DE2913068C2 - - Google Patents

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Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Feldeffekt- Transistor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.
Ein solcher Feldeffekt-Transistor ist bereits in der älteren EP 00 05 059 A2 vorgeschlagen worden. Dieser vorgeschlagene Feldeffekt-Transistor enthält auf einem Substrat nebst zugehörigen Elektroden eine Mehrzahl von Schichten aus einem Halbleitermaterial mit kleinem Bandabstand und kleiner Verunreinigungskonzentration, in dem die Ladungsträgerbeweglichkeit hoch ist, z. B. aus GaAs, die sich mit Schichten aus einem zweiten Halbleitermaterial, das einen größeren Bandabstand als das erste Halbleitermaterial und eine um mindestens eine Zehnerpotenz größere Verunreinigungskonzentration aufweisen und z. B. aus Ga1-xAlxAs bestehen, abwechseln. Durch die Heteroübergänge zwischen jeder Schicht aus dem Halbleitermaterial mit dem kleineren Bandabstand und den benachbarten Schichten aus dem Halbleitermaterial mit dem größeren Bandabstand sollen die Ladungsträger in der jeweiligen Schicht aus dem Material mit dem kleineren Bandabstand eingeschlossen werden, sie können sich dort wegen der geringen Verunreinigungskonzentration ohne nennenswert gestreut zu werden, mit hoher Beweglichkeit bewegen, siehe auch die Veröffentlichung von R. Dingle et al, Electron Mobilities in Modulation-Doped Semiconductor Heterojunction Superlattices, Appl. Phys. Lett. 33 (7), 1. Oktober 1978, S. 665-667.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feldeffekt- Transistor mit hoher Trägerbeweglichkeit bei einfachem Aufbau zu schaffen.
Diese Aufgabe wird bei einem Feldeffekt- Transistor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Für derartige Feldeffekt-Transistoren hat sich die Bezeichnung "inverser HEMT" (High Electron Mobility Transistor) eingebürgert.
Sie zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus, da sie nur jeweils eine einzige Schicht aus dem Halbleitermaterial mit dem kleinen Bandabstand und dem Halbleitermaterial mit dem größeren Bandabstand enthalten. Die Herstellung kann mit der bewährten Galliumarsenid- Technologie erfolgen. Da nur ein einziger steuerbarer Stromkanal vorhanden ist und dieser sich unmittelbar bei der Schottky-Steuerelektrode befindet, ist eine sehr effektive Steuerung gewährleistet.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1-3 näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Energiediagramm in einem Heterostruktur-Halbleiterkörper, wie er bei dem vorliegenden Feldeffekt-Transistor verwendet wird, im vorspannungsfreien Zustand,
Fig. 2 weitere Energiediagramme von Heterostruktur-Halbleiterkörpern und
Fig. 3 eine geschnittene perspektivische Ansicht eines Feldeffekttransistors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Der zugehörige Heterostruktur-Halbleiterkörper gemäß dem Diagramm von Fig. 1 enthält dabei zwei verschiedene Halbleitermaterialien A bzw. B mit verschieden großen Bandlücken. Das Halbleitermaterial A hat den größeren Bandabstand und ist stark dotiert: Das Halbleitermaterial B mit dem kleineren Bandabstand ist schwächer oder nicht dotiert, wesentlich ist vor allem, daß die Verunreinigungskonzentration im Halbleitermaterial mit dem kleineren Bandabstand um mindestens eine Zehnerpotenz kleiner ist als die im Halbleitermaterial mit dem größeren Bandabstand.
Bei entsprechender Wahl der Halbleitermaterialien und des oder der Dotierungsstoffe ist es möglich, daß die Dotierniveaus (also die Niveaus der Donatoren bzw. Akzeptoren) energetisch ungünstiger liegen als das Leitungsband (im Fall von Donatoren) bzw. Valenzband (im Falle von Akzeptoren) des zweiten Halbleitermaterials B.
Im Falle von Donatoren liegen also die Donatorniveaus im Halbleitermaterial A energetisch über dem Leitungsband im Halbleitermaterial B. Dadurch werden Elektronen von den Donatoren abgegeben und wandern in das benachbarte Halbleitermaterial B. Dadurch stellt sich eine Bandverbiegung ein, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, und das Halbleitermaterial A verarmt angrenzend an eine Übergangszone 10 zwischen den beiden Halbleitermaterialien, während sich im Halbleitermaterial B die Ladungsträger angrenzend an die Übergangszone 10 ansammeln.
Fig. 1 zeigt den für diese Verhältnisse typischen Verlauf für das Valenz- und Leitungsband in den beiden Halbleitermaterialien A und B für den Fall, daß das Halbleitermaterial A aus AlxGa1-xAs und das Halbleitermaterial B aus reinem GaAs bestehen und das Halbleitermaterial A mit Germanium und/ oder Silicium dotiert ist.
Wenn das Material A mit Akzeptoren p-dotiert ist, so ergibt sich anstelle der Anreicherungsschicht eine Elektronen-Inversionsschicht. Für Akzeptoren und Löcher kann das Verhalten in analoger Weise beschrieben werden.
Fig. 2 zeigt den Verlauf des Leitungs - und Valenzbandes LB bzw. VB von vier verschiedenen Heterostrukturen (schematisch) bestehend aus Material A (stark dotiert) mit großem Bandabstand und Material B (schwach dotiert) mit kleinem Bandabstand. EF ist die Fermienergie. Ist die Ladungsträgerart (Majoritätsladungsträger) in beiden Materialien gleich (n- bzw. p-Typ), so stellt sich in Material B eine Anreicherungsschicht der Majoritätsladungsträger (Elektronen bzw. Löcher) ein. Haben die Ladungsträger in den beiden Materialen verschiedene Vorzeichen, ergibt sich eine Inversionsschicht. Das Verhalten hängt jedoch von der Diskontinuität der Bänder an der Grenzfläche ab. Im System AlxGa1-xAs/GaAs wird ∼ 80% des Unterschieds im Bandabstand der beiden Materialen im Leitungsband ausgeglichen. Es eignet sich daher für Anordnungen mit Elektronenanreicherungs- und Elektroneninversionsschichten im GaAs. Für entsprechende Kanäle mit Löchern eignen sich Materialen mit einem großen Sprung im Valenzband. GaAs/Ge ist z. B. solch ein System. Dabei wandern die Löcher des p-dotierten Materials A (in diesem Falle GaAs) in das Material B mit kleinerem Bandabstand (z. B. Ge). Im Falle von p-Ge erhält man eine Löcheranreicherungsschicht, für n-Ge eine Löcherinversionsschicht.
In allen Fällen besteht der wesentliche Vorteil darin, daß die Ladungsträger vom Material A in das Material B wandern und dadurch räumlich von den Akzeptoren bzw. Donatoren im Material A getrennt sind. Die sich im Material B an der Übergangszone 10 oder Grenzfläche befindenden Ladungsträger bilden einen quasi-zweidimensionalen Kanal 11 ähnlich wie eine Inversionsschicht in einem Silizium-MOS-Transistor. Vom stark dotierten Material A ist der die Ladungsträger enthaltende Kanal 11 durch die sich gleichzeitig im Material A aufbauende Verarmungsschicht 12 elektrisch isoliert.
Wesentliche Voraussetzungen für die Ausbildung eines Kanals, der Ladungsträger mit hohen Beweglichkeiten enthält, sind dabei, daß der Übergang vom einen Halbleitermaterial auf das andere Halbleitermaterial und der Dotierungssprung sehr scharf sind, möglichst nur wenige, vorteilhafterweise höchstens zehn Atomlagen umfaßt, und daß die Grenzflächen-Zustandsdichte wesentlich kleiner als die Dichte der transferierten, also vom Material A in das Material B übergegangenen Ladungsträger ist. Die Grenzfläche oder Übergangszone selbst sollte so weitgehend wie möglich atomar eben sein, so daß keine Grenzflächenrauhigkeiten vorhanden sind, die durch Streuung der Ladungsträger den durch das reinere Material erreichten Gewinn an Beweglichkeit wieder aufzehren.
Der Unterschied in der Dotierung bzw. Verunreinigungskonzentration des reineren Halbleitermaterials kleineren Bandabstandes und der des dotierten Halbleitermaterials mit dem größeren Bandabstand braucht nur etwa eine Zehnerpotenz betragen, um den gewünschten Effekt zu erzielen, letzerer ist selbstverständlich umso ausgeprägter, je größer die Differenz bzw. je reiner das Halbleitermaterial mit dem kleineren Bandabstand ist. Das Material A mit dem größeren Bandabstand enthält vorteilhafterweise z. B. 5 · 1016 bis 5 · 1018 Ladungsträger bzw. ionisierbare Störstellen eines vorgegebenen Leitungstyps pro Kubikzentimeter. Ein typischer Wert ist 5 · 1017 cm-3. Das Material B ist, wenn es aus einem Verbindungshalbleiter besteht, nie extrem rein, typische Verunreinigungskonzentrationen sind hier 5 · 1013 bis 1 · 1015 Restverunreinigungen pro cm3.
Der Halbleiterkörper enthält zusätzlich zu den beiden erwähnten Schichten noch ein Substrat, das ggf. durch einen Teil des Halbleitermaterials mit dem größeren Bandabstand gebildet sein kann. Das Material B mit dem kleineren Bandabstand bildet jedoch immer eine Art von Oberflächenschicht, die auf der einen Seite von einer Schicht aus dem dotierten Halbleitermaterial A und auf der anderen Seite von Luft und/oder Metallkontakten und/oder einer Schutz- oder Passivierungsschicht begrenzt ist. Die Schicht aus dem Halbleitermaterial B kann ggf. dünner sein, als die aktive zweite Schicht aus dem dotierten Halbleitermaterial A.
In Fig. 3 ist ein Mikrowellen-Feldeffekttransistor dargestellt, der einen Halbleiterkörper mit einer Schichtstruktur der oben erläuterten Art enthält. Der Mikrowellentransistor 16 arbeitet ähnlich wie ein herkömmlicher Schottky-Gate-MESFET. Er enthält ein Substrat 18 aus GaAs, auf dem sich eine einzige n-leitende Schicht 20 aus Aluminium-Gallium-Arsenid AlxGa1-xAs sowie eine Schicht 22 aus hochreinem Galliumarsenid befindet, die an eine Oberfläche 24 des Halbleiterkörpers angrenzt und die Schottky-Steuerelektrode kontaktiert. In die Galliumarsenidschicht 22 sind zwei n⁺-Zonen 26, 28 eindiffundiert, die als Source bzw. Drain dienen und mit einem entsprechenden Metallkontakt 30 bzw. 32 kontaktiert sind. Auf der Schicht 22 kann sich noch eine nicht dargestellte Schutz- oder Passivierungsschicht, z. B. aus Oxid oder Nitrid befinden. Auch das Substrat kann einen Anschluß aufweisen.
Die Dicke der Galliumarsenidschicht 22 ist vorteilhafterweise so gewählt, daß die durch den Schottky-Kontakt erzeugte Verarmungsschicht bei der Vorspannung Vg = 0 bis zu dem sich an der Grenzfläche 36 zwischen den Schichten 20 und 22 ausbildenden Anreicherungs- bzw. Inversionskanal reicht, der Kanal selbst aber noch offen, also leitfähig ist. Legt man dann an die Schottky-Steuerelektrode 34 eine den Schottky-Kontakt in Rückwärtsrichtung vorspannende Spannung, so werden die Ladungsträger an der Grenzfläche 36 abgebaut, bis der Kanal schließlich gesperrt ist. Da keine Verarmungszone aufgebaut werden muß, um den Kanal zu sperren, und da die Ladungsträger eine hohe Beweglichkeit haben, kann das Sperren des Kanals äußerst schnell, etwa innerhalb von 10-12 Sekunden, bewirkt werden.
Die Halbleiterkörper für die vorliegenden Feldeffekt-Transistoren lassen sich beispielsweise mit Hilfe von Molekularstrahl-Epitaxie oder chemischer Gasphasen-Epitaxie aus metallorganischen Verbindungen herstellen. Eine bevorzugte Materialkombination ist GaAs - AlxGa1-xAs. Der Bandabstand im Aluminium-Gallium-Arsenid ist größer als im Galliumarsenid. Als Dotierungsstoff, der ein scharfes Dotierungsprofil zu erzielen gestattet, eignet sich z. B. Germanium oder Silizium. x kann Werte zwischen etwa 0,10 bis 0,37 haben. Die Konzentration des Si oder Ge im AlxGa1-xAs kann zwischen etwa 5 · 1016 bis 5 · 1018 cm3 betragen.
Andere geeignete Materialkombinationen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
Tabelle

Claims (19)

1. Feldeffekt-Transistor hoher Ladungsträgerbeweglichkeit, mit
  • - einem Substrat und einer auf diesem angeordneten Halbleiterschichtstruktur, die ein erstes Halbleitermaterial mit kleinem Bandabstand und kleiner Verunreinigungskonzentration, in dem die Ladungsträgerbeweglichkeit hoch ist, sowie ein zweites Halbleitermaterial mit einem größeren Bandabstand als der des ersten Halbleitermaterials und einer Verunreinigungskonzentration, die mindestens eine Zehnerpotenz größer ist, als die des ersten Halbleitermaterials, enthält,
  • - einem leitfähigen Kanal im ersten Halbleitermaterial, und
  • - einer Source-Elektrode, einer Drain-Elektrode sowie einer Schottky-Steuerelektrode,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Halbleiterschichtstruktur aus einer einzigen, den steuerbaren Kanal enthaltenden dünnen Schicht (22) aus dem ersten Halbleitermaterial mit dem kleinen Bandabstand und einer einzigen Schicht (20) aus dem zweiten Halbleitermaterial mit dem größeren Bandabstand besteht und
  • - die Schottky-Steuerelektrode (34) die Schicht (22) aus dem Halbleitermaterial mit dem kleinen Bandabstand kontaktiert.
2. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Halbleitermaterial zwischen 5 × 1016 und 5 × 1018 ionisierbare Störstellen bzw. Ladungsträger pro cm3 enthält.
3. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleitermaterial 5 × 1013 bis 1 × 1015 Restverunreinigungen pro cm3 enthält.
4. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen einer abrupten Übergangszone (10) zwischen den beiden Schichten (22, 20) und der der Schicht (22) aus dem ersten Halbleitermaterial benachbarten Oberfläche der Schichtstruktur kleiner ist als der Abstand zwischen der Übergangszone (10) und der der Schicht (20) aus dem zweiten Halbleitermaterial benachbarten Oberfläche der Schichtstruktur.
5. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (22) aus dem ersten Halbleitermaterial auf der der Übergangszone (10) abgewandten Seite zumindest teilweise an Luft oder eine dielektrische Schicht angrenzt.
6. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schichten (22, 20) aus verschiedenen AIIIBV-Verbindungen bestehen.
7. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (22) aus dem ersten Halbleitermaterial aus GaAs und die Schicht (20) aus dem zweiten Halbleitermaterial aus Ga1-xAlxAs besteht.
8. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmaterial Si und/oder Ge ist.
9. Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleitermaterial GaAs ist.
10. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Halbleitermaterial Germanium ist.
11. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Halbleitermaterial GaAsySb1-y ist.
12. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Halbleitermaterial mit Akzeptoren dotiert ist.
13. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Halbleitermaterial Ga1-xInxAs ist.
14. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Halbleitermaterial mit Donatoren dotiert ist.
15. Feldeffekt-Transistor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus dem ersten Halbleitermaterial (22) dünner ist als die Schicht aus dem zweiten Halbleitermaterial (20).
16. Feldeffekt-Transistor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangszone (10) zwischen den beiden Schichten (22, 20) eine in atomarer Größenordnung liegende Rauhigkeit hat.
17. Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangszone zwischen den beiden Schichten (22, 20) eben ist.
18. Feldeffekt-Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Übergangszone (10) zwischen den beiden Schichten (22, 20) nur wenige, höchstens zehn Atomlagen beträgt.
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