CH648693A5 - SEMICONDUCTOR ARRANGEMENT WITH AT LEAST ONE FIELD EFFECT TRANSISTOR. - Google Patents

SEMICONDUCTOR ARRANGEMENT WITH AT LEAST ONE FIELD EFFECT TRANSISTOR. Download PDF

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CH648693A5
CH648693A5 CH6783/79A CH678379A CH648693A5 CH 648693 A5 CH648693 A5 CH 648693A5 CH 6783/79 A CH6783/79 A CH 6783/79A CH 678379 A CH678379 A CH 678379A CH 648693 A5 CH648693 A5 CH 648693A5
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CH
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junction
zone
electrode
control electrode
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CH6783/79A
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German (de)
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Johannes Arnoldus Appels
Marnix Guillaume Collet
Paul Anton Herman Hart
Johannes Franciscus Verhoeven
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Philips Nv
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine Halbleiteranordnung dieser Art ist z.B. aus der US-PS 3 586 931 bekannt. The invention relates to a semiconductor device according to the preamble of claim 1. A semiconductor device of this type is e.g. known from U.S. Patent 3,586,931.

Unter der Beeinflussung einer Erschöpfungszone zur Steuerung des Stromes ist hier zu verstehen, entweder dass durch Änderung der Dicke einer Erschöpfungszone ein von Under the influence of an exhaustion zone for controlling the current is to be understood here, either that by changing the thickness of an exhaustion zone one of

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

j0 j0

>5 > 5

3 3rd

648 693 648 693

dieser Erschöpfungszone begrenzter Stromkanal verengt oder erweitert wird oder dass durch Änderung der Potentialverteilung in einer Erschöpfungszone ein sich durch diese Erschöpfungszone hindurch bewegender Strom von Ladungsträgern geändert wird. current channel limited in this depletion zone is narrowed or expanded, or that a current of charge carriers moving through this depletion zone is changed by changing the potential distribution in an exhaustion zone.

Der genannte Feldeffekttransistor kann verschiedene Strukturen aufweisen, je nach der Form der Source-, Drain-und Steuerelektroden. So können diese Elektroden die Form von Metallschichten aufweisen, die auf der Halbleiteroberflä-che ohmsche Source- und Drain-Kontakte und eine oder mehr gleichrichtende Steuerelektroden mit Schottky-Kontakten bilden. Auch können die Source-, Drain- und Steuerelektroden durch Metallschichten gebildet werden, die sich halbleitenden Elektrodenzonen anschliessen, die mit dem angrenzenden Teil des Halbleiterkörpers pn-Übergänge (im Falle von Steuerelektroden) oder nicht-gleichrichtende Übergänge (für die Source- und Drain-Elektroden) bilden. Weiter kann die Steuerelektrode, wie z.B. bei einem sogenannten «Deep depletion»-Feldeffekttransistor, die Form einer leitenden Schicht aufweisen, die durch eine Isolierschicht von der Halbleiteroberfläche getrennt ist und mit der im Kanalgebiet die genannte Erschöpfungszone gebildet wird. Wo in der vorliegenden Anmeldung von Source-, Drain- und Steuerelektroden die Rede ist, sind dabei auch die gegebenenfalls zu diesen Elektroden gehörigen Elektrodenzonen bzw. Isolierschichten einzuschliessen. The field effect transistor mentioned can have different structures, depending on the shape of the source, drain and control electrodes. These electrodes can have the form of metal layers that form ohmic source and drain contacts and one or more rectifying control electrodes with Schottky contacts on the semiconductor surface. The source, drain and control electrodes can also be formed by metal layers which adjoin semiconducting electrode zones which, with the adjacent part of the semiconductor body, have pn junctions (in the case of control electrodes) or non-rectifying junctions (for the source and drain Electrodes). The control electrode, e.g. in the case of a so-called “deep depletion” field effect transistor, which have the form of a conductive layer which is separated from the semiconductor surface by an insulating layer and with which the exhaustion zone mentioned is formed in the channel region. Where reference is made in the present application to source, drain and control electrodes, the electrode zones or insulating layers which possibly belong to these electrodes must also be included.

Bei den bekannten Feldeffekttransistoren der beschriebenen Art können im allgemeinen keine hohen Spannungen über dem ersten und dem zweiten pn-Übergang angelegt werden. Dies ist u.a. darauf zurückzuführen, dass lange Zeit bevor die theoretisch auf Grund des Dotierungsprofils zu erwartende Durchschlagspannung des ersten pn-Übergangs erreicht ist, bereits Durchschlag am zweiten pn-Übergang infolge der dort vorherrschenden ungünstigen Feldverteilung auftritt. Dieser Durchschlag tritt meistens an oder in der unmittelbaren Nähe der Oberfläche auf. In the known field-effect transistors of the type described, generally no high voltages can be applied across the first and the second pn junction. This includes attributable to the fact that long before the breakdown voltage of the first pn junction that can theoretically be expected on the basis of the doping profile is reached, breakdown already occurs at the second pn junction as a result of the unfavorable field distribution prevailing there. This breakdown mostly occurs on or in the immediate vicinity of the surface.

Die genannte ungünstige Feldverteilung kann durch eine hohe Dotierung des dritten Gebietes und/oder einen hohen Dotierungsgradienten in der Nähe des zweiten pn-Übergangs, aber z.B. auch dadurch herbeigeführt werden, dass der zweite pn-Übergang örtlich eine starke Krümmung aufweist. The unfavorable field distribution mentioned can be caused by a high doping of the third region and / or a high doping gradient in the vicinity of the second pn junction, but e.g. can also be brought about by the fact that the second pn junction locally has a strong curvature.

Zur Erhöhung der zulässigen Spannung kann die Dotierungskonzentration des ersten Gebietes verringert und ausserdem, um Raum für die sich dadurch weiter in dem ersten Gebiet erstreckende Erschöpfungszone zu erhalten, die Dicke derselben vergrössert werden. Da jedoch die Kanalleitung der Dicke proportional, die Abschnürspannung jedoch dem Quadrat der Dicke des Kanalgebietes proportional ist, wird diese Massnahme zur Folge haben, dass bei gleichbleibender Länge und Breite des Kanals und bei gleichbleibender Sperrspannung die Kanalleitung herabgesetzt wird. Für die Abschnürspannung Vp wird nämlich gefunden: Vp = a2qN/2e und für die Kanalleitung G = Wq p.Na/L, wobei a die Dicke des von der Steuerelektrode gesperrten Kanalgebietes, N die Dotierungskonzentration des Kanalgebietes, W die Breite und L die Länge des Kanalgebietes, u die Beweglichkeit der Ladungsträger, q die Elektronenladung und s die Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials darstellen. Wenn nun N auf einen Wert N' = N/ß(ß> 1) herabgesetzt wird, wird für gleichbleibende Abschnürspannung Vp gefunden: In order to increase the permissible voltage, the doping concentration of the first region can be reduced and, in addition, in order to obtain space for the depletion zone which thereby extends further in the first region, the thickness thereof can be increased. However, since the channel line is proportional to the thickness, but the pinch-off voltage is proportional to the square of the thickness of the channel area, this measure will result in the channel line being reduced if the length and width of the channel remain the same and the blocking voltage remains the same. For the pinch-off voltage Vp, namely: Vp = a2qN / 2e and for the channel line G = Wq p.Na/L, where a is the thickness of the channel region blocked by the control electrode, N the doping concentration of the channel region, W the width and L the length of the channel area, u represent the mobility of the charge carriers, q the electron charge and s the dielectric constant of the semiconductor material. If N is now reduced to a value N '= N / ß (ß> 1), Vp is found for constant pinch-off voltage:

a' = i/2eßVp/qN = a^/ß und a '= i / 2eßVp / qN = a ^ / ß and

WqUNa G °- L,/(5 " <a WqUNa G ° - L, / (5 "<a

Eine derartige Herabsetzung der Kanalleitung ist aber für die gute Wirkung des Feldeffekttransistors meistens sehr nachteilig. Such a reduction in the channel line is usually very disadvantageous for the good effect of the field effect transistor.

Die Erfindung hat u.a. die Aufgabe, eine Halbleiteranordnung mit einer ebenen Oberfläche zu schaffen, die einen Feldeffekttransistor enthält und die sich bei sehr viel höheren Spannungen als bekannte Feldeffekttransistoren der beschriebenen Art verwenden lässt, ohne dass die Kanalleitung herabgesetzt wird. The invention has i.a. the task of creating a semiconductor arrangement with a flat surface, which contains a field effect transistor and which can be used at much higher voltages than known field effect transistors of the type described, without reducing the channel line.

Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass dies wider Erwarten dadurch erreicht werden kann, dass die Dicke des ersten Gebietes nicht vergrössert, sondern verkleinert wird. The invention lies inter alia. based on the knowledge that, contrary to expectations, this can be achieved by not reducing the thickness of the first area, but reducing it.

Eine Halbleiteranordnung der beschriebenen Art weist nach der Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale auf. According to the invention, a semiconductor arrangement of the type described has the features stated in the characterizing part of patent claim 1.

Falls die obenerwähnte Bedingung erfüllt wird, ist das Produkt der Dotierungskonzentration und der Dicke des ersten Gebietes derart, dass beim Anlegen der erwähnten Sperrspannung sich die Erschöpfungszone wenigstens zwei-schen dem Kontaktgebiet und dem zweiten pn-Übergang von dem ersten pn-Übergang her über die ganze Dicke des inselförmigen Gebietes bei einer niedrigeren Spannung als die Durchschlagspannung des zweiten pn-Übergangs erstreckt. If the above-mentioned condition is met, the product of the doping concentration and the thickness of the first region is such that when the aforementioned blocking voltage is applied, the depletion zone is at least two-fold between the contact region and the second pn junction from the first pn junction entire thickness of the island-shaped region at a lower voltage than the breakdown voltage of the second pn junction.

Das genannte Kontaktgebiet kann eine Elektrode oder Elektrodenzone sei, die direkt an die Quelle der genannten Sperrspannung angeschlossen ist, aber kann auch z.B. eine Halbleiterzone sein, die selbst nicht mit einem Anschlussleiter versehen ist, sondern auf andere Weise, z.B. über eine daran grenzende Halbleiterzone, auf das gewünschte Potential gebracht wird. Said contact area can be an electrode or electrode zone which is directly connected to the source of the reverse voltage mentioned, but can also e.g. be a semiconductor zone, which itself is not provided with a connecting conductor, but in another way, e.g. is brought to the desired potential via an adjoining semiconductor zone.

Dadurch, dass das inselförmige Gebiet vom ersten Leitungstyp zwischen dem genannten Kontaktgebiet und dem zweiten pn-Übergang bereits bei einer niedrigeren Spannung als die Durchschlagspannung des zweiten pn-Übergangs völlig verarmt ist, wird die Feldstärke an der Oberfläche derart herabgesetzt, dass die Durchschlagspannung nicht mehr praktisch völlig durch diesen zweiten pn-Übergang, sondern in erheblichem Masse durch den parallel zu der Oberfläche verlaufenden ersten pn-Übergang bestimmt wird. The fact that the island-like region of the first conductivity type between said contact region and the second pn junction is already completely depleted at a voltage lower than the breakdown voltage of the second pn junction means that the field strength on the surface is reduced in such a way that the breakdown voltage is no longer is determined practically entirely by this second pn junction, but to a large extent by the first pn junction running parallel to the surface.

Auf diese Weise kann zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet eine sehr hohe Durchschlagspannung erhalten werden, die unter Umständen der theoretisch auf Grund der Dotierungen des ersten und des zweiten Gebietes zu erwartenden hohen Durchschlagspannung nahe kommen kann. In this way, a very high breakdown voltage can be obtained between the first and the second region, which can possibly come close to the high breakdown voltage that can theoretically be expected on the basis of the doping of the first and the second region.

Durch die genannte Bedingung wird auch verhindert, dass beim Erhöhen der Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet vorzeitig an der Oberfläche zwischen dem Kontaktgebiet und dem zweiten pn-Übergang eine zu hohe Feldstärke infolge der Tatsache auftritt, dass die Erschöpfungszone des zweiten pn-Übergangs bis zu diesem Kontaktgebiet vordringt. Eine optimale Feldstärkeverteilung kann dadurch erreicht werden, dass beim N ■ d-Produkt ausserdem die Maxima in der Feldstärke, die an dem zweiten pn-Übergang und am Rande des genannten Kontaktgebietes auftreten, etwa in der gleichen Grössenordnung liegen. The condition also prevents that when the voltage between the first and the second region is increased, an excessive field strength occurs prematurely on the surface between the contact region and the second pn junction due to the fact that the depletion zone of the second pn junction penetrates to this contact area. An optimal field strength distribution can be achieved by the fact that the maxima in the field strength that occur at the second pn junction and at the edge of the mentioned contact area are approximately of the same order of magnitude for the N d product.

Wenn in bevorzugter Weise die Bedingungen ausserdem derart gewählt werden, dass N• d « 3,0• 105 eE und L> 1,4-10~5 VB ist, ist es gewiss, dass die maximale Feldstärke an dem ersten pn-Übergang stets grösser als in den obengenannten an der Oberfläche auftretenden Maxima sein wird, so dass der Durchschlag immer an dem ersten pn-Übergang und nicht an der Oberfläche auftritt. If the conditions are also selected in a preferred manner such that N • d «3.0 • 105 eE and L> 1.4-10 ~ 5 VB, it is certain that the maximum field strength at the first pn junction is always will be larger than in the above-mentioned maxima occurring on the surface, so that the breakdown always occurs at the first pn junction and not on the surface.

Obgleich sich die Erschöpfungszone des ersten pn-Übergangs in vielen Fällen ohne Bedenken über die ganze Dicke des zweiten Gebietes erstrecken kann, wird vorzugsweise dafür gesorgt, dass das zweite Gebiet derart dick ist, dass sich bei der Durchschlagspannung des ersten pn-Übergangs die Although the depletion zone of the first pn junction can in many cases extend without concern over the entire thickness of the second region, it is preferably ensured that the second region is so thick that the breakdown voltage of the first pn junction increases

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

648 693 648 693

4 4th

Erschöpfungszone in dem zweiten Gebiet über einen Abstand erstreckt, der kleiner als die Dicke dieses Gebietes ist. In diesem Falle ist es gewiss, dass die Durchschlagspannung nicht von der Dicke des zweiten Gebietes in ungünstigem Sinne beeinflusst werden kann. Exhaustion zone in the second area extends for a distance which is less than the thickness of this area. In this case, it is certain that the breakdown voltage cannot be adversely affected by the thickness of the second region.

Obwohl die beschriebene Halbleiterstruktur auch auf andere Weise gebildet werden kann, wird u.a. aus technologischen Gründen die Ausführung bevorzugt, bei der das erste Gebiet durch eine auf dem zweiten Gebiet erzeugte epitaktische Schicht vom ersten Leitungstyp gebildet ist. Although the semiconductor structure described can also be formed in other ways, i.a. for technological reasons, the embodiment is preferred in which the first region is formed by an epitaxial layer of the first conductivity type which is produced in the second region.

Das dritte Gebiet, das an das erste Gebiet grenzt, braucht sich nicht über die ganze Dicke des ersten Gebietes zu erstrecken. Es ist ausreichend, dass sich wenigstens im Betriebszustand die zugehörige Erschöpfungszone über die ganze Dicke des ersten Gebietes erstreckt und über wenigstens einen Teil ihres Umfangs einen inselförmigen Teil desselben begrenzt. Vorzugsweise ist jedoch der inselförmige Teil des ersten Gebietes seitlich völlig von dem zweiten pn-Üer-gang begrenzt, obgleich manchmal andere Strukturen bevorzugt werden, bei denen das erste Gebiet seitlich z.B. teilweise von dem zweiten pn-Übergang und zum übrigen Teil auf andere Weise, z.B. von einem versenkten Isoliermaterial oder von einer mit z.B. passivierendem Glas gefüllten Nut, begrenzt ist. The third area, which borders the first area, need not extend over the entire thickness of the first area. It is sufficient that, at least in the operating state, the associated exhaustion zone extends over the entire thickness of the first region and delimits an island-shaped part thereof over at least part of its circumference. However, the island-shaped part of the first region is preferably laterally completely delimited by the second pn junction, although other structures are sometimes preferred in which the first region is laterally e.g. partly from the second pn junction and the rest partly in another way, e.g. from a sunken insulation material or from one with e.g. passivating glass filled groove, is limited.

Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung bei lateralen Feldeffekttransistoren, bei denen der Strom zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode praktisch parallel zu der Oberfläche fliesst. Eine bevorzugte Ausführungsform ist denn auch dadurch gekennzeichnet, dass die Source- und Drain-Elektroden zu beiden Seiten der Steuerelektrode nicht-gleichrichtende Kontakte mit dem ersten Gebiet bilden, The invention is of particular importance in the case of lateral field effect transistors in which the current between the source electrode and the drain electrode flows practically parallel to the surface. A preferred embodiment is also characterized in that the source and drain electrodes form non-rectifying contacts with the first region on both sides of the control electrode,

wobei das genannte Kontaktgebiet die Drain-Elektrode des Transistors ist. Meistens ist in diesem Falle die Steuerelektrode mit dem zweiten Gebiet verbunden, das dann als zweite Steuerelektrode wirkt, obgleich dies nicht notwendig ist. said contact area being the drain electrode of the transistor. In most cases, the control electrode is connected to the second region, which then acts as a second control electrode, although this is not necessary.

In bestimmten Fällen wird eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die Drain-Elektrode praktisch völlig von der Steuerelektrode und die letztere Elektrode praktisch völlig von der Source-Elektrode umgeben wird. Dabei ist eine besondere bevorzugte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dem ersten Gebiet eine Halbleiterschicht vom zweiten Leitungstyp befindet, dass die Source-und Drain-Elektroden Elektrodenzonen vom ersten Leitungstyp und die Steuerelektrode eine Elektrodenzone vom zweiten Leitungstyp enthalten, und dass sich alle genannten Elektrodenzonen durch die ganze Dicke der genannten Halbleiterschicht bis zu dem ersten Gebiet erstrecken. Die letztere bevorzugte Ausführungsform ermöglicht es, in derselben Halbleiterscheibe komplementäre Üergangsfeldeffekttransi-storen, d.h. n-Kanal- und p-Kanal-Feldeffekttransistoren, nebeneinander zu erzeugen, wie nachstehend beschrieben werden wird. In certain cases, an embodiment is preferred in which the drain electrode is virtually completely surrounded by the control electrode and the latter electrode is virtually completely surrounded by the source electrode. A particularly preferred embodiment is characterized in that a semiconductor layer of the second conductivity type is located in the first area, that the source and drain electrodes contain electrode zones of the first conductivity type and the control electrode contains an electrode zone of the second conductivity type, and that all the electrode zones mentioned are located extend through the entire thickness of said semiconductor layer to the first region. The latter preferred embodiment makes it possible to use complementary transition field effect transistors in the same semiconductor wafer, i.e. to produce n-channel and p-channel field effect transistors side by side, as will be described below.

Ausser bei lateralen Übergangsfeldeffekttransistoren kann die Erfindung auch mit Vorteil bei Übergangsfeldeffekttransistoren vom sogenannten vertikalen Typ angewandt werden. In diesem Zusammenhang ist eine bevorzugte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor vom vertikalen Typ ist, dass die Drain-Elektrode einen nicht-gleichrichtenden Kontakt mit dem zweiten Gebiet bildet, dass die Source-Elektrode einen gleichrichtenden Kontakt mit dem ersten Gebiet bildet und dass die Steuerelektrode eine Elektrodenzone vom ersten Leitungstyp enthält, die minde-. stens einen zu dem Kanalgebiet gehörigen Teil des ersten Gebietes umgibt und das genannte Kontaktgebiet bildet. In addition to lateral transition field effect transistors, the invention can also be used to advantage with so-called vertical type transition field effect transistors. In this context, a preferred embodiment is characterized in that the field effect transistor is of the vertical type, that the drain electrode forms a non-rectifying contact with the second region, that the source electrode forms a rectifying contact with the first region and that Control electrode contains an electrode zone of the first conductivity type, the min. least surrounds a part of the first area belonging to the channel area and forms the said contact area.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen : Some embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. Show it :

Fig. 1 schematisch teilweise im Querschnitt und teilweise perspektivisch eine bekannte Halbleiteranordnung, 1 schematically, partly in cross section and partly in perspective, a known semiconductor arrangement,

Fig. 2 schematisch teilweise im Querschnitt und teilweise perspektivisch eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung, Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Halbleiteranordnung nach der Erfindung, 2 schematically, partly in cross section and partly in perspective, a semiconductor arrangement according to the invention, FIG. 3 another embodiment of the semiconductor arrangement according to the invention,

Fig. 4 und 5 weitere Ausführungsformen der Halbleiteranordnung nach der Erfindung, 4 and 5 further embodiments of the semiconductor device according to the invention,

Fig. 6 eine Halbleiteranordnung mit einem vertikalen Feldeffekttransistor nach der Erfindung, 6 shows a semiconductor arrangement with a vertical field effect transistor according to the invention,

Fig. 7 einen «Deep depletion»-Feldeffekttransistor nach der Erfindung, 7 shows a “deep depletion” field effect transistor according to the invention,

! Fig. 8A bis E die Feldverteilung bei verschiedenen Abmessungen und Dotierungen, und ! 8A to E the field distribution with different dimensions and doping, and

Fig. 9 für eine bevorzugte Ausführungsform die Beziehung zwischen der Dotierung und den Abmessungen des ersten Gebietes. 9 shows the relationship between the doping and the dimensions of the first region for a preferred embodiment.

Die Figuren sind schematisch und der Deutlichkeit halber nicht massstäblich gezeichnet. Entsprechende Teile sind im allgemeinen mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Halbleitergebiete vom gleichen Leitungstyp sind in der Regel in derselben Richtung schraffiert. The figures are schematic and are not drawn to scale for the sake of clarity. Corresponding parts are generally designated by the same reference numerals. Semiconductor regions of the same conductivity type are usually hatched in the same direction.

In allen Ausführungsbeispielen ist als Halbleitermaterial Silizium gewählt. Die Erfindung beschränkt sich aber nicht darauf, sondern kann unter Verwendung jedes anderen geeigneten Halbleitermaterials, z.B. Germanium oder einer sogenannten III-V-Verbindung, wie GaAs, angewandt werden. In all exemplary embodiments, silicon is selected as the semiconductor material. However, the invention is not limited to this, but can be made using any other suitable semiconductor material, e.g. Germanium or a so-called III-V compound, such as GaAs, can be used.

Fig. 1 zeigt teilweise im Schnitt und teilweise perspektivisch eine bekannte Halbleiteranordnung. Die Anordnung enthält einen Halbleiterkörper mit einem Feldeffekttransistor, der mit einer Source- und einer Drain-Elektrode mit zugehörigen Elektrodenzonen 12 und 4, einem dazwischenliegenden Kanalgebiet 1 und einer an das Kanalgebiet 1 grenzenden Steuerelektrode mit zugehöriger Elektrodenzone 13 versehen ist. Diese Steuerelektrode dient dazu, mittels einer an die Steuerelektrode angelegten Steuerspannung eine Erschöpfungszone zur Steuerung eines Stromes von Ladungsträgern, in diesem Beispiel eines Elektronenstroms, zwischen der Source-Elektrode 12 und der Drain-Elektrode 4 zu beeinflussen. Im vorliegenden Beispiel bestehen die Source-Elektrode, die Drain-Elektrode und die Steuerelektrode alle aus einer Halbleiterzone und einer darauf angebrachten Metallschicht, die mit der zugehörigen Elektrodenzone einen ohmschen Kontakt bildet und in der Zeichnung der Deutlichkeit halber nicht näher dargestellt ist. Das Kanalgebiet 1 ist im vorliegenden Beispiel n-leitend; die Elektrodenzonen 12 und 4 sind n-leitend mit einer höheren Dotierung als das Gebiet 1 und die Steuerelektrodenzone 13 ist p-leitend und bildet mit dem Kanalgebiet 1 einen gleichrichtenden pn-Übergang 7. 1 shows a known semiconductor arrangement, partly in section and partly in perspective. The arrangement contains a semiconductor body with a field effect transistor, which is provided with a source and a drain electrode with associated electrode zones 12 and 4, an intermediate channel region 1 and a control electrode bordering on the channel region 1 with associated electrode zone 13. This control electrode serves to influence an exhaustion zone for controlling a current of charge carriers, in this example an electron current, between the source electrode 12 and the drain electrode 4 by means of a control voltage applied to the control electrode. In the present example, the source electrode, the drain electrode and the control electrode all consist of a semiconductor zone and a metal layer attached thereon, which forms an ohmic contact with the associated electrode zone and is not shown in the drawing for the sake of clarity. The channel region 1 is n-conducting in the present example; the electrode zones 12 and 4 are n-conducting with a higher doping than the region 1 and the control electrode zone 13 is p-conducting and forms a rectifying pn junction 7 with the channel region 1.

Der Feldeffekttransistor enthält, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ein schichtförmiges erstes Gebiet 1 von einem ersten (in diesem Falle dem n-)Leitungstyp. Dieses erste Gebiet 1, das im hier beschriebenen Falle zugleich das an die Steuerelektrode grenzende Kanalgebiet ist, bildet mit einem darunter liegenden p-leitenden zweiten Gebiet 2 einen zu der Oberfläche 8 praktisch parallel verlaufenden ersten pn-Übergang 5. Ein inselförmiger Teil des Gebietes 1 wird seitlich von einem zweiten pn-Übergang 6 mit zugehöriger Erschöpfungszone begrenzt. Dieser zweite pn-Übergang 6 wird zwischen dem ersten Gebiet 1 und einem sich zwischen dem zweiten Gebiet 2 und der Oberfläche 8 erstreckenden p-leitenden dritten Gebiet 3 gebildet, das eine höhere Dotierungskonzentration als das zweite Gebiet 2 aufweist. Der pn-Übergang 6 weist somit eine niedrigere Durchschlagspannung als der erste pn-Übergang 5 auf. Die Steuerelektrode grenzt an den inselförmigen Teil des Gebietes 1. As can be seen from FIG. 1, the field effect transistor contains a layered first region 1 of a first (in this case the n-) conduction type. This first region 1, which in the case described here is at the same time the channel region bordering the control electrode, forms, with an underlying p-conducting second region 2, a first pn junction 5 which is practically parallel to the surface 8. An island-shaped part of the region 1 is laterally delimited by a second pn junction 6 with the associated exhaustion zone. This second pn junction 6 is formed between the first region 1 and a p-type third region 3 which extends between the second region 2 and the surface 8 and has a higher doping concentration than the second region 2. The pn junction 6 thus has a lower breakdown voltage than the first pn junction 5. The control electrode borders on the island-shaped part of area 1.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist die Steuerelektrode mit dem Substrat (in diesem Falle dem zweiten Gebiet 2) verbun5 As shown in FIG. 1, the control electrode is connected to the substrate (in this case the second region 2)

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

648 693 648 693

den, obgleich dies nicht erforderlich ist. Beim Anlegen einer Spannung VD zwischen den Anschlussklemmen S und D der Source- und Drain-Elektroden fliessen durch das Gebiet 1 Elektronen von der Zone 12 zu der Zone 4. Durch das Anlegen einer Spannung in der Sperrichtung zwischen der Steuerelektrodenzone 13 und dem Gebiet 1 und zwischen dem zweiten Gebiet 2 und dem Gebiet 1 werden Erschöpfungszonen erhalten, deren Grenzen (9,10,14) in Fig. 1 gestrichelt angedeutet sind. Diese Erschöpfungszonen sind ohne Schraffierung dargestellt. the, although this is not necessary. When a voltage VD is applied between terminals S and D of the source and drain electrodes, electrons flow through region 1 from zone 12 to zone 4. By applying a voltage in the reverse direction between control electrode zone 13 and region 1 and between the second area 2 and area 1, exhaustion zones are obtained, the boundaries (9, 10, 14) of which are indicated by dashed lines in FIG. 1. These zones of exhaustion are shown without hatching.

Bei der obenbeschriebenen bekannten Anordnung sind die Dotierungskonzentrationen und die Abmessungen derart, dass bei der Durchschlagspannung des pn-Übergangs 6 das Gebiet 1 an der Drain-Elektrode 4 nicht erschöpft ist. Die Spannung in der Sperrichtung über den pn-Übergängen 6 und 7, die in der Nähe der Drain-Elektrode 4 am höchsten ist, führt zu einer Feldstärkeverteilung, bei der der Höchstwert der Feldstärke in der Nähe der Stelle auftritt, an der die pn-Übergänge 6 und 7 die Oberfläche 8 schneiden, und endgültig tritt denn auch in der Nähe dieser Oberfläche Durchschlag bei einer Spannung auf, die erheblich niedriger als die Durchschlagspannung des pn-Übergangs 5 innerhalb des Volumens des Halbleiterkörpers liegt. In the known arrangement described above, the doping concentrations and the dimensions are such that the area 1 at the drain electrode 4 is not exhausted at the breakdown voltage of the pn junction 6. The voltage in the blocking direction across the pn junctions 6 and 7, which is highest in the vicinity of the drain electrode 4, leads to a field strength distribution in which the maximum value of the field strength occurs in the vicinity of the point at which the pn- Transitions 6 and 7 intersect the surface 8, and finally, in the vicinity of this surface, breakdown occurs at a voltage which is considerably lower than the breakdown voltage of the pn junction 5 within the volume of the semiconductor body.

Fig. 2 zeigt eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung. Diese Anordnung ist grösstenteils der bekannten Anordnung nach Fig. 1 gleich. Nach der Erfindung sind aber bei der Anordnung nach Fig. 2 die Dotierungskonzentration und die Dicke des ersten Gebietes 1 derart gering, dass beim Anlegen einer Spannung in der Sperrichtung zwischen dem zweiten Gebiet 2 und einem zu den Source-, Drain- und Steuerelektroden gehörigen mit dem inselförmigen Gebiet einen nicht-gleichrichtenden Kontakt bildenden Kontaktgebiet, in diesem Falle der Drain-Elektrode 4, des Feldeffekttransistors sich die Erschöpfungszone wenigstens zwischen der Drain-Elektrode 2 shows a semiconductor arrangement according to the invention. This arrangement is largely the same as the known arrangement according to FIG. 1. According to the invention, however, the doping concentration and the thickness of the first region 1 are so small in the arrangement according to FIG. 2 that when a voltage is applied in the blocking direction between the second region 2 and one belonging to the source, drain and control electrodes in the island-shaped area forming a non-rectifying contact, in this case the drain electrode 4, the field effect transistor, the depletion zone is at least between the drain electrode

4 und dem zweiten pn-Übergang 6 von dem ersten pn-Übergang 5 her über die ganze Dicke des inselförmigen Gebietes 1 bei einer Spannung erstreckt, die niedriger als die Durchschlagspannung des zweiten pn-Übergangs 6 ist. In Fig. 2 ist der Zustand dargestellt, in dem das Gebiet 1 zwischen den Zonen 7 und 4 bis zu dem pn-Übergang 6 völlig erschöpft ist. Die Spannung über den pn-Übergängen 5,6 und 7 wird nun völlig von der zusammenhängenden breiten Erschöpfungszone aufgenommen, die sich von der Drainzone 4 bis zu der Grenze 9 erstreckt. Infolgedessen wird die Feldstärke an der Oberfläche beträchtlich herabgesetzt. Die Durchschlagspannung wird denn auch in erheblichem Masse, wenn nicht hauptsächlich, durch die Eigenschaften des innerhalb des Volumens des Halbleiterkörpers verlaufenden pn-Übergangs 4 and the second pn junction 6 extends from the first pn junction 5 over the entire thickness of the island-shaped region 1 at a voltage which is lower than the breakdown voltage of the second pn junction 6. 2 shows the state in which the area 1 between the zones 7 and 4 up to the pn junction 6 is completely exhausted. The voltage across the pn junctions 5, 6 and 7 is now completely absorbed by the coherent, wide exhaustion zone, which extends from the drain zone 4 to the limit 9. As a result, the field strength on the surface is considerably reduced. The breakdown voltage is then determined to a considerable extent, if not primarily, by the properties of the pn junction running within the volume of the semiconductor body

5 bestimmt. Diese Durchschlagspannung kann sehr hoch sein und der theoretisch auf Grund der Dotierung der Gebiete 1 und 2 zu erwartenden Durchschlagspannung sehr nahe kommen. 5 determined. This breakdown voltage can be very high and very close to the breakdown voltage that can theoretically be expected due to the doping of regions 1 and 2.

Um das beschriebene durch die Erfindung angestrebte Ergebnis zu erzielen, sind in der Anordnung nach Fig. 2, die einen Halbleiterkörper aus Silizium enthält, die folgenden Dotierungen und Abmessungen angewendet: In order to achieve the result described by the invention, the following doping and dimensions are used in the arrangement according to FIG. 2, which contains a semiconductor body made of silicon:

Zonen 4 und 12: Dicke 1 (im; Zones 4 and 12: thickness 1 (in;

Gebiet 1: n-leitend, Dotierungskonzentration 1,5* 1015 Atome/cm3, Dicke 5 [im; Area 1: n-conducting, doping concentration 1.5 * 1015 atoms / cm3, thickness 5 [im;

Gebiet 2: p-leitend, Dotierungskonzentration 1,7* 1014 Atome/cm3, Dicke 250 (im; Area 2: p-type, doping concentration 1.7 * 1014 atoms / cm3, thickness 250 (im;

Zone 13: p-leitend, Dicke 2,5 um; Zone 13: p-type, 2.5 µm thick;

Abstand L der Drain-Elektrode 4 von dem pn-Übergang 6: 50 Jim. Distance L of the drain electrode 4 from the pn junction 6:50 Jim.

Die eindimensional berechnete Durchschlagspannung VB des ersten pn-Übergangs beträgt im vorliegenden Falle 1270 V. Die wirkliche Durchschlagspannung beträgt, wie gefunden wurde, 700 V. Bei den vorgegebenen Dicken und Dotierungskonzentrationen erstreckt sich die Erschöpfungszone in dem Gebiet 2 über eine Dicke, die kleiner als die Dicke des Gebietes 2 ist, während auch vermieden wird, dass die Erschöpfungszone des pn-Übergangs 6 die Zone 4 bei einem Spannungswert erreicht, der kleiner als die Durchschlagspannung des pn-Übergangs 6, an sich betrachtet (also beim Fehlen des pn-Übergangs 5), ist. The one-dimensionally calculated breakdown voltage VB of the first pn junction is 1270 V in the present case. The real breakdown voltage has been found to be 700 V. At the given thicknesses and doping concentrations, the depletion zone in region 2 extends over a thickness that is less than the thickness of the area 2 is, while also preventing the depletion zone of the pn junction 6 from reaching the zone 4 at a voltage value that is smaller than the breakdown voltage of the pn junction 6 per se (i.e. in the absence of the pn junction) 5), is.

Bei den genannten Werten für N, d, L und VB wird damit für Silizium (e = 11,7 ; E = 2,5 • 105 V/cm) die Bedingung erfüllt: With the stated values for N, d, L and VB, the condition for silicon (e = 11.7; E = 2.5 • 105 V / cm) is thus fulfilled:

2,6-102 eE/VB7L<N-d<5,l • 105 eE. 2.6-102 eE / VB7L <N-d <5, l • 105 eE.

Bei der Halbleiteranordnung nach Fig. 2 wird das erste Gebiet 1 durch eine auf dem zweiten Gebiet 2 abgelagerte epitaktische Schicht gebildet. Der inselförmige Teil des ersten Gebietes ist im vorliegenden Beispiel seitlich völlig von dem zweiten pn-Übergang 6 begrenzt. Dies ist technologisch am einfachsten, aber ist nicht notwendig. Das inselförmige Gebiet kann z.B. über einen Teil seines Umfangs auf andere Weise, z.B. von einem versenkten Oxydmuster oder von einer mit z.B. passivierendem Glas gefüllten Nut, begrenzt werden. 2, the first region 1 is formed by an epitaxial layer deposited on the second region 2. In the present example, the island-shaped part of the first region is completely delimited laterally by the second pn junction 6. Technologically, this is the easiest, but is not necessary. The island-shaped area can e.g. over part of its circumference in other ways, e.g. of a buried oxide pattern or of one with e.g. passivating glass filled groove, limited.

In den Anordnungen nach den Fig. 1 und 2 bildet die Steuerelektrode einen gleichrichtenden Kontakt und bilden die Source- und Drain-Elektroden nicht-gleichrichtende Kontakte mit dem Gebiet 1 mittels der dotierten Oberflächenzonen 12,4 und 13. Das Vorhandensein dieser Oberflächenzo-nen ist aber nicht unbedingt notwendig; statt der Halbleiterzonen 12 und 4 können ohmsche Metall-Halbleiter-Kontakte und statt der Zone 13 kann ein gleichrichtender Metall-Halb-leiter-Kontakt (Schottky-Kontakt) auf dem Gebiet 1 erzeugt werden. Auch kann statt einer Steuerelektrode mit einem gleichrichtenden Übergang eine durch eine Isolierschicht von der Halbleiteroberfläche 8 getrennte leitende Schicht verwendet werden, mit der in der epitaktischen Schicht 1 eine Erschöpfungszone gebildet wird, wie z.B. bei einem «Deep depletion»-Transistor der Fall ist. In the arrangements according to FIGS. 1 and 2, the control electrode forms a rectifying contact and the source and drain electrodes form non-rectifying contacts with the region 1 by means of the doped surface zones 12, 4 and 13. The presence of these surface zones is but not absolutely necessary; Instead of the semiconductor zones 12 and 4, ohmic metal-semiconductor contacts and instead of the zone 13, a rectifying metal-semiconductor contact (Schottky contact) can be produced in the area 1. Instead of a control electrode with a rectifying transition, a conductive layer separated by an insulating layer from the semiconductor surface 8 can also be used, with which an exhaustion zone is formed in the epitaxial layer 1, e.g. is the case with a deep depletion transistor.

In Fig. 3 ist angegeben, wie die Erfindung dazu benutzt werden kann, in derselben monolithischen integrierten Schaltung nebeneinander einen p-Kanal- und einen n-Kanal-Über-gangsfeldeffekttransistor (JFET) anzuordnen. FIG. 3 shows how the invention can be used to arrange a p-channel and an n-channel junction field effect transistor (JFET) next to one another in the same monolithic integrated circuit.

Mit I ist ein p-Kanal-Feldeffekttransistor bezeichnet, der grundsätzlich dem Feldeffekttransistor nach Fig. 2 gleich ist, aber bei dem der Leitungstyp aller entsprechenden Halbleiterzonen dem in Fig. 2 entgegengesetzt ist. Weiter wird das zweite Gebiet 2 dieses Transistors durch eine n-leitende epitaktische Schicht gebildet, die auf einem p-leitenden Substrat 34 abgelagert ist. Zwischen der epitaktischen Schicht 2 und dem Substrat 34 befindet sich eine hochdotierte n-leitende vergrabene Schicht 36, um zu verhindern, dass die zu dem pn-Übergang 5 gehörige Erschöpfungszone bis zu dem Substrat 34 vordringt. I denotes a p-channel field effect transistor which is basically the same as the field effect transistor according to FIG. 2, but in which the conduction type of all corresponding semiconductor zones is opposite to that in FIG. 2. Furthermore, the second region 2 of this transistor is formed by an n-type epitaxial layer which is deposited on a p-type substrate 34. A highly doped n-type buried layer 36 is located between the epitaxial layer 2 and the substrate 34 in order to prevent the depletion zone associated with the pn junction 5 from reaching the substrate 34.

Neben dem Feldeffekttransistor I ist ein zweiter Übergangsfeldeffekttransistor II angeordnet. Auch hier handelt es sich um einen Feldeffekttransistor nach der Erfindung. Auch dieser zweite Transistor II enthält ein inselförmiges Gebiet 32, das durch einen Teil derselben epitaktischen Schicht gebildet wird, aus der das Gebiet 2 des Transistors I gebildet ist. Die n-leitende Source-Zone 22, die n-leitende Drain-Zone 24 und die p-leitende Steuerelektrodenzone 23 erstrecken sich über die ganze Dicke der auf der Insel 32 liegenden p-leiten-den Halbleiterschicht 21, aus der auch das Gebiet 1 des Transistors I gebildet ist, bis zu dem n-leitenden Gebiet 32. Die Source- und Drain-Zonen 22 bzw. 24 bilden mit dem Gebiet 21 die pn-Übergänge 26 und 26A und die Gebiete 21 und 32 bilden den pn-Übergang 39. Das Kanalgebiet wird bei diesem zweiten Feldeffekttransistor durch das Gebiet 32 gebildet. Zur gegenseitigen Isolierung der Transistoren I und II ist die In addition to the field effect transistor I, a second transition field effect transistor II is arranged. This is also a field effect transistor according to the invention. This second transistor II also contains an island-shaped region 32 which is formed by part of the same epitaxial layer from which region 2 of transistor I is formed. The n-type source zone 22, the n-type drain zone 24 and the p-type control electrode zone 23 extend over the entire thickness of the p-type semiconductor layer 21 lying on the island 32, from which region 1 is also formed of transistor I is formed up to the n-type region 32. The source and drain zones 22 and 24 form with the region 21 the pn junctions 26 and 26A and the regions 21 and 32 form the pn junction 39 In this second field effect transistor, the channel region is formed by region 32. For the mutual isolation of transistors I and II

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hochdotierte p-leitende Zone 33 vorgesehen, die sowohl das Gebiet 2 als auch das Gebiet 32 völlig umgibt und mit dem Gebiet 32 den pn-Übergang 38 bildet. highly doped p-type region 33 is provided which completely surrounds both region 2 and region 32 and forms the pn junction 38 with region 32.

Beim Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen der Source-Zone 22 und der Drain-Zone 24 bewegen sich Elektronen von der Source-Zone zu der Drain-Zone durch das Gebiet 32 hindurch. Dieser Elektronenstrom kann durch das Anlegen einer Steuerspannung in der Sperrichtung zwischen der Zone 23 und dem Gebiet 32 (und gegebenenfalls auch durch die Sperrspannung zwischen den Gebieten 32 und 34) beeinflusst werden. Die Dotierungskonzentration und die Dicke der Schicht (2,32) sind, wie im Beispiel nach Fig. 2, in Übereinstimmung mit der Bedingung nach der Erfindung gewählt, so dass lange Zeit bevor Durchschlag auftritt, das Gebiet 1 wenigstens zwischen der Drain-Zone 4 und dem pn-Übergang 6 und das Gebiet 32 wenigstens zwischen der Drain-Zone 24 und dem pn-Übergang 27 völlig erschöpft sind. Dadurch wird die Feldstärke an der Oberfläche 8 und beim Transistor II die Feldstärke an der Oberfläche 39 zwischen den Gebieten 21 und 32 erheblich herabgesetzt und die Durchschlagspannung beträchtlich erhöht. When a suitable voltage is applied between the source zone 22 and the drain zone 24, electrons move through the region 32 from the source zone to the drain zone. This electron current can be influenced by the application of a control voltage in the reverse direction between the zone 23 and the region 32 (and possibly also by the reverse voltage between the regions 32 and 34). The doping concentration and the thickness of the layer (2.32), as in the example according to FIG. 2, are chosen in accordance with the condition according to the invention, so that a long time before breakdown occurs, the region 1 at least between the drain zone 4 and the pn junction 6 and the region 32 are at least completely exhausted between the drain zone 24 and the pn junction 27. As a result, the field strength on the surface 8 and, in the case of the transistor II, the field strength on the surface 39 between the regions 21 and 32 is considerably reduced and the breakdown voltage is considerably increased.

In Fig. 3 sind, wie in Fig. 2, die auf der Oberfläche vorhandenen isolierenden (Oxyd-)Schichten und Kontaktschichten nicht dargestellt. Die Source-, Drain- und Steuerelektrodenanschlüsse sind schematisch mit S, D und G angegeben. 3, like in FIG. 2, the insulating (oxide) layers and contact layers present on the surface are not shown. The source, drain and control electrode connections are shown schematically with S, D and G.

Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung der Halbleiteranordnung nach der Erfindung. Dabei wird die n-leitende Drain-Zone 44, wie in dem zweiten Feldeffekttransistor II der Fig. 3, von der p-leitenden Steuerelektrodenzone 43 umgeben, die ihrerseits von der n-leitenden Source-Zone 42 umgeben wird. Alle Elektrodenzonen sind innerhalb eines inselförmigen n-leitenden ersten Gebietes 1 angeordnet, das mit einem unterliegenden zweiten p-leitenden Gebiet 2 einen ersten pn-Übergang 5 und mit einem hochdotierten p-leitenden Gebiet 47 einen an der Oberfläche 8 endenden pn-Übergang 48 bildet. Die Source-, Drain- und Steuerelektrodenzonen 42,44 und 43 erstrecken sich nur über einen Teil der Dicke des ersten Gebietes 1. Der Feldeffekttransistor kann auf gleiche Weise wie der vorhergehende Transistor betrieben werden; die Grenzen (49 und 40) der Erschöpfungszone, die in der Figur angegeben sind, sind für eine Sperrspannung zwischen den Gebieten 1 und 2 dargestellt, die niedriger als die Durchschlagspannung ist. Das Gebiet 1 ist dabei zwischen der Steuerelektrodenzone 43 und der Drain-Zone 44 völlig erschöpft. Der inselförmige Teil des ersten Gebietes wird hier, wie bei dem Feldeffekttransistor II der Fig. 3, von der Steuerelektrode umgeben, die in diesem Falle die Funktion des «dritten Gebietes» erfüllt; der pn-Übergang 46 zwischen der Steuerelektrodenzone und dem Gebiet 1 bilden den «zweiten» pn-Übergang. Dadurch, dass die Dotierung und die Dicke des ersten Gebietes 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung gewählt sind, so dass das genannte inselförmige Gebiet bei zunehmender Gate-Drain-Spannung völlig erschöpft ist, bevor Durchschlag des pn-Übergangs 46 auftritt, kann der Feldeffekttransistor bei sehr hoher Spannung zwischen Steuerelektrode und Drain-Elektrode verwendet werden. 4 shows a further development of the semiconductor arrangement according to the invention. Here, as in the second field effect transistor II of FIG. 3, the n-type drain zone 44 is surrounded by the p-type control electrode zone 43, which in turn is surrounded by the n-type source zone 42. All electrode zones are arranged within an island-shaped n-type first region 1, which forms a first pn junction 5 with an underlying second p-type region 2 and with a highly doped p-type region 47 a pn junction 48 ending at the surface 8 . The source, drain and control electrode zones 42, 44 and 43 only extend over part of the thickness of the first region 1. The field effect transistor can be operated in the same way as the preceding transistor; the limits (49 and 40) of the exhaustion zone indicated in the figure are shown for a reverse voltage between regions 1 and 2 which is lower than the breakdown voltage. The area 1 between the control electrode zone 43 and the drain zone 44 is completely exhausted. The island-shaped part of the first area is here, as in the field effect transistor II of FIG. 3, surrounded by the control electrode, which in this case fulfills the function of the "third area"; the pn junction 46 between the control electrode zone and the area 1 form the “second” pn junction. By choosing the doping and the thickness of the first region 1 in accordance with the invention, so that said island-shaped region is completely exhausted with increasing gate-drain voltage before breakdown of the pn junction 46 occurs, the field effect transistor can very high voltage can be used between the control electrode and drain electrode.

Die Anordnung nach Fig. 4 ist ausserdem besonders interessant, weil sie mit einer kleinen Änderung als Schaltdiode für hohe Spannungen angewendet werden kann. Eine derartige Schaltdiode ist in Fig. 5 dargestellt. Die Halbleiterstruktur dieser Anordnung kann der nach Fig. 4 gleich sein, nur mit dem Unterschied, dass in diesem Falle die Zone 42 nicht kontaktiert zu sein braucht und somit überall von einer Isolierschicht 41 bedeckt sein kann, und dass dafür gesorgt ist, dass die Durchschlagspannung zwischen den Gebieten 47 und 42 niedrig ist. Um letzteres zu erreichen, wird das Gebiet 42 in geringer Entfernung von dem Gebiet 47, gegebenenfalls sogar an dem Gebiet 47 anliegend oder in das Gebiet 47 eindringend, angebracht. The arrangement according to FIG. 4 is also particularly interesting because, with a small change, it can be used as a switching diode for high voltages. Such a switching diode is shown in Fig. 5. The semiconductor structure of this arrangement can be the same as that of FIG. 4, with the difference that in this case the zone 42 need not be contacted and can therefore be covered everywhere by an insulating layer 41 and that the breakdown voltage is ensured between areas 47 and 42 is low. In order to achieve the latter, the area 42 is applied at a short distance from the area 47, possibly even adjacent to the area 47 or penetrating into the area 47.

Über ohmsche Kontakte auf den Zonen 44 und 2 wird über dem pn-Übergang 5 eine Spannung Vi in der Sperrichtung angelegt. In Reihe mit der Spannungsquelle Vi ist eine Impedanz, im vorliegenden Beispiel ein Widerstand R, geschaltet. Ferner wird über dem pn-Übergang 46 eine veränderliche Spannung V2 in der Sperrichtung angelegt. A voltage Vi in the reverse direction is applied across the pn junction 5 via ohmic contacts on the zones 44 and 2. An impedance, in this example a resistor R, is connected in series with the voltage source Vi. Furthermore, a variable voltage V2 is applied in the blocking direction across the pn junction 46.

Fig. 5 zeigt den Zustand, in dem die Spannung Vi noch gering ist und in dem an die Steuerelektrode eine derart hohe Spannung V2 angelegt ist, dass die zugehörige Erschöpfungszone (Grenze 45) die Erschöpfungszonengrenze 40 des pn-Übergangs 5 erreicht hat. Unter diesen Bedingungen ist ein inselförmiger Teil 1A von den Erschöpfungszonen umgeben und elektrisch gegen den übrigen Teil des ersten Gebietes 1 getrennt. 5 shows the state in which the voltage Vi is still low and in which a voltage V2 is applied to the control electrode such that the associated fatigue zone (limit 45) has reached the fatigue zone limit 40 of the pn junction 5. Under these conditions, an island-shaped part 1A is surrounded by the exhaustion zones and is electrically isolated from the remaining part of the first region 1.

Die Spannung Vi kann nun auf sehr hohe Werte erhöht werden, weil bereits bei einer verhältnismässig niedrigen Spannung Vi das inselförmige Gebiet 1A von dem pn-Übergang 5 bis zu der Oberfläche 8 völlig erschöpft und bei weiterer Erhöhung der Spannung Vi die Durchschlagspannung nicht mehr durch die verhältnismässig niedrige Durchschlagspannung des pn-Übergangs 46, sondern durch die des nicht an die Oberfläche tretenden flachen pn-Übergangs 5 bestimmt wird. Auch in diesem Falle erfüllt somit die Steuerelektrodenzone 43 und nicht das Gebiet 47 die Funktion des vorgenannten «dritten Gebietes». The voltage Vi can now be increased to very high values, because even at a relatively low voltage Vi, the island-shaped region 1A is completely exhausted from the pn junction 5 to the surface 8, and if the voltage Vi is further increased, the breakdown voltage no longer results from that relatively low breakdown voltage of the pn junction 46, but is determined by that of the flat pn junction 5 which does not appear on the surface. In this case, too, the control electrode zone 43 and not the region 47 fulfills the function of the aforementioned «third region».

Die hohe Spannung Vi steht nun praktisch völlig über der Erschöpfungszone zwischen der Oberfläche 8 und der Grenze 49 und die Erschöpfungszone weist etwa den in Fig. 4 gezeigten Verlauf auf. Über der Impedanz R steht praktisch keine Spannung, weil diese nur von einem kleinen Leckstrom durchlaufen und viel kleiner als die der mit ihr in Reihe liegenden gesperrten Halbleiteranordnung gewählt wird. The high voltage Vi is now practically completely above the exhaustion zone between the surface 8 and the boundary 49 and the exhaustion zone has approximately the course shown in FIG. 4. There is practically no voltage across the impedance R because it is only traversed by a small leakage current and is much smaller than that of the blocked semiconductor arrangement lying in series with it.

Wenn nun die Steuerspannung V2 derart stark herabgesetzt wird, dass die Erschöpfungszone das Gebiet 1 zwischen der Steuerelektrodenzone 43 und dem pn-Übergang 5 nicht mehr abschliesst, entsteht ein Driftfeld, wodurch die Source-Zone 42 versuchen wird, das Potential der Drain-Zone 44 zu erreichen. Lange Zeit bevor dies erfolgen kann, tritt aber Durchschlag zwischen den Gebieten 47 und 42 auf, wodurch die Spannung über der Halbleiteranordnung praktisch völlig neutralisiert wird und die Spannung Vi praktisch völlig über der Impedanz R zu stehen kommt. If the control voltage V2 is now reduced to such an extent that the depletion zone no longer closes the area 1 between the control electrode zone 43 and the pn junction 5, a drift field arises, as a result of which the source zone 42 will attempt to test the potential of the drain zone 44 to reach. Long before this can occur, breakdown occurs between the regions 47 and 42, as a result of which the voltage across the semiconductor arrangement is practically completely neutralized and the voltage Vi comes to be virtually completely above the impedance R.

Auf diese Weise kann mit Hilfe der Steuerspannung V2 die Spannung über der Impedanz R zwischen einem niedrigen und einem hohen Wert geschaltet werden. In this way, the voltage across the impedance R can be switched between a low and a high value with the aid of the control voltage V2.

In Fig. 6 ist schematisch im Querschnitt ein vertikaler Feldeffekttransistor nach der Erfindung dargestellt. Dieser besteht aus einem inselförmigen Gebiet 1, das im vorliegenden Beispiel p-leitend ist. Das Gebiet 1 ist hier ein Teil einer p-leitenden epitaktischen Schicht mit einer Dicke von 4 um und einer Dotierungskonzentration von 1,3 • 1015 Atomen/ cm3, die auf einem n-leitenden Substrat 2 mit einer Dicke von 250 Jim und einer Dotierungskonzentration von 3,2-1014 Atomen/ cm3 angewachsen ist. Das inselförmige Gebiet 1 wird seitlich von einer n-Typ diffundierten Zone 3 begrenzt. Innerhalb der Insel 1 ist durch selektive thermische Oxydation ein Muster teilweise in das Halbleitermaterial versenkten Siliziumoxyds 50 in Form einer Oxydschicht erzeugt, in der sich völlig von dem Oxyd umgebene Öffnungen befinden. Das Oxyd 50 wird innerhalb des Halbleitermaterials von einer dünnen hochdotierten p-leitenden Zone 54 begrenzt, die ausserhalb des Isoliermusters 50 kontaktiert ist und die Steuerelektrodenzone bildet. Der kleinste Abstand zwischen der Zone 54 und dem pn-Übergang 5 beträgt 2,5 |im. In Fig. 6, a vertical field effect transistor according to the invention is shown schematically in cross section. This consists of an island-shaped region 1, which is p-conducting in the present example. Region 1 here is part of a p-type epitaxial layer with a thickness of 4 μm and a doping concentration of 1.3 · 1015 atoms / cm 3, which is on an n-type substrate 2 with a thickness of 250 Jim and a doping concentration of 3.2-1014 atoms / cm3 has grown. The island-like region 1 is laterally delimited by an n-type diffused zone 3. Within the island 1, a pattern of silicon oxide 50 partially buried in the semiconductor material is produced in the form of an oxide layer by selective thermal oxidation, in which openings are completely surrounded by the oxide. The oxide 50 is delimited within the semiconductor material by a thin, highly doped p-conducting zone 54, which is contacted outside the insulating pattern 50 and forms the control electrode zone. The smallest distance between zone 54 and pn junction 5 is 2.5 im.

Auf der Oberfläche ist weiter eine hochdotierte n-leitende Schicht 52 aus polykristallinem Silizium erzeugt, die zwischen den versenkten Oxydteilen 50 mit einer Halbleiteroberfläche Furthermore, a highly doped n-type layer 52 made of polycrystalline silicon is produced on the surface, which has a semiconductor surface between the buried oxide parts 50

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auf Oberflächenzonen 53 in Kontakt steht, die durch Diffusion aus der Schicht 52 erhalten sind. Auf der Schicht 52 ist eine Metallschicht 51 erzeugt, während das Gebiet 2 über eine hochdotierte halbleitende Kontaktschicht 55 und eine Metallschicht 56 kontaktiert ist. Die Anschlüsse der Source-, Drain-und Steuerelektroden sind schematisch mit S, D bzw. G bezeichnet. is in contact with surface zones 53 which are obtained by diffusion from the layer 52. A metal layer 51 is produced on the layer 52, while the region 2 is contacted via a highly doped semiconducting contact layer 55 and a metal layer 56. The connections of the source, drain and control electrodes are denoted schematically by S, D and G, respectively.

Im Betriebszustand wird an die Drain-Elektrode D eine in bezug auf die Source-Elektrode S positive Spannung angelegt. An der Steuerelektrode G ist dabei in bezug auf die Drain-Elektrode wenigstens eine derart negative Spannung vorhanden, dass sich die Erschöpfungszone von dem pn-Übergang 5 zwischen den Gebieten 1 und 2 bis zu der Oberfläche erstreckt, so dass das Gebiet 1 völlig erschöpft ist. Der Elektronenstrom, der sich von der Source-Elektrode zu der Drain-Elektrode bewegt, wird dann von dem erschöpften Gebiet 1 praktisch nicht behindert. Indem die Spannung an der Steuerelektrode geändert wird, kann die Potentialverteilung innerhalb des erschöpften Gebietes 1 geändert und kann z.B. eine Potentialschwelle gebildet werden, wodurch der Elektronenstrom von der Source-Elektrode zu der Drain-Elektrode über das erschöpfte Gebiet 1 geregelt werden kann. Dadurch, dass das Gebiet 1 bei einer unter der Durchschlagspannung des pn-Übergangs 6 liegenden Spannung völlig erschöpft ist, kann ein vertikaler Feldeffekttransistor für sehr hohe Spannung erhalten werden, weil infolge des oben auseinandergesetzten Prinzips die Spannung, bei der Durchschlag zwischen den Gebieten 1 und 2 auftritt, sehr hoch sein kann. In the operating state, a voltage which is positive with respect to the source electrode S is applied to the drain electrode D. At least one negative voltage is present on the control electrode G with respect to the drain electrode such that the exhaustion zone extends from the pn junction 5 between the regions 1 and 2 to the surface, so that the region 1 is completely exhausted . The electron current which moves from the source electrode to the drain electrode is then practically not hindered by the exhausted area 1. By changing the voltage on the control electrode, the potential distribution within the depleted area 1 can be changed and e.g. a potential threshold is formed, whereby the electron current from the source electrode to the drain electrode can be regulated via the depleted region 1. Because region 1 is completely depleted at a voltage below the breakdown voltage of pn junction 6, a vertical field effect transistor for very high voltage can be obtained because, due to the principle set out above, the voltage at breakdown between regions 1 and 2 occurs can be very high.

Die Halbleiteranordnung nach Fig. 6 kann auf folgende Weise hergestellt werden. Es wird von einem n-leitenden Substrat 2 mit einer p-leitenden epitaktischen Schicht mit den vorgenannten Dotierungen und Dicken ausgegangen. Durch übliche Diffusionserfahren, z.B. durch Phosphordiffusion, wird die Inselisolierzone 3 erzeugt. Zu gleicher Zeit wird auf der Unterseite die hochdotierte n-leitende Kontaktschicht 55 diffundiert. 6 can be manufactured in the following way. An n-type substrate 2 with a p-type epitaxial layer with the aforementioned dopings and thicknesses is assumed. By usual diffusion methods, e.g. the island isolation zone 3 is produced by phosphorus diffusion. At the same time, the highly doped n-type contact layer 55 is diffused on the underside.

Dann wird eine Antioxydationsmaske (die zugleich als Implantationsmaske dient), die Siliziumnitrid enthält und nachstehend als Nitridmaske bezeichnet wird, in Form eines quadratischen Rasters angebracht, das aus Maskierungsstreifen mit einer Breite von 4 um besteht, die in einem gegenseitigen Abstand von 10 um liegen. Anschliessend wird Bor mit einer Dosis von 1015 cm-2 und einer Energie von 60 keV implantiert. Der Photolack, der zum Ätzen der Photomaske verwendet ist, bleibt dabei erhalten und dient auch als Maskierung gegen die Implantation. So entsteht die p-leitende Schicht 54. Then, an antioxidant mask (which also serves as an implantation mask) containing silicon nitride, hereinafter referred to as a nitride mask, is attached in the form of a square grid consisting of masking strips with a width of 4 µm which are spaced 10 µm apart. Boron is then implanted with a dose of 1015 cm-2 and an energy of 60 keV. The photoresist that is used to etch the photomask is retained and also serves as a mask against the implantation. This creates the p-type layer 54.

Dann wird der Photolack entfernt und nach Ausglühen bei 900 °C während 30 Minuten wird durch thermische Oxydation das Oxydmuster 50 mit einer Dicke von z.B. 1 um erzeugt. Die Techniken zum Erzeugen eines versenkten Oxydmusters durch selektive Oxydation sind ausführlich in «Philips Research Reports», Band 25,1970, S. 118-132 beschrieben. Nach Entfernung der Nitridmaske wird eine Schicht 52 aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke von 0,5 |i.m erzeugt, die z.B. durch Phosphorimplantation n-dotiert wird. Anschliessend wird bei 1050 °C während 30 Minuten in Stickstoff erhitzt, wobei durch Diffusion aus der Schicht 52 die Kanalgebiete 53 erzeugt werden. Danach wird die Aluminiummetallisierung (51, 56, 57) durch Aufdampfen und Maskieren angebracht und kann die Anordnung in einer Umhüllung fertigmontiert werden. Then the photoresist is removed and after annealing at 900 ° C for 30 minutes, the oxide pattern 50 with a thickness of e.g. 1 µm. The techniques for generating a buried oxide pattern by selective oxidation are described in detail in “Philips Research Reports”, Volume 25, 1970, pp. 118-132. After removal of the nitride mask, a layer 52 of polycrystalline silicon with a thickness of 0.5 μm is produced, which e.g. is n-doped by phosphorus implantation. The mixture is then heated in nitrogen at 1050 ° C. for 30 minutes, the channel regions 53 being produced by diffusion from the layer 52. The aluminum metallization (51, 56, 57) is then applied by vapor deposition and masking, and the arrangement can be fully assembled in a casing.

Der Abstand L (siehe Fig. 6) beträgt im vorliegenden Beispiel 70 |i.m. Die eindimensional berechnete Durchschlagspannung VB der p+p_n_-Struktur (54, 1,2) beträgt etwa 688 V. Mit (für Silizium) e = 11,7 und E = 2,5 vi05V/cm wird damit die Bedingung erfüllt: The distance L (see FIG. 6) is 70 | i.m in the present example. The one-dimensionally calculated breakdown voltage VB of the p + p_n_ structure (54, 1.2) is approximately 688 V. With (for silicon) e = 11.7 and E = 2.5 vi05V / cm the condition is thus met:

2,6-102 eE i/Vß7L<N-d<5,l • 105 eE. 2.6-102 eE i / Vß7L <N-d <5, l • 105 eE.

Wenn das Gebiet 53 schwach dotiert ist, kann auch eine Regelung des Stromes zwischen der Source- und der Drain-Elektrode auftreten, dadurch, dass der pn-Übergang zwischen den Gebieten 54 und 53 in dem Gebiet 53 eine Erschöpfungszone bildet, die durch Änderung in der Steuerspannung den Querschnitt des Stromweges durch das Gebiet 53 ändert. Unter Umständen können sowohl dieser Mechanismus als auch der vorgenannte Mechanismus eine Rolle spielen. If the region 53 is lightly doped, regulation of the current between the source and drain electrodes can also occur, in that the pn junction between the regions 54 and 53 in the region 53 forms an exhaustion zone which is changed by the control voltage changes the cross section of the current path through region 53. Under certain circumstances, both this mechanism and the aforementioned mechanism can play a role.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf Feldeffekttransistoren mit einem pn-Übergang oder Schottky-Übergang. So kann z.B. die Steuerelektrode durch eine Isolierschicht von der Halbleiteroberfläche getrennt sein. Als Beispiel zeigt Fig. 7 schematisch im Schnitt einen «Deep depletion»-Transi-stor, dessen Struktur und Wirkung denen des Transistors nach Fig. 2 völlig gleich sind, nur mit dem Unterschied, dass die Erschöpfungszone der Steuerelektrode (Grenze 14) nicht durch einen pn-Übergang, sondern durch eine Steuerelektrode gebildet wird, die aus einer Elektrodenschicht 60 besteht, die durch eine Isolierschicht (z.B. eine Oxydschicht) 61 von der Halbleiteroberfläche getrennt ist. Weiter können in der Anordnung nach Fig. 7 dieselben Dotierungskonzentrationen und Abmessungen und dieselbe Schaltweise wie in Fig. 2 Anwendung finden. The invention is not limited to field effect transistors with a pn junction or Schottky junction. For example, the control electrode be separated from the semiconductor surface by an insulating layer. As an example, FIG. 7 shows schematically in section a “deep depletion” transistor whose structure and effect are completely identical to those of the transistor according to FIG. 2, with the only difference that the zone of exhaustion of the control electrode (boundary 14) does not pass through a pn junction, but is formed by a control electrode which consists of an electrode layer 60 which is separated from the semiconductor surface by an insulating layer (for example an oxide layer) 61. Furthermore, the same doping concentrations and dimensions and the same switching method as in FIG. 2 can be used in the arrangement according to FIG. 7.

Nun werden an Hand der Fig. 8A bis 8E und 9 die obengenannten bevorzugten Dotierungskonzentrationen und Abmessungen näher erläutert. The above-mentioned preferred doping concentrations and dimensions will now be explained in more detail with reference to FIGS. 8A to 8E and 9.

In den Fig. 8A bis 8E sind schematisch im Querschnitt fünf verschiedene Möglichkeiten für die Feldverteilung in einer Diode dargestellt, die dem inselförmigen Teil des ersten Gebietes in den vorhergehenden Beispielen entspricht. Der Deutlichkeit halber ist nur die Hälfte der Diode dargestellt; die Diode ist drehsymmetrisch um die mit «Es» bezeichnete Achse gedacht. Das Gebiet 1 entspricht dabei dem inselförmigen Teil des «ersten Gebietes» in jedem der vorhergehenden Beispielen, der pn-Übergang 5 dem «ersten pn-Übergang» und der pn-Übergang 6 dem «zweiten pn-Übergang». In den Figuren ist annahmeweise das Gebiet ln-leitend und das Gebiet 2 p-leitend; die Leitungstypen können jedoch auch umgekehrt werden. Die Dotierungskonzentration des Gebietes 2 ist in allen Figuren gleich. 8A to 8E schematically show in cross section five different possibilities for the field distribution in a diode, which corresponds to the island-shaped part of the first region in the previous examples. For the sake of clarity, only half of the diode is shown; the diode is intended to be rotationally symmetrical about the axis labeled "Es". The area 1 corresponds to the island-shaped part of the “first area” in each of the preceding examples, the pn junction 5 to the “first pn junction” and the pn junction 6 to the “second pn junction”. In the figures, the region is assumed to be in-conducting and region 2 to be p-conducting; however, the line types can also be reversed. The doping concentration of region 2 is the same in all figures.

Wenn nun zwischen dem n~-Gebiet 1 (über das n+-Kontaktgebiet 4) und dem p~-Gebiet 2 eine Spannung in der Sperrichtung über den pn-Übergängen 5 und 6 angelegt wird, tritt entlang der Oberfläche ein Verlauf der Feldstärkeverteilung Es längs der Linie S auf, während in senkrechter Richtung die Feldstärke Eb längs der Linie B verläuft. If a voltage is then applied in the reverse direction across the pn junctions 5 and 6 between the n ~ region 1 (via the n + contact region 4) and the p ~ region 2, a course of the field strength distribution Es longitudinal occurs along the surface the line S, while in the vertical direction the field strength Eb runs along the line B.

Fig. 8A zeigt den Fall, in dem bei der Durchschlagspannung noch keine vollständige Erschöpfung der Schicht 1 auftritt. An der Oberfläche tritt am pn-Übergang 6 ein hoher Maximalwert der Feldstärke Es auf, der durch die hohe Dotierung des p+-Gebietes 3 höher als der Maximalwert der Feldstärke Eb ist, der, in senkrechter Richtung gesehen, an dem pn-Übergang 5 auftritt. Beim Überschreiten der kritischen Feldstärke E (für Silizium etwa 2,5 • 105 V/cm und etwas von der Dotierung abhängig) tritt Durchschlag an der Oberfläche am Übergang 6 auf, ehe sich die Erschöpfungszone (in Fig. 8 A gestrichelt mit 9 und 10 bezeichnet) in senkrechter Richtung von dem Übergang 5 bis zu der Oberfläche erstreckt. 8A shows the case in which the breakdown voltage does not yet completely exhaust layer 1. A high maximum value of the field strength Es occurs on the surface at the pn junction 6, which due to the high doping of the p + region 3 is higher than the maximum value of the field strength Eb that occurs at the pn junction 5, viewed in the vertical direction . When the critical field strength E is exceeded (for silicon about 2.5 • 105 V / cm and somewhat dependent on the doping), breakdown occurs on the surface at junction 6 before the exhaustion zone (dashed in FIG. 8 A with 9 and 10 designated) extends in the vertical direction from the transition 5 to the surface.

Fig. 8B bis 8E zeigen Fälle, in denen die Dotierungskonzentration N und die Dicke d der Schicht 1 derart sind, dass vor dem Auftreten von Oberflächendurchschlag an dem Übergang 6 die Schicht 1 von dem Übergang 5 bis zu der Oberfläche völlig erschöpft ist. Über einen Teil der Strecke zwischen den Gebieten 3 und 4 ist die Feldstärke Es entlang der Oberfläche konstant, während sich sowohl an der Stelle 8B to 8E show cases in which the doping concentration N and the thickness d of the layer 1 are such that before the occurrence of surface breakdown at the junction 6 the layer 1 is completely exhausted from the junction 5 to the surface. Over part of the route between areas 3 and 4, the field strength Es is constant along the surface, while both at the point

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des pn-Übergangs 6 als auch des n+n~-Übergangs am Rande des Gebietes 4 (infolge der Randkrümmung des n+n~-Über-gangs-)Spitzen in der Feldstärkeverteilung bilden. of the pn junction 6 and of the n + n ~ junction at the edge of area 4 (due to the curvature of the n + n ~ junction) form peaks in the field strength distribution.

In dem in Fig. 8 B dargestellten Fall ist der Spitzenwert am Übergang 6 am höchsten und höher als der Maximalwert von Eb am Übergang 5, so dass dort Durchschlag an der Oberfläche auftreten wird, aber bei relativ höheren Werten als im Falle nach Fig. 8A, weil die Feldstärkeverteilung an der Oberfläche homogener ist und die Maxima dadurch abnehmen. Der Fall nach Fig. 8B kann aus dem nach Fig. 8A z.B. dadurch erhalten werden, dass die Dicke d der Schicht 1 bei gleichbleibender Dotierung herabgesetzt wird. In the case shown in FIG. 8B, the peak value at transition 6 is highest and higher than the maximum value of Eb at transition 5, so that there will be breakdown on the surface, but at relatively higher values than in the case according to FIG. 8A , because the field strength distribution on the surface is more homogeneous and the maxima decrease as a result. The case of Fig. 8B can be seen from the case of Fig. 8A e.g. can be obtained by reducing the thickness d of the layer 1 while the doping remains the same.

Fig. 8C zeigt den in bezug auf Fig. 8B umgekehrten Fall. In diesem Fall ist die Feldstärkenspitze am Rande des Gebietes 4 viel höher als am pn-Übergang 6. Dieser Fall kann sich z.B. ergeben, wenn die Schicht 1 einen sehr hohen spezifischen Widerstand aufweist und vor dem Auftreten der Durchschlagspannung das Gebiet 1 bereits erschöpft ist. In diesem Fall kann am Rande des Gebietes 4 Durchschlag auftreten, wenn die maximale Feldstärke an diesem Rand höher als am pn-Übergang 5 ist. Fig. 8C shows the reverse case with respect to Fig. 8B. In this case the field strength peak at the edge of area 4 is much higher than at the pn junction 6. This case can e.g. result if the layer 1 has a very high specific resistance and the area 1 is already exhausted before the breakdown voltage occurs. In this case, breakdown 4 can occur at the edge of the area if the maximum field strength at this edge is higher than at the pn junction 5.

Günstiger ist der in Fig. 8D dargestellte Fall. Hier ist dafür gesorgt, dass die Dotierungskonzentration und die Dicke des Gebietes 1 derart sind, dass die beiden Feldstärkenspitzen an der Oberfläche praktisch einander gleich sind. Obgleich noch immer Durchschlag an der Oberfläche auftreten wird, wenn, wie in Fig. 8D dargestellt, die maximale Feldstärke Eb am pn-Übergang 5 kleiner als die Maxima an der Oberfläche ist, wird in diesem Fall dadurch, dass die Feldstärkeverteilung S an der Oberfläche symmetrisch gemacht wird, die maximale Feldstärke an der Oberfläche niedriger als bei einer asymmetrischen Feldstärkeverteilung, so dass der Durchschlag bei höherer Spannung auftritt. The case shown in FIG. 8D is more favorable. It is ensured here that the doping concentration and the thickness of the region 1 are such that the two field strength peaks on the surface are practically identical to one another. In this case, although breakdown will still occur on the surface if, as shown in FIG. 8D, the maximum field strength Eb at the pn junction 5 is smaller than the maxima at the surface, the field strength distribution S at the surface is made symmetrical, the maximum field strength on the surface is lower than with an asymmetrical field strength distribution, so that the breakdown occurs at higher voltage.

Fig. 8E zeigt schliesslich einen Fall, in dem durch zweckmässige Wahl der Dotierung und Dicke der Schicht 1 und durch Vergrösserung des Abstandes L bei einer gegebenen Dotierungskonzentration des Gebietes 2 die maximale Feldstärke an der Oberfläche bei einer beliebigen Sperrspannung niedriger als die maximale Feldstärke am pn-Übergang 5 ist. Dadurch wird in diesem Fall der Durchschlag stets innerhalb des Halbleiterkörpers an dem pn-Übergang 5 und nicht an der Oberfläche auftreten. Finally, FIG. 8E shows a case in which, by appropriately choosing the doping and thickness of layer 1 and by increasing the distance L for a given doping concentration of region 2, the maximum field strength at the surface at any reverse voltage is lower than the maximum field strength at pn - transition is 5. In this case, the breakdown will always occur within the semiconductor body at the pn junction 5 and not on the surface.

Es sei weiter bemerkt, dass bei einem zu kleinen Wert dieses Abstandes L die Feldstärke an der Oberfläche zunehmen wird (denn die Gesamtspannung zwischen den Gebieten 3 und 4 bestimmt die Oberfläche zwischen der Kurve S und der Linie Es = 0), so dass bei niedriger Spannung Durchschlag an der Oberfläche auftritt. It should also be noted that if this distance L is too small, the field strength at the surface will increase (because the total voltage between areas 3 and 4 determines the surface between curve S and line Es = 0), so that at lower Voltage breakdown occurs on the surface.

Berechnungen haben ergeben, dass die günstigsten Werte für die Durchschlagspannung innerhalb des in Fig. 9 von den Linien A und B eingeschlossenen Gebietes erhalten werden. In Fig. 9 ist als Abszisse für Silizium als Halbleiter das Produkt der Dotierungskonzentration N in Atomen/cm3 und der Dicke d in cm des Gebietes 1 und als Ordinate der Wert von 106 • L/VB mit L in cm und VB in Volt aufgetragen. Darin ist VB der eindimensional berechnete Wert der Durchschlagspannung des pn-Übergangs 5, d.h. in Fig. 8A bis E die Durchschlagspannung der n+p-p--Struktur, wenn angenommen wird, dass die Dotierungskonzentration der Gebiete 1 und 2 homogen sind und somit der pn-Übergang 5 schroff verläuft, Calculations have shown that the most favorable breakdown voltage values are obtained within the area enclosed by lines A and B in FIG. 9. In FIG. 9, the product of the doping concentration N in atoms / cm 3 and the thickness d in cm of region 1 is plotted as the abscissa for silicon as semiconductor and the value of 106 • L / VB with L in cm and VB in volts is plotted as ordinate. VB is the one-dimensionally calculated value of the breakdown voltage of the pn junction 5, i.e. 8A to E the breakdown voltage of the n + p-p structure, if it is assumed that the doping concentration of regions 1 and 2 are homogeneous and thus the pn junction 5 is rugged,

dass das n+-Gebiet 4 einen praktisch vernachlässigbaren Widerstand aufweist und dass sich die n+n-p~-Struktur in allen Richtungen senkrecht zu der Achse Es unendlich weit erstreckt. Diese imaginäre Durchschlagspannung VB lässt sich unter den genannten Annahmen sehr einfach berechnen (siehe dazu z.B. S.M. Sze, «Physics of Semiconductor Devices», Wiley and Sons, New York 1969, Kapitel 5). that the n + region 4 has a practically negligible resistance and that the n + n-p ~ structure extends infinitely far in all directions perpendicular to the axis Es. This imaginary breakdown voltage VB can be calculated very easily using the assumptions mentioned (see, for example, S.M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices", Wiley and Sons, New York 1969, Chapter 5).

Für den Fall, dass Silizium als Halbleitermaterial gewählt wird, stellt sich dann heraus, dass für Werte von N • d, die zwischen den Linien A und B liegen, d.h. für If silicon is chosen as the semiconductor material, it then turns out that for values of N • d which lie between the lines A and B, i.e. For

7,6 • 108 /VßTL < N • d « 1,5 • 1012 7.6 • 108 / VßTL <N • d «1.5 • 1012

die Bedingung der Fig. 8D (symmetrische Feldverteilung an der Oberfläche) erfüllt ist. the condition of FIG. 8D (symmetrical field distribution on the surface) is fulfilled.

Wenn ausserdem die Bedingung nach Fig. 8E erfüllt sein soll (symmetrische Feldverteilung an der Oberfläche mit Durchschlag am pn-Übergang 5), sollen Werte für L, N und d gewählt werden, die auf oder nahe bei der Linie C der Fig. 9 liegen. Für L/VB> 1,4-10~5 gilt dabei praktisch: n-d = 9-10" cm-2. If the condition according to FIG. 8E is also to be fulfilled (symmetrical field distribution on the surface with breakdown at the pn junction 5), values for L, N and d should be chosen which are on or close to the line C of FIG. 9 . For L / VB> 1.4-10 ~ 5 the following practically applies: n-d = 9-10 "cm-2.

Die Werte der Fig. 9 gelten, wie bereits erwähnt, für Silizium, das eine kritische Feldstärke E von etwa 2,5 • 10s V/cm und eine Dielektrizitätskonstante e von etwa 11,7 aufweist. Im allgemeinen gilt für Halbleitermaterialien mit einer relativen Dielektrizitätskonstante 8 und einer kritischen Feldstärke E, dass zwischen den Linien A und B 2,6-102 eE /Vg7 L<N-d<5,l • 105eE ist und für die Linie C n-d praktisch gleich 3 • 105sE und auch hier L/VB > 1,4 • 10 "5 ist. As already mentioned, the values in FIG. 9 apply to silicon, which has a critical field strength E of approximately 2.5 * 10s V / cm and a dielectric constant e of approximately 11.7. In general, for semiconductor materials with a relative dielectric constant 8 and a critical field strength E, 2.6-102 eE / Vg7 L <Nd <5, l · 105eE between lines A and B and practically equal to line C nd 3 • 105sE and here also L / VB> 1.4 • 10 "5.

Die Werte e und E können vom Fachmann ohne weiteres der bekannten Literatur entnommen werden. Für die kritische Feldstärke E sei dazu z.B. auf S.M. Sze, «Physics of Semiconductor Devices», Wiley and Sons, New York 1969, S. 117, Fig. 25 verwiesen. The values e and E can be readily taken from the known literature by the person skilled in the art. For the critical field strength E, for example on S.M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices", Wiley and Sons, New York 1969, p. 117, Fig. 25.

Mit Hilfe der oben anhand der Fig. 8A bis E und 9 gegebenen Daten kann der Fachmann für alle in den vorhergehenden Beispielen beschriebenen Halbleiterstrukturen die unter den gegebenen Bedingungen günstigsten Dotierungen und Abmessungen wählen. Es wird dabei nicht immer erforderlich oder erwünscht sein, dass unter allen Umständen (Fig. 9, Kurve C) Oberflächendurchschlag vermieden wird, solange man nur innerhalb der, oder auf den Linien A und B der Fig. 9 bleibt. With the aid of the data given above with reference to FIGS. 8A to E and 9, the person skilled in the art can select the dopings and dimensions which are most favorable under the given conditions for all semiconductor structures described in the preceding examples. It will not always be necessary or desirable that surface breakthrough is avoided under all circumstances (FIG. 9, curve C) as long as one stays only within or on lines A and B of FIG. 9.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So können andere Halbleitermaterialien als Silizium, andere Isolierschichten als Siliziumoxyd (z.B. Siliziumnitrid, Aluminiumoxyd) und andere Metallschichten als Aluminium verwendet werden. Auch können in jedem Ausführungsbeispiel die Leitungstypen durch die entgegengesetzten Typen ersetzt werden. The invention is not restricted to the exemplary embodiments described. For example, semiconductor materials other than silicon, insulating layers other than silicon oxide (e.g. silicon nitride, aluminum oxide) and metal layers other than aluminum can be used. In each exemplary embodiment, the line types can also be replaced by the opposite types.

Weiter sei bemerkt, dass, obgleich in den Beispielen das dritte Gebiet 3 höher als das zweite Gebiet 2 dotiert ist, dieses dritte Gebiet auch dieselbe Dotierungskonzentration wie das Gebiet 2 aufweisen kann, so dass es eine Fortsetzung dieses zweiten Gebietes bildet. In diesem Falle wird die niedrigere Durchschlagspannung des zweiten pn-Übergangs 6 durch die starke Krümmung in dem Übergangsgebiet zwischen dem ersten pn-Übergang 5 und dem zweiten pn-Übergang 6 herbeigeführt. It should also be noted that, although in the examples the third region 3 is doped higher than the second region 2, this third region can also have the same doping concentration as the region 2, so that it forms a continuation of this second region. In this case, the lower breakdown voltage of the second pn junction 6 is brought about by the strong curvature in the transition region between the first pn junction 5 and the second pn junction 6.

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6 Blatt Zeichnungen 6 sheets of drawings

Claims (14)

648 693 648 693 PATENTANSPRÜCHE 1. Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper mit einer praktisch flachen Oberfläche mit mindestens einem Feldeffekttransistor mit einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode, einem dazwischenliegenden Kanalgebiet und einer an das Kanalgebiet grenzenden Steuerelektrode, um mittels einer an die Steuerelektrode angelegten Steuerspannung eine Erschöpfungszone zur Steuerung eines Stromes von Ladungsträgern zwischen den Source- und Drain-Elektroden zu beeinflussen, wobei der Feldeffekttransistor ein schichtförmiges erstes Gebiet von einem ersten Leitungstyp enthält, das mit einem darunterliegenden zweiten Gebiet vom zweiten Leitungstyp einen praktisch parallel zu der Oberfläche verlaufenden ersten pn-Übergang bildet, wobei wenigstens im Betriebszustand ein inselförmiger Teil des ersten Gebietes seitlich wenigstens teilweise von einem zweiten pn-Übergang mit zugehöriger Erschöpfungszone begrenzt wird, der zwischen dem ersten Gebiet und einem an das erste Gebiet grenzenden dritten Gebiet vom zweiten Leitungstyp gebildet wird, wobei dieser zweite pn-Übergang eine niedrigere Durchschlagspannung als die des ersten pn-Übergangs aufweist, wobei wenigstens die Steuerelektrode an den insel-förmigen Teil grenzt und zwischen dem zweiten Gebiet und einem Kontaktgebiet des Feldeffekttransistors, welches zu den Source-, Drain- und Steuerelektroden gehört und mit dem inselförmigen Gebiet einen nicht-gleichrichtenden Kontakt bildet, eine Spannung in der Sperrichtung anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration N in Atomen/cm3 und die Dicke d in cm des inselförmigen Gebietes die Bedingung erfüllen: 1. Semiconductor arrangement with a semiconductor body with a practically flat surface with at least one field effect transistor with a source electrode and a drain electrode, an intermediate channel region and a control electrode adjoining the channel region, in order to control an exhaustion zone by means of a control voltage applied to the control electrode influencing a current of charge carriers between the source and drain electrodes, the field effect transistor containing a layered first region of a first conductivity type, which forms a first pn junction which runs practically parallel to the surface with an underlying second region of the second conductivity type, wherein, at least in the operating state, an island-shaped part of the first area is laterally at least partially delimited by a second pn junction with an associated exhaustion zone, which borders between the first area and one adjacent to the first area is formed in the third region of the second conductivity type, this second pn junction having a lower breakdown voltage than that of the first pn junction, at least the control electrode being adjacent to the island-shaped part and between the second region and a contact region of the field effect transistor, which belongs to the source, drain and control electrodes and forms a non-rectifying contact with the island-shaped area, a voltage can be applied in the reverse direction, characterized in that the doping concentration N in atoms / cm3 and the thickness d in cm of the island-shaped area meet the condition: 2,6-102 eE/VbTL « N-d < 5,1 -105 eE, 2.6-102 eE / VbTL «N-d <5.1 -105 eE, wobei e die relative Dielektrizitätskonstante und E die kritische Feldstärke in V/cm, bei der Lawinenvervielfachung in dem Halbleitermaterial des ersten Gebietes auftritt, darstellen, während L den Abstand in cm des genannten Kontaktgebietes von dem zweiten pn-Übergang und VB den eindimensional berechneten Wert der Durchschlagspannung des ersten pn-Übergangs in Volt darstellen. where e is the relative dielectric constant and E is the critical field strength in V / cm at which avalanche multiplication occurs in the semiconductor material of the first region, while L is the distance in cm of said contact region from the second pn junction and VB is the one-dimensionally calculated value of the Represent the breakdown voltage of the first pn junction in volts. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass N • d praktisch gleich 2. Semiconductor arrangement according to claim 1, characterized in that N • d practically the same 3,0-105 eE und L > 1,4-10~5-VB ist. 3.0-105 eE and L> 1.4-10 ~ 5-VB. 3. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gebiet derart dick ist, dass sich bei der Durchschlagspannung des ersten pn-Übergangs die Erschöpfungszone in dem zweiten Gebiet über einen Abstand, der kleiner als die Dicke dieses Gebietes ist, erstreckt. 3. Semiconductor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the second region is so thick that at the breakdown voltage of the first pn junction, the depletion zone in the second region extends over a distance which is smaller than the thickness of this region . 4. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gebiet durch eine auf dem zweiten Gebiet erzeugte epitaktische Schicht vom ersten Leitungstyp gebildet ist. 4. Semiconductor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the first region is formed by an epitaxial layer of the first conductivity type produced on the second region. 5. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der inselförmige Teil des ersten Gebietes seitlich völlig von dem zweiten pn-Übergang begrenzt ist. 5. Semiconductor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the island-shaped part of the first region is laterally completely delimited by the second pn junction. 6. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode eine halbleitende Steuerelektrodenzone enthält, die mit dem angrenzenden Teil des Kanalgebietes einen pn-Übergang bildet. 6. Semiconductor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the control electrode contains a semiconducting control electrode zone which forms a pn junction with the adjacent part of the channel region. 7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode eine Metallschicht enthält, die mit dem angrenzenden Teil des Kanalgebietes einen gleichrichtenden Metall-Halbleiter- 7. Semiconductor arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the control electrode contains a metal layer which with the adjacent part of the channel region a rectifying metal semiconductor Übergang bildet. Transition forms. 8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode eine leitende Schicht enthält, die durch eine Isolierschicht von dem angrenzenden Teil des Kanalgebietes getrennt ist. 8. Semiconductor arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the control electrode contains a conductive layer which is separated by an insulating layer from the adjacent part of the channel region. 9. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor vom lateralen Typ ist, wobei die Source- und Drain-Elektroden zu beiden Seiten der Steuerelektrode nicht-gleich-richtende Kontakte mit dem ersten Gebiet bilden, und wobei das genannte Kontaktgebiet durch die Drain-Elektrode gebildet ist. Semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the field effect transistor is of the lateral type, the source and drain electrodes forming non-rectifying contacts on both sides of the control electrode with the first region, and wherein said contact region is formed by the drain electrode. 10. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode mit dem zweiten Gebiet verbunden ist. 10. Semiconductor arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the control electrode is connected to the second region. 11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drain-Elektrode praktisch völlig von der Steuerelektrode umgeben ist, und dass die Steuerelektrode praktisch völlig von der Source-Elektrode umgeben ist. 11. The semiconductor arrangement according to claim 9 or 10, characterized in that the drain electrode is virtually completely surrounded by the control electrode, and that the control electrode is virtually completely surrounded by the source electrode. 12. Halbleiteranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dem ersten Gebiet eine Halbleiterschicht vom zweiten Leitungstyp befindet, dass die Source-und Drain-Elektroden Elektrodenzonen vom ersten Leitungstyp und die Steuerelektrode eine Elektrodenzone vom zweiten Leitungstyp enthalten, und dass sich alle genannten Elektrodenzonen durch die ganze Dicke der genannten Halbleiterschicht bis zu dem ersten Gebiet erstrecken (Fig. 3). 12. The semiconductor arrangement as claimed in claim 11, characterized in that there is a semiconductor layer of the second conductivity type in the first region, that the source and drain electrodes contain electrode zones of the first conductivity type and the control electrode contains an electrode zone of the second conductivity type, and that all of these are mentioned Electrode zones extend through the entire thickness of said semiconductor layer to the first region (FIG. 3). 13. Halbleiteranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Source-Elektrode eine Source-Zone vom ersten Leitungstyp enthält, die nicht mit einer externen Spannung verbunden ist, dass auf der von der Steuerelektrode abgekehrten Seite der Source-Zone eine hochdotierte Zone vom zweiten Leitungstyp vorhanden ist, die sich von der Oberfläche bis zu dem zweiten Gebiet erstreckt und der Source-Zone derart nahe liegt, dass die Durchschlagspannung zwischen diesen beiden Zonen beträchtlich niedriger als die des ersten pn-Übergangs ist, dass die Drain-Elektrode und das zweite Gebiet mit einer Spannungsquelle verbindbar sind, die mit einer Belastungsimpedanz in Reihe geschaltet ist und eine über dem ersten pn-Übergang stehende Sperrspannung liefert, und dass die Steuerelektrode mit einer Spannungsquelle verbindbar ist, die eine veränderliche Sperrspannung zwischen der Steuerelektrode und dem ersten Gebiet liefert, wodurch der von der Steuerelektrode und der zugehörigen Erschöpfungszone umgebene inselförmige Teil des ersten Gebietes zeitweilig elektrisch gegen den übrigen Teil des ersten Gebietes getrennt werden kann (Fig. 5). 13. The semiconductor arrangement according to claim 11, characterized in that the source electrode contains a source zone of the first conductivity type, which is not connected to an external voltage, that on the side of the source zone remote from the control electrode, a highly doped zone of the second There is a conduction type that extends from the surface to the second region and is so close to the source zone that the breakdown voltage between these two zones is considerably lower than that of the first pn junction, that the drain electrode and the second Area can be connected to a voltage source, which is connected in series with a load impedance and supplies a reverse voltage which is above the first pn junction, and that the control electrode can be connected to a voltage source which provides a variable reverse voltage between the control electrode and the first area, whereby the of the control electrode and the associated exhaustion zone surrounding the island-shaped part of the first area can be temporarily electrically separated from the rest of the first area (Fig. 5). 14. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor vom vertikalen Typ ist, dass die Drain-Elektrode einen nicht-gleichrichtenden Kontakt mit dem zweiten Gebiet bildet, dass die Source-Elektrode einen gleichrichtenden Kontakt mit dem ersten Gebiet bildet und dass die Steuerelektrode eine Elektrodenzone vom ersten Leitungstyp enthält, die wenigstens einen zu dem Kanalgebiet gehörigen Teil des ersten Gebietes umgibt und das genannte Kontaktgebiet bildet. 14. A semiconductor device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the field effect transistor is of the vertical type, that the drain electrode forms a non-rectifying contact with the second region, that the source electrode makes a rectifying contact with the first region forms and that the control electrode contains an electrode zone of the first conductivity type which surrounds at least a part of the first region belonging to the channel region and forms the said contact region.
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