DE2901129A1 - Feldeffekttransistor - Google Patents

Feldeffekttransistor

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DE2901129A1
DE2901129A1 DE19792901129 DE2901129A DE2901129A1 DE 2901129 A1 DE2901129 A1 DE 2901129A1 DE 19792901129 DE19792901129 DE 19792901129 DE 2901129 A DE2901129 A DE 2901129A DE 2901129 A1 DE2901129 A1 DE 2901129A1
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semi
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DE19792901129
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Richard Arthur Abram
George Gibbons
Cyril Hilsum
Bryan Lorrain Humphreys Wilson
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Plessey Co Ltd
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Plessey Co Ltd
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Description

Feldeffekttransi stor
Die Erfindung betrifft Feldeffekttransistoren und ist insbesondere auf im Mikrowellenbereich betriebene Transistoren anwendbar.
Ein Mikrowellen-Feldeffekttransistor besteht üblicherweise aus einem halb-isolierenden Substrat, das eine aufgewachsene Schicht aus n-oder p-leitendem Material aufweist, welche die Source-, Drain- und Gatekontakte trägt. In typischer Weise kann der Feldeffekttransistor in Galliumarsenid gebildet sein, wobei die n- oder p-leitende Schicht aus η-leitendem Material besteht, die Source- und Drainkontakte mit der η-leitenden Schicht einen ohmschen Kontakt bilden und die Gateelektrode einen Schottky-Sperrschichtkontakt mit der η-leitenden Schicht bildet. Die Grenzfläche
Dr.Ha/Ma
zwischen der halb-isolierenden und der n-leitenden Schicht bewirkt den Aufbau einer Potentialschwelle für Elektronen, welche Träger und insbesondere heiße Träger auf die η-leitende Schicht begrenzen soll. In dem Leitungsband von Galliumarsenid bei Raumtemperatur befinden sich die niedrigsten Nebentäler bei etwa O,2>6 eV oberhalb des zentralen Minimums und die Übergangsschwelle soll somit mindestens 0,45 eV betragen und vorzugsweise so abrupt wie möglich sein. Die aus einer scharfen Schwelle resultierende verbesserte Leistung kann auf die folgenden Effekte zurückzuführen sein:
1) Die Eingrenzung der Elektronen durch eine scharfe Wand erhöht die Steilheit, go-j» der Vorrichtung bei niedrigen Drainströmen, was, wie aus Praxis und Theorie bekannt, zu einem geringeren Rauschen führt.
2) Die Eingrenzung verhindert, daß Elektronen in die halb-isolierenden Zonen eingetrieben werden, wo
(a) die Elektronen eine zusätzliche Leitung zwischen Source und Drain ergeben können, was zu einer mangelnden Sättigung der Drainstrom-Drainspannungcharakteristiken oder zum Ausbleiben einer Sättigung bei hoher Drainvorspannung führt;
(b) die Elektronen durch tiefe Niveaus abgefangen werden können, wo sie den Source-Drainleitwert modulieren, Rauschen und Hysteresis veranlassen und auch eine Lichtempfindlichkeit der Vorrichtung bewirken können.
St9829/081t
Ein älterer Vorschlag beschreibt einen verbesserten Feldeffekttransistor, in welchem die Potentialschwelle zwischen der η-leitenden Schicht und der halb-isolierenden Schicht durch Dazwischenfügen einer weiteren Schicht aus entgegengesetzt dotiertem Material zwischen die übliche η-leitende Schicht und die halb-isolierende Schicht erhöht wird. In diesem Falle ist jedoch die zusätzliche Schicht in sich aus dem gleichen Material wie die halb-isolierende Schicht und die n-leitende Schicht, d.h. in einer Vorrichtung» in welcher das halb-isolierende Material Galliumarsenid und die halbleitende Schicht n»leitendes Galliumarsenid ist, ist die zusätzliche Schicht, d»h» die zwischen die vorgenannten Schichten zur Erhöhung der Potentialschwelle eingefügte Schicht aus p-leitendem Galliumarsenid.
Das volle Diffusionspotential des pn-Ubergangs kann nicht als Potentialschwelle für die Träger ausgenutzt werden. Eine p-leitende Schicht würde einen flächenhaften Widerstand bilden, xirelcher die Vorrichtung überbrückt, und die p-leitende Schicht muß so dünn gemacht werden, daß sie durch ihre ganze Dicke hindurch durch die Einflüsse der angrenzenden Schichten in Verarmung gehalten werden kann und trotzdem noch eine Potentialschwelle für Elektronen erzeugt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Verbesserung der Eigenschaften der Potentialschwelle dadurch erzielt, daß man eine weitere Schicht aus Halbleitermaterial zwischen der üblichen n- oder p-leitenden Schicht und der halb-isolierenden Schicht anordnet, wobei diese weitere Schicht aus einem anderen Material als die übliche n- oder p-leitende Schicht besteht, so daß man einen Feldeffekttransistor mit einer HeteroStruktur erhält.·
91982 9/081
Bei Durchführung der Erfindung besitzen die Materialien der üblichen n- oder p-leitenden Schicht und der weiteren Schicht eng angenäherte Gitterkonstante, so daß die Anzahl von Fehlstellen und elektronischen Zuständen an der Grenzfläche auf einem Minimum gehalten wird. Der Unterschied, in den Elektronenaffinitäten der beiden Materialien ist derart,, daß eine ausreichend, abrupte Stufe im richtigen Sinne in dem Leitungsband der Materialien auftritt, so daß beim Betrieb des Feldeffekttransistors Träger im wesentlichen auf die übliche Halbleiterschicht derart begrenzt sind, daß die Steilheit verbessert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors, in welchem die übliche n- oder p-leitende Schicht und die halb-isolierende Schicht aus Galliumarsenidmaterial bestehen, kann die weitere Schicht aus der ternären Legierung Ga. __ Al„ As (O < χ ^1) bestehen, deren Gitter an das von Galliumarsenid angepaßt ist und die einen breiteren Bandabstand und eine geringe Elektronenaffinität als Galliumarsenid besitzt.
Diese weitere Schicht kann aus halb-isolierendem oder n- oder p-dotiertem Material bestehen. Bei anderem als halb-isolierendem Material ist diese weitere Schicht so dünn, daß sie im Betrieb in Verarmung gehalten werden kann und keine mit Widerstand behaftete Überbrückung an den Rest der Vorrichtung ergibt. Solche Schichten können auf einer halb-isolierenden Schicht aus dem gleichen Material oder direkt auf dem halb-isolierenden Substrat abgeschieden werden.
089829/0811
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Teils eines bekannten Feldeffekttransistors;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors und
Fig. 3 und 4 allgemeine Merkmale der Bandstruktur verschiedener Formen des Feldeffekttransistors von Fig. 2.
Ein Galliumarsenid-Feldeffekttransistor besitzt in der Regel eine Bauart, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Er besteht aus einem halb-leitenden Galliumarsenidsubstrat (Ga As) 1 mit einer Oberflächenschicht 2 aus n-leitendem Galliumarsenid, welche einen Sourcekontakt 3 und einen Drainkontakt 4 trägt, welche sich beide mit der Schicht 2 in ohmschem Kontakt befinden; ferner trägt sie einen Gatekontakt 5» welcher mit der Schicht 2 einen Schottky-Sperrschichtkontakt bildet. Bei einer typischen, im Mikrowellenbereich betriebenen Vorrichtung besitzt die η-leitende Schicht 2 eine Dicke von etwa 0,2 u und eine
16 -^ ' Trägerkonzentration von 8 χ 10 cm , die Gatelänge kann 1 u für einen Betrieb bei 10 GHz betragen. Verschiedene komplexere Bauarten in bezug auf die Geometrie und das Trägerprofil sind aus der Literatur zu entnehmen. Das halb-isolierende Material des Substrats 1, auf welches die Schicht 2 aufgewachsen ist, kann entweder ein Material wie z.B. das nach dem Bridgman- oder Czochrarlski-Verfahren
819829/081?
aufgewachsene sein oder es kann epitaktisch auf das ursprüngliche halb-isolierende Substrat aufgewachsen sein. Die Grenzfläche zwischen der η-leitenden Schicht 2 und dem halb-isolierenden Substrat 1 ergibt eine Potentialschwelle für Elektronen, welche die Träger, einschließlich der heißeren Träger, auf die η-leitende Schicht 2 begrenzen soll.
Fig. 2 der Zeichnung zeigt eine verbesserte Form des Feldeffekttransistors von Fig. 1, wobei eine weitere Schicht 6 aus einem anderen Halbleitermaterial als Galliumarsenid zwischen die halb-isolierende Schicht 1 und die Schicht 2 eingefügt ist, so daß man einen Feldeffekttransistor mit HeteroStruktur erhält, welcher einen besseren Zusammenhalt der Träger durch die durch den Übergang gebildete Sperrschicht und somit eine verbesserte Leistung der Vorrichtung ergibt.-Ein geeignetes Material für die Zwischenschicht 6 ist die ternäre Legierung Ga,, Al As (O < χ ^1), die eine gute Gitteranpassung an das Gitter von Galliumarsenid, einen breiteren Bandabstand und eine geringere Elektronenaffinität als Ga As aufweist.
Beispielsweise wird angenommen, daß das Ga-. Al As halbleitend ist und definitionsgemäß wird das Ferminiveau als in der Mitte des Bandabstands befindlich angenommen. Für χ ^.0,37 besitzt die Legierung einen direkten Bandabstand und in einem spezifischen Fall, wenn der Bandabstand CZ 1,89 eV beträgt, χ = 0,35 (was C± 0,46 eV größer ist als für Ga As). Die allgemeinen Merkmale der Bandstruktur in Nähe der Ga1 „Al„As - Ga As Grenzfläche sind in Fig. 3
I —X X
dargestellt. Es wird durchwegs angenommen, daß der Übergang abrupt ist. Die Potentialschwelle für Elektronen
St9829/08tt
beträgt £ü 0,90 eV, was mit einem Schwellenwert von etwa Oj65 eV zu vergleichen ist, wie er für die übliche Struktur von Fig. 1 erwartet werden kann» Die Schwelle enthält eine 0,43 eV abrupte Stufe in dem Leitungsband infolge der unterschiedlichen Elektronenaffinitäten,, Letzteres ist ein günstiges Merkmal, da es die Schwelle verschärft» Die genauen Einzelheiten des Übergangspotentials hängen von der Art der Dotierung in dem halb-isolierenden Material ab. Die Dicke der Ga^ Al As Schicht 6 ist nicht kritisch, solange sie nur ausreichend groß ist, daß von der Grenzfläche mit dem Substrat 6 keine Störung auf die durch den Übergang gebildete Sperrschicht ausgeübt wird» Eine Dicke in der Größenordnung von ein Mikron soll ausreichen, in der Praxis kann die Schicht jedoch wesentlich dicker sein, was den zusätzlichen Vorteil mit sich bringt, eine Diffusion unerwünschter Störstoffe aus dem Substrat zu vermeiden« In der Praxis muß der Übergang von Ga As in Ga,, Al As scharf genug sein, daß er sich praktisch vollständig innerhalb der Verarmungszone befindet, und vorzugsweise um so schärfer, wenn eine steile Schwelle erfordert wird.
Ein höherer Schwellenwert kann bei Verwendung eines Materials, in welchem das Ferminiveau in dem Bandabstand oder in der verbotenen Zone niedriger ist, erzielt werden. Die Bandunterbrechung bleibt die gleiche, jedoch ergibt ' das erhöhte Diffusionspotential des Übergangs eine größere Ge samt schwellenhöhe., Ein p-leitendes Material, dessen Ferminiveau sich dicht am Rand des Valenzbands befindet, könnte als Zwischenschicht 6 verwendet werden, jedoch kann das volle Diffusionspotential eines solchen Übergangs nicht ausgenutzt werden, weil die Schicht immer in Verarmung gehalten werden muß» wie dies vorstehend
§t98 29/Q8
beschrieben wurde. Die p-leitende Schicht kann auf eine Schicht aus halb-leitendem Ga^xAlxAs, gleich dem vorstehend beschriebenen, oder direkt auf halbisolierendes Ga As aufgebracht werden. Für ein Material mit einer Gesamtlöcherkonzentration von 10 cm scheint ein Schwellenwert von etwa 1,35 eV innerhalb dieser Grenzen möglich, wenn an Source, Gate und Drain eine Spannung von null Volt liegt. Die zulässige Stärke des p-leitenden Materials hängt zu einem gewissen Grad von dem Verhalten des p-leitenden halb-isolierenden Übergangs ab. Betrachtet man den np-Übergang im Sperrbetrieb, beträgt die Breite der Verarmungsschicht in dem p-leitenden Material C^. 0,38 ai und man erzielt eine CzL 0,18 yu in die p-Schicht hineinreichende Schwellenhöhe von 1,35 eV. Die Wirkungen des halb-isolierenden Übergangs sollten in einer genauen Berechnung berücksichtigt werden, es ist jedoch klar, dai3 die Schichtbreite mit den vorstehenden Längen zur Erzielung des gewünschten Kompromisses vergleichbar sein muß.
Im anderen Extrem kann η-leitendes Ga1^xAlxAs für die Zwischenschicht 6 zur Erzielung einer Potentialschwelle und auch einer Anreicherungszone in dem Ga As ohne besonderen Leitungstyp verwendet werden. Die Existenz einer Anreicherungszone erhöht den Leitwert des Kanals nahe der Sperrschicht und somit die Steilheit bei niedrigen Strömen weiter. Die η-leitende Schicht aus Ga1 „Al As muß aus dem gleichen Grund wie die vorstehend beschriebene p-leitende Schicht eine begrenzte Dicke besitzen. Fig. 4 zeigt eine durch die Bandstufe infolge des Unterschieds der Elektronenaffinität an dem Übergang begrenzte Anreicherungszone.
Ö§9 8 2 9/0811
Die Verwendung der Legierung, in deren Zusammensetzung χ ss 0,35» und die angegebenen Zahlenwerte dienen lediglich der Erläuterung. Für χ > 0,35 nimmt der Bandabstand mit χ weiter zu, und er ist für x> 0,37 indirekt; höhere Werte von χ können vorteilhaft sein, und zwar nicht nur in bezug auf den höheren Schwellenwert, sondern auch bezüglich der geringeren Beweglichkeit der Träger in dem Material mit indirektem Bandabstand.
Methoden zur Erzeugung der Schichten mit den gewünschten Diskontinuitäten und einer Mindestdiffusion von Störstoffen sind die bei niedriger Temperatur verlaufenden epitaktischen Verfahren, z.B. Epitaxie in der flüssigen Phase, Molekularstrahl-Epitaxie oder Dampfphasen-Epitaxie unter Verwendung von Metallalkylen und Hydriden von Elementen der Gruppe V des Periodischen Systems. Die Gitter anpassung zwischen Ga,, Al As und Ga As ist gut und es ist weniger wahrscheinlich, daß Fehlstellen an der Grenzfläche entstehen. Die Wachstumstechnologie dieser Materialien zu HeteroStrukturen wurden im Zusammenhang mit Injektionslasern gezeigt. Dieses Konzejt ist jedoch allgemein gültig, so daß jedes geeignete Material für die Zwischenschicht(en) verwendet werden kann.
Das gleiche Prinzip kann auf Feldeffekttransistoren angewendet werden, die in Indiumphosphid, Indiumarsenidphosphidlegierungen, Indium-Galliumarsenidlegierungen und Indium-Galliumarsenid-phosphidlegierungen erzeugt werden. In jedem Fall muß der Schwellenwert ausreichend hoch sein, um einen großen Anteil der heißen Träger am Verlassen der η-leitenden Schicht zu hindern, und die verwendeten Legierungssysteme müssen so kombiniert sein, daß die erforderliche Gitteranpassung erzielt wird.
8*9829/0811
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Claims (9)

  1. Patentanwälte DipL-lng. Dipl.-lng. Dipl.-Chem. G. Leiser E. Prinz Dr. G. Hauser Ernsbergers trasse 19 8 München 60
    129
    THE PLESSEY COMPANY LIMITED 9. Januar 1979
    Vicarage Lane
    Ilford, Essex IG1 4AQ / England
    Unser Zeichen; P 2383
    Patentansprüche
    . Feldeffekttransistor mit einer Schicht aus n- oder p-leitendem Material auf einem halb-isolierenden Substrat mit Source-, Drain- und Gatekontakten, wobei eine weitere Schicht aus Halbleitermaterial zwischen der n- oder p-leitenden Schicht und der halb-isolierenden Schicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese weitere Schicht aus einem anderen Material als die n- oder p-leitende Schicht besteht» so daß der Feldeffekttransistor eine HeteroStruktur aufweist.
  2. 2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstanten des Materials der n- oder p-leitenden Schicht und der weiteren Schicht so angenähert sind, daß die Anzahl von Fehlstellen und elektronischen Zuständen an der Grenzfläche auf einem Minimum gehalten wird.
    Dr.Ha/Ma
    8Θ9829/081 t
    ORIGINAL INSPECTED
  3. 3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die n- oder p-leitende Schicht und die halb-isolierende Schicht aus Galliumarsenid bestehen.
  4. 4. Feldeffekttransistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht aus der ternären Legierung Ga^xAlxAs (0 < χ ^ 1) besteht.
  5. 5. Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht halb-isolierend ist.
  6. 6. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht n- oder p-dotiert ist.
  7. 7. Feldeffekttransistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht so dünn ist, daß sie im Betrieb in Verarmung gehalten wird und keine mit Widerstand behaftete Überbrückung an den Rest des Transistors ergibt.
  8. 8. Feldeffekttransistor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht auf einer halbisolierenden Schicht aus dem gleichen Material, die auf dem halb-isolierenden Substrat gebildet ist, abgeschieden ist.
  9. 89-9829/081?
DE19792901129 1978-01-12 1979-01-12 Feldeffekttransistor Withdrawn DE2901129A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2462027A1 (fr) * 1979-07-20 1981-02-06 Labo Electronique Physique Dispositif semi-conducteur comportant une couche tampon isolante

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FR2386903A1 (fr) * 1977-04-08 1978-11-03 Thomson Csf Transistor a effet de champ sur support a grande bande interdite

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