DE4215125C2

DE4215125C2 - Statisches Induktions-Halbleitergerät

Info

Publication number: DE4215125C2
Application number: DE4215125A
Authority: DE
Inventors: Haruo Takagi; Shinobu Aoki; Yukihiko Watanabe; Hiroshi Tadano
Original assignee: Toyoda Jidoshokki Seisakusho KK; Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1992-05-08
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2012-05-09
Also published as: JP3086713B2; DE4215125A1; US5304822A; JPH04335579A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein statisches Induktions- Halbleitergerät bestehend aus einer Halbleiterschicht mit ei ner oberen Oberfläche, einem an der oberen Oberfläche der Halbleiterschicht befindlichen Sourcegebiet, einem an der oberen Oberfläche der Halbleiterschicht befindlichen Gatege biet, das das Sourcegebiet teilweise einschließt, einem in der Halbleiterschicht vorgesehenen Draingebiet, und einem zwischen dem Draingebiet und dem Sourcegebiet vorgesehenen Kanalgebiet, wobei eine Ladungsträgerbewegung über dieses Ka nalgebiet zwischen dem Sourcegebiet und dem Draingebiet auf tritt, wenn zwischen dem Gategebiet und dem Sourcegebiet eine Vorspannung angelegt wird.

Statische Induktions-Halbleitergeräte werden als Lei stungsschaltgeräte zum Steuern großer Ströme verwendet. Diese Halbleitergeräte besitzen ein signifikant großes Verhältnis des Hauptstroms zum Steuerstrom, bzw. eine hohe Stromverstärkung. In den Fig. 5 und 6 ist ein solches herkömmliches statisches Induktions-Halbleiterge rät (nachfolgend als "SIT" bezeichnet) vom Oberflächen gate-Typ dargestellt. Der gezeigte SIT ist ein n-Ka naltransistor vom Oberflächengate-Typ, in dem Elektronen als Majoritätsträger wirken. Ein n⁺-Siliziumsubstrat 21 bildet ein Draingebiet aus. Auf diesem Substrat 21 ist eine n^--Epitaxieschicht 22 ausgebildet. Ein n⁺-Sourcege biet 23 und ein p⁺-Gategebiet 24 sind an der Oberfläche der Epitaxieschicht 22 ausgebildet. Auf der Epitaxie schicht 22 ist eine SiO₂ Isolierschicht 25 ausgebildet, die im wesentlichen das Gategebiet 24 und die Epitaxie schicht 22 überdeckt.

Eine Sourceelektrode 27 ist auf der Isolierschicht 25 ausgebildet und besitzt ein Kontaktgebiet 26, das an der unteren Seite der Sourceelektrode 27 ausgebildet ist und das die Isolierschicht 25 durchdringt. Die Sourceelektrode 27 ist mit dem Sourcegebiet 23 über das Kontaktgebiet 26 verbunden. Ein Drainanschluß D ist an der Rückseite des Siliziumsubstrats 21 ausgebildet. Ein Teil der Epitaxieschicht 22, der unter dem Sourcege biet 23 liegt, bildet ein Kanalgebiet 28. Zum Ausbilden einer Potentialbarriere, um die Ladungsträgerbeweglichkeit einzuschränken, ist je nach Bedarf eine p-Verunreinigung im Kanalgebiet 28 implantiert bzw. diffundiert.

Dieser SIT befindet sich im AUS- bzw. inaktiven Zustand, wenn zwischen dem Gate und der Source keine Vorwärts-Vor spannung angelegt ist. Beim Anlegen einer Vorwärts-Vor spannung werden vom Gate Löcher in das Kanalgebiet 28 injiziert und das Potential des Kanalgebiets 28 ver ringert. Dies induziert eine Elektroneninjektion von der Source zur Drain und läßt zum Aktivieren des SIT die Elektronen von der Source zur Drain fließen.

Gemäß Fig. 6 besitzt der herkömmliche SIT für jedes Sourcegebiet 23 ein Kontaktgebiet. Das Kontakt gebiet ragt im wesentlichen über das ganze Sourcegebiet 23 hinaus. Das Kontaktgebiet ist groß genug um einen Lö cherfluß von der Gate- zur Sourcelektrode zu erlauben und ein zu starkes Anwachsen der Löcherdichte im Kanalgebiet zu verhindern. Folglich erlaubt es die Potentialänderung im Kanalbereich nicht, daß die Anzahl der von der Source injizierten Elektronen zu groß wird. Mit anderen Worten besitzt der herkömmliche SIT eine geringe Stromverstär kung h_FS (Verhältnis von I_D/I_G des Drainstroms I_D zum Gatestrom I_G).

Ein statisches Induktions-Halbleitergerät, welches ein von einem Gategebiet umgebenes Sourcegebiet in zwei oder mehrere Bereiche unterteilt, als Versuch die Strom verstärkung des Transistors zu vergrößern, wurde bereits in der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 1-270276 vorgeschlagen. Die Teilung des Sourcegebiets, ohne dabei die gesamte Fläche des Halbleitergeräts zu än dern, führt jedoch zu einer Verringerung der Gesamtfläche des Sourcegebiets, was zu lokalen Stromkonzentrationen im SIT-Gerät führen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein stati sches Induktions-Halbleitergerät zu schaffen, welches lo kale Stromkonzentrationen im SIT-Gerät signifikant ver ringert und eine hohe Stromverstärkung liefert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim bekannten statischen Induktions-Halbleiter gerät eine Sourceelektrode auf der Halbleiterschicht vorgesehen ist, und eine Vielzahl von Kontaktgebieten zwischen der Source elektrode und dem Sourcegebiet zum miteinander elektrisch Verbinden vorgesehen ist, wobei die Gesamtfläche der Vielzahl von Kontaktgebieten kleiner ist als die Fläche des Source gebiets.

Bei dem Induktions-Halbleitergerät ist ein Sourcegebiet an der Oberfläche eines Substrats oder einer Halbleiter schicht ausgebildet. Ein Gategebiet ist an der Ober fläche der Halbleiterschicht ausgebildet und umfaßt das Sourcegebiet. Zwischen dem Sourcegebiet und einem Drain gebiet ist ein Kanalgebiet an der Oberfläche der Halblei terschicht ausgebildet. Wenn zwischen dem Gategebiet und dem Sourcegebiet eine Vorspannung angelegt wird, wandern die Ladungsträger vom Sourcegebiet über das Kanalgebiet in das Draingebiet. Auf der Halbleiterschicht befindet sich eine Sourceelektrode, die mit einem Kontaktge biet zwischen der Sourceelektrode und dem Sourcegebiet ausgestattet ist, um diese miteinander elektrisch zu ver binden. Das Kontaktgebiet ist in mehrere Gebiete unterteilt, deren gesamte Fläche kleiner ist als die Fläche des entsprechenden Abschnitts des Sourcegebiets.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen und Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten be vorzugten Ausführungsbeispiels eines Transistors vom Ober flächengate-Typ (SIT);

Fig. 2 eine Draufsicht des SIT nach Fig. 1, die die Beziehung zwischen dem Sourcegebiet und dem Kon taktgebiet, die einen Teil des SIT bilden, darstellt;

Fig. 3 eine Kennlinie, die die Beziehung zwischen der Stromverstärkung des SITs gemäß Fig. 1 und 2 und das Verhältnis des Kontaktgebiets zum Sourcegebiet darstellt;

Fig. 4 eine Teil-Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines SITs;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines herkömmli chen SITs; und

Fig. 6 eine Draufsicht des herkömmlichen SITs gemäß Fig. 5.

Ausführungsbeispiel 1

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines n-Kanal SIT vom Oberflächengate-Typ wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben.

Gemäß Fig. 1 funktioniert ein n⁺-Siliziumsubstrat 2 als Draingebiet 1. Auf dem Substrat 2 ist eine n^--Epitaxie schicht 3 ausgebildet. An der Oberfläche der Epitaxie schicht 3 ist ein n⁺-Sourcegebiet 4 ausgebildet. Gemäß Fig. 2 besitzt das Sourcegebiet 4 eine im wesentlichen elliptische Form mit einer Breite W und einer Länge L. Während im bevorzugten Ausführungsbeispiel die Breite W und die Länge L ca. 3 µm und 100 µm sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß auch andere Werte ausge wählt werden können.

Ein p⁺-Gategebiet 5 ist ringförmig derart an der Ober fläche der Epitaxieschicht 3 ausgebildet, so daß es das Sourcegebiet 4 umgibt. Eine SiO₂ Isolierschicht 6 ist an der Oberfläche der Epitaxieschicht 3 mit Ausnahme des Sourcegebiets 4 ausgebildet. Auf der Isolierschicht 6 be findet sich die Sourceelektrode 7, die aus mehreren Kontaktgebieten 8 an der inneren Seite der Source elektrode 7 ausgebildet ist. Die Kontaktgebiete 8 durchdringen die Isolierschicht 6 und sind mit dem Sourcegebiet 4 verbunden. Jedes Kontaktgebiet 8 besitzt eine Größe von ca. 2 µm × 2 µm.

Ein Drainanschluß D ist an das Siliziumsubstrat 2 ange schlossen. Zum Ausbilden eines Kanalgebiets 9 unterhalb des Sourcegebiets 4 ist in der Epitaxieschicht 3 eine p- Verunreinigung implantiert oder diffundiert. Das Kanalge biet 9 dient als Potentialbarriere um die Bewegung der Ladungsträger einzuschränken, d. h. den SIT abzuschalten.

Die Isolierschicht 6 ist zum Anordnen der Kontakt gebiete 8 gemustert. Die Kontaktgebiete 8 und die Sourceelektrode 7 werden dann entsprechend der Muster auf der Isolierschicht 6 ausgebildet. Die anderen Abschnitte des SITs können entsprechend bekannter herkömmlicher Techniken ausgebildet werden.

Die Arbeitsweise des vorstehend beschriebenen SIT wird nachfolgend genauer beschrieben. Dieser SIT wird mit einer zwischen der Source und dem Drain angelegten Vor wärts-Vorspannung verwendet, indem man die Sourceelek trode erdet und an den Drainanschluß D ein positives Po tential anlegt. Wenn das Gategebiet das gleiche Potential wie das Sourcegebiet besitzt, so ist der SIT deaktiviert bzw. ausgeschaltet. Legt man eine Vorwärts-Vorspannung zwischen Gate und Source, so werden in die Kanalgebiete 9 vom Gategebiet 5 Löcher injiziert um dadurch das Poten tial über dem Kanalgebiet 9 fallen zu lassen. Dies indu ziert eine Elektroneninjektion aus dem Sourcegebiet 4 in das Kanalgebiet 9 und führt zu einem Elektronenfluß zwi schen Drain und Source. Folglich ist der SIT aktiviert und ein Drainstrom I_D fließt entsprechend einem Gatestrom I_G durch den SIT.

Sind die Gate- und Sourcepotentiale gleich oder wird eine Rückwärts-Vorspannung zwischen Gate und Source angelegt, so werden die Löcher aus dem Kanalgebiet 9 entfernt und der SIT ausgeschaltet.

Wie vorstehend beschrieben haben herkömmliche SITs eine relativ geringe Stromverstärkung. Der vorliegende SIT be sitzt jedoch eine höhere Stromverstärkung als herkömmli che SITs. Das Kontaktgebiet 8 des vorliegenden SIT ist in mehrere Gebiete aufgeteilt und verringert somit die Flä che eines jeden Kontaktgebiets 8 im Vergleich zur entsprechenden Fläche herkömmlicher Geräte. Dies bedeu tet, daß weniger Löcher in die Sourceelektrode 7 fließen, so daß die Löcherdichte des Kanalgebiets 9 mit der Injek tion von weniger Löchern erhöht werden kann. Eine Poten tialabnahme im Kanalgebiet verursacht deshalb eine zah lenmäßige Zunahme der aus der Source injizierten Elektro nen und somit eine Zunahme der Stromverstärkung h_FS.

Weil das Kontaktgebiet 8 in mehrere Gebiete unterteilt ist, ist seine Gesamtfläche kleiner als die des Source gebiets. Das Sourcegebiet ist groß, weil es nicht un terteilt ist. Die von der Sourcelektrode 7 herfließenden Elektronen durchqueren das Sourcegebiet 4 und verstreuen sich um ihn herum, wodurch eine lokale Stromkonzentration im SIT verhindert wird. Die Stromkapazität ist deshalb vergrößert und der SIT kann effektiver als herkömmliche SIT-Geräte verwendet werden. Ferner ist durch die Unter teilung des Kontaktgebiets 8 ein im wesentlichen gleicher Stromfluß und eine im wesentlichen gleichförmige Hitzeerzeugung des Geräts sichergestellt. Da die Fläche des Sourcegebiets 4 groß gehalten ist, ist die Gate- Sourcespannung V_GS kleiner, wenn der SIT aktiviert ist, wodurch der Leistungsverlust verringert wird.

Fig. 3 zeigt Änderungen in der maximalen Stromverstärkung des SITs als eine Funktion des Flächen-Verhältnis des Kontaktgebiets 8 zum Sourcegebiet 4. Das Sourcegebiet 4 hat eine Größe von ca. 3 µm × 100 µm und ein einzelnes Kontaktgebiet 8 besitzt ein Kontaktgebiet von ca. 2 µm × 2 µm. Die Kennlinie gemäß Fig. 3 erhält man durch Messen der maximalen Stromverstärkungen von mehreren Mu stern mit unterschiedlicher Anzahl von Kontaktge bieten. Gemäß Fig. 3 ist es offensichtlich, daß die Stromverstärkung mit einer Abnahme der Kontaktfläche zu nimmt.

Wenn die Gesamtfläche der Kontaktgebiete 8 zu klein gemacht wird, vergrößert sich der Kontaktwiderstand. Un ter diesen Bedingungen ist es praktischerweise wünschens wert die Gesamtfläche der Kontaktgebiete zwischen 50% bis 10% der Fläche der Sourcegebiete einzustellen.

Ausführungsbeispiel 2

Ein zweites Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand von Fig. 4 beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine dünne Isolierschicht 10 (z. B. SiO₂) von ca. 3 nm an der Oberfläche des Sourcegebiets 4 ausgebildet, das mit den Kontaktgebieten 8 korrespondiert, anstatt das Source gebiet 4 direkt mit der Sourceelektrode 7 zu verbinden. Das Sourcegebiet 4 ist über die Isolierschicht 10 mit der Sourceelektrode 7 verbunden. Die Isolierschicht 10 dient als Tunnel für die Injektion von Ladungsträgern. Die restliche Struktur des SIT ist im wesentlichen ähnlich mit der des bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Wenn die dünne Isolierschicht 10 zwischen dem Sourcege biet 4 und der Sourceelektode 7 vorgesehen ist, werden Elektronen das Sourcegebiet 4 erreichen, wobei jedoch der Löcherstrom zu der Sourceelektrode 7 durch die Isolier schicht begrenzt ist, wodurch sich die Löcherdichte im Kanalgebiet 9 erhöht. Deshalb erhöht sich der Drainstrom I_D und verbessert ferner die Stromverstärkung h_FS.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt. So kann z. B. das Kontaktgebiet 8 anders als in den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen unterteilt sein ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich kann an stelle des n-Kanals ein p-Kanal verwendet werden, so daß die Source und das Drain vom p-Typ sind, während das Gate vom n-Typ ist, und die Löcher werden nun die Ladungsträ ger. Ferner kann ein Kanalgebiet vom gleichen Typ wie ein Gategebiet sein.

Claims

1. Statisches Induktions-Halbleitergerät bestehend aus:
einer Halbleiterschicht mit einer oberen Oberfläche,
einem an der oberen Oberfläche der Halbleiterschicht be findlichen Sourcegebiet,
einem an der oberen Oberfläche der Halbleiterschicht be findlichen Gategebiet, das das Sourcegebiet teilweise ein schließt,
einem in der Halbleiterschicht vorgesehenen Draingebiet, und
einem zwischen dem Draingebiet und dem Sourcegebiet vor gesehenen Kanalgebiet, wobei eine Ladungsträgerbewegung über dieses Kanalgebiet zwischen dem Sourcegebiet und dem Drainge biet auftritt, wenn zwischen dem Gategebiet und dem Sourcege biet eine Vorspannung angelegt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Sourceelektrode (7) auf der Halbleiterschicht (3) vorgesehen ist, und
eine Vielzahl von Kontaktgebieten (8) zwischen der Sour ceelektrode (7) und dem Sourcegebiet (4) zum miteinander elektrisch Verbinden vorgesehen ist, wobei die Gesamtfläche der Vielzahl von Kontaktgebieten (8) kleiner ist als die Flä che des Sourcegebiets (4).

2. Halbleitergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Sourceelektrode (7) und der Halbleiter schicht (3) eine Isolierschicht (6) liegt und die Kontaktge biete (8) die Isolierschicht (6) zum Verbinden des Sourcege biets (4) durchdringen.

3. Halbleitergerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Halbleiterschicht (3) vom n^--Typ ist und das Sourcegebiet (4), das Gategebiet (5) und das Draingebiet (1) vom n⁺-Typ, p⁺-Typ und vom n⁺-Typ in dieser Reihenfolge sind.

4. Halbleitergerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalgebiet (9) durch Implantation oder Diffusion ei ner p-Verunreinigung in der n^--Halbleiterschicht (3) ausge bildet ist.

5. Halbleitergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelnes Sourcegebiet (4) genau 3 µm breit und 100 µm lang ist und jedes Kontaktgebiet (8) eine Größe von ca. 2 µm × 2 µm besitzt.

6. Halbleitergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis der gesamten Flä che von mehreren Kontaktgebieten (8) entsprechend einem ein zelnen Sourcegebiet zur Fläche des Sourcegebiets (4) zwischen 10% und 50% liegt.

7. Halbleitergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierschicht (10) zwischen dem Sourcegebiet (4) und den Kontaktgebieten (8) vorgesehen ist, um eine Tunnelinjektion von Ladungsträgern in das Sour cegebiet (4) zu ermöglichen.

8. Halbleitergerät nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sourcegebiet, das Gategebiet und das Draingebiet vom p⁺-Typ, n⁺-Typ und vom p⁺-Typ in die ser Reihenfolge sind.