DE1514457A1 - Semiconductor arrangement with at least one transition between a semiconductor and a metal - Google Patents
Semiconductor arrangement with at least one transition between a semiconductor and a metalInfo
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Description
"Halbleiteranordnung mit wenigstens einem Übergang zwischen einem Halbleiter und einem Metall" "Semiconductor arrangement with at least one transition between a semiconductor and a metal"
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit wenigstens einem Übergang, an dem eine Schicht aus halbleitendem Material und eine Schicht aus metallisch leitendem Material aneinandergrenzen.The invention relates to a semiconductor device with at least one transition at which a layer of semiconducting material and a layer of metallically conductive material Adjacent material.
Ein solches Bauelement i3t z. B. der Metallbasistransistor, bei dem gegenüber einem gewöhnlichen Transistor die BasiszoneSuch a component i3t z. B. the metal base transistor, in which the base zone compared to an ordinary transistor
909842/0598909842/0598
durch eine dünne metallische Zwischenschicht ersetzt ist. Derartige Bauelemente weisen einen extren kleinen Basiswiderstand, verbunden mit geringer Basisdicke, auf, so daß hohe Gewirin-Bandbreite-Produkte erzielbar sind. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei derartigen Bauelementen nur geringe Stromverstärkungsfaktoren erreicht werden können.is replaced by a thin metallic intermediate layer. Such components have an extremely small base resistance, associated with a low base thickness, so that high Gewirin bandwidth products can be achieved. It has however, it has been shown that only small current amplification factors can be achieved with such components.
P Die vorliegende Erfindung geht von der Überlegung aus, daß diese geringen Stromverstärkungsfaktoren dadurch bedingt sind, daß die Elektronen bein Übertritt aus dem Metall in die halbleitende Schicht am Übergang Metall-Halbleiter im allgemeinen in hohem Maße reflektiert werden. Davon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Reflexion weitgehend herabzusetzen.P The present invention is based on the consideration that These low current amplification factors are due to the fact that the electrons in general when they pass from the metal into the semiconducting layer at the metal-semiconductor transition to be reflected to a high degree. Proceeding from this, it is the object of the present invention to largely reduce this reflection to belittle.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die halbfc leitende Schicht aus einen Material besteht, das Leitungsbandminima aufweist, für die der Wellenzahlvektor k im Energiebereich der Halbleiterbandkante ungleich Null i3t.According to the invention, this is achieved in that the semifc conductive layer consists of a material called conduction band minima for which the wavenumber vector k in the energy range of the semiconductor band edge is not equal to zero i3t.
Bei den im vorliegenden Fall betrachteten Metall-Halbleiter-Übergang liegen die Elektronen im Metall als "heiße" Elektronen vor, d.h. der Wellenzahlvektor in diesen Gebiet ist derjenige "heißer" Elektronen ca. 1eV oberhalb des Ferminiveaus im Metall abhängig von der. Auatrittsarbeit vom Halbleiter zum Metall, während es sich beim Wellenzahlvektor in HalbleiterIn the case of the metal-semiconductor transition considered in the present case the electrons in the metal exist as "hot" electrons, i.e. the wavenumber vector in this area is that "Hot" electrons approx. 1 eV above the Fermi level im Metal depending on the. Work from semiconductors to Metal, while the wavenumber vector is in semiconductors
9098 A 2./0 5 98 BAD ORIGINAL9098 A 2./0 5 98 BA D ORIGINAL
PA 9/501/237 - 3 -PA 9/501/237 - 3 -
durchweg um denjenigen in deijla'he der unteren Kante des Leitungsbandes, also im Energiebereich der Ilalbleiterbandkante handelt.consistently around the one in deijla'he of the lower edge of the Conduction band, i.e. in the energy range of the semiconductor band edge.
Bekanntlich ist die gitterperiodisch modifizierte Form der Schrödingergleichung durch die Bloch'sche FunktionIt is well known that the form of the Schrödinger equation modified by the lattice period is due to the Bloch function
gegeben. Dies ist der Ausdruck für eine diene V/elle, die sich in Richtung des Wellenzahlvektorsα nit der WellenlUnge1/! = 2jr/A in Kristallgitter ausbreitet. M" bedeutet den Ortsvektor im dreidimensionalen Kristallgitter und u ι (.#·) den Amlitudenfaktor. u i> (tf") kann dabei als fast konstante Funktion betrachtet werden.given. This is the expression for a diene V / elle which extends in the direction of the wave number vector α with the wavelength 1 /! = 2jr / A spreads in crystal lattice. M " means the position vector in the three-dimensional crystal lattice and u ι (. # ·) The amplitude factor. U i>(tf") can be viewed as an almost constant function.
Für die Ausbreitung im Metall sei die Bloch'sche Funktion gegeben durchLet Bloch's function be used for the spread in the metal given by
und analog in Halbleiterand analog in semiconductors
Ba die Gitterstruktur des Metalls und des Halbleiters voneinander verschieden ist, ergibt sich am Übergang zwischen Metall und Halbleiter für die Elektronen, die vom Metall in den Halbleiter übertreten, eine Stoßstelle. Für den Reflexionsfaktor H gilt dann analog der Optik für senkrechten Einfall. (4) R = (Alliil'f BAD ORIGINALSince the lattice structure of the metal and the semiconductor is different from one another, there is a junction at the transition between metal and semiconductor for the electrons that pass from the metal into the semiconductor. For the reflection factor H, analogous to optics, then applies for perpendicular incidence. (4) R = (Alliil'f BAD ORIGINAL
9098'42/0%989098'42 / 0% 98
ΓΑ 9/501/237 - 4 -ΓΑ 9/501/237 - 4 -
Für schragen Einfall sind die Fresnel'sehen Formeln sinngemäß anzuwenden, wobei gilt: -p— = ni2 *For oblique incidence, the Fresnel's formulas are to be used accordingly, where: -p- = n i2 *
Wie sich au3 der Gleichung für den Reflexionsfaktor ergibt, wird der Wert für R, also die Reflexion an der Stoßstelle Metall-Halbleiter, umso geringer, je besser die Werte Zf1 und ^P einander angeglichen werden können.As can be seen from the equation for the reflection factor, the value for R, i.e. the reflection at the metal-semiconductor joint, becomes smaller the better the values Zf 1 and ^ P e can be matched to one another.
Da die ladungsträger im Metall als heiße Elektronen laufen sollen, ihr mittlerer Impuls also groß ist, haben sie dort hohe k-V/erte, da der Wellenzahlvektor k dem Impuls des freien Elektrons proportional ist und daher auch als reduzierter Impulsvektor bezeichnet wird.Since the charge carriers are supposed to run as hot electrons in the metal, so their mean momentum is high, they have them there high k values, since the wave number vector k is proportional to the momentum of the free electron and therefore also as reduced Is called momentum vector.
Besteht die halbleitende Schicht, insbesondere die als Kollektor wirksame Schicht eines MetallbasistransictorG, aus einen Halbleiter mit einen Energieminimum des Leitungsbandes bei k = Null", so folgt hieraus eine extren hohe Reflexion an der Stoßstelle Metall-Halbleiter. Um diese Reflexion zu vermindern, wird gemäß der Erfindung ein halbleitendea Material verwendet, das Leitungsbandminima bei Ic ungleich Null aufweist.If the semiconducting layer, in particular the layer of a metal base transistorG that acts as a collector, consists of a semiconductor with an energy minimum of the conduction band at k = zero ", this results in an extremely high reflection at the metal-semiconductor junction. In order to reduce this reflection, a semiconducting material is used according to the invention is used, which has conduction band minima at Ic not equal to zero.
In der Figur 1 ist die Energie E als Punktion des Wellenzahlvektors k für einen Halbleiter nach der Blochi.schen Näherung aufgetragen, der Leitungsbandminima für k-V/erte ungleich Null aufweist. Dabei gibt die Kurve 1 den Energie-In FIG. 1, the energy E is the puncture of the wavenumber vector k is plotted for a semiconductor according to the Blochi.schen approximation, the conduction band minima for k-V / erte has non-zero. Curve 1 gives the energy
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verlauf für da3 Leitungsband und die Kurve 2 den Energieverlauf für das Valenzband an. Für k = Null v/eist dieser Halbleiter ein Maximum im Valenzband und ein Maximum in Leitungsband auf. Bei den Werten k' und k1' ungleich Null liegen Leitungsbandminima. Der zwischen den gestrichelten Linien 3 und 4 liegende Energiev/ert E^ ist der durch dao höchste Maximum des Valenzbandes und das tiefste Minimum des Leitungsbandes gegebene Bandabstand des Halbleiters. Halbleiter, deren Schnitt durch das Energiegebirge in Richtung des WeI-lenzahlvektors k in Frinzip das in Pig. 1 dargestellte Bild aufweist, ergeben eine Verminderung des Reflexionsfaktors an Übergang Metall-Halbleiter für die von Metall in den Halbleiter übertretenden Elektronen.runs for the conduction band and curve 2 shows the energy curve for the valence band. For k = zero v / e, this semiconductor has a maximum in the valence band and a maximum in the conduction band. If the values k 'and k 1 ' are not equal to zero, there are conduction band minima. The energy value E ^ lying between the dashed lines 3 and 4 is the band gap of the semiconductor given by the highest maximum of the valence band and the lowest minimum of the conduction band. Semiconductors, whose section through the energy mountains in the direction of the wave number vector k in principle that in Pig. 1 shows a reduction in the reflection factor at the metal-semiconductor transition for the electrons passing from metal into the semiconductor.
Un einen möglichst geringen Reflexionsfaktor an der Stoßstelle zu erzielen, sollen die Werte für den Wellenzahlvektor ko in Halbleiter in Energiebereich der Halbleiterbandkante und den Wellenzahlvektor k., im Metall im Mittel etwa gleich sein. Mittelwerte sind deshalb zu betrachten, weil eigentlich jeden Elektron ein eigener k-\7ert zukommt.In order to achieve the lowest possible reflection factor at the joint, the values for the wavenumber vector should be ko in semiconductors in the energy range of the semiconductor strip edge and the wavenumber vector k., in the metal about the same on average be. Mean values are to be considered because actually every electron has its own k- \ 7ert.
Halbleitermaterialien mit Leitungsbandminima bei k-Werten ungleich Null sind z.B. Germanium und Silicium. Als metallische Partner werden bevorzugt Übergangsmetalle, Metallgierungen oder Semimetalle wie Wismuth und Antimon verwendet.Semiconductor materials with conduction band minima at k values Germanium and silicon, for example, are not equal to zero. Transition metals and metal alloys are preferred as metallic partners or semimetals such as bismuth and antimony are used.
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Insbesondere Übergangsmetalle weisen sich überlappende Bänder (Leitungsband und Valenzband) auf mit Überlappung-k-V/erten ungleich Null. Sowohl die Übergangsnetalle als auch die Semimetalle weinen k-V/erto auf,, die eine gute Anpassung an den k-V/ert des halbleitenden Materials erlauben. Besonders günstig ist die Verwendung von Metallegierungen, da durch die Legierung der k-V/ert der Metallegierung gegenüber dem k-V/ert der Legierungspartner verändert wird und dadurch durch V/ahl der Zusammensetzung der Legierung eine Anpassung des k-V/erts des Metalls an den des Halblei ters möglich ist.In particular, transition metals have overlapping bands (conduction band and valence band) with overlapping k values not equal to zero. Both the transition metals and the semimetals weep k-V / erto, which are a good match to the k-V / ert of the semiconducting material. The use of metal alloys is particularly favorable because the Alloy the k-V / ert of the metal alloy is changed compared to the k-V / ert of the alloy partner and thereby by V / ahl an adaptation of the k value to the composition of the alloy of the metal to that of the semiconductor is possible.
Ein Metallbasistransistor gemäß der Erfindung, wie er in der Figur 2 dargestellt ist, besteht auo einer ersten halbleitenden Schicht 7, die als Kollektor wirksam ist, einer zweiten halbleitenden Schicht 5, die als Emitter wirksam int, und einer metallischen Zwischenschicht 6. Für eine Erhöhung W des Stromverstärkungsfaktors ist es dabei wesentlich, die Reflexion am Übergang 11, also für die aus der Metallschicht in die Kollektorzone 7 übertretenden Elektronen zu vermindern. Es ist also wesentlich, daß die Kollektorzone 7 aus einem halbleitenden Material besteht, da3 Leitungsbandninima für einen Wellenzahlvektor k ungleich Null aufweist. Die halbleitende Zone 5, die mit der metallischen Zwischenschicht 6 den übergang 12 bildet, sowie die halbleitende Zone 7 bestehen aus n-leitehdem Halbleitermaterial. Außerdem sind in an sich bekannter Weise Anschlüsse 8,9 und 10 für die einzel-A metal base transistor according to the invention, as shown in FIG. 2, consists of a first semiconducting layer 7, which is effective as a collector, a second semiconducting layer 5, which is effective as an emitter, and a metallic intermediate layer 6 for an increase W of the current amplification factor, it is essential to reduce the reflection at the junction 11, that is to say for the electrons passing from the metal layer into the collector zone 7. It is therefore essential that the collector zone 7 consists of a semiconducting material, so that conduction band minima for a wavenumber vector k are not equal to zero. The semiconducting zone 5, which forms the transition 12 with the metallic intermediate layer 6, and the semiconducting zone 7 consist of n-conducting semiconductor material. In addition, in a conventional manner, terminals 8,9 and 10 for the individual
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nen Zonen vorgesehen.designated zones.
Die Form des Energiegebirges ist von der Kriotall orientierung abhängig, wie dies in Fig. 1 durch das als Index in eckige Klammer gesetzte X bein Wellenzahlvektor k angedeutet ist, d.h. der Halbleiter ist bezogen auf das verwendete Leitungsbandminimum anisotrop. Die Anpassung der k-Vektoren von Metall und Halbleiter gilt also nicht für beliebige Krisfcallrichtungen. Daher ist es wesentlich, daß die Elektronen möglichst senkrecht auf die Grenzfläche zwischen Metall und Halbleiter einfallen und daß für eine gute Bündelung der Elektronen im Metall gesorgt wird. Dies v/ird gemäß der Erfindung bei Hetallbasistransistoren dadurch erreicht, daß für die Emitterzone das gleiche und in gleicher Weise orientierte Halbleitermaterial als für die Kollektor zone verwendet v/ird.The shape of the energy mountain is of the Kriotall orientation depending, as shown in Fig. 1 by the as an index in angular X in brackets with wave number vector k is indicated, i.e. the semiconductor is related to the conduction band minimum used anisotropic. The adaptation of the k-vectors of metal and semiconductor does not apply to arbitrary crystal directions. It is therefore essential that the electrons are as perpendicular as possible to the interface between metal and Semiconductors fall in and that a good concentration of electrons in the metal is ensured. This is done according to the invention achieved in metal base transistors in that the same and oriented in the same way for the emitter zone Semiconductor material as used for the collector zone.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung v/eist das Metall einen großen k-Wert gegenüber dem halbleitenden Material der als Emitter v/irksamen halbleitenden Zone auf, da dies einen hohen "Brechungsindex" des Metalls gegenüber den Halbleiter bedeutet und daher nur eng gebündelte Elektronenstrahlen emittiert werden.According to another embodiment of the invention this is Metal has a large k-value compared to the semiconducting material the semiconducting zone acting as emitter, there this means a high "refractive index" of the metal compared to the semiconductor and therefore only tightly bundled electron beams be emitted.
Wegen der Anisotropie des Halbleiters bezüglich der Leitungsbandminima ist es wesentlich, daß die Elektronen beim Übertritt über die Grenzflächen, inabeaondere beim Übertritt Because of the anisotropy of the semiconductor with respect to the conduction band minima It is essential that the electrons when crossing over the interfaces, especially when crossing
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von der Hetailschicht in die als Kollektor wirksame Halbleiterzone nicht diffus gestreut werden. Um dieo zu erreichen, wird weiterhin vorgeschlagen, daß mindestens die erste halbleitende Schicht mindestens an der Grenzfläche Metall-Halbleiter einkristallin und normal zum ausgezeichneten Wellenvektor k möglichst ideal eben ist. Wie bereits ausgeführt, ist der Energieverlauf dür das Leitungsband, wie er in der Figur dargestellt ist, von der Kristallorientierung und von der Ausbreitungsrichtung der Elektronen im Kristall abhängig. Unter dem ausgezeichneten k-Vektor ist derjenige zu verstellen, für den die Bedingung, daß der k-V/ert im Metall möglichst gleich den k-Wert im Halbleiter ist, möglichst gut erfüllt ist. Die Einstellung des lr-Wertes kann durch Wahl der Kristallorientierung und der Ausbreitungsrichtung der Elektronen im Metall erfolgen.from the detailed layer into the semiconductor zone that acts as a collector not be diffusely scattered. In order to achieve this, it is further proposed that at least the first semiconducting layer at least at the metal-semiconductor interface is monocrystalline and normal to the excellent wave vector k as ideally flat as possible. As stated earlier, is the energy curve for the conduction band, as shown in the figure, from the crystal orientation and from the Direction of propagation of the electrons in the crystal depends. Under the marked k-vector is to be adjusted for which the condition that the k-value in the metal is as equal as possible the k-value in the semiconductor is fulfilled as well as possible. The setting of the lr value can be made by choosing the crystal orientation and the direction of propagation of the electrons in the metal.
Die gemäß der Erfindung gegebene Lehre, beim Übergang vom Metall in einen Halbleiter für den Halbleiter ein Material
zu verwenden, das Leitungsbandminima für k-Werte ungleich
Null aufweist, und weiterhin einen Halbleiter und ein Metall zu verwenden, dessen k-Werte möglichst einander angeglichen
sind, gilt auch für Halbleiteranordnungen, die nur einen Metall-Halbleiter-Übergang
aufweisen, wie dies z.B. bei der Schottky-Diode der Fall ist. Bei derartigen Anordnungen kann
durch entsprechende Anpassung der k-Werte eine Verringerung den Flußwiderstandee erzielt v/erden»
12 Patentansprüche BAD ORIGINALThe teaching given according to the invention of using a material for the semiconductor during the transition from metal to semiconductor which has conduction band minima for k values not equal to zero, and furthermore to use a semiconductor and a metal whose k values are as similar as possible to one another , also applies to semiconductor arrangements that have only one metal-semiconductor transition, as is the case with the Schottky diode, for example. With such arrangements, a reduction in the flow resistance can be achieved by adapting the k values accordingly.
12 claims B AD ORIGINAL
2 Figuren 9 Ü 9 8 A 2 /üb 982 figures 9 over 9 8 a 2 / over 98
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| GB1144147A (en) | 1969-03-05 |
| AT266217B (en) | 1968-11-11 |
| CH468717A (en) | 1969-02-15 |
| NL6605020A (en) | 1966-11-04 |
| SE323148B (en) | 1970-04-27 |
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