DE1514932B2 - Halbleiterbauelement mit Feldeffekt - Google Patents
Halbleiterbauelement mit FeldeffektInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit Feldeffekt, bestehend aus einem Träger von
einem ersten Leitfähigkeitstyp und einem Steuergitter, das parallele Bänder vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, die in ihrer Mitte dicker sind als an ihren
Rändern, wobei zwischen den Bändern Kanäle des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps angeordnet
sind.
Aus der französischen Patentschrift 1317 256 ist
ein Halbleiterbauelement mit Feldeffekt bekannt, das ein Maschengitter besitzt und als Gleichrichter wirkt.
Aus der Zeitschrift Proceedings of the IEEE, Dezember 1964, S. 1507, ist ein Gridistor bekannt, bei
welchem im Inneren eines aus einem Halbleitermaterial bestehenden Blättchens eine Anzahl paralleler
Kanäle des einen Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind, die von einem Gitter des anderen Leitfähigkeitstyps
umschlossen sind. Ein ähnliches Feldeffekt-Halbleiterbauelement ist nach dem deutschen Patent
1 293 900 vorgeschlagen worden.
Bei beiden Halbleiterbauelementen sind die Kanäle voneinander getrennt, so daß die Querfläche des Gitters
nicht rationell ausgenutzt wird. Auf die Zwischenräume zwischen den Kanälen entfällt ferner ein
beträchtlicher Teil der Übergangsfläche zwischen dem Gitter und den Kathoden- und Anodenbereichen.
Diese Fläche verursacht erhebliche Streukapazitäten bei der Eingangskapazität und bei der Ausgangskapazität.
Hieraus ergibt sich eine Erniedrigung sowohl der Steilheit je Flächeneinheit des Gitters als
auch des durch das Verhältnis der Steilheit zur Eingangskapazität bestimmten Gütefaktors.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art zu
schaffen, bei welchem die vorstehend aufgeführten Nachteile beseitigt sind.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Kanäle längs ihrer innenliegenden seitlichen Ränder
durch eine dünne Schicht desselben Leitfähigkeitstyps wie der der Kanäle verbunden sind, die in
Kontakt mit dem Träger ist.
Die Erfindung ermöglicht es, die Streukapazitäten beträchtlich zu reduzieren und den Gütegrad des
Halbleiterbauelements zu steigern.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung
ίο werden nachfolgend an Hand der Zeichnung im einzelnen
erläutert. Es zeigen
F i g. 1 und 2 in Draufsicht bzw. in Schrägansicht
ein Halbleiterbauelement nach dem Stande der Technik,
is F i g. 3 in perspektivischer Schnittzeichnung ein erfindungsgemäßes
Halbleiterbauelement in Teildarstellung,
F i g. 4 eine Variante von F i g. 3,
F i g. 5 die Entwicklung der Raumladung in einem Augenblick des Einschnürungsprozesses eines mit
Ausbauchungen versehenen Kanals nach der Erfindung.
Bei der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung beispielsweise dargestellt wird, wird davon ausgegangen,
daß sowohl die in der früheren Anmeldung beschriebene Struktur als auch die erfindungsgemäße
Struktur in einer Schicht 10 eines n-leitenden Halbleiters, z. B. Silizium mit einem spezifischen
Widerstand von einer Größenordnung, die zwischen einigen Ohm und dem Zehnfachen dieses Wertes
liegt, gebildet wird, wobei diese Schicht durch epitaktisches Aufwachsen auf einem Plättchen 11 eines
p-leitenden Halbleiters niedergeschlagen 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 epitaktische p-Schicht verwenden, die auf einem stark dotierten
η-leitenden Substrat niedergeschlagen wird.
Eine »Gridistor«-Halbleiteranordnung der bekannten Art wird in den F i g. 1 und 2 dargestellt.
Die F i g. 1 zeigt außer der Gridistor-Struktur das Profil einer Oberflächenmaske4, z.B. einer Oxydmaske,
die die Diffusion des Gitters ermöglicht 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 p-Leitung bewirkenden Störstoffes, 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 Ränder der Fenster und des Rahmens verläuft. Das Gitter dringt somit in die zwischen den gestrichelten
Linien 7 der F i g. 1 liegende Fläche ein und besteht in Querrichtung aus miteinander zusammenhängenden
Teilen veränderlicher 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 kleinsten Wert erreicht.
Die Struktur ist in F i g. 2 mit der perspektivischen Schnittzeichnung längs der Schnittlinie 2-2 der
3 4
F i g. 1 klarer erkenntlich. Gleiche Teile werden in wird durch die sehr kurzzeitige Diffusion eines n-Lei-
den Fig. 1 und2 mit gleichen Bezugszahlen gekenn- rung bewirkenden Störstoffes, z.B. Phosphor, mit
zeichnet. Fig. 2 zeigt das Substrat 11 und die epitak- hoher Konzentration durch eine Maske abgeschlps-
tische Schicht 10, und wie ersichtlich, hat die Diffu- sen, welche lediglich den Kathodenbereich 1 und den
sion des p-Leitung bewirkenden Störstoffes, die von 5 Anodenbereich 2 freiläßt.
außen durch die Fenster 5 und den Rahmen 6 einge- Bei einer solchen Struktur ist es jedoch unerläßfiihrt
worden ist, von oben nach unten den oberen Hch, da die verschiedenen Bereiche des Gitters mit
Teil 3' des Gitters 3 gebildet, während gleichzeitig die dem Subtrat nicht mehr in Verbindung stehen, son-Exodiffusion
von unten nach oben des p-Leitung be- dern von diesem durch den flachen Teil der Kanäle
wirkenden Majoritätsstörstoffes in dem stark dotier- io getrennt sind, Mittel vorzusehen, mit denen bewirkt
ten Substrat 11 den unteren Teil 3" des Gitters 3 um- wird, daß das gesamte Volumen des Gitters aus
hüllt. Der Übergang zwischen diesen beiden in entge- einem Stück gebildet und mit dem Substrat gänzlich
gegengesetzter Richtung diffundierten Teile erfolgt verbunden ist. Wie aus F i g. 3 ersichtlich, werden die
längs der Ebene 12. Die Teile 3' und 3" begrenzen Seitenflanken der aus den Fenstern 5 diffundierten
zwischen sich weitgehend dreieckige η-leitende Ka- 15 Bereiche längs der Linien 8 verbunden und die Seinäle
13 mit zwei kurvenförmigen und einer gradlini- tenflanke des vom Rahmen 6 diffundierten Bereiches
gen Seite, welche in das p-leitende Gitter 3 einge- mit der Seitenflanke des aus dem dem Rahmen betaucht
sind. Der Übergang zwischen den nebeneinan- nachbarten Fenster 5 diffundierten Bereiches längs
derliegenden, durch die Fenster 5 diffundierten Teile der Linie 9 verbunden. Es ist jedoch nicht erforderdes
Gitters verläuft längs der Linien 8. 20 Hch, daß die Seitenflanken zu stark über die Über-
Nach Bildung des Gitters und der Kanäle während gangszone hinausragen, in welcher sie sich in der
der Diffusion des p-Leitung bewirkenden Störstoffes Ebene der oberen Fläche (F i g. 3) vereinigen, da
wird die Maske aufgelöst, worauf eine zweite Maske sonst die Gefahr besteht, die günstig wirkenden Flämit
zwei Fenstern an den mit 1 und 2 in F i g. 1 ge- chen der Ausbauchungen einzuengen,
kennzeichneten Stellen gebildet wird. Durch diese 25 Die Strukturvariante gemäß F i g. 4 beseitigt diese Fenster wird eine η-Leitung bewirkende Dotierung einschränkende Bedingung. Bei dieser Variante sind der epitaktischen Schicht ausgeführt, wodurch ein Ausbauchungen 20 nicht wie in F i g. 3 dreieckig, dotierter Kathodenbereich 1 und ein dotierter An- sondern trapezförmig mit abgefaster Kante, während odenbereich 2 entstehen. Die Verbindungsdrähte der die flachen Verbindungskanäle 21 im übrigen wie die Kathode, der Anode und des Gitters, die in der 30 flachen Kanäle 17 ausgebildet sind. Bei dieser Aus-Zeichnung nicht dargestellt werden, werden an die führungsform sind die verschiedenen Teile 23 des Bereiche 1 und 2 und andererseits an den peripheri- Gitters 24 nicht mehr miteinander verbunden, so daß sehen Teil des Gitters (dem dem Rahmen 6 zugeord- Mittel für ihre Verbindung vorgesehen werden müsneten Bereich) oder an das Substrat gelegt. sen. Zu diesem Zweck ist für die Bildung des Gitters
kennzeichneten Stellen gebildet wird. Durch diese 25 Die Strukturvariante gemäß F i g. 4 beseitigt diese Fenster wird eine η-Leitung bewirkende Dotierung einschränkende Bedingung. Bei dieser Variante sind der epitaktischen Schicht ausgeführt, wodurch ein Ausbauchungen 20 nicht wie in F i g. 3 dreieckig, dotierter Kathodenbereich 1 und ein dotierter An- sondern trapezförmig mit abgefaster Kante, während odenbereich 2 entstehen. Die Verbindungsdrähte der die flachen Verbindungskanäle 21 im übrigen wie die Kathode, der Anode und des Gitters, die in der 30 flachen Kanäle 17 ausgebildet sind. Bei dieser Aus-Zeichnung nicht dargestellt werden, werden an die führungsform sind die verschiedenen Teile 23 des Bereiche 1 und 2 und andererseits an den peripheri- Gitters 24 nicht mehr miteinander verbunden, so daß sehen Teil des Gitters (dem dem Rahmen 6 zugeord- Mittel für ihre Verbindung vorgesehen werden müsneten Bereich) oder an das Substrat gelegt. sen. Zu diesem Zweck ist für die Bildung des Gitters
In Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Kanäle 13 durch 35 eine zusätzliche Diffusion durch eine Maske vorgese-
»tote« Zwischenräume 14 getrennt sind, deren hen, welche mit einer Öffnung in Form eines die
Länge, wie bereits eingangs erwähnt wurde, von der Fenster 5 verbindenden Bandes 25 versehen ist,
gleichen Größenordnung ist wie die geradlinige Durch dieses Band erfolgt eine Diffusion von sehr
Grundlinie der Kanäle 13. Die Querfläche des Git- kurzer Dauer von p-Leitung bewirkenden Störstofters
ist somit größer als theoretisch erforderlich, um 40 fen, die lediglich den Zweck hat, die oberen, der
die Einschnürungswirkung auf die Kanäle auszuüben, Plättchenoberfläche benachbarten Zonen der ver-
und diese Fläche ist auch die Ursache der Stör- schiedenen Teile 23 des Gitters miteinander zu verkapazitäten
der entsprechenden Bänder des p-leiten- binden; die Anfasungen der trapezförmigen Ausbauden
Substrats gegenüber den zur Kathode 1 und zur chungen befinden sich mit anderen Worten nicht in
Anode 2 gehörigen η-leitenden Bereichen. 45 der Ebene der oberen Fläche, sondern etwas unter
Dieser Mangel wird durch die erfindungsgemäße der Ebene dieser Fläche, wobei eine sehr wenig tiefe
Struktur behoben. Vergleiche hierzu F i g. 3, die, wie p-leitende Schicht die getrennten Bereiche des Git-
auch F i g. 2, eine perspektivische Schnittzeichnung ters verbindet. Der Kontakt mit dem Substrat erfolgt
des Plättchens 11 ist. F i g. 3 zeigt, daß die Kanäle 15 über den unter dem Rahmen liegenden p-leitenden
einer allgemein dreieckigen Form nicht mehr durch 5° Bereich. Zu bemerken ist, daß es nicht notwendig ist,
das Gitter 16 voneinander getrennt sondern im Ge- das Band 25 mit den fluchtenden Seiten der Fen-
genteil durch die flachen Teile 17 miteinander ver- ster5 zur Deckung zu bringen, wie beispielsweise in
bunden werden. Es gibt somit nur noch einen Ge- Fig.4 dargestellt. Die einzige unerläßliche Bedin-
samtkanal 17 einer im wesentlichen flachen Ausbil- gung hinsichtlich der Breite und Anordnung dieses
dung mit im gleichen Abstand wiederkehrenden drei- 55 Bandes ist, daß es nicht über die durch die Striche 7
eckigen Ausbauchungen 15. Die Diffusion des Teils bezeichneten Grenzen hinausragen darf.
16 des Gitters durch die Fenster 5 wird angehalten Sowohl in der Struktur der F i g. 3 als auch in der-
bevor der diffundierte Teil 16 den exodiffundierten jenigen der Variante der Fig.4 wird die Einschnü-
Teil 18 erreicht; lediglich der Bereich des Rahmens 6 rung in den praktisch dreieckigen Kanälen mit der
wird bei 19 diffundiert, bis er den exodiffundierten 60 flächenförmigen Einschnürung in den flachen Ver-
Teil des Substrats 18 erreicht. bindungskanälen verbunden. Dieses gemischte Ver-
Das Gitter wird genauer gesagt durch zwei auf ein- fahren läßt sich an Hand der F i g. 5 besser erläutern,
anderfolgende Diffusionen erzeugt: zunächst wird welche im vergrößerten Maßstab die Abwicklung der
der Bereich unter dem Rahmen 6 vordiffundiert; an- Raumladungen durch den Feldeffekt in einem EIe-
schließend wird der Bereich unter den Fenstern 5 65 ment der Struktur gemäß F i g. 5 in einem bestimm-
und unter dem Rahmen 6 einer zweiten Diffusion ten Stadium des Einschnürungsprozesses darstellt,
ausgesetzt. Für diese beiden Diffusionen wird das Dieses Stadium entspricht dem Augenblick, in wel-
gleiche Element (z.B. Bor) verwendet. Der Prozeß chem die Verbindungskanäle vollständig von den
Raumladungen 26 α und 26 b durchdrungen sind, welche eine praktisch dreieckige Fläche 27 begrenzen.
Der erörterte Augenblick bezeichnet somit das Ende des Stadiums der flachen Einschnürung, an
welches sich die Einschnürung anschließt; die Einschnürungsspannung des Kanals 27 wirkt sich in erster
Annäherung etwa in der Form eines Kreises 28 aus, der in F i g. 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, p-leitenden Bereich mit dem Substrat verbunden werden, welcher, da er durch zwei aufeinanderfolgende
Diffusionen erzeugt wird, tiefer als die übrigen oberen, dem Substrat 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 Substrat nicht
verbundenes Ganzes bilden. Das Substrat wird in diesem Fall als zweites Gitter verwendet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Halbleiterbauelement mit Feldeffekt, bestehend aus einem Träger von einem ersten Leitfähigkeitstyp
und einem Steuergitter, das parallele Bänder vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, die
in ihrer Mitte dicker sind als an ihren Rändern, wobei zwischen den Bändern Kanäle des entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (15, 20) längs ihrer innenliegenden seitlichen
Ränder (30) durch eine dünne Schicht (17, 21) desselben Leitfähigkeitstyps wie der der Kanäle
(15, 20) verbunden sind, die in Kontakt mit dem Träger (11,18) ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (15) mit
ihren oberen Rändern (32) die Oberfläche (34) des Steuergitters (16) längs von Linien (8,9) berühren
(F i g. 3).
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Ränder
(36) der Kanäle (20) in einem geringen Abstand unterhalb der Oberfläche (34) des Steuergitters
(23) verlaufen (F i g. 4).
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