DE1514017B2

DE1514017B2 - Elektrische steuerbares halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1514017B2
Application number: DE19651514017
Authority: DE
Inventors: William Los Altos Calif. Shockley (V.St.A.)
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1964-06-11
Filing date: 1965-06-10
Publication date: 1971-11-11
Also published as: DE1514017A1; NL6507538A; GB1060208A; FR1458962A; BE669076A; SE316237B; US3339086A

Description

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Aus der Zeitschrift »The Bell System Technical F i g. 4 gibt schematisch die Verteilung des elek-

Journal«, Bd. 34 (1955), Nr. 5 (September), S. 883 trischen Feldes in dem Planar-Halbleiterbauelement

bis 902, ist bekannt, an den Kollektor-pn-Über- nach F ig. lan;

gang eines Flächentransistors im Betrieb eine der- F i g. 5 gibt die Verteilung des elektrischen Feldes artige Sperrspannung anzulegen, daß im Halbleiter- 5 in dem Mesa-Halbleiterbauelement nach F i g. 3 an; körper Ladungsträger durch Lawinenbildung ent- F i g. 6 zeigt eine Verstärkerschaltung mit einem stehen. Wegen der kurzen Laufzeit der gesteuert Halbleiterbauelement nach der Erfindung;
gebildeten Ladungsträger ist ein derartiges Halb- F i g. 7 zeigt eine weitere Ausbildung eines Halbleiterbauelement, das man auch als Lawinentransi- leiterbauelements nach der Erfindung;
stör bezeichnet, zum Betrieb bei hohen Frequenzen io F i g. 8 gibt einen Längsschnitt entlang der geeignet. , Linie 8-8 der F i g. 7 an, und

Aus der Zeitschrift »Proceeding of the IRE«, Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch ein Halbleiter-

Bd. 40 (1952), Nr. 11 (November), S. 1377 bis 1381, bauelement nach der Erfindung mit einer »gerippten

ist ferner ein steuerbares Halbleiterbauelement mit Struktur«.

einem pn-übergang zwischen zwei Zonen bekannt, 15 Beim elektrisch steuerbaren Halbleiterbauelement die mit je einer ohmschen Elektrode versehen sind nach der Erfindung wird die gesteuerte Lawinen- und an die Sperrspannung gelegt ist. Der Sperr- bildung von Ladungsträgern durch eine Steuerelekstrom dieses als Fieldistor bekannten Halbleiterbau- trode, die keinen merklichen Strom zieht, gesteuert, elementes wird durchweine isoliert vom Halbleiter- Die durch Lawinenbildung entstandenen Ladungskörper angeordnete Steuerelektrode beeinflußt. Ein 20 träger fließen durch die Stellen des hauptsächlichen ähnliches steuerbares Halbleiterbauelement, an das Spannungsabfalls des steuerbaren Halbleiterbaueine derartige Sperrspannung gelegt ist. daß im Halb- elements und durch den Lastwiderstand im Ausleiterkörper Ladungsträger durch Lawinenbildung gangskreis.

entstehen, und bei dem die Lawinenbildung im ober- Das in den F i g. 1 dargestellte Halbleiterbauflächennahen Teil des pn-Übergangs durch eine auf 25 element ist ein sogenanntes Planar-Halbleiterbaueiner Isolierschicht auf der Oberfläche des Halb- element. Der Halbleiterkörper 11 besitzt Verunreinileiterkörpers angeordnete Steuerelektrode gesteuert gungen eines Leitfähigkeitstyps. Die in diesen Halbwird, ist aus der deutschen Auslegeschrift 1166 381 leiterkörper eingesetzte Quellenzone 12 hat den entbekannt, gegengesetzten Leitfähigkeitstyp und bildet mit der

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei 30 Senkenzone 11 einen pn-übergang 13. Die n+-leitende

unterschiedlicher Dotierung der Zonen beiderseits Quellenzone 12 hat eine verhältnismäßig hohe Kon-

des pn-Übergangs mit gesteuerter Lawinenbildung zentration von Donatoren. Die p-leitende Senkenzone

die Funktionen der Zonen sehr ähnlich denen bei η enthält im wesentlichen Akzeptoren. Ein Teil mit

einem Feldeffekt-Transistor sind. Im folgenden wer- verhältnismäßig großer Akzeptorenkonzentration

den daher die einzelnen Zonen durch Ausdrücke ent- 35 bildet einen p+-leitenden Übergangsbereich 14 zum

sprechend ihrer Funktion beim Betrieb des Halb- Anbringen der ohmschen Kontaktelektrode 16. An

leiterbauelements bezeichnet. der Quellenzone 12 ist eine ohmsche Kontaktelek-

Die Erfindung betrifft ein elektrisch steuerbares trode 20 angebracht. Auf einer Oberfläche des HaIb-Halbleiterbauelement mit einem pn-übergang zwi- leiterkörpers ist eine Isolierschicht 18 angebracht, sehen einer Quellenzone des einen Leitungstyps 40 die den sich bis zur Oberfläche erstreckenden Teil und einer Senkenzone des entgegengesetzten Lei- 17 des pn-Übergangs 13 überdeckt. Diese Isoliertungstyps, die mit je einer ohmschen Elektrode ver- schicht 18 kann aus einem auf thermischem Wege sehen sind und an die eine derartige Sperrspannung oder auf eine andere bekannte Weise gebildeten gelegt ist, daß im Halbleiterkörper Ladungsträger Oxyd des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers durch Lawinenbildung entstehen, und bei dem diese 45 bestehen. In der Nähe des Teils 17 des pn-Über-Lawinenbildung an ihrem Entstehungspunkt im gangs 13 ist über der Isolierschicht 18 eine Steueroberflächennahen Teil des pn-Übergangs durch eine elektrode 19 angebracht. Diese Elektrode kann Steuerelektrode auf einer Isolierschicht auf der Ober- ebenso wie die anderen bereits erwähnten Elektrofläche des Halbleiterkörpers gesteuert wird. Die Er- den, z. B. durch Aufdampfen von Metall oder eine findung ermöglicht einen zum Hochfrequenz-Hoch- 50 andere bekannte Aufbringungsart, hergestellt werden. leistungs-Betrieb geeigneten Aufbau eines derartigen Die Quellenzone 12 ist eine Quelle von Ladungssteuerbaren Halbleiterbauelements, der relativ tem- trägern; die Quellenzone 11 bildet zusammen mit peraturunempfindlich ist, und zwar besteht die Er- dem niederohmigen Ubergangsbereich 14 eine Senke findung darin, daß die stärker als die Senkenzone für die Ladungsträger; an der Steuerelektrode 19 dotierte Quellenzone als Planar- oder Mesa-Anord- 55 wird das Steuersignal zugeführt. Für die Elektroden nung mit dem Halbleiterkörper als Senkenzone aus- 20, 16 und 19 werden auch die Bezeichnungen s, d gebildet sind. und g verwendet.

Die Ausbildung des elektrisch steuerbaren Halb- Im Betrieb ist das steuerbare Halbleiterbauelement

leiterbauelements nach der Erfindung und ihre Vor- so angeschlossen, daß die für die Lawinenbildung

teile werden im folgenden in Zusammenhang mit der ^6o erforderliche Spannung, die sogenannte »Ava-

Zeichnung näher erläutert. Die Figuren haben fol- lanche«-Spannung, an einem Teil des pn-Übergangs

gende Bedeutung: zwischen der Quellen- und der Senkenzone vor-

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Planar- handen ist. Bekanntlich wird diese Art des Span-

Halblciterbauelement nach der Erfindung; nungsdurchbruchs dadurch verursacht, daß Ladungs-

Fig. 2 stellt eine Draufsicht auf das Planar-Halb- 65 träger in relativ hohen Feldern derart beschleunigt

leiterbaiielement nach Fig. 1 dar; werden, bis sie genügend Energie besitzen, um

Fig. 3 stellt einen Längsschnitt durch ein Mesa- Atome zu ionisieren und dadurch zusätzlich La-

Halbleiterbauelement nach der Erfindung dar; dungsträger zu bilden, welche wiederum an dem

Vorgang teilnehmen, so daß eine Ladungsträgervervielfachung einsetzt. Im wesentlichen wird der Durchbruch an den Stellen 17 des pn-Ubergangs 13, welche in der Nähe der Oberfläche liegen, einsetzen. Dies wird durch das elektrische Feld bewirkt, das in der Nähe der Oberfläche an diesem Teil des pn-Ubergangs am größten ist.

Wenn man einmal von der Annahme ausgeht, daß die Steuerelektrode nicht vorhanden wäre, dann würde das Anlegen einer relativ hohen Gegenspannung zwischen Quelle und Senke den Lawinen-Durchbruch verursachen. Der Durchbruchsstrom würde sich auf einen bestimmten Wert stabilisieren, der von der gegebenen Spannung zwischen Quelle und Senke abhängt. Bekanntlich werden zweipolige Halbleiterbauelemente dieses Typs in Impulsschaltungen oder in Schaltungen zur Spannungsstabilisierung eingesetzt.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß es durch eine unabhängige Steuerung des elekirischen Feldes am pn-übergang 13 möglich ist, den Durchbruchsstrom, der zur Senke fließt, zu steuern. Die Steuerelektrode 19 stellt somit ein Mittel zum Anbringen eines zusätzlichen und unabhängigen elektrischen Feldes in der Nähe des Entstehungspunktes des Lawinen-Durchbruchs am pn-übergang 13 dar. Die Größe des Stromflusses zwischen den Elektroden an der Quellen- und der Senkenzone wird dann durch Anlegen einer Steuerspannung kontrolliert, welche dazu verwendet wird, das Feld am Entstehungspunkt des Lawinen-Durchbruchs zu verstärken oder abzuschwächen. Der Durchbruchsstrom ist annähernd linear abhängig von der angelegten Steuerspannung.

Bei dem steuerbaren Halbleiterbauelement nach der Erfindung ist der pn-übergang unsymmetrisch ausgebildet. Er ist an der der Quellenzone 12 zu liegenden Seite höher dotiert. Dies wird im wesentlichen erreicht, wenn die Quellenzone 12 durch Diffusion hergestellt wird. Das Maximalfeld, das den Lawinen-Durchbruch einleitet, entsteht in der Nähe des pn-Ubergangs, dessen Unsymmetrie bewirkt, daß der Spannungsabfall zwischen Quellen- und Senkenzone im wesentlichen zwischen der Stelle des entstehenden Lawinen-Durchbruchs und der Senkenzone 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 am Entstehungspunkt des Lawinen-Durchbruchs infolge einer zwischen Senke und Quelle angelegten Spannung zu erreichen.

In der F i g. 6 ist eine Schaltungsanordnung für das steuerbare Halbleiterbauelement nach der Erfindung dargestellt, bei welcher ein Eingangssignal E zwischen Quellenelektrode s und Steuerelektrode g zur Modulation der Spannung des Lawinen-Durchbruchspunktes 17 am pn-übergang 13 und damit zur Steuerung der Ladungsträgerkonzentration dient. Zwischen der η-leitenden Quellenzone und der p-leitenden Senkenzone liegt eine Spannungsquelle 21 für eine verhältnismäßig hohe Sperrspannung in Reihe mit einem Lastwiderstand 22, über dem das verstärkte Ausgangssignal A abgegriffen wird. Falls erforderlich, kann der Lastwiderstand 22 eine kapazitive Komponente 23 enthalten, die durch die gestrichelten Linien angedeutet ist und die eine Anpassung des Lastwiderstandes an die Quellen-Senken-Kapazität bewirkt. Sie verbessert die Leistungsverstärkung.

Das in der F i g. 3 dargestellte steuerbare Halbleiterbauelement wirkt ähnlich wie das Halbleiterbauelement nach der F i g. 1; die F i g. 3 enthält für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen. Das Halbleiterbauelement hat einen Halbleiterkörper mit einem mesaförmigen Teil, wobei die Ränder des pn-Übergangs 13 an die Oberfläche 25 des mesaförmigen Teils treten. Eine Isolierschicht 19, z. B. eine Oxydschicht, liegt über der Oberfläche 25. Die Steuerelektrode 19 ist auf der Oxydschicht über dem pn-Ubergang 13 angebracht.

In den F i g. 4 und 5 ist das elektrische Feld in den entsprechenden Anordnungen für eine n-leitende Quellenzone 12 und eine p-leitende Senkenzone 11 dargestellt, um die Wirkungsweise des Halbleiterbauelements zu erläutern. Es ist aus diesen Figuren ersichtlich, daß das elektrische Feld unterhalb der Quellenelektrode 20 im wesentlichen parallele Feldlinien besitzt. In der F i g. 4 ist an den Rändern der diffundierten Quellenzone 12 eine Feldlinienkonzentration feststellbar. In der F i g. 5 wirkt dagegen die Steuerelektrode 19 als Abschirmung. Diese Abschirmwirkung hat eine Verminderung des elektrischen Feldes an den Rändern der Quellenelektrode 20 zur Folge, wenn keine Steuerspannung angebracht ist.

Die F i g. 4 und 5 veranschaulichen den Einfluß einer im Hinblick auf die Quellenzone negativen Steuerspannung. Diese verstärkt das elektrische Feld an der der Quellenzone benachbarten Seite.

Da der Abstand zwischen Steuerelektrode und Quellenelektrode klein im Vergleich zum Abstand zwischen Senken- und Quellenelektrode ist, können wesentlich kleinere Spannungen große elektrische Felder in der Nachbarschaft der Steuerelektrode erzeugen. Ein Lawinen-Durchbruch kann somit an den Entstehungsstellen des Lawinen-Durchbruchs 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. Siliciumoxyd oder Titandioxyd, erhalten werden kann, im Vergleich zur dielektrischen Verschiebung, die in Silicium erforderlich ist, um einen Lawinen-Durchbruch zu verursachen. Die dielektrische Verschiebung wird in coulomb/cm² gemessen. Sie wird durch die Formelzeichen KE ausgedrückt, wobei E das elektrische Feld in Volt/cm und K die Dielektrizitätskonstante in Farad/cm sind. Die dielektrische Verschiebung bei Siliciumoxyd kann um ein Mehrfaches größer gemacht werden als diejenige, die notwendig ist, um ein Lawinen-Durchbruchsfeld in Silicium zu erzeugen. Der für Silicium erforderliche Wert beträgt etwa 0,5 · 10~⁶ coulomb/cm², da die entsprechenden Werte für K und E unter den Lawinen-Durchbruchbedingungen etwa K = 1,04 · 1O^-12 Farad/cm und E₁₁ = 0,5 · 10^e Volt/cm betragen. Für einen Isolator mit hoher Dielektrizitätskonstante, z. B. Titandioxyd, werden schwächere elektrische Felder und Steuerspannungen für die gleiche dielektrische Verschiebung benötigt.

Wenn an die Steuerelektrode eine Spannung im Sinne der Verringerung der Durchbruchsspannung angelegt und die Senkenspannung in der entgegengesetzten Richtung erhöht wird, wird in dem Ent-

stehungspunkt des Lawinen-Durchbruchs der Durchbruch eingeleitet. Dabei setzt eine spontane Erzeugung von Ladungsträgern an diesem Entstehungspunkt ein, sobald die ersten thermisch oder auf andere Weise vorher erzeugten Ladungsträger diese Stelle durchqueren. Durch die Erzeugung von Ladungsträgern wird eine Raumladung aufgebaut, welche das elektrische Feld gerade auf die Durchbruchsspannung reduziert, wobei eine Lawinen-Entladung aufrechterhalten wird.

Im Falle der in den Fig. 4 und 5 gezeichneten Verhältnisse fließen Löcher, die durch diesen Lawinenbildungsvorgang erzeugt werden, in Richtung der Feldstärkelinien. Sie können nicht in die Siliciumdioxydschicht überwechseln und neigen daher dazu, sich in einer Schicht unter der Oberfläche zu sammeln. Diese Ansammlung von Ladungsträgern ist einer der Beiträge, die das Feld am Entstehungspunkt des Lawinen-Durchbruchs bis auf den Durchbruchswert E_B reduzieren. Die gegen die Siliciumdioxydschicht gedrückten Ladungsträger finden ein tangentiales elektrisches Feld, das durch die Steuerspannung und durch die Senkenspannung erzeugt wird. Sie bewegen sich demzufolge parallel zu der Siliciumdioxydschicht, bis sie den in den Fig. 4 und 5 mit 26 bezeichneten Umkehrpunkt erreichen. An diesem Punkt biegt das elektrische Feld senkrecht zu der Si-SiO₂-Zwischenfläche um, so daß die Ladungsträger jetzt zur Senkenzone abfließen.

Nach der in den F i g. 4 und 5 dargestellten Feldverteilung ist leicht einzusehen, daß die Tangentialkomponente des elektrischen Feldes wesentlich kleiner ist als das elektrische Feld am Entstehungspunkt des Lawinen-Durchbruchs. Andererseits ist dieses tangentiale Feld nicht wesentlich mehr als um das Zehnfache kleiner. Daraus folgt, daß das Feld bei üblichen Halbleiterbauelementen noch relativ hoch ist, so daß die Trägerbewegung in diesen Feldern mit einer Driftgeschwindigkeit erfolgt, die dicht unterhalb derjenigen liegt, bei der Stoßprozesse einsetzen. Vermutlich erreichen diese Geschwindigkeiten einen Wert von v_m — 2 ■ 10⁷ cm/sec.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß bei einer Anordnung des pn-Überganges, wie sie in der Fig. 4 dargestellt ist, eine Wirkungsweise möglich ist, bei welcher das an der Steuerelektrode liegende Potential so bemessen sein kann, daß es die Durchbruchspannung über den Wert erhöht, den sie erhalten würde, wenn die Steuerelektrode mit der Quellenelektrode verbunden wäre. Unter diesen Bedingungen ist das aus der in den Lawinen-Durchbruch gesteuerten Bereich heraustretende elektrische Feld so beschaffen, daß es Löcher nach innen befördert. Demzufolge fließen die am Entstehungspunkt des Lawinen-Durchbruchs erzeugten Ladungsträger nicht gegen die Oberfläche, sondern durchwandern den Laufraum direkt vom Entstehungspunkt des Lawinen-Durchbruchs aus zur Senkenelektrode, ohne mit der Siliciumdioxydschicht in Berührung zu kommen. Für einige Betriebsarten hat dies den Vorteil, daß irgendein Einfluß des Oberflächenzustandes zwischen dem Silicium und dem Silicumdioxyd abgeschwächt ist, da Änderungen in der Ladung entsprechend den Änderungen in der Trägerdichte keine Gelegenheit haben, diesen Zustand zu beeinflüssen.

Man kann auf die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Verhältnisse auch elektrostatische Betrachtungen ähnlich denen bei Vakuumröhren anwenden. Insbesondere kann das Verhältnis des elektrischen Feldes am Entstehungspunkt des Lawinen-Durchbruchs durch einen Spannungs-Verstärkungsfaktor μ dargestellt werden. Ein Vorteil der Ausbildungsform des pn-Übergangs in den F i g. 3 und 5 besteht darin, daß die Abschirmwirkung der Steuerelektrode bewirkt, daß die Senkenspannung am Erreichen des Lawinen-Durchbruchpunktes gehindert wird. Infolgedessen kann eine Anordnung dieser Art so ausgebildet werden, daß sie ein relativ hohes μ hat. Werte von 10 oder mehr sind erreichbar.

Ein Vorteil der oberflächengesteuerten Lawinenbildung für die Anwendung bei Halbleiterbauelementen relativ hoher Leistungen besteht darin, daß er frei von thermischer Instabilität ist, die zur Zerstörung bei Leistungstransistoren führt. Diese thermischen Instabilitäten sind in zahlreichen Veröffentlichungen bereits erörtert worden. Sie entstehen durch den positiven Temperaturkoeffizienten des Stromes bei konstanter Spannung. Als Folge dieses positiven Temperaturkoeffizienten verbraucht ein örtlich erhitzter Fleck in einem Transistor mehr Leistung als ihm zukommt. Dies kann zu einer instabilen Temperaturerhöhung führen, welche schließlich eine Stromkonzentration und Zerstörung des Transistors oder zumindest eine ungenaue Arbeitsweise bewirkt. Für einen Lawinentransistor mit Oberflächensteuerung ist der entsprechende Temperaturkoeffizient negativ. Dies folgt aus den bekannten Effekten, welche die Ursache dafür sind, daß die Lawinen-Durchbruchspannung einen positiven Temperaturkoeffizienten hat, so daß bei konstanter Spannung mit ansteigender Temperatur ein Lawinenbereich dazu neigt, sich selbst auszuschalten.

Die Theorie der Wirkungsweise eines Transistors wird verständlich, wenn man die Leitfähigkeit eines Einheitswürfels Kv _m = 2 · 10~⁵ Siemens einführt. Man erhält diese aus der Betrachtung eines Widerstandes entsprechend der Raumladung von sekundären Ladungsträgern. Für Anordnungen, wie sie in den F i g. 4 und 5 angegeben sind, entspricht die Leitfähigkeit eines Einheitswürfels annähernd dem Wert der Leitfähigkeit pro Einheitswürfel in der Nachbarschaft des Entstehungspunktes des Lawinen-Durchbruchs. Für diesen Fall kann angenommen werden, daß jeder Würfel eine Seitenlänge nahezu gleich der effektiven Dicke des in den Lawinen-Durchbruch gesteuerten Bereichs hat. Die effektive Dicke α ist definiert in Einheiten der äquivalenten Dicke einer Siliciumschicht, welche die gleiche Kapazität pro Flächeneinheit haben würde. Da SiO₂ eine Dielektrizitätskonstante von 4 in bezug auf Vakuum hat und der entsprechende Wert von Silicium nahezu 12 ist, ergibt sich eine effektive Dicke a, die der tatsächlichen Dicke, dividiert durch 3, entspricht. Die Zahl solcher Würfel pro Längeneinheit von Anordnungen, wie sie in den F i g. 4 und 5 dargestellt sind, beträgt l/a. Demnach beträgt die gesamte Leitfähigkeit KvJa. Diese Leitfähigkeit bezieht sich auf die Spannung oberhalb derjenigen, die notwendig ist, um das Feld für den Lawinen-Durchbruch E_ts in dem Entstehungspunkt des Lawinen-Durchbruchs zu errichten, vorausgesetzt, daß die Senkenspannung hoch genug ist, um die durch den Lawinen-Durchbruch erzeugten Ladungsträger zu sammeln. Für Spannungen unterhalb der zur Erzeugung von £_w benötigten Spannung hat der Strom einen relativ vernachlässig-

baren Wert im Vergleich zu dem des in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergangs. Es ergibt sich daraus

/ = (PKvJa) ■ V_g + (V₁₁Iμ) - V₀ oder O.

Darin bedeuten V₀ die Spannung, die durch V_s + (ν_α/μ) überschritten werden muß, um E_B am Entstehungspunkt des Lawinen-Durchbruchs zu erreichen. / ist der gesamte Ladungsträgerstrom, der durch das Halbleiterbauelement fließt; V_s und V₁₁ sind die Spannungen, die bezogen auf die Quellenelektrode in der Durchbruchsrichtung des pn-Übergangs angelegt sind. P ist der Umfang des Durchbruchsbereiches in cm und μ der Spannungs-Verstärkungsfaktor, der für entsprechende Anordnungen elektrostatisch erreichbar ist. Wenn man diese Betrachtung mit den Bedingungen für die Laufzeiteffekte kombiniert, erkennt man, daß optimale Strukturen bei Frequenzen brauchbar sind, die mit der Laufzeit der Ladungsträger durch die Anordnung vergleichbar sind.

Es kann auch eine ineinandergeschachtelte oder verzweigte Form der den pn-übergang bildenden Zonen verwendet werden. In den F i g. 7 und 8 ist eine derartige Struktur dargestellt. Sie enthält eine Senkenzone 31 mit einen Ubergangsbereich 32 hoher Verunreinigungskonzentration, auf welcher die Senkenelektrode 33 angebracht ist. Eine rippenförmige Quellenzone 34 ist in die Senkenzone 31 eingesetzt und bildet mit dieser einen pn-Ubergang 36. Auf der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers ist eine Oxydschicht 37 angebracht. Die Steuerelektrode 38 ist auf der Oxydschicht 37 benachbart dem pn-übergang 36 angebracht. Außerdem befindet sich eine Quellenelektrode 39 auf der Quellenzone 34. Die ineinandergeschachtelte Anordnung von Quellenzone 34 und Senkenzone 31 ist zum Betrieb für hohe Leistungen geeignet wegen des größeren Umfangs der Entstehungsstelle des Lawinen-Durchbruchs.

Die Anordnung nach der Fig. 7 kann so abgeändert werden, daß 39 die Steuerelektrode und 38 die Quellenelektrode wird. In der so abgeänderten Anordnung können in dem Halbleiterkörper Einschnitte entsprechend den abgesenkten Seiten der Mesastruktur der F i g. 3 und 5 für die Anordnung der Steuerelektrode vorgesehen sein. Ein derartiger Einschnitt ist in der F i g. 9 gezeigt. Ein Vorteil dieser Anordnung der Steuerelektrode 48 besteht in der geringen Dicke der Oxydschicht 40 zwischen der Steuerelektrode 48 und dem Entstehungspunkt des Lawinen-Durchbruchs, verglichen mit der wesentlich dickeren Oxydschicht 47 zwischen der Steuerelektrode 48 und der Quellenzone 46. Dadurch können hohe μ-Werte erhalten werden ohne Erhöhung der Kapazität zwischen Quellenzone 46 und Steuerelektrode 48; eine Erhöhung der Kapazität würde entstehen, wenn die Oxydschicht 40 so dick wie die Oxydschicht 47 wäre.

Man erhält eine solche Struktur, wenn die Oxydschicht 40 durch anodische Oxydation hergestellt wird. Ein weiterer Vorteil einer Struktur mit einer in einem Einschnitt gemäß F i g. 9 befindlichen Steuerelektrode 48 besteht darin, daß die Einschnitte eng gemacht werden können. Dadurch wird die Kapazität zwischen Steuerelektrode 48 und Senkenzone 41 verringert. Die Steuerelektrode 48 kann größer sein als der Einschnitt, da sie auf der Oxydschicht 47 liegt. Die Vorteile für die Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften wegen der Verringerung der Steuerelektrodenkapazität gegenüber der Quellenzone und der Senkenzone infolge des geringen Abstandes gegenüber dem Entstehungspunkt des Lawinen-Durchbruchs sind die gleichen wie die Vorteile, die durch Verringerung der Gitter-Anoden- und Gitter-Katodenkapazität in einer Vakuumröhre bei Erhaltung hoher Leitfähigkeit entstehen.

Obwohl die Verfahren zum Herstellen der dargestellten Ausführungsbeispiele von Halbleiterbauelementen bekannt sind, sollen Beispiele für die Herstellung eines Mesa- und eines Planar-Halbleiterbauelementes angeführt werden. Wie daraus ersichtlich, kann ein solches Halbleiterbauelement ohne Schwierigkeiten hergestellt werden.

Als Ausgangsmaterial für die Herstellung einer Mesa-Anordnung wird eine epitaktisch erzeugte η-leitende Siliciumschicht auf einem n⁺-leitenden Trägerhalbleiterkörper verwendet. Diese n⁺-leitende Trägerschicht dient als Übergangsbereich für den Kontakt der Senkenelektrode. Eine p+-leitende Quellenzone wird in die η-leitende epitaktische SiI-ciumschicht eindiffundiert. Der Widerstand der η-leitenden epitaktischen Siliciumschicht beträgt 9,2 Ohm/cm bei einer Dicke von 20 μ. Als Ausgangsmaterial für eine Anordnung mit Planarstruktur wird 3 Ohm/cm p-leitendes Silicium gewählt. Die ohmsche Steuerelektrode und die Quellenelektrode werden sowohl bei der Mesa- als auch bei der Planar-Anordnung durch Aufbringen von Aluminiumschichten und selektives Ätzen erhalten. Die Senkenelektrode wird durch Aufdampfen von Gold erzeugt.

Die einzelnen Verfahrensschritte für eine Hersiellungsweise der Mesa-Anordnung sind folgende:

1. Ätzen und Reinigen der η-leitenden Oberfläche des Silicium-Halbleiterkörpers.

2. Abscheiden der p+-leitenden Quellenzone (Bor, 30 Minuten bei 950° C).

3. Oxydieren des beschichteten Halbleiterkörpers in Äthylsilikat bei 750° C während 1 Stunde zum Erzeugen einer dicken Oxydschicht über der p+-leitenden Quellenzone.

4. Aufbringen eines lichtempfindlichen Lackes auf die Äthylsilikat-Oxydschicht zum Festlegen der Mesa-Fläche und der Kontaktfläche der Quellenelektrode.

5. Abätzen der nicht bedeckten Äthylsilikat-Oxydschicht zum Freilegen der Kontaktfläche der Quellenelektrode und der Mesa-Fläche.

6. Entfernen des lichtempfindlichen Lackes.

7. Maskieren der Mesa-Fläche mit Wachs.

8. Abätzen der nichtmaskierten n+-leitenden Oberfläche zum Bilden der Mesa-Anordnung.

9. Reinigen der Anordnung und Erhitzen in trockenem Sauerstoff während 20 Minuten bei 1100° C zum Herstellen einer dünnen thermischen SiIiciumoxydschicht über dem Mesarand.

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

11. Aufbringen eines lichtempfindlichen Lackes zum Bestimmen der Kontaktfläche der ringförmigen Steuerelektrode, die den Mesarand bedeckt.

12. Abätzen der nicht abgedeckten Aluminiumschicht zum Erzeugen des Ringes der Steuerelektrode über dem Mesarand.

13. Entfernen des lichtempfindlichen Lackes.

14. Kurzes Ätzen zum Entfernen der Siliciumoxydschicht, die bei Schritt 8 entstanden war, innerhalb der Kontaktfläche für die Quellenelektrode.

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15. Aufbringen von Aluminium durch Metallmasken zur Bildung der Quellenelektrode.

16. Aufdampfen von Gold auf die Rückseite der Anordnung zum Herstellen einer ohmschen Senkenelektrode.

Die einzelnen Verfahrensschritte zum Herstellen einer Planar-Anordnung sind folgende:

1. Ätzen und Reinigen der Oberfläche des Halbleiterkörpers.

2. Ausbilden einer Oxydschicht auf dieser Oberfläche bei 1200° C.

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

4. Abscheiden von phosphorhaltigem Material.

5. Oxydation in Sauerstoffdampf bei 1000° C während 5 Minuten zum Herstellen einer Phosphorglasschicht.

6. Freilegen der Kontaktfläche für die Quellenelektrode 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 der Steuerelektrode.

9. Aufdampfen von Gold auf die Rückseite der Anordnung zum Herstellen einer ohmschen Senkenelektrode.

Die bei der Herstellung einer Mesa-Anordnung angeführten Schritte können auch für die in die F i g. 9 dargestellte Anordnung, bei der sich die gesteuerten Bereiche in den Einschnitten befinden, bei entsprechender Abänderung der aus fotoempfindlichem Lack bestehenden Masken angewendet werden. Zum Vermeiden von Oberflächeneinflüssen kann an der Oberfläche der Quellenzone 46 ein Schutzring mit hoher Abbruchspannung hergestellt werden. Zur Herstellung der Oxydschicht, auf der sich die Steuerelektrode für die Steuerung des Lawinen-Durchbruchs befindet, kann die thermische Oxydation und ebensogut die anodische Oxydation verwendet werden.

Es können sich noch andere Verfahrensschritte anschließen. Die Eigenschaft des pn-Übergangs wird im wesentlichen durch die Eigenschaften des Ausgangsmaterials bestimmt, die anschließende Ausbildung des pn-Ubergangs ist nicht sehr kritisch. Die Dicke der Oxydschicht, die die Steuerelektrode trägt, bestimmt zu einem gewissen Grade die Steuerwirkung, die durch die Steuerelektrode ausgeübt wird.

Obwohl die Ausführungsbeispiele eine n⁺-leitende Quellenzone und eine p+-leitende Senkenzone aufweisen, ist das steuerbare Halbleiterbauelement nach der Erfindung auch mit einer Quellen- und einer Senkenzone entgegengesetzten Leitungstyps gepolt. Ebenso kann z. B. die Ladungsträgerdichte in einem Gebiet zwischen der hochdotierten Quellenzone dem hochdotierten Ubergangsbereich der Senkenzone aus eigenleitendem Halbleitermaterial bestehen. In diesem Fall wird der Entstehungspunkt des Lawinen-Durchbruchs nicht durch den pn-übergang bestimmt, sondern durch den Ort, an dem die Durchbiuchs-Feldstärke zuerst entsteht, wenn V₁, und V',, ansteigen. Das Ergebnis wird auch noch erreicht, wenn der Laufraum in der gleichen Polarität dotiert ist wie die Quellenzone, so daß sich der pn-übergang nahe

dem niederohmigen Übergangsbereich der Senkenzone befindet.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisch steuerbares Halbleiterbauelement mit einem pn-übergang zwischen einer Quellenzone des einen Leitungstyps und einer Senkenzone des entgegengesetzten Leitungstyps, die mit je einer ohmschen Elektrode versehen sind und an die eine derartige Sperrspannung gelegt ist, daß im Halbleiterkörper Ladungsträger durch Lawinenbildung entstehen, und bei dem diese Lawinenbildung an ihrem Entstehungspunkt im oberflächennahen Teil des pn-Übergangs durch eine Steuerelektrode auf einer Isolierschicht auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die stärker als die Senkenzone (11, 31, 41) dotierte Quellenzone (12, 34, 46) als Planar- oder Mesa-Anordnung mit dem Halbleiterkörper als Senkenzone (11, 31, 41) ausgebildet sind.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (18, 37, 40, 47) aus einem Oxyd des Halbleitermaterials besteht.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (18) über dem pn-Ubergang (13) so dünn ist, daß sie gerade noch als Isolierung für die aufgebrachte Steuerelektrode (19) wirkt.

4. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang (13) abrupt ausgebildet ist.

5. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenzone (12) aus einer in den Halbleiterkörper eingesetzten p⁺-leitenden Zone besteht.

6. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang an einem abgeätzten Mesaberg an die Oberfläche tritt.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der isolierten Steuerelektrode (19, g) und der Quellenelektrode (20, s) kleiner ist als der Abstand zwischen der Quellenelektrode (20, s) und der Senkenelektrode (16, d).

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierte Steuerelektrode (19) über einem die Quellenzone (12) und den pn-übergang (13) durchschneidenden Einschnitt aufgebracht ist.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenelektrode (49, s) und die isolierte Steuerelektrode (48, g) ineinandergeschachtelt sind, die Steuerelektrode (48, g) über einer Oxydschicht (40, 47) über schmalen Einschnitten im Halbleiterkörper angebracht ist und die Einschnitte auf der Oxydschicht überragt (Fig. 9).

10. Halbleiterbauclement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydschicht (40, 47) über den Einschnitten dünner ist als über dem übrigen Teil der Halbleiteroberfläche.

11. Schaltungsanordnung mit einem Halbleiter-

bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, zum Verstärken eines Signals, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangssignal (E) zwischen der isolierten Steuerelektrode (g) und der Quellenelektrode (s) liegt, daß eine relativ hohe Gegen-

spannung zwischen Quellen- und Senkenelektrode (s bzw. d) liegt und daß das verstärkte Signal (A) an einem zwischen der Senkenelektrode (d) und der Gegenspannungsquelle liegenden Lastwiderstand (22) abgenommen wird (F i g. 6).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen