DE1764164B1

DE1764164B1 - Sperrschicht feldeffektransistor

Info

Publication number: DE1764164B1
Application number: DE19681764164
Authority: DE
Inventors: Drangeid Karsten Elvin; Statz Horst Franz; Mohr Theodor Oskar; Muench Waldemar Von
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1967-04-18
Filing date: 1968-04-13
Publication date: 1972-02-03
Also published as: CH461646A; FR1557327A; US3609477A; GB1180186A

Description

F i g. 5 eine Ausführungsvariante des Transistors gemäß F i g. 3.

In F i g. 1 ist ein Feldeffekttransistor im Schnitt längs der Stromflußrichtung dargestellt. Auf einem geeigneten Träger 21 ist der steuerbare Kanal in Form einer schwachdotierten Schicht 22 aufgebracht. Diese Schicht kann entweder epitaktisch aufgewachsen oder durch Diffusion eines Dotierungsmaterials in einen Halbleiterträger entstanden sein. Die Zuleitungen von einer Quellenelektrode 23 bzw. eine Senkenelektrode 25 erfolgen über Schichten 26 bzw. 27 hoher Leitfähigkeit. Die Schicht 22 trägt eine Gitterelektrode 24, die über eine Schottky-Barriere miteinander verbunden sind. Die Gitterelektrode kann aber genausogut über einen Shockley-Sperrschichtkontakt angeschlossen sein. Die Quellen- bzw. Senkenelektrode ist jeweils über einen ohmschen Kontakt an die zugehörige hochleitende Schicht angeschlossen.

Wie bekannt, kann ein Strom, der zwischen Quelle und Senke fließt, durch eine am Gitter angelegte Spannung beeinflußt werden. Die Größe der Beeinflussung wird üblicherweise durch die Steilheit des Transistors ausgedrückt. Die Steilheit g_m eines Sperrschichtkontakt- oder eines Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistors berechnet sich bekanntermaßen nach der Formel

¹I-

(D

go ist die Steilheit in (S), ο ist der spezifische Widerstand des Kanals in (Ocm), L ist die Breite des Kanals in (cm), Vg ist die Gitterspannung in (V) und Vo die sogenannte Abklemmspannung, das ist die Spannung, bei der der Feldeffekttransistor völlig gesperrt ist. A ist der Querschnitt in Stromflußrichtung des Kanals in (cm²). Die maximale Steilheit g_m erhält man bei Vg — O, d. h., g_m ist die Steilheit des Transistors bei völlig geöffnetem Kanal. Da in der Praxis der ohmsche Widerstand R_e zwischen der Quellenelektrode und dem Gitterbereich im Kanal nicht vernachlässigbar ist, muß dieser bei der Berechnung der Steilheit berücksichtigt werden. Dadurch ergibt sich ein neuer Wert für die Steilheit

^gm 1 + goV

(2)

Weiterhin ist zu bedenken, daß sich infolge des Stromes die Spannung V₉ noch ändert, so daß es in Formel (1) heißen muß: — V_g-\-IR_s. I ist der den Transistor durchfließende Strom in (A).

In Transistoren der praktisch vorkommenden Größen hat der Abstand zwischen Quellenelektrode und Gitter etwa dieselbe Größe wie die Gitterbreite, so daß Rs etwa gleich groß ist wie der Widerstand des offenen Kanals unter dem Gitter, d. h. R₈ <*s l/}_m, wenn keine Zuleitungen hoher Leitfähigkeit verwendet werden. Aus Gleichung (2) wird somit ersichtlich, daß dann infolge des Widerstandes zwischen der Quellenelektrode und dem Gitterbereich die Steilheit auf rund die Hälfte reduziert wird.

Mit der bekannten Maßnahme der Verwendung hochleitender Zuleitungen wird der Widerstand der Quellengitterstrecke wesentlich reduziert, wodurch sich die Steilheit erhöht. Dies ist dadurch erreicht, daß die Kanalschicht, die zunächst auf dem gesamten Träger 21 erzeugt worden war, durch Dotierung von der Quellenelektrode an bis in die unmittelbare Nähe des Gitters hochleitend gemacht wird, wie durch die Schicht 26 angedeutet ist. Die Schicht 27 zeigt, daß auch der Widerstand der Gittersenkenstrecke durch Dotierung dieser Schicht entsprechend herabgesetzt ist. Diese Maßnahme hat keinen direkten Einfluß auf die Steilheit des Transistors, sie kann sich aber in anderer Weise günstig auswirken. Zum Beispiel werden

ίο dadurch Wärmeverluste bei hohen Strömen vermindert.

Auch kann es von Vorteil sein, wenn der Transistor bezüglich Quelle und Senke symmetrisch aufgebaut ist.

Bei der soeben beschriebenen Dotierung der

Quellengitterstrecke sowie der Gittersenkenstrecke ist man naturgemäß bestrebt, die hochleitenden Schichten 26 und 27 so nahe wie möglich an die Gitterelektrode 24 heranzuführen. Dabei besteht jedoch, wie bereits erwähnt, die Gefahr, daß die Abstände 28 und 29 infolge der bei der Herstellung unvermeidlichen Ungenauigkeiten zu klein werden, so daß die Spannungsbelastung dieser Stellen zu groß wird und Überschläge vorkommen.

Die F i g. 2 zeigt daher eine Ausführungsform eines Feldeffekttransistors mit Schottky-Barriere, der die Schwierigkeiten der zuvor beschriebenen Ausführungsform nach F i g. 1 vermeidet.

Auf den Träger 41 ist zunächst eine Schicht aus hochdotiertem und daher hoch leitfähigem Halbleitermaterial aufgetragen, in welcher eine öffnung bzw. ein Schlitz von der Breite der Gitterzone vorgesehen ist. Dadurch entstehen die schraffiert dargestellten Schichten 46 und 47, die den Schichten 26 und 27 entsprechen. Die schwachdotierte Kanalschicht 42 ist nun epitaktisch über die beiden hochleitenden Schichten 46 und 47 aufgebracht. Die Quellen- bzw. Senkenelektrode 43 bzw. 45 ist ohmisch direkt in die Kanalschicht 42 eingebracht und die Gitterelektrode 44 wird als Schottky-Barriere über der freigelassenen Zone zwischen den Schichten 46 und 47 aufgebracht.

Diese Ausführungsform eines Feldeffekttransistors ist herstellungsgemäß sehr einfach. Sie vermeidet die Notwendigkeit der genauen Justierung von Masken sowie die Notwendigkeit von fehlerfreien Isolationsschichten, da die Kanalschicht 42 selbst dazu dient, einen Durchbruch zu verhindern. Der Übergangswiderstand von den Elektroden 43 bzw. 45 zu den hochleitenden Schichten 46 bzw. 47 ist trotz der dazwischenliegenden schlechtleitenden Kanalschicht 42 sehr klein, da diese sehr dünn ist gegenüber der Flächenausdehnung der Elektroden.

In F i g. 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, die der nach F i g. 2 entspricht, jedoch völlig in planarer Technik ausgeführt ist. Hier sind die hochleitenden Schichten 56 und 57 z. B. durch Diffusion in einen Träger 51 aus Halbleitermaterial eingelassen. Die schwachdotierte Kanalschicht 52 ist wiederum über diesen Schichten angebracht, und die Elektroden 53, 54 und 55 werden unmittelbar auf die Schicht 52 aufgesetzt bzw. in diese eingebracht. Auch hier ist das Justieren aufeinanderfolgender Masken unkritisch. Weiterhin bietet diese Ausführungsart den Vorteil, daß es mit Diffusionstechnik einfacher ist, den den Gitterbereich bildenden Abstand zwischen den hochdotierten Schichten 56 und 57 klein zu machen. Ein schmaler Gitterbereich ist sehr erwünscht, und die planare Diffusionstechnik kommt dieser Forderung unter Umständen besser entgegen als die Epitaxietechnik.

5 6

An Hand der nachfolgenden Erläuterung zu F i g. 4 nur teilweise aus. Die Vertiefungen werden darauf soll nun die Funktion der Ausführungsform des völlig ausgefüllt durch weitere epitaktisch aufgebrachte Transistors gemäß F i g. 3 näher erklärt werden. Schichten 76a und 77a, die erheblich schwächer do-F i g. 4 zeigt in vergrößerter Darstellung die Gitter- tiert sind als die Schichten 766 und 776. Die nun ebene elektrode 54, den darunterliegenden Teil der Kanal- 5 Oberfläche ist bedeckt mit der eigentlichen Kanalschicht 52, Teile der Schichten 56 und 57 und einen schicht 726. Auf die Kanalschicht 726 folgt eine Teil des Trägers 51. Wird nun an die Gitterelektrode weitere, ebenfalls zum Kanal gehörende Schicht 72a, 54 eine Spannung angelegt, so bildet sich im darunter- die wiederum schwächer dotiert ist als die Schicht 726. liegenden Gitterbereich bekanntermaßen eine Ent- Es ergibt sich, daß über den hochleitenden Schichten leerungszone. Bei relativ kleiner Gitterspannung hat io 766 und 776 je eine schwachdotierte Zwischenschicht die Entleerungszone etwa die Form der punktiert ge- liegt, auf der ihrerseits die durchgehende, ebenfalls zeichneten Kurve α, d. h. die Entleerungszone ist un- schwachdotierte Kanalschicht 726 liegt, die ihrerseits symmetrisch und erscheint in Richtung auf die Senke mindestens im Gitterbereich wieder bedeckt ist von hin, die praktisch der hochleitenden Schicht 57 ent- der besonders schwachdotierten oberen Kanalschicht spricht, gedrückt. 15 72a. Da, wie bekannt ist, Zusammenhänge bestehen

Wird die Gitterspannung vergrößert, so vergrößert zwischen der Dotierung der Kanalschicht und der besieh die Entleerungszone und nimmt die Form der nötigten Abklemmspannung einerseits sowie zwischen strichlierten Kurve b an. Wie man sieht, ist nun die "dieser Dotierung und der Durchbruchfestigkeit einer Spannung so groß, daß die Entleerungszone mit der Schicht andererseits ist es möglich, durch aufeinanderhochleitenden Schicht 57 bereits in Berührung kommt. 20 liegende, verschieden dotierte Schichten eine höhere Da die Entleerungszone aber in Richtung auf die Senke Durchschlagsspannung zu erreichen, ohne jedoch die hin gedrückt ist, berührt sie die Schicht 57 zunächst benötigte Abklemmspannung wesentlich zu erhöhen, nicht an ihrem Ende, sondern weiter außen. Es kann Dieser Effekt kann durch eine zusätzliche Unterteilung dadurch jetzt noch ein Strom von der Quelle bzw. der des Kanals in die Schichten 72a und 726 noch verzugehörigen Schicht 56 her zum äußersten linken Ende 25 bessert werden. Der soeben beschriebene mehrschichder hochleitenden Schicht 57 fließen. Wird die Gitter- tige Aufbau erlaubt, wie der Fachmann erkennen spannung weiter vergrößert, so vergrößert sich die wird, eine Reihe von sehr interessanten Variations-Entleerungszone weiter und schneidet die Schicht 57 möglichkeiten, und es ist so leicht möglich, gewisse auf einer immer größeren Fläche. Schließlich wird die Eigenschaften des Transistors, die für einen bestimm-Entleerungszone so groß, daß die Schicht 57 gänzlich 30 ten Anwendungszweck interessant sind, stärker herabgedeckt ist. wie die ausgezogene Kurve c dies zeigt, vorzuheben, ohne dabei andere Eigenschaften allzu und kein Strom bzw. nur noch ein Sättigungsstrom stark zu benachteiligen. So können insbesondere fließen kann.DieSpannung. bei der derStromfluß gerade durch geschickte Wahl der Dotierung der verschiepnterbunden oder gesättigt wird, ist die Abklemm- denen Schichten die Durchbruchspannung zwischen spannung (pinch-off voltage). Die soeben dargelegten 35 Gitter und Senke, die Steilheit, das Hochfrequenz-Überlegungen zeigen, daß die Reduktion des Reihen- verhalten des Transistors sowie die Kapazität zwischen Widerstandes zwischen Gitterbereich und Quelle bzw. Gitter und Senke beeinflußt werden. Diese Beein-Gitterbereich und Senke einfach realisiert werden flussung im einzelnen zu bestimmen, liegt im Bereich kann, wenn die hochleitenden Schichten auf der der Kenntnis des Fachmanns.

Unterseite der Kanalschicht angeordnet sind, wie dies 40 Wie bereits weiter oben erwähnt, sind die ohmschen

die Ausführungen gemäß den F i g n. 2 bis 5 zeigen. Kontakte für Quelle und Senke großflächig gegenüber

Die Leistungsfähigkeit eines Feldeffekttransistors der Dicke der darunterliegenden Schichten, so daß der

ist u. a. begrenzt durch seine Spannungsfestigkeit Übergangswiderstand zwischen diesen Kontakten und

zwischen Gitter und Senke. Wird ein Transistor ge- den gegebenenfalls zuunterst liegenden hochleitenden

maß F i g. 3 bzw. F i g. 4 mit immer höheren Span- 45 Schichten genügend klein bleibt. In gewissen Anwen-

nungen belastet, so wird schließlich ein Durchbruch düngen wird es aber trotzdem noch notwendig sein,

zwischen der Gitterelektrode 54 und der mit der diesen Übergangswiderstand zu verkleinern, was

Senkenelektrode 55 in Verbindung stehenden Schicht leicht dadurch geschehen kann, daß die ohmschen An-

57 auftreten. Die Spannungsfestigkeit des Transistors Schlüsse nicht in den obersten Schichten enden, son-

kann jedoch durch konstruktive Maßnahmen erhöht 5° dern bis in die hochleitende Schicht geführt werden,

werden, die nun in Verbindung mit F i g. 5 erläutert Es sei noch bemerkt, daß die in den F i g. 1 bis 5

werden sollen. gezeigten Transistoranordnungen vorteilhafterweise

F i g. 5 zeigt einen Träger 71, in welchen Aus- auf allen Seiten, mindestens jedoch auf der die Ansparungen eingeätzt sind zur Aufnahme der hoch- Schlüsse tragenden Oberseite mit Oxyd abgedeckt leitenden Schichten 766 und 776, die z. B. den Schich- 55 sind. Dadurch werden Verunreinigungen vermieden ten 56 und 57 in F ig. 3 entsprechen. Die Schichten und die Störanfälligkeit herabgesetzt. Es ist dies eine 766 und 776 sind in die dazu vorgesehenen Ver- Maßnahme, die dem Fachmann ohne weiteres naher tiefungen epitaktisch eingebracht, füllen diese aber liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Frequenzen ist die Steilheit des Transistors ein wesent- Patentansprüche: licher Faktor in vielen Anwendungen. Die Steilheit ist das Verhältnis der Änderung des durchfließenden

1. Sperrschicht-Feldeffekttransistor mit wenig- Stromes zur Änderung der Steuerspannung, die diesen stens einer Quellenelektrode, einer Gitterelektrode 5 Strom beeinflußt. Es wurden bereits verschiedene und einer Senkenelektrode, wobei Quellen- und Wege beschatten, um die Steilheit von Feldeffekt-Senkenelektrode durch einen Kanal relativ nie- transistoren zu erhöhen. Wie später noch im einzelnen drigerLeitfähigkeit verbunden sind, auf welchen die erläutert wird, ist die Steilheit unter anderem stark Gitterelektrode elektrisch einzuwirken vermag und abhängig von dem ohmschen Widerstand, den der wobei sich eine Zone hoher Leitfähigkeit wenig- io Feldeffekttransistor zwischen seiner Quellenelektrode stens von der Nähe der Quellen- und/oder Senken- und dem Gitter aufweist. Das gilt auch für die Auselektrode bis in die Nähe der Gitterelektrode er- führung, bei der das Gitter isoliert ist, da er sich nicht streckt, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Gitteranschluß bzw. Gitterkontakt, sondern die Zone (46 bzw. 47; 56 bzw. 57; 76 bzw. 77) vielmehr auf die die Gitterwirkung hervorbringende hoher Leitfähigkeit auf einem geeigneten Träger 15 Entleerungszone bezieht. Es sind bereits verschiedene (41; 51; 71) aufgebracht und die den Kanal bilden- Möglichkeiten bekanntgeworden, um diesen Widerde Schicht (42; 52; 72) darüber angeordnet ist. stand zu verkleinern. So ist bekannt, den geometri-

2. Sperrschicht-Feldeffekttransistor nach An- sehen Abstand zwischen Quelle und Gitter so klein spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone wie möglich zu halten, um dadurch einen geringen (56 bzw. 57) hoher Leitfähigkeit durch Diffusion 20 Widerstand zu erreichen. Diesem Bestreben sind jein einen Halbleiterträger (51) eingebracht ist und doch Grenzen gesetzt, da die Transistoren desto daß die den Kanal bildende Schicht (52) darüber schwerer herzustellen sind und deshalb desto aufangeordnet ist. , . ■ wendiger werden, je geringer die Elektrodenabstände

3. Sperrschicht-Feldeffekttransistor nach An- gemacht werden. Die üblichen Verfahren der Photospruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die 25 ätzung, Maskierung usw. gestatten es nicht, unter Zone (76 bzw. 77) hoher Leitfähigkeit als Schicht einen bestimmten Abstandswert zu gehen. Außerdem ausgebildet ist und daß diese Schicht an sich wieder sind allzu kleine Abstände gefährlich, weil dann die aus wenigstens zwei Schichten (76 a, 76 b bzw. 77«, Potentialdifferenz zwischen Quellen- und Gitterelek-77i) besteht, die unterschiedliche Leitfähigkeiten trode in die Nähe der Durchschlagsspannung kommt, aufweisen. 30 wodurch der Betrieb des Transistors bei den üblichen

4. Sperrschicht-Feldeffekttransistor nach einem Spannungen unmöglich wird.

der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, Eine andere bekannte Möglichkeit, bei einem Sperr-

daß der Kanal als Schicht (72) ausgebildet ist und schicht-Feldeffekttransistor den Widerstand zwischen daß diese Schicht an sich wieder aus wenigstens Quellenelektrode und Gitter zu verringern, besteht zwei Schichten (72a, 72£>) besteht, die unterschied- 35 darin, daß sich eine Zone hoher Leitfähigkeit sowohl liehe Leitfähigkeiten aufweisen. von der Quellen- als auch der Senkenelektrode jeweils

bis in die Nähe der Gitterelektrode erstreckt (USA.-

______ Patentschriften 2 791 758 und 3 223 904 sowie Procee

dings of the IRE, August 1962, S. 1824). Man ist be-40 strebt, diese Zonen hoher Leitfähigkeit so nahe wie

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen möglich an die Gitterelektrode heranzuführen. Dabei Sperrschicht-Feldeffekttransistor mit wenigstens einer besteht jedoch die Gefahr, daß die Abstände zur Quellenelektrode, einer Gitterelektrode und einer Gitterelektrode infolge der bei der Herstellung un-Senkenelektrode, wobei Quellen- und Senkenelektrode vermeidlichen Ungenauigkeiten zu klein werden, so durch einen Kanal relativ niedriger Leitfähigkeit ver- 45 daß die Spannungsbelastung dieser Stellen zu groß bunden sind, auf welchen die Gitterelektrode elek- wird und Überschläge vorkommen,
trisch einzuwirken vermag und wobei sich eine Zone Es ist somit die Auf gäbe der vorliegenden Erfindung,

hoher Leitfähigkeit wenigstens von der Nähe der einen Feldeffekttransistor der genannten Art in der Quellen- und/oder Senkenelektrode bis in die Nähe Weise zu verbessern, daß derartige Belastungen verder Gitterelektrode erstreckt. Ein derartiger Tran- 50 mieden werden. Diese Aufgabe wird bei dem anfangs sistor weist eine besonders große Steilheit auf und ist genanntenSperrschicht-Feldeffekttransistorerfindungsdaher zum Betrieb bei hohen Signalfrequenzen geeig- gemäß dadurch gelöst, daß die Zone hoher Leitfähignet. Das Gitter des Transistors besitzt einen Sperr- keit auf einem geeigneten Träger aufgebracht und die schichtkontakt, d. h. einen Kontakt mit p-n-Übergang den Kanal bildende Schicht darüber angeordnet ist. oder einen Schottky-Barrieren-Kontakt. 55 Vorzugsweise wird die Zone hoher Leitfähigkeit durch

Der Feldeffekttransistor, auch Unipolartransistor Diffusion in einen Halbleiterträger eingebracht und genannt, ist bis heute im wesentlichen in drei ver- die den Kanal bildende Schicht darüber angeordnet, schiedenen Ausführungsarten bekanntgeworden. Am Im folgenden wird die Erfindung an Hand einiger

weitesten verbreitet ist derzeit der Feldeffekttransistor Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben. Von mit isoliertem Gitter, der sogenannte MOSFET (metal- 60 den Zeichnungen zeigt:

oxide semiconductor field-effect transistor). Es hat Fig.l im Schnitt längs der Stromflußrichtung

sich aber in letzter Zeit gezeigt, daß die beiden an- einen Feldeffekttransistor mit Schottky-Barriere in herderen Ausführungsarten, d. h. der Feldeffekttransistor kömmlicher Bauart,

mit Sperrschichtkontakt nach Shock ley sowie F i g. 2 und 3 jeweils ein Ausführungsbeispiel eines

der Feldeffekttransistor mit Schottky-Barrieren-Kon- 65 Feldeffekttransistors, wie in den Ansprüchen gekenntakt, Eigenschaften aufweisen, die sie besonders ge- zeichnet,

eignet machen für Anwendungen bei sehr hohen F i g. 4 vergrößert einen Ausschnitt aus F i g. 3 zur

Signalfrequenzen. Besonders beim Betrieb bei hohen Erläuterung der Funktion des Gitters und