DE1564179A1

DE1564179A1 - Oberflaechen-Feldeffekt-Transistor

Info

Publication number: DE1564179A1
Application number: DE19661564179
Authority: DE
Inventors: Leo Esaki; Chang Leroy Li-Gong
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-09-29
Filing date: 1966-09-13
Publication date: 1969-12-18
Also published as: GB1130028A; FR1491166A; US3450960A

Description

Amtl. Aktenzeichen:

Aktenz. der Anmelderin:

Neuanmeldung
Docket 10 850

Oberflächen-Feldeffekt-Transistor

Die Erfindung betrifft einen Oberflächen-Feldeffekt-Transistor, bestehend aus einem Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps, in den zwei voneinander getrennte Zonen des zweiten Leitfähigkeitstyps derart eindiffundiert sind, daß sie jeweils bis auf entsprechend zugeordnete Oberflächenbereiche von halbleitendem Material des ersten 'Leitfähigkeitstyps umgeben sind, wobei die erste Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps als Quelle und die zweite Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps als Senke wirkt und aus einer auf einer zwischen der Quelle und Senke auf dem halbleitenden Material des ersten Leitfähigkeitstyps befindlichen Isolierschicht angebrachten G-Polelektrode zur Steuerung des Stromflußes von der Quelle zur Senke.

Das Bestreben bei der Halbleiterbauelementherstellung zielt mehr und mehr auf eine Massenherstellung ab. Bei einer solchen Massenherstellung wird eine größere Anzahl solcher Halbleiterbauelemente auf einem einzelnen Substrat gleichzeitig erstellt, wobei gegebenenfalls auch die elektrischen Verbindungsleitungen der einzelnen Halbleiterbauelemente untereinander erstellt werden.

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Der* Oberflächen-Feldeffekt-Transistor ist ein Beispiel für ein Halbleiterbauelement, das auf diese Weise erstellt werden kann. Der Aufbau eines solchen Oberflächen-Feldeffekt-Transistors ist oben beschrieben. Hierin dient - der Halbleiterblock unterhalb der G-Polelektrode einmal zum Festlegen der Strombahn der Majoritätsträger zwischen Quellen- und Senkenelektrode und außerdem als tragendes Element der gesamten Halbleitervorrichtung. Wegen der Einfachheit seiner Herstellung ist der Oberflächen-Feldeffekt-Transistor in hervorragendem Maße zur Massenherstellung geeignet. So werden z.B. Quellen- und Senkenelektroden gleichzeitig durch einen einzigen Diffusionsprozeß gebildet, während die Elektrodenansehlüsse durch entsprechende Metallisierungsverfahren angebracht werden. Die Betriebsweise des Oberflächen-Feldeffekt-Transistors gleicht im wesentlichen aer einer Vakuum-Triode, da er im wesentlichen ebenfalls spannungsgesteuert ist und der Betriebsstrom zwischen Quellen- und Senkenelektroden lediglich durch Majoritätsträger aufrechterhalten wird. Die Majoritätsträgerdichte längs der Strombahn wird dabei durch angelegte elektrische Felder moduliert, wenn die G-Polelektrode entsprechend vorgespannt ist. Im Gegensatz zum gewöhnlichen bipolaren Transistor erfordert dieses unipolare Halbleiterbauelement weniger Verfahrensschritte zu seiner Herstellung und Einzelmaßnahmen.

Es hat sich aber gezeigt, daß diese bekannten Oberflächen-Feldeffekt-Transistoren gewissen Beschränkungen unterliegen, die auf das Vornandensein von Donator-Oberflächenzuständen längs der Strombahn zwischen Quelle und Senke zurückzuführen sind, die ihrerseits auf die Eigenschaft der Silizium-Siliziumdioxyd-Zwischenschicht unterhalb der G-Polelektrode beruhen. So definieren z. B. in einem NPN-Oberflächen-Feldeffekt-Transistor diese Donatorzustände eine ohmische Strombahn, nämlich eine Inversionsschicht, zwischen Quellen- und Senkenelektrode, wobei diese Transistorart normalerweise vom Verarmungstyp ist, d. h. bei einer 0-VoItvorspannung an der G-Polelektrode fließt ein nennenswerter Quellen-Senken-Strom I_sd· Bei einem PNP-Oberflächen-Feldeffekt-

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Transistor hingegen definieren diese Donatorzustände eine Anreicherungsschicht, so daß eine große negative G-Folelektrodenvorspannung erforderlich ist, um einen nennenswerten Quellen-Senken-Strom I , zu

sd

ziehen, d. d. diese Transistorart ist vom Anreicherungstyp. Bei einer Bewertung beider genannten Transistorarten könnte man geneigt sein, den PNP-Oberfläehen-Feldeffekt-Transistor vorzuziehen, da er auf Grund seines Verhaltens eine direkte Kopplung zwischen aktiven Schaltelementen gestattet. Es ist aber jedoch der NPN-Oberflächen-Feldeffekt-Transistor insofern von besonderem Interesse, als er 'eine höhere Trägerbeweglichkeit ii zeigt als der PNP-Oberflächen-Feldeffekt-Transistor.

Bei beiden Oberflächen-Feldeffekt-Transistortypen ist die Steilheit g definiert durch die Beziehung dl VdV , worin V die G-Polelektro- °m sd g g

denvorspannung darstellt. Nun ist aber ganz allgemein bei aktiven Schaltelementen ein hoher Wert für die Steilheit g wünschenswert, d. h. insbesondere im vorliegenden Fall, daß eine möglichst große Änderung des Quellen-Senken-Stroms I , für eine Änderungseinheit der G-Polelektrodenvorspannung V erreicht wird. Eine erhöhte Steilheit g ist außerdem insofern von Vorteil, als das Verstärkungsfaktor-Bandbreitenprodukt verbessert wird, so daß die Schaltgeschwindigkeit eines in einer entsprechenden Schaltung eingesetzten Oberflächen-Feldeffekt-Transistors ebenfalls erhöht wird. Für die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktor-Bandbreitenprodukts eines Oberflächen-Feldeffekt-Transistors von der Steilheit g_m gilt aber der Ausdruck 6_m/C, worin G die Kapazität, der G-Polelektrode zum Halbleiterkörper darstellt. Wenn also die Steilheit g_m eines Oberflächen-Feldeffekt-Transistors erhöht werden kann, dann können nicht nur größere Werte des Quellen-Senken-Stroms I , durch die Einheit der G-Polelektrodenvorspannung gesteuert werden., sondern was noch wichtiger ist, das Verstärkungsfaktor -3andbreitenprodukt oder die Schaltgeschwindigkeit eines solchen Halbleiterbauelements verbessert werden. Eine gleiche Wirkung läßt sich erzielen, wenn die genannte Kapazität der G-Polelektrode reduziert werden kann.

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ORIGINAL INSPECTED

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen Oberflächen-Feldeffekt-Transistor zu schaffen, der eine möglichst hohe Steilheit ,g und einen reduzierten Kapazitätswert der G-Polelektrode aufweist, so daß ein großes Verstärkungsfaktor-Bandbreitenprodukt erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die ausschließlich mit dem zwischen der Quelle und der Senke liegenden Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps gekoppelte G-Polelektrode einen gewölbten Bereich besitzt, wobei die Wölbung sich quer zur Strombahn zwischen Quelle und Senke erstreckt. Unter dem Ausdruck "gewölbten Bereich" wird hierbei verstanden, daß die G-Polelektrode hier nicht parallel zur hierunterliegenden Fläche des Halbleiterkörpers verläuft. Außerdem.kann die G-Polelektrode so gestaltet sein, daß eine oder mehrere Wellungen vorgesehen sind; wenn nur gewährleistet ist, daß sie senkrecht zur Strombahn verlaufen. Auf diese Weise wird erreicht, daß beim Anlegen einer entsprechenden Vorspannung an die G-Polelektrode die an der Oberfläche des Halbleiterkörpers wirkenden elektrischen Feldstärken nicht gleichförmig sind und damit die Leitfähigkeit in der Strombahn zwischen Quellen- und Senkenelektrode, d. h. der Q.uellen-Senkenstrom I , im wesentlichen in einem sehr kleinen Ausschnitt dieser Strombahn gesteuert wird. Dieser Ausschnitt der Strombahn, in dem der Quellen-Senken-Strom I _d gesteuert wird, reduziert sich bei Schwellenwertbedingungen, d. h. bei einer G-Polelektrodenvorspannung V , die nicht mehr ganz ausreichend ist, einen Quellen-Senken-Strom I , zu unterhalten, im wesentlichen auf einen Punkt. Bei Schwellenwertbedingungen ist also die wirksame Länge L¹ der Strombahn auf einen Minimalwert reduziert, so daß damit aber die Steilheit g des erfindungsgemäßen Oberflächen-Feldeffekt-Transistors wesentlich erhöht wird. Die Steilheit g eines Oberflächen-Feldeffekt-Transistors läßt sich durch die Beziehung:

Sm =V ^Vsd^W/aL'

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definieren. Hierin ist £ die Dielektrizitätskonstante der isolierenden Schicht unterhalb der G-Polelektrode, yu. die Beweglichkeit der Majoritätsträger, V _d die an der Quellen- und Senkenelektrode angelegte Spannung, W die Breite der Strombahn, a die Dicke der isolierenden Schicht unterhalb der G-Polelektrode für deren Ebenenteil und L¹ die wirksame Länge der Strombahn. Bei bisherigen Oberflächen-Feldeffekt-Transistoren entspricht L' = L, worin L die geometrische Länge der Strombahn darstellt.

Beim Schwellenwert selbst reicht die gesamte Ladungsträgerdichte Q. der Majoritätsträger auf den übrigen Bereichen der Leitungsbahn aus, um einen Quellen-Senken-Strom I , aufrecht zu erhalten. Das bedeutet aber, daß für geringe Änderungen in der G-PoLelektrodenvorspannung vom Sperrspannungswert V die Steilheit g bereits nach unendlich strebt, so daß ein großer Quellen-Senken-Strom I , bei einer sehr kleinen Änderung in der G-Polelektrodenvorspannung erzielt wird.

Gegenüber bekannten Oberflächen-Feldeffekt-Transistoren ist also bei der erfindungsgemäßen Anordnung die G-Polelektrode mit einem gewölbten Bereich versehen, der sich quer zur Strombahn erstreckt. Hierbei ist es aber vollkommen unbeachtlich, ob die Wölbung konkav oder konvex ausgebildet ist. Bei beiden Ausbildungsformen wird der Majoritätsträgerfluß, d. h. der Quellen-Senken-Strom I , lediglich in

sd

einem sehr schmalen Bereich der Strombahn, welcher unmittelbar dieser Wölbung benachbart ist, gesteuert. So ist z. B. für den Fall eines Silizium NPN-Oberflächen-Feldeffekt-Transistors die Intensität der elektrischen Feldstärkewerte, die auf den Bereich der Strombahn.

einwirkt der unmittelbar einer konkaven Wölbung benachbart ist,/und bei einer G-Polelektrodenvorspannung von V gerade ausreichend, um diesen Strombahnbereich zu verarmen, so daß der Oberflächen-Feldeffekt-Transistor in den Sperrzustand gelangt, obwohl an sicn die Ladungsträgerdichte Q in den übrigen Bereichen der Strombahn ausreichend wäre, um einen Quellen-Senken-Strom I_gd zu unterhalten.' Desgleichen gilt für

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eindn PNP-Oberflächen-Feldeffekt-Transistor,- bei dem die Strombahn normalerweise verarmt ist, daß die wirksamen elektrischen Feldstärkewerte, wenn die G-Folelektrode eine koyexe Wirkung besitzt und auf die Sperrspannung V vorgespannt ist, ausreichend sind, um die otrombahn zu invertieren, mit Ausnahme des Bereichs der Strombahn, der der Wölbung unmittelbar benachbart ist, und bei dem der Feldstärkewert auf einen Minimalwert abgesenkt ist. Es ergibt sich also, daß sowohl beim NPN-Oberflächen-Feldeffekt-Transistor als auch beim PNP-Oberflächen-Feldeffekt-Transistor eine minimale Änderung in der G-Polelektroden-

vorspannung vom Wert V wirksam ist, einen nennenswerten Quellengc

Senken-Strom I , hervorzurufen und die Steilheit g wesentlich zu er-

SQ. fil

höhen. Es dürfte außerdem klar sein, daß beim Injizieren von Überschuß-Akzeptorzuständen längs der Strombahn zwischen Quelle und Senke, wobei ein NPN-Oberflächen-Feldeffekt-Transistor einen Anreicherungstyp und ein PNP-Oberflächen-Feldeffekt-Transistor einen Verarmungstyp darstellt, ebenfalls eine konvexe bzw; eine konkave Wölbung in der G-PoI-elektrode die erfindungsgemäße Wirkung herbeizuführen vermag.

Um die Kapazität C zwischen der G-Polelektrode und dem Halbleiterkörper zu reduzieren, und damit das Verstärkungsfaktor-Bandbreitenprodukt zu verbessern, ist gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken die G-Polelektrode in der Weise aufgespalten, daß sich zwei planare Teilelektroden ergeben, die eine hiervon elektrisch getrennte, im wesentlichen gewölbte Teilelektrode einschließen. Die gewölbte Teilelektrode wirkt im wesentlichen wie oben besehrieben, indem sie eine nicht gleichförmige elektrische Feldverteilung herbeiführt, so daß die wirksame Länge L* der Strombahn wesentlich reduziert wird. Des weiteren werden gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung die planaren oder Hilfsteilelektroden der G-Polelektrode unabhängig vorgespannt, um die Ladungsdichte Q derart zu steuern, daß die benachbarten Bereiche der Strombahn invertiert werden. Bei dieser vorteilhaften Weiterbildung wird der Fluß der Majoritätsträger, d. h. der Quellen-Senken-Strom I_gd ebenfalls in einem sehr schmalen Abschnitt der Strombahn gesteuert, der dem gewölb-

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ten Elektrodenbereich der G-Polelektrode benachbart ist. Es wird aber hierdurch die Kapazität C der G-Polelektrode wesentlich herabgesetzt, da der gewölbte Elektrodenbereich der G-Polelektrode allein zur Steuerung des Quellen-Senken-Stromes beiträgt. Darüberhinaus ist es vorteilhaft, wenn gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken die Oberfläche der planaren Teilelektroden größer als die Oberfläche der gewölbten Teilelektrode ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die an Hand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der nachstehend aufgeführten Zeichnungen die Erfindung näher erläutert, und aus den Patentansprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1A einen Feldeffekt-Transistor gemäß der Erfindung,

Fig. 1B die Verteilung der elektrischen Feldlinien und Äquipotentiallinien unterhalb des G-PoIs,

Fig. 1C eine graphische Darstellung der Dichteverteilung der Majoritätsträger längs des Leitungskanals, wenn der G-PoI vorgespannt ist,

Fig. 2A ein anderes Ausführungsbeispiel des Feldeffekt-Transistors gemäß der Erfindung,

Fig. 2B die elektrischen Feldlinien und Äquipotentiallinien

unterhalb des G-PoIs eines Feldeffekt-Transistors gemäß der Fig. 2A,

Fig. 2C die Dichteverteilung der Majoritätsträger längs des Leitungskanals, wobei der G-PoI vorgespannt ist,für

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einen Feldeffekt-Transistor gemäß Fig. 2A,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Funktion des Quellen-

Senken-Stroms I , in Abhängigkeit von der Spannungsänderung <f,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Steilheit g in Abhängigkeit von der Spannungsänderung <f,

Fig. 5 und 6 weitere Ausführungsbeispiele für Feldeffekt-Transistoren gemäß der Erfindung.

Der in Fig. 1A gezeigte Feldeffekt-Transistor ist vom NPN-Typ und besteht aus einem P-leitenden Block 1 von Halbleitermaterial relativ hohen spezifischen Widerstands, z. B. Silizium. In diesem Block ist eine Quellen- und Senken-Elektrode 5 und 3 jeweils mit P-Leitfähigkeit eindiffundiert. Die Quellen- und Senken-Elektroden 3 und 5 bilden mit dem Halbleiterblock 1 jeweils einen gleichrichtenden Übergang. Auf die Oberfläche des Halbleiterblocks 1 ist eine isolierende Schicht 7 aufgetragen, die als Maske ausgebildet sein kann, um die Quellen- und Senken-Elektroden j5 und 5 wie vorgegeben, eindiffundieren zu können. Die isolierende Schicht 7 kann z. B. aus thermisch gewachsendem Silizium-Dioxyd bestehen, indem der Siliziumhalbleiterblock 1 bei ungefähr 1 250 C einer Atmosphäre, die entweder Sauerstoff (Op), Sauerstoff und Wasserdampf (O₀ + HpO) oder Kohlendioxyd (COp) sein kann, während eines Zeitraums ausgesetzt wird, der ausreichend ist, um eine Schichtdicke von ungefähr 5 000 R zu erzielen. Wenn diese Isolierschicht aufgetragen ist, dann werden die Diffusionsfenster 9 und 11 durch ein übliches photolithographisches Verfahren eingebracht. Hierbei wird z. B. eine Schient aus Pnotowiderstandsmaterial auf die Isolierschicht 7 aufgetragen und anschließend mit Ausnahme der Bereiche, die Diffusionsfenster 9 und darstellen sollen, einer speziellen Behandlung unterzogen, sei es

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durch Belichtung oder Partikeleinstrahlung. Die Photowiderstandsschicht wird dann entwickelt durch Eintauchen in einer geeigneten Lösung, um die unbehandelten Flächenbereiche der Photowiderstandsschicht zu entfernen, so daß die ausgewählten Oberflächenbereiche der Isolierschicht 7 freigelegt werden. Im nächsten Verfahrensschritt wird dann ein Siliziumdioxyd angreifendes Ätzmittel, wie z. B. Plußsäure angewendet, um die Diffusionsfenster 9 und 11 auszuätzen. Danach wird dann die verbliebene Photowiderstandsschicht mit einer hierzu geeigneten Lösung entfernt. Mit der nun als Diffusionsmaske zu verwendenden Isolierschicht 7 wird der Halbleiterblock Ibis auf einen Temperaturbereich zwischen 1 100⁰C und 1 250⁰C unter Einwirkung einer reaktionsfreudigen Atmosphäre z.B. von Phosphor-Pentoxyd (P₂ ⁰R^ erhitzt, so daß N-leitende Diffusionen an den Stellen der Quellen- und Senken-Elektroden 5 und 3 entstehen. Die Isolierschicht 7 dient gleichzeitig zur Isolation des Halbleiterblocks T von aufzutragenden leitenden Dünnschichten, die z. B. als Elektrodenanschlüsse für die Quellen- und Senken-Elektroden 3 und dienen und außerdem für die G-Polelektrode 13* die mit Hilfe üblicher Verfahren gleichzeitig aufgetragen werden kann. Die G-Polelektrode 13 wirkt beim Anlegen eines elektrischen Feldes mit dem ihr gegenüberliegenden Oberflächenteil des Halbleiterblocks 1 zusammen, so daß hierdurch ein Leitungskanal 15 zwischen der Quellen- und Senken-Elektrode J und 5 festgelegt wird.

Entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1A enthält der G-PoI 13 eine sich quer zum Pfad der Majoritätsträger längs.des Leitungskanals 15 erstreckende Nut 17· Zum Verständnis der Wirkung der G-Polelektrode nach Fig. 1A sei daran erinnert, daß die Leitung in einem Feldeffekt-Transistor mit isoliertem G-PoI hauptsächlich auf einer Oberflächenwirkung beruht, bei der die Ladungsdichte Q der Majoritätsträger längs des Leitungskanals 15 durch angelegte elektrische Felder E moduliert wird, wenn die G-Polelektrode vorgespannt ist. Bei dem in Fig. 1A gezeigten NPN-Halbleiterbauelement werden die

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Löcher von der Silizium-Siliziumdioxyd-Zwischenschicht und vom Leitungskanal 15 abgestoßen, wenn die G-Polelektrode 1j5 positiv vorgespannt ist. Ist die positive Vorspannung der G-Polelektrode ausreichend hoch, dann werden Elektronen in den Leitungskanal 15 gezogen, so daß sich eine ohmische Leitung infolge der Inversionsschicht zwischen Quellen- und Senkenelektrode j und 5 ausbildet. Auf Grund der Eigenschaften der Silizium-Siliziumdioxyd-Zwischenschicht in einem NPN-Halbleiterbauelement bilden jedoch Überschuß-Donatorzustände längs des Leitungskanals 15 normalerweise eine solche Inversionsschicht, so daß ein endlicher Quellen-Senken-Strom I _d bei 0 Volt Vorspannung an der G-Poxelektrode \$ längs des Leitungskanals 15 fließt, wenn an die Quellen- und Senken-Elektroden entsprechende Betriebsspannungen angelegt werden (Verarmungstyp). Im Gegensatz hierzu bestimmen im PNP-Halbl iterbauelement nach Fig. 2A Überschuß-Donatorzustände längs des Leitungskanals 15 eine Anreicherungsschicht zwischen Quellen- und Senken-Elektrode j5 und 5, so daß ein relativ wirksamerer Anreicherungstyp erzielt wird. Bemerkenswert hierbei ist, daß diese Donator-Zustände gleichmäßig längs der Silizium-Siliziumdioxyd-Zwischenschicht verteilt sind. Das Vorhanden der Überschuß-Donator-Zustände längs des Leitungskanals 15 läßt sich im allgemeinen nicht vermeiden, wenn nicht eine spezielle Behandlung vorgenommen wird; sie beruht auf spezielle Eigenschaften der Silizium-Siliziumdioxyd-Zwischenschicht. So läßt sich z. B. die Dichte der Donator-Zustände an der Silizium-Siliziumdioxyd-Zwischenschicht eines Oberflächen-Feldeffekt-Transistors in der Weise einstellen, indem der entsprechende Oberflächenbereich des Halbleit'erblocks 1 selektiv dotiert wird.

Bei Oberflächen-Feldeffekt-Transistoren mit planaren G-Polelektroden bekannter Bauart wird die Ladungsdichte Q der Majoritätsträger längs der gesamten Länge L des Leitungskanals 15 moduliert, indem die G-Polelektrode entsprechend vorgespannt wird, um z. B. ein NPN-Halbleiterbauelement in den Sperrzustand (Verarmungstyp) oder ein PNP-

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BAD

Halbleiterbauelement in den Durchlaßzustand (Anreicherungstyp) zu steuern. Da die Steilheit g eines Oberfläehen-Feldeffekt-Transistors umgekehrt proportional der Länge L des Leitungskanals 15 ist, ergibt sich kein Optimalwert für diesen Parameter. Es ist darauf hingewiesen worden, daß die Steilheit g durch Reduzieren der Länge L des Leitungskanals erhöht werden könnte. Hierbei ist aber zu beachten, daß der Zwischenraum zwischen der Quellen- und Senken-Elektrode in einem Oberflächen-Feldeffekt-Transistor auf Grund praktischer Erfordernisse begrenzt ist. Die Wirkung der Nut 17 der G-Polelektrode 1> in Fig. 1A und der Aufwölbung 17* in Fig. 2A besteht darin, daß jeweils, die wirksame Länge des Leitungskanals 15 durch .Steuerung des Quellen-Senkenstroms I , längs eines sehr kleinen Segmentes des Leitungskanals reduziert wird. Die wirksame Länge L¹ des Leitungskanals 15 ist auf einen Minimalwert abgesenkt, da das elektrische Feld E nicht gleichförmig verteilt ist, wenn die G-Polelektrode 15 mit Hilfe einer Potentialquelle 19 nahe der Schwellenwertbedingung «vorgespannt wird. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1A ergeben sich maximale Feldstärken für den Teil des Leitungskanals, der sieh in der Nähe der Nut 17 befindet. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2A hingegen ergeben sich minimale elektrische Feldstärken längs des Teils des Leitungskanals 15, der der Aufwölbung Vj'¹. benachbart ist. Sowohl bei dem NPN-Halbleiterbauelement nach Fig. 1A als auch bei dem PNP-Halbleiterbauelement nach Fig. 2A ist die Ladungsdichte Q, im Leitungskanal 15 für den Teil, der der Aufwölbung bzw. der Nut benachbart ist, völlig ausreichend, um einen Quellen-Senken-Strom I _d aufrecht zu erhalten, w

Im Oberflächen-Feldeffekt-Transistor gemäb Fig. 1A ist die wirksame Länge L^f des Leitungskanal 15 durch dessen Teil definiert, der der Nut 17 in der G-Polelektrode 1) gegenüberliegt! bei Schwellenwertbedingungen wird der Wert dieser wirksamen Länge auf null reduziert. Die Nut 17 wird vor Aufbringen der leitenden, als Elektrodenanschluß dienenden Schicht durch ein chemisches Ätzverfahren gebildet, so daß

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sich eine in ihrem Querschnitt halbkreisförmige Ausnehmung ergibt, die sich quer zum Leitungskanal 15 erstreckt. Die Dauer des zusätzlichen chemischen Ätzverfahrens ist dabei so gewählt, daß sie nicht ausreicht, die gesamte Dicke der Isolierschicht 7 zu durchfressen; es bleibt vielmehr ein kleiner Steg bestimmter Stärke der Isolierschicht 7 zwischen dem Boden der Nut 21 und der Oberfläche des Halbleiterblocks 1 erhalten. Bei einem anderen, einem Stufenschrittverfahren wird die Ausnehmung 21 in aufeinanderfolgenden chemischen Ätzverfahren eingebracht, indem aufeinanderfolgend Ätzfenster in sukzessive aufgetragenen Photowiderstandsschichten entsprechend abgestuft angebracht werden. Die eine leitende Schicht aufweisende G-PoI-elektrode 13 ist nicht planar und die elektrische Feldverteilung an der Oberfläche des Halbleiterblocks 1 ist, wie sich aus der Betrachtung der graphischen Darstellung nach Pig. 1B ergibt, nicht gleichför mig, wenn die G-Polelektrode 1j5 mit Hilfe der Potentialquelle 19 entsprechend vorgespannt ist.

In der Darstellung nach Fig. 1B sind die elektrischen Feldlinien gestrichelt eingezeichnet, während die Äquipotentiallinien durchgezogen sind. Wie bereits oben bemerkt, ist das NPN-Halbleiterelement gemäß Fig. 1A normalerweise vom Verarmungstyp, so daß die Oberflächenladung Q₀ der Restmajoritätsträger längs des Leitungskanals 15 normalerweise ausreichend ist, um eine Inversionsschicht hervorzurufen. Um das NPN-Halbleiterelement gemäß Fig. 1A in den Sperrzustand zu bringen, wird eine negative Vorspannung mit Hilfe der Potentialquelle 19 an die G-Elektrode 13 angelegt, um die Restladungsdichte Q längs des Leitungskanals 15 zu kompensieren. Infolge der Wirkung der Nut 17 ist aber eine solche Kompensation nicht gleichförmig. Wird die G-Polelektrode 13 negativ vorgespannt, dann entstehen die größten elektrischen Feldstärkewerte, wie bereits gesagt, an den Stellen des Leitungskanals I5, die der Nut 17 benachbart sind, da an dieser Stelle die Dicke der Isolierschicht 7 einen Minimalwert besitzt. Entsprechend ist auch die Oberflächenladung Q₁ gemäß εΕ, worin edie Dielektrizitätskonstante

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der Isolierschicht 7 ist, an dieser Stelle des Leitungskanals 15 am größten, so daß damit Restelektronen im größten Ausmaße kompensiert werden. Hingegen werden Restelektronen in den anderen Bereichen des Leitungskanals 15> die auf die Quellen- und Senkenelektrode 5 und 5 zu liegen, in geringerem Maße kompensiert, so daß im Ganzen gesehen, der Kompensationsvorgang im wesentlichen einer der in Fig. 1C gezeigten Glockenkurven folgt.

Wie sich aus der Geraden A in der graphischen Darstellung nach Fig. 1C ergibt, ist die Ladungsträgerdichte Q_Q der Restelektronen, oder ·. anders ausgedrückt, der inhärenten Ladung bei 0 Volt Vorspannung an der G-Polelektrode im wesentlichen gleichförmig längs der Ausdehnung des Leitungskanals 15· Wird nun die genannte Vorspannung in negativer Richtung vergrößert, sagen wir auf -V , dann ist die Ladungsdichte Q, gegeben durch Restladung Q,_Q weniger /induzierten Oberflächenladung Q₁ j längs den Stellen des Leitungskanals 15* die der Nut 17 mit einem Radius r benachbart sind, geringer als in den Teilen des Leitungs-' kanals, die den ebenen Abschnitten der G-Polelektrode 13 benachbart sind; siehe hierzu Kurve B in Fig. 1C. Wird die Vorspannung an der G-Polelektrode 15 in negativer Richtung weiter bis zu einem kritischen Wert V erhöht, dann ist schließlich die induzierte Oberfläge

vchenladung Q.,die in den der Nut 17 benachbarten Bereich des Leitungskanals 15 induziert wird, völlig ausreichend, um die Restladungsdichte Q₀ auszugleichen, wie es sich aus Kurve C in Fig. 1C ergibt, so daß der Quellen-Senken-Strom I- unterbunden wird, obgleich die Ladungsdichte Q längs der übrigen Teile des'Leitungskanals 15 völlig ausreichend wären, einen Quellen-Senken-Strom I_sd noch aufrecht zu erhalten. Da die elektrischen Feldstärkewerte überhöht sind, wird die wirksame Länge L¹ des Leitungskanals 15 im wesentlichen auf einen Punkt nahe den Schwellenwertbedingungen reduziert. Entsprechend ergibt sich für eine geringe Änderung der oben genannten Vorspannung vom kritischen Wert V ein nennenswerter Quellen-Senken-Strom I₅^, so daß die Steilheit g des beschriebenenNPN-Halbleiterbauelements nach unendlich strebt.

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OBSGlNAL IHSPEOTEO

Dea graphischen Darstellungen nach Fig. 3 und 4 ist zugrundegelegt, daß die Leitungskanallänge L = 4a und der Radius der G-Polausnehmung r = a/2 1st. Die Abweichung der Vorspannung V vom Sperrwert ist als Abszissenwert benutzt. Da die Leitfähigkeit im NPN-Halbleiterelement gemäß Fig. 1A in relativ kleinen Teil des Leitungskanals 15, der der Nut 17 benachbart ist, gesteuert wird, wobei die übrigen Teile des Leitungskanals unbeteiligt Dieiben, ist der sich ergebende Wert des Quellen-Senken-Stroms I_gd größer als der Wert, der erhalten wird, wenn eine gleiche Änderung ffür die entsprechende G-Polvorspannung in üblichen Oberflächen-Feldeffekt-Transistoren betrachtet wird, bei denen planare G-Polelektroden verwendet werden. Wenn eine planare G-Polelektrode vorgesehen ist, dann wächst der Quellen-Senken-Strom I- linear mit der Vorspannungsänderung<Tvom Schwellenwert an, wiees die Kurve D in der graphischen Darstellung nach Fig. 5 zeigt; mit der Beziehung für den Quellen-Senken-Strom I , = ^Q₀V ,W/2a. Wie sich aus der Kurve E in der graphischen Darstellung nach Fig. 35 ergibt, ist der Wert des Quellen-Senken-Stroms unter dem Einfluß der Nut 17 für eine gegebene Vorspannungsänderung <f wesentlich größer. Desgleichen zeigt sich, daß für eine geringe Vorspannungsänderung<T auch die Steilheit g sehr stark erhöht ist und für Schwellenwertbedingungen nach unendlich strebt, wie in der graphischen Darstellung nach Fig. 4 durch Kurve G gezeigt. Wenn hingegen eine planare G-Polelektrode angewendet wird, dann gilt für die Steilheit die Beziehung g = eju.V ,W/aL, worin a die Dicke und ε die Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht 7 darstellen. Da die elektrische Feldverteilung an der Oberfläche des Halbleiterblocks in diesem Falle konstant ist, ergibt sich für den Verlauf der Steilheit g_m im wesentlichen die Kurve F in der graphischen Darstellung nach Fig. 4. Bei dem beschriebenen erfindungsgemäßen Oberflächen-Feldeffekt-Transistor gilt als Ergebnis der nicht gleichförmigen elektrischen Feldverteilung unter dem Einfluß der Nut 17 mit dem Radius r für die effektive Länge L^f des Leitungskanals I5 angenähert:

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I \J U Τ I / v»

L' = ♦ a (1 - 4 ) -v / 1 - ^- cosh ~¹ ( _§- ) a \/ ge ^r

Daraus ist zu ersehen, daß bei Annäherung der G-Polvorspannung V an die Schwellenwertvorspannung V die effektive Länge L¹ des

gc

tungskanals gegen null und die Steilheit g nach unendlich strebt, wie es durch Kurve G in Fig. 4 dargestellt ,ist.

In Fig. 2A, worin gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um entsprechende Teile der Anordnung nach Fig. 1A zu bezeichnen, ist ein PNP-Oberflächen-Feldeffekt-Transistor dargestellt, der eine G-Polelektrode 13 besitzt, die einen konvexen Teil I?¹ enthält, der sich nach Aufwölbung 21* der Isolierschicht T anschmiegt. Die Aufwölbung 21' läßt sich z. B. in einem Stufenschrittverfahren aufeinanderfolgender chemischer Ätzvorgänge herstellen, bei dem Ätzfenster in aufeinanderfolgend aufgebrachten Photowiderstandsschichten jeweils größerer Abmessung angebracht werden. Die leitende G-Poelektrode I5 wird dann anschließend durch bekannte Metallisierungsverfahren "aufgebracht. Eine andere Möglichkeit zum Erstellen der Aufwölbung 21 ^x besteht in der Anwendung eines Kuppenverfahrens unter Anwendung eines einzigen chemischen Ätzvorgangs.

Unter der Einwirkung des konvexen Elektrodenteils Π¹ ist die induzierte Oberflächenladung Q₁ der G-Polvorspannung größer längs der Teile des Leitungskanals 15, die den ebenen Teilen der G-Polelektrode 13 gegenüberliegen, als in dem Teil, der dem konvexen Elektrodenteil gegenüberliegt. Aus der Betrachtung der Darstellung nach Fig. 2B ergibt sich, daß die elektrischen Feldstärkenwerte an der Oberfläche des Halbleiterblocks 1, die dem konvexen Elektrodenteil 21' gegenüberliegt, einen Minimalwert besitzen, und entsprechend die induzierte Oberflächenladung Q₁ der G-Polelektrodenvorspannung ebenfalls einen Minimalwert aufweist. Die Restladungsdichte Q_Q längs des Lei-

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OfttÖlNAl

tungskanals I5 ist in ihrem Verlauf durch die Kurve H in Pig. 2C dargestellt. Um einen brauchbaren Wert für den Quellen-Senken-Strom ¹Sd ^{zu ernalten}> wird die G-Polelektrode 1 j5 negativ auf einen Wert -V vorgespannt, um die Ladungsdichte Q der Löcher längs des Leitungskanals I5 zu erhöhen. Da nun aber die wirksamen elektrischen Feldstärkewerte E im Leitungskanalteil, der dem konvexen Elektrodenteil gegenüberliegt, auf einen Minimal wert absinken , steigt entsprechend die Ladungsdichte Q längs den Teilen des Leitungskanals 15, die den ebenen Anteilen der G-Polelektrode 13 gegenüberliegen, jeweils sehr rasch an, wie es sich aus der Darstellung nach Fig. 2C ergibt. Hierbei wird wiederum, wie es sich ebenfalls aus Fig. 2C ergibt, die wirksame Länge L* des Leitungskanals I5 im wesentlichen auf einen Punkt beim Schwellenwert reduziert, d. h. bei einer Vorspannung V , wie die Kurve K in Fig. 2C zeigt, bei der Quellen-Sen» gt'

ken-Strom I , auf einen Punkt gesteuert wird. Übersteigt die G-PoI-elektrodenvorspannung V nur leicht den kritischen Wert V , dann

g gc

reicht die Ladungsdichte Q der Majoritätsträger längs der gesamten Länge des Leitungskanals I5 vollständig aus, um einen nennenswerten Quellen-Senken-Strom I - aufrecht zu erhalten. Analog zu dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel geschieht das Einschalten des Quellen-Senken-Stroms I , in einem sehr kleinen Teil, nämlich der wirksamen Länge L^f längs des Leitungskanals I5* wobei dann ebenfalls die Steilheit g_m wesentlich erhöht wird. Die durch den Einfluß des konvexen Elektrodenteils 17* erzielten Wirkungen sind im wesentlichen gleich denen, die sich unter dem Einfluß der Nut 17 in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1A ergeben haben, und die an Hand der graphischen Darstellungen nach Fig. J5 und H- erläutert worden sind.

Weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Oberflächen-Feldeffekt-Transistors sind in Fig. 5 und 6 dargestellt, wobei die G-Polelektrode aufgespalten ist. Das Verstärkungsfaktor-Bandbreitenprodukt eines Oberflächen-Feldeffekt-Transistors ist proportional der Steilheit g und umgekehrt proportional der G-Polelektrodenkapa-

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zität C also S_n/^* Bei Verwendung einer G-Polelektrode in aufgespaltener Form, wie es in den Figuren 5 und 6 gezeigt ist, bestimmt sich die G-Polelektrodenkapazität C nur aus dem gebogenen oder aktiven Elektrodenteil der für die Steuerung des Quellen-Senken-Stroms •*"sd ^all€in maßgeblich ist. Entsprechend ist auch in den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 5 und 6 nicht nur die Steilheit g_m erhöht, sondern auch die G-Polelektrodenkapazität C reduziert, so daß sich eine wesentliche Verbesserung in dem Verstärkungsfaktor-Bandbreitenprodukt ergibt.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird ein NPN-Oberflächen-Feldeffekt-Transistor verwendet, bei dem die G-Polelektrode-nmetallisierung durch die planaren Hilfsteile 13a und 1Jb und den aktiven Teil 13c, der die Nut 17 einschließt, definiert ist. Jeder der G-Polelektrodenabschnitte 13a, 13b und 13c ist für die Modulation der Ladungsdichte Q, längs der gegenüberliegenden Oberflächenteile des Halbleiterblocks 1 wirksam. Die Hilfsabschnitte 13a und 13b der G-Polelektrode sind über eine gemeinsame Potentialklemme 23 vorgespannt, um eine gewünschte Ladungsträgerdichte Q, längs der gegenüberliegenden Oberflächenteile des Halbleiterblocks 1 herbeizuführen. Der aktive Teil 13c der G-Polelektrode mit der Nut 17 wird unabhängig davon 'über die Potentialquelle 19 vorgespannt, um allein das Abschalten des Quellen-Senken-Stroms I- zu steuern, und dabei wirksam die effektive Länge L^f des Leitungskanals 15 zu reduzieren, wie oben beschrieben. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird ein PNP-Qberflächen-Feldeffekt-Transistor verwendet,der ebenfalls eine aufgespaltene G-Polelektrode mit den ebenen Hilf säbschnitten 13'a und 1J¹!) und einen aktiven Abschnitt 13^!c besitzt, der einen konvexen Elektrodenteil 17^! enthält. Obgleich der Leitungskanal 15 ia diesem PNF-Halbleiterbauelement normalerweise verarmt ist (Bereicherungstyp), sind die Hilfsabschnitte 13*a und 13^Jb über eine gemeinsame Potentialquelle 23 vorgespannt, um eine gewünschte Ladungsdichte Q herbeizuführen, so daß die gegenüberliegenden Oberflächen des Halblei-

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terblocks 1 entsprechend beeinflußt werden, während der aktive Teil 1^'c, nämlich der konvexe Teil der G-Polelektrode, unabhängig davon über die Potentialquelle 19 vorgespannt wird, um den Quellen-Senken-Strom I einschalten zu können. Auch in den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 5 und 6 ist die elektrische Peldverteilung an der Oberfläche des Halbleiterblocks 1 nicht gleichförmig, auf Grund der jeweiligen Wirkung der jeweiligen aktiven Elektrodenabschnitte 13c und 1^¹C. Außerdem ist in den Ausführungsbeispielen nach Pig. 5 und Die G-Polelektrodenkapazität C ausschließlich durch die gebogenen aktiven Elektrodenabschnitte 1j}c und 1^'c festgelegt, die jitfeils allein den Quellen-Senken-Strom I , längs des Leitungskanals 15 sfceuern. Die Kapazität der Hilfselektrodenabschnitte 1j5a und 1^b im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 und 1jJ*a und 1j?'b im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist identisch, da die gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterblocks 1 invertiert sind. Dementsprechend ist nicht nur die wirksame Länge L^f des Leitungskanals 15 auf einen Minimalwert abgesenkt, sondern auch die Kapazität^cder G-Polelektrode wesentlich reduziert, so daß die sich ergebenden Verstärkungsfaktor-Bandbreitenprodukte wesentlich verbessert sind. An dieser Stelle sei betont, daß, da die Ebenen Elektrodenhilfsabschnitte der G-Polelektrode in den Ausführungsbeispielen nach Pig. 5 und 6 so vorgespannt sind, um entweder die Oberflächen des Halbleiterblocks 1 zu invertieren, oder anzureichern,und da die Steuerung des Quellen-Senken-Stroms I , ausschließlich durch den aktiven Abschnitt, nämlich den sd

gekrümmten Teil der G-Polelektrode erfolgt, kann wie gezeigt, die Krümmung entweder konkav oder konvex sein.

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Claims

Patentansprüche

1. Gberfläehen-Fedleffekt-Transistor, bestehend aus einem Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps, in den zwei voneinander getrennte Zonen des zweiten Leitfähigkeitstyps derart eindiffundiert sind, daß sie jeweils bis auf entsprechend zugeordnete Oberflächenbereiche von halbleitendem Material des ersten Leitfähigkeitstyps umgeben sind, wobei die erste Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps als Quelle und die zweite Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps als Senke wirkt, und aus einer auf einer zwischen der Quelle und Senke auf dem halbleitenden Material des ersten Leitfähigkeitstyps befindlichen Isolierschicht angebrachten G-Polelektrode zur Steuerung des Stromflusses von der Quelle zur Senke, dadurch gekennzeichnet» daß die ausschließlich mit dem zwischen der Quelle (jj) und der Senke (5) liegenden Halbleitermaterial (1) des ersten Leitfähigkeitstyps gekoppelte G-Polelektrode (13) einen gewölbten Bereich (Sl) besitzt, wobei die Wölbung (21) sieh quer zur Strombahn zwischen Quelle (3) und Senke (5) erstreckt.

2. Oberflächen-Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) aus P-leitendem Material besteht, bei dem die Wölbung (21) aus einer Nut (IT) in der Isolierschicht (7) gebildet wird, welche senkrecht zur Strombahn verläuft.

3. Oberfiächen-Feldeffelct-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) aus N-leitendem Material besteht, bei dem die Wölbung (21*} aus einer konvexen Überhöhung (17¹) der Isolierschicht (T) gebildet wird, die senkrecht zur Strombahn verläuft.

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4. Oberflächen-Feldeffekt-Transistor mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die G-Polelektrode in der Weise aufgespalten ist, daß sich zwei planare Teilelektroden (13a, 13c) ergeben, die eine hiervon elektrisch getrennte, im wesentlichen gewölbte Teilelektrode (I7) einschließen.

^lj. Oberflächen-Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilelektroden (13a, 13b, 13c) an je besondere Vorspannungsquellen (19> 23) angeschlossen sind.

υ. Oberflächen-Feldeffekt-Transistor mindestens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der planaren Teilelektroden (13a, 1^b) größer als die Oberfläche der gewölbten Teilelektrode (13c) ist.

7. Oberflächen-Feldeffekt-Transistor mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb der Arbeitspunkt in der Nähe des kritischen Vorspannungswertes (V ) der G-Polelektrode

gc

(17) eingestellt ist.

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