DE2713112A1 - Hochgeschwindigkeits-feldeffekttransistor - Google Patents

Hochgeschwindigkeits-feldeffekttransistor

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Description

Zusammenfassung
Ein Feldeffekttransistor (FET) verwendet vorzugsweise eine epitaktische Schicht aus Indiumgalliumarsenid als aktive Schicht. Auf der Oberfläche der aktiven Schicht sind Ohm'sche Source- und Drain-Kontakte im Abstand von entsprechenden gegenüberliegenden Seiten einer Schottky-Schicht-(gleichrichtenden)Gatterelektrode angeordnet. Die aktive Schicht wird auf eine epitaktische Übergangsschicht aufgewachsen, die allmählich von Galliumarsenid in Indiumgalliumarsenid übergeht und mit Chrom oder Sauerstoff dotiert ist, so daß sie serai-isolierend ist. Die Übergangsschicht ihrerseits ist über einer eigenleitenden Grundmaterialschicht aus Galliumarsenid gebildet. Hochgeschwindigkeitsbetrieb des FET ist erzielbar, weil die aktive Schicht exzellente Elektronentransporteigenschaften hat. Andere Materialien, die als aktive Schicht geeignet sind, sind Indiumarsenidphosphid und Indiumgalliumarsenidphosphid.
Hintergrund der Erfindung
Hochfrequenz-Feldeffekttransistoren verwenden Source- und Drain-Elektroden mit Ohm'sehen Kontakten auf entgegengesetzten Seiten einer Schottky-Sperrschicht-Gate-Elektrode auf der Oberfläche eines Körpers aus halbleitendem Material. In solchen Transistoren ist es erwünscht, die maximale Betriebsfrequenz so weit wie möglich anzuheben, damit sie bei höheren Mikrowellenfrequenzen verwendet werden können, um dort Mikrowellen-Vakuumröhren zu ersetzen, die Nachteile hinsichtlich Größe, Gewicht, Zerbrechlichkeit und der Forderung nach Heizenergie haben.
Bisher wurden die meisten Feldeffekttransistoren aus den üblichen Halbleitermaterialien hergestellt, nämlich Germanium und Silizium. Kürzlich sind Galliumarsenid-Feldeffekttransistoren kommerziell verfügbar geworden. Solche Transistoren haben
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geringes Rauschen und sind sehr stabil im Betrieb, während Silizium- und Germanium-Transistoren dieser Art gewisse
Beschränkungen aufweisen, die ihr Hochfrequenzverhalten
ungünstig beeinflussen. Die Erfindung betrifft Feldeffekttransistoren, in denen neue Halbleitermaterialien verwendet werden, die einige der Beschränkungen bekannter Bauelemente überwinden und es damit ermöglichen, für einen Betrieb bei höherer Frequenz zu sorgen.
die
Dementsprechend sind/Tufgaben der Erfindung darin zu sehen, daß ein Feldeffekttransistor für höhere Geschwindigkeiten
verfügbar gemacht wird, daß ein Feldeffekttransistor verfügbar gemacht wird, der neue Halbleitermaterialien verwendet, und daß ein Feldeffekttransistor verfügbar gemacht wird, der neue und vorteilhafte Eigenschaften von Halbleitermaterialien ausnutzt. Weitere Aufgaben und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in
Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:
Fig. 1 eine topographische Aufsicht auf einen Feldeffekttransistor ;
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1, und
Fig. 3 graphisch die Positionen der Gamma-, X- und
L-Minima für Indiumgalliumarsenid in Abhängigkeit vom Prozentsatz an Indium zwischen 0 und 100.
In einem Hochfrequenz-Feldeffekttransistor (FET) wird eine dünne Schicht aus dotiertem halbleitenden Material als
aktiver Bereich des Bauelementes verwendet. Eine Gchottky-Sperrschicht-Gate-Elektrode wird über dieser Schicht gebildet, und Source- und Drain-Kontakte werden ebenfalls über der Schicht gebildet, und zwar im Abstand und auf verschiedenen
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Seiten der Gate-Elektrode. Im Betrieb laufen Elektronen von der Source zum Drain unter der Gate-Elektrode an dieser vorbei, pieser Elektronenstrom kann dadurch gesteuert werden, daß die Vorspannung der Gate-Elektrode, und damit der Verarmungsbereich darunter, variiert wird, so daß der Elektronenstrom von der Source zum Drain in variabler Weise behindert wird.
Ersichtlich ist die Arbeitsgeschwindigkeit eines FET abhängig von der Zeit, die die Elektronen benötigen, in der aktiven Schicht aus halbleitendem Material des Transistors von der Source zum Drain zu laufen. Je schneller die Elektronen durch die aktive Schicht laufen können, umso höher ist die nutzbare Frequenz des Transistors. Diese Laufzeit kann ersichtlich dadurch verbessert werden, daß die üource- und Drain-Elektroden so eng wie möglich zusammengebracht werden, eine Begrenzung für die Kleinheit dieses Abstandes ist jedoch durch die Tatsache gegeben, daß die Gate-Elektrode zwischen diese beiden Elektroden gebracht werden muß und sowohl Source- als auch Drain-Elektroden-Kontakte einen Abstand von der Gate-Elektrode haben müssen.
Es wurde festgestellt, daß die Elektronenlaufzeit dadurch verringert werden kann, daß Materialien für die aktive Schicht benutzt werden, die bessere Elektronentransportcharakteristiken in der Gegenwart eines angelegten elektrischen Source-Drain-Feldes/srls aktive Schichtmaterialien, wie sie bisher benutzt wurden. Der Mechanismus des Elektronentransports von Source zu Drain in einer aktiven Schicht eines halbleitenden Materials ist zwar komplex und schließt hochwissenschaftliche Theorien der Festkörperphysik ein, es wird jedoch angenommen, daß die folgenden Theorien anwendbar sind.
In einem Feldeffekttransistor liegt das elektrische Feld von Source zu Drain unter normalen Vorspannungsbedingungen oberhalb
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des Schwellwerts für Zwischental(Intervalley)-Elektronentransfer, d.h., der Transfer von Elektronen vom untersten Elektronenenergieniveauband zu einem Elektronenenergieband mit höherem Energieniveau, das eine kleinere Beweglichkeit hat. Die Elektronenlaufzeit in einem FET ist auch nicht groß gegenüber der Zwischental(Intervalley)-Streuzeit, d.h., der Zeit, die Elektronen benötigen, in Gegenwart eines elektrischen Feldes von einem Energieband in ein anderes Energieband zu streuen. Es ist deshalb notwendig, die tatsächlichen dynamischen Verhältnisse der Elektronenbewegung zu betrachten statt nur ihre statische Geschwindigkeitsfeldcharakteristik, wenn das Betriebsverhalten eines FET beurteilt werden soll.
Ein optimales FET-Material wäre eines, in dem Elektronen mit der höchst möglichen Geschwindigkeit laufen (aufgrund des angelegten Feldes durch Source-Drain-Vorspannung), während sie sich im Gamma-Elektronenband befinden, wo ihre effektive Masse kleiner ist und damit ihre Geschwindigkeit höher, und wo die Elektronen die längst mögliche Zeit auf hohen Energieniveaus im Gammaminimum verbringen, ehe sie in Minima höherer Niveaus übergehen.
Indiumphosphid, das scheinbar wegen seiner hohen Spitzengeschwindigkeit Galliumarsenid für diesen Zweck überlegen ist, ist tatsächlich kein überlegenes Material, weil es eine hohe Zwischental(Intervalley)-Transferrate hat, so daß Elektronen nicht lange auf hohen Energieniveaus im Gammaminimum verbleiben, ehe sie in obere Täler transferieren. (44 J. Appl. Phys. 2746 (1973)).Speziell ist die Deformationspotentialkonstante für Transfer vom Gamma- zum X-Niveau in Indiumphosphid etwa 1 - 1,5 x lCr(eV/cm), d.h. erheblich höher als für Galliumarsenid (5 x It^ eV/cm), und da die Streuzeit proportional dem Kehrwert des Quadrats des Deformationspotentials ist, ergibt sich in Indiumphosphid eine schnellere
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Streuung der Elektronen in die L-Niveau-Täler, wodurch die Tatsache überwunden wird, daß eine höhere Energie erforderlich ist, um diesen Transfer durchzuführen.
Es wurde festgestellt, daß überlegene Elektronentransport-Charakteristiken dadurch erhalten werden können, daß gewisse ternäre oder quaternäre Materialien verwendet werden, nämlich Indiumgalliumarsenid, Indiumarsenidphosphid und Indiumgalliumarsenidphosphid. In der bevorzugten Ausführungsform wird Indiumgalliumarsenid als aktive Schicht eines FET verwendet, da Indiumarsenidphosphid und Indiumgalliumarsenidphosphid auf InP-Basis-Materialien gewachsen werden müssen, die serai-isolierend sind, es ist jedoch relativ schwierig, semi-isolierende Schichten aus diesen Materialien zu wachsen. Ferner haben η-dotierte InP-Materialien eine relativ niedrige Höhe der Schottky-Sperrschicht.
Fig. 1 ist eine topologische Aufsicht auf einen FET 10. Der FET 10 weist eine Gate-Elektrode 12 auf, die aus einem Material gebildet ist, das eine Schottky-Sperrschicht (gleichrichtende Schicht) mit dem darunterliegenden halbleitenden Material bildet, eine Drain-Elektrode 14, die einen Ohm1sehen Kontakt mit dem darunterliegenden halbleitenden Material bildet, und zwei Ohm'sche Source-Elektroden 16. Die Gate-Elektrode hat eine relativ breite Kontaktfläche mit zwei Fingern, die sich von dieser erstrecken, die Drain-Elektrode liegt zwischen diesen beiden Fingern, und die Source-Elektroden sind auf den von der Drain-Elektrode weg weisenden Seiten der beiden Finger angeordnet. Der Zweck der mehreren Finger besteht darin, den Gate-Elektroden-Widerstand zu erniedrigen.
Im in Fig. 2 dargestellten Querschnitt, in dem die vertikalen Abmessungen übertrieben dargestellt sind, ist zu erkennen, daß eine aus Grundmaterial gewachsene, eigenleitende
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Galliumarsenidschicht 18 als Substrat verwendet wird. Die Schicht 18 hat einen Widerstand von etv/a IO Ohm-Centimeter und ist etwa 0,356 nun (14 rails) dick. Auf die Schicht 18 ist eine semi-isolierende epitaktische Schicht PO gewachsen, vorzugsweise durch Dampfphasenepitaxie. Die Schicht 20 ist etwa 1-3 Mikron stark und geht allmählich von Galliumarsenid als Ausgangsmaterial am Boden in Tndiumgalliumarsenid an der Oberseite über, d.h., während des epitaktischen Wachsens wird Indium allmählich hinzugefügt, so daß die endgültige Zusammensetzung der Schicht Indiumgalliumarsenid ist. Die Anteile des endgültigen III-A-Materials betragen vorzugsweise 18 "o Tndium und 82 /o Gallium.
Während des epitaktischen Wachsens wird die Schicht 20 vorzugsweise mit Sauerstoff oder Chrom dotiert, um sie in bekannter Weise semi-isolierend zu machen. Beispielsweise kann man Wasserstoffblasen durch Chromoxychlorid-Flüssigkeit sprudeln lassen, so daß 5 x 10~6 mol pro Minute Chrom während der ganzen epitaktischen Wachstumsphase erhalten werden.
Schließlich wird die endgültige aktive Schicht 22 aus Indiumgalliumarsenid mit 18 7o Indium, 82 % Gallium im ITI-A-Bestandteil zu etwa 0,4 Mikron Stärke gewachsen. Die Schicht wird mit Schwefel dotiert, so daß sie η-leitend wird, und so daß sie eine Trägerkonzentration von etwa 10^? Dotieratome pro ecm enthält.
Danach werden Gate-, Drain- und Source-Elektroden und Kontakte 12, 14 und 16 in bekannter V/eise auf der Oberfläche gebildet. Beispielsweise können Source- und Drain-Kontakte von etwa 400 Angström aus 88 % Gold und 12 % Germanium gebildet werden, denen 75 Angström Nickel folgen und schließlich 45OO Angström Gold. Die Schottky-Sperrschicht-Gateelektrode kann aus 1000 Angström Platin gebildet werden, denen 3500 Angström Gold folgen. Das gesamte Plättchen 10 kann 0,406 mm im Quadrat messen, die Gateelektrodenfinger können jeweils
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Rechtecke von etwa 1 χ 100 Mikron coin, und die Source- und Drain-Kontakte 14 und 16 können etwa 0,1 mm bis 0,13 nun auf jeder Seite in den angegebenen Formen haben.
Im Betrieb laufen Elektronen von der Source zum Drain durch Schicht 22 in bekannter Weise und werden durch die Größe der Verarmungsschicht 24 gesteuert, die unter der Gate-Elektrode 12 durch die nicht dargesteLite Vorspannung erzeugt wird, die an die Gate-Elektrode 12 gelegt wird. Die Schicht 20 spielt im Betrieb keine aktive Rolle, sondern bildet ein Substrat für das epitaktische Wachsen der Schicht 22, In ähnlicher Weise bildet die Schicht 18 ein Grundmaterialsubstrat für das epitaktische Wachsen der Schicht 20. Die Schicht 20 geht allmählich von Galliumarsenid in Indiumgalliumarsenid in den dargestellten Anteilen über, um eine Oberfläche mit angepaßter Gitterkonstante für das Wachsen der epitaktischen Schicht 22 zu erhalten.
Die Übergangsschicht 20 hat den höchstmöglichen Widerstand, so daß kein Nebenschlußstrom zu dem addiert wird, der in der Schicht 22 läuft, wegen der Dünne der Schicht 20 gilt ein ähnliches Kriterium für die Grundmaterialschicht 18.
Wie in Fig. 2 durch "Alt A" angedeutet, kann anstelle von Indiumgalliumarsenid für Schicht 22 eine Indiumarsenidphosphidschicht verwendet werden, und in diesem Falle ändert sich die Schicht 20 allmählich von Indiumphosphid in Indiumarsenidphosphid, und die Grundmaterialschicht 18 würde aus Indiumphosphid gebildet. In diesem Falle würde die aktive Indiumarsenidphosphidschicht ein überlegenes Betriebsverhalten gegenüber einer aktiven Indiumphosphidschicht in der gleichen Weise mit sich bringen, wie die Indiumgalliumarsenidschicht eine Verbesserung gegenüber einer Galliumarsenidschicht mit sich bringt.
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Wie durch "Alt B" in Fig. 2 angedeutet, kann auch Indiumgalliumarsenidphosphid als aktive Schicht verwendet werden, und in diesem Falle kann die ilbergangsschicht 20 weggelassen und die Schicht 18 aus semi-isolierendera Indiumphosphid gebildet werden, da Indiumgalliumarsenidphosphid mit einer perfekten Gitteranpassung an Indiumphosphid gewachsen werden kann. Wenn jedoch irgendeine Form von Tndiumfjal Ii urmrnenidphosphid verwendet wird, die nicht an Indiumphosphid gitterangepaßt ist, würde eine Ubergangsschicht (InP zu InGaAsP) erforderlich. Mischungen von InGaAsP zwischen InGaAs und InAsP ergeben in diesem Bandlückenbereich ebenfalls ein gutes Betriebsverhalten.
In Fig. 3 sind graphisch die Positionen für Gamma-, X- und L-Minima für verschiedene Anteile von Indium in einer Indiumgalliumarsenidschicht dargestellt. Erkennbar verringert sich die effektive Gamma-Masse und die Energie der Gamma-Minima mit wachsendem Prozentsatz Indium (linke Seite der Abbildung), während die Energie der X-Minima wächst. Eine verringerte effektive Masse unterstützt das Betriebsverhalten, indem der Reihenwiderstand der Source reduziert wird. Sowohl Verringerung der effektiven Masse als auch Vergrößerung des Abstandes Gamma-X trägt zu einer Verkürzung der Elektronenlaufzeit durch die aktive Schicht bei, wobei angenommen wird, daß der Gamma-X-Deformationspotential-Koppelkoeffizient relativ unabhängig von der Zusammensetzung ist. Es wurde empirisch festgestellt, daß optimale Resultate mit 15 - 18 % Indium erhalten werden, wenn auch befriedigende Resultate mit 0 bis ^O % Indium erzielbar sind.
Die obige Beschreibung enthält viele spezielle Einzelheiten; diese sollen jedoch nicht als Einschränkung der Erfindung verstanden werden, sondern als Beispiels für mehrere bevorzugte Ausführungsformen. Beispielsweise können FETs mit nicht-koplanaren Elektroden (beispielsweise Gate auf der Unterseite einer aktiven Schicht)verwendet werden.
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Leerseite

Claims (12)

P/.TENTANV/ÄLTE DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT Orthstraße 12 ■ D-8000 München 60 ■ Telefon 832024/5 Telex 5212744 · Telegramme Interpatent 22. harz !977 Vl P441 D VARIAN ASSOCIATES, INC. Palo Alto, CaI., USA Hochgeschwindigkeits-Feldeffekttransistor Priorität: 29- März 1976 - USA - Ser. No. 671 189 Patentansprüche
1.JHochgeschwindigkeits-Feldeffekttransistor, bestehend aus " einer aktiven epitaktischen Schicht eines vorgegebenen Leitfähigkeitstyps, einem gleichrichtenden Gate-Kontakt und Ohm1sehen Source- und Drain-Kontakten auf der aktiven Schicht, bei dem der Gate-Kontakt so positioniert ist, daß er Stromfluss zwischen den Source- und Drain-Kontakten steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht aus einer Verbindung von wenigstens drei
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Elementen der Spalten III und V des Periodischen Systems der Elemente besteht und so dotiert ist, daß sie eine vorgegebene Leitfähigkeit hat.
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung Indiumgalliumarsenid ist.
3. Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht über einer epitaktischen Schicht gebildet ist, die sich allmählich von Galliumarsenid in Indiumgalliumarsenid ändert, wobei die epitaktische Schicht ihrerseits auf einem Grundmaterialsubstrat aus Galliumarsenid gebildet ist.
4-. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung Indiumarsenidphosphid ist.
5. Transistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht über einer epitaktischen Schicht gebildet ist, die sich allmählich von Indiumphosphid in IndiumarsenidphosphLd ändert, wobei die epitaktische Schicht ihrerseits auf einem Grundmaterialsubstrat aus Indiumphosphid gebildet ist.
6. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung Indiumgalliumarsenidphosphid ist.
7. Transistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht über einem Grundmaterialsubstrat gebildet ist.
8. Transistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht über einer epitaktischen Schicht gebildet ist, die sich allmählich von Indiumphosphid in Indiumgalliumarsenidphosphid ändert, wobei die epitaktische
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Schicht ihrerseits auf einem Grundmaterialsubstrat aus Indiumphosphid gebildet ist.
9. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Source-, Gate- und Drain-Kontakte auf einer gemeinsamen Fläche der aktiven Schicht gebildet sind.
10. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer Stützschicht aus halbleitendem Material unter der aktiven Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht einen sehr hohen Widerstand hat, so daß sie keinen merklichen Nebenschluß für die aktive Schicht bildet.
11. Transistor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht eine epitaktische Schicht ist und weiter ein Substrat unter der Stützschicht vorgesehen ist, das aus Grundmaterial besteht.
12. Transistor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Galliumarsenid ist, die Stützschicht sich allmählich von Galliumarsenid im unteren Teil in Indiumgalliumarsenid im oberen Teil ändert und mit Chrom oder Sauerstoff dotiert ist, und daß die aktive Schicht Indiumgalliumarsenid ist und für n-Leitfähigkeit dotiert ist.
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DE19772713112 1976-03-29 1977-03-24 Hochgeschwindigkeits-feldeffekttransistor Ceased DE2713112A1 (de)

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