DE19523606A1 - Elektronisches Bauelement, sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Desweiteren be­ trifft die Erfindung ein Verfahren zu seiner Herstel­ lung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Mit zunehmender Verkleinerung der Strukturgrößen in der Mikroelektronik wird der Transport von Ladungsträgern aufgrund von Tunnelprozessen zunehmend problematisch. Unterhalb einer gewissen Dicke können isolierende Barrieren von Ladungsträgern durchtunnelt werden, was die Funktionsfähigkeit klassischer Bauelemente (z. B. MOSFET, HEMT) beeinträchtigt und ggfs. zerstört.

Desweiteren sind die relativ hohen Arbeitsspannungen konventioneller Transistoren und die damit verbundene hohe Abwärme ein Hindernis für eine weitere Erhöhung der Integrationsdichte. Insbesondere ist wegen der Ab­ wärme eine dreidimensionale Stapelung mit klassischen Bauelementen nur bedingt möglich.

Man ist deshalb bemüht, Bauelemente zu entwickeln, die, um eine komplexere Funktionalität bei gleichbleibender Strukturgröße und Packungsdichte zu ermöglichen, diesen Tunneleffekt ausnutzen. Bisher bekannte Tunnelbaue­ lemente nutzen das Tunneln von Ladungsträgern aus drei­ dimensionalen Ladungsträgerschichten über einen oder mehrere zweidimensionale Zustände wieder in einen drei­ dimensionalen Zustand (3D-2D-3D Tunneleffekt). Da eine Steuerung von der Oberfläche her wegen der abschirmen­ den Wirkung der oberen Dotierschicht nicht möglich ist, erschwert ein solcher Aufbau die Realisierung eines Transistors.

Im Gegensatz hierzu sind Bauelemente basierend auf dem Tunneln von Ladungsträgern aus zweidimensionalen Zu­ ständen in zweidimensionale Zustände, wie z. B. aus Ei­ senstein, Super Lattices and Microstructures, Vol. 12, No. 1, 1992 bekannt, leicht steuerbar, da sie keine ab­ schirmende Ladungsträgerschicht unterhalb der Oberflä­ che haben. Die Realisierung solcher Bauelemente ist je­ doch problematisch wegen der notwendigen, getrennten Kontaktierung der zweidimensionalen Ladungsträger­ schichten. Bisherige Transistoren hatten aus diesem Grund Abmessungen deutlich größer als 0,1 mm und benö­ tigten zur Trennung der Kanäle eine zusätzliche Versor­ gungsspannung, sowie die Kontaktierung beider, die betreffende Tunnelbarrierenschicht begrenzenden Schich­ ten.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein elektroni­ sches Bauelement zu schaffen, bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements bereit zu stel­ len, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauelement gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren gemäß der Ge­ samtheit der Merkmale nach Anspruch 3. Weitere zweckmä­ ßige oder vorteilhafte Ausführungsformen oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird das Problem der getrennten Kontak­ tierung einer ein 2D-Ladungträgergas enthaltenden Ka­ nalschicht durch die Kombination der Verwendung selek­ tiver Ätzen mit potentialbarrierenfreien Oberflächen­ kontakten gelöst.

Dabei weist im Falle des erfindungsgemäßen Bauelementes mit nur zwei Kanalschichten eine Kanalschicht die Elek­ troden als elektrische Kontaktierung (z. B. Source, Drain, Gate) auf. Im Falle einer Ausbildung des Bauele­ ments mit drei oder mehr Kanalschichten sind die Elek­ troden mit einer einzigen oder mehreren Kanalschichten verbunden, wobei wenigstens eine Kanalschicht nicht kontaktiert wird.

Auf diese Weise wird der durch die, von der nicht kon­ taktierten Kanalschicht bzw. -schichten benachbarte Barrierenschicht bzw. -schichten fließende Tunnelstrom bzw. Tunnelströme indirekt über vorhandenen Elektroden gesteuert.

Die Mehrzahl der Bauelemente mit 2D-Ladungsträgergasen arbeiten mit Halbleiterheterostrukturen. Es wurde er­ kannt, daß bestimmte Halbleiter (z. B. Indium-reiches InGaAs oder InAsSb) nicht die im Stand der Technik an­ geführte Verarmungsrandschicht unterhalb eines Metall­ kontaktes ausbilden (Oberflächenferminiveau im Lei­ tungsband). Es wurde erkannt, daß ein 2D-Ladungsträger­ gas, welches sich innerhalb einer solchen Material­ schicht befindet, ohmsch kontaktiert werden kann, indem man zunächst mit einer selektiv wirkenden Ätze (naßchemisch oder reaktives Ionenätzen) die Deckschicht entfernt und anschließend die freigewordene Fläche me­ tallisch beschichtet. Als vorteilhafte Variante kann durch Ätzen der Probe erst kurz vor dem Bedampfen oder ein leichtes Sputtern der Oberfläche mit Ar-Ionen zudem erreicht werden, daß es vor der Metallisierung zu kei­ ner störender Verunreinigung der freigelegten Oberflä­ che kommt.

Die getrennte Kontaktierung eines 2D-Ladungsträgergases ermöglicht die Herstellung von 2D-2D Tunneltransisto­ ren. Erfindungsgemäß wird dies durch elektrische Kon­ takte an das oberste 2D-Ladungsträgergas eines Halblei­ terschichtsystems bestehend aus mehreren durch Tunnel­ prozessen gekoppelten 2D-Ladungsträgergasen gelöst.

Anforderungen an das Schichtsystem sind das Vorhanden­ sein von 2D-Ladungsträgergasen (Dicke der Schicht in der Größenordnung der Fermiwellenlänge), sowie ausrei­ chend kleiner Abstand zwischen diesen 2D-Ladungsträger­ gasen (kleiner als Fermiwellenlänge im Barrierenmateri­ al). Auf diese Weise werden genügend hohe Tunnelstrom­ dichten erreicht. Desweiteren soll das Material, in dem das zweidimensionale Ladungsträgergas zur Ausbil­ dung gelangt, als für die Kontaktierung notwendige Ma­ terialeigenschaft, das Oberflächen-Ferminiveau im Lei­ tungsband liegen haben (z. B. indiumreiche InGaAs- oder InSbAs-Schichten).

Erfindungsgemäß ist in diesem Fall eine getrennte Kon­ taktierung eines der zweidimensionalen Ladungsträgerga­ se durch Freilegung der zugehörigen Materialschicht mit Hilfe einer selektiven Ätze (naßchemisch oder reaktives Ionenätzen) und einer anschließenden Metallisierung möglich.

Zwischen den ohmschen Kontakten (z. B. Drain und Source) kann ein Gate aufgebracht sein (Schottky- oder Metall- Isolator-Gate), welches über eine angelegte Spannung die Steuerung des Drain-Stromes ermöglicht.

Gegenüber klassischen Bauelementen (z. B. HEMT), die nur mit einer Ladungsträgerschicht arbeiten, ist über das Gate auch eine Steuerung des Tunnelstromes möglich. Der erfindungsgemäße Tunneltransistor kombiniert Eigenschaften des HEMT′s (gute Hochfrequenz und Rauscheigenschaften) mit denen einer Resonantentunnel­ diode (resonanz-artiges Verhalten der Strom-Spannungs-Kennlinie).

Gegenüber 3D-2D-3D Tunneltransistoren besitzt der 2D-2D Tunneltransistor die Vorteile einfacherer Steuerbar­ keit, einer extrem scharfe Resonanz in der Strom- Spannungs-Kennlinie aufgrund des 2D-2D Tunnels, sowie der Möglichkeit freie Ladungsträger und Dotierstoff räumlich voneinander zu trennen (Modulationsdotierung), um somit die Streuung der Ladungsträger und das daraus resultierende elektrische Rauschen zu senken.

Je nach angelegter Gatespannung kann sich die Tun­ nelcharakteristik des erfindungsgemäßen Bauelementes zu kleineren Werten hin in einem resonanzartigen Anstieg als auch zu größeren Werten hin in einem Abfall inner­ halb der Ausgangskennlinie ausdrücken. Damit handelt es sich im Ergebnis um ein multifunktionales Bauelement.

Das Bauelement kann mit niedriger Spannung betrieben werden (kalte Ladungsträger) und erzeugt dann wenig Ab­ wärme. Die Einsatzspannung des Tunneleffektes kann durch geeignete Wahl der Schichtparameter (Schicht­ dicken, Dotierung) eingestellt werden. Gleiches gilt für die Stromdichten sowie die Ausprägung des Tunnelef­ fektes. Vorteilhafterweise kann gemäß Anspruch 5 durch die Verwendung von mehr als zwei Schichten eine komple­ xere Struktur der Ausgangskennlinie mit dem Bauelement erzielt werden.

Die Steuerung des resonanzartigen Tunneleffektes führt zu einer hohen Steilheit des Transistors (Änderung des Drain-Stromes mit Änderung der Gate-Spannung) und somit zu guten Hochfrequenzeigenschaften (digitale Hochfre­ quenztechnik).

Eine weitere vorteilhafte Variante des erfindungsgemä­ ßen Bauelements ist als optischer Detektor gegeben.

Hierzu ist eine getrennte Kontaktierung beider Kanäle vorgesehen, so daß der durch einfallendes Licht indu­ zierte Strom von der einen zur anderen Elektrode aus­ schließlich über die Barriereschicht erfolgt. Damit Licht in den aktiven Bereich des Bauelementes unterhalb des Gates einfallen kann, muß dieses Gate im zu detek­ tierenden Spektralbereich lichtdurchlässig sein.

Sind oberer Kanal und unterer Kanal getrennt kontak­ tiert, so kann wegen Energie- und Impulserhaltung nur bei einer bestimmten zwischen den Kanälen angelegten Spannung ein Tunnelstrom fließen. Diese Spannung ist durch das Gate auf der Oberfläche steuerbar.

Bei Lichteinstrahlung sind photoinduzierte Tunnelpro­ zesse zwischen den Schichten möglich. Das Photon bringt hierbei den zur Resonanz fehlenden Energiebetrag ein. Detektiert wird wegen der 2D-2D Tunnelcharakteristik (peakförmige Strom-Spannungskennlinie) hierbei nur Licht eines schmalen Frequenzbandes. Durch das Oberflä­ chengate lassen sich die Quantenzustände und die La­ dungsträgerkonzentration beider Schichten steuern, was eine Verschiebung der Absorptionsbande zur Folge hat.

Eine vom oberen Kanal getrennte Kontaktierung des unte­ ren Kanales kann durch einen wie oben beschriebenen Oberflächenkontakt erzielt werden, wobei jedoch zusätz­ lich dafür Sorge getragen werden muß, daß der tiefer­ liegende, untere Kontakt nicht gleichzeitig auch die darüberliegende, obere Kanalschicht kontaktiert. Es ist notwendig, den Ladungstransport durch die obere Kanal­ schicht auszuschließen. Dies kann entweder durch ein Wegätzen des oberen Kanals oder aber durch eine La­ dungsträgerverarmung mittels eines Gates erreicht wer­ den.

Der erfindungsgemäße, optische Detektor ist durch Va­ riation der Gate-Spannung auf diese Weise in der Lage, einen Energiebereich innerhalb des optischen Spektrums abzutasten. Der empfindliche Nachweisbereich liegt für gleichartig geladene, benachbarte Schichten im Infra­ rot- bis Ferninfrarotbereich (1-1000 µm), für unter­ schiedlich geladene Schichten (pn-Strukturen) im Sicht­ baren bis Infraroten Bereich des Spektrums (0,4-10 µm). Das Auflösungsvermögen ist im wesentlichen durch die Temperaturaufweichung der Fermikante gegeben und läßt sich daher durch Kühlung drastisch steigern (beispiels­ weise von 26 meV bei 300 K auf 1 meV bei 4 K).

Der optische Detektor ist insbesondere wegen seiner Empfindlichkeit im ferninfraroten Spektralbereich einsetzbar.

In der Zeichnung sind Bauelemente gemäß der Erfindung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 oberflächengesteuerter Tunneltransistor;

Fig. 2 Gleichstrom-Ersatzschaltbild des erfin­ dungsgemäßen Tunneltransistors;

Fig. 3 auf photoinduzierten Tunnelprozessen zwischen zweidimensionalen Ladungsträ­ gerschichten basierender, durchstimmba­ rer Photodetektor.

Ausführungsbeispiel 1

Der Aufbau des 2D-2D-Tunneltransistors gemäß der Fig. 1 zeigt ein auf einem InP-Substrat gebildetes Halblei­ terschichtsystem, bestehend aus drei, (wenn auch zwei, vier oder sogar mehr ebenfalls denkbar sind) jeweils ein 2D-Ladungsträgergas enthaltenden Kanalschichten K1, K2 und K3 zwischen denen Barrieren B1 und B2 einge­ schlossen sind. Dabei ist als Material z. B. InGaAs für die Kanäle K1, K2 und K3 und AlInAs für die Barrieren B1 und B2 gewählt worden.

Zur ohmschen Kontaktierung des oberen Kanals K1 wurde die Deckschicht aus InP durch selektives Ätzen entfernt und anschließend eine Metallschicht aufgebracht. Zur Steuerung des Stromflusses wird ein Gate zwischen Drain und Source gebildet. Der Stromfluß erfolgt entweder durch den oberen Kanal K1 oder nach Tunnelprozessen durch einen der darunterliegenden Kanälen K2 oder K3. Durch geeignete Wahl der am Gate angelegten Spannung können durch Ladungsträgerverarmung die einzelnen Kanä­ le sukzessive abschnürt werden.

Ausführungsbeispiel 2

In der Fig. 2 ist das Ersatzschaltbild für das in Fig. 1 beschriebene Bauelement gezeigt. Dabei sind Source (S) und Drain (D) des Tunneltransistors gemäß der Fig. 2 über die Kontaktwiderstände R_SC und R_DC di­ rekt mit dem oberen Kanal K1 verbunden. Der Widerstand R_L1 dieses Kanales wie auch die Widerstände R_L2 und R_L3 der darunterliegenden Kanäle K2 und K3 können durch das Oberflächengate gesteuert werden. Der jeweils darunterliegende Kanal K2 bzw. K3 ist durch die hochge­ radig nichtohmschen Tunnelwiderstände R_T12S und R_T12D bzw. R_T23S und R_T23D source- bzw. drainseitig an den darüberliegenden Kanal K1 bzw. K2 gekoppelt.

Die Tunnelwiderstände sind sowohl von der Drain- als auch von der Source- und Gatespannung abhängig. Ist die Gatespannung so hoch, daß der obere Kanal vollständig an freien Ladungsträgern verarmt ist, kann das elektri­ sche Feld des Gates bis auf den unteren Kanal durch­ greifen. Die Kanalwiderstände der tieferliegenden Kanä­ le werden somit abhängig von der Gatespannung.

Ausführungsbeispiel 3

Der Aufbau des Infrarotdetektors gemäß Fig. 3 beruht auf einem Halbleiterschichtsystem bestehend aus zwei ladungsführenden Kanälen K1 und K2, eingeschlossen zwi­ schen Barrieren B1 und B2. Es wird je ein ohmscher Kon­ takt zu nur einem der Kanäle hergestellt. Zur elektri­ schen Trennung des Kontaktes des unteren Kanales vom oberen Kanal wird der obere Kanal durch eine selektive Ätzung durchtrennt. Alternativ wäre eine solche Tren­ nung auch mittels Gate möglich. Ein lichtdurchlässiges Gate ermöglicht den Lichteinfall in den aktiven Bereich des Bauelementes unterhalb des Gates. Hier tunneln La­ dungsträger photoinduziert vom 2D-Kanal in den anderen 2D-Kanal. Die dazu notwendige Photonenenergie (Frequenz) kann durch Dimensionierung des Gates be­ stimmt werden. Der Tunnelstrom ist somit ein Maß für die Lichtintensität eines schmalen, durchstimmbaren Frequenzbandes.

Claims (4)

1. Elektronisches Bauelement mit mehreren durch jeweils eine Barrierenschicht getrennten, jeweils ein 2D-Ladungsträgergas enthaltenden Kanalschichten, dadurch gekennzeichnet, daß nur Bruchteil der Kanalschichten, insbesondere eine einzige Kanalschicht eine Mehrzahl an Elektroden aufweist.

2. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung die obenliegende Kanalschicht Elektroden aufweist.

3. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements mit mehreren durch jeweils eine Barrierenschicht getrennten, jeweils ein 2D-Ladungsträgergas enthaltenden Kanalschichten, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Bruchteil der Kanalschichten, insbesondere eine einzige Kanalschicht eine Mehrzahl an Elektroden zur Steuerung des Tunnelstroms gebildet wird.

4. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung die obenliegende Kanalschicht kontaktiert wird.