DE1614389A1

DE1614389A1 - Feldeffekt-Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1614389A1
Application number: DE19671614389
Authority: DE
Inventors: Olmstead John Aaron; Jacobus Jun Lewis Alfred; Athanas Terry George
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1966-10-13
Filing date: 1967-10-13
Publication date: 1970-07-02
Also published as: BE705103A; JPS497391B1; DE1614389B2; SE339269B; US3427514A; NL6713862A; GB1183967A

Description

6504-67/Ktf/Ro.
RCA 55 607
Convention-date;■
October 1^j₁ 1966.,.,

Radio Corporation o.f America, New. York, JJ,Y,, USA

Feldeffekt-Halbleiterbauelemehfr

Die Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente;,-, tosbesondere eine verbesserte gitterlsoHerta' Feldeffeiet-Halibleiterfcetrode,

Ein Feldeffekt-Bauelement ist befcanntlißfci ein Halbleiterbauelement, bei dem die Leitfähigkeit eines Teils eines.. Halbleiter-· körpers oder -scheibehens, der sogenannte Kanal, dürefo/ Anlegen ·--' eines elektrischen Feldes moduliert werden kann, Bei einer be- kannten Art von F.eldeffekt-Bauelement .ist auf einenj Teil der Oberfläche eines kristallinen Halbleiterkörpers eine Dlelektrikuis- oder Isolierschicht niit einer darauf angebrachten ,Steuerelektrode angeordnet, Diese sogenannten isolierten oder gitterisöliert'en¹ Felde'ffekt-Bauel'emente^ιkönnen 'aus 'einem Körper aus kristallinem Halbleitermaterial, zwei im Abstand voneinander an der einen Fläche dieses KBrgers angebrachten !Leitergebieten, einem · auf dieser Fläche zwischen 4eaa beiden Leitergebieten: angeordneten Film aus Isoliermaterial, zwei imife 4en beiden ILeitergeibieten

■ .. ■ BAD ORIGINAL

kontaktieren Hauptelektrode]! und einer auf dem Isolierfilm angebrachten Steuerelektrode bestehen. Der durch einen Teil des Halbleiterkörpers gebildete Kanal verbindet die beiden Xeiter-" gebiete und verläuft unter der Isolierschicht mit der darauf befindlichen Steuerelektrode, Derartige Bauelemente können ^:auch so ausgeführt sein« daß das Halbleitermaterial in Form einer Dünnschicht auf einem isolierenden Substrat aufgebracht ist-.

Bei dem als "MOS-Transistor" (Metall-Oxyd-Halbleiter- " Transistor)'bekannten gitterisolierten Feldeffekt-Bauelement be« stehen der Halbleiterkörper im allgemeinen aus Silicium und die isolierschicht gewöhnlich aus Siliciumoxyd, Die auf der Isolier*« schicht angebrachte Steuerelektrode wird auch als "Gitter" be- · zeichnet, Die beiden direkt mit dem Halbleiterkörper kontaktierten Hauptelektroden sind unter der Bezeichnung "Quelle" und "Abfluß" bekannt, '

.In den Zeichnungen seigern

Fig, la-ld Sßhnittdarstellungen eines Halbleiterkörpers zur Veransehaulich'ung aufeinanderfolgender Veriahrenssöhritte bei der Herstellung einer Feldeffekt-Tetfode gemäö einer Ausführungsform der Erfindungj " ' ' ' ' - '■

Fig." 2 einen Grundriß des Bauelements nach Pi,-¹:, Id;

Fig. > einen--ß-ruiidrijä.. eine,s._r Bauelements gemäß einer anderen

AusführungSiform^ der. Erfindung; ..,. .,..-... . - -■

1S14383 ■

Fig. 4 einen Grundriß eines -Bauelements gemäß einer weiteren Äusführungsform der Erfindung;

■ · Fig. 5 Schnittdarstellungen eines Bauelements mit mehr als zwei Steuerelektroden gemäß; einer weiteren Äusführungsform der Erfindung; und ·

Fig. 6 ein Diagramm, das öle LeistungsverStärkung bei 200 MHk als Funktion der Zweitgitter-Quellenspannung für eine Feldeffekt-Tetrode gemäß einer Äusführungsform der Erfindung einerseits und ein vergleichbares Bauelement gemäß dem Stand der Technik andererseits wiedergibt.

Beispiel I

Ein kristalliner Halbleiterkörper IO (Fig. Ia) mit mindestens einer Haupt fläche 1.1-wird zubereitet. Die genaue Größe/ Form, Zusammensetzung und Leitfähigkeit des Bälbleiterkörpers 10 sind nicht kritisch. Der Halbleiterkörper 10 kann aus Germanium, Silicium, Germanium/Siliclum-Legierun^, den Nitriden,* Phosphiden;, Arseniden oder Äntimoniden des Bors, Aluminiums, Indiums oder Galliums oder den Sulfiden, Seleniden oder* Te Huri den des Zinks, Cadmiums oder <$ieeksilbers bestehen. Irn vorliegenden Fall besteht der Halbleiterkörper 10 aus monokristallinem Silicium vom p-Leitungstyp mit einer Flächenausdehnüng von ungefähr 0,125 cm ins Quadrat (50 Mil ins ©juadrat) und einer Dicke von ungefähr 0,015 cm (6 Mil). Der spezifische Widerstand des Halbleiterkörpers 10

00.9aa

beträgt vorzugsweise mindestens 1 Ohmzentimeter, und zwar im vorliegenden Fall ungefähr 20 Ohmzentimeter.

Auf die Fläche 11 wird ein als Diffusionsmaske dienender Belag 12 aufgebracht. Der Belag 12 kann beispielsweise aus SiIiciumoxyd, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid oder dgl. bestehen und z.B. durch Aufdampfen oder genetisches Aufwachsen aufgebracht werden. Im vorliegenden Fall besteht der Belag 12 aus Siliclumoxyd, das durch Erhitzen des Siliclumkörpers 10 in einer oxydierenden Atmosphäre, beispielsweise Wasserdampf oder Sauerstoff, gebildet ist.

Mit Hilfe des bekannten DiffusionsVerfahrens werden im Halbleiterkörper 10 unmittelbar an der Fläche 11 im Abstand voneinander zwei Gebiete Ij5 und Ik (Fig. Ib) niedrigen spezifischen Widerstandes gebildet, deren Leitungstyp dem des Hauptteils des Körpers 10 entgegengesetzt ist. Zugleich wird im Körper 10 unmittelbar an der Hauptfläche 11 im Abstand zwischen den beiden Gebieten Ij5 und 14 ein drittes derartiges Gebiet 15 gebildet. Im Maskierbelag 12 werden durch Herausätzen entsprechende Fenster gebildet, und ein geeigneter Dotierstoff in Dampfform wird in die dadurch freigelegten Teile der Fläche 11 eindiffundiert. Da der Körper 10 in diesem Fall vom p-Leitungstyp ist, wird ein Donator wie Arsen, Antimon, Phosphor oder dgl. eindiffundiert. Damit die Gebiete IJ, 14 und 15 den gewünschten niedrigen spezifischen Widerstand erhalten, erfolgt die Diffusion unter solchen Bedingungen der Dotierstoffquellenkonzentration und Wärmeanwendung, daß die Kon-

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zentration an Ladungsträgern (in diesem Falle Elektronen) an der Oberfläche der Gebiete 13, l4 und I5 mindestens 10¹^ pro citr⁵ beträgt.. An den Grenzflächen zwischen dem ρ-leitenden Hauptteil des Körpers 10 und den η-leitenden DiffusionsgebietenI3, 14"und I5 entstehen pn-Übergänge l6, 1? bzw. l8. Die'genaue Größe und Form des Quellen- und des Abflußgebiets sind nicht kritisch. Die Gebiete 13 undl4 können entweder gleiche.oder unterschiedliche Größe und/oder Form haben. Im vorliegenden Fall sind die Gebiete 13-und 14 ungefähr 0,025 cm (10 Mil) lang und 0,001 cm (0,4 Mil) breit. Vorzugsweise ist das Gebiet 15 in beiderseits gleichem .Abstand zwischen den Gebieten 13 und l4 angeordnet,

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß die Breite des mittleren Diffusionsgebietes I5 (auch als "Inseldiffusion" bezeichnet) ein kritischer Faktor im Hinblick auf das Leistungsvermögen des Bauelements bei hohen Frequenzen ist. Und zwar sollte, um einen zufriedenstellenden Betrieb bei Frequenzen oberhalb 100 MHz.. zu gewährleisten., das mittlere Diffusionsgebiet 15 weniger als 0,00163 cm (0,64 Mil) breit-sein.. Die wahrscheinlichen physikalischen Gründe für diese Begrenzung werden später erörtert.. Im vorliegenden Fall hat· das Gebiet 15 eine Breite von 0,^00Lern ·, (0,,4MIl) und-:.e ine Länge von 0,025-cm (10;Mil)_f .^. · ,_:

■ Der Maskierbelag 12 wird entfernt, und eine Schicht 19' " (Fig. Ic) aus Dielektrikum öder Isoliermaterial wird auf die Fläche 11 des Körpers 10 aufgebracht. Die Iäolierschibht 19"kanh aus Sillciummonoxyd, Siliciumdloxyd, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid, Siliciumkarbld, Magnesiumoxyd, .MagnesiumfluorId,

Titankarbid, Titanoxyd,- Hafniumoxyd, Vanadiumoxyd, Aluminiumoxyd oder dgl. bestehen. Im vorliegenden Fall besteht die Schicht 19 aus Siliciumoxyd. Mit Hilfe üblicher Maskier- und Ätzverfahren werden in der Schicht I9 zwei Fenster oder Öffnungen, und zwar eine innerhalb des Gebietes I3 und die andere innerhalb des Gebietes 14 gebildet» .

Ein Metall wie Aluminium, Palladium, Chrom oder dgl. wird nach irgendeinem geeignetes. F&rfahren, beispielsweise durch Aufdampfen mittels einer Maske auf die freiliegenden Teile der Gebiete 13 und l4 sowie auf Teile der Isolierschicht I9 über dem Trennspalt zwischen den Gebieten 13 und 14 aufgebracht. Auf diese Weise werden das Gebiet 13 *nit einer metallischen Elektrode 20 und das Gebiet l4 mit einer metallischen Elektrode 21 kontaktiert. Eine dritte metallische Elektrode 22 wird auf der Isolierschicht IQ über dem Trennspalt zwischen den Gebieten I3 und 15 gebildet, und eine vierte Elektrode 2J> wird auf der Isolierschicht 19 über dem Trennspalt zwischen den Gebieten 14 und I5 gebildet. Im Betrieb dienen die Elektroden 20 und21 als ,uellen- bzw. Abflußelektroden, die Elektrode 22 als erstes oder Eingangsgitter und die Elektrode 23 als zweites oder Steuergitter. Die Elektroden 20, 21, 22 und 23. können mit elektrischen Zuleitungen 24, 25* 2ö bzw. 27 versehen werden. Zweckmäßigerweise verwendet man zu diesem Zweck Zuleitungsdrähte aus Aluminium oder Gold, die man durch Ultraschall- oder Thermokompressionsbindung befestigt. Das Bauelement kann dann mittels bekannter Methoden gekapselt und mit Gehäuse versehen werden. '"'■'.- . ·

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Fig. ld ist in mehrerer Hinsicht eine sehematisehe Darstellung. So sind die vier Zuleitungscirähte 24-27 als direkt ,an den schmalen Elektroden 20-23 angebrachtdargestellt. In der Praxis ist es zweckmäßiger, die einzelnen Elektroden jeweils in einer erweiterten Fläche, dem sogenannten Klemmenstreifen oder Ansehlußplättchen, enden zu lassen. Die Klemmenstreifen haben eine- so große Flache, daß die Zuleitungsdrähte ohne weiteres daran befestigt werden können. Ferner sind die e-inzeInen Klemmenstreifen vorzugsweise auf der Oberflächeder.Isolierschicht- 19 angeordnet, so daß die elektrischen Zuleitungsdrähte nicht solche Bereiche der Halbleiterflache 11, mit denen sie keinen Kontakt geben dürfen, berühren können. Wie in Fig. 2 im Grundriß gezeigt, enden die Elektroden 20, 21, 22 und 23 des Bauelements nach Fig. Id vorzugsweise in Klemmenstreifen 28, 29, 30bzw. 31. Vorteilhafterweise werden die Zuleitungs'drähte 24, 25, 26 und 27 an diesen Klemmenstreifen befestigt.

Im Betrieb des Bauelements arbeitet das Diffusionsgebiet als Abfluß für das Quellengebiet 13 und zugleich als Quelle für das Abflußgebiet Ί4. Auf diese Weise ergeben sich zwei getrennte gitterisolierte Feldeffekt-Transistoren in Kaskadenschaltung, derart, daß der Ausgang des ersten Transistors (mit dem Quellengebiet 13, dem ersten oder Eingangsgitter 22 und dem Abflußgebiet 15 ) den Eingang des zweiten Transistors (mit dem Quellengebiet 15, dem. zweiten oder Steuergitter 23 und dem Abflußgebiet. 14) bildet, . .- ."....; ■ ■'·"■ :'<, -\ :

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Es hat sich unerwarteterweise herausgestellt, daß das mittlere Diffusionsgebiet 15, obwohl es mit keinerlei äußeren elektrischen Anschlüssen versehen ist, die Stabilität der elektrischen Eigenschaften des Bauelements gegenüber vergleichbaren Bauelementen ohne ein solches mittleres Diffusionsgebiet erhöht. Ferner wurde gefunden, daß durch das Diffusionsgebiet 15'die HF-Leistungsverstärkung für eine gegebene Steuergitter-Quellenspannung erheblich verbessert wird.

Es soll jetzt eine mathematische Analyse oder Ableitung der erforderlichen Inseldiffusionsbreite gegeben werden. Man kann zeigen, daß die Durchlaßtranskonduktanz (der Übertragungsleitwert in der Durchlaßrichtung) Yp, einer MOS-Tetrode von der im vorliegenden Beispiel angeführten Art als die Transkonduktanz eines ersten MOS-Transistors (mit dem Eingangsgitter) und eines zweiten MOS-Transistors (mit dem Steuergitter) in Kaskadenschaltung aufgefaßt und durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden kann:

/C C Λ C

/gm-jw (-§- + / 7 /gm¹ - jw —§ 7 C₁) γ _ = ^_£ / ~ ^d —

_gm. ₊ jw-f₊ ¹ .+ ^ss

worin gm die Transkonduktanz des ersten MOS-Transistors mit dem Eingangsgitter,

j die Quadratwurzel von -1,

w die Winkelfrequenz in rad/s,

C die Gitter-Kanalkapazität des ersten MOS-Transistors,

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C_f die Rückkopplungskapäzltätdes ersten MOS-Transistors,

gm¹. die Transkonduktanz des zweiten MOS-Transistors mit dem Steuergitter,

C' die Gitter-Kanalkapazität des zweiten MOS-Transistors, und C die Verarmungsschichtkapazität des Inseldiffusionsgebietes bedeuten. ■ \

Für ein VHF-Bauelement kommt es darauf an, daß die Durchlaßtranskonduktanz Yp₁ hoch ist. Aus Gleichung (l) sieht man, daß, wenn

(2) ^Css_^^g_ . °f . .■."■■

Yp₁ sich erniedrigt und damit die VHP-Leistungsfähigkeit des Bauelements sich vermindert. . . ■

Die Größe —φ läßt sich Wie folgt ausdrücken:

^C'_K ^Eins^zc
² ' ^2t

worin E. die Dielektrizitätskonstante des Isolators unter ins

dem zweiten oder Steuergitter,

c der Abstand zwischen dem Inseldifi'usionsgebiet^der Quelle,

t. die Dicke des Isolators unter dem zweiten oder Steuerins _: -

gitter, und . ■ '

ζ die Lange des Inseldiffusionsgebietes und des leitenden Kanals in Richtung senkrecht zur Zeichenebene bedeuten'.

Die Rückkoppelungskapazitat C_f kann als aus zwei Komponenten zusammengesetzt aufgefaßt werden: Einer ersten Komponente C„ ,

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- ίο - ■

die durch das Übergreifen der Diffusionsgebiete durch die Elektroden bedingt ist, und einer zweiten Komponente C^, die durch über die Länge des Kanals·verteilte Streufelder bedingt ist. Wenn daher sämtliche Isolierschichten des Bauelements die gleiche Dicke haben, gilt:

(4) ' c_f=c_{fo +Cff}

Man kann zeigen, daß C_ff gleich I/3 C- ist. Es gilt daher:

(5) c_f= c_fo + i/3C_fo. . -

Die Größe C- läßt sich wie folgt ausdrücken:

tc\ _n E. z. e "

(6) C_f = xns

ins

worin e die Breite des das Inseldiffusionsg'ebiet überlappenden Teils des ersten Gitters bedeutet.

Durch Vereinigen der Gleichungen (5) und (6) ergibt sich:

1/3 Ε- ζ e
(rj\ ρ _ ρ , ms

Wenn die Dicke der Isolierschicht über dem InseldiffiELonsgebiet von der Dicke der Isolierschicht über dem Kanal abweicht, wie es in der Praxis vorkommen kann, so vermindert sich 0~ um das Verhältnis der beiden Isolierschichtdicken. Es gilt daner für unter schiedliche Isolierschichtdicken:

so ' -

worin sC_f die Überlappungsrückkopplungskapazität für eine MOS-Tetrode mit abgestufter Isolierschichtdicke, und

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- Ii - ν . ■ : ■■"■--■

t'. die Dicke der Isolierschicht untex dem Überlappungsteil des Eingangsgitters bedeuten.

Durch Vereinigen der Gleichungen ("J) und (8) erhält man j

ins - ," /ins

Der Bequemlichkeit halber kann, man t'. = a t. setzen, wobei a eine reine ZahlengrÖße ist. Damit der Einflußvon C_ auf Y₀₁ vernachlässigbar wird, muß

Setzt man die Gleichungen (3) und (9) in Gleichung (10) ein, so ergibt sich: . '.- ■ ^l

E-. ζ e E. ze" 1/3 E. ζ e _fl1V ρ - ^. ins . ms , ⁷^ ins

.d. t,— a υ ,„„ ^ins

Man kann unterstellen, daß e'eln gewisser Teil von c ist, so daß e = bc, wobei beine reine ZahlengrÖße ist. Alsdann gilt:

*E. ze b E. ze 1/j E. ζ c

(12) C_ss ^L ^ > ⁺

^{ss 2}^-InS-';.:;-/; ins .^ins ^

Durch Vereinigen der Ausdrücke in Gleichung (12) erhält man:

Oi)9 8-2,7/0-4?1

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Die Größe C , also die VerarmungsSchichtkapazität des Insel

SS

diffusionsgebietes, läßt sich demnach wie folgt ausdrucken:

E - ζ d

(14) c

sor

worin t,, die Verarmungsschichtdicke, E die Dielektrizitätskonstante des-Halbleiters, und d die Breite des Inseldiffus.ionsgebietes bedeuten.

Durch "Vereinigen der Gleichungen (13>) und (14) erhält man:

^tdl ^tins
Durch Umordnen der Ausdrücke in Gleichung (15) ergibt sich

sor ins

Die Verarmungsschicht'dicke t,·, ist gegeben durch die Gleichung:

ι / 2 E V

(I₇) t -/- ^sor

^{Ur; c}dl -/ q N_a

worin V die Spannung am Inseldiffusiönsgebiet, q die elektrische Ladung, und

N die Dotierstoffkonzentration im Halbleiter unter dem Inseldiffusionsgebiet bedeuten. /

Bei einem typischen Bauelement sind t. (die Dicke des

Isolators über dem Kanal) ungefähr 1000 8, t' (die Dicke des

ins

Isolators unter dem überlappenden Teil des Gitters) ungefähr 7000 8, die Zahl b gleich 0,5, die Zahl a gleich -|§§§ oder 7,

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E. gleich.4, .E„„ gleich 12, und q gleich 1,6 χ 10¹^ Coulomb. ..-■■■_■"-'■'■

Jedoch darf die Verarmungsschicht dicke t,-, nicht größer sein als 0,5c, da an dieser Stelle die vom Abflußgebiet ausgehende Verarmungsschicht einen ^Durchgriff"verursachen würde. Um einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten," sollte d^, den Wert 0,25c nicht übersteigen, un& zwar besonders bei VHP-Bauelementen, wo der Abstand zwischen Quelle und Abfluß klein ist.

Durch Einsetzen von t ', - 0,25c in Gleichung (l6) ergibt sichi

Durch Einsetzen typischer Werte lh Gleichung (l8) für eine MOS-Tetrade der beschriebenen .Art erhält man; . .

(19 J -^ ^i^· %. -^g £ Q,73d_/ Durch Umordnen der Gleichung |19| ergibt sich:

(20) .d 4 6*32 xio⁵ c² ; .:■■..

-4 Setzt man für c typische Werte von 5vx IO ·■ QiP"&ίΧΧ_Λ sq ergibt sich: (al·) d ^C (6,^2 χ lo^J (25>8 χ ίο"⁸}

Rechnet man die Gleichung aus, so ergibt sichj

se IQ"-³- cm =='0,64

r * j - ■■ τ-

11 mm %p- ^

Man sieht also, daß durch Gleichung (l8) eine obere Grenze für die Breite des mittleren Diffusionsgebietes (oder Inseldiffusionsgebietes) einer MOS-Tetrode unter Berücksichtigung der anderen physikalischen Kenndaten der Tetrode gesetzt Ist. Obwohl die in den Gleichungen (19) bis (22) für diese Kenndaten verwendeten speziellen Werte für eine MOS-Tetrode gelten, bei welcher der Halbleiter aus Silicium und der Isolator aus Slliclumoxyd bestehen, scheint in der Praxis bei VHP-Bauelementen der für d, die Breite des Inseldiffusionsgebietes, erhaltene obere Grenzwert nicht allzu sehr von dem angegebenen Wert von ungefähr I6j5 χ 10~5 cm (0,64 MIl) abzuweichen.

Nach unten Ist die Breite des mittleren Diffusionsgebietes oder Inseldiffusionsgebietes offenbar nicht begrenzt, da die Transkonduktanz der MOS-Tetrode mit abnehmender Breite des Inseldiffusionsgebietes ansteigt. Das Inseldiffusionsgebiet sollte daher so schmal gemacht werden* wie es'nach dem Stand der Technik praktikabel ist. Jedoch soll das Inseldiffusionsp;ebiet nicht gänzlich entfallen, da, wie man aus dem Diagramm nach FIg. 6 sieht, die Leistungsverstärkung des Bauelements bei fehlendem Inseldiffüsiönsgebiet sich verringert.

Beispiel II

In Beispiel I waren das Quellengebiet, das mittlere· Di-i-'fusI ons gebiete*' (.Inseldiffüsiönsgebiet) und das Abf Iui3gebiet .geradlinig nebeneinaneisr. angeordnet.' I'm vorliegenden Beispiel ist da- ,

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gegen das Abflußgebiet teilweise vom Quellengebiet und vom Inseldiffusionsgebiet umgeben. _ ν

Das Bauelement besteht in diesem Fall (s, Fig. 3) aus einem kristallinen Halbleiterkörper- 10' eines gegebenen Leltüngstyps, und zwar irgendeinem der in Beispiel I genannten kri-stallinen HalbleiterstoiTe oder Legierungen, beispielsweise Galliumantlmonid/Indiumantxmonid-Legierungen oder Indiumarsenid/Indiumphosphid -Le gier uncen. Auf der Hauptfläche des im Grundriß.gezeigten Körpers 10" befindet sich eine Isolierschicht 1'9' aus z.B. Siliciumnitrid oder einem der anderen in Beispiel I genannten Isoliermaterialien. -

Das Quellengebiet 15' ist U-förmig* Innerhalb des"U"des Quellengebiets l^', jedoch im Abstand davon, ist das Abflußgebiet 14' angeordnet. Zwischen dem Quellengebiet Ip¹ und dem Abflußgebiet 14 ' befindet sich einschmalesU-förmiges Zwisehengebiet 15'. Die Breite dieses Gebietes"15' ist kleiner als 163 χ 10"^ cm (0,64 Mil). Die Gebiete Iß¹, _ 14' und 15' haben sämtlich den entgegengesetzten Leitungstyp wie der Halbleiterkörper IQ"', so daß an den Grenzflächen zwischen diesen Gebieten und dem Hauptteil des Körpers pn-Übergänge l6'> 17' und 18' bestehen.

Eine U-förmige metallischeElektrode.20'kontaktiert das U-förmige Quellengebiet 13'. Eine Elektrode 21' kontaktiert das Abflußgebiet 14'. Auf der isolierschicht *19' über dem Zwischenraum zwischen dem Quellengebiet 13' und dem Diffusionsgebiet 15'

0 0 GS2 ?

befindet sich eine erste U-förmige Gitterelektrode 22*. Ebenfalls auf der Isolierschicht 19', jedoch über dem Zwischenraum zwischen dem Diffusionsgebiet 15^! und dem Abflußgebiet l4' befindet sich eine U-förmige isolierte Gitterelektrode 23'· Die vier Elektroden 20' bis 23' enden jeweils in einem Anschlußplättchen 28' .... 31' auf der Isolierschicht 19'· Das Bauelement wird nach den in Beispiel I erwähnten Standardmethoden hergestellt und durch Anbringen elektrischer Zuleitungsdrähte '(nicht gezeigt) an die einzelnen Anschlußplättchen 28.' ... jU' sowie durch Kapseln und Versehen des Halbleiterkörpers 10' mit einem Gehäuse nach üblichen Methoden vervollständigt.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform, bei der das.Quellengebiet das Abflußgebiet teilweise umgibt, besteht darin, daß der unmodulierte Strom, der zwischen vuelle und Abfluß fließen kann, in seinem Betrag verringert ist.

Beispiel III

Bei dieser.Ausführungsform ist das Abflußgebiet vom Quellengebiet und vom Inseldiffusionsgebiet oder Zwischengebiet vollständig umgeben. '"

Das Bauelement nach diesem. Beispiel (s. Fig. 4) besteht aus einem kristallinen Halbleiterkörper 10" eines gegebenen Leitungstyps. Auf der Hauptfläche des Halbleiterkörpers 10", der im Grundriß gezeigt ist, befindet sich eine Schicht 19" aus Isoliermaterial. . ■

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Das Bauelement hat ein X-fSamtiges Abflußgebiet> ein X-fafmiges, das Abflußgebiet Im; dichten Abstand umgebendes Zwischengebiet j ein X^fBrmigerSj das Zwiächeilgebiet irrt dichten Abstand umgebendes QUeiiengebiet> eine £«*■£Brffiige Äbflußelektröde 21'% eine X-fÖiffiige $iellenelelctrode 20^ü unä-awei X-formige Gdtterelektroden 22" und 2j^tf auf-del⁴ isolierschiöht 19" im Abstand zwischen Qjielieh- Und Äbflußelektrode, Das QUeÜengebieti das Zwischen·« gebiet und das Äbflußgebieti die siöh unter* den entsp^eöhenden Elektroden befinden und in der Belohnung Um der besseren über« siöhtiiGhkeit willen niöht gezeigt sindj sind in ihrer Eorm genau der Quellenelektrode^ der Abflüßelektrode bsw- dem Zwischenraum awisöheli den beiden Oitterelektliödell 22" und 23¹¹ angepaßt* ÄUoh hier beträgt die Breite des inseldiffusionsgebietes weniger als Ϊ63 Ά 10^Ä5 Qh₁ (0*64 KiI), Die vier Elektroden 20 ^ύ , , / 2^^H haben jeweils ein Ansehlußplättöten 28" _iti 3Ϋ^Χ auf der Isolierschieht 19*. ' '

I3erar%ige Bäuelementej bei denen das QULellengebiet das AbflUßgebiet τοllstäildig Umgibtί haben den Torteili daß der gesamte !wischen Quölle Ufüd Abfluß fließende Strom duröh die Gitter-*· elektroden moduliert wird« Sei einer praktisch erprobten Aus-

führUtigsforffi gemäß diesetn Beispiel bestanden der Halbleiterkörper aus monokristallinem Silicium und die Isolierschicht aus Olli* ciumoxydi hatten die einzelnen Arme des X-fÖrmigen Quellengebiets -eitie Länge von ungefähr 0,06^5 cm (25 Mil) jihd waren die ilöfctrodBn jeweils ungefähr 0/QQl οιαΊ-Ο*^ Mil) breit.

Die Breite des Zwischengebiets oder Inseldiffusionsgebiets betrug 0,001 cm (0,4 Mil), Mit diesem Bauelement wurde die der Kurve A in Pig, 6 entsprechende Kennlinie für die Änderung der Leistungsverstärkung, gemessen in db, als Funktion der Änderung der Steuergitter*' Quellenspannung,, gemessen in Volt, bei einer Frequenz von 200 MHz erhalten. Zum Vergleich wurde ein entsprechendes Bauelement, jedoch ohne Inseldiffusionsgebiet; zwischen Quelle und Abfluß hergestellt, Untersuchungen dieses Bauelements ergaben die der Kurve B in Fig. 6 entsprechende Kennlinie. Wie man sieht, ist die Leistungsverstärkung über den gesaraten Bereich von angelegten Gitterspannungen bei dem erfindungsgemäßen Bauelement erheblich besser als bei einein.Bauelement gemäß dem Stand der Technik,

ö-itterisolierte Feldeffekt-Bauelemente der vorliegenden Art können sowohl im stromerhöhenden als auch im stromdrosselnden Betrieb arbeiten* Für ein einwandfreies Arbeiten im stromdrosselnden Betrieb werden die Bauelemente mit einem dünnen leitenden Kanal, z.B. in Form einer Inversionsschicht, zwischen Quelle und Abfluß, versehen» Derartige Bauelemente können entweder im stromerhöhenden Betrieb oder, bei Vorhandensein eines leitenden Kanals zwischen Quelle, und Abfluß» im stromdrosselnden Betrieb arbeiten*

Die X-fÖrmigen Gebiete bei der vorliegenden Ausführungsform sind in topographischer Hinsicht geschlossenen Kurven äquivalent. Eine gleichwertige Ausführung läßt sich mit einem kreisförmigen mittleren Abflußgebiet, einem dessen umfang im Abstand umgebenden ringförmigen Quellengebiet, einem im Abstand zwischen Quellen- und

98271OAIt- - -.■: -

: ^6:14389

-, lg - ■■■■■..■■■■-"■.

Abflußgebiet angeordneten ringförmigen Zwischengebiet oder "inseldiffusionsgebiet, eine^ ersten ringförmiger/Gitterelektrode (Eingangsgitter) auf einer-Isolierschicht über dem Zwischenraum zwischen Qjaellengeblet und Zwischengebiet sowie einer zweiten ringförmigen Gitterelektrode (Steuergitter) auf derIsolierschicht über dem Zwischenraum zwischen Abflußgebiet und Zwischengebiet erhalten« :

Beispiel IV \ \ , _\:

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformeri war jeweils ein einzelnes Zwischengebiet oder^: InseldiffusionsgeMet zwischen Quelle und Abfluß vorgesehen und waren über dem Zwischenraum zwischen Quellenelektrode und Äbflußelektrode jeweils zwei isolierte Gltterelektroden angeordnet. Stattdessen kann man auch menrerey 'im Abstand zwischen Quelle und Abfluß angeordnete Zwischengebiete vorsehen, tvöbei dann die Anzahl der Isolierten Steuerelektroden "jeweils um 1 größer ist als die Anzahl der Zwischengebiete. - ' ,■-"'■-:■■''. ■■,

Fig. 5 zein;t eine entsprechende AusfUhrungsform, bei der das Bauelement aus einem kristallinen:Halbleiterkörper 5Ö eines gegebenen Leitungstyps mit mindestens einer Hauptfläche 51* einer auf dieser Fläche 51 angeordneten Isolierschicht 52> zwei im Abstand voneinander im Körper 50 unmittelbar an der Fläche 51 angeordneten Gebieten 53 und 54 entgegengesetzten Leitungstyps, die als Quelle bzw. Abfluß dienen, einer Anzahl (in diesem Fall zwei) von im

BAD

Körper 50 unmittelbar an der Fläche 51 und im Abstand zwischen ■ Quellengebiet 53 und Abflußgebiet 54 angeordneten- Zwischengebieten 55 vom entgegengesetzten Leitungstyp mit einer Breite von jeweils weniger als I6j3 χ ΙΟ"-⁵ cm (0,64 Mil), zwischen den Gebieten 53j 54 und 55 und dem Körper 5° gebildeten gleichrichtenden Sperrschichten 56, 57 bzw, 58, einer auf derFläche 5I innerhalb des Quellengebietes 5j? angeordneten Quellenelektrode 59, einer auf der Fläche 5-1 innerhalb des Abflußgebietes 54 angeordneten Abflußelektrode 60, einer Anzahl von im Abstand voneinander, auf. der Isolierschicht 52 über dem Zwischenraum zwischen Quelle und Abfluß angeordneten Gitterelektroden 6l, 62 und 63 (drei, well in diesem Fall zwei Inseldiffusionsgebiete vorgesehen sind), die jeweils den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Gebieten des entgegengesetzten Leitungstyps im Körper 50 überlagern, und an den Elektroden 59, 60,. 61, 62 und 63 angebrachten Zuleitungsdrähten 64, 6^_s .66, 67 bzw. 68 besteht. Nach seiner Herstellung wird das Bauelement in der üblichen Weise gekapselt und mit Gehäuse versehen. Das Bauelement kann dazu verwendet werden, mehrere verschiedene Signale in einer Schaltungsanordnung zu vereinigen - entsprechend der Funktionsweise der sogenannten Pentagrid-Mischröhre oder Mischheptode.

Die beschriebenen Ausführungsformen lassen sich in verschiedener Hinsicht abwandeln und anders ausgestalten. Beispielsweise können die Quellen- und Abflußgebiete sowie die verschiedenen Elektroden auch andere Formgebungen haben. Ferner kann das Bauelement auch nach dem bekannten Dünnschichtprinzip aus dünnen Halbleiterschichten auf einem isolierenden Substrat aufgebaut sein. ■-..,-

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Claims

Patentansprüche

1.) Gitterisoliertes Feldeffekt-Halbleiterbauelement, A a ■*> durch g e k e η η ζe i c h η e t , daß auf einer; Fläche (11) eines Halbleiterkörpers (ΙΟ) eine IsoHerschicht; (19^angebracht istj daß im HalbleiterkGjrper unmittelbar an 'dieser Fläche Im Abstand voneinander zwei Gebiete niedrigen spezifischen Widerstands (15, 1^\ sowie Im Abstand zwischen diesen beiden Qebieten ein drittes Gebiet niedrigen spezifischen Widerstands (15) mit einer· Breite von weniger als l6j> χ %CT^ cm (0,64- MIl) .gebildet sindj daß auf der genannten Fläche eine vollständig innerhalb des ersten Gebietes (l?) befindliche erste Elektrode (20) und eine vollständig innerhalb des: zweiten Gfehietes (-1^) befiridliche zweite Elektrode (21) vorgesehen sind; daß auf der Isoliersehieht überdem Zwischenraum zwischen dem ersten Gebiet und dem dritten Gebiet eine dritte Elektrode (22) und über dem Zwischenraum zwischen dem zweiten und dem dr-itfen (Jebie% eine vierte Elektrode (23) vorgesehen sind; und dall, an den vier·-Elektroden elektrische Schlüsse -12^-^ 25, 26* 2¹^) angebracht; ?i 2») Bauelement nach Anspruch 1, 4 a;^u' r c h g e k e η η « ζ e 1 C h η et., daß das erste G.ebietfl3^r) das zweite Geriet (14') teilweise umgibt (Pig, 3). - ^v '■■.■- - -

3.) Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h' g e k e n"h "z e i c hn e t V daß der Halbleiterkörper aus Germanium,

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Silicium, Germanium/Silielum-Legierung, den Nitriden, Phosphlden, Arseniden oder Antimoniden des Bors, Aluminiums, Indiums oder Galliums oder den Sulfiden, Selenlden oder Telluriden des Zinks, Cadmiums oder Quecksilbers besteht.

4,) Bauelement nach einem der Ansprüche 1*5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus SIliciummonoxyd, Siliciumdioxyd, Siliciumnitrid, Siliciumoxy» nitrid, Siliciumcarbid, Magnesiumoxyd, Magnesiumfluoride Titancarbid, Titanoxyd, Titannitrid, Hafniumoxyd, Vanadiumoxyd oder Aluminiumoxyd besteht.

5,) Bauelement nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Gebiet den Umfang des zweiten Gebietes vollständig umgibt und das dritte Gebiet im Abstand von diesen beiden Gebieten unterhalb des Zwischenraums zwischen den beiden auf der Isolierschicht über dem Zwischenraum zwischen den genannten Gebieten angebrachten Elektroden vorgesehen ist (Fig. 4).

6,) Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Elektroden jeweils aus einer metallischen Masse bestehen.

7.) Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet (5J5, 54) mehrere Zwischengebiete (55)

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vorgesehen sind und daß auf der Isolierschicht (52) jeweils über dem Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Gebieten bzw, Zwischengebieten eine Elektrode (6l, 62, 6'ß) mit entsprechender Anschlußleitung (66, 6j, 68) vorgesehen- ist (Fig. 5).

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