DE3213772A1

DE3213772A1 - Feldeffekt-halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE3213772A1
Application number: DE19823213772
Authority: DE
Inventors: Adrian 02154 Waltham Mass. Cogan; Paul L. 01720 Acton Mass. Haugsjaa
Original assignee: GTE Laboratories Inc
Current assignee: Verizon Laboratories Inc
Priority date: 1981-04-17
Filing date: 1982-04-14
Publication date: 1982-11-25
Also published as: IT8220692A0; GB2097188A; IT1150836B; JPS57181171A

Description

Cr

G7 Ρ70 D Feldeffekt-Halbleitereinrichtung

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Hochfrequenz-Feldeffekt-Halbleitereinrichtungen und insbesondere auf den Aufbau einer Feldeffekt-Halbleitereinrichtung, die zur Verwendung in einer Gate-Schaltung angepaßt ist.

Ein statischer Induktionstransistor (static induction transistor) ist eine Feldeffekt-Halbleitereinrichtung, die ausgezeichnete Hochleistungs- und Hochfrequenzeigenschaften aufweist. Diese Einrichtungen sind durch relativ kurze Kanäle mit hohem spezifischem Widerstand charakterisiert und arbeiten mit Ladungsträger-Verarmung des Kanals. Die Strom-Spannungs-Kennlinien des statischen Induktionstransistors sind denen einer übersteuerungsfreien Triode ähnlich. Der herkömmliche statische Induktionstransistor verwendet eine vertikale Geometrie. Die Source- und Drain-Kontakte sind an gegenüberliegenden Seiten einer dünnen Schicht hohen spezifischen Widerstandes eines Leitfähigkeitstyps angeordnet. Die Gate-Bereiche des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps werden in die Schicht hohen spezifischen Widerstandes an. gegenüberlie-

genden Seiten der Source hineindiffundiert. Wenn an die Gate-Anschlüsse eine Sperrspannung angelegt wird, so erstreckt sich das hier zugeordnete Verarmungsgebiet bis unterhalb der Source und "klemmt" den Kanal zwischen Source und Drain ab.

Um bei hohen Frequenzen eine gute Feldeffekttransistor-Arbeitsweise zu erhalten,ist es oftmals vorteilhaft, eine Gate-Schaltung zu verwenden. Die Gate-Elektrode des Transistors wird mit Schaltkreismasse verbunden, die üblicherweise das Chassis ist, an welchem der Schaltkreis befestigt ist. Halbleiter-Leistungs-Einrichtungen erfordern eine thermische Verbindung zu einer Wärmesenke, um an oder nahe bei dem Leistungsnennwert betrieben werden zu können. Normalerweise ist das Gehäuse der Leistungseinrichtung thermisch mit dem Chassis des Gerätes gekoppelt. Allerdings ist bei einem statischen Induktionstransistor mit vertikaler Geometrie die Drain-Elektrode intern mit dem Gehäuse der Einrichtung verbunden. Folglich muß diese Einrichtung gegenüber dem Chassis elektrisch isoliert sein. Diese Forderung nach elektrischer Isolierung zwischen der Halbleitereinrichtung und dem Gerätechassis macht die Wärmeableitung von der Halbleitereinrichtung schwierig.

Folglich ist es wünschenswert, eine Feldeffekt-Halbleitereinrichtung mit guten Hochfrequenz- und Hochleistungsbetriebscharakteristiken zu schaffen, die für eine Anwendung in einer Gate-Schaltung ausgelegt ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schlägt eine Feldeffekt-Halbleitereinrichtung vor, die eine Schicht hohen spezifischen Widerstandes eines Halbleitermateriales eines Leitfähigkeitstyps aufweist, bei dem auf dessen erster Oberfläche ein ohm'scher Drain-Bereich niedrigen spezifischen Widerstandes und ein ohm'scher Source-Bereich niedrigen spezi-

fischen Widerstandes gebildet sind und auf deren zweiter Oberfläche ein Gate-Bereich einschließlich einer gleichrichtenden Gate-übergangszone ausgebildet ist. Die Schicht hohen spezifischen Widerstandes zwischen den Source- und Drain-Bereichen bildet einen Kanal für eine Stromleitung zwischen diesen. Die Gate-übergangszone, die benachbart zu dem Kanal angeordnet ist, steuert den Strom in dem Kanal in Abhängigkeit von der Vorspannung, die an die Gate-Ubergangszone angelegt wird. Die Einrichtung enthält weiterhin Mittel, die zwischen den Source- und Drain-Bereichen angeordnet sind, um den Strom in dem Kanal auf einen Teil der Schicht hohen spezifischen Widerstandes in der Nähe der Gate-Übergangszone einzuschränken,wodurch der Strom durch die Gate-Spannung gesteuert werden kann.

Der Gate-Bereich kann eine Schicht aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps enthalten, die angrenzend zur zweiten Oberfläche der Schicht hohen spezifischen Widerstandes liegt. Alternativ kann der Gate-Bereich eine erste Metallschicht enthalten, die eine gleichrichtende Metall-Halbleiter-Übergangszone bildet, die angrenzend zur zweiten Oberfläche der Schicht hohen spezifischen Widerstandes liegt. Die Mittel zur Begrenzung des Stromes können eine Rille oder Vertiefung in der ersten Oberfläche der Schicht hohen spezifischen Widerstandes enthalten.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Figuren ausführlicher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 die der Drain-Strom-Drain-Spannungs-Kennlinie einer· Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung;

Figur 3 eine Schnittansicht einer Feldeffekt-Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Strom-Barriere in Form einer V-förmigen Rille;

Figur 4 und 5 Schnittansichten zur Erläuterung der Herstellung der Feldeffekt-Halbleitereinrichtung der Figur 3;

Figur 6 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles einer Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung;

Figur 7 und 8 Schnittansichten zur Erläuterung der Herstellung der Feldeffekt-Halbleitereinrichtung der Figur 6;

Figur 9 eine Schnittansicht eines alternativen Gate-Aufbaus, der bei der Feldeffekt-Halbleitereinrich

tung nach der vorliegenden Erfindung anwendbar ist; und

Figur 10 eine Draufsicht der Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit Darstellung eines in Interdigitation angeordneten

Source- und Drain-Aufbaus.

In den Figuren sind verschiedene Elemente nicht maßstäblich dargestellt. Gewisse Dimensionierungen sind im Verhältnis zu anderen Dimensionierungen vergrößert dargestellt, um ein klareres Verständnis der Erfindung zu geben.

Um ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zusammen mit anderen und weiteren Zielen, Vorteilen und Ei- ^ou genschaften von ihr zu geben, wird auf die folgende Beschreibung, die Patentansprüche und die oben beschriebenen Zeichnungen Bezug genommen.

ζ- 40

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Eine Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in Figur 1 gezeigt. Eine Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes aus Halbleitermaterial eines Leitfähigkeits~ typs besitzt einen ohm'sehen Drain-Bereich 12 niedrigen spezifischen Widerstandes und einen ohm'sehen Source-Bereich 14 niedrigen spezifischen Widerstandes, die in deren erster oder oberen Oberfläche ausgebildet sind. Der Drain-Bereich 12 und der Source-Bereich 14 sind normalerweise als im Abstand zueinander befindliche, parallele Streifen auf der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes ausgebildet. Ein planarer Gate-Bereich 16, einschließlich einer gleichrichtenden Gate-Übergangszone 18 liegt angrenzend zu einer zweiten oder unteren Oberfläche der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes. Der Gate-Bereich 16 bedeckt generell die untere Oberfläche der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes, die dem Drain-Bereich 12 und dem Source-Bereich 14 gegenüber liegt. Ein Drain-Kontakt 20 und ein Source-Kontakt 22 sind auf dem Drain-Bereich 12 bzw. dem Source-Bereich 14 ausgebildet. Ein Gate-Kontakt 24 ist auf dem Gate-Bereich 16 ausgebildet. Der Teil der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes zwisehen dem Source-Bereich 14 und dem Drain-Bereich 12 bildet einen Kanal 26, um Strom zwischen dem Source-Bereich 14 und dem Drain-Bereich 12 zu leiten. Eine Strom-Barriere 28, die so ausgebildet ist, daß sie den Strom in dem Kanal 26 auf einen Teil der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes in der Nähe der Gate-Übergangszone 18 einschränkt, ist im oberen Teil der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes zwischen dem Source-Bereich 14 und dem Drain-Bereich 12 angeordnet. Die Strom-Barriere 28 ist typischerweise als langgestrecktes Element ausgebildet, d_as parallel zu dem Drain-Bereich 12 und dem Source-Bereich 14 liegt.

Die Arbeitsweise der in Figur 1 dargestellten Einrichtung wird unter Bezugnahme auf die Betriebs-Kennlinien der Figur 2 beschrieben. Wie oben angegeben ist ein statischer Induktionstransistor durch einen Kanal kurzer Länge und durch einen Kanal hohen spezifischen Widerstandes charakterisiert und dadurch, daß er trioden-ähnliche Betriebs-Charakteristiken aufweist. Obwohl die in Figur 1 dargestellte Einrichtung einen von einem statischen Induktionstransistor vollständig abweichende Geometrie aufweist, besitzt sie ähnliche Betriebs-Charakteristiken wie ein statischer Induktionstransistor. Bei normalem Betrieb wird eine Sperrspannung an den Gate-Kontakt 24 angelegt. Die in Sperrichtung vorgespannte Gate-Übergangszone 18 besitzt eine zugeordnete Verarmungsschicht, die in den Kanal 26 hineinragt und diesen "abklemmt", wodurch eine Potential-Barriere für einen fließenden Strom erzeugt wird. Wenn die Source-Drain- und Gate-Drain-Abstände ausreichend klein sind, so kann die "Höhe" der Potential-Barriere dadurch modifiziert werden, daß entweder das Gate-Potential oder das Drain-Potential verändert wird. Im Ergebnis erhält man eine übersteuerungsfreie Betriebs-Kennlinie, wie diejenige, die in Figur 2 dargestellt ist. Der Drain-Strom ist dort längs der vertikalen Achse der Figur 2 als Funktion der Drain-Spannung an der horizontalen Achse fü_r verschiedene Werte der Gate-Spannung aufgetragen. Die Kurve 30 stellt einen niedrigen Wert der Gate-Sperrspannung dar, während die Kurven 32 und 34 sukzessive höhere Werte der Gate-Sperrspannung darstellen. Es ist zu ersehen, daß eine Vergrößerung der Gate-Sperrspannung den allge^u meinen Effekt hat, daß die Drain-Spannung vergrößert wird, die an die Einrichtung angelegt werden muß, um einen Drain-Stromfluß zu bewirken.

Die Funktion der Strom-Barriere 28 kann unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben werden. Bei normalem Betrieb fließt ein Strom zwischen dem Source-Bereich 14 und dem Drain-Bereich 12 durch den Kanal 26 hindurch, wie durch

die Pfeile in Figur 1 angedeutet. Bei Abwesenheit der Strom-Barriere 28 würde sich der Stromfluß nahe der oberen Oberfläche der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes konzentrieren und eine Steuerung des Stromes über den Gate-Bereich 16 wäre relativ schwierig. Die Strom-Barriere bewirkt, daß der Strom, der durch den Kanal 26 fließt, einem Weg durch die Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes hindurch folgt, der um die Strom-Barriere 28 herum und nahe zu der Gate-Übergangszone 18 verläuft. Folglich gelangt der Strom durch einen Teil des Kanales 26, in welchem der Gate-Bereich 16 einen größeren Hnfluß hat. Der Gate-Bereich 16 kann folglich den Strom, der durch den Kanal 26 fließt, steuern, wenn eine relativ geringe Sperrspannung an ihn angelegt wird.

In Figur 3 ist eine spezielle Ausführungsform einer Feldeffekt-Halbleitereinrichtung gemäß der Erfindung gezeigt. Die Strombarriere 28 ist eine Rille 40, die in der ersten Oberfläche der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes zwischen dem Source-Bereich 14 und dem Drain-Bereich 12 ausgebildet ist. Folglich wird der Strom, der durch den Kanal 26 fließt, auf einen Teil der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes begrenzt, der nahe der Gate-Übergangs zone 18 liegt.

Die Herstellung der in Figur 3 gezeigten Einrichtung ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Das Substrat ist ein Silizium-Halbleiter-Plättchen eines Leitfähigkeitstyps und von mittlerem spezifischen Widerstand. Das Sub- ^⁰ strat bildet den Gate-Bereich 16 der Einrichtung und kann einen spezifischen Widerstand von einem bis fünf Ohm pro Zentimeter haben. Die epitaxiale Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ist auf dem Substrat oder dem Gate-Bereich 16 aufgewachsen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet der Gate-Bereich 16 eine mechanische Stütze für die Einrichtung und kann ca. 200 Mikrometer dick sein, während

die Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes ungefähr 5 bis 12 Mikrometer dick ist und einen spezifischen Widerstand von mindestens 20 Ohm pro Zentimeter hat. Die Dicke der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes hängt von der geforderten Durchbruchspannung und von der maximalen Arbeitsfrequenz der Einrichtung ab. Da die Differenz zwischen dem spezifischen Widerstand des Substrates und dem spezifischen Widerstand der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes relativ gering ist, ist die Gitter-Fehlanpassung klein und es können ohne Schwierigkeiten di si oka tions freie, aufgewachsene Schichten hoher Qualität erzeugt werden.

Auf der oberen Oberfläche der Schicht 10 hohen spezifisehen Widerstandes wird eine aufgewachsene Schicht 42 aus Siliziumdioxid mittels bekannter Methoden erzeugt, beispielsweise dadurch, daß das Halbleiterplättchen einer Sauerstoff-und DampfUmgebung von ca. 1100° C ausgesetzt wird. Im nächsten Schritt werden ein Source-Fenster 43, ein Drain-Fenster 44 und ein Strom-Barrieren-Fenster 45 in der Oxidschicht 42 unter Anwendung herkömmlicher Fotolithographie-Techniken gebildet. Zum Schutz der Source- und Drain-Fenster 43 bzw. 44 wird Silizium-Nitrid abgelagert und als Muster aufgebracht (patterned). Ein typisches Verfahren zum Aufbringen des Silizium-Nitrids besteht in Ablagerung eines chemischen Dampfes aus Ammoniak und Silizium-Wasserstoff bei ca. 800° C. Die Silizium-Nitrid-Schichten 46 schützen die Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes während der Formation der Strom-

^UW Barriere in dem Strom-Barrieren-Fenster 45.

In der ersten Oberfläche der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes wird in dem Strom-Barrieren-Fenster 45 eine Rille 40 geformt. Obwohl Rillen jeglicher Form verwendet werden können, um die Strom-Barriere zu erzeugen, werden typischerweise V-förmige Rillen verwendet. V-förmige Rillen können in herkömmlicher Weise in Silizium-Mono-

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Kristallen geätzt werden, wenn das Plättchen eine Oberflächenorientierung von (100) hat. Die Maske ist in Bezug auf die Kristall fläche (110) ausgerichtet, die die (110)-Kristallrichtung anzeigt. Wenn eine äquimolare Mischung aus N₃H₄ und H-O verwendet wird, so wird der Ätz-Prozeß selbststoppende Rillen mit einem Winkel von 54,7° von der Oberfläche aus erzeugen. Die Tiefe der Rille hängt lediglich von der Dimensionierung des Ätz-Fensters ab. Bei der Einrichtung der vorliegenden Erfindung liegt die Tiefe der V-förmigen Rille 4 0 typischerweise in der Größenordnung von 30% bis 70% der Dicke der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes.

Als nächstes wird eine zweite Siliziumdioxid-Schicht, in Wirklichkeit eine Fortsetzung des AufWachsens der Siliziumdioxid-Schicht 4 2 durch Aufwachsen auf der Oberfläche der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes aufgebracht. Die zusätzliche Siliziumdioxid-Schicht schützt die Oberfläche der Rille 40. Die Siliziumnitrid-Schichten 46 werden dann von dem Plättchen entfernt, um einen Zugang zu den Source- und Drain-Fenstern 43 und 44 zu schaffen. Die Siliziumnitrid-Schicht 46 kann mit bekannten Methoden entfernt werden, wie z. B. dadurch, daß sie Phosphorsäure bei ca. 180° C ausgesetzt wird oder durch Plasmaätzen. Es sei erneut auf Figur 3 Bezug genommen; der flache Drain-Bereich 12 wird in dem Drain-Fenster 44 und der flache Source-Bereich 14 wird in dem Source-Fenster 43 durch Ionen-Implantation oder durch Diffusion von Verunreinigungen gebildet. Der Drain-Bereich 12 und der Source-Bereich 14 haben einen geringen spezifischen Widerstand und sind von dem gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Schicht 10 mit hohem spezifischen Widerstand, wodurch ohm'sche Kontakte zu der Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes gebildet werden. Da kurze Diffusionszeiten benötigt werden, tfitt an der Gate-Übergangszone eine vernachlässigte Umverteilung an Verunreinigungen auf.

Auf der oberen Oberfläche des Plättchens wird ein Kontaktmetall abgeschieden und der Drain-Kontakt 20 sowie der Source-Kontakt 22 werden unter Anwendung herkömmlicher Foto-Lithographie-Techniken angeordnet. Schließlich wird die untere Oberfläche des Substrates metallisiert, wodurch der Gate-Kontakt 24 gebildet wird.

In einem Ausführungsbeispiel der Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung besitzt die Schicht 10 hohen spezifischen Widerstandes eine Dicke von 6 bis 8 Mikrometer. Die Source- und Drain-Bereiche sind ca. 4 Mikrometer voneinander getrennt und die Source- und Drain-Fenster haben eine Breite von ca. 2 Mikrometer.Die Rille 40 ist 1,5 Mikrometer breit und 2,5 Mikrometer tief.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Feldeffekt-Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Figur 6 gezeigt. Eine Schicht 50 hohen spezifischen Widerstandes aus Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps hat einen ohm"sehen Drain-Bereich 52 geringen spezifischen Widerstandes und einen ohm'sehen Source-Bereich 54 niedrigen spezifischen Widerstandes, die in einer ersten oder oberen Oberfläche der Schicht 50 ausgebildet sind. Der Drain-Bereich 52 und der Source-Bereich 54 sind typischerweise als parallele Streifen auf der Schicht 50 hohen spezifischen Widerstandes ausgebildet. Ein planarer Gate-Bereich 56 einschließlich einer gleichrichtenden Gate-Obergangszone 58 liegt anschließend an eine zweite oder untere Oberfläche der Schicht 50 hohen spezifischen Wider-Standes. Der Gate-Bereich 56 bedeckt generell die untere Oberfläche der Schicht 50 hohen spezifischen Widerstandes, die dem Drain-Bereich 52 und dem Source-Bereich 54 gegenüber liegt.Ein Drain-Kontakt 60 und ein Source-Kontakt 62 sind auf dem Drain-Bereich 52 bzw. dem Source-Bereich 54 ausgebildet. Ein Gate-Kontakt 64 ist auf dem Gate-Bereich 56 ausgebildet. Der Teil der Schicht 50 hohen spezifischen Widerstandes zwischen dem Source-Bereich 54 und dem Drain-

Bereich 52 bildet einen Kanal 66 für die Stromleitung zwischen dem Source-Bereich 54 und dem Drain-Bereich 62.

Die in Figur 6 gezeigte Einrichtung unterscheidet sich von der Einrichtung der Figur 3 prinzipiell in dem Aufbau der Strom-Barriere 28. In der Einrichtung der Figur 6 ist die Strom-Barriere 28 eine Vertiefung 70 in der Schicht 50 hohen spezifischen Widerstandes zwischen dem Drain-Bereich 52 und dem Source-Bereich 54. Die Vertiefung 70 in der Schicht 50 hohen spezifischen Widerstandes verringert im Ergebnis die Dicke des Kanales 66 und bewirkt, daß der Strom, der durch den Kanal 66 fließt, nahe zur Gateübergangszone 58 verläuft. Bei Vorhandensein der Vertiefung 70 sind der Drain-Bereich 52 und der Source-Bereich 54 in Wirklichkeit in Beziehung zu dem Rest der Schicht hohen spezifischen Widerstandes erhoben angeordnet.

Figur 7 und 8 zeigt die Herstellung der Feldeffekt-Halbleitereinrichtung der Figur 6. Die epitaxiale Schicht 50 hohen spezifischen Widerstandes aus Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps wird durch Aufwachsen auf einem Substrat mit mittlerem spezifischen Widerstand aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufgebracht. Das Substrat bildet den Gate-Bereich 56 der Einrichtung. Die spezifischen Widerstände und die Dicken der Schicht 50 hohen spezifischen Widerstandes und des Substrates können entsprechend denen sein, die oben im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben wurden. Als nächstes wird eine dünne Schicht aus Siliziumnitrid auf der ersten

oder oberen Oberfläche der Schicht 50 hohen spezifischen Widerstandes aufgebracht. Das Siliziumnitrid wird mit einer Maske abgedeckt und unter Anwendung herkömmlicher Foto-Lithographie-Techniken so geätzt daß schützende Siliziumnitrid-Schichten 76 über den Bereichen 77 und 78

der Schicht 50 hohen spezifischen Widerstandes verbleiben.

Als nächstes wird das Halbleiter-Plättchen oxidiert und auf den ungeschützten Bereichen wird eine dicke Silizium-

dioxid-Schicht mittels Aufwachsen erzeugt. In den Bereichen 77 und 78, die von der Siliziumnitrid-Schicht 76 geschützt sind, wächst kein Oxid an. Der Siliziumdioxid-Schicht 80 ist erlaubt, bis zu einem solchen Ausmaß zu wachsen, daß die Schicht 50 hohen spezifischen Widerstandes in den ungeschützten Bereichen des Plättchens auf 30 bis 70% reduziert wird.

Die Siliziumnitrid-Schichten 76 werden von den Bereichen 77 und 78 entfernt und flache Bereiche niedrigen spezifischen Widerstandes des gleichen Leitfähigkeitstyps wie die Schicht 50 hohen spezifischen Widerstandes werden in den Bereichen 77 und 78 eindiffundiert oder implantiert, wodurch der Drain-Bereich 52 und der Source-Bereich 54 gebildet werden. Es sei erneut auf Figur 6 Bezug genommen; auf der oberen Oberfläche des Plättchens wird Metall abgelagert und der Drain-Kontakt 60 und der Source-Kontakt 62 werden unter Anwendung herkömmlicher Foto-Lithographie-Techniken aufgebracht. Schließlich wird auf der unteren Oberfläche des Substrates Metall aufgebracht, zur Bildung des Gate-Kontaktes 64.

Die in den Einrichtungen der Figuren 3 und 6 gezeigten Strom-Barrieren werden dadurch gebildet, daß Material aus der oberen Oberfläche der Schicht hohen spezifischen Widerstandes entfernt wird. Eine andere Lösung besteht darin, einen Bereich sehr hohen spezifischen Widerstandes innerhalb der Schicht hohen spezifischen Widerstandes zu bilden. Es sei erneut auf Figur 1 Bezug genommen. Wenn

³^ die Strom-Barriere 28 ein Bereich extrem hohen spezifischen Widerstandes ist, so nimmt der Strom in dem Kanal 26 den durch die Pfeile bezeichneten Weg, der den geringeren spezifischen Widerstand hat. Die Strom-Barriere des sehr hohen spezifischen Widerstandes kann durch Implantation von Wasserstoff gebildet werden, wodurch der spezifische Widerstand des Halbleitermaterxales im Bereich der Strom-Barriere vergrößert wird oder er kann durch

Strahlungszerstörung des Halbleiter-Plättchens gebildet werden.

Ein alternativer Aufbau des Gate-Bereiches, der bei den Feldeffekt-Halbleitereinrichtungen der Figuren 3 und 6 verwendet werden kann, ist in Figur 9 gezeigt. Figur 9 zeigt hierbei lediglich den Gate-Bereich und einen Teil der Schicht hohen spezifischen Widerstandes. Die Einrichtung ist auf einem Halbleiter-Plättchen 90 aus monokristallinem Silizium hohen spezifischen Widerstandes eines Leitfähigkeitstypes aufgebaut. Die Source- und Drain-Bereiche und die Strom-Barriere werden auf dem Plättchen wie oben in Verbindung mit den Figuren 3-5 und 6-8 beschrieben und dargestellt, hergestellt. Dann wird die untere Oberfläche des Plättchens 90 chemisch dünner gemacht und zwar auf eine Dicke, die für die Schicht hohen spezifischen Widerstandes der Einrichtung erforderlich ist. Das dünner gemachte Plättchen bildet die Schicht hohen spezifischen Widerstandes der Einrichtung. Als nächstes wird eine Metallschicht 92, wie zum Beispiel Aluminium, Chrom, Nickel oder Wolfram, die eine Schottky-Barriere bildet, oder einen gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Kontakt, auf der unteren Oberfläche des Plättchens 90 abgelagert. Schließlich wird zur Bildung eines Weges niedrigen thermischen Widerstandes auf der Einrichtung und zur Schaffung einer mechanischen Stütze für die Einrichtung eine dicke Metallschicht 94 über der Schicht mittels Elektroplattierung aufgebracht.

Feldeffekt-Halbleitereinrichtung der vorliegenden Erfindung kann die Fähigkeit für hohe Leistung dadurch erhalten werden, daß die in den Figuren 3 oder 6 gezeigten Strukturen in Interdigitation wiederholt werden. Figur 10 zeigt einen Aufbau mit Interdigitation. Dort ist eine Draufsicht eines Teiles der Einrichtung mit einem Aufbau gemäß Figur 3 dargestellt. Die Drain-Kontakte 20 und die Source-Kontakte 22 sind als langgestreckte Streifen aus-

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gebildet, die ca. 100 Mikrometer lang sein können. Die Rillen 40 sind zwischen den Drain-Kontakten 20 und den Source-Kontakten 22 angeordnet. Die Drain-Kontakte 20 sind an einer Seite der Einrichtung durch eine Drain-Metallisierung 100 miteinander verbunden. Die Source-Kontakte sind an der gegenüberliegenden Seite der Einrichtung durch eine Source-Metallisierung 102 miteinander verbunden. Mit den relativ langen Metallisierungen 100 und 102 sind Leitungen verbunden. Die in Figur 10 dargestellte Struktur kann mehrfach wiederholt werden, um die Leistungs-Charakteristiken der Einrichtung zu vergrößern.

Die oben beschriebenen Feldeffekt-Halbleitereinrichtungen können in besonders günstiger und effizienter Weise in einer Gate-Schaltung verwendet werden, d. h. daß der Gate-Anschluß der Einrichtung mit Masse verbunden ist. Der Gate-Kontakt ist direkt mit dem Gehäuse des Bauteils verbunden, wodurch eine gute Wärmeableitung ermöglicht wird und wodurch die maximale Leistungsabfuhr der Einrichtung verbessert wird. Wenn die Einrichtung in anderen Schaltungs-Konfigurationen als der Gate-Schaltung verwendet werden soll, so wird ein thermisch leitfähiger Isolator für die Befestigung des Halbleiterchips in dem Bauelement verwendet.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Feldeffekt-Halbleitereinrichtung für Hochfrequenz- und Hochleistungsanwendungen. Die beschriebene Einrichtung wird vorzugsweise bei Gate-Schaltungen verwendet. Die Herstellung der SQ Einrichtung ist verhältnismäßig einfach.

StO

Leerseite

Claims

G7 P70 D

Feldeffekt-Halbleitereinrichtung

Patentan s ρ r ü c h e

Feldeffekt-Halbleitereinrichtung gekennzeich net durch:

einen ohm'sehen Drain-Bereich niedrigen spezifischen Widerstandes,

einen ohm¹sehen Source-Bereich niedrigen spezifischen Widerstandes,

eine Schicht hohen spezifischen Widerstandes aus Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps, wobei diese Schicht hohen spezifischen Widerstandes eine erste Oberfläche enthält, in welcher der Drain-Bereich und der Source-Bereich derart ausgebildet sind, daß die Schicht hohen spezifischen Widerstandes zwischen den Source- und Drain-Bereichen einen Kanal für die Leitung von Strom zwischen diesen bildet,
einen Gate-Bereich einschließlich einer gleichrichtenden

Gate-Übergangszone, der auf einer zweiten Oberfläche der Schicht hohen spezifischen Widerstandes benachbart zu dem Kanal angeordnet ist, zur Steuerung des Stromes in dem Kanal in Abhängigkeit einer an die Gate-Übergangszone angelegten Vorspannung, und

zwischen den Source- und Drain-Bereichen angeordnete Mittel zur Beschränkung des Stromes in dem Kanal auf einen Teil der Schicht hohen spezifischen Widerstandes in der Nähe der Gate-Übergangszone. 10
2. Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Begrenzung des Stromes eine Rille in der ersten Oberfläche der Schicht hohen spezifischen Widerstandes enthalten.
3. Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rille V-förmig ist und eine Tiefe hat, die 30 bis 70% der Dicke der Schicht hohen spezifischen Widerstandes beträgt.
4. Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Begrenzung des Stromes eine Vertiefung in der ersten Oberfläche der Schicht hohen spezifischen Wider-

^O Standes enthalten, wobei die Vertiefung die Dicke der Schicht hohen spezifischen Widerstandes zwischen den Source- und Drain-Bereichen verringert.
5. Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung eine Tiefe von 30 bis 70% der Dicke der Schicht

hohen spezifischen Widerstandes hat.
6. Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Begrenzung des Stromes einen Teil der Schicht hohen spezifischen Widerstandes in der Nähe deren erster Oberfläche enthalten, wobei dieser Teil einen höheren spezifischen Widerstand als der Rest der Schicht hohen spezifischen Widerstandes hat.
7. Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gate-Bereich eine Dicke aufweist, die ausreicht, eine mechanische Stütze der Einrichtung zu bilden.
8. Feldeffekt-Halbleitereinrichtung g e k e η η zeichnet durch:

einen ohm'sehen Drain-Bereich geringen spezifischen Widerstandes;

einen ohm'sehen Source-Bereich niedrigen spezifischen Widerstandes;

eine Schicht hohen spezifischen Widerstandes aus Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps, wobei diese Schicht hohen spezifischen Widerstandes eine erste Oberfläche aufweist, in der der Drain-Bereich und der Source-Bereich derart ausgebildet ist, daß die Schicht hohen

°Q spezifischen Widerstandes zwischen den Source- und Drain-Bereichen einen Kanal für die Leitung von Strom zwischen ihnen bildet, wobei der Kanal einen ausreichend hohen spezifischen Widerstand hat und ausreichend kurz ist, um ungesättigte Drain-Strom-Spannungs-Charakteristiken zu schaffen;

einen planaren Gate-Bereich einschließlich einer Gateübergangszone, die auf einer zweiten Oberfläche der

Schicht hohen spezifischen Widerstandes in der Nähe des Kanales ausgebildet ist, zur Steuerung des Stromes in dem Kanal in Abhängigkeit von einer an die Gate-Ubergangszone angelegten Spannung; und

Strom-Barrieren-Einrichtungen, die zwischen dem Source- und dem Drain-Bereich angeordnet sind und der ersten Oberfläche der Schicht hohen spezifischen Widerstandes zugeordnet sind, zur Begrenzung des Stromes in dem Kanal auf einen Teil desselben in der Nähe des Gate-Bereiches, wodurch der Strom durch die Gate-Spannung steuerbar ist.
9. Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gate-Bereich eine Schicht aus Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps enthält, der angrenzend zur zweiten Oberfläche der Schicht hohen spezifischen Widerstandes liegt und einen geringeren spezifischen Widerstand als die Schicht hohen spezifischen Widerstandes aufweist.
10. Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des Halbleitermateriales des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eine Dicke aufweist, die ausreicht, daß die Schicht als Substrat wirkt, das eine mechanische Stütze für die Einrichtung bildet.
11. Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht hohen spezifischen Widerstandes einen spezifischen

Widerstand von mindestens 20 Ohm pro Zentimeter hat. 35
12. Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gate-Bereich eine erste Metallschicht enthält, die eine gleichrichtende Metall-Halbleiter-tibergangszone aufweist, die anschließend zur zweiten Oberfläche der 'Schicht hohen spezifischen Widerstandes liegt.
13. Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an die erste Metallschicht eine zweite Metallschicht vorgesehen ist, wobei die zweite Metallschicht eine Dicke aufweist, die ausreicht, eine mechanische Stütze für die Einrichtung zu schaffen und einen Weg geringen thermischen Widerstandes aus der Einrichtung heraus zu bilden.
14. Feldeffekt-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht hohen spezifischen Widerstandes einen spezifischen Widerstand von mindestens 20 Ohm pro Zentimeter hat.