DE3136682A1 - Transistor vom typ mit isoliertem tor - Google Patents
Transistor vom typ mit isoliertem torInfo
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Description
36682
PATENTANWALT DIPL.-ING. ULRICH KINKELIN 7032 Sindelfingen -auf dem Goldberg- Weimarer Str. 32/34 Telefon 07031/86501
' &' Telex 7265509 rose d
14. September 1981
12 159
Nippon Telegraph & Telephone Public Corporation
1-6, Uchisaiwoicho 1-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan
TRANSISTOR VOM TYP MIT ISOLIERTEM TOR
Die Erfindung betrifft einen Transistor gemäss dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Als aktive Elemente wurden Transistoren unterschiedlicher Art entwickelt. Gemäss
ihres Stromverhaltens werden sie in Transistoren klassifiziert, die Sättigungsstrom-Eigenschaften
haben, wie z.B. der bipolare Sperrschicht-Transistor, ein Feldeffekt-Transistor
oder dergleichen, der die gleichen Eigenschaften, wie eine Pentode und Transistoren mit nicht sättigenden Stromeigenschaften, wie z.B. ein statischer
Induktions-Transistor (SlT). Es sind vielfältige Bauweisen für den erstgenannten
Typ bekanntgeworden, um unterschiedliche Anwendungsgebiete abzudecken.
Da dieser Typ jedoch Stromsättigungs-Eigenschaften hat, ist er als Transistor für
Fälle nicht geeignet, in denen man mit grossen Strömen umgehen muss. Die Aufmerksamkeit
hat sich deshalb auf solche Transistoren wie einen SIT verlagert, der nicht sättigende Stromeigenschaften hat.
12159 31_3£_682
Wie es z.B. in einer Arbeit aus I.E.E.E. Transactions of Electronic Devices,
Band Ed-22, Nr. 4, April 1975, Seiten 185 bis 197 hervorgeht, hat der SIT
den grundlegenden Aufbau, wonach er einen Quellenbereich umfasst, der eine
diffundierte Schicht vom N Typ auf der Oberfläche eines Substrats vom N-Typ
aufweist, sowie einen Torbereich, der aus einer diffundierten Schicht vom P Typ besteht und an den Quellen-Bereich angrenzt sowie eine grössere Tiefe
als die diffundierte Schicht vom N Typ hat. Ferner einen Senkenbereich aus einer diffundierten Schicht vom N Typ, der auf der rückseitigen Oberfläche
des Substrats aufgebracht ist und wobei die Dicke der Verarmungsschicht gemäss dem Betrag einer Tor-Spannung gesteuert wird, die an den Tor-Bereich angelegt
wird, so dass der Strompfad zwischen dem Quellen-Bereich und dem Senken-Bereich
EIN/AUS geschaltet werden kann.
Da der SlT ein unipolares Element ist, welches nur Majoritäts-Träger als Träger
3 2
verwendet, liegt seine Grenze für die Stromdichte bei etwa 10 A/cm , so dass
ein schwerwiegender Nachteil darin besteht, dass es unmöglich ist, mit der Stromdichte
über diese Obergrenze hinauszugehen. Um ausreichend hohe Eigenschaffen
zu erhalten, besteht der Wunsch, den SIT als vertikalen Typ aufzubauen. Dieser
vertikale Aufbau macht es jedoch schwierig, den SIT in integrierten Schaltungen herzustellen. Um z.B. den SIT in integrierte Schaltungen einarbeiten zu können,
ist es im allgemeinen notwendig, die Senkenklemme zu derjenigen Seife herauszuführen,
an der auch die Quellenklemme herauskommt, mit Ausnahme einer gemeinsamen Senkenklemme. Hierzu ist es notwendig, eine überdeckte Schicht mit einem
12 159 -7-
Bereich hoher Verunreinigung^Konzentration vorzusehen, die die verdeckte Schicht
mit der Senken-Elektrode gerade so wie'ein bipolarer Transistor vom vertikalen Typ
verbindet. Dies vergrössert nicht nur die Anzahl der Herstellungsschritte, sondern
macht sie auch komplizierter und vergrössert den Reihen-Widerstand des Elements.
Weil darüber der SIT einen vertikalen Aufbau hat, kann er nur dazu verwendet werden, zweidimensionale LSI 's herzustellen, von denen man der Ansicht ist,
dass sie in der Zukunft häufiger verwendet werden.
Um einem SIT7 der ein Substrat aus N-Silicium verwendet, nicht sättigende
Eigenschaften anzuerziehen, muss die zwischen die Tor-Elektrode und den Quellenbereich
angelegte Spannung V^ und die an den Senkenbereich angelegte
Spannung V-.- auf einen Bereich beschränkt bleiben, der durch die Ungleichung
V__< Vrvc^ 0 angegeben ist, so dass es mit einem SIT unmöglich ist, eine
Schaltung herzustellen, die unter jeder beliebigen Arbeitsbedingung arbeitet und
auch zugleich als logische Schaltung arbeitet, ähnlich einem üblichen MOS FET.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen IG-Transistor anzugeben, mit dem man eine
hohe Stromdichte erreichen kann. Ferner soll man mit dem Transistor in der Lage sein, eine integrierte Schaltung insbesondere ein dreidimensionales LSI herzustellen.
Ferner soll der Transistor eine hohe Verstärkungsfaktor-Konstante und
niederes Wänmerduschen haben. Schliesslich soll der Transistor einen breiten
Arbeitsspannungs-Bereich haben»
Erfindungsgemöss wird diese Aufgabe durch die aus dem kennzeichnenden Teil
des Hauptanspruchs ersichtlichen Merkmale gelöst.
159 -9-
Die Erfindung wird nunmehr anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel eines Transistors mit isoliertem
Tor,
Fig. 2 eine äquivalente Schaltung zum Transistor nach Fig. 1,
Fig. 3A, 3B und 3C
Querschnitte zur Erläuterung der Wirkungsweise des Transistors nach
Fig. 1 bei an die verschiedenen Elemente angelegte Spannungen und der Art und Weise, wie Elektronen und Löcher durch die angelegten
Spannungen erzeugt werden,
Fig. 4A bis 4D
Schaubilder über Energiediagramme zwecks Erläuterung der Wirkungsweise
des Transistors von Fig. 1,
Fig. 5A und 5B
Schaubilder jeweils den L „ - V .^ Verlauf und den L„- V~^
Verlauf des Transistors von Fig. 1 zeigen,
Fig. 6A und 6B
Querschnitte, die den Anschluss der Quellen-Elektrode zeigen zwecks
Bildung der Sättigungsstrom-Eigenschaften des erfindungsgemässen Transistors und zur Darstellung des Verhaltens oder der Bewegung der
Tröger in einem aktiven Bereich,
Fig. 7 ein Schaubild, das Beispiele von Sättigungsstromverhalten eines er-
findungsgemässen Transistors zeigt, der Eigenschaften gemäss den
Fig. 5A und 5B hat,
Fig. 8 einen Querschnitt durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des
Transistors von IG-Typ (insulated gate),
Fig. 9A und 9B
Querschnitte und Draufsichten eines anderen Ausführungsbeispiels,
Fig. 10 eine Funktionsskizze zur Erläuterung der Arbeitsweise des Transistors
von Fig. 9
Fig. 11 einen Querschnitt durch einen dreidimensionalen LSI, der unter Verwendung
eines IG-Transistors gemäss der Erfindung hergestellt wurde und
Fig. 12 eine äquivalente Schaltung des LSI aus Fig. 11.
Gemäss Fig. 1 umfasst der IGT ein Halbleitersubstrat 1 aus monokristallinem Silicium
mit einem spezifischem Widerstand von 10 Ohm-cm und einer Dicke von 350 Mikrometer , einer Isolierschicht 2 aus Siliciumoxid mit einer Dicke von 470 nm beispielsweise und einer Halbleiterschicht 3 aus monokristallinem Silicium mit einer Dicke
von 260 nm, die auf der Isolierschicht 2 gebildet wurde. Beispielsweise zeigt die
US-PS 4 241 359 einen Aufbau, bei dem eine Halbleiterschicht 3 aus monokristallinem
Silicium auf einer Isolierschicht gebildet wird. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.
umfasst die Halbleiterschicht 3 einen Kathoden-Bereich 4, einen aktiven Bereich
31366
12 159 -Π-
und einen Anoden-Bereich 6r die in der erwähnten Reihenfolge horizontal nebeneinander liegen. Der Kathoden-Bereich 4 besteht aus einer monokristallinen Silicium-
+ ■ 19 3
schicht vom N Typ mit einer Donatoren-Konzentration von 5 χ 10 Atomen/cm
beispielsweise. Der aktive Berich 5 ist vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Kathodenbereich und wird aus einer monokristallinen Siliciumschicht vom N-Typ gebildet
und hat eine niedere Donatoren-Verumreinigungs-Konzentration von 4x10 Atomen/cm
als beispielsmassige Angabe. Der Anodenbereich 6 hat einen Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt
zu demjenigen des Kathodenbereichs 4 und besteht aus einer monokristallinen
Siliciumschicht vom P Typ und hat eine Akzeptoren-Verunreinigungs-Konzentration
20 3
von 2x10 Atomen/cm als beispielsweise Angabe, Der aktive Bereich 5 ist so
aufgebaut, dass seine Dicke geringer als 7^ /2 mal der Debye Länge L_.p ist, die
in der monokristallinen Siliciumschicht vom N Typ vorliegt, welche den aktiven
Bereich 5 umfasst.
In diesem Fall ist die Debye Länge die sogenannte Störstellen-Debye Länge, Sie
kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:
2 £s
DE 2
Diese Gleichung ist in dem Buch von A, Many et al "Semiconductor Surfaces",
veröffentlicht, das 1965 von der North-Holland Publishing Company, veröffentlicht
wurde.
12 159 -12-
In der Gleichung stellt £ die Die lektrizitäts-Konstante des Halbleiters darf die
für den Fall von Silicium 11,17 χ 8,85 χ ΙΟ" (F/cm) beträgt, k ist die
-23
Boltzmann-Konstante, die 1,38 χ 10 (J/K) beträgt. T ist di e absolute Temperatur
(°K). q ist eine Einheitsladungsmenge, die 1,6 χ 10 (C) beträgt. Nn ist
die Träger-Konzentration eines Halbleiters, der eine Verunreinigung enthält. Es sei
angenommen, dass der IG-Transistor nach der Erfindung bei einer Raum-Temperatur
von T = 300 K betrieben wird, da N- bei Raum-Temperatur 300 K gleich der
Verunreinigungs-Konzentration ist. Ferner sei angenommen, dass die Donatoren-Verunreinigungs-Konzentration
des monokristallinen Siliciums vom N Typ mit der
λ Α *ί
aktiven Region 5 = 4x10 Atomen/cm ist und dass die Debye-Länge etwa bei
290 nm liegt. Demgemäss ist in diesem Falle die Dicke des aktiven Bereichs 5
kleiner als 455 nm. Durch einen Tor-Isolierfilm 7 aus einem Silicium-Oxid-Film
mit einer Dicke von beispielsweise 50 nm hindurch wird auf dem aktiven Bereich 5
eine Tor-Elektrode 8 gebildet. Auf dem Kathodenbereich 4 und dem Anoden-Bereich
6 jeweils ist eine Kathoden-Elektrode 9 und eine Anoden-Elektrode 10 als OhmSche
Kontakte ausgebildet.
Beim oben beschriebenen Aufbau liegt der Grund, die Dicke des aktiven Bereichs 5 kleiner
als "TC/2 mal der Debye-Länge L__ zu machen darin, dass es notwendig ist, die
Anzahl der Majoritäts-Träger (in diesem Falle der Elektronen) in danaktiven Bereich
5 grosser zu machen als die Donatoren-Verunreinigungs-Konzentration Nn im
aktiven Bereich 5, wo die an die Tor-Elektrode 8 und an die Kathoden-Elektrode 9
12 159 _l3-
angelegte Spannung Vq^ grosser ist als die flachbändige Spannung Vp„
an der Berührungsfläche zwischen dem aktiven Bereich und dem Tor-Isblierfilm 7.
Den Wert von TC /2 Faktor kann man aufgrund folgender theoretischen Betrachtung
erhalten: Man bestimmt die Entfernung in Richtung der Tiefe des aktiven Bereichs
indem man die Zwischenschicht zwischen dem aktiven Bereich und dem Tor-Isolierfilm
7 als Bezugsort wählt. Man nimmt an, dass die Konzentration der Majoritäts-Träger
in den aktiven Bereichen 5 = η (X) ist, wobei der Wert von η (χ )
ungefähr durch die folgende Poison-Gleichung ausgedrückt werden kann:
d*2
(2)
In dieser Gleichung stellt P das Potential dar, das in Bezug auf das Fermin-Niveau
des Halbleiters gemessen wird und ζ ist die Dielektrizitäts-Konstante
des Halbleiters, η (χ) befriedigt die folgende Gleichung im Gleichgewichtszustand:
η (5φ = Np. exp (<JjD/KT) .... (3)
Wenn man die Gleichungen 2 und 3 unter folgenden Rand-Bedingungen
0 («Ο =0
0 (0) = 0
jiß. =o
12 159 -U-
und einer Dicke d eines Bereichs mit Überschuss-Träger-Konzentration löst,
kann man den Wert η (Je) durch die folgende Gleichung 4 ausdrücken, indem
man die Debye-Länge L^ (Gleichung 1) verwendet:
η (X) = % [tan2 (X) ADE _ Q +0 (4)
darin ist C = tan LVexP (010s/KT) ~ U in welcher Gleichung wiederum
das Oberflächen-Potential für den Fall X=O darstellt.
Üblicherweise ist es möglich, 0 ^ kil/q (^ 0.026 V)zu machen, wodurch
C =3C/2 wird.
Wenn man diejenige Entfernung, bei der η 5c) = der Donatoren-Verunreinigungs-Konzentration
ND des aktiven Bereichs 5 wird mit d bezeichnet und da η (d)
= Np. ist, können wir den Wert von d aus der Gleichung 4 bestimmen. Wir
erhalten
d =X/2
Um eine Beziehung η (X) T^- Nn zu befriedigen, muss die Dicke t des jeweiligen
Bereichs eine Beziehung
*e
befriedigen.
Fig. 2 zeigt die äquivalente Schaltung des IG-Transistors von Fig. 1.
Die Flachband-Spannung von Vp„ an der Grenzfläche zwischen dem Tor-Isolierfilm
und dem aktiven Bereich wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:
VCR = 0ms - Q /C
FB ^ ss ox
wobei 0ms die Differenz zwischen den Arbeitsfunktionen des Tor-EIektrodenmaterials
und dem Material des aktiven Bereichs darstellt, C die Tor-Kapazität ]e Flächeneinheit
darstellt und Q die Grenzflächen-Ladungsdichte an der Grenzfläche zwischen
dem Tor-Isolierfilm und dem aktiven Bereich darstellt. Die Spannung V~v schafft
1 VJ7IV
Vj7iV
die Majoritöts-Ladungsträger, d.h. die Elektronen, und zwar in dem aktiven Bereich
5 und da die Dicke des aktiven Bereichs kleiner als T/2 mal der Debye Länge ist,
ist der aktive Bereich 5 mit Elektronen angefüllt. Dies hat zum Ergebnis, dass der
Anoden-Übergang umgekehrt vorgespannt wird, wodurch die Injektion der Minoritäts-Ladungsträger,
d.h. der Löcher gestoppt wird und zwar aus dem Anoden-Bereich 6
heraus, so dass der Gl-Transistor abgeschaltet wird.
Um den Gl-Transistor einzuschalten, macht man V^w grosser als Vc~ undVA1/
wird grosser gemacht als (V_„ - V_D). Dadurch wird das Potential (Vc~ - V_n)
vjl\ t"D r\j rü
am einen Ende des aktiven Bereichs 5 nahe dem Anodenbereich 6 kleiner als das
Anoden-Potential V. ^1 so dass die Anoden-Sperrschicht in Durchlassrichtung vor-
12 159 - 1ό"
gespannf ist. Wie in der Darstellung von Fig. 3B gezeigt, wird daher eine grosse
Menge Minoritäts-Träger (Löcher) in den aktiven Bereich 5 aus dem Anodenbereich 6 injiziert, während zur gleichen Zeit Majoritäts-Träger (Elektronen) der gleichen
Menge von dem Kathoden-Bereich 4 aus in den aktiven Bereich 5 injiziert werden,
so dass der IG-Transistor eingeschalfet wird und den Anoden-Strom L^ durchlässt.
Dabei wird in Betracht gezogen, dass die aus dem Anodenbereich ό in den aktiven Bereich 5 injizierten Löcher einer vollständigen Re-Kombination
in den Rekombinations-Zentren des aktiven Bereichs 5 unterworfen werden und
dass der Anoden-Strom L^ sich aus dem Rekombinations-Strom der Löcher
und dem Driftstrom der entsprechenden Elektronen besteht.
Fig. 4A bis 4D zeigen die Energie-Bänder, aus denen man ein unter der Sättigung
liegendes Stromverhalten erkennen kann.
Fig. 4A zeigt das Energie-Band für den Fall, dass beide Spannungen Va „ und V—.,
Null sind. Bei genauerer Betrachtung sieht man, dass das Energie-Band an der Grenzfläche
zwischen dem Kathoden-Bereich 4 und dem aktiven Bereich 5 etwas angehoben
ist und zwar weil Elektronen von dem Kathoden-Bereich 4 zum aktiven Bereich 5
fHessen, so dass das Energie-Band im aktiven Bereich schmal ist, aber nach oben
steigt, weil an der Grenzschicht zwischen dem aktiven Bereich 5 und dem Anoden-Bereich
6 wegen eines eingebauten Potentials eine Verarmungs-Zone hat.
Beim Energie-Band nach Fig. 4 B ist eine solche Spannung an die Tor-Elektrode 8
angelegt, die macht, dass die Spannung Vp^ grosser ist als die schmalbandige
Spannung Vpß, während die Spannung V. „ auf 0 Volt gehalten wird. Wegen der
aufgezwungenen Spannung V^^, liegt das Energie-Band im aktiven Bereich
5 niederer als im Kathoden-Bereich At während das Energie-Band im aktiven Bereich
5 immer noch schmal ist, weil Va ^ = 0 ist. Das Energie-Band am Ende des aktiven
Bereichs 5 nahe des Anoden-Bereichs 6 liegt höher, um (V^^- VCD) als dies in
Fig. 4A gzeigt ist. Diese Spannung (V~y. - V™) verhindert die Injektion von
Löchern aus dem Anoden-Bereich-6 in den aktiven Bereich 5.
Das Energie-Band für den Fall, bei dem VAW, grosser ist als (V1^1, - VCD) und
AlS. L3IS. I" D
^GK 9rösser 'si a's ^FG' lsi 'n ^'g* ^ ^ 9eze'9*· Wenn man dies mit Fig. 4B
vergleicht, dann sieht man, dass das Energie-Band im aktiven Bereich 5 sich zum
Anodenbereich 6 neigt, da die Spannung V. ., aufgezwungen wird. Da jedoch die
Beziehung Vi ^ ^ ^CK " ^FB^ existiert, bleibt die Anoden-Sperrschicht in
ihrem in Sperr-Richtung vorgespannten Zustand, so dass kein nennenswerter Betrag
an Minoritäts-Trägern (d.h. Löchern) aus dem Anodenbereich 6 in den aktiven Bereich
5 injiziert werden. Wie oben beschrieben, wird der IG-Transistor abgeschaltet,
wenn die Beziehung V.^ ^CK ~ ^FF^ befriedigt ist.
Sofern Vi „ grosser ist als (V--.]^ - VFR) wird die Anoden-Sperrschicht in Durchlass-Richtung
vorgespannt, wie oben beschrieben, so dass ein Rekombinations-Bereich am einen Ende des aktiven Bereici * nahe des Anoden-Bereichs 6 gebildet wird, indem
die Elektronen rekombinieren. Wie in Fig. 4D gezeigt, koexistieren unter diesem
Zustand im Rekombinations-Bereich die Majoritäts-Träger, d.h* Elektronen, mit
den Minoritäts-Trägern, d.h. Löchern, so dass die Fermi-Niveaus Ep (n) und
Ep (p) der Elektronen und Löcher jeweils erscheinen.
Durch eine in Fig. 3C gzeigte Massnahme kann der IG-Transistor eingeschaltet
werden. Dementsprechend wird eine negative Spannung V.^.^ und eine positive
Spannung Vai/ mit Bezug auf die Kathoden-Elektrode 9 an die Tor-Elektrode 8
bzw. an die Anoden-Elektrode 10 angelegt. Da die Spannung V^., negativ ist,
verarmen nahezu alle Bereiche des aktiven Bereichs, so dass ein Inversions-Bereich
verursacht wird und zwar durch Löcher, bei und nahe der Grenzschicht zwischen dem aktiven Bereich 5 und dem Isolierfilm 7. Da andererseits die Spannung Va j,
pesitiv ist, werden Löcher aus dem Anoden-Bereich 6 durch die Inversionsschicht
und den aktiven Bereich 5 in den Kathoden-Bereich 4 injiziert. Zur gleichen Zeit
werden Elektronen durch den aktiven Bereich 5 aus dem Kathoden-Bereich 4 in
den Anoden-Bereich 6 injiziert. Dementsprechend fliesst der Anoden-Strom zwischen
der Anoden-Elektrode 9 und der Kathoden-Elektrode 10. Ein Beispiel nicht sättigbarer Stromeigenschaften, die man durch die oben beschriebenen Operationen erhält,
wird in den Fig. 5A und 5B gezeigt. Diese Eigenschaften erhielt man für den Fall,
dass die Dicke der Isolierschicht 2,470 nm waren, die Dicke des aktiven Bereichs
260 nm waren, die Donatoren-Verunreinigungs-Konzentration des aktiven Bereichs
Λα *ί
5 = 4x10 Atomen/cm war, die Länge und Breite des im aktiven Bereich 5
12 159 -19-
gebildeten Kanals Sun bzw. 35 Am waren, die Dicke des Tor-Isolierfilms 7
50 nm, die Dicke der Torelektrode 500 nm war, die Verunreinigungs-Konzentration
19 3
im Kathoden-Bereich 5x10 Atome/cm war und die Verunreinigungs-Konzentration
20 3
im Anoden-Bereich = 2x10 Atome/cm war.
Fig. 5A zeigt den Lw - V. „ Verlauf und zeigt, dass bei konstanter Spannung Vp„
der Strom anwächst, so wie die Spannung V» w. ansteigt, was einen nicht zur Sättigung
führenden Stromverlauf bedeutet. Wird V~w erhöht, dann wird der Anfangswert
von V.w, bei dem der Strom Lw zu fliessen beginnt, gross und danach ist der
Lw - Va yr Verlauf immer noch nicht sättigbar. Der Grund, warum der Anfangswert
von Vi w steigt, wenn V-»., steigt, liegt darin, dass wenn die Spannung V—w
erhöht wird, die Konzentration der Majoritäts-Träger (Elektronen) vergrössert wird,
was sich in einem Anstieg des Potentials im aktiven Element niederschlägt, und wodurch der aktive Bereich verarmt. Dementsprechend ist es notwendig, die Spannung
αηζυηβ^ΘΠ/ wenn man Minoritäts-Träger aus dem Anoden-Bereich injizieren will.
Wie oben beschrieben kann der erfindungsgemässe IG-Transistor bei jeder V. w Spannung
jeden Anodenstrom Lw ziehen, indem man in geeigneter Weise die Spannung
wählt. Dies manifestiert einen sehr breiten Arbeitsbereich.
Sofern die Dicke des aktiven Bereichs viel grosser ist als die Debye Länge L ^
beispielsweise L_E = 0,29 /jm und die Dicke des aktiven Bereichs etwa
12159 -2°-
1 um ist, hat man die Möglichkeit, einen nicht sättigbaren Stromverlauf zu
erhalten. Selbst wenn Vp., variiert wird und obwohl die Steigung des Kurverr
verlaufs sich ändert, ändert sich unter diesen Bedingungen der Anfangswert der Spannung V.j, nicht, zu dem der Strom zu f Hessen beginnt, so dass der Arbeitsbereich, innerhalb dessen man zu einem Strom I * ^. kommt, extrem schmal ist.
Fig. 5B zeigt die L „ - V-.., Kurvenverläufe, die man erhält, wenn man den
Kurvenverlauf nach Fig. 5A mit V-., als Parameter erneut niederschreibt. Wenn
die Spannung V. „ konstant ist, dann fällt L ., so wie V-., steigt. Dieses Fallen
von Lj^ bei Steigen von Vp^ wird durch die Tatsache verursacht, dass die Elektronen-Konzentration
η im aktiven Bereich steigt, mit dem Ergebnis, dass das Fermi-Potential im aktiven Bereich 6, wodurch in wirksamer Weise das eingebaute Potential des
PN-Übergangs steigt.
Wenn sich, wie oben beschrieben, ein nicht sättigbarer Kurvenverlauf manifestiert,
dann tragen beim erfindungsgemässen IG-Transistor sowohl Löcher als auch Elektronen
zum Fliessen des I ·., Stroms bei und es ist damit möglich, einen grossen Strom zu
erzeugen. In dem in Fig. 5A gezeigten Fall ist die Stromdichte etwa 10 bis
5 2
10 A/CM , was um den Faktor 10 bis 100 höher Ifef als bei einem SIT.
Da, wie oben beschrieben, der erfindungsgemässe IG-Transistor eine ihohe Stromdichte
hat, kann er mit dem gleichen Strom mit einer Element-Oberfläche von lediglich 1/3 derjenigen des SIT fertig werden, was für die Anwendung bei integrierten
Schaltungen äusserst vorteilhaft ist.
Es wird nun das Prinzip der Arbeitsweise bei Sättigungsstrom-Verlauf beschrieben.
Die Fig. 6A und 6B zeigen Prinzip-Schaltungen zum Anschluss der Apannungsquellen
und des Verhaltens der Träger im aktiven Bereich 5.
Um Sättigungsstrom-Verhalten hervorzurufen, werden an die Tor-Elektrode 8
bzw. an die Anoden-Elektrode 10 Spannungen Vqis und V. ^ angelegt,
die negativ in Bezug auf die Kathoden-Elektrode 9 sind.
Für den Fall dass Vp^ «^, V. „ -•*_ O vorhanden ist, dann wird auf dem
gesamten Gebiet der Grenzfläche zwischen dem aktiven Bereich 5 und dem isolierfilm
7 gemäss Fig. 6A eine durch Löcher verursachte Inversionsschicht gebildet. Zu diesem
Zeitpunkt und da die Spannung V» ^ negativ ist, ist der Kathoden-Bereich 4 und
die Inversionsschicht in Sperrichtung vorgespannt. Da jedoch die Beziehung V^.,1 «wl χ, t gilt, ist die Löcher-Konzentration in der Inversionsschicht
GK\>\ VAK [
hoch. Dementsprechend fliesst ein Anoden-Strom L^ wegen des Tunneleffekts oder Lawinen-Effekts durch den Kathoden-Bereich 4 und den aktiven Bereich 5. Dieser Strom L ν steigt mit IVA J weiterhin: Da die Löcher-Konzentration
hoch. Dementsprechend fliesst ein Anoden-Strom L^ wegen des Tunneleffekts oder Lawinen-Effekts durch den Kathoden-Bereich 4 und den aktiven Bereich 5. Dieser Strom L ν steigt mit IVA J weiterhin: Da die Löcher-Konzentration
ieser Strom I a ^ steigt mit IV* J weiterhin:
in der Inversionsschicht mit IV,
steigt, so steigt auch L „.
12 159 -22-
Wenn in einem in Fig. 6B gezeigten Fall die Beziehung gilt ^Aic^y^ir -<. η
dann wird das durch V.,, erzeugte Feld stärker als das zur Inversionsschicht
gehörige FeId7 welches durch Vp., in einen Bereich der Grenzschicht zwischen
dem aktiven Bereich 5 und dem Tor- Iso Iationsfi Im 7 nahe dem Anoden-Bereich erzeugt
wird. Hierdurch wird ein Abschür-Effekt erzeugt, durch den die Inversionsschicht
bei einem Punkt 11 verschwindet. Der Punkt 11, bei dem die Inversionsschicht verschwindet,
wird Abschnürpunkt geheissen und die Anodenspannung, bei der das Abschnür-Phänomen auftritt, wird Abschnürspannung V genannt. Dieses Abschnür-Phänomen
vergrössert den Widerstandswerf zwischen dem Abschnürpunkt 11 und dem
Anoden-Bereich 6, und zwar auf einen Wert, der wesentlich höher liegt als der
Widerstandswert der Inversionsschicht selbst. Aus diesem Grund wir in einem Fall,
bei dem eine Beziehung I VAW, J «^^Ί V j gilt, selbst wenn der J VA^ | -Wert
erhöht wird, der Anoden-Strom L^ nicht in einem nennenswerten Mass erhöht,
was Sättigung bedeutet.
Fig. 7 zeigt Sättigungsstrom-Verläufe, die durch das oben beschriebene Prinzip
erzielbar sind. Man erhielt sie, indem man einen IG-Transistor mit nicht sättigbarem Stromverlauf gemäss den Fig. 5A und 5B verwendet hat. Wenn die Vp.,
Spannung -5 Volt ist, dann wir d der Strom L^ mit der Spannung V. „ vergrössert, liegt jedoch mit einem Wert von etwa 0,6 mA in der Sättigung, nachdem
die V. ^. Spannung die Abschnürspannung -5 Volt überschritten hat.
Selbst wenn der absolute Wert von V^1, auf - 3 Volt. - 4 Volt und - 5 Volt
Gn '
erhöht wird, zeigt die Differenze (L „ - V. ^) Sättigungsstromverlauf, wie
dies durch die Kurven (a), (ja), und (c) jeweils gezeigt ist.
Beim oben beschriebenen Ausführungs-BeispieI können sowohl nicht gesättigte als
auch gesättigte Kurven verlaufe erhalten werden, selbst wenn der aktive Bereich
5 aus einer monokristallinen Siliciumschicht vom P-Typ hergestellt ist.
Daman mit dem erfindungsgemässen IG-Transistor in der Lage ist, den Anodenstrom
aus einer Oberfläche des Substrats durch einen Strompfad zu erhalten, der durch
den Kathodenbereich 4, den aktiven Bereich 5 und den Anoden-Bereich 6 gebildet
ist, die in horizontaler Richtung nebeneinander liegen, ist dieser Transistor zur
Herstellung einer integrierten Schaltung geeignet.
Fig. 8 zeigt ein weiteres erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel eines IG-Transistors .
Diejenigen Teile, welche in Fig. 1 gezeigten Teilen entsprechen, tragen die gleichen
Bezugszeichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der aktive Berei ch 5 durch einen
ersten aktiven 5a mit einer Dicke von weniger als -Λ/2 der Debye-Länge L-^ gebildet
sowie durch einen zweiten aktiven Bereich 5b, welcher dicker als der erste aktive Bereich ist und eine Dicke von beispielsweise 1000 nm hat. Der Kathoden-Bereich
4, der zweite aktive Bereich 5b, der erste aktive Bereich 5a und der Anoden-Bereich
6 liegen in horizontaler Richtung in der erwähnten Reihenfolge nebeneinander.
Durch den Tor-Isolierfilm 7 ist eine Tor-Elektrode 8 auf dem ersten aktiven Bereich
5a gebildet.
Da der erste aktive Bereich 5a eine Dicke kleiner als Sls/I mal der Debye-Länge
l_P hat und da er benachbart zum Anoden-Bereich 6 angeordnet ist - genau wie
beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 - gelangt man beim IG-Transistor nach
diesem Aufbau zu einem nicht sättigenden Stromverlauf, wie er in Fig. 5A gezeigt
ist. Da weiterhin der zweite aktive Bereich 5b abweichend vom ersten aktiven Bereich
5a des aktiven Bereichs 5 eine genügend grosse Dicke hat, wird der Widerstand des aktiven Bereichs kleiner als derjenige nach Fig. 1 beim zweiten aktiven
Bereich. Dementsprechend kann das Ausführungsbeispiel von Fig. 8 einen grösseren
Strom erzeugen als bei einem Aufbau nach Fig. 1.
Fig. 9A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen IG-Transistors
und Fig. 9B zeigt seine Draufsicht. Bei dieser Abänderung wird der Kathoden-Bereich
4 aus einem ersten Kathoden-Bereich 4a mit hoher Verunreinigungs-Konzentration
vom N-Typ und einem zweiten Kathoden-Bereich 4b mit einer hohen Verunreinigungs-Konzentration
vom P-Typ gebildet. Der erste und zweite Kathoden-Bereich Aa und 4b
wird parallel im Hinblick auf den aktiven Bereich 5 gebildet und eine gemeinsame
Kathoden-Elektrode 9 wird auf den Kathoden-Bereichen 4a und 4b gebildet.
Die Wirkungsweise dieses IG-Transistors ist in Fig. 10 gezeigt, in der eine Spannung
12 159 -25-
und eine Spannung V*w, die positiv im Hinblick auf die Kathoden-Elektrode
9 sind,, an die Tor-E|ektrode 8 bzw. an die Anoden-Elektrode 10
angelegt werden. Sofern V.,, grosser ist als Vp„, werden die Löcher, die
aus dem Anoden-Bereich 6 in den aktiven Bereich 5 injiziert werden, wirksam
durch den zweiten Kathoden-Bereich 4b des Kathoden-Bereichs 4 abgesaugt,
der ja eine hohe Verunreinigungs-Konzentrationm vom P-Typ hat. Als Konsequenz
hiervon werden vom ersten Kathoden-Bereich 4a, der ja eine hohe Verunreinigungs-Konzentration vom N-Typ hat, kräftig Elektronen in den Anoden-Bereich
6 injiziert, und zwar durch den aktiven Bereich 5. Als Konsequenz hiervon wird der Widerstand des Aktiv-Bereichs 5, der wirkungsvoll die Löcher
auffängt, erheblich kleiner gemacht als im Ausführungs-Beispiel von Fig. 1,
in dem der Kathoden-Bereich 4 und der aktive Bereich 5 aus Material vom gleichen
Leitfähigkeits-Typ hergestellt wurde, nämlich aus monokristallinem Silicium vom
N-Typ. Mit dem soeben beschriebenen Ausführungs-Beispiel ist man damit in
der Lage, einen hohen Strom zu erzeugen.
Fig. 11 zeigt ein Beispiel eines dreidimensionalen LSI, das mit einem IG-Transistor
gemäss der Erfindung hergestellt wurde und Fig. 12 zeigt eine äquivalente Schaltung
Bei diesem Beispiel liegen nahe der Grenzfläche in der ersten isolierenden Schicht
20 in horizontaler Richtung nebeneinanderliegend ein Kathoden-Bereich 21 vom
N Typ, ein aktiver Bereich 22 vom P Typ und ein Anoden-Bereich 21 vom P
Typ. Auf dem aktiven Bereich 22 l·: durch einen Tor-Isolierfilm 24 eine erste
12 159 -26-
Tor-EIektrode 25 gebildet. Darüberhinaus sind jeweils eine erste Kathoden-Elektrode
25 und eine erste Anoden-Elektrode 24 jeweils mit dem Kathoden-Bereich
21 und dem Anoden-Bereich 23 verbunden, und zwar über Ohm'sche
Kontakte mit einem ersten IG-Transistor TR 1 des Lateral-Typs. In der ersten
Isolierschicht 20 liegen nebeneinander ein Kathoden-Bereich 28 vom N Typ,
ein aktiver Bereich 29 vom N Typ und ein Anoden-Bereich 30 vom P Typ,
und zwar in horizontaler Richtung und benachbart zum ersten Transistor TR 1.
Durch einen Tor-Isolierfilm 24 ist auf dem aktiven Bereich 29 eine zweite
Tor-Elektrode 31 befestigt. Eine zweite Kathoden-Elektrode 32 und eine Anoden-Elektrode
33 sind jeweils mit dem Kathoden-Bereich 28 und dem Anoden-Bereich
30 verbunden, und zwar mit Ohm'schen Kontakten, so dass ein zweiter IG-Transistor
TR 2 gebildet wird. Die Tor-Elektroden 25 und 31 sind in einem nicht dargestellten
Teilbereich miteinander verbunden. Eine zweite Isolierschicht 34 deckt die erste
Kathoden-Elektrode 26, die erste Tor-Elektrode 25, die zweite Tor-Elektrode 31
und die zweite Anoden-Elektrode 33 ab. Durch einen Teil-Bereich der zweiten
Isolierschicht 34 hindurch geht ein Loch. Das Loch ist mit elektrisch leitendem
Material 35 aufgefüllt, so dass man die erste Anoden-Elektrode 27 und die zweite
Kathode 32 miteinander verbinden kann. Auf der zweiten Isolierschicht 34 wird eine dritte Isolierschicht 36 gebildet, so dass das elektrisch leitende Material 35
umgrenzt ist. Eine vierte Isolierschicht 40 deckt die dritte Isolierschicht 36, die
dritten und vierten Tor-Elektroden 38 und 39 und das elektrisch leitende Material
35 ab. Auf dieser vierten Isolierschicht 40 ist ein dritter IG-Transistor TR 3 vom
gleichen Typ wie der erste IG-Transistor TR 3 gebildet sowie ein vierter IG-Transistor
3Ί36682
12 159 -27-
TR 4 des gleichen Typs wie der zweite IG-Transistor TR 2. Ein Teilbereich 40a
der Isolierschicht 40 umfasst einen Tor-Isolierfilm des dritten Transistors TR 3.
Das Bezugszeichen 42 bezeichnet den aktiven Bereich des Transistors TR 3, 40b den Isolierfilm des vierten Transistors TR 47 43 den aktiven Bereich
davon, 44 die Kathoden-Elektrode des dritten Transistors TR 3, 45 eine
Elektrode, die der Anoden-Elektrode des dritten Transistors TR 3 und der Kathoden-Elektrode des vierten Transistors TR 4 gemeinsam ist und 46 die
Anoden-Elektrode des vierten Transistors TR 4.
Da der Gl-Transistor nach der Erfindung von dem Horizontal-Typ ist, der sich
von den bekannten SlT vom Vertikal-Typ unterscheidet, ist es möglich, dreidimensionale
LSI mit hohem Strom zu erzeugen.
Wie oben beschrieben kann der IG-Transistor nach der Erfindung hohe Stromdichten
haben, so dass er sich für integrierte Schaltungen eignet, und zwar speziell für dreidimensionale integrierte Schaltungen mit weit auseinanderliegenden Betriebswerten. Da der Transistor vom IG-Typ ist, hat er einen hohen Eingangs-Widerstand,
wodurch die Steuerung leicht wird. Da weiterhin der Strom in Durchlass-Richtung
aus einem PN-Übergang kommt, ist der Ausgangs-Widerstand nieder, so dass
das äquivalente thermische Rauschen fällt, das durch einen solchen Widerstand verursacht wird. Da zusätzlich der Transistor nach der Erfindung vom Bahnleitungs-Typ
ist (bukconductivity type) hat er grosse Verstärkungsfaktor-Konstanten
12 159 -28-
GAK ^ ^ Άκ/ o ^Ak) und Gm ^~v Άκ/ ν ^Gx)' Wenn die TemPeratur
steigt, dann verlängert sich die Debye-Länge proportional zur Quadratswurzel der
Temperatur, wobei die Debye-Länge in ausreichendem Masse grosser wird als
die Dicke des aktiven Bereichs. Dementsprechend können sich die Majoritäts-Träger
ohne weiteres im aktiven Bereich ansammeln, so dass selbst wenn ein grosser
Strom gezogen wird, nicht die Gefahr von wärmemässiger Uberbeanspruchung entsteht.
Die Erfindung ist zahlreicher Variation fähig. Statt Transistor-Funktionen dadurch
zu bewirken, dass man auf einer Isolierschicht einen monokristallinen Halbleiterbereich niederschlägt, kann man auch einen polykristallinen Halbleiterbereich
niederschlagen, um Transistor-Funktionen zu erhalten.
Leerseite
Claims (14)
- PATENTANWALT DIPL.-ING. ULRICH KINKELIN "%"'Sindelfingen -auf dem Goldberg- Weimarer Str. 32/34 Telefon 07031/86501Telex 7265509 rose dU. September 1981 12 159Patentansprüche:Transistor vom Typ mit getrenntem Tor (IG-Typ), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:Eine Isolierschichteinem aktiven Bereich aus einem ersten Halbleiter-Leitfähigkeits-Typ, der auf der Isolierschicht gebildet ist,einem ersten Bereich aus einem Halbleiter hoher Verunreinigungs-Konzentration mit einem ersten Leitfähigkeits-Typ, welcher erster Bereich angrenzend an den aktiven Bereich angeordnet ist,einen zweiten Bereich aus einem Halbleiter hoher Verunreinigungs-Konzentration eines zweiten Leitfähigkeits-Typs, der angrenzend an den aktiven Bereich, jedoch mit Abstand vom ersten Bereich angeordnet ist, ein Tor-Isolations-Fi Im auf dem aktiven Bereich und eine Tor-Elektrode auf dem Tor-Isolations-Film,wobei die Dicke eines Teilbt eichs des aktiven Bereichs um X3/2 mal159 -2-kleiner ist als die Debye-Lähge, die dem den aktiven Bereich bildenden Halbleiter eigen ist.
- 2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich ein Kathoden-Bereich und der zweite Bereich ein Anoden-Bereich ist.
- 3. Transistor nach Anspruch 1 f dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich ein Anoden-Bereich und der zweite Bereich ein Kathoden-Bereich ist.
- 4. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Bereich auf der Isolierschicht gebildet ist. ·
- 5. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der aktive Bereich in der Isolierschicht gebildet ist.
- 6. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht auf einem Halbleiter-Substrat gebildet ist.
- 7. Transistor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht einen SiliciurrrOxid-Film umfasst.159 -3-
- 8. Transistor nach Anspruch 1 ,bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht aus Saphir besteht.
- 9. Transistor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilbereich des aktiven Bereichs im Gegensatz zu anderen Teilbereichen des aktiven Bereichs eine Dicke von weniger als sO/2 mal der Debye-Länge als bestimmende Dicke hat.
- 10. Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathoden-Bereich einen weiteren Kathoden-Bereich in einem Teil-Bereich mit Kontakt zu dem aktiven Bereich hat und dass der weitere Kathoden-Bereich aus einem Halbleiter eines zweiten Leitfähigkeits-Typs besteht,
- 11. Transistor nach Anspruch I7 dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Bereich, der erste Bereich und dor zweite Bereich aus einem monokristallinen Halbleiter auf der Isolierschicht gebildet sind.
- 12. Transistor mit isoliertem Tor (IG-Transistor), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:eine Isolationsschicht
ein aktiver Bereich auf der Isolationsschicht, wobei der aktive Bereich aus159 -4-einem Halbleiter eines ersten Leitfähigkeits-Typs hergestellt ist, ein erster Bereich, der an den aktiven Bereich angrenzt und aus einem Halbleiter eines ersten Leitfähigkeits-Typs hergestellt ist und eine hohe Verunreinigungs-Konzentration hat,ein zweiter Bereich, der an den aktiven Bereich angrenzt, jedoch vom ersten Bereich entfernt ist und aus einem Halbleiter eines zweiten Leitfähigkeits-Typs hergestellt ist,
ein Tor-Isolierfilm auf dem aktiven Bereich und eine Tor-Elektrode auf dem Tor-Isolierfilm, wobei die Dicke eines Teil-Bereichs des aktiven Bereichs kleiner als >C'/2 mal der Debye-Länge ist, die dem Halbleiter eigen ist, der den aktiven Bereich bildet und wobei eine Vielzahl solcher Transistoren dreidimensional aufeinander gegenüberliegenden Seiten der Isolierschicht angeordnet sind. - 13. Transistor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich als Kathoden-Bereich und der zweite Bereich als Anoden-Bereich wirkt.
- 14. Transistor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich als Anoden-Bereich und der .zweite Bereich als Kathoden-Bereich wirkt.
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