DE1514017A1

DE1514017A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE1514017A1
Application number: DE19651514017
Authority: DE
Inventors: William Shockley
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1964-06-11
Filing date: 1965-06-10
Publication date: 1969-06-26
Also published as: BE669076A; NL6507538A; US3339086A; FR1458962A; DE1514017B2; GB1060208A; SE316237B

Description

Dipl.«Ing. Heins Ciaessen W. Shooleley - Patentanwalt

7, Stuttgart*!,

HotbUhl.tr. 70 1514017

ISE/Reg. 3177 - Pl 228

INTERNATIOHAL STANDABD ELSCTRIC CORPORATION, NBW YORK Halbleiteranordnung

Die Priorität der Anaeldung in den Vereinigten Staaten von Amerika voe 11. Juni 1964 Nr. 374 301 1st in Anspruch genomen.

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, insbesondere einen Transistor, der i» Gebiet des Lawinendurohbruche arbeitet (avalanohe transistor).

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Halbleiteranordnung, bei der die Erzeugung von Ladungsträgern durch Lawinenbildung mittels einer Steuerelektrode gesteuert wird. Diese durch Lawinenbildung entstandenen Ladungsträger fllessen durch den Hauptspannungsabfall der Anordnung an Stellen hoher elektrischer Felder. Wegen der kurzen Laufzelt der gesteuerten Ladungsträger sind derartige Halbleiteranordnungen, die nan auch als Lawinentransistor bezeichnet, zum Betrieb bei hohen Frequenzen geeignet. Weiterhin können nach der Erfindung durch geeigneten Aufbau Hochfrequenz Hochleistungetransistoren hergestellt werden, die relativ temperaturunempfindlioh sind. Sohliesslioh sollen nach der Erfindung die durch Lawinenbildung entstandenen Ladungsträger durch eine stromlose Steuerelektrode gesteuert werden.

Die Ausbildung der Erfindung, ihre erfinderischen Merkeale und ihre Vorteile werden im folgenden im Zusammenhang «it der Zeichnung näher erläutert.

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Die Figuren haben folgende Bedeutung:

Figur 1 ist ein Längsschnitt durch einen Transistor nach der Erfindung;

Figur 2 stellt eine Draufsicht auf eine Anordnung genäse Fig.l dar;

Figur 2 stellt einen Längsschnitt durch einen Mesatransistor mit den Merkmalen der Erfindung dar;

Figur k gibt sehenatlsch dl· Verteilung des elektrischen Feldes einer Anordnung genäse Fig. 1 an;

Figur 5 gibt die Verteilung des elektrischen Feldes einer Anordnung gemäss Fig. 3 an;

Figur 6 zeigt eine Verstärkerschaltung mit einer Anordnung ' ■ ' + nach der Erfindung;

Figur 7 zeigt eine weitere Transistoranordnung nach der Erfindung;

Figur 8 gibt einen LMngssohnitt entlang der Linie 8-8 der Flg. 7 an, und

Figur 9 zeigt einen Transistor mit einer gerippten Struktur.

Das Hauptmerkmal eines Transistors nach der Erfindung besteht darin, dass die gesteuerte Lawinenbildung von Ladungsträgern durch eine Steuerelektrode, die keinen Merkbaren Strom zieht» gesteuert wird. Diese durch Lawinenbildung entstandenen Ladungsträger fliessen durch die Stellen des hauptsächlichen Spannungsabfalls der Anordnung und durch eine Last.

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Die in Figur 1 dargestellte Anordnung entspricht einer sogenannten Planar-Struktur. Der Kalbleiterkörper 11 besitzt Verunreinigungen eines Leitfähigkeitstyps. Die in diesen Körper eingesetzte Zone 12 hat den entgegengesetzten Leitfähigkeit«typ und bildet mit der Zone 11 einen gleiehriohtenden pn-übergang 13· Ia vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die Zone 12 eine verhältnismässig hohe Konzentration von Donatoren und bildet eine n⁺-leitende Halbleiterzone. Die Zone 11 enthält im wesentlichen Akzeptoren, die eine Zone vom p-Leitfähigkeitatyp bilden* Ein Teil mit verhältnisnassig grosser Verunreinigungakonxentratlon bildet eine p⁺-leitende Übergangszone 14 zu« Anbringen des ohmschen Kontaktes 16. An der Zone 12 ist ein ohmscher Kontakt 20 angebracht. Auf einer Oberfläche der Anordnung ist eine Isolierschicht 18 angebracht, die den sich bis zur Oberfläche erstreckenden Teil 17 des pn-Uberganges 13 überdeckt. Diese Isolierschicht kann aus einem auf thermischem Wege oder auf eine andere bekannte Weise gebildeten Oxyd des Halbleitermaterial bestehen. In der Nähe des Teils 17 des pn-überganges 1st über der Isolierschicht3ß eine Steuerelektrode 19 angebracht. Diese Elektrode kann ebenso wie die anderen bereits erwähnten Elektroden z.B. durch Aufdampfen von Metall oder andere bekannte Aufbringungsarten hergestellt werden.

Die einzelnen Zonen sollen im folgenden durch Ausdrucke entsprechend ihrer Funktion bei Betrieb der Anordnung bezeichnet werden. Da die Funktionen der Zonen sehr ähnlich denen bei einem Feldeffekttransistor aind, wird auch eine ähnliche Terminologie verwendet. Die Zone 12 isteine Quelle (source) von Ladungsträgern! die Zone 11 bildet zusammen alt der niederen«!- gen Zone 14 eine Senke (drain) für die Ladungsträger, und die Elektrode 19 bildet die Steuer- bzw. Qatterelektrode (gate). Dementsprechend werden die Bezeichnungen s, d und g für die Elektrode der Quelle, der Senke und des Gatters verwendet.

Im Betrieb ist die Anordnung so angeschlossen, dass die für die Lawinenbildung erforderliche Avalanohe-Spannung an einem Teil

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dee pa-überganges zwischen der Quelle und der Senke vorhanden 1st. Bekanntlich wird diese Art dea Spannungsdurohbruohe dadurch verursacht, dass Ladungsträger in relativ hohen Feldern derart beschleunigt werden* bis sie genügend Energie besitzen, um Atome xu Ionisieren und dadurch zusätzliche Ladungsträger zu bilden, welche wiederun an dem Vorgang teilnehmen, so dass eine Ladungsträgervervlelfaohung einsetzt. I« wesentlichen wird der Durchbrach an den Stellen 17 des pn-Überganges, welcher in der Nähe der Oberfläche liegt, einsetzen. Dies wird durch das elektrische Feld bewirkt, das in der Hähe der Oberfläche an diesem Teil des pn-überganges asi gross ten let.

Wenn »an einmal von der Annahne ausgeht, dass die Steuerelektrode nicht vorhanden wäre, dann würde das Anbringen einer relativ hohen Oegenspannung zwischen Quelle und Senke den Avalanche-Durohbruoh verursachen. Der Avalanche-Strom würde sich auf einen bestimmten Vert stabilisieren, der von der gegebenen Spannung «wischen Quelle und Senke abhängt. Gewöhnlich werden zweipolige Bauelemente dieses Typs in Iepuleschaltungen oder In Schaltungen zur Spannungestabilisierung eingesetzt.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zu Grunde, dass es durch eine unabhängige Steuerung des elektrischen Feldes an pn-übergang I^ etSglich 1st, den Durohbruchsstroa (avalanche current), der wir Senke fllesst, zu steuern. Die Steuerelektrode stellt soult ein Mittel sub Anbringen eines zusätzlichen und unabhängigen elektrischen Feldes in der Nähe des Entstehungspunktes des Avalanehe-Durehbruohs (asp) an pn-übergang 13 dar. Die GrOsse des Strostflusses zwischen den Elektroden der Quelle und Senke wird dann durch Anbringen einer Steuerspannung kontrolliert, welche dazu verwendet wird, das Feld an Sntstehungspunkt des Avalanehe-Durehbruohs su verstärken oder abzuschwächen. Der Durohbruehsstron ist annähernd linear abhängig von der angebrachten Steuerspannung.

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Vorzugsweise ist bei den betrachteten Ausführungsbeispielen der pn-übergang unsymmetrisch ausgebildiet. Er ist an der der Quelle zuliegenden Seite höher dotiert. Dies wird im wesentlichen erreicht, wenn die Quellenzone durch Diffusion hergestellt wird. Das Hauptfeldtür die Stelle des Avalanche-Durchbruchs entsteht in der Nähe des pn-Uberganges, dessen Unsymmetrie bewirkt, dass der Spannungsabfall zwischen Quelle und Senke im wesentlichen zwischen der Stelle (asp) des entstehenden Avalanche-Durohbruohs und der Senke liegt. Demnach genügt es, die Steuerelektrode nur in unmittelbarer Nachbarschaft der Stelle anzubringen, an der der pn-übergang die Oberfläche erreicht, um eine Steuerung des Feldes as Entstehungapunkt des Avalanohe-Durchbruchs durch eine zwischen Senke und Quelle angelegte Spannung zu erreichen.

In Figur 6 ist eine Anordnung dargestellt, bei welcher ein Eingangssignal E zwischen Quelle und Steuerelektrode zur Modulation der Spannung des Avalanohe-Durchbruohspunktes 17 am pn-übergang und damit zur Steuerung der Ladungsträger dient. Eine verhältnlsnäaeig hohe Sperrspannung 21 liegt zwischen der n-leitenden Quelle und der p-leitenden Senke in Reihe mit einem Lastwiderstand 22, über dem das verstärkte Ausgangsßignal A abgegriffen wird. Falls erforderlich, kann die Last 22 eine kapazitive Komponente 23 enthalten, die durch die gestrichelten Linien angedeutet let und die eine Anpassung der Last an die Quellen-Senken-Kapaaität bewirkt. Sie verbessert die Lei3tungsverstärkung.

Die in Figur 3 dargestellte Anordnung wirkt ähnlich wie die Anordnung naoh Fig. 1 und enthält für gleiche Teile gleiche Bezugezeiohen. Die Anordnung hat tine Mesastruktur, bei der dl· Ränder de« pn-üb«rganges 13 an die Oberfläche 25 der Anordnung treten. Eine Isolierschicht 19, z.B. eine Oxydschicht, liegt Über dem. Teil 25· Di* Steuerelektrode g 1st auf der Oxydschioht über dem pn-übergang angebracht.

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In Figuren 4 und 5 1st das elektrische Feld In den entsprechen· den Anordnungen für eine η-leitende Quelle und eine p-leitende Senk· dargestellt» um die Wirkungsweise der Anordnung zu erläutern. Ea lat an diesen Figuren ersichtlich, dass das elektrische Feld unterhalb der Quellenelektrode im wesentlichen parallele Feldlinien Besitzt. In Fig. 4 ist an den Rändern der diffundierten Quellenzone eine Feldkonzentration feststellbar. In Fig. wirkt dagegen die Steuerelektrode als Abaah Innung. Diese Absehlmswirkung hat eine Verminderung des elektrischen Feldes an den Rändern der Quellenelektrode zur Folge, wenn keine Steuerspannung angebracht ist.

Figuren 4 und 5 veranschaulichen den Einfluss einer in Hinblick auf die Quelle negativen Steuerapannung. Diese verstärkt das elektrische Feld an der der Quellenzone benachbarten Seite. Da der Abstand zwischen Steuerelektrode und Quelle klein in Vergleich zua Abstand zwischen Senke und Quelle ist« können wesentlich kleinere Spannungen grosse elektrische Felder in der Nachbarschaft der Steuerelektrode erzeugen. Ein Avalanche-Durchbruoh kann somit an den Stellen des Avalanche-Durohbruchspuaktes leicht erreicht, werden.

Der Einfluss der Steuerspannung auf dieses Feld ist sehr stark. Das wird verständlich bei Berücksichtigung der dielektrischen Verschiebung, die in einem guten Isolator, z.B. Sllieiumoxyd oder Titandioxyd, erhalten werden kann, im Vergleich zur dielektrischen Verschiebung, die in Silicium erforderlich ist, um einen

Avalanche-Durohbrueh zu verursachen» Die dielektrische Verschiert

bung wird bezeichnet incoulomb/om . Sie wird durch die Formelzeichen KS ausgedrückt, wobei E das elektrische Feld in Volt/cm und K die Dielektrizitätskonstante in Farad/cm sind. Die dielektrische Verschiebung bei Silloiumoxyd kann um ein Mehrfaches grosser gemacht werden als diejenige, die notwendig ist, um ein Avalanche-Feld in silicium zu erzeugen. Der für Silicium erforderliche Wert beträgt etwa 0,5 χ 10 coulomb/cm², da die entsprechenden Werte für K und E unter Avalanohe-Durohbruchbedingungen

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etNB-K - 1.04 ac XO**¹² Parad/om und Eg - 0,5 X 10⁶ Volt/en betragen. FUr einen Isolator »it hoher Dielektrizitätskonstante, z.B. Titandioiyd, werden achtfachere elektrische Felder und Steuerspannungen für die gleiche dielektrische Verschiebung benötigt.

Wenn an die Steuerelektrode eine Spannung im Sinne der Verringerung der Durchferuchespannung angelegt und dieJBenkenapannung in der entgegengesetzten Richtung erhöht wird, wird In den Sntetehungspunkt des Avalanehe-Durehbruehs der Durchbruoh eingeleitet. Dabei setzt eine spontane Erzeugung von Ladungsträgern an diesen Ursprungspunkt ein, sobald die ersten thermisch oder auf andere Weise vorher erzeugten Ladungsträger diese Stelle durchqueren. Durch die Erzeugung von Ladungsträgern wird eine Raueladung aufgebaut, welche das elektrische Feld gerade auf die Durchbruohsspannung reduziert, wobei eine Avalanche-Entladung aufrechterhalten wird«

In Falle der Figuren 4 und 5 fliessen Löcher, die durch diese Avalanche-Entladung erzeugt werden, in Richtung der Feldstärkelinien. Sie können nicht injäie SlliciUB-Dioxydsehioht Überwechseln und neigen daher dazu* sich in einer Schicht unter der Oberfläche zu sanmeln. Diese Ansaintlung von Ladungsträgern ist einer der Beiträge» die das Feld an Ursprungspunkt des Avalanche-Durohbruehs bis auf den Durohbruchswert Eg reduzieren. Die gegen die Isolierschicht gedrückten Ladungsträger finden ein tangentlales elektrisches Feld» das durch die Steuerspannung und durch die Senkenspannung erzeugt wird. Sie bewegen sieh demzufolge parallel der Oxidschicht, bis si$^ln Figuren 4 und 5 nit 26 bezeichneten Ifcikehrpunkt erreichen. An dieses Punkt biegt das elektrische Feld senkrecht zu der Si-SiOg-Zwisehenfläehe vm, so dass die Ladungsträger jetzt zur Senke abfllessen.

Mach der in Figuren 4 und 5 dargestellten Feldverteilung 1st leicht einzusehen, dass die Tangentialkomponente des elektrischen Feldes wesentlich klelnerjtst als das elektrische Feld an Ursprungs* punkt des Av&lanehe-Durehbruchs. Andererseits ist dieses

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tangentiale Feld nieht wesentlich mehr als'um da« Zehnfach· kleiner. Daraue folgt, daee das Feld bei gewöhnlichen HaIblelteranordnttngen noch relativ hoeh ist, ao dace die TrUgerbewegung in diesen Feldern »it einer Driftgeaehwindlgkeit erfolgt, die dicht unterhalb derjenigen liegt, bei der Stossprozesse einsetzen. Vermutlich erreichen diese Geschwindigkeiten einen Wert von v_e * 2 χ 10' osi/see.

Ea sei noch darauf hingewiesen, dass bei einer anordnung, wie sie in Figur H dargestellt 1st, eine Wirkungsweise möglich ist, bei welcher das an der Steuerelektrode liegende Potential so besessen sein kann, dass es die Durohbruohspannung über den Wert erhöht, den sie erhalten würde, wenn die Steuerelektrode Mit der Quelle verbunden wäre. Unter diesen Bedingungen 1st das aus der in Avalanche-Durchbrach gesteuerten Schicht heraustretende elektrische Feld so beschaffen, dass es Löcher nach innen befördert. Demzufolge fllessen die am Entstehungspunkt des Avalanche-Durchbruohs erzeugten Ladungsträger nioht gegen die Oberfläche, sondern durchwandern die Transportzone direkt vom Avalanohe-Durohbruehspunkt aus zur Senke, ohne alt der Oxidschicht in Berührung su körnen. Für einige Betriebsarten hat dies den Vorteil, dass irgendein Einfluss des Oberflächenzuetandes zwischen den Silicium und dem Siliciumoxid abgeschwächt ist, da Änderungen in der Ladung entsprechend den Änderungen in der Trägerdichte keine Gelegenheit haben, diesen Zustand zu beeinflussen.

Nan kann auf die in Figuren 4 und 5 dargestellten Verhältnisse auch elektrostatische Betrachtungen ähnlich denen bei Vakuumröhren anwenden, insbesondere kann das Verhältnis des elektrischen Feldes am Entstehungspunkt des Avalanohe-Durohbruohs durch einen Spannungs· Verstärkungsfaktor/u dargestellt werden. Ein Vorteil der Ausbildungsform in Figuren 3 und 5 besteht darin, dass die Absohlrmwlrkung der Steuerelektrode bewirkt, dass die Senkenspannung am Erreichen des Avalanohe-Durchbruohspunktes gehindert wird. Infolgedessen kann eine Anordnung dieser Art so ausgebildet werden, dass

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sie ein relativ hohes /U hat. Werte von 10 oder mehr sind erreichbar.

Ein Vorteil des oberflächengesteuerten Lawinentransistors für die Anwendung bei relativ hohen Leistungen besteht darin, dass er frei von themischen InstabilitKt 1st, die zur Zerstörung b«i Leistung»· transistoren führt. Biese thermischen Instabilitäten sind in zahlreichen Veröffentlichungen bereite erörtert worden. Sie entstehen durch den positiven Temperaturkoeffizienten des Stromes bei konstanter Spannung. Als Folge dieses positiven Temperaturkoeffizienten verbraucht ein örtlich erhitzter Fleok (hot spot) in einen Transistor mehr Leistung alsihm zukommt. Dies kann zu j einer instabilen Temperaturerhöhung führen, welche schlieeelioh eine Stromkomzentratlon und Zerstörung des Transistors oder zumindest eine ungenaue Arbeitsweise bewirkt. FUr einen Lawinentransistor mit Oberflächen«teuerung ist der entsprechende Temperaturkoeffizient negativ. Dies folgt aus den bekannten Effekten, welche die Ursache dafür sind, dass die Avalanohe-Durehbruchspannung einen positiven Temperaturkoeffizienten hat, so dass bei konstanter Spannung mit ansteigender Temperatur eine Avalanche-Zone dazu neigt, sich selbst auszuschalten.

Die Theorie der Wirkungsweise eines Transistors wird verständlich, wenn man die Leitfähigkeit eines ElnheitswUrfela Kv,, - 2 χ 10~* Siemens einführt. Man erhält diese aus der Betrachtung eines Widerstandes entsprechend der Raumladung von sekundären Ladungsträgern. Für Strukturen, wie sie in Figuren 4 und 5 angegeben sind, entspricht die Leitfähigkeit eines Einheitswürfels annähernd dem Wert der Leitfähigkeit pro Einheitswürfel in der Nachbarschaft des Brsprusgspunktee des Avalanche-Durchbruehe. Für diesen Fall kann angenommen werden, dass Jeder Würfel eine Seitenlange nahezu gleich der effektiven Dick« der Avalanche-Steuerschioht hat. Die effektive Dicke a ist definiert in Einheiten der äquivalenten Dicke einer Slllsiumsehioht, welche die gleiche Kapazität pro Flächeneinheit haben würde. Da SiO₂ eine Dielektrizitätskonstante

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von 4 in Bezug auf Vakuum hat und der entsprechende Wert von Silicium nahezu 12 ist, ergibt sich eine effektive Dioke a, die der tatsächlichen Dicke, dividiert durch 3, entspricht. Die Zahl solcher Würfel pro Längeneinheit von Strukturen, wie sie in Figuren 4 und 5 dargestellt sind, beträgt l/a. Demnach beträgt die gesamte Leitfähigkeit Kv_ffl/a. Diese Leitfähigkeit besieht sich auf die Spannung oberhalb derjenigen, die notwendig let, UJR das Feld für den Avalanehe-Durchbruoh Eg in den Ursprungspunkt des Avalanohe-Durchbruohs zu errichten, vorausgesetzt, dass die Senkenspannung hoch genug ist, üb die durch den Avalanche-Durchbruch erzeugten Ladungsträger zu sammeln. Für Spannungen unterhalb der zur Erzeugung von Eg benötigten Spannung hat der Stro« einen relativ vernachlässigbaren Wert in Verbindung »it de» entgegengesetzten vorgespannten pn-übergang. Ea ergibt sich daraus

I - (PKv₈₁Za) Vg + (V_d//u) ■- V₀ oder 0.

Darin bedeuten V₀ dl« Spannung, die durch V + (V_d//u) überschritten werden nuss, vm Eg an Ursprungspunkt des Avalanche-Durchbruoha zu erreichen. I ist der gesamte Trägerstro», der durch di® Anordnung flieset} V und V^ sind Spannungen im Hinblick auf die Quelle, angelegt in der Durohbruchsrichtung des pn-überganges. P ist der Utafang der Anordnung in c», und /U der SpannungS"Verstlrkung8faktor, der für entsprechende Strukturen elektrostatisch erreichbar 1st. Wenn man diese Betrachtung nit de» Bedingungen für die Laufzeiteffekte koabiniert, erkennt ssan, dass optimale Strukturen bei Frequenzen brauchbar sind, dl» »it der Lauf zelt der Ladungsträger durch die Struktur vergXelohbar sind*

Ss kann auch «in»-lswliundergMobaohtelte oder verzweigte Struktur verwendet werden. In Figuren 7 und 8 ist eine derartige Struktur dargestellt. Sie enthält eine Senkenzone Jl »it einer Kontaktsofi® 32 hohe? Verunreinigungskonzentration, auf welcher die Senkesielektrode 33 angebracht ist. Eine rippen-

fttmlge

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Eine rippenförmlge Quelle 34 ist in die Senkenzone eingesetzt und bildet einen gleichrichtenden pn-übergang 36". Auf der oberen Oberfläche ist eine Oxidschicht yj Angebracht« Die . Steuerelektrode ^8 ist auf der Oxydsohioht benachbart dem pn-übergang 56 angebracht. Ausserde« befindet sich eine Elektrode 39 auf der Quellenzone. Die inelnanderversohaehtelte Anordnung ist zun Betrieb für hohe Leistungen geeignet wegen des grosseren Umfang» der Ursprungsetelle des Avalanche-Durchbrucha.

Die Anordnung der Figur 7 kann so abgeändert werden, dass 39 die Steuerelektrode und 38 die Quellenelektrode wird. In diesem Falle stellen die Steuerzonen Einschnitte entsprechend den abgesenkten Selten der Mesastruktür der Figuren 3 und 5 dar. Ein derartiger Einschnitt ist in Figur 9 gezeigt. Ein Vorteil dieser Struktur besteht in der geringen Dicke der Oxydschicht 40 zwischen der Steuerelektrode 48 und dem Entstehungepunkt des Avalanche-Durchbruohs, verglichen mit der wesentlich dickeren Schicht 47 zwischen der Steuerelektrode und der Quellenzone 46. Dadurch können hohe /U-Werte erhalten werden ohne Erhöhung der Kapazität zwischen Quelle und Steuerzone; eine Erhöhung der Kapazität würde entstehen, wenn die Oxydschicht 40 so dick wie die Oxydschicht 47 wäre.

Man erhält eine solche Struktur, wenn die Schicht 40 durch anodisohe Oxydation hergestellt wird. Ein weiterer Vorteil einer Struktur mit einer in einem Einschnitt gemäss Figur 9 befindlichen Steuerzone besteht darin, dass die Einschnitte eng gemacht werden können. Dadurch wird die Kapazität zwischen Steuerzone und Senke verringert. Die Steuerelektrode kann grosser sein als der Einschnitt, da sie auf der Oxydschicht 47 liegt. Die Vorteile für die Verbesserung der Hoohfrequenzeigenschaften wegen der Verringerung der Steuerzonenkapazität gegenüber der Quelle und der Senk· infolge des geringen Abstandes gegenüber dem Entstehungspunkt des Avalanohe-Durehbruohs, wodurch der Strom gesteuert wird, sind die gleichen wie die Vorteil«, die durch Verringerung der Oltter-Anoden- und Gitter-Katodenkapazltat in

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einer Vakuumröhre bei Erhaltung hoher Leitfähigkeit entstehen.

Obwohl die Verfahren zum Herstellen der dargestellten Ausführungsbeispiele bekannt sind, soll ein Beispiel eines Mesa- und eines Planar-Typs angeführt werden, so dass die Lehre der Erfin- ■ dung ohne Schwierigkeiten ausgeführt werden kann.

Als Ausgangsmaterial für die Herstellung einer Mesaanordnung wird eine epitaktisch erzeugte η-leitende Silieiumsehicht. auf einen n^-Substrat verwendet. Die n⁺-Sehieht des Körpers dient als Senkenkontaktzone. Eine p⁺-Quellenzone wird in die n-Schicht eindiffundiert. Der Widerstand der n-epitaktlsohen Schicht beträgt 9,2 12cm bei einer Dicke von 20 /U. Als Ausgangsmaterial für eine Anordnung mit Planarstruktur wird 3ftsm p-leitendes Silicium gewählt. Ohmsohe Steuer- und Quellenkontakte werden sowohl auf der Mesa- als auch auf der Planaranordnung durch Aufbringen von Aluminiumeohichten und selektives Ätzen erhalten. Der Senkenkontakt wird durch Aufdampfen von Gold erzeugt.

Die einzelnen Verfahrenssohrltte für die Herstellung der Mesaanordnung sind folgende:

1. Ätzen und Reinigen der η-leitenden Oberfläche.

2. Abscheiden der p⁺-Zone (Bor, 30 Minuten bei 95O⁰C).

3· Oxydleren des Körpers in Äthylsilikat bei 75O⁰C während einer Stunde sub Erzeugen einer dicken Oxydschicht über der Quellenzone.

4. Aufbringen eines lichtempfindlichen Lackes auf die Äthylsllikat-Oxydsohichthub Pestlegen der Mesa zone und der Zone fUr den Quellenkontakt.

5. Abätzen der nicht bedeckten SiOg-Schicht zum Freilegen der Fläche für den Kontakt an die n⁺-Quellenzone und der Fläche fUr den n*-Mesa.

6. Entfernen des lichtempfindlichen Lackes.

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7. Maskieren der Mesazone mit Wachs.

8. Abätzen der niohtmaskierten n⁺-Oberflache zum Bilden des Mesa.

9. Reinigen der Anordnung und Erhitzen in trockenem Sauerstoff während 20 Minuten bei 1100⁰C zum Herstellen einer dünnen thermischen Oxydsohicht über den Mesarändern.

10. Aufdampfen von Aluminium über die gesamte obere Oberfläche der Anordnung.

11. Aufbringen eines lichtempfindlichen Lackes zum Beet Immen der ringförmigen Steuerelektrode, die die Mesaseite bedeckt.

12. Abätzen der niehtabgedeckten Aluminiumsehicht zum Erzeugen des Ringes der Steuerelektrode Über den Mes&rändern.

13« Entfernen des lichtempfindlichen Lackes.

lh. Kurzes Ätzen zum Entfernen des SiOg, welches bei Schritt 8 entstanden war, in der Fläche für den Quellenkontakt.

15· Aufbringen von Aluminium durch Metallmasken als Kontaktelektrode für die Quellenzone.

l6. Aufdampfen von Gold auf die Rückseite der Anordnung (Senke) sun Herstellen eines ohmseheη Kontaktes.

Die einzelnen Verfahrensschritte zum Herstellen einer Planar« Anordnung sind folgendet

1. Ätzen und Reinigen der Oberfläche.

2. Ausbilden einer Oxydschicht auf der oberen Oberfläche

bei 1200⁰C.

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3. Herstellen des Fensters für die Diffusion der Quellenzone in der Oxydschicht mittels Maskierung und Ätzen · unter Verwendung von lichtempfindlichem Lack.

4. Abscheiden von n⁺-leitendem Material.

5. Oxydation in Säuerstoffdampf bei 1000°C während

5 Minuten zum Herstellen einer Phosphorglasschicht.

6. Ausbilden der Zone für den Quellenkontakt in der bei der Diffusion entstandenen Oxydschicht.

7· Aufdampfen von Aluminium auf die obere Oberfläche.

8. Aufbringen von fotoempfindlichem Lack und Wegätzen des nichtbedeckten Aluminiums zum Erzeugen der Quellen- und Steuerkontakte.

9· Aufdampfen von Gold auf die Rückseite der Anordnung (Senke) zu» Herstellen eines ohmsehen Kontaktes.

Die bei der Herstellung der Mesastruktur angewendeten Massnahmen können auch für die in Figur 9 dargestellte Struktur der in den Einschnitten befindlichen Steuerzonen mit entsprechender Abänderung der aus fotoempfindlichem Lack bestehenden Masken verwendet werden. Die Kussere Seite der Elektrodenflache 46 kann entweder nach der üblichen Planartechnik oder durch Anbringen eines Sohutzringes mit hoher Abbruohspannung zum Vermeiden von Oberfläloheneinflüssen hergestellt werden. Anateile der Herstellung der Schicht für die Steuerung des Lawinendurchbruehs durch thermische Oxydation kann ebensogut eine anodisch© Oxydation verwendet werden.

Es können sich noch andere Verfahrensschritte anschllessen. Die Eigenschaft des pn-Uberganges wird im wesentlichen durch die Eigenschaften des Ausgangsmaterials bestimmt, die ansohliessende Ausbildung des pn-Überganges ist nicht sehr kritisch.

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Die Dicke der Oxydschioht, die die Steuerelektrode

bestimmt zu einem gewissen Grade die Steuerwirkung, die durch

die Steuerelektrode ausgeübt wird. -

Obwohl die AuafUhrungsbeispiele eine n^-leitende Quelle und eine p⁺-leitende Senke aufweisen, ist die Erfindung auch anwendbar bei entgegengesetzt gepolten Quellen- und Senkenzonen. Ebenso kann z.B. die Ladungsträgerdiehte in der Zone zwischen der hochdotierten Quelle und der Kontaktzone der Senke aus eigenleitendem Material bestehen. In diesem Falle wird der Entstehungspunkt des Avalanche-Durchbruchs nicht durch den pn-übergang bestimmt, sondern durch den Ort* bei welchem die Durchbruch-Feldstärke zuerst entsteht, wenn V und V* ansteigen/Das Ergebnis wird auch noch erreicht, wenn die zentrale bzw. Transportzone in der gleichen Polarität dotiert ist wie die Quelle, so dass der pn-übergang nahe der Kontaktzone der Senke entsteht.

In der Erfindung sind Anordnungen beschrieben, bei welchen die Erzeugung von Ladungsträgern durch Lawinenbedingungen mittels einer Steuerelektrode gesteuert wird. Die Ladungsträger laufen dann durch den Hauptspannungsabfall der Anordnung. Es entsteht dadurch eine für hohe Frequenzen und hohe Leistungen brauchbare Halbleiteranordnung.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Halbleiteranordnung, insbesondere Lawinentransistor, mit einen Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps und einer alt dem Halbleiterkörper einen pn-übergang bildenden Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitetyps, bei der die mit einer ohmeohen Elektrode versehene Zone als Quelle und der nit einer ohmsohen Elektrode versehene Halbleiterkörper als Senke für durch den Halbleiterkörper bewegte Ladungsträger dient, und bei der zwischen Quelle und Senke eine derartige Sperrspannung gelegt ist, dass im Halbleiterkörper Ladungsträger durch Lawinenbildung entstehen, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Formgebung und Ausbildung des pn-überganges der Entstehungspunkt der Lawinenbildung in die Nähe des oberflächennahen Teils des pn-überganges gelegt ist, und dass mindestens Über diesem Teil des pn-überganges voce Halbleiterkörper isoliert eine mit einer Steuerspannung beaufschlagte Steuerelektrode (g) gelegt ist, die die Ladungsträgerbildung beim Lawinendurohbruch durch Beeinflussung des am Anfangspunkt bestehenden elektrischen Feldes steuert.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode auf einer Isolierschicht (18) angebracht ist, die die Oberfläche des Halbleiterkörpers mindestens an der Stelle, an der der pn-übergang an die Oberfläche tritt, überdeckt.

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35. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht aus einen Oxyd des Halbleiter-Materials besteht.

4. Halbleiteranordnung naoh Ansprüchen 2 und 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht Über dem pn-übergang so dünn 1st, dass sie gerade noch als Isolierung für die aufgebrachte Steuerelektrode wirkt.

5. Halbleiteranordnung naoh Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der pn-übergang an der Quellenzone stärker (p⁺) dotiert 1st als an der Senkenzone.

6. Halbleiteranordnung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der pn-übergang abrupt ausgebildet ist.

7* Halbleiteranordnung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der pn-übergang (13, 17) entlang einer in den Halbleiterkörper eingesetzten p⁺-leitenden Quellenzone (12) verläuft und an die Oberfläche tritt.

8. Halbleiteranordnung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dassder pn-übergang an einen abgeätzten Mesaberg an die Oberfläche tritt.

9. Halbleiteranordnung naoh Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen

~ 18 JätlDr.St/B. 909826/0530

BAD

- 18 - W. Shockley -

Steuerelektrode (g) und Quellenelektrode (s) kleiner ist als der Abstand zwischen Quellenelektrode (s) und Senkenelektrode (d).

10. Halbleiteranordnungnach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode über einen die Quellenzone und den pn-übergang durchschneidenden Einschnitt aufgebracht 1st.

11. Halbleiteranordnung nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellenelektrode (a) und die Steuerelektrode (g) ineinanderverschaohtelt sind, die Quellenelektrode über einer Oxydsohioht über sohmalen Einschnitten in Halbleiterkörper angebracht ist und die Einschnitte auf der Oxydschioht Überragt .

12. Halbleiteranordnung nach Ansprüchen 1 bis 10» dadurch gekennzeichnet, dass die Oxydschloht Über den Einschnitten dünner ist als über dem übrigen Teil der Halbleiteroberfläche.

13. Schaltungsanordnung mit einer Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierte Steuerelektrode (g) mit einen Eingangssignal moduliert wird und die dadurch bedingte Spannungslinderung an der Steuerelektrode den durch Lawinenbildung entstehenden LadungstrHgerstro» steuert.

- 19 9.6.1965

Pat.Dr.St/B. 909826/0 5.3 0

- 19 - W. Shöckley -

Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, zum Verstärken eines Signals, dadurch gekennzeichnet« dass ein Eingangssignal (E) zwischen der isolierten Steuerelektrode (g) und der Quellenelektrode (s) liegt, dass eine relativ hohe Oegenspannung zwieohen Quellen- und Senkenelektrode liegt und dass das verstärkte Signal an einer zwischen der Quellenelektrode und der Gegenspannungsquelle liegenden Last abgenommen wird.

9.6.1965
Pat.Dr.St/B.

909826/0530