DE2619663A1 - Feldeffekttransistor mit oberflaechenkanal - Google Patents

Feldeffekttransistor mit oberflaechenkanal

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DE2619663A1 DE19762619663 DE2619663A DE2619663A1 DE 2619663 A1 DE2619663 A1 DE 2619663A1 DE 19762619663 DE19762619663 DE 19762619663 DE 2619663 A DE2619663 A DE 2619663A DE 2619663 A1 DE2619663 A1 DE 2619663A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT γ Unser Zeichen Berlin und München VPA 76 p 7 O 4 3 BRD
Feldeffekttransistor mit Oberflächenkanal
Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.
In der Festkörper-Elektronik sind verschiedene Bauelemente bekannt, in deren Strom-Spannungs-Charakteristik Bereiche mit negativem differentiellen Widerstand auftreten. Bauelemente dieser Art sind z.B. Tunnel-Dioden, Gunn-Elemente und IKPATT-Dioden. Ein weiteres Bauelement mit negativem differentiellen Widerstand ist der Cryosar, in dem ein avalanche-Durchbruch ausgenutzt wird, der bei tiefen Temperaturen in einem Halbleiter durch Stoßionisation von Dotierstoffteilchen ausgelöst wird (Proc. of the IRE, 1959, S.1207-1213). Derartige Bauelemente werden bevorzugt als schnelle Schalter verwendet, da ihre Schaltzei'w unterhalb von 10~ see liegt, und weiter auch als Erzeuger für elektrische Schwingungen im GHz-Bereich. Diese Bauelemente sind Zweipole, deren Arbeitspunkt — und damit auch die Frequenz der mit ihnen erzeugten Schwingungen — von ihrem Aufbau und von der an sie angelegten Betriebsspannung abhängt.
η 709845/051*
VPA 76 E 7018 04.ΜΑΠ976 SIz 17 BIa ·
Soll beispielsweise in einem mit einem Gunn-Element ausgerüsteten Schwingkreis die Schwingfrequenz verändert werden, so muß die unmittelbar an dem -Gunn-Slement anliegende Betriebsspannung • ι verändert werden. Ein weiterer Nachteil der bekannten Baueleinente dieser Art ist, daß sie nicht mit den zur Herstellung von KIS-Bauelenenten angewendeten Verfahren hergestellt werden j können und daß sie aus diesem Grund nicht zum Aufbau in integrierten Schaltkreisen geeignet sind. Wünschenswert sind Bauelemente mit einem negativen differentiellen Widerstand, deren
10. Arbeitspunkt außer durch Yariation der Betriebsspannung durch eine weitere Hilfsspannung erfolgen kann. Dabei sollte die Steuerung mittels dieser Hilfsspannung möglichst leistungslos erfolgen können. Weiterhin sollte der Aufbau des Bauelementes zusammen mit anderen MIS-Bauelementen erfolgen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches Bauelement zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Feldeffekttransistor -gelöst, der gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgebaut ist.
; Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen.Feldeffelcttransistors ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Für den erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor kommt die Struktur eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors wie auch die eines Feldeffekttransistors mit einer Schottky-Gate-Elektrode in Betracht, die beide einen Oberflächenkanal (an die Substratoberfläche angrenzende ICanalzone) aufweisen. Der erfindungsgemäße Feldeffekttransistor unterscheidet sich von solchen herkömmlichen Feldeffekttransistoren dadurch, daß bei ihm zusätzlieh zum Oberflächenkanal in·einem weiteren, zweiten Kanal Dotier stoff teilchen vorhanden sind, die bei Temperaturen, die
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höher als die Betriebstemperatur sind, eine Leitfähigkeit im Halbleitersubstrat hervorrufen.
Der Grundgedanke des neuen Bauelementes besteht darin, daß durch einen solchen räumlich begrenzten Einbau τοπ Dotierstoffteilchen in einem v/eiteren, zweiten Kanal bei Anliegen einer genügend hohen Spannung zwischen der Source- und der Drain-Elektrode ein elektrischer Durchbruch zwischen Source- und Drain-Elektrode stattfinden kann, und daß' ein solcher Durchbruch in der Strom-Spannungs-Charakteristik des Bauelementes zu einem Bereich mit einem negativen differentiellen Widerstand führt. Wird an die Gate-Elektrode eine Spannung angelegt, so werden durch das von der Gate-Elektrode erzeugte Feld im Halbleiter auch die Potentialverhältnisse in dem zweiten Kanalbereich und damit das DurchbruchsVerhalten verändert. Damit läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor der negative differentielle Widerstand auch durch die an die Gate-Steuerelektrode angelegte Spannung variieren. Die gegenüber einem herkömmlichen Feldeffekttransistor zusätzlich eingebauten Dotierstoffteilchen können durch Ionenimplantation oder auch durch Diffusion in den Halbleiterkörper eingebracht werden. Diese zusätzliche Dotierung erfolgt in der Weise, daß das Maximum im Konzentrationsverlauf dieser Dotierstoffteilchen in einem Bereich bis zu 1 /um unterhalb der Oberfläche des Halbleiters liegt. Dabei kann der weitere, zweite Kanal in der Zone des Oberflächenkanals liegen oder sich mit ihr überlappen oder auch unterhalb davon liegen.
Das Konzentrationsmaximum der Dotierstoffteilchen dieses zweiten
vorzugsweise
Kanals liegt/dabei wenigstens 5 mn von der Substratoberfläche entfernt.
Für den zweiten Kanal kommt unabhängig vom Leitungstyp des Substrates sowohl Donator- als auch Akzeptormaterial in Betracht. Als Dotierstoffteilchen für den zusätzlichen Kanalbereich werden bevorzugt solche Dotierstoffe verwendet, die in dem HaIbleitermaterial des · Feldeffekttransistors schlecht thermisch ionisiert werden." So wird beispielsweise bei p-leiten-
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-Jr*
dem Silizium der weitere Kanalbereich rait__Schwefel oder mit Zink dotiert, da die Störterme der Schwefel-Dotierung um 0,18 eV von der Leitungsbandkante, die Störterme der Zink-Dotierung um 0,31 eY von der Valenzbandkante entfernt liegen. Damit Hegt die . thermische Ionisierung dieser Dotierung im weiteren, zweiten Kanal bei Zimmertemperatur (T = 3000K) für Schwefel als Dotier-
O 1 Pi
material bei einem Anteil von e- ■ = 0,1 % (k bedeutet die Boltzmannkonstante), bei Zink-Dotiermaterial bei einem Anteil von e" = 0,001% und ist damit sehr schwach,
Die thermische Ionisierung anderer Dotierstoff teilchen, deren Störterme näher an der Valenzbandkante bzw. an der Leitungsbandkante liegen, kann dadurch unterdrückt werden, daß gemäß einem bevorzugten Betriebsverfahren für den erfindungsgemäßen * Feldeffekttransistor das gesamte Bauelement abgekühlt wird. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei Temperaturen unterhalb von 77° K in . Silizium durch Ionenimplantation oder durch Diffusion eingebrachtes Arsen oder Indium nicht mehr ionisiert ist und daher bei kleinen Source-Drain-Spannungen zu der Lei-tfähigkeit zwischen Source und Drain des Feldeffekttransistors nichts beiträgt. Beijäem erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor kann somit der zweite, weitere Kanal auch mit energetisch in Bandkantennähe liegenden, thermisch ionisierbaren Dotierstoffen dotiert werden, wenn durch Wahl der Betriebstemperatur gewährleistet wird, daß beim Betrieb in dem zweiten, weiteren Kanal eine thermische Ionisation des zusätzlich eingebrachten Dotierstoffes nicht auftritt.
Im folgenden wird beschrieben und anhand der Figuren näher erläutert, wie der erfindungsgemäße Feldeffekttransistor aufgebaut ist und wie er betrieben wird. ■
Fig.1 zeigen schematisch einen Querschnitt durch einen erfin- und 2 dungSgemäßen Feldeffekttransistor, Fig.3 zeigt eine Schaltung, mit der unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors elektrische Schwingungen
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erzeugt werden können. Dabei ist in diesem Schaltbild der erfindungsgemäße Feldeffekttransistor durch sein Ersatzschaltbild ersetzt.
Fig.1 zeigt einen erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor. Er besteht aus einem Halbleitersubstrat 1, z.B. aus p-leitendem Silizium, in dem als Source-Bereich 2 und als Drain-Bereich 3 zwei η dotierte Bereiche vorhanden sind. Diese n+-dotierten Bereiche sind mit Elektrodenkontakten 4 bzw. 5 versehen. Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates befindet sich eine Isolierschicht 6, und auf der Isolierschicht 6 eine Gate-Metallschicht 7. Unterhalb der Isolierschicht 6 zwischen dem Source- und dem Drain-Gebiet 2 bzw. 3 befindet sich der Oberflächenkanal 8, in dem der Leitungstyp gegenüber· dem Substrat invertiert ist. Unterhalb des Oberflächenkanals 8 befindet sich der v/eitere Kanal 9> der bei einem Substrat
aus p-Silizium mit Dotierelementen wie z.B. Schwefel oder Zink dotiert ist.
Der in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Feldeffekttransist'or weist -einen der Fig.1 entsprechenden Aufbau auf, mit dem Unterschied, daß bei dem Aufbau nach Fig.2 der Oberflächen-Inversionskanal 8 und der mit den Dotierstoffteilchen gebildete weitere, zweite Kanal 9 so dicht beieinander liegen, daß ein Überlappungsbereich 10 dieser beiden Kanäle auftritt. Der zweite Kanal 9 ist durch eine Ionenimplantation hergestellt, bei der aus einer
11 Ionenquelle Schwefel-Ionen mit einer Dosis von etwa 5·10 bis etwa 10 cm in das Halbleitersubstrat mit einer Energie, bis zu 500 keV eingeschossen wurden.
Um beim Betrieb des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors den Arbeitsbereich mit negativem differentiellen Widerstand zu erreichen, wird an die Source-Elektrode Null-Potential gelegt, an die Gate-Elektrode wird eine Spannung angelegt, die kleiner ist als die "Einsatzspannung11 für die Ionisation der in dem zusätzlichen zweiten Kanal befindlichen Dotierstoffteilchen. An die Drain-Elektrode \vird eine Spannung gelegt, die größer ist als die Gate-
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Spannung. Bei einer solchen Betriebsweise befindet sich der Feldeffekttransistor im sogenannten "pinch off"-Bereich, bei dem der unter der Halbleiteroberfläche befindliche Oberflächenkanal 8 zwischen der Source- 2 und der Drain-Elektrode 3 endet und ein "pinch off"-Gebiet 11 zwischen dem Oberflächenkanal 8 und der Drain-Elektrode 3 übrigbleibt, so daß Source- und Drain-Elektrode nicht leitend miteinander verbunden sind. Wird nun die Drain-Spannung auf einen Wert erhöht, der über der "Einsatzspannung" für die Ionisation der im zusätzlichen zweiten Kanal 9 liegenden Dotierstoffteilchen liegt, so baut sich in diesem zusätzlich dotierten Bereich ein schmales Gebiet auf, dessen Leitfähigkeit
_q sprunghaft um einige Größenordnungen innerhalb von etwa 10 J see ansteigt, was in der Stron-Spannungs-Charakteristik des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors zu dem Bereich mit negativem differentiellen Widerstand führt. Die "Einsatzspannung", bei der die Ausbildung dieses leitenden Gebietes stattfindet, hängt von der Ionisationsenergie des Dotierstoffes sowie von der Länge des "pinch off"-Gebietes 11 wie auch von dem Abstand von Source- und Drain-Elektrode ab. Bei einem Bauelement, bei dem die Kanallänge eta 40/um beträgt, hat die "Einsatζspannung" beispielsweise eine Größe von 33 Volt. Bed Überschreiten dieser Spannung steigt der zwischen Source und Drain fließende Strom sprungartig um zwei Größenordnungen im Bereich zwischen 28 und -38 Volt an.
Fig.3 zeigt ein Schaltbild einer Anordnung, mit der ein erfindungsgemäßer Feldeffekttransistor beispielsweise zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen verwendet werden kann. Diese Schaltungsanordnung besteht aus einer Spannungsquelle 31, zwisehen deren Pole eine Reihenschaltung aus einem erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor 32 und einem variablen Widerstand 33 gelegt ist. Dabei ist in Fig.3 der erfindungsgemäße Feldeffekttransistor durch sein in dem gestrichelten Rahmen 32 enthaltenden Ersatzschaltbild dargestellt. Dabei sind mit 34 der Widerstand R„ und mit 35 die Kapazität C_ des Bauelementes, mit 36 der Widerstand R /* des zusätzlich vorhandenen Kanalbereiches vor dem Durchbruch angegeben. Mit 37 ist die Kabelkapasität C^
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der Zuleitungen "beseichnet. Durch Anlegen einer konstanten Spannung VD, die größer ist als die "Einsatzspannung" für die Ionisation der im zweiten Kanalbereich vorhandenen Dotierstoffteilchen, können bei dieser Anordnung Kipp-Schwingungen erzeugt v/erden. Die E'requenz dieser Schwingungen ist abhängig von der Relaxationszeit Tf, die begrenzt ist durch die Rekombinationsseit der Dotierstoffteilchen,und weiter abhängig sein kann von Cc, (1 , R und R , wobei R der Viert des variablen Widerstandes 33 ist. Durch den Vorgang der Stoß-Ionisation wird die Kapazität C (35) kurzgeschlossen und damit der Widerstand R *(36) überbrückt. In dem von der Anordnung gebildeten Stromkreis fällt damit die größte Spannung an dem Widerstand 33 ab. Dadurch wird die an dem erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor zwischen Source und Drain abfallende Spannung verkleinert und damit die "Einsatzspannung" unterschritten. Damit ein neuer Durchbruch auftreten kann, muß die Kapazität des Bauelementes C neu aufgeladen werden, wobei die Aufladezeit von der Relaxationszeit *t bestimmt ist. Die Relaxationszeit kann sov/ohl durch die Größe des Widerstandes 33 als auch durch die Gate-Spannung beeinflußt werden, die an den erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor angelegt wird.
15 Patentansprüche
3 Figuren
YPA 76 E 701 s 709845/05 T2

Claims (14)

  1. Patentansprüche
    O1.!Feldeffekttransistor mit einen Halbleitersubstrat vom ersten Leitfähigkeitstyp, in dem ein Source- und ein Drain-Gebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp und ein dazwischenliegender, an die Oberfläche des Halbleitersubstrates angrenzender Oberflächenkanal mit invertiertem Leitungstyp vorhanden sind, wobei sich über dem Oberflächenkanal eine Gate-Elektrode befindet, dadurch gekennzeichnet , daß sich zwischen dem Source-Gebiet (2) und dem Drain-Gebiet (3) ein in oder unterhalb des Oberflächenkanals (8) liegender, zweiter Kanal (9) befindet, der mit Dotierstoffteilchen dotiert ist, deren Energieniveau im verbotenen Band des Halbleitersubstrates (1) bei der Betriebstemperatur (T) um mehr als
    1 *
    ■τ? kT von der Leitungsbandkante und Valenzbandkante des Halbleitersubstrates (1) entfernt liegt.
  2. 2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in dem zweiten Kanal (9) das Maximum der Konzentration der Dotierstoffteilchen in einem Abstand, bis zu 1/Uin unt&r der Oberfläche des Halbleitersubstrates (1) liegt.
  3. 3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Gate-Elektrode (7) auf einer auf dem Halbleitersubstrat (1) aufgebrachten Isolierschicht (6) befindet.
  4. 4. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Gate-Elektrode (7) eine Schottky-Elektrode ist.
  5. 5. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitersubstrat (1) aus Silizium besteht.
    ?098"45/0512
    VPA 76 E 7018 ORIGINAL INSPECTED
  6. 6. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitersubstrat (1) aus einer III-Y-Verbindung besteht.
  7. 7. Feldeffekttransistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitersubstrat (1) aus GaAs besteht .
  8. 8. Feldeffekttransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Kanal (9) mit Schwefel dotiert ist.
  9. 9. Feldeffekttransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Kanal (9) mit Zink dotiert ist.
  10. 10. Feldeffekttransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Kanal (9) mit Arsen dotiert ist.
  11. 11. Feldeffekttransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Kanal (9) mit Indium dotiert ist.
  12. 12. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß er als Teil einer integrierten Schaltung auf einem Substrat aufgebaut ist.
  13. 13. Verfahren zum Betrieb eines Feldeffekttransistors nach einem der Ansprüche 1 bis 12, insbesondere nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Feldeffekttransistor während des Betriebes gekühlt wird.
  14. 14. Verwendung eines Feldeffelcttransistors nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als schneller Schalter.
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    VPA 76 E 7018
    Verwendung eines Feldeffekttransistors nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer Oszillatorschaltung.
    VPA 76 E 7013 70 9 8 4 5/0512
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