DE2847451C2 - Halbleiterbauelement und Verfahren zum Herstellen - Google Patents
Halbleiterbauelement und Verfahren zum HerstellenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, ausgenommen Lumineszenz-Halbleiterbauelementc, mit
wenigstens einer Halbleiterzone, insbesondere der Basiszone eines Transistors, in der auf die Ladungsträger ein
diese beschleunigendes, durch den Aufbau der Halbleiterzone bedingtes Feld einwirkt.
In der Basiszone eines Drifttransistor* wirkt auf die
Ladungsträger, bedingt durch die räumlich unterschiedliche Dotierung der Zone, ein sogenanntes Driftfeld ein,
durch das die von der Emitterzone injizierten Ladungsträger in Richtung auf die Kollektorzone hin beschleunigt
werden. Zugleich wirkt jedoch das Driftfeld im gleichen Maße auf die in der Basiszone enthaltenen Majorilätsladungsträger
ein und transportiert diese zur Emitterbasissperrschicht.
In der Fig. 1 ist die Bänderverteilung dargestellt, wie
sie beispielsweise in der Basiszone eines Drifttransistor herrscht. Mit EF wird das Ferminlveau bezeichnet,
während EL die Kante des Leitungsbandes und /:, die
Kante des Valenzbandes darstellt. Die Valenzbandkantc verläuft ebenso wie die Leitungsbandkante geneigt zum
Ferminiveau, so daß die negativen Ladungsträger in dieser Zone in Pfeilrichtung durch das eingebaute Driftfeld
beschleunigt werden. Im gleichen Ausmaß werden auch die positiven Ladungsträger entgegengesetzt /ur
Beschleunigungsrichtung der Elektronen beschleunigt, so daß auf beide in einer Zone vorhandenen Ladungsträgerarten
das durch den Einbau eines Dotierungsgradienten in der Halbleiterzone bedingte Driftfeld einwirkt. Wie
der Fig. 1 entnommen werden kann, ist der Bandabstand E1, zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband
über dem gesamten Querschnitt der Zone stets gleich groß. Aus der US-PS 34 93 811 ist eine Lumineszenzdiode
bekannt, bei der eine Zone Bereiche aus DreislolT- und Bereiche aus Zweistolfverbindungen enthalt, wobei
in den Dreistoffverbindungs-Bcrelchcn sich der Anteil
eines Elements an der Verbindung über dem Querschnitt des Bereichs in der für den Stromfluß vorgesehenen
Richtung verändert. Diese Struktur dient zur Erhöhung der Elektrolumineszenzeigenschaften. Ein Halbleiterbauelement
der eingangs genannten Art, nämlich ein Drifttransistor mit einem Heteroübergang ist sus der DE-PS
K) 73 632 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs
bezeichneten Art anzugeben, bei dem der Beschleunigungseinfluß auf eine Ladungsträgersorte größer ist als
der auf die andere Ladungsträgersorte einwirkende Fcldcinfluß.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Halbleiterbauelement
der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß sich innerhalb der Halbleiterzone der Bandabstand
zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband über dem Querschnitt der Halbleiterzone in der für den Stromdurchnuß
vorgesehenen Richtung derart ändert, daß nur aiifeine der beiden Ladungsträgersorten ein beschleunigtes
Feld einwirkt, während die andere Ladu-gsträgersorte unbeeinflußt bleibt.
Bei einem Transistor wird bevorzugt die Basiszone mit einer Bandabstandsvariation versehen, durch die die von
der Emitterzone injizierten Minoritätsladungsträger zum Basis-Kollektor-pn-Übergang beschleunigt werden,
während auf die Majoritätsiauungsträgei in der Basiszone
kein beschleunigendes Driftfeld einwirkt.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird der Injektionswirkungsgrad in die erfindungsgemäß ausgebildete
Halbleiterzone verbessert. Diese Zone wird von den injizierten Minoritälsladungsträgern rasch durchlaufen,
so daß - ähnlich wie dies bei Drifttransistoren der Fan' ist - eine höhere Frequenzgrenze des Bauelementes erreicht
werden kann. Zugleich werden jedoch Nachteile vermieden, die bei Halbleiterzonen mit eingebautem Driftfeld
mittels eines Störstellengradienten auftreten. Bei diesen bekannten Bauelementen verursacht die unvermeidbare
Beschleunigung der Majoritätsladungsträger durch das eingebaute Driftfeld eine Reduzierung des Verstärkungsfaktors,
da diese Majoritätsladungsträger im Bereich des Basis-Emitter-Überganges mit injizierten Minoritätsladungsirägcrn
rekombinieren.
Die erfindungsgemäße Bandabstandsvariation innerhalb einer Halbleiterzone wirkt sich somit besonders
vorteilhaft bei der Verwendung als Basiszone in einem bipolaren Transistor aus, da bei hohem Injektionswirkungsgrad
und einer geringen Basislaufzeit ein hoher Verstärkungsfaktor des Transistors erzielt wird. Ferner
ist es von Vorteil, daß gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die I lalbleiterzone die Speicherzone einer Speicherschaltdiode
ist, da die Bandabstandsvariation in der Speicherzone eine rasche Ausräumung der Speicherzone
ermöglicht. Speicherschaltdioden sind z. B. aus der US-I1S
40 OC 366 bekannt.
Weitere Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unleransprüchen gekennzeichnet.
Zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung ist die Bandabstandsvariation zur Beschleunigung nur einer
Ladungslragersorte in einer Halbleiterzone in den Fig. 2
und 3 dargestellt. Die Fig. 2 zeigt das Bänderschema, wenn der Beschleunigungseffekt auf positive Löcher
einwirken soll, während die negativen Elektronen unbeeinflußt bleiben sollen. In diesem Fall verläuft die Bandkantc
des Leitungsbandes E1 parallel zum Ferminiveau
/:,, während die Valenzbandkanie so auf das Ferminivciiu
hin zustrebt, daß die von lins nach rechts in die Halbleiterzone injizierten und aus Löchern bestehenden
MinoriüHsladungsträger in Pfeilrichtung beschleunigt
Wenn die Minoritätsladungsträger aus Elektronen bestehen, ist ein Bänderschema entsprechend der Fig. 3
zu wählen. Die Bandkante des Valenzbandes £, verläuft dann parallel zum Ferminiveau Ef. während die Bandkante
des Leitungsbandes EL zum Ferminiveau hin so
gene!gt ist, daß der Bandabstand E1. in Injektionsrichiung
abnimmt. In beiden Fällen ist der Bandabstand eine Funktion EK Or) von .v, wobei .v den Abstand von dem
Rand der Halbleiterzone bezeichnet über den Ladungsträger in die Halbleiterzone injiziert werden.
Wie den Fig. 2 und 3 entnommen werden kann, ändert sich bei den dargestellten Bändermodellen der
Bandabstand zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband stetig linear. Es ist jedoch auch möglich, den
Bandabstand in feiner Unterteilung stufenförmig zu variieren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der Fig. 4 und 5 noch näher erläutert werden.
In der Fig. 4 ist das Bänderschema eines npn-Bipolar-Transistors
dargestellt, dessen Aufbau sich aus der F ig. 5 ergibt. Zur Herstellung des Transistors gemäß der
Schnittdarstellung in Fig. 5 geht man beispielsweise von einem η-leitenden Gallium-Arsenid-Grundkörper 2 aus.
der beispielsweise eine Störstellenkonzentration von ca. 10" Atomen/cm' aufweist. Auf diesen Grundkörper
wird epitiiktisch eine Halbleiterschicht 3 aufgewachsen. die aus p-leitendem Gallium-Aluminium-Arsenid
besteht, wobei der Aluminium-Anteil über dem Querschnitt der Halbleiterzone 3 variiert. Diese aktive Basiszone
des; herzustellenden Bipolar-Transistors besieht somit aus Ga,_AAlvAs, wobei .v gemäß dem Bänderschema
in F i g. 4 am Basis-Kollektor-Übergang den Wert
0 aufweist und stetig zum Emitter-Basis-Übergang hin über dem Querschnitt der Basiszone bis zum Wert .v = 0.4
zunimmt. Die Basiszone und damit die epitakiisch hergestellte Schicht 3 hat vorzugsweise eine Dicke unter
0,5 um. Die Dotierung dieser Halbleiterzone liegt gleichfalls in der Größenordnung von 10'- Atomen/cm', wobei
als Störsiellenmaierial Zink in Betracht kommt.
Auf die Halbleiterschicht 3 wird im Randbereich des Halbleiterbauelementes lokal noch eine weitere pleitende
Schicht 4 aufgewachsen, die der besseren Kontaktierung der Basiszone dient und daher eine höhere
Dotierung aufweisen kann. Diese Kontaktierungszone 4 umschließt dann eine zentral liegende Vertiefung, in der
die Emitterzone 5 des Transistors abgeschieden wird. Diese Emitterzone besteht wiederum aus Ga|_(AlvAs mit
beispielsweise χ = 0,6. Durch den Hetero-Übergang an der Emitter-Basis-Sperrschicht wird noch der sogenannte
wide-gap-Effekt ausgenützt, durch den aufgrund des unterschiedlichen Bandabstandes in der Emitterzone
gegenüber der Basiszone ein verbesserter Emitterwirkungsgrad erzielt wird. Die η-Dotierung der Emitterzone
liegt beispielsweise gleichfalls bei ca. 101' Atomen/cm\
wobei als Störstellenmaierial Selen oder Schwefel in Frage kommt. Da Halbleiterzonen mit einem hohen
Aluminiumanteil nur sehr schwer zu kontaktieren sind, wird auf die Emitterzone 5 noch eine Kontaktierungszone
6 epitaktisch aufgebracht, die beispielsweise aus hochdotiertem η-leitendem Galllüm-Arsenid besteht.
In die Fig. 5 sind schließlich noch die Kontakte an
dem Transistor 1 dargestellt, wobei der Kontakt 9 den Grundkörper 2 und damit die Kollektorzone elektrisch
anschließt, während auf dem verdickten Teil 4 der Basiszone der Biäsisanschlußkoniakt 7 und auf der hochdotierten
η-leitenden Zone 6 der Emitteranschlußkoniaki 8
angeordnet ist.
Bei einer Anordnung, wie sie in der Fig. 5 dargestellt
ist, werden die aus der Emitterzone 5 In die Basiszone 3
injizierten und aus Elektronen bestehenden Minoritätsladungsträger aufgrund der Bandabstandsvariaticin in
dieser Zone in Richtung zum Basis-Kollektor-pn-Übergang
hin beschleunigt. Di ■> wird aus dem Bänderschema gemäß Fig. 4 deutlich.
Der Bandabstand in der η-leitenden Emitterzone liegt, wenn .v = 0,6 ist, in der Größenordnung von 2,OeV. Der
Bandabstand in der Basiszone liegt am Emitter-Basls-pn-Übergang 11. unter der Voraussetzung, daß .v den Wert
0,4 hat. bei ca. 1,9 eV und nimmt zum Basis-Kollekiorpn-Übergang
10 hin stetig bis auf einen Wert von ca. 1,4 eV bei .V = O ab. Diese Abnahme des Bandabstandes in
der Basiszone ergibt sich aus der Neigung der Leitungsbandkante gegenüber dem Ferminiveau, während die
Bandkante des Valenzbandes E1 etwa parallel zum Ferminiveau verläuft, so daß in der Basiszone nur die die
Minoritätsladungsträger bildenden Elektronen in Richtung zum Basis-Kollektor-pn-Übergang beschleunigt
werden, während auf die Löcher, die in der Basiszone Majoritätsladungsträger sind, kein D'iftfeld einwirkt.
Bei dem beschriebenen Transistor, bei dem in der Basiszone ein nur auf eine Ladungsträgersorte einwirkenden
Driftfeld vorhanden ist. kann bei entsprechender Materialwahl das Feld sehr viel größer sein, als dies beim
herkömmlichen Drifttransistor der Fall ist. Beim herkömmlichen Drifttransistor ergibt sich die Größe des
einwirkenden Feldes aus der maximal möglichen Dosierungsvariation über dem Querschnitt der Basiszone.
Dabei läßt sich theoretisch nur der halbe Bandabsland des verwendeten Materials ausnützen, da die Dotierungsvariation nur zwischen der Entartungsdotierung und der
Eigenleitung liegen kann. Bei dem beschriebenen Transistor kann dagegen die Bandabstandsvariation, die vom
verwendeten Material abhängig ist, einen sehr viel starkeren Feldeinfluß ausüben.
Die Basiszone und die Emitterzone eines Transistors gemäß der Fig. 5 wird vorzugsweise durch Flüssigphasen-Epitaxie,
durch Molekularstrahl-Epitaxie oder durch Gasphasen-Epitaxie hergestellt. Dabei ist die Molekularstrahl-Epitaxie
und die Gasphasen-Epitaxie der Flüssigphasen-Epitaxie vorzuziehen, da bei den beiden ersten
Verfahrensmethoden eine stetige und lineare Veränderung einer Materialkomponente sehr leicht zu erzielen
ist. während bei der Flüssigphasen-Epitaxie sich in der Regel nur eine stufenförmige Materialvariation und
damit Bandabstandsvariation möglich ist. Die Flüssigphasen-Epitaxie könnte allerdings dann von Vorteil sein,
wenn der Grundkörper die Emitterzone bildet und auf dieser Emitterzone ganzflächig nacheinander die Basis- 5»
zone und die Kollektorzone des Transistors abgeschieden wird. Bei der Abscheidung der Basiszone wird während
des Abscheidungsverfahrens automatisch der Aluminiumgehah
der Epitaxieschmelze abgebaut, so daß sich in diesem Fall eine stetige und lineare Abnahme des Aluminiumgehalts
in der Basiszone und damit eine stetige Bandabstandsvariation einstellt.
Wenn jedoch der Kollektorkörper gemäß der Fi g. 5 als
Auseansssubstrat verwendet wird, empfiehlt sich eine
vorzugsweise elektronisch gesteuerte Gasphasen-Epitaxie w> oder Molekularstrahl-Epitaxie, um eine exakte Materialvariation innerhalb der Basiszone zu gewährleisten.
Anstelle des bereits beschriebenen Herstellungsverfahrens kann die Basis/one (3. 41 auch zunächst gan/flächig
aufgewachsen und danach selektiv geätzt werden, um in '^
der so entstandenen zentralen Vertiefung die Emitterzone durch lokale Epitaxie abzuscheiden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (16)
1. Halbleiterbauelement, ausgenommen Lumineszenz-Halbleiterbauelemente,
mit wenigstens einer Halbleiterzone, insbesondere der Basiszone eines Transistors, in der auf die Ladungsträger ein diese
beschleunigendes, durch den Aufbau der Halbleiterzone bedingtes Feld einwirkt, dadurch gekennzeichnet,
daß sich innerhalb der Halbleiterzone (3) der Bandabstand (£r) zwischen dem Valenzband (Ev)
und dem Leitungsband (EL) über dem Querschnitt der
Halbleiterzone in der für den Stromdurchfluß vorgesehenen Richtung derart ändert, daß nur auf eine der
beiden Ladungsträgersorten ein beschleunigendes Feld einwirkt, während die andere LadungstrSgersc.-te
unbeeinflußt bleibt.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandabstand (E1.) über dem
Querschnitt der Halbleiterzone (3) stetig linear oder stufenförmig zu- bzw. abnimmt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterzone (3)
aus einem Verbindungshalbleiter besteht, wobei sich der Anteil wenigstens eines Verbindungselementes an
der Verbindung Über dem Querschnitt der Halbleiterzone in der für den Stromdurchfluß vorgesehenen
Richtung verändert.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Anteil des Verbindungselementes
an der Halbleiterverbindung stetig linear oder stufenförmig verändert.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterzone (3)
aus einer Dreistoff-Verbindung besteht, wobei der Anteil eines Elementes an der Verbindung vom einen
Rand (11) der Halbleiterzone (3) zum anderen Rand (10) hin in der für den Stromdurchfiuß vorgesehenen
Richtung stetig zu- bzw. abnimmt.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterzone (3) aus
Gallium-Aluminium-Arsenid besteht, wobei sich der Anteil des Aluminiums an der Verbindung stetig zu-
bzw. abnimmt.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Halbleiterzone die Basiszone eines Transistors ist,
dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bandabstand (£■„) über dem Querschnitt der Basiszone (3) in der für
den Stromdurchfiuß vorgesehenen Richtung so verändert, daß in der Basiszone die vom Emitter (5) injizierten
Ladungsträger zum Basis-Kollektor-pn-Übergang (10) hin beschleunigt werden.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone (3) pleitend
ist und der Anteil eines Elements an der Verbindung vom Basis-Emitter-pn-Übergang (11)
ausgehend bis zum Basis-Kollektor-pn-Übergang (10) abnimmt.
9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone (3) aus der Verbindung
GiIi^AI1As besteht, wobei .v am Basis-Emitterübergang
den Wert von ca. .v = 0,4 und am Kollektor-Basisübergang von v = 0 hat.
10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Zonen (2, 3. 5)
des npn-Transistors etwa die gleiche Dotierung aufweisen.
11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der drei Zonen (2, 3, 5) größenordnungsmäßig bei 10"
Atomen/cm3 liegt und daß auf der Emitterzone eine n+-leitende hochdotierte Kontaktierungszone (6) angeordnet
ist.
12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone
(5) in die die Emitterzone umgebende Basiszone (3, 4) eingelassen ist.
13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke
der Basiszone (3) unter 0,5 μπι liegt.
14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterzone
die Speicherzone einer Speicherschaltdiode ist.
15. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterzone durch Gasphasenepitaxie, durch Molekularstrahlepitaxie
oder durch Flüssigphasenepitaxie hergestellt wird.
16. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Emitterzone des Bipolartransistors durch lokale Epitaxie in eine selektiv geätzte Vertiefung der
gleichfalls epitaktisch hergestellten Basiszone des Transistors eingelassen wird.
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| DE (1) | DE2847451C2 (de) |
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