangskondensatoren (Kondensatoren, die unter Ausnützung der Kapazität des Überganges gebildet sind) eine ausgeprägte Spannungsabhängigkeit zeigen, ist eine derartige Abhängigkeit bei nichtpolarisierten Kondensatoren und bei niedrigeren Spannungen in einem geringeren Ausmasse vorhanden.
Derartige Widerstände und Kondensatoren können zu einem RC-Glied zusammengefügt werden. Ein solches ist in der Fig. 3 veranschaulicht. Hiebei ist mit 20 eine Platte aus halbleitendem Material der p-Type bezeichnet, in welcher eine n-leitende Schichte 21 ausgebildet ist. Diese letztere besitzt an ihrer freien Oberfläche einen Flächenkontakt 22, während an der entgegengesetzten Seite der Platte im Abstand voneinander stehende Kontakte 23 vorgesehen sind. Derartige RC-Glieder können als Tiefpassfilter, als Phasenschieber, als Kopplungsglied usw. Anwendung finden. Die Parameter dieser Glieder können mit Hilfe der bereits angegebenen Formeln errechnet werden. Es sind natürlich auch andere Bauformen solcher Glieder möglich.
Transistoren und Dioden können ebenfalls auf einer Platte ausgebildet werden, wie dies von Lee im "Bell System Technical Journal", Band 35, Seite 23 (1956) beschrieben ist. Diese Literaturstell (ä beschreibt einen Transistor, wie er in Fig. 4 gezeigt ist. Dieser besitzt einen Kollektor 25, einen flächigen pn-Übergang 26, eine Basis 27, einen Emitterkontakt 28, welcher eine gleichrichtende Verbindung mit der Basis 27
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undgeringem Querschnitt ausgebildet. Eine Diode ähnlichen Aufbaues ist in der Fig. 5 gezeigt. Sie besteht aus einer Region 35 dereinenLeitungstype, einerbutzenartig. vorspringenden Region 36 der entgegengesetzten
Leitungstyp, einem flächigen pn-Übergang zwischen diesen beiden Regionen und Kontakten 37 bzw. 38 für jede dieser Regionen.
Kleine Induktivitäten, wie sie für hohe Frequenzen Verwendung finden, können ebenfalls durch entsprechende Formgebung des Halbleiters hergestellt werden, wie dies in Fig. 5a gezeigt ist, in der eine Spi- ''als aus halbleitendem Material zu erkennen ist. Es ist auch möglich, photosensitive oder photoresistive eaaltelemente, Sonnenenergiezellen und andere, ähnliche Schaltelemente auf Grund der zuvor beschriebenen Massnahmen herzustellen.
Obgleich all diese Schaltelemente unter Bezugnahme auf einen einzigen Übergang in einem Halbleiter beschrieben worden sind, so ist es natürlich möglich, auch einen Aufbau mit zwei Übergängen anzuwenden. Derartige doppelte Übergänge finden zur Bildung von npn-oder pnp-Strukturen Anwendung.
Jedes entsprechende Material kann für die Halbleiter, die die Leitfähigkeit verursachenden Verunreinigungen (Störstellenbildner) und die Kontakte Verwendung finden. Zur Erzeugung der beschriebenen Schaltung können übliche und bekannte Verfahrensmassaahmun aiiaewendet werden.
Nachdem alle die beschriebenen Schaltelemente aus einem einzigen Stück, eben einem Halbleiter, hergestellt werden können, ist es möglich, alle diese Elemente in einem Einkristall-Halbleiterstück zusammenzufassen, welches einen flächigen pn-Übergang aufweist oder mehrere solcher Übergänge besitzt, und dieses Halbleiterstück entsprechend zu behandeln und zu bearbeiten, um die gesamte Schaltung bzw. die Schaltelemente in ihrer Gesamtheit mit ihren richtigen Werten zu erzeugen. Die Übergänge für die Transistoren, Dioden und Kondensatoren werden an zu diesem Zwecke vorgesehenen Vorsprüngen oder Butzen ("Mesas") gebildet.
Wie dies jedem Fachmanne geläufig ist, können die Schaltelemente nach ihrer Funktion in der Schaltung unterteilt werden. Dementsprechend können diese Schaltelemente entweder als aktive oder als pas- sive Schaltelemente benannt werden. Gemäss dem Buche"The Encyclopedic Dictionary of Electronics and
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Nuclear Engineering", welches von Sarbacherherausgegeben und bei Prentice Hall verlegt ist, sind die aktiven Elemente jene, welche in einem Widerstands-Netzwerk als Stromgeneratoren wirken, während die passiven Elemente nicht so wirken. Beispiele für aktive Elemente sind Photozellen und Transistoren. Beispiele für passive Elemente sind Widerstände, Kondensatoren und Spulen.
Dioden, welche üblicherweise als passive Elemente anzusehen sind, können, wenn sie entsprechend vorgespannt und mit Energie beaufschlagt werden, als aktive Kondensatoren wirken.
Eine besondere Ausführungsform einer elektronischen Schaltung, bei welcher die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwirklicht sind, ist in Fig. 6a dargestellt. Wie gezeigt, ist eine dünne Platte aus einem Halbleitereinkristall in entsprechender Weise bearbeitet und geformt worden ; sie enthält einen pn- Übergang und bildet einen kompletten Multivibrator, welcher sich praktisch nur auf der Oberfläche einer Seite dieser Platte befindet. Die einzelnen Gebiete dieser Platte sind mit Bezeichnungen versehen, welche den Funktionen der einzelnen Schaltelemente entsprechen, die von den verschiedenen Gebieten der Platte gebildet werden. In Fig. 6b ist das Schaltschema dieses Multivibrators gezeigt, u. zw. sind die einzelnen Schaltelemente in jener Lage gezeigt, welche sie in der Darstellung gemäss der Fig. 6a einnehmen.
Dasselbe Schaltbild ist-jedoch in der üblichen Darstellungsweise - in Fig. 7 gezeigt. Im folgenden wird die Herstellung des Multivibrators, wie er in den Fig. 6a, 6b und 7 gezeigt ist, zur Illustration des Multivibrators selbst beschrieben. Zuerst wird eine Platte aus halbleitendem Material, vorzugsweise Silizium oder Germanium, von entsprechendem Widerstandswert auf einer Seite poliert und geläppt. Für diesen Zweck wird ein 3 Ohm cm-Germanium der p-Type verwendet. Die Platte wird sodann einem AntimonEindiffundierungsprozess unterworfen, durch welchen eine Schicht der n-Type in einer Dicke von 0, 01778 mm an der Oberfläche der Platte gebildet wird. Die Platte wird sodann auf die richtige Grösse geschnitten, u. zw. auf etwa 5 x 2 mm. Die nicht polierte Oberfläche wird sodann geläppt, um der Platte eine Dicke von 0, 0624 mm zu verleihen.
Goldplattierte"Kovar'*-Kontakte (Anschlussfahnen) 50 werden in die richtige Lage gebracht und durch Anlegieren mit der Platte verbunden."Kovar"ist der Handelsname für eine aus Eisen, Nickel und Kobalt bestehende Legierung. Sodann wird Gold durch die Öffnungen einer Maske hindurch aufgedampft, um die Gebiete 51 - 54 zu bilden, welche die ohmschen Kontakte mit der n-Region herstellen, u. zw. den Anschluss an die Transistorbasen und an die Kondensatoren. Weiters wird durch die Öffnungen einer entsprechend geformten Maske Aluminium aufgedampft, um die Emitter 56 der Transistoren zu bilden. Die auf diese Weise hergestellten Emitter-Gebiete haben zusammen mit der n-Schicht gleichrichtende Wirkung.
Die Platte wird daraufhin mit einer lichtempfindlichen Schicht überzogen und durch ein Negativ hin-
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Entwicklung zurückbleibende Bild bildet die Abdeckung für einen nachfolgenden Ätzvorgang, um die Platte in die endgültige Form zu bringen. Beim vorliegenden Beispiel wird durch diesen Ätzvorgang ein Schlitz gebildet, der die Platte durchsetzt. Hiedurch ergibt sich die Isolierung zwischen den beiden Widerständen R und R, und der übrigen Schaltung und die für die übrigen Widerstände vorgesehenen Flächenteile werden in die richtige Form gebracht. Es kann sowohl rein chemisches Ätzen oder auch elektrolytisches Ätzen angewendet werden, jedoch dürfte dem elektrolytischen Ätzvorgang der Vorzug zu geben sein.
Nach diesem Vorgang wird der Überzug mit Hilfe eines Lösungsmittels wieder entfernt und die butzenartigen Vorsprünge ("Mesas") 60 werden mit Hilfe eines weiteren photographischen Prozesses, wie zuvor beschrieben, abgedeckt. Die Platte wird erneut in ein Ätzmittel getaucht und die n-Schicht wird an ihren freiliegenden Stellen abgetragen. In diesem Falle ist ein chemischer Ätzvorgang vorzuziehen. Die Überzugsschicht wird sodann wieder entfernt.
Nunmehr werden Golddrähte 70 mit Hilfe von Wärme mit den zugehörigen Flächenteilen zur Ver- vollständigung der Verbindungen der Schaltung angebracht und ein abschliessender Ätz-Reinigungsvorgang durchgeführt. An Stelle der Verwendung von Golddrähten 70 zur Bildung elektrischer Verbindungen können solche Verbindungen auch in anderer Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann inertes und isolierendes Material wie Siliziumoxyd auf die Halbleiterplatte durch die Öffnungen einer Maske hindurch aufgedampft werden. um entweder die gesamte Oberfläche der Platte zu überdecken mit Ausnahme jener Stellen, an welchen ein elektrischer Kontakt mit der Platte herzustellen ist, oder um lediglich bestimmte Partien zu überdecken, welche sich zwischen den zu verbindenden Teilen erstrecken.
Elektrisch leitendes Material wie etwa Gold wird sodann auf das isolierende Material aufgelegt, um die erforderlichen elektrischen Verbindungen herzustellen.
Nach der Prüfung kann die Schaltung hermetisch abgeschlossen werden, um vor jeder Verunreinigung
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geschützt zu sein. Die fertige Schaltung ist um mehrere Grössenordnungen kleiner als alle andern, die bis- her bekanntgeworden sind. Da die zur Herstellung dieser Schaltung erforderlichen Verfahrensschritte sehr ähnlich jenen sind, die zur Erzeugung von Transistoren verwendet werden und da nur eine vergleichswei- se geringe Anzahl von solchen Verfahrensschritten notwendig ist, sind auf diese Weise hergestellte Schal- tungen sowohl billig und zuverlässig als auch sehr klein.
Eine weitere Illustration des Verfahrens ist in den Fig. 8a-8c dargelegt. Jeder Flächenabschnitt der aus einem Einkristall bestehenden Halbleiterplatte ist mit einem Symbol bezeichnet, welches auf jenes
Schaltelement Bezug hat, das von diesem Flächenabschnitt gebildet ist. Die gezeigte Einheit lässt die An- wendung von Widerständen, Transistoren und einem RC-Netzwerk zur Bildung eines kompletten RC-Gene- rators mit Phasendrehungsnetzwerk erkennen.
Es ist an dieser Stelle besonders hervorzuheben, dass die beiden beschriebenen Ausführungsformen lediglich zwei von vielen Möglichkeiten sind, Schaltungen nach der vorliegenden Erfindung aufzubauen.
Wenn natürlich auch eine Grenze gegeben ist hinsichtlich der Typen und der Werte der Schaltelemente, die innerhalb eines vorgegebenen, begrenzten Raumes angeordnet bzw. hergestellt werden können, so bildet die vorliegende Erfindung dennoch eine wesentliche Verbesserung des bisher auf diesem Gebiete bekannten. Zur Hervorhebung dieser Tatsache sei angeführt, dass es mit Hilfe der Erfindung und unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahrensweisen möglich ist, eine Schaltelementdichte von fast 1, 1 Millionen Schaltelemente pro dms zu erreichen, während im Vergleich hiezu die höchste Dichte an Schaltelementen, die mit den herkömmlichen Methoden erzielbar war, knapp 18 000 Schaltelemente pro dm beträgt.
Wenngleich die Erfindung an Hand von besonderen Beispielen erläutert worden ist, so ist es klar, dass Abänderungen und Modifikationen möglich sind, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen werden müsste. Derartige Abänderungen fallen selbstverständlich in den Umfang der Erfindung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleiteranordnung, bestehend aus einem Körper aus einem Halbleitereinkristall einer bestimmten Leitfähigkeitstype, welcher eine diffundierte Schicht entgegengesetzter Leitfähigkeitstype aufweist, die mit dem Körper einen pn-Übergang bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper in einander benachbarten Regionen verschiedene aktive und passive Schaltelemente aufweist, die zumindest einen Teil einer Schaltung bilden.
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Semiconductor device
The invention relates to the formation of electronic circuits with the smallest possible dimensions and methods for producing such circuits. In particular, the invention relates to circuits which are combined into a unit and are constructed from semiconducting material.
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aspired to ments. These efforts had many successes, but soon reached their limits. It has also been proposed to reduce the size of the individual switching elements by leaving the protective covers of the switching elements, with the more or less common methods
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when the various switching elements were manufactured with the same dimensions in order to achieve a narrower one
To achieve assembly in the executed circuit.
However, all of these methods and types of manufacture require a large number and variety of operations in the manufacture of a complete circuit. For example, the resistors are considered to be the easiest of all switching elements to manufacture; However, when it comes to making resistors for circuits of the smallest dimensions, u. or with the help of the usual manufacturing methods, at least the following operations must be carried out: a. Formation of the base plate, b. Preparing the base plate, c. Applying the connections, d. Preparing the resistor material, e. Applying the resistance material, f. Heat treatment of the resistor material, g. Treatment to protect or stabilize the finished resistance.
If they are to be used in such "miniaturized" circuits, capacitors, transistors and diodes require at least the same number of operations for their manufacture. Unfortunately, some of these manufacturing stages are incompatible. For example, the treatment required to provide adequate protection to a resistor can destroy other switching elements, such as a capacitor or transistor. As the entire circuit becomes smaller, the importance of observing such mutually influencing modes of treatment increases.
Such mutual influences can be reduced in that the individual switching elements are manufactured separately and then put together to form the finished circuit; During the assembly process, however, the switching elements, which have become very sensitive, can easily be damaged.
As a result of the large number of operations required, it is very difficult to monitor the manufacture of such "miniaturized" circuits. Many raw materials have to be carefully checked and controlled if all of their properties are not readily known. Furthermore, very many
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le test processes are necessary and especially when a lot of effort is made for each work step, the total output is often low. The reliability of such circuits in operation is also often low in view of the very large number of work and control processes required for their production.
The separate production of the individual switching elements naturally makes it necessary to arrange separate connections on each switching element. These connections can be extremely small and be formed by a point of conductive paint. Nevertheless, these connections do not take up an insignificant proportion of the available area or the available volume that is specified for the circuit and result in an additional cause for faults in the circuit or for rejects.
In contrast to the previous attempts at miniaturization, the present invention is based on a new and completely different idea of miniaturization from the previous one. While completely abandoning what was previously known, the invention proposes miniaturization by using a few types of raw materials and as few manufacturing processes as possible.
According to the invention, in a semiconductor arrangement consisting of a body of a
Semiconductor single crystal of a certain conductivity type, which has a diffused layer of opposite conductivity type, which forms a pn junction with the body, provided that the
Body in adjacent regions having different switching elements, the at least one
Form part of a circuit.
It has already become known to arrange a number of regions of different conductivity types on a block of semiconductor material, so that, for example, several p-type zones were provided in a block of the n-type, so that practically a transistor with an increased number of electrodes was standing. This “universal transistor” naturally had to be connected to the other switching elements separated from the semiconductor block that carried the universal transistor with the aid of connections and lines.
It is also known to create three zones of alternating conductivity types and thus two junctions in a block of semiconductor material and then to cut this block transversely to the planes of the junctions, each incision starting from the opposite side of the block as the previous one and always severed both transition zones. In this way, rectifier elements in series were obtained, which, again connected via connections and lines to other switching elements located outside the block, could be used in the most varied of circuit combinations.
In contrast, however, the invention provides for different switching elements to be provided on one and the same block of semiconductor material, so that a complete, operational circuit is formed on such a block.
The object of the invention is also to provide novel capacitors as switching elements for such circuits.
Other and further features of the present invention will be more fully set forth in the following description when taken in conjunction with the drawings, in which Figures 1-5a show schematically various circuit elements made according to the teachings of the present invention so that they can be used in FIG a single body of semiconducting material can be embedded or can form part of such a body. Fig. 6a shows a simplified multivibrator which is produced according to the invention. FIG. 6b shows the circuit diagram of the multivibrator as shown in FIG. 6a, taking into account the mode of representation in FIG. 6a, FIG. 7 shows the circuit diagram of the multivibrator in the usual manner of representation.
8a shows an RC generator with phase rotation network produced according to the invention, FIG. 8b shows the circuit diagram of this oscillator, again taking into account the representation of FIG. 8a, and FIG. 8c shows the circuit diagram of this oscillator in the conventional representation .
In the following, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings in order to better understand the invention itself and its various embodiments and forms.
As has already been stated, the invention is concerned with the reduction of the dimensions, the so-called "miniaturization", of electronic circuits. As also already stated, the invention provides for the use of a body made of semiconducting material, which is given an appropriate, external shape and within which a flat pn junction or pn junctions are provided, as well as the measure of making use of switching elements, which are formed within this body or form parts of it.
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FIGS. 1-5 show in detail switching elements which are constructed according to the essence of the present invention and which can be provided within a body made of semiconducting material. It should be emphasized at this point that the body is made of semiconducting material
Has structure of a single crystal and can consist of any semiconducting material. Examples of this include: germanium, silicon, metal alloys such as gallium arsenide,
Aluminum antimonide, indium antimonide, and others as well.
Referring to FIG. 1, there is shown the typical structure of a resistor, which can lie in a semiconductor single crystal or be combined with such a crystal. As can be seen from FIG. 1, a resistor body 10 made of semiconducting material is provided in this resistor structure, which resistor can be either n- or p-type. Ohmic contacts 11 and 12 are provided on a surface of the body 10 and are at such a distance from one another that the desired
Resistance value is reached. As is known to the person skilled in the art, an “ohmic contact” is understood to mean a connection which, with regard to the resistance offered to the current flowing in any direction, is available. Shows symmetry and linearity.
If two resistors are to be connected to one another, it is not necessary to have two points common to both resistors
Connections to be provided. The resistance value can be calculated using the following formula:
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L means the length in cm, A the cross-sectional area and p the specific resistance of the
Semiconductor material in ohms / cm.
A resistor as shown in Fig. 1 can also be provided within a semiconductor body forming part of the same. Thus, in FIG. La, 10 denotes a body made of a semiconducting material of the p-type, in which an n-region 10b is formed. Between the body 10a and the region 10b there is thus a pn junction, which is designated with the reference symbol 13. On one surface of the region 10b, contacts 11a and 12a are provided, which are spaced apart from one another so that the desired resistance value is achieved between them. Exactly as in the example according to FIG. 1, the contacts 11a and 12a form ohmic connections to the region 10b. One
Resistance, as it is designed according to Fig. La, offers a number of important advantages.
First, the pn junction forms a limit for a current flow from the region 10b of the n-type into the body 10a, which belongs to the p-type; thus, the flow of current is forced into a path within the n-type region, u. between from one contact to the other. The second advantage is that the total value of the resistance can be changed to a large extent or brought to the exact, desired value.
The resistance value can be changed in that the entire surface is lightly scraped, whereby the top layer of the n-region 10b is removed; In doing so, however, great care must be taken that the pn junction is not pierced. If this transition (the boundary layer 13) is pierced at certain points, the length of the path that the current must traverse between the two contacts is increased accordingly. The third advantage, which can certainly be described as the greatest, which results from the formation of a resistor according to FIG. 1 a, is that by appropriate selection of the concentration of the impurity in the n region lOb low or almost constant temperature coefficients for the resistor can be achieved.
The above description related to a body 10a of the p-type and to a region 10b of the n-type; but it is clear that the body can just as well be of the n-type and the region 10b of the p-type. The resistor shown in Fig. La can of course be produced as an independent switching element.
Capacitors can be constructed using the capacitance of a pn junction, as shown in FIG. Here, a plate 15 made of semiconducting material of the p-type is shown, in which a flatly spread region 16 of the n-line type is located. On the opposite sides of the plate 15, ohmic contacts 17 are provided. The capacity of a flat transition is given by the formula C - A (1-; hiebe i means the area of the transition in cm; e is the dielectric constant, q is the electron charge, a is the gradient of the density of the contamination Impurity density) and V is the applied voltage.
Instead of the capacitor design according to FIG. 2, such a capacitor can also be provided within a semiconductor single crystal, as can be seen from FIG. 2a. 2a shows a body 15a made of a semiconducting material, which can be of the n-type or of the p-type. This body forms one layer of the capacitor. A layer 18 is on one side of the body 15a.
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vaporized, which forms the dielectric, the capacitor. It is of course required that the layer
18 has a sufficient dielectric constant and - if it is in contact with the body 15a - is inert.
Silicon oxide has been found to be suitable for forming the dielectric layer 18 and can be applied to the body 15a by vapor deposition or with the aid of thermal oxidation processes. A lamina 19 forms the other coating of the capacitor and is obtained by vapor deposition of conductive material on the layer 18. Gold and aluminum have been found suitable for forming the flake 19. An ohmic contact 17a is provided on the body 15a made of semiconducting material, while the connection to the lamina 19 can be established by a conventional electrical contact (not shown).
Capacitors as shown in Fig. 2a showed better stability and largely consistent properties in contrast to capacitors which are made using the capacitance of a pn junction. Of course, these capacitors according to FIG. 2a can also be produced as an independent switching element.
Capacitors according to FIG. 2 naturally also act as diodes and must accordingly be arranged in the circuit, taking polarity into account. Non-polarized capacitors can be formed by connecting two such capacitors against each other. Although junction capacitors (capacitors that are formed using the capacitance of the junction) show a pronounced voltage dependency, such a dependency is present to a lesser extent in the case of non-polarized capacitors and lower voltages.
Such resistors and capacitors can be combined to form an RC element. Such is illustrated in FIG. 3. In this case, 20 denotes a plate made of semiconducting material of the p-type, in which an n-conductive layer 21 is formed. The latter has a surface contact 22 on its free surface, while contacts 23 spaced apart from one another are provided on the opposite side of the plate. Such RC elements can be used as low-pass filters, as phase shifters, as coupling elements, etc. The parameters of these terms can be calculated using the formulas already given. Of course, other designs of such links are also possible.
Transistors and diodes can also be formed on a board as described by Lee in Bell System Technical Journal, Volume 35, page 23 (1956). This reference describes a transistor as shown in FIG. 4. This has a collector 25, a flat pn junction 26, a base 27, an emitter contact 28, which has a rectifying connection to the base 27
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and a small cross-section. A diode of similar construction is shown in FIG. It consists of a region 35 of a conduit type, slug-like. protruding region 36 of the opposite
Conductor type, a flat pn junction between these two regions and contacts 37 and 38 for each of these regions.
Small inductances, such as those used for high frequencies, can also be produced by corresponding shaping of the semiconductor, as shown in FIG. 5a, in which a spi- ″ can be seen as being made of semiconducting material. It is also possible to produce photosensitive or photoresistive elements, solar energy cells and other similar switching elements on the basis of the measures described above.
Although all of these switching elements have been described with reference to a single junction in a semiconductor, it is of course possible to use a structure with two junctions. Such double transitions are used to form npn or pnp structures.
Any suitable material can be used for the semiconductors, the impurities that cause conductivity (impurity formers) and the contacts. Customary and known procedural measures can be used to generate the circuit described.
After all the switching elements described can be made from a single piece, namely a semiconductor, it is possible to combine all of these elements in a single crystal semiconductor piece, which has a flat pn junction or has several such junctions, and this semiconductor piece accordingly treat and edit in order to generate the entire circuit or the circuit elements in their entirety with their correct values. The junctions for the transistors, diodes and capacitors are formed on projections or slugs ("mesas") provided for this purpose.
As is familiar to anyone skilled in the art, the switching elements can be subdivided according to their function in the circuit. Accordingly, these switching elements can be called either active or passive switching elements. According to the book "The Encyclopedic Dictionary of Electronics and
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Nuclear Engineering ", published by Sarbacher and published by Prentice Hall, the active elements are those that act as current generators in a resistor network, while the passive elements do not. Examples of active elements are photocells and transistors. Examples of passive Elements are resistors, capacitors and coils.
Diodes, which are usually to be regarded as passive elements, can act as active capacitors if they are suitably biased and energized.
A particular embodiment of an electronic circuit in which the principles of the present invention are implemented is shown in FIG. 6a. As shown, a thin sheet of semiconductor single crystal has been similarly machined and shaped; it contains a pn junction and forms a complete multivibrator, which is practically only on the surface of one side of this plate. The individual areas of this plate are provided with designations which correspond to the functions of the individual switching elements which are formed by the various areas of the plate. In Fig. 6b, the circuit diagram of this multivibrator is shown, u. between. The individual switching elements are shown in that position which they assume in the illustration according to FIG. 6a.
The same circuit diagram is shown in FIG. 7, but in the usual manner of representation. The production of the multivibrator, as shown in FIGS. 6a, 6b and 7, is described below to illustrate the multivibrator itself. First, a plate made of semiconducting material, preferably silicon or germanium, with an appropriate resistance value, is polished and lapped on one side. A 3 ohm cm p-type germanium is used for this purpose. The plate is then subjected to an antimony indiffusion process, by which an n-type layer with a thickness of 0.01778 mm is formed on the surface of the plate. The plate is then cut to the correct size, u. between about 5 x 2 mm. The unpolished surface is then lapped to give the plate a thickness of 0.0624 mm.
Gold-plated "Kovar '* contacts (terminal lugs) 50 are brought into the correct position and connected to the plate by alloying." Kovar "is the trade name for an alloy consisting of iron, nickel and cobalt. Gold is then transformed through the openings in a mask evaporated through to form the areas 51 - 54, which produce the ohmic contacts with the n-region, and between the connection to the transistor bases and to the capacitors. Furthermore, aluminum is evaporated through the openings of a correspondingly shaped mask to form the emitters of the transistors 56. The emitter regions produced in this way have a rectifying effect together with the n-layer.
The plate is then coated with a light-sensitive layer and passed through a negative.
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Development remaining image forms the cover for a subsequent etching process to bring the plate into its final shape. In the present example, this etching process forms a slot that penetrates the plate. This results in the insulation between the two resistors R and R, and the rest of the circuit and the surface parts provided for the other resistors are brought into the correct shape. Both purely chemical etching or electrolytic etching can be used, but preference should be given to electrolytic etching.
After this process, the coating is removed again with the aid of a solvent and the slug-like projections ("mesas") 60 are covered with the aid of a further photographic process, as described above. The plate is again immersed in an etchant and the n-layer is removed at its exposed locations. In this case, a chemical etching process is preferable. The coating layer is then removed again.
Gold wires 70 are now attached with the aid of heat with the associated surface parts to complete the connections of the circuit and a final etching-cleaning process is carried out. Instead of using gold wires 70 to form electrical connections, such connections can be made in other ways. For example, inert and insulating material such as silicon oxide can be vapor-deposited onto the semiconductor plate through the openings of a mask. either to cover the entire surface of the plate with the exception of those points at which electrical contact is to be made with the plate, or to cover only certain areas which extend between the parts to be connected.
Electrically conductive material such as gold is then placed on top of the insulating material to make the necessary electrical connections.
After testing, the circuit can be hermetically sealed to protect against any contamination
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to be protected. The completed circuit is several orders of magnitude smaller than all the others that have become known so far. Since the process steps required to produce this circuit are very similar to those used to produce transistors and since only a comparatively small number of such process steps are necessary, circuits produced in this way are both cheap and reliable as well as very good small.
A further illustration of the method is presented in Figures 8a-8c. Each surface portion of the semiconductor plate made of a single crystal is denoted by a symbol pointing to that
Switching element has reference, which is formed by this surface section. The unit shown shows the use of resistors, transistors and an RC network to form a complete RC generator with a phase shift network.
It should be particularly emphasized at this point that the two embodiments described are only two of many possibilities for constructing circuits according to the present invention.
While there is, of course, a limit to the types and values of switching elements that can be placed or manufactured within a given limited space, the present invention is a substantial improvement on what is known in the art. To emphasize this fact it should be mentioned that with the aid of the invention and using the procedures described above it is possible to achieve a switching element density of almost 1.1 million switching elements per dms, while in comparison to this the highest density of switching elements that can be achieved with the conventional methods was achievable, is just under 18,000 switching elements per dm.
Although the invention has been explained on the basis of specific examples, it is clear that changes and modifications are possible without having to go beyond the scope of the invention. Such modifications are of course within the scope of the invention.
PATENT CLAIMS:
1. Semiconductor arrangement, consisting of a body made of a semiconductor single crystal of a certain conductivity type, which has a diffused layer of opposite conductivity type, which forms a pn junction with the body, characterized in that the body has different active and passive switching elements in adjacent regions, which form at least part of a circuit.