DE1514932C3

DE1514932C3 - Halbleiterbauelement mit Feldeffekt

Info

Publication number: DE1514932C3
Application number: DE1514932A
Authority: DE
Inventors: Stanislas Paris Teszner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1963-07-26
Filing date: 1966-02-23
Publication date: 1975-01-30
Also published as: NL152119B; DE1514932B2; CH414872A; GB1090696A; NL143734B; FR87873E; NL6602337A; US3372316A; NL6408428A; CH429953A; US3407342A; FR1377330A; DE1514932A1; DE1293900B; GB1045314A

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 1 317 256 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 Slreukapazitäten beträchtlich zu reduzieren und den Gütegrad des Halbleiterbauelements zu steigern.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung

ίο werden nachfolgend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 in Draufsicht bzw. in Schrägansicht ein Halbleiterbauelement nach dem Stande der Technik,

Fig. 3 in perspektivischer Schnittzeichnung ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in Teildarstellung,

F i g. 4 eine Variante von F i g. 3.

Fig. 5 die Entwicklung der Raumladung in einem

zn Augenblick des Einschnürungsprozesses eines mit Ausbauchungen versehenen Kanals nach der Erfindung. <l Bei der folgenden Beschreibung, in der die Erfin- ^v% dung beispielsweise dargestellt .wird, wird davon aus- j gegangen, daß sowohl die in der früheren Anmel- ! dung beschriebene Struktur als auch die erfindungsgemäße Struktur in einer Schicht 10 eines η-leitenden j 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 Fig. 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 Fig. 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

Fig. 1 klarer erkenntlich. Gleiche Teile werden in den F i g. 1 und 2 mit gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet. Fig. 2 zeigt das Substrat 11 und die epitaktische Schicht 10, und wie ersichtlich, hat die Diffusion des p-Leitung bewirkenden Störstoffes, 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 p-Leitung bewirkenden Majoritätsstörstoffes in dem stark dotierten Substrat 11 den unteren Teil 3" des Gitters 3 umhüllt. Der Übergang zwischen diesen beiden in entgegegengesetzter Richtung diffundierten Teile erfolgt längs der Ebene 12. Die Teile 3' und 3" begrenzen zwischen sich weitgehend dreieckige η-leitende Kanäle 13 mit zwei kurvenförmigen und einer gradlinigen Seite, welche in das p-leitende Gitter 3 eingetaucht sind. Der Übergang zwischen den nebeneinanderliegenden, durch die Fenster 5 diffundierten Teile des Gitters verläuft längs der Linien 8.

Nach Bildung des Gitters und der Kanäle während der Diffusion des p-Leitung bewirkenden Störstoffes wird die Maske aufgelöst, worauf eine zweite Maske mit zwei Fenstern an den mit 1 und 2 in F i g. 1 gekennzeichneten Stellen gebildet wird. Durch diese Fenster wird eine η-Leitung bewirkende Dotierung der epitaktischen 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 p-leitenden Substrats gegenüber den zur Kathode 1 und zur Anode 2 gehörigen η-leitenden Bereichen.

Dieser Mangel wird durch die erfindungsgemäße Struktur behoben. Vergleiche hierzu F i g. 3, die, wie auch F i g. 2, eine perspektivische Schnittzeichnung des Plättchens 11 ist. F i g. 3 zeigt, daß die Kanäle 15 einer allgemein 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 Ausbauchungen 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 Substrats 18 erreicht.

Das Gitter wird genauer gesagt durch zwei aufeinanderfolgende Diffusionen erzeugt: zunächst wird der Bereich unter dem Rahmen 6 vordiffundiert; 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 (z.B. Bor) verwendet. Der Prozeß wird durch die sehr kurzzeitige Diffusion eines n-Leitung bewirkenden Störstoffes, 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 verschiedenen Bereiche des Gitters mit dem Subtrat nicht mehr in Verbindung stehen, sondern von diesem durch den flachen Teil der Kanäle

ίο getrennt sind, Mittel vorzusehen, mit denen bewirkt wird, daß das gesamte Volumen des Gitters aus einem Stück gebildet und mit dem Substrat gänzlich verbunden ist. Wie aus F i g. 3 ersichtlich, werden die Seitenflanken der aus den Fenstern 5 diffundierten Bereiche längs der Linien 8 verbunden und die Seitenflanke des vom Rahmen 6 diffundierten Bereiches mit der Seitenflanke des aus dem dem Rahmen benachbarten Fenster 5 diffundierten Bereiches längs der Linie 9 verbunden. Es ist jedoch nicht erforder· lieh, daß die Seitenflanken 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.

Die Strukturvariante gemäß F i g. 4 beseitigt diese einschränkende Bedingung. Bei dieser Variante sind Ausbauchungen 20 nicht wie in F i g. 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 24 nicht mehr miteinander verbunden, so daß Mittel für ihre Verbindung vorgesehen 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 von sehr kurzer Dauer von p-Leitung bewirkenden Störstoffen, die lediglich den Zweck hat, die oberen, der Plättchenoberfläche benachbarten Zonen der verschiedenen Teile 23 des Gitters miteinander zu verbinden; die Anfasungen 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 p-leitende Schicht die getrennten Bereiche des Gitters verbindet. Der Kontakt mit dem Substrat erfolgt über den unter dem Rahmen liegenden p-leitenden Bereich. Zu bemerken 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 bezeichneten Grenzen hinausragen darf.

Sowohl in der Struktur der F i g. 3 als auch in derjenigen der Variante der F i g. 4 wird die Einschnürung in den praktisch dreieckigen Kanälen mit der flächenförmigen Einschnürung in den flachen Verbindungskanälen verbunden. Dieses gemischte Verfahren läßt sich an Hand der F i g. 5 besser erläutern, welche im vergrößerten Maßstab die Abwicklung der Raumladungen durch den Feldeffekt in einem EIement der Struktur gemäß F i g. 5 in einem bestimmten Stadium des Einschnürungsprozesses darstellt. Dieses Stadium entspricht dem Augenblick, in welchem 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

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit Feldeffekt, bestehend aus einem Träger von einem eisten 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, dad u rch geken nzeich η e t, daß die Kanäle (15, 20) lärigsihrer 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).