Bipolartechnik

Bipolartechnik,

 

Halbleitertechnologie und Mikroelektronik: Gesamtheit der Verfahren zur Herstellung von bipolaren Transistoren und aus ihnen zusammengesetzten oder sie in monolithischer Bauweise integriert als Funktions- und Schaltelemente enthaltenden Halbleiterbauelementen, insbesondere integrierte Bipolarschaltkreise (bipolare ICs) auf Chips. Sie weisen im Gegensatz zu MOS-Feldeffekttransistoren und den in MOS- beziehungsweise CMOS-Technik hergestellten integrierten Schaltkreisen eine geschichtete Struktur mit Bereichen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps auf. Neben diesen Bauelementen können auch andere zur Herstellung von elektronischen Schaltkreisen notwendige Bauelemente, wie Dioden, Kondensatoren und Widerstände, in Bipolartechnik erzeugt werden.

 

Bei der Fertigung von bipolaren Bauelementen werden meist Verfahren der Planartechnik angewendet. Bei der Standardbipolartechnik (nur npn-Transistoren) wird in einer Halbleiterscheibe (Wafer) aus p-leitendem Silicium (p-Substrat) für jeden Transistor durch Diffusionstechnik eine n-leitende »vergrabene Schicht« (englisch buried layer) hoher Elektronenleitfähigkeit (n⁺) angelegt und darüber durch Epitaxie eine n-leitende Schicht (n-epi) erzeugt, die den Kollektor des Transistors bildet. Durch Eindiffusion oder Aufbringen von isolierendem Siliciumoxid (SiO₂) werden der Kollektorbereich und der Basis-Emitter-Bereich elektrisch voneinander getrennt. Über einem Teil des Kollektors wird durch erneute Diffusion oder Ionenimplantation eine p-leitende Schicht, die p-Basis, erzeugt, danach auf einem Teil der Basis durch nochmalige Kompensation der Dotierung der n⁺-Emitter als stark n-leitende Insel. Schließlich werden für jeden Transistor die Anschlüsse für Basis, Emitter und Kollektor an die Oberfläche der Halbleiterscheibe angebondet (Bonden). Die mithilfe der Photolithographie strukturierten SiO₂-Bereiche isolieren die einzelnen Transistoren gegenseitig. Eine Deckschicht aus Siliciumnitrid (Si₃N₄) schützt das fertige Bauelement vor Verunreinigungen.

 

Der wichtigste Prozessschritt der Bipolartechnik im Unterschied zur MOS-Technik ist die Verwendung von epitaktischen Schichten. Die für den Betrieb des Bauelementes kritischste Abmessung ist die vertikale Tiefe der Basis zwischen Emitter und Kollektor, die u. a. die Grenzfrequenz des Transistors bestimmt und im μm-Bereich liegen muss. Wichtiger Gesichtspunkt bei der Verwendung der Bipolartechnik ist die hohe Arbeitsgeschwindigkeit, die ihr bei digitalen und analogen integrierten Schaltungen Vorteile gegenüber der MOS-Technik verleiht, ebenso der höhere Wert der Steilheit.

 

Nachteile der Bipolartechnik gegenüber der MOS-Technik sind die geringere Packungsdichte und der aufwendigere Fertigungsprozess bipolarer Schaltkreise. In Bipolartechnik werden aber z. B. (analog arbeitende) Operationsverstärker und (digitale) TTL-Schaltungen aufgebaut, die eine wesentlich höhere Arbeitsgeschwindigkeit als MOS-Schaltungen erreichen. Höhere Integrationsdichten und geringeren Leistungsverbrauch besitzen bipolare Schaltungen mit integrierter Injektionslogik.