DE1293900B

DE1293900B - Feldeffekt-Halbleiterbauelement

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Publication number: DE1293900B
Application number: DET26654A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1963-07-26
Filing date: 1964-07-23
Publication date: 1969-04-30
Also published as: GB1090696A; CH414872A; GB1045314A; NL6408428A; NL6602337A; DE1514932A1; US3407342A; US3372316A; DE1514932C3; NL152119B; FR1377330A; NL143734B; DE1514932B2; CH429953A; FR87873E

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldeffekt- typs des Gitterbereichs aufweist, auf der sich eine Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen zweite scheibenförmige Halbleiterschicht befindet, be-Halbleiterkörper, der einen Stromzuleitungsbereich stehend aus parallelen, voneinander getrennten Kanä- und einen Stromableitungsbereich des einen Leitungs- len mit dreieckigem Querschnitt, wobei zwei Dreityps sowie mehrere parallele, von dem Stromleitungs- 5 ecksseiten konkave Kreisbogen sind und die dritte bereich zu dem Stromableitungsbereich führende Ka- Dreiecksseite eine auf der Trägerhalbleiterschicht aufnäle desselben Leitungstyps und einen Gitterbereich liegende Gerade ist, dem Stromzuleitungsbereich und des entgegengesetzten Leitungstyps aufweist. dem Stromableitungsbereich, an die alle Kanäle mit

Durch die französische Patentschrift 1317256 sind ihren Stirnseiten stoßen, dem Gitterbereich aus ab-

bereits derartige Feldeffekt-Halbleiterbauelemente be- ίο wechselnd mit den Kanälen angeordneten, angenähert

kanntgeworden, deren Halbleiterkörper aus zwei halbzylindrischen Stegen, deren Achsen parallel zu

scheibenförmigen Teilen bestehen, welche durch eine den Kanalachsen verlaufen und die einerseits die

Vielzahl rotationskörperförmiger Kanäle bildender Trägerhalbleiterschicht flächenhaft und andererseits

Teile, die im idealisierten Zustand senkrecht zur gro- sich gegenseitig längs von Mantellinien berühren, und

ßen Oberfläche der scheibenförmigen Teile und par- 15 dem restlichen Teil, der den Leitungstyp des Gitter-

allel zueinander verlaufen, miteinander verbunden bereichs hat.

sind, wobei die beiden scheibenförmigen Teile und Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Feldeffektdie die Kanäle bildenden Teile den gleichen Leitungs- Halbleiterbauelement wird der Vorteil erzielt, daß das typ aufweisen; der zwischen den einzelnen Kanäle Herstellungsverfahren einfacher, rationeller und dabildenden Teilen und den beiden scheibenförmigen 20 mit billiger als bisher geworden ist. Außerdem ist die Teilen verbleibende Zwischenraum ist durch ein Ausschußquote der Herstellung bedeutend niedriger. Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyps Bei gleichen elektrischen Daten kann daher der Geausgefüllt, wodurch ein rasterartiger Gitterbereich stehungspreis des Halbleiterbauelements beträchtlich entsteht, durch dessen Maschen die Kanäle verlaufen. gesenkt werden.

Die Länge dieser Kanäle ist durch die Dicke des 25 Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß je nach den

rasterartigen Gitterbereichs bestimmt, während die geforderten elektrischen Daten die Kanäle auf ein-

Querabmessungen einer jeden Masche des Gitterbe- fache Weise auch sehr lang gemacht werden können,

reichs, d. h. der Kanalquerschnitt, so gewählt sind, was aus technologischen Gründen bisher praktisch

daß in jedem Kanal eine zentripetale Einschnürung nicht möglich war.

durch den Feldeffekt erzielt wird, der aus der Diffe- 30 Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin,

renz der Potentiale resultiert, die an die Gitterelek- daß die zweite scheibenförmige Halbleiterschicht aus

trode und an die auf einer der großen Oberflächen einem ringförmigen Gitterbereich, dementsprechend

des scheibenförmigen Halbleiterkörpers befindlichen, ringförmig angeordneten Kanälen, einem innenliegen-

die Kathode bildende Elektrode gelegt werden. den ringförmigen Stromzuleitungsbereich, einem

Diese bekannten Feldeffekt-Halbleiterbauelemente, 35 außenliegenden ringförmigen Stromableitungsbereich die auch den Namen »Tecnetron« oder »Gridistor« und einem restlichen Teil vom Leitungstyp des Gittererhalten haben, bilden in ihrer allgemeinen Form eine bereichs besteht.

Spannungs- oder Leitungsverstärker-Triode, deren Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Kennlinienfeld demjenigen einer Vakuumröhren-Pen- Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichtode entspricht. Sie sind jedoch durch eine wesentlich 40 nung näher erläutert. Im einzelnen zeigt
größere Steilheit als diejenige einer Pentode gekenn- F i g. 1 einen Schnitt durch einen scheibenförmigen zeichnet, wodurch neben anderen Vorteilen ein höhe- Halbleiterkörper, von dem die Herstellung eines errer Gütefaktor und eine höhere obere Frequenzgrenze findungsgemäß ausgebildeten Feldeffekt-Halbleitererzielt werden. bauelements ausgeht,

Als nachteilig hat sich bei den bekannten Feld- 45 F i g. 2 einen Schnitt durch das Halbleiterbaueleeffekt-Halbleiterbauelementen die mit einem beacht- ment, während dessen Herstellung,
liehen Aufwand verbundene Herstellung erwiesen, F i g. 3 eine Draufsicht auf die zur Herstellung des welche mindestens eine zweifache Diffusion von Halbleiterbauelements verwendete und in F i g. 2 im einem Dotiermaterial abwechselnd entgegengesetzten Schnitt dargestellte Oxydmaske,
Leitungstyps in dem scheibenförmigen Halbleiterkör- 50 F i g. 4 eine perspektivische Darstellung des HaIbper erfordert. Dabei handelt es sich zumindest um leiterbauelements, welche besonders die Form und eine Diffusion zur Bildung des Gitterbereichs und um den Verlauf der Kanäle sowie des Gitterbereichs vereine Diffusion zur Bildung der die Enden sämtlicher deutlicht,

Kanäle miteinander verbindenden Bereiche. Jeder F i g. 5 eine Draufsicht auf einen Teil des HaIb-

Diffusionsvorgang erhöht jedoch die Ausschußquote 55 leiterbauelements nach der F i g. 4,

bei der Herstellung der Halbleiterbauelemente be- F i g. 6 eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauele-

trächtlich. ment mit ringförmigem Gitterbereich,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein F i g. 7 einen Horizontalschnitt durch das HaIb-

Feldeffekt-Halbleiterbauelement so auszubilden, daß leiterbauelement nach der F i g. 6 in der Mittenebene

dessen Herstellung mittels eines einzigen Diffusions- 60 der Kanäle,

Vorgangs erfolgen kann und dessen elektrische Daten, F i g. 8 eine Draufsicht auf ein Halbleiterbaueleinsbesondere der Gütefaktor und die obere Frequenz- ment mit zwei konzentrischen ringförmigen Gittergrenze, denjenigen der bekannten Halbleiterbauele- bereichen.

mente zumindest gleichkommen, wenn nicht über- Die F i g. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine

treffen. 65 beispielsweise aus Silizium, Germanium oder einer

Die Erfindung, die diese Aufgabe löst, besteht dar- intermetallischen Verbindung von Elementen der

in, daß der scheibenförmige Halbleiterkörper eine Gruppen III und V des Periodischen Systems der

scheibenförmige Trägerha^ileiterschicht des Leitungs- chemischen Elemente hergestellten Halbleiterscheibe

— im folgenden wird die Verwendung einer Siliziumscheibe angenommen —, die aus einer scheibenförmigen Trägerhalbleiterschicht 2 mit geringem elektrischem Widerstand und von einem bestimmten Leitungstyp, beispielsweise vom ρ+-Typ und einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,1 Ohm cm, sowie aus einer scheibenförmigen Halbleiterschicht 1 mit einem relativ hohen elektrischen Widerstand und von entgegengesetztem Leitungstyp, also beispielsweise vom η-Typ und einem spezifischen elektrischen Widerstand von 10 Ohm cm, besteht. Die Halbleiterschicht 1 ist sehr dünn und besitzt beispielsweise eine Dicke von 10 μ bis 15 μ, während die Trägerhalbleiterschicht 2 aus Gründen der mechanischen Stabilität wesentlich dicker ausgeführt ist, beispielsweise 150 μ. Ein solcher Halbleiterkörper, von dem die Herstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Feldeffekt-Halbleiterbauelements ausgeht, kann beispielsweise durch Ziehen eines Halbleiterkristalles aus einer Schmelze gebildet werden, wobei während des Ziehvorganges der Wechsel im Leitungstyp erzeugt wird.

Die F i g. 2 zeigt einen Vertikalschnitt durch das Feldeffekt-Halbleiterbauelement, etwa am Ende des Diffusionsvorgangs, während in der F i g. 3 eine Draufsicht auf einen zusammengedrängten Teil des Feldeffekt-Halbleiterbauelements nach der F i g. 2 dargestellt ist. Auf der freien Oberfläche der Halbleiterschicht 1 ist in bekannter Weise eine Oxydmaske angebracht. Diese Oxydmaske weist an ihren beiden äußeren Enden die Öffnungen 13 a und 13 b auf. Zwischen diesen beiden Öffnungen liegen in gleichem Abstand voneinander die Öffnungen 5. Die Öffnungen 5, 13 α und 13 b sind durch Querstege 4 voneinander getrennt. Die Querstege 4 gehen an der einen Seite in den Längssteg 14 a und an der anderen Seite in den Längssteg 14 b der Oxydmaske über. Die Breite der Querstege 4 ist etwa gleich der Stärke der Halbleiterschicht 1. Beispielsweise können die Querstege 4 eine Breite von 15 μ bei einer Stärke der Halbleiterschicht 1 von ebenfalls 15 μ aufweisen und die Öffnungen 5 in der Oxydmaske eine Breite von 10 μ besitzen. Der Halbleiterkörper wird einer senkrecht zu seiner Oberfläche, d. h. zur Oxydmaske, gerichteten Diffusion eines p-Dotiermaterials ausgesetzt, beispielsweise einer Diffusion von Bor in gasförmigem Zustand und in Form von B₂O₃ bei einer Temperatur von 1200° C. Da die Diffusion in einem monokristallinen Halbleiterkörper nach allen Richtungen gleichmäßig voranschreitet, erfolgt sie von den Öffnungen 5 der Oxydmaske aus, gleichzeitig in die Tiefe und in die Breite. Die Diffusionszonen des Gitterbereichs 3, weiche von zwei nebeneinanderliegenden Öffnungen 5 ausgehen, vereinigen sich etwa in der Mitte des Quersteges 4, wenn die Tiefe der Diffusion gleich der Dicke der Halbleiterschicht 1 gewählt wird. Mit dieser Diffusion durch die Oxydmaske gleichzeitig erfolgt eine Diffusion von in der Trägerhalbleiterschicht 2 enthaltenem p-Dotiermaterial, welche in die Halbleiterschicht 1 vom Leitungstyp η bis zur Grenzfläche la vordringt, wo sie sich mit der Diffusion durch die Oxydmaske trifft. Man erhält so einen Gitterbereich 3, der eine Anzahl von Kanälen 8 begrenzt, die einen Querschnitt in Form eines Dreiecks aufweisen, dessen geradlinige Grundseite 7 in der Grenzfläche la liegt und dessen andere beiden Seiten konkave Kreisbogen sind und annähernd die Form eines Viertels eines Zylindermantels 6 haben, wie dies die Schnittdarstellung der F i g. 2 und auch die perspektivische Darstellung der Fig. 4 zeigen. Die Längsstege 14a und 14 b der Oxydmaske, s. F i g. 3, verhindern eine Diffusion in die beiden Streifen 9 α, 9 b der Halbleiterschicht 1, welche dadurch den Leitungstyp η beibehalten und mit den Stirnseiten der Kanäle 8 verbunden sind, vgl. die Fig. 4 und 5. Die Streifen 9a und 9 b, welche den Stromzuleitungsbereich bzw. den Stromableitungsbereich des Feldeffekt-Halbleiterbauelements bilden, sind auf ihrer den Kanälen 8 entgegengesetzten Seite durch die Teile 11a und 11 & begrenzt, welche den gleichen Leitungstyp wie der Gitterbereich 3 besitzen, da sie gegen die Diffusion durch die Oxydmaske nicht geschützt werden. Außerdem sind die Mantelflächen der äußeren stromführenden Kanäle 8 von den p-leitenden Rahmenteilen 12 a und 12 b, vgl. die F i g. 4 und 5, begrenzt, welche durch Diffusion durch die Öffnungen 13 a und 13 & der Oxydmaske hindurch gebildet werden.

so Durch die beschriebene Begrenzung der n-leitenden Kanäle 8 wird erreicht, daß die elektrostatische Kapazität der Kanäle 8 und des Stromzuleitungsbereiches 9 a sowie des Stromableitungsbereiches 9 b gegenüber dem Gitterbereich 3 wesentlich herabge-

S5 setzt ist.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß mittels eines einzigen Diffusionsvorgangs in einem Halbleiterkörper ein Gitterbereich bestimmten Leitungstyps und ein den Gitterbereich umgebendes Halbleitergebiet entgegengesetzten Leitungstyps erzeugt werden kann, wobei das Halbleitergebiet entgegengesetzten Leitungstyps aus einer Anzahl mit ihren Längsachsen parallel zur Scheibenebene des scheibenförmigen Halbleiterkörpers verlaufender Kanäle und aus dem streifenförmigen Stromzuleitungsbereich sowie dem streifenförmigen Stromableitungsbereich, die die Kanäle an ihren Stirnseiten miteinander verbinden, besteht.

Durch ringförmige Anordnung des Gitter-, des

Stromzuleitungs- und des Stromableitungsbereichs können besonders vorteilhafte Ausführungsformen von Feldeffekt-Halbleiterbauelementen erhalten werden. Dabei können die einzelnen Bereiche (Gitterbereich, Stromzuleitungsbereich, Stromableitungsbereich) beispielsweise in Quadrat-, in Rechteck- oder in Kreisform angeordnet sein. In der F i g. 6 der Zeichnung ist die quadratische Ausführungsform der ringförmigen Anordnung dieser Bereiche dargestellt. Beim Stromzuleitungsbereich 16 und beim Stromableitungsbereich 17 — ihnen entsprechen der streifenförmige Stromzuleitungsbereich 9 a und der streifenförmige Stromableitungsbereich 9 b des Halbleiterbauelements nach der F i g. 4 — handelt es sich um schmale, je zu einem Viereck geschlossene Streifen, welche durch die p-leitenden Teile 18 und 19 — ihnen entsprechen die Teile 11 α und 11 b des Halbleiterbauelements nach der F i g. 4 — innen und außen begrenzt werden. Der Stromzuleitungsbereich 16 und der Stromableitungsbereich 17 sind in bekannter Weise mit bandförmigen Elektroden 20 und 21 versehen, die beispielsweise durch Aufdampfen von Metall, beispielsweise antimonhaltigem Gold, durch eine weitere Oxydmaske hindurch gebildet werden. Die Oxydmaske ist dafür mit entsprechenden Durchbrüchen versehen. Das Aufbringen der Goldbänder 20 und 21 auf den Halbleiterkörper erfolgt, nachdem dieser auf eine Temperatur gebracht wurde, die über dem Schmelzpunkt einer eutektischen Legierung aus Gold und dem verwendeten Halbleitermaterial liegt.

Die freie Oberfläche des Gitterbereichs 22, vgl. die Fig. 6, besitzt ebenfalls die Form eines zu einem Quadrat geschlossenen Bandes. Der Kontakt an dem Gitterbereich 22 wird vorzugsweise auf der Rückseite des Halbleiterkörpers (an der Trägerhalbleiterschicht) angebracht; er kann aber auch auf den Teilen 18, 19 oder auf der freien Oberfläche des Gitterbereichs 22 angeordnet sein.

Die F i g. 7 zeigt einen Horizontalschnitt durch das in F i g. 6 dargestellte Halbleiterbauelement etwa in der Mittenebene der Kanäle 23, welche sich zwischen den Abschnitten 24 des Gitterbereichs 22 befinden. In die Fig. 7 ist auch der Stromzuleitungsbereich 16 sowie der Stromableitungsbereich 17 eingezeichnet, auf denen sich die bandförmigen Elektroden 20 und 21 — in punktierten Linien gezeichnet — befinden. Die sich an den Stromleitungsbereich 16 nach innen und an den Stromableitungsbereich 17 nach außen anschließenden p-Ieitenden Teile 18 bzw. 19 sind in die F i g. 7 ebenfalls eingezeichnet. so

Die F i g. 8 zeigt eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäß ausgebildetes Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit zwei konzentrisch angeordneten, zu je einem Quadrat geschlossenen Gitterbereichen 25 und 26. Bei dieser Ausführungsform sind insgesamt drei Stromzuleitungs- bzw. Stromableitungsbereiche 29, 30 und 31 vom Leitungstyp η vorhanden. Die auf ihnen angebrachten bandförmigen Elektroden* sind mit 32, 33 und 34 bezeichnet. Die Stromzuleitungs- bzw. Stromableitungsbereiche 29 und 31 werden nach innen durch den p-leitenden Teil 27 und nach außen durch den p-leitenden Teil 28 begrenzt. Diese Art des Aufbaus ergibt letztlich zwei Feldeffekt-Halbleiterbauelemente, deren stromführende Kanäle sowohl parallel als auch in Reihe arbeiten können, wozu es lediglich einer entsprechenden Verbindung der Elektroden 32, 33 und 34 bedarf. Sowohl im Parallelbetrieb als auch im Reihenbetrieb bilden die Elektroden der Gitterbereiche 25 und 26 eine Einheit, da die beiden Gitterbereiche 25 und 26 durch die Trägerhalbleiterschicht 2 vom Leitungstyp p⁺ miteinander vereinigt sind.

Die vorstehend erläuterten Feldeffekt-Halbleiterbauelemente werden vorzugsweise auf dem Gebiet der Schwachstromtechnik als Gleich- und Wechselstromverstärker, als Oszillatoren oder zu Mischzwecken bis zu sehr hohen Frequenzen und bis zu hohen Ausgangsleistungen verwendet. Bei Feldeffekt-Halbleiterbauelementen, die als Gleich- und Wechselstromverstärker arbeiten sollen, bilden die Elektroden an dem Stromzuleitungsbereich und dem Stromableitungsbereich mit diesen Bereichen ohmsche Kontakte.

Der Querschnitt der Kanäle und die Dicke des Gitterbereichs werden vorzugsweise auf ein Mindestmaß gebracht, das jedoch durch die von der Lichtdrucktechnik gezogenen Grenzen gegeben ist.

Die wesentlichen Größen eines Ausführungsbeispiels eines Feldeffekt-Halbleiterbauelements nach den F i g. 6 und 7 waren:

Halbleitermaterial Silizium,

spezifischer elektrischer Widerstand der n-leitenden scheibenförmigen Halbleiterschicht 1 Ohm cm,

Material der Oxydmaske SiO₂,

Gesamtoberfläche des scheibenförmigen Halbleiterkörpers 1 mm²,

Anzahl der Kanäle etwa 400, Querschnittsfläche eines Kanals etwa 6 μ², Sperrspannung etwa 5 Volt, Sättigungsstrom etwa 30 mA, Steilheit etwa20mA/V,

Eingangswiderstand bei Niederfrequenz etwa 10 Megohm,

innerer Widerstand bei Niederfrequenz etwa 100 Kiloohm,

Ausgangsleistung größer als 1 Watt, Gütefaktor etwa 250 MHz,

obere Frequenzgrenze mindestens 1000 MHz.

Claims

Patentansprüche:

1. Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper, der einen Stromzuleitungsbereich und einen Stromableitungsbereich des einen Leitungstyps sowie mehrere parallele, von dem Stromzuleitungsbereich zu dem Stromableitungsbereich führende Kanäle desselben Leitungstyps und einen Gitterbereich des entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Halbleiterkörper eine scheibenförmige Trägerhalbleiterschicht (2) des Leitungstyps des Gitterbereiches (3) aufweist, auf der sich eine zweite scheibenförmige Halbleiterschicht (1) befindet, bestehend aus parallelen, voneinander getrennten Kanälen (8) mit dreieckigem Querschnitt, wobei zwei Dreieckseiten konkave Kreisbogen sind und die dritte Dreiecksseite eine auf der Trägerhalbleiterschicht (2) aufliegende Gerade (7) ist, dem Stromzuleitungsbereich (9 a) und dem Stromableitungsbereich (9 b), an die alle Kanäle (8) mit ihren Stirnseiten stoßen, dem Gitterbereich (3) aus abwechselnd mit den Kanälen (8) angeordneten, angenähert halbzylindrischen Stegen, deren Achsen parallel zu den Kanalachsen verlaufen und die einerseits die Trägerhalbleiterschicht (2) flächenhaft (7) und andererseits sich gegenseitig längs von Mantellinien berühren, und dem restlichen Teil (11a und Ub), der den Leitungstyp des Gitterbereichs (3) hat.

2. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (8) einen gegenüber der Trägerhalbleiterschicht (2) hohen spezifischen Widerstand haben.

3. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite scheibenförmige Halbleiterschicht (1) aus einem ringförmigen Gitterbereich (22), dementsprechend ringförmig angeordneten Kanälen (23), einem innenliegenden ringförmigen Stromzuleitungsbereich (16), einem außenliegenden ringförmigen Stromableitungsbereich (17) und einem restlichen Teil (18,19) vom Leitungstyp des Gitterbereiches (22) besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen