DE19538805A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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DE19538805A1
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Tatuya Kimura
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Struk­ tur eines Halbleiterbauteils bzw. einer Halbleitervorrich­ tung und insbesondere auf die Struktur einer Halbleitervor­ richtung, welche eine Halbleiterschicht aufweist, welche Verbindungshalbleitersubstanzen der Gruppe III-V enthält, bzw. daraus besteht.
Fig. 19 zeigt eine Querschnittsansicht, welche ein Wi­ derstandselement eines Halbleiterbauelements nach dem Stand der Technik veranschaulicht. Entsprechend der Figur be­ zeichnet Bezugszeichen 101 ein halbisolierendes GaAs- Substrat, Bezugszeichen 103 bezeichnet ein streifenförmiges Widerstandsgebiet mit einer vorgeschriebenen Breite und Länge, welches auf der Oberfläche des halbisolierenden GaAs-Substrats 101 gebildet ist, und Bezugszeichen 102a und 102b bezeichnen Elektroden, welche Metall (Anschlüsse) ent­ halten bzw. daraus bestehen.
Das Verfahren zum Herstellen eines Widerstandselements eines Halbleiterbauelements nach dem Stand der Technik wird im folgenden beschrieben. Zuerst wird das Gebiet der Ober­ fläche des halbisolierenden GaAs-Substrats 101, an welchem das Widerstandsgebiet 103 zu bilden ist, unter Verwendung eines (in der Figur nicht dargestellten) Fotolacks bzw. Fo­ toresists als Maske ionenimplantiert. Danach wird ein Aus­ heizen durchgeführt, um die implantierten Ionen elektrisch zu aktivieren, wodurch das streifenförmige Widerstandsge­ biet 103 mit der vorgeschriebenen Breite gebildet wird. Des weiteren werden die Elektroden 102a und 102b an beiden En­ den des streifenförmigen Widerstandsgebiets 102 vorzugs­ weise durch Aufdampfung angeordnet, wodurch das Wider­ standselement erlangt wird.
Bei dem Halbleiterbauelement nach dem Stand der Technik werden die Elektroden 102a und 102b mit Elektroden anderer Schaltelemente mit Leitungen oder dergleichen verbunden, um das Widerstandsgebiet 103 als Widerstandselement zu benut­ zen, und der Widerstandswert wird durch den Betrag der in das Widerstandsgebiet implantierten Ionen, der Breite und der Länge des Widerstandsgebiets und dergleichen bestimmt.
Wenn der Betrag von implantierten Ionen konstant ist, ist jedoch der spezifische Widerstand des Widerstandsele­ ments konstant. Da es eine Beschränkung bezüglich der Brei­ te, der Länge und dergleichen innerhalb des beschränkten Bereichs eines Chips oder dergleichen gibt, ist es extrem schwierig, viele Widerstandselemente auf dem Chip durch ei­ ne einzige Anwendung der Ionenimplantierung zu bilden, de­ ren Widerstandswerte sich wesentlich voneinander unter­ scheiden, beispielsweise um einen Faktor von 100. Obwohl es möglich ist, den spezifischen Widerstand des Widerstands­ elements durch Ändern des Betrags von implantierten Ionen zu verändern, wodurch sich der spezifische Widerstand än­ dert, würde es jedoch in diesem Fall nötig sein, viele Im­ plantationen durchzuführen, was das Verfahren komplizieren würde.
Andererseits wurde ein Halbleiterbauelement vorgeschla­ gen, das eine Struktur besitzt, welche eine eindimensionale Ladungsträgerverteilung besitzt, und es wurde eine Untersu­ chung bezüglich einer darauf abzielenden Realisierung durchgeführt. Fig. 20 zeigt eine Querschnittsansicht, wel­ che eine Struktur eines Transistors mit hoher Elektronenbe­ weglichkeit als Beispiel eines Halbleiterbauelements nach dem Stand der Technik veranschaulicht, das eine eindimen­ sionale Ladungsträgerverteilung besitzt. Entsprechend der Figur bezeichnet Bezugszeichen 111 ein halbisolierendes GaAs-Substrat, dessen Oberfläche bezüglich der (100)-Ober­ fläche um einen vorgeschriebenen Winkel gekippt ist, so daß atomare Stufen, d. h. Stufen mit einer Höhe entsprechend ei­ nes einzigen Atoms auf dessen Oberfläche gebildet werden. Bezugszeichen 112 und 114 bezeichnen eine AlGaAs-Schicht, Bezugszeichen 113 bezeichnet eine eindimensionale Elektro­ nenkanalschicht, Bezugszeichen 115 bezeichnet eine Gate­ elektrode, Bezugszeichen 106 bezeichnet eine Sourceelektro­ de, und Bezugszeichen 117 bezeichnet eine Drainelektrode.
Fig. 21(a)-21(e) zeigen das Verfahren betreffende Ansichten, welche das Verfahren zum Herstellen des in Fig. 20 dargestellten Transistors mit hoher Elektronenbeweglich­ keit veranschaulichen. In der Figur bezeichnen dieselben in Fig. 20 verwendeten Bezugszeichen dieselben oder entspre­ chende Teile. Bezugszeichen 118 bezeichnet eine AlAs- Schicht, Bezugszeichen 119 bezeichnet eine GaAs-Schicht, und Bezugszeichen 120 bezeichnet atomare Stufen. Fig. 21(a) zeigt die Ansicht, welche den Querschnitt des Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit von Fig. 20 veranschau­ licht, in einem Schnitt senkrecht zu der Richtung der Gate­ länge. Fig. 21(b)-21(e) stellen die Umgebung der Ober­ fläche der AlGaAs-Schicht 112 von Fig. 21(a) vergrößert dar.
Im folgenden wird das entsprechende Herstellungsverfah­ ren beschrieben. Zuerst wird wie in Fig. 21(a) dargestellt das halbisolierende GaAs-Substrat 111 bezüglich der (100)- Oberfläche um einen vorgeschriebenen Winkel (von mehreren Grad) gekippt gehalten, und es wird die AlGaAs-Schicht 112 auf dem GaAs-Substrat 111 vorzugsweise durch metallorgani­ sche chemische Aufdampfung (MOCVD) aufgetragen. Während dieses Verfahrens werden wie in Fig. 21(b) dargestellt die vielen atomaren Stufen 120, welche voneinander in demselben Abstand getrennt sind und sich parallel erstrecken, auf der Oberfläche der AlGaAs-Schicht 112 entlang der Linie gebil­ det, welche dort gebildet ist, wo die Oberfläche der AlGaAs-Schicht 112 und die (100)-Oberfläche sich schneiden.
Danach läßt man die AlAs-Schichten 118 an den atomaren Stufen 120 durch ein in Applied Physics Letters, Band 50, Seite 824 (1987) beschriebenes "Stufenflußaufwachsen" ("step flow growth") aufwachsen. Das "Stufenflußaufwachsen" ist ein Kristallaufwachsen einer atomaren Schicht entlang einer atomaren Stufe einer Halbleitersubstratkristallschicht, bei welcher der Halbleitersubstratkristallschicht zugeführte Atome entlang der Oberfläche diffundieren und mit einer Priorität hinsichtlich der atomaren Stufen adsorbiert werden. In den vorliegenden Fall wachsen die AlAs-Schichten 118 um eine einzige atomare Schicht entlang der atomaren Stufen 120 auf, bis die Breite die Größe der halben Entfernung zwischen zwei benachbarten atomaren Stufen annimmt (Fig. 21(c)), und des weiteren läßt man als nächstes die GaAs-Schichten 119 im Anschluß an die AlAs- Schicht 118 durch das Stufenflußaufwachsen aufwachsen, bis sie die benachbarte atomare Stufe 120 erreichen (Fig. 21(d)). Dieses Stufenflußaufwachsen wird wie in Fig. 21(e) dargestellt eine vorgeschriebene Anzahl von Malen derart wiederholt, daß die AlAs-Schicht und die GaAs-Schicht auf der AlAs-Schicht 118 bzw. auf der GaAs-Schicht 119 aufgestapelt sind, wodurch die eindimensionale Kanalschicht 113 gebildet wird.
Als nächstes wird die AlGaAs-Schicht 114 auf der eindimensionalen Leiterschicht 113 gebildet. Danach werden die Öffnungen zur Bildung der Sourceelektrode 106 und der Drainelektrode 117 durch Ätzen der AlGaAs-Schicht 114 entlang der Richtung gebildet, in der sich die atomaren Stufen 120 erstrecken. Danach werden die Sourceelektrode 106 und die Drainelektrode 117 an den Teilen der eindimensionalen Leiterschicht 113 gebildet, welche durch das Ätzen bloßgelegt sind, und es wird die Gatelektrode 115 auf der AlGaAs-Schicht 114 an einem Punkt in der Mitte zwischen der Sourceelektrode 106 und der Drainelektrode 117 vorzugsweise durch Aufdampfung gebildet, wodurch der Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit erlangt wird, welcher die Sourceelektrode 106, die Gateelektrode 115 und die Drainelektrode 117 besitzt, die entlang der Richtung gebildet sind, in der sich die atomaren Stufen 120 wie in Fig. 20 dargestellt erstrecken.
Bei dem oben beschriebenen Transistor mit hoher Elek­ tronenbeweglichkeit nach dem Stand der Technik sind die vielen AlAs-Schichten 118, welche eine Streifenform besitzen und sich entlang der Richtung erstrecken, in welcher sich die atomaren Stufen 120 sich erstrecken, innerhalb der eindimensionalen Kanalschicht 113 gebildet. Der Bandabstand der AlAs-Schicht 118 ist kleiner als der Bandabstand der benachbarten GaAs-Schicht 119 als auch der Bandabstände der AlGaAs-Schicht 112 und der AlGaAs-Schicht 114, zwischen denen die AlAs-Schichten 118 angeordnet sind. Daher sind die Elektronen auf die AlAs-Schichten 118 be­ schränkt und existieren in einem eindimensionalen Zustand. Daher kann durch Bilden der Sourceelektrode 106 und der Drainelektrode 117 entlang der Streifenrichtung der AlAs- Schicht 118 die AlAs-Schicht 118 als Elektronenkanal eines eindimensionalen Zustands verwendet werden, wodurch ermöglicht wird, die Elektronen bei einer hohen Geschwindigkeit anzusteuern, wodurch der Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit bei einer hohen Geschwindigkeit betrieben wird.
Es ist jedoch bei dem oben beschriebenen Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit nach dem Stand der Technik nötig, das Stufenflußaufwachsen wiederholt dann durchzuführen, wenn die AlAs-Schichten 118 und die GaAs- Schichten 119 gebildet werden, welche die eindimensionale Leiterschicht 113 bilden, wodurch das Herstellungsverfahren extrem kompliziert wird.
Um die AlAs-Schichten 118 mit hoher Genauigkeit aufzu­ stapeln, ist darüber hinaus eine exakte Steuerung des Stu­ fenflußaufwachsens nötig, wodurch eine aufwendige Aufwachs­ einrichtung hoher Steuerbarkeit erfordert wird.
Wie oben beschrieben sind die spezifischen Widerstände dieselben für die Widerstandselemente, welche durch diesel­ ben Verfahren bezüglich des Halbleiterbauteils nach dem Stand der Technik gebildet werden. Es ist daher sehr schwierig, gleichzeitig die vielen Widerstandselemente in einem einzigen Chip zu bilden, welche wesentlich unter­ schiedliche Widerstandswerte besitzen. Um viele Wider­ standselemente mit wesentlich unterschiedlichen Wider­ standswerten auf einem einzigen Chip zu bilden, ist es nö­ tig, die Widerstandselemente durch viele Verfahrensschritte zu bilden, wodurch das Verfahren zum Herstellen des Halb­ leiterbauelements kompliziert wird.
Um bei dem Halbleiterbauelement nach dem Stand der Technik eine Struktur zu bilden, welche eine eindimensiona­ le Ladungsträgerverteilung erzeugen kann, welche effektiv bezüglich einer Verbesserung der Charakteristik des Halb­ leiterbauelements ist, ist es des weiteren nötig, das Stufenflußaufwachsen oder dergleichen durchzuführen. Das Stufenflußaufwachsen sorgt für eine Kompliziertheit des Herstellungsverfahrens, und es ist schwierig, die Produktivität des Halbleiterbauelements auf ein praktisches Maß zu verbessern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halb­ leiterbauelement mit einer Struktur vorzusehen, welche ein leichtes Herstellen von vielen Widerstandselementen auf einem einzigen Chip ermöglicht, welche wesentlich unterschiedliche Widerstandswerte besitzen.
Darüber hinaus wird ein Halbleiterbauelement mit einer Struktur geschaffen, welche ein leichtes Bilden einer eindimensionalen Ladungsträgerverteilung ermöglicht.
Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Er­ findung enthält ein Halbleiterbauelement ein Halblei­ tersubstrat mit einer Hauptoberfläche; eine Verbin­ dungshalbleiterschicht der Gruppe III-V, welche zwei oder mehr Arten von Elementen der Gruppe III und Ver­ unreinigungen enthält und eine auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats gebildete Oberfläche besitzt, wobei die Halbleiterschicht ein spontan gebildetes Übergitter (superlattice) enthält und eine Streifenform mit zwei Enden besitzt; und Elektroden, welche derart auf den beiden Enden der streifenförmigen Halbleiterschicht angeordnet sind, so daß die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V und die Elektroden ein Widerstandselement bilden. Daher besitzt die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V mit Streifenform eine Anisotropie bezüglich des spezifischen Widerstands auf einer Oberfläche parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats. Durch Verändern der Richtung, in welche die streifenförmige Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V positioniert wird, und durch Verändern der Konfiguration der streifenförmigen Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V kann der spezifische Widerstand des Widerstandselements wesentlich verändert werden, und es können viele Widerstandselemente mit wesentlich unterschiedlichen Widerstandswerten in einem einzigen Verfahren gebildet werden.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der vorliegenden Er­ findung enthält bei dem oben beschriebenen Halbleiterbau­ element die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V Verunreinigungen bis zu einem Betrag, bei welchem das Fer­ miniveau eine Position innerhalb des Bandabstands zwischen Minibändern annimmt, die in einer periodischen Richtung des spontanen Übergitters der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V gebildet sind. Daher kann durch Verändern der Richtung, in welcher die streifenförmige Verbindungshalb­ leiterschicht der Gruppe III-V positioniert ist, und durch Verändern der Konfiguration der streifenförmigen Verbin­ dungshalbleiterschicht der Gruppe III-V der spezifische Wi­ derstand des Widerstandselements wesentlich verändert werden, und es können viele Widerstandselemente mit wesentlich unterschiedlichen Widerstandswerten durch ein Verfahren gebildet werden.
Entsprechend einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden bei dem oben beschriebenen Halblei­ terbauelement eine Mehrzahl von Widerstandselementen gebildet, und wenigstens ein Widerstandselement besitzt eine Konfiguration, bei welcher sich die Ver­ bindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V in eine Richtung unterschiedlich zu jenen der anderen Widerstandselemente auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt. Daher können viele Widerstandselemente mit wesentlich unterschiedlichen Widerstandswerten durch ein einziges Verfahren gebildet werden.
Entsprechend einem vierten Aspekt der vorliegenden Er­ findung wird bei dem oben beschriebenen Halbleiterbauele­ ment eine Mehrzahl von Widerstandselementen gebildet, wobei wenigstens ein Widerstandselement die Form einer geraden Linie besitzt, bei welcher sich der Verbindungshalbleiter der Gruppe III-V der Widerstandselementeschicht sich in ei­ ne Richtung parallel zu einer periodischen Richtung des spontanen Übergitters auf einer Oberfläche parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt, und ein ande­ res Widerstandselement der verbleibenden Widerstandselemen­ te die Form einer geraden Linie besitzt, wobei die Verbin­ dungshalbleiterschicht der Gruppe III-V sich in eine Rich­ tung senkrecht zu einer periodischen Richtung des spontanen Übergitters auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptober­ fläche des Halbleitersubstrats erstreckt. Daher kann der spezifische Widerstand des Widerstandselements, welches sich parallel zu der periodischen Richtung des spontanen Übergitters erstreckt, im Vergleich zu dem spezifischen Wi­ derstand des Widerstandselements maximiert werden, welches sich senkrecht zu der periodischen Richtung des spontanen Übergitters erstreckt.
Entsprechend einem fünften Aspekt der vorliegenden Er­ findung ist bei dem oben beschriebenen Halbleiterbauelement die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V des Wi­ derstandselements L-förmig an einer vorgeschriebenen Stelle auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats gekrümmt. Daher kann durch Verändern der Länge der zwei Seiten der L-förmigen Verbindungshalb­ leiterschicht der Gruppe III-V der Widerstandswert des Wi­ derstandselements wesentlich verändert werden.
Entsprechend einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei dem oben beschriebenen Halbleiter­ bauelement die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III- V des Widerstandselements derart diagonal positioniert, so daß ein vorgeschriebener Winkel auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats bezüglich der periodischen Richtung des spontanen Übergitters auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats gebildet wird. Daher kann der spezifische Widerstand des Widerstandselements in Übereinstimmung mit einem Winkel wesentlich verändert werden, welcher bezüglich der periodischen Richtung des spontanen Übergitters gebildet ist.
Entsprechend einem siebenten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Halbleiterbauelement eine erste Halbleiterschicht mit einer Hauptoberfläche; eine Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V, welche zwei oder mehr Arten von Elementen der Gruppe III-V und Verunreinigungen enthält, eine Oberfläche besitzt und auf der Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, wobei die Halbleiterschicht einen Bandabstand besitzt, welcher kleiner als derjenige der ersten Halbleiterschicht ist, und ein spontan gebildetes Übergitter aufweist; eine Sourcelektrode und eine Drainelektrode, welche entlang einer Linie einer periodischen Richtung des spontanen Über­ gitters auf einer Oberfläche parallel zu der Haupt­ oberfläche der ersten Halbleiterschicht innerhalb der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V angeordnet sind, wodurch ein Ohm′scher-Kontakt mit der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V gebildet wird; und eine Gateelektrode, welche auf der Ver­ bindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V zwischen der Sourcelektrode und der Drainelektrode mit einer zwischen ihr und der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V eingesetzten Isolierungsschicht angeordnet ist. Daher wird durch Anlegen einer Gatespannung an die Gateelektrode eine Schaltoperation ermöglicht, bei welcher eine zwischen der Source- und der Drainelektrode fließende Strom auf­ einanderfolgend eingeschaltet, unterbrochen und eingeschaltet wird, und dieses Ein- und Ausschalten kann sehr schnell vorgenommen werden.
Entsprechend einem achten Aspekt der vorliegenden Er­ findung enthält ein Halbleiterbauteil eine erste Halbleiterschicht mit einer Hauptoberfläche; eine Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V, welche zwei oder mehr Arten von Elementen der Gruppe III und Verunreinigungen enthält und deren Oberfläche auf der Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, wobei die Halbleiterschicht einen Bandabstand aufweist, der kleiner als derjenige der ersten Halbleiterschicht ist, und ein spontan gebildetes Übergitter besitzt; und eine zweite Halbleiterschicht, welche auf der Oberfläche der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V angeordnet ist und einen Bandabstand besitzt, der kleiner als derjenige der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V ist. Daher besitzt die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V eine Anisotropie bezüglich des spezifischen Widerstands auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht, und die Ladungsträger sind zweidimensional in der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V durch die ersten und zweiten Halbleiterschichten beschränkt, während das spontane Übergitter die Ladungsträger in einer vorgeschriebenen Richtung auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht innerhalb der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V beschränkt. Daher kann leicht eine eindimensionale Ladungsträgerverteilung in der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V gebildet werden, ohne daß ein kompliziertes Herstellungsverfahren verwendet wird.
Entsprechend einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält bei dem oben beschriebenen Halblei­ terbauelement die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V Verunreinigungen bis zu einem Betrag, so daß sich das Ferminiveau innerhalb des Bandabstands zwischen Minibändern befindet, welche in einer periodischen Richtung des spontanen Übergitters der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V gebildet sind. Daher kann eine eindimensionale Ladungsträgerverteilung leicht in der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V gebildet werden.
Entsprechend einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält das oben beschriebene Halbleiterelement eine Sourceelektrode und eine Drainelektrode, welche entlang einer Linie in einer Richtung senkrecht zu der periodischen Richtung des spontanen Übergitters auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht innerhalb des Verbindungshalbleiters der Gruppe III-V angeordnet sind, wodurch ein Ohm'scher Kontakt mit der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V gebildet wird; und eine Gateelektrode, welche auf der zweiten Halbleiterschicht zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode angeordnet ist. Daher kann eine eindimensionale Ladungsträgerverteilung in einer Richtung parallel zu der Ausrichtungsrichtung der Source- und Drainelektroden in der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V leicht gebildet werden, und es kann ein Halbleiterbauteil leicht erlangt werden, welches zur Übertragung von Ladungsträgern mit hoher Geschwindigkeit geeignet ist.
Entsprechend einem elften Aspekt der vorliegenden Er­ findung besitzt bei dem oben beschriebenen Halbleiterbau­ element die erste Halbleiterschicht und die zweite Halblei­ terschicht abwechselnd unterschiedliche Leitfähigkeitsty­ pen; die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V ist eine aktive Schicht; und die erste Halbleiterschicht, die zweite Halbleiterschicht und die Verbindungshalbleiter­ schicht der Gruppe III-V bilden eine Doppelheterostruktur, wobei die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V die aktive Schicht ist; das Halbleiterbauelement bildet einen Halbleiterlaser. Daher kann eine eindimensionale Ladungs­ trägerverteilung in der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V gebildet werden, und es kann ein Halbleiter­ bauelement mit einer hervorragenden Charakteristik leicht erlangt werden.
Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Be­ schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Graphen, welcher eine Aufwachstempe­ ratur in Abhängigkeit der Reduzierung des Bandabstands der AlInAs-Schicht veranschaulicht.
Fig. 2 zeigt einen Graphen, welcher eine Beziehung zwi­ schen der Anisotopie des spezifischen Widerstands der AlInAs-Schicht, welche das spontane Übergitter enthält, und der Aufwachstemperatur zum Beschreiben einer Struktur eines Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 3(a)-3(b) zeigen Graphen, welche Banddiagramme zum Beschreiben der Struktur des Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung veranschaulichen.
Fig. 4(a)-4(b) zeigen Graphen, welche Banddiagramme zum Beschreiben der Struktur des Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung veranschaulichen.
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht, welche die Struktur des Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ver­ anschaulicht.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht zum Beschreiben der Struk­ tur des Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht zum Beschreiben der Struk­ tur des Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 zeigt eine Draufsicht, welche die Struktur des Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 9 zeigt eine Draufsicht, welche eine modifizierte Version des Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ver­ anschaulicht.
Fig. 10 zeigt eine Draufsicht, welche eine andere modi­ fizierte Version des Halbleiterbauelements in Übereinstim­ mung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung veranschaulicht.
Fig. 11 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine Struktur eines Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 12 zeigt einen Graphen zum Beschreiben einer Be­ triebscharakteristik des Halbleiterbauelements in Überein­ stimmung mit der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 13(a)-13(b) zeigen Graphen, welche Banddia­ gramme zum Beschreiben der Struktur des Halbleiterbauele­ ments in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Fig. 14(a)-14(b) zeigen Graphen, welche Banddia­ gramme zum Beschreiben der Struktur der Halbleitervorrich­ tung in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Fig. 15(a)-15(b) zeigen Graphen, welche Banddia­ gramme zum Beschreiben der Struktur des Halbleiterbauele­ ments in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Fig. 16 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine Struktur eines Hauptteils eines Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung veranschaulicht, und Fig. 16(b) zeigt ein Banddiagramm in der Kristallaufwachsrichtung desselben Halbleiterbauelements.
Fig. 17 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine Struktur eines Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 18 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine Struktur eines Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 19 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine Struktur eines Widerstandselements eines Halbleiterbauele­ ments nach dem Stand der Technik veranschaulicht.
Fig. 20 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine Struktur eines Transistors mit einer hohen Elektronenbeweg­ lichkeit als Beispiel eines Halbleiterbauelements nach dem Stand der Technik veranschaulicht.
Fig. 21(a)-21(e) zeigen Querschnittsansichten, wel­ che ein Herstellungsverfahren eines Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit nach dem Stand der Technik veran­ schaulichen.
Bezüglich des Kristallaufwachsens eines Verbindungs­ halbleiters ist es im allgemeinen bekannt, daß, wenn ein Verbindungshalbleiter der Gruppe III-V, welcher zwei oder mehr Elemente der Gruppe III besitzt, durch ein Aufdampf­ verfahren aufwächst, unterschiedliche Elemente der Gruppe III periodisch angeordnet werden, wodurch ein spontanes Übergitter gebildet wird. Beispielsweise wird in Applied Physics Letters, Band 50, Nr. 11, Seiten 673-675 (1987) veranschaulicht, daß, wenn Ga0,5In0,5P auf einem GaAs- Substrat durch metallorganische chemische Aufdampfung (MOCVD) aufwächst, eine Wiederholungsstruktur, d. h. eine spontane Übergitterstruktur, erscheint und der Bandabstand (hiernach an geeigneten Stellen mit Eg bezeichnet) redu­ ziert ist. Der Betrag der Reduzierung von Eg variiert in Abhängigkeit von Aufwachsbedingungen wie einer Aufwachstem­ peratur und einem Zufuhrverhältnis einer Substanz der Grup­ pe V bezüglich einer Substanz der Gruppe III (V/III-Ver­ hältnis), und es wird vorausgesetzt, daß er von dem Grad der Regelmäßigkeit des spontanen Übergitters abhängt. Be­ züglich des Ga0,5In0,5P-Kristalls wird die Bandstruktur des (GaP)1/(InP)1/(111)-Übergitters, bei welchem Ga-Atome und In-Atome abwechselnd auf der (111)-Oberfläche angeordnet sind, in Physical Review B, Band 40, Nr. 6, Seiten 3889 bis 3895 (1989) berechnet und die Reduzierung von Eg theore­ tisch angedeutet.
Die Richtung <111< enthält die Richtung <111<A und die Richtung <111<B, welche senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Eine neue periodische Struktur von einem spontanen Übergitter herrührend zeigt sich selbst stark entweder in der Richtung <111<A oder der Richtung <111<B. Die Richtung, in welche diese periodische Struktur unterschiedlich er­ scheint, hängt von den Substanzen ab. Beispielsweise er­ scheint eine periodische Struktur in der Richtung <111<A in einer AlInAs-Schicht, und es erscheint eine periodische Struktur in der Richtung <111<B in einer InGaP-Schicht. Ge­ wöhnlich wird ein spontanes Übergitter beim Kristallauf­ wachsen auf der (100)-Oberfläche oder auf der Oberfläche beobachtet, welche leicht bezüglich der (100)-Oberfläche um mehrere Grad gekippt ist. Wenn sich das spontane Übergitter auf dem Querschnitt der (100)-Oberfläche zeigt, wird die Regelmäßigkeit eines Atomanordnungszustands in der Richtung [011] entsprechend der Richtung <111<A und derjenigen in der Richtung [0 1] (entsprechend der Richtung <111<B) un­ terschiedlich infolge des spontan gebildeten Übergitters gebildet. Mit anderen Worten, wenn ein spontanes Übergitter gebildet wird, welches eine periodische Struktur in der Richtung <111<A besitzt, erscheint eine periodische Struk­ tur entsprechend der Periode des spontanen Übergitters in der Richtung [011] auf der (100)-Oberfläche. Wenn ein spon­ tanes Übergitter gebildet ist, welches eine periodische Struktur in der Richtung <111<B besitzt, erscheint eine pe­ riodische Struktur entsprechend der Periode des spontanen Übergitters in der Richtung [0 1] auf der (100)-Oberflä­ che. Da die Regelmäßigkeit der Atomanordnungszustände in­ folge des spontan gebildeten Übergitters unterschiedlich ist, wird daher angenommen, daß eine Anisotropie vorliegt, d. h. ein Unterschied in der Charakteristik in Abhängigkeit von verschiedenen Richtungen, der physikalischen Charakte­ ristik der Kristalle entlang der Richtungen [011] und [0 1] , welche vor der Bildung des spontanen Übergitters zueinander äquivalent sind.
Als Beispiel der Tatsache, welche diese Anisotropie veranschaulicht, wird in Physical Review B, Band 47, Seiten 4041-4043 (1993) veranschaulicht, daß eine auf einem (100)- GaAs-Substrat durch MOCVD aufgewachsene Ga0,52In0,48P- Schicht ein spontanes Übergitter und eine unterschiedliche optische Charakteristik (Polarisationscharakteristik) des Kristalls in Abhängigkeit der Richtung [110] und der Rich­ tung [0 1] besitzt.
Die Anisotropie der elektrischen Charakteristik einer Halbleiterschicht, welche ein spontanes Übergitter enthält, wird detailliert im folgenden beschrieben. Fig. 1 zeigt ei­ ne Aufwachstemperatur (Tsub) in Abhängigkeit der Änderung des Bandabstands (Eg) einer AlInAs-Schicht, die auf einem InP-Substrat durch Gasquellen-MBE (molecular beam epitaxie, Molekularstrahlepitaxie) aufgewachsen ist, was in Japan Society of Applied Physics, Extended Abstracts, the fifty­ fourth Autumn Meeting 1993, Seite 200 beschrieben wird. In der Figur stellt ein schwarzer Punkt das Meßergebnis des Werts von Eg bei Raumtemperatur dar, und ein weißer Punkt stellt das Meßergebnis bei 77 K dar. Je weiter die Bildung des spontanen Übergitters vorangeschritten ist, desto grö­ ßer wird wie oben beschrieben die Veränderung des Bandab­ stands, und es wird daher dargestellt, daß die Bildung des spontanen Übergitters bei 450°C oder darunter durchgeführt wird. In der oben bezeichneten Quelle wird ebenso beschrie­ ben, daß die Periodizität des spontanen Übergitters in der Richtung <111<A gebildet ist.
Fig. 2 zeigt einen Graphen, welcher die experimentellen Ergebnisse der die Erfindung betreffenden Versuche bezüg­ lich der Anisotropie des spezifischen Widerstands bei un­ terschiedlichen Aufwachstemperaturen für ein n-Typ AlInAs darstellt, welches auf dem InP-Substrat durch Gasquellen- MBE aufgewachsen ist. In der Figur stellt die Abszisse die Aufwachstemperatur dar, und die Ordinate stellt die Anisotropie des spezifischen Widerstands dar, d. h. das Verhältnis ρa/ρb wobei ρa den spezifischen Widerstand in der Richtung [011] und ρb den spezifischen Widerstand in der Richtung [0 1] darstellt. Bei diesem Experiment ist das mit Si auf 4 × 1018 cm-3 dotierte n-Typ AlInAs auf eine Dicke von 100 nm auf dem Wafersubstrat, welches InP enthält bzw. daraus besteht, durch Gasquellen-MBE mit unterschiedlichen Aufwachstemperaturen aufgewachsen. Danach wurde der Wafer gespalten, um streifenförmige Stücke zu bilden, welche sich in die Richtung [0 1] und die Richtung [011] derart erstrecken, daß die Breiten und Längen der Stücke gleich sind. Danach wurden die spezifischen Wider­ stände zwischen beiden Enden auf den Oberflächen der streifenförmigen Stücke gemessen. Da bei diesem Experiment AlInAs verwendet wurde, ist die Periodizität des durch Kristallaufwachsen gebildeten spontanen Übergitters in die Richtung <111<A gebildet.
Wie in Fig. 2 veranschaulicht kann bezüglich eines Gebiets unterhalb von 450°C, bei welchem die Bildung eines spontanen Übergitters durchgeführt wird, beispielsweise aus dem Verhältnis der spezifischen Widerstände bei einer Aufwachstemperatur von 427°C gesehen werden, daß die Anisotropie des spezifischen Widerstands groß wird. Des weiteren ist der spezifische Widerstand in der Richtung [011] entsprechend der Richtung <111<A, welche die periodische Richtung des spontanen Übergitters ist, größer als der spezifische Widerstand in der Richtung [0 1], welche der Richtung <111<B entspricht. Das bedeutet, daß die Leitung von Elektronen in der Richtung parallel zu der periodischen Richtung des spontanen Übergitters durch den Einfluß der Periodizität des spontanen Übergitters beeinträchtigt wird, wodurch bezüglich der Leitung von Elektronen eine Unruhe bzw. Unsicherheit auftritt.
Der Elektronenzustand in einer Halbleiterschicht, bei welcher ein spontanes Übergitter gebildet ist, wird im folgenden beschrieben. Fig. 3(a)-3(b) zeigen Graphen, welche die Banddiagramme einer Halbleiterschicht veranschaulichen, bei welcher ein spontanes Übergitter in der Richtung <111<A gebildet ist. In diesen Figuren stellt die Ordinate die Energie E eines Elektrons dar, und die Abszisse stellt den Impuls K eines Elektrons dar. Fig. 3(a)-3(b) zeigen die Banddiagramme in den Richtungen [011] bzw. [0 1]. Des weiteren stellt a′ einen Bandabstand zwi­ schen (111)-Oberflächen dar, d. h. den Bandabstand zwischen Oberflächen von Atomen der Gruppe III und den Bandabstand zwischen Oberflächen von Atomen der Gruppe V in der Halbleiterschicht, in welcher das spontane Übergitter gebildet ist.
In einer Halbleiterschicht, in welcher ein spontanes Übergitter gebildet ist, ist eine periodische Struktur, welche eine Periode eines ganzzahligen Vielfachen derjeni­ gen der Kristallstruktur besitzt, in der periodischen Rich­ tung in der (100)-Oberfläche des spontanen Übergitters ge­ bildet, beispielsweise in der Richtung [011] in einem Fall von AlInAs. Demgegenüber ist keine Periodizität einer neuen Kristallstruktur in der Richtung [0 1] gebildet, welche sich senkrecht zu der Richtung [011] erstreckt. Das Band­ diagramm der Elektronen in dem Leitungsband, welche in die Richtung [011] fließen, welche die neu gebildete Periodizi­ tät besitzt, veranschaulicht die vielen Minibänder, welche durch eine Faltung eines Bands infolge der neuen Periodizi­ tät gebildet sind (Zonenfaltung) wie in Material Research Society (MRS), Band 220, Seite 311 (1991) für den Fall un­ ter Verwendung eines spontanen Ge/Si-Übergitters beschrie­ ben. Daher nimmt bei der Halbleiterschicht, bei welcher das spontane Übergitter in der Richtung <111<A gebildet ist, das Banddiagramm in der Richtung [011] den in Fig. 3(a) dargestellten Verlauf an. Demgegenüber unterscheidet sich, sogar wenn das spontane Übergitter gebildet ist, das Band­ diagramm nicht von dem regulären Banddiagramm, welches er­ langt wird, wenn kein spontanes Übergitter gebildet ist (Fig. 3(b)). Daher verändert sich die effektive Masse der Elektronen in Abhängigkeit davon, in welche Richtung die Elektronen fließen, d. h. in Abhängigkeit davon, ob die Elektronen durch das periodische Potential infolge des spontanen Übergitters beeinflußt werden, und es ergibt sich eine Anistropie der Leitfähigkeit. Des weiteren sind die Minibänder in der Richtung [011] gebildet, und der Bandab­ stand E′g ist zwischen den Minibändern gebildet. Wenn das Ferminiveau dem Bandabstand E′g entspricht, füllen die Elektronen 10 wie in Fig. 4(a) dargestellt das unterste Band auf, und sogar wenn ein elektrisches Feld in der Rich­ tung [011] angelegt ist, können die Elektronen nicht in die Richtung [011] fließen, sondern können frei lediglich in die Richtung [0 1] fließen (Fig. 4(b)). Daher nimmt die Anisotropie des spezifischen Widerstands darauf ein Maximum an, und es ist möglich, die Anisotropie des spezifischen Widerstands um einen Faktor von mehreren 100 zu erhöhen. In Fig. 4(a)-4(b) stellen dieselben Bezugszeichen, welche in Fig. 3(a)-3(b) verwendet werden, dieselben oder ent­ sprechende Teile dar. Bezugszeichen 10 bezeichnet ein Elek­ tron.
Fig. 8 zeigt eine Draufsicht, welche eine Struktur ei­ nes Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit einer er­ sten Ausführungsform veranschaulicht. Entsprechend der Figur bezeichnet Bezugszeichen 1 ein halbisolierendes InP- Substrat, und Bezugszeichen 2 bezeichnet AlInAs-Schichten einer Streifenform mit einer vorgeschriebenen Breite, wel­ che auf der (100)-Oberfläche des halbisolierenden InP- Substrats 1 angeordnet sind. Die AlInAs-Schicht 2 besitzt eine Dicke von etwa 100 nm und enthält ein spontanes Über­ gitter. Des weiteren ist die AlInAs-Schicht 2 mit Verunrei­ nigungen wie Si auf eine Konzentration von etwa 4 × 10¹⁸ cm-3 dotiert, so daß das Ferminiveau eine Position zwischen den Minibändern annimmt, welche in der periodischen Rich­ tung des spontanen Übergitters gebildet sind. Bezugszeichen 2b bezeichnet die AlInAs-Schicht 2, deren Streifenrichtung die Richtung [0 1] ist, und Bezugszeichen 2a bezeichnet die AlInAs-Schicht 2, deren Streifenrichtung die Richtung [011] ist. Bezugszeichen 3a und 3b bezeichnen Metallelek­ troden (Anschlüsse), welche Au (Gold) oder dergleichen ent­ halten bzw. daraus bestehen und auf beiden Enden entlang der Streifenrichtung der AlInAs-Schicht angeordnet sind. Bei dem Halbleiterbauelement dieser Ausführungsform ist die streifenförmige AlInAs-Schicht 2, in welcher das spontane Übergitter gebildet ist, mit den Elektroden 3a und 3b der­ art ausgestattet, daß die AlInAs-Schicht 2 als Widerstands­ element verwendet wird, und die Elektroden 3a und 3b sind mit (in der Figur nicht dargestellten) anderen Schaltungs­ elementen auf demselben halbisolierenden InP-Substrat 1 oder mit (in der Figur nicht dargestellten) Schaltungsele­ menten auf einem anderen Substrat verbunden.
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht, welche das in Fig. 8 dargestellte Halbleiterbauelement entlang Linie I-I veranschaulicht. In der Figur bezeichnen dieselben in Fig. 8 verwendeten Bezugszeichen dieselben oder entsprechende Teile.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht zum Erklären der Struktur des Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform. In der Figur bezeichnen dieselben in Fig. 8 verwendeten Bezugszeichen dieselben oder entsprechende Teile.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht zum Erklären der Struktur der Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform. In der Figur bezeichnen dieselben in Fig. 8 verwendeten Bezugszeichen dieselben oder entsprechende Teile.
Im folgenden wird das Herstellungsverfahren beschrie­ ben. Zuerst wird die mit Si auf eine Konzentration von etwa 4 × 10¹⁸ cm-3 dotierte AlInAs-Schicht durch Kristallaufwach­ sen bei einer Temperatur von etwa 450°C oder darunter der­ art gebildet, daß ein spontanes Übergitter auf der (100)- Oberfläche des halbisolierenden InP-Substrats durch Gas­ quellen-MBE gebildet wird. Als nächstes wird unter Verwen­ dung eines Resists ein Ätzen unter Anwendung einer Ätzlö­ sung wie Fluorsäure derart durchgeführt, daß die streifen­ förmigen AlInAs-Schichten 2a und 2b zurückbleiben. Danach werden die Metallelektroden 3a und 3b vorzugsweise durch Aufdampfung angeordnet, wodurch das in Fig. 5 dargestellte Halbleiterbauelement erlangt wird.
Da bei dem Halbleiterbauelement dieser Ausführungsform die mit Si dotierte AlInAs-Schicht 2 das in der Richtung <111<A gebildete spontane Übergitter enthält, besitzt der spezifische Widerstand wie oben beschrieben in der (100)- Oberfläche eine Anisotropie. Wenn daher beispielsweise die Streifenrichtung der AlInAs-Schicht 2 entlang der Richtung [0 1] angeordnet ist, d. h. der Richtung senkrecht zu der periodischen Richtung des spontanen Übergitters, und die Elektroden 3a und 3b entlang der Richtung [0 1] angeordnet sind, wodurch die AlInAs-Schicht 2 wie in Fig. 6 darge­ stellt als Widerstandselement verwendet wird, nimmt der spezifische Widerstand einen niedrigen Wert an. Wenn alter­ nativ die Streifenrichtung der AlInAs-Schicht 2 in der Richtung [011] gebildet wird, d. h. der periodischen Rich­ tung des spontanen Übergitters, und die Elektroden 3a und 3b entlang der Richtung [011] wie in Fig. 7 dargestellt an­ geordnet sind, nimmt der spezifische Widerstand einen hohen Wert an. Wenn die Streifenrichtung die Richtung [011] ist, ist es möglich, einen spezifischen Widerstand zu erlangen, welcher mehrere hundertmal so groß ist wie der spezifische Widerstand, wenn die Streifenrichtung wie oben beschrieben entlang der Richtung [0 1] gebildet ist. Es ist daher mög­ lich, den spezifischen Widerstand der AlInAs-Schicht durch Verändern der Streifenrichtung der AlInAs-Schicht zu verän­ dern, welche als Widerstandselement dient, relativ zu der periodischen Richtung des spontanen Übergitters. Dadurch wird es ermöglicht, Widerstandselemente mit Widerstandswer­ ten zu bilden, welche sich wesentlich voneinander unter­ scheiden.
Es ist daher durch gleichzeitiges Bilden der AlInAs- Schichten 2a und 2b, welche Streifenrichtungen der Richtun­ gen [0 1] bzw. [011] besitzen, auf dem Substrat 1 durch Ätzen wie in Fig. 8 dargestellt, möglich, Widerstandsele­ mente von wesentlich unterschiedlichen Widerstandswerten auf einem einzigen Substrat durch ein einziges Verfahren zu integrieren und die Widerstandselemente mit wesentlich un­ terschiedlichen Widerstandswerten innerhalb eines begrenz­ ten Bereichs auf einem Chip leicht zu bilden.
Wie oben in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform beschrieben, wird die AlInAs-Schicht 2 mit dem spontanen Übergitter einschließlich der Verunreinigungen als Wider­ standselement verwendet. Daher besitzt die AlInAs-Schicht 2 die Anisotropie in der (100)-Oberfläche, und durch Verän­ dern der Richtung, in welcher die streifenförmige AlInAs- Schicht 2 angeordnet ist, kann der spezifische Widerstand des Widerstandselements wesentlich verändert werden. Ein Halbleiterbauteil wie eine integrierte Schaltung ein­ schließlich vieler Widerstandselemente von wesentlich un­ terschiedlichen Widerstandswerten kann ebenso innerhalb ei­ nes einzigen Chips vorgesehen werden.
Während bezüglich der ersten Ausführungsform der Fall beschrieben wurde, bei welchem die als Widerstandselement dienende AlInAs-Schicht in einer Streifenform gebildet wird, kann die Erfindung auf Fälle angewandt werden, bei welchen die AlInAs-Schicht 2 andere Formen wie z. B. eine S- Form annimmt. Beispielsweise kann die AlInAs-Schicht 2 eine L-Form annehmen, welche sich in die Richtung [0 1] er­ streckt und in die Richtung [011] wie in Fig. 9 dargestellt gekrümmt ist. In diesem Fall wird der ähnliche Effekt wie bei der ersten Ausführungsform erzielt, und durch Wählen von geeigneten Werten von L₁ und L₂ in den Richtungen [011] bzw. [0 1] kann ein Widerstandselement mit einem willkür­ lichen Widerstandswert in einem Bereich von einem sehr kleinen Widerstandswert bis zu einem sehr großen Wider­ standswert vorgesehen werden. In Fig. 9 bezeichnen diesel­ ben in Fig. 8 verwendeten Bezugszeichen dieselben oder ent­ sprechende Teile.
Während bezüglich der ersten Ausführungsform die Fälle beschrieben wurden, bei denen die Streifenrichtung der als Widerstandselement dienenden AlInAs-Schicht 2 entweder die Richtung [0 1] oder die Richtung [011] ist, kann die vor­ liegende Erfindung auf Fälle angewandt werden, bei welchen die Streifenrichtung der AlInAs-Schicht 2 eine Richtung zwischen der Richtung [0 1] und [011] ist, und es kann ein ähnlicher Effekt wie bei der ersten Ausführungsform erzielt werden. Es kann das Widerstandselement mit einem willkürli­ chen Widerstandswert im Bereich von einem kleinen bis zu einem großen Widerstandswert in Abhängigkeit des Winkels von der Richtung [0 1] (oder [011]) versehen werden.
Wenn wie in Fig. 10 dargestellt beispielsweise die AlInAs-Schicht 2 vier streifenförmige Teile gleicher Längen aufweist, welche auf einen vorgeschriebenen Punkt auf dem Halbleitersubstrat 1 zu konvergieren, befinden sich zwei davon in der Richtung [0 1] und [011], und die verbleiben­ den zwei Teile befinden sich in den Richtungen zwischen den Richtungen [0 1] und [011], und die Elektrode 3b ist an dem Punkt positioniert, auf welchen die vier streifenförmi­ gen Teile konvergieren, und die Elektroden 3a₁, 3a₂, 3a₃ und 3a₄ sind in dieser Reihenfolge auf jedem Ende der streifenförmigen Teile von der Richtung [0 1] bis zu der Richtung [011] jeweils angeordnet, und es können vier un­ terschiedliche Widerstandswerte jeweils durch Verbinden der Elektrode 3b und einer Elektrode erzielt werden, welche aus den Elektroden 3a₁, 3a₂, 3a₃ und 3a₄ gewählt ist. Wenn Wi­ derstandswerte, welche durch Wählen der Elektroden 3b und 3a₁ und durch Wählen der Elektroden 3b und 3a₂ erzielt wer­ den, als R₁ bzw. R₂ dargestellt werden, und Widerstandswer­ te, welche durch Wählen der Elektrode 3b und 3a₃ und durch Wählen der Elektrode 3b und 3a₄ erzielt werden, als R₃ bzw. R₄ dargestellt werden, wird der Widerstandswert zu R₁, R₂, R₃ und R₄ in Reihenfolge des ansteigenden Widerstandswerts, und es ist offensichtlich, daß der Widerstandswert und der spezifische Widerstand ein Maximum annehmen, wenn die Streifenrichtung die Richtung [011] relativ zu den Fällen ist, bei welchen die Streifenrichtung die Richtung [0 1] ist.
Fig. 11 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine Struktur eines Halbleiterbauteils in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Halbleiterbauteil der zweiten Ausfüh­ rungsform enthält die AlInAs-Schicht, welche bezüglich der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, bei welcher das spontane Übergitter gebildet ist. In der Figur bezeichnen dieselben in Fig. 8 verwendeten Bezugszeichen dieselben oder entsprechende Teile. Bezugszeichen 12 bezeichnet die AlInAs-Schicht, in welcher das spontane Übergitter gebildet ist und welche mit Verunreinigungen wie Si derart dotiert ist, daß das Ferminiveau der AlInAs-Schicht 12 innerhalb des Minibands lokalisiert ist, welches in der periodischen Richtung des spontanen Übergitters gebildet ist. Bezugs­ zeichen 13 bezeichnet eine Sourceelektrode, Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Drainelektrode, Bezugszeichen 15 be­ zeichnet eine Gateelektrode, und Bezugszeichen 16 bezeich­ net eine Isolierungsschicht, welche eine Substanz wie SiN und SiO₂ enthält bzw. daraus besteht. Bei dieser Ausfüh­ rungsform sind die Sourceelektrode 13, die Gatelektrode 15 und die Drainelektrode 14 in der Richtung [011] angeordnet.
Fig. 12 zeigt eine Graphen, welcher die Beziehung zwi­ schen der Gatespannung VG und dem Source-Drain-Strom ISD zum Erklären des Betriebs des Halbleiterbauelements der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. In der Figur stellt Bezugszeichen 19 einen Zustand dar, bei welchem das Halbleiterbauelement ausgeschaltet ist, und Bezugszeichen 17 und 18 stellen Zustände dar, bei welchen das Halbleiter­ bauelement eingeschaltet ist.
Fig. 13(a)-13(b), 14(a)-14(b) und 15(a)-15(b) zeigen die Banddiagramme der AlInAs-Schicht, in welcher das spontane Übergitter gebildet ist, zum Erklären des Betriebs des Halbleiterbauelements der zweiten Ausführungsform. In den Figuren stellt die Ordinate die Energie eines Elektrons E dar, die Abszisse stellt einen Impuls k dar, und a′ stellt eine Lücke zwischen (111)-Oberflächen der AlInAs-Schicht einschließlich des spontanen Übergitters dar, d. h. eine Lücke zwischen den Oberflächen der Gruppe III oder den Oberflächen der Gruppen V. Fig. 13(a), 14(a) und 15(a) zeigen die Banddiagramme in den Richtungen [011], und Fig. 13(b), 14(b) und 15(b) zeigen die Banddiagramme in der Richtung [0 1].
Im folgenden wird das Herstellungsverfahren beschrie­ ben. Zuerst wird die mit Si dotierte AlInAs-Schicht 12 durch Kristallaufwachsen auf der (100) Oberfläche des halbisolierenden InP-Substrats 1 durch Gasquellen-MBE bei etwa 450°C oder darunter derart gebildet, daß das spontane Übergitter gebildet wird. Als nächstes wird die isolierende Schicht 16 auf der AlInAs-Schicht 12 gebildet, und die Teile auf der Isolierungsschicht 16, an denen die Sourceelektrode 13 und die Drainelektrode 14 gebildet werden sollen, werden durch Ätzen entfernt. Danach werden die Sourceelektrode 13 und die Drainelektrode 14 auf der AlInAs-Schicht 12 gebildet, und die Gateelektrode 15 wird auf der Isolierungsschicht 16 zwischen der Sourceelektrode 13 und der Drainelektrode 14 gebildet, wodurch das in Fig. 11 dargestellte Halbleiterbauelement erlangt wird.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 11 und 12 der Betrieb beschrieben. Das Halbleiterbauelement der zweiten Ausführungsform steuert den zwischen der Sourceelektrode 13 und der Drainelektrode 14 fließenden Strom durch Anlegen der Vorspannung (VG) an die Gateelektrode 15. Falls die Vorspannung VG an die Gateelektrode 15 angelegt wird, wenn ein Strom zwischen der Sourceelektrode 13 und der Drainelektrode 14 fließt, d. h. in dem Zustand Ein 17, verändert sich zuerst das Ferminiveau in der AlInAs-Schicht 2. Wenn die Vorspannung verändert wird, hört der Source-Drain-Strom ISD auf, bei einer vorbvestimmten Spannung zu fließen, da die Sourceelektrode 13 und die Drainelektrode 14 in der Richtung [011] angeordnet sind, welche die periodische Richtung des in der AlInAs-Schicht 12 gebildeten spontanen Übergitters ist, und begibt sich wie in Fig. 12 veranschaulicht in den Zustand AUS 19. Wenn die Spannung weiter erhöht wird, begibt sich der Strom wiederum in den Zustand EIN 18, bei welchem der Strom ISD fließt. Daher kann bei der zweiten Ausführungsform ein Halbleiterbauelement erlangt werden, welches als Schaltvorrichtung mit der Charakteristik betrieben wird, daß der Source-Drain-Strom aufeinanderfolgend durch Erhöhen der Gatespannung ein-, aus- und wieder eingeschaltet werden kann.
Die Details des Betriebs des oben beschriebenen Halb­ leiterelements werden unter Bezugnahme auf die in Fig. 13(a)-13(b), 14(a)-14(b) und 15(a)-15(b) veranschaulichten Banddiagramme beschrieben. Da die periodische Richtung des spontanen Übergitters der AlInAs-Schicht 12, welche das spontane Übergitter enthält, in dieser Ausführungsform die Richtung <111<B ist, besitzen die Banddiagramme eine ähnliche Struktur wie die in Fig. 4(a) und 4(b) dargestellten Banddiagramme.
Wenn das Ferminiveau in dem untersten Miniband wie in Fig. 13(a) dargestellt existiert, befindet sich das Halbleiterbauelement zuerst wie in Fig. 12 dargestellt in dem Zustand Ein, und die Elektronen können in die Richtung [011] fließen. Wenn als nächstes das Ferminiveau an eine Position innerhalb des Bandabstands E′g durch Anlegen einer Vorspannung an die Gateelektrode 15 gebracht wird, können die Elektronen nicht länger in die Richtung [011] fließen (Fig. 14(a)), und daher liegt der Zustand Aus 19 vor. Wenn die Vorspannung weiter derart erhöht wird, daß die Elektronen in dem Miniband vorhanden sind, welches sich eine Stufe höher bezüglich der Energie als der unterste Zustand befindet, beginnt der Source-Drain-Strom wiederum zu fließen und begibt sich in den Zustand Ein 18 (Fig. 15(a)). Da sich das Ferminiveau in der AlInAs-Schicht 2 ändert und von der Gatespannung gesteuert wird, und der Zustand Ein und Aus des Stroms davon abhängt, ob das Ferminiveau in dem Miniband vorhanden ist, ist eine schnellere Schaltoperation als bei einem Halbleiterbauelement wie einem Feldeffekttransistor nach dem Stand der Technik möglich, bei welchem der Strom durch Veränderung der Verarmungsschicht durch eine Gatespannung gesteuert wird.
Wie oben beschrieben sind bei dieser Ausführungsform die Sourceelektrode 13 und die Drainelektrode 14 auf der AlInAs-Schicht 12 angeordnet, welche das spontane Übergitter enthält, und die Gateelektrode 15 ist auf der AlInAs-Schicht 12 zwischen der Sourceelektrode 13 und der Drainelektrode 14 mit der zwischen der AlInAs-Schicht 12 und der Gateelektrode 15 eingesetzten Isolierungsschicht 16 angeordnet. Daher ist ein schneller Schaltbetrieb möglich, und es kann ein Halbleiterbauelement erlangt werden, bei welchem die Schaltoperation des Ein-, Aus- und Wiederein­ schaltens mit einem Ansteigen (oder Verringern) der Gatespannung durchgeführt werden kann.
Während bei der zweiten Ausführungsform die Verunrei­ nigungen derart dotiert sind, daß das Ferminiveau in dem untersten Miniband vorhanden ist, wobei keine Gatespannung angelegt wird, kann das Ferminiveau derart gewählt werden, daß es zwischen den Minibändern vorhanden ist. In dem Fall kann das Halbleiterbauelement von dem Zustand Aus in den Zustand Ein durch Anlegen entweder einer positiven oder einer negativen Gatespannung geschaltet werden.
Fig. 16 zeigt eine Querschnittsansicht bezüglich der (0 1)-Oberfläche, welche die Struktur des Hauptteils des Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und Fig. 16(b) veranschaulicht das Banddiagramm in Richtung des Kristallaufwachsens des Halbleiterbauelements. Entsprechend den Figuren bezeichnet Bezugszeichen 21 ein halbisolierendes GaAs-Substrat, Bezugszeichen 22 bezeichnet eine AlGaInP-Schicht, die auf der (100)-Oberfläche des GaAs-Substrats 21 gebildet ist, und Bezugszeichen 23 be­ zeichnet eine InGaP-Schicht einer Dicke von mehreren 10 nm oder weniger, welche das spontane Übergitter enthält und mit Verunreinigungen wie Si dotiert ist. Bezugszeichen 24 bezeichnet eine AlGaInP-Schicht, und Bezugszeichen 10 bezeichnet Elektronen. Das Banddiagramm von Fig. 16(b) veranschaulicht den unteren Teil des Leitungsbands, und die Abszisse stellt die Energie eines Elektrons E dar. Der Hauptteil des Halbleiterbauelements der dritten Ausfüh­ rungsform wird wie folgt gebildet. Zuerst wird die AlGaInP- Schicht 22 auf der (100)-Oberfläche des halbisolierenden GaAs-Substrats 21 vorzugsweise durch Gasquellen-MBE gebil­ det. Danach wird die mit Verunreinigungen wie Si dotierte InGaP-Schicht 23 durch Kristallaufwachsen bei etwa 450°C oder darunter derart angeordnet, daß ein spontanes Übergitter gebildet wird, und die AIGaInP-Schicht 24 wird darauffolgend durch Kristallaufwachsen gebildet. Das Dotieren der InGaP-Schicht 23 mit Verunreinigungen wie Si und dergleichen wird derart durchgeführt, daß das Fermini­ veau in dem Bandabstand zwischen den Minibändern in dem Banddiagramm der Richtung [0 1] vorhanden ist, welche die Ausrichtungsrichtung des spontanen Übergitters darstellt.
Im folgenden wird der Betrieb des Halbleiterbauelements der dritten Ausführungsform beschrieben. In der Doppelheterostruktur, bei welcher die GaInP-Schicht 23 zwischen der AlGaInP-Schicht 24 und einer anderen AlGaInP- Schicht 22 angeordnet ist, welche bezüglich des Gitters mit dem GaAs-Substrat 21 wie in Fig. 16 (a) dargestellt angepaßt ist, nimmt der Bandabstand den in Fig. 16(b) veranschaulichten Verlauf an, da der Bandabstand des AlGaInP größer als derjenige des GaInP ist, und es wird eine Quantenmulde in der GaInP-Schicht 23 gebildet, welche Elektronen auf die Mulde beschränkt. Daher sind die Elektronen 10 in dem zweidimensionalen Zustand in der (100)-Oberfläche in der Mulde der Doppelheterostruktur vorhanden.
Es ist allgemein bekannt, daß ein spontanes Übergitter aus InGaP hauptsächlich in einer Richtung <111<B gebildet wird. Wenn daher wie bezüglich der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 4(a)-4(b) beschrieben das Ferminiveau in dem Bandabstand zwischen den Minibändern in der Richtung [0 1] vorhanden ist, gibt es auf der (100)- Oberfläche der InGaP-Schicht, welche das spontane Übergitter enthält, eine Anisotropie, und die Elektronen können nicht in die Richtung [0 1] fließen, welche die pe­ riodische Richtung des spontanen Übergitters ist, sondern sie können lediglich sich in die Richtung [011] bewegen. Da die Elektronen innerhalb der (100)-Oberfläche durch den Heteroübergang wie oben beschrieben eingeschlossen sind, befinden sich die Elektronen in einem eindimensionalen Zustand, bei welchem sie lediglich in die Richtung [011] fließen können. Durch Dotieren der InGaP-Schicht 23 mit Verunreinigungen derart, daß das Ferminiveau innerhalb des Bandabstands zwischen Minibändern in der Richtung [0 1] vorkommt, kann der eindimensionale Elektronenzustand, welcher bei einer Verbesserung der Halblei­ terlasercharakteristik und beim Realisieren des Hoch­ geschwindigkeitsbetriebs von elektronischen Bauelementen wirksam ist, wegen der zweidimensionalen Beschränkung durch die Quantenmuldenstruktur und der Beschränkung bezüglich der Richtung, in welche die Elektronen infolge der Periodizität des spontanen Übergitters fließen können, realisiert werden.
Da bei dieser Ausführungsform eine derartige Struktur vorliegt, daß die GaInP-Schicht 23, welche das spontane Übergitter enthält, zwischen den AlGaInP-Schichten 22 und 24 angeordnet ist, kann der eindimensionale Elektronenzu­ stand erlangt werden, ohne daß das komplizierte Herstel­ lungsverfahren unter Verwendung des Stufenflußaufwachsens wie bezüglich des Stands der Technik beschrieben anzuwenden ist. Darüber hinaus wird eine aufwendige Aufwachsvorrich­ tung hoher Genauigkeit, welche bezüglich des Stufenflußauf­ wachsens nötig ist, nicht erfordert, und es kann ein Halb­ leiterbauelement mit einer hervorragenden Charakteristik leicht bereitgestellt werden.
Fig. 17 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine Struktur eines Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In der Figur bezeichnen dieselben in Fig. 16(a)-16(b) verwendeten Bezugszeichen dieselben oder entsprechende Teile. Bezugszeichen 25 bezeichnet eine nicht dotierte AlGaInP-Schicht, Bezugszeichen 26, 28 und 27 be­ zeichnen eine Sourcelektrode, eine Gateelektrode bzw. eine Drainelektrode, welche in der Richtung [011] angeordnet sind. Das Halbleiterbauelement der vierten Ausführungsform enthält die Struktur des Hauptteils des bezüglich der drit­ ten Ausführungsform beschriebenen Halbleiterbauelements, und die Gateelektrode 28 zum Steuern des Ferminiveaus der InGaP-Schicht 23 ist zwischen den Source- und Drainelektro­ den gebildet, und die GaInP-Schicht 23, welche das spontane Übergitter enthält, wird als eindimensionale Elektronenka­ nalschicht verwendet. Das Halbleiterbauelement der vierten Ausführungsform wird durch das Herstellungsverfahren des Halbleiterbauelements der dritten Ausführungsform mit zu­ sätzlichen Schritten wie folgt hergestellt. Nach dem Bilden der InGaP-Schicht, welche das spontane Übergitter enthält, wird die nicht dotierte AlGaInP-Schicht 25 auf der Oberflä­ che der InGaP-Schicht 23 gebildet. Die nicht dotierte Al- GaInP-Schicht 25 wird selektiv geätzt, bis die InGaP- Schicht 23 erreicht wird, um Öffnungen zum Bilden der Sourceelektrode 26 und der Drainelektrode 27 zu schaffen. Die Sourceelektrode 26 und die Drainelektrode 27 sind in den Öffnungen derart angeordnet, daß Ohm′sche Kontakte zu den Schichten geschaffen sind, und die Gateelektrode 28 wird auf der nicht dotierten AlGaInP-Schicht 25 an einer Position zwischen der Sourceelektrode 26 und der Drainelek­ trode 27 angeordnet.
Im folgenden wird der Betrieb beschrieben. Wenn keine Gatespannung an die Gateelektrode 28 angelegt wird, befin­ den sich die Elektronen in der InGaP-Schicht 23 wie bezüg­ lich der dritten Ausführungsform beschrieben, da die InGaP- Schicht 23, welche das spontane Übergitter enthält, zwi­ schen der AlGaInP-Schicht 22 und der nicht dotierten AlGaInP-Schicht 25 angeordnet ist, in einem eindimensiona­ len Leitungszustand in der Richtung [011] und fließen zwi­ schen dem Source und dem Drain mit einer hohen Geschwindig­ keit. Daher kann ein Halbleiterbauteil erlangt werden, wel­ ches bei einer hohen Geschwindigkeit betrieben werden kann.
Wenn als nächstes eine Gatespannung an die Gateelek­ trode 28 wie bezüglich der zweiten Ausführungsform be­ schrieben angelegt wird, ändert sich das Ferminiveau der InGaP-Schicht 23 und wird von der Energie des Bandabstands auf das Miniband entlang der Anordnungsrichtung des sponta­ nen Übergitters der InGaP-Schicht 23 verschoben, und die Elektronen können in die Anordnungsrichtung des spontanen Übergitters fließen. Dadurch wird die Eindimensionalität der InGaP-Schicht 23 aufgehoben und die Elektronengeschwin­ digkeit reduziert. Daher ist die Operation möglich, welche einer Schaltoperation ähnelt.
Ein Halbleiterbauelement mit hohem Leistungsvermögen, welches bei einer hohen Geschwindigkeit betrieben werden kann, kann leicht entsprechend dieser vierten Ausführungs­ form wie der dritten Ausführungsform vorgesehen werden.
Bei der vierten Ausführungsform wird die nicht dotierte AlGaInP-Schicht 25 durch Ätzen, bis die InGaP-Schicht 23 erreicht wird, selektiv entfernt, und die Sourceelektrode 26 und die Drainelektrode 27 werden auf der InGaP-Schicht 23 und im Ohm′schen Kontakt damit angeordnet. Da jedoch bei der Erfindung es lediglich erfordert wird, daß die Sourceelektrode 26 und die Drainelektrode 27 sich in einem Ohm′schen Kontakt mit der InGaP-Schicht 23 befinden, können die Teile der nicht dotierten AlGaInP-Schicht 25, an denen die Sourceelektrode 26 und die Drainelektrode 27 angeordnet werden sollen, mit Verunreinigungen einer hohen Konzentration auf eine Tiefe dotiert werden, welche die InGaP-Schicht 23 erreicht, und die Sourceelektrode 26 und die Drainelektrode 27 können auf diesen dotierten Gebieten und im Ohm′schen Kontakt damit anstelle eines Entfernens von Teilen der nicht dotierten AlGaInP-Schicht 25 angeordnet werden. Sogar in diesem Fall wird eine ähnliche Wirkung erzielt.
Fig. 18 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine Struktur eines Halbleiterbauelements in Übereinstimmung mit einer modifizierten Version einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Halbleiter­ bauelement der fünften Ausführungsform ist ein Halbleiter­ laser eines Doppelheterotyps unter Verwendung der Doppelhe­ terostruktur, welche die InGaP-Schicht 23 des eindimensio­ nalen Elektronenzustands als aktive Schicht wie bezüglich der dritten Ausführungsform dargestellt besitzt. In der Figur bezeichnen dieselben in Fig. 16 verwendeten Bezugszei­ chen dieselben oder ähnliche Teile. Bezugszeichen 31 be­ zeichnet ein n-Typ GaAs-Substrat, Bezugszeichen 32 bezeich­ net eine n-Typ AlGaInP-Überzugsschicht, Bezugszeichen 34 bezeichnet eine p-Typ AlGaInP-Überzugsschicht, und Bezugs­ zeichen 35 und 36 bezeichnen eine Elektrode mit n-Teil bzw. eine Elektrode mit p-Teil.
Der Halbleiterlaser der fünften Ausführungsform wird ähnlich dem in Fig. 16(a)-16(b) veranschaulichten Halb­ leiterbauelement wie folgt hergestellt. Die n-Typ AlGaInP- Überzugsschicht 32, die InGaP-Schicht 23, welche das spon­ tane Übergitter enthält, und die p-Typ AlGaInP-Überzugs­ schicht 34 werden auf dem n-Typ GaAs-Substrat 31 durch Gas­ quellen-MBE gebildet. Danach wird die Elektrode 35 mit n- Teil auf der Rückseitenoberfläche des n-Typ GaAs-Substrats 31 gebildet, und die Elektrode 36 mit p-Teil wird auf der Oberfläche der p-Typ AlGaInP-Überzugsschicht 34 gebildet, beide vorzugsweise durch Aufdampfung.
Wie beispielsweise in Applied Physics Letters, Band 62, Nr. 7, Seite 729 beschrieben, ist es allgemein bekannt, daß ein Halbleiterlaser bezüglich seiner Charakteristik durch Bilden eines eindimensionalen Leitungszustands in der akti­ ven Schicht stark verbessert werden kann. Da bei dieser Ausführungsform die InGaP-Schicht 23, welche das spontane Übergitter enthält, in welchem der eindimensionale Lei­ tungszustand leicht gebildet werden kann, als die aktiven Schicht verwendet wird, kann eine Verbesserung der Charak­ teristik wie die Realisierung eines niedrigen Schwellen­ wertstroms eines Halbleiterlasers leicht erreicht werden.
Während bei der dritten, vierten und fünften Ausfüh­ rungsform die Struktur verwendet wird, bei welcher die InGaP-Schicht zwischen den AlGaInP-Schichten angeordnet ist, um die Elektronen zweidimensional auf die InGaP- Schicht zu begrenzen, welche das spontane Übergitter enthält, kann die InGaP-Schicht zwischen Schichten angeordnet werden, welche andere Substanzen enthalten bzw. daraus bestehen, deren Bandabstand größer als der Bandabstand der InGaP-Schicht ist, anstelle der AlGaInP- Schicht der Erfindung. Sogar in diesem Fall können ähnliche Effekte erzielt werden.
Während bei der dritten, vierten und fünften Ausfüh­ rungsform die InGaP-Schicht, welche das spontane Übergitter enthält, zwischen Heterogrenzschichten angeordnet sind, kann die InGaP-Schicht zwischen Homogrenzschichten angeordnet werden. Wenn beispielsweise die Schichten, welche die InGaP-Schicht, welche das spontane Übergitter enthält, umgeben, andere InGaP-Schichten sind, welche unter solchen Bedingungen aufgewachsen sind, so daß ein spontanes Übergitter nicht gebildet ist, dann können, da die Schicht, welche nicht das spontane Übergitter enthält, einen größeren Bandabstand als denjenigen der Schicht besitzt, welche das Übergitter enthält, die Elektronen zweidimen­ sional auf die Schicht begrenzt werden, welche das spontane Übergitter enthält, wodurch ähnliche Wirkungen erzielt werden.
Während bei der dritten, vierten und fünften Ausfüh­ rungsform die InGaP-Schicht, welche das spontane Übergitter enthält, gebildet wird, um den eindimensionalen Leitungszustand des Elektrons zu erzielen, kann, da die Löcher derselben Beschränkung bezüglich der Leitungsrichtung durch das spontane Übergitter wie die Elektronen unterworfen sind, die InGaP-Schicht, welche das spontane Übergitter enthält, an einer vorgeschriebenen Stelle des Halbleiterbauelements gebildet werden, um die Leitungsrichtung der Löcher zu beschränken.
Während bei der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Ausführungsform die Fälle beschrieben werden, bei welchen AlInAs uns InGaAP als Schichten verwendet werden, in denen ein spontanes Übergitter gebildet ist, kann die vorliegende Erfindung auf Verbindungshalbleiter der Gruppe III-V wie GaInP, AlGaAs, AlGaInP, AlGaAsP und dergleichen angewandt werden, welche zwei oder mehr Arten von Elementen der Gruppe III enthalten, welche zur Bildung eines spon­ tanen Übergitters geeignet sind. Sogar in diesem Fall wer­ den ähnliche Wirkungen erzielt.
Während bei der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Ausführungsform die AlInAs-Schicht oder die InGaP- Schicht, in welcher das spontane Übergitter gebildet wird, durch Kristallaufwachsen unter Verwendung einer Gasquellen- MBE gebildet wird, kann bei der Erfindung ein Aufwachsverfahren, durch welches ein spontanes Übergitter gebildet wird, wie MOCVD (metal organic chemical vapor deposition, metallorganische chemische Aufdampfung), MBE (molecular beam epitaxy, Molekularstrahlepitaxie) und dergleichen zur Bildung von Schichten wie einer AlInAs- Schicht, einer InGaP-Schicht und dergleichen verwendet werden, in welcher ein spontanes Übergitter gebildet wird. Sogar in diesem Fall können ähnliche Effekte erzielt werden.
Während bei der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Ausführungsform die Schicht, in welcher das spontane Übergitter gebildet wird, durch Kristallaufwachsen auf der (100)-Oberfläche angeordnet wird, kann die Schicht, in welcher das spontane Übergitter gebildet ist, bei der Erfindung auf der Oberfläche gebildet werden, welche um mehrere Grad bezüglich der (100)-Oberfläche gekippt ist, wenn es möglich ist, ein spontanes Übergitter zu bilden. Sogar in diesem Fall können ähnliche Wirkungen erzielt wer­ den.
Während bei der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Ausführungsform die Schicht, in welcher ein spontanes Übergitter gebildet ist, durch Kristallaufwachsen auf der (100)-Oberfläche angeordnet ist, kann die Schicht, in welcher das spontane Übergitter gebildet ist, bei der Erfindung auf der [100]-Oberfläche angeordnet werden, welche Äquivalent der {100}-Oberfläche ist, auf der {110}- Oberfläche oder der {111}-Oberfläche. Sogar in diesem Fall können ähnliche Effekte erzielt werden.
Vorstehend wird ein Halbleiterbauelement offenbart, welches eine Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V, welche zwei oder mehr Arten von Elementen der Gruppe III und Verunreinigungen sowie ein spontan gebildetes Übergitter enthält und eine Streifenform mit zwei Enden besitzt, und Elektroden enthält, welche an den beiden Enden der streifenförmigen Halbleiterschicht derart angeordnet sind, daß die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V und die zwei Elektroden ein Widerstandselement bilden. Infolge der Ausbildung des spontanen Übergitters sind Elektronen innerhalb der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V eindimensional eingeschlossen, d. h. die Elektronen können leichter in die Richtung senkrecht zu der periodischen Richtung des spontanen Übergitters als in die Richtung parallel dazu fließen, woraus sich eine Ansisotro­ pie des elektrischen spezifischen Widerstands ergibt. Daher nimmt die Ausrichtung des Widerstandselements bezüglich der periodischen Richtung des spontanen Übergitters einen ande­ ren Faktor an, welcher einen Widerstandswert des Wider­ standselements bestimmt. Insbesondere können Widerstands­ werte der Widerstandselemente einer identischen Streifen­ form wesentlich unterschiedlich zueinander gebildet werden, wenn ein Element senkrecht zu der periodischen Richtung des spontanen Übergitters und ein anderes parallel dazu gebil­ det sind.

Claims (19)

1. Halbleiterbauelement (Fig. 8) mit:
einem Halbleitersubstrat (1), welches eine Hauptober­ fläche besitzt;
einer Verbindungshalbleiterschicht (2) der Gruppe III- V, welche zwei oder mehr Arten von Elementen der Gruppe III aufweist und Verunreinigungen enthält, und eine Oberfläche besitzt, welche auf der Hauptoberfläche des Halbleiter­ substrats (1) gebildet ist, wobei die Halbleiterschicht (2) ein spontan gebildetes Übergitter aufweist und eine Strei­ fenform mit zwei Enden besitzt;
Elektroden (3a, 3b), welche jeweils an beiden Enden der streifenförmigen Halbleiterschicht (2) angeordnet sind; und
wobei die Verbindungshalbleiterschicht (2) der Gruppe III-V und die zwei Elektroden (3a, 3b) ein Widerstandsele­ ment bilden.
2. Halbleiterbauelement (Fig. 8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) InP aufweist; und die Verbindungshalbleiterschicht (2) der Gruppe III-V AlInAs aufweist.
3. Halbleiterbauelement (Fig. 8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Mehrzahl von Widerstandselementen (2a, 2b) auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) gebildet ist; und
wenigstens ein Widerstandselement (2a) eine Konfigura­ tion besitzt, bei welcher sich die Verbindungshalbleiter­ schicht der Gruppe III-V des Widerstandselements (2a) in eine Richtung unterschiedlich zu denjenigen von anderen Wi­ derstandselementen (2b) auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) erstreckt.
4. Halbleiterbauelement (Fig. 8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Mehrzahl von Widerstandselementen (2a, 2b) auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) gebildet ist;
wenigstens ein Widerstandselement (2a) die Form einer geraden Linie besitzt, in welche sich die Verbindungshalb­ leiterschicht der Gruppe III-V des Widerstandselements (2a) in eine Richtung parallel zu einer periodischen Richtung des spontanen Übergitters auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) erstreckt; und
ein anderes Widerstandselement oder eine Mehrzahl von anderen Widerstandselementen (2b) unter den Widerstandsele­ menten die Form einer geraden Linie besitzt, in welche sich die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V des Wi­ derstandselements bzw. der Widerstandselemente (2b) in eine Richtung senkrecht zu der periodischen Richtung des sponta­ nen Übergitters auf einer Oberfläche parallel zu der Haupt­ oberfläche des Halbleitersubstrats (1) erstreckt.
5. Halbleiterbauelement (Fig. 9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V des Widerstandselements (2) in eine L-Form auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des Halb­ leitersubstrats (1) gekrümmt ist.
6. Halbleiterbauelement (Fig. 10) nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V des Widerstandselements (2) auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleiter­ substrats (1) derart angeordnet ist, daß sie sich in eine Richtung erstreckt, welche einen vorgeschriebenen Winkel bezüglich der periodischen Richtung des spontanen Übergit­ ters auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des zweiten Halbleitersubstrats (1) bildet.
7. Halbleiterbauteil (Fig. 4(a)) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V Verunreinigungen eines derartigen Betrages enthält, so daß das Ferminiveau sich innerhalb eines Band­ abstands zwischen Minibändern befindet, welche in der perio­ dischen Richtung des spontanen Übergitters der Verbin­ dungshalbleiterschicht der Gruppe III-V gebildet sind.
8. Halbleiterbauelement (Fig. 8) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Mehrzahl von Widerstandselementen (2a, 2b) auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) angeordnet ist; und
wenigstens ein Widerstandselement (2a) eine Konfigura­ tion besitzt, bei welcher sich die Verbindungshalbleiter­ schicht der Gruppe III-V in eine Richtung unterschiedlich zu denjenigen anderer Widerstandselemente (2b) auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleiter­ substrats (1) erstreckt.
9. Halbleiterbauelement (Fig. 8) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Mehrzahl von Widerstandselementen (2a, 2b) auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) gebildet ist;
wenigstens ein Widerstandselement (2a) eine Form einer geraden Linie besitzt, in welche sich die Verbindungshalb­ leiterschicht der Gruppe III-V des Widerstandselements (2a) in eine Richtung parallel zu der periodischen Richtung des spontanen Übergitters auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) erstreckt; und
ein anderes Widerstandselement oder eine Mehrzahl an­ derer Widerstandselemente (2b) unter den Widerstandselemen­ ten die Form einer geraden Linie besitzt, in welche sich die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V des Wi­ derstandselements bzw. der Widerstandselemente (2b) in ei­ ner Richtung senkrecht zu der periodischen Richtung des spontanen Übergitters auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) erstreckt.
10. Halbleiterbauelement (Fig. 9) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V des Widerstandselements (2) in eine L-Form auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des Halb­ leitersubstrats (1) gekrümmt ist.
11. Halbleiterbauelement (Fig. 10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V des Widerstandselements (2) auf einer Oberflä­ che parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) derart angeordnet ist, daß sie sich in eine Richtung erstreckt, welche einen vorgeschriebenen Winkel zu der pe­ riodischen Richtung des spontanen Übergitters bildet, auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche des Halb­ leitersubstrats (1).
12. Halbleiterbauelement (Fig. 11) mit:
einer ersten Halbleiterschicht (1) mit einer Haupt­ oberfläche;
einer Verbindungshalbleiterschicht (12) der Gruppe III-V, welche zwei oder mehr Arten von Elementen der Gruppe III und Verunreinigungen enthält und eine Oberfläche be­ sitzt, welche auf der Hauptoberfläche der ersten Halblei­ terschicht (1) angeordnet ist, wobei die Halbleiterschicht (12) einen Bandabstand besitzt, welcher kleiner als derje­ nige der ersten Halbleiterschicht (1) ist und ein spontan gebildetes Übergitter enthält;
einer Sourceelektrode (13) und einer Drainelektrode (14), welche entlang einer Linie in einer periodischen Richtung des spontanen Übergitters auf einer Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche der ersten Halbleiter­ schicht (1) innerhalb der Verbindungshalbleiterschicht (12) der Gruppe III-V angeordnet sind, wobei ein Ohm′scher Kon­ takt zu der Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V hergestellt ist; und
einer Gateelektrode (15), welche zwischen der Source­ elektrode (13) und der Drainelektrode (14) auf der Oberflä­ che der Verbindungshalbleiterschicht (12) der Gruppe III-V mit einer zwischen der Gateelektrode (15) und der Verbin­ dungshalbleiterschicht (12) der Gruppe III-V eingesetzten Insolierungsschicht (16) angeordnet ist.
13. Halbleiterbauelement (Fig. 11) nach Anspruch 12, da­ durch gekennzeichnet, daß
die erste Halbleiterschicht (1) AlGaInP aufweist; und
die Verbindungshalbeiterschicht (12) der Gruppe III-V GaInP aufweist.
14. Halbleiterbauelement (Fig. 16(a)) mit:
einer ersten Halbleiterschicht (22) mit einer Haupt­ oberfläche;
einer Verbindungshalbleiterschicht (23) der Gruppe III-V, welche zwei oder mehr Arten von Elementen der Gruppe III und Verunreinigungen enthält und eine Oberfläche be­ sitzt, die auf der Hauptoberfläche der ersten Halbleiter­ schicht (22) angeordnet ist, wobei die Halbleiterschicht (23) einen Bandabstand besitzt, welcher kleiner als derje­ nige der ersten Halbleiterschicht (22) ist und ein spontan gebildetes Übergitter enthält; und
einer zweiten Halbleiterschicht (24), welche auf der Oberfläche der Verbindungshalbleiterschicht (23) der Gruppe III-V angeordnet ist und einen Bandabstand besitzt, der größer als derjenige der Verbindungshalbleiterschicht (23) der Gruppe III-V ist.
15. Halbleiterbauelement (Fig. 16(a)) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Halbleiterschicht (22) und die zweite Halb­ leiterschicht (24) AlGaInP aufweisen; und
die Verbindungshalbleiterschicht (23) der Gruppe III-V GaInP aufweist.
16. Halbleiterbauelement (Fig. 18) nach Anspruch 14, da­ durch gekennzeichnet, daß
die erste Halbleiterschicht (32) und die zweite Halb­ leiterschicht (34) wechselseitig unterschiedliche Leitfä­ higkeitstypen besitzen; und
die erste Halbleiterschicht (32), die zweite Halblei­ terschicht (34) und die Verbindungshalbleiterschicht (23) der Gruppe III-V eine Doppelheterostruktur bilden, wobei die Verbindungshalbleiterschicht (23) der Gruppe III-V eine aktive Schicht ist; und
das Halbleiterbauelement als Halbleiterlaser ausgebil­ det ist.
17. Halbleiterbauelement (14(a)) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungshalbleiterschicht der Gruppe III-V Verunreinigungen eines derartigen Betrags ent­ hält, so daß sich das Ferminiveau innerhalb eines Bandab­ stands zwischen Minibändern befindet, welche in der perio­ dischen Richtung des spontanen Übergitters der Verbin­ dungshalbleiterschicht der Gruppe III-V gebildet sind.
18. Halbleiterbauelement (Fig. 17) nach Anspruch 17, ge­ kennzeichnet durch
eine Sourceelektrode (26) und eine Drainelektrode (27), welche entlang einer Linie in eine Richtung senkrecht zu der periodischen Richtung des spontanen Übergitters auf ei­ ner Oberfläche parallel zu der Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht (22) innerhalb des Verbindungshalbleiters der Gruppe III-V angeordet sind, wobei ein Ohm′scher Kon­ takt zu der Verbindungshalbleiterschicht (23) der Gruppe III-V gebildet ist; und
eine Gateelektrode (28), welche zwischen der Source­ elektrode (26) und der Drainelektrode (27) auf der zweiten Halbleiterschicht (25) angeordnet ist.
19. Halbleiterbauelement (Fig. 18) nach Anspruch 17, da­ durch gekennzeichnet, daß
die erste Halbleiterschicht (32) und die zweite Halb­ leiterschicht (34) wechselseitig unterschiedliche Leitfä­ higkeitstypen besitzen; und
die erste Halbleiterschicht (32), die zweite Halblei­ terschicht (34) und die Verbindungshalbleiterschicht (23) der Gruppe III-V eine Doppelheterostruktur bilden, wobei die Verbindunghalbleiterschicht (23) der Gruppe III-V eine aktive Schicht ist; und
das Halbleiterbauelement als Halbleiterlaser ausgebil­ det ist.
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