DE19528238C2 - Modulationsdotierter Feldeffekttrasistor mit kompositionsmodulierter Barrierenstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen modulationsdotier­ ten Feldeffekttransistor mit einer Kanalschicht, auf der eine, an die Kristallstruktur der Kanalschicht gitterangepaßte Barrierenschicht aufgebracht ist, die aus einer Mischkristallstruktur zusammengesetzt ist und eine Dotierung aufweist.

Modulationsdotierte Feldeffekttransistoren, kurz MODFET-Bauelemente genannt, sind weiterentwickelte Feldeffekttransistoren, deren leitfähiger Kanal, durch den der Source/Drain-Strom fließt, undotiert ist, wo­ hingegen die an die Kanalschicht anschließende Barrie­ renschicht in charakteristischer Weise Dotierstoffe aufweist. Die Dotierung wird in der Barrierenschicht beispielsweise in atomar scharfen Ebenen plaziert, soge­ nannte Delta-Dotierung, so daß das Bänderschema in der Barrierenschicht in charakteristischer Weise beeinflußt werden kann, wodurch, wie an späterer Stelle noch genauer ausgeführt wird, ebenso das Bänderschema in­ nerhalb des Kanalbereiches derart "verbogen" wird, so daß sich in diesem Bereich energetische Ver­ hältnisse ergeben, die bevorzugt zur Ausbildung 2- dimensionaler Elektronengasdichten führen.

Ein besonderes technisches Qualitätsmerkmal von MODFET- Bauelementen ist die sehr hohe erreichbare 2-dimensionale Elektronengasdichte im stromführenden Kanalbereich. Die sich ausbildende Elektronengasdichte begrenzt bei vor­ gegebener Breite des Bauelementes und damit zusammen­ hängend des Kanals den maximalen Strom im Bauelement, wodurch die am Ausgang des Bauelementes verfügbare Mikrowellenleistung wesentlich bestimmt wird. Aus die­ sem Grunde ist ein wesentlicher Aspekt der Entwick­ lungsarbeiten an MODFET-Bauelementen darauf gerichtet, Halbleiterstrukturen zu entwickeln, die die Ausbildung immer größerer 2-dimensionaler Elektronengasdichten im stromführenden Kanalbereich gestatten.

Neben dem vorgenannten Aspekt ist ein zweites, wesent­ liches Qualitätskriterium der in Rede stehenden Bauele­ mente die Spannungsfestigkeit der zwischen den Steuer­ elektroden und dem Kanalbereich liegenden Barrieren­ struktur. Durch die Spannungsfestigkeit der Barrieren­ struktur wird das Betriebsspannungsniveau des Bauele­ mentes bestimmt, das als zweiter Faktor die an dem Bauelement verfügbare Mikrowellenleistung wesentlich beeinflusst.

Der derzeit weitverbreiteste MODFET ist der sogenannte AlGaAs/GaInAs/GaAs-MODFET. In den Artikeln von J. Dickmann und H. Däembkes, IEEE Tr. o. El. Dev., Vol. 42, No. 1, Jan. 1995, S. 2-6 sowie von L. Jelloian, et al., IEEE Elektrisch. Dev. Lett., Vol 15, No. 5, Mai 1994, S. 172-174, sind derartige MODFETs beschrieben. Dieses bekannte elektronische Bauelement weist in seiner Barrierenschicht jedoch mischkristall-gebundenes Aluminium auf, das als hochkorrosives Element die Her­ stellung derartiger Schichten erheblich erschwert. So sind aluminiumhaltige Materialien bekanntermaßen nur schwer in guter Qualität zu züchten, was im in­ dustriellen Maßstab jedoch nur unter Einsatz von auf­ wendigen Molekularstrahlepitaxieanlagen möglich ist. Neben diesem, durch das Aluminium bedingten fertigungstechnischen Aufwand, führt die Gegenwart von Aluminium ferner zu Korrosionsproblemen an den elektrischen Kontaktbereichen des Bauelementes selbst.

Neben dem Mischkristall AlGaAs ist die Verbindung GaInP zur Verwendung für die Barrierenstruktur be­ kanntgeworden. Es hat sich gezeigt, daß der vorteilhaft modifizierte MODFET ein besseres Rauschverhalten gegen­ über seinem Vorgänger aufweist und überdies leichter zu fertigen ist. Durch Wegfall der Aluminium-Komponente ist die epitaktische Deposition der Barrierenschicht wesentlich vereinfacht. Insbesondere sind im großtechnischen Bereich aluminiumfreie Strukturen mit der für die Massenfabrikation besonders geeignete Gasphasenepitaxie mit metallorganischen Quellmaterialien leichter herstellbar. Außerdem bietet die Kombination von phosphidischen und arsenidischen Schichten in einer Struktur fertigungstechnische Vorte­ ile, zumal bestimmte Ätzselektivitäten bei der Strukturierung der Bauelemente vorteilhaft ausgenutzt werden können.

Der überaus große Vorteil, den man aus der fertigungstechnischen Seite bei der Herstellung der GaInP/GaInAs/GaAs-MODFET erzielen kann, muß jedoch mit dem nicht zu verachtenden Nachteil gegenübergestellt werden, nämlich die verglichen mit dem vorbeschriebenen AlGaAs/GaInAs/GaAs-MODFET erheblich kleineren Elektro­ nengasdichten im Kanalbereich und zudem geringere elek­ trische Durchbruchsspannungsverhältnisse. Diese Nachte­ ile sind materialspezifisch und resultieren letzt­ endlich aus den kleineren sogenannten Lei­ tungsbanddiskontinuitäten zwischen dem Bereich des Kanals und der Barrierenschicht. Der bisher einzige, bekanntgewordene Weg diese Nachteile zu beseitigen, geht auf den Erfinder dieser Anmeldung zurück und be­ steht in der Substitution des Barrierenmaterials GaInP durch das quarternäre Mischkristall AlGaInP. Durch diese Manipulation wird zwar die angestrebte hohe Elek­ tronendichte im Kanal erreicht, gleichwohl gehen auch die vorstehend aufgelisteten Vorteile einer aluminium­ freien Struktur wieder verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen modula­ tionsdotierten Feldeffekttransistor mit einer Kanal­ schicht, auf der eine, an die Kristallstruktur der Kanalschicht angepaßte Barrierenschicht aufgebracht ist, die aus einer Mischkristallstruktur zusammenge­ setzt ist und eine Dotierung aufweist, derart weiterzu­ bilden, so daß zum einen die für die Leistungssteigerung des Bauelementes bestimmende Elektronendichte gestei­ gert und zum anderen die ebenfalls für die Qualität des Bauelementes wichtige Durchbruchsspannung zwischen dem Kanal und der Steuerelektrodenanschlüsse optimiert wird. Diese Optimierungen sollen möglichst in der Weise vorgenommen werden, so daß auf das mit den genannten Nachteilen behaftete Element Aluminium verzichtet werden kann. Insbesondere gilt es den an sich bekannten GaInP/GaInAs/GaAs-MODFET in der dargelegten Weise zu optimieren. Die Herstellung eines derartig optimierten Bauelementes soll darüber hinaus ohne großen technischen Aufwand für die Herstellung im industriellen Maßstab geeignet sein, so daß die Pro­ duktionskosten möglichst gering gehalten werden können.

Der dieser Aufgabe zugrundeliegende Lösungsweg soll anhand eines den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht näher einschränkenden Beispiels beschrieben werden. Ausgehend von einem allgemeinen Aufbau eines MODFETs, wie er aus Fig. 1 hervorgeht, ist auf einer semiisolie­ renden Substratschicht 1 eine undotierte Pufferschicht 2 aufgebracht. Die Schichten 1 und 2 bestehen im be­ schriebenen Beispiel aus GaAs. Selbstverständlich kön­ nen auch alternative Substratmaterialien verwendet werden.

Die über der Pufferschicht 2 aufgebrachte Kanalschicht 3 ist in charakteristischer Weise bei den in Rede ste­ henden MODFETs undotiert und besteht in diesem Beispiel aus GaInAs, das pseudomorph auf die GaAs-Pufferschicht 2 abgeschieden ist. Auf der Kanalschicht 3 ist gitter­ angepaßt eine Barrierenstruktur 4 aufgetragen, die aus GaInP besteht. Innerhalb der Barrierenstruktur 4 ist ein dotierter Barrierenbereich 5 vorgesehen, der bei­ spielsweise innerhalb einer atomar scharfen Ebene gemäß einer Delta-Dotierung mit geeigneten Dotieratomen ver­ setzt ist. Auf der Barrierenstruktur 4 sind überdies Kontaktschichten 6 aus hochdotiertem GaAs vorgesehen, auf denen die ohmschen Kontakte 7 für die Source- und Drain-Anschlüsse vorgesehen sind. Mittig zu den ohm­ schen Kontakten 7 ist eine aus Metall gefertigte Steu­ erelektrode 8 direkt auf die Barrierenstruktur 4 pla­ ziert, über die die Gatespannung angelegt werden kann.

Aus Fig. 2 geht das zugehörige Banddiagramm für die in Fig. 1 dargestellte, an sich bekannte MODFET-Struktur hervor. In dem Energie/Orts-Diagramm sind die energeti­ schen Bandverläufe durch die vorbeschriebenen Schichten 2 bis 6 dargestellt. Die Abszissenachse X stellt die Querschnittslinie durch die Schichtstruktur dar, an der Ordinate sind die Energiewerte der zugehörigen Bandver­ läufe aufgetragen.

Der durchgehende Graph Ec entspricht dem Verlauf der unteren Leitungsbandkantenenergie als Funktion der Ortskoordinate für die Steuerelektrodenspannung V_G = 0 V. Im Vergleich dazu ist mit E_FH der Verlauf der Fermi­ energie in den einzelnen Schichtabschnitten darge­ stellt. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Lage der Ferminiveaus innerhalb der Pufferschicht 2 weitgehend unabhängig ist von dem angelegten Steuerelektrodenpo­ tential, da dessen Influenzwirkung nur bis zum Kanal 3 durchgreift. Im Bereich der Steuerelektroden 6 ist zu sehen, wie sich die Fermienergie in Abhängigkeit unter­ schiedlicher Steuerelektrodenpotentiale (V_G = 0 V, bzw. V_G ≦ 0 V) ändert.

Für die Ausbildung eines 2-dimensionalen Elektronengases ist es erforderlich, daß die Lei­ tungsbandkantenenergie unterhalb der Fermienergie ab­ sinkt, da diese die Energie des obersten besetzten Elektronenzustandes darstellt. Erst in dieser Bandkonstellation ist es möglich, daß die Elektronen in das Leitungsband übertreten können und auf diese Weise einen Stromfluß ermöglichen. Dieser charakteristische Bandverlauf ist in Fig. 2 in der Kanalschicht 3 darge­ stellt. Ziel der gegenwärtigen Bestrebungen ist es nun, die Leitungsbandkantenenergie innerhalb der Kanalschicht möglichst weit unterhalb der Fermienergie abzusenken, so daß möglichst viele Elektronen in das Leitungsband gelangen können, um zu einer hohen 2- dimensionalen Elektronengasdichte beizutragen.

Eine Absenkung der Leitungsbandkantenenergie innerhalb der Kanalschicht ist in bekannter Weise durch eine gezielte Erhöhung der Dotierung innerhalb der Barrierenstruktur vorzunehmen. Mit dem Bezugszeichen E_D ist die örtliche und energetische Lage des isoliert in der Barrierenschichtstruktur 4 eingebrachten Donatorzustandes dargestellt. Der charakteristische Verlauf der Leitungsbandkantenenergie zwischen der Kanalschicht 3 und der Barrierenstruktur 4 wird in üblicher Weise als Leitungsbandkantendiskontinuität bezeichnet, deren Größe und Beschaffenheit aus den maxwellschen Beziehungen ableitbar ist.

Ferner hat sich gezeigt, daß die Absenkung der Lei­ tungsbandkantenenergie innerhalb der Kanalschicht 3 dadurch vergrößern läßt, indem die Dotierstoffkonzentration innerhalb der lokal in der Barrierenschicht 4 eingebrachten Dotierung erhöht wird. Dieser Zusammenhang geht insbesondere aus Fig. 3, obere Darstellung, hervor, in der eine mit Fig. 2 ver­ gleichbare Diagrammdarstellung abgebildet ist. In diesem Diagramm sind lediglich die Lei­ tungsbandkantenenergien der Puffer-, Kanal-, sowie Barrierenstrukturschicht dargestellt. Die unter­ schiedlichen Bandenergieverläufe a, b und c entsprechen unterschiedlich hohen Dotierungen innerhalb der Barrierenschicht 4, wobei b die höchste Dotierung dar­ stellt. Der Kurvenzug a entspricht einer verschwindend kleinen Dotierung in der Barriere 4 (siehe hierzu auch den sehr dünnen Strich für dem Donatorzustand). Der Kanal 3 ist in diesem Fall fast ladungsträgerfrei. Für die Kurvenzüge b und c sind jeweils höhere Dotierungen angenommen. Die Leitungsbandkantenenergie im Kanal berührt jetzt das Ferminiveau, siehe hierzu Kurve b, bzw. sie ist unter das Ferminiveau abgesenkt, siehe hierzu Kurve c innerhalb der Kanalschicht. Die Kurve c zeigt den Fall höchstmöglicher Elektronenkonzentration innerhalb der Kanalschicht. Dieser Fall stellt sich ein, wenn das Minimum der Leitungsbandkantenenergie innerhalb der Barrierenschicht 4 nur noch wenige 10 meV über dem Ferminiveau liegt. Eine weitere Steigerung der Elektronenkonzentration innerhalb der Kanalschicht durch Erhöhung der Dotierung ist jedoch nicht möglich, zumal eine weitere Erhöhung der Dotierung das Minimum der Leitungsbandkantenenergie innerhalb der Barrierenstruktur nicht auf dem Ferminiveau aufsetzen lassen würde. Vielmehr senkt sich das Leitungsband unterhalb des Ferminiveaus, wodurch sich in der Umge­ bung des Minimums ebenfalls ein Elektronengas in der Barrierenschicht ausbilden würde. Die Ausbildung eines weiteren Elektronengases neben dem innerhalb der Kanalschicht würde die Kapazität der Gate-Elektrode sehr stark erhöhen, zumal in diesem Falle beim Betrieb des MODFET-Bauelementes nicht nur die Kanalladung, sondern auch die innerhalb der Barrierenschicht ge­ bildete parasitäre Ladung moduliert werden müßte. Hier­ durch würde jedoch der MODFET sehr starke Lei­ stungseinbußen erleiden.

Die vorstehenden Überlegungen basieren nun unter der üblichen Annahme, daß das Verhältnis von Gallium und Indium innerhalb der Barrierenstrukturschicht jeweils 50% beträgt. Dieser Zusammenhang ist auch aus der unte­ ren Darstellung aus Fig. 3 zu entnehmen, aus der der Kompositionsfaktor x von Ga_xIn_1-xP in Relation zur Barrierendicke aufgetragen ist.

Versuche haben gezeigt, daß man die gitterangepaßte GaInP-Barrierenschicht 4, bei der der Ga-Gehalt gleich dem In-Gehalt ist, durch eine sogenannte pseudomorphe GaAnP-Barrierenschicht mit erhöhtem Ga-Gehalt ersetzen kann. Hierbei ist der Ga-Gehalt gleichmäßig in der gesamten Barrierenschicht 3 um mehr als 50% Anteilsge­ halt erhöht worden. Durch diese Manipulation vergrößert sich der Bandabstand, d. h. daß die gesamte Leitungs­ bandenergie vom Ferminiveau wegverschoben wird, wodurch zugleich die Leitungsbanddiskontinuität ebenfalls ver­ größert wird. Die Ausbildung dieses Effektes ist jedoch nur sehr schwach.

Die Verwendung dieser Maßnahme führt jedoch zu dem Problem, daß eine Erhöhung des Ga-Gehaltes die Gitter­ struktur des GaInP-Barrierenmaterials derart verändert, so daß gitterangepaßtes Aufwachsen der im Ga-Gehalt erhöhten Barrierenschichtmaterials nicht ohne Gitter­ versetzungen über große Schichtdicken möglich ist. So weist die GaAs-Pufferschicht eine kubische Gitterzell­ struktur auf, wohingegen das modifizierte GaInP-Gitter eine tetragonale Gitterzellenstruktur besitzt. Ein Aufwachsen größerer Schichtdicken auf das Puffer­ schichtmaterial ist somit ohne die Ausbildung innerer mechanischer Kristallverspannungen nicht möglich, die bei Überschreiten gewisser mechansicher Grenzspannungen relaxieren, d. h. das Kristallgitter nimmt seine ur­ sprüngliche Gitterkonstante an, wodurch letzten Endes ein unbrauchbares Bauelement entsteht.

Die maximale Aufwachsdicke, bis zu der noch keine Re­ laxationsprozesse eintreten wird auch als kritische Schichtdicke bezeichnet. Bei üblichen Barrierenschicht­ dicken von ca. 20 nm darf daher der Ga-Gehalt nur schwach über 50% angehoben werden, so daß innere Ver­ spannungen möglichst vermieden werden, um die kritische Schichtdicke auf die gewünschte Schichtmächtigkeit entsprechend anzupassen. Durch die nur geringe Erhöhung des Ga-Gehaltes ist somit der vorbeschriebene Effekt der Bandabstandsvergrößerung nur sehr gering.

Erfindungsgemäß ist nun erkannt worden, daß der Effekt der Erhöhung des Ga-Gehaltes innerhalb der Barrieren­ schicht unter gleichzeitiger Erhöhung der kritischen Schichtdicke dadurch erzielt werden kann, indem der Ga- Gehalt nicht in der gesamten Barrierenschicht 4 gleich­ mäßig erhöht wird, sondern nur an den Stellen, an denen ein maximaler Nutzeffekt erzielt werden soll.

Erfindungsgemäß ist daher ein modulationsdotierter Feldeffekttransistor mit einer Kanalschicht, auf der eine, an die Kristallstruktur der Kanalschicht gitter­ angepaßte Barrierenschicht aufgebracht ist, die aus einer Mischkristallstruktur zusammengesetzt ist und eine Dotierung aufweist, dadurch weitergebildet, daß das Verhältnis der Elementzusammensetzung des Mischkri­ stalls derart ortsabhängig ist, daß das Verhältnis wenigstens an einer Stelle innerhalb der Barrieren­ schicht einen Extremwert aufweist. In dem, den Erfin­ dungsgedanken nicht begrenzenden Beispiel eines GaInP/GaInAs/GaAs-MODFETs ist erfindungsgemäß der Ga- Gehalt des Mischkristalls innerhalb der Barrieren­ schicht ortsabhängig und ist wenigstens in einem Be­ reich am größten.

Es ist erfindungsgemäß erkannt worden, daß durch gezielte Einbringung von Gallium innerhalb der Barrieren­ schicht vorzugsweise an den Bereichen, an denen die Leitungsbandkantenenergie im Falle einer Gleichvertei­ lung im Mischkristall zwischen Ga und In einen Minimal­ wert aufweist, der Nutzeffekt am größten ist. Dies ist in aller Regel an den Stellen innerhalb der Barrierenschicht der Fall, an denen sich die höchsten Dotierstoffkonzentrationen befinden.

Durch die ortsabhängige Komposition der Mischkristallzusammensetzung innerhalb der Barrieren­ schicht ist zur abkürzenden Beschreibung des Bauelementes der Begriff Kompositionsmodulierter MODFET kreiert worden.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exem­ plarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Querschnittsdarstellung durch einen GaInP/GaInAs/GaAs-MODFETs;

Fig. 2 zugehöriges Banddiagramm der Leitungsbandener­ gien sowie Fermienergien in den beteiligten Schichten;

Fig. 3 Banddiagramm eines GaInP/GaInAs/GaAs-MODFETs mit nicht ortsabhängiger chemischer Zusam­ mensetzung in der GaInP-Barrierenschicht;

Fig. 4 Banddiagramm eines erfindungsgemäß modifizier­ ten MODFETs mit ortsabhängiger chemischer Zusammensetzung in der GaInP-Barrierenschicht;

Fig. 5 alternative Ausführungsform des erfindungsge­ mäß kompositionsmodulierten MODFETs;

Fig. 6 Darstellung von Banddiagrammen, gleicher Do­ tierung und variablen Steuer­ elektrodenpotential mit konstanter chemischer Komposition im Barrierenmaterial;

Fig. 7 Banddiagramme, bei konstanter Dotierung und variablen Steuerelektrodenpotential mit kompositionsmodulierter Barrierenschicht;

Fig. 8 Banddiagramme zur Verdeutlichung der Unter­ schiede der Tunnelbarrieren für Elektronen mit konventioneller Barrierenschicht und der kompositionsmodulierten Barrierenschicht;

Fig. 9 Banddiagramme mit vergrößerter Tunnelbarriere innerhalb der Barrierenschicht;

Fig. 10, 11 und 12 vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen kompositionsmodulierten Barrierenschicht.

Fig. 1 und 2 stellen Schichtaufbau und Leitungsband­ energieverläufe eines typischen modulationsdotierten Feldeffekttransistors dar. Wie bereits vorstehend an­ hand der Fig. 3 und 4 näher ausgeführt, kann eine Ver­ größerung der Leitungsbanddiskontinuität und somit die Vergrößerung des Abstandes zwischen der Leitungsband­ energie innerhalb der Barrierenschicht und der Fermi­ energie erfindungsgemäß derart vorgenommen werden, indem der Galliumgehalt innerhalb der Barrierenstruktur ortsabhängig verändert wird.

So nimmt gemäß Fig. 4, untere Darstellung, der Galliumgehalt nur an einer einzigen Stelle, in einem lokalem Minimum, einen Anteilsfaktor von 75% an, wobei der Gallium-Gehalt in den übrigen Bereichen geringer ist. Durch die Ausbildung eines lokalen Maximums des Galliumgehaltes x, der auch als Kompositionsfaktor x bezeichnet wird, kann erreicht werden, daß der mittlere Galliumgehalt innerhalb der Barrierenstruktur 4 nur wenig über 50% erhöht wird, so daß auf diese Weise eine re­ lativ hohe kritische Schichtdicke erreicht werden kann.

In der oberen Darstellung der Fig. 4 sind die Lei­ tungsbandenergie-Verläufe bei unterschiedlich starker Dotierung innerhalb der Barrierenstruktur 4 darge­ stellt. Die Verläufe korrespondieren mit den Bandenergien der in Fig. 3 oberen Darstellung. Der Bandverlauf a entspricht der geringsten Dotierung in­ nerhalb der Barrierenschicht 4, der Bandverlauf d ent­ spricht dem mit der höchsten Dotierung. Neben der Ver­ größerung des Abstandes zwischen dem Minimum der Lei­ tungsbandenergie innerhalb der Barrierenschicht 4 und der Fermienergie (Bezugslinie) ist insbesondere darauf hinzuweisen, daß die Absenkung der Leitungsbandenergie innerhalb der Kanalschicht 3 unterhalb der Fermienergie mit der erfindungsgemäßen Maßnahme erheblich gesteigert werden kann. Auf diese Weise kann die 2-dimensionale Elektronengasdichte innerhalb der Kanalschicht 3 ver­ größert und zum anderen das Durchbruchsspannungs-Ver­ halten der Barrierenschicht verbessert werden.

In Fig. 5, untere Darstellung, ist eine verbesserte Komposition des Galliumgehaltes innerhalb der Barrie­ renschicht 4 dargestellt. So ist die Ausbildung des lokalen Minimums mit einem Kompositionsfaktor von x gleich 75% noch schärfer als in der Darstellung gemäß Fig. 4, so daß der mittlere Galliumgehalt innerhalb der Bar­ rierenschicht 4 geringer ist, wodurch die inneren mecha­ nischen Spannungen innerhalb der Gitterstruktur weiter herabgesetzt werden können.

Die erfindungsgemäße Maßnahme, d. h. eine gezielte, ortsabhängige Einbringung von Gallium innerhalb der Barrierenstruktur 4 vergrößert somit den Bandabstand beträchtlich und damit auch den Abstand der Leitungs­ bandkante vom Ferminiveau in der Barriere genau dort, wo es bauelementphysikalisch den größten Nutzen bringt. Die lokale Erhöhung des Bandabstandes in der Umgehung des dotierten Barrierenbereiches erlaubt es überdies die Elektronenkonzentration im Kanal 3 durch Vergrößerung der Dotierung in der Barriere zu steigern.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Banddiagramme bei jeweils kon­ stanter Dotierung mit variablem Steuerelektrodenpoten­ tial V₁ bis V₄. Diese Kurven zeigen wie sich die Kanal­ dichte in Abhängigkeit der Steuerspannung verändert. In Fig. 6 ist der Bandverlauf innerhalb einer Barriere 4 mit konstanter chemischer Zusammensetzung angenommen. Es zeigt sich, daß bei Erniedrigung des Steuerelektroden­ potentials die Leitungsbandkanten in Richtung Fermini­ veau verschoben werden. Fig. 7 zeigt wie sich die Ver­ hältnisse ändern, wenn eine erfindungsgemäße komposi­ tionsmodulierte Barriere mit einer Gallium-Verteilung innerhalb der Barrierenschicht 4 gemäß Fig. 4, untere Darstellung, verwendet wird. Der in Fig. 7 eingezeich­ nete Pfeil verdeutlicht, um welchen Betrag das Steuer­ elektrodenpotential und damit die Kanaldichte zu stei­ gern ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen kompositionsmodulier­ ten Barriere ist insbesondere darin zu sehen, daß bei nur mäßiger Erhöhung des mittleren Ga-Gehaltes in der Barriere, die Leitungsbandkantenenergie der Barriere im kritischen, dotierten Bereich wesentlich stärker erhöht werden kann, als dies bei einer pauschalen Anhebung des Galliumgehaltes über der gesamten Barrierendicke mög­ lich ist. Mit der erfindungsgemäßen kompositionsmodu­ lierten Barriere ist damit auch die "kritische Schicht­ dicke" effektiver zu nutzen.

Wie bereits dargelegt ist die erfindungsgemäße komposi­ tionsmodulierte Barriere nicht nur dazu geeignet, die maximale Elektronenkonzentration im Kanal zu steigern, sondern kann bei entsprechender Verfeinerung des Kompo­ sitionsprofiles auch dazu benutzt werden, die Span­ nungsfestigkeit der Barrierenstruktur zu erhöhen.

In Fig. 8 sind Banddiagramme für Barrieren mit homogener Verteilung von Gallium innerhalb der Barrierenschicht 4 (siehe gestrichelte Liniendarstellung) und für erfindungsgemäß kompositionsmodulierter Barrieren (siehe durchgezogene Linienverläufe) gegen­ übergestellt.

Die obere gestrichelte Linie in Fig. 8 entspricht einem Leitungsbandverlauf für stark negatives Steuerelektro­ denpotential, wohingegen die untere gestrichelte Linie der Leitungsbandenergie mit stark positiven Steuerelek­ trodenpotential entspricht. Demgegenüber stehen die Banddiagramme für kompositionsmodulierte Barrieren gemäß einer Gallium-Verteilung nach Fig. 4, untere Darstellung. Auch hier entspricht der obere durchge­ hende Kurvenverlauf den energetischen Verhältnissen mit einem starken negativen Steuerelektrodenpotential, der untere Bandverlauf mit stark positiven Steuer­ elektrodenpotential. Es ist zu erkennen, daß die Tunnelbarrieren für Elektronen bei gleichverteilter Barrierenmaterialzusammensetzung immer kleiner sind, als bei kompositionsmodulierten Barrieren.

Dieser Effekt ist dadurch zu steigern, indem der Bandabstand in der Barriere unterhalb der Steuerelektroden noch einmal vergrößert wird. Dies ist in Fig. 9 dargestellt. Das zugehörige Kompositionspro­ fil des Galliumgehaltes innerhalb der Barrierenschicht 4, das in Fig. 10 dargestellt ist, weist zwei Maxima auf, wobei das erste Maximum im dotierten Bereich der Barriere und das zweite Maximum unterhalb der Ste­ uerelektrode liegt. Das erste Maximum trägt zur Er­ höhung der Elektronendichte im Kanal bei, wohingegen das zweite Maximum die Tunnelbarriere an einer günstigen Stelle erhöht. Selbstverständlich muß bei konstant gewählter mittlerer Gallium-Konzentration die Gallium-Konzentrationen der Maxima aufeinander abge­ stimmt werden. Höchstmögliche Elektronendichte und Spannungsfestigkeit sind bei Verwendung von GaInP als Barrierenmaterial nicht gleichzeitig einstellbar.

Für die Erhöhung der Spannungsfestigkeit ist es von Vorteil im zweiten Maximum Aluminium beizumischen, was aus dem Kompositionsprofil gemäß Fig. 11 hervorgeht. Hier ist im undotierten Barrierenbereich 4 unterhalb der Steuerelektrode Aluminium beigemischt worden, zumal in diesem Bereich Aluminium am wenigsten störend ist (keine DX-Zentren). Aus der Fig. 11 gehen die Kompositionsfaktoren x für Gallium und y für Aluminium hervor.

Aus Fig. 12 geht eine weitere Variante der Komposi­ tionsmodulation innerhalb der Barrierenschicht hervor. Hier ist der Bandabstand nur unterhalb der Steuerelek­ trode erhöht. Dieses Barrierenprofil würde man wählen, wenn eine hohe maximale Elektronendichte im Kanal nicht erforderlich ist, beispielsweise bei rauscharmen Klein­ signalverstärkern, aber die Leckströme der Ste­ uerelektrode reduziert werden sollen.

Claims (11)

1. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor mit einer Kanalschicht, auf der eine, an die Kristallstruktur der Kanalschicht gitterangepaßte Barrierenschicht aufgebracht ist, die aus einer Mischkristallstruktur zusammengesetzt ist und eine Dotierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Element- Zusammensetzung des Mischkristalls derart ortsabhängig ist, daß das Verhältnis wenigstens an einer Stelle innerhalb der Barrierenschicht einen Extremwert auf­ weist.

2. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor, der eine Pufferschicht aus GaAs, eine Kanalschicht aus GaInAs und eine Barrierenschicht aus Ga_xIn_1-xP aufweist, auf die zur elektrischen Ansteuerung Kontaktelektroden aufge­ bracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ga-Gehalt x des Mischkristalls innerhalb der Barrierenschicht ortsabhängig ist und wenigstens einen Bereich aufweist, in dem x am größten ist.

3. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ga-Gehalt x innerhalb der Barrierenschicht ein lokales Maximum aufweist.

4. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalschicht undotiert ist.

5. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung in der Barrierenschicht eine Deltadotierung bzw. Pulsdotierung ist.

6. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am lokalen Maximum des Ga- Gehaltes x gleich 0,75 beträgt.

7. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrierenschicht eine Dicke von etwa 20 nm aufweist.

8. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ga-Gehalt an den Stellen in der Barrierenschicht maximal eingestellt ist, an denen die Leitungsbandkantenenergie im Falle einer Gleichverteilung im Mischkristall zwischen Ga und In mit x = 0,5 einen Minimalwert aufweist.

9. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Elementverhältnis bzw. der Ga-Gehalt an den Stellen höchster Dotierung in der Barrierenschicht extrem ist.

10. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb einer Kontaktelekrodenfläche innerhalb der Barrierenschicht das Elemetverhältnis bzw. der Ga-Gehalt einen weiteren Extremwert aufweist.

11. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 10, daß unterhalb der Kontaktelektrodenfläche innerhalb der Barrierenschicht dem Mischkristall Aluminium-Atome zugesetzt sind.