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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterschaltelement gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ausführungsformen
derartiger Halbleiterschaltelemente sind als SOI-MOSFET (SOI = silicon on
insulator, MOSFET = metal-oxide-semiconductor field
effect transistor) bekannt. Dabei ist auf einer Isolationsschicht,
beispielsweise einem Siliziumoxid, eine Siliziumschicht gebildet,
in der benachbart zueinander eine n- oder p-dotierte Source-Zone
als erste Leitungszone eines ersten Leitungstyps, eine p- oder n-dotierte
Sperrzone als Sperrzone eines zweiten Leitungstyps und eine n- oder
p-dotierte Drain-Zone als zweite Leitungszone des ersten Leitungstyps
angeordnet sind. Isoliert gegenüber
der Sperrzone ist bei MOSFET eine Gate-Elektrode als Steuerelektrode
angeordnet, wobei sich nach Maßgabe
eines an der Gate-Elektrode
anliegenden Signals ein leitender Kanal in der Sperrzone zwischen der
Source-Zone und der Drain-Zone ausbildet.
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Feldeffekttransistoren
in SOI-Technologie zeichnen sich durch ihre geringen Abmessungen
und damit ihre gute Integrierbarkeit aus.
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Bekannte
SOI-MOSFET zeigen allerdings Nachteile dahingehend, daß sich ihre
Einsatzspannung ändert,
wenn der SOI-MOSFET bereits leitet. In einer Kennlinie, in der der
Drain-Source-Strom über der
Drain-Source-Spannung aufgetragen ist, macht sich dies, wie in 1a dargestellt,
durch einen "Knick" bemerkbar.
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1b zeigt
das Kennlinienverhalten von MOSFET, die nicht in SOI-Technologie
hergestellt sind. Dargestellt sind jeweils mehrere Kennlinien für verschiedene
Werte der Gate-Source-Spannung. Dabei
steigt der Drain-Source-Strom mit zunehmender Drain-Source-Spannung
zunächst
steil an, um dann in einen flachen Bereich überzugehen, in dem der Drain-Source-Strom
mit zunehmender Drain-Source-Spannung nur noch geringfügig zunimmt,
bevor es zum Durchbruch des MOSFET kommt.
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SOI-MOSFET
weisen in dem flachen Kennlinienabschnitt einen Knick derart auf,
daß der Drain-Source-Strom
innerhalb eines kleinen Bereichs der Drain-Source-Spannung steil
ansteigt, um danach bis zum Durchbruch nur noch gering mit steigender
Drain-Source-Spannung zuzunehmen.
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Dieses
Verhalten der SOI-MOSFET, das MOSFET, die nicht in SOI-Technologie
hergestellt sind, nicht aufweisen, ist störend beim Entwurf integrierter
Schaltungen, da für
SOI-MOSFET die beschriebene Besonderheiten beachtet werden müssen, die
für andere
MOSFET nicht gelten.
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Ein
herkömmlicher
SOI-MOSFET ist in Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 35 (1996)pp. 992–995 beschrieben.
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Die
DE 40 01 368 A1 beschreibt
einen IGBT in dessen Driftzone Schwermetallatome eindiffundiert
sind, die als lokale Lebensdauerkiller für Minoritätsladungsträger dienen.
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Die
US 4,656,493 beschreibt
einen MOSFET, in dessen Sperrzone bzw. Body-Zone ebenfalls Metallatome
eindiffundiert sind, die als lokale Lebensdauerkiller dienen.
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Die
EP 0 430 237 A1 beschreibt
einen vertikalen IGBT mit einer sich an einen p-Emitter anschließenden Driftzone.
In einem an den p-Emitter angrenzenden Bereich dieser Driftzone
sind hierbei Protonen eingebracht, die als Rekombinationszentren
dienen.
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Die
EP 0 889 509 A2 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung einer Rekombinationszentren aufweisender.
Zone in einem vertikalen Halbleiterbauelement. Bei diesem Verfahren
werden zwei Halbleiterwafer aufeinandergesetzt, wobei die Wafer so
aufeinandergesetzt werden, dass ein Versatz im Kristallgitter entsteht
oder wobei in einen oberflächennahen
Bereich eines der Wafer vor dem Zusammenfügen Metallatome implantiert
werden, die als Rekombinationszentren dienen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein durch
Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauschaltelement zur Verfügung zu
stellen, bei dem eine halbleitende Schicht auf einer Isolationsschicht
angeordnet ist und bei dessen Betrieb der Strom zwischen der ersten
und zweiten Leitungszone wenigstens annäherungsweise „ohne Knick" in der Kennlinie
ansteigt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Halbleiterschaltelement nach Anspruch 1 gelöst.
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Ursächlich für den „Knick" in der Kennlinie von
SOI-MOSFET nach dem Stand der Technik sind Ladungsträger, die
sich mit zunehmender Drain-Source-Spannung in der Sperrzone anhäufen. Durch
die Abfolge der unterschiedlich dotierten Zonen: Source-Zone, Sperrzone
und Drain-Zone ist in dem SOI-MOSFET ein parasitärer Bipolartransistor gebildet,
der das Schaltverhalten des SOI-MOSFET mitbestimmt. Die Basis des
parasitären
Bi polartransistors wird dabei durch die Sperrzone gebildet. Die in
der Sperrzone angehäuften
Ladungsträger
spannen die Basis des parasitären
Bipolartransistors vor, und beeinflussen so das Schaltverhalten
des MOSFET. Der Bipolartransistor schaltet ein, wenn eine Drain-Source-Spannung
erreicht ist, bei der eine Multiplikation der Ladungsträger in der
Sperrzone eintritt. Dies ist die Spannung, bei der Knick in der Kennlinie
entsteht, da sich mit Einschalten des parasitären Bipolartransistors die
Einsatzspannung des SOI-MOSFET ändert.
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Der
erfindungsgemäß in die
Sperrzone eingebrachte oder benachbart zu der Sperrzone angeordnete
Rekombinationsbereich fördert
die Rekombination von Ladungsträgern
des ersten und zweiten Leitungstyps in der Sperrzone. Die Anhäufung von Ladungsträgern in
der Sperrzone wir dadurch weitgehend verhindert, was zur Folge hat,
daß der
parasitäre
Bipolartransistor hinsichtlich des Schaltverhaltens des SOI-MOSFET
wenigstens annäherungsweise nicht
in Erscheinung tritt. Der SOI-MOSFET verhält sich wie ein nicht in SOI-Technologie
hergestellter MOSFET.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Rekombinationsbereich
zwischen dem Isolationsbereich bzw. einer Isolationsschicht, und
der Sperrzone erstreckt. Ein erfindungsgemäßes Halbleiterschaltelement nach
dieser Ausführungsform
der Erfindung kann weitgehend unter Beibehaltung bekannter Verfahren zur
Herstellung von SOI-MOSFET
hergestellt werden. Gegenüber
bekannten Verfahren ist dabei lediglich erforderlich, auf der Isolationsschicht
eine Schicht aus Rekombinationsmaterial, vorzugsweise einem Metall
oder einem Silizid, abzuscheiden, bevor die Halbleiterschicht aufgebracht
wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Rekombinationsbereich
zudem zwischen der Isolationsschicht und der ersten und/oder zweiten
Leitungszone erstreckt. Bei Verwendung eines Metalls oder eines
Silizids als Rekombinationsmaterial entstehen so Schottky-Kontakte
zwischen der ersten und/oder zweiten Leitungszone und dem Rekombinationsmaterial. Über den
Rekombinationsbereich sind dadurch definierte Widerstände zwischen
der ersten Leitungszone und der Sperrzone bzw. der zweiten Leitungszone
und der Sperrzone gebildet.
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Der
Rekombinationsbereich ist vorzugsweise als sehr dünne Schicht
zwischen der Sperrzone und dem Isolationsbereich ausgebildet, wobei
die Schichtdicke des Rekombinationsbereichs vorzugsweise nur eine
oder einige wenige Atomlagen beträgt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, den Rekombinationsbereich als plattenförmigen Bereich,
vorzugsweise aus einem Metall oder einem Silizid, in der Sperrzone
anzuordnen, wobei die Sperrzone den Rekombinationsbereich nach allen
Seiten umgibt.
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Gegenstand
der Erfindung ist des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen Halbleiterschaltelements.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Figuren anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Kennlinien eines SOI-MOSFET und eines
nicht in SOI-Technologie
gergestellten MOSFET nach dem Stand der Technik
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2 Querschnitt
durch ein als SOI-MOSFET ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterschaltelement
nach einer ersten Ausführungsform;
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3 Querschnitt
durch ein als SOI-MOSFET ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterschaltelement
nach einer zweiten Ausführungsform;
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4 Querschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterschaltelement
nach einer dritten Ausführungsform.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile und Bereiche mit gleicher Bedeutung.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes, als SOI-MOSFET ausgebildetes Halbleiterschaltelement
gemäß einer
ersten Ausführungsform.
Der MOSFET weist einen Isolationsbereich 20, beispielsweise
ein Siliziumoxid, auf, auf welchen eine Schicht aus einem Halbleitermaterial,
beispielsweise Silizium, aufgebracht ist. In dem Halbleitermaterial
sind eine n+-dotierte Source-Zone 10 als erste
Leitungszone eines ersten Leitungstyps und eine n+-dotierte
Drain-Zone 12 als zweite Leitungszone des ersten Leitungstyps
ausgebildet. Zwischen der Source-Zone 10 und der Drain-Zone 12 ist
eine p-dotierte
Sperrzone 14 gebildet, die auch als Bulk- oder Body-Bereich bezeichnet
wird. Über
der Sperrzone 14 ist eine Isolationsschicht 50 aufgebracht,
die sich auch teilweise über
die Source-Zone 10 und die Drain-Zone 12 erstreckt,
und auf der eine Gate-Elektrode 40 als Steuerelektrode
des Halbleiterschaltelements aufgebracht ist. Die Source-Zone 10 ist
mittels einer Source-Elektrode 11 und die Drain-Zone 12 ist mittels
einer Drain-Elektrode 13 kontaktierbar, wobei eine Verschaltung
der Source-Elektrode 11, der Drain-Elektrode 13 und
der Gate-Elektrode 40 nicht näher dargestellt ist.
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Die
Halbleiterschicht mit Source-, Drain- und Sperrzone 10, 12 14 sowie
die Elektroden 11, 13, 40 sind von einem
zweiten Isolationsbereich 60 umgeben, der das Halbleiterschaltelement gegenüber weiteren,
nicht näher
dargestellten, Halbleiterschaltelementen isoliert.
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Zwischen
dem Isolationsbereich 20 und der Sperrzone 14 ist
erfindungsgemäß ein Rekombinationsbereich 30 aus
einem die Rekombination von p-Ladungsträgern und n-Ladungsträgern fördernden Material
angeordnet. Der Rekombinationsbereich 30 besteht vorzugsweise
aus einem Metall oder einem Silizid, bzw. einer entsprechenden Halbleiterverbindung.
Der Rekombinationsbereich 30 ist vorzugsweise als sehr
dünne Schicht,
die idealerweise nur die Dicke einer oder einiger weniger Atomlagen
aufweist, ausgebildet.
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Aufgabe
des Rekombinationsbereichs 30 ist es, einen parsitären Bipolartransistor,
der durch die Abfolge der n-dotierten Source-Zone 10, der
p-dotierten Sperrzone 14 und der n-dotierten Drain-Zone 12 gebildet
ist, wenigstens annäherungsweise
wirkungslos im Hinblick auf das Schaltverhalten des MOSFET zu machen.
Zum besseren Verständnis
ist das Schaltsymbol des parasitären
Bipolartransistors beispielhaft in 1 eingezeichnet.
Die Basis des parasitären
Bipolartransistors, in dem Ausführungsbeispiel
ein npn-Bipolartransistor, ist durch die Sperrzone 14 gebildet,
wobei die Basis floatend ausgebildet ist, das heißt, es sind
keine Anschlüsse
vorhanden, um die Sperrzone 14 von außen auf ein definiertes Potential
zu legen. Emitter und Kollektor des parasitären Bipolartransistors werden
abhängig
von der Polung der Drain-Source-Spannung
durch die Source-Zone bzw. die Drain-Zone des MOSFET gebildet. Bei
Anlegen einer Steuerspannung zwischen der Gate-Elektrode 40 und der Source-Elektrode 11, bzw.
der Source-Zone 10,
bildet sich in der Sperrzone 14 ein leitender Kanal zwischen
der Source-Zone 10 und der Drain-Zone 12 aus.
Bei Anlegen einer Flussspannung zwischen der Source-Elektrode 11 und
der Drain-Elektrode 12 kommt es zum Austausch von Ladungsträgern zwischen
der Source-Zone 10 und der Drain-Zone 12. Hierbei
werden auch Ladungsträger
in die Sperrzone 14 injiziert, die sich ohne das Vorhandensein
des Rekombinations bereichs 30 dort anhäufen würden und zu dem bekannten Knick
in der Kennlinie des SOI-MOSFET führen würden. Der Rekombinationsbereich 30 verhindert die
Anhäufung
von Ladungsträgern,
in vorliegendem Fall von Löchern,
in der Sperrzone 14, dadurch, dass an der Oberfläche des
Rekombinationsbereichs 30 eine verstärkte Rekombination von p- und
n-Ladungsträgern
stattfindet. Die Basis des parasitären Bipolartransistors kann
daher nicht so weit vorgespannt werden, dass der parasitäre Bipolartransistor einschaltet.
Der parasitäre
Bipolartransistor ist damit wirkungslos. Durch den Rekombinationsbereich 30 ist
die Stromverstärkung
dieses parasitären
Bipolartransistors soweit reduziert, dass er hinsichtlich des Schaltverhaltens
des SOI-MOSFET nicht in Erscheinung tritt.
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Der
Rekombinationsbereich 30 erstreckt sich in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
nicht nur unterhalb der Sperrzone 14, sondern auch unterhalb der
Source-Zone 10 und der Drain-Zone 12. Zwischen
der Source-Zone 10, bzw. der Drain-Zone 12, und
dem, vorzugsweise aus einem Metall- oder einem Silizid gebildeten
Rekombinationsbereich 30, sind dadurch Schottky-Dioden
gebildet, deren Schaltsymbole zum besseren Verständnis in 1 eingezeichnet
sind. Über
den Rekombinationsbereich 30, bzw. die Rekombinationsschicht,
ist auf diese Weise ein definierter Widerstand zwischen der Source-Zone 10 und
der Sperrzone 14 bzw. der Drain-Zone 12 und der
Sperrzone 14 gebildet.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines als SOI-MOSFET
ausgebildeten Halbleiterschaltelements nach der Erfindung. Ein Rekombinationsbereich 32 ist
bei dieser Ausführungsform
als Bereich aus einem Rekombinationsmaterial, vorzugsweise einem
Metall oder einem Silizid, bzw. einer entsprechenden Halbleiterverbindung
in der Sperrzone 14, ausgebildet. 2 zeigt
einen plattenförmig
in der Sperrzone 14 ausgebildeten Rekombinationsbereich 32,
wobei mehrere derartiger Rekombinationsbereiche 32 parallel
oder nebeneinander in der Sperrzone 14 angeordnet sein
können.
Der Rekombinationsbereich 32 verhindert die Anhäufung von
Ladungsträgern
in der Sperrzone 14 und macht so den parasitären Bipolartransistor
wirkungslos. Das Kennlinienverhalten des SOI-MOSFET entspricht dem
eines herkömmlichen,
nicht in SOI-Technologie hergestellten MOSFET.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
als SOI-MOSFET ausgebildeten
erfindungsgemäßen Halbleiterschaltelements
im Querschnitt. Ein Rekombinationsbereich 34 ist bei dieser
Ausführungsform
durch Eindiffusion eines die Rekombination von n-Ladungsträgern und
p-Ladungsträgern
fördernden
Materials in die Sperrzone 14 ausgebildet. Das eindiffundierte
Material ist vorzugsweise ein Metall, wie zum Beispiel Platin. Bei
den zur Herstellung eines Rekombinationsbereichs 34 notwendigen
Diffusionsschritten ist es nahezu unvermeidlich, dass auch Rekombinationsmaterial
in die Source-Zone 10 und die Drain-Zone 12 diffundiert
wird. Dies beeinträchtigt
die Funktionsweise des MOSFET nicht oder nur unwesentlich.
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Die
in die Sperrzone 14 eindiffundierten Atome des Rekombinationsmaterials
fördern
die Rekombination von n- und p-Ladungsträgern in der Sperrzone 14 und
machen so den parasitären
Bipolartransistor wenigstens annäherungsweise
wirkungslos.
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Die
Erfindung wurde vorangehend anhand eines n-Kanal-SOI-MOSFET beschrieben.
Obige Ausführungen
gelten entsprechend für
p-Kanal-SOI-MOSFET. Des Weiteren gelten obige Ausführungen
entsprechend für
Halbleiterschaltelemente, die auf einem anderen Material als Silizium
basieren.
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Gegenstand
der Erfindung ist des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen Halbleiterschaltelements.
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Gemäß einem
ersten Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterschaltelements
nach 2 ist vorgesehen, eine Schicht aus Isolationsmaterial 20 bereitzustellen,
auf der anschließend
eine Schicht 30 eines Rekombinationsmaterials aufge bracht
wird. In einer auf der Rekombinationsschicht 30 aufgebrachten
Schicht aus Halbleitermaterial werden anschließend mittels Dotierung eine
Source-Zone 10 eines ersten Leitungstyps, eine Drain-Zone 12 des
ersten Leitungstyps und eine zwischen der Source-Zone 10 und
der Drain-Zone 12 angeordnete Sperrzone 14 eines
zweiten Leitungstyps gebildet. Anschließend wird auf der Sperrzone 14 eine
weitere Isolationsschicht 50 aufgebracht, auf der eine
Steuerelektrode 40 gebildet wird.
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Bei
einem weiteren Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterschaltelements
nach 4 ist zunächst
vorgesehen, eine Schicht aus Halbleitermaterial auf einer Isolationsschicht 20 anzuordnen, wobei
in der Schicht aus Halbleitermaterial anschließend eine Source-Zone 10,
eine Drain-Zone 12 und eine Sperrzone 14 ausgebildet
werden.
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Anschließend werden
in die Sperrzone 14 mittels Diffusion Atome eines die Rekombination
von Ladungsträgern
des ersten und zweiten Leitungstyps fördernden Materials, vorzugsweise
Platin, eingebracht. Danach wird über der Sperrzone 14 eine
Isolationsschicht 50 aufgebracht, auf der anschließend eine
Steuerelektrode 40 ausgebildet wird.
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Zur
Erstellung einer Vielzahl von SOI-MOSFET in einem Chip wird vorzugsweise
eine Isolationsschicht zur Verfügung
gestellt, auf der die SOI-MOSFET nebeneinander angeordnet werden
können.
Zur Herstellung der Halbleiterschichten für die einzelnen SOI-MOSFET
wird auf der Isolationsschicht, bzw. auf der über der Isolationsschicht gebildete
Rekombinationsschicht, eine Halbleiterschicht aufgebracht, die anschließend, beispielsweise
durch Grabenätzung bis
an die Isolationsschicht, in einzelne Bereiche aus Halbleitermaterial
unterteilt wird. Nach Herstellung der Source-, Drain- und Sperrzonen
in den einzelnen Halbleiterbereichen und dem Aufbringen der Anschlusselektroden
werden die die einzelnen Halbleiterbereiche umgebenen Gräben mittels
eines Isolations materials aufgefüllt,
um die einzelnen SOI-MOSFET gegeneinander zu isolieren.
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- 10
- Source-Zone
- 11
- Source-Elektrode
- 12
- Drain-Zone
- 13
- Source-Elektrode
- 14
- Sperrzone
- 20
- Isolationsbereich
- 30
- Rekombinationsbereich
- 32
- Rekombinationsbereich
- 34
- Rekombinationsbereich
- 40
- Gate-Elektrode
- 50
- Isolationsschicht