DE1489043A1 - Unipolartransistor - Google Patents

Unipolartransistor

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DE1489043A1 DE19641489043 DE1489043A DE1489043A1 DE 1489043 A1 DE1489043 A1 DE 1489043A1 DE 19641489043 DE19641489043 DE 19641489043 DE 1489043 A DE1489043 A DE 1489043A DE 1489043 A1 DE1489043 A1 DE 1489043A1
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Description

neue Anme.üungsunteriagen
IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH
Böblingen, 6. August 1968 si-sr
. Anmelderin:
Amtliches Aktenzeichen:
Aktenz. der Anmelderin:
International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10 504 P 14 89 043.8 (J 27 277 VIIIc/21g) Docket 10 717
Unipolartransistor
Halbleitejprorrichtungen vom unipolaren Typ wurden zuerst bekannt durch W. Shockley'11A Unipolar 'Field Effect* Transistor" Proceedings of the IRE, November 1952, Seiten 1365-1376. Vorrichtungen dieser Art werden unipolar genannt, weil der Arbeitsstrom dieser Vorrichtung lediglich durch einen Typ von Ladungs- . trägern getragen wird, d. h entweder von Elektronen oder von Deffekfc-Elektronen. Dieses steht völlig im Gegensatz zu der Arbeitsweise der bekannteren npn- oder pnp-Konfigurationen, in denen der Stromfluß sich zusammensetzt aus Ladungsträgern beider Vorzeichen, d.h aus Elektronen und aus Deffekt-Elektronen.
Die Vorrichtung, die in der erwähnten Arbeit von W. Shockley beschrieben ist, arbeitet in der Weise, daß Majoritätsladungsträger von einer Quellen-Elektrode sich durch den Halbleiterkörper hindurch z,u einer Senkenelektrode bewegen. An einer Stelle des Halbleiterkörpers befindet sich eine Schicht von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp bezüglich des Teilbereiches, der die Funktion eines Steuergitters übernimmt. Durch Anlegen einer geeigneten Vorspannung an dieses Steuerorgan erfolgt eine Modulation der Leitfähigkeit des leitenden Kanales zwischen der Quellen- und der Senkenelektrode. Die Kanalbreite wird durch Legung einer Steuerspannung
908820/0468
(Art / < i «ϋβ.2 Nr. t Üatt 3 d*e Anüerunflstfes. V.4.9.19.S7)
Neue Anmesöungsiinteriagen
14 3 9 U 4 3
6. August 1968
an das Steuerorgan beeinflußt, wobei die Steuerspannung eine Änderung der Breite der Verarmungsschicht bewirkt, welche sich im Kontaktbereich zwischen Steuerorgan und Halbleiterkörper ausbildet. Wird die in Sperrichtung anliegende Steuerspannung groß genug gemacht, so wird der Verarmungsbereich der erwähnten pn-Sperrschicht so groß, daß eine Abschnürung des Stromflusses durch den leitenden Pfad hindurch erfolgt.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich darin von demim Shockley* sehen Beitrag beschriebenen unipolaren Feldeffekttransistor, daß hier von der Tatsache Gebrauch gemacht wird,daß ein an der Berührungsfläche zwischen Halbleiterkörpern verschiedener Bandweiten auftretende Inversions- bzw. Verarmungsschicht vorteilhafterweise als leitender Pfad zum Führen des Betriebsstromes einer Feldeffektvorrichtung benutzt werden kann.
Es ist daher eine erste Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung, eine unipolare Feldeffektvorrichtung anzugeben, welche auf dem- Prinzip der Modulation des Potentials der Zwischenschicht einer Heterojunction wird. Eine weitere Aufgabe wird darin erblickt, die LeitfäMigkeit eines Feldeffekt-Vorrichtungskanales durch Modulation des Zwischenschichtpotentials einer Heterojunction zu beeinflussen.
Die genannten Aufgaben werden mittels einer Transistorstruktur mit drei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps,von denen die mittlere als steuerbarer Strompfad wirksam ist, dadurch gelöst, daß an der ersten Zone eine zweite durch Inversion entstehende Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp innerhalb des gleichen Halbleitermaterials und an dieser wiederum eine dritte Zone Vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und einem Halbleitermaterial mit einem breiteren verbotenen Band anliegt, das an der zweiten und dritten Zone je eine Steuerelektrode sowie an den seitlich verdickten Bereichen der durch Inversion entstehenden Zone als Quellen- und Senkenzuleitung wirkende Elektroden angeordnet sind.
ORIGINAL INSPECTED 909820/0468
6. August 1968
-Eine Reihe von Eigenschaften von Heterojunctions wurden beschrieben in einem Beitrag von R. L. Anderson in Solid State Electronics, Band 5, 1962, Seite 341. Wie aus diesem. Beitrag hervorgeht, besteht eine Heterojunction beispielsweise aus dem Halbleitermaterial Germanium und Gallium-Arsenid, wobei sogar beide Materialien dem gleichen Leitfähigkeitstyp angehören können, da in diesem Falle im allgemeinen vermöge der Diskontinuitäten der Bandweiten eine Potentials chwelle auftritt. Diese Eigenschaft wird später genauer erörtert werden. ■
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, und darin unterscheidet sie sich von den Vorrichtungen, die in dem Beitrag von Shockley beschrieben sind, daß sich ein wohl definierter leitender Pfad gleichförmiger Dicke ziemlich leicht erzeugen.läßt, ohne daß hierzu bei der Herstellung des HalbleiterkörpersDiffusionsverfahren zu Hilfe genommen werden müssen, welche im allgemeinen schwierig zu kontrollieren sind. Weiterhin erfordert die erfindungsgemäße Vorrichtung im Gegensatz zu den später entwickelten sogenannten Oberflächenfeldeffektvorrichtungen nicht die Herstellung einer sehr dünnen Oxydschicht oder anderer isolierender Zwischenschichten mit einer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber Durchschlag. Obwohl im Vorstehenden und auch weiter unten speziell auf Hßterojunctions aus Germanium-Galliumars enid Bezug genommen wurde, so soll doch, darauf hingewiesen werden, daß auch andere geeignete Halbleitermaterialien mit entsprechenden Gitterparametern zur Herstellung von Vorrichtungen nach der ,vorliegenden Erfindung benutzt werden können.
9 0 98 20/0.4.60
U89043
Im Folgenden wird ein entsprechend den Lehren der Erfindung hergestelltes Ausführungsbeispiel anhand der Figuren beschrieben.
In den Figuren bedeuten:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Prinzipien der nach den Lehren der Erfindung hergestellten Vorrichtung mit dem zugehörigen Energiebanddiagramm;
Fig. 2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels dieser Vorrichtung;
Fig. J5 ein anderes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung entsprechend den Lehren der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Halbleitervorrichtung, die einen Halbleiterkörper 2 mit zwei Bereichen j5 und 4 eines bestimmten Leitfähigkeitstypes umfasst. In diesem bestimmten Fall ist das Gebiet j5 aus n-Germaniura und das Gebiet 4 aus p-GaAs, wobei der Leitfähigkeit s typ durch entsprechende Dotierung erzielt wurde. Ohmische Kontakte 5 und 6 zu den entsprechenden Gebieten 3 und 4 sind gezeigt. Kontakte 7 und 8 auf entgegengesetzten Oberflächen des Körpers wirken ausserdem:unsymmetrisch leitend auf beide Regionen 2 und 4. Kontakt 7 ist bei 9 geerdet. Der Ohm'sche Kontakt 6 ist mit einer variablen Spannungsquelle -V~ verbunden. An dor Grenzfläche zwischen den Gebieten 2 und 2 aus Germanium und Galliumarsenid bildiet sich eine Inversionsschicht 12. Ausserdem zeigt Fig. 1 eine Sperrschicht 1J. Tatsächlich besteht eine pp-Sperrschicht zwischen der Inversionsschicht 12 und dem Gallium-Arsenid-Gebiet 4. Diese Inversionsschicht 12 kommt infolge der besonderen Art der Band-Struktur zustande. Aus dem Energieband-Diagramm der Figur 1 entnimmt man, dass von links nach rechts das Fermi-Niveau zunächst
BAD ORIGINAL 909820/0468
sehr nahe der Leitungsbandkante verläuft und das's das Fermi-Niveau bei der Annäherung an die Trennfläohe etwa in der Mitte zwischen Valenz- und Leitungsband liegt und sich schliesslich nach rechts fortschreitend dem Valenzband anschmiegt· Die3 bedeutet, dass in der Inversionsschicht 12 Träger mit einem Vorzeichen überwiegen, das denen in dem restlichen Bereich J entgegengesetzt ist. Die Kontakte 7 und 8 der Struktur von Fig. 1 sind nichtsperrend bezüglich der Inversionsschicht 12 vom p-Typ, wirken jedoch unsymmetrisch leitend bezüglich der Halbleitermaterialien selbst. Die Kontakte 5 und 6 zu den Gebieten 3 und 4 sind sperrfrei.
Es besteht somit ein vollständiger Stroraweg zwischen den Kontakten 7 und 8, welche als Quellen- bzw. Senkenelektrode bezeichnet werden können, wie es bei Feldeffekt-Vorrichtungen üblich ist. Wenn daher +Vi. an Kontakt 8 angelegt wird, entsteht ein Deffektelektronenstrom in der Schicht 12 infolge der Spannungsdifferenz zwischen den Kontakten 7 und 8.
Durch Anlegen der Vorspannung -V2 an den ohmischen Kontakt 6 wird die Leitfähigkeit der Inversionsschicht 12 wesentlich verändert. In diesem Fall dient das Gebiet 4 aus p-leitendem Galliumarsenid als Steuerorgan für die Feldeffektvorrichtung 1. Das Anlegen der Vorspannung -V2 zieht eine Veränderung der Ladungsverteilung innerhalb der Trennfläche nach sich, was sich mittels des Energleband-Diagrämraes verstehen läßt. Hierin ergibt sich durch Anlegen der Vorspannung eine stärkere Verbiegung der Bänder sowie eine Verschiebung der einen Hälfte des Diagramms.
Wenn erwünscht, kann eine Spannungsquelle auch an den auf dem Gebiet 5 vorgesehenen ohmischen Kontakt 5 angelegt werden.
Zur Erzeugung der Struktur von Fig. 1 können verschiedene Herstellungsverfahren für Halbleiterkörper verwendet werden.
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Neue Anmeldiinosonterlagen
. 14890*3
Beispielsweise kann ein Dampfzüchtungsverfahren angewandt werden, bei dem das n-Germanlum Gebiet 3 ζ·Β. epitaktisch aus der Dampfphase heraus auf dein p-Leitfähigkeits-Gebiet 4 aus monokristallinem Galliumarsenid aufgebracht wird. Es ist für den Fachmann natürlich klar, dass die in Fig. 1 dargestellte Struktur auch durch Umkehrung der Rollen von monokristallinem Substrat und epitaktisch aufgedampftem Halbleitergebiet erzielt werden kann.
Zur Herstellung einer funktionsfähigen Inversionsschicht muß die Dotierungskonzentration der betreffenden Gebiete J und 4 berechnet werden. Hierzu können folgende Beziehungen verwendet werden.
1.) qVA0 + qVB0 + Ec « ^E gß (näherungsweise)
VB0 KANA
Hierbei bedeuten: . - . ■■
VA0 die eingeprägte Spannung im Halbleiter A; V30 1st die eingeprägte Spannung im Halbleiter B; ^>EC die Leitungsband-Diskontinuität, E A und EB die Bandabstäncte für die Halbleiter A und
B. KA und Kg sind die entsprechenden Dielektrizitätskonstanten und KA und N3 die Dotierungskonzentrationen für die Halbleitermaterialien A und B.
Kombination dieser Ausdrücke ergibt:
NB KA EgA
PAD Of?!GINAL
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■*""'"*' - 7 -. ' p !4.8O 043.8
U89043
In Pig. 2 wird eine Realisierung der grundlegenden schematischen Struktur von Fig. 1 dargestellt. Ein für p-GaAs typisches Gebiet befindet sich in unmittelbarer Nähe einer Reihe von Gebieten aus Germanium, die mit den Bezugszeichen 21, 22 und 23 versehen sind. Das Gebiet 20 ist mit einem ohmischen Kontakt verbunden, und die ohmischen Kontakte 25 und 26 sind jeweils an die Gebiete 21 und 23 angeschlossen. Die Gebiete 21, 22 und 23 sind Jeweils p-, n- und p-leitend. Im Gebiet 22 besteht eine Inversionsschicht 27
CJu ί
an der ZwIschenflache der Gebiete'20 p-ieitendem GaAs und dem Gebiet 22 aus H-leitendem Germanium. Die in Fig. 2 gezeigte Struktur vereinfacht die Kontaktierung zur Inversionsschicht.
In Fig. 3 wird ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden ^ Erfindung gezeigt, bei welchem nicht von der Eigenschaft der In- ^ Versionsschicht der Heterosperrschichten Gebrauch gemacht wird. Es wird vielmehr ein Plättchen 30 aus Galliumarsenid ausgewählt und eine dünne Schicht aus p-Germanium 31 wird zunächst auf dem p-Galliumarsenid 30 gezüchtet. Anschliessend wird die Mitte der Schicht 31 mit einer Maske versehen, sodass weitere Bildung von p-Germanium nur an den Enden 32a und 32b möglich ist. Auf dem Mittelstück der Schicht 31 wird dann eine dicke η-Schicht auf Germanium gezüchtet.
An den Gebieten 30* 32a, 32b und 33 werden ohmische Kontakte 3^# 35» 36 und 37 hergestellt. In derselben ..Weise wie bei der Vorrichtung von Pig. 1 werden entsprechende Vorspannungen an die Λ verschiedenen Gebiete angelegt. Eine Spannung -Vg wird Über den Leiter 38 an den ohmischen Kontakt 3^ angelegt. Der ohmische Kontakt 35 wird durch den Leiter 39 geerdet und der Kontakt 36 wird über den Leiter 40 an die Spannungsquelle +V1 angeschlossen;
Die Punktion der Vorrichtung nach Fig. 3 ist im wesentlichen dieselbe wie für Fig. 1, mit der Ausnahme, dass die anfängliche Leitfähigkeit einen Trägerstrom gestattet, auch wenn keine Vorspannung am Tor 30 anceiest ist. Dies beruht auf der Tatsache, dass die
14 16 -"5
Schicht 31 eine Dotierungs-Konzentration von 10 - 10 cm ^ sowie
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U890A3
eine Stärke von < 10 "inm besitzt, die geringer ist als die Debye-Länge in Germanium bei Zimmertemperatur.
Obwohl die obengenannte Beschreibung auf die Majoritätsträger-Vorrichtung der Pig. 1, 2 und 3 mit Deffektelektronenleitung beschränkt wurde, ist es offensichtlich, daß die hierzu komplementäre Konfiguration verwirklicht werden kann, In diesem Falle sind die verschiedenen Vorspannungsquellen entsprechend zu ändern.
BAD ORIGINAL
909820/0A68

Claims (4)

- 9 - Docket IO 717 PATENTANSPRUCH E
1. Unipolar-Transistor mit drei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von denen die mittlere als steuerbarer Strompfad wirksam ist und mit einer Steuerelektrode über einem PP-Übergang, dadurch gekennzeichnet, daß an der ersten Zone eine zweite durch Inversion entstehende Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp innerhalb des gleichen Halbleitermaterials und an dieser wiederum eine dritte Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und einem Halbleitermaterial mit einem breiteren verbotenen Band anliegt, das an der zweiten und dritten Zone je eine Steuerelektrode sowie an den seitlich verdickten Bereichen der durch Inversion entstehenden Zone als Quellen- und Senkenzuleitung wirkende Elektroden angeordnet sind.
2. Unipolar-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite, durch Inversion entstehende Zone aus η-leitendem Germanium, die dritte Zone aus p-leitendem Galliumarsenid und die Quellen- und Senkenelektroden aus p-leitendem Germanium bestehen, und daß die erste und zweite Zone dünner als die dritte Zone ausgebildet ist.
3. Unipolar-Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone aus p-leitendem Germanium mit einer Dotierungskonzentration von 10 bis 10 cm" besteht und eine Dickenabmessung besitzt, die kleiner ist, als die Debye-Länge für Germanium bei Zimmertemperatur.
4. Unipolar-Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils benutzte Schichtfolge durch epitaktische Kristallzüchtung hergestellt ist.
9 0 9 8 2 0 / 0 /+ 6 8
DE19641489043 1963-12-30 1964-12-30 Unipolartransistor Pending DE1489043A1 (de)

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