DE2300116A1 - Hochfrequenz-feldeffekttransistor mit isolierter gate-elektrode fuer breitbandbetrieb - Google Patents

Hochfrequenz-feldeffekttransistor mit isolierter gate-elektrode fuer breitbandbetrieb

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Description

Dipl.-Ing. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · Aoaa Düsseldorf 3D : Cecilienallee 76 · Telefon 43273a
2. Januar 1973
28 081 B 2300116
RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza,
New York, N0Y0 10020 (V.St.A.)
»Hochfrequenz-Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode für Breitbandbetrieb»
Die Erfindung betrifft Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode für Hochfrequenzbetrieb (z.B. UHF-Betrieb)„
Feldeffekt-Transistorbauteile mit isolierter Gate-Elektrode, insbesondere MOS-Bauteile (Metalloxid-Halbleiter) mit doppelter Gate-Elektrode, können mit relativ guter Verstärkungsleistung bei Frequenzen in der Größenordnung bis zu 2 GHz betrieben werdeno Es sind Bauteile bekannt, die Leistungsverstärkungen von etwa 18-20 dB mit Rauschfaktoren von 3 - 3,5 dB bei 1 GHz zeigten. Das für diese bekannten Bauteile charakteristische Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt liegt jedoch so, daß die Bandbreite, wenn sie bei brauchbar hohen Verstärkungsniveaus betrieben werden, eng war, d„he kleiner als etwa 30 MHz.
Auch andere Ausgestaltungen von Feldeffekttransistoren für Hochfrequenz sind bekannt. Bei jeder solchen Ausge-' staltung ist ein Merkmal oder mehrere Merkmale auf gute Hochfrequenzleistung optimiert. So ist der Transistor beispielsweise bei einer ersten Ausgestaltung in einer epitaktischen Schicht auf einem hochleitenden Substrat gebildet, um den Drain-Source-Belastungswiderstand zu
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fu
verringern. Bei einer zweiten Ausgestaltung werden Doppel-Gate-Bauelemente verwendet, die niedrige Drain-Dioden-Kapazität zeigen. Bei einer dritten Ausgestaltung ist unter einem Drain-Bindeglied eine Abschirmschicht zur Verringerung der Auswirkung der Drain-Kapazität vorgesehen.
Erfindungsgemäß wird ein Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode für Hochfrequenzbetrieb vorgeschlagen, der gekennzeichnet ist durch ein halbleitendes Substrat eines ersten Leitungstyps, sowie durch Ein- * richtungen in und auf dem Substrat zur Bildung einer Vielzahl von Feldeffekttransistor-Einzelbauelementen mit isolierter Doppel-Gate-Elektrodeβ Jedes Einzelbauelement weist eine Source-Zone, eine erste Kanalzone, eine mittlere Source-Drain-Zone, eine zweite Kanalzone, eine Drain-Zone, eine erste isolierte Gate-Elektrode im Anschluß an die erste Kanalzone und eine zweite isolierte Gate-Elektrode im Anschluß an die zweite Kanalzone auf. Außerdem sind Einrichtungen zur parallelen Zusammenschaltung der einzelnen Source-Zonen, der Drain-Zonen und der ersten und zweiten Gate-Elektroden der Einzelbauelemente vorgesehen. Die Verbindungseinrichtungen weisen wenigstens eine eindiffundierte leitende Zone mit einem dem Substrat entgegengesetztem Leitungstyp auf, wobei die eindiffundierte Zone im Substrat liegt, mit diesem einen PN-Übergang bildet und von einer Stelle in der Nähe des Außenumfangs des Substrats zu Punkten in unmittelbarer Nachbarschaft jedes Einzelbauelements verläuft. Die zweite Gate-Elektrode jedes Einzelbauelements ist an der eindiffundierten leitenden Zone angeschlossene
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des in Fig. 1 gezeigten Bauteils, wobei Einzelheiten des Doppel-Gate-Einzelbauelements gezeigt sind;
Fig, 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3 - 3 in Fig. 2;
Figo 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4 - 4 in Fig. 2; und
Fig«, 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5 - 5 in Fig. 2.
Ein Feldeffekttransistor 10 mit isolierter Gate-Elektrode, der aus einer Vielzahl von MOS-Einzelbauelementen 12 mit Doppel-Gate-Elektroden aufgebaut ist, ist in Figo 1 gezeigt. Wie im folgenden noch erläutert wird, weist jedes Einzelbauelement 12 Merkmale auf, die es in die Lage versetzen, beispielsweise als Verstärker bei relativ hohen Maximalfrequenzen zu arbeiten« Die Bandbreite, über die eines dieser Bauelemente mit brauchbarer Verstärkung arbeitet, ist jedoch relativ begrenzte
Eine gebräuchliche Gütekennzahl für ein Verstärkerbauteil, die bei Vakuumröhren, Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode anwendbar ist, ist das Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt, das dem Gegenwirkleitwert des Bauteils direkt proportional und der Ausgangs-Belastungskapazität umgekehrt proportional ist« Eine gute Herleitung dieser Zusammenhänge ist in "Electronics", John Wiley und Söhne, New York, 1954, Seiten 292 bis 294 gegeben.
Beim erfindungsgemäßen Bauteil kann eine Vielzahl von
Einzelbauelementen derart parallel geschaltet werden, daß der Gesamtgegenwirkleitwert des Bauteils im wesentlichen ohne proportionales Ansteigen der Ausgangskapazität erhöht wird," wodurch das Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt größer wirde Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind acht solcher Einzelbauelemente 12 vorgesehen, obwohl abhängig vom Gegenwirkleitwert jedes Einzelbauelement 12 und dem erforderlichen Gesamtgegenwirkleitwert des Bauteils 10 auch mehr oder weniger solcher "Einzelbauelemente verwendet werden können.
Das Bauteil 10 weist ein Substrat 14 aus halbleitendem Material, üblicherweise Silizium, auf, welches aus einem relativ hochleitenden Körper 16 eines Leitungstyps - im vorliegenden Fall ist er p+-leitend - hergestellt ist. Das Substrat 14 weist ferner eine auf dem Körper 16 niedergeschlagene epitaktische Schicht 18 auf«, Die epitaktische Schicht hat den gleichen Leitungstyp, jedoch geringere Leitfähigkeit wie der Körper 1.6. Die Größe des Substrats 14 ist nicht kritisch und wird weitgehend von der gewählten Anzahl von Einzelbauelementen 12 bestimmt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das acht Einzelbauelemente aufweist,' kann das Substrat 14 etwa 0,508 mm χ 0,66 mm groß sein. Die Dotierstoffkonzentrationen im Körper 16 und der epitaktischen Schicht 18 sowie die Dicke dieser Elemente sind ebenfalls nicht kritisch und werden in bekannter Weise gewählte Der Körper kann einen spezifischen Widerstand von beispielsweise zwischen 0,01 und 0,05 ac cm haben, während die epitaktische Schicht 18 einen spezifischen Widerstand von etwa 1O-Q cm hat. Die Dicke des Körpers 16 kann etwa 50 /Jm und die Dicke der epitaktischen Schicht etwa 7,6 U m betragen»
Auf der epitaktischen Schicht 18 ist eine Schicht aus isolierendem Material 20 niedergeschlagen, welche die verschiedenen PN-Übergänge des Bauteils schützt und
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einen isolierten Träger für in an sich bekannter Weise niedergeschlagene metallische Leiter Mldet. Die isolierende Schicht 20 weist Öffnungen 22 an vorbestimmten Stellen auf, durch die es möglich wird, Kontakt am Material der epitaktischen Schicht 18 herzustellen.
Die räumliche Anordnung der Elemente des erfindungsgemäßen Bauteils ist derart, daß eine relativ große Kanalbreite zur Erzielung eines relativ hohen Gegenwirkleitwerts vorgesehen ist, während die Drain-Dioden-Fläche nicht unnötig groß gemacht wird. Ein typisches Einzelbauelement ist in Fig. 2 in Draufsicht und in den Fig. 3, 4 und 5 im Schnitt gezeigt. Jedes Einzelbauelement weist eine nleitende Source-Zone 24, eine n+-leitende Source-Kontaktzone 25, eine η-leitende Drain-Zone 26 und eine ^-leitende Drain-Kontaktzone 27 auf, die sämtlich durch an sich bekanntes Diffundieren von die Leitfähigkeit ändernden Dotierstoffen in die epitaktische Schicht 18 gebildet sind. Das Bauelement 12 weist auch eine mittlere Source-Drain-Zone 28 auf, welche den Zwischenraum zwischen der Source- und der Drain-Zone 24 und 26 in eine erste Kanalzone 30 und eine zweite Kanalzone 31 unterteilt. Eine erste isolierte Gate-Elektrode 32, die als niedergeschlagener Leiter ausgebildet sein kann, überdeckt die erste Kanalzone 30 und ist von dieser durch eine relativ dünne Isolierschicht 33 getrennt. In ähnlicher Weise bedeckt eine zweite isolierte Gate-Elektrode 34 die zweite Kanalzone und ist von ihr durch eine dünne Isolierschicht 35 getrennt.
Das Bauteil 10 weist Einrichtungen zum parallelen Zusammenschalten der Einzelbauelemente 12 auf, und zwar derart, daß die Gegenwirkleitwerte der Einzelbauelemente sich im Effekt addieren. Die verschiedenen Source-Kontaktzonen 25 werden durch in den Fig. 3 und 5 gezeigte Elemente mit dem Körper 16 verbunden. Insbesondere ist im Anschluß an jede Source-Zone 25 eine p+-leitende eindiffundierte Zone 36
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vorgesehen, die sich durch die gesamte epitaktische Schicht 18 erstreckt und Kontakt mit dem Körper 16 hat. Metallische Schichten 38 (Fig. 1, 2 und 5) sind auf der Oberfläche der epitaktischen Schicht angeordnet und schließen die Source-Kontaktzonen 25 und die p+-leitende Zone 36 kurz, so daß die Source-Kontaktzonen 25 am Körper 16 angeschlossen sind. Eine Metallschicht 40 auf der Rückseite des Körpers 16 dient zum Anschluß der verschiedenen Source-Zonen an äußere Schaltungen.
Die verschiedenen ersten Gate-Elektroden 32 der Einzelbauelemente 12 sind durch auf der isolierenden Schicht 20 niedergeschlagene Leiter 42 miteinander verbunden. Die Leiter 42 verlaufen von jeder ersten Gate-Elektrode 32 zu einer Stelle in der Nähe des Umfangs des Substrats 14, an der ein neuartiger Stützleiter 44, der im folgenden, noch näher beschrieben wird, die Leiter 42 miteinander verbindet und der dazu dienen kann, sie an äußere Schaltungen anzuschließen.
Die verschiedenen Drain-Kontaktzonen 27 sind durch niedergeschlagene metallische Leiter 45 gekoppelt, die in ähnlicher ¥eise auf der isolierenden Schicht 20 niedergeschlagen sind und zu Stellen in unmittelbarer Nähe des Umfangs des Substrats 14 verlaufen. Ein dem Stützleiter 44 ähnlicher Stützleiter 46 ist an den Leitern 45 angeschlossen.
Die zweitaa Gate-Elektroden 34 der Einzelbauteile 12 sind über eine in die epitaktische Schicht 18 eindiffundierte und mit dieser einen PN-Übergang 50 (Fig. 3 und 4) bildende Zone 48 miteinander verbunden. Die zweiten Gate— Jilektroden haben, wie in Fig. 4 gezeigt ist, jeweils einen .Anschlußabschnitt 51, der durch eine Öffnung 22 in der isolierenden Schicht 20 hindurchtritt und Kontakt mit einem langgestreckten Abschnitt 52 (Fig. 1)
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■der eindiffundierten Zone 48 herstellt.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind die Einzelbauelemente in zwei Gruppen zu jeweils vier angeordnet; in jeder Gruppe sind die Einzelbauelemente symmetrisch zu beiden Seiten und in enger Nachbarschaft des langgestreckten Abschnitts 52 der eindiffundierten Zone 48 angeordnet. Wie weiter aus Fig. 1 hervorgeht, verläuft der Drain-Verbindungsleiter 45 in gleicher Richtung wie der Abschnitt 52 der eindiffundierten Zone 48 in Längsrichtung und liegt auf diesem Abschnitt. Der Drain-Verbindungsleiter weist weiterhin quer verlaufende Abschnitte 53 auf, die über Öffnungen 22 in der isolierenden Schicht 20 Kontakt mit den verschiedenen Drain-Kontaktzonen 27 herstellen, wie am besten aus Fig. 3 hervorgeht. Der weitaus größte Teil der Drain-Verbindungsleiter 45 liegt auf der eindiffundierten Zone 48. Die eindiffundierte Zone 48 verläuft außerdem bis zu einem Bereich in der Nähe des Umfangs des Substrats 14, wo sie durch einen Stützleiter 54 kontaktiert ist.
Die Verbindung der zweiten Gate-Elektrode 34 über die eindiffundierte Zone 48 vereinfacht das andernfalls komplizierte Problem der Verbindung der Einzelbauelemente Die eindiffundierte Zone 48 dient auch zur Bildung einer zwischen den darüberliegenden Drain-Verbindungsleitern 45 und dem Material der epitaktischen Schicht 18 in Reihe liegenden Kapazität, so daß die Drain-Verbindungsleiter 45 abgeschirmt sind. Zu diesem Zweck sollte der PN-Übergang 50 eine möglichst große Fläche besitzen. Die Zone 48 und der,PN-Übergang 50 haben außerdem einen kapazitiven Nebenschluß zur Erde für Hochfrequenzsignale, die an die zweiten Gate-Elektroden 34 angekoppelt sind. Wegen der Nähe der Zone 48 zu den Einzelbauelementen 12 beeinträchtigt der Widerstand der Zone 48 das Hochfrequenzverhalten des Bauteils nicht nachteilig«
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Die Stützleiter 44 und 46 sind in bekannter Weise hergestellt, haben jedoch eine neuartige Konfiguration, die in Fig«, 1 dargestellt ist«, Der Stützleiter 44 weist beispielsweise Abschnitte 56 auf, die an den ersten Gate-Verbindungsleitern 42 anliegen und über den Rand des Substrats 14 vorstehen,, Die vorstehenden Abschnitte 56 sind durch Verbindungsabschnitte 58 miteinander gekoppelt, die in der gezeigten Weise Abstand vom Rand des Substrats 14 haben. Eine Anschlußfahne 60 dient zum Anschluß des Stützleiters 44 an äußere Leiter, beispielsweise einen Bandleiter,, Der Stützleiter 46 ist in ähnlicher Weise aufgebaut. Er weist vorstehende Abschnitte 62 auf, die durch vom Rand des Substrats 14 entfernt verlaufende Abschnitte 64 verbunden sind. Der Stützleiter 46 weist ebenfalls eine Anschlußfahne 66 auf. Bei beiden Stützleitern 44 und 46 dient der Abstand der Verbindungsabschnitte vom Rand des Substrats zur Sicherstellung einer relativ niedrigen Kapazität zwischen diesen Stützleitern und dem Substrat 14„
Der Bauteil kann im allgemeinen als Verstärker in üblichem Source-Betrieb verwendet werden, bei dem der Leiter 40 an Erde angeschlossen ist. Der Stützleiter 54 ist dann an einer Gleichstromquelle angeschlossen, so daß ein Gleichstrom-Vorspannungspotential an den zweiten- Gate-Elektroden 34 liegte Der Stützleiter 44 stellt den Eingang des Bauteils dar; an diesem Leiter wird das zu verstärkende Hochfrequenzsignal angelegt. Am Stützleiter 46 wird eine Arbeitsspannung angelegt; dieser Stützleiter dient auch als Ausgang,
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Claims (1)

  1. RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York,N.Y. 10020 (V.St.A.)
    Patentansprüche;
    / 1.j Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode für Hochfrequenzbetrieb, gekennzeichnet durch ein halbleitendes Substrat eines ersten Leitungstypsj eine Vielzahl von Feldeffekttransistor-Einzelbauelementen (12) in und auf dem Substrat mit isolierter Doppel-Gate-Elektrode, von denen jedes eine Source-Zone (24), eine erste Kanalzone (30), eine mittlere Source-Drain-Zone (28), eine zweite Kanalzone (31), eine Drain-Zone (26), eine erste isolierte Gate-Elektrode (32) im Anschluß an die erste Kanalzone (30) und eine zweite isolierte Gate-Elektrode (34) im Anschluß an die zweite Kanalzone (31) aufweist; und durch Einrichtungen zur parallelen Zusammenschaltung der einzelnen Source-Zonen (24), der Drain-Zonen (26) sowie der ersten und zweiten Gate-Elektroden (32, 34) der Einzelbauelemente (12), wobei die Einrichtungen im Substrat wenigstens eine eindiffundierte leitende Zone (36) von dem dem Substrat (14) entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen, so daß ein PN-Übergang zwischen der leitenden Zone (36) und dem Substrat (14) gebildet ist, die eindiffundierte Zone (36) von einer Stelle in der Nähe des Umfangs des Substrats (14) zu Punkten in unmittelbarer Nachbarschaft jedes Einzelbauelements (12) verläuft, und die zweiten Gate-Elektroden (34) jedes Einzelbauelements (12) an der eindiffundierten leitenden Zone (36) angeschlossen sind.
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    Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (-14) einen Körper (16) aus halbleitendem Material des ersten Leitungstyps relativ hoher Leitfähigkeit und auf dem Körper (16) eine epitaktische Schicht (18) dieses Leitungstyps, jedoch relativ geringerer Leitfähigkeit aufweist,, wobei der PN-Übergang in der epitaktischen Schicht (18) gebildet ist; daß die epitaktische Schicht (18) mit einer Schicht (20) aus isolierendem Material versehen ist, in der an vorbestimmten Stellen Öffnungen (22) gebildet sind, welche einen Anschluß an der epitaktischen Schicht (18) ermöglichen; und daß die Einrichtungen zur Zusammenschaltung außerdem eine leitende Verbindung (eindiffundierte Zone 36) zwischen jeder Source-Zone (24) und dem Körper (16) aus halbleitendem Material aufweisen, wobei auf der isolierenden Schicht (20) wenigstens ein die ersten Gate-Elektroden (32) jedes Einzelbauelements (12) verbindender Leiter (42), der sich zu einer Stelle am Umfang des Substrats (14) erstreckt, und wenigstens ein weiterer Leiter (45) aufgebracht ist, der Öffnungen (22) der isolierenden Schicht (20) durchsetzt, die Drain-Zonen (26) verbindet und sich ebenfalls zu einer Stelle am Umfang des Substrats (14) erstreckt,,
    Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die leitende Verbindung zwischen den Source-Zonen (24) und dem Körper (16) von der eindiffundierten Zone (36) des ersten Leitungstyps in der Nachbarschaft jedes Einzelbauelements (12) gebildet wird, wobei sich die eindiffundierte Zone (36) durch die epitaktische Schicht (18) zum Körper (16) erstreckt, und daß Einrichtungen (z.B. 38) zur 0hm1sehen Verbindung jeder Source-Zone (24) mit der eindiffundierten Zone (36)vorgesehen sind.
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    4. Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der die Drain-Zonen (26) verbindende Leiter (45) im wesentlichen die gesamte eindiffundierte leitende Zone (36) überdeckt.
    5. Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die eindiffundierte leitende Zone (36) einen PN-Übergang von vprbestimmter Fläche bildet, wodurch ein vorbestimmter Kapazitätsbereich entsteht, der von der an den zweiten Gate-Elektroden (34) angelegten Spannung bestimmt wird, wenn der Transistor in einer Schaltung betrieben wird.
    6. Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Abschnitt der eindiffundierten leitenden Zone (36) langgestreckte streifenförmige Konfiguration hat, und daß die Einzelbauelemente (12) in der Nachbarschaft des Streifens symmetrisch auf dessen gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind.
    7. Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet , daß der die Drain-Zonen (26) verbindende Leiter (45) einen langgestreckten Abschnitt aufweist, der im wesentlichen parallel zu dem streifenförmigen Abschnitt der leitenden Zone (36) verläuft und auf dieser liegt, und daß der die Drain-Zonen verbindende Leiter (45) senkrecht zu seinem langgestreckten Abschnitt verlaufende Abschnitte (53) aufweist, die zu mit den Drain-Zonen (26)* Kontakt herstellenden Anschlüssen verlaufen.
    8. Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet
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    durch eine mit dem Körper (16) verbundene Elektrode (40) zum Anschließen der Source-Zonen (24) an äußeren Schaltungen, und durch vom Umfang des Substrats (14) vorstehende Stützleiter (44; 46j 54), die an den die ersten Gate-Elektroden (32) verbindenden Leitern (42), den die Drain-Zonen (26) verbindenden Leitern (45) und der eindiffundierten leitenden Zone (36) angeschlossen sind und den Anschluß von äußeren Schaltungen an den ersten Gate-Elektroden (32), den Drain-Zonen (26) und den zweiten Gate-Elektroden (34) ermöglichen.
    9. Feldeffekttransistor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von die ersten Gate-Elektroden (32) verbindenden Leitern (42) vorgesehen ist, die jeweils am Umfang des Substrats (14) enden, daß der an diesen Leitern (42) angeschlossene Stützleiter (44) eine Vielzahl von vorstehenden Abschnitten (56) aufweist, von denen jeder einen aus der Vielzahl der die ersten Gate-Elektroden verbindenden Leiter (42) kontaktiert, und daß ein die vorstehenden Abschnitte (56) verbindender Abschnitt (58) vorgesehen ist, der vom Umfang des Substrats (14) Abstand hat.
    10. Feldeffekttransistor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von die Drain-Zonen (26) verbindenden Leitern (45) vorgesehen ist, die jeweils am Umfang des Substrats (14) enden, daß der an ihnen angeschlossene Stützleiter (46) eine Vielzahl von vorstehenden Abschnitten (62) aufweist, von denen jeder einen aus der Vielzahl der die Drain-Zonen (26) verbindenden Leiter (45) kontaktiert, und daß der Stützleiter einen die vorstehenden Abschnitte (62) verbindenden Abschnitt (64) aufweist, der mit Abstand vom Umfang des Substrats (14) verläuft.
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DE2300116A 1972-04-10 1973-01-03 Hochfrequenz-Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode für Breitbandbetrieb Withdrawn DE2300116B2 (de)

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