DE2801292A1

DE2801292A1 - Halbleiterbauelement mit zweidimensionalem ladungstraegerfluss

Info

Publication number: DE2801292A1
Application number: DE19782801292
Authority: DE
Inventors: Leroy Ligong Chang; Leo Esaki
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-04-20
Filing date: 1978-01-13
Publication date: 1978-10-26
Also published as: JPS596078B2; FR2388411B1; FR2388411A1; GB1590766A; US4137542A; JPS53131779A

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

gg/se
Halbleiterbauelement mit zweidimensionalem Ladungsträgerfluß

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, bei dem ein Ladungsträgerfluß auf in einer Ebene liegenden Richtungen begrenzt ist.

Die bisher bekannten Halbleiterstrukturen weisen die Beschränkung auf, daß die Bewegung der Ladungsträger, die für die Leitung durch das entsprechende Halbleiterbauelement verantwortlich sind, in allen Richtungen, also dreidimensional erfolgen kann. Dies hat Verluste zur Folge, die die Leistungsfähigkeit in vieler Hinsicht begrenzen.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Halbleiterstruktur anzugeben, die derartigen Beschränkungen nicht unterliegt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen niedergelegt.

Zusammenfassend wird die Erfindung darin gesehen, daß ein Halbleiterkörper aus Schichten heterogenen Halbleitermaterials in Ebenen parallel zur Leitungsrichtung gebildet wird, wodurch der Ladungsträgerfluß nur noch in zwei in diesen Ebenen liegende Richtungen ermöglicht wird. Eine derartige Struktur weist gegenüber bekannten Strukturen eine höhere Trägerbeweglichkeit, eine höhere Zustandsdichte und einen wählbaren Bandabstand auf. Diese Eigenschaften bewirken dann verbesserte Charakteristiken des Gesamtkörpers, verbesserte Eigenschaften der übergänge in optoelektronischen Anwendungen und verbesserte Eigenschaften der Übergänge in Transistorstrukturen.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1A

den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur,

Fign. 1Bu. 1c die bei einer erfindungsgemäßen Struktur gemäß Fig. 1A auftretenden Niveau-Schemen,

Fig. 2

ein den Volumen-Effekt ausnutzendes n-dotiertes Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung,

Fig. 3

ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit np-übergang in Form einer erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur und

Fig. 4

einen npn-Transistor gemäß der Erfindung.

iEs ist eine Klasse von Halbleiterstrukturen bekannt, die als Übergitter bezeichnet sind. Diese Strukturen setzen sich aus einer abwechselnden Folge von Schichten zweier unterschiedlicher Halbleitermaterialien zusammen. Ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit zweidimensionalem Ladungsträgerfluß kann unter Verwendung einer derartigen Übergitter-Struktur aus zwei Halbleitermaterialien gewonnen werden, wenn die labwechselnd unterschiedliche Bandabstände aufweisenden !Halbleiterschichten eine Breite aufweisen, die einem Bruchjbeil der mittleren freien Weglänge der Elektronen entspricht, pie Ladungsträger werden im wesentlichen gezwungen, entlang

ier Schichten zu fließen, was einem zweidimensionalem Ladungsbrägerfluß entspricht. In einer derartigen Struktur ergibt

ch an der Grenzfläche zwischen den beiden Halbleitern ein Scharfer Wechsel bzw. eine Ungleichförmigkeit in Energie-Niveau

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die als Niveau-Mulde oder auch Niveau-Barriere bezeichnet werden kann, die die Ladungsträger einschließt.

In Verbindung mit den Fign. 1A, 1B und 1C ist ein monokristalliner Halbleiterkörper gezeigt, der aus einem übergitter mit abwechselnden Schichten 1A bis 1D bzw. 2A bis 2C eines ersten und eines zweiten Halbleitermaterials besteht. Wie in Fig. 1B gezeigt, wechselt das Energie-Niveau von Schicht zu Schicht, wobei die Bandabstände mit E„* und E₃ und die sich daraus ergebenen Energie-Barrieren mit E_ und E bezeichnet sind. In den Fign. 1B und 1C sind also die Niveau-Schemen dargestellt, die die Niveau-Verhältnisse in der X-Richtung innerhalb des Halbleiterkörpers wiedergeben. Die abwechselnden Halbleiterschichten 1A bis 1D und 2A bis 2C sind epitaktisch mit den durch die Linien 3 bezeichneten Ebenen in Y-Z-Richtung miteinander verbunden.

Erfindungsgemäß ist es erforderlich, Grenzenergiezustände zu bilden, durch die der Ladungsträgerfluß nur noch in den Ebenen der Halbleiterschichten zugelassen wird. Um die zur Erfindung führenden Kriterien zu erfüllen, sind drei Bedingungen zu erfüllen. Die erste Bedingung besteht darin, die Niveau-Muldenbreite, in Fig. 1B mit d_w bezeichnet, größenordnungsmäßig mit einer Elektronenwellenlänge in Vergleich zu setzen. Dies erreicht man durch Einstellung der Dicke der Schichten 1B und 1C des Halbleiterkörpers. Die zweite Bedingung betrifft die mit d in Fig. 1B bezeichnete Barrierenbreite, die ausreichend groß gewählt werden muß, um die Elektronenwellen auf die Niveau-Mulden zu begrenzen. Dies erreicht man durch Einstellung der Dicke der Zonen 2A, 2B und 2C des Halbleiterkörpers. Die dritte Bedingung besteht darin, daß die Barrierenhöhe E_ß in Fig. 1B ausreichend groß gewählt wird, um die Elektronenwellen auf die Niveau-Mulden zu beschränken. Dies erreicht man durch Wahl der Halbleitermaterialien der aufeinanderfolgenden Schichten 1A bis 1D und 2A bis 2C. Die kombinierte Erfüllung dieser drei Bedingungen liefert die in den Fign. 1B

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und 1C mit E bezeichneten Energiezustände, die einen Ladungs-

XC

trägerfluß nur in den Ebenen Y-Z der Halbleiterschichten zulassen, so daß man den angestrebten zweidimensionalen Ladungsträgerfluß erzielt. In den Niveau-Schemen gemäß Fig. 1B und 1C sind die niedersten Energiezustände E für Elektronen im Leitungsband und die niedersten Energiezustände E für Löcher im Valenzband angegeben. Die Energiedifferenz zwischen

^Exc ^{und E}*
definiert.

E und E ist als effektiver Bandabstand des Übergitters

XC Xv

In einer typischen erfindungsgemäß aufgebauten Halbleiterstruktur, bei der die Schichten 1A bis 1D aus GaAs und die Schichten 2A bis 2C aus GaAlAs bestehen und die Dicke der Schichten 1B bis 1C und 2A bis 2C etwa 100 R beträgt, ergibt sich eine Barrierenhöhe E_ß von etwa 0,5 eV.

Geeignete Kombinationen von Halbleitermaterialien für die dünnen, periodisch aufeinanderfolgenden Halbleiterschichten sind beispielsweise GaAs-AlAs, GaSb-AlSb, InAs-GaSb, GaAs-ZnSe, GaSb-ZnTe und InSb-CdTe nebst deren Verbindungen, wie beispielsweise GaAs-Ga₁ Al As. Diese Halbleitermaterialien

I "X X

sind auf der Basis zweier Überlegungen auszuwählen. Die beiden Halbleitermaterialien müssen eine gute Gitterübereinstimmung haben, um qualitativ hohe und defektfreie Epitaxieschichten zu gewährleisten. Das die Energie-Mulden bildende Halbleitermaterial muß einen direkten Bandabstand aufweisen, wenn bei einer Verwendung in optoelektronischen Bauelementen eine starke Lichteraission erzielt werden soll.

Die erfindungsgemäße, nur zweidimensional stromleitende Halbleiterstruktur, wie sie in Fig. 1A dargestellt ist, weist bei ihrer Verwendung in Halbleiterbauelementen hervorragende Eigenschaften auf. Aus der Fig. 1C ist zu ersehen, daß die Zustandsdichte aus gegenüber normalen, einen dreidimensionalen 'Ladungsträgerfluß zulassenden Strukturen erhöht und unabhängig

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von Energie wird. Daraus ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur ein Verhalten zeigt, wie eine solche mit effektiv großen und variablen Bandabständen und Zustandsdichten. Außerdem wird durch den Wegfall der Bewegung in X-Richtung die kinetische Energie der Ladungsträger reduziert. Daher wird unter den üblichen Bedingungen, bei denen die Zerstreuungszeit umgekehrt proportional einer gewissen kinetischen Energie ist, eine höhere Beweglichkeit und ein größeres Diffusionsvermögen verwirklicht.

Vorteilhafte Anwendungen der Erfindung werden im folgenden anhand der in den Fign. 2, 3 und 4 dargestellten Halbleiterbauelementen herausgestellt.

Fig. 2 zeigt ein Halbleiterbauelement, bei dem der sogenannte Volumen-Effekt ausgenützt wird und das allgemein unter dem Namen Gunn-Oszillator bekannt ist. Das Bauelement ist erfindungsgemäß aus einer Reihe von Halbleiterschichten zweier unterschiedlicher Halbleitermaterialien aufgebaut, um die anhand der Fign. 1D und 1C dargelegten Energiebedingungen herzustellen. Im betrachteten Beispiel bestehen die Halbleiterschichten aus η-dotierten Halbleitermaterialien in Richtung des erfindungsgemäß festgelegten Elektronentransports sind an beiden Stirnseiten der Schichtstruktur Elektroden 4 und 5 mit Zuleitungen 6 und 7 angeordnet. Diese Elektroden können beispielsweise aus Schichten aus Lötmaterial bestehen. Die Schwingfrequenz hängt von der Übergangszeit der Ladungsträger ab. Da die Struktur aufgrund des nur zweidimensionalen i Ladungsträgerflusses eine sehr hohe Elektronenbeweglichkeit aufweist, erzielt man eine beträchtliche Erhöhung der Schwingfrequenz. Da die Wirkungsweise des Bauelementes im üblichen dreidimensionalen Fall auf Elektronenübergängen zwischen dem ! Grundband und einem höherliegenden Band erfolgt, erhält man ι im vorliegenden Fall durch Anheben des Grundbandes relativ :

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zum oberen Band eine Einstellung und Erniedrigung der Schwelle. Die höhere Driftgeschwihdigkeit reduziert die Trägerlaufzeit und bewirkt somit eine Erhöhung der Betriebsfrequenz.

Pig. 3 zeigt ein optoelektronisches Bauelement, das mit einem pn-übergang ausgestattet ist. Der Lichtaustritt erfolgt im Bereich des pn-überganges 8 und ist in der Zeichnung durch Pfeile angezeigt.

Durch den nur zweidimensionalen Ladungsträgerfluß erhält man eine beträchtlich erhöhte Energie-Zustandsdichte, was eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtenergie bewirkt. Die Frequenz des von einem derartigen optoelektronischen Bauelement ausgesandten Lichtes hängt im wesentlichen von der Größe des Bandabstandes des Halbleitermaterials ab und ist somit bei dem erfindungsgemäßen Bauelement über einen beträchtlichen Bereich einstellbar.

Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement, das durch Einbringen zweier pn-übergänge 9 und 10 als npn-Transistor ausgestaltet ist. Emitter, Basis und Kollektor sind !mit entsprechenden Anschlüssen 11A, 11B und 11C versehen. Die Grenzfrequenz eines Transistors ist u.a. abhängig von !der Trägerlaufzeit in der Basis und der Driftzeit im Kollektor. jBei Vorliegen eines zweidimensionalen Ladungsträgerflusses !verkürzen also eine hohe Diffusivität und Driftgeschwindigkeit jdie Trägerlaufzeit in der Basis und die Drift im Kollektor. jBei derartigen Transistoren ist demnach eine hohe Emitter- ;Wirksamkeit anzustreben. Die bei erfindungsgemäßen Bauelementen vorherrschende hohe Trägerbeweglichkeit trägt zur Erhöhung dieser Emitterergiebigkeit bei.

Die beschriebenen Halbleiterbauelemente lassen sieh bevor-

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jzugt durch Anwendung der Molekularstrahl-Epitaxie herstellen.

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Diese Technik eignet sich besonders zur Herstellung dünner aufeinanderfolgender Halbleiterschichten. Molekularstrahlen werden in Ultra-Hochvakuumsystemen von Effusionsöfen erzeugt, in denen die elementaren Bestandteile des Halbleitermaterials und die notwendigen Dotierungsstoffe enthalten sind. Die Strahlen werden auf ein Substrat gerichtet, wo unter geeigneten kinetischen Bedingungen der Aufwachsprozeß stattfindet. Für jeden Strahl sind individuelle Blenden vorgesehen, die über geeignete Rückkopplungsschaltungen oder digitale Rechensysteme gesteuert werden. Ein Blendensatz ist geöffnet, während der andere geschlossen ist, so daß jeweils ein Halbleitermaterial aufgewachsen wird. Bei Erreichen einer vorbestimmten Dicke des Halbleitermaterials wird der erste Blendensatz geschlossen und der zweite Blendensatz geöffnet, so daß das zweite Halbleitermaterial aufwächst. Dieser Vorgang wird dann wiederholt, bis die gewünschte Schichtfolge aufgebaut ist. Die Molekularstrahl-Epitaxie gestattet die Herstellung extrem gleichförmiger Schichten und ist genau steuerbar. Diese Merkmale sind bei der Herstellung erfindungsgemäßer Halbleiterbauelemente anzustreben. Wesentlich ist auch, daß dieses Epitaxieverfahren im Vergleich zu anderen Epitaxieverfahren nur eine relativ niedrige Substrattemperatur erfordert. Dadurch ist gewährleistet, daß nur eine vernachlässigbare thermische Diffusion stattfindet und somit scharfe Schichtübergänge und Strukturen erzielt werden.

Es ist daraufhinzuweisen, daß erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente nicht nur als Einzelelemente herstellbar sind, sondern daß diese Bauelemente auch im Rahmen integrierter Anordnungen zu verwirklichen sind.

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Leerseite

Claims

2801792 PATENTANSPRÜCHE

1. Halbleiterbauelement mit zweidimensionalem Ladungsträgerfluß, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Schichtstruktur mindestens eine Halbleiterschicht vorgesehen ist, die gegenüber den an sie angrenzenden Schichten eine Niveaumulde bestimmter Breite bildet, wobei die angrenzenden Schichten eine solche Barrienhöhe und Barrierenbreite aufweisen, daß der Ladungsträgerfluß auf die Halbleiterschicht und auf in deren Ebene liegende Richtungen begrenzt ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Ladungsträgerfluß zuständige Halbleiterschicht einerseits und die angrenzenden Halbleiterschichten andererseits aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der für den Ladungsträgerfluß zuständigen Halbleiterschicht mit einer Elektronenwellenlänge vergleichbar ist.

4. Halbeiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Ladungsträgerfluß zuständige Halbleiterschicht und die angrenzenden Halbleiterschichten gleiche Dicke aufweisen.

5. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Übergitterstruktur mit aufeinanderfolgenden Halbleiterschichten abwechselnden Halbleitermaterials besteht, wobei die den Ladungsträgerfluß eingrenzende Barrierenhöhe und Barrierenbreite durch die Bandabstände der Halbleitermaterialien bestimmt sind.

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ORIGINAL INSPECTED

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die abwechselnd aufeinanderfolgenden Halbleiterschichten aus GaAs und GaAlAs bestehen.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der für den Ladungsträgerfluß zuständigen Halbleiterschichten etwa 100 £ beträgt.

8. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzufuhr und die Stromabfuhr über an die Schichtstruktur angebrachte Elektroden erfolgt.

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