DE3526826A1

DE3526826A1 - Statischer induktionstransistor und denselben enthaltenden integrierte schaltung

Info

Publication number: DE3526826A1
Application number: DE19853526826
Authority: DE
Inventors: Kaoru Sendai Miyagi Motoya; Junichi Nishizawa
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1984-07-26
Filing date: 1985-07-26
Publication date: 1986-02-06
Also published as: GB2162370B; DE3526826C2; FR2568410B1; US4712122A; FR2568410A1; GB2162370A; GB8518841D0; US5117268A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung einen statischen Induktionstransistor (der nachstehend als SIT abgekürzt ist) und eine integrierte Schaltung eines solchen Transistors. Im einzelnen betrifft die Erfindung einen SIT vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp, der so aufgebaut ist, daß er gemäß dem Prinzip der thermischen bzw. thermionischen Emission arbeitet, so daß der SIT mit einer hohen Geschwindigkeit arbeiten kann, und weiterhin betrifft die Erfindung eine integrierte Schaltung eines solchen Transistors.

Nach dem Stande der Technik ist ein SIT ein Transistor, in dem das Niveau der Potentialbarrierenhöhe, die mittels einer Verarmungsschicht errichtet ist, welche sich zwischen Torbereichen erstreckt, zur Steuerung eines Stromflusses zwischen einem Quellenbereich und einem Senkenbereich verändert wird. In einem solchen Transistor wird das Potential durch die elektrostatische Kapazität der Verarmungsschicht gesteuert. Daher ist der SIT einem bipolaren Transistor äquivalent, bei dem die Speicherkapazität seiner Basisschicht eliminiert ist. Auf diese Weise ist der SIT hervorragend gegenüber einem FET (einem Feldeffekttransistor) insofern, als er mit einer sehr viel höheren Geschwindigkeit bei niedrigerem Rauschen arbeitet.

Jedoch hat ein SIT nach dem Stande der Technik, in welchem der Abstand zwischen dem Quellenbereich und dem Senkenbereich, sowie derjenige zwischen dem Quellenbereich und dem Torbereich beträchtlich groß sind, insbesondere den Nachteil, daß die Träger der Tendenz unterworfen sind, von den Kristallgittern gestreut zu werden, was eine beschränkte Grenzfrequenz zur Folge hat.

Kurz zusammengefaßt sollen durch die Erfindung die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwunden werden, und es ist ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen SIT vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp zur Verfügung zu stellen, mit welchem Träger mit der Geschwindigkeit von thermischen bzw. thermionischen Trägern driften können, ohne daß sie durch die Kristallgitter gestreut werden und außerdem soll mit der Erfindung eine integrierte Halbleiterschaltung zur Verfügung gestellt werden, die einen oder mehrere solcher neuartigen statischen Induktionstransistoren vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp aufweist.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, mit dem das obige Ziel erreicht wird, wird ein SIT vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp zur Verfügung gestellt, der folgendes umfaßt: einen Kanalbereich, einen Quellenbereich und einen Senkenbereich, der bzw. die eine hohe-Störstellenkonzentration hat bzw. haben und der bzw. die in Kontakt mit jeweiligen beiden Seiten des Kanalbereichs ausgebildet ist bzw. sind, wobei sich insbesondere der Quellenbereich und der Senkenbereich mit je einer der beiden Seiten des Kanalbereichs in Kontakt befindet, und einen Torbereich, der einen Kontakt mit einem Teil des Kanalbereichs oder dem gesamten Kanalbereich bildet und aus einem Halbleiter ausgebildet ist, welcher einen verbotenen Bandzwischenraum bzw. eine verbotene Bandenergielücke hat, der bzw. die größer als derjenige bzw. diejenige des Halbleiters ist, der den Kanalbereich bildet, wobei der Abstand von dem Quellenbereich zu dem Eigentorbereich so gewählt ist, daß er kleiner als der mittlere freie Weg bzw. die mittlere freie Weglänge von Trägern bzw. der Träger ist.

Auf diese Weise werden gemäß dem oben beschriebenen ersten Merkmal die Träger nur schwer durch Kristallgitter gestreut bzw. gebeugt und können mit einer hohen Geschwindigkeit driften,so daß mit der Erfindung ein Hochgeschwindigkeits-SIT zur Verfügung gestellt wird.

Zusätzlich zu dem ersten Merkmal besteht ein zweites Merkmal der vorliegenden Erfindung darin, daß die Breite des Kanalbereichs in einem solchen SIT so gewählt ist, daß sie kleiner als 2λ_ ist, wobei λ die Debye-Länge ist, die durch die Störstellenkonzentration des Kanalbereichs bestimmt ist.

Gemäß diesem zweiten Merkmal nimmt die wechselseitige Konduktanz Gm, die sowohl durch die Torsteuerspannung als auch durch den Senkenstrom bestimmt ist, so zu, daß die Grenzfrequenzcharakteristik in hohem Maße verbessert wird.

Zusätzlich zu dem ersten Merkmal besteht ein drittes Merkmal der vorliegenden Erfindung darin, daß die Zusammensetzung des Halbleiters, der den Torbereich bildet, in einem solchen SIT so abgewandelt ist, daß eine Übereinstimmung zwischen der Halbleitergitterkonstanten des Torbereichs und derjenigen des Kanalbereichs erzielt wird.

Gemäß diesem dritten Merkmal nimmt das Oberflächenniveau an der Grenzoberfläche des Torbereichs ab, so daß die Quellen-Tor-Durchbruchsspannungscharakteristik so verbessert wird, daß der Leckage-Strom vermindert und dadurch der Leistungsverbrauch herabgesetzt wird.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Halbleiterschaltung zur Verfügung gestellt, die einen oder mehrere statische Induktions-

transistoren vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp darin aufweist, wobei der Transistor folgendes umfaßt: einen Senkenbereich, der eine hohe Störstellenkonzentration hat und teilweise von wenigstens einer der Hauptoberf lächen eines Eigenhalbleiters oder eines halbisolierenden Halbleiters gebildet ist, einen Kanalbereich, der auf dem Senkenbereich gebildet ist, einen Quellenbereich, der auf dem Kanalbereich gebildet ist, und einen Torbereich, der in Kontakt mit der Seite des Kanalbereichs vorgesehen und aus einem Halbleiter ausgebildet ist, welcher einen verbotenen Bandzwischenraum bzw. eine verbotene Bandenergielücke hat, der bzw. die größer als derjenige bzw. diejenige des Halbleiters ist, welcher den Kanalbereich bildet, wobei der Abstand zwischen dem Quellenbereich und dem Torbereich so gewählt ist, daß er kleiner als der mittlere freie Weg bzw. die mittlere freie Weglänge von Trägern bzw. der Träger ist.

Gemäß diesem vierten, vorstehend beschriebenen Merkmal ist ein SIT vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp, der eine vertikale Struktur hat, in einem oder mehreren Exemplaren in eine integrierte Schaltung aufgenommen. Daher wird die erforderliche Verdrahtung erleichtert bzw. vereinfacht, und der für die Verdrahtungsverbindungen erforderliche Bereich kann auf etwa zwei Drittel des nach dem Stande der Technik erforderlichen Werts vermindert werden, wodurch eine Integration mit einer hohen Packungsdichte sichergestellt wird.

Die vorstehenden sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung seien nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand einiger, besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1A eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau einer Ausführungsform eines SIT vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; 5

Fig. 1B eine Veranschaulichung der Betriebsweise des in Fig. 1A gezeigten SIT;

Fign. 2 schematische Schnittansichten, die den Aufbau ^xs von anderen jeweiligen Ausführungsformen von statischen Induktionstransistoren vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;

Fig. 8 eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau einer Ausführungsform einer integrierten Halbleiterschaltung zeigt, in welcher ein SIT vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet bzw. angewandt ist;

Fig. 9 ein der in Fig. 8 gezeigten integrierten Schaltung äquivalentes Schaltbild;

Fig. 10 eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau einer anderen Ausführungsform einer integrierten Halbleiterschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und

Fig. 11 ein der in Fig. 10 gezeigten integrierten Schaltung äquivalentes Schaltbild.

Es seien nun die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben:

Es sei angenommen, äaß alle Träger, die über die Spitze einer Potentialbarriere vor dem Quellenbereich eines SIT diffundieren, nach dem Senkenbereich zu driften, wenn der SIT so bemessen ist, daß er einen kleinen Abstand zwischen dem Quellenbereich und dem Senkenbereich hat, so daß der SIT mit einer hohen Geschwindigkeit arbeiten kann. Wenn sich der Weg der Träger dem mittleren freien Weg bzw. der mittleren freien Weglänge nähert, dann driften die Träger mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, ohne daß sie durch die Kristallgitter wesentlich gestreut werden.

Die Stromdichte J wird in diesem Fall durch die folgende Gleichung (1) gegeben:

worin q die Einheitsladung, k die Boltzmannsche Konstante, T die absolute Temperatur, m* die effektive Masse der Träger, η die Störstellenkonzentration des Quellenbereichs, Φ_Γ das Diffusionspotential zwischen dem Torbereich und dem Quellenbereich und V das an den Torbereich angelegte Potential bedeuten.

Die Grenzfrequenz fc des SIT ist, wenn die Träger nun in einer thermischen Emissionsweise injiziert werden, durch die folgende Gleichung (2) gegeben, in welcher die Eingangskapazität der zweiten Stufe, wenn der SIT in Kaskade mit einem anderen SIT geschaltet ist, in Betracht gezogen ist:

_{fc β} ... (2)

8 ,8 Wg

worin Wg die Breite der Potentialbarriere im Torbereich ist.

Daher ist die Grenzfrequenz fc des SIT etwa 780 GHz, wenn GaAs als das Halbleitermaterial verwendet wird,.und die Breite Wg der Potentialbarriere im Torbereich ist 0,1 μΐη.

Aus der obigen Diskussion ist ersichtlich, daß die Grenzfrequenz fc des SIT sehr hoch angehoben werden kann, wenn der Abstand zwischen dem Quellenbereich und dem Torbereich so gewählt wird, daß er geringer als der mittlere freie Weg bzw. die mittlere freie Weglänge der Träger ist, um den SIT von thermischer Emissionsstruktur zur Verfügung zu stellen bzw. zu erzielen. Weiter wird, wenn der SIT der thermischen Emissionsstruktur so erzielt wird, dessen Schaltzeit verkürzt, und die Träger driften über den Eigentorbereich, ohne gestreut zu werden. Daher kann dieser so erhaltene Transistor leicht in eine integrierte Schaltung integriert werden, da die wechselseitige Konduktanz bzw. die Steilheit Gm leicht erhöht werden kann und die Stromaussteuerungsfähigkeit ist hoch.

Gemäß der einen Methode, die Inder vorliegenden Erfindung zum Erhöhen der wechselseitigen Konduktanz bzw. Steilheit Gm angewandt wird, besteht darin, das TorIntervall, daß heißt die Kanalbreite auf der Basis der Debye-Länge, die als Kriterium genommen wird, zu bestimmen.

Die Debye-Länge λ wird durch die folgende Gleichung (3) gegeben:

(3)

worin η die Störstellenkonzentration des Kanalbereichs und e die Dielektrizitätskonstante bedeuten.

Gemäß der Gleichung (3) ist die Debye-Länge λ_ etwa 3,95 μπι, 0,4 μΐη und 0,04 μπι, wenn die Störstellenkonzentration η den Wert von 10 cm"³ bzw. 10 cm" bzw. 10 cm"³ hat. Generall kann die wechselseitige Konduktanz Gm erhöht werden, wenn die Kanalbreite so gewählt wird, daß sie geringer als 2λ_ ist. Da die Dimensionssteuerung bzw. -kontrolle der Kanalbreite in diesem Falle durch die Genauigkeit der Photolitographie bestimmt wird, ist es jedoch notwendig, die Dimension der Kanalbreite in Relation zu der Fabrikationstechnologie zu bestimmen bzw. festzulegen.

Bevorzugte Ausführungsformen des SIT vom thermischen Emissionstyp und solche einer integrierten Schaltung, welche den SIT gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen, seien nun in näheren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung beschrieben.

Die Fig. 1A zeigt die Struktur einer Ausführungsform eines SIT vom thermischen Emissionstyp bzw. vom thermionischen Emissionstyp gemäß der vorliegenden Erfindung. Nach Fig. 1A umfaßt der SIT einen Senkenbereich 1, der von einem Substrat aus GaAs vom n⁺-Typ gebildet ist, einen Kanal,-bereich 2 in der Form einer auf dem Substrat ausgebildeten Schicht vom n~-Typ, und einen Quellenbereich 3 in der Form einer Schicht vom n⁺-Typ, die sich in Kontakt mit dem Kanalbereich 2 befindet. In dem Kanalbereich 2 ist eine in demselben verlegte Schicht aus Ga,-_ ,Al As vorgesehen, die einen Torbereich 4 bildet. Obwohl der Torbereich 4 in Fig. 1A nur im Schnitt gezeigt ist, ist er in einem netzförmigen oder linearen Muster ausgebildet, und die dargestellten Teile sind an ihren Enden so kombiniert, daß sie

an der Oberfläche freiliegen. Eine Torelektrode 7 ist auf den freiliegenden Teilen des Torbereichs 4 ausgebildet. Die Torelektrode 7 ist aus einem Metall ausgebildet, das einen ohmschen Kontakt mit dem Torbereich bildet. Eine Senkenelektrode 5 und eine Quellenelektrode 6 sind auf der unteren Oberfläche des Senkenbereichs 1 bzw. auf der oberen Oberfläche des Quellenbereichs 3 ausgebildet.

Im Falle eines Verbindungshalbleiters, wie GaAs, kann ein zufriedenstellender elektrisch isolierender Film nicht darauf ausgebildet werden. Wenn jedoch ein Mischkristall, wie

beispielsweise Ga, ₁ >A1 As, dessen verbotener Bandzwischenraum ν ι xj χ

größer als der von GaAs ist, zur Ausbildung des Torbereichs 4 verwendet wird, wie oben beschrieben, dann kann der Torbereich eine elektrische Isolierung ähnlich derjenigen bilden, die von einem SiO--Film oder dergleichen gebildet wird.

In dem Kanalbereich 2, der zwischen dem Quellenbereich 3 und dem Senkenbereich 1 der in Fig. 1A gezeigten Transistorstruktur mit dem darin befindlichen Torbereich 4 gebildet ist, istderAbstand von dem Quellenbereich 3 zu dem Eigentorbereich 4 so gewählt, daß er kleiner als der mittlere freie Weg bzw. die mittlere freie Weglänge von Trägern ist, so daß eine SIT-Struktur vom thermischen Emissionstyp erhalten werden kann. Der so erhaltene Transistor kann als ein normalerweise eingeschalteter Typ oder als ein normalerweise ausgeschalteter Typ arbeiten, indem man den Abstand zwischen den Teilen und die Dicke der Teile des Torbe-0 reichs 4 geeigneterweise wählt und indem man außerdem die Störstellenkonzentration im Kanalbereich 2 in geeigneter Weise verändert. Der Wert von χ in Ga-. ,Al As, welches den Torbereich 4 bildet, ist beispielsweise χ = 0,3. Der Mischkristall ist vorzugsweise bis zu einer solchen Stör-Stellenkonzentration undotiert, daß eine Injektion von

Trägern von dem Tor-nach dem Kanalbereich zu nicht auftritt.

Die Fig. 1B zeigt die Potentialverteilung in dem Kanalbereich 2 bei Einschluß des Torbereichs 4, der sich darin befindet und der zwischen den Quellenbereich 3 und den Senkenbereich 1 zwischengefügt ist.

In der in Fig.1A gezeigten Ausführungsform haben die Tor-Quellen-Kapazität Cgs und die Tor-Senken-Kapazität Cgd die Tendenz, groß zu werden.

Ein solches Problem wird durch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gelöst, die in Fig. 2 gezeigt ist. Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform kann die Tor-Quellen-Kapazität Cgs auf einen sehr kleinen Wert vermindert sein. In Fig. 2 sind die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung der gleichen oder von äquivalenten Teilen, die in Fig. 1A erscheinen, verwendet. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Torbereich 4 und der Quellenbereich 3 auf der gleichen Hauptoberfläche vorgesehen sind, so daß dadurch das Herausleiten der Torelektrode 7 erleichtert wird, und sowohl die Tor-Quellen-Kapazität Cqs als auch der Torwiderstand Rg sind vermindert. Infolgedessen ist die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform insofern vorteilhaft, als der SIT mit einer höheren Geschwindigkeit arbeiten kann.

Die Fig. 3 zeigt eine noch andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und in Fig. 3 sind die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung der gleichen oder von äquivalenten Teilen, die in Fig. 1A erscheinen, benutzt. In Fig. 3 ist eine Schicht 8 aus einem elektrischen Isolator vorgesehen, um die Tor-Senken-Kapazität Cgd zu vermindern. Der elektrische Isolator ist vorzugsweise SiO-, Si~N., Polyimidharz oder dergleichen. Die Dielektrizitätskonstante

von Si₃N₄ ist etwa 5,5, diejenige von SiO₂ ist etwa 3,8 und diejenige von Polyimid ist etwa 3,2, und zwar im Gegensatz zu der Dielektrizitätskonstante von GaAs, die 11 beträgt. Infolgedessen ist die Tor-Senken-Kapazität Cgd auf weniger als 1/2 des Werts vermindert, der sich bei GaAs ergibt, wenn stattdessen der Isolator vorhanden ist.

Fig. 4 zeigt eine noch andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine teilweise Modifizierung der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist. Es ist ersichtlich, daß der Kanalbereich 3vomn~-Typ in Fig. 3 durch eine Schicht 9 vom p-Typ ersetzt worden ist, die den Kanalbereich bildet. Wenn der Torbereich 4 und die Schicht vom p-Typ, die den Kanalbereich bildet, im Zustand invertiert werden, und wenn der Teil der Schicht 9 vom p-Typ, der in Kontakt mit dem Torbereich 4 ist, in eine Schicht vom η-Typ umgekehrt wird, dann werden Elektronen von dem Quellenbereich 3 in den Senkenbereich 1 injiziert, um den SIT in Betrieb zu setzen.

Die Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungform der vorliegenden Erfindung, die eine teilweise Modifizierung der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist. In Fig. 5 ist ein Bereich 10 vom p⁺-Typ, der eine hohe Störstellenkonzentration hat, in dem in Fig. 4 gezeigten Kanalbereich 9 vom p-Typ ausgebildet, so daß der Fluß von Elektronen, die von dem Quellenbereich 3 injiziert werden, wirksam durch den Torbereich 4 beschränkt werden kann.

Der in den Bereich 9 verlegte Bereich 10 bildet eine Hochpotentialbarriere gegen die Elektronen, die von dem Quellenbereich 3 her injiziert werden. Daher driften die Elektronen durch die beiden Seiten des Bereichs 10 vom p⁺-Typ, der in dem Kanalbereich 9 vom p-Typ verlegt ist. Da der Seitenteil des Kanalbereichs 9 vom p-Typ, der sich in Kon-

takt mit dem Torbereich 4 befindet, der aktuell arbeitende Teil ist, kann die Dicke des Quellenbereichs 3 und diejenige der Quellenelektrode 6 zum Beispiel etwa 0,5 μπι sein, und das erleichtert die Herstellung des SIT. 5

Fig. 6 zeigt noch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine teilweise Modifizierung der in Fig. 4 gez-eigten Ausführungsform ist. In Fig. 6 ist der Bereich 9 vom p-Typ durch den Bereich 2 vom n~-Typ mit Ausnahme des Teils, der sich in Kontakt mit dem Quellenbereich 3 vom n⁺-Typ befindet, ersetzt. Die Fig. 7 ist eine teilweise Modifikation der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform. In Fig. 7 ist der Bereich 9 vom p-Typ in einer Position in den Kanalbereich 2 eingefügt, die sich in der Nähe des Quellenbereich 3 befindet, so daß die Tor-Quellen-Kapazität Cgs und auch die Höhe des Torbereichs 4 herabgesetzt sind.

In allen Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf die Fign. 1 bis 7 beschrieben worden sind, ist der Abstand von dem Quellenbereich zum Eigentorbereich so gewählt, daß er geringer als der mittlere freie Weg bzw. die mittlere freie Weglänge von Trägern ist, so daß leistungsfähig eine thermische Emission bzw. eine thermionische Emission stattfinden kann.

Es ist erforderlich, daß das Oberflächenniveau von

Ga_M .Al As, welches den Torbereich bildet, relativ zu ν ι —χ) χ

demjenigen von GaAs so niedrig wie möglich ist. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise ein Mischkristall, wie beispielsweise Ga,.. ,Al As_n >P , der durch Dotieren einer klei- \ι-χ; χ \ι-yj y

ner Menge von Phosphor (P) in Ga,. ,Al As erhalten wird,

( I—X J X

verwendet, so daß dessen Gittenkonstante genügend an diejenige von GaAs angepaßt bzw. auf diejenige von GaAs abgeglichen werden kann. Die Zusammensetzung von

Ga_M .Al As_M_ ,P ist vorzugsweise derart, daß y etwa lι—xj χ ι ι γ) y

0,01 ist, wenn χ = 0,3 ist. Indem man so die Koinzidenz zwischen der Halbleitergitterkonstanten des Torbereichs und derjenigen des Kanalbereichs erzielt, kann die Quellen-Tor-Durchbruchsspannungscharakteristik verbessert werden, um den Leckage-Strom zu vermindern und den Leistungsverbrauch herabzusetzen.

Der optimale Abstand Wdg¹ zwischen dem Eigentorbereich und dem Senkenbereich für die Ausgangsleistung wird generell durch den nachfolgenden Ausdruck gegeben, vorausgesetzt, daß der Abstand geringer als der mittlere freie Weg bzw. die mittlere freie Weglänge von Trägern ist:

Wdg· « -^p- ... (4)

worin ν die Geschwindigkeit der Elektronen ist, während f die Betriebsfrequenz bedeutet.

Es sei angenommen, daß die Geschwindigkeit der Elektronen 1 χ 10 cm/Sek. ist. Dann sind die Werte von Wdg' bei 100 GHz, 300 GHz, 500 GHz, 700 GHz und 1000 GHz (1 THz) etwa 1600 Ä bzw. 1100 Ä bzw. 950 K bzw. 227 A bzw. 160 JL Im Falle von GaAs, bei dem mit thermischer bzw. thermionischer Emission gearbeitet wird, wird angenommen, daß die Geschwindigkeit der Elektronen den Wert von 1x10 cm/Sek. übersteigt, und der Wert von Wdg¹ bei jeder der obigen Frequenzen wird größer als der jeweilige vorerwähnte berechnete Wert. Das erbringt den Vorteil, daß der SIT leich ter als der Feldeffektransistor nach dem Stande der Technik, in dem Träger mit einer gesättigten Geschwindigkeit driften, hergestellt werden kann.

Vorzugsweise ist die Störstellenkonzentration des Kanalbereich im Vergleich mit der i-Schicht so gewählt, daß

17 — 3
sie etwa 10 cm ist und diejenige des Quellenbereichs und des Senkenbereichs ist so gewählt, daß sie etwa 1 χ

18 — "3 20 -"3

10 cm ^J bis 1 χ 10 cm für Trägerinjektion beträgt.

Integrierte Schaltungen, die ein oder mehrere SIT vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen, seien nachstehend in ihren Einzelheiten beschrieben.

Die Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform einer integrierten Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 8 ist ein Substrat 11 aus GaAs, der ein Eigenhalbleiter i oder ein halbisolierender Halbleiter s.i. ist, prepariert bzw. vorgesehen, und "eine eingebettete Schicht vom n⁺-Typ, die einen Senkenbereich 12 bildet, ist in einer der Hauptoberflächen des Substrats 11 ausgebildet. Ein Kanalbereich 13 ist auf dem Senkenbereich 12 ausgebildet. Die Störstellenkonzentration des Senkenbereich 12 ist so gewählt, daß sie von 10 cm bis 10 cm beträgt, und diejenige des Kanalbereichs 13 ist so gewählt, daß sie von 10 cm bis 10 cm beträgt. Die Kanallänge ist so gewählt, daß sie von 0,1 μΐη bis 1,0 μπι beträgt.

Ein Hetero-Übergangsstellen-Torbereich 14 ist in Kontakt mit der Seitenoberfläche des Kanalbereichs 13 ausgebildet. Der Torbereich 14 wird von einem Verbindungshalbleiter, wie beispielsweise Ga,- >A1 As oder Ga,- ,Al As_n ,P

I I—xj χ \ι—χ; χ ι ι —y / y

gebildet, dessen verbotener Bandzwischenraum größer als derjenige von GaAs ist, welches das Substrat 11 bildet. In der Zusammensetzung des Hetero-Übergangs-Torbereichs 14 sind χ und y so gewählt, daß etwa gilt, χ = 0,3 und y = 0,01.

Ein Quellenbereich 15 ist auf dem Kanalbereich 13 ausgebildet. Die StörStellenkonzentration dieses Quellenbe-

18 — 3 reichs 15 ist so gewählt, daß sie von 10 cm bis

20 -3
10 cm beträgt. Andererseits ist eine Schicht vom n-Typ, die einen Widerstandsbereich 16 bildet, auf der Hauptoberfläche des Substrats 11 aus GaAs in der Nähe des Senkenbereichs 12 ausgebildet, und eine Schicht vom n⁺-Typ, die einen Elektrodenbereich 17 bildet, ist in dem Widerstandsbereich 16 ausgebildet. Die Störstellenkonzentration des Widerstandsbereichs 16 ist so gewählt, daß sie von etwa 10¹⁸ cm"³ bis 10²⁰ cm"³ beträgt.

Eine Ausgangselektrode 20 ist so vorgesehen, daß sie einen Teil des Senkenbereichs 12 und des Widerstandsbereich 16 bedeckt, und eine Leistungs- bzw. Stromzuführungselektrode 21 ist auf dem Elektrodenbereich 17 vorgesehen. Diese Elektroden sind aus einem Metall, wie beispielsweise Al, Au, W oder Pt ausgebildet.

Der übrige Bereich der Hauptoberfläche des Substrats 11 aus GaAs ist mit einem Film aus einem elektrischen Isolator 22 bedeckt, wie beispielsweise aus Si₃N₄, SiO₂ oder einem Polyimidharz. Eine Torelektrode 23 ist auf dem Torbereich 14 so ausgebildet, daß sie nach aufwärts durch den Isolatorfilm 22 vorsteht, und eine Quellenelektrode 24 ist auf dem Quellenbereich 15 ausgebildet. Das Material dieser Elektroden 23 und 24 entspricht demjenigen der Elektroden 20 und 21.

Ein Eingangsanschluß 30, ein Masseanschluß 21, ein Ausgangsanschluß 32 und ein Leistungs- bzw. Stromzuführungsanschluß 33 sind mit der Torelektrode 23 bzw. der Quellenelektrode 24 bzw. der Ausgangselektrode 20 bzw. der Leistungs- bzw. Stromzuführungselektrode 21 verbunden, so daß eine integrierte Schaltung ausgebildet ist.

Die Bildung des SIT vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp der vertikalen Struktur auf dem Substrat 11

aus GaAs in der vorstehend beschriebenen Weise erleichtert das Ausbilden der Verdrahtungsverbindungen zu dem Senkenbereich 12, dem Torbereich 14 und dem Quellenbereich 15, so daß die integrierte Schaltung leichter als eine integrierte Schaltung von einem FET oder einem HEMT, wo feine Verdrahtungsverbindungen zu deren Quelle, Toren und Senke ' erforderlich sind, hergestellt werden. Daher kann der für die Verdrahtungsverbindungen erforderliche Bereich auf etwa 2/3 des nach dem Stande der Technik erforderlichen Bereichs vermindert werden, so daß ein großer Integrationsgrad erzielt werden kann.

Die Fig. 9 zeigt eine der Fig. 8 äquivalente Schaltung, und in Fig. 9 sind die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung der gleichen Teile, die in Fig. 8 erscheinen, verwendet. Es ist ersichtlich, daß ein Lastwiderstand 41 mit einem SIT 40 vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp mit normalerweise ausgeschalteter Charakteristik bzw. mit einer Charakteristik, die bedeutet, daß er normalerweise ausgeschaltet ist, in Fig. 9 gezeigt ist. Wenn ein Eingangssignal von niedrigem Niveau an den Eingangsanschluß 30 in dem Zustand angelegt wird, in dem die Leistungs- bzw. Stromzuführungspannungs V_DD an den Leistungsbzw. Stromzuführungsanschluß 33 angelegt ist, bleibt der SIT 40 vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp in seinem Aus-Zustand, und es erscheint ein Ausgangssignal von hohem Niveau am Ausgangsanschluß 32. Wenn andererseits ein Eingangssignal von hohem Niveau auf den Eingangsanschluß 30 gegeben wird, wird der SIT 40 vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp eingeschaltet, und ein Ausgangssignal von niedrigem Niveau erscheint am Ausgangsanschluß 32. Infolgedessen führt der SIT 40 eine sogenannte Inverteraktion bzw. einen Invertervorgang durch. In der in Fig. 9 gezeigten Schaltung ist der Wert des Stroms durch den Wert des Lastwiderstands 41 bestimmt. Wenn zum

Beispiel der Lastwiderstand 41 einen Widerstandswert von 1 Knhat, und V_DD 1 Volt beträgt, dann ist der Stromwert etwa 1 mA. In diesem Falle ist die Ein-Spannung des SIT 40 vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp sehr niedrig.

Die Fig. 10 zeigt eine andere Ausführungsform einer integrierten Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, in der ein Transistor vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp von der Herabsetzungs- bzw. Senkungsbetriebsweise einen Lastwiderstand bildet. In Fig. 10 sind die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung der gleichen oder von äquivalenten Teilen, die in Fig. 8 erscheinen, verwendet; der Transistor, der als Last wirkt, weist einen Torbereich 50 auf, der eine Dicke hat, die kleiner als diejenige des normalerweise ausgeschalteten Transistors ist, so daß der Transistor eine normalerweise eingeschaltete Operation ausführt bzw. so arbeitet, daß er normalerweise eingeschaltet ist, so daß er dieFunktion des Widerstands hat. Die übrige Struktur ist die gleiche wie die in Fig. 8 gezeigte Halbleiterstruktur, so daß hinsichtlich einer ins Einzelne gehenden Beschreibung auf die Beschreibung dieser Figur verwiesen wird, in der in Fig.10 gezeigten Struktur besteht keine Notwendigkeit für das gesonderte Vorsehen eines Widerstands, und daher ist deren Herstellung entsprechend vereinfacht. In Fig. 10 kann sich der Torbereich 50 in Kontakt mit dem Quellenbereich 15 befinden.

Die Torelektrode 23 kann in direktem Kontakt mit dem Kanalbereich 13 aus GaAs sein, das vorzugsweise vom n-Typ anstatt vom p-Typ ist. Außerdem kann der Lasttransistor ein SIT oder ein konventioneller FET oder dergleichen sein.

Die Fig. 11 zeigt eine der Fig. 10 äquivalente Schaltung. Es ist ersichtlich, daß ein normalerweise eingeschalteter SIT 42 vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp, der als ein Impetanzelement wirkt, mit dem SIT 40 vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp so verbunden ist, daß eine Inverterschaltung gebildet wird. Der Betrieb dieser Inverterschaltung ist entsprechend demjenigen der in Fig. 9 gezeigten Schaltung, und daher wird auf die entsprechenden Ausführungen zu dieser Figur verwiesen.

Es sei darauf hingewiesen, daß in der integrierten Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Transistor von vertikalem Aufbau und vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp vorgesehen ist. Daher wird mit der vorliegenden Erfindung eine integrierte Halbleiterschaltung zur Verfügung gestellt, die bei einer hohen Geschwindigkeit mit niedrigem Leistungsverbrauch arbeitet, welche weiterhin die Verdrahtungsverbindungen erleichtert, und die mit einer hohen Packungsdichte integriert werden kann.

In den vorerwähnten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die bekannte Technik von zum Beispiel Doppelschichtverbindungen bzw. -Zwischenverbindungen zum Verbinden der integrierten Schaltung mit der Leistungsquelle, Masse sowie den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen durch eine planare bzw. ebene Struktur und einen Isolator verwendet werden. Das Material ist in keiner Weise auf GaAs beschränkt und kann zum Beispiel auch Si, InP, InAs, InSb oder ein II-V-Verbindungshalbleiter sein. Es ist ersichtlich, daß das Material auch zum Beispiel durch eine Kombination von HgTe oder CdTe mit Hg,. .Cd, ,Te gebildet sein kann.

Weiter können der Transistor und die integrierte Schaltung nach der vorliegenden Erfindung mittels eines molekular- oder photo- bzw. lichterregten Molekularepitaxialwachstumsprozesses ausgebildet werden, der durch einen der Erfinder erfunden worden ist und in dem molekulare Schichten von GaAs eine nach der anderen im epitaxialen Wachstumsprozeß gebildet werden können. In entsprechender Weise kann die integrierte Schaltung durch eine Dampfphasenepitaxie, eine Flüssigphasenepitaxie, ein MO-VCD-Verfahren (das heißt ein metall-organisch-chemisches Dampfablagerungsverfahren) ,einen MBE-Prozeß (das heißt eine Molekularstrahlenepitaxie), einen Ionenimplantation- oder -diffusionsprozeß, eine Photolitographie, Plasmaätzen, chemisches Ätzen oder irgendeine Kombination von verschiedenen Vakuumverdampfungsprozessen, ausgebildet werden.

Claims

KRAUS ■ WEISERT öl PARTNE^526826

PATENTANWÄLTE

UND ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

DR. WALTER KRAUS DIPLOMCHEMIKER · DR.-ING. DIPL.-ING. ANNEKÄTE WEISERT · DIPL.-PHYS. JOHANNES SPIES THOMAS-WIUMER-RING 15 · D-8OOO MÜNCHEN 22 · TELEFON 089/2273 77 TELEGRAMM KRAUSPATENT · TELEX 5-212156 kpat d · TELEFAX (O89) 22 79 94

5091 JS/WS

RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION OF JAPAN Tokyo, Japan

JUNICHI NISHIZAWA Sendai, Japan

KAORU MOTOYA
Sendai, Japan

Statischer Induktionstransistor und denselben enthaltenden integrierte Schaltung

t PATENTANSPRÜCHE

/i J Statischer Induktionstransistor vom thermischen

bzw. thermionischen Emissionstyp, dadurch gekennzeichnet , daß er folgendes umfaßt: einen Kanalbereich (2), einen Quellenbereich (3) und einen Senkenbereich (1) , der bzw. die eine hohe Stör Stellenkonzentration hat bzw. haben und in Kontakt mit den jeweiligen beiden Seiten des Kanalbereichs (2) bzw. mit je einer Seite des Kanalbereichs (2) ausgebildet ist bzw. sind, und einen Torbereich (4) , der mit einem Teil des Kanalbereichs (2) oder mit dem ganzen Kanalbereich (2) in Kontakt und aus einem Halbleiter ausgebildet ist, welche^ einen verbotenen Bandzwischenraum bzw. eine verbotene Bandenergielücke hat, der bzw. die größer als derjenige bzw. diejenige des Halbleiters ist, der den Kanalbereich (2) bildet, wobei der Abstand von dem

Quellenbereich (3) zu dem Eigentorbereich (4) so gewählt ist, daß er kleiner als der mittlere freie Weg bzw. die mittlere freie Weglänge von Trägern bzw. der Träger ist.
2. Statischer Induktionstransistor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß der Kanalbereich (2) aus GaAs ausgebildet ist, während der Torbereich (4) aus Ga, ₁_ ,Al As ausgebildet ist.
3. Statischer Induktionstransxstor nach Anspruch 1

oder 2, dadurch gekennzeichnet / daß der Kanalbereich (2) einen Halbleiterbereich aufweist, der eine höhere Potentialbarriere gegen Träger, die von dem Quellenbereich (3) her driften, bildet, als der übrige Teil des Kanalbereichs (2).
4. Statischer Induktionstransistor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß eine Torelektrode (7) , die in Kontakt mit dem Torbereich (4) vorgesehen ist, aus einem Metallmaterial ausgebildet ist, das einen ohmschen Kontakt mit dem Torbereich bildet.
5. Statischer Induktionstransistor vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp, dadurch g e k e η η zeichnet, daß er folgendes umfaßt: einen Kanalbereich (2), einen Quellenbereich (3) und einen Senkenbebereich (1), der bzw. die eine hohe Störstellenkonzentration hat bzw. haben und in Kontakt mit den jeweiligen beiden Seiten des Kanalbereichs (2) bzw. in Kontakt mit je einer Seite des Ka-0 nalbereichs (2) ausgebildet ist bzw. sind, und einen Torbereich (4), der in Kontakt mit einem Teil des Kanalbereichs (2) oder mit dem gesamten Kanalbereich (2) und aus einem Halbleiter ausgebildet ist, welcher einen verbotenen Bandzwischenraum bzw. eine verbotene Bandenergielücke hat, der bzw.

die größer als derjenige bzw. diejenige des Halbleiters

ist, der den Kanalbereich (2) bildet, wobei der Abstand von dem Quellenbereich (3) zu dem Eigentorbereich (4) so gewählt ist, daß er kleiner als der mittlere freie Weg bzw. die mittlere freie Weglänge von Trägern bzw. der Träger ist, und wobei ferner der Zwischenraum bzw. die Energielücke des Kanalbereichs (2) so gewählt ist, daß er bzw. sie kleiner als 2λ ist, worin A die Debye-Länge ist, die durch die Verunreinigungskonzentration des Kanalbereichs (2) bestimmt ist.
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6. Statischer Induktionstransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanalbereich (2) einen Halbleiterbereich aufweist, der eine höhere Potentialbarriere gegen Träger, die von dem Quellenbereich (3) driften, bildet, als der übrige Teil des Kanalbereichs (2).
7. Statischer Induktionstransistor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine Torelektrode (7), die in Kontakt mit dem Torbereich (4) vorgesehen ist, aus einem Metallmaterial ausgebildet ist, das einen ohmschen Kontakt mit dem Torbereich (4) bildet.
8. Statischer Induktionstransistor nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanalbereich (2) aus GaAs ausgebildet ist, während der Torbereich (4) aus Ga_M_ .Al As oder

\ I X; X

^Ga(1-x)^Alx^As(1-y)^Py ^aus9^{ebildet ist}· 30
9. Statischer Induktionstransistor, dadurch gekennzeichnet , daß er folgendes umfaßt: einen Kanalbereich (2), einen Quellenbereich (3) und einen Senkenbereich (1), der bzw. die eine hohe Störstellenkonzentration hat bzw. haben und in Kontakt mit jeweils

beiden Seiten des Kanalbereichs (2) bzw. in Kontakt mit je einer Seite des Kanalbereichs vorgesehen ist bzw. sind, und einen Torbereich (4), der einen Kontakt mit einem Teil des Kanalbereichs (2) oder dem gesamten Kanalbereich (2) bildet und aus einem Halbleiter ausgebildet ist, welcher einen verbotenen Bandzwischenraum bzw. eine verbotene Bandenergielücke hat, der bzw. die größer als derjenige bzw. diejenige des Halbleiters ist, welcher den Kanalbereich (2) bildet, wobei der Abstand von dem Quellenbereich (3) zu dem Eigentorbereich (4) so gewählt ist, daß er kleiner als der mittlere freie Weg bzw. die mittlere freie Weglänge von Trägern bzw. der Träger ist, wobei die Zusammensetzung des Halbleiters, der den Torbereich (4) bildet, so modifiziert ist, daß eine Übereinstimmung in der HaIbleitergitterkonstanten des Torbereichs (4) und derjenigen des Kanalbereichs (2) erzielt ist.
10. Statischer Induktionstransistor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanalbereich (2) aus GaAs ausgebildet ist, während der Torbereich (4) aus Ga,., ν Al As,. ,P ausgebildet ist.
11. Statischer Induktionstransistor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Zwischenraum bzw. die Energielücke des Kanalbereichs (2) so gewählt ist, daß er bzw. sie kleiner als 2λ ist, worin λ die Debye-Länge ist, die durch die Störstellenkonzentration des Kanalbereichs (2) bestimmt ist.
12. Statischer Induktionstransistor nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß eine Torelektrode (7), die in Kontakt mit dem Torbereich (4) vorgesehen ist, aus einem Metallmaterial ausgebildet ist, das einen ohmschen Kontakt mit dem Torbereich (4) bildet.
13. Statischer Induktionstransistor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennz eichnet, daß der Kanalbereich (2) einen Halbleiterbereich aufweist, der eine höhere Potentialbarriere gegen Träger, die von dem Quellenbereich (3) driften, bildet, als der übrige Teil des Kanalbereichs (2).
14. Integrierte Halbleiterschaltung, in der ein elektrostatischer Induktionstransistor vom thermischen bzw. thermionischen Emissionstyp, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Transistor (40) folgendes aufweist: einen Senkenbereich (12), der eine hohe Störstellenkonzentration hat und teilweise von wenigstens einer der Hauptoberflächen eines Substrats (11) eines Eigenhalbleiters oder eines halbisolierenden Halbleiters gebildet ist, einen Kanalbereich (13) , der auf dem Senkenbereich (12) gebildet ist, einen Quellenbereich (15), der auf dem Kanalbereich (13) gebildet ist, und einen Torbereich (14) , der in Kontakt mit der Seite des Kanalbereichs (13) vorgesehen und von einem Halbleiter gebildet ist, der einen verbotenen Bandzwischenraum bzw. eine verbotene Bandenergielücke hat, der bzw. die größer als derjenige bzw. diejenige des Halbleiters ist, welcher den Kanalbereich (13) bildet, wobei der Abstand zwischen dem Quellenbereich (15) und dem Torbereich (14) so gewählt ist, daß er kleiner als der mittlere freie Weg bzw. die mittlere freie Weglänge von Trägern bzw. der Träger ist.
15. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanalbereich (13) aus GaAs ausgebildet ist, während der Torbereich (14) aus Ga-. >A1 As oder Ga,., >A1 As_M >P aus-

\ I—XJ X I 1— X) X \ Ι— γ) γ

gebildet ist.
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