DE2815184A1 - Feldeffekttransistor - Google Patents

Feldeffekttransistor

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DE2815184A1 DE19782815184 DE2815184A DE2815184A1 DE 2815184 A1 DE2815184 A1 DE 2815184A1 DE 19782815184 DE19782815184 DE 19782815184 DE 2815184 A DE2815184 A DE 2815184A DE 2815184 A1 DE2815184 A1 DE 2815184A1
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Description

Patentanwälte 7 S 1 £γ 1 ft Λ
Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.
E.Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser
Ernsbergerstrasse 19
8 München 60
IHOMSON - GSP 6. April 1978
173, Bd. HausBmann
75008 PARIS - / Frankreich.
Unser Zeiotien: T 3067
Feldeffekttransistor
Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor auf einem Träger mit großem verbotenem Band.
Es ist bekannt, Feldeffekttransistoren herzustellen, die ein halbisolierendes Substrat aus Galliumarsenid (AsGa) aufweisen. Auf dieses Substrat ist durch Epitaxie oder irgendeine andere Maßnahme eine aktive Schicht aufgebracht, die ebenfalls aus Galliumarsenid besteht und η - leitend ist, eine Dotierungskonzentration in der Größenordnung von 10 ' Atome/cnr und eine geringe Dicke in der Größenordnung von 0,1 bis 1 pm hat. In dieser Schicht soll sich der leitende Kanal ausbilden. An der Oberfläche dieser Schicht sind einerseits die Sourceelektrode und die Drainelektrode angeordnet, bei welchen es sich um Metallüberzüge handelt, die einen ohmschen Kontakt mit der aktiven
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Schicht herstellen, und andererseits ist zwischen diesen beiden Elektroden die Gateelektrode aufgebracht, die aus einem Metall besteht, das mit der Schicht einen gleichrichtenden Kontakt (Schottky - Kontakt) bildet.
Diese Transistoren, die im englischen Sprachgebrauch als MESFET's (Metal-Semiconductor Field Effect Transistors) bezeichnet werden, sind auf dem Gebiet der Höchstfrequenzen sehr vorteilhaft. Trotzdem weisen sie mehrere Nachteile auf. Insbesondere können sich, wenn die an die Gateelek trode angelegte Spannung ausreicht, um die "Abschnürung" oder Sperrung des Transistors zu erreichen, Elektronenströme zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode über das Substrat ausbilden.
Diese Elektronenströme verringern die Verstärkung bei niedrigen Pegeln und den Drain - Source - Widerstand in dem Sättigungsbereich der Kennlinien.
Da diese Transistoren im allgemeinen aufgrund einer Wärmebehandlung (Epitaxie in der Dampfphase) erhalten werden, sind außerdem weitere Fehler festzustellen, die dem Vorhandensein von Fangstellen zuzuschreiben sind, welche sich in der Nähe der Grenzfläche zwischen Substrat und epitaxialer Schicht befinden.
Diese Fehler sind hauptsächlich: eine langsame Drift ihrer Kennlinien im Verlauf der Zeit, die Hysteresis dieser Kenn linien (Bildung von Schleifen in den Kennlinien Id = f(^ds) sowie Rauscherscheinungen·
Um das zu beseitigen, sind zwar bereits mehrere Lösungen vorgeschlagen worden, diese beseitigen jedoch im allgemeinen nicht die erste Kategorie dieser Fehler.
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Aufgabe der Efindung ist es, einen Transistor der eingangs genannten Art zu schaffen, in welchem diese Fehler beseitigt sind.
Ein Sperrschicht - Feldeffekttransistor mit einem halbisolierenden Substrat, auf welches durch Epitaxie eine η - leitende aktive Schicht geringer Dicke aufgebracht ist, auf der ohmsche Kontakte für die Source- und Drainelektrode und ein gleichrichtender Kontakt für die Gateelektrode angeordnet sind, ist gemäß der Erfindung vor allem dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht auf ein Material aufgebracht ist, das ein verbotenes Band hat, welches höher ist als ihr eigenes verbotenes Band, wobei die Höhendifferenz dieser Bänder infolge der Bildung eines Potentialwalles die Elektronen daran hindert, die aktive Zone zu verlassen.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 im Querschnitt einen bekannten Feldeffekttransistor,
Fig. 2 eine Schar von Erläuterungskurven, und
die Fig. 3 jeweils im Querschnitt drei Ausführungsbis 5 beispiele der Erfindung.
In Fig. 1 ist im Schnitt ein bekannter Feldeffekttransistor dargestellt, bei welchem es sich um einen MESFET handelt. Dieser Transistor enthält ein halbisolierendes Substrat 1, d.h. ein Substrat neutralen Leitungstyps, dessen spezifi-
rp
scher V/iderstand in der Größenordnung von 10' Ω crn liegt.
809842/090$
Auf diese Schicht ist durch Epitaxie, beispielsweise durch Epitaxie in flüssiger Phase, eine aktive Schicht 2 aus η - leitendem AsGa mit einer Fremdatomdichte in der Größen-Ordnung von 10 ' Atome/cnr aufgebracht. Ihre Dicke liegt beispielsweise - und um einzig und allein einen Anhaltspunkt zu geben - in der Größenordnung von 0,3/um.
Auf der freien Fläche dieser Schicht sind die Sourceelektrode 3j die Gateelektrode l± und die Drainelektrode 5 angeordnet. Es handelt sich bei ihnen um drei metallische Kontakte. Die beiden Kontakte 3 und 5 sind von derselben Art und rein ohmisch. Sie bilden also mit dem AsGa an der Grenzfläche Verbindungen, die die übertragung der Ladungsträger bewirken. Die Gateelektrode k bildet mit dem AsGa einen Schottky-Kontakt, d.h. einen gleichrichtenden Kontakt. Y/enn an die Sourceelekfcrode das Potential null, an die Drainelektrode ein konstantes positives Potential und an die Gateelektrode ein negatives Potential angelegt wird, wird diese also bestrebt sein, die freien Ladungsträger des η - Typs abzustoßen und die Schicht 2 durch Erscheinen einer Raumladungserscheinung "abzuschnüren" und infolgedessen den Source - Drain - Strom zu verändern. Die Eaumladungszone enthält nur positive feste Ladungen, die den Durchgang des Elektronenstroms von der Sourceeüektrode zu der Drainelektrode nicht bewirken. Gemäß Fig. 2 ergibt sich daraus eine Sättigung des Drain - Source- Widerstandes. Bei den bekannten Transistoren dieses Typs tritt, wie oben erwähnt, ein Nachteil auf: wenn der Kanal abgeschnürt ist, können sich Elektronenströme von der Sourceelektrode zu der Drainelektrode über das halbisolierende Substrat ausbilden. Diese Strome sind symbolisch durch den gestrichelten und mit Doppelpfeilen versehenen Kreis in Fig. 1 dargestellt. Gemäß Fig. 2 haben sie eine Steigung g, in dem Sättigungsteil der Kennlinie zur Folge, die die Verstärkung
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des Transistors verringert.
Die Struktur von Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Struktur nach der Erfindung, die gestattet, diesen ersten Nachteil zu vermeiden.
In Fig. 3 besteht die Schicht 2 aus einem Material, das von dem, aus welchem das Substrat besteht, verschieden ist. Sie hat im wesentlichen dieselben Abmessungen und dieselbe Dotierung wie in Fig. 1. Das Material hat aber ein verbotenes Band, welches tiefer ist als das des Substrats. Auf diese V/eise wird ein Potential wall gebildet, der sich dem übergang der Elektronen aus der aktiven Schicht in das Substrat widersetzt.
Die Erfindung ist insbesondere in demjenigen Fall realisierbar, in welchem die benutzten Halbleiter auf Galliumarsenid basieren. Es ist nämlich bekannt, daß die Verbindungen der Form Ga1 Alv As ein verbotenes Band haben, das höher ist als das von Galliumarsenid.
Im folgenden ist unter der Höhe des verbotenen Bandes die. Differenz der Energieniveaus in einem Halbleiter zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband zu verstehen.
Die Herstellung geht folgendermaßen vor sich: man kann das AsGa auf das Substrat durch Epitaxie in der Dampfphase oder durch Epitaxie in Molekularstrahlen aufbringen. Die letztgenannte Methode ergibt sich aus den herkömmlichen Epitaxieverfahren. Die Kontakte werden durch die herkömmlichen Maßnahmen des Aufdampfens im Vakuum und der Photolithographxe aufgebracht.
Fig. l\. zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, das weiter ausgebildet ist und in welchem das Vorhandensein der Fang-
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stellen an der Grenzfläche zwischen der aktiven Schicht und dem Substrat vermieden werden kann, ;
Diese Struktur unterscheidet sich von der vorhergehenden durch das Vorhandensein einer Pufferschieht 6, die zwischen die Schichten 1 und 2 eingefügt ist. In diesem Fall besteht das Substrat t ebenso wie die Schicht 2, aus Galliumarsenid. Die Pufferschieht 6 ist ein Häterial, dessen verbotenes Band eine größere Höhe hat al3 das der aktiven Schicht. Ihre Dicke liegt in der Größenordnung von 1 bis 10 /um. Ihre Zusammensetzung hat eine Formel der Form:
Gal-x A1x As
wobei χ etwa 0,5 betragen kann.
Die Herstellung kann beispielsweise folgendermaßen erfolgen:
Man benutzt einen Tiegel für die Epitaxie in flüssiger Phase mit mehreren Bädern. Die Sättigung dar flüssigen Bäder erfolgt bei 800 0C und die Geschwindigkeit des Tcmperaturabfalls liegt in der Größenordnung von 0,2 °C/r.iin .
In einem Ausführungsbeispiel wird die Pufferschieht 6 mit Hilfe eines Bades erhalten, das, in Atomanteilen, folgende Zusammensetzung hat:
Ga Al As Ge
0,9825 Jf. 10"3 13.10"2 5.10~'+
Das Substrat wird in dieses Bad eingebracht, welches eine· Tempers
10 min
Temperatur von 799 C hat, und die Aufwachszeit beträgt
Die Pufferschieht hat folgende Zusammensetzung: Ga0,5 A10,5 As
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und ihre Dotierung ist eine ρ - Dotierung mit einer Konzentration, die unter 10^ Atome/cnr liegt, und ihre Dikke beträgt 1 /um.
Die Anordnung wird dann in ein anderes Bad gebracht, das, in Atomanteilen, folgende Zusammensetzung hat:
Ga As Sn 0,958 2,21.10"2 2.10"2
Die Aufwachszeit der aktiven Schicht beträgt 15 s . Ihre Zusammensetzung hat die Formel AsGa, ihre η - Dotierung liegt in der Größenordnung von 10 ' Atome/cnr und ihre Dicke beträgt 0,3/Um .
Die Pufferschicht bildet mit der aktiven Schicht den HeteroÜbergang, der erforderlich ist, um eine Diskontinuität des verbotenen Bandes zu erzielen. Sie vermeidet die Bildung der Fangstellen an der Grenzfläche zwischen aktiver Schicht und Substrat.
Es sei angemerkt, daß andere Herstellungsverfahren angewandt werden können. Das vorstehend beschriebene hat den Vorteil, daß es keine Wärmebehandlungen oberhalb von 800 0C erfordert.
Es sei außerdem angemerkt, daß andere Verbindungen als AsGa benutzt werden können. Diese hat den Vorteil, daß sie leicht durch Epitaxie in flüssiger Phase erhalten werden kann. Außerdem bewirkt die Zugabe von Aluminium, das einerseits gute Heteroübergänge und andererseits Materialien leicht erhalten werden können, bei welchen die Höhen des verbotenen Bandes größer sind als die von AsGa ·
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Die !Erfindung ermöglicht daher, einerseits durch oinon Iieteroübergang Diskontinuitäten der verbotenen Hand er zu erzielen, die die Ausbreitung von Elektronenströi-icn in dem Substrat verhindern, und andererseits durch Hinzufügen einer Pufferschicht die Bildung von Grenzflächenfangctellen zu vermeiden.
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer Gchottkynicktrode beschränkt. Fig. 3 zeigt eine Struktur, die den gleichen Aufbau hat wie die von Fig. /.(., in der aber die Gateelektrode 7 aus einem ρ - Halbleiter hergestellt und von einem ohmschen Kontakt S überlagert ist. Selbstverständlich können alle Leitungstypen umgekehrt v/erden.
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Leerseite

Claims (1)

  1. THOMSON - CSI1
    173, Bd. Hausama im
    75008 PARIS / Frankreich
    Unser Zeichen; !E 3067
    Patentansprüche :
    Feldeffekttransistor mit einer Unterlagsschicht und mit einer halbleitenden aktiven Schicht, die auf dieser Unterlagsschicht angeordnet ist und auf deren Oberfläche die Sourceelektrode, die Gateelektrode und die Drainelektrode angeordnet sind, wobei die Gateelektrode mit der Schicht einen gleichrichtenden pn - Übergang bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht mit der Unterlagsschicht einen HeteroÜbergang bildet und daß die Unterlagsschicht aus einem Material besteht, dessen verbotenes Band höher ist als das der aktiven Schicht.
    2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlagsschicht eine Pufferschicht ist, die zwischen der aktiven Schicht und einem Substrat angeordnet ist.
    3· Feldeffekttransistor nach Anpruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat halbisolierend ist.
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    -z-
    l±. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektrode aus einem Metall besteht, das mit der aktiven Schicht einen gleichrichtenden Kontakt bildet.
    5. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektrode aus einer halbleitenden Schicht gebildet ist, die mit der aktiven Schicht einen gleichrichtenden übergang bildet.
    6· Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht aus Galliumarsenid besteht und daß die Unterlagsschicht aus einer Verbindung der Form Ga1 „ Alv As besteht.
    7· Feldeffekttransistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlagsschicht eine Pufferschicht zwischen der aktiven Schicht und einem halbisolierenden Substrat aus Galliumarsenid AsGa ist.
    809842/0906
DE19782815184 1977-04-08 1978-04-07 Feldeffekttransistor Withdrawn DE2815184A1 (de)

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