DE1955950A1 - Halbleitermaterial und -vorrichtungen - Google Patents
Halbleitermaterial und -vorrichtungenInfo
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Description
München 22, Stainfdorfstr. 10
National Research Development Corporation, London (Großbrit.)
Halbleitermaterial und -vorrichtungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermaterial und Halbleitervorrichtungen.
Die deutsche Patentanmeldung P 19 02 094.1 vom 16.I.1969
(brit. Patentanmeldung Nr. 2791/68), die ein Vorläufer dieser
Anmeldung ist, beschreibt Halbleitereinrichtungen, die einen oder zwei Anschlüsse aufweisen und einen Körper aus Halbleitermaterial
umfassen, das ein Störstellenleiter des Leitfähigkeitstyps ist, bei dem die Minoritätsträger eine Lawinenverstärkung
bei niedrigeren elektrischen Feldstärken als die Majoritätsträger erzeugen, woran eine erste stark dotierte Elektrode
des gleichen Leitfähigkeitstyps wie der Halbleiterkörper und eine zweite stark dotierte Elektrode angebracht sind.
Eine solche Halbleitervorrichtung soll im folgenden als 'Vorrichtung des beschriebenen Typs" bezeichnet werden. Die
grundsätzlichen elektrischen Erfordernisse für das Halbleitermaterial, das den Körper der Halbleitervorrichtungen bildet,
293-JX 3l8Vo6-TpE (7)
009830/1783
sind: (l) der Halbleiter muß Störstellen bei der Temperatur
aufweisen, bei der die Vorrichtung zu Yerwenden ist, und (2) bei irgendeinem gegebenen elektrischen Feld muß das Verhältnis
der Minoritätsträger-Lawinenionisationsgesehwindigkeit
zur Majoritätsträger-Ionisationsgesehwindigkeit groß sein.
Zusätzlich erhöht sich die Maximalgesehwindigkeit, bei
der die Vorrichtung arbeitet, mit der Geschwindigkeit der Minoritätsträger in starken elektrischen Feldern. Deshalb
erhält man die gewünschte Eigenschaft des schnellen Betriebes, wenn eine dritte Bedingung erfüllt wird, und zwar wenn (j5)
die Geschwindigkeit der Minoritätsträger in starken Feldern groß ist.
Für die meisten Vorrichtungsanwendungen ist Kühlung unerwünscht oder nicht annehmbar. Daher muß entsprechend dem
oben genannten Erfordernis (1) das Halbleitermaterial bis zu Temperaturen etwas oberhalb der Raumtemperatur, angenähert
5000K störstellenleitend und sollte vorzugsweise bis zu
Temperaturen merklich oberhalb 3000K störstellenleitend sein.
Es ist auch erwünscht, daß das Material eine große Wärmeleitfähigkeit hat, so daß die Vorrichtungen eine große Leistung
bewältigen können, ohne sehr heiß zu werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für die genannten Zweoke geeignetes Material zu liefern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Halbleitermaterial gelöst, das durch die Zusammensetzung InP x Asi_x*
worin χ den Atombruehteil des Phosphors besset ahnet und zwischen
0,l6 und 0,65 liegt, oder In. Ga As gekennzeichnet ist, worin y den Atombruohteil des öailiums bezeichnet und
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zwischen 0,15 und 0,43 liegt.
Erfindungsgemäß werden dann Vorrichtungen des beschriebenen
Typs aus einem Einkristall einer solchen Legierung InP As1 ,
worin χ den Atombruchteil des Phosphors bezeichnet und zwischen 0, l6 und 0,65 liegt, oder einer solchen Legierung In^ Ga As hergestellt,
worin y den Atombruchteil des Galliums bezeichnet und zwischen 0,15 und 0,43 liegt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nun unter Hinweis auf die Zeichnung beschrieben werdenj darin zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der
Energieübergänge von der Zusammensetzung des Materials in den Systemen InAs/lnP und InAs/GaAsj
Pig„ 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit
des Wertes Δ ^/ Δ E vom Wert Δ E für die
Komponenten InP As. und In Ga As; und
Λ J- .Λ J. Jf Jf
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der
Wärmeleitfähigkeit von der Zusammensetzung in den Systemen InAs/lnP und InAs/GaAs.
Die grundlegenden elektrischen Erfordernisse sind, wie bereits erwähnt wurde, folgende:
(1) Der Halbleiter muß bei der Temperatur, bei der die Vorrichtung verwendet wird, störstellenleitend seinj
(2) bei irgendeinem gegebenen elektrischen Feld muß das Verhältnis der Minoritätsträger-Lawinenionisationsgeschwindigkeit
zur Majoritätsträger-Ionisationsgeschwindigkeitgroß sein; und
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die Geschwindigkeit der Minoritätsträger in starken Feldern muß groß sein.
Zwei bekannte Materialien, die den Bedingungen (2) und (j5)
genügen, sind p-Typ-InSb und p-Typ-InAs. Jedoch würde die
Bedingung (l) die maximale Arbeitstemperatur im Fall von InSb auf etwa 1500K und im Fall von InAs auf etwa 220°K begrenzen«
Daher ist keines der beiden Materialien zur Verwendung in einer Vorrichtung geeignet, die bei Raumtemperatur arbeitet. Zum Betrieb
bei Raumtemperatur sollte der verbotene Bandabstand des Halbleiters größer als etwa 0,5 eV sein.
GaAs und InP haben beide Energieabstände von etwa 1,4 eV und genügen so bei Raumtemperatur gut der Bedingung (l). Jedoch
gehen bei diesen beiden Materialien die Elektronen in starken Feldern von Leitbandzuständen hoher Geschwindigkeit in Zustände
niedriger Geschwindigkeit über. Im Zusammenhang mit der vorliegenden
Vorrichtung ist dies aus zwei Gründen unerwünscht. Erstens wird die Elektronenlawinengeschwindigkeit vermindert,
was vom Gesichtspunkt der Bedingung (2) unerwünscht ist. Zweitens vermindert sich die Arbeitsgeschwindigkeit der Vorrichtung
auf Grund der Bedingung (3). Die Bedingungen (2) und (3)
würden gut erfüllt, wenn die Bandstruktur des Halbleiters derart wäre, daß die Elektronen im Leitband Energien erreichen
könnten, die hoch genug sind, um Elektronen-Loch-Paare durch Ionisation zu erzeugen, während sie noch immer eine zu geringe
Energie hätten, um in Niedriggeschwindigkelt-Leitbandzustände
überzugehen. Daher sollte die Trennung zwischen dem niedrigsten Energiezustand im Leitband und dem Niedrigstenergie-Niedrigbeweglichkeitszustand
im Leitband die Trennung Δ Ε zwischen dem höchsten Energiezustand im Valenzband und dem
Niedrigst-Energiezustand Im Leitband übertreffen. In geeigne-
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ten Materialien haben die Elektronen am Boden des Leitbandes eine hohe Beweglichkeit und Löcher im Valenzband eine niedrige
Beweglichkeit. Es soll die Energietrennung zwischen dem Boden des Leitbandes und den Niedrigstenergie-Niedrigbeweglichkeitszuständen
im Leitband mit Δ™. bezeichnet werden. Wenn Δγν
> ist, erreichen Elektronen im Leitband die Minimalenergie zur Erzeugung
eines Elektronen-Loch-Paares durch Ionisation (welche
Energie angenähert Δ E ist), bevor sie in Niedrig-Beweglichkeitszustände übergehen. Unter diesen Umständen ist die Elektronenlawinen-
Ionisationsgeschwindigkeit viel größer, als wenn der
Übergang aufgetreten wäre, und übertrifft daher die Lochlawinengeschwindigkeit um einen größeren Betrage Zusätzlich ist die
Elektronengeschwindigkeit in einem zur Erzeugung von Lawinenionisation ausreichend starken Feld größer. Daher werden die
Bedingungen (2) und (3) am besten erfüllt, wenn das Verhältnis größer als 1 ist.
Die Vorrichtung arbeitet auch in Materialien mit einem geringeren Verhältnis als 1, dooh das Verhalten wird bei solchen
p-Typ-Materialien besser sein, wo das Verhältnis 1 übertrifft.
Es werden daher Materialien benötigt, die folgende Bedingungen erfüllen:
(1) ΔΕ > 0,5 eV
(2) Λΐν/ΛΕ -* U
Es wurde nun gefunden, daß bei InP das Verhältnis Δΐν/ΔΕ
größer ist, als bisher angenommen wurde. Das Verhältnis ist etwa 0,6, was für den angenommenen Zweck nicht gerade groß
genug ist, doch genügt, um die Legierungen aus InP und InAs für
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eine Diode des beschriebenen Typs besonders und unerwartet
günstig zu machen. Ein anderes Legierungssystem, das für gewisse Erfordernisse günstig sein sollte, ist das von GaAs
mit InAs. In diesem System ist die Elektronenbeweglichkeit etwas größer als im InP-InAs-System, so daß die Geschwindigkeit
der Diode etwas größer sein kann.
Pig. 1 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der Energieübergänge von der Zusammensetzung in den Systemen
InAs/InP und InAs/GaAs bei Raumtemperatur. Die Abszisse auf
der linken Seite der Ordinatenachse zeigt den Atombruehteil χ
von Phosphor in InP As, , und die Abszisse auf der rechten Seite der Ordinatenachse zeigt den Atombruehteil y von Gallium
in In1 Ga As. Die Ordinaten zeigen ΔΕ, die Energietrennung
zwischen dem höchsten Energiezustand im Valenzband, und ΖλΕ +
den niedrigsten Energiezustand im Leitband. Die Abszissenachse entspricht daher der Spitze des Valenzbandes.
In den Diagrammteilen steigt ΛE, das einen Wert von
0,55 Elektronenvolt für InAs hat, ziemlich linear mit χ
auf einen Wert von 1,3 Elektronenvolt für InP und ziemlich linear mit y auf einen Wert von 1,4 Elektronenvolt für GaAs.
Ähnlich steigt AE + Δ_ν, das einen Wert von 1,5 Elektronenvolt
für InAs hat, ziemlich linear mit χ auf einen Wert von . 2,15 Elektronenvolt für InP und ziemlich linear mit y auf
einen Wert von 1,75 Elektronenvolt für GaAs.
Die Abhängigkeiten können als Lineargleichungen
ΔΕ = 0,95 x + 0
Δΐν = -o,3 x + 1,15
und Δε = 1,05 Σ + °*35
Δ β -ο,8 ν. + 1,15
Δΐν = -o,3 x + 1,15
und Δε = 1,05 Σ + °*35
Δ β -ο,8 ν. + 1,15
009830/1783
ausgedrückt werden.
Diese beiden Simultangleichungsgruppen ergeben zusammen mit den Ungleichungen ΔΕ
> 0,5 und Δ / Δε >1 zwei Bereiche
von annehmbaren Materialien, nämlich y = Oj 0,158 < χ ^ 0,64
und X = O; 0,14? <: y
< 0,4^2.
Alternativ können die Diagramme in Diagramme umgewandelt m
werden, in denen Δ™/Δε gegen ΔΕ für die beiden Systeme
InAs/InP und InAs/GaAs aufgetragen ist, und dies ist in Fig.
geschehen. Eine gestrichelte Linie (AE) ^ bezeichnet ΛΕ = 0,5*
und eine gestrichelte Linie ( ^tv/^E^mIn bezeicnnet Δτγ/Δ,Ε = 1;
annehmbare Materialien liegen im Diagramm zwischen den Linien in einem Bereich, der in der Figur schraffiert ist.
Die genaue gewählte Zusammensetzung hängt von der erforderlichen Betriebstemperatur ab. Bei hohen Umgebungstemperaturen
und hohen Eingangsleistungen ist die InAsP-Legierung mit höherem Phosphorgehalt vorzuziehen, da dann ein
größerer Bandabstand nützlich ist. Eine weitere wesentliche A
Eigenschaft dieses Legierungssystems in diesem Zusammenhang ist seine Wärmeleitfähigkeit, die verhältnismäßig groß ist.
Fig. 3 stellt ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit
der Wärmeleitfähigkeit von der Zusammensetzung in den Systemen InAs/InP und InAs/GaAs dar. Die Abszissen im Diagramm
sind genau wie die in Fig. 1, doch die Ordinate zeigt tv: , Wärmeleitfähigkeit K. Probenwerte der Wärmeleitfähigkeit
K eier Verbindungen In1- Ga As und inp x ASi_x in Watt cm" 0C
siad folgende:
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χ K- y K
| (InP) 1 | 0,615 | (GaAs)I | 0,57 |
| 0,9 | 0,17 | 0,7 | 0,06 |
| 0,6 | 0,11 | 0,5 | 0,045 |
| 0,4 | 0,11 | 0,25 | 0,06 |
| 0,08 | 0,2 | 0,08 | ο,ι |
| (InAs)O | 0,29 | (InAs)O | 0,29 |
Indiumphosphidarsenid und Indiumgalliumarsenid können
in bekannter Weise durch Wachstum aus der Schmelze, Wachstum aus der Lösung oder Dampf- bzw. Flüssigkeitsepitaxie hergestellt
werden.
Zum Beispiel kann man Phosphor und Arsen in einem Überschuß von Indium bei einer Temperatur auflösen, wo die Lösung
flüssig ist. Beim Abkühlen der Lösung werden Kristalle von Indiumphosphidarsenid entweder epitaxial auf einem Einkristallkeim
aus Indiumarsenid, Galliumarsenid, Indiumphosphid oder
Indiumphosphidarsenid oder in anderer Weise niedergeschlagen. Indiumphosphid wird bevorzugt niedergeschlagen, und daher
muß die Ausgangszusammensetzung einen höheren Anteil von Arsen enthalten, als in .der Legierung gewünscht wird.
Im Fall von Indiumgalliumarsenid kann man Gallium und Arsen in einem Überschuß von Indium auflösen. Die anderen
Verfahrensschritte sind entsprechend. Galliumarsenid wird bevorzugt niedergeschlagen, und daher muß die Ausgangszusammensetzung
in jedem Falle einen höheren Anteil von Indium enthal-
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ten, als in der Legierung gewünscht wird.
Alternativ kann man auch eine Gasmischung, die Arsen, Phosphor, ein oder mehrere der Chloride von Indium und Wasserstoff
enthält, über einen Einkristallkeim aus Indiumarsenid, Galliumarsenid,
Indiumphosphid oder Indiumphosphidarsenid leiten, so daß eine epitaxiale Abscheidung stattfindet. Eine Möglichkeit
zum Herstellen der Gasmischung besteht darin, daß man Arsen- λ
trichlorid, AsCl-,, und PhosphortriChlorid, PCI-, in einem Strom
von Wasserstoff bei erhöhter Temperatur, gewöhnlich etwa 75O0C
Über flüssiges Indium strömen läßt. Der Wasserstoff reduziert die Arsen- und Phosphorchloride zu freiem Arsen und Phosphor
und bildet Chlorwasserstoff, HCl. Anfangs lösen sich Arsen und Phosphor im Indium auf. Wenn das Indium mit Arsen und
Phosphor gesättigt ist, treten Arsen und Phosphor zusammen mit Indiumchlorid, InCl, das durch Reaktion des Chlorwasserstoffs
mit Indium gebildet wurde, und Überschußwasserstoff in den Gasstrom. Ein alternatives Verfahren zur Herstellung
der erforderlichen Gasmischung besteht darin, daß man Arsentrichlorid in Wasserstoff bei erhöhter Temperatur von etwa ,
75O°C über Indiumphosphid strömen läßt.
Im Fall des Indiumgalliumarsenids kann man Arsentrichloridgas
"mit Wasserstoff über eine Mischung von flüssigem Indium
und flüssigem Gallium strömen lassen. Der Wasserstoff reduziert das Arsentrichlorid und macht Arsen frei, wobei sich Chlorwasserstoff
bildet. Anfangs löst sich Arsen in der Flüssigkeit. Fenn die Flüssigkeit mit Arsen gesättigt ist, treten Arsen
zusammen mit Indium- und Galliumchloriden, die duroh Reaktion des Chlorwasserstoffs mit dem Indium und dem Gallium gebildet
wurden, und Überschußwasserstoff in den Gasstrom.
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Claims (2)
1. Halbleitermaterial, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung InP As1 , worin χ den Atombruchteil des
Phosphors bezeichnet und zwischen 0,16 und 0,65 liegt, oder
1 Ga As, worin y den Atombruchteil des Galliums bezeichnet
und zwischen 0,15 und 0,43 liegt.
2. Verwendung eines Halbleitermaterials nach Anspruch 1 für den Halbleiterkörper einer außerdem zwei oder mehr Anschlüsse
aufweisenden Halbleitervorrichtung, wobei das Halbleitermaterial ein Störstellenleiter des Leitfähigkeitstyps ist, bei dem
die Minoritätsträger eine Lawinenverstärkung bei niedrigeren elektrischen Feldstärken als die Majoritätsträger erzeugen,
und am Halbleiterkörper eine erste stark dotierte Elektrode des diesem gleichen Leitfähigkeitstyps und eine zweite stark
dotierte Elektrode angebracht sind.
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1972
- 1972-03-30 US US00239586A patent/US3745427A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| NL6916757A (de) | 1970-05-11 |
| CA932628A (en) | 1973-08-28 |
| FR2022797A1 (de) | 1970-08-07 |
| FR2022797B1 (de) | 1975-01-10 |
| US3745427A (en) | 1973-07-10 |
| GB1263709A (en) | 1972-02-16 |
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