DE1614389C - Feldeffekt Halbleiterbauelement - Google Patents
Feldeffekt HalbleiterbauelementInfo
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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 Fcldeffekl-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 i 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 Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 5 Schnittdarstellungen eines Bauelements mit mehr als zwei Steuerelektroden gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
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.
B e i s ρ i e 1 I
Ein kristallines Halbleitersubstrat 10 (F i g. 1 a) mit mindestens einer Hauptfläche 11 wird zubereitet. Die
genaue Größe, Form, Zusammensetzung und Leit-
jo fähigkeit 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 Maskierbelag
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, Magnesiumfluorid, 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
[gm -jw (^- + C/)] [gm' -jw -£
(D
gm' +jw
worin gm die Transkonduktanz des ersten MOS-Transistors mit dem Eingangsgitter,
j die Quadratwurzel von — 1,
w die Winkelfrequenz in rad/s,
Cg die Gitter-Kanalkapazität des ersten MOS-Transistors,
Cf 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
Css 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
C„>^- + Cf, (2)
F21 sich erniedrigt und damit die VHF-Leistungsfähigkeit
des Bauelements sich vermindert.
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 Fig. Id 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. j
Es hat sich unerwarteterweise herausgestellt, daß j das mittlere Diffusionsgebiet 15, obwohl es mit kei- j
nerlei äußeren elektrischen Anschlüssen versehen ist, j die Stabilität der elektrischen Eigenschaften des Bau- j.
elements gegenüber vergleichbaren Bauelementen ohne Qj
ein solches mittleres Diffusionsgebiet erhöht. Ferner I 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 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:
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 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:
7 8
Die Größe -§- läßt sich wie folgt ausdrücken: Setzt man die Gleichungen (3) und (9) in Gleichung
1 (10) ein, so ergibt sich:
C'e Einszc ^ Einsze Einsze
V3
Eins
ζ
e
2 2 i- ' 5 ss Ti ' Wt ' t ' ( '
Δ ■ *· l""s 3 *■ tins a tin t
i Wt
tins a tins
worin Eins 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 Zahlenzwischen
dem Inseldiffusionsgebiet und der Quelle, größe ist. Alsdann gilt
tins die Dicke des Isolators unter dem zweiten oder io
Steuergitter und ζ die Länge des Inseldiffusions- p ,„ y, p
gebietes und des leitenden Kanals in Richtung Css «c ''"" Z ° + inszc + '3 ins z c , (12)
senkrecht zur Zeichenebene bedeutet. s 2 £ins α tins tins
Die Rückkoppelungskapazität Cf kann als aus
zwei Komponenten zusammengesetzt aufgefaßt wer- 15 Durch Vereinigen der Ausdrücke in Gleichung (12)
den: Einer ersten Komponente Cy0, die durch das erhält man
übergreifen der Diffusionsgebiete durch die Elektroden bedingt ist, und einer zweiten Komponente Cff, ' Einszc Γ b_ JfI ,.
die durch über die Länge des Kanals verteilte Streu- ■ ss ^ i~ [_ ΊΓ TJ'
felder bedingt ist. Wenn daher sämtliche Isolier- io
übergreifen der Diffusionsgebiete durch die Elektroden bedingt ist, und einer zweiten Komponente Cff, ' Einszc Γ b_ JfI ,.
die durch über die Länge des Kanals verteilte Streu- ■ ss ^ i~ [_ ΊΓ TJ'
felder bedingt ist. Wenn daher sämtliche Isolier- io
schichten des Bauelements die gleiche Dicke haben, Die Größe Css, also die Verarmungsschichtkapazität
gilt: des Inseldiffusionsgebietes, läßt sich demnach wie
Cf = Cf0 + Cff. (4) folgt ausdrücken:
Man kann zeigen, daß Cff gleich Vs C/o ist. Es 25 C= Esor Z ^ (14)
gilt daher: ss tdi '
Cf = Cf0 + V3 Cf0 . (5)
worin tdl die Verarmungsschichtdicke, Esor die Di-Die
Größe Cf0 läßt sich wie folgt ausdrücken: elektrizitätskonstante des Halbleiters und d die Breite
30 des Inseldiffusionsgebietes bedeutet.
Q _ Eins ζ e .g. Durch Vereinigen der Gleichungen (13) und (14)
^0 iins ' erhält man
worin e die Breite des das Inseldiffusionsgebiet über- Esor ζ d Eim zcrns,^,^l
läppenden Teils des ersten Gitters bedeutet. 35 j~ "^ J7s |_ a TJ'
Durch Vereinigen der Gleichungen (5) und (6)
ergibt sich: Durch Umordnen der Ausdrücke in Gleichung (15)
ergibt sich
1/ ρ 7 ρ
r· r· 1 '3 '-'ins Δ c n\ _
c E t-
Wenn die Dicke der Isolierschicht über dem Inseldiffusionsgebiet von der Dicke der Isolierschicht über Die Verarmungsschichtdicke tdl ist gegeben durch
dem Kanal abweicht, wie es in der Praxis vorkommen die Gleichung
kann, so vermindert sich Cf0 um das Verhältnis der 45 ' '
beiden Isolierschichtdicken. Es gilt daher für unter- _ 1/2 Esor V
schiedliche Isolierschichtdicken: dl ~ J/ q Ma '
sr — ins z e (g) worin V die Spannung am Inseldiffusionsgebiet,
^ t'ins ' 50 q die elektrische Ladung und Na die Dotierstoff
konzentration im Halbleiter unter dem Inseldiffu-
worin SCf0 die Uberlappungsrückkopplungskapazität sionsgebiet bedeutet.
für eine MOS-Tetrode mit abgestufter Isolierschicht- Bei einem typischen Bauelement sind tins (die
dicke und ii„s die Dicke der Isolierschicht unter dem Dicke des Isolators über dem Kanal) ungefähr
Uberlappungsteil des Eingangsgitters bedeutet. 55 1000 Ä, t'ins (die Dicke des Isolators unter dem über-
Durch Vereinigen der Gleichungen (7) und (8) läppenden Teil des Gitters) ungefähr 7000 Ä, die
erhält man ^, U1 ■ , · , nc ,- r, ,, , · * 7000
Zahl b gleich 0,5, die Zahl α gleich -jöqq
r _ Eins ζ e V3 £ins ζ e Eins gleich 4, Esor gleich 12 und q gleich 1,6 χ 1019
f~ t'ins tins ' ( ' 60 Coulomb.
Jedoch darf die Verarmungsschichtdicke tdl nicht
Der Bequemlichkeit halber kann man t'ins — α tins 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 Css auf Y21 vernachlässigbar wird, muß »Durchgriff« verursachen würde. Um einen einwand-
65 freien Betrieb zu gewährleisten, sollte ddl den Wert
Q g ^ 1 (; HO) 0,25 c nicht übersteigen, und zwar besonders bei
ss 2 VHF-Bauelementen, wo der Abstand zwischen Quelle
sein. ■ und Senke klein ist.
209 510/230
Durch Einsetzen von tdl = 0,25 c in Gleichung (16)
ergibt sich:
Eins _ 0,25 c
-T+-5- · (18)
Durch Einsetzen typischer Werte in Gleichung (18) für eine MOS-Tetrode der beschriebenen Art erhält
d_
~ ■ -^f- [0,736] .
(19)
Durch Umordnen der Gleichung (19) ergibt sich:
d <: 6,32 χ 103 c2 . (20)
d <: 6,32 χ 103 c2 . (20)
Setzt man für c typische Werte von 5 χ 10~4 cm ein, so ergibt sich:
d <: (6,32 χ 103) (25,8 χ ΙΟ"8)."" (21)
Rechnet man die Gleichung aus, so ergibt sich:
d <c 163 χ ΙΟ"5 cm. (22)
Rechnet man die Gleichung aus, so ergibt sich:
d <c 163 χ ΙΟ"5 cm. (22)
Man sieht also, daß durch Gleichung (18) eine obere Grenze für die Breite des mittleren Diffusionsgebietes (oder Inseldiffusionsgebietes) einer M OS-Tetrode
uni;r 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.
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.
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 B 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.
.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 Senkenelektrode 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 (7)
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 dritton>
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 nacti 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,
Siliciun^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. Gilterisoliertes 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).
Family
ID=
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