DE10125368A1 - Bauelement mit differentiellem negativem Widerstand und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Bauelement mit differentiellem negativem Widerstand und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Abstract
Ein Element mit differentiellem negativem Widerstand weist eine stark dotierte GaAs-Schicht (3) auf, die zwischen einer Kollektorschicht (2) aus schwach dotiertem GaAs und einer Emitterschicht (4) aus stark dotiertem AlGaAs eingefügt ist, und die zwischen einem Basisbereich (3a) zwischen der Kollektorschicht und der Emitterschicht, einem Basiskontaktbereich (3b) und einem Kanalbereich (3c) zwischen dem Basisbereich und dem Basiskontaktbereich aufgeteilt ist, und in dem Kanalbereich (3c) entsteht durch die Kollektorspannung eine Verarmungsschicht, so daß der Kanalbereich eine differentielle negative Widerstandscharakteristik aufweist, wobei der Kanalbereich (3c) durch epitaxiales Aufwachsen und Ätzen ausgebildet wird, so daß der Hersteller mühelos eine geplante differentielle negative Widerstandscharakteristik des Kanalbereichs (3c) erzielt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement und
insbesondere ein Bauelement mit differentiellem negativem Wi
derstand sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements
mit differentiellem negativem Widerstand.
Es ist vorgeschlagen worden, den Basiswiderstand eines
Bipolartransistors mit der Kollektorspannung zu modulieren.
Der Bipolartransistor weist eine Kollektorstrom-Kollektorspan
nungs-Charakteristik auf, die auf dem differentiellen negati
ven Widerstand basiert. Ein solches Bauelement mit differenti
ellem negativem Widerstand und ein Verfahren zur Herstellung
des Bauelements werden von Y. H. Wang et al. in "Demonstration
of high Peak-to-Valley Current Ratio in an N-P-N AlGaAs/GaAs
Structure" (Demonstration eines hohen Spitzenstrom-Talstrom-
Verhältnisses in einer npn-AlGaAs/GaAs-Struktur) J. Appl.
Phys. 73, S. 7990, offenbart.
Die Struktur des bekannten Bauelements mit differenti
ellem negativem Widerstand ist in Fig. 1 dargestellt. Das be
kannte Bauelement mit differentiellem negativem Widerstand
weist ein Substrat 1, eine Kollektorschicht 2 von einem Leit
fähigkeitstyp, eine Basisschicht 3 vom entgegengesetzten Leit
fähigkeitstyp und eine Emitterschicht 4 vom ersten Leitfähig
keitstyp auf. Das Substrat 1 wird aus stark dotiertem n
leitendem GaAs ausgebildet. Die Kollektorschicht 2 wird aus
schwach dotiertem n-leitendem GaAs ausgebildet, das man auf
die obere Fläche des Substrats 1 aufwachsen läßt. Die Basis
schicht 3 wird aus stark dotiertem p-leitendem GaAs ausgebil
det, das man auf einen vorgegebenen Bereich der oberen Fläche
der Kollektorschicht 2 aufwachsen läßt. Die Emitterschicht 4
wird aus n-leitendem AlGaAs ausgebildet, das man auf die obere
Fläche der Basisschicht 3 aufwachsen läßt.
Das bekannte Element mit differentiellem negativem Wi
derstand weist ferner eine Kollektorelektrode 5, eine Basise
lektrode 6, eine Emitterelektrode 7 und einen stark dotierten
p-leitenden Bereich 12 auf. Die Kollektorelektrode 5 besteht
aus AuGe/Au-Legierung und wird in Kontakt mit der unteren Flä
che des Substrats 1 gehalten. Der stark dotierte p-leitende
Bereich 12 ist in einem Oberflächenabschnitt der Kollektor
schicht 2 ausgebildet und erstreckt sich quer zu dem vorgege
benen Bereich der Kollektorschicht 2 unter der Basisschicht 3.
Die Basiselektrode 6 besteht aus AuZn/Au-Legierung und wird in
Kotakt mit dem stark dotierten p-leitenden Bereich 12 gehal
ten. Die Emitterelektrode 7 besteht aus AuGe/Au-Legierung und
wir in Kontakt mit der oberen Fläche der Emitterschicht 4 ge
halten.
Die Emitterelektrode ist mit Masse verbunden, und an
der Basiselektrode 6 liegt eine konstante positive Spannung
an. Die an der Kollektorelektrode 5 anliegende Spannung wird
von null Volt bis zu einer bestimmten positiven Spannung vari
iert. Der Oberflächenabschnitt der Kollektorschicht 2 wird zum
p-leitenden Zustand invertiert, und die invertierte Schicht
dient als p-leitender Kanal für die Löcher. Während die Kol
lektorspannung in einem relativ kleinen Spannungsbereich vari
iert wird, ist die Basiselektrode 6 über den p-leitenden Ka
nalbereich elektrisch mit der Basisschicht 3 verbunden, und
der Basisstrom fließt zwischen der Basiselektrode 6 und der
Basisschicht 3. Der Basisstrom ruft die Bipolartransistorwir
kung hervor, und es fließt ein Kollektorstrom.
Die Kollektorspannung wird erhöht. Der p-leitende Kanal
im Oberflächenabschnitt der Kollektorschicht 2 wird verklei
nert, und der Widerstand des p-leitenden Kanals erhöht sich.
Dementsprechend verringert sich der Basisstrom, und der Kol
lektorstrom nimmt zusammen mit dem Basisstrom ab. Daraus er
gibt sich der differentielle negative Widerstand.
Die Kollektorspannung wird weiter erhöht. Der p-
leitende Kanal wird völlig aus dem Oberflächenabschnitt der
Kollektorschicht 2 entfernt, und die Basiselektrode 6 geht in
den offenen Zustand über. Als Ergebnis fließt kein Kollektor
strom. Der Spitzenstrom und der Talstrom bei dem differentiel
len negativen Widerstand entsprechen dem Durchlaßstrom und dem
Sperrstrom in einem normalen Bipolartransistor, und das Ver
hältnis zwischen Spitzenstrom und Talstrom, d. h. das Ein-Aus-
Verhältnis, ist viel größer als das des normalen Bipolartran
sistors.
Im folgenden wird das Herstellungsverfahren des bekann
ten Bauelements mit differentiellem negativem Widerstand be
schrieben. Zunächst wird das Substrat 1 aus stark dotiertem n
leitendem GaAs hergestellt. Das Substrat 1 wird in eine Reak
tionskammer eines Molekularstrahlepitaxie-Aufwachssystems ein
gebracht, und auf das stark dotierte n-leitende GaAs-Substrat
1 läßt man nacheinander das schwach dotierte n-leitende GaAs,
das stark dotierte p-leitende GaAs und das n-leitende
Al0,3Ga0,7As aufwachsen. Das schwach dotierte n-leitende GaAs
ist mit Silicium in der Größenordnung von 5 × 1016 cm-3 do
tiert und wächst für die Kollektorschicht 2 bis zu einer Dicke
von 500 nm. Das stark dotierte p-leitende GaAs ist mit Beryl
lium in der Größenordnung von 5 × 1018 cm-3 dotiert und wächst
für die Basisschicht 3 bis zu einer Dicke von 200 nm. Das n-
leitende Al0,3Ga0,7As ist mit Silicium in der Größenordnung 5 ×
1017 cm-3 dotiert und dient als Emitterschicht 4.
Anschließend werden die n-leitende Al0,3Ga0,7As-Schicht
und die stark dotierte p-leitende GaAs-Schicht teilweise weg
geätzt und lassen die Basisschicht 3 und die Emitterschicht 4
auf und über dem vorgegebenem Bereich der oberen Fläche der
Kollektorschicht 2 übrig. Nach beendetem Ätzen ist der übrige
Bereich der oberen Fläche der Kollektorschicht 2 freigelegt.
Auf die freigelegte Fläche der Kollektorschicht 2 wird Au-Zn-
Legierung aufgedampft, und auf der freiliegenden Oberfläche
Kollektorschicht 2 wird die Basiselektrode 6 ausgebildet. Da
nach wird die entstandene Struktur bei 450°C wärmebehandelt,
Während der Wärmebehandlung der entstandenen Struktur diffun
diert Zn aus der Basiselektrode 6 in den Oberflächenabschnitt
der Kollektorschicht 2 und bildet in der Kollektorschicht 2
den stark dotierten p-leitenden Bereich 12. Das diffundierte
Zn dient als Akzeptor und bewirkt, daß der Oberflächenab
schnitt der Kollektorschicht 2 als p-leitender Kanal arbeitet.
Schließlich wird auf die untere Fläche des Substrats 1 und die
obere Fläche der Emitterschicht 4 AuGe/Au aufgedampft und bil
det die Kollektorelektrode 5 bzw. die Emitterelektrode 7 auf
der unteren Fläche des Substrats 1 bzw. auf der oberen Fläche
der Emitterschicht 4.
Wie oben beschrieben, wird der p-leitende Kanal zwi
schen der Basiselektrode 6 und der Basisschicht 3 mit der Kol
lektorspannung gesteuert und muß die folgenden zwei Bedingun
gen erfüllen, die einander widersprechen. Die erste Bedingung
ist, daß sich der p-leitende Kanal von dem Bereich unter der
Basiselektrode 6 zu dem Bereich unter der Basisschicht 3 er
streckt. Die zweite Bedingung ist, daß der p-leitende Kanal
dünn genug ist, um gesteuert zu werden. Es ist jedoch schwie
rig, die erste und die zweite Bedingung gleichzeitig zu erfül
len.
Der p-leitende Kanal wird durch Zn gebildet, das von
der Basiselektrode 6 eindiffundiert ist, und die Basiselektro
de 6 ist seitlich von der Basisschicht 3 beabstandet. Wenn die
Wärmebehandlung über eine lange Zeit fortgesetzt wird, kann Zn
den Bereich unter der Basisschicht 3 erreichen. Zn diffundiert
jedoch während der Wärmebehandlung auch in Tiefenrichtung und
vergrößert die Dicke des p-leitenden Kanals. Der dicke p
leitende Kanal läßt sich mit der Kollektorspannung schwer
steuern. Wenn andererseits die Wärmebehandlung verkürzt wird,
dann wird der p-leitende Kanal dünn. Dabei erreicht jedoch das
Zn nicht den Bereich unter der Basisschicht 3. Unter diesen
Umständen muß der Hersteller die Basiselektrode 6 in der opti
malen Position auf der Kollektorschicht 2 anbringen, und die
Diffusion wird streng kontrolliert, um die beiden Bedingungen
zu erfüllen. Aus diesem Grund ist der p-leitende Kanal nicht
reproduzierbar. Dies ist das erste Problem, das dem bekannten
Element mit differentiellem negativem Widerstand innewohnt.
Ein weiteres Problem ist ein relativ kleines Verhältnis
zwischen Spitzenstrom und Talstrom. Dies rührt daher, daß die
Grenze zwischen der Kollektorschicht 2 und dem p-leitenden Ka
nal allmählich, d. h. nicht scharf verläuft. Die Kollektor
spannung kann den Kanal nicht scharf modulieren, und das Ver
hältnis ist relativ klein.
Es ist daher eine wichtige Aufgabe der Erfindung, ein
Element mit differentiellem negativem Widerstand bereitzustel
len, das ein großes Verhältnis zwischen Spitzenstrom und Tal
strom erreicht.
Eine weitere wichtige Aufgabe der Erfindung besteht
darin, ein Verfahren bereitzustellen, durch das eine Basis
elektrode durch einen dünnen Kanal, der sich ohne weiteres mit
einer Kollektorspannung steuern läßt, elektrisch mit einer Ba
sisschicht verbunden werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird nach der vorliegenden Er
findung die Verwendung einer Basisschicht als Kanalschicht
vorgeschlagen. Die Basisschicht wird dünn genug ausgeführt, um
den Basiswiderstand mit einer Kollektorspannung zu variieren.
Die Dicke der Basisschicht ist leicht steuerbar, und der Kanal
in dem dünnen Basisbereich ist gut reproduzierbar. Der Kanal
widerstand wird durch die Dicke des Basisbereichs und durch
die darin enthaltene Dotierungskonzentration bestimmt. Der Er
finder hat festgestellt, daß der optimale Bereich des Produkts
aus Dicke und Dotierungskonzentration zwischen 1 × 1011 cm-2
und 1 × 1013 cm-2 liegt. Wenn das Produkt in diesen Bereich
fällt, variiert der Kanalwiderstand stark mit der Kollektor
spannung.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Element mit differentiellem negativem Widerstand bereitge
stellt, das eine mehrschichtige Halbleiterstruktur aufweist,
die auf einem Substrat ausgebildet ist und aufweist: eine er
ste Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, die
als Kollektorbereich bzw. als Emitterbereich eines Bipolar
transistors dient, eine zweite Halbleiterschicht von einem
zweiten, dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leit
fähigkeitstyp, die als Basiskontaktbereich dient, einen Basis
bereich, einen zwischen dem Basiskontaktbereich und dem Basis
bereich angeordneten Kanalbereich, und eine dritte Halbleiter
schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die als der jeweils an
dere von dem Kollektorbereich bzw. Emitterbereich dient, sowie
Kollektor-, Basis- und Emitterelektroden, die als ohmsche
Elektroden dienen und mit dem Kollektor, dem Basiskontaktbe
reich bzw. dem Emitterbereich verbunden sind, wobei der Kanal
bereich eine geringere Dicke aufweist, um einen elektrischen
Widerstand mit einer an der Kollektorelektrode anliegenden
Kollektorspannung zu variieren.
Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elements mit diffe
rentiellem negativem Widerstand bereitgestellt, das die fol
genden Schritte aufweist: a) aufeinanderfolgendes Aufwachsen
lassen einer ersten Halbleiterschicht von einem ersten Leitfä
higkeitstyp, die als Kollektorbereich bzw. Emitterbereich ei
nes Bipolartransistors dient, einer zweiten Halbleiterschicht
von einem zweiten, dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegenge
setzten Leitfähigkeitstyp, die als Basiskontaktbereich dient,
eines Basisbereichs und eines zwischen dem Basiskontaktbereich
und dem Basisbereich liegenden Kanalbereichs, und einer drit
ten Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die als
der jeweils andere von dem Kollektorbereich bzw. dem Emitter
bereich dient, auf ein Substrat, b) teilweises Ätzen der drit
ten Halbleiterschicht, um einen Abschnitt der zweiten Halblei
terschicht freizulegen, c) teilweises Ätzen des Abschnitts der
zweiten Halbleiterschicht, um den Kanalbereich zwischen dem
Basiskontaktbereich und dem Basisbereich auszubilden, so daß
eine an die Kollektorelektrode angelegte Kollektorspannung ei
nen elektrischen Widerstand in dem Kanalbereich variiert, und
d) Ausbilden einer Kollektorelektrode, einer Basiselektrode
und einer Emitterelektrode, die in Kontakt mit dem Kollektor
bereich, dem Basiskontaktbereich bzw. dem Emitterbereich ge
halten werden.
Die Merkmale und Vorteile des Elements mit differenti
ellem negativem Widerstand und des Verfahrens werden aus der
folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen klarer verständlich. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht, welche die Struktur eines
Elements mit differentiellem negativem Widerstand nach dem
Stand der Technik darstellt;
Fig. 2 eine Schnittansicht, welche die Struktur eines
Elements mit differentiellem negativem Widerstand nach der
vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 3A-3C Schnittansichten, die ein Verfahren zur Her
stellung eines erfindungsgemäßen Elements mit differentiellem
negativem Widerstand darstellen;
Fig. 4 eine Schnittansicht, welche die Struktur eines
anderen erfindungsgemäßen Elements mit differentiellem negati
vem Widerstand darstellt;
Fig. 5 eine Schnittansicht, welche die Struktur eines
weiteren erfindungsgemäßen Elements mit differentiellem nega
tivem Widerstand darstellt;
Fig. 6 eine Schnittansicht welche die Struktur eines
weiteren erfindungsgemäßen Elements mit differentiellem nega
tivem Widerstand darstellt.
Wie aus Fig. 2 der Zeichnungen erkennbar, weist ein die
vorliegende Erfindung verkörperndes Elements mit differentiel
lem negativem Widerstand auf: ein zusammengesetztes bzw. Ver
bindungshalbleitersubstrat 1, eine Kollektorschicht 2, einen
Basisbereich 3a, einen Basiskontaktbereich 3b, einen Kanalbe
reich 3c und eine Emitterschicht 4. Das Verbindungshalbleiter
substrat 1 besteht aus stark dotiertem n-leitendem GaAs, die
Kollektorschicht 2 besteht aus schwach dotiertem GaAs, und die
Emitterschicht 4 besteht aus n-leitendem Al0,3Ga0,7As. Der Ba
sisbereich 3a teilt sich mit dem Basiskontaktbereich 3b und
dem Kanalbereich 3c in eine stark dotierte p-leitende GaAs-
Schicht 3, und der Kanalbereich 3c ist dünner als der Basisbe
reich 3a. Die Dicke des Kanalbereichs 3c wird so verringert,
daß der elektrische Widerstand mit dem an der Kollektorelek
trode 5 anliegenden Potentialpegel variiert wird. Die Kollek
torschicht 2, die stark dotierte p-leitende GaAs-Schicht 3 und
die Emitterschicht 4 sind, wie dargestellt, auf und über das
Verbindungshalbleitersubstrat 1 geschichtet.
Das erfindungsgemäße Element mit differentiellem nega
tivem Widerstand weist ferner eine Kollektorelektrode 5, eine
Basiselektrode 6 und eine Emitterelektrode 7 auf. Die Kollek
torelektrode 5 und die Emitterelektrode 7 bestehen aus AuGe-
/Au-Legierung, und die Basiselektrode 6 besteht aus AuZn/Au-
Legierung. Die Kollektorelektrode 5 bzw. die Emitterelektrode
7 sind zwar, ähnlich wie die Elektroden des bekannten Elements
mit differentiellem negativem Widerstand, an der unteren Flä
che des Verbindungshalbleitersubstrats 1 bzw., an der oberen
Fläche der Emitterschicht 4 ausgebildet, aber die Basiselek
trode 6 ist auf dem Basiskontaktbereich 3b ausgebildet, nicht
auf der Kollektorschicht 2, und der Basiskontaktbereich 3b ist
bezüglich des Kanalbereichs 3c auf der entgegengesetzten Seite
des Basisbereichs 3a angeordnet. Die Kollektorelektrode 5 und
das Verbindungshalbleitersubstrat 1, die Basiselektrode 6 und
der Basiskontaktbereich 3b sowie die Emitterelektrode und die
Emitterschicht 4 bilden ohmsche Kontakte aus. Folglich weist
das die vorliegende Erfindung verkörpernde Element mit diffe
rentiellem negativem Widerstand die Merkmale eines Bipolar
transistors auf.
Das Element mit differentiellem negativem Widerstand
weist das folgende Verhalten auf. Die Emitterelektrode 7 ist
mit Masse verbunden, und die Basiselektrode 6 ist mit einer
positiven Spannung vorgespannt. Die Spannung an der Kollektor
elektrode 5 wird von der Spannung null bis zu einer bestimmten
positiven Spannung variiert. Da der Basiskontaktbereich 3b
über den Kanalbereich 3c mit dem Basisbereich 3a elektrisch
verbunden ist, fließt beim Anlegen einer relativ niedrigen
Kollektorspannung ein elektrischer Strom durch den Kanalbe
reich 3c zum Basisbereich 3a. Der Basisstrom ruft eine Bipo
lartransistorwirkung hervor, und der Kollektorstrom fließt von
der Kollektorelektrode 5 durch die Kollektorschicht 2.
Die Kollektorspannung wird erhöht. Der Kanalbereich 3c
wird verliert einen Teil seiner Ladungsträger, und der Kanal
widerstand nimmt zu. Entsprechend verringert sich der Basiss
trom, und der Kollektorstrom nimmt gleichfalls ab. Daher weist
das Element mit differentiellem negativem Widerstand den dif
ferentiellen negativen Widerstand auf.
Die Kollektorspannung wird weiter erhöht. Der Kanalbe
reich 3c verarmt vollständig an Ladungsträgern, und der Basis
bereich 3a wird elektrisch von der Basiselektrode 6 isoliert.
Mit andern Worten, die Basiselektrode 6 geht in den offenen
Zustand über, und es fließt kein Kollektorstrom.
Der Erfinder hat das Element mit differentiellem nega
tivem Widerstand unter dem Aspekt des Verhältnisses zwischen
Spitzenstrom und Talstrom untersucht und bestätigt gefunden,
daß das Verhältnis fünfmal größer war als bei dem bekannten
Element mit differentiellem negativem Widerstand.
Das Element mit differentiellem negativem Widerstand
wird wie folgt hergestellt. Zunächst wird das Verbindungshalb
leitersubstrat 1 aus stark dotiertem n-leitendem GaAs herge
stellt. Nacheinander läßt man schwach dotiertes n-leitendes
GaAs, stark dotiertes p-leitendes GaAs und n-leitendes
Al0,3Ga0,7As unter Anwendung eines Molekularstrahlepitaxie-
Aufwachsverfahrens auf das stark dotierte n-leitende GaAs-
Substrat 1 aufwachsen. Das schwach dotierte n-leitende GaAs
ist mit Silicium in der Größenordnung von 5 × 1016 cm-3 do
tiert und wächst für die Kollektorschicht 2 bis zu einer Dicke
von 500 nm. Das stark dotierte p-leitende GaAs ist mit Beryl
liun in einer Größenordnung von 5 × 1018 cm-3 dotiert und
wächst für die Basis-, Basiskontakt- und Kanalbereiche
3a/3b/3c bis zu einer Dicke von 200 nm. Das n-leitende
Al0,3Ga0,7As ist mit Silicium in der Größenordnung von 5 × 1017
cm-3 dotiert und dient als Emitterschicht 4. Als Ergebnis er
hält man eine Schichtstruktur eines Verbindungshalbleiters,
wie in Fig. 3A dargestellt.
Anschließend wird eine Photoresistlösung auf die n-
leitende AlGaAs-Schicht 4 aufgeschleudert und gehärtet, um ei
ne Photoresistschicht auszubilden. Ein Strukturbild für die
Emitterschicht 4 wird von einer Photomaske (nicht dargestellt)
auf die Photoresistschicht übertragen, und in der Photore
sistschicht wird ein latentes Bild ausgebildet. Das latente
Bild wird entwickelt, und auf der n-leitenden AlGaAs-Schicht 4
bleibt eine Photoresistätzmaske 21 zurück. Das heißt, die Pho
toresistätzmaske 21 wird durch Anwendung photolithographischer
Verfahren auf der n-leitenden AlGaAs-Schicht 4 ausgebildet.
Mit Hilfe der Photoresistätzmaske 21 wird die n-leitende Al-
GaAs-Schicht 4 teilweise weggeätzt, und auf der stark dotier
ten p-leitenden GaAs-Schicht 3 entsteht die Emitterschicht 4,
wie in Fig. 3B dargestellt. Die Photoresistätzmaske 21 wird
abgelöst.
Auf der entstehenden Struktur wird unter Anwendung der
photolithographischen Verfahren eine weitere Photoresistätz
maske 22 ausgebildet. Die Emitterschicht 4 und der Basiskon
taktbereich 3b werden mit der Photoresistätzmaske 22 abge
deckt, und ein Teil der stark dotierten p-leitenden GaAs-
Schicht 3, der dem Kanalbereich 3c zugeordnet ist, wird dem in
der Photoresistätzmaske 22 ausgebildeten Zwischenraum ausge
setzt. Unter Verwendung der Photoresistätzmaske 22 wird die
stark dotierte p-leitende GaAs-Schicht 3 teilweise weggeätzt,
und auf der stark dotierten n-leitenden GaAs-Kollektorschicht
2 bleibt der Kanalbereich 3c zurück, wie in Fig. 3C darge
stellt. In diesem Fall wird das Ätzen bei der Dicke von 20 nm
beendet. Mit anderen Worten, der Kanalbereich 3c mit einer
Dicke von 20 nm wird auf der Kollektorschicht 2 zwischen dem
Basisbereich 3a und dem Basiskontaktbereich 3b stehengelassen.
Die Photoresistätzmaske 22 wird abgelöst. Die Ätzsteuerung ist
viel genauer als die Diffusionssteuerung. Aus diesem Grunde
kann der Hersteller den Kanalbereich 3c auf die optimale Dicke
regulieren. Das Produkt aus der Dotierungskonzentration und
der Dicke des Kanalbereichs 3c fällt in den Bereich zwischen
1 × 1011 cm-2 und 1 × 1013 cm-2.
Schließlich werden die beiden Legierungsarten auf den
Basiskontaktbereich 3b bzw. auf den Emitter/das Verbindungs
halbleitersubstrat 4/1 aufgedampft, um die Basiselektrode 6,
die Emitterelektrode 7 und die Kollektorelektrode 5 auszubil
den.
In der ersten Ausführungsform entsprechen die schwach
dotierte GaAs-Schicht 2, die stark dotierte p-leitende GaAs-
Schicht 3 und die n-leitende AlGaAs-Schicht 4 der ersten Halb
leiterschicht, der zweiten Halbleiterschicht bzw. der dritten
Halbleiterschicht.
Wie man aus der vorstehenden Beschreibung erkennen
wird, werden die Dicke und die Dotierungskonzentration des Ka
nalbereichs 3c durch die Molekularstrahlepitaxie und das Ätzen
präzise gesteuert. Als Ergebnis kann der Hersteller den Kanal
bereich 3c nach seiner Konstruktion ausbilden. Mit anderen
Worten, das Element mit differentiellem negativem Widerstand
ist frei von dem Kompromiß, der dem bekannten Element mit dif
ferentiellem negativem Widerstand innewohnt. Außerdem ist der
Übergang zwischen den Kanalbereich 3c und der Kollektorschicht
2 so scharf, daß das Element mit differentiellem negativem Wi
derstand ein Verhältnis zwischen Spitzenstrom und Talstrom er
reicht, das fünfmal höher ist als das Verhältnis bei dem be
kannten Element mit differentiellem negativem Widerstand.
Folglich weist das erfindungsgemäße Element mit differentiel
lem negativem Widerstand eine gute Modulationscharakteristik
des Kanalwiderstands mit der Kollektorspannung auf.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Element mit differentiellem
negativem Widerstand, das die vorliegende Erfindung verkör
pert. Das Element mit differentiellem negativem Widerstand,
das die zweite Ausführungsform implementiert, weist gleich
falls ein Verbindungshalbleitersubstrat 1, eine Kollektor
schicht 2, einen Basisbereich 3a, einen Basiskontaktbereich
3b, einen Kanalbereich 3c, eine Emitterschicht 4, eine Kollek
torelektrode 5, eine Basiselektrode 6 und eine Emitterelektro
de 7 auf. Das Element mit differentiellem negativem Wider
stand, das die zweite Ausführungsform implementiert, unter
scheidet sich von dem Element nach der ersten Ausführungsform
darin, daß die Emitterschicht 4 und Kollektorschicht 2 mitein
ander vertauscht sind und daß auf einer Gate-Isolierschicht 8,
die den Kanalbereich 3c bedeckt, eine Gateelektrode 9 ausge
bildet ist. Die Kollektorelektrode 5 ist mit der Gateelektrode
9 verbunden, und die Kollektorspannung wird an die Gateelek
trode 9 angelegt.
Das Verbindungshalbleitersubstrat 1, die Kollektor
schicht 2, der Basisbereich/Basiskontaktbereich/Kanalbereich
3a/3b/3c bzw. die Emitterschicht 4 bestehen aus stark dotier
tem n-leitendem Silicium, schwach dotiertem n-leitendem Sili
cium, stark dotiertem p-leitendem Si0,85Ge0,15 bzw. aus n-
leitendem Silicium. Die Kollektorelektrode 5, die Basiselek
trode 6, die Emitterelektrode 7 und die Gateelektrode 9 beste
hen aus Aluminium, und die Gate-Isolierschicht 8 besteht aus
thermisch oxidiertem SiGe.
Das in Fig. 4 dargestellte Element mit differentiellem
negativem Widerstand weist das folgende Verhalten auf. Die
Emitterelektrode 7 ist mit Masse verbunden, und die Basiselek
trode 6 ist mit einer positiven Spannung vorgespannt. Die
Spannung an der Kollektorelektrode 5 und der Gateelektrode 9
wird von der Spannung null bis zu einer bestimmten positiven
Spannung variiert. Da der Basiskontaktbereich 3b über den Ka
nalbereich 3c mit dem Basisbereich 3a elektrisch verbunden
ist, fließt, ein elektrischer Strom durch den Kanalbereich 3c
zum Basisbereich 3a, solange die Kollektorspannung relativ
niedrig ist. Der Basisstrom ruft die Bipolartransistorwirkung
hervor, und von der Kollektorelektrode 5 fließ ein Kollektor
strom durch die Kollektorschicht 2.
Die Kollektorspannung und dementsprechend die Gatespan
nung werden erhöht. Der Kanalbereich 3c verliert einen Teil
seiner Ladungsträger, und der Kanalwiderstand erhöht sich.
Dementsprechend verringert sich der Basisstrom, und der Kol
lektorstrom nimmt gleichfalls ab. Daher weist das Element mit
differentiellem negativem Widerstand den differentiellen nega
tiven Widerstand auf.
Die Kollektorspannung wird weiter erhöht. Der Kanalbe
reich 3c verarmt völlig an Ladungsträgern, und der Basisbe
reich 3a wird elektrisch von der Basiselektrode 6 isoliert.
Mit anderen Worten, die Basiselektrode 6 geht in den offenen
Zustand über, und es fließt kein Kollektorstrom.
Das Element mit differentiellem negativem Widerstand
wird wie folgt hergestellt. Zunächst wird das Verbindungshalb
leitersubstrat 1 aus stark dotiertem n-leitendem Si herge
stellt. Nacheinander läßt man n-leitendes Si, stark dotiertes
p-leitendes Si0,85Ge0,15 und n-leitendes Si unter Anwendung ei
nes Molekularstrahlepitaxie-Aufwachsverfahrens auf das stark
dotierte n-leitende Si-Substrat 1 aufwachsen. Das n-leitende
Si ist mit Arsen in der Größenordnung von 5 × 1017 cm-3 do
tiert und wächst für die Emitterschicht 4 bis auf eine Dicke
von 500 nm. Das stark dotierte Si0,85Ge0,15 ist mit Bor in der
Größenordnung von 5 × 1018 cm-3 dotiert und wächst für den Ba
sisbereich/Basiskontaktbereich/Kanalbereich 3a/3b/3c bis zu
einer Dicke von 100 nm. Das n-leitende Si ist mit Arsen in der
Größenordnung von 5 × 1016 cm-3 dotiert und dient als Kollek
torschicht 2. Als Ergebnis erhält man eine Schichtstruktur ei
nes Verbindungshalbleiters.
Anschließend wird Photoresistlösung auf die n-leitende
Si-Schicht 2 aufgeschleudert und gehärtet, um eine Photore
sistschicht (nicht dargestellt) auszubilden. Von einer Photo
maske (nicht dargestellt) wird ein Strukturbild für die Kol
lektorschicht 2 auf die Photoresistschicht übertragen, und in
der Photoresistschicht wird ein latentes Bild ausgebildet. Das
latente Bild wird entwickelt, und auf der n-leitenden Si-
Schicht 2 bleibt eine Photoresistätzmaske (nicht dargestellt)
stehen. Das heißt, die Photoresistätzmaske wird durch Anwen
dung photolithographischer Verfahren auf der n-leitenden Si-
Schicht ausgebildet. Mit Hilfe der Photoresistätzmaske wird
die n-leitende Si-Schicht 2 teilweise weggeätzt, und auf der
stark dotierten p-leitenden Si0,85Ge0,15-Schicht 3 wird die
Kollektorschicht 2 ausgebildet. Die Photoresistätzmaske wird
abgelöst.
Auf der entstehenden Struktur wird unter Anwendung der
photolithographischen Verfahren eine weitere Photoresistätz
maske (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Kollektorschicht 2
und der Basiskontaktbereich 3b werden mit der Photoresistätz
maske abgedeckt, und ein Teil der stark dotierten p-leitenden
Si0,85Ge0,15-Schicht 3, der dem Kanalbereich 3c zugeordnet ist,
wird dem in der Photoresistätzmaske ausgebildeten Zwischenraum
ausgesetzt. Mit Hilfe der Photoresistätzmaske wird die stark
dotierte p-leitende Si0,85Ge0,15-Schicht 3 teilweise weggeätzt,
und auf der stark dotierten n-leitenden Si-Emitterschicht 4
bleibt der Kanalbereich 3c stehen. In diesem Fall wird das Ät
zen bei einer Dicke von 25 nm beendet. Mit anderen Worten, der
Kanalbereich 3c mit einer Dicke von 25 nm bleibt auf der Emit
terschicht 4 zwischen dem Basisbereich 3a und dem Basiskon
taktbereich 3b stehen. Die Photoresistätzmaske wird abgelöst.
Die Ätzsteuerung ist viel präziser als die Diffusionssteue
rung. Aus diesem Grunde kann der Hersteller den Kanalbereich
3c auf die optimale Dicke einstellen. Nach dem Ätzen wird ein
Oberflächenabschnitt des Kanalbereichs 3c thermisch oxidiert,
und der Kanalbereich 3c wird mit der Gate-Isolierschicht 8 ab
gedeckt. Der zu oxidierende Oberflächenabschnitt hat eine Dic
ke 5 nm. Der Kanalbereich von 20 nm Dicke bleibt auf der Kol
lektorschicht 2 stehen. Das Produkt aus der Dotierungskonzen
tration und der Dicke des Kanalbereichs 3c fällt in den Be
reich zwischen 1 × 1011 cm-2 und 1 × 1013 cm-2.
Schließlich wird das Aluminium auf die Kollektorschicht
2, dem Basiskontaktbereich 3b, die Gate-Isolierschicht 8 und
das Verbindungshalbleitersubstrat aufgebracht, um die Kollek
torelektrode 5, die Basiselektrode 6, die Gateelektrode 9 und
die Emitterelektrode 7 auszubilden.
In der zweiten Ausführungsform entsprechen die n-
leitende Si-Schicht 4, die stark dotierte p-leitende SiGe-
Schicht 3 bzw. die schwach dotierte n-leitende Si-Schicht 2
der ersten Halbleiterschicht, der zweiten Halbleiterschicht
bzw. der dritten Halbleiterschicht.
Der Kanalbereich 3c wird durch erfindungsgemäße Verfah
ren präzise ausgebildet, und das Element mit differentiellem
negativem Widerstand erzielt die Vorteile der ersten Ausfüh
rungsform.
Der Kanalbereich 3c ist mit der Gate-Isolierschicht 8
bedeckt, und der Leckstrom verringert sich um mindestens eine
Größenordnung.
Wie aus Fig. 5 der Zeichnungen erkennbar, weist ein
weiteres erfindungsgemäßes Element mit differentiellem negati
vem Widerstand ein Verbindungshalbleitersubstrat 1, ein Kol
lektorschicht 2, einen Basisbereich 3a, einen Basiskontaktbe
reich 3b, einen Kanalbereich 3c, eine Emitterschicht 4 und ei
nen Kollektorkontaktbereich 10 auf. Das Verbindungshalbleiter
substrat 1 besteht aus stark dotiertem n-leitendem GaAs, die
Kollektorschicht 2 besteht aus schwach dotiertem n-leitendem
GaAs, und die Emitterschicht 4 besteht aus n-leitendem
Al0,3Ga0,7As. Der Basisbereich 3a teilt sich mit dem Basiskon
taktbereich 3b und dem Kanalbereich 3c in eine stark dotierte
p-leitende GaAs-Schicht 3, und der Kollektorkontaktbereich 10
besteht aus dem stark dotierten p-leitenden GaAs. Der Kanalbe
reich 3c ist dünner als Basisbereich 3a. Die Dicke des Kanal
bereichs 3c wird so reduziert, daß der elektrische Widerstand
mit dem an der Kollektorelektrode 5 anliegenden Potentialpegel
variiert wird, d. h. mit der Kollektorspannung. Wie weiter un
ten beschrieben wird, ist zwar der Kollektorkontaktbereich 10
vom Basisbereich 3a beabstandet, aber der Kollektorkontaktbe
reich 10 und der Basisbereich/Basiskontaktbereich/Kanalbereich
3a/3b/3c teilen sich in eine stark dotierte p-leitende GaAs-
Schicht 3. Die Kollektorschicht 2, die stark dotierte p-
leitende GaAs-Schicht 3 und die Emitterschicht 4 sind, wie
dargestellt, auf und über das Verbindungshalbleitersubstrat 1
geschichtet.
Das erfindungsgemäße Element mit differentiellem nega
tivem Widerstand weist ferner eine Kollektorelektrode 5, eine
Basiselektrode 6 und eine Emitterelektrode 7 auf. Die Kollek
torelektrode 5 besteht aus AuGe/Au-Legierung, und die Basis
elektrode 6 sowie die Kollektorelektrode 5 bestehen aus AuZn
/Au-Legierung. Die Basiselektrode 6 bzw. die Emitterelektrode
7 sind zwar, ähnlich wie bei dem Element mit differentiellem
negativem Widerstand, das die erste Ausführungsform implemen
tiert, auf der oberen Fläche des Basiskontaktbereichs 3b bzw.
der oberen Fläche der Emitterschicht 4 ausgebildet, aber die
Kollektorelektrode 5 ist auf dem Kollektorkontaktbereich 10
ausgebildet, und der Kollektorkontaktbereich 10 ist bezüglich
des Basisbereichs 3a auf der entgegengesetzten Seite des Ba
siskontaktbereichs 3b angeordnet. Die Kollektorelektrode 5 und
der Kollektorkontaktbereich 10, die Basiselektrode 6 und der
Basiskontaktbereich 3b bzw. die Emitterelektrode 7 und die
Emitterschicht 4 bilden ohmsche Kontakte aus. Daher weist das
Element mit differentiellem negativem Widerstand, das die vor
liegende Erfindung verkörpert, die Merkmale eines Bipolartran
sistors auf.
Das Element mit differentiellem negativem Widerstand
verhält sich wie folgt. Die Emitterelektrode 7 ist mit Masse
verbunden, und die Basiselektrode 6 ist mit einer positiven
Spannung vorgespannt. Die an der Kollektorelektrode 5 anlie
gende Spannung wird von der Spannung null bis zu einer be
stimmten positiven Spannung variiert. Der Basiskontaktbereich
3b ist über den Kanalbereich 3c mit dem Basisbereich 3a ver
bunden, und die Basiselektrode 6 kann dem Basisbereich 3a je
derzeit elektrischen Strom zuführen. Wenn die Kollektorspan
nung niedriger als die Basisspannung ist, dann wird der pn-
Übergang zwischen dem Kollektorkontaktbereich 10 und der Kol
lektorschicht 2 umgekehrt vorgespannt, solange die Kollektor
spannung niedriger als die Basisspannung ist, und es fließt
kein Kollektorstrom. Wenn die Kollektorspannung die Basisspan
nung übersteigt, dann wird der pn-Übergang in Durchlaßrichtung
vorgespannt, und der Kollektorstrom beginnt zu fließen, solan
ge die Kollektorspannung relativ niedrig ist. Dann setzt die
Bipolarwirkung des Elements mit differentiellem negativem Wi
derstand ein.
Die Kollektorspannung wird erhöht. Der Kanalbereich 3c
verliert einen Teil seiner Ladungsträger, und der Kanalwider
stand erhöht sich. Dementsprechend verringert sich der Basiss
trom, und der Kollektorstrom nimmt gleichfalls ab. Folglich
weist das Element mit differentiellem negativem Widerstand den
differentiellen negativen Widerstand auf.
Die Kollektorspannung wird weiter erhöht. Der Kanalbe
reich 3c verarmt völlig an Lagungsträgern, und der Basisbe
reich 3a wird von der Basiselektrode 6 elektrisch isoliert.
Mit anderen Worten, die Basiselektrode 6 geht in den offenen
Zustand über, und es fließt kein Kollektorstrom.
Wenn in den Elementen mit differentiellem negativem Wi
derstand, welche die erste und die zweite Ausführungsform im
plementieren, die Kollektorspannung niedriger als die Ba
sisspannung ist, wird der pn-Übergang zwischen der Kollektor
schicht 2 und der Basisschicht 3a in Durchlaßrichtung vorge
spannt, und der elektrische Strom fließt von der Kollektor
schicht 2 durch den pn-Übergang in den Basisbereich 3a. Da der
Kollektorkontaktbereich 10 zwischen der Kollektorelektrode 5
und der Kollektorschicht 2 eingefügt ist, läßt der pn-Übergang
zwischen dem Kollektorkontaktbereich 10 und der Kollektor
schicht 2 keinen elektrischen Strom in die Kollektorschicht 2
fließen, bis die Kollektorspannung die Basisspannung über
steigt. Dies bedeutet, daß der stark dotierte p-leitende Kol
lektorkontaktbereich 10 dem Durchlaßstrom entgegenwirkt.
Das Element mit differentiellem negativem Widerstand
wird wie folgt hergestellt. Zunächst wird das Verbindungshalb
leitersubstrat 1 aus stark dotiertem n-leitendem GaAs herge
stellt. Nacheinander läßt man schwach dotiertes n-leitendes
GaAs, stark dotiertes p-leitendes GaAs und n-leitendes Al0,3Ga0,7As
unter Anwendung eines Molekularstrahlepitaxie-Auf
wachsverfahrens auf das stark dotierte n-leitende GaAs-Sub
strat 1 aufwachsen. Das schwach dotierte n-leitende GaAs ist
mit Silicium in der Größenordnung von 5 × 1016 cm-3 dotiert
und wächst für die Kollektorschicht 2 bis zu einer Dicke von
500 nm. Das stark dotierte p-leitende GaAs ist mit Beryllium
in der Größenordnung von 5 × 1018 cm-3 dotiert und wächst für
den Basisbereich/Basiskontaktbereich/Kanalbereich/Kollektor
kontaktbereich 3a/3b/3c/10 bis zu einer Dicke von 200 nm. Das
n-leitende Al0,3Ga0,7As ist mit Silicium in der Größenordnung
von 5 × 1017 cm-3 dotiert und dient als Emitterschicht 4. Als
Ergebnis erhält man eine Schichtstruktur des Verbindungshalb
leiters.
Anschließend wird auf der n-leitenden AlGaAs-Schicht 4
unter Anwendung der photolithographischen Verfahren eine Pho
toresistätzmaske ausgebildet. Mit Hilfe der Photoresistätzmas
ke wird die n-leitende AlGaAs-Schicht 4 teilweise weggeätzt,
und auf der stark dotierten p-leitenden GaAs-Schicht 3 wird
die Emitterschicht 4 ausgebildet. Die Photoresistätzmaske wird
abgelöst.
Auf der entstandenen Struktur wird unter Anwendung der
photolithographischen Verfahren eine andere Photoresistätzmas
ke (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Emitterschicht 4, der
Basiskontaktbereich 3b und der Kollektorkontaktbereich 10 wer
den mit der Photoresistätzmaske abgedeckt, und ein Teil der
stark dotierten p-leitenden GaAs-Schicht 3, der dem Kanalbe
reich 3c zugeordnet ist, sowie ein anderer Teil der stark do
tierten p-leitenden GaAs-Schicht 3 zwischen dem Basisbereich
3a und dem Kollektorkontaktbereich 10 werden den in der Photo
resistätzmaske ausgebildeten Zwischenräumen ausgesetzt. Mit
Hilfe der Photoresistätzmaske wird die stark dotierte p-
leitende GaAs-Schicht 3 teilweise weggeätzt, bis die Dicke der
exponierten Teile auf 20 nm abgenommen hat. Die Photoresi
stätzmaske wird abgelöst, und auf der entstandenen Struktur
wird mit Hilfe der photolithographischen Verfahren eine weite
re Photoresistätzmaske ausgebildet. Der Teil der stark dotier
ten p-leitenden GaAs-Schicht 3 zwischen dem Basisbereich und
den Kollektorkontaktbereich wird einem in der Photoresistätz
maske ausgebildeten Zwischenraum ausgesetzt. Der exponierte
Abschnitt wird weggeätzt. Dann bleibt auf der Kollektorschicht
2 zwischen dem Basisbereich 3a und dem Basiskontaktbereich 3b
nur der Kanalbereich 3c von 20 nm Dicke stehen. Das Produkt
aus der Dotierungskonzentration und der Dicke des Kanalbe
reichs 3c fällt in den Bereich zwischen 1 × 1011 cm-2 und 1 ×
1013 cm-2. Die Photoresistätzmaske wird abgelöst. Die Ätzsteu
erung ist viel präziser als die Diffusionssteuerung. Aus die
sem Grunde kann der Hersteller den Kanalbereich 3c auf die op
timale Dicke einstellen.
Schließlich werden die beiden Legierungsarten auf den
Basiskontaktbereich 3b, den Kollektorkontaktbereich 10 bzw.
die Emitterschicht 4 aufgedampft, um die Basiselektrode 6, die
Kollektorelektrode 5 bzw. die Emitterelektrode 7 auszubilden.
In der dritten Ausführungsform entsprechen die schwach
dotierte n-leitende GaAs-Schicht 2, die stark dotierte p
leitende GaAs-Schicht 3a/3b/3c, die n-leitende AlGaAs-Schicht
4 bzw. die stark dotierte p-leitende GaAs-Schicht 10 der er
sten Halbleiterschicht, der zweiten Halbleiterschicht, der
dritten Halbleiterschicht bzw. der vierten Halbleiterschicht.
Das Element mit differentiellem negativem Widerstand
und dessen Herstellungsverfahren erzielen alle Vorteile der
ersten Ausführungsform. Außerdem verhindert der Kollektorkon
taktbereich 10 den Durchlaßstrom in der Kollektorschicht 2,
bis die Kollektorspannung die Basisspannung übersteigt.
Wie in Fig. 6 der Zeichnungen erkennbar, weist ein wei
teres erfindungsgemäßes Element mit differentiellem negativem
Widerstand, das die vorliegende Erfindung verkörpert, ein Ver
bindungshalbleitersubstrat 1, eine Kollektorschicht 2, einen
Basisbereich 3a/11/3ba, einen Basiskontaktbereich 3bb/11, ei
nen Kanalbereich 3c und eine Emitterschicht 4 auf. Die Verbin
dungshalbleiterschicht 11 ist im Leitfähigkeitstyp mit der
Verbindungshalbleiterschicht für die anderen Teile des Basis
bereichs/Basiskontaktbereichs/Kanalbereichs 3a/3b/3bb/3c iden
tisch und dient als Ätzstopmittel in einem Fertigungsverfah
ren, wie weiter unten ausführlich beschrieben wird.
Das Verbindungshalbleitersubstrat 1 besteht aus stark
dotiertem n-leitendem GaAs, die Kollektorschicht 2 besteht aus
schwach dotiertem n-leitendem GaAs, und die Emitterschicht 4
besteht aus Al0,3Ga0,7As. Die Verbindungshalbleiterschicht,
die Teile des Basis-/Basiskontakt-/Kanalbereichs 3a/3ba/3bb/3c
bildet, ist eine stark dotierte p-leitende GaAs-Schicht 3, und
die Verbindungshalbleiterschicht 11 ist stark dotiertes p
leitendes AlAs. Der Kanalbereich 3c ist dünner als der Basis
bereich 3a/11/3ba. Die Dicke des Kanalbereichs 3c wird so weit
verringert, daß die Kollektorspannung den darin auftretenden
elektrischen Widerstand variiert. Die Kollektorschicht 2, die
stark dotierte p-leitende GaAs-Schicht 3, die stark dotierte
p-leitende AlAs-Schicht 11 und die Emitterschicht 4 werden,
wie dargestellt, auf und über das Verbindungshalbleitersub
strat 1 geschichtet.
Das erfindungsgemäße Element mit differentiellem nega
tivem Widerstand weist ferner eine Kollektorelektrode 5, eine
Basiselektrode 6 und eine Emitterelektrode 7 auf. Die Kollek
torelektrode 5 und die Emitterelektrode 7 bestehen aus Au
Ge/Au-Legierung, und die Basiselektrode 6 besteht aus AuZn/Au-
Legierung. Die Basiselektrode 6 bzw. die Emitterelektrode 7
sind auf der oberen Fläche des Basiskontaktbereichs 3b/11 bzw.
auf der oberen Fläche der Emitterschicht 4 ausgebildet, und
die Kollektorelektrode 5 ist auf der unteren Fläche des Ver
bindungshalbleitersubstrats 1 ausgebildet. Die Kollektorelek
trode 5 und das Verbindungshalbleitersubstrat 1, die Basise
lektrode 6 und der Basiskontaktbereich 3bb bzw. die Emittere
lektrode 7 und die Emitterschicht 4 bilden ohmsche Kontakte
aus. Daher weist der Element mit differentiellem negativem Wi
derstand, das die vorliegende Erfindung verkörpert, die Merk
male eines Bipolartransistors auf.
Da die Verbindungshalbleiterschicht 11 im Leitfähig
keitstyp mit der Verbindungshalbleiterschicht 3 identisch ist,
verhalten sich der Basisbereich 3a/11/3ba, der Basiskontaktbe
reich 3bb/11 und der Kanalbereich 3c, d. h. 11/3a, ähnlich wie
diejenigen in der ersten Ausführungsform, und das Verhalten
des Elements mit differentiellem negativem Widerstand ist ana
log zu dem der ersten Ausführungsform. Aus diesem Grunde wird
die Beschreibung des Verhaltens zur Vermeidung von Wiederho
lungen weggelassen.
Das besondere Merkmal des Elements mit differentiellem
negativem Widerstand, das die vierte Ausführungsform implemen
tiert, zielt auf das Fertigungsverfahren ab. Wie weiter oben
beschrieben, dient die Verbindungshalbleiterschicht 11 als
Ätzstopmittel beim Fertigungsverfahren, da die Ätzgeschwindig
keit zwischen dem stark dotierten p-leitenden GaAs und dem
stark dotierten p-leitenden AlAs unterschiedlich ist. Mit Hil
fe des Ätzstopmittels steuert der Hersteller das Ätzverfahren
präzise und stellt den Kanalbereich 3c auf eine geplante Dicke
ein.
Das Element mit differentiellem negativem Widerstand
wird wie folgt hergestellt. Zunächst wird das Verbindungshalb
leitersubstrat 1 aus stark dotiertem n-leitendem GaAs herge
stellt. Nacheinander läßt man schwach dotiertes n-leitendes
GaAs, stark dotiertes p-leitendes GaAs, stark dotiertes p-lei
tendes AlAs, stark dotiertes p-leitendes GaAs und n-leitendes
Al0,3Ga0,7As unter Anwendung eines Molekularstrahlepitaxie-
Aufwachsverfahrens auf das stark dotierte n-leitende GaAs-
Substrat 1 aufwachsen. Das schwach dotierte n-leitende GaAs
ist mit Silicium in der Größenordnung von 5 × 1016 cm-3 do
tiert und wächst für die Kollektorschicht 2 bis zu einer Dicke
von 500 nm. Das stark dotierte p-leitende GaAs ist mit Beryl
lium in der Größenordnung von 5 × 1018 cm-3 dotiert und wird
für den unteren Basisbereich/Basiskontaktbereich/Kanalbereich
3a bis zu einer Dicke von 20 nm. Das stark dotierte p-leitende
AlAs ist mit Beryllium in der Größenordnung von 5 × 1018 cm-3
dotiert und wächst für den unteren Basisbereich/Basiskontakt
bereich/Kanalbereich 11 bis zu einer Dicke von 2 nm. Die stark
dotierte p-leitende AlAs-Schicht dient in einem späterem Sta
dium als Ätzstopmittel. Das stark dotierte p-leitende GaAs ist
mit Beryllium in der Größenordnung von 5 × 1018 cm-3 dotiert
und wächst für den oberen Basisbereich/Basiskontaktbereich 3b,
d. h. für 3ba/3bb, bis zu einer Dicke von 20 nm. Das n-
leitende Al0,3Ga0,7As ist mit Silicium in der Größenordnung
von 5 × 1017 cm-3 dotiert und dient als Emitterschicht 4. Als
Ergebnis erhält man eine Schichtstruktur des Verbindungshalb
leiters.
Anschließend wird auf der n-leitenden AlGaAs-Schicht 4
unter Anwendung der photolithographischen Verfahren eine Pho
toresistätzmaske (nicht dargestellt) ausgebildet. Mit Hilfe
der Photoresistätzmaske wird die n-leitende AlGaAs-Schicht 4
teilweise weggeätzt, und auf der stark dotierten p-leitenden
GaAs-Schicht 3b wird die Emitterschicht 4 ausgebildet. Die
Photoresistätzmaske wird abgelöst.
Auf der entstandenen Struktur wird unter Anwendung der
photolithographischen Verfahren eine weitere Photoresistätz
maske (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Emitterschicht 4
und der Basiskontaktbereich 3bb werden mit der Photoresistätz
maske abgedeckt, und ein Teil der stark dotierten p-leitenden
GaAs-Schicht 3b, der dem Kanalbereich 3c zugeordnet ist, wird
dem in der Photoresistätzmaske ausgebildeten Zwischenraum aus
gesetzt. Mit Hilfe der Photoresistätzmaske wird die stark do
tierte p-leitende GaAs-Schicht 3b teilweise weggeätzt, bis die
stark dotierte p-leitende AlAs-Schicht 11 freiliegt. In dem
Ätzschritt wird Naßätzlösung verwendet, die Zitronensäure und
Wasserstoffperoxid enthält, um eine hohe Selektivität zwischen
dem GaAs und dem AlAs aufzuweisen. Die Photoresistätzmaske
wird abgelöst. Die Ätzsteuerung ist viel präziser als die Dif
fusionssteuerung. Aus diesem Grunde kann der Hersteller den
Kanalbereich 3c auf die optimale Dicke einstellen.
Schließlich werden die beiden Legierungsarten auf den
Basiskontaktbereich 3bb/11, das Verbindungshalbleitersubstrat
1 bzw. auf die Emitterschicht 4 aufgedampft, um die Basiselek
trode 6, die Kollektorelektrode 5 bzw. die Emitterelektrode 7
auszubilden.
In der vierten Ausführungsform entsprechen die schwach
dotierte n-leitende GaAs-Schicht 2, die stark dotierten p-
leitenden GaAs-Schichten 3a/3b, die n-leitende AlGaAs-Schicht
bzw. die stark dotierte p-leitende AlAs-Schicht 11 der ersten
Halbleiterschicht, der zweiten Halbleiterschicht, der dritten
Halbleiterschicht bzw. der vierten Halbleiterschicht.
Das Element mit differentiellem negativem Widerstand
erzielt alle Vorteile der ersten Ausführungsform. Der Erfinder
hat bestätigt gefunden, daß das Verhältnis zwischen Spit
zenstrom und Talstrom fünfmal größer ist als das Verhältnis
nach dem Stand der Technik. Außerdem wird der Kanalbereich 3c
mit Hilfe des Ätzstopmittels 11 präzise auf eine geplante Dic
ke eingestellt.
Für das Ätzstopmittel steht jedes beliebige Material
zur Verfügung, soweit es eine hohe Selektivität für das stark
dotierte p-leitende GaAs ohne unerwünschten Einfluß auf die
für den Basisbereich erforderlichen Eigenschaften aufweist. Es
ist wünschenswert, die Dicke des Ätzstopmittels so weit wie
möglich zu reduzieren, solange es als Ätzstopmittel dienen
kann.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung erkennbar, wird
der Kanalbereich 3c durch epitaxiales Aufwachsen und Ätzen
ausgebildet. Eine thermische Diffusion ist nicht an der Aus
bildung des Kanalbereichs 3c beteiligt. Aus diesem Grunde ist
das erfindungsgemäße Element mit differentiellem negativem Wi
derstand frei von dem Kompromiß zwischen Tiefe und seitlicher
Länge. Der in dem erfindungsgemäßen Element mit differentiel
lem negativem Widerstand eingebaute Kanalbereich 3c wird prä
zise auf die vorgesehenen Merkmale eingestellt, und die Tran
sistoreigenschaften werden zweifellos verbessert. Das Ätzen
läßt sich leichter steuern als die thermische Diffusion. Aus
diesem Grunde ist das Element mit differentiellem negativem
Widerstand reproduzierbar, und die Produktionsausbeute wird
verbessert.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Er
findung dargestellt und beschrieben worden sind, wird für den
Fachmann offensichtlich sein, daß verschiedene Änderungen und
Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedan
ken und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Der Basiskontaktbereich 3b kann ebenso dünn wie der Ka
nalbereich 3c sein. In diesem Fall wird nur die Emitterschicht
4 mit der Photoresistätzmaske abgedeckt. Zwischen dem Basis
kontaktbereich 3b und der Basiselektrode 6 kann eine Abdeck
schicht eingefügt werden.
In der zweiten Ausführungsform wird die Gate-Isolier
schicht 8 durch thermische Oxidation ausgebildet. Zur Ausbil
dung einer Gate-Isolierschicht aus Nitrid kann man in Stick
stoffatmosphäre Nitrid thermisch aufwachsen lassen. Andern
falls kann eine Plasmaabscheidung in Sauerstoffplasma oder
Stickstoffplasma ausgeführt werden. Wenn die Gate-Isolier
schicht 8 und die Gateelektrode 9 auf dem Kanalbereich des
Verbindungshalbleiters ausgebildet werden, kann auf dem Kanal
bereich 3c Isoliermaterial abgeschieden werden.
Die Verbindungshalbleitermaterialien in dem GaAs/
AlGaAs-System und die Halbleitermaterialien in den Si/SiGe-
System werden in der ersten, dritten und vierten Ausführungs
form bzw. in der zweiten Ausführungsform eingesetzt. Für das
erfindungsgemäße Element mit differentiellem negativem Wider
stand sind jedoch auch andere Halbleitersysteme verfügbar.
Beispiele der Halbleitermaterialien, die für das Element mit
differentiellem negativem Widerstand verfügbar sind, sind SiC,
GaN, InP, InGaAs, GaSb und InAs.
Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen zur Ka
tegorie des npn-Bipolartransistors gehören, ist die vorliegen
de Erfindung auch auf den pnp-Bipolartransistor anwendbar.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Molekular
strahlepitaxie angewandt. Das epitaxiale Aufwachsverfahren ist
jedoch keineswegs auf die Molekularstrahlepitaxie beschränkt.
Es ist jedes beliebige epitaxiale Aufwachsverfahren verfügbar.
Ein Beispiel eines für die Halbleiterschichtstruktur verfügba
ren epitaxiale Aufwachsverfahrens ist die chemische Abschei
dung einer metallorganischen Verbindung aus der Gasphase
(MOCVD).
Ferner kann in dem erfindungsgemäßen Element mit diffe
rentiellem negativem Widerstand eine Abdeckschicht eingebaut
sein.
Claims (18)
1. Element mit differentiellem negativem Widerstand,
das aufweist:
eine auf einem Substrat (1) ausgebildete mehrschichtige Halbleiterstruktur mit einer ersten Halbleiterschicht (2) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, die als Kollektorbereich bzw. Emitterbereich eines Bipolartransistors dient, einer zweiten Halbleiterschicht (3) von einem zweiten, dem ersten Leitfähig keitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und einer dritter Halbleiterschicht (4) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die als der jeweils andere Bereich von dem Kollektorbereich bzw. dem Emitterbereich dient; und
Kollektor-, Basis- und Emitterelektroden (5/6/7), die als ohmsche Elektroden dienen, die mit der ersten, der zweiten bzw. der dritten Halbleiterschicht verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Halbleiterschicht als Basiskontaktbereich (3b; 3bb/11), als Basisbereich (3a; 3ba/11/3a) und als zwischen dem Basiskontaktbereich (3b) und dem Basisbereich (3a) ange ordneter Kanalbereich (3c) dient,
und daß die Dicke des Kanalbereichs (3c) verringert wird, um einen elektrischen Widerstand mit einer an der Kol lektorelektrode anliegenden Kollektorspannung zu variieren.
eine auf einem Substrat (1) ausgebildete mehrschichtige Halbleiterstruktur mit einer ersten Halbleiterschicht (2) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, die als Kollektorbereich bzw. Emitterbereich eines Bipolartransistors dient, einer zweiten Halbleiterschicht (3) von einem zweiten, dem ersten Leitfähig keitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und einer dritter Halbleiterschicht (4) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die als der jeweils andere Bereich von dem Kollektorbereich bzw. dem Emitterbereich dient; und
Kollektor-, Basis- und Emitterelektroden (5/6/7), die als ohmsche Elektroden dienen, die mit der ersten, der zweiten bzw. der dritten Halbleiterschicht verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Halbleiterschicht als Basiskontaktbereich (3b; 3bb/11), als Basisbereich (3a; 3ba/11/3a) und als zwischen dem Basiskontaktbereich (3b) und dem Basisbereich (3a) ange ordneter Kanalbereich (3c) dient,
und daß die Dicke des Kanalbereichs (3c) verringert wird, um einen elektrischen Widerstand mit einer an der Kol lektorelektrode anliegenden Kollektorspannung zu variieren.
2. Element mit differentiellem negativem Widerstand
nach Anspruch 1, wobei der Kanalbereich (3c) eine Dicke und
eine Dotierungskonzentration aufweist und das Produkt aus der
Dicke und der Dotierungskonzentration im Bereich zwischen 1 ×
1011 cm-2 und 1 × 1013 cm-2 liegt.
3. Element mit differentiellem negativem Widerstand
nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Halbleiterschicht (2)
bzw. die dritte Halbleiterschicht (4) als Kollektorbereich
bzw. als Emitterbereich dienen und die Kollektorelektrode (5),
die Basiselektrode (6) bzw. die Emitterelektrode (7) in Kon
takt mit einer unteren Fläche des aus einem Halbleiter beste
henden Substrats (1), einer oberen Fläche eines in der zweiten
Halbleiterschicht (3) ausgebildeten Basiskontaktbereichs (3b),
der bezüglich des Kanalbereichs an der entgegengesetzten Seite
des Basisbereichs ausgebildet ist, bzw. einer oberen Fläche
des Emitterbereichs (4) in Kontakt gehalten werden.
4. Element mit differentiellem negativem Widerstand
nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Halbleiterschicht (4)
bzw. die dritte Halbleiterschicht (2) als Emitterbereich bzw.
als Kollektorbereich dienen und die Emitterelektrode (7), die
Basiselektrode (6) bzw. die Kollektorelektrode (5) mit einer
unteren Fläche des aus einem Halbleiter bestehenden Substrats
(1), einer oberen Fläche des Basiskontaktbereichs (3b) bzw.
einer oberen Fläche des Kollektorbereichs (2) in Kontakt ge
halten werden.
5. Element mit differentiellem negativem Widerstand
nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Halbleiter
schicht (2/3) und die zweite Halbleiterschicht aus Galliumar
senid bestehen und die dritte Halbleiterschicht (4) aus Alumi
niumgalliumarsenid besteht.
6. Element mit differentiellem negativem Widerstand
nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Halbleiter
schicht (4) und die dritte Halbleiterschicht (2) aus Silicium
bestehen und die zweite Halbleiterschicht (3) aus Silicium-
Germanium-Legierung besteht.
7. Element mit differentiellem negativem Widerstand
nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner eine auf dem Ka
nalbereich (3c) ausgebildete Gate-Isolierschicht (8) und eine
auf der Gate-Isolierschicht ausgebildete und mit der Kollekto
relektrode (5) verbundene Gateelektrode (9) aufweist.
8. Element mit differentiellem negativem Widerstand
nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mehrschichtige
Halbleiterstruktur ferner eine vierte Halbleiterschicht (10)
vom zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, die auf der ersten
Halbleiterschicht (2) ausgebildet ist, um dazwischen einen pn-
Übergang auszubilden, und wobei die Kollektorelektrode (5) mit
der vierten Halbleiterschicht (10) in Kontakt gehalten wird.
9. Element mit differentiellem negativem Widerstand
nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mehrschichtige
Halbleiterstruktur ferner eine vierte Halbleiterschicht (11)
vom zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, die in der zweiten
Halbleiterschicht (3) so ausgebildet ist, daß sie die zweite
Halbleiterschicht in eine untere, auf der ersten Halbleiter
schicht (2) ausgebildete Teilschicht (3a) und obere Teil
schichten (3ba/3bb) unterteilt, die durch einen darauf ausge
bildeten Spalt voneinander beabstandet sind, und wobei die
vierte Halbleiterschicht (11) sich in der Ätzgeschwindigkeit
von der zweiten Halbleiterschicht (2) unterscheidet.
10. Element mit differentiellem negativem Widerstand
nach Anspruch 9, wobei die erste Halbleiterschicht (2), die
zweite Halbleiterschicht (3), die dritte Halbleiterschicht (4)
bzw. die vierte Halbleiterschicht (11) aus Galliumarsenid,
Galliumarsenid, Aluminiumgalliumarsenid bzw. Aluminiumarsenid
bestehen.
11. Verfahren zur Herstellung eines Elements mit diffe
rentiellem negativem Widerstand, mit den folgenden Schritten:
- a) aufeinanderfolgendes Aufwachsenlassen einer ersten Halbleiterschicht (2) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, die als Kollektorbereich bzw. als Emitterbereich eines Bipolar transistors dient, einer zweiten Halbleiterschicht (3) von ei nem zweiten, dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, die als Basiskontaktbereich (3b; 3bb/11), Basisbereich (3a, 3a/11/3ba) und als zwischen dem Basis kontaktbereich und dem Basisbereich angeordneter Kanalbereich (3c) dient, und einer dritten Halbleiterschicht (4) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die als der jeweils andere von dem Kollek torbereich bzw. dem Emitterbereich dient, auf ein Substrat (1);
- b) teilweises Ätzen der dritten Halbleiterschicht (4), um einen Abschnitt der zweiten Halbleiterschicht (3) freizu legen;
- c) teilweises Ätzen des Abschnitts der zweiten Halblei terschicht, um den Kanalbereich (3c) zwischen dem Basiskon taktbereich und dem Basisbereich so auszubilden, daß eine am Kollektorbereich anliegende Kollektorspannung einen elektri schen Widerstand in dem Kanalbereich (3c) variiert; und
- d) Ausbilden einer Kollektorelektrode (5), einer Basi selektrode (6) und einer Emitterelektrode (7), die in ohmschem Kontakt mit dem Kollektorbereich, dem Basiskontaktbereich bzw. dem Emitterbereich gehalten werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei im Schritt a) ein
epitaxiales Aufwachsverfahren angewandt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das epitaxiale
Aufwachsverfahren eine Molekularstrahlepitaxie ist.
14. Verfahren nach. Anspruch 12, wobei das epitaxiale
Aufwachsverfahren eine chemische Abscheidung einer metallorga
nischen Verbindung aus der Gasphase ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, das
ferner zwischen dem Schritt c) und dem Schritt d) den Schritt
e) Ausbilden einer Isolierschicht (8) auf dem Kanalbereich
(3c) sowie zwischen dem Schritt e) und dem Schritt d) den
Schritt f) Ausbilden einer mit der Kollektorelektrode (5) ver
bundenen Gateelektrode (9) auf der Isolierschicht (8) auf
weist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei man die Isolier
schicht (8) in einer oxidierenden Atmosphäre thermisch auf
wachsen läßt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei
ferner im Schritt c) ein Kollektorkontaktbereich (10) ausge
bildet wird, so daß die Kollektorelektrode (5) über den Kol
lektorkontaktbereich (10) mit dem Kollektorbereich verbunden
ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei
man die zweite Halbleiterschicht (3) intermittierend aufwach
sen läßt, um das Aufwachsen einer vierten Halbleiterschicht
(11) zwischen einer unteren Teilschicht (3a) der zweiten Halb
leiterschicht und einer oberen Teilschicht (3b) der zweiten
Halbleiterschicht im Schritt a) zu ermöglichen, und wobei die
vierte Halbleiterschicht (11) eine niedrigere Ätzgeschwindig
keit aufweist als die zweite Halbleiterschicht, so daß die
vierte Halbleiterschicht im Schritt c) als Ätzstopmittel
dient.
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