DE102004021050A1 - Feldeffekt-Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement, bei dem in einem Kanal zwischen zwei Elektroden (2, 3) in einen Halbleiterkörper (1) des einen Leitungstyps ein kleines Gebiet (6) des anderen Leitungstyps eingelagert ist, welches die Ausbreitung einer Inversionsschicht (I) im Bereich unterhalb einer Gateelektrode (5) verhindert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps, der sich zwischen zwei Elektroden erstreckt, und mit einer im Bereich zwischen den beiden Elektroden gelegenen und von dem Halbleiterkörper durch eine Isolierschicht getrennten Gateelektrode, an der eine Spannung mit der Polarität des einen Leitungstyps anlegbar ist.
  • Ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement der oben genannten Art, bei dem sich zwischen zwei Elektroden in einem Halbleiterkörper ein Kanal erstreckt, der durch eine Isolierschicht von einer Gateelektrode getrennt ist, ist beispielsweise aus der US 6 617 640 B2 bekannt. Ein solches Feldeffekt-Halbleiterbauelement wird auch als "AKKUFET" bezeichnet.
  • Ein solcher AKKUFET ist in 3 gezeigt:
    Ein n-leitender Halbleiterkörper 1 aus beispielsweise Silizium ist an seinen beiden Seiten mit n+-leitenden Bereichen versehen, die als Elektroden 2 bzw. 3 dienen. Auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 befindet sich eine Isolierschicht 4 aus beispielsweise Siliziumdioxid, auf der wiederum eine Gateelektrode 5 aus beispielsweise dotiertem polykristallinem Silizium aufgetragen ist.
  • Der Halbleiterkörper 1 bildet zwischen den Elektroden 2, 3 einen Widerstand R.
  • Wird an die Gateelektrode 5 eine negative Spannung -UG angelegt, so werden die Elektronen aus dem Halbleiterkörper gedrängt, so dass sich dort eine Raumladungszone RLZ ausbildet. Das heißt, bei Anlegen der negativen Gatespannung -UG wird der Halbleiterkörper 1 an Ladungsträgern völlig ausgeräumt, während eine positive Gatespannung +UG im Halbleiterkörper 1 Ladungsträger ansammeln bzw. "akkumulieren" würde.
  • Es soll nun angenommen werden, dass an die Gateelektrode 5 die negative Gatespannung -UG angelegt wird. Dies bedeutet, dass sich im Halbleiterkörper 1 die Raumladungszone RLZ ausbreitet und der Halbleiterkörper 1 an Ladungsträgern ausgeräumt wird. Dieses Ausbreiten der Raumladungszone RLZ ist in der 3 durch quer verlaufende Linien angedeutet.
  • Nach einer bestimmten Zeit t in einem solchen Verarmungsbetrieb bildet sich dann aber angrenzend an die Isolierschicht 4 im Bereich unterhalb der Gateelektrode 5 eine Inversionsschicht I an positiven Ladungsträgern aus, wodurch die Raumladungszone RLZ schmaler wird und die Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers 1 zwischen den Elektroden 2, 3 ansteigt. Der Widerstandswert des Widerstandes R zwischen den Elektroden 2, 3 wird also kleiner. Dieses Verhalten ist schematisch in 4 dargestellt, in welcher auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Leitfähigkeit (1/R) aufgetragen ist. Abhängig von der Trägheit des Halbleiterbauelementes steigt die Leitfähigkeit sofort (Volllinie) oder mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung (Strichlinie) an, nachdem zur Zeit t = 0 die negative Gatespannung -UG angelegt wurde.
  • Das oben erläuterte Verhalten dieses Feldeffekt-Halbleiterbauelements bedeutet, dass ein solcher "AKKUFET", der hier als Verarmungs-MOSFET betrieben ist, nur bei ständigem Einund Ausschalten funktionsfähig bleibt, während er statisch infolge der dann zwangsläufig steigenden Leitfähigkeit und damit infolge des Verlustes seiner Sperrfähigkeit ungünstige Eigenschaften hat.
    •
  • Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass dieses auch für einen statischen Betrieb zuverlässig eingesetzt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in den Halbleiterkörper im Bereich der Isolierschicht ein Gebiet des anderen Leitungstyps eingelagert und elektrisch mit der Gateelektrode verbunden ist.
  • Es sei schon an dieser Stelle angemerkt, dass in bevorzugter Weise der eine Leitungstyp der n-Leitungstyp ist. Jedoch kann für den einen Leitungstyp ohne weiteres auch der p-Leitungstyp vorgesehen werden. Weiterhin besteht der Halbleiterkörper vorzugsweise aus Silizium. Es sind jedoch auch andere Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Siliziumcarbid, A III Bv-Verbindungshalbleiter und so weiter einsetzbar.
  • Das Gebiet des anderen Leitungstyps kann eine sehr geringe Ausdehnung haben. Es braucht sich lediglich unterhalb der Gateelektrode im Bereich der Gate-Isolierschicht zu befinden und sollte mit der Gateelektrode elektrisch verbunden sein. Dieses Gebiet des anderen Leitungstyps, in bevorzugter Weise ein p-leitendes Gebiet, sorgt für eine statische Vorspannung und damit für eine volle Ausräumung der Inversionsschicht, so dass die Raumladungszone über einen langen Zeitraum erhalten bleibt und sich statisch verhält.
  • Für die Elektroden werden in bevorzugter Weise hochdotierte Bereiche des einen Leitungstyps an den beiden Seiten des Halbleiterkörpers verwendet. Selbstverständlich können gegebenenfalls aber auch metallische Elektroden, also beispielsweise Elektroden aus Aluminium, vorgesehen werden.
  • Die Gateelektrode besteht vorzugsweise aus polykristallinem Silizium, das dotiert ist. Anstelle von polykristallinem Silizium kann aber auch hier eine Metallelektrode verwendet werden.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist deren Anwendung auf einen Verarmungs-Trench-Gate-FET für mittlere bzw. mäßige Spannungen im Bereich von etwa 100 V. Selbstverständlich sind auch andere Spannungen möglich. Liegen mehrere Trenches für die Gateelektroden vor, so kann die Teilung bzw. der so genannte "Pitch" zwischen den Trenches beliebig klein sein, da die Inversionsschicht auf der Oberfläche der Gate-Isolierschicht nur eine sehr geringe Ausdehnung hat.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Darstellung eines Feldeffekt-Halbleiterbauelements nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2 einen perspektivische Darstellung eines Depletion-Trench-Gate-FETs nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 3 eine perspektivische Darstellung eines bestehenden Feldeffekt-Halbleiterbauelements und
  • 4 den Verlauf der Leitfähigkeit bei dem bestehenden Feldeffekt-Halbleiterbauelement in Abhängigkeit von der Zeit nach Anlegen der Gatespannung.
  • Die 3 und 4 sind bereits eingangs erläutert worden. In den Figuren werden für einander entsprechende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
  • Wie aus dem Ausführungsbeispiel von 1 zu ersehen ist, liegt erfindungsgemäß unterhalb der Gateelektrode 5 angrenzend an die Gate-Isolierschicht 4 im Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers 1, also in dem Bereich in dem sich zwischen den Elektroden 2, 3 ein Kanal ausbildet, ein p-leitendes Gebiet 6. Dieses p-leitende Gebiet 6 ist elektrisch mit der Gateelektrode 5 verbunden, was durch eine entsprechende Verbindung durch die Isolierschicht 4 hindurch geschehen kann.
  • In einem Ruhezustand können die Elektroden 2, 3 auf Bezugspotential liegen. Sie können aber auch unterschiedliche Potentialwerte annehmen, so dass beispielsweise nur eine Elektrode Bezugspotential hat.
  • Dieses p-leitende Gebiet 6 bewirkt eine statische Vorspannung im Bereich der Inversionsschicht I, so dass diese Inversionsschicht I an Ladungsträgern zur Gateelektrode 5 vollkommen über das Gebiet 6 ausgeräumt wird. Damit bleibt die Raumladungszone RLZ erhalten, so dass ein statischer Betrieb des Feldeffekt-Halbleiterbauelements möglich ist.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Halbleiterbauelements anhand eines Depletion-Trench-Gate-FETs. Bei diesem FET sind Gateelektroden 5a, 5b in Trenches 7 vorgesehen und vom Halbleiterkörper 1 durch die Gate-Isolierschicht 4 getrennt. Eine erste Teilelektrode 5a ist mit der negativen Gatespannung -UG beaufschlagt, während eine im unteren Bereich der Trenches 7 gelegene zweite Teilelektrode 5b wie die Elektroden 2, 3 auf Bezugspotenzial liegt.
  • Die Teilelektrode 5a ist hier mit dem p-leitenden Gebiet 6 verbunden, das für die Ausräumung der Inversionsschicht sorgt, welche sich auf der Oberfläche der Isolierschicht 4 ausbilden würde.
  • Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der 2 kann der Abstand bzw. die Teilung P zwischen den Trenches 7 beliebig klein sein, da die Inversionsschicht auf der Oberfläche der Gate-Isolierschicht 4 nur eine sehr geringe Ausdehnung hat. Der Abstand P kann so im Bereich von μm liegen oder aber noch kleiner sein.
  • Infolge des kleinen Abstandes P kann die Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers relativ hoch gewählt werden und im Bereich von 1018 Ladungsträger/cm3 oder höher liegen, da in dünnen leitenden Schichten die Durchbruchsladung größer ist als in gewöhnlichen Kompensationsstrukturen. Geringere Dotierungskonzentrationen sind aber auch nicht ausgeschlossen.
    • 1
    Halbleiterkörper
    2
    Elektrode
    3
    Elektrode
    4
    Isolierschicht
    5
    Gateelektrode
    5a, 5b
    Teilelektrode
    6
    p-leitendes Gebiet
    7
    Trench

Claims (10)

  1. Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1) des einen Leitungstyps, der sich zwischen zwei Elektroden (2, 3) erstreckt, und mit einer im Bereich zwischen den beiden Elektroden (2, 3) gelegenen und von dem Halbleiterkörper (1) durch eine Isolierschicht (4) getrennten Gateelektrode, an der eine Spannung (-UG) mit der Polarität des einen Leitungstyps (n) anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet , dass in den Halbleiterkörper (1) im Bereich der Isolierschicht (4) ein Gebiet (6) des anderen Leitungstyps eingelagert und elektrisch mit der Gateelektrode (5) verbunden ist.
  2. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2, 3) aus hochdotierten Bereichen des einen Leitungstyps bestehen.
  3. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode (5) aus dotiertem polykristallinem Silizium besteht.
  4. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden (2, 3) auf Bezugspotenzial legbar sind.
  5. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode (5) in einem Trench (7) vorgesehen ist.
  6. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode (5) aus zwei Teilelektroden (5a, 5b) besteht.
  7. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Trenches (7) mit Gateelektroden (5; 5a, 5b) vorgesehen sind.
  8. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelektroden (5a, 5b) auf unterschiedlichem Potenzial liegen.
  9. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Teilelektrode (5b) auf Bezugspotenzial liegt.
  10. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung (p) zwischen zwei Trenches im Bereich von μm liegt.
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