DE1764491C3

DE1764491C3 - Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE1764491C3
Application number: DE1764491A
Authority: DE
Inventors: Stanislas Paris Teszner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-06-13
Filing date: 1968-06-14
Publication date: 1979-03-29
Also published as: BE716419A; US3497777A; DE1764491A1; CH493094A; GB1161049A; DE1764491B2; NL6808325A

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrkanalfeldeffekt halbleitervorrichtung (Gridisator) mit einem Plättchen aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps, das einen Quellenbereich und einen Ableitungsbereich aufweist, einem im Innern des Plättchens angeordneten, eindiffundierten Gitter eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das eine Vielzahl von leitenden Kanälen umgrenzt, ferner mit einer eindiffundierten Oberflächenschicht, die in Ohmschem Kontakt mit dem Rnndbereich des Gitters steht und diesen überdeckt.

Das Gitter einer derartigen Halbleitervorrichtung ist mit einem Ohmschen Kontakt versehen und es ist dabei wichtig, daß der Widerstand des Gitterkörpers zwischen der Kontaktstelle und dem am weitesten entfernten Kanal genügend klein ist. damit der Feldeffekt etwa gleichzeitig über allen Kanälen des Halbleiters entsteht.

Bei unipolaren Gridistoren führt der hohe Widerstand des Gitterkörpers zu einer hohen Ladezeitkonitanten, was zu einer merklichen Verringerung der Leistung bei hohen Frequenzen führt. Diese Zeitkonstante sollte daher die Größenordnung Von 10"'" Sekunden nicht übersteigen.

Bei bipolaren Gridistoren besteht die Gefahr, daß bei gegebener Steuerleistung der hohe Widerstand des Gitters der schnellen Beseitigung des Lejterplasmas außerhalb der Kanäle im Wege steht, wobei diese Beseitigung Voraussetzung dafür ist, daß dort Raumla^r> düngen entstehen können.

Andererseits soll der Anteil der den Kanälen zugeordneten Oberfläche bezüglich dar Gesamtoberfläche des Gitters möglichst groß sein, während die Zwischenräume zwischen den Kanälen möglichst klein "ι sein sollen, d. h. es ist eine möglichst große Anzahl von Kanälen erwünscht.

Aus der Zeitschrift »Solid-State Electronics« Band K), 1967, Heft 6, Seiten 559-576, und der FR-PS 1463 875 sind Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichi¹» tungen bekannt, bei de:ien eine Vielzahl von Kanälen von einem Gitter umgeben ist. Diese bekannten HaIbieiteranordnungen haben einen von Kanälen freien Randbereich, der von einer in Ohmschem Kontakt mit ihm stehenden eindiffundierten Oberflächen-21) schicht üherlagert ist. in der genannten Zeitschrift wird ferner vorgeschlagen, die Zahl der Kanäle in einer vorgegebenen Fläche unter einem bestimmten Grenzwert zu halten, damit die Gitterstege zwischen den Kanälen nicht zu schmal werden und ihr Wider-2^r> stand hinreichend niedrig bleibt. Trotzdem ist bei diesen bekannten Halbleiteranordnungen der Widerstand des Gitterkörpers zwischen seinem Anschlußkontakt und dem cder den von diesem entfernteren Kanälen relativ groß.

«ι Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung zu schaffen, bei der tier Widerstand des Gitters zwischen seinem Anschlußkontakt und den Kanälen klein ist, die Anzahl der Kanäle aber möglichst groß ist.
j> Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Gitter von Kanälen freie Arme aufweist, die vom Randbereich bzw. von einem zentralen Bereich ausgehen und nach innen bzw. nach außen verlaufen, daß ferner die Arme von der in Ohmschem Kontakt mit ihnen stehenden cindiffundierten Oberflächenschicht überlagert sind.

Von Vorteil hierbei ist, daß der Abstand zwischen den einzelnen Kanälen und dem Randbereich bzw. den Armen des Gitters, die nur einen geringen Wider-4^r> stand besitzen, klein und unter einer gegebenen Grenze gehalten werden kann. Als Folge hiervon wird der Widerstand des Gitterkörpers zwischen den Kanälen und dem Anschlußkontakt des Cutters reduziert, was zu einer beträchtlichen Erhöhung der Verstär- -,o kung bei hohen Frequenzen bei einem Unipolartransistor führt. Bei Bipolartransistoren wird die Schallgeschwindigkeit gesteigert.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung wjrden nachfolgend anhand der Zeichnung im cinzel- Y, nen beschrieben, in der

Fig. 1 im Schnitt längs der Linie 1-1 von Fig. 2 eine Mehrkanalfeldeffekthalblcitervorrichtung bekannter Art zeigt;

Fig. 2 zeigt im Schnitt längs der Linie 2-2 von bo Fig. I die Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt in Draufsicht eine bekannte MehrkanalfeiUcffckthalblcitcrvürrichtung in Form einch Rhombus;

Fig, 4 zeigt in Draufsicht eine Melirkanalfeldeffekthalbleitervorrichtüng nach der Erfindung in der Form eines. Sechsedks;

Fig. 5 und 6 zeigen in Draufsicht bzw, im Schnitt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemä-

ßen Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung in Form eines Rhombus;

Fig. 7 zeigt eine Modifikation der Mehrkanalfeldeffekthalblejtervorrichtung in Fig. 5 und 6;

Fig. 8 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung nach

Fig. 7;

Fig. 9 und IO zeigen im Längs- und Querschnitt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mehrkanalfeldeffekthalbleitcrvorrichtung;

Fig. 11 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung nach den Fig. 9 und K);

Fig. 12 und 13 zeigen weitere Modifikationen der erfindungsgemäßen Mchrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung;

Fig. 14, 15 und 16 zeigen die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung.

Aus der nachfolgenden Beschreibung der einzelnen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung werden keine Rechte hergeleitet.

Die Mehrfachkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung nach Fig. I besteht aus einem Plättchen 1 aus Silicium vom Typ η mit einer mit n' überdotierten Schicht 2 für unipolare Gridistoren. Auf diese Schicht ist eine Ableitungselektrode 9 geschweißt. Auf der Oberfläche der Schicht 1 wird eine Siliciumoxidmaske gebildet, die die in Fig. 2 gezeigte Form hat.

Man bewerkstelligt eine Diffusion vom Typ ρ durch diese Maske mit dem Ziel, ein Gitter zu bilden, das Zwischenräume zwischen den Kanälen und einem peripherischen Rahmen enthält. Die Maske weist kreisförmige Bereiche 17 und einen Bereich 11 außerhalb des Umkreises der Anordnung auf. Sie entzieht diese Bereiche 17, die den Öffnungen der Kanäle entsprechen, ebenso wie die Oberfläche 11 des Plättchens außerhalb des Gitterrahmens, der Diffusion. Im Gegensatz dazu werden die Zwischenräume 14 zwischen den Kanälen ebenso wie der peripherische Rahmen 15, an dem die Gitterkontakte hergestellt werden, einer Diffusion vom Typ ρ unterworfen. Anschließend entfernt man die Oxidmaske und bewirkt die epitaxiale Aufbringung einer Siliziumschicht 3 vom Typ n; schließlich läßt man durch eine neue Maske eine äußere Ringfläche 8 vom Typ ρ ' aufd'ffundieren, indem man eine ρ -p-Verbindung mit dem Gitterrahmen herstellt. Dieser Ring wird anschließend metallisiert, um seinen Widerstand aui'ein Miniumum herabzusetzen; er stellt den Giti*:rkontakt dar. Anschließend wird eine mit η ' überdotierte Quellenschicht 6 gebildet. Im Fall unipolarer Gridistoren ist die Ableitungsschicht 9p'.

In Fig. 1 sieht man das (jitter 4. den Rahmen 5. die Kanäle 7, die Bereiche 1 und 3. die parallel zu den Kanälen liegen, die äußere Gitterkontaktringfldche 8 sowie die Quellen- und die Ableitungselektrode 6 b/w. 9. Wie schon zu Anfang ausgeführt, unterliegt das Gitter einer Ausdehnung während des epitaxialen Wachstums, während der Bildung der Rahmenmaske und während der Diffusion des Rah» nienkontaktes. Daraus folgt, daß der Durchmesser des Kanals 7 in der Mitte kleiner als der Durchmesser eines Kreises 17 ist und daß die Stärke einer Masche 4 des Gitters größer als die Breite eines Zwischenraumes 14 ist.

Fig. 2 ist eine Draufsicht der Vorrichtung vor dem Abheben der Oxidmaske, wodurch der Bh'ck auf die freie Oberfläche der Platte 1 beschränkt ist. Ebenso kann man sagen, wie schon ausgeführt, daß Fig. 2 einen durch die Ebene 2-2 von Fig. 1 gelegten Schnitt

ϊ der Vorrichtung zeigt, der einmal die Kanäle in der Umgebung ihrer Öffnung an der Stelle, wo diese einen Durchmesser ab haben, der nahezu dem eines Kreises 17 entspricht und zum andern die Maschen an der Stelle, wo ihre Dicke lic der Breite eines Zwischen-

K) raumes 14 entspricht, schneidet. Es sind zahlreiche Variationen bezüglich der Geometrie dieses Aufbaus, wie er dem Stande der Technik entspricht, möglich, Variationen, die sich auf Kanäle kreisförmiger, quadratischer oder rechteckiger Bereiche beziehen, die

Ii beliebige Dimensionen und Zwischenräume aufweisen. Um sich hier beispielsweise auf den Fall von Kanälen kreisförmigen Querschnitts abzugrenzen, hat man eine Halbleitervorrichtung (Fig. 3) aufgeführt, die im Grundriß eine rautenförmige Geometrie auf-

:o weist mit jeweils versetzter Anordnung der Kanäle Diese Geometrie erlaubt unter Sirherstellung einer maximalen Kanaldichte, die ZeiUonstante zur Ansteuerung des Gitters durch Verkleinerung des Abstandes des zentralen Kanals zur Peripherie unter ei-

2Ί ner geringfügigen Verschlechterung des Verhältnisses »Umfang Oberfläche« der Anordnung iv verkleinern. Die Halbleitervorrichtung als solche wird durch Ziffer 21 gekennzeichnet. Die Öffnungen der Kanal*, werden durch schraffierte Kreise 27 dargestellt. Dl·:

in Kanalzwischenräume sind mit 24:i bezeichnet, der Gitterrahmen mit 25 und die Fläche außerhalb des Rahmens mit 24/'.

Der Umriß der η -Schicht der Quelle wird durch die gestrichelte Linie 26 dargestellt.

π Dennoch kann diese optimale Ausnutzung der Oberfläche die Notwendigkeit ihrer Vergrößerung nicht umgehen, wenn man die Leistung der Vorrichtung erhöhen will. Es bieten sich folglich zwei Lösungen an:

Entweder die Vorrichtung besser parallel, in einfacher Geometrie entsprechend den Fig. 2 oder 3 zusammenzufügen oder einen einheitlichen in der Oberfläche vergrößerten Aufbau mit entsprechender Erhöhung des den Kanälen in der Gesamtoberfläche

.(-> der Vorrichtung zugefallenen Oberflächenanteils zu verwirklichen. Diese zweite Möglichkeit ist vorzuziehen, aber sie enthält ein schon weiter oben angeführtes Hindernis, dadurch daß sie den äquivalenten Widerstand des Gitterkörpers sehr stark übersteigt, da ein-

-,n zelne Kanäle relativ weit von dem Gitterkontakt entfernt sind.

Die vorliegende Erfindung liefert eine Möglichkeit, dieses Hindernis durch die Einführung von Armen m^;t geringem Widerstand in den Gitterkörper, die von

τ, d 'm ;>e:ipherischen Rahmen ausgehen oder im ohmschen Kontakt mit diesem oder allgemeiner mit dem Gitter stellen. Ditse Arme sind in den Giüerkörper integriert oder stehen wenigstens mit dem Körper im ohmschen Kontakt.

Der Aufbau in sechseckiger Form 41 von Fig. 4 umfaßt einen Räumen 45, der schraffiert gezeichnet ist und an dem der Gitterkontakt, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist, artgebracht ist. Von diesem Rahmen gehen sechs Arme 40 aus, die sich von den Scheitelpunkten zürn Mittelpunkt des Sechseckes hin erstrecken. Diese Arme sind ebenso wie der Rahmen 45 Teil des Gitters; sie verringern ganz erheblich den Abstand zwischen dem von der Polarisationselektrode

j I , t
. I < 1

des Gitters am weitesten entfernten Kanal. Die Schicht n⁺ der Quelle muß offensichtlich diese Arme umgeben; ihr Umriß 46 ist in Fig. 4 durch eine gestrichelte Linie wiedergegeben. Wie der peripherische Rahmen werden die Arme vorzugsweise an der Obcrflüchc durch Diffusion zusammengeführt und anschließend metallisiert.

Im Fall einer rhombischen Geometrie des Aufbaus führt eine kleine »Gitterpolarisationskanaiele.ktiOde« bei gleicher Elektrode zu einem maximalen Abstand, so daß man sich mit vier Armen 30, wie sie in den Fig. 5 und 6 geneigt werden, begnügen kann.

Nach Fig. ft weist die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung ein Siliziumplättchen 1 vom Typ η auf, bei dem eine Schicht 2 mit η * überdotiert ist und von einer metallischen Ablcitungselektrode 39 überdeckt wird. Das Plättchen 1 wird von einer Schicht 3, die durch epitaxiale Auftragung gebildet wird, überdeckt. Das Gilter 34 aus Haibicitermateriai vom Typ ρ umfaßt einen Rahmen 35 und begrenzt die Kanäle 37. Dieser Rahmen wird an der Oberfläche durch einen cindiffundierten Oberflächenrahmen 38, an dem vier nach innen verlaufende Arme 30 vereinigt sind, zusammengeführt. Wieder Rahmen enthalten die Arme 30 einen inneren Teil, der dem Teil 35, und einen Oberflächenteil, der dem Teil 38 entspricht. Der iibcrdotiertc und metallisierte Quellenbereich wird durch die Ziffer 36 dargestellt.

Für eine gegebene Oberfläche entsprechend den beiden Fällen erlauben die Vorrichtungen von Fig. 4 bis 6 den Gitterwiderstand bezüglich bekannter Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtungcn im Verhältnis 4:6 zu verringern.

Die Herstellung des Oberflachenrahmens und der Oberflächenarme, die den inneren Rahmen und die inneren Arme überschichten, weist Schwierigkeiten auf, da es notwendig ist, daß der Oberflächenrahmen und der innere Rahmen, wie auch die Oberflächenarme und die inneren Arme in der Ebene 32 von Fig. 6 ohmschen Kontakt aufweisen. Um diese Schwierigkeiten zu verdeutlichen, wird der Herstellungsprozeß der Vorrichtung gemäß Fig. 5 und ft im nachfolgenden in Erinnerung gebracht.

Das zur Bildung des Gitters durch Diffusion gewählte Element, z. B. Bor, wird zunächst niedergeschlagen und durch die Öffnungen einer Oxidmaske vordiffundiert, die vorher auf der freien Oberfläche der Schicht 1 gebildet worden ist und durch die gestrichelte Linie 33 dargestellt wird. Nach Entfernung der Oxidschicht fährt man in der Bildung der Schicht 3 durch epitaxialf \u(tragung fort, während diese in die niedergeschlagene Verunreinigung beiderseits der Ebene 33 diffundiert. Anschließend an diesen Vorhang geht man an die Bildung des Rahmens 38, was durch Diffusion eines Elementes derselben Gruppe III wie für das Gitter (vorzugsweise Bor) durch die Öffnungen der auf der freien Oberfläche der Schicht 3 gebildeten Maske erfolgt. Schließlich nimmt man eine Diffusion eines Elementes der Gruppe V (Phosphorz. B.) vor, um die Quellenschicht 36 zu bilden.

Die Schwierigkeit dieses Herstellungsvorganges rührt von der Tatsache her, daß sich die Diffusion des Gitters während sämtlicher danach erfolgender Diffusionsoperationen fortsetzt, was die zur Diffusion des Rahmens 38 und der Arme 30 verfügbare Zeit begrenzt unter Inkaufnahme einer übertriebenen Verminderung des Bereichs der Kanäle 37, ebenso wie

des Abstandes zwischen dem Gittcrobcrtcil und der Quellenschicht 36. Um diese Gefahr auszuschalten, ist man einmal gehalten, die Dimensionen der massiven Intervalle zwischen den öffnungen der Maske, die zur Gitterdiffusion benutzt wird, zu vergrößern, was wiederum die erreichbare Kanaldichtc begrenzt, Und zum andern ist man gezwungen, die Höhe der Schicht 3 zu vergrößern, was die Diffusionsdaucr des Rahmens 38 erhöht und als Folge davon diejenige des Gitters. Daraus folgt ein Anwachsen der Länge der Kanäle 37, was die Grenzfrcquen/ herabsetzt und eine Verminderung des Frequenzbereiches zur Folge hat, die die Steilheit und die Stromleitung herabsetzen. Die Beseitigung dieser Schwierigkeit wird durch eine Profilierung der Schicht 3 erreicht, die darin besteht, daß die Dicke dieser Schicht an den Stellen, wo der Rahmen 38 eindiffundiert werden muß, verringert wird. Diese Profilierung wird im einzelnen in Fig. 8 und zusammen mii dem gesamten Aufnau in Fig. 7 gezeigt. Die Elemente von Fig. 7, die denen von Fig. ft entsprechen, werden unverändert mit den gleichen Bezugs/iffern bezeichnet. Man sieht das überdotierte Substrat 2 z. B. aus n' die überlagerte Schicht 1 vom Typ n, die epitaxiale Schicht 3 gleichen Typs, das Gitter 34 vom Typ p, das die Kanäle 37 und ihren Rahmen 35, der beiderseits der Ebene 33 diffundiert ist, begrenzt, den äußeren Rahmen 52, der durch eine derarft^e Diffusion gebildet wird, daß ein inniger Kontakt mit dem Rahmen 35, der der Oberfläche der Einbringung 32 folgt, zustande kommt, sowie die mit dem Typ n' überdotierte Quellcnschicht 36.

Der wesentliche Unterschied des Aufbaus von Fig. 7 in bezug auf den Gridistor von Fig. ft besteht darin, daß die epitaxiale Schicht 3 längs der Spur des Rahmens 35 mit einer Rinne 51 versehen ist, die die erforderliche Diffusionstiefc des Oberflächenrahmens 52 beträchtlich herabsetzt, hohl ist.

Die Herabsetzung der Gesamtdiffusionsdauer für das Gitter bringt in der Folge einen zweifachen Vorteil, indem sie einmal eine sehr wesentliche Erhöhung der Kanaldichte und demzufolge eine Erweiterung des Anwendungsbereiches und zum andern die Verringerung der Kanallänge auf praktisch die Hälfte erlaubt, woraus sich ergibt, daß die effektive Arbeitsgrenzfrequenz eines Gridistors gemäß Fig. 7 doppelt so hoch wie die eines Transistors gemäß Fig. ft, der im übrigen gleiche Merkmale aufweist, liegen kann.

Fig. <S zeigt die Rinne 51 vergrößert, um die Darstellung ihres Herstellungsvorganges zu erleichtern. Diese Rinne ist durch chemische Einwirkung durch die Öffnung der für die Diffusion des Rahmens 52 hergestellten Oxidmaske eingeätzt worden. Nachdem diese Öffnungen durch Auflösung der Siliziumoxidmaske durch chemischen Angriff, z. B. von Flußsäure entlang der Spur des Rahmens 52 freigelegt worden sind, wird die Siliziumschicht 3 auf eine relativ geringe Tiefe (im allgemeinen in der Größenordnung von 1 bis 3 μ) durch ein geeignetes chemisches Bad, wie z. B. das Erzeugnis mit dem Namen CP.-4A, das sich aus Salpetersäure, Flußsäure und Essigsäure im Verhältnis 5:3:3 zusammensetzt, angeätzt. Anschließend fährt man mit der Diffusion des Rahmens 52 fort, derart, daß er mit dem Gitterrahmen 35 in innigen Kontakt kommt, um anschließend die überdotierte Quellenschicht 36 in gewöhnlicher Diffusionstechnik durch eine geeignete Maske herzustellen. Urn schließlich die Umrisse der Metallisierung für den Rahmen 52 festzulegen, stellt man eine neue Oxidmaske 53 her, die

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bestehen bleibt und dabei den Grund der Rinne Sl, wo eine metallische Schicht 54 niedergeschlagen wird, die sich dort durch Mikrodiffüsiöri mit dem Rahmen 52 oberflächlich verbindet, unbedeckt läßt. Die Doppellinie 54' (ausgezogen) bzw. 54" (unterbrochen) ^r> kennzeichnet auf der Oberfläche der Metallisierung 54 deren äußere Grenze und die Grenze ihres zentralen, r-.Ucfflächlich mit der Diffüsiorisschiclit 52 legierten Teil,

Eine andere Lösungsmöglichkeit, um die Bildungs- i" dauer des Rahmens 38 zu verringern, beisteht darin, daß zu dessen Bildung ein ' "lenient aus der gleichen Gruppe des PeriodensysteriU wie das zur Bildung des Gitters verwendete Element benutzt wird, aber im Unterschied dazu mit einem höheren Diffusionskoef- i^r> fizienten. Falls die zur Bildung des Gitters verwendete Verunreinigung Bor ist, karm der Rahmen 38 durch Diffusion von Aluminium hergestellt werden, was vier- oder fünfmal schneller geht als bei Verwendung von Bor. Diese Lösung ist jedoch nicht derartig um- in wälzend, wie die voraus beschriebene, und sie läßt sich überdies nicht ohne einige Hindernisse bewerkstelligen, weil beim Stand der Technik die Oxidschicht für die Diffusion von Aluminium nicht derartig undurchdringlich ist, wie für die Diffusion von Bor. Die Vorrichtung von Fig. 4, 5 und 6 enthält einen peripherischen Rahmen, um den Quellenbereich vom Ableitungsbereich zu trennen. Dieser Rahmen weist, was die Ableitungselektrode betrifft, eine Kapazität auf, die hinderlich sein kann. Die Fig. 9 und 10 zeigen eine nrfindungsgcmäße Vorrichtung, aber ohne Rahmen.

Der Aufbau 61 ist wie der von Fig. 7 auf einem Siliziumniederschlag 1 vom Typ n, von dem z. B. eine Oberflächenschicht 2 mit η überdotiert ist, aufge- js baut. Auf diese Schicht ist die Ableitungselektrode 39 aufgebracht. Die Schicht I wird von einer epitaxialen Schicht 3 überlagert, die gleichermaßen aus Silizium vom Typ η besteht. Im Gegensatz zu Fig. 7 jedoch ist die Schicht 3 nicht auf der gesamten Oberfläche des Bereiches 1, sondern nur auf dem Teil dieser Oberfläche, der durch eine isolierende Maske 58, z. B. aus Siliziumoxid, die leicht in die Peripherie des Gitters 64 eindringen kann, abgelagert, und zwar derart, daß diese den Quellenbereich von dem Ableitungsbereich trennt, die dann nur noch durch die Kanäle 67 miteinander in Verbindung stehen.

Das eindiffundierte Gitter 64 enthält eine massive Mittelzone 59 und strahlenförmige Arme 72.

Der Gitterkontakt wird auf der Mittelzone 59 und den Armen 72 hergestellt, nachdem zuvor durch chemische oder elektrolytische Einwirkung durch eine entsprechende Maske eine pfannenförmige Vertiefung, wie bei 74 dargestellt, hergestellt worden ist, in weiche Pfanne eine Schicht 62 eines Elementes der Gruppe III, wie z. B. Bor, eindiffundiert worden ist, das eine Verunreinigung vom Typ ρ bis zu einer Eindringtiefe in den Mittelbereich 59 des Gitterkörpers bildet. Die Pfanne 74 wird von einer Metallschicht 60 überbrückt, die z. B. aus Aluminium besteht und so die durch eine Mikrodiffusion von darunter befindlichem Silizium unterlegiert ist und die dazu bestimmt ist, durch Verschweißung eine nicht gezeigte Gitterelektrode aufzunehmen.

Der Aufbau wird durch eine Diffusion einer Verunreinigung vom Typ n, die eine Schicht n⁺ des Quellenkontaktes 66 bildet, vervollständigt, die gleichermaßen metallisiert wird, wie bei 63 gezeigt, um das Anschweißen einer nicht gezeigten Quellenelektrode zu ermöglichen. Die äußeren bzw. inneren Ränder der ringförmigen überdotierten Schicht 66 sind durch die Bezugsziffern 68 und 69 dargestellt. Zum Schluß überdeckt eine Oxidmaske 70 die nicht metallisierte Oberfläche und überlappt bei 71 gleichermaßen die Peripherie der epitaxialen Schicht 3.

Fig. 10 zeigt einen Schnitt dieses Aüfbaüs, der Wie in Fig. 5 der Scheitelebene des Gitters folgt; beide Figuren sind erkennbar in gleichem Maßstab gezeich^ net, um einen leichten Vergleich einander entsprechender Bereiche zu ermöglichen. Bei dieser Figur, die durch die Oxidschicht 71 begrenzt ist, die die epitaxiale Schicht 3 umhüllt, ist die überdotierte Schicht des Quellenkontaktes nicht sichtbar, sondern ihre Umrisse sind durch die unterbrochenen Linien 68 und 69 angedeutet.

Der Mittelbereich 59 in der Form eines Rhombus und die Arme 72 bringen einen Verlust etlicher Kanäle mit sich. Um diesen Verlust auszugleichen, wird die von den Kanälen eingenommene Oberfläche um die Fläche, die in der Vorrichtung nach Fig. 5 der Rahmen eingenommen hatte, vergrößert. Die Vergrößerung der Anzahl der Kanäle 67 entspricht, bezogen auf diejenige von Fig. 5, etwa 15%. Ungeachtet dieser Vergrößerung der nutzbaren Oberfläche jedoch, ist die durch die Oxidschicht 71 begrenzte Gesamtoberfläche ungefähr 10% kleiner als diejenige des durch Fig. 5 dargestellten Aufbaus, was bezüglich der Gesamtoberfläche des Aufbaus folglich einer ungefähr 30%igen Vergrößerung der nutzbaren Oberfläche entspricht, d. h. ihrem Leistungskoeffizienten.

Es kann jedoch für kleine Gebilde hoher Kanaldichte interessant sein, selbst den kleinen Verlust nutzbarer Oberfläche, den der Mittelbereich 59 nach sich zieht, zu vermindern. Die Lösung dieser Aufgabe wird in Fig. 11 dargestellt, die in vergrößertem Maßstab den Mittelbereich des Aufbaus zeigt.

Eine zentrale Pfanne 79, die in der Oberfläche des Aufbaus entsprechend Fig. 9 verwirklicht ist und eine Verunreinigung desselben Leitungstyps, ρ ζ. Β., wie die des Gitters, die durch den Boden der Pfanne 79 bis zum Einbringen in den zentralen Bereich 73 des Gitterkörpers in einer solchen Weise diffundiert ist, daß eine Schicht 86 gebildet wird, wobei die Ränder und die Umgebung der Pfanne 79 mit einer isolierenden Schicht 75 aus Siliziumoxid überdeckt werden, in der ein Bett 76 konzentrisch zu der Pfanne 79 und größer als diese entsteht. Das gesamte Innere des Bettes 76, dessen Mittelbereich mit dem Gebiet 73 steht, wird anschließend metallisiert und der Gitterkontakt durch Verschweißung auf der metallischen Schicht 80 erhalten. Auf diese Weise kann man den Verlust nutzbarer Oberfläche minimisieren unter Garantierung einer ausreichenden Kontaktoberfläche für die Verschweißung der Gitterelektrode. Im übrigen bemerkt man, daß die überdotierte Quellenschicht 77, deren Oberfläche vergrößert werden mußte, von einer metallischen Schicht 78, die vollkommen ausreichend für die Verschweißung der entsprechenden Elektrode ist, überdeckt wird.

Die Anordnung des Gridistoraufbaus gemäß der Erfindung ist immer durchführbar, wie auch die geometrische Form des Gitters gestaltet ist. Gleichermaßen können die Kanäle nicht nur einen kreisförmigen Querschnitt, sondern auch ovalen, quadratischen, rechtwinkligen oder poligonalen Querschnitt haben. Fig. 12 zeigt einen Blick auf die Schnittfläche entlang

dem Scheitel des Gitters eines Aufbaus, der Kanäle 81 vom Typ η mit rechteckigem Querschnitt enthält, umgeben von einem Gitter 82 vom Typ p; dieses Gitter enthält einen zentralen Rumpf des Gitterkörpers 83 und zwei Arme 84. Der zentrale Rümpf 83 und die Arme 84 werden von einer Halbieiterschicht vom Typ ρ 86 und anschließend von einer metallischen Schicht 80 englagig mit dieser überlagert, die sich über die Oxidschicht, wie in Fig. 11 gezeigt, erstreckt, Und gegenüber Fig. 12 in vergrößertem Maßstab dargestellt ist. Die strichpunktierten Rahmen 87 und 88 schließlich geben die Ringkonturen der n⁺ Schicht der Quelle 77 wieder.

Die Vorrichtung von Fig. 13 wird durch eine Verbundanordnung von fünf Rhomben entsprechend denen von Fig. 5 und 6 gebildet, mit dem Unterschied, daß allein der zentrale Rhombus 125 einen vierseitigen Rahmen aufweist, während die vier außenliegcnden Rhomben 126,127,128 und 129 nur einen Rahmen besitzen, bei dem eine .Seite fehlt. Man bemerkt, daß auf diese Weise die Seiten des Rahmens des Rhombus 125, was die transversalen Sonden 125a, b, c anbetrifft, die Gitterversorgung dieses Aufbaues bilden. Der Effekt der transversalen Leitungen addiert sich zu dem der peripheren Leitungen, die durch die Seiten des Rahmens der peripheren Rhomben 126«, b, r-127«, b, c-128a, b, c-l29a, b, c gebildet werden, ebenso wie sich der der Sonden 130, 131 132, 133, 134 addiert.

Die Verbindungen zwischen den Quellenschichten der fünf Rhomben, die den Aufbau bilden, werden durch Metallisierung oberhalb der Siliziumschicht hergestellt. Diese Oberflächen der Quelle werden durch die feinschraffierten Flächen 135,136,137,138 und 139, die untereinander verbunden sind, dargestellt. Durch die groben Schraffierungen sind die Metallüberzüge dargestellt, die den peripheren Leitungsrahmen der Rhomben 126 bis 129, die Arme 131 bis 134 der lateralen Rhomben, den peripherischen Leitungsrahmen des Zentralen Rhombus 125 und die Arme 130 des letzteren bedecken. Man erkennt, daß der Metallüberzug des Rahmens und der A.rme ausgespart ist, um die Verbindungen zwischen den Quellenpberflächen 135 bis 139 hindurchführen zu können. Der Zusammenhang der Leitungen wird jedoch durch eindiffundierte und durch Siliziumoxid überdeckte Bänder gewährleistet, was durch Graufärbung der in Fig. 13 sichtbaren Stellen wiedergegeben wird.

Im folgenden werden die allgemeinen Merkmale bezüglich der Dimensionierung und der elektrischen Größen mehrerer Ausführungen von unipolaren und bipolaren Gridistoren gemäß Fig. 13 gegeben.

A) - Unipolarer Gridistor zur Verstärkung sehr hoher Frequenzen

Oberfläche 0,5 mm-

KanaldurchmesseraufderSchmalseite = 2 μ

Kanalmittenabstand == 7 μ

Anzahl der Kanäle =10 000

Stärke des Gitters ~ 4 μ

Stromleitung = 1 A

Steilheit = o,5 mho

Ausgangsleistung als A-Verstärker = 1 GHz

bei = 5 W

B) - Bipolare Gridistoren großer Leistung
Oberfläche ~ 2 cm²
KanaldurchmesseranderSchmalseite « 20 μ

Ranalmittcnabstancl

Anzahl der Kanäle

Gitterstärke

Gitterspannung

Nennstfom

Schaltleistung

Schaltzeit

~ 1OO μ
= 20 000
= 30 μ
= IO V
= 200 A
= 200 A
< K) μ sec.

zulässige Wicdcrhcfstellürigsspannufig 500 V
Spannung im Spcrrzusland 1000 V

Diese beiden Baüförmen sind mit der oben beschriebenen Technik der Diffusion und epitaxialcr Ablagerung zu verwirklichen. Duich weitere Verfeinerung bei der Festlegung des Gitters kann man die Leistungen noch weiter verbessern. Andererseits können durch Anwendung neuester Verfahren, die sich derzeit in Entwicklung befinden, wobei Halblciterdoticrungen durch Ionenbeschuß erfolgen, wodurch es möglich ist, eine lonenmaske sehr großer Genauigkeit festzulegen, welche Technik Ionenimplantation genannt wird, noch größere Leistungen erreicht werden, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird.

Es soll nun der spezifische Widerstand der Niederschlagschicht 1 bzw. der epitaxialen Schicht 3 untersucht werden. Bei allen aufgezeigten Beispielen von Gridistoren wird die Leitung auf dem Träger und die Quelle auf der epitaxialen Schicht gebildet. Um für diesen Fall die Eingangskapazität Quelle-Gitter zu verkleinern, ist es von Vorteil, für die epitaxiale Schicht 3 einen spezifischen Widerstand zu wählen, der höher als derjenige der Trägerschicht 1 ist. So kann man z. B. für die Trägerschicht einen spezifischen Widerstand von 2 Ohm ■ cm und für die epitaxiale Schicht einen spezifischen Widerstand von 4-fi Ohm · cm vorsehen.

Daraus ergeben sich zwei Folgen. In erster Linie wird die Kapazität Gitter-Quelle beträchtlich reduziert, da sie ungefähr umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des spezifischen Widerstandes ist. In zweiter Linie wird die Charakteristik des Sältigungsstromes verbessert; Fig. 14 veranschaulicht dieses offensichtlich überraschende Ergebnis. In der Tat stimmt es, daß sich das Profil der Diffusion des Gitters überhaupt nicht ändert, sondern im Gegensatz dasjenige der Kanäle, das durch die Raumladungszone des pn-Übergangs zwischen dem Gitter und dem Kanal ziemlich weitgehend modifiziert, wie es die Linien von Fig. 14 zeigen, für einen speziellen Fall, der durch die folgenden Parameter charakterisiert ist:

spez. Widerstand des Trägers	1	,5	Ohm	• cm
spez. Widerstand der epitaxialen	2		Ohm	■ cm
Schicht		μ
theoretischer Kanaldurchmesser	2	μ
Dicke des Gitters	3

In dieser Zeichnung zeigen die beiden Halbkreise als feine Linien 55 die theoretische Gestalt des Kanals in einer durch seine Achse gelegten Ebene, nachdem die Raumladung durch eine Gegenpolarisation des Gitters aufgehoben worden ist, indem die Potentialschwelle des pn-Übergangs kompensiert worden ist: sie hat die Form eines Kreises. Die dick ausgezogene Linie 57 zeigt die Form bei Abwesenheit jeglictier Polarisation unter Berücksichtigung der natürlichen Raumladung des pn-Übergangs. Die unterbrochene Linie 56 entspricht für den in der epitaxialen Schicht

gelegenen Teil des Kanals dem PaII, bei dem der spezifische Widersland dieser Schicht demjenigen des Prägers entspricht. Das erlaubt die erhaltene Verbesserung abzuschätzen. Man sieht, daß dann wie im letzten Fall, gleicher spezifischer Widerstand beiderseits der Mittellinie vorausgesetzt, das Profil des Kanals auf beiden Seiten plötzlich ausgeweitet ist, was für den Sättigungsprozeß nachteilig ist, im Gegensatz zum Fall, bei dem sich das Profil stark dem eines stumpfen Kegels mit relativ kleinem Scheitelwinkel nähert, von dem man in dem deutschen Patent 1 066667 die Vorteile hervorgehoben hat.

Es dürfte aber interessant sein, so wie es gezeigt wird, gleichzeitig die Anordnung der Quellen- und Ableitungselektroden umzukehren, ebenso wie die Werte der spezifischen Widerstände, der an diese beiden Elektroden angrenzenden Schichten. Dieses wird in Verbindung mit den Fig. 15 und 16 gezeigt.

Fig. 15 zeigt die Ansicht eines elementaren Kanals 37, der von der Quellenelektrode 39 zu der Ableitungselektride 36 verläuft und von einer Gittermasche 34 umgeben ist. Die Raumladungen 89, die das Profil des Kanals bestimmen, werden durch den Feldeffekt hervorgerufen, der durch die zwischen der Quellenelektrode 39 und der Ableitungselcktrode 36 angelegten Spannung erzeugt wird, wobei das Gitter galvanisch mit der Quelle verbunden ist.

Ein derartiger Aufbau kann im wesentlichen durch das Ersatzschaltbild entsprechend Fig. 16 dargestellt werden, wobei die Widerstände 9I₁, 9I₂, 91 „ 9I₄, 91,, $l_ft entsprechend der Kanallänge 37 verteilte Widerstände sind, die Werte aufweisen, die von dem Quellcnendezum Ableitungsende hin als Folge der Verengung des Kanalabschnittes anwachsen, wobei dieses Anwachsen des linearen Widerstandes durch die Verringerung der Beweglichkeit der Ladungsträger in Abhängigkeit des elektrischen Feldes in den Teilen des Kanals, wo dieses Feld besagten kritischen Wert überschreitet, noch beträchtlich ausgeprägter ist.

Die Kapazitäten 92„ 92₂, 92„ 92₄, 92,, 92„ sind verteilte Kapazitäten der Raumladungen 89 zwischen der Gittermasche 34 und dem Kanal 37, die umgekehrt von dem Quellenende zum Ableitungsende hin abfallende Werte aufweisen. Die Reihenwiderstände 531, 93₂, 93,, 93₄, 93_S, 93„ endlich repräsentieren die Widerstände, die gleichermaßen über den Gitterkörper zwischen dem Gitterkontakt und dem in Betracht gezogenen Teil des Kanals vom Quellencnde zum Ableitungsende hin verteilt sind, d. h. der Widerstände des Gitterrandes, so wie sie in Fig. 15 gezeigt sind.

¹S Die Signalquelle, die zwischen der Quelle 39 und dem Hauptkontakt des Gitters 94 vor dem Widerstand des Gitterkörpers liegt, ist mit der ßezugsziffer 95 bezeichnet.

Beim Prüfen des Aufbaus von F i g. 16, der den wei»

I» ter unten folgenden Präzisicrungen Rechnung trägt, bemerkt man, daß man zur Verringerung der Zeitkonstanten des Signals, das zwischen dem Gitter und der Quelle eingegeben wird, bei gegebenem Widerstand und gegebener Kapazität 92 nicht nur hier, son-

ΙΪ dem ganz allgemein bestrebt sein muß, die Störwiderstände 93,, 93,... am Anfang der Kette zu verringern, da sie den Kapazitäten 92,, 92,... relativ stark und den Widerständen 91,, 91,... relativ schwach zugeordnet sind.

2b Bei der derzeitig angewandten Fabrikationstcchnik des Gridistoraufbaus wird das Gitter zuerst in die Schicht 1 eindiffundiert mit darauffolgendem Einbringen einer äußeren Quelle des einzudiffundierenden Elementes, anschließend werden die derart angc-

2) reicherten Verunreinigungen durch thermische Einwirkung gleichzeitig in der Schicht 3 und in der Schicht 1 wieder verteilt, ohne neuerliche Einbringung einzudiffundierender Elemente.

Die Verunreinigungsmenge, die zuvor in dieser

in Schicht angehäuft worden ist, spielt jetzt die Rolle einer internen Quelle des einzudiffundierenden Elementes; man erkennt leicht, daß der Widerstand des Gitterkörpers, der in dieser Schicht eingeschlossen ist, notwendigerweise viel schwächer ist als derjenige des Gitterkörpers, der in der Schicht 3 eindiffundiert ist. Daraus folgt das Interesse, die Möglichkeit zu besitzen, den Quellenbereich in die Schicht 1 in Verbindung mit dem überdotierten Teil 2 dieser Schicht zu legen und in Wechselbeziehung damit stehend den

w Ableitungsbereich der Schicht 3 - speziell für Anordnungen von relativ großer Oberfläche bei Gridistoren für hohe Frequenz - und so wie hier aus Gründen, die schon im einzelnen dargelegt worden sind, den spezifischen Widerstand der Schicht 1 wenigstens

■n gleich oder vorzugsweise größer als den von Schicht 3 zu machen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Mehrkanalfeldeffekthalbleitervorrichtung mit einem Plättchen aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps, das einen Quellenbereich und einen Ableitungsbereich aufweist, einem im Innern des Plättchens angeordneten, eindiffundierten Gitter eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das eine Vielzahl von leitenden Kanälen umgrenzt, ferner mit einer eindiffundierten Oberflächenschicht, die in Ohmschem Kontakt mit dem Randbereich des Gitters steht und diesen überdeckt, dadurch ge ken η ze ich η et, daß das Gitter (34, 44) von Kanälen freie Arme (30, 40, 72, 84, 130 bis 134) aufweist, die vom Randbereich (35, 45, 126a bis 126c, 127a bis 127c, 128a bis 128c, 129a bis 129c) bzw. von einem 2entralen Bereich (59, 83) ausgehen und nach innen bzw. nach außen verlaufen, daß ferner die Arme (30, 40, 72, 84. 130 bis 134) von der in Ohmschem Kontakt an it ihnen stehenden eindiffundierten Oberflachenschicht (38) überlagert sind.

2. Mehrkanalfeideffekthalbleitervorrichtung nach Anspruch 1 ,dadurchgekennzeichnet, daß der Randbereich (35, 45, 126a bis 126c, 127a bis 127c, 128a bis 128c, 129a bis 129c), der Mittelbereich (59, 83) sowie die A/me (30, 40, 72, 84, 130 bis 134) teilweise in das Plättchen (1) und teilweise in eine den Quellenbereich oder den Ableitungsbereich (36, 46) bildende epitaxiale Schicht (3) eindiffundiert sind.

3. MeI: kanalfeldeffekthalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (38) auf einem Teil ihrer Oberfläche mit einer Isolierschicht (53) und auf ihrer gesamten Oberfläche mit einer Metallschicht (54) überzogen ist.