DE1614389B2

DE1614389B2 - Feldeffekt halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1614389B2
Application number: DE19671614389
Authority: DE
Inventors: John Aaron Somerville Jacobus jufi Lewis Alfred Middlesex Athanas Terry George Lebanon N J Olmstead (V St A)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1966-10-13
Filing date: 1967-10-13
Publication date: 1972-03-02
Also published as: BE705103A; NL6713862A; SE339269B; GB1183967A; US3427514A; DE1614389A1; JPS497391B1

Description

Die Erfindung betrifft ein gitterisoliertes Feldeffekt-Halbleiterbauelement aus einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, einer auf einer Substratoberfläche angeordneten Isolierschicht, zwei im Substrat unmittelbar an dieser Fläche im Abstand voneinander gebildeten Gebieten eines zweiten Leitungstyps und einem zwischen dem ersten und zweiten Gebiet liegenden, an die gleiche Substratoberfläche angrenzenden dritten Gebiet niedrigen spezifischen Widerstands, wobei auf der genannten Fläche vollständig innerhalb des ersten Gebiets eine erste Elektrode und vollständig innerhalb des zweiten Gebiets eine zweite Elektrode angebracht ist und auf der Isolierschicht über dem Zwischenraum zwischen dem ersten und dritten Gebiet eine dritte Elektrode und über dem Zwischenraum zwischen dem zweiten und dritten Gebiet eine vierte Elektrode vorgesehen ist.

Ein derartiges Feldeffekt-Halbleiterbauelement ist bekannt (IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 7, Nr. 1, Juni 1964, S. 7) und stellt eine besondere Ausgestaltung bzw. Abwandlung der als »MOS-Transistoren« (Metall-Oxyd-Halbleiter-Transistoren) bekannten Elemente dar. Bei diesen Feldeffekt-Transistoren sind außer der Isolierschicht nur die beiden ersten, eingangs erwähnten Gebiete vorhanden, die als Hauptelektroden unter den Bezeichnungen »Quelle« und »Senke« bekannt sind.

Eine einzige auf der Isolierschicht zwischen den beiden Gebieten angebrachte Steuerelektrode, die auch als »Gitter« bezeichnet wird, dient zur Beeinflussung des Stromflusses in dem zwischen den beiden Gebieten im Substrat gebildeten Kanal. Die eingangs beschriebene bekannte Weiterbildung mit dem zwischen den beiden ersten Gebieten befindlichen dritten Gebiet und der jeweils als Steuerelektrode dienenden dritten und vierten Elektrode ist als Schaltelement zur Herstellung einer logischen UND-Funktion vorgeschlagen worden, wobei die beiden Steuerelektroden als Eingänge dienen, und das dritte Gebiet zur Verminderung des elektrischen Widerstandes im Kanal und somit zur Verbesserung der Einschaltcharakteristik des Elements vorgesehen ist. Es ist auch angeregt worden, dieses Bauelement mit den beiden Steuerelektroden auf anderen Gebieten, beispielsweise zur Signalmodulation, zur Verstärkung, usw., zu verwenden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, das Leistungsvermögen einer Feldeffekttetrode, wie sie durch das eingangs beschriebene Halbleiterbauelement gebildet wird, für hohe Frequenzen zu verbessern. Bei einem gitterisolierten Feldeffekt-Halbleiterbauelement der

eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zwischen den ersten beiden Gebieten niedrigen spezifischen Widerstands befindliche dritte Gebiet eine Breite von weniger als 16,3 Mikron hat. Die Erfindung besteht somit in der praktischen Anwendung der neuen Erkenntnis, daß Merkmale des als Insel im Kanal befindlichen dritten Gebietes für das Frequenzverhalten der Feldeffekttetrode eine Rolle spielen und daß es einen gewissen Bereich gerade der Breitenabmessung des Inselgebiets einzuhalten gilt, wenn das Hochfrequenzverhalten des Bauelements optimiert werden soll. Ein rechnerischer Nachweis dafür, daß die erfindungsgemäß angegebene obere Grenze der Inselbreite wesentlich ist, wird später noch erbracht werden.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umgibt das erste Gebiet das zweite Gebiet teilweise. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß der unmodulierte Strom, der zwischen Quelle und Senke fließen kann, in seinem Betrag verringert ist. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umgibt das erste Gebiet den Umfang des zweiten Gebietes vollständig und ist das dritte Gebiet im Abstand von diesen beiden Gebieten unterhalb des Zwischenraumes der dritten und vierten Elektrode angeordnet, die sich auf der Isolierschicht zwischen den drei genannten Gebieten befinden. Bauelemente nach dieser Ausführungsform haben den Vorteil, daß der gesamte zwischen Quelle und Senke fließende Strom durch die Gitterelektroden modulierbar ist. Das Senkengebiet durch das Quellengebiet vollständig zu umgeben, ist bei Feldeffekt-Transistoren mit nur einer Steuerelektrode zwischen diesen beiden Gebieten an sich bekannt (französische Patentschrift 1 392 748 und belgische Patentschrift 637 064).

Es ist günstig, wenn die Isolierschicht des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Halbleiterbauelementes aus Siliciummonoxyd, Siliciumdioxyd, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid, Siliciumcarbid, Magnesiumoxyd, Magnesiumfluorid, Titancarbid, Titanoxyd, Titannitrid, Hafniumoxyd, Vanadiumoxyd oder Aluminiumoxyd besteht.

Es ist bekannt, insbesondere Siliciumdioxyd, Magnesiumfluorid, Titanoxyd oder Aluminiumoxyd als Material für eine Isolierschicht bei Halbleiterbauelementen zu verwenden (britische Patentschrift 900 334).

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet mehrere Zwischengebiete vorgesehen, wobei auf der Isolierschicht jeweils über dem Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Gebieten bzw. Zwischengebieten eine Elektrode mit entsprechender Anschlußleitung vorgesehen ist. Ein solches Bauelement kann dazu verwendet werden, mehrere verschiedene Signale in einer Schaltungsanordnung zu vereinigen.

Einzelheiten und Ausführungsformen der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen und an Hand der Zeichnungen nachstehend erläutert. In den Zeichnungen zeigen

F ] g. 1 a bis Id Schnittdarstellungen eines Halbleitersubstrats zur Veranschaulichung aufeinanderfolgender Verfahrensschritte bei der Herstellung einer Feldeffekttetrode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 einen Grundriß des Bauelements nach Fig. Id,

F i g. 3 einen Grundriß eines Bauelements gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 4 einen Grundriß eines Bauelements gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung,
F i g. 5 Schnittdarstellungen eines Bauelements mit mehr als zwei Steuerelektroden gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 6 ein Diagramm, das die Leistungsverstärkung bei 200 MHz als Funktion der Zweitgitter-Quellenspannung für eine Feldeffekt-Tetrode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einerseits und ein vergleichbares Bauelement ohne Insel andererseits wiedergibt.

>5 B e i s ρ i e 1 I

Ein kristallines Halbleitersubstrat 10 (F i g. la) mit mindestens einer Hauptfläche 11 wird zubereitet. Die genaue Größe, Form, Zusammensetzung und Leitfähigkeit des Halbleitersubstrats 10 sind nicht kritisch. Das Halbleitersubstrat 10 kann aus Germanium, Silicium, Germanium-Silicium-Legierung, den Nitriden, Phosphiden, Arseniden oder Antimoniden des Bors, Aluminiums, Indiums oder Galliums oder den Sulfiden, Seleniden oder Telluriden des Zinks, Cadmiums oder Quecksilbers bestehen. Im vorliegenden Fall besteht das Halbleitersubstrat 10 aus monokristallinem Silicium vom p-Leitungstyp mit einer Flächenausdehnung von ungefähr 0,125 cm ins Quadrat und einer Dicke von ungefähr 0,015 cm. Der spezifische Widerstand des Halbleitersubstrats 10 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 Siliciumoxyd, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid od. dgl. bestehen und z. B. durch Aufdampfen oder genetisches Aufwachsen aufgebracht werden. Im vorliegenden Fall besteht der Belag 12 aus Siliciumoxyd, das durch Erhitzen des Siliciumkörpers 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 13 und 14 (F i g. 1 b) niedrigen spezifischen Widerstandes gebildet, deren Leitungstyp dem des Hauptteils des Substrats 10 entgegengesetzt ist. Zugleich wird im Substrat 10 unmittelbar an der Hauptfläche 11 im Abstand zwischen den beiden Gebieten 13 und 14 ein drittes derartiges Gebiet 15 gebildet. Im MaskieF-belag 12 werden durch Herausätzen entsprechende Fenster gebildet, und ein geeigneter Dotierstoff in Dampfform wird in die dadurch frei gelegten Teile der Fläche 11 eindiffundiert. Da das Substrat 10 in diesem Fall vom p-Leitungstyp ist, wird ein Donator, wie Arsen, Antimon, Phosphor od. dgl., eindiffundiert. Damit die Gebiete 13, 14 und 15 den gewünschten niedrigen spezifischen Widerstand erhalten, erfolgt die Diffusion unter solchen Bedingungen der Dotierstoffquellenkonzentration und Wärmeanwendung, daß die Konzentration an Ladungsträgern (in diesem Falle Elektronen) an der Oberfläche der Gebiete 13, 14 und 15 mindestens 10¹⁹ pro Kubikzentimeter beträgt. An den Grenzflächen zwischen dem p-leitenden Hauptteil des Substrats 10 und den η-leitenden Diffusionsgebieten 13, 14 und 15 entstehen pn-Ubergänge

16, 17 bzw. 18. Die genaue Größe und Form des Quellen- und des Senkengebiets sind nicht kritisch. Die Gebiete 13 und'14 können entweder gleiche oder unterschiedliche Größe und/oder Form haben. Im vorliegenden Fall sind die Gebiete 13 und 14 ungefähr 250 μ lang und 10 μ breit. Vorzugsweise ist das Gebiet 15 in beiderseits gleichem Abstand zwischen den Gebieten 13 und 14 angeordnet.

Es wurde gefunden, daß die Breite des mittleren Diffusionsgebietes 15 (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 16,3 μ breit sein. Die wahrscheinlichen physikalischen Gründe für diese Begrenzung werden später erörtert. Im vorliegenden Fall hat das Gebiet 15 eine Breite von 10 μ und eine Länge von 250 μ.

Der Maskierbelag 12 wird entfernt, und eine Schicht 19 (F i g. 1 c) aus Dielektrikum oder Isoliermaterial wird auf die Fläche 11 des Substrats 10 aufgebracht. Die Isolierschicht 19 kann aus Siliciummonoxyd, Siliciumdioxyd, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid, Siliciumkarbid, Magnesiumoxyd, Magnesiumfiuorid, Titankarbid, Titanoxyd, Hafniumoxyd, Vanadiumoxyd, Aluminiumoxyd od. dgl. bestehen. Im vorliegenden Fall besteht die Schicht 19 aus Siliciumoxyd. Mit Hilfe üblicher Maskier- und Ätzverfahren werden in der Schicht 19 zwei Fenster oder öffnungen, und zwar eine innerhalb des Gebietes 13 und die andere innerhalb des Gebietes 14 gebildet.

Ein Metall wie Aluminium, Palladium, Chrom od. dgl. wird nach irgendeinem geeigneten Verfahren, beispielsweise durch Aufdampfen mittels einer Maske auf die frei liegenden Teile der Gebiete 13 und 14 sowie auf Teile der Isolierschicht 19 über dem Trennspalt zwischen den Gebieten 13 und 14 aufgebracht. Auf diese Weise werden das Gebiet 13 mit einer metallischen Elektrode 20 und das Gebiet 14 mit einer metallischen Elektrode 21 kontaktiert. Eine dritte metallische Elektrode 22 wird auf der Isolierschicht 19 über dem Trennspalt zwischen den Gebieten 13 und 15 gebildet, und eine vierte Elektrode 23 wird auf der Isolierschicht 19 über dem Trennspalt zwischen den Gebieten 14 und 15 gebildet. Im Betrieb dienen die Elektroden 20 und 21 als Quellen- bzw. Senkenelektroden, 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, 26 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.

F i g. 1 d ist in mehrerer Hinsicht eine schematische Darstellung. So sind die vier Zuleitungsdrähte 24 bis 27 als direkt an den schmalen Elektroden 20 bis 23 angebracht dargestellt. In der Praxis ist es zweckmäßiger, die einzelnen Elektroden jeweils in einer erweiterten Fläche, dem sogenannten Klemmenstreifen oder Anschlußplättchen, enden zu lassen. Die Klemmenstreifen haben eine so große Fläche, daß die Zuleitungsdrähte ohne weiteres daran befestigt werden können. Ferner sind die einzelnen Klemmenstreifen vorzugsweise auf der Oberfläche der Isolierschicht 19

angeordnet, so daß die elektrischen Zuleitungsdrähte nicht solche Bereiche der Halbleiterfläche 11, mit denen sie keinen Kontakt geben dürfen, berühren können. Wie in F i g. 2 im Grundriß gezeigt, enden die Elektroden 20, 21, 22 und 23 des Bauelements nach F i g. 1 d vorzugsweise in Klemmenstreifen 28, 29, 30 bzw. 31. Vorteilhafterweise werden die Zuleitungsdrähte 24, 25, 26 und .27 an diesen Klemmenstreifen befestigt.

Im Betrieb des Bauelements arbeitet das Diffusionsgebiet 15 als Senke für das Quellengebiet 13 und zugleich als Quelle für das Senkengebiet 14. 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 Senkengebiet 15) den Eingang des zweiten Transistors (mit dem Quellengebiet 15, dem zweiten oder Steuergitter 23 und dem Senkengebiet 14) bildet.

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 Ubertragungsleitwert in der Durchlaßrichtung) Y₂₁ einer M OS-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:

Um -jw (-J- + Cjj] \gtri -jw

gm

C'

(1)

C_s

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

die Quadratwurzel von — 1,
die Winkelfrequenz in rad/s,
die Gitter-Kanalkapazität des ersten MOS-Transistors,

Cj die Rückkopplungskapazität des ersten MOS-Transistors,

gm! die Transkonduktanz des zweiten MOS-Transistors mit dem Steuergitter,

Cg die Gitter-Kanalkapazität des zweiten MOS-Transistors und

C_ss die Verarmungsschichtkapazität des Inseldiffusionsgebietes bedeutet.

Für ein VHF-Bauelement kommt es darauf an, daß die Durchlaßtranskonduktanz Y₂₁ hoch ist. Aus Gleichung (1) sieht man, daß, wenn

Css>±f + C_r, (2)

Y₂₁ sich erniedrigt und damit die VHF-Leistungsfähigkeit des Bauelements sich vermindert.

7 8

Die Größe -§- läßt sich wie folgt ausdrücken: ^{Setzt man} die Gleichungen (3) und (9) in Gleichung

¹ (10) ein, so ergibt sich:

^C9 _ ^Einszc ₍₃₎ E_insze E_insze ^l/₃E_insze

^z · ^z ^l'"s -3 2t_ins at_ins t_ins

worin E_ins die Dielektrizitätskonstante des Isolators Man kann unterstellen, daß e ein gewisser Teil

unter dem zweiten oder Steuergitter, c der Abstand von c ist, so daß e = bc, wobei b eine reine Zahlen-

zwischen dem Inseldiffusionsgebiet und der Quelle, größe ist. Alsdann gilt

i,„_s die Dicke des Isolators unter dem zweiten oder io

Steuergitter und ζ die Länge des Inseldiffusions- „ ,_p _x. _F

gebietes und des leitenden Kanals in Richtung c_ss <c ^{ins Z} ° + ^inszc + '^{3 ins z c} . (12)

senkrecht zur Zeichenebene bedeutet. ^ss 2 t_ins α t_ins t_ins

Die Rückkoppelungskapazität C₁ kann als aus

zwei Komponenten zusammengesetzt aufgefaßt wer- 15 Durch Vereinigen der Ausdrücke in Gleichung (12) den: Einer ersten Komponente C_f0, die durch das erhält man
Übergreifen der Diffusionsgebiete durch die Elektroden bedingt ist, und einer zweiten Komponente C_ff, „ E_ins ζ c Γ b_ JfJ
die durch über die Länge des Kanals verteilte Streu- · ^ss ^ J7_s [ a Xl
felder bedingt ist. Wenn daher sämtliche Isolier- io

schichten des Bauelements die gleiche Dicke haben, Die Größe C_fS, also die Verarmungsschichtkapazität

gilt: des Inseldiffusionsgebietes, läßt sich demnach wie

Cf = C_f0 + Cff. (4) folgt ausdrücken:

Man kann zeigen, daß C_rf gleich ¹I₂ C_n ist. Es 25 _r — ^^sor ^z ^

gilt daher: °^ss " t_dl '

Cf = Cy₀ + /3 Cf₀ (5)

worin t_dl die Verarmungsschichtdicke, E_sor die Di-

Die Größe C₁₀ läßt sich wie folgt ausdrücken: elektrizitätskonstante des Halbleiters und d die Breite

30 des Inseldiffusionsgebietes bedeutet.

_r _ Eins ^z ^e ,{x Durch Vereinigen der Gleichungen (13) und (14)

³⁰ ~ t_ins ' ^K ' erhält man

worin e die Breite des das Inseldiffusionsgebiet über- E_sor ζ d E_ins ζ c Γ b b~\

läppenden Teils des ersten Gitters bedeutet. 35 ^ ^ ^ [_ T Τ]' *■ '

Durch Vereinigen der Gleichungen (5) und (6)

ergibt sich: Durch Umordnen der Ausdrücke in Gleichung (15)

ergibt sich

*■ 1 / ρ

c E_sor t_ins L a 3
Wenn die Dicke der Isolierschicht über dem Inseldiffusionsgebiet von der Dicke der Isolierschicht über Die Verarmungsschichtdicke t_dl ist gegeben durch dem Kanal abweicht, wie es in der Praxis vorkommen di_e Gleichung

kann, so vermindert sich C_f0 um das Verhältnis der ₄₅ ' '

beiden Isolierschichtdicken. Es gilt daher für unter- _ 1/2 E_sor V

schiedliche Isolierschichtdicken: ^tdl ~ J/ qlsT_a '

_sr = '"^{5 z} ^e (8) worin V die Spannung am Inseldiffusionsgebiet,

■^ r'ins ' 50 q die elektrische Ladung und N_a die Dotierstoffkonzentration im Halbleiter unter dem Inseldiffu-

worin SCf₀ die Uberlappungsrückkopplungskapazität sionsgebiet bedeutet.

für eine M OS-Tetrode mit abgestufter Isolierschicht- Bei einem typischen Bauelement sind i,„_s (die

dicke und t'_ins die Dicke der Isolierschicht unter dem Dicke des Isolators über dem Kanal) ungefähr

Uberlappungsteil des Eingangsgitters bedeutet. 55 1000 Ä, i'_;„_s (die Dicke des Isolators unter dem über-

Durch Vereinigen der Gleichungen (7) und (8) läppenden Teil des Gitters) ungefähr 7000 Ä, die

erhält man _ZaM _b _gleich _Q^ _{die ZaM fl gleich} 7000 _oder ^

C = ^{Eins z e} 4- V3 ^Eins ^z ^e _m E_ins gleich 4, £_sor gleich 12 und q gleich 1,6 χ ΙΟ¹⁹

^f 4s tfa. ' ^K) ^6o Coulomb.

Jedoch darf die Verarmungsschichtdicke t_äl nicht

Der Bequemlichkeit halber kann man t'_ins = α t_ins größer sein als 0,5 c, da an dieser Stelle die vom

setzen, wobei α eine reine Zahlengröße ist. Damit der Senkengebiet ausgehende Verarmungsschicht einen

Einfluß von C_ss auf Y₂₁ vernachlässigbar wird, muß »Durchgriff« verursachen würde. Um einen einwand-

65 freien Betrieb zu gewährleisten, sollte d_dl den Wert

Q <g; g 1 C₁ (10) 0,25 c nicht übersteigen, und zwar besonders bei

2 VHF-Bauelementen, wo der Abstand zwischen Quelle

sein. und Senke klein ist.

209 510/236

Durch Einsetzen vo» t_dl = 0,25 c in Gleichung (16) ergibt sich:

c E_sor

t_ins

■J+f\- (¹⁸)

Durch Einsetzen typischer Werte in Gleichung (18) für eine MOS-Tetrode der beschriebenen Art erhält

Durch Umordnen der Gleichung (19) ergibt sich:
d <L 6,32 χ 10³ c². (20)

Setzt man für c typische Werte von 5 χ 10~⁴ cm ein, so ergibt sich:

el -< (6,32 χ 10³) (25,8 χ ΙΟ"⁸). ^ (21)
Rechnet man die Gleichung aus, so ergibt sich:
d <: 163 χ 10"^s cm. (22)

Man sieht also, daß durch Gleichung (18) eine obere Grenze für die Breite des mittleren Diffusionsgebietes (oder Inseldiffusionsgebietes) einer M OS-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 Siliciumoxyd bestehen, scheint in der Praxis bei VHF-Bauelementen der für d, die Breite des Inseldiffusionsgebietes, erhaltene obere Grenzwert nicht allzusehr von dem angegebenen Wert von ungefähr 16,3 μ 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 Inseldiffusionsgebiet nicht gänzlich entfallen, da, wie man aus dem Diagramm nach F i g. 6 sieht, die Leistungsverstärkung des Bauelements bei fehlendem Inseldiffusionsgebiet sich verringert.

Beispiel II

Im Beispiel I waren das Quellengebiet, das mittlere Diffusionsgebiet (inseldiffusionsgebiet) und das Senkengebiet geradlinig nebeneinander angeordnet. Im vorliegenden Beispiel ist dagegen das Senkengebiet teilweise vom Quellengebiet und vom Inseldiffusionsgebiet umgeben.

Das Bauelement besteht in diesem Fall (s. F i g. 3) aus einem kristallinen Halbleitersubstrat 10' eines gegebenen Leitungstyps, und zwar irgendeinem der im Beispiel I genannten kristallinen Halbleiterstoffe oder Legierungen, beispielsweise Galliumantimonid/ Indiumantimonid-Legierungen oder Indiumarsenid/ Indiumphosphid-Legierungen. Auf der Hauptfläche des im Grundriß gezeigten Substrats 10' befindet sich eine Isolierschicht 19' aus z. B. Siliciumnitrid oder einem der anderen im Beispiel I genannten Isoliermaterialien.

Das Quellengebiet 13' ist U-förmig. Innerhalb des »U« des Quellengebiets 13', jedoch im Abstand davon, ist das Senkengebiet 14' angeordnet. Zwischen dem

' Quellengebiet 13' und dem Senkengebiet 14' befindet sich ein schmales U-förmiges Zwischengebiet 15'.

Die Breite dieses Gebietes 15' ist kleiner als 16,3 μ.

Die Gebiete 13', 14' und 15' haben sämtlich den entgegengesetzten Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat 10', so daß an den Grenzflächen zwischen diesen Gebieten und dem Hauptteil des Substrats pn-Ubergänge bestehen.

Eine U-förmige metallische Elektrode 20' kontaktiert das U-förmige Quellengebiet 13'. Eine Elektrode 21' kontaktiert das Senkengebiet 14'. Auf der Isolierschicht 19' über dem Zwischenraum zwischen dem Quellengebiet 13' und dem Diffusionsgebiet 15' befindet sich eine erste U-förmige Gitterelektrode 22'. Ebenfalls auf der Isolierschicht 19', jedoch über dem Zwischenraum zwischen dem Diffusionsgebiet 15' und dem Senkengebiet 14' 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 im Beispiel I erwähnten Standardmethoden hergestellt und durch Anbringen elektrischer Zuleitungsdrähte (nicht gezeigt) an die einzelnen Anschlußplättchen 28' ... 31' sowie durch Kapseln und Versehen des Halbleitersubstrats 10' mit einem Gehäuse nach üblichen Methoden vervollständigt.

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

Beispiel III

Bei dieser Ausführungsform ist das Senkengebiet vom Quellengebiet und vom Inseldiffusionsgebiet oder Zwischengebiet vollständig umgeben.

Das Bauelement nach diesem Beispiel (s. F i g. 4) besteht aus einem kristallinen Halbleitersubstrat 10" eines gegebenen Leitungstyps. Auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 10", der im Grundriß gezeigt ist, befindet sich eine Schicht 19" aus Isoliermaterial Das Bauelement hat ein X-förmiges Senkengebiet.

ein X-förmiges, das Abflußgebiet im dichten Abstand umgebendes Zwischengebiet, ein X-förmiges, das Zwischengebiet im dichten Abstand umgebendes Quellengebiet, eine X-förmige Senkenelektrode 21", eine X-förmige Quellenelektrode 20" und zwei X-förmige Gitterelektroden 22" und 23" auf der Isolierschicht 19" im Abstand zwischen Quellen- und Senkenelektrode. Das Quellengebiet, das Zwischengebiet und das Senkengebiet, die sich unter den entsprechenden Elektroden befinden und in der Zeichnung um der besseren Übersichtlichkeit willen nicht gezeigt sind, sind in ihrer Form genau der Quellenelektrode, der Senkenelektrode bzw. dem Zwischenraum zwischen den beiden Gitterelektroden 22" und 23" angepaßt. Auch hier beträgt die Breite des Inseldiffusionsgebietes weniger als 16,3 μ. Die vier Elektroden 20" ... 23" haben jeweils ein Anschlußplättchen 28" ... 31" auf der Isolierschicht 19".

Derartige Bauelemente, bei denen das Quellengebiet das Senkengebiet vollständig umgibt, haben den Vorteil, daß der gesamte zwischen Quelle und Senke fließende Strom durch die Gitterelektrode^ moduliert wird. Bei einer praktisch erprobten Ausführungsform gemäß diesem Beispiel bestanden das

Halbleitersubstrat aus monokristallinem Silicium und die Isolierschicht aus Siliciumoxyd, hatten die einzelnen Arme des X-förmigen Quellengebiets eine Länge von ungefähr 635 μ und waren die einzelnen Elektroden jeweils ungefähr 10 μ breit. Die Breite des Zwischengebiets oder Inseldiffusionsgebiets betrug 10 μ. Mit diesem Bauelement wurde die der Kurve A in F i g. 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 Senke hergestellt. Untersuchungen dieses Bauelements ergaben die der Kurve ß in F i g. 6 entsprechende Kennlinie. Wie man sieht, ist die Leistungsverstärkung über den gesamten Bereich von angelegten Gitterspannungen bei dem Bauelement, wie es in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, erheblich besser als bei dem anderen Bauelement.'20

Gitterisolierte 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 Senke versehen. Derartige Bauelemente können entweder im stromerhöhenden Betrieb oder, bei Vorhandensein eines leitenden Kanals zwischen Quelle und Senke, 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 Senkengebiet, einem dessen Umfang im Abstand umgebenden ringförmigen Quellengebiet, einem im Abstand zwischen Quellen- und Senkengebiet angeordneten ringförmigen Zwischengebiet oder Inseldiffusionsgebiet, einer ersten ringförmigen Gitterelektrode (Eingangsgitter) auf einer Isolierschicht über dem Zwischenraum zwischen Quellengebiet und Zwischengebiet sowie einer zweiten ringförmigen Gitterelektrode (Steuergitter) auf der Isolierschicht über dem Zwischenraum zwischen Senkengebiet und Zwischengebiet erhalten.

Beispiel IV

Bei den bisher beschriebenen Ausfuhrungsformen war jeweils ein einzelnes Zwischengebiet oder Inseldiffusionsgebiet zwischen Quelle und Senke vorgesehen und waren über dem Zwischenraum zwischen Quellenelektrode und Senkenelektrode jeweils zwei isolierte Gitterelektroden angeordnet. Statt dessen kann man auch mehrere, im Abstand zwischen Quelle und Senke angeordnete Zwischengebiete vorsehen, wobei dann die Anzahl der isolierten Steuerelektroden jeweils um 1 größer ist als die Anzahl der Zwischengebiete.

F i g. 5 zeigt eine entsprechende Ausführungsform, bei der das Bauelement aus einem kristallinen Halbleitersubstrat 50 eines . gegebenen Leitungstyps mit mindestens einer Hauptfläche 51, einer auf dieser Fläche 51 angeordneten Isolierschicht 52, zwei im Abstand voneinander im Substrat 50 unmittelbar an der Fläche 51 angeordneten Gebieten 53 und 54 entgegengesetzten Leitungstyps, die als Quelle bzw. Senke dienen, einer Anzahl (in diesem Fall zwei) von im Substrat 50 unmittelbar an der Fläche 51 und im Abstand zwischen Quellengebiet 53 und Senkengebiet

54 angeordneten Zwischengebieten 55 vom entgegengesetzten Leitungstyp mit einer Breite von jeweils weniger als 16,3 μ, zwischen den Gebieten 53, 54 und

55 und dem Substrat 50 gebildeten gleichrichtenden Sperrschichten 56, 57 bzw. 58, einer auf der Fläche 51 innerhalb des Quellengebietes 53 angeordneten Quellenelektrode 59, einer auf der Fläche 51 innerhalb des Senkengebietes 54 angeordneten Senkenelektnode 60, einer Anzahl von im Abstand voneinander auf der Isolierschicht 52 über dem Zwischenraum zwischen Quelle und Senke angeordneten Gitterelektroden 61, 62 und 63 (drei, weil in diesem Fall zwei Inseldiffusionsgebiete vorgesehen sind), die jeweils den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Gebieten des entgegengesetzten Leitungstyps im Substrat 50 überlagern, und an den Elektroden 59, 60, 61, 62 und 63 angebrachten Zuleitungsdrähten 64, 65, 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 Senkengebiete sowie die verschiedenen Elektroden auch andere Formgebungen haben. Ferner kann das Bauelement auch nach dem bekannten Dünnschichtprinzip aus dünnen Halbleiterschichten auf einer isolierenden Unterlage aufgebaut sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gitterisoliertes Feldeffekt - Halbleiterbauelement aus einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, einer auf einer Substratoberfläche angeordneten Isolierschicht, zwei im Substrat unmittelbar an dieser Fläche im Abstand voneinander gebildeten Gebieten eines zweiten Leitungstyps und einem zwischen dem ersten und zweiten Gebiet liegenden, an die gleiche Substratoberfläche angrenzenden dritten Gebiet niedrigen spezifischen Widerstands, wobei auf der genannten Fläche vollständig innerhalb des ersten Gebietes eine erste Elektrode und vollständig innerhalb des zweiten Gebietes eine zweite Elektrode angebracht ist und auf der Isolierschicht über dem Zwischenraum zwischen dem ersten und dritten Gebiet eine dritte Elektrode und über dem Zwischenraum zwischen dem zweiten und dritten Gebiet eine vierte Elektrode vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den ersten beiden Gebieten (13, 14) niedrigen spezifischen Widerstands befindliche dritte Gebiet (15) eine Breite von weniger als 16,3 μ hat.

2. Gitterisoliertes Feldeffekt - Halbleiterbauelement nacn Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gebiet (13') das zweite Gebiet (14') teilweise umgibt (F i g. 3).

3. Gitterisoliertes Feldeffekt - Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat aus Germanium, Siliciuir^Germanium-Silicium- Legierung, den Nitriden, Phosphiden, Arseniden oder Antimoniden des Bors, Aluminiums, Indiums oder Galliums oder den Sulfiden, Seleniden oder Telluriden des Zinks, Cadmiums oder Quecksilbers besteht.

4. Gitterisoliertes Feldeffekt - Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus SiIiciummonoxyd, Siliciumdioxyd, Siliciumnitrid. Siliciumoxynitrid, Siliciumcarbid, Magnesiumoxyd, Magnesiumfluorid, Titancarbid, Titanoxyd, Titannitrid, Hafniumoxyd, Vanadiumoxyd oder Aluminiumoxyd besteht.

5. Gitterisoliertes Feldeffekt - Halbleiterbauelement 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 Zwischenraumes der dritten und vierten Elektrode angeordnet ist, die sich auf der Isolierschicht zwischen den drei genannten Gebieten befinden (F i g. 4).

6. Gitterisoliertes Feldeffekt - Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Elektroden jeweils aus einer metallischen Masse bestehen.

7. Gitterisoliertes Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet (53,54) mehrere Zwischengebiete (53) vorgesehen sind und daß auf der Isolierschicht (52) jeweils über dem Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Gebieten bzw. Zwischengebieten eine Elektrode (61, 62, 63) mit entsprechender Anschlußleitung (66, 67, 68) vorgesehen ist (F i g. 5).