DE1950478A1 - Halbleiterbauelement mit steuerbarer Kapazitaet - Google Patents

Halbleiterbauelement mit steuerbarer Kapazitaet

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Description

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Pcttenianwcrlis
Dl-Im. Wilhelm Reichel
Pipl-lnir. Wolfgang Reiehel
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PcuLsiialie 13
GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y. VStA
Halbleiterbauelement mit steuerbarer Kapazität
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit steuerbarer Kapazität und insbesondere eine Diode, deren Kapazität dadurch erhöht werden kann, daß die pn-Übergangszone durch Ausbildung einer Oberflächeninversionszone vergrößert wird.
In vielen elektrischen Schaltungsanordnungen, beispielsweise abstimmbaren LC-Resonanzkreisen, sind veränderbare Schaltungselemente erforderlich. Häufig ist es vorteilhaft, hierfür eine spannungsabhängige Kapazität zu verwenden. Beispiele für Festkörperbauelemente mit steuerbarer Kapazität, die für solche Zwecke verwendet werden können, sind z.B. die üblichen Kapazitätsdioden und Metall-Oxid-Halbleiterbauelemente mit variabler Kapazität (MOS-Kondensator). Beide Arten der genannten Bauelemente weisen eine Zone von im.wesentliehen konstanter Größe aus elektrisch aktivem Material auf, d.h. eine Zone, in welcher ein aufgeprägtes elektrisches Feld eine merkliche Wirkung auf die Ladungsträger ausübt. Die Kapazität kann dadurch verändert werden,.daß bei Verwendung einer Kapazitätsdiode die Dicke der Verarmungszone bzw. bei Verwendung eines MOS-Kondensators die Dicke der Verarmungszone in der Halbleiter-Oxid-Grenzfläche elektrisch verändert wird. Um einen großen
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Bereich von Kapazitäten oder ein großes Verhältnis von größter zu kleinster Kapazität zu erhalten, ist daher eine ursprünglich dünne Verarmungszone im pn-Bauelement bzw. eine dünne Oxidschicht im MOS-Kondensator erforderlich. Das Kapazitätsverhältnis ist bei diesen bekannten Bauelementen jedoch durch die konstante Größe der Zone aus elektrisch aktivem Material beschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Bauelement zu schaffen, welches ein größeres Verhältnis von maximaler zu minimaler Kapazität aufweistj als es mit den oben erwähnten Bauelementen erzielbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß eine Halbleiterdiode mit einer veränderbaren pn-Übergangszone geschaffen wird.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement mit spannungsabhängiger Kapazität ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Zone vom einen Leitimgstyp eine sich bis zu der Zone vom anderen Leitungstyp erstreckende Inversionszone herstellbar ist, durch die der pn-übergang vergrößert wird.
Die erwähnte xreränderbare pn-Übergangszone ist eine Folge der Möglichkeit, eine Oberflächeninversionsschicht, d.h. eine flache Zone auszubildenj die sich von der Oberfläche aus in den Halbleiterkörper erstreckt und in der die Majoritätsträger verarmt bzw. die Minoritätsträger nahe der Oberfläche angesammelt werden, wodurch der ursprüngliche pn-übergang im Halbleiterbauelement vergrößert wird. Folglich ist eine wesentlich größere Änderung des Kapazitätsverhältnisses möglich, als es bei den bekannten Bauelementen mit variabler Kapazität der Fall ist. Die vergrößerte pn-Übergangszone kann augenblicklich erhalten werden, so daß man ein Bauelement mit zwei Kapazitätswerten erhält.
Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit der Zeichnung an bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben, auf die die Erfindimg ,jeä-ocsh nicht beschränkt ist. . ■
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Die Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und zeigt den Betriebszustand beim Anlegen einer Steuerspannung, deren Amplitude unterhalb eines vorgewählten Schwellwertes oder Null ist.
Die Fig. 2 ist ein Schnitt durch das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und "zeigt den Betriebszustand beim Anlegen einer Steuerspannung, deren Amplitude oberhalb des vorgewählten Schwellwertes liegt.
Die Fig. 3 zeigt graphisch die Betriebsweise des Halbleiterbauelementes nach Figuren 1 und 2 unter verschiedenen Betriebsbedingungen.
Die Fig. 4 ist ein Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 enthält ein Halbleiterkörper 10 aus beispielsweise Silicium eine stark dotierte Zone 11 vom einen Leitfähigkeitstyp und eine weniger stark dotierte Zone 12 vom gleichen Leitfähigkeitstyp. Der Halbleiterkörper 10 kann entweder einem einzelnen Bauelement zugeordnet oder Teil eines integrierten Halbleiterbauelementes sein. Zur Beschreibung der Erfindung wird angenommen, daß die Zone 11 stark p-leitend (daher ihre Bezeichnung mit p+) und die Zone 12 ebenfalls pleitend ist (daher ihre Bezeichnung mit p). Die Zone 12 ist beispielsweise eine epitaxial auf der Zone 11 gewachsene Schicht mit einer Dotierung, die etwa einem spezifischen Widerstand von 10 Ohm·cm entspricht. Die epitaxiale Abscheidung wird dadurch erzielt, daß in unmittelbarer Nähe der Zone 11 eine Siliciumquelle angeordnet wird, daß die Zone 11 und die Siliciumquelle erhitzt werden, wobei der Halbleiterkörper auf eine höhere Temperatur als die Siliciumquelle gebracht wird, und daß in das System Joddampf eingebracht wird, um das Silicium der Quelle auf der Zone 11 epitaxial abzuscheiden. Die Siliciumquelle enthält in diesem Falle Verunreinigungen, die
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eine p-Leitung bewirken und zwar in solcher Konzentration, daß die epitaxial gewachsene Zone 12 einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10 Ohm·cm aufweist. Geeignete Akzeptor-Verunreinigungen sind Bor, Aluminium, Gallium und Indium.
Anschließend wird auf der Zone 12 eine dünne Isolierungsschicht 15 gebildet, die im allgemeinen aus Siliciumdioxid bestehen kann. Dies geschieht zweckmäßigerweise durch thermisches Wachstum in einer oxidierenden Atmosphäre. Die Schicht 15 erhält eine Dicke von etwa 1000 bis 1200 A. Auf einen Teil der Isolierungsschicht 15 wird dann eine Metallschicht 17 aus beispielsweise Molybdän gedampft, in die durch übliche fotolithografische Methoden unter Verwendung fotoresistiver Verbindungen ein Fenster 16 geätzt wird. Das Fenster 16 kann im Bedarfsfall durch die Isolierungsschicht 15 hindurch bis zur Oberfläche des Halbleiterkörpers ausgedehnt werden, damit die Metallschicht 17, die auf diese Weise isoliert oberhalb eines Teils der Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 angeordnet ist, im Bereich des-Fensters 16 das gleiche Muster wie die, Isolierungsschicht 15 besitzt. Anschließend wird auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers eine Schicht 18 aus dotiertem Glas aufgebracht, die eine Dotierung aufweist, welche im Vergleich zu der Dotierung des Halbleiterkörpers 10 einen entgegengesetzten Leitungstyp vermittelt. Im vorliegenden Fall enthält die Schicht 18 somit einen Donator wie Phosphor. Sie wird durch pyrolytische Abscheidung von Orthosilicat und Triäthylphosphat unter Verwendung von Argon als Trägergas aufgebracht.
An diesem Übergang wird das Halbleiterbauelement etwa eineinhalb Stunden auf etwa 1150 0C gehalten, um den Donator durch das Fenster 16 in die Zone 12 einzudiffundieren und einen pnübergang 19 zu schaffen, der durch die Grenzfläche zwischen der Zone 12 und der sich ergebenden η-leitenden Diffusionszone 20 gebildet ist. Die Dicke der η-leitenden Zone 20 beträgt
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beispielsweise etwa 2 Mikron. Die Dotierung beträgt größenordnungsmäßig 10 Donatoratome pro Kubikzentimeter. Ein Teil der Zone 20 erstreckt sich bis unterhalb des Randes der Molybdänschicht 17.
Die Glasschicht 18 wird anschließend mit gepufferter Flußsäure geätzt, die vorzugsweise zehn Teile einer 40%igen Ammoniumfluor idlö sung in einem Teil einer 48%igen Flußsäure enthält. Durch die Ätzung werden ein Teil der Oberfläche der Diffusionszone 20 und ein Teil der Oberfläche der Molybdänschicht 17 freigelegt. Auf die Oberfläche des Bauelementes werden dann Aluminiumkontakte 21 und 22 aufgedampft, um die Diffusionszone 20 und die Molybdänschicht 17 mit den notwendigen Elektroden zu versehen.
Die Zone 11 des Halbleiterbauelementes wird dann mittels einer Goldschicht 13 auf eine leitende Wärmesenke 14 aus beispielsweise Molybdän montiert. Um den Halbleiterkörper an der Wärmesenke 14 zu befestigen, wird er auf die eutektische Gold-Silicium-Temperatur erhitzt, die ausreicht, die Goldschicht 14 mit der Wärmesenke 14 aus Molybdän zu verlöten. An die Aluminiumkontakte 21 und 22 und an die Wärmesenke 14 werden dann noch elektrische Anschlüsse angebracht, was beispielsweise durch Thermodruck oder Ultraschallverfahren geschehen kann.
Bei Betrieb ist das an den Kontakt 22 gelegte Potential vorzugsweise positiv gegenüber der geerdeten Wärmesenke 14, wenn die verschiedenen Zonen des Halbleiterbauelementes 10 die oben erwähnte Leitfähigkeit aufweisen. Durch ein solches Potential werden die Majoritätsträger, d.h. im vorliegenden Falle die Löcher, von der direkt unterhalb der Molybdänschicht 17 liegenden Silicium-Siliciumdioxid-Grenzflache weggetrieben, wo-
durch in einem an dieser Grenzfläche anliegenden Teil der Zone 12 eine Verarmungsschicht aufgebaut wird, in welcher die Konzentration der Ladungsträger beträchtlich unter die Konzentration der umkompensierteri Akzeptorionen sinkt.
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Wenn das an den Kontakt 22 gelegte positive Potential vergrößert wird, dann wird gleichfalls die Dicke der Verarmungsschicht unterhalb der Molybdänschicht 17 vergrößert. Diese Vergrößerung in der Dicke hat nahezu keinen Einfluß auf die Kapazität der Diode, da sie keinen wesentlichen Einfluß auf die Verarmung s ζ one hat, die dem pn-übergang 19 zugeordnet ist. Wenn jedoch das positive Potential noch mehr vergrößert wird, dann werden die Minoritätsträger, hier also Elektronen, an die Oberfläche der Zone 12, d.h. an die Grenzfläche derselben mit der Siliciumdioxidschicht 15 gesaugt und dort bei steigendem Potential angesammelt. Wenn das Potential einen Schwellwert übersteigt, dann überzählen die Minoritätsträger die unkompensierten Akzeptoren. In demjenigen Teil des Halbleitermaterials, in welchem dies der Fall ist, ist der Leitfähigkeitstyp invertiert. Demgemäß wird ein Teil 23 der Zone 12 nahe der Grenzfläche mit der Siliciumdioxidschicht 15 η-leitend (Fig. 2) und verschmilzt aufgrund des den einen Teil der n-leitenden Zone 20 überlappenden Randes der Molybdänschicht 17 mit der η-leitenden Zone 20. Dadurch wird die η-leitende Zone 20 wirksam auf den gesamten unterhalb der Molybdänschicht 17 liegenden Teil der Zone 12 ausgedehnt, wodurch der durch die Zonen 12 und 20 gebildete pn-übergang 19 stark vergrößert wird. Die Vergrößerung des pn-Übergangs 19 hat eine vergrößerte Kapa— zität des Halbleiterbauelementes zur Folge. Wenn umgekehrt das an den Kontakt 22 gelegte Potential verkleinert wird, dann werden weniger Minoritätsträger an die Oberfläche der Zone 12 im Bereich der Grenzfläche mit der Siliciumdioxidschicht 15 angezogen, bis die Zone 23 wieder p-leitend wird und die Kapazität des Bauelementes wieder gleich der des ursprünglichen, in Fig. 1 gezeigten pn-Überganges 19 ist.
Das positive Potential am Kontakt 22 kann mittels eines Spannungsimpulses auf einen so großen Wert gebracht werden, daß der Bereich des pn-Übergangs 19 nahezu sofort vergrößert wird. In gleicher Weise kann auch der ursprüngliche Wert des Poten- tials nahezu augenblicklich wieder hergestellt werden, um den
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pn-übergang auf seine ursprüngliche Größe zu verkleinern. Hierdurch erhält man ein kapazitives Halbleiterbauelement, welches einem Kondensator mit zwei Werten entspricht.
In Fig. 3 sind die elektrischen Eigenschaften des in Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung graphisch dargestellt. Aus Fig. 3 ergibt sich, daß bei irgendeinem positivem Potential an der Diffusionsschicht der Diode diese in Sperrichtung gepolt ist. Bei einer Spannung an der Diffusionsschicht von beispielsweise 0,25 Volt bewirkt eine Potentialerhöhung am Kontakt 22 über den gesamten in Fig. 3 dargestellten Bereich einen merklichen Anstieg der Kapazität der Diode. Wenn das Potential am Kontakt 22 der Diode kontrolliert verändert werden soll, dann wird die Diode vorzugsweise in Sperrichtung betrieben, um eine hohe Leitfähigkeit und damit verbundene Leistungsverluste zu vermeiden, die sich beim Betrieb in Vorwärtsrichtung ergeben wurden. Wenn dagegen am Kontakt 22 ein konstantes Potential aufrechterhalten wird, dann ändert sich die Kapazität der Diode mit der Spannung am pn-übergang, und zwar entsprechend der Kennlinie "Diodenkapazität-Spannung an1der Diffusionszone" für das eingestellte Potential am Kontakt 22. Eine maximale Änderung des Kapazitätsverhältnisses erhält man daher dann, wenn die positive Spannung an der Diffusionszone einen solchen Viert aufweist, daß der Arbeitspunkt der Diode für das ausgewählte Potential am Kontakt 22 im steilen Abschnitt der Kennlinie liegt.
Der steile Abschnitt jeder Kennlinie bei positiven Spannungen an der Diffusionszone deutet die Ausbildung bzw. Beseitigung der Inversionsschicht 23 an. Die schwach geneigten Abschnitte an den beiden Seiten dieser steilen "Abschnitte geben Zustände an, in denen die Inversionsschicht nahezu vollständig ausgebildet oder verschwunden ist. Der obere schwach fallende Abschnitt ist erreicht; wenn die Inversionszone nahezu vollständig aufgebaut ist, während der untere schwach fallende Abschnitt erreicht ist, wenn die Inversionsschicht nahezu voll-
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ständig beseitigt ist. Die Erfindung ermöglicht es daher, die variable Kapazität eines pn-Übergangs (wie z.B. durch die dem Potential Null am Kontakt 22 zugeordnete Kurve angegeben) mit derjenigen Kapazität zu kombinieren, die man durch Ausweitung des pn-Ubergangs durch Schaffung einer Inversionsschicht erhält. Dies führt zu Kurven, die für die Potentiale + 0,75, + 1,5 und + 2,5 Volt am Kontakt 22 gezeichnet sind.
In Fig, k ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem die invertierte Zone den ursprünglichen pn-übergang mit einem relativ größeren pn-übergang ver-
" bindet. Das Halbleiterbauelement enthält eine η-leitende Zone 20, die zur Bildung eines pn-Übergangs 19 in eine p-leitende Zone 12 eindiffundiert ist, jedoch im Gegensatz zum Bauelement nach Fig. 1 noch eine zweite, relativ große n-leitende Zone 30, die zur Bildung eines pn-Übergangs 31 ebenfalls in die p-leitende Zone 12 eindiffundiert ist. Die n-leitende Zone 30 wird gleichzeitig mit der η-leitenden Zone 20 durch Eindiffusion mittels der dotierten Glasschicht 18 hergestellt und mit Hilfe eines zweiten Fensters 29 erhalten, welches zusätzlich zum Fenster 16 in'die Molybdänschicht 17 geätzt ist. Beide Fenster 16 und 29 können im Bedarfsfall durch die Siliciumdioxidschicht 15 hindurchgehen, um eine Abscheidung der dotierten Glasschicht 18 auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 zu ermöglichen.
Beim Betrieb wird derjenige Oberflächenabschnitt der Zone 12, der direkt unterhalb eines Kontaktes 27 liegt, dann invertiert, wenn das Steuerpotential einen vorgewählten Schwellwert überschreitet. Hierdurch wird die n-leitende Zone 30 durch die Inversionszone leitend mit der η-leitenden Zone 20 verbunden, so daß man einen pn-übergang erhält, der insgesamt aus den beiden pn-Übergängen 19 und 31 sowie dem Übergang zwischen der Inversionszone und der p-leitenden Zone 12 besteht. Durch die Verwendung der η-leitenden Zone 30 ist der spezifische Widerstand der gesamten η-leitenden Zone während der Inversion
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kleiner als der bei dem zuerst beschriebenen Bauelement, wodurch sich eine Verkleinerung der Widerstandskomponente des Stroms im Ausgangskreis des Kondensators ergibt.
Zusammengefaßt besteht die Erfindung in einem Kondensator mit einer durch eine Spannung kontrollierbaren Kapazität. Der Kondensator enthält eine Halbleiterdiode, deren ursprünglicher pn-übergang durch Schaffung einer Inversionsschicht im Halbleitermaterial vergrößert werden kann, so daß die Kapazitäten des ursprünglichen pn-Übergangs und des durch die Inversion entstandenen Übergangs zusammengefaßt werden. Der Kondensator kann außerdem nahezu augenblicklich von einem Kapazitätswert auf einen anderen Kapazitätswert umgeschaltet werden.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    Halbleiterbauelement mit steuerbarer Kapazität, enthaltend einen pn-übergang vorgewählter Größe, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zone (12) vom einen Leitungstyp eine sich bis zu der Zone (20) vom anderen Leitungstyp erstreckende Inversionszone (23) herstellbar ist, durch die der pn-übergang (19) vergrößert wird.
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß zum kontrollierten Aufbau der Inversionszone eine Steuerelektrode (22) vorgesehen ist.
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadur'ch gekennzeichnet, daß in die Zone (12) vom einen Leitungstyp eine an eine Oberfläche des Halbleiterkörpers (10) tretende Zone (20-) vom anderen Leitungstyp eingelassen ist, daß diese Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer Isolierungsschicht (15) überzogen ist und daß auf die Isolierungsschicht eine beide Zonen (12,20) teilweise überlappende, leitende Schicht (17) aufgebracht ist.
  4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (10) aus Silicium, die Isolierungsschicht (15) aus Siliciumdioxid und die leitende Schicht (17) aus einem Metall besteht.
  5. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Molybdän enthält oder ist.
    00981 7/UCU
  6. 6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zone (12) vom einen Leitungstyp mit Abstand zwei an eine Oberfläche des Halbleiterkörpers (10) tretende Zonen (20,30) vom anderen Leitungstyp eingelassen sind, daß diese Oberfläche mit einer Isolierungsschicht (15) überzogen ist und daß auf die Isolierungsschicht eine leitende Schicht (17) aufgebracht ist, die die beiden eingelassenen Zonen (20,30) teilweise und den dazwischen liegenden Teil der Zone vom einen Leitungstyp überlappt.
    Ö09817/UCH
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