DE2721744A1 - Heterojonctions-transistor - Google Patents

Heterojonctions-transistor

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DE2721744A1 DE19772721744 DE2721744A DE2721744A1 DE 2721744 A1 DE2721744 A1 DE 2721744A1 DE 19772721744 DE19772721744 DE 19772721744 DE 2721744 A DE2721744 A DE 2721744A DE 2721744 A1 DE2721744 A1 DE 2721744A1
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Description

HETEROJONCTIONS-TRANSISTOR
27217U
Die Erfindung betrifft einen flachen sogenannten Heterojonctions-Transistor, d.i. ein Transistor, bei dem das Material der Emitterschicht von dem der Basisschicht verschieden ist, wobei die Kristallstrukturen der beiden Schichten kontinuierlich ineinander übergehen.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen bipolaren Heterojonctions-Transistor, der bei hohen Frequenzen, beispielsweise einigen GHz, arbeiten soll, sowie einen Fototransistor, der ein Lichtsignal feststellen soll.
Ein bipolarer Heterojonctions-Transistor besteht bekanntlich aus einer metallischen Kollektorkontaktschicht, einer auf der Kollektorkontaktschicht angeordneten Halbleiter-Kollektorschicht, einer auf der Kollektorschicht angeordneten Basisschicht mit entgegengesetzter Leitfähigkeit, wobei zwischen diesen beiden Schichten die Kristallstrukturen kontinuierlich ineinander übergehen, und einer Emitterschicht, deren Material von dem der Basisschicht verschieden ist, wobei die kristallinen Strukturen dieser beiden Materialien jedoch kontinuierlich ineinander übergehen und die Emitterschicht auf der Basisschicht angeordnet ist, im Verhältnis zur Basisschicht eine entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweist und dabei lediglich in einer "Emitterzone" vorhanden ist, einer metallischen Emitterkontaktbahn, die auf der Emitterschicht angeordnet ist, einer metallischen Basiskontaktbahn, die in elektrischem Kontakt mit der Basisschicht angeordnet ist.
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Grober gesehen besitzt ein solcher Transistor einen Emitter aus einem Material mit einem verbotenen Band der Breite E„ (beispielsweise eine N-Schicht), eine Basis aus einem Material mit einem verbotenen Band der Breite E,, die kleiner ist als E- (beispielsweise P-Schicht) und einem Kollektor aus einem Material mit einem verbotenen Band der Breite E.
Wenn die kristalline Beschaffenheit der Heterojonction gut ist (was von der Wahl der die Heterojonction bildenden Materialien abhängt) und wenn die Stärke der Basis im Verhältnis zur Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger (hier Elektronen) klein ist, so wird die Stromverstärkung des Transistors in Emitterbasisschaltung im Verhältnis zur Stromverstärkung eines bipolaren Homojonctions-Transistors, dessen Schichten genauso dotiert wären (p und η Schichten) wie die des hier betrachteten Transistors, um den Faktor E2 - El
vergrößert.
Betrachtet man beispielsweise einen Transistor mit E2 - E, = 250 meV und kT = 25 meV, so ergibt sich als Multiplikationsfaktor etwa 20 000.
Bei bipolaren Transistoren ergeben sich im Hochfrequenzbereich für den einwandfreien Betrieb Begrenzungen aus
- der Übergangszeit in der Basis (beispielsweise aus einer 0,1 A
dicken GaAs-Schicht, bei der die Übergangszeit kleiner als
—12
2.10 s und somit vernachlässigbar gering ist),
- dem Emitterkontaktwiderstand bei Kontakten auf Ga Al, wegen des Reaktionsvermögens des Werkstoffs
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-ο-
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- dem Basiswiderstand, der die Verstärkung begrenzt, der eine starke Störquelle bildet und der von der Basisdotierung und der Kontaktgeometrie abhängt (dieser Widerstand läßt sich bei einem Aufbau mit kammartig verzahnten Elektroden verringern),
- der Kollektor-Basis-Kapazität.
Die Herstellung eines bipolaren Heterojonctions-Transistors ist zwar komplizierter als die eines Transistors aus einem einzigen Halbleitermaterial, jedoch bietet sie den Vorteil, den Injektionskoeffizienten des Emitters in die Basis, d.h. für einen gegebenen Steuerstrom zwischen Basis und Emitter, zu verstärken, den Strom von Minoritäts-Ladungsträgern, die vom Emitter in die Basis eindringen, zu erhöhen und wie bereits gesagt, den Verstärkungsfaktor des Transistors in Emitterbasisschaltung zu vergrößern, selbst wenn seine Basis eine höhere Dotierkonzentration bekommen muß als sein Emitter. Leider ist bei den im allgemeinen verwendeten Heterojonctions-Transistoren, beispielsweise mit einem Gallium- und Aluminiumarsenidemitter und einer Galliumarsenidbasis die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in der Basis sehr klein, und um zu erreichen, daß diese Ladungsträger zum Kollektor gelangen,muß die Basis eine sehr geringe Stärke von einigen Zehntel Mikron erhalten. Zwar kann man derartig geringe Schichtstärken herstellen, jedoch tauchen technologische Schwierigkeiten auf, wenn man diesen Transistor bei hohen Frequenzen einsetzen sill. In diesem Fall ist es wünschenswert, dem Emitter und der Basis eine kammartig verzahnte Struktur zu verleihen, um die Berührungszone am Emitter-Basis-Übergang zu vergrößern, und dadurch einen geringeren Basiswiderstand zu erreichen. Hierzu führt man eine erste Gravur durch, bei der man lediglich in einem
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fc -
geeignet gewählten Bereich, der nachfolgend "Emitterzone" genannt wird, die Emitterschicht bestehen läßt. Bei dieser ersten Gravur erscheint die Basisschicht außerhalb dieser Emitterzone. Andererseits muß die Oberfläche der Basis außerhalb der Emitterzone möglichst klein gehalten werden, um Störströme und Kapazitäten zwischen Basis und Kollektor zu verringern. Hierzu ist es bekannt, die Basis durch eine zweite Gravur zu begrenzen, bei der erreicht wird, daß die Basis nur über einen sehr geringen Abstand hinweg über den Rand der Emitterzone hinausreicht. Es ist schwierig, diese zweite Gravur mit der notwendigen Genauigkeit durchzuführen. Daraus ergibt sich eine Senkung der Transistorleistungen entweder beim Verstärkungsfaktor oder bei der Grenzfrequenz. Ähnliche Schwierigkeiten ergeben sich bei Fototransistoren.
Die Erfindung zielt darauf ab, einen Heterojonctions-Transistor zu schaffender einen größeren Verstärkungsfaktor und eine höhere Grenzfrequenz aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist ein Heterojonctions-Transistor mit
- einer metallischen Kollektorkontaktschicht,
- einer auf der Kollektorkontaktschicht angeordneten Halbleiter-Kollektorschicht,
- einer auf der Kollektorschicht angeordneten Basisschicht mit entgegengesetzter Leitfähigkeit, wobei zwischen diesen beiden Schichten die Kristallstrukturen kontinuierlich ineinander übergehen,
- und einer Emitterschicht, deren Material von dem der Basisschicht verschieden ist, wobei die kristallinen Strukturen dieser beiden Materialien jedoch kontinuierlich ineinander übergehen und die Emitterschicht auf der Basisschicht angeordnet ist, im Verhältnis zur Basisschicht eine entgegengesetzte
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Leitfähigkeit aufweist und dabei lediglich in einer "Emitterzone" vorhanden ist,
- einer metallischen Emitterkontaktbahn, die auf der Emitterschicht angeordnet ist,
- einer metallischen Basiskontaktbahn, die in elektrischem Kontakt mit der Basisschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht nicht nur eine unter und in der Nähe der Emitterzone angeordnete Basiszone umfaßt, sondern darüber hinaus eine in Abstand von der Emitterzone liegende tote Zone aufweist, wobei die Basisschicht in dieser toten Zone zusätzliche Kristalldefekte besitzt, die dieser Zone über mindestens einen Teil ihrer Dicke einen spezifischen Widerstand verleihen, der mindestens tausend Mal größer ist als der in der eigentlichen Basiszone.
An Hand der beiliegenden schematischen Darstellungen 1 bis 9 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
In diesen Figuren werden gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren 1 bis 7 zeigen Schnitte durch eine Halbleiterplatte nach den aufeinanderfolgenden Fabrikationsschritten für einen erfindungsgemäßen aus dieser Platte hergestellten bipolaren Heterojonctions-Transistor.
Fig. 8 zeigt perspektivisch den gemäß den Fig. 1 bis hergestellten Transistor.
Fig. 9 zeigt perspektivisch eine Variante eines erfindungsgemäßen Transistors.
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Es ist bekannt, daß die Einführung von Sauerstoffionen oder die Beschießung mit Wasserstoffionen in einem Halbleitermaterial des Typs IH-V wie beispielsweise Galliumarsenid den spezifischen Widerstand dieses Materials stark vergrößern kann, so daß es stark dielektrische Eigenschaften erhält. Bs ist außerdem bekannt, diese Tatsache dazu zu benutzen, die Lichtemissionszone eines Lasers oder einer HaIbleiter-Elektrolumineszenzdiode zu begrenzen, wenn die Emissionsrichtung parallel zur Übergangsebene verläuft.
Erfindungsgemäß wird diese bekannte Eigenschaft dazu benutzt, in einer Schicht eine aktive Zone zu begrenzen, um dadurch die Leistungen eines Transistors zu erhöhen.
Zur Herstellung eines Transistors mit kammartig ineinander verschachtelten Kontakten und mit stark dotierter Basis geht man gemäß Fig. 1 von einer nach der Flüssigkeitsepitaxialtechnik gemäß bekannten Verfahren hergestellten Halbleiterplatte aus (H. Nelson R.C.A. Review 24 - 603 - 1963).
Diese Platte umfaßt von unten nach oben gesehen :
18 3
- ein mit Silizium in einer Konzentration von etwa 2.10 /cm
N-dotiertes Galliumarsenidsubstrat 2 (Ga As),
- einen Kollektor 4 aus demselben Material, das jedoch in einer Konzentration von 10 bis 2.10 /cm mit Zinn N-dotiert ist und eine Stärke von 4 Mikron aufweist,
- eine Basisschicht 6 aus demselben Material, das jedoch in
19 3 einer Konzentration von etwa 10 /cm mit Germanium P-dotiert ist und eine Stärke von 0,1 bis 0,5 Mikron aufweist,
709849/0794 ·/.
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- eine Emitterschicht 8, die aus Gallium- und Aluminiumarsenid
Ga_ 4_A1_ ccAs besteht und in einer Konzentration von 10
18 1
bis 5.10 /cm mit Tellur N-dotiert ist und eine Stärke von 1 Mikron aufweist,
- eine Emitterkontaktschicht 9, die aus Galliumarsenid besteht
18 3 und in einer Konzentration von 2.10 /cm mit Zinn oder Tellur N-dotiert ist und eine Stärke von 1 Mikron aufweist. Diese Schicht soll die Herstellung eines ohmschen Kontakts geringen Widerstands auf dem Emitter mit Hilfe eines auf der überdotierten Oberfläche durch Diffusion aufgebrachten nichtlegierten Metallkontakts erleichtern; die Herstellung dieses Kontakts wäre sonst durch das sehr oxydierfreudige in der Schicht 8 vorhandene Aluminium erschwert.
Gemäß Fig. 2 bringt man zuerst auf die beiden Stirnflächen der Platte zwei Metallschichten 10, 12 aus einer Gold-Germanium- oder Silber-Zinnlegierung auf.
Gemäß Fig. 3 wird dann die Metallschicht 12 auf den Bereichen der Emitterkontaktschicht 9 entfernt, die nicht den Emitterzonen wie beispielsweise 14 entsprechen.
Gemäß Fig. 4 werden dann die Emitterschichten 8 und außerhalb der Emitterzonen wie beispielsweise 14 entfernt. Hierzu verwendet man beispielsweise eine Fluorwasserstofflösung bei Umgebungstemperatur.
Gemäß Fig.5 wird eine Isolierschicht 13 (SiO_ oder Si-.N.) aus der Gasphase auf die obere Seite der Platte aufgedampft, woraufhin in dieser Isolierschicht Öffnungen wie beispielsweise 15 und 19 hergestellt werden, die den zukünftigen
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Emitterkontaktzonen und den Basiskontaktzonen wie beispielsweise 18 entsprechen. Ein Teil der Basisschicht 6 in der Nähe der Emitterzonen 14 entspricht den zukünftigen aktiven Basiszonen 18, während ein anderer Teil in einem Abstand von den Emitterzonen den zukünftigen toten Zonen 20 entspricht. Die Emitterzonen können 5 Mikron breit sein, und die Basiszonen können über eine Breite von 5 Mikron über die Emitterzonen hinausreichen.
Gemäß Fig. 6 wird eine aus Titan und Gold bestehende Metallschicht aufgebracht, die zur Herstellung der elektrischen Kontakte dient; diese Schicht läßt man lediglich über den auf den in Fig. 5 definierten Öffnungen, d.h. an Stellen 22 für den Emitter und 24 für die Basis bestehen, um die in Fig. 8 dargestellten deutlicher sichtbaren kammförmigen Leitungsbänder 26 und 28 herzustellen. Die Stellen 22 und 24 bilden also die Zähne einer kammartigen Struktur. Die aktive Basis wird mit einer Schicht 3O aus einem lichtempfindlichen Harz in einer Stärke von mindestens 10 Mikron bedeckt, die gegen einen Ionenbeschuß abschirmt. Die Randlinie dieser Schicht wird mit 32 bezeichnet und trennt die aktive Basis von der zukünftigen toten Zone. Anschließend wird mit positiven Wasserstoffionen in einem Teilchenbeschleuniger (Van de Graff) unter folgenden Bedingungen ein Ionenbeschuß durchgeführt :
- Ionenstrahlenergie : 450 keV
- Dosis : 5.10 /cm .
Aufgrund der durch diese Ionenbeschießung hergestellten Kristalldefekte erhält die Basisschicht 6 in den toten Zonen
709849/0794 ,
Dielektrikumeigenschaften. DiaEindringtiefe der Ionen ist größer als die Stärke der Basischicht, so daß der obere Teil der Kollektorschicht 4 ebenfalls dielektrische Eigenschaften erhält.
Die Erfindung kann auch in dem Fall zur Anwendung kommen, wo die Basisschicht aus einem anderen Material, wie beispielsweise mit Gallium dotiertem Germanium, besteht, das durch zusätzliche Ionen seine dielektrischen Eigenschaften verliert, jedoch unter der Bedingung, daß das Kollektormaterial durch Vorhandensein dieser Defekte dielektrisch gemacht worden ist.
Durch die Dicke und den hohen spezifischen elektrischen Widerstand der toten Zonen kann nicht nur die Störkapazität Kollektor-Basis sehr klein gehalten werden, sondern können auch Leckströme der Kollektor-Basis-Strecke fast vollkommen unterdrückt werden, weil ein Isolierschutzring geschaffen ist.
Die nach Entfernen der Harzschicht 30 erhaltene Platte \ird in Fig. 8 gezeigt. Sie wird anschließend mit Emitterkontaktdrähten und Basxskontaktdrähten versehen. Die Kollektorkontaktschicht 10 wird an ein Gehäuse gelötet und Emitter- und Basiskontaktdrähte werden auf die Leitungsbahnen 26 und 28 gelötet, deren Oberflächen für diesen Zweck hinreichend groß gewählt werden. Diese Leitungsbahnen greifen über den Rand 32 der toten Zone 20 über, da die Oberflächen der kammzahnförmigen Stellen 22 und 24 für das Anlöten dieser Drähte viel zu klein wäre. Bei dieser Herstellung sind die Emitterzonen vollkommen in der aktiven durch den Rand 32 begrenzten Basiszone enthalten. Unter
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diesen Bedingungen ist zwischen der aktiven Basiszone, die innerhalb der Randlinie 32 liegt, und den Leitungsbahnen 26 zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses zwischen Emitter und Basis die Isolierschicht 13 notwendig. Um die Herstellung der Kontakte auf dem Emitter und der Basis durch diese Schicht hindurch zu gestatten/ sind die Öffnungen 15 und 19 vorgesehen.
Diese Isolierschicht und das Bohren von Löchern in diese Schicht können jedoch in dem Fall vermieden werden, wo die Eindringtiefe der erfindungsgemäß· verwendeten Beschießungsionen größer als die Gesamtstärke der Schichten 22, 12, 9, 8 und 6 ist, d.h., wenn es möglich ist, der Basisschicht 6 Dielektrikumeigenschaften zu verleihen, indem die Ionen durch die Emitterschichten geschickt werden. In diesem Fall erweist sich die in Fig. 9 dargestellte Ausführungsform als vorteilhaft. In dieser Figur werden bereits in den vorstehenden Figuren geaaigten Bauteilen entsprechende Bauteile mit um erhöhten gleichen Bezugszeichen versehen. Diese zweite Ausführungsform gleicht der ersten mit Ausnahme der Tatsache, daß die Isolierschicht 13 nicht vorhanden ist und daß die Emitterschicht 108 und die Emitterkontaktschicht 109 über den Rand 132 der vor dem ionenbeschuß geschützten Zone durch eine Harzechicht wie beispielsweise 30 (Fig. 7) verlängert Bind, d.h. bis über die tote Zone 120 reichen.
Die metallischen Emittertaktbahnen 122 bilden dann über der toten Zone eine Leitungsbahn 126, deren Breite wesentlich größer i«t und ausreicht, einen Anschlußdraht ohne Schwierigkeiten anzulöten.
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Es sind weitere Einsatzmöglichkeiten für die Erfindung denkbar. Beispielsweise kann zur Verringerung des Utnkehrstroms der Kollektor-Basis-Strecke ein Kollektor hergestellt werden, der aus Gallium- und Aluminiumarsenid besteht. Auch kann bei einem Transistor des Typs Ga1 , Al As/GaAs/Ga As
-L ""Λ Ji
eine Germaniumbasis verwendet werden.
Der Transistor Ga1 Al As/GaAs/GaAs kann einen guten Fototransistor bilden, der insbesondere zur Feststellung von Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge von etwa einem Mikron eingesetzt werden kann.
In der Zeitschrift Soviet Phys. Semicon. Band 7, 1973, p. 780, ist eine solche Anwendung beschrieben. Hiervon unterscheidet sich der erfindungsgemäße Transistor durch folgende Merkmale : Die Basisstärke liegt zwischen 1 und 2 Mikron, es besteht ein peripherer Emitterkontakt, der für den Durchgang des Lichts eine Öffnung freiläßt, es gibt jedoch keinen Basiskontakt.
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Claims (1)

  1. Fo ίο 125 D 13- Mai 1977
    COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE S.A. 54, rue La Boetie, 7 5382 PARIS CEDEX 8 Frankreich
    PATENTANSPRÜCHE
    I)- Heterojonctions-Transistor mit
    - einer metallischen Kollektorkontaktschicht,
    - einer auf der Kollektorkontaktschicht angeordneten Halbleiter-Kollektor schicht,
    - einer auf der Kollektorschicht angeordneten Basisschicht mit entgegengesetzter Leitfähigkeit, wobei zwischen diesen beiden Schichten die Kristallstrukturen kontinuierlich ineinander übergehen,
    - und einer Emitterschicht, deren Material von dem der Basisschicht verschieden ist, wobei die kristallinen Strukturen dieser beiden Materialien jedoch kontinuierlich ineinander übergehen und die Emitterschicht auf der Basisschicht angeordnet ist, im Verhältnis zur Basisschicht eine entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweist und dabei lediglich in einer "Emitterzone" vorhanden ist,
    - einer metallischen Emitterkontaktbahn, die auf der Emitter schicht angeordnet ist,
    - einer metallischen Basiskontaktbahn, die in elektrischem Kontakt mit der Basisschicht angeordnet I3t,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (6) nicht nur oino unter und in der Nähe der Emitterzone (8) anqoordn. :to Banis.'one umfaUt, sondern darüber hinaus eine in
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    INSPECTED
    -<- 27217U
    Abstand von der Emitterzone liegende tote Zone (20) aufweist, wobei die Basisschicht in dieser toten Zone zusätzliche Kristalldefekte besitzt, die dieser Zone über mindestens einen Teil ihrer Dicke einen spezifischen Widerstand verleihen, der mindestens tausend Mal größer ist als der in der eigentlichen Basiszone.
    2 - Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterschicht (8) aus Gallium- und Aluminiumarsenid besteht, während die Basisschicht (6) entweder aus mit Germanium dotiertem Galliumarsenid oder aus mit Gallium dotiertem Germanium besteht.
    3 - Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oberflächenbereich der Kollektorschicht (4) unter der toten Zone (20) einen höheren Widerstand erhält, da sie zusätzliche Defekte enthält, die denen dieser toten Zone gleichen.
    4 - Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Emitterkontaktbahn (122) versehene Emitterzone sich über die tote Zone (2O) hinaus verlängert, wobei die Kontaktbahn oberhalb der toten Zone eine Leitungsbahn (126) bildet, deren größere Breite das Anlöten eines Anschlußdrahtes ermöglicht.
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DE19772721744 1976-05-20 1977-05-13 Heterojonctions-transistor Ceased DE2721744A1 (de)

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FR7615223A FR2352404A1 (fr) 1976-05-20 1976-05-20 Transistor a heterojonction

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