DE1514932A1

DE1514932A1 - Gridistor

Info

Publication number: DE1514932A1
Application number: DE19661514932
Authority: DE
Inventors: Stanislas Teszner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1963-07-26
Filing date: 1966-02-23
Publication date: 1969-09-11
Also published as: NL143734B; FR87873E; CH429953A; FR1377330A; GB1045314A; NL152119B; DE1514932B2; US3407342A; NL6602337A; US3372316A; NL6408428A; DE1293900B; GB1090696A; CH414872A; DE1514932C3

Description

PATENTANWAtT

DR. QUASDE* , , „ , . .

STUTYfcAlT L^' -'Μ--' 1514932 Richard-Wagner-Strofl· U ~

Telefon 244444

22. Februar 1966

Stanislas TESZNER
49, Rue de la Tour

PARIS / Frankreich

Patentanmeldung; Deutschland
Kennwort; "Gridistor"

A 10 401

StrukturverbeBBerungen an den als "Gridistoren" bekannten Halbleiteranordnungen

Ziel der Erfindung sind Strukturverbesserungen der als Leistungsverstärker wirkenden Halbleiteranordnungen mit Feldeffekt, die unter der Bezeichnung "Gridistor" bekannt sind und die im Inneren eines aus einem Halbleitermaterial bestehenden Plättchens eine Anzahl paralleler Kanäle mit mehr oder weniger dreieckigem Querschnitt besitzen, deren Modulation sich durch die Einschnürung infolge der Feldwirkung eines die Kanäle umgebenden Gitters ergibt. Derartige Halbleiteranordnungen sind in der deutschen Patentanmeldung Nr. T 26 654 VHIc/21g vom 23. Juli 1964 des '

Anmelders beschrieben.

Für jeden Kanal kommt zu der beschriebenen Einschnürung noch die zentripetale Einschnürung, woraus sich im einzelnen die folgenden Vorteile ergeben; ein hoher Eigenverstärkungsfaktor, eine kleine Ladezeitkonstante der Gitter-Kanalkapazität sowie eine ebenfalls kurze Laufzeit der Ladungsträger bei Betrieb mit Anodenstroms ättLgung in dem Teil des Kanals, auf den fast der gesamte Widerstand entfällt. Diese Kennwerte sind besonders beim hochfrequenten Betrieb der Anordnung bedeutsam.

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Dagegen ist die Querfläche des Gitters nicht wirtschaftlich ausgenutzt, da die Kanäle bei dieser Anordnung notwendigerweise voneinander durch Zwischenräume einer Größenordnung getrennt sind, die etwa durch die Grundlinie ihrer dreieckigen Querschnitte bestimmt wird. Außerdem" entspricht diesen nicht ausgenutzten Zwischenräumen ein großer Teil der Übergangsfläche zwischen dem Gitter und den Kathoden- und Anodenbereichen; diese Fläche verursacht erhebliche Streukapazitäten sowohl bei der Eingangskapazität wie bei der Aus« gangskapazität. Hieraus ergibt sich eine Beeinträchtigung "sowohl des Gegenwirkleitwertes je Querflächeneinheit des Gitters als auch des durch das Verhältnis des Gegenwirkleitwertes zur Eingangskapazität bestimmten Gütefaktors.

Ziel der Erfindung ist die Vermeidung dieser Nachteile ohne Aufgabe der Vorteile der zentripetalen Einschnürung für den aktiven Teil der Struktur gemäß der früheren Anmeldung. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß in den bisher'aus genutzten Zwischenräumen zwischen den dreieckigen Kanälen Kanäle mit flacher Einschnürung ausgespart werden, wodurch die optimale Ausnutzung der Gitterfläche mit allen dadurch bedingten Wirkungen möglich wird, und daß der zentripetale und flächenförmige Eins chnürungs vor gang bestmöglich kombiniert wird. Die Erfindung bezecht sich ebenfalls auf Ausführungsvarianten der genannten Struktur sowie auf die für die Ausführung der Erfindung erforderlichen Fertigungsverfahren.

Die Erfindung, ihre besonderen Merkmale und Vorteile sollen nun an Hand der folgenden Einzelbeschreibung und der anliegenden Zeichnungen deutlicher gemacht werden. Es zeigen:

Die Figg. 1 und 2 einen Grundriß bzw. eine perspektivische Schnitt«

zeichnung einer Struktur nach dem Stande der Technik in einer Teildarstellung;

Fig. 3 eine perspektivische Schnittzeichnung einer erfindungs

gemäßen Struktur in Teildarstellung;

Fig. 4 eine Ansicht einer Variante der Struktur gemäß der

Erfindung;
Fig. 5 die Abwicklung der Raumladung in einem Augenblick des

Elementareinschnürungsprozesses des mit Ausbauchui^jai versehenen Kanals gemäß der Erfindung. „ 3 „

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Bei der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung beispielsweise dar« gestellt wird, wird davon ausgegangen, daß sowohl die in der früheren Anmel« dung beschriebene Struktur als auch die erfindungsgemäße Struktur in einer Schicht 10 eines Halbleiters vom Typ n, z.B. Silizium mit einem spezifischen Widerstand von einer Größenordnung, die zwischen einigen Ohm und dem Zehn« fachen dieses Wertes liegt, gebildet wird, wobei diese Schicht durch epitaxiale Verwachsungen auf einem Plättchen 11 eines Halbleiters vom Typ ρ nieder ge« schlagen wird, der kurz Substrat genannt wird und sehr stark dotiert ist und somit einen geringen spezifischen Widerstand von nur einigen Zehnteln Ohm/cm hat. Man kann selbstverständlich ebenfalls eine epitaxiale Schicht ρ verwenden, die auf einem stark dotierten Substrat η niedergeschlagen wird.

Eine "Gridistor"-Halbleiteranordnung der bekannten Art wird in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Die Fig. 1 zeigt außer der Gridistor-Struktur das Profil einer Oberflächenmaske 4, z, B. einer Oxydmaske, die die Diffusion des Gitters bewirkt und auf der oberen Fläche des Plättchens aus Halbleitermaterial gebildet wird. Die Maske 4 deckt die gesamte Fläche des Plättchens mit Ausnahme der Fenster 5 und eines peripherischen Rahmens 6 ab.

Ein Gitter 3 wird durch Diffusion eines Störstoffes des Typs p, z. B. Bor, durch die Fenster 5 und den Rahmen 6 gebildet. Da die Diffusion rundstrahlend ist, erstreckt sich das Gitter sowohl in die Tiefe wie auf die Oberfläche, wobei die Oberflächenausdehnung teilweise unter der Maske in der Nähe der I

Ränder der Fenster und des Rahmens verläuft. Das Gitter dringt somit in die zwischen den gestrichelten Linien 7 der Fig. 1 liegende Fläche ein und besteht in Querrichtung aus miteinander zusammenhängenden Teilen veränder« licher Dicke, wobei die Dicke gegenüber den Fenstern 5 ihren größten und längs der gestrichelten im gleichen Abstand von den nebeneinanderliegenden Fenstern 5 oder im gleichen Abstand von einem Fenster 5 und vom Rahmen 6 verlaufenden gestrichelten Linien 8 und 9 sowie längs der gestrichelten Linien 7 ihren Ideinsten Wert erreicht.

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Die Struktur ist in Fig. 2 mit der perspektivischen Schnittzeichnung längs der Schnittlinie 2 *· 2 der Fig. 1 klarer erkenntlich. Gleiche Teile werden in den Figg. 1 und 2 mit gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet. Fig. 2 zeigt das Subtrat 11 und die epxtaxLale Schicht 10, und wie ersichtlich, hat die Diffusion des Störstoffes des Typs p, die von außen durch die Fenster 5 und den Rahmen 6 eingeführt worden ist, von oben nach unten den oberen Teil 3* des Gitters 3 gebildet, während gleichzeitig die Exodiffusion von unten nach oben des Majoritäts störstoffes des Typs ρ in dem stark dotierten Substrat 11 den unteren Teil 3" des Gitters 3 umhüllt. Der Übergang zwischen diesen beiden in entgegengesetzter Richtung diffundierten Teile erfolgt längs der Ebene 12. Die Teile 3* und 3" begrenzen zwischen sich weitgehend dreieckige Kanäle 13 Jk des Typs η mit zwei kurvenförmigen und einer gradlinigen Seite, welche in

das Gitter 3 des Typs ρ eingetaucht sind. Der Übergang zwischen den neben·* einanderliegenden, durch die Fenster 5 diffundierten Teile des Gitters verläuft längs der Lin^n 8.

Nach Bildung des Gitters und der Kanäle während der Diffusion des Störstoffes vom Typ ρ wird die Maske aufgelöst, worauf eine zweite Maske mit zwei Fenstern an den mit 1 und 2 in Fig. 1 gekennzeichneten Stellen gebildet wird. Durch diese Fenster wird eine Dotierung des Typs η der epit» axialen Schicht ausgeführt, wodurch ein dotierter Kathodenbereich 1 und ein dotierter Anodenbereich 2 entstehen. Die Verbindungsdrähte der Kathode, der Anode und des Gitters, die in der Zeichnung nicht dargestellt werden, werden an die Bereiche 1 und 2 und andererseits an den peripherischen Teil des Gitters (dem dem Rahmen 6 zugeordneten Bereich) oder an das Substrat gelegt.

In Fig, 2 ist ersichtlich, daß die Kanäle 13 durch "tote" Zwischenräume 14 getrennt sind, deren Länge, wie bereits eingangs erwähnt wurde, von der gleichen Größenordnung ist wie die geradlinige Grundlinie der Kanäle 13. Die Querfläche des Gitters ist somit größer als theoretisch erforderlich, um die Einschnürungswirkung auf die Kanäle auszuüben, und diese Fläche ist auch die Ursache der Störkapazitäten der entsprechenden Bänder des Substrats 'P gegenüber den zur Kathode 1 und zur Anode 2 gehörigen Bereichen des Typs n. 909837/0433 « 5 ~

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Dieser Mangel wird durch die erfindungsgemäße Struktur behoben. Ver« gleiche hierzu Fig. 3, die, wie auch Fig. 2, eine perspektivische Schnitt« zeichnung des Plättchens 11 ist. Fig. 3 zeigt, daß die Kanäle 15 einer allge« mein dreieckigen Form nicht mehr durch das Gitter 16 voneinander getrennt sondern im Gegenteil durch die flachen Teile 17 miteinander/verbunden werden. Es gibt somit nur noch einen Gesamtkanal 17 einer im wesentlichen flachen Ausbildung mit im gleichen Abstand wiederkehrenden dreieckigen Aus« bauchungen 15. Die Diffusion des Teils 16 des Gitters durch die Fenster 5 wird angehalten bevor der diffundierte Teil 16 den exodiffundierten Teil 18 erreicht; lediglich der Bereich des Rahmens 6 wird bei 19 diffundiert, bis er den exodiffundierten Teil des Subtrat 18 erreicht.

Das Gitter wird genauer gesagt durch zwei aufeinanderfolgende Diffusionen erzeugt: zunächst wird der Bereich unter dem Rahmen 6 vor« diffundiert; anschließend wird der Bereich unter den Fenstern 5 und unter dem Rahmen 6 einer zweiten Diffusion ausgesetzt. Für diese beiden Diffusionen wird das gleiche Element fz. B. Bor) verwendet. Der Prozeß wird durch die sehr kurzzeitige Diffusion eines Stör stoff es des Typs n, z.B. Phosphor, mit hoher Konzentration durch eine Maske abgeschlossen, welche lediglich den Kathodenbereich 1 und den Anodenbereich 2 freiläßt.

Bei einer solchen Struktur ist es jedoch unerläßlich, da die verschiedene! Bereiche des Gitters mit dem Subtrat nicht mehr in Verbindung stehen, sondern ( von diesem durch den flachen Teil der Kanäle getrennt sind, Mittel vorzusehen, mit denen bewirkt wird, daß das gesamte Volumen des Gitters aus einem Stück gebildet und mit dem Subtrat gänzlich verbunden ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, setzt das voraus, daß die Seitenflanken der aus den Fenstern 5 diffundierten Bereiche sich längs der Linien 8 verbinden und daß die Seiten« flanke des vom Rahmen 6 diffundierten Bereiches sich mit der Seitenflanke des aus dem dem Rahmen benachbarten Fenster 5 diffundierten Bereiches längs der Linie 9 verbindet. Es ist jedoch nicht erforderlich, daß die Seiten« flanken zu stark über die Übergangszone hinausragen, in welcher sie sich in der Ebene der oberen Fläche ;{Fig, 3) vereinigen, da sonst die Gefahr besteht, die günstig wirkenden Flächen der Ausbauchungen einzuengen.

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Die Strukturvariante gemäß Fig. 4 beseitigt diese einschränkende Bedingung. Bei dieser "Variante sind Ausbauchungen 20 nicht wie in Fig. 3 dreieckig, sondern trapezförmig mit abgefaster Kante, während die flachen Verbindungskanäle 21 im übrigen wie die flachen Kanäle 17 ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform sind die verschiedenen Teile 23 des Gitters nicht mehr miteinander verbunden, so daß Mittel für'ihre Verbindung vor*· gesehen werden müssen. Zu diesem Zweck ist für die Bildung des Gitters eine zusätzliche Diffusion durch eine Maske vorgesehen, welche mit einer Öffnung in Form eines die Fenster 5 verbindenden Bandes 25 versehen ist. Durch dieses Band erfolgt eine Diffusion des Typs ρ von sehr kurzer Dauer, die lediglich den Zweck hat> die oberen, der Plättchenoberfläche benach« ψ barten Zonen der verschiedenen Teile 23 des Gitters miteinander zu ver« binden; die Fasen der trapezförmigen Ausbauchungen befinden sich mit anderen Worten nicht in der Ebene der oberen Fläche, sondern etwas unter der Ebene dieser Fläche, wobei eine sehr wenig tiefe Schicht des Typs ρ die getrennten Bereiche des Gitters verbindet. Der Kontakt mit dem Subtrat erfolgt über den unter dem Rahmen liegenden Bereich des Typs p. Zu be« merken ist, daß es nicht notwendig ist, das Band 25 mit den fluchtenden Seiten der Fenster 5 zur Deckung zu bringen, wie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt. Die einzige unerläßliche Bedingung hinsichtlich der Breite und Anordnung dieses Bandes ist, daß es nicht über die durch die Striche .7 be·* zeichneten Grenzen hinausragen darf,

Sowohl in der Struktur der Fig. 3 als auch in derjenigen der Variante der Fig. 4 wird die zentripetale Einschnürung in den praktisch dreieckigen Kanälen mit der flächenförmigen Einschnürung in den flachen Verbindungs« kanälen verbunden. Dieses gemischte Verfahren läßt sich an Hand der Fig. besser erläutern, welche im vergrößerten Maßstab die Abwicklung der Raumladungen durch den Feldeffekt in einem Element der Struktur gemäß Fig. 5 in einem bestimmten Stadium des Einschnürungsprozesses darstellt. Dieses Stadium entspricht dem Augenblick, in welchem die Verbindungskanäle vollständig von den Raumladungen 26a und 26b durchdrungen sind, welche eine praktisch dreieckige Fläche 27 begrenzen. Der erörterte Augenblick

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bezeichnet somit das Ende des Stadiums der flachen Einschnürung, an welches sich die zentripetale Einschnürung anschließt; die Einschnürungsspannung des Kanals 27 entspricht in erstejir Annäherung etwa derjenigen eines Kreises 28, der in Fig. 5 gestrichelt dargestellt ist.

Die verschiedenen oberen Teile des Gitters, d.h. die über den Kanälen liegenden Teile, werden in der beschriebenen Weise miteinander verbunden, während sie insgesamt über den senkrecht zum Rahmen verlaufenden Bereich des Typs ρ mit dem Subtrat verbunden werden, welcher, da er durch zwei aufeinanderfolgende Diffusionen erzeugt wird, tiefer als die übrigen oberen, dem Subtrat benachbarten Teile ist. Falls der Gridistor nicht als Triode, sondern als Tetrode verwendet werden soll, entfällt die Vordiffusion durch %

den Rahmen, so daß die verschiedenen oberen Teile des Gitters ein mit dem Subtrat nicht verbundenes Ganzes bilden. Das Subtrat wird in diesem Fall als zweites Gitter verwendet.

Selbstverständlich können die Ausführungsformen wie auch die verwendeten Halbleitermaterialien, Halbleiter der Gruppe IV oder intermetallische Verbindungen der Gruppen III und V des periodischen Systems der Elemente verändert werden, ohne daß die sich ergebenden Vorrichtungen deshalb aus dem Rahmen der Erfindung heraustreten.

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Claims

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1. Als Gridistoren bekannte Halbleiteranordnung mit Feldeffekt, die aus· einer dünnen Halbleiterschicht von gegebenem Leitungsiyp mit einer freien Oberfläche und einer gemeinsamen Oberfläche mit einem Halb« leiterplättchen entgegengesetzten Leitungstyps sowie mit länglichen Einschlüssen des entgegengesetzten Leitungstyps bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse untereinander und mindestens an der Peripherie der Anordnung mit der gemeinsamen Fläche in Flächen« Verbindung stehen und ein Gitter bilden, welches eine Reihe von Kanälen des gegebenen Leitungstyps und dreieckigem Querschnitt mit zwei bogenförmigen Seiten oder mit trapezförmigem Querschnitt ebenfalls mit zwei bogenförmigen Seiten begrenzt, welche untereinander durch flache Kanäle verbunden sind,

2. Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Gitter durchquerenden Kanäle von dem sogenannten Kathodenbereich ausgehen und in den sogenannten Anodenbereich münden, wobei diese beiden Bereiche in der dünnen Halbleiters chicht abgegrenzt sind und somit vom gleichen Leitungstyp wie die Kanäle sind.

3. Halbleitertetroden gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Gitter bildenden länglichen Einschlüsse an der Peripherie der Vor« richtung nicht mit der gemeinsamen Fläche in Berührung stehen,

4. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung gemäß ά mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei diesem Verfahren eine Vordiffusion eines Fremdstoffes mit einem dieser Schicht entgegengesetzten Leitungstyps in die dünne Halbleiterschicht durch eine Maske stattfindet, welche ein einen Rahmen freilassendes Fenster auf« weist, welcher den Umriß der aktiven Fläche der Anordnung abgrenzt, gefolgt von einer zweiten Diffusion des gleichen Fremdstoffes durch eine Maske, welche gleichzeitig das Fenster des Rahmens und die Fenster für das Gitter freiläßt, wobei diese Diffusion/ilo ausgeführt werden, daß

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unter dem Rahmen die Verbindung mit dem Basisplättchen aus Halbleitermaterial stattfindet, daß di e Elemente des Oberflächengitters miteinander und mit dem Rahmen in Verbindung stehen, daß jedoch zwischen den Elementen und dem Halbleiterplättehen ein Zwischenraum verbleibt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Diffusion derart gesteuert wird, daß die Elemente des Oberflächengitters am Ende der zweiten Diffusion voneinander getrennt bleiben und daß eine dritte Diffusion des gleichen Fremdstoffes durch eine Maske stattfindet, welche ein kontinuierliches Band über der Außenfläche des Gitters freiläßt, damit die gegenseitige Verbindung gewährleistet ist.

6. Verfahren zur Herstellung von Halbleitertetroden gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vordiffusion gemäß Anspruch 4 ent« fällt, so daß die Elemente des Oberflächengitters untereinander, aber nicht mit der gemeinsamen Fläche, in Verbindung stehen.

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