DE1764491A1

DE1764491A1 - Mehrkanalfeldeffekthalbleiter

Info

Publication number: DE1764491A1
Application number: DE19681764491
Authority: DE
Inventors: Stanislas Teszner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-06-13
Filing date: 1968-06-14
Publication date: 1974-05-30
Also published as: NL6808325A; CH493094A; US3497777A; DE1764491C3; BE716419A; GB1161049A; DE1764491B2

Description

P ATENTANWALT

'Dl, QUAKDER 176A491 HJVOART

Stanislas TESZIiER ^f^Z^

Telefon 244446 χ2. Juni 1968

49, rue de la Tour
Paris /Frankreich

Patentanmeldung; Deutschland

AlO 889
J/Z

Mehrkanalfeld eff ekthalbleiter

Vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Mehrkanal-Feld effekt-, Verstärker-, Oszillator- oder Kommutierungs-Halbleiter aus einem Halbleitermaterial vorgegebenen Leitfähigkeitstyps, wobei die Kanäle in dem Halbleiter, der aus dem gleichen Halbleitermaterial - aber von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp - besteht, ein Joder zwei) Gitter bilden und an ihren Enden durch Schichten eines Halbleitermaterials von vorgegebener Leitfähigkeit vereinigt werden. Derartige Mehrkanalfeldeffekthalbleiter werden oft als Gridistoren bezeichnet. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf den Aufbau des Steuergitters. Obowhl hier nur Halbleitervorrichtungen mit einem Gitter (Trioden) betrachtet werden, erstreckt sich die Erfindung gleichermaßen auf Vorrichtungen mit zwei Steuergittern (Tetroden).

Die Quellenanschlüsse und die Leitungsverbindungen eines derartigen Aufbaus sind ohmscher Art im Fall unipolarer Gridistoren (bei Majoritätsträgern), die für den Bereich schwacher Ströme und hoher

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bis sehr hoher Frequenzen bestimmt sind; im Fall bipolarer Gridistoren (bei Minoritäts und Ma j oritäts trägern), die für besagten Bereich hoher Ströme bestimmt sind, sind diese injizierender Art. Diese Anschlußkontakte liegen auf der Anschlußfläche des Halbleiterplättchens, das den Gridistor bildet.

Gleichermaßen ist ein Kontakt, der immer ohmscher Natur ist, mit dem Gitter notwendig. Man erhält ihn im Innern des Plättchens durch einen Diffusionsvorgang und durch Schweißung unter Umständen nach einer vorausgegangenen chemischen oder elektrochemischen Abtragung des Plättchens, indem ein geeigneter Teil des Gitterkörpers freigelegt wird.

Nachdem der Gitterkontakt hergestellt ist, ist es wichtig, daß der Widerstand des ^itterkörpers zwischen der Kontaktstelle und dem am weitesten entfernten Leiterkanal, ein Widerstand der ein Hindernis in der Funktion des Gridistors darstellt, genügend klein ist, damit der Feldeffekt ungefähr gleichzeitig und ohne wahrnehmbare Verzögerung über alle Kanäle des Aufbaus entstehen kann; bei unipolaren Gridistoren führen der hohe Widerstand des Gitterkörpers und die Kapazität des Aufbaus für ein Signal zwischen dem Gitter und einer der Endelektroden zu einer Lade zeitkonstanten, die in gleichem Maße erhöht ist, sobald die Dimensionen des Aufbaus wahrnehmbar sind; daraus folgt eine merkliche Verringerung der Leistung bei hohen Frequenzen. Es ist deshalb unbedingt wünschenswert, daß diese Zeitkonstante die Größenordnung von 10 see.

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nicht übersteigt.

Für bipolare Gridistoren, deren Abmessungen in dieser Beziehung notwendigerweise von großer Bedeutung sind, besteht die Gefahr, daß bei gegebener Steuerleistung der überhöhte Widerstand des Gitters der schnellen Beseitigung des Leiterplasmas außerhalb der Kanäle im Wege steht, wobei diese Beseitigung unbedingt Veraussetzung ist, damit dort die Entstehung von Raumladungen möglich ist; diese Beseitigung entspricht einer Gitterstromspitze sehr kurzer Dauer (im allgemeinen von der Größenordnung eines Bruchteils einer MLkro Sekunde) aber zum Ersatz dazu von sehr beträchtlicher Amplitude (in der Größenordnung von ein bis mehreren 10 Ampere), die bei einer relativ schwachen Steuer spannung des Gitters geliefert werden muß {in der Größenordnung von 10 biß einigen 10 Volt max.)

Um andererseits den Kern des Gridistoraufbaus herauszustellen, ist es notwendig, daß der Teil, der in den Kanälen entstandenen Oberfläche bezüglich der Gesamtoberfläche des Gitters möglichst groß ist, während die Zwischenräume zwischen den Kanälen gleichermaßen möglichst verringert werden. Daraus ergibt sich, daß der spezifische Widerstand des Gitterkörpers notwendigerweise relativ hoch ist, selbst mit der höchsten Konzentration von Verunreini-

oo gungsatomen, die in der Praxis realisierbar ist.

■*** Man bemerkt eine augenscheinliche Unvereinbarkeit zwischen den

beiden grundlegenden Bedingungen, wie sie oben angeführt worden sind; Geringer Gitterwiderstand und eine sehr große Anzahl von

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Kanälen. Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, diese Unvereinbarkeit aufzuheben.

Der erste Gegenstand der Erfindung ist es, einen Aufbau anzugeben, bei dem die Dichte der Kanäle ebenso wie die Abmessungen der gesamten Gitter oberfläche, die sie bedecken, derart zu bewerkstelligen, daß es zu einem in der Praxis realisierbaren Maximum führt, wobei jedoch das Gitter bezüglich seines Anschlußpunktes angenähert auf gleichem Potential liegt.

Das innere Gitter wird in gleicher Ebene zur Oberfläche des Plättchens, das die Halbleitervorrichtung bildet, durch eine zusätzliche Diffusion des Gitterkontaktes zugeführt - nicht nur entlang der gesamten Länge eines Grundrahmens oder an einer zentralen Stelle der Vorrichtung, sondern auch entlang von Armen oder Sonden, d. h. vom Rahmen nach innen oder von der Zentralstelle nach außen, wobei es sich ergibt, daß der Abstand zwischen jedem einzelnen Leitungskanal und dem in gleicher Ebene liegenden Teil des Gitters unterhalb einer vorgegebenen Grenze liegt.

Die Wirksamkeit eines im wesentlichen äquipotentialen Gitters ist von der Güte des Kontaktes im Bereich der Gitteroberfläche, an das die Gitterelektrode und der innere Gitterkörper angeschweißt ist, abhängig, ohne die der Gitterwiderstand Gefahr läuft, durch einen Kontaktwiderstand um eine oder mehrere Größenordnungen erhöht zu werden.

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Bei der sogenannten flächigen Herstellung von Gridistor en , wo der Gitterkontakt durch Eindiffusion eines Kontaktbereiches erfolgt, indem dieser bis zum Gitterkörper durchdringt, hat man, um diesen Kontakt zu verwirklichen, eine scharf begrenzte Zeit zur Verfügung. Man muß sich vergegenwärtigen, daß die ursprüngliche Gitterstruktur nach der Diffusion drei Expansionen erleidet; eine während des epitaxialen Wachstums, die zweite während der Bildung der Siliziummaske, die zur Ausbildung des Rahmens zur Aufnahme der inneren Gitterkontakte dient und die dritte während der Diffusion des Rahmens des Gitterinnen-' kontaktes. Diese Expansionen ziehen eine Verminderung des Durchmessers der Kanäle und eine Vergrößerung ihrer Länge nach sich. Wenn man die Öffnung der Kanäle, die das Gitter durchziehen, genügend groß halten will (was den hohen Wert der Steilheit und einen verhältnismäßig hohen Wert des Durchfließungsstromes bestimmt, der für eine hohe Leistung eines Halbleiters notwendig istj und ebenso, wenn man die Länge der Kanäle in dem Gitter weitgehend vermindern will, was für die Vorrichtungen, die bei sehr hohen Frequenzen arbeiten sollen, unerläßlich ist, dann ist es notwendig, die Diffusions zeit zur Herstellung der Gitterinnenkon takte zu begrenzen. Diese Zeit ist offensichtlich um so stärker begrenzt - bei im übrigen gleichen Bedingungen wie zuvor je kleiner der Querschnitt jeder Masche in der Diffusions maske ist, was jedoch wiederum eine notwendige Bedingung zur Erreichung einer maximalen Dichte der Kanäle ist.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, einen hohen Perfektionsgrad bei der Herstellung der Gitterkontakte eines Gridistors zu ermög-

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lichen, ohne daß die Struktur des Gitters in ungünstiger Weise betroffen wird.

Gemäß der Erfindung wird, nachdem der Gitterkontakt durch Diffusion einer Verunreinigung des gleichen Leitfähigkeitstyps wie das Gitter innerhalb der Schichtdicke entgegengesetzten Leitfähigkeitslyps, die den Bereich der Quelle bildet, hergestellt worden ist, besagte Dicke durch chemische Einwirkung auf die Stellen, an denen besagte Diffusion stattfinden soll, reduziert.

Als Variation dazu wird der Gitterkontakt durch Diffusion einer geeigneten Verunreinigung aus derselben Gruppe des periodischen Systems wie die für die Bildung des Gitters verwendete Verunreinigung, benutzt, die aber einen höheren Diffusionskoeffizienten besitzt.

Die Erfindung wird nun im einzelnen in Verbindung mit den zuge- ^ . hörigen Zeichnungen näher beschrieben, von denen die

Fig. 1 und 2 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie 1-1 von Fig. 2 bzw. eine Draufsicht auf einen Ebenenschnitt gemäß der Schnittlinie 2-2 von Fig. 1 eines Mehrkanalfeldeffekthalbleiters bekannter Art darstellt.

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Fig. 3 eine Draufsicht auf den Aufbau bekannter Art ist, der die Form eines Rombus hau

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine erste Mehrkanalfeldeffekteinheit ist, die die geometrische Form eines Sechsecks hat und der Erfindung entspricht;

Fig. 5 und 6 eine Draufsicht bzw. einen Querschnitt einer zweiten Mehrkanalfeldeffekteinheit zeigen, die die geometrische Form eines Rombus aufweist und der Erfindung entspricht;

Fig. 7 eine Mehrkanalfeldeffekteinheit entsprechend den in Fig. 5 und gezeigten, darstellt, die dem gegenüber aber u. a. eine Verminde-

peripherischen rung der quell ens ei tig en Schichtdicke in der Nähe des ^Gitter rahm ens

aufweisen;
Fig. 8 ein vergrößerter Ausschnitt der Vorrichtung von Fig. 7 ist;

Fig. 9 und 10 einen Längs- bzw. Querschnitt einer dritten Mehrkanalfeldeffekteinheit zeigen, in der der peripherische Rahmen des Gitters weggelassen und durch einen zentralen Bereich ersetzt

ist;
Fig.11 einen Ausschnitt der Vorrichtung gemäß Fig. 9 und 10 zeigü

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Fig. 12 einen Ausschnitt eines Mehrkanalfeldeffekthalbleiters mit rechtwinkligen Kanälen zeigt, die das Charakteristische der Erfindung beinhalten;

Fig. 13 eine Vorrichtung eines Mehrkanalfeldeffekthalbleiters gemäß der Erfindung aber mit vergrößerter Oberfläche zeigt und die

Fig. 14, 15 und 16 Hilfsfiguren zur Erklärung der Wirkungsweise der Halbleitervorrichtungen gemäß der Erfindung und besonders zur Erklärung der Auswahl des spezifischen Widerstandes verschiedener Halbleiterschichten sind, aus denen sich die Vorrichtung zusammensetzt.

Der Aufbau von Fig. 1 ist eine zweckmäßige Übertragung von Fig. 6 des Patentbegehrens der deutschen Auslegeschrift Nr. T 23 200 VIlIc/ 21g vom 14. Dezember 1962, die ein Beispiel einer Mehrkanalfeld effekt einheit bekannter Art ist. Sie setzt sich aus einem Plättchen 1 aus Silizium vom Typ η zusammen, bei dem ein Oberflächenbereich 2 überdotiert ist für unipolare Gridistoren besonders mit η . Auf diese Schicht ist eine AbIeitungselektrode 9 geschweißt. Auf der Oberfläche der Schicht 1 wird eine Siliziummaske gebildet, die die in Fig. 2 gezeigte Form aufweist, obwohl diese Fig. ebenfalls, wie man sieht, einen Schnitt durch die Vorrichtung in der Ebene, die durch die Linie 2 - 2 in Fig. 1 markiert wird, dargestellt.

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Claims

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ANSPRÜCHE

1} Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Trägerschicht aus einem halbleitenden Material eines vorgegebenen Leitfähigkeittyps

a) Quellen- und Ableitungsbereiche in parallelen Ebenen zu dem Plättchen ,

b) ein eindiffundiertes inneres Gitter von entgegengesetztem Leit-

f ähigkeitstyp, das eine Vielzahl von Leitungskanälen umfaßt, wobei besagtes Gitter eine massive Zone und Bänder enthält, die aus besagter Zone austreten, wobei Zone und Bänder dem Innern des Plättchens angehören und keine Kanäle enthalten und

c) einen Oberflächenbereich des eindiffundierten Gitters aufweist, der die massive Zone und besagte Bänder überlagert und mit ihnen in ohmschen Kontakt steht.
2) Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a} die massive Zone in Gestalt eines peripheren Rahmens und

b) die Bänder des Gitters innerhalb des Plättchens, auf der Innen-

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seite des Rahmens liegen, wobei besagter Rahmen und der Oberflächenbereich, der ihm überlagert ist, den Quellenbereich und den Ableitungsbereich voneinander trennen,
3} Mehrkanalfeldeffekt-Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die massive Zone die Form einer Kapsel hat, die im wesentlichen im Zentrum der Vorrichtung liegt und

b) die Bänder des Gitters im Innern des Plättchens gegen die Außenseite besagten Plättchens gerichtet sind.
4) Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) wenigstens einer der Quellen- und Ableitungsbereiche ein epitaxiales Gebiet darstellt und

b) das Gitter, seine massive Zone und seine Bänder teilweise in das Tr ag er plättchen und teilweise in besagtes epitaxiales Gebiet ein* diffundiert sind.
5) Mehrkanalfeldeffek!halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaxiale Schicht ein Gebiet geringerer Dicke enthält, das die massive Zone und die Bänder überlagert, wobei der Oberflächenbereich des Gitters in dieses Gebiet geringerer Dicke eindiffundiert ist. 409822/0427

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6) Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung gemäß Fig. 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich des Gitters von einer Metallschicht bedeckt ist.
7) Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich des Gitters teilweise von einer isolierenden Schicht bedeckt ist, wobei die Metallschicht mit dem Oberflächenbereich des Gitters ausschließlich i m Bereich des letzteren mit einer von keiner Isolationsschicht bedeckten Zone in Kontakt steht.
8} Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das epitaxiale Gebiet dem Quellenbereich entspricht und

bj der spezifische Widerstand des epitaxialen Gebiets höher ist als der spezifische Widerstand des Trägerplättchens.
9) Mehrkanalfeldeffek Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das epitaxiale Gebiet den Ableitungsbereich darstellt und

bj der spezifische Widerstand des epitaxialen Gebiets geringer ist als der spezifische Widerstand des Trägerplättchens.

10} Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung mit einem Trägerplättchen aus halbleitendem Material eines vorgegebenen Leitfähigkeittyps,

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dadurch gekennzeichnet, daß sie

a) Quellen- und Ableitungsbereiche auf parallelen Flächen des Plättchens,

b) ein eindiffundiertes inneres Gitter von einer Leitfähigkeit entgegengesetzten Typs, die eine Vielzahl von Leitungskanälen umfaßt, wobei besagtes Hitter, das eine massive, keine Kanäle enthaltende Zone umfaßt, sich nahezu im Zentrum des Plättchens befindet

und

c) eine eia- von der Oberfläche her eindiffundierte Zone, die besagter massiven Zone überlagert ist und die in ohmschen Kontakt mit dieser steht sowie

d) eine I sola ti ons zone in und außerhalb der Gitterebene enthält, die mögliche Kurzschlüsse zwischen dem Quell- und Ableitungsbereich verhindert.

W 11) Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung, gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter außer einer massiven, keine Kanäle enthaltenden Zone Bänder innerhalb des Plättchens enthält, die nach der Außenseite des Plättchens gerichtet sind.

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