DE1263934B - Halbleiterbauelement mit drei Zonen aus verschiedenen, in der kristallographischen [111]-Richtung aneinandergrenzenden Halbleitersubstanzen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1263 934

Aktenzeichen: J 23907 VIII c/21 ]

Anmeldetag: 20. Juni 1963

Auslegetag: 21. März 1968

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente mit drei Zonen aus verschiedenen, in der kristallographischen [lll]-Richtung aneinandergrenzenden Halbleitersubstanzen.

Der herkömmliche Flächentransistor besitzt in seiner einfachsten Form drei Zonen mit abwechselnd entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, welche den jeweiligen Elektroden zugeordnet sind. So ergeben sich die beiden bekannten Standardtypen des npn- und des pnp-Flächentransistors, bei denen immer das mittlere Basisgebiet einen den beiden Endgebieten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist und die äußeren Schichten dem Emitter- bzw. dem Kollektorgebiet entsprechen.

Bei den herkömmlichen Flächentransistoren wird in der Regel die Eingangssperrschicht mit einer solchen Spannung beaufschlagt, daß eine Injektion von Ladungsträgern vom Emittergebiet in das Basisgebiet hinein erfolgt. Man spricht dann von Minoritätsladungsträgern innerhalb des Basisgebiets. So sind z. B. bei einem npn-Transistor die injizierten Minoritätsladungsträger Elektronen, bei einem pnp-Transistor dagegen Löcher.

Der vorliegenden Erfindung liegt im Gegensatz zu den genannten konventionellen Transistoren eine sogenannte Heteroübergang-Struktur zugrunde. Die Gesamthalbleiteranordnung setzt sich auch bei diesen Strukturen aus mehreren Gebieten verschiedener Halbleitermaterialien zusammen, jedoch besitzt der gesamte Halbleiterkörper lediglich einen einzigen Leitfähigkeitstyp. Die vorliegende Erfindung gestattet somit die Erstellung eines Halbleiterbauelements mit drei Elektroden, das sich im Gegensatz zu den herkömmlichen Transistoren nicht der Injektion und anschließenden Diffusion der Minoritätsladungsträger bedient. Die Arbeitsweise beruht hierbei vielmehr auf den Unterschieden der Potentialschwellen, welche an der Grenzfläche verschiedener einander berührender Halbleitermaterialien existieren. Die Arbeitsweise basiert somit im wesentlichen auf dem Fließen von Majoritätsladungsträgern, welche entweder Elektronen oder Löcher sein können.

Die vorliegende Erfindung setzt sich zur Aufgabe, ein schnellschaltendes Halbleiterbauelement mit extrem kurzer Übergangszeit zu erstellen.

Weiterhin bietet die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit, Halbleiterbauelemente zu erstellen, welche frei von jeglicher Speicherzeit für Minoritätsladungsträger sind, da für die Arbeitsweise dieser Elemente lediglich die Majoritätsladungsträger verantwortlich sind.

Ein weiterer Vorteil der Halbleiterbauelemente Halbleiterbauelement mit drei Zonen aus
verschiedenen, in der kristallographischen
[111]-Richtung aneinandergrenzenden
Halbleitersubstanzen

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N.Y. (V.St.A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

7030 Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Leo Esaki,

Chappaqua, Westchester, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 29. Juni 1962 (206 304)

nach der Erfindung besteht in dem geringen Basiswiderstand. Dieser kommt zustande durch die hohe Elektronenkonzentration im Basisgebiet infolge der Krümmung des Potentialverlaufs in der Nähe der Bandkanten.

Weiter ist die Tatsache hervorzuheben, daß die genannten Halbleiterbauelemente eine extrem kleine Sperrschichtkapazität aufweisen.

Weitere Eigenschaften und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung und aus den Figuren hervor.

Fig. 1 zeigt ein Energiebanddiagramm für eine einfache nn-Sperrschicht;

Fig. 2A, 2B und 2C erläutern die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden physikalischen Erscheinungen und stellen Energiebanddiagramme im Gleichgewichtszustand dar;

Fig. 2D beschreibt ein Energiebanddiagramm mit einer zugeordneten eindimensionalen Ansicht der Verteilung der Halbleitermaterialien in einer Halbleiteranordnung des n-Leitfähigkeitstyps mit drei Elektroden;

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Halbleiteranordnung mit Schaltverbindungen und angelegten Betriebsspannungen.

Wenn im folgenden spezielle Halbleitermaterialien, wie z. B. Germanium und Galliumarsenid, genannt werden, so sei darauf hingewiesen, daß es sich nur

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um Beispiele handelt. Es können auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden.

In letzter Zeit wurden in der Halbleiterphysik die bei nn-Sperrschichten auftretenden Erscheinungen an Hand des Energiebanddiagramms dieses speziellen Falles bis zu einem gewissen Ausmaß geklärt. Hier ist zu erwähnen der Artikel von R, L. Anderson im »IBM Journal of Research and Development«, Bd. 4, Nr. 3, S. 283, vom Juni 1960.

Die F i g. 1 zeigt das Energiebanddiagramm speziell für den Fall der beiden aneinandergrenzenden Halbleitermaterialien Germanium und Galliumarsenid. Dargestellt sind die Energieniveaus in der vorliegenden nn-Sperrschicht. Links in der Fig. 1 erkennt man die relativ schmale Energiebandlücke E_sv welche in der Größenordnung von 0,7 eV für n-leitendes Germanium liegt. Wie man sieht, liegt das Ferminiveau nahe bei dem Leitfähigkeitsband. Rechts in der Fig. 1 erkennt man das verhältnismäßig breite Energieband E_g2 für Galliumarsenid, welches etwa 1,36 eV beträgt. Die Höhe des Ferminiveaus ist auf beiden Seiten der Sperrschicht gleich.

Wie man schon früher herausgefunden hat, besteht eine Abhängigkeit der Höhe AE der Potentialschwelle von der Orientierung innerhalb des Kristalls.

Die genannte Potentialschwelle A E ist auf der linken Seite des Energiediagramms der Fig. 1 gezeigt. Die Höhe der Potentialschwelle nimmt für verschieden orientierte Flächen bei Galliumarsenid in folgender Weise ab: (lll)-A-Oberfläche, (lll)-B-Oberfläche und (llO)-Oberfläche.

Es sei erwähnt, daß die Symbole A und B im Fall von Galliumarsenid verschiedene (lll)-Oberflächen bezeichnen, die sich durch vorherrschende Galliumoder Arsenatome unterscheiden. Die Differenz in der Höhe der Potentialschwellen zwischen den Flächend und B wurden bisher noch nicht exakt bestimmt. Man weiß aber, daß sie wegen des heteropolaren Bindungsanteils des Galliumarsenids in der Größenordnung von 0,1 eV liegen.

Wir wenden uns nun etwas komplizierteren HaIbleiterstrukturen zu, und es soll insbesondere eine GaAs-Ge-GaAs-Schichtfolge eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung betrachtet werden. Sind in dieser Schichtfolge die Mittelschichten dünn im Vergleich mit der in der Fig. 2A mit w bezeichneten Abmessung der Raumladungsschicht, so ergeben sich theoretisch und experimentell interessante physikalische Eigenschaften.

Die Fig. 2A, 2B und 2C zeigen einige Energiebanddiagramme, welche das Prinzip einer Kristalltriode mit Sperrschichtflächen zwischen Halbleitersubstanzen nur eines Leitfähigkeitstyps verdeutlicht in der alle drei Gebiete der gezeigten GaAs-Ge-GaAs-Schichtfolge vom n-Leitfähigkeitstyp sind.

Die F i g. 2 A zeigt den Fall einer Basisschicht von Germanium mit der verhältnismäßig großen Dicke b. Die Dicke der Raumladungsschicht ist mit w bezeichnet. Wie in der im folgenden zitierten Monographie von E. Spenke näher ausgeführt ist, bilden sich in Halbleitern im Gegensatz zu den Metallen wegen der um Größenordnungen niedrigeren Ladungsträgerkonzentration keine Flächen-, sondern Raumladungen aus. In der Fig. 2B ist der Fall einer Basisschicht mit einer wesentlich geringeren Dicke dargestellt. In der Fig. 2B bezeichnen die Buchstaben E, B und C die dem Emitter, der Basis und dem Kollektor entsprechenden Schichten. Man sieht, daß die Höhen der Potentialschwellen der beiden einander berührenden Oberflächen von Galliumarsenid im wesentlichen gleich sind. Zur Vereinfachung wurde in dieser und den folgenden Figuren nur die Änderung des Leitfähigkeitsbandes dargestellt. Beträgt die Dicke b der mittleren Basisschicht weniger als einige hundert ÄE, so sind beträchtliche Tunnelströme über die Emitter-Basis-Sperrschicht zu

ίο erwarten.

Die Fig. 2C zeigt das Leitfähigkeitsband für den speziellen Fall, daß die beiden verschiedenen (lll)-Oberflächen, d. h. die A- und ß-FIäche als Emitter-Basis- und Basis-Kollektor-Übergangsflächen gewählt wurden. Wie schon früher erwähnt, sind die Gebiete links und rechts mit E und C bezeichnet und bestehen aus Galliumarsenid mit in der obengenannten Weise orientierten Berührungsflächen. Dabei besteht das mittlere Basisgebiet aus Germanium. Wie in der Fig. 2 C gezeigt ist, besteht zwischen den beiden Potentialschwellen AE_A und AE_B die Potentialdifferenz

V = AEa-AE₁₁.

Diese Differenz zwischen den beiden Potentialschwellen wird zur Herbeiführung der erfindungsgemäß ausgenutzten Effekte herangezogen.

Das Energiebanddiagramm in der Fig. 2D ist demjenigen in der Fig. 2C gezeigten ähnlich. Der Unterschied liegt jedoch darin, daß in der Fig. 2D die Potentialverschiebungen infolge der angelegten Spannungen berücksichtigt sind. Eine Spannung V_R ist so angelegt daß das Basisgebiet aus Germanium der Kristalltriode positiver ist als das Emittergebiet, welches aus Galliumarsenid besteht. Bei der genannten Polung liegt die Spannung in Flußrichtung an. Weiterhin wird eine Spannung V₀ derart angelegt, daß das Basisgebiet negativer ist im Vergleich mit dem Kollektorgebiet. Dies entspricht einer Polung in Sperrichtung. Auf diese Weise ist der Emitter-Basis-Ubergang in Flußrichtung und der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrichtung vorgespannt. Für Ve und V_c seien als charakteristische Spannungswerte 0,4 und 2 V angegeben. Durch die angelegten Spannungen vergrößert sich der Wert für die Differenz der PotentialschwellenV um den Betraget⁷, wie in der Fig. 2D gezeigt ist. Die genannte Vergrößerung stellt sich ein unter der Wirkung der sogenannten, aus der Elektrostatistik bekannten Bildkraft.

Diese bewirkt eine Erniedrigung der Austrittsarbeit, welche Erscheinung als Schottky-Effekt bezeichnet wird. Im Zusammenhang hiermit sei verwiesen auf die Monographie E. Spenke, Elektronische Halbleiter, 1956, S. 338. Wie schon erwähnt, wird die Abmessung b der Basis extrem klein in der Größenordnung einiger Mikron gemacht. Bei diesen geringen Abmessungen betragt der Energieverlust der Majoritätsladungsträger (Elektronen im Fall einer nnn-Struktur), welche sich infolge von Streuung durch Stöße während des Übergangs über die dünne Basisregion ergibt, weniger als V + AV. Infolgedessen wird der größte Anteil der an der Emitter-Basis-Sperrschicht injizierten »heißen« Elektronen an der Basis-Kollektor-Sperrschicht gesammelt, woraus eine Leistungsverstärkung infolge des großen Widerstandsunterschieds zwischen den entsprechenden Sperrschichten ähnlich wie im Fall des herkömmlichen Transistors resultiert.

Obwohl die kritische Dicke des Basisgebiets stark abhängig von den Eigenschaften des Germaniums, der Temperatur und dem Wert von V ist, beträgt diese nicht mehr als wenige Mikron.

Die Fig. 2D zeigt in eindimensionaler, in x-Richtung verlaufender Darstellung die dem Verlauf der darüber befindlichen Potentialkurve V(x) entsprechende räumliche Anordnung der Schichtfolgen GaAs-Ge-GaAs, wobei die Orientierung der beiden Übergänge durch die Bezeichnungen (lll)-^4-4 und (111)-B angemerkt sind.

Eine Möglichkeit zur Herstellung einer Halbleiteranordnung der in der Fig. 2D gezeigten Struktur ergibt sich unter Benutzung eines Aufdampfverfahrens von Germanium und Galliumarsenid in der folgenden Weise: Man wählt beispielsweise als Halbleitersubstanz Galliumarsenid vom n-Leitfähigkeitstyp in Form eines Einkristalls mit einer Dotierungskonzentration in der Größenordnung von 10¹⁴ bis 10¹⁽ⁱ cm"³. Eine Schicht η-leitenden Germaniums wird vorzugsweise durch einen epitaktischen Aufdampfungsprozeß auf die Oberfläche mit der Orientierung (Ill)-y4 des Substrats aus Galliumarsenid aufgebracht, wobei das η-leitende Germanium ebenfalls eine Verunreinigung in der Größenordnung von 10" bis 10¹« cm-³ aufweist.

Dabei beträgt die Dicke der epitaktisch aufgewachsenen Schicht etwa 1 bis 3 μ. Nunmehr wird eine Schicht η-leitenden Galliumarsenids mit ungefähr dem gleichen Dotierungsgehalt, wie die vorhergehende Germaniumschicht sie besitzt, aufgedampft, wodurch der gewünschte Ge-GaAs-Übergang in der Orientierung (111)-B entsteht. In dem genannten Fall ist die Dicke der Galliumarsenidschicht unkritisch.

Obwohl bisher lediglich eine Zusammensetzung beschrieben wurde, welche in allen ihren einzelnen Teilgebieten eine η-Leitfähigkeit aufweist, so ist es doch für den Fachmann klar, daß ebenfalls eine entsprechende Anordnung mit ausschließlich p-leitender Eigenschaft möglich ist.

Für die Erreichung eines beträchtlichen Stromverstärkungsfaktors der beschriebenen Halbleiteranordnung mit drei Elektroden ist sowohl die Temperatur als auch die Dicke des Basisgebiets von großer Bedeutung. Allgemein kann man in Festkörpern vier Typen von Stoßprozessen erwarten, welche zur Injektion »heißer« Elektronen ausgenutzt werden können. Solche Stöße kommen zustande infolge akustischer Phononen, optischer Phononen, Stoßen an Verunreinigungsstellen sowie Elektronen-Elektronen-Stoßen. Von diesen vier Stoßprozessen ergeben die optischen Phononen Weitwinkelstreuungen mit einem Energieverlust von etwa 0,038 eV pro Stoß. Stöße an Verunreinigungsstellen sind als elastisch zu betrachten und ergeben daher keinen Energieverlust. Man kann daher erwarten, daß ein Betrieb des Halbleiterbauelements bei niederen Temperaturen besonders günstig ist.

Ein Anwendungsbeispiel eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung ist in der Fig. 3 dargestellt. Man sieht hier eine der Fig. 2D entsprechende Halbleiterstruktur, welche etwa in der vorstehenden Weise hergestellt wurde und welche zusammen mit den dargestellten elektrischen Verbindungen als Verstärker arbeitet. Wie schon oben erwähnt, unterscheiden sich die Eingangs- und Ausgangswiderstände bzw. die Widerstände der Basis-Kollektor-Sperrschicht und der Emitter-Basis-Sperrschicht beträchtlich. Größenordnungsmäßig liegen die Werte der Widerstände für die Basis-Emitter-Sperrschicht bei 100 Ω und für die Basis-Kollektor-Sperrschicht bei 10 000 Ω. Mit einem Halbleiterbauelement nach der Erfindung läßt sich daher bei einer beträchtlichen Stromverstärkung eine Leistungsverstärkung in der Größenordnung von 20 db realisieren.

Die F i g. 3 stellt einen Verstärker mit einem Halbleiterbauelement nach der Erfindung dar, an welchem geeignete ohmsche Kontakte mit Zuführungen für Basis, Kollektor und Emitter angebracht sind. Parallel zum Eingangswiderstand 6 liegt die Eingangssignalquelle 5, wobei die genannte Parallelkombination in Reihe mit der Spannung V_E liegt. Der letztgenannte Spannungswert erscheint ebenfalls in der Fi g. 2 D, wo er eine Verschiebung der Potentialschwellen gegeneinander bewirkt. Die Spannung V_E wird von einer Batterie geliefert, welche so in den Stromkreis geschaltet ist, daß die negative Seite zum Emittergebiet 2 aus Galliumarsenid und der positive Pol zum Basisgebiet 3 aus Germanium führt. Im Ausgangskreis liefert eine Spannungsquelle, welche mit dem Lastwiderstand 7 in Serie liegt, die Spannung V_c. Dabei liegt der negative Pol am Basisgebiet 3 und der positive Pol am Kollektorgebiet 4 an. Wie schon früher erwähnt, liefert die in der Fig. 3 dargestellte Anordnung eine Leistungsverstärkung.

Wenn auch in der F i g. 3 eine Basis-Basis-Schaltung gewählt wurde, so ist doch klar, daß das Halbleiterbauelement nach der Erfindung ebenfalls in Emitter-Basis- bzw. Kollektor-Basis-Schaltung angeordnet werden kann. Es bedarf auch keiner besonderen Erwähnung, daß mit dem genannten Halbleiterbauelement außer dem beschriebenen Verstärker auch Schaltvorrichtungen bzw. Oszillatoren aufgebaut werden können.

Im vorhergehenden wurde eine einkristalline Halbleiterstruktur aus mehreren Gebieten verschiedenen Halbleitermaterials gezeigt, bei der in allen Gebieten der gleiche Leitfähigkeitstyp vorliegt. Wenn auch eine Halbleiteranordnung aus Germanium und Galliumarsenid beschrieben wurde, so sei doch bemerkt, daß auch andere Halbleitermaterialien, wie z. B. Silizium und Galliumarsenid, zum Aufbau eines funktionsfähigen verstärkenden Halbleiterbauelements nach der Erfindung herangezogen werden können, sofern die Substanzen nur miteinander epitaktische Verträglichkeit aufweisen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit drei Zonen aus verschiedenen, in der kristallographischen [Hl]-Richtung aneinandergrenzenden Halbleitersubstanzen, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Zonen den gleichen Leitfähigkeitstyp haben, daß die mittlere einige Mikron dicke Zone aus einem Halbleiterelement und die beiden äußeren Zonen aus der gleichen Halbleiterverbindung bestehen und daß die eine äußere Zone einen Überschuß einer Komponente der Halbleiterverbindung und die andere äußere Zone einen Überschuß einer anderen Komponenten der Halbleiterverbindung aufweist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone aus η-leitendem Germanium, deren Dicke kleiner als

die Dicke der Raumladungsschicht ist, an zwei äußere Zonen aus Galliumarsenid angrenzt und daß in der einen äußeren Zone die Komponente Ga und in der anderen äußeren Zone die Komponente As überwiegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1100 821; französische Patentschriften Nr. 1193 194, 1204019.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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