DE1514892A1

DE1514892A1 - Halbleiterbauelement mit der Charakteristik eines Flaechen- und eines Feldeffekt-Transistors

Info

Publication number: DE1514892A1
Application number: DE19651514892
Authority: DE
Inventors: Stanislas Teszner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1964-11-23
Filing date: 1965-11-22
Publication date: 1969-06-19
Also published as: NL139139B; DE1514892B2; NL6515175A; CH426021A; US3408544A; JPS4838990B1; FR1426254A; GB1053428A

Description

Dipl.-ing. G. Schliebs

Patentanwart ^β1 Darmstadt Ludwlg-BUchner-Straße 14

" Telefon (06151) 70928

• Poetecheckkonto: Frankfurt a.M. 111157

Bankverbindung: Deutsche Bank AG., Darmstadt . Telegramme: Inventron

An das

Deutsche Patentamt

München 2

Zwe ibrück ens tr. 12

Ihr Zeichen Ihr Schreiben Mein Zeichen M 103 Tae 19· 11·

Betrifft: -, , ·, ., ,

Patentanmeldung

Anmelder? Stanislas Teszner, Paris

Halbleiterbauelement mit der Charakteristik eines !•lachen- und eines Feld effekt-Trans is tors.

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente mit zwei erlaubten Leitfähigkeitszustanden, die im folgenden als "bivalent" bezeichnet werden.

Bekanntlich ist für Flächentransistoren die Injektion von Minoritätsladungsträgern, die eine Stromverstärkung hervorrufen, das Kriterium. Sie weisen insbesondere eine relativ hohe-Leitfähigkeit, eine relativ hohe Steilheit, einen relativ niedrigen Eingangswiderstand und einen bemerkenswert niedrigen Widerstand bei Sättigung des Insektionsstromes auf. . - ,

Andererseits sind auch Halbleiterbauelemente bekannt, die mit einer Modulation ihrer Leitfähigkeit arbeiten, und zwar im Prinzip ohne die Injektion von Minoritätsladungsträgern durch den sogenannten feldeffekt, der ein· Spannungaver-

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Stärkung bewirkt. Diesen Bauelementen ist insbesondere ein hoher Eingangswiderstand und ein hoher Widerstand im Sperrzustand, aber im allgemeinen auch eine relativ kleine Steilheit je Oberflächeneinheit zu eigen.

wäre nun für viele Anwendungen vorteilhaft, wenn ein Halbleiterbauelement zur Verfügung stände, da je nach den Umständen und insbesondere je nach der Richtung seiner Vorspannung entweder die Charakteristik eines Flächentransistors oder die eines Feldeffekttransistors hätte. Man könnte sioh dann der vorteilhaften Eigenschaften jeder dieser Klassen von Halbleiterbauelementen nach Bedarf bedienen; so könnte man z. B. insbesondere für Schaltzwecke ein hohes Widerstandsverhältnis zwischen Sperr- und Durchlaßzustand gewinnen.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein solches Halbleiterbauelement zu schaffen. Diese Aufgabe wird in der Weise gelöst, daß erfindungsgemäß auf einen plattenförmigen Halbleiterkörper eines gegebenen Leitfähigkeitstyps eine erste Schicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp auf einer Oberfläche (als Emitter und Quellenelektrode), eine zweite Schicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp auf der anderen Oberfläche (als Kollektor und Saugelektrode)^irach innen gerichteten zahnartigen Vorsprüngen aufgetragen und dazwischen eine Schicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (als Basis und Steuerelektrode) eingebracht wird, wobei die Köpfe der Vorsprünge von der ersten Schicht durch schmale, von der Mittelschicht ausgefüllte Abschnitte oder Spalte getrennt sind. Eine solche Halbleitervorrichtung vereinigt in sioh zugleich die Strukturen eines Flächentransistors, d. h. einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor, und die ©ines Feldeffekttransistors, d· h. eine Quelle, eine Steuer-

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enge und eine Senke, wobei die Elemente dieser Strukturen ganz oder teilweise ineinander übergehen.

Dabei unterscheidet sich die nach dem Feldeffekt arbeitende Struktur von dem Aufbau des herkömmlichen Feldeffekttransistors darin, daß der leitkanal an. der Quellenelektrode durch eine dünne Halbleiterschicht eines Leitfähigkeitstyps, der dem des Kanals entgegengesetzt ist, unterbrochen ist, die ihrerseits die Basis des !Flächentransistors bildet. Diese Basis erweitert sich nun derart, daß sie den leitkanal ganz oder teilweise umschließt, und bildet so die Steuerzone des Feldeffekttransistors. Schließlich nehmen die Querschnitt sabmessungen des Kanals, die bekanntlich über den Feldeffekt die Sperrspannung bestimmen, von der Quellenzur Saugelektrode oder umgekehrt zu.

Die Erfindung gibt auch*Herstellungsverfahren für das erfindungsgemäße bivalente Halbleiterelement an.

Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden in einer ins Einzelne gehenden Beschreibung und an Hand der Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch die jElementarstruktur eines bivalenten Halbleiterelementes zur Erläuteruiig des VerschiebungsVorganges unter der Wirkung einer negativ gerichteten Vorspannung an der zwischen Steuerzone und leitkanal gebildeten Diodes

2jig. 2 eine Skizze zur Erläuterung der Bestimmungsgrößen dieser Verschiebung?

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch die Vielfachstruktur einer Ausführungsform der !Erfindung}

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Fig. 4 Skizzen zur Erläuterung zweier Herstellungsverfahren? bis 7

Fig. 8 ein vereinfachtes Schaltbild eines Anwendungsbeispiels des bivalenten Halbleiterelements und

Fig. 9 Kennliiiienseharen für das Verhalten als FlächentranS- und 10 riistor bzw. als Feldeffekttransistor.

Das in Fig. 1 im Querschnitt ausschnittsweise dargestellte Halbleiterelement weist in einem Halbleiterplättchen folgende drei Zonen auft

Eine stark dotierte Schicht 1, z. B. vom n⁺-!Dyp, die den !Emitter des Flächentransistors und die Quellenelektrode, hier die Kathode des Feldeffekttransistors, bildet}

anschließend die unterschiedlich starke p-leitende Schicht mit einem dickeren Teil 2" und einem dünneren Teil 2', von denen Teil 2¹ die Basis des Flächentransistors und Teil 2" die SteuerÄone des Feldeffekttransistors bildet;

schließlich die η-leitende Schicht 3, die den Kollektor des Flächentransistors bildet und deren sich in die Schicht 2 einschiebender Keil 3' mit der anschließenden Schicht 3" den leitkanal zwischen Steuerzone und Saugelektrode, hier der Anode des Feldeffekttransistors bildet.

Der Halbleiterwerkstoff kann vorzugsweise Silikon in der gegenwärtig erhältlichen Qualität, aber auch Germanium oder irgendeine intermetallische Verbindung aus den Gruppen III und V des periodischen Systems wie Galliumarsen (gallium arsenide) sein.

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Fig. 1 illustriert die scheinbare Änderung der Struktur unter der Wirkung einer an den Übergang zwischen der Steuerzone 2' und dem Kanal 3' angelegten Gegenspannung. Diese Veränderung besteht in der Entwicklung einer Raumladung zu beiden Seiten der Trennfläche dieses Überganges, hauptsächlich aber im Kanal 3% der eine geringereIrägerdichte als die Schicht 2 aufweist. Die Linien 4¹ und 4" sollen zwei Stadien dieser Entwicklung von Raumladungen im Leitkanal andeuten, die sowohl zu einer Verdickung der Basis als auch zu einer Verdünnung oder Einschnürung des Leitkanals führt. Die Verdickung resultiert aus dem sich in der Achse des Leitkanals und senkrecht zu dieser ausbreitenden PeIdeffekt, die Verdünnung oder Einschnürung hingegen nur aus dem letzteren Vorgang.

TJm eine Vorstellung von der geometrischen Gestalt des Kanalbereiches zu geben, sei angenommen, daß der Leitkanal kreisförmigen Querschnitt habej selbstverständlich können auch andere Formen, z. Be quadratische oder rechteckige Querschnitte gewählt werden.

In Verbindung mit Fig. 1 erlaubt Fig. 2 eine kurze Erläuterung des Mechanismus¹ zur Entwicklung der Raumladungen und ihrer Rückwirkung auf den Anodenstrom und die entsprechende Steilheit. Mit L ist die ursprüngliche Dicke der Basis bezeichnet, die sich durch die Raumladung ausdehnt, mit 2r der Durchmesser am Kopf des Leitkanals und mit B die Konizität des Kegelstumpfes 3¹· Es sei darauf hingewiesen, daß der Quer-Feldeffekt (d. h. der Radial-Feldeffekt bei der betrachteten Geometrie) den axialen Feldeffekt überwiegt, solange 2r und ß hinreichend klein sind. In erster Näherung braucht daher nur der Quereffekt betrachtet zu werden.

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Der-Strom durch den Abschnitt 2¹ im Leitkanal rührt hier von Ladungsträgern her, die aus der Kathode 1 emittiert
werden und ihn auf Grund des Leitungsmechanismus¹ in dem. Isolator passieren? er wird durch die Raumladung begrenzt. Wiederum in erster Näherung ist die Dichte dieses Stromes

_T_ ₌ (</> . k) V_a ⁿ ■ m

worin V_a die Spannung zwischen Anode und Kathode,

dl. k eine von den Eigenschaften des Halbleiterwerkstoffes abhängende Konstante und
m, η ^ 1 sind.

Der Strom I_a wird proportional der Zahl der Ladungsträger-Traps im Isolator begrenzt. Demzufolge ist 4)<4ϋ 1. Der
Koeffizient φ wird nur relativ bedeutsam, wenn das die
Basis durchsetzende 3?eld so groß wird, daß es die Wirkung dieser Traps neutralisieren kann, z. B. durch ihre Ionisation oder auf irgendeine andere Weise. In diesem wichtigen Abschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie, die bei der Spannung Y_a beginnt, kann man mit hinreichender Annäherung an die physikalischen Verhältnisse ansetzen

η <** 2; m üs> 3;
und schreiben

I_ag> ^²— (2)

Für eine gegebene Spannung 7_a rührt also die Inderung des Stromes I_a aus dem Aufbau der Raumladung her und bewirkt eine Inderung der Dicke L unter der Wirkung der Gegen-

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spannung V an dem Übergang Steuerζone/Leitkanal. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Feldeffekt, der die leitfähigkeit durch Änderung des ![analquersohnittes moduliert, wird der einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement ei gentümli ehe FeI d ef f ekt im w es ent Ii eh en durch die And erung der Dicke des unter der Kathode 1 liegenden Kanalabschnittes 2¹ bewirkt.

Wenn man sich also, wie eingangs vorausgesetzt, nur auf den Radialeffekt der zwischen Steuerzone und Kanal angelegten Vorspannung V auf den Kanal beschränkt, kann man wiederum in erster Annäherung - annehmen, daß, beginnend mit einer Anfangsspannung von V , die hinreichend groß ist, um eine zentripetale Abschnürung am Kanalfortsatz zu bewirken, die Änderung A I« ^ia Abhängigkeit von der Änderung A V durch.den Ausdruck '

Δί -^ -C3)

, 2r · tgß

gegeben ist, worin

_a _

^cr

die Ladungsdichte

_n vereinfachten Giorgi-Binheiten),

die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und

£ die Dielektrizitätskonstante des verwendeten Halbleiterwerkstoffes sind.

Aus Gleichung (3) läßt sich die folgende Annäherung ableiten? ·

3ka (Ya - a₀) .

—τ- -²— 'Av-- (4)

Tt · tgß *■* ^g

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und schließlich

3ka (V_a - V_a )²

Steilheit s = ■» 2— (5).

2L⁴r · tgß

Eine kurze Erörterung der Gleichung (5), die zum Verständnis des folgenden notwendig ist, zeigt, daß es für eine gegebene Spannung Y_a und für einen gegebenen Wert I vorteilhaft ist, sowohl r als auch tgß zu verkleinern, um die Steilheit zu erhöhen. Das ergibt sich auch rein überlegungsmäßig, weil eine Verkleinerung des Radius r eine Verringerung der Abschnürspannung V am Kanalfortsatz zur Folge hat und ein kleinerer tgß Ali und damit /\I_a && ^eine vorgegebene Änderung ΔV vergrößert. Diese beiden Wirkungen zusammen bewirken eine größere Steilheit pro Flächeneinheit des Leitkanals.

Andererseits bewirkt die Verkleinerung des Radius r auch eine proportionale Verengung des Stromquerschnittes und damit des absoluten Betrages der Steilheit. Um letztere wieder au erhöhen, verwendet man vorteilhaft Vielfachstrukturen, wie sie bereits in der deutschen Patentschrift ... (deutsche Patentanmeldung T 14 500 VIIIc/2ig) beschrieben sind.

Das Bemühen, ß möglichst klein zu halten, darf diesen Winkel aber nicht zu Mull werden lassen: bei ß = O wird der leitkanal sofort über seine ganze länge blockiert, sobald die Sperrspannung V err.eicht wird, d. h. es tritt keine progressive ° Änderung von /\lt ein. Andererseits kann ß aber auch negativ werden, was einem anfänglichen Abschnüren des Kanals an der Anode und somit statt einer kontinuierlich zunehmenden Dicke X am ersten Sperrbereich 2' der Serienschaltung eines zweiten Sperrbereiches äquivalent is*t, der

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von dem ersten durch einen unvollständig gesperrten Kanalabschnitt getrennt wäre. Im folgenden wird aber nur der positive ß-Winkel betrachtet.

Figo 3 zeigt schematisch eine Vielfachstruktur. Die Schicht 5 ist η-leitend und stark n⁺-dotiert und bildet den Emitter des !lachen- und die Kathode des Feldeffekttransistors. Die darunter liegende Schicht 6 ist p-leitend und bildet die Basis bzw. Steuerzone. Die darunter liegende Schicht 7 ist wieder η-leitend und bildet Kathode bzw. Anode. Die unterste Schicht 8 schließlich ist wieder stark n⁺-dotiert und bildet den Kollektor- und Anodenkontakt, fig. 3 zeigt also die Parallelschaltung der an Hand der Figo 1 beschriebenen Elementarstruktur in Verbindung mit einer Kollektor-Anode-Kontaktschicht 8. Außerdem erkennt man - in Übereinstimmung mit den Schlußfolgerungen aus der Diskussion der Gl« (5)— die Reduzierung des Kopfdurchmessers des leitkanals auf ein Minimum und eine progressive Zunahme des Kanaldurchmessers über dessen länge.

Die erfindungsgemäße zahnartige Struktur der Mittelschicht kann durch wiederholte Diffusion der n- bzw· p-leitenden Stoffe (z. B. Phosphor bzw. Bor) nach einem Verfahren erhalten werden, das bereits in der deutschen Patentschrift (deutsche Patentanmeldung T 23 200 VIIIc/21g) beschrieben ist und dessen wichtigste Schritte hier kurz wiederholt werden sollen.

Fig. 4 und 5 zeigen zwei Phasen das Herstellungsverfahrens an der Bildung einer Elementarzelle. An der Unterseite eines n-leitenden Halbleiterplättchene, von dem schließlich nur die Schicht 9 erhalten bleibt, wird zunächst die n⁺-Schicht 10 gebildet, dann in die gegenüberliegenden

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Fläche durch eine nach einem photolithographischen Verfahren perforierte Oxydmaske eine Verunreinigung ρ eindiffundiert, die die Steuerzone 11 bildet. Anschließend wird die Oxydschicht von dieser Oberfläche abgelöst und erneut die p-Verunreinigung eindiffundiert, aber nur so kurz, daß gerade der Kopf des zähnchenförmigen Leitkanals abgedeckt wird, wie dies mit der gestrichelten Linie 12 angedeutet ist. Nachdem dies geschehen ist, wird das Herstellverfahren, wie in Pig. 5 angedeutet, in der Weise abgeschlossen, daß nach vorheriger Reinigung durch dieselbe Oberfläche eine Verunreinigung η von hoher Konzentration, also vom η -Typ eindiffundiert wird, die zumindest teilweise die unter ihr liegende, Verunreinigungen vom p-Typ enthaltende Schicht zurückdrängt. So entsteht schließlich eine Struktur, in der die in Verbindung mit Pig. 4 beschriebenen verzahnten Schichten. 9 und 11 als Schichten 9' und 11' unter einer Deckschicht 13 liegen.

Pig. 6 und 7 zeigen zwei Phasen eines abgewandelten Herstellverfahrens, das wie folgt abläuft;

Nach der Diffusion der n⁺-Schioht 15 in das η-leitende HaIbleiterplättchen (hier mit 14 bezeichnet) wird wie zuvor die Verunreinigung ρ durch eine Oxydmaske eindiffundiert und bildet das Gritter 16. Diese Diffusion wird hier jedoch solange fortgesetzt, bis sich die Ränder der Grittersteilen unter der Maske berühren, wie in Pig. 6 dargestellt ist· Dann wird die Maske entfernt und eine stark dotierte ^-Verunreinigung sindiffundiert, die die vor ihr liegenden Kanten der p-Diffusion zurückdrängt, &o daß sich die in Fig. 7 dargesttllte Struktur ausbildet, wo die n⁺-Schicht mit und die miteinander verzahnten Schichten 14 und 16 mit 14' und 16' bezeichnet sind·

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Dlpl.-Ing. G. Sehliebs

Patentanwalt

Man erkennt, daß man hier sehr kleine Durchmesser am Kopf der Iieitkanäle, sehr kleine Winkel ß und sehr dünne Spalte L erhält. Mithin sind alle Bedingungen für eine hohe Steilheit während des Arbeitens als Feldeffekttransistor erfüllt. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß die dünne Basisschicht 18 auch eine hohe Stromverstärkung während des Arbeit ens als !Flächentransistor erlaubt. Andererseits ist dieses abgewandelte Herstellverfahren schwieriger durchzuführen als das zuerst beschriebene.

Mg..-8 zeigt ein stark vereinfachtes Schaltbild eines Schaltkreises mit einem erfindungsgemäßen bivalenten Halbleiterbauelement« In ihm sind mit 19 die Anodenspannungsquelle, mit 20 die Belastung und mit 21 eine Signalstromquelle bezeichnet. 22 und 23 bezeichnen die entgegengesetzt gepolten Vorspannungsquellen, die mittels des Schalters 24 wechselweise eingeschaltet werden können je nachdem, ob das Bauelement als !Flächentransistor (positive Vorspannung) oder als Feldeffekttransistor (negative Vorspannung) arbeiten soll* Mit 25 ist das bivalente Halbleiterbauelement mit Bmitter-Kathode 25h, Basis-Steuerzone 25p und Kollektor-Anode 25* bezeichnet. Der Schaltkreis ist geschlossen, wenn der Schalter 24 nach rechts auf der Seite der Vorspannungsquelle 22 liegt, und geöffnet, wenn er nach links auf der Seite der Vorspannungsquelle 23 liegt»

Fig. 9 und 10 zeigen statische Kennlinien für das Arbeiten als Flächentransistor (TDmitter-Kollektor-Kennlinien) bzw. als Feldeffekttransistor (Quelle-Senke-Kennlinien), die mit einem Versuchsmuster des erfindungsgemäßen bivalenten Bauelementes in einer Schaltung nach Fig. 8, aber ohne Signalstromquelle 21 aufgenommen wurden, also einfach durch Änderung der Steuervorspannungen. Die Kurven 26^ bis

in Fig. 9

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stellen aufeinanderfolgende Stufen des Kollektorstromes dar, der durch Injektion eines jeweils um 0,05 mA steigenden Stromes an der Basis erhalten wird. Das Diagramm ergibt eine Stromverstärkung über 100, die beträchtlich ist, insbesondere weil diese Verstärkung mit relativ niedrigen Kollektorströmen erhalten wird. Die Kurvenschar 27-j bis 27g in Figo 10 zeigt die Änderung des Anodenstromes in der Schaltung als Feldeffekttransistor für Steuervorspannungen zwischen 0 und -5 V· Sie entspricht guten Triodenkennlinien mit maximaler Steilheit über drei mA/V und einer Spannungsverstärkung nahe bei 20.

Der Reststrom im Sperrzustand, der aus dieser Figur nicht abgelesen werden kann, war niedriger als 1 mA, so daß das Bauelement, als Schalter abwechselnd im Durchlaßbereich als Flächentransistor und im Sperrbereich als Feldeffekttransistor arbeitend, ein Stromverhältnis in der Größen -

Ordnung von 10 in diesen b
das sehr bemerkenswert ist.

Ordnung von 10 in diesen beiden Zuständen aufweisen würde,

Die Vielfach-Struktur, die diese Ergebnisse liefert, hatte etwa 100 parallel geschaltete Kanäle und eine aktive Ober-

2
fläche von etwa 0,1 mm . Selbstverständlich sollen die mitgeteilten Ergebnisse lediglich quantitativ und qualitativ die in der Erfindung liegenden Möglichkeiten erläutern_e Es versteht sich, daß die Struktur in ihrer Geometrie und in den verwendeten Materialien abgewandelt werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

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Patentansprüche

1. Halbleiterbauelement mit der Charakteristik eines Flächen- und eines Feldeffekttransistors aus einem plattenförmigen Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps, gekennzeichnet durch eine erste Schicht (1) vom gleichen Leitfähigkeitstyp auf einer Oberfläche (als Emitter und Quellenelektrode), eine zweite . Schicht (3) gleichen leitfähigkeitstyps auf der anderen Oberfläche des Halbleiterkörpers (als Kollektor und Saugelektrode) mit nach innen gerichteten zahnartigen Vorsprüngen (3¹) und eine dazwischen liegende Schicht (2) entgegengesetzten leitfähigkeitstyps (als Basis und Steuerelektrode), wobei die Köpfeder Vorsprünge von der ersten Schicht durch schmale, von der Mittelschicht ausgefüllte Abschnitte (2·) getrennt sind.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zahnartigen Vorsprünge (3¹) die Form von Kegelstumpfen haben, deren Stirnflächen parallel zu der inneren Grenzfläche der ersten Oberflächenschicht (1) liegen.

3· Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zahnartigen Vorsprünge (3') zugespitzt sind ο

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> 19. 11. 65 Blatt 14 DlpL-Ιης. Q. Sehlieb·

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Schaltung für ein Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Charakteristik als flächen- oder als !Feldeffekttransistor durch die Polarität einer an seine Mittelschicht (2·) angelegten Vorspannung einstellbar (auswählbar) ist.

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Lee rs e ι te