DE1514362B1 - Feldeffekttransistor - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor liegenden Bereich des Körpers 23. Dieser Bereich als
mit halbleitendem Kanal, an den eine Quellenelek- Kanal 31 wird bezeichnet.
trode und eine Abflußelektrode angeschlossen sind, Der Kanal wird als η-Halbleiter angenommen, da
und mit einer durch einen Isolator, der sich über die die Abflußströme durch den Kanal Elektronenströme
gesamte Fläche zwischen Quellenelektrode und Ab- 5 sind. Der Kanal 31 kann einen Elektronenüberschuß
flußelektrode erstreckt, gegenüber dem Kanal ge- besitzen, wenn keine Spannung an der Steuerelektrennten
Steuerelektrode. trode anliegt, oder es kann im Kanal 31 durch An-
Es sind Feldeffekttransistoren (z. B. aus der USA.- legen einer positiven Spannung an das Gitter ein
Patentschrift 3 056 888) bekannt, bei denen die Elektronenüberschuß induziert werden. Der Isolator
Quellenelektrode, der Kanal und die Abflußelektrode io 29 besteht vorzugsweise aus Siliziumoxyd, obwohl
in einer gemeinsamen Ebene an der Kristalloberfläche auch andere Isolatoren verwendet werden können,
abschließen und bei denen die Steuerelektrode vom Der Isolator 29 weist zwei Stufen oder Bereiche
Kanal durch eine Isolierschicht gleichmäßiger Dicke unterschiedlicher Dicke 29 α und 29 b auf. Der Isolagetrennt
ist. tor 29 ist über dem neben der Quellenelektrode 25
Der Nutzfrequenzbereich eines solchen Feldeffekt- 15 liegenden Abschnitt des Kanals 31 dünner (Bereich
transistors läßt sich nach oben erweitern, wenn man 29 a) und über dem neben der Abflußelektrode 27
die Steuerelektrode etwas von der Abflußelektrode liegenden Abschnitt des Kanals 31 dicker (Bereich
entfernt und in Richtung auf die Quellenelektrode hin 29&). Dieser dickere Bereich erbringt bei allen Ausversetzt,
so daß ein der Abflußelektrode benachbarter führungsformen der Erfindung eine verbesserte Be-Teil
des Kanals nicht von der Steuerelektrode über- 20 triebsstabilität.
deckt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei derart Eine vorzugsweise metallische Steuerelektrode 33
ausgebildeten Feldeffekttransistoren sich die Betriebs- liegt auf dem Isolator 29, der sie vom Kanal 31 trennt,
charakteristika mit der Zeit und in Abhängigkeit von Die Steuerelektrode 33 kann sich lediglich über den
der Umgebungstemperatur verändern können. Diese dünneren Bereich 29 a des Isolators 29 erstrecken.
Veränderungen sind vermutlich auf Bewegungen und 25 Vorzugsweise überdeckt sie sowohl den dünneren als
Konzentrationsänderungen von Ionen an oder in der auch den dickeren Bereich des Isolators 29.
Fläche des Isolators über dem nicht vom Gitter über- Eine niederohmige Quellenelektrode 35 aus Metall
deckten Kanalabschnitt zurückzuführen. steht in ohmschem Kontakt mit dem Quellenbereieh
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die 25, und eine niederohmige, metallische Abflußelek-Stabilität
derartiger Feldeffekttransistoren zu verbes- 30 trode 37 steht in ohmschem Kontakt mit dem Absem.
Diese Aufgabe wird bei einem Feldeffekttran- flußbereich 27. Eine Isolierschicht 30 überdeckt die
sistor mit halbleitendem Kanal, an den eine Quellen- Oberfläche des Körpers 23 neben der Quellen-, Abelektrode
und eine Abflußelektrode angeschlossen fluß- und Steuerelektrode.
sind, und mit einer durch einen Isolator, der sich über Das erste Ausführungsbeispiel 21 kann mit einem
die gesamte Fläche zwischen Quellenelektrode und 35 Schaltkreis 39 betrieben werden. Ein Leiter 41 verbin-Abflußelektrode
erstreckt, gegenüber dem Kanal ge- det die Quellenelektrode 35 mit Erde 43, eine Steuertrennten
Steuerelektrode, erfindungsgemäß dadurch leitung 45 verbindet die Steuerelektrode 33 mit über
gelöst, daß der Isolator an dem neben der Abfluß- eine Vorspannungsquelle 47 und eine in Reihe hierelektrode
liegenden Abschnitt des Kanals dicker und mit geschaltete Signalquelle 49 mit der Erde 43, und
an dem neben der Quellenelektrode liegenden Kanal- 40 ein Leiter 51 verbindet die Abflußelektrode 37 über
abschnitt dünner ist und daß sich die Steuerelektrode eine Spannungsquelle 53 und einen Lastwiderstand 55
über den dünneren Bereich des Isolators erstreckt. mit Erde 43.
In unterschiedlichen Ausgestaltungen der Erfin- Die an die Steuerelektrode 33 angelegte Spannung
dung kann die Steuerelektrode sich ebenfalls über ist hauptsächlich auf dem über dem dünneren Isoladen
dickeren Bereich des Isolators erstrecken, oder 45 torbereich 29 a liegenden Teil der Steuerelektrode
es kann über dem dickeren Isolatorbereich auch ein wirksam und ändert den von der Quellenelektrode 25
getrennter Leiter angeordnet sein, der wahlweise auch zur Abflußelektrode 27 fließenden Strom. Der über
an die Steuerelektrode angeschlossen sein kann. dem dickeren Isolatorbereich 29 b liegende Steuer-
Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Dar- elektrodenteil wirkt hauptsächlich als eine unter Vorstellungen
von Ausführungsbeispielen näher erläutert. 50 spannung stehende, elektrostatische Abschirmung zur
Es zeigt weiteren Stabilisierung des Arbeitsverhaltens des
Fi g. 1 teils im Schnitt und teils in perspektivischer Transistors.
Ansicht eine erste Ausführungsform der Erfindung, Das verstärkte Ausgangssignal kann über dem
Fi g. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung Lastwiderstand 55 an Anschlüssen 57 abgenommen
im Schnitt und 55 werden. Die in Fig. 1 gezeigte Polarität der Vor-
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung spannung und Stromquellen ist zum Betrieb eines
im Schnitt. Transistors 21 mit η-leitendem Kanal bestimmt.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform 61 der
durchweg mit gleichen Bezugsziffern versehen. Erfindung, die ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Aus-
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform21 der Erfin- 60 führungsform21 ist, abgesehen davon, daß sich die
dung, die einen Isolator aufweist, der in Richtung des Steuerelektrode 33 lediglich über den dünneren Be-Stromflusses
durch den Kanal eine abgestufte Dicke reich 29 a des Isolators 29 erstreckt und daß eine gebesitzt.
Die Anordnung 21 enthält einen Halbleiter- trennte Elektrode 63 über dem dickeren Bereich 29 δ
körper 23 aus P-Silizium, eine Quelle 25 und einen des Isolators 29 liegt. Wie gezeigt, ist die Elektrode
Abfluß 27, die beide aus η-leitendem Silizium be- 65 63 mit einem Leiter 65 verbunden,
stehen und im Abstand voneinander im Körper 23 Die zweite Ausführungsform 61 kann in dem an
angeordnet sind. Ein Isolator 29 überdeckt den zwi- Hand Fig. 1 beschriebenen Schaltkreis 39 betrieben
sehen Quellenelektrode 25 und Abflußelektrode 27 werden, wobei die Elektrode 63 und der Leiter 65
3 4
offen sind. Wahlweise kann der Leiter 65 unmittelbar Bei solchen polykristallinen Strukturen wird der Iso-
an den Leiter 45 angeschlossen werden, so daß lator vorzugsweise durch Dampfniederschlag herge-
Steuerelektrode 33 und Elektrode 65 dieselbe Span- stellt. Ebenfalls können bei Anordnungen mit poly-
nung aufweisen. kristallinen Kanälen das Kanalmaterial auf dem
Nach einer anderen Alternative kann die zweite 5 Isolator oder der Isolator auf dem Kanal nieder-
Ausführungsform61 mit dem in Fig. 1 gezeigten geschlagen werden.
Schaltkreis 39 betrieben werden, wobei aber die Die Herstellweise von Feldeffekttransistoren mit
Elektrode 63 über den Leiter 65 mehr oder weniger isolierter Steuerelektrode ist ähnlich denen, die zur
negativ gegenüber der Steuerelektrode 33 gehalten Herstellung ebener, bipolarer Transistoren und einwird,
ίο heitlicher, monolitischer Anordnungen verwendet
F i g. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform 71 der werden. Die Verfahren der Störstoffdiffusion können
Erfindung, die ähnlich der ersten Ausführungsform verwendet werden, und die geometrischen Abmes-
21 (F i g. 1) ist, abgesehen davon, daß sich die sungen können durch präzise Abdeckung und photo-
Steuerelektrode 33 nur über den dünneren Bereich lithographische Verfahren festgelegt werden.
29 a des Isolators 29 erstreckt und daß der dickere 15 Die Herstellung eines solchen Elements mit abge-
Bereich29ö des Isolators 29 nicht überdeckt ist. Die stuftem Isolator kann gemäß folgendem Verfahren
dritte Ausführungsform 71 kann in dem in F i g. 1 vorgenommen werden: Ein leicht dotiertes p-leitendes
gezeigten Schaltkreis 39 betrieben werden. . Siliziumscheibchen von etwa 2,5 cm Durchmesser
Die verbesserte Betriebsstabilität des in den An- und 0,018 cm Dicke wird an einer Seite poliert, und
Sprüchen gekennzeichneten Feldeffekttransistors 20 die Oberfläche wird in einem Ofen, der eine Dampfwird
dadurch erreicht, daß bei diesem eine versetzte atmosphäre zur Erzeugung eines Oxyd-Flächenüber-Steuerelektrode
und ein dickerer Isolator über dem zugs enthält, bei ungefähr 900° C stark oxydiert. Der
neben der Abflußelektrode liegenden Kanalabschnitt gebildete Oxydüberzug wird dann auf ausgewählten,
vorgesehen sind. Die Betriebsstabilität ist ferner durch Abdeckung festgelegten Flächen unter Verdurch
Anbringen einer elektrostatischen Abschirmung 25 wendung von photolithographischen Verfahren wegin
Form einer Elektrode63 verbessert (Fig. 2). geätzt.
Diese Stabilisierung kann durch Anlegen einer Span- Danach wird das Scheibchen bei ungefähr 10500C
nung an den Leiter 65 modifiziert werden, wie im 10 Minuten lang in einer Atmosphäre erhitzt, die
Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben wurde. Bei ein n-Dotiermittel, z. B. Phosphor, enthält, wodurch
der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der dickere 3° Quellen- und Abflußbereich im Abstand von etwa
Isolator durch die Steuerelektrode überdeckt, die 25 Mikron dort geschaffen werden, wo das Scheibeine
unter Spannung stehende Abschirmung darstellt. chen nicht durch das Oxyd abgedeckt ist. Die gesamte
Der in Fig. 1 gezeigte Schaltkreis 39 ist nur bei- übrige Oxydschicht wird dann entfernt,
spielsweise für alle verwendbaren Schaltkreise gezeigt. Anschließend wird das Scheibchen bei ungefähr
Andere Schaltkreise können zum Betrieb einer oder 35 900° C in einem nassen Sauerstoffgas etwa 5 Stunmehrerer
Ausführungsformen der Erfindung benutzt den lang erhitzt, bis sich eine andere, zweite Oxydwerden.
Beispielsweise kann der Schaltkreis ein schicht von ungefähr 0,4 Mikron Dicke gebildet hat.
Verstärkerkreis in einem Hochfrequenzempfänger Das Scheibchen wird dann auf Zimmertemperatur
sein. Weiterhin kann jede Signal- und Spannungs- abgekühlt und erneut bei ungefähr 400° C in trokquelle49
und 47 ein Gleichstrom-, Niederfrequenz- 40 kenem Wasserstoffgas für etwa 5 Minuten erhitzt,
wechselstrom- oder Hochfrequenzwechselstromsignal um die gewünschte Kanaleigenschaft zu erzielen,
liefern. Bei einer solchen Betriebsweise können die Die zweite Oxydschicht wird über dem Quellen- und
Anordnung und der in F i g. 1 gezeigte Schaltkreis Abflußbereich selektiv durch Ätzen entfernt,
als ein Mischer arbeiten. Die über dem Kanal liegende Oxydschicht wird
In den Figuren ist der Halbleiterkörper 23 elek- 45 dann unter Verwendung einer Reihe photolithotrisch
nicht angeschlossen. Jedoch kann an ihn eben- graphischer Arbeitsschritte und partieller Ätzvorfalls
eine Vorspannung, entweder mit einem Gleich- gänge abgestuft, um die Oxyddicke zu reduzieren,
strom- oder einem Wechselstromsignal angelegt wer- Die Anzahl dieser Arbeitsvorgänge hängt von der
den: dadurch entsteht ein Hilfssignaleingang. Wenn geforderten Anzahl von Oxydstufen ab. Beim vorder
Halbleiterkörper 23 dünn ist und einen den Ver- 50 liegenden Beispiel wurden zwei Stufen an jeder
hältnissen entsprechenden ohmschen Widerstand auf- Einheit vorgesehen mit einer Dicke von 0,2 und
weist, kann auch eine Hilfssteuerelektrode als Hilfs- 0,4 Mikron und mit einer Länge von ungefähr 6,4 und
signaleingang gegenüber der Steuerelektrode 33 an 17,2 Mikron Länge. Auf das gesamte Scheibchen wird
ihm angeordnet werden. Metall aufgedampft, das danach selektiv von allen
Die beschriebenen Ausführungsformen der Erfin- 55 Flächen des Scheibchens weggeätzt wird mit Ausdung
können Strukturen aufweisen, bei denen der nähme oberhalb des Quellenbereiches, des Abfluß-Kanal
aus einem Einkristall gebildet ist, z.B. un- bereiches und der abgestuften Oxydbereiche. Das
mittelbar als Einkristall oder durch Aufwachsen auf über dem abgestuften Oxyd zwischen dem Quelleneinem
Einkristallkörper hergestelltes Silizium. Bei und Abflußbereich liegende Metall bildet die Steuersolchen
Einkristallstrukturen kann der Isolator aus 60 elektrode des Transistors. Das Scheibchen wird dann
einer Dampfphase niedergeschlagen werden oder bei in getrennte Einheiten oder Teile geschnitten. Die
einigen Materialien, wie Silizium, durch thermische Einheiten oder Teile werden auf einem geeigneten
Oxydation gezüchtet werden. Träger befestigt und Leitungen daran angeschlossen,
Die Ausführungsformen der Erfindung können z. B. durch Thermokompression. Nach Anbringen
ebenfalls Strukturen mit einem Kanal aus einem poly- 65 der Anschlüsse werden die Einheiten eingekapselt,
kristallinen Material aufweisen, wie z. B. Kadmium- Die Feldeffekttransistoren, wie sie in den An-
sulfid, Kadmiumselinid oder Tellur, die vorzugsweise Sprüchen gekennzeichnet sind, behielten nach einer
durch Niederschlagen von Dampf erzeugt werden. Betriebsdauer von 162 Stunden bei Zimmertempera-
tür und 16,5 Volt Spannung zwischen Quellen- und Abflußelektrode und —22,5 Volt Spannung zwischen
Quellenelektrode und Steuerelektrode innerhalb 8 °/o ihre ursprünglichen Betriebscharaktenstiken bei. Dies
stellt eine Stabilitätsverbesserung gegenüber dem Durchschnitt vergleichbarer Feldeffekttransistoren
um mindestens einen Faktor zwei dar. Bei höheren Betriebstemperaturen war der Stabilitätsunterschied
zwischen den bekannten Feldeffekttransistoren und den Feldeffekttransistoren, wie sie in den Ansprüchen
gekennzeichnet sind, noch bemerkenswerter.
Ferner zeichnen sie sich durch eine höhere Ausgangsimpedanz, eine höhere Durchbruchsspannung
zwischen Quellenelektrode und Abflußelektrode und durch eine niedrigere Rückkopplungskapazität zwisehen
Steuerelektrode und Abflußelektrode aus.
Claims (6)
1. Feldeffektransistor mit halbleitendem Kanal, an den eine Quellenelektrode und eine Abflußelektrode
angeschlossen sind, und mit einer durch einen Isolator, der sich über die gesamte Fläche
zwischen Quellenelektrode und Abflußelektrode erstreckt, gegenüber dem Kanal getrennten
Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet,
daß der Isolator (29) an dem neben der Abflußelektrode liegenden Abschnitt des Kanals (31)
dicker und an dem neben der Quellenelektrode liegenden Kanalabschnitt dünner ist und daß sich
die Steuerelektrode (33) über den dünneren Bereich (29 ä) des Isolators erstreckt.
2. Feldeffektransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Steuerelektrode
(33) ebenfalls über den dickeren Bereich (29 b) des Isolators (29) erstreckt.
3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein getrennter Leiter
(63) über dem dickeren Bereich (29 b) des Isolators angeordnet ist.
4. Feldeffekttransistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die über dem dünneren
Bereich (29 a) liegende Steuerelektrode (33) an den über dem dickeren Bereich (29 b) des Isolators
liegenden, getrennten Leiter (63) angeschlossen ist.
5. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode
(33) unsymmetrisch zwischen Quellen- und Abflußelektrode (41, 51) liegt derart, daß ein
Teil der Steuerelektrode (33) einem Abschnitt der Quellenelektrode (25) gegenüberliegt und daß
einem an die Abflußelektrode (27) angrenzenden Kanalabschnitt keine Steuerelektrode gegenüberliegt.
6. Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine an die Quellenelektrode und die Abflußelektrode angeschlossene Spannungsversorgungseinrichtung
(53) zur Herstellung eines Ladungsträgerflusses im Kanal, der von der Quellenelektrode
zur Abflußelektrode gerichtet ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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