DE10125368A1 - Bauelement mit differentiellem negativem Widerstand und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Bauelement mit differentiellem negativem Widerstand und Verfahren zu dessen Herstellung

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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.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN 1. Ausführungsform
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.
Zweite Ausführungsform
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.
Dritte Ausführungsform
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.
Vierte Ausführungsform
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.
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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