DE1439921A1

DE1439921A1 - Halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE1439921A1
Application number: DE19611439921
Authority: DE
Inventors: Dawon Kahng
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1960-03-08
Filing date: 1961-05-19
Publication date: 1968-11-28
Also published as: US3102230A; GB992003A; DE1439921B2; US3206670A; NL265382A

Description

WESTERS EIEGTEIG GOMPAHY INCORPOEATED D. Kahng Oase

Halbleitereinrichtung

Die Erfindung betrifft Halbleitereinrichtungen, bei denen Halbleiterkörper mit einer dielektrischen Schicht verwendet werden«

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Einrichtungen, bei denen halbleitende Körper verwendet werden, welche aus einer p-n-p oder n-p-n-Scheibe mit einem dielektrischen PiIm auf einem Teil der Mittelzone bestehen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung mit verbesserten Eigenschaften unter Verwendung eines derartigen halbleitenden Körpers zu schaffen·

Erfindungsgemäss umfasst die Einrichtung aus zwei p-niibergängen bestehende Mittel, um einen Strom durch wenigstens einen Seil der Scheibe zu leiten, ferner eine dielektrische Schicht auf wenigstens einem Teil der Scheibe, weiterhin Mittel zum ^Änlegen einer Spannung an die Übergänge und schliesslich Mittel, um ein elektrisches feld an der dielektrischen Schicht hervorzubringen, wobei die Schicht und die das PeId liervorbringende^-Mittel so angeordnet sind, dass das I'eld von änderungen der Spannung an den übergängen abhängig ist.

Derartige Einrichtungen sind insbesondere als Impedanzwandler oder Spannungsregeier verwendbar, da äie Kennlinien aufweisen, die denjenigen eines Kathodenverstärker kreises mit Glühkathodenröhre nicht unähnlich sind.

Eine bevorzugte Form der Erfindung wird durch eine Halbleiterscheibe dargestellt, die typsischerweise aus Silicium besteht und die ein erstes, ein zweites und ein drittes Gebiet enthält, welche einen ersten und

BAD ORIGINAL _₂

zweiten p-n-Übergang bilden, die eine grössere Oberfläche der Scheibe schneiden. Diese grössere Oberfläche der Scheibe ist mit einem geeignetem Dielektrikum überzogen, das bei einer Silicjuascheibe typischerweise ein thermisch gewachsener Siliciumdioxyd-Belag ist* Mit der.Oberfläche dieses Oxydbelags ist eine Elektrode verbunden, die sich über die Schnittlinie der beiden p-n-Übergänge mit der Oberfläche ausdehnt. Zwischen ohmschen Kontakten an dem ersten und dem dritten Glied ist eine erste Spannung angelegt, die so gepolt ist, dass der erste p-n-Übergang in Flussrichtung und der zweite Übergang in Sperrichtung vorgespannt wird. Eine zweite Spannung ist zwischen der Elektrode an dem Oxydbelag und dem Kontakt an dem dritten Gebiet angelegt. Das elektrische Feld an dem Oxydbelag entsteht durch diese zweite Spannungo Es ändert sich mit der Spannung zwischen den beiden im wesentlichen ohmschen Kontakten. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden eingehenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Zeichnungen besser verständlich werden.

Fig. 1A ist eine teilweise im Schnitt dargestellte perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungder Erfindung.

Fig. 1B zeigt eine alternative Schaltungsanordnung für die Ausführung der Fig. 1A.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, welche die Stromspannungskennlinien der Ausführung der Figo 1A zeigt.

Selbstverständlich sind die Figuren nur als Beispiele gedacht« Sie legen daher den Massstab nicht fest.

ö Die Einrichtung 10 in Fig* 1A besteht aus einer Halbleiter-

*„ scheibe 11, typiseherweise aus monokristallinem Silicium

Ί mit einer Kantenlänge von etwa 0,15 cm und einer Dicke

JJ von 0,025 cm. Der Hauptteil 12 der Scheibe 11 weist

D Ä-Leitfähigkeit auf, wobei an einer grösseren Oberfläche

18 der Scheibe₄ die im Abstand angeordneten Oberflächenteile 13 und 14 mit p-Ieitfähigkeit vorgesehen sind. Die Oberflächenteile 13 und 14 sind etwa 0,0025 cm dick und werden durch bekannte Dampffesta;to£f#&if£l&ione- und BAD ORIGINAL.

Lichtabdeckverfahren hergestellt. Der Teil 15 zwischen den beiden Oberflächenteilen 13 und 14 ist etwa 0,0076 om breit und durch die beiden p-n-Übergänge 16 und 17 begrenzt, Vorteilhafterweise wird die Fläche der Seile und T4 klein gehalten, um eine überniässige Kapazität zu vermeiden· Bei diesem speziellen Beispiel hat jeder Oberflächenteil das Aussehen eines "Schlüssellochs", de B⁸Ir¹O* θ st e Abmessungen auf der Oberfläche sei kleiner als 0,0625 cm sind, dass jedoch eine Fläche von weniger als 2 χ 10 ^v cm einnimmt· Der Qxydbelag 19 steht in innigem Eontakt mit der Oberfläche 18 der Scheibe. Das Oxyd ist etwa 1.000 « Ä - Einheiten dick und nach einem der Verfahren thermisch gewachsen, die in der US-Patentschrift 2 930 722 beschrieben sind. Diesem Verfahren ergeben einen Oxydbelag auf der gesamten Einrichtung. Das Oxyd kann auf Wunsch durch bekannte Abdeck- oder Iieppverfahren auf ausgewählte Teile der Oberfläche der Einrichtung begrenzt werden. In der Fig· ist dasiy Oxyi in der Hauptsache im Interesee der Klarheit begrenzt dargestellt. Auf der äusseren Oberfläche 22 des Oxydbelags 19 ist eine •Elektrode 21 so aufgebracht, dass sie sich über das G-ebiet der Schnittlinien beider p-n-Übergänge 16 und 17 ausdehnt. An den Oberflächenteilen 13 und 14 sind die ohmsohen Kontakte 24 und 25 befestigt. Zwischen den Kontakten 24 und £5 sind eine Belastung L und eine Batterie 27 mit der Spannung V in Reihe geschaltet. Die Batterie ist so gepolt, dass der p-n-Übergang 16 in Sperriohtung und der p-n-Übergang 17 in Flussrichtung vorgespannt ist. Eine Spannungsquelle 28, die eine Spannung V^ liefert, ist zwischen die Elektrode 21 und den Kontakt 24 geschaltet. Unter dem Einfluss der Ansammlung einer Ladung mit einer Polarität auf der Elektrode 21 wird eine Ladung mit der entgegengesetzten Polarität im Oberflächenteil 23 der Scheibe 11 induziert.

Eine typische Belastun^slinie für die Belastung L wird durch die strichpunktierte linie 31 in der graphischen Darstellung der Fig. 2 dargestellt. Zunächst ergibt sich aus der graphischen Darstellung, a dass alle kennlinien, die einem festen V.ert von V„ entsprechen, einen im

-4- < ■-> P^- 1 0 ' 0 8 1 2 BAD OWGtWU,

wesentlichen waagerechten leil aufweisen, in dem die Spannung verhältnismässig unabhängig vom Strom ist. Demgemäss ist die beschriebene Einrichtung als Spannungsregeler verwendbar, wenn iie mit einem konstanten Wert von V„ betrieben wird«, Ferner ist ers^ichtlieli, dass eine Einstellung auf einen festen Wert von V_f.,eine Beeinflussung der Spannung erlaubt, bei der die Regelungstattfindet· Demgemäss liefert die Erfindung einen Spannungsregler, dessen Spannungspegel einfach dadurch gekendert werden kann, dass die Spannung zwischen der Elektrode 21 und dem Kontakt 24 geändert wird.

Bei einer anderen Arbeitsweise kann eine Signalquelle in Reihe mit der Grleichspannungsquelle V« geschaltet werden» Diese Anordnung ist schematisch in Fig. iB dargestellte Bei dieser Arbeitsweise bewirken Änderungen der Spannung der Signalquelle entsprechende Änderungen der Spannung an der Belastung L, wenn auch.mit einer Phasenumkehr. Da die Eingangsimpedanz typischerweise viel grosser als die Belastungsimpedanz ist, wird eine Leistungsverstärkung möglich. ...

Yfenn auch die speziellen Ausführungen anhand von Silicium und Siliciumdioxid geschieldert wurden, so ist dies . lediglich als Beispiel gedacht. Die Wahl des Halbleiter-.materials und des entsprechenden Dielektrikums scheint nur durch die Verfügbarkeit von Verfahren zum Aufbringen des Dielektrikums beschränkt zu sein· Bei der Wahl des Halbleitermaterials und eines geeigneten Dielektrikums sind jedoch einige bekannte Überlegungen wichtig. Die Hauptüberlegung besteht,darin, dase grösste Feld E fM im Halbleitermaterial bei der kleinsten Eingangsspannung ^ V^ zu erzeugen,. Die Gleichung in Bezug auf E und Y ο lautet

co ■ . ■■-...

co wobei e^ die dielektrizitätskonstante des dielektrischen ,.Belags,e_e die Dielektrizitätskonstante des halbleitermaterials und t die Dicke des dielektrischen Belags ist«,

- 5« ι η j ^BAP ORIGINAL

Um das grösste Eelä bei der geringsten Singangsspannung zu erhalten_f ist

^ef
T"

möglichst gross zu machen, e_f für Silioiumdioxyd beträgt 3,8. Eine typische Dicke t für den Oxydbelag ist · 1,000 i-Einheiten oder 10~^ cm„ Daher beträgt ein Gütefaktor

5.8

10"³ oms

oder 3,8 χ 10^ (cms~¹). Als Vergleich sei angegeben, dass die Dielektrizitätskonstante für Titanoxyd 100 beträgt. Daher würde ein entsprechend geeigneter Titanoxydbelag eine Dicke von

100

3,8 χ 10⁵

oder 26.300 * 2 - Einheiten haben müssen. Die Leichtigkeit, mit der eine Siliciumdioxyd schicht von 1.000 S.Einheiten auf Silicium wächst, ergibt im Vergleich zu den Schwierigkeiten das Aufbringen einer Titanoxydschicht von mehr als 26.000 ^+Einheiten den Vorteil des Siliciumsystems. Es ist auch zu erwarten, dass der dünne PiIm, den man auf Halbleiterverbindungen, wie n-Galliumarsenid, findet, zur Verwendung gemäss der Erfindung geeignet ist.

oo Weiterhin ist die höchste Betriebsspannung V für eine ^ bestimmte Einrichtung durch die Gleichung

bestimmt, wobei E . die Bielektrische Festigkeit des dielektrischen Belags ist.

Eine für die Erfindung verwendbare Einrichtung wurde hergestellt, indem man von einer Siliciumscheibe ausging,

-6-

^■^{r :} BAD OfWGINAi₁.

die eine gleichmässige Phosphorkonzentration und einen spezifischen Widerstand von etwa 6 Ohm cm enthSLt· Auf der Oberfläche der Scheibe wurde ein Siliciumdioxydbelag durch Erhitzen in einer Wasserdampfatmosphäre bei einer Temperatur von 1.20O⁰O 120 Minuten lang erzeugt. Es wurden Lichtabdeckverfahren benutzt, um zwei geeignet geformte Teile der darunter liegenden Halbleiteroberfläche durch das Oxyd hindurch zu behandeln, wobei die Scheibe einem Borpentoxyd-Dampf ausgesetzt wurde«, Durch das Diffuisionsverfahren in geschlossenem Kasten, das in der am 21_P Mai 1959 angemeldeten US-Patentanmeldung W 25 659 geschildert" ist, wurde bei den derart behandelten

20 Teilen eine Oberflächenkonzentration von etwa 10

Atomen je cm Bor erzielt, ^urch diese Diffusion erhielt man zwei Oberflächenteile_r mit p-Leitfähigkeit, die jeweils die Form eines "Schlüssellochs" hatten und die durch ein n-Oberflächengebiet von 0,0046 χ 0,0625 cm getrennt waren. Zur Erzielung einer optimalen Steilheit wird vorteilhafterweise die Länge dieses n-Oberflächengebiets geteilt durch seine Breite möglichst gross gemachte Das restliche Oxyd wurde dann in konzentrierter Fluss-Säure entfernt. Eiese Säure ergibt in etwa 5 bis 10 Minuten einen Belag auf den p-Oberflächenteilen, der oftmals zur Bestimmung der Lage der p-n-Übergänge im Silicium benutzt wird. Hier wird jedoch der Belag verwendet, um das p-Grebiet bei der nachfolgenden Ätzung abzudecken, wobei die Scheibe in einer Lösung 10:1 von Salpetersäure und Fluss-Säure 20 bis 30 Sekunden lang .gewaschen wird. Von den nicht abgedeckten Teilen der Oberfläche der Scheibe werden etwa 0,003 cm Silicium cn abgeätzt» Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, ^ dass die anfängliche Oberflächen-Beimengungskonzentration ,P der p-Oberflache dadurch erhalten bleibt, dass diese ο Oberfläche während der Ätzung geschützt wird, so dass ^₀" die Anbringung von ohmschen Kontakten erleichtert wird. ^ Die Scheibe wurde dann gereinigt und in Dampf entsprechend oo den Lehren der US-Patentschrift 2 930 722 oxidiert.

Durch Erhitzen der Scheibe auf etwa 65O⁰O 40 Minuten lang bei einem Druck von 55 Atmosphären wurde ein Oxydbelag von 1o000 !-Einheiten gebildet. Auf den Oxydbelag gegenüber den beiden p-n-Übergängen und dem η-Kanal wurde

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eine Aluminium-Elektrode von etwa 1.500 Ä-Binheiten aufgedampft. Durch daa Oxyd wurden zwei Löcher zu den p-Oberfläohenteilen der Scheibe gebohrt, dann wurde ein Q-oldleiter mit den offenliegenden iDeilen in bekannter Weise verbunden. Die Frequenzgrenze für die Einrichtung lag oberhalb 10 Hertz, während die maximale an die Übergänge angelegte Spannung bei V^ = 5 Volt 105 Volt betrug.

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BAD ORIQiNAL

Claims

Patentansprüche

( 1) ^albleitereinriehtung mit einer Halbleitersoneibe, ^ennseichnet durch Mittel, die wenigsten« «wei p-n-Übergänge umfassen, um einen Strom durch wenigstens ·1η·η Seil der Scheibe zu leiten, ferner ein· dielektrische Schicht auf wenigsten* einem feil der Scheibe, weiterhin Mittel sum Anlegen einer Spannung an die Übergang· und sohliesslioh Mittel, um ein elektrische« feld all de* dielektrischen Schicht hervorzubringen, wobei die Mittel zur Erzeugung der Schicht und des Feldes so angeordnet sind, dass daa Feld von Spannungβänderungen an den Übergängen abhängig ist.
2) Einrichtung nach Anspruch 1 _f dadurch gekennzeichnet, dass die p-n-tJhergänge eine gross·» fläche der Scheibe schneiden, wobei sich der dielektrische Belag wenigstens auf dieser gröaseren fläche befindet und da· feld so eingerichtet ist, dass es den Seil der Scheibenoberflache ewiechen den Übergängen sowie die dielektrieohe Schicht umfasst.
3) Einrichtungnach Anspruch 1, dadurch gekennseiohnet, dass die Scheibe aus einem Körperteil mit eine« Leitfähigkeit «typ besteht, ferner aus zwei Oberfl»ohenteilen mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp Ia einer grösseren fläche, die durch einen feil mit dem ersten Leitfähigkeitstyp getrennt sind und die Jeweils einen p-n-Übergang wilden, wobei der die-elektris«*· Belag. in innigem Kontakt mit der einen gröaeeren fläohe steht, wobei ferner jeder der Oberflächenteile einen ohmsohen Anschluss aufweist, und wobei schlieselioh eine llektrode auf dem dielektrischen Belag,der gegenüber dem Seil mit dem einen Leitfähigkeitstyp angeordnet ist, eines. ohmsohen Anschluss aufweist·

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4) Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daaa die Mittel zum Anlegen einer Spannung an die Übergänge aus einer Spannungsquelle und einer Belastung "bestehen, die zwischen die beiden ohmschen Anschlüsse an den Oberflächenteilen geschaltet sind, so dass ein p-n-Übergang in Flussrichtung und der andere p-n-Übergang in Sperrichtung vorgespannt ist, und dass die Mittel zum Hervorbringen eines Feldes an der dielektrischen Schicht aus einer zweiten Spannungsquelle bestehen, die zwischen den Anschluss an der Elektrode auf der dielektrischen Schicht und den Anschluss an dem °berflächengebiet geschaltet ist, das einen Seil des in Sperrichtung vorgespannten Übergangs bildet·
5) Einrichtung naoh Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalquelle in Reihe mit der zweiten Spannungs· quelle geschaltet ist.
6) Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Oberflächenteile durch eine Strecke von nicht mehr als 0,0076 cm getrennt und dass sich die Oberflächenteile von der grösseren Fläche aus um eine Strecke von etwa o,0025 cm nach innen erstrecken.
7) Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Scheibe aus Silieium besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum eine Siliciumdioxyd-Schicht ist, die auf der Scheibenoberfläche» gewachsen ist.

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