DE2119610A1

DE2119610A1 - Dünnfilm-Leistungs-Feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE2119610A1
Application number: DE19712119610
Authority: DE
Inventors: Derrick J.; Brody Thomas P.; Pittsburgh Pa. Page (V.St.A.). HOIl 19-00
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-05-05
Filing date: 1971-04-22
Publication date: 1971-11-25
Also published as: US3652907A; FR2088351B1; JPS4949274B1; FR2088351A1; GB1342498A

Description

DIPL.-ING. KLAUS NEUBECKER 21

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 19. April 1971

Westinghouse Electric Corporation,
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Dünnfilm-Leistungs-Feldeffekttransistor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dünnfilm-Halbleiterschaltelemente und insbesondere auf einen Dünnfilm-Leistungs-Feldeffekttransistor.

Dünnfilm-Feldeffekttransistoren sind bekannt. Jedoch lassen sich solche Schaltelemente nur zum Schalten kleiner Leistungen einsetzen, bei denen Ströme in der Größenordnung von nicht mehr als Mikroampere auftreten. Versuche, auch größere Leistungen damit zu schalten, sind insofern erfolglos geblieben, als die Schaltelemente dann in räumlicher Hinsicht so groß ausfallen, daß ihr Einsatz in der Praxis Schwierigkeit bereitet, insbesondere die Abfuhr der dabei auftretenden Verlustwärme.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines Dünnfilm-Feldeffekttransistors hoher Leistung.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Dünnfilm-Leistungs-Feldeffekttransistor mit einem elektrisch und thermisch leitenden Substrat, das mindestens an seiner Oberseite eine Lage aus elektrisch isolierendem, thermisch leitendem Material aufweist, die ihrerseits an ihrer Oberseite eine Source-Elektrodenanordnung sowie eine im Abstand davon angeordnete und im Verhältnis dazu verzahnte Drain-

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Telefon (0211) 32 08 58 Telegramme Custopat

Elektrodenanordnung trägt, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Source- und die Drain-Elektrodenanordnung jeweils eine Dickfilm-Source- bzw. -Drain-Elektrode aufweisen, die durch Dünnfilm-Source- bzw. -Drain-Kontakte vollständig abgedeckt sind, und daß an der Source- und der Drain-Elektrodenanordnung sowie mindestens im Bereich des Abstandes zwischen Source- und Drain-Elektrodenanordnung auch an der Lage aus elektrisch isolierendem, thermisch leitendem Material eine Dünnfilm-Halbleiterschicht anliegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines für den Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeigneten Substrats;

Fig. 2 Draufsichten auf das Substrat der Fig. 1 nach Durchführung ⁿ zweier Behandlungsschritte nach der Erfindung;

Fig. 4 schematisch einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß aufgebautes Schaltelement;

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine mit einer Drain-Elektrodenanordnung verzahnte Source-Elektrodenanordnung, mit der gleichzeitig schematisch der Verlauf des Stromflusses in einem Feldeffekttransistor veranschaulicht ist; und

Fig. 6 schematische Schaltbilder eines Feldeffekttransistors, und 7

Im einzelnen zeigt Fig. 1 schematisch die Seitenansicht eines Substrats 10, das sich für den Einsatz in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eignet. Das Substrat 10 kann flexibel, halbstarr oder starr sein und aus einer Metallfolie, Metallband oder einem Metallkörper bestehen und dabei aus Nickel, Aluminium, Kupfer, Zinnmolybdän, Wolfram, Tantal, Beryllium, Silber, Gold-Platin, Magnesium,

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Grundlegierungen aus diesen Stoffen sowie Legierungen auf Eisenbasis hergestellt sein. Aluminium stellt ein besonders gutes Substratmaterial dar. Das Substrat dient als die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors (FET).

Die Stärke des Substrats ist bei der Verwendung einer Metallfolie oder eines Metallbandes an sich zwar nicht kritisch, jedoch liegt eine praktische Minimalstärke bei 200 A.

Mindestens auf der Oberseite 12 des Substrats 10 ist eine Lage 14 aus einem elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Material angeordnet.

Die Lage 14 kann ein Oxid des das Substrat bildenden Metalls wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Titanoxid, Glas wie etwa Bleisilikat, Eleiborat, Bleiborsilikat oder ein Gemisch daraus sowie ausgehärtetes Harz wie etwa Epoxyharz, Silikonharz oder Polyurethanharz sein. Die Harze können bis zu 20 Gew% elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Füllstoff mit einer einer lichten Maschenweite von 0,42 bis 0,30 entsprechenden Körnung wie etwa anodisch oxydierte Aluminiumpartikel oder Berylliumoxidpartikel enthalten.

Vorzugsweise kommt als Material für die Lage 14 Aluminiumoxid in Frage, wenn das Substrat 10 von Aluminium gebildet ist. Dieses Oxid kann dabei durch Plasma-Anodenniederschlag oder aber nassen Anodenniederschlag gebildet werden. Die Lage 14 muß ein dichtes, nicht poröses Oxid sein. Ein besonders geeignetes Verfahren zur anodischen Oxidierung bzw. Eloxierung des Substrats besteht daher darin, das Substrat bei einer Spannung von 40 V 5 Minuten lang in ein Bad mit einer 9 %-igen Chromtrioxidlösung zu tauchen, die dann beispielsweise 72 g Chromtrioxid in 800 ml Wasser enthält.

Für den Leistungs-FET nach der Erfindung soll die Lage 14 eine Dikke von 500 A* bis 4.0O0 8 und vorzugsweise 1.000 A* haben, wenn der FET für einen Betrieb mit 10 V bis 50 V vorgesehen ist. Für eine Betriebsspannung von 300 V ist eine Stärke von etwa 1.000 R und für eine Betriebsspannung von 600 V ist eine Stärke von etwa 2.000 A*

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»rforderlieh.

Entsprechend Fig. 2 sind auf einer Oberseite 20 der Lage 14 eine Source-Elektrode 16 sowie eine Drain-Elektrode 18 angeordnet. Die gegeneinander austauschbaren Elektroden 16 und 18 werden auf die Oberseite 20 in dem einschlägigen Fachmann geläufigerlfeise im Siebdruckverfahren aufgebracht„

Die Elektroden 16 und 18 können aus einem Gemisch von Palladium und Silber, Palladium und Gold oder Gold bestehen. Sie können aus jeder geeigneten Siebdrucklösung aufgebracht werden, die beispielsweise die folgende Zusammensetzung hat:

Bestandteil

Silberpulver 56,4^

Palladiummohr 14,1 L _{?5 Peststo}f_fe

Wismuthoxid 3,0 ( ^7b * Feststoffe

Borsilicatglas 1,5J

Äthylcellulose 3,6 1

-2 Furoinsäure ' 1,6 I _{25 Träcrer}

Butylcarbitolacetat 17,3 ( " * irager

CH₃(CH₂)₈ — < >- 0(CH₂CH₂O)H-ICH₂CH₂OH 2,5J

(n sind Mol Ethylenoxid)

Nach dem Aufbringen der Siebdrucklösung wird das Substrat erhitzt, um den Trägeranteil auszutreiben, so daß die Source- und Drain-Elektroden 16,18 auf der Oberseite 20 zurückbleiben.

Die Source- und Drain-Elektroden 16,18 sind Dickfilme, das heißt Filme mit einer Dicke von 0,0025-0,125 mm. Vorzugsweise haben die Elektrodenschichten des Leistungs-FET nach der Erfindung eine Stärke von 0,025 mm.

Die Dickfilm-Elektroden 16,18 sind selbst noch nicht als Source- und Drain-Kontakte geeignet. Der Abstand zwischen den Source- und Drain-Kontakten bestimmt die Arbeitscharakterisika des FET. Je kürzer der Abstand zwischen Source und Drain, desto größer ist das "Ein-Aus"-Verhältnis des Schaltelementes. Beim Dickfilmverfahren betragen die Toleranzen jedoch 0,05 bis 0,075 mm, so daß die für

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die Herstellung von Source und Drain mit genau eingehaltenen Abständen erforderliche hohe Auflösung nicht gegeben ist. Notwendigkeit und Bedeutung der Dickfilm-Source- und Drain-Elektrode für das erfindungsgemäße Schaltelement werden weiter unten im einzelnen dargelegt.

Entsprechend Fig. 3 sind Source- und Drain-Kontakte 22,24 über der Source- bzw. Drain-Elektrode 16,18 angeordnet. Die Kontakte 22 und 24 schließen die Elektroden 16 und 18 von oben und der Seite her dabei vollständig ein.

Die Kontakte 22 und 24 können aus jedem geeigneten Metall bestehen, das mit einem bestimmten Halbleitermaterial einen ohmschen Kontakt eingeht, wie beispielsweise Gold, Nickel, Silber, Indium, Aluminium sowie Grundlegierungen daraus. Für bestimmte Halbleitermaterialien sind dabei bestimmte Metalle zu bevorzugen, beispielsweise Gold oder Nickel für Tellur, Indium für Cadmiumsulfid oder Cadmiumselenid.

Die Kontakte 22 und 24 sind im Dünnfilmverfahren hergestellt und haben eine Stärke zwischen unter 200 8 und über 1.000 8, wobei die Dicke durch den gewünschten Betriebsstrom bestimmt wird.

Die Dünnfilm-Kontakte 22 und 24 werden unter Verwendung von Metallmasken entsprechend einem Verfahren aufgebracht, wie es in der auf dieselbe Anmelderin zurückgehenden US-Patentanmeldung vom 15.7.1968, Ser.No. 745 039 beschrieben ist. Dieses mit Metallmasken arbeitende Verfahren ermöglicht eine genaue Auflösung und die Einhaltung genauer Abstände zwischen den Source- und Drain-Kontakten. Der Abstand zwischen Source und Drain in einem FET wird als Kanal bezeichnet und bestimmt die Größe des Stroms, die ein solcher FET führen kann. In grober Näherung gilt, daß für 10 mA Strom eine Kanalbreite von 1 mm erforderlich ist. Ein für eine Stromstärke von 1 A ausgelegter FET erfordert daher eine Kanalbreite von 10 cm, die durch verzahnte Anordnung von Source und Drain auf eine Fläche von 1,6 cin^ zusammengedrängt werden kann.

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MLt Fig. 4 ist in einer Schnittdarstellung wiedergegeben, wie entsprechend dem bereits erwähnten Verfahren nach der US-Patentanmeldung Ser.No. 745 039 unter Verwendung einer Metallmaske eine Schicht 26 aus Halbleitermaterial auf die Oberseite 20 der Lage 14 sowie die Source- und. Drain-Kontakte aufgebracht werden kann. Der wesentliche und kritische Bereich des Halbleitermaterials liegt zwischen jeweils benachbarten Source- und Drain-Kontaktfingern.

Die Schicht 26 kann aus einem Halbleitermaterial bestehen, das entweder p- oder aber η-leitend ist, wie etwa Tellur (p-leitend), Bleitellurid (p- oder n-leitend), Cadmiumsulfid (n-leitend), Cadmiumselenid (n-leitend) , Indiimarsenid (n-leitend) , Galliumarsenid (n-leitend) oder Zinnoxid (n-leitend). Die Schicht 18 kann einkristallin, vielkristallin oder amorph sein.

Die Stärke der Schicht 26 aus Halbleitermaterial kann zwischen einem mittleren Wert von etwa 40 8 und etwa 130 8 für Tellur liegen und dabei für Materialien mit hohen Widerstandswerten wie Cadmiumsulfid bis zu 2.000 8 betragen. Der so hergestellte FET ist ein Leistungs-FET.

Der FET kann dann gegenüber der Umgebungsluft noch durch eine Lage 28 aus einem im wesentlichen luftdichten elektrisch isolierenden Material wie etwa Aluminiumoxid oder ein Epoxyharz dicht abgeschlossen werden, die den gesamten Aufbau umschließt.

Die Fähigkeit des FET nach der Erfindung, gegenüber einem ausschließlich als Dünnfilm-FET aufgebauten Schaltelement auch Leistungen beherrschen zu können, wird anhand von Fig. 5 verständlich, die eine miteinander verzahnte Dünnfilm-Source- und Drain-Elektrode zeigt. Der Strom tritt in die Source-Elektrode an der Stelle A ein und verläßt die Drain-Elektrode bei B. Der Strom fließt damit in die einzelnen Finger der Source-Elektrode (wie mit den Pfeilen angedeutet) , durch den zwischen Source- und Drain-Elektrode sich erstreckenden Kanal und anschließend in die Drain-Elektrode.

Wenn die Länge der Finger beispielsweise etwa 2,5 cm beträgt, so

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ist di^ Dichte des Stroms an der Stelle C, wo die einzelnen Finger ihren Ansatz haben, groß und damit auch der Spannungsabfall zwischen der Stelle C und einer Stelle E groß. Der große Spannungsabfall führt zu einer negativen Rückkopplung und zu einer Verringerung der Verstärkung des Schaltelementes. Diese Verhältnisse sind in Fic. 6 mit einem schematischen Schaltbild eines FET veranschaulicht, wo der Spannungsabfall, zwischen den Stellen C und E durch einen Widerstand 40 in der Zuleitung zu der Drain-Elektrode des FET wiedergegeben ist.

Das Problem eines hohen Spannungsabfalls in den Fingern der Source- und Drain-Elektrode wird durch die vorliegende Erfindung dadurch gelöst, daß Dickfilm-Source- und Drain-Elektroden Verwendung finden. Die verhältnismäßig große Filmstärke sorgt dafür, daß der Strom auf seinem Weg durch die Finger einen niedrigen Widerstand vorfindet. Die sich dadurch ergebenden Verhältnisse sind mit Fig. 7 veranschaulicht, in der der Einfluß der Dickfilm-Elektroden durch einen Nebenschluß 42 zu dem Widerstand 40 angedeutet ist.

Die Dickfilm-Elektroden des FET nach der Erfindung ermöglichen die Führung von Strömen von 10 A bei Spannungen von 10 V bis 50 V.

Durch Befestigung des Substrats 10 an einem Kühlkörper oder auch durch unmittelbares Herstellen des Schaltelementes auf der Oberfläche eines Kühlkörpers kann eine Spitzenleistung von 200 W beherrscht werden.

Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung können die Lage aus Halbleitermaterial unmittelbar auf der Lage 14 und die Source- und Drain-Elektroden und -kontakte auf der Lage aus Halbleitermaterial angeordnet werden.

Patentansprüche;

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Claims

- 8 Patentansprüche :

Dünnfilm-Leistungs-Feldeffekttransistor mit einem elektrisch und thermisch leitenden Substrat, das mindestens an seiner Oberseite eine Lage aus elektrisch isolierendem, thermisch leitendem Material aufweist, die ihrerseits an ihrer Oberseite eine Source-Elektrodenanordnung sowie eine im Abstand davon und im Verhältnis dazu verzahnte Drain-Elektrodenanordnung trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Source- und die Drain-Elektrodenanordnung (16,22;18,24) jeweils eine Dickfilm-Source- bzw. -Drain-Elektrode (16,18) aufweist, die durch Dünnfilm-Source- bzw. -Drain-Kontakte (22,24) vollständig abgedeckt sind_? und daß -ain an der Source™ und der Drain-Elektrodenanordnung sowie mindestens im Bereich des Abstandes zwischen Source- und Drain-Elektrodenanordnung auch an der Lage (14) aus elektrisch isolierendem, thermisch leitendem Material eine Dünnfilm-Halbleiterschicht (26) anliegt.
2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) aus Aluminium und die Lage (14) aus elektrisch isolierendem, thermisch leitendem Material aus Aluminiumoxid besteht.
3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (26) sich über der Source- und Drain-Elektrodenanordnung befindet.
4. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (26) sich unmittelbar auf der Lage (14) aus elektrisch isolierendem, thermisch leitendem Material und die Source- und Drain^Elektrodenanordnung sich auf der Dünnfilm-Halbleiterschicht (26) befinden.
5. Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Source- und Drain-Elektroden (16,18) eine Stärke zwischen 0,0025 und 0,125 mm und die Source- und Drain-Kontakte (22,24) eine Stärke von 200 8 bis

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1.000 Ä haben.
6. Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs- und der Ausgangsstrom durch Anordnung der Dickfilm-Source-Elektrode (16) sowie der Dickfilm-Drain-Elektrode (18) unter den Dünnfilm--Source- und -Drain-Kontakten (22,24) über einen elektrischen Nebenschluß (42) zu dem elektrischen Widerstand des Dünnfilm-Source- und -Drain-Kontaktes (22,24) geführt ist.

KN/hs 3

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