DE1464395B2 - Feldeffekt-Transistor - Google Patents

Feldeffekt-Transistor

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DE1464395B2 DE19631464395 DE1464395A DE1464395B2 DE 1464395 B2 DE1464395 B2 DE 1464395B2 DE 19631464395 DE19631464395 DE 19631464395 DE 1464395 A DE1464395 A DE 1464395A DE 1464395 B2 DE1464395 B2 DE 1464395B2
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Description

1 2
Die Erfindung betrifft einen Feldeffekt-Transistor Weiterhin läßt sich bei der Erfindung der zwischen mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper eines der Quelle und dem gesteuerten Teil des Kanals beersten Leitungstyps, der angrenzend an seine eine findliche Kanalteil so verkürzen, daß sein eine Hauptfläche eine einen Kanal bildende dünne Zone Gegenkopplung zwischen Eingangskreis und Ausentgegengesetzten Leitungstyps aufweist, an der im 5 gangskreis des Transistors bewirkender Widerstand Abstand voneinander zwei einen Stromweg begren- auf ein Minimum verringert wird,
zende ohmsche Elektroden angeordnet sind, und mit Schließlich wird es durch, die. Erfindung möglich, einer vom Kanal durch eine Schicht hohen Wider- eine durch die Herstellungstechnologie bestimmte Standes getrennten Steuerelektrode, die asymmetrisch Mindestlänge des Kanals tatsächlich zu verwenden, zwischen den ohmschen Elektroden angeordnet ist. io Bei den bekannten Ausführungen war die Kanal-Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Feldeffekt- länge in ihrem Minimum durch die Mindestlänge Transistor anzugeben, der auch bei höheren Frequen- der Steuerelektrode bestimmt. Diese, die größer ist zen zufriedenstellend arbeitet. Hierfür ist es wichtig, als die Kanalmindestlänge, kann mit Hilfe der Erfindaß die Kanallänge so klein ist, wie es die zur Ver- dung nunmehr unterschritten werden,
fügung stehenden Herstellungsverfahren zulassen, 15 Ein Transistor gemäß der Erfindung kann mehr und außerdem, daß eine möglichst geringe Kapazität als eine einzige Steuerelektrode enthalten. Gemäß zwischen Steuerelektrode und Abfluß und ein mög- einer Weiterbildung ist eine zweite Steuerelektrode liehst kleiner gegenkoppelnder Widerstand zwischen durch eine Isolierschicht von der ersten Steuer-Quellenelektrode und gesteuertem Kanal vorhanden elektrode getrennt und bezüglich dieser so versind. 20 setzt, daß die. beiden Steuerelektroden vom Kanal Es sind Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren be- aus gesehen eine ununterbrochene, zwischenraumlose kannt (L'Onde Electrique, Bd. 41, Nr. 407, S. 114 Struktur bilden. Durch diese Anordnung werden die bis 122; »Elektronische Rundschau«, 1960, Nr. 8, Vorteile der Erfindung auch bei einem isolierten S. 326 und 327; französische Patentschrift 1337425; Feldeffekt-Transistor mit mehr als einer Steuer-USA.-Patentschrift 2 750 542 u. a.), bei denen die 25 elektrode erreicht.
Steuerelektrode verschiedene Abstände von der Die Erfindung soll nun an Hand von Ausführungs-
Quellenelektrode einerseits und der Abflußelektrode beispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher
andererseits besitzt. Diese asymmetrische Anordnung erläutert werden; es zeigt
der Steuerelektrode, die teilweise auf der rotations- F i g. 1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbei-
symmetrischen Ringstruktur der betreffenden be- 30 spiels eines Feldeffekt-Transistors mit einer einzigen
kannten Feldeffekt-Transistoren beruht, gewähr- isolierten, von einer Halbleiterunterlage getrennten
leistet aber noch nicht, daß der leitende Kanal die Steuerelektrode sowie ein Schaltbild eines^'Vorspan-
geringstmögliche Länge hat und die Kapazitäts- und nungskreises,
Widerstandsverhältnisse optimal sind. F i g. 2 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ziel der Erfindung ist es, bei einem Feldeffekt- 35 Ausführungsform eines Feldeffekt-Transistors mit Transistor mit isolierter Steuerelektrode eine mini- zwei isolierten Steuerelektroden und
male Kanallänge bei optimalen Kapazitäts- und F i g. 3 ein Ersatzschaltbild des Feldeffekt-Tran-Widerstandsverhältnissen zu erreichen. sistors gemäß F i g. 1.
Ein Feldeffekt-Transistor mit einem scheibenför- F i g. 1 zeigt einen erfindungsgemäß aufgebauten migen Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps, der 40 Feldeffekt-Transistor 41, der eine isolierte Steuerangrenzend an seine eine Hauptfläche eine einen elektrode 49 aufweist. Der Feldeffekt-Transistor 41 Kanal bildende dünne Zone entgegengesetzten Lei- enthält ein Substrat 43 aus einem Halbleitermaterial tungstyps aufweist, an der im Abstand voneinander hohen spezifischen Widerstands. Das Substrat 43 zwei einen Stromweg begrenzende ohmsche Elektro- kann sowohl monokristallin als auch polykristallin den angeordnet sind, und mit einer vom Kanal durch 45 sein und aus einem der zur Herstellung von Transieine Schicht hohen Widerstandes getrennten Steuer- stören in der Halbleitertechnik üblichen Halbleiterelektrode, die asymmetrisch zwischen den ohmschen werkstoffe bestehen.
Elektroden angeordnet ist, ist gemäß der Erfindung Das Substrat 43 enthält einen reagierten Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode mit welcher eine Schicht 45 hohen spezifischen Widerihrem einen Ende über die eine ohmsche Elektrode, 50 Standes aus umgewandeltem Material des Körpers von der sie durch eine Schicht hohen Widerstandes und einen Kanal 47 niedrigen spezifischen Wider&angetrennt ist, übergreift und mit dem anderen Ende des zwischen der Masse des Substrates 43 und der im Abstand von der anderen ohmschen Elektrode Schicht 45 hohen spezifischen Widerstandes^aus umendet, gewandeltem Material des Körpers umfaßt. Das SubWenn die ohmsche Elektrode, über die die Steuer- 55 strat 43 der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung kann elektrode in der angegebenen Weise übergreift, als beispielsweise ein Einkristall aus p-leitendem SiIi-Quelle verwendet wird, wobei als Quelle diejenige cium sein, dessen spezifischer Widerstand etwa Elektrode bezeichnet ist, von der aus Majoritäts- 100 Ohm-cm und dessen Dicke etwa 0,27 mm beladungsträger in den Kanal strömen, erhält man tragen können. Die Schicht 45 hohen spezifischen eine kleine Kapazität zwischen dem Abfluß und der 60 Widerstandes wird durch einen oxydierten Teil der Steuerelektrode bei gleichzeitig minimaler Kanal- Oberfläche des Substrates 43 gebildet; sie ist etwa länge. Damit vermindert sich die Kopplung zwischen 2000 A dick und besteht im wesentlichen aus reinem dem Eingang und dem Ausgang des Transistors. Dies Siliciumoxyd, das durch vollständige Oxydation des bringt eine erhöhte Stabilität bei Analogkreisen und Siliciums des Substrates 43 entstanden ist. Der Kanal eine höhere Ansprechgeschwindigkeit bei Schaltkreir 65 47 niedrigen spezifischen Widerstandes wird gleichsen mit sich. Die dabei auftretende höhere Kapazität zeitig mit der Schicht 45 hohen spezifischen Widerzwischen Quellenelektrode und Steuerelektrode läßt Standes gebildet, er wird gelegentlich als Inversionssich kompensieren bzw. herausstimmen. schicht bezeichnet. Der Kanal 47 erstreckt sich unter-
halb der ganzen Schicht 45 hohen spezifischen Widerstandes und kann als teilweise oxydiertes Silicium beschrieben werden, welches eine Schicht zwischen dem reinen Silicium der Basis 43 und dem Siliciumoxyd der Schicht 45 hohen spezifischen Widerstandes bildet. Der niedrige spezifische Widerstand des Kanals 47 beruht vermutlich darauf, daß er freie Ladungsträger anzieht, die nicht im Gleichgewicht befindliche elektronische Ladungen in dem teilweise umgewandelten Halbleitermaterial des Kanals 47 kompensieren.
Die Steuerelektrode 49, die vorzugsweise aus einem Metall wie Aluminium besteht, befindet sich auf der Schicht 45 hohen Widerstandes gegenüber und im Abstand vom Kanal 47. Sie ist in Richtung auf eine als Quelle geschaltete ohmsche Elektrode 51 und weg von einer als Abfluß geschalteten ohmschen Elektrode 53 versetzt. Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, reicht die Steuerelektrode 49 über mindestens einen Teil der Quelle 51 und endet im Abstand vom Abfluß 53.
Die Quelle 51 und der Abfluß 53 befinden sich im Substrat 43 und sind an das jeweilige Ende des Kanals 47 angeschlossen. Die Länge des Kanals 47 entspricht dem Abstand zwischen der Quelle 51 und dem Abfluß 53 und beträgt im beschriebenen Beispiel etwa 12,7 μΐη. Die Quelle 51 und der Abfluß 53 sind Bereiche des Substrates 43, die durch Eindiffundieren von Verunreinigungen vom η-Typ leitend gemacht wurden. An sich können als Quelle 51 und als Abfluß 53 irgendwelche Strukturen dienen, die einen geeigneten Anschluß an den Kanal 47 herzustellen gestatten.
Teile der Quelle 51 und des Abflusses 53 werden von einer Quellenelektrode 55 bzw. einer Abflußelektrode 57 kontaktiert. Die Quellen- und Abflußelektroden 55, 57 bestehen vorzugsweise aus einem Metall wie Aluminium und können während desselben Verfahrensschrittes und aus demselben Material wie die Steuerelektrode 49 hergestellt werden.
In F i g. 1 ist der Feldeffekt-Transistor 41 als Verstärker in »Quellenschaltung« (d. h., die Quelle ist die dem Eingangskreis und Ausgangskreis gemeinsame Elektrode) geschaltet. Bei einer ersten Betriebsart werden die Abflußspannung Vd und der Abflußstrom Id durch Verändern eines Arbeitswiderstandes 37 und einer Steuerelektroden-Vorspannungsschaltung auf die gewünschten Werte eingestellt; die Vorspannungsschaltung für die Steuerelektrode 49 enthält einen Steuerelektroden-Vorspannungswiderstand 30 und eine Batterie 31, die zwischen Steuerelektrode und Masse geschaltet sind. Dann können Eingangsklemmen 29 mit einer Signalspannung Vg beaufschlagt werden. Ein Transistor mit einer Kanallänge von nur etwa 12,7 μηι kann noch im Gigahertz-Bereich betrieben werden. Der Abflußstrom Id fließt, konventionell gesehen, von Masse durch eine Spannungsquelle 35, den Arbeitswiderstand 37, die Abflußelektrode 57, den Abfluß 53, den Kanal 47, die Quelle 51 und die Quellenelektrode 55 zurück nach Masse. Die Majoritätsladungsträger sind bei dieser Ausführungsform Elektronen und fließen in umgekehrter Richtung. An zwei Ausgangsklemmen 33 kann ein Ausgangssignal abgenommen werden. Der Transistor kann als Impedanzwandler zur Umsetzung einer hohen Eingangsimpedanz in eine niedrige Ausgangsimpedanz und/oder zur Verstärkung eines Eingangssignals verwendet werden.
Der in F i g. 1 dargestellte Transistor kann durch folgendes Verfahren hergestellt werden: Eine etwa 0,46 mm dicke Scheibe aus p-Silicium mit einem spezifischen Widerstand von 100 Ohm-cm wird chemisch auf eine Dicke von 0,25 mm poliert. Auf einer Oberfläche der Scheibe wird dann thermisch eine gleichförmige Schicht aus mit Phosphor dotiertem SiIiciumoxyd gebildet, indem man die Scheibe etwa 10 Minuten in einer Atmosphäre aus Argon, das
ίο durch Trimethylphosphat und Tetraäthylorthosilikat geleitet worden war, auf 75° C erwärmt. Das niedergeschlagene Oxyd wird durch etwa 5 Minuten dauerndes Erwärmen auf 75° C in einer Atmosphäre aus Argon, das durch Silan geleitet worden war, verfestigt. Auf das verfestigte Oxyd wird nun eine lichtempfindliche Ätzschutzschicht aufgebracht, und nach der üblichen Belichtung durch eine Schablone und · nach Entwicklung dieser Ätzschutzschicht wird das Oxyd in bestimmten Bereichen weggeätzt, wobei das dotierte, verfestigte Oxyd auf denjenigen Bereichen verbleibt, die Quelle und Abfluß werden sollen, während das dotierte Oxyd von dem Bereich zwischen Quelle und Abfluß entfernt wird.
Die Scheibe wird nun auf etwa 900° C in Sauer- ., stoff erhitzt, um eine neue Siliciumoxydschicht in ' dem Bereich zwischen Quelle und Abfluß und eine Inversionsschicht unter dieser Oxydschicht entstehen zu lassen. Gleichzeitig diffundieren Verunreinigungen vom dotierten und verfestigten Oxyd in die Scheibe-.
Durch diese Diffusion werden die stark,; dotierten Quellen- und Abflußbereiche 51, 53 gebildet., Die Scheibe wird dann mit einer lichtempfindlichen Ätzschutzschicht überzogen und so geätzt, daß die Quelle und der Abfluß durch die Oxydschicht hindurch zugänglich werden. Anschließend wird die gesamte Oberfläche der Scheibe mit Aluminium bedampft. Auf die Aluminiumschicht wird nun wieder eine · lichtempfindliche Ätzschutzschicht aufgebracht, und das Aluminium wird von der Oberfläche der Scheibe abgeätzt, mit Ausnahme derjenigen Stellen, an denen sich die Quellenelektrode, die Abflußelektrode und die Steuerelektrode befinden. Durch diesen Verfahrensschritt wird also die Form der Steuerelektrode bestimmt. Schließlich wird die Scheibe zugeschnitten, und die Quellen-, Abfluß- und Steuerelektrode werden mit Anschlüssen versehen.
F i g. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Feldeffekt-Transistors 41 gemäß F i g. 1. Es enthält eine Quellenkapazität Csg und einen Quellenwiderstand R,sg in Reihe zwischen der Steuerelektrode 49 und der · Quelle 51 und eine Abflußkapazität Cdg und einen Abflußwiderstand Rdg in Reihe zwischen der Steuerelektrode 49 und dem Abfluß 53. Das Ersatzschaltbild umfaßt außerdem eine verteilte Kapazität Ccg zwischen der Steuerelektrode 49 und dem gesteuerten Teil des Kanals des Transistors. Das Ersatzschaltbild zeigt, daß zwischen der Quelle 51 und dem Abfluß 53 drei Widerstände in Reihe liegen. Der erste Widerstand Rsc liegt zwischen der Quelle und dem gesteuerten Teil des Kanals, der zweite Widerstand Rc entspricht dem gesteuerten Teil des Kanals, und der dritte Widerstand Rdc liegt zwischen dem gesteuerten Teil des Kanals und dem Abfluß 53.
Das Ersatzschaltbild berücksichtigt außerdem, daß der Steuerelektrode der Einrichtung drei Kapazitäten zugeordnet sind, die erste Kapazität Csg liegt zwischen der Quelle 51 und der Steuerelektrode 49, die zweite Kapazität Cdg zwischen dem Abfluß 53 und
der Steuerelektrode 49 und die dritte, verteilte Kapazität Ccg zwischen der Steuerelektrode und dem Kanal. Da die zweite Kapazität Cds einen wesentlichen Teil der Eingangskapazität des Transistors darstellt, soll sie so klein wie möglich sein, dies gilt jedoch auch für die anderen Kapazitäten.
Durch das Versetzen der Steuerelektrode 49 in der in F i g. 1 dargestellten Weise wird Cdg verringert und die effektive Eingangskapazität dementsprechend um einen Betrag verkleinert, der eine Funktion des Betrages der Versetzung ist; ebenso wird der Widerstand Rsc verringert und dadurch die Gesamttranskonduktanz der Einrichtung verbessert, da Rsc ein unüberbrückter Gegenkopplungswiderstand ist, der sowohl im Eingangskreis als auch im Ausgangskreis liegt.
Eine Erhöhung von Rdc hat beim gewöhnlichen Betrieb des Transistors nur einen geringen Einfluß, da Rdc normalerweise klein gegenüber dem gewöhnlich in der Schaltung vorhandenen Arbeitswiderstand, z. B. dem Arbeitswiderstand 37 in F i g. 1, ist. Eine Erhöhung von Csg beeinflußt gewöhnlich den Betrieb des Transistors ebenfalls nur wenig, vor allem da diese Kapazität auch durch eine geeignete Induktivität in der Betriebsschaltung kompensiert werden kann.
Die versetzte und die Quelle zumindest teilweise überlappende Steuerelektrode erlaubt weiterhin die Verwendung eines sehr kurzen Kanals, dessen Mindestlänge nicht durch die Mindestlänge der Steuerelektrode bestimmt ist.
Die erfindungsgemäße Ausführung des Transistors erfüllt also einen oder mehrere der folgenden Zwecke:
1. Erhöhung der Grenzfrequenz des Transistors und der ihm zugeordneten Schaltung;
2. Verringerung der Kopplung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Transistors und
3. Verbesserung der Transkonduktanz des Transistors.
F i g. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines Planar-Feldeffekt-Transistors. Der Transistor 41 α der F i g. 2 entspricht dem Transistor 41 der F i g. 1 mit der Ausnahme, daß eine zusätzliche, zweite Steuerelektrode 59 vorgesehen ist.
Bei einem Feldeffekt-Transistor mit zwei (oder mehr) Steuerelektroden, die längs des Kanals im Abstand voneinander angeordnet sind, entstehen nicht nur die Widerstände Rc, Rsc und Rdc, die oben erwähnt wurden, sondern auch zusätzliche Widerstände längs des Kanals gegenüber den Zwischenräumen zwischen benachbarten Steuerelektroden.
Analytische Untersuchungen haben ergeben, daß alle Steuerelektroden als eine einzige Steuerelektrodenanordnung betrachtet werden können. Zur Verbesserung der Betriebseigenschaften eines solchen Planar-Feldeffekt-Transistors ist es zweckmäßig, eine, vom Kanal aus gesehen, kontinuierliche Steuerelektrodenstruktur vorzusehen. Hiermit ist gemeint, daß die einzige oder mehrere Steuerelektroden dem Kanal eine kontinuierliche Fläche ohne Zwischenräume darbieten. Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform enthält die zweite Steuerelektrode 59, die von der ersten Steuerelektrode 49 a durch eine Isolierschicht 61 isoliert ist. Die die beiden Steuerelektroden 49 a, 59 umfassende Steuerelektrodenanordnung ist ebenfalls vom Abfluß 53 a weg versetzt und überdeckt einen Teil der Quelle 51 a, wie in Verbindung mit F i g. 1 erläutert wurde.
Die in F i g. 2 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1
ao mit der Ausnahme, daß ein zweites Paar von Eingangsklemmen 63 und eine Schaltungsanordnung 64, zur Erzeugung einer Vorspannung an der zweiten Steuerelektrode 59 vorgesehen sind.

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Feldeffekt-Transistor mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps, der angrenzend an seine eine Häüptfläche eine einen Kanal bildende dünne Zorie entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, an der im Abstand voneinander zwei einen Stromweg begrenzende ohmsche Elektroden angeordnet sind, und mit einer vom Kanal durch eine Schicht hohen Widerstandes getrennten Steuerelektrode, die asymmetrisch zwischen den ohmschen Elektroden angeordnet ist, dadurchgekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (49) mit ihrem einen Ende über die eine ohmsche Elektrode (51), von der sie durch die Schicht (45) hohen Widerstandes getrennt ist, übergreift und mit dem anderen Ende im Abstand von der anderen ohmschen Elektrode (53) endet.
2. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine weitere Steuerelektrode (59), die durch eine Isolierschicht (61) von der ersten bzw. vorangehenden Steuerelektrode (59 a) getrennt und bezüglich dieser so versetzt ist, daß die Steuerelek'troden vom Kanal aus gesehen eine ununterbrochene Struktur bilden (F i g. 2).
40
45
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DE1464395A 1962-12-17 1963-12-13 Feldeffekt-Transistor Expired DE1464395C3 (de)

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