DE2424204C2

DE2424204C2 - Feldeffekttransistor und Schaltung damit

Info

Publication number: DE2424204C2
Application number: DE19742424204
Authority: DE
Inventors: Takashi Nishinomiya Hyogo Kitsuregawa; Jun-Ichi Sendai Miyagi Nishizawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Semiconductor Research Foundation
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Semiconductor Research Foundation
Priority date: 1973-05-19
Filing date: 1974-05-17
Publication date: 1984-07-12
Also published as: NL161303B; CA1010155A; DE2424204A1; NL161303C; GB1475124A; JPS5525506B2; NL7406670A; FR2230080A1; JPS5012988A; FR2230080B1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Feldeffekttransistoren und auch andere Halbleiterbauelemente sollten oft eine möglichst geringe Größe bei gleichzeitig möglichst hoher Genauigkeit ihrer Abmessungen besitzen. Solche Halbleiterbauelemente haben gewöhnlich nur auf der einen Seite eines Substrats ausgebildete Elektroden. Infolgedessen kann nur eine begrenzte Anzahl von Elektroden auf einer vorbestimmten Oberfläche untergebracht werden. Mit andcren Worten: Es ist bisher unmöglich, mehr als eine vorbestimmte Anzahl von Elektroden auf einer vorbestimmten Oberfläche anzuordnen. So werden bei integrierten Schaltkreisen bisher kaum Feldeffekttransistoren für hohe Frequenzen benutzt, da sich die Kapazitäten zwischen den Elektroden bei zunehmender Verkleinerung des Abstands zwischen den Elektroden erhöhen.

Zur Beseitigung dieser Mangel ist bereits angeregt worden, einen Halbleiterbereich mit hoher Fremdatomkonzentration in das Substrat einzubetten und auf diese Weise die Elektroden nicht nur auf der Oberfläche des Substrats, sondern auch in dessen Innerem anzuordnen. Die dadurch entstehende Kapazität läßt die Eingangsimpedanz bei hohen Frequenzen sehr niedrig werden, was von einer Verringerung der Grenzfrequenz beglei- w) tet ist. Diese Verminderung der Eingangsimpedanz und mithin der Grenzfrequenz tritt bei integrierten Schaltkrci'.en besonders deutlich zutage. Infolgedessen werden solche Halbleiterbauelemente mit eingebetteten 1 lalbioiierbereieheii hoher Fremdstoffkonzentration h"> kaum bei hohen 1-rcquenzen angewandt.

^A']s IU.I! Transactions on Flectron Dexices, Band Kl)-1°. 1972, Seiten 355 bis 3b4. ist ein ! euk'llckimtnsistor der eingangs genannten Art bekannt, bei dem mehrere langgestreckte schmale und dünn ausgebildete Abschnitte mit hoher Fremdstoffkonzentration den Gate-Halbleiterbereich in der Form eines »Gitters« bilden. Dieser Feldeffekttransistor kann bei hohen Frequenzen betrieben werden. Auf die Einführung einer »internen« Induktivität wird aber nicht eingegangen. Auch findet sich kein Hinweis, mehrere der Source, Drain oder Gate bildenden Halbleiterbereiche in solche schmale und langgestreckte Abschnitte zu unterteilen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs beschriebenen Feldeffekttransistor hinsichtlich der Hochfrequenzeigenschaften weiter zu verbessern, was insbesondere auch in integrierter Schaltungstechnik möglich sein soll.

Diese Aufgabe wird bei einem Feldeffekttransistor der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Da beim erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor mehrere der Source, Drain oder Gate bildenden Halbleiterbereiche aus solchen langgestreckten, schmalen und dünneii Abschnitten bestehen und die Anschlüsse zwischen wenigstens zwei dieser Halbleiterbereiche mit einer internen Induktivität behaftet sind, können die Hochfrequenzeigenschaften wesentlich verbessert werden, weil ein Abfall der Eingangsimpedanz bei hohen Frequenzen verhindert wird. Der Feldeffekttransistor vermag mit hoher Genauigkeit zu arbeiten, während er gleichzeitig geringe Größe besitzt. Dies beruht darauf, daß der Feldeffekttransistor kompakt ausgebildet ist, so daß die Notwendigkeit für die Anbringung von zugeordneten Bauteilen entfällt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 angegeben.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild, welches in Form eines Vierpolnetzwerks eine einem herkömmlichen Feldeffekttransistor äquivalente Übertragungsleitung zeigt,

F i g. 2 ein F i g. 1 ähnelndes Schaltbild einer Übertragungsleitung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung,

Fig. 3 einen schematischen Teilschnitt durch einen Feldeffekttransistor vom vertikalen Typ nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 eine Fig. 3 ähnelnde Ansicht eines abgewandelten Alisführungsbeispiels,

Fig. 5a einen schematischen Teilschnitt durch einen Feldeffekttransistor nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 5b eine F i g. 5a ähnelnde Ansicht, welche jedoch auf dem Feldeffekttransistor gemäß F i g. 5a vorgesehene Elektroden veranschaulicht,

F i g. 5c und 5d der F i g. 5b ähnelnde Ansichten, welche jedoch abgewandelte Feldeffekttransistoren zeigen,

F i g. 6a, 6b und 6c Teilschnittansichten weiter abgewandelter Ausführungsbeispiele der Erfindung und

Fig. 7a und 7b Schaltbilder verschiedener Ausführungsbeispielc der Erfindung, die in einen integrierten Schaltkreis eingeschaltet sind.

In F i g. 1 ist in Form eines Vierpolnetzwerks eine Übertragungsleitung dargestellt, die ein Beispiel für einen bei hohen Frequenzen betriebenen Feldeffekttransistor darstellt. Gemäß Fig.' \v?ist die dargestellte Übertragungsleitung lediglich über ihre Länge hinweg

verteilte parallele Kapazitäten, bei denen jede Längeneinheit eine Kapazität Cbesitzt, jedoch keine Induktivität auf. Infolgedessen besitzt die Übertragungsleitung pro Längeneinheit eine Impedanz entsprechend WjcoC, worin j'die imaginäre Einheit und «die Frequenz eines Wechselstroms oder einer Wechselspannung für die Leitung angibt. Die Impedanz hängt somit unmittelbar von der Frequenz dieses Stroms oder dieser Spannung ab, und sie verringert sich mit zunehmender Frequenz. Bei den Feldeffekttransistoren der durch die Übertragungsleitung "jemäß F i g. 1 angegebenen Art verringert sich daher die Grenzfrequenz, wenn sich die betreffende Frequenz erhöht.

Wenn ein in einem Hochfrequenzband betriebener Feldeffekttransistor einen Übertragungsabschnitt größer als /2/4, wobei A die betreffende Wellenlänge bedeutet, enthält, wird die zugeordnete Phase gedreht, bis in einem den Übertragungsabschnitt durchfließenden Strom eine Komponente mit umgekehrter Phasenfolge erzeugt wird, welche einen Stromsperrbetrie'j zu bewirken bestrebt ist. Infolgedessen besiizt der Übertragungsabschnitt vorzugsweise eine kleinere Länge als A/4.

Die Länge des Übertragungsabschnitts kann aber auch größer sein als A/4. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Drain-Bereich des Feldeffekttransistors langgestreckt und schmal ausgebildet oder in mehrere Abschnitte unterteilt sein. Wahlweise können die unterteilten Abschnitte des Drain-Bereichs über äußere induktive Elemente miteinander verbunden oder mit einer Kabelleitung verbunden sein. Durch diese Maßnahmen wird dem Drain-Stromkreis eine Phasenverschiebung erteilt, welche die Gesamtphasenverschiebung kompensiert.

Fig. 2 veranschaulicht eine Übertragungsleitung, welche theoretisch einen in einem Hochfrequenzband betriebenen Feldeffekttransistor darstellt. Aus einem Vergleich zwischen F i g. 2 und F i g. 1 geht hervor, daß sich die Übertragungsleitung gemäß Fig. 2 darin von derjenigen gemäß F i g. 1 unterscheidet, daß zwischen je zwei parallele Kapazitäten je eine Reiheninduktivität L unter Bildung eines LC-Gliedes eingeschaltet ist. Wenn die Übertragungsleitung beispielsweise eine Länge /sowie eine Induktivität L und eine Kapazität C pro Längeneinheit besitzt, läßt sich die charakteristische Impedanz Za durch ]ßJC ausdrucken, was von den Frequenzeigenschaften der Leitung unabhängig ist. Wenn die Winkelfrequenz dem Verhältnis ω > \/l\/L'C entspricht, bewirkt die Hinzufügung der Induktivitäten zur Leitung eine Erhöhung der impedanz, weil das Verhältnis \!LIC > \ΙωΙ ■ Ceingehalten wird.

Wenn ein elektrischer Leiter eine Länge / und einen Durchmesser d hat, besitzt er im Hochfrequenzbereich eine Induktivität L die sich durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:

L-ini.-γ

(nH)

Aus obiger Gleichung ist ersichtlich, daß /ur Hinzsifiigung einer Induktivität L ein Halbleiierbcrcich mit ho-Ik-i· rreiVidn!r;mknn/cntraiion. clrr in ein Subvrat ;υ;ι ciiii.ni I lüiHoit.'.M'n'iaterial cmgebciiei isi. itii einer g'n- !.vjii Lange /der Leitung und ein· m Meinen Leuungsdurchincsser ι/, d. h. der langgestreckt und schmal im. .Uli der Oberfläche des Substrat¹, oder in dessen Innerem aiu-eorcinet sein muß.

Im folgenden ist nunmehr ein Ver^rahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors mit hinzugefügter Induktivität beschrieben. Reiner Wasserstoff als Trägergas wird in vorbestimmter Durchsatzmenge durch einen Behälter geleitet, der Siliziumtetrachlorid (SiCU) im Gemisch mit etwa 3 Vol.-% Bortribromid (BBr₃) enthält, während reiner Wasserstoff als Trägergas in vorbestimmter Durchsatzmenge einen anderen Behälter durchströmt, der Siliziumtetrachlorid (SiCU) im Gcmisch mit etwa 40 Vol.-°/o Germaniumtetrachlorid (GeCU) enthält. Gleichzeitig wird reiner Wasserstoff als Trägergas mit vorbestimmter Durchsatzmenge durch einen getrennten, Siliziumtetrachlorid (SiCU) enthaltenden Behälter geleitet.

Sodann werden Wasserstoffvolumina, welche die vorstehend beschriebenen Bestandteile aus den drei Behältern enthalten, zu einem Ofen geleitet, der auf 1200°C erwärmt ist und ein Siliziumsubstrat enthält. Im Ofen werden die Bestandteile einer Reduktionsreaktion unterworfen, um auf dem Siliziumsubstrat eine hoch mit Germanium und Bor dotierte Siliziumschicht anwachsen zu lassen.

Die aufgewachsene Schicht wird bezüglich der in ihr auftretenden Spannungen kompensiert. Dies geschieht deshalb, weil die gezüchtete Schicht Germanium, das einen tetraedrischen kovalenten Radius von 0,122 nni besitzt, der größer ist als derjenige von Silizium mit 0,117 nm, und Bor mit einem tetraedrischen kovalenten Radius von 0,088 nm enthält, welcher kleiner ist als derjenige von Silizium. Die gezüchtete Schicht besitzt eine hohe Fremdstoffkonzentration von etwa 2 ■ 10^:o Atomen pro cm³. Das Siliziumsubstrat mit der darauf befindlichen aufgewachsenen oder gezüchteten Schicht kann dann einem selektiven Wachstum, einer selektiven Diffusion, einem selektiven Ätzen usw. unterworfen werden, um einen Feldeffekttransistor zu bilden, der die gewünschten langgestreckten, schmalen Halbleiterbereiche mit hoher Fremdstoffkonzentration aufweist.
In einem Beispiel wurde ein Halbleiterbercich mit hoher Fremdstoffkonzentration der vorstehend beschriebenen Art zu einem Rundstab mit einem Radius von 5 μηι und einer Länge von 1 cm in einem Siliziumsubstrat mit einer Fremdstoffkonzentration von 8 · 10¹² Atome'cnv¹ geformt. Der Stab besaß eine Induktivität von 14,36 nH und ein«. Kapazität von 6 pF. woraus sich eine charakteristische Impedanz von etwa 49 Ω im Ultrahochfrequenzband ergab. Ein herkömmlicher Feldeffekttransistor ohne hinzugefügte Induktivität besitzt dagegen eine charakteristische Impedanz von 2,65 ■ 10-Ώ bei z.B. 100 GHz. Die charakteristische Impedanz kann somit um etwa einen Faktor 200 erhöht werden.

Obgleich ein Ausführungsbeispiel vorstehend in Verbindung mit einer Kombination der Elemente Silizium,

5t Germanium und Bor beschrieben ist, ist zu beachten, daß gleichermaßen eine Vielfalt von Verfahren /ur Herstellung des Halbleiterbereiclis mit hoher Fremdatomkonzentration sowie eine Vielfalt von Kombinationen von Halbleitcr-Dotierungs- und -Kompcnsationseie-

bo mentcn anwendbar ist. beispielsweise Silizium (Si). Antimon (Sb) und Phosphor (P), Silizium (Si). Germanium (Ge) und Phosphor (P) usw. Es ist wesentlich, daß der Ha!blei:ei iiorevli mi! hoher FremdatoiiikMiwoMir^iinn. i\c: /iii !.-/iii.irg einer :ik\!::gcn. nvi 'univhe;'. ( ic-

"■> Sailltsp.-.nül'l!:. spa I] Il Uli L'sk' MIl pCilNICI I IM. ,ülkT \ U-weiiduiiL' mil i .lementen nn¹ gri>IV'"eni ;"ler kleineien¹ kovalcnlen ^:\adius als dem des betrcHcndcn. d.is .Substrat bildenden 1 lalbleiiereienients -.'ebiklci w ii\l.

F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Feldeffekttransistor vom vertikalen Typ. Der dargestellte Feldeffekttransistor weist ein Substrat 10 aus einem Halbleitermaterial, einen auf der einen der beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen ungeordneten und sich ■> über die gesamte Oberfläche erstreckenden Source-Bereich 12, einen in den Mittelteil des Substrats 10 eingebetteten und in mehrere, im vorliegenden Fall in vier Abschnitte unterteilten Gate-Bereich 14 sowie einen an der anderen Hauptfläche des Substrats in dieses eingebetteten, ebenfalls in drei Abschnitte unterteilten Drain-Bereich 16 auf.

Der einzige Source-Bereich 12 ist auch an Masse anschließbar. Der Gate-Bereich 14 besteht gemäß F i g. 3 aus langgestreckten Abschnitten von kleinem, kreisför- is migen Querschnitt, so daß er induktiv ist. Ebenso besteht der Drain-Bereich 16 aus langgestreckten Abschnitten von kleinem, kreisförmigen Querschnitt, wodurch auch dieser induktiv wirkt.

Um den Feldeffekttransistor gemäß F i g. 3 als gleichmäßig verteiltes Netzwerk mit mehreren parallelen L-C-Ketteneinheiten auszubilden, wird der Drain-Bereich 16 vorzugsweise in möglichst viele Abschnitte unterteilt, wobei diese unterteilten Abschnitte möglichst langgestreckt und schmal oder dünn sind. ■

In Fig. 4. in welcher den Teilen von F i g. 3 entsprechende oder ähnelnde Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels von F i g. 3 dargestellt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich nur darin von jo derjenigen gemäß F i g. 3. daß die unterteilten Abschnitte des Drain-Bereichs 16 außenseitig an induktive Elemente L_c angeschlossen sind. Der Feldeffekttransistor ist somit vom unterteilten Drain-Typ, und er vermag eine zwischen Source- und Gate-Bereich auftretende J5 Phasenverschiebung durch die zwischen Gate- und Drain-Bereich auftretende Phasenverschiebung zu kompensieren. Gleichzeitig fügen die induktiven Elemente L₁.dem Drain-Bereich weitere Induktivitäten hinzu, wodurch eine Hochfrequenzkompensation erreicht wrd. Weiterhin können Schwingungen vom Feldeffektirariviior gcir.äß I i g. 4 ubei die muukiiven Elemente L_ zu einer LaM übertragen werden. Dieser Feldeffekttransistor kann also als Oszillator verwendet werden.

Gemäß I- i g. 5a sind der Source-Bereich 12 beispiels-α eise in drei langgestreckte, schmale Abschnitte und der Gate-Bereich 14 in zwei Abschnitte unterteilt, die in die eine der gegenüberliegenden Hauptflächen eingebettet sind. Der Drain-Bereich 16 ist ebenfalls in zwei langgestreckte, schmale Abschnitte unterteilt, die an der anderen Hauptfläche in das Substrat 10 eingebettet sind.

F i g. 5b veranschüiiürhi ρΐη^η praktisch dem Ausführungsbeispiel gemäß F : g. 5a entsprechenden Feldeffekttransistor, bei welchem jedoch feine Sireifen 12', 14' und 16' aus einem Metall mit niedrigem spezifischen Widerstand in ohmschem Kontakt mit den Scurce-, Gate- und Drain-Bereichen 12,14 bzw. 16 angeordnet sind, so daß sie sich über die Gesamtlänge dieser Bereiche erstrecken. Die metallenen Streifen bilden Elektroden und dienen zur Verminderung des Leiiungsverlusts sowie dazu, den betreffenden Bereichen zusätzliche Induktivität zu erteilen.

Der Feldeffekttransistor gemäß F i g. 5c unterscheidet sich darin von demjenigen gemäß Fig. 5b, daß bei ihm der Drain-Bereich 16 und mithin die Drain-Elektro- &5 de 16' nicht unterteilt isi. Bei dem Feideffekttransistor gemäß Fig. 5c kann die Source-Eiektrode 12' und/oder die Gate-Elektrode 14' eewünschtenfalis eine zusätziiche Induktivität besitzen. Dieser Feldeffekttransistor bildet durch die im Ultraliochfrequenzband verbesserte Impedanz eine Wanderwellenschaltung. Infolge der Metallverdrahtung wird der zugeordnete Widerstand niedrig. Infolgedessen ist ersichtlicherweise die Grenzfrequenz verhältnismäßig hoch.

Der Feldeffekttransistor gemäß F i g. 5d unterscheidet sich insofern von demjenigen gemäß F i g. 5c, als der Drain-Bereich 16 und die betreffende Elektrode 16' gegen den Source-Bereich 12 und die zugeordnete Elektrode 12' ausgetauscht sind.

F i g. 6a veranschaulicht eine Abwandlung des Feldeffekttransistors gemäß F i g. 5b, bei welchem ein Streifen 18 aus magnetischem Material hoher Permeabilität in ohmschem Kontakt mit den einzelnen Abschnitten der Source-, Gate- und Drain-Bereiche 12, 14 bzw. 16 angeordnet ist und sich über die gesamte Länge des betreffenden Abschnitts erstreckt. Die metallenen Elektroden besitzen die Form von schmalen Streifen 12', 14' und 16', die mit den betreffenden Magnetstreifen 18 unterlegt sind. Die Magnetstreifen 18 vermögen effektiv die den betreffenden Abschnitten der Source-, Gate- und Drain-Bereiche hinzugefügten Induktivitäten zu erhöhen.

Wenn das Magnetmaterial der Streifen 18 einen niedrigen spezifischen Widerstand besitzt, können die metallenen Elektroden weggelassen werden, so daß statt dessen die Streifen 18 als Elektroden benutzt werden können.

Die Feldeffekttransistoren gemäß den F i g. 6b und 6c entsprechen praktisch denjenigen gemäß den Fig. 5c bzw. 5d, nur mit dem Unterschied, daß in den Fig. 6b und 6c die Elektroden 12', 14' und 16' mit den Magnetstreifen 18 unterlegt sind.

Fig. 7a zeigt eine Aufsicht auf einen integrierten Schaltkreis, bei dem zwei Feldeffekttransistoren vorgesehen sind. Gemäß Fig. 7a ist der Gate-Elektrode 14' eine äußere Induktivität L₁- hinzugefügt. Die Drain-Elektrode befindet sich auf der Unterseite und ist daher nicht sichtbar.

F i g. 11 b ist eine F i g. 7a ähnelnde Ansicht, in welcher jedoch die Induktivität L_c weiterhin auch zur Source-Eiekirode 12' hinzugefügt ist.

Obgleich in den F i g. 7a und 7b zwei Feldeffekttransistoren dargestellt sind, kann ersichtlicherweise jede gewünschte Anzahl derartiger Transistoren im integrierten Schaltkreis angeordnet sein. Außerdem kann bei der Anordnung gemäß Fig. 7a die Induktivität der Drain-Elektrode anstatt der Source-Eiektrode hinzugefügt werden.

Hierzu 2 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Feldeffekttransistor, bestehend aus einem Substrat aus Halbleitermaterial, bei dem mindestens einer der Source, Drain oder Gate bildenden Halbleiterbereiche aus einer in das Substrat eingebetteten, aus mehreren langgestreckten, schmalen und dünnen Abschnitten mit hoher Fremdatomkonzentration bestehenden Halbleiterzone besteht, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der Source, Drain oder Gate bildenden Halbleiterbereiche (12, i4, 16) aus solchen Halbleiterzonen bestehen und daß die langgestreckten, schmalen und dünnen Abschnitte hoher Fremdstoffkonzentration so ausgebildet sind, daß die Anschlüsse zwischen wenigstens zwei der Source, Drain oder Gate bildenden Haibleiterbereiche(12, 14,16) mit einer internen Induktivität behaftet sind.

2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Streifen (18) aus magnetischem Material in ohmschen Kontakt mit den Abschnitten des Source, Drain oder Gate bildenden Halbleiterbereichs (12, 14, 16) angeordnet ist und daß über den magnetischen Streifen (18) jeweils metallene Elektroden (12', 14', 16') angeordnet sind.

3. Schaltung mit einem Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einen Anschluß der Source, Drain oder Gate bildenden Halbleiterbereiche (12, 14, 16) zusätzlich extern eine Induktivität (L?) angeschlossen ist.