DE1614382A1

DE1614382A1 - Feldeffekttransistor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1614382A1
Application number: DE19671614382
Authority: DE
Inventors: Laznovsky Wilhelm Hans; Franz Huber; Walter Witt
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1966-08-04
Filing date: 1967-08-03
Publication date: 1970-05-27
Also published as: DE1614382B2; NL6710714A; SE317137B; GB1178869A; ES343726A1

Description

RCA 57*300

U.S. Serial No. 570,256

Filed: August 4, I966

Radio Corporation .of America New York, N. Y., V.St.A,

Feldeffekttransistor und Verfahren zu seiner Her-, stellung

Die Erfindung betrifft Feldeffekttransistoren mit schichtförmigem, polykristallinen Halbleiterkörper, an dem zwei Elektroden angebracht sind, und einer durph eine Isolierschicht getrennten dritten Elektrode* Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung solcher Feldeffekttransistoren.

Feldeffekttransistoren der oben angegebenen Art sind bekannt, siehe z.B. "RCA-Review" 24 (196?) 66I-675. Es ist auch bekannt, den dünnen, schichtförmigen Halbleiterkörper durch Aufdampfen von Halbleitermaterial, wie Cadmium-

*
sulfid, herzustellen, und man bezeichnet daher solche Tran·

sistoren gelegentlich als "Dünnschicht-Traneistoren",

DUnnschicht-Transistoren mit aufgedampftem Halbleiterkörper sind schon einige Jahre bekannt., in der Praxis konnten sie sich jedoch bisher noch nicht richtig durchsetzen. Ein Grund hierfür besteht darin, daß es bisher schwierig war, solche Bauelemente mit kleiner Exemplarstreuung herzusteilen, und die Ausbeute an brauchbaren Einrichtungen war daher gering und ihr Preis dementsprechend hoch.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu überwinden. Dies wird bei einem Feldeffekttransistor der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Halbleiterkörper mindestens lOOOOAE dick ist und aus Kfistalliten besteht, die größer als 5000 AE sind.

Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung solcher Feldeffekttransistoren wird zuerst eine Suspension aus dem gewünschten Halbleitermaterial, wie Cadmiumsulfid, hergestellt. Die Suspension wird dann durch Siebdruck auf einen Träger übertragen und danach einer Wärmebehandlung unterworfen, so daß eine relativ rauhe und körnige Halbleiterschicht entsteht, deren Dicke wesentlich größer ist als bei den bekannten Feldeffekttransistoren dieses Typs, also größer als 10 000 AB. Vorzugsweise beträgt die Dicke der den Halbleiterkörper bildenden Schicht etwa 25OCAtRE und außerdem besteht der Halbleiterkörper aus Kristalliten des Halbleiter-, materials, die ebenfalls wesentlich größer sind* als bei den

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bekannten D&msehicht-Feldeffekt-Transistoren, nämlich größer als 5OOO AE, vorzugsweise etwa 10 000 AE.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Feldeffekt-Transistor gernäß einem Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung;

_f Fig. 'd eine Schnittansicht in einer Ebene 2-2 der Fig. 2j

Fig. 3 eine Fig. 2 ähnliche Schnittansicht

und eine Verstärkerschaltung, die den im Schnitt dargestellten Transistor enthält, und

Fig. 4 Strom/Spannungs-Kennlinien eines Transistors der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Art.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Feldeffekttransistor 8 weist einen isolierenden Träger 10 aus Keramik auf. Statt Keramik können auch andere Isoliermaterialien verwendet werden, z.B. Glas oder Quarzglas. Auf der einen Seite 11 des Trägers 10 befindet sich eine Schicht 12 aus polykristallinem Halbleitermaterial. Die Schicht 12 kann aus bekannten Halbleiterwerkstoffen bestehen, z.B. Element« halbleiter, wie Germanium, Silizium und Germanium-Silizium-Legierungen, A-L-B -Verbindungen, wie den Phosphiden, Arseniden und Antimoniden des Aluminiums, Galliums und Indiums, und A-.jByj-Verbindungen, wie den Sulfiden, Seleniden und Telluriden des Zinks und Cadmiums. Zinkoxyd kann ebenfalls zu den A-jB—r-Verbindungen gerechnet werden.

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Mit der Halbleiterschicht I'd machen zwei Elektroden 14, 16 Kontakt, die aus einem Metall, wie Aluminium, Indium, Gold, Kupfer oder dgl. bestehen können. Die Elektroden können ohmsche Elektroden oder gleichrichtende Elektroden sein, letztere dürfen jedoch den Stromfluß von der als Quelle geschalteten Elektrode zu der als Abfluß geschalteten Elektrode nicht behindern.

Auf dem zwischen den Elektroden 14, 16 befindlichen Teil der Oberfläche der Halbleiterschicht I'd befindet sich eine isolierende Schicht 18, die die Elektroden 14, l6 vorzugsweise etwas überlappt, wenn sich die Elektroden l4,l6 auf derselben Seite der Halbleiterschicht I'd befinden wie die Isolierschicht 18. Die Isolierschicht 18 kann aus Siliziummonoxyd, Siliziumdioxyd, Siliziumnitrid, Calciumfluorid, Aluminiumoxyd, Zinksulfid und dgl. bestehen. Vorzugsweise ist die Dicke der Isolierschicht 18 kleiner als 2 /um.

Gegenüber dem Zwischenraum zwischen den Elektroden 14, 16 ist auf der Isolierschicht 18 eine Steuerelektrode 20 angeordnet, wie Fig. 'd zeigt. Der Abstand zwischen den Elektroden 14, 16 ist vorzugsweise kleiner als 100 Aim, er beträgt insbesondere zweckmäßigerweise größenordnungsmäßig etwa 1,0 bis 20yum. Die Steuerelektrode 20 kann aus einem Metall, wie Gold, Aluminium oder dgl. bestehen. An den Elektroden 14« 16 und 20 sind Anschlußdrähte a'd, 24 bzw. 26 angebracht, insbesondere mittels einer Metallpaste« z.B. einer Silberpaste,

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Bei der Herstellung des Transistors 8 wird die Schicht Vd nicht wie bisher durch Auf dampfen» sondern durch ein Siebdruckverfahren auf den Träger 10 aufgebracht.

Bei einem beispielsweisen Verfahren zur Herstellung einer aus Cadmiumsulfid bestehenden Schicht Vd werden ^rd'd,7 kg kristallisiertes Cadmiumsulfat (3CdSO₁,.8H 0) in 38 Liter entionisiertem Wasser gelöst. Durch diese Lösung wird 10 Minuten Schwefelwasserstoff mit einer Strömungsgeschwindigkeit entsprechend 2ü5 g/ⁿ geleitet. Der Lösung werden dann 100 ml konzentriertes Ammoniumhydroxyd zugesetzt und die Lösung wird umgerührt. Schließlich wird die Lösung durch Filterpapier filtriert.

Aus der in der oben beschriebenen Weise hergestellten Cadmiumsulfatlösung wird dann Cadmiumsulfid ausgefällt, indem die Lösung mit 115 Litern entionisiertem Wasser verdünnt, 5 cm unterhalb der Oberfläche der Lösung

mit einer Strömungsgeschwindigkeit entsprechend 2'd5 g/h Schwefelwasserstoff eingeleitet und umgerührt wird. Nach dem Absetzen des Niederschlages und Absaugen der überstehenden Flüssigkeit wird der verbliebene Cadmiumsulfidnieder~ schlag durch Dekantieren mit entionisiertem Wasser solange gewaschen, bis der pH-Wert des Wassers nicht weniger als 3,0 beträgt. Anschließend werden 800 mL konzentriertes Ammoniumhydroxyd zugesetzt, um die verbliebene Acidität zu neutralisieren, und der Niederschlag wird schließlich in Verdampfungssch&Ien bei 175 ⁰C getrocknet.

ORtGlNALiNSPECTED

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Zur Herstellung einer Cadmiumsulfidsuspension ' werden zuerst 100 g pulverförmiges Cadmiumsulfid, 35g pulverförmige Äthylzellulose und 5g pulverförmiges Cadmiumchlorid gemischt. Nach gründlicher Mischung der pulverförmigen Substanzen wird diesen ein Suspensionsmittel aus 4-50 ml Dibutylcarbotol' und 50 ml Cuprichloridlosung zugesetzt. Die Suspension wird während des Zusetzens des Suspensionsmittels kräftig gerührt und das Riihren wird dann mit mittlerer Geschwindigkeit 10 bis 15 Minuten fortgesetzt, während die Suspension dicker wird. Anschließend läßt man die Suspension 8 bis 24 Stunden stehen. Die Suspension wird schließlich gewalzt oder gemahlen, bis die erforderliche Feinheit hat.

Die aus Halbleitermaterial bestehenden Teilchen haben in der fertigen Suspension eine Größe (maximale lineare Abmessung) zwischen 5000 AE und 10 000 AE. Die Größe der Kristallite in der Halbleiterschicht Vd wird hauptsächlich durch die Größe der Halbleiterteilchen in der Suspension bestimmt und ist dieser praktisch gleich.

Die Suspension wird dann durch Siebdruck auf den Träger 10 aufgebracht· Beim Siebdruck wird bekanntlich eine gewöhnlich aus Druckfarbe oder dgl. bestehende Suspension durch ein Seidengewebe oder ein anderes gitterförmiges Material auf einen Träger gepreßt. Siebdruckverfahren sind allgemein bekannt, so daß sich eine nähere Er-

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läuterung erübrigt.

Nachdem die Suspension auf den Träger 10 aufgebracht worden ist, wird die Anordnung etwa 36 Minuten auf eine Temperatur von etwa 550 ⁰C erhitzt, um die aufgebrachte Schicht zu sintern. Die Dicke der beim Siebdrude aufgebrachten Suspensionsschicht wird so bemessen, daß die Schicht ^.2 nach dem Sintern eine Dicke zwischen 10 000 AE und 500 000 AE, vorzugsweise größenordnungsmäßig 250 000 AE hat.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, bei dem das Halbleitermaterial aus Cadmiumselenid besteht, wird eine Suspension aus 100 g pulverförmigem Cadmiumselenid, 3,5g Cadmiumchlorid und 50 ml Cuprioxydlösung in 50 ml Wasser hergestellt.

Die Suspension wird dann wieder durch Siebdruck auf einen Träger aufgebracht und dam zum Sintern der Schicht für__ etwa 35 Minuten in Luft auf eine Temperatur von etwa 500 ⁰C erhitzt. Die Dicke der resultierenden Cadmiumselenidschicht und «die Größe der in ihr enthaltenen Kristallite entsprechen denen der oben beschriebenen Cadmiumsulfidschicht. ·

Im Vergleich mit den bekannten aufgedampften Schichten sind die Schichten im vorliegenden Falle verhältnismäßig dick und körnig, da sie aus großen Kristalliten bestehen. Außerdem enthält die Schicht 12 die Bestandteile

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des Halbleitermaterials in stöchiometrischem Verhältnis.

Die bekannten, aufgedampften Halbleiterschichten sind dünner als 10 000 AE, ihre Dicke beträgt im allgemeinen größenordnungsmäßig 1000 AE. Sie enthalten außerdem Kristallite, deren maximale lineare Abmessungen kleiner als 5000 AE sind, so daß die solche kleinen Kristallite enthaltende Schicht relativ dicht ist und eine glatte Oberfläche hat. Beim Aufdampfen zersetzt sich außerdem das verdampfte Material und die Geschwindigkeit, mit der sich die Bestandteile des verdampften Materials auf dem bedampften Träger niederschlagen, hängt von den jeweils beim Aufdampfen herrschenden Dampfdrücken der verschiedenen Bestandteile ab* Es ist ziemlich schwierig, die Verdampfung genau zu steuern und die Zusammensetzungen der aufgedampften Schichten sind daher nicht so reproduzierbar, wie es erwünscht wäre.

Bei dem vorliegenden Verfahren werden die Halbleitermaterialien in Form einer Suspension durch Siebdruck auf den Träger aufgebracht. Hierbei tritt keine Zer setzung des Halbleitermaterials ein und die Zusammensetzung des Halbleitermaterials wird .· daher bei der Scftichtbildung nicht beeinflußt, Das Halbleitermaterial der fertigen Schicht Ig unterscheidet sich also bei der Erfindung im Gegensatz zu den bekannten Aufdampf verfahren nicht vom AusgangJiraateJiial« Bei Halbleiterverbindungen liegen daher

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in dem auf den Träger aufgebrachten Material stöchicw metrische Verhältnisse vor. Da das· Halbleitermaterial durch die Schichtherstellung nicht beeinflußt wird, läßt sich eine sehr gute Reproduzierbarkeit und eine geringe Exemplarstreuung der fertigen Bauelemente erreichen.

Die durch das Siebdrückverfahren hergestellten Halbleiterschichten lahaben Dicken zwischen 10 000 AE und 500 000.AE, vorzugsweise in der Größenordnung von H50 000 AE. Die Schichten enthalten Kristallite, deren maximale lineare Abmessungen größer als 5000 AE betragen und vorzugsweise in der Größenordnung von 10 000 AE liegen. Die resultierenden Schichten Vd. haben eine etwas geringere Dichte als die bekannten aufgedampften Schichten und sind auch rauher und körniger als letztere.

Feldeffekt-Halbleitereinrichtungen mit polykristallinen, schichtförmigen Halbleiterkörpern der hier beschriebenen Art haben überraschenderweise bessere elek« trlsche Eigenschaften als die bekannten Einrichtungen mit aufgedampftem Halbleiterkörper. Vermutlich ist die Trägerbeweglichkeit In den größeren Kristalliten größer als in den bekannten Aufdampfschichten« Eine größere Trägerbeweglichkeit gibt andererseits höhere Steilheiten und höhere Anspreohgesohwindigkeiten,

Die Elektroden 14, 16 und 20 können auf bekannte Weise hergestellt werden. Um.enge Lagetoleranzen und

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stände zu erreichen, werden sie vorzugsweise durch Maskier- und Aufdampfverfahren hergestellt.

Auch die Isolierschicht 18 kann auf bekannte Weise hergestellt werden, z.B. durch ein photolithographisches Verfahren, Aufdampfen durch eine Maske, Aufspritzen, Siebdruck und dgl.

Der beschriebene Transistor kann in einer Verstärkerschaltung betrieben werden, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Steuerelektrode aO ist durch eine Vorspannungsquelle 'dö positiv vorgespannt, der eine Signalquelle 30 in Reihe geschaltet ist. Die eine der beiden Elektroden 14 oder l6, bei dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel die Elektrode 14, ist geerdet. Die Elektrode 16 ist mit dem positiven Pol einer Betriebsspannungsquelle 32 über einen Arbeitswiderstand 34 verbunden. Der negative Pol der Spannungsquelle 32 liegt an Masse. Zwischen einer mit der Elektrode 16 verbundenen Klemme 36 und einer mit Masse verbundenen Klemme 38 kann eine Ausgangsspannung abgenommen werden.

Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit des zwischen der als Quelle arbeitenden Elektrode 14 und der als Abfluß arbeitenden Elektrode 16 fließenden Stromes I_A in Abhängigkeit von der Ausgangespannung v_Ä zwischen Klemmen 36, 38 für verschiedene Werte der Steuerelektrodenvorspannung, die positiv bezüglich der Quellenelektrode 14 ist. Bei

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Steuerelektrodenvorspannungen bis etwa 0,5 Volt ist der Ausgangsstrom klein, er beginnt dann von dieser als "Einsat zspannung" bezeichneten Spannung aus rasch anzusteigen. Die Einsatzspannung soll bekanntlich möglichst klein sein , um den Leistungsverbrauch ohne Eingangssignal und bei kleinen Eingangssignalen gering zu halten. Die nur 0,5 Volt betragende jßinsatzspannung der vorliegenden Transistoren stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber den bekannten Feldeffekttransistoren dar, bei denen die Einsatzspannung in der Größenordnung von 7 Volt liegt. Außerdem ist der Ausgangsstrom bei der Vorspannung 0 Volt an der Steuerelektrode 'dö sehr klein, was ebenfalls für viele Zwecke sehr erwünscht ist.

Die vorliegenden Feldeffekttransistoren weisen gegenüber dem Stand der Technik außerdem noch den Vorteil auf, daß sie eine größere Steilheit und eine größere Grenzleistung haben als bekannte entsprechende Bauelemente« Da Siebdruckverfahren wirtschaftlicher sind als Äufdampfverfahren lassen "sich die vorliegenden Transistoren, ganz abgesehen von der höheren Ausbeute, auch grundsätzlich billiger herstellen.

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Claims

Patentansprüche

1. Feldeffekttransistor mit schichtförmigem, polykristallinen Halbleiterkörper, an den zwei Elektroden angebracht sind, und einer vom Halbleiterkörper durch eine Isolierschicht getrennten dritten Elektrode, dadurch gekennze ichnet, daß der Halbleiterkörper mindestens 10 000 AE dick ist und aus Kristalliten besteht, die größer als 5000 AE sind.

2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, d adurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus stöchiometrischem Cadmiumsulfid besteht.

J. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus stöchiometrischem Cadmiumselenid besteht.

4. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der sohichtförmige Halbleiterkörper etwa 250 000 AE dick 1st und Kristallite enthält, die etwa 10 000 AB groß sind*

5. Verfahren zum Herstellen eines Feldeffekttransistors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a-

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durch gekennzeichnet, daß eine

Suspension hergestellt wird, die Halbleiterteilchen enthält, welche größer als 5OOO AE sind, daß die Suspension durch Siebdruck auf eine Unterlage aufgebracht wird und daß die auf die Unterlage aufgebrachte Suspension durch Erhitzen gesintert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennze lehnet, daß die Suspension aus Cadmiumsulfid oder Cadmiumselenidteilchen hergestellt wird, die etwa 10 000 AE groß sind und daß aus dieser. Suspension eine Schicht hergestellt wird, die nach dem Sintern etwa 25Ο 000 AE dick ist.

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