Mesatransistor

Schematischer Querschnitt durch einen Diffusions-Mesatranssitor in linearer anordnung

Unter Mesatransistor (englisch mesa transistor) versteht man eine Gruppe von Transistoren, durch ein Diffusionsverfahren hergestellt werden und zählt daher zu der Gruppe der Diffusionstransistoren. Sie unterscheiden sich von Planar- und Epitaxial-Transistoren durch ihre Herstellung und somit in ihrer Gestalt, das heißt, der Topografie und in der Art und Weise, wie die unterschiedlich dotierten Bereiche angeordnet sind. Mesatransitoren sind meist Bipolartransistoren aus Germanium (höhere Ladungsträgerbeweglichkeit als Silizium) oder Silizium, das damals noch nicht die heutige dominanz als Halbleitermaterial hatte. Heutzutage werden aber Mesatransistoren kaum noch eingesetzt.

Geschichte

Obwohl Diffusionstechniken bereits zuvor bei der Herstellung von Transistoren verwendet wurden, führte erst die Entwicklung des Oxid-Maskierungsprozesses durch Frosch und Derrick zu der Entwicklung des Mesatransistors, der 1954 von Charles A. Lee, G. C. Dacey und P. W. Foy, alle Mitarbeiter bei Bell Telephone Laboratories (BTL), erfunden wurde. Seinen Namen bekam der Mesatransistor durch sein Aussehen, das den Tafelbergen in Mesa (Arizona) ähnelt (spanisch mesa = Tafel, vgl. Mesa (Halbleitertechnik)).^[1][2][3] Die Bezeichnung selbst soll bereits 1954 von James M. Early genannt worden sein, der damals die Transistorentwicklungsgruppe bei BTL leitete.^[4] Der Mesatransistors stellt einen erheblichen Fortschritt gegenüber früheren Transistortypen dar, vor allem wegen der Präzision mit der die Tiefe der Sperrzone durch Diffusion kontrolliert werden konnte. Dadurch wurde es möglich die Weite der durch Diffusion hergestellten Basiszone auf 5 µm und kleiner zu reduzieren, etwa ein Zehntel von dem was zuvor möglich war. Dies führte zu einer verbesserten Leistung bei höheren Frequenzen und einer Erhöhung der Grenzfrequenz über 100 MHz.^[5]

Fertigung

Mesatransistoren wurden sowohl als npn- also auch als pnp-Transistor gefertigt. Als Halbleitermaterial diente in den 1950er Jahren noch Germanium und Silizium. Im Folgenden werden die wesentlichen Schritte für die Fertigung eines npn-Transistors beschrieben, diese Unterscheiden sich zur Fertigung eine pnp-Transistors im Wesentlich nur durch die eingesetzten Grundmaterialien und Dotierstoffe. Anzumerken ist auch, dass es sich bei der Beschriebung nur um einen möglichen Fertigungsprozess aus den Anfangsjahren handelt, der sich in dem ein oder anderen Teilschritt durchaus von später genutzten Prozessen unterscheiden kann. So wurde beispielsweise auch die materialselektive Maskierung von thermischen Siliziumdioxid für die Diffusionsdotierung eingesetzt.^[6]

Die aktiven Gebiete des npn-Mesatransistors werden typischerweise auf der Oberfläche eines p-dotierten Einkristall-Wafers hergestellt. Dazu wurde zunächst durch Diffusion eine p-dotierte Schicht an der Oberfläches des gesamten Wafers erzeugt, beispielsweise durch die Eindiffsion von gasförmigen Arsen in einem Diffusionsofen. Das n-dotierte Substrat stellt später den Kollektor und der n-dotierte Bereich die Basis des Bipolartransistors dar. Für die Herstellung des Emitter-Bereichs ist ein weiterer Diffusionsschritt notwendig. Dazu wird in einem maskiertem Bereich auf der p-dotierten ein Materialien aufgebracht, das nach einem Diffusionsschritt zu einem p-dotierten Gebiet führt, beispielsweise Aluminium. Für die nun folgende Diffusion, wird diese Anordnung stark erwärmt. Damit sich das Dotierungsprofil der vorhergehenden n-Dotierung während des Prozeses nicht zu stark verändert (voranschreitet), ist es wichtig, dass p-Störstellenatome schneller diffundieren als die n-Störstellenatome. Es entsteht die typische Schichtfolge pnp für einen pnp-Bipolartransistor.

Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften (u. a. Reduzierung von Sperrschichtkapazitäten, Verbesserung der Hochfrequenzleistung) werden nun die oberen Schichten des Transistors bis zur Kontaktstelle der Dotierungsmaterialien mit dem Halbleiterkristall nasschemisch geätzt. Das Ätzen der Seiten gibt dem Transistor das Aussehen eines Tafelbergs.

Anschließend werden die einzelnen Bereiche der Schichtfolge kontaktiert, wobei der Kristallkontakt den Kollektor und die anderen beiden Kontakte die Basis und Emitter darstellen.

Eigenschaften

Der Arbeitsbereich des Mesatransistors ist auf eine vergleichsweise dünne Region an der Oberfläche beschränkt. Zur Aufrechterhaltung einer hohen Durchbruchspannung zwischen Basis und Kollektor, war ein relative hoher Kollektor-Widerstand notwendig. Da beim Mesatransistor der Kollektoranschluss in der Regel auf der Gegenseite des (im Verhältnis zum aktiven Bereich) dicken Substrats angebracht war, war auch der des Kollektorbahnwiderstands hoch. Dies hat eine Verringerung der Leistungsbelastbarkeit des Bauteils zur Folge. Die Versuche, die Substratdicke zu reduzieren führte zu Stabilitätsproblemen des Halbleitersusbtrats und zu einer geringeren Produktionsausbeute. Gelöst wurden die Probleme erst mit epitaktischen Beschichtungsprozessen und dem Planartransistor.

Die offenliegene Teile der Kollektor-Basis-Sperrschicht an der Oberfläche verschlechtern die Leistung des Transistors. Ursache ist ein hoher Oberflächenleckstrom und eine niedrige Durchbruchspannung. Die gegen der Umgebung ungeschützte Sperrschicht führte zudem zu instablilen Transistoreigenschaften, verursacht eine Drift der Sperrschichtströme, die Erhöhung von Leckströmen und eine Verringerung der Stromverstärkung. Die Zuverlässigkeisprobleme konnten für Silizium-Transistoren schnell überwunden werden, als 1959 die Gruppe um Martin M. Atalla (ebenfalls bei BTL) zeigten, dass eine thermisch gewachsene Siliziumdioxidschicht die Oberfläche passiviert. Die Schicht konnte zudem während des Diffusionsprozesses der Basis- und Emitterschicht hergestellt werden. Der erste Transistor der diese Technik nutzte war jedoch ein oxidpassivierter bipolarer Planartransistor (Fairchild Semiconductor 2N696, ursprünglich ein Mesatransistor) von Jean Hoerni.^[4]

Das Aufkommen des Planartransistors hat den Mesatransistor nicht vollkommen verdrängt. Der Mesatransistor wurde auch weiterhin genutzt, wenn sehr hohe Durchbruchspannungen in Sperrrichtung von mehreren tausend Volt benötigt wurden, beispielsweise bei Leistungstransistoren.

Bei der Gestalltung der Basis- und der Emitter-Elektrode werden zwei Geometrien unterschieden: eine lineare und eine kreisförmige Anordnung. Bei der kreisförmige Anordnung (engl. circular geometry) liegt die Emitter-Elektrode mittig in der kreisringförmigen Basis-Elektrode. Bei der linearen Anordnung (engl. linear/stripe geometry) liegen die beiden streifenförmigen Elektroden parallel nebeneinander (engl. 2-stripe mesa). Letztere wurden typischerweise für Hochfrequenzanwendungen eingesetzt. Zudem sind sie einfacher zu entwerfen und benötigen weniger Platz.^[4]

Literatur

• Peter Robin Morris: A history of the world semiconductor industry. IET, 1990, ISBN 0863412270, S. 36–37.
• Chih-Tang Sah: Fundamentals of solid-state electronics. World Scientific, 1991, ISBN 9810206372, S. 709ff.

Einzelnachweise

1. ↑ C. A. Lee: A high-frequency diffused base germanium transistor. In: Bell System Tech Journal. 35, 1956, S. 23–24 (Online bei archive.org, abgerufen am 6. Juni 2010).
2. ↑ C. Claeys: ULSI Process Integration III: Proceedings of the International Symposium. Electrochemical Society, 2003, ISBN 1-56-677376-8, S. 24ff.
3. ↑ Bo Lojek: History of Semiconductor Engineering. Springer, Berlin 2007, ISBN 3-540-34257-5, S. 57.
4. ↑ ^{a b c} Chih-Tang Sah: Fundamentals of solid-state electronics. World Scientific, 1991, ISBN 9810206372, S. 709.
5. ↑ Peter Robin Morris: A history of the world semiconductor industry. IET, 1990, ISBN 0863412270, S. 36.
6. ↑ J. F. Aschner, C. A. Bittmann, W. F. J. Hare, J. J. Kleimack: A Double Diffused Silicon High-Frequency Switching Transistor Produced by Oxide Masking Techniques. In: Journal of The Electrochemical Society. 106, Nr. 5, 1959, S. 415–417, doi:10.1149/1.2427370.