DE1514263A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtung

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DE1514263A1 DE1965N0027025 DEN0027025A DE1514263A1 DE 1514263 A1 DE1514263 A1 DE 1514263A1 DE 1965N0027025 DE1965N0027025 DE 1965N0027025 DE N0027025 A DEN0027025 A DE N0027025A DE 1514263 A1 DE1514263 A1 DE 1514263A1
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Description

PHB 51.320
DIpl.-ing. ERICH E. WALTHER i^Vv^T^ ν0/™
Γ-, : iciri'.-.aif
Anmelder: It V. FHiL.r3'GLOEILAMPENFABRIEK» ™-*·*=*~^· > 1
Akte« PHB- 31 320
Anmeldung vom: 12. Juli 1965
••Halblei tervorr iohtung".
Sie Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung« die als Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode bezeichnet wird, bei der ein in einem Oberflächenkanal gesteuerter Strom zwischen zwei in einem Abstand voneinander liegenden Zonen entgegengesetzten Leitungstyps verwendet wird.
Die Grundstruktur einer solohen Vorrichtung besteht auß einem Halbleiterkörper mit einem hohen spezifischen Widerstand int Innern des Körpers und mit zwei UberflSohenzönen mit einem niedrigen epezifisohen Widerstand, die im Halbleiterkörper in einem Abstand voneinander liegen und die mit dem inneren Bereich das Körpers zwei gleichrichtende üebergänge bilden* Auf die Oberfläche des Körpers zwischen den beiden Oberflächenzonen mit niedrigem spezifischem Widerstand ist, at um Beispiel durch Oxydation der Halbleiteroberfläche, eine dielektrische Schicht' und auf diese eine metallschicht aufgebracht* Venn die dielektrlsohe Schicht durch Oxydation der Halbleiteroberfläche gebildet ist, wird die
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-2- PHB 31.320
Vorrichtung ale Metalloxyd-Halblaitartraneietor bezeichnet (englisch· Bezeichnung M03f), D^ c< -....,· zwischen den beiden Oberfliehen*onen angelegte 3 pam? ■■:.·# t^rd «in Uebergang in der Vorwa'rtsrichtung und der andere Uebergang in entgegengweetster Richtung vorgespannt. Der Stroedurohgeng zwischen den beiden OberiX&ohsnzonen kann durch die an der Metallschicht (gewöhnlich &ia Steuerelektrode bezeichnet) angelegte Spannung gesteuert werden«
Dia Vorrichtung kann auf ähnliche Weise wie eine Vakuuatrioda betrieben, «erden, da d*r Strosiöurohgeng «wischen den beiden Oberflächen« ■oner aittela *it'·? an i&r steuerelektrode angelegten Signale Moduliert wer ^" kann, so d&as die Verrichtung sun Beispiel in eine· Ttrsta'rkerkreis und in «ine» Oszillatorkreis verwendbar ist.
In ihrer einfachsten Form wird die Vakuumröhretriode bei einer beatimiaten negativen Spannung ^a ütauergittar ' ^eits praktisch gesperrt unä ■ - ' *^c&s;ifc9le»-Um,g entsteht dann ein verschwindend kleines 3ign&], obsfchl die g\ > V -Kennlinie, in der g die Steilheit der Hö'hre und V cie 3^euergitt«r«pannnne darstellen, sich asynptotiaoh der V-Aoh«6 na'herι Da g?c s» Signals en Gitter die Röhre weiter aussteuern als cU#f.i» S>^rrüpannirtgt @r^iib es eich eis notwendig, eine Rohre ait eirt»!5- β'Α<οβ«»?'βη gekrümmtsn Teil in d«r Gherskteristik *u entwickeln. I^ t\k- iVixia wuxil*: <lise# Charakteristik durch Aenderung der Steigung i#e fc-it-t*ji·^ ersislt» mi Clä^er R3hi« sperrt ein grosses 3igru?.i um lie 23 re nloht vivlietfp.ciig und liefert noch stets ein kleine» e'-*ree ?.p» .an· uJ-v Anode. Diese bekannte Röhre varb®S3«rtt di®
ivÄt«*'' ;.&? ersten ^toreta'rkerature in ^ina« Ueberlagerungseapfanger und ifi&&". i'i'.,a &uiiit in eirc-i selbsttätigen Verstfirkerr&gslkreie ver-wentien.
ßi® norsalit g - ? -Charakteristik eines K PB -Metalloxjd- *™ g
Kalaleitartranaietor» ist in Figur 1 gezeigt} V stellt die an der Steuerelektrode angelegte Spannung und g die Steilheit dar. Die
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-3- PHB 51.320
Steigung des linearen Teiles der Charakteristik ist gegeben durch die Funktion:
fm - /u . C . ~
wobei αχ die Elektronenbeweglichkeit im Halbleiter, / n
C die Kapazität der Steuerelektrode pro Oberflöcheneinheit, b die Länge der Steuerelektrode, und
a die Breite der Steuerelektrode darstellt.
Die Steilheit der Charakteristik nach Figur 1 kann durch geeignete Wahl der Parameter C, b und a zu einen gewünschten Wert geändert werden*
Der Punkt, wo sich die Kurve der V -Achse nähert, wird durch die Verunreinigungenkonzentration unter der Steuerelektrode bedingt. Charakteristiken von drei Vorrichtungen mit gleicher Steuerelektrodenkonfiguration und verschiedener Oberflächendotierung mit Verunreinigungen aind in Figur 2 dargestellt, wobei die Vorrichtung eine N+ PN+-Konfiguration besitzt. Wenn die Oxydsohioht auf eine p-Typ-Halbleiteroberfläohe mit hohem spezifischem Widerstand aufgebracht ist, kann ein n-Typ-Oberflächenkanal, der ale Umkehrechicht bezeichnet werden kann, auf der p-Typ-Oberfläche erhalten werden. Um den Wert der beweglichen Ladungskonzentration im Kanal auf etwa Null zu bringen, muse am Steuergitter ein gewisses negatives Potential angelegt werden} bei
diesem negativen Potential wird die Kurve dann die V -Aohse zum Βοΐο
spiel beim Sperrpunkt 1 praktisch schneiden.
Die Umkehrschicht kann dadurch ausgeglichen werden, dass während dee Aufbringens der Oxydsohioht die Oberfläche mit Bor dotiert wird, worauf die Kurve die V -Achse näher am Ursprung schneiden wird. Die Umkehrechicht kann auch durch Diffusion von Bor überkompehsiert werden, wenn eine bestimmte positive Steuerepannung angelegt werden muse, bevor der η-Typ leitende Kanal gebildet ist und Strom fließet,,
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- 4 - PHB 31.320
Von dieser Möglichkeit zur Verschiebung durch verschiedene Dotierung der Oberfläche maoht die Erfindung Gebrauch, um einen Feldeffekttransistor mit einer grösseren Möglichkeit zur Abänderung der g -
V -Charakteristik zu erzielen, insbesondere über einen gröeeeren Steuer-S
spannungsbereich eine nützliche Verstärkung zu bekommen·
Nach der Erfindung besteht bei einem Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode die Oberfläche deB Körpers, wo der zu steuernde Stromkanal liegt, aus wenigstens zrfei Zonen mit verschiedenem spezifischem Widerstand an der Oberfläche· Die Zonen mit verschiedenem spezifischem Widerstand können sich bis zu den beiden Oberfläohenzonen entgegengesetzten Leitungstyps erstrecken· Der Halbleiterkörper des Feldeffekttransistors mit isolierter Torelektrode kann vorteilhaft aus Silioium bestehen und das Dielektrikum kann vorteilhaft durch Oxydation des Siliciuras gebildet werden·
Naoh der Erfindung iet auoh eine Kombination mehrerer Feldeffekttransistoren mit zugeordneten isolierten Torelektroden verwirklichbar, die elektrisch parallel geschaltet sind, und mit Mitteln zum Anlegen einer gleichen Steuerspannung an jeder Steuerelektrode, wobei wenigstens zwei dieser Feldeffekttransistoren in der Oberfläche des Halbleiterkörpers, wo der Stromkanal liegt, einen verschiedenen spezifischen Widerstand haben. Wenn zum Beispiel drei Vorrichtungen mit verschiedenen Sperrspannungen infolge verschiedener Dotierung und demnach infolge eines verschiedenen »pezifieohen Widerstandes des Oberflächenteiles parallel geschaltet sind, wird die kombinierte g_-V -Charakteristik eine Kurve haben, welohe die Summe der einzelnen Kurven ist· Es ist
ο vorteilhaft, dass die getrennte Kurve mit der negativsten Sperrspannung to
°° den kleinsten Gradienten und die Kurve mit dar gröeeten.positiven Sperren
^ spannung den grössten Gradienten hat· Diese Bedingungen beziehen sich
»j auf die N PH -Konfiguration. Die Vorrichtung kann auf ähnliche Weise
"^ auch mit P+ NP+-Konfiguration ausgebildet werden« „
Figur 3 zeigt eine kombinierte Charakteristik 2, welche mit Hilfe von drei parallel liegenden Vorrichtungen mit Charaktcri; -
tiken' 3, 4 und 5 erzielt ist. Eine einfache Vorrichtung mit einer Charakteristik ähnlich der kombinierten Charakteristik nach Figur 3 kann durch Aenderung der Oberflächeneigenschaften dee Halbleiterkörpers unter der dielektrischen Schioht erzielt werden. Man wird einsehen, dass die Erfindung nicht auf eine einfache Vorrichtung beschränkt ist, welche als eine Kombination von drei Vorrichtungen mit getrennten Charakteristiken betrachtet werden kann, sondern auch eine Kombination von mehr als drei Feldeffekttransistoren mit zugeordneten isolierten Torelektroden betrifft, die elektrisch parallel geschaltet sind, und mit Mitteln die gleiche Steuerspannung an jeder Steuerelektrode anzulegen»
Figur 4 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine bekannte Feldeffektvorrichtung mit isolierter Torelektrode und linearer Konfiguration. 2wei N+-Oberflächenzonen 6 mit niedrigem spezifischem Widerstand sind in an 9ich bekannter Weise durch Diffusionsteohniken in einem p-Typ-Halbleitereinkristall 7 mit hohem spezifischem Widfretand angebracht. Eine dielektrische Schioht 9 ist auf den Oberflächenkanal 11 aufgebracht, der die Oberfläche zwischen den beiden Zonen mit niedrigem spezifischem Widerstand bildet, und auf die dielektrische Schicht ist eine Metallschicht als Steuerelektrode 10 aufgebracht. Mit den beiden ' H -Zonen sind ohmsche Kontakte 8 verbunden und mit der Steuerelektrode ist gleichfalls eine elektrische.Verbindung hergestellt* Die Oberfläche dee Halbleiterkörpers unter der Steuerelektrode mit Ausnahme von der der N -Oberflächenzonen 6 kann als "Oberflächenkanal" bezeichnet werden, da unter dieses Oberflächenteil der leitende Oberflftohenkanal gebildet . wird.
Zwei Ausführungsformen von Feldeffekttransistoren naoh der Erfindung Bit verbesserten Charakteristiken werden an Hand der Figur 5, die eine Draufsicht eines H+ PN+-Metalloxyd-Halbleitertranei·- tors mit kreisförmiger Konfiguration, und an Hand der Figur 6 näher
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- 7 - PHB 31·320
über die Teile 13j 14, 15 gebildet. Danach wurde erhitzt, um das Aluminium auf den Zonen 12 und 16 aufzulegieren. Die Teile 13, 14, 15» bei denen verschiedene Diffusionsprogramme angewendet wurden, werden dementsprechend verschiedene. Oberflächenwideratände haben.
Zurückkommend uf die be η. 1 \r> erwähnte Gleichung:
!:! » η υ—
F" ι η ■
".fire, bi.ucrkt, d;i8G u , C v.r.ä ι* (dit: "reitt., duo ist der abstund ::«'!:..{·}· tr. ten Dinner. 12 tir.a It) in der ο be nbe π ehr ie be nt η Vorrichtung hci.i-ti„r.t s:ind, no duisc die Lteilhtittr. der Charakteristiken daher nur von der Lunge b senkrecht zum Stromweg abhängig sind, a beträgt zum Beispiel 2L Mikron und der Durchmesser des Auasenrandes der Steuerelektrode beträgl ZUSi Beispiel 400 Mikron. Der Teil 13 hat eine ,.,-rössere Länge als der Teil 15» der eine ^rössere Länge hat als der Teil 14. Die Steilheit der vom Teil 13 herrührenden Kennlinie wäre also kSher als die Steilheiten der Kennlinien der Teilbereiche 15 und 14. Wegen der verschiedenen Oberflächendotierung und des verschiedenes spezifischen Widerstandes des Körpers unter den Teilen 13» 14 und 15 sind die Sperrspannungen dieser Teile verschieden. Der Teil 13 hat eine höhere positive Spannung an der Steuerelektrode bei dem Sperrpunkt als der Teil 15» der seinerseits eine positivere Spannung beim Sperrpunkt hat als der Teil U.Unter Hinweis auf Fig. 3 hätte der Teil 13 eine Kennlinie ähnlich der Kurve 3, der Teil 15 hätte eine Kennlinie ähnlich der Kurve 4, und der Teil 14 hätte eine Kennlinie ähnlich der Kurve 5· Die Kennlinie der vollständigen Vorrichtung würde der Kurve 2 entsprechen. Wenn an.der Steuerelektrode ein sehr hohes negatives Potential angelegt wird, ist die Vorrichtung gesperrt und es flieset ein verschwindend kleiner Strom.
Wenn die an der Steuerelektrode angelegte Spannung vom operrzustand ausgehend weniger negativ wird, so wird Dei einer be-
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-6- " PUB 31.520
erläutert, die eine Draufsicht dar Oberfläche eines Metalloxyde-Halbleitertransietora mit linearer Konfiguration darstellt, wobei die Zonen mit verschiedenem spezifischem Widerstand sich zwischen den Oberflächenbereichen mit niedrigem Widerstand befinden und sich nicht bis zu diesen erstrecken.
Bei der Herstellung eines Transistors nach Figur 5 wurde von einer Unterlage nur mit Bor dotierten p-Typ Silicium mit einem spezifischen Widerstand von 12Q -cn ausgegangen, das dadurch gleichmassig oxydiert wurde, dass die Unterlage 30 Minuten lang in nassem Nitrogen bei einer Temperatur von 12000C erhitzt wurde j hierdurch entstand eine Oxydechioht mit einer Stärke von etwa 0,6 Mikron. Bas Anbringen dieser Oxydschicht ging Bit der Bildung einer dünnen n-Typ-Uakehrechicht an der Oberfläche der Unterlage einher. Ein dem Teil 13 in Figur 5 entsprechendes Fenster wurde mit Hilfe von Photoreservierunge techniken in der Oxydschicht geätzt und ansohliesaond wurde Bor in das Fenster eindiffundiert, Das Fenster wurde darauf zu dem Teil 15 erweitert und anschliessend wieder Bor in einer Menge eindiffundiert, die ausreichend war, um die ia Teil 15 vorhandene n-Typ-Umkehrechioht praktisch auszugleichen. Die Oxydechioht wurde darauf gleichfalls von den Teil 14 entfernt und anschlieesend über die Teile 13« H und 15 erneut Oxyd gewachsen sweoks Srsielung einer konstanten Stärke des Dielektrikums unter der Steuerelektrode·
Aneohlleseend.wurden In den Teilen 12 und 16 Fenster angebrannt und in diese Fenster Phosphor eindiffundiert sur Erzielung von H+-2onen ia Körper des Halbleiters, welche sich bis unter der Oxydsohicli über die Teile 13, Μ und 15 erstrecken. Ohmsohe Kontakte wurden anschliessend auf den H+-Zonen 12 und 16 durch Aufdampfen von Aluminium angebracht und in einem getrennten Torgang wurde gleichfalls die Steuerelektrode durch das Aufdampen von Aluminium mittels einer Maske
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stimmten Spannung die unter dem Teil 14 liegende Körperoberflache zwischen den beiden N -Zonen zu leiten beginnen. Wenn die an der
JlOQh
Steuerelektrode angelegte Spannung/positiver gemaoht wird, so wird die Körperoberflache unter den Teilen 15 und 13 zu leiten beginnen.
Bei einer weiteren Ausführungsforra naoh der Erfindung erstrecken Bioh die Teile mit verschiedenem Widerstand nioht bis zu den Oberfläohenzonen von niedrigem Widerstand und entgegengesetzem Typ.
. i Diese Ausführungsform wird nunmehr an Hand der Figur 6 näher beschrieben*
Die beiden N OberflSchenzonen 18 wurden durch Diffusion von Phosphor in einen dazu geeignet maskierten p-Typ-Silioiumkörper 17 gebildet. ι Unter Verwendung von an sich bekannten Photoreservierungsteohniken und der Oxyd-Maskierungstechnik wurde ansohliessend in den Körper 11 zwischen den beiden Oberflächen-zonen Bor eindiffundiert, bis eine P Oberflächenzone 19 fcnd eine P+,4" Oberflächenzone 20 innerhalb der P+ Zone gebildet wurden. (P deutet in üblicher Weise an, dass die Bordotierung höher ist und also der spezifische Widerstand niedriger ist ale bei P+). Eine Siliziumdioxydsohicht gleiohmässiger Stärke wurde dann über einen Teil 21 (schraffiert dargestellt) als Dielektrikum angebracht und auf dem Siliciumdioxyd wurde eine Aluminiurasehieht als Steuerelektrode angebracht. Ohmsche Kontakte wurden an den V Zonen 18 dadurch gebildet, dass auf den Zonen Aluminium auflegiert und elektrische Verbindungen mit den Aluminiumteilen hergeotellt werden.
Im Betrieb gibt diese Vorrichtung eine Kennlinie gleich der naoh Figur 3« nur mit dem Unterschied, dass der Sperrpunkt bei einem positiven Wert von V liegt, da die mit der dielektrischen Schicht in Kontakt befindlich· Siliciumoberfläche völlig vom p-Typ 1st und somit ein« positive Spannung an der Steuerelektrode angelegt werden muss, um einen η-Typ Oberflächenkanal zwischen den N Oberflacheneonen zu bilden.
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Wenn der n-Typ-Oborflächenkanal gebildet wird, erstreckt er sich anfänglich die P+ Zone 19 herum. Bei Erhöhung der an der Steuerelektrode angelegten positiven Spannung erstreckt sich der n-Typ-Oberflächen-kanal bis in die ursprüngliche P Zone 19 und anschliessend biß in die ursprüngliche P Zone 20. Bei grosser positiver Spa'nnung ist der n-Typ-öberflächenkanal im SiliciumkÖrper unter dem ganzen Bereich der Steuerelektrode vorhanden.
Es ist einleuchtend, dass bei dieser Ausfuhrungsform die diffundierten Zonen 19, 20 eine solche Konfiguration und solche Dotierungseigenschaf ten haben können, dass die gewünschte g - V -
iß g5
Charakteristik erzielt wird.
Beide beschriebene Ausführungsformen haben drei Zonen m;Lt verschiedenem Oberflftchenwiderstand unter der Steuerelektrode. Die Erfindung beschränkt sich aber nicht auf drei Zonen und in der einfachsten Vorrichtung nach der Erfindung werden zwei Zonen mit verschiedenem Oberflächenwiderstand gebildet.
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Claims (4)

-10- PHB 31.320 PATKNTANöPRUBC IIE ι
1. Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode, beidem ein in einem Oberflächenkanal gesteuerter Strom zwischen zwei in einem Abstand voneinander liegenden Zonen von einem Typ entgegengesetzt zu dem des Körpers verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Körpers, an der der zu steuernde Strorakanal liegt, aus wenigstens zwei Zonen mit verschiedenem spezifischem Widerstand an der Oberfläche besteht.
2. Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zonen mit verschiedenem Oberflächenwiderstand sich bis zu den beiden Bereichen erstrecken·
3. Kombination von wenigstens zwei Feldeffekttransistoren mit zugeordneten isolierten Torelektroden, die elektrisch parallel ge-
sohaltet sind, und mit Mitteln zum Anlegen einer gleiohen Steuerspannung an jeder Steuerelektrode, daduroh gekennzeichnet, dass wenigstens zwei dieser Feldeffekttransistoren in der Oberfläche des Körpers, an der der Stromkanal liegt, einen gegenseitig verschiedenen spezifischen Widerstand haben.
4. Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode nach Anspruch 1,' dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper aus Silicium besteht und das Dielektrikum durch Oxydation des Silioiums gebildet ist.
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DE1965N0027025 1964-07-13 1965-07-13 Feldeffekttransistor mit isolierter steuerelektrode Granted DE1514263B2 (de)

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