DE3106798A1

DE3106798A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE3106798A1
Application number: DE19813106798
Authority: DE
Inventors: Erhard Dipl.-Ing. Dr. 7105 Leingarten Kohn; Werner Dipl.-Phys. Dr. 7102 Weinsberg Schairer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1981-02-24
Filing date: 1981-02-24
Publication date: 1982-09-09

Description

Halbleiteranordnung
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung aus einem Lumineszenz-Halbleiterbauelement, das über einen Feldeffekt-Treibertransistor angesteuert wird. Lumineszenzdioden werden in der Regel mit einem Strom von 50 bis 150 mA betrieben.
Dieser Strombedarf ist so groß, daß diese Dioden in der Regel nicht von einer Logikschaltung direkt angesteuert werden können, sondern nur über eine zwischengeschaltete Treiberstufe.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter anordnung aus einem Lumineszenz-Halbleiterbauelement und einem Feldeffekt-Treibertransistor anzugeben, die in einer einfach herzustellenden Einheit zusammengefaßt sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Bauelemente in einem gemeinsamen Verbindungs-Halbleiterkörper untergebracht sind, wobei das Luminesze'nz-Halbleiterbauelement, dessen eine Halbleiterzone zugleich eine Zone des Feldeffekttransistors bildet, von den weiteren Zonen bzw. Elektroden des Feldeffekttransistors umgeben ist.
Die Lumineszenzdiode ist daher bei der erfindungsgemäßen Anordnung im Zentrum einer Feldeffekttransistor-Struktur, die ringförmig oder rahmenförmig ausgebildet sein kann, so angeordnet, daß eine Zone der Diode zugleich eine Zone des Feldeffekttransistors bildet. Die Diode ist beispielsweise in einer mesaförmigen Erhebung des Halbleiterkörpers untergebracht, wobei diese mesaförmige Erhebung dann von der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode umgeben ist. Wenn es sich um einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor handelt, kann die den Kanal begrenzende Sperrschicht aus einem pn-Übergang oder aus einem Schottky-Kontakt bestehen. So weist der Feldeffekttransistor beispielsweise einen Kanal vom n-Leitungstyp auf, der aus einer dünnen, auf einem semiisolierenden Verbindungs-Halbleiterkörper angeordneten Oberflächenschicht besteht. Diese Oberflächenschicht erstreckt sich auch in die zentral angeordnete mesaförmige Erhebung und bildet dort die Drain-Zone des Feldeffekttransistors und zugleich eine Zone der Lumineszenzdiode'.
Die zentral auf dem Halbleiterkörper angeordnete, mesaförmige, die Lumineszenzdiode enthaltende Erhebung kann auch von der Struktur eines MIS-Feldeffekttransistors umgeben sein. Dabei wird vorzugsweise unterhalb der die Gate-Elektrode tragenden Isolierschicht im Halbleiterkörper eine Zone vom ersten Leitungstyp angeordnet, die die Oberflächenschicht vom zweiten Leitungstyp zwischen der Source-Elektrode und der der Lumineszenzdiode gleichzeitig zugehörigen Drain-Zone trennt.
Die erfindungsgemäße integrierte Zusammenfassung von Lumineszenzdiode und Feldeffekttransistor- kann auch in einer planaren Ausführungsform realisiert werden. In diesem Fall weist die Lumineszenzdiode einen sich parallel zur Halbleiteroberfläche erstreckenden pn-Übergang auf, der in eine auf einem semiisolierenden Substrat angeordnete Epitaxieschicht eingelassen ist. Diese Diode wird von der Gate-Elektrode und die Gate-Elektrode ihrerseits von der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors umgeben.
In den Halbleiterkörper, der den Feldeffekttransistor und die Lumineszenzdiode enthält, können vorzugsweise auch Potentialverschiebungs-Dioden eingebracht werden, die in Reihe zur Diode und zum Feldeffekttransistor geschaltet sind. Diese Potentialverschiebungs-Dioden sind bei Sperrschicht-Feldeffekttransistoren erforderlich, wenn diese mit positiven Impulsen angesteuert werden sollen. Die genannten Dioden bestehen beispielsweise aus Dioden mit pn-Übergängen oder aus Schottky-Dioden, die in Flußrichtung betrieben werden.
Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die Figur 1 zeigt die in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integrierte Schaltung.
In Figur 2 ist eine erste Ausführungsform mit einer mesaförmigen Erhebung dargestellt, bei der der Feldeffekttransistor ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor ist.
Im Gegensatz hierzu handelt es sich bei der Anordnung gemäß der Figur 3 um einen MIS-Feldeffekttransistor.
In Figur 4 ist eine planare Anordnung unter Verwendung eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors dargestellt.
Figur 5 zeigt den schaltungsmäßigen Aufbau bei der Verwendung von Potentialverschiebungs-Dioden.
In Figur 6 ist der Querschnitt durch eine integrierte Schaltungsanordnung dargestellt, die zusätzlich Potentialverschiebungs-Dioden enthält.
Die Figur 1 zeigt einen Feldeffekttransistor, dessen Source-Drain-Strecke SD in Reihe zu einer in Flußrichtung betriebenen Lumineszenzdiode D geschaltet ist. Die dargestellte direkte Serienschaltung von Lumineszenzdiode und Feldeffekttransistor ist dann möglich, wenn die Gate-Elektrode G des Feldeffekttransistors mit negativen Ansteuerimpulsen, beispielsweise aus einer vorgeschalteten Steuerlogik, betrieben wird.
Bei positiven Ansteuerimpulsen ist eine direkte Serienschaltung einer Lumineszenzdiode mit einem Inversionsschicht-Feldeffekttransistor möglich.
Die Figur 2 zeigt die Mesa-Ausführung der integrierten Schaltungsanordnung aus Lumineszenzdiode und Sperrschicht-Feldeffekttransistor. Die Halbleiteranordnung 1 weist einen semiisolierenden Substrat-Halbleiterkörper 3 auf, der beispielsweise aus GaAs, GaAlAs, GaP, InP oder anderen Verbindungs-Halbleitern besteht. Auf dem semiisolierenden Substrat kann gegebenenfalls eine gleichfalls semiisolierende oder extrem schwach dotierte Pufferschicht 4 angeordnet sein, die die aktiven Halbleiterbereiche von störenden Einflüssen des Substrats abschirmt. Diese Pufferschicht 4 hat beispiels-10 12 3 weise eine Dotierung von 10 bis 10 Atomen/cm Auf der Pufferschicht ist eine z. B. n-leitende Halbleiterschicht 5 angeordnet, die sich im zentralen Bereich des Halbleiterkörpers in die dort vorhandene mesaförmige Erhebung erstreckt und mit 5a bezeichnet ist. Die mesaförmige Erhebung 2 schließt stirnseitig mit einer dünnen p-dotierten Schicht 6 ab, die mit einem Anschlußkontakt 7 versehen ist, so daß die Zonen 5a und 6 eine Lumineszenzdiode bilden. Die Zonen 5a und 6 werden vorzugsweise durch Flüssigphasen-Epitaxie hergestellt, wobei das Halbleitersubstrat zunächst ganzflächig mit Epitaxieschichten bedeckt werden kann oder nach der Herstellung der dünnen Schicht 5 selektiv weiterepitaxiert wird. Der pn-Übergang 8 der Lumineszenzdiode wird dabei vorzugsweise so hergestellt, daß beim Wachstum der Schichten die Abscheidungstemperatur verändert wird.
Als Dotierungsmaterial kann bei Gallium-Arsenid insbesondere Silizium verwendet werden. Bei relativ hohen Abscheidungstemperaturen scheidet sich auf dem Substrat zunächst n-leitendes Material ab, das bei Absenkung der Abscheidungstemperatur unter 760 - 800 0C in p-leitendes Material umschlägt. Die n-leitende Schicht 5a hat beispielsweise eine 17 3 Dotierung von ca. 10 Atomen/cm und eine Dicke von 10 bis 30 um. Die p-leitende Schicht-6 hat beispielsweise eine Dotierung von 10 7 bis 1018 Atomen/cm3 und ist 3 bis 75 um dick.
Die n-leitende Schicht 5, die die mesaförmige Erhebung 2 umgibt, ist relativ dünn und bildet den Kanal für einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor. Die Schicht 5 ist beispielsweise 0,2 bis 1 pm dick und hat eine Dotierung von 1016 bis 1017 Atomen/cm3. Auf der Schicht 5 ist von der mesaförmigen Erhebung 2 ausgehend zunächst der gleichrichtende Schottky-Kontakt l0#angeordnet, der die mesaförmige Erhebung 2 vollständig umschließt, und mit der Halbleiterschicht 5 einen gleichrichtenden Meta11-Halbleiterübergang 11 bildet. Der Schottky-Kontakt besteht bei einem Halbleiterkörper aus Gallium-Arsenid beispielsweise aus Aluminium oder Titan-Platin-Gold.
Der Schottky-Kontakt 10 wird noch von der Source-Elektrode 9 umgeben, die mit der Halbleiterschicht 5 einen ohmschen Kontakt bildet und beispielsweise aus einer Gold-Germanium-Legierung besteht. Die Dioden-Zone 5a ist bei der dargestellten Ausführungsform zugleich die Drain-Zone des Feldeffekttransistors.
Entscheidend für die Eigenschaften des Feldeffekttransistors ist die Dotierung und die Dicke der aktiven Halbleiterschicht 5. Diese Schicht 5 wird beispielsweise so hergestellt, daß zunächst auf die gesamte Oberfläche des Halbleitersubstrats 3 bzw. 4 eine relativ dicke Epitaxieschicht abgeschieden wird, die schließlich unter Abdeckung des für die Mesa-Erhebung erforderlichen Teils wieder so weit abgetragen wird, daß die Restschicht 5 verbleibt. Hierzu eignet sich ein selbstbegrenzendes Ätzverfahren, bei dem die zu ätzende Schicht anodisch oxidiert und zugleich in dem Elektrolyten aufgelöst wird. Bei diesem Ätzverfahren bildet sich eine Sperrschicht zwischen dem zu ätzenden Halbleiterkörper und dem Elektrolyten, und der Ätzprozeß wird beendet, wenn die von der Sperrschicht ausgehende Raumladungszone am semiisolierenden Substrat anstößt Die Halbleiterschicht 5 kann jedoch auch durch Ionenimplantation hergestellt werden. Dann wird die zunächst aufgebrachte Epitaxieschicht mit Ausnahme des Mesa-Bergs bis ins semiisolierende Substrat bzw. in die Pufferschicht 4 geätzt, und in diesem abgeätzten Bereich wird sodann durch Ionenimplantation wiederum eine n-leitende Schicht erzeugt, deren Eigenschaften durch die Dosis und die Energie der Implantation bestimmt wird. In Gallium-Arsenid eignet sich zur Ionenimplantation Schwefel, Silizium oder Selen, wobei 1012 ~ 13 2 die Dosis 1012 bis 1013 Atome/cm2 und die Energie 100 bis 300 keV beträgt.
In der Figur 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, die mit Ausnahme des Kanals und der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors mit der Anordnung nach Figur 2 übereinstimmt. Hier ist der Feldeffekttransistor ein MIS-Feldeffekttransistor, bei dem die Gate-Elektrode 14 durch eine Isolierschicht 12 vom Kanal in der Halbleiterunterlage getrennt ist. Bei einem Indium-Phosphid-Halbleiterkörper kann die Isolierschicht beispielsweise aus Silizium-Dioxid oder aus Silizium-Nitrid bestehen. Die n-leitende Source-Zone unter der Source-Elektrode 9 in der Halbleiterschicht 5 ist von der. gleichfalls n-leitenden Drain-Zone 5a, die zugleich eine Zone der Lumineszenzdiode bildet, durch eine p-leitende, u#nter der Isolierschicht 12 angeordnete Halbleiterzone 13 getrennt. Diese ringförmige oder rahmenförmige p-leitende Zone 13 reicht bis in das semiisolierende Substrat, so daß ein Stromfluß zwischen der Source-Elektrode 9 und dem Drain-Gebiet 5a nur möglich ist, wenn durch ein entsprechendes Potential an der Gate-Elektrode 14 an der Oberfläche der p-leitenden Zone 13 eine Inversionsschicht 15 erzeugt wird.
Die Figur 4 zeigt eine planare Ausführungsform der integrierten Schaltung, wobei auf dem semiisolierenden Substrat 3 wiederum eine beispielsweise n-leitende Epitaxieschicht 5 gleichmäßiger Dicke angeordnet ist. Im zentralen Bereich des Halbleiterkörpers wird in diese n-leitende Schicht 5 eine p-leitende Zone 6 eingelassen, die mit einem Anschlußkontakt 7 versehen wird. Die p-leitende Zone 6 wird von einer weiteren p-leitenden Zone 19 ringförmig oder rahmenförmig umgeben. Diese p-leitende Zone 19 reicht so tief in die Epitaxieschicht 5, daß zwischen dem pn-Übergang 16, der die p-leitende Zone 19 umgibt, und dem semiisolierenden Substrat 3 ein schmaler Kanalbereich 18 verbleibt. Die Dotierung und die Abmessungen dieses Kanalbereichs bestimmen die Eigenschaften des Feldeffekttransistors. Beispielsweise beträgt die Dicke der n-leitenden Epitaxieschicht 5 einige Wm, während der Kanalbereich 18 nur noch eine Restdicke von 0,2 bis 1 wn aufweist. An die p-leitende Zone 19 wird noch eine ohmsche Gate-Elektrode 20 angebracht, die von der gleichfalls ohmschen Source-Elektrode 9 an der Halbleiterschicht 5 ringförmig oder rahmenförmig umgeben wird.
Die p-leitende Zone 19 kann auch durch einen V-förmigen Graben ersetzt werden, der bis- nahe an das semiisolierende.
Substrat 3 reicht. In diesem Graben muß noch ein gleichrichtender Metall-Halbleiterübergang oder ein pn-Übergang erzeugt werden. Der gleichrichtende Metall-Halbleiterübergang wird durch einen Schottky-Kontakt realisiert, der zugleich die Gate-Elektrode bildet. Ein pn-Übergang kann durch Diffusion oder Ionenimplantation hergestellt werden, wobei dann an die dünne p-leitende Oberflächenzone noch eine ohmsche Gate-Elektrode angebracht werden muß.
In der Figur 5 ist noch eine Schaltungsanordnung dargestellt, die Potentialverschiebungs-Dioden D2 und D3 enthält. Diese Dioden D2 und D3 sind in Flußrichtung in Serie zu der Reihenschaltung aus Lumineszenzdiode D1 und Feldeffekttransistor geschaltet. Durch die Potentialverschiebungs-Dioden kann der Sperrschicht-Feldeffekttransistor mit positiven Ansteuerimpulsen betrieben werden. Die Potentialverschiebungs-Dioden sind Schottky-Dioden oder pn-Dioden. Ihre Anzahl wird durch den Gate-Spannungshub bestimmt.
Eine integrierte Ausführungsform der Schaltung gemäß Figur 5 ist in der Figur 6 dargestellt. Die Lumineszenzdiode und der Feldeffekttransistor stimmen in ihrer Ausführung mit der Anordnung gemäß der Figur 2 überein. Am Rand des ~Halbleiterkörpers werden noch dadurch Potentialverschiebungs-Dioden hergestellt, daß die n-leitende Halbleiterschicht 5 in einzelne mesafrmige Inseln 25 und 26 durch Ätzen aufgeteilt wird. In den Gräben zwischen den mesaförmigen Inseln, die bis zum semiisolierenden Substrat 3 reichen, wird an jede n-leitende Insel ein Schottky-Kontakt 21 bzw. 23 und ein ohmscher Kontak ffi2bzw. 24 angebracht. Auf dem semiisolierenden Substrat 3 in den Ätzgräben zwischen den nleitenden Inseln 25 und 26 ist der gleichrichtende Kontakt 21 bzw. 23 der einen Diode mit dem ohmschen Anschlußkontakt 23 bzw. 24 der nachfolgenden Diode bzw. der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors verbunden. Hierdurch entstehen in Reihe zueinander geschaltete Schottky-Dioden, die in Reihe zur Source-Drain-Strecke SD des Feldeffekttransistors geschaltet sind.

Claims

Patentansprüche 1) Halbleiteranordnung aus einem Lumineszenz-Halbleiterbauelement, das über einen Feldeffekt-Treibertransistor angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bauelemente in einem gemeinsamen Verbindungs-Halbleiterkörper untergebracht sind, wobei das Lumineszenz-Halbleiterbauelement, dessen eine Halbleiterzone (5a) zugleich eine Zone des Feldeffekttransistors bildet, von den weiteren Zonen bzw. Elektroden des Feldeffekttransistors umgeben ist.
2) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lumineszenz-Halbleiterbauelement eine Diode ist, die in einer mesaförmigen Erhebung (2) des Halbleiterkörpers angeordnet ist, und daß diese mesaförmige Erhebung von der Gate-Elektrode (10) und von der Source-Elektrode (9) des Feldeffekttransistors umgeben ist.
3) Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor ein Sperrschicht-Feldef fekttransistor ist, wobei die den Kanal begrenzende Sperrschicht aus einem pn-Übergang (16) oder aus einem gleichrichtenden Metall-Halbleiterübergang (11) (Schottky-Kontakt) besteht.
4) Halbleiteranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor einen n-Kanal (5) aufweist, der aus einer dünnen, auf einem semiisolierenden Verbindungs-Halbleiterkörper (3) angeordneten Oberflächenschicht besteht, die sich in die mesaförmige Erhebung erstreckt und dort sowohl die Drain-Zone des Feldeffekttransistors als auch eine Zone (5a) der Lumineszenzdiode bildet, und daß diese n-leitende Zone durch einen pn-Übergang von einer p-leitenden Zone (6) an der Oberfläche der mesaförmigen Erhebung (2) getrennt ist.
5) Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mesaförmige, die Lumineszenzdiode enthaltende Erhebung (2) von der Gate-Elektrode (14) eines MIS-Feldeffekttransistors und die Gate-Elektrode von der Source-Elektrode (9) umgeben ist, wobei unterhalb der die Gate-Elektrode tragenden Isolierschicht (12) im Halbleiterkörper eine Zone (13) vom ersten Leitungstyp angeordnet ist, die die Oberflächenschicht (5) vom zweiten Leitungstyp zwischen der Source-Elektrode (9) und der der Lumineszenz-Diode gleichzeitig zugehörigen Drain-Zon-e (5a) trennt.
6) Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Indiumphosphid ist und die Gate-Isolierschicht (12) aus Siliziumdioxyd oder Siliziumnitrid besteht.
7) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer planaren Struktur die Lumineszenzdiode einen sich zur Halbleiteroberfläche erstreckenden pn-Übergang (17) aufweist, der in eine auf einem semiisolierenden Substrat angeordnete n-Epitaxieschicht (5) eingelassen ist, und daß diese Diode von der Gate-Elektrode (20) und die Gate-Elektrode von der Source-Elektrode (9) des Feldeffekttransistors umgeben ist.
8) Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem semiisolierenden Substrat (3) eine n-leitende Epitaxieschicht (5) angeordnet ist, in die zur Bildung der Diode eine p-leitende Zone (6) eingelassen ist, daß diese p-leitende Zone im Abstand von einer weiteren p-leitenden Zone (19) umgeben ist, die in der Epitaxieschicht bis nahe an das semiisolierende Substrat (3) reicht, so daß der verbleibende Bereich (18) der n-Epitaxieschicht zwischen Substrat (3) und p-leitender Zone (19) den Kanal des Sperrschicht-Feldeffekttransistors bildet.
9) Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode von einem V-förmigen Graben umgeben ist, der bis nahe an das semiisolierende Substrat reicht und daß in diesem Graben zur Bildung einer Sperrschicht ein gleichrichtender Metall-Halbleiterübergang oder ein durch Diffusion oder Ionenimplantation erzeugter pn-Übergang angeordnet ist, 10) Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den die Diode und den Feldeffekttransistor enthaltenden Halbleiterkörper Potentialverschiebungsdioden, die in Reihe zur Diode und zum Feldeffekttransistor geschaltet sind, mitintegriert sind.