DE3602652A1 - Feldeffekttransistor mit heterouebergang - Google Patents

Feldeffekttransistor mit heterouebergang

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DE3602652A1 DE19863602652 DE3602652A DE3602652A1 DE 3602652 A1 DE3602652 A1 DE 3602652A1 DE 19863602652 DE19863602652 DE 19863602652 DE 3602652 A DE3602652 A DE 3602652A DE 3602652 A1 DE3602652 A1 DE 3602652A1
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Description

TER MEER · MÜLLER · STEINMSISTER
-4-BESCHREIBÜNG
Feldeffekttransistor mit HeteroÜbergang
Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor mit HeteroÜbergang gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
V^ In der Figur 1 ist ein konventioneller Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit dargestellt, der nachfolgend als HEMT bezeichnet werden soll (High Electron Mobility Transistor) . Im HEMT nach Figur 1 sind eine undotierte GaAs-Schicht 2 und eine Al Ga1 As-Schicht
X X ™ X
vom η-Typ der Reihe nach auf ein halbisolierendes GaAs-Substrat 1 aufgebracht, zum Beispiel durch einen epitaktischen Wachstumsvorgang. Auf der Al Ga1 As-Schicht 3 vom η-Typ sind eine Schottky-Gate-Elektrode 4, eine Source-Elektrode 5 und eine Drain-Elektrode 6 gebildet. Die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 6 reichen durch die Al Ga1- As-Schicht 3 vom η-Typ bis zur GaAs-Schicht 2 hindurch.
im HEMT nach Figur 1 befindet sich ein HeteroÜbergang zwischen der Al Ga1 As-Schicht 3 vom η-Typ und der
X X *~ X
GaAs-Schicht 2. In einem Bereich der GaAs-Schicht 2 benachbart zum HeteroÜbergang 7 liegt eine zweidimensionale Elektronengasschicht 8. Anhand des in Figur 2 dargestellten Energiebanddiagramms läßt sich die Situation genauer darstellen. Wie zu erkennen ist, liegt eine wenigstens annähernd invertierte dreieckförmige Potentialmulde an einer Leitungsbandkante E im Bereich der GaAs-Schicht 2 benachbart zum Heteroübergang 7. Elektronen, die von der Al Ga1 As-Schicht 3
X -L —X
TER MEER · MÖLLER · STEINMEISTeR
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vom η-Typ zur GaAs-Schicht 2 aufgrund einer Energiedifferenz an der Leitungsbandkante E zwischen der Al Ga1_ As-Schicht 3 vom η-Typ und der GaAs-Schicht 2 wandern, werden in dieser Potentialmulde gesammelt, so daß dadurch die zweidimensional Elektronengasschicht 8 gebildet wird. Eine Stufe Δ E der Leitungsbandkante E an der Grenzfläche des HeteroÜberganges 7 beträgt etwa 0,3 eV, wenn bei einer Al-Zusammensetzung das Verhältnis χ = 0,3 ist.
Der HEMT nach Figur 1 wird abgekürzt als Vorwärts-HEMT bezeichnet. Zusätzlich zu diesem HEMT-Typ ist ein sogenannter Rückwärts-HEMT bekannt, dessen Energiebanddiagramm in Figur 3 dargestellt ist, und bei dem die Reihenfolge der GaAs-Schicht 2 und der Al Ga1 As-Schicht 3 vom η-Typ gegenüber dem zuerst genannten HEMT vertauscht ist. Um die Konzentration η der zweidimensionalen
Elektronengasschicht 8 zu erhöhen, wurden an beiden Seiten einer GaAs-Schicht Al Ga1 As-Schichten vom η-Typ gebildet,
X X ""■ X
um einen sogenannten Doppelheteroübergang-Feldeffekttransistor zu erhalten, dessen Energiebanddiagramm in Figur 4 dargestellt ist. Dieser Doppelheteroübergang-FET stellt praktisch eine Kombination von Vorwärts- und Rückwärts-HEMTs mit einer gemeinsamen GaAs-Schicht dar.
Der oben erwähnte Vorwärts-HEMT, der Rückwärts-HEMT und der Doppelheteroübergang-FET besitzen insofern Gemeinsamkeiten, als Stromwege jeweils parallel zur Substratoberfläche verlaufen. Ferner weisen sie alle eine hohe Elektronenbeweglichkeit im Bereich der zweidimensionalen Elektronengasschichten auf, die innerhalb der GaAs-Schichtenbenachbart zu einem HeteroÜbergang liegen.
Der oben genannte Vorwärts-HEMT, der Rückwärts-HEüIT und der Doppelheteroübergang-FET v/eisen jedoch den auch beim konventionellen GaAs-FET vorhandenen
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— 6—
Nachteil auf, daß die planaren Musterstrukturen nur relativ ungenau hergestellt werden können. Aufgrund dieses Problems können ihre Gate-Längen nicht über eine bestimmte Grenze hinaus gekürzt werden. Hinzu kommt, daß konventionelle HEMTs eine begrenzte Stromdichte aufweisen, durch die ihre Einsatzmöglichkeiten beschränkt sind.
C\ Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feldeffekttransistor mit HeteroÜbergang zu schaffen, dessen v/irksame Gate-Länge in einfacher Weise auf sehr kurze Werte eingestellt werden kann, und der darüber hinaus im Vergleich zu konventionellen Transistoren der genannten Art eine erhöhte Stromdichte aufweist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
20
Ein Feldeffekttransistor nach der Erfindung mit HeteroÜbergang zeichnet sich dadurch aus, daß
- eine erste, eine zweite und eine dritte Halbleiterschicht, die der Reihe nach aufeinanderliegend angeordnet sind,
- ein erster HeteroÜbergang zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht,
- ein zweiter HeteroÜbergang zwischen der zweiten und der dritten Halbleiterschicht,
- eine erste zweidimensional Elektronengasschicht innerhalb der zweiten Halbleiterschicht benachbart zum ersten HeteroÜbergang,
- eine zweite zweidimensionale Elektronengasschicht innerhalb der zweiten Halbleiterschicht benachbart zum zweiten HeteroÜbergang,
- eine Gate-Elektrode, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode auf einer der ersten und dritten Halb-
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leiterschichten vorhanden sind, daß
- die erste zweidimensionale Elektronengasschicht sich von einem mit der Gate-Elektrode übereinstimmenden Bereich zur Drain-Elektrode erstreckt und mit einem Ende praktisch mit der Drain-Elektrode verbunden ist,
- die zweite zweidimensionale Elektronengasschicht sich von einem mit der Gate-Elektrode übereinstimmenden Bereich zur Source-Elektrode erstreckt und mit einem Ende praktisch mit der Source-Elektrode verbunden ist,
ig und daß
- die Anzahl der Elektronen, die zwischen der ersten und zweiten zweidimensionalen Elektronengasschicht in einem mit der Gate-Elektrode übereinstimmenden Bereich der zweiten Halbleiterschicht wandern, durch eine an
!5 die Gate-Elektrode anlegbare Spannung zur Steuerung eines Stromes zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode modulierbar ist.
Bei diesem Aufbau wird die effektive Gate-Länge durch die Dicke der zweiten Halbleiterschicht definiert. Daher kann durch genaue Einstellung der Dicke der zweiten Halbleiterschicht die Gate-Länge leicht verkürzt werden. Darüber hinaus wird eine im Vergleich zu einem konventionellen Transistor der genannten Art erhöhte Stromdichte erhalten.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die erste, die zweite und die dritte Halbleiterschicht der Reihe nach auf einem Halbleitersubstrat aufeinanderliegend angeordnet. Das Halbleitersubstrat kann beispielsweise ein GaAs-Substrat sein.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die erste und die dritte Halbleiterschicht Al Ga,_ As-
Λ J- ~" Λ
Schichten vom η-Typ (n-Leitungstyp), und die zweite
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3602Ü52
-8-
Halbleiterschicht eine nicht dotierte GaAs-Schicht eine GaAs-Schicht vom p-Typ (p-Leitungstyp) oder eine TaAs-Schicht vom p-Typ.
Nach einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung überlappen sich die erste und die zweite zweidimensionale Elektronengasschicht nur unterhalb der Gate-Elektrode.
Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik Aus- IQ führungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen kon
ventionellen Vorwärts-HEMT,
Fig. 2 ein Energiebanddiagramm des Vorwärts-
HEMTs nach Figur 1,
Fig. 3 ein Energiebanddiagramm eines kon
ventionellen Rückwärts-HEMTs,
Fig. 4 ein Energiebanddiagramm eines konventionellen Doppelheteroübergang-FETs, Fig. 5 einen Querschnitt durch einen FET mit
HeteroÜbergang gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 6A und 6B Energiebanddiagramme zur Erläuterung der Betriebsweise des Heteroübergang-FETs nach Fig. 5, und
Fig· 7 ein Energiebanddiagramm zur Erläuterung
der Betriebsweise eines Heteroübergang-FETs nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
'ß Im Nachfolgenden werdenanhand der Fig. 5 bis 7 AusführungsbeispieJe eines Feldeffekttransistors (FETs) mit HeteroÜbergang näher beschrieben.
Bei diesem Heteroübergang-FET sind entsprechend der Figur 5 eine AlxGa1_xAs-Schicht 9 vom η-Typ, eine nichtdotierte GaAs-Schicht 2 und eine A^Ga^^s-Schicht 3
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-9-
vom η-Typ der Reihe nach auf einem halbisolierenden GaAs-Substrat 1 aufgebracht, und zwar durch einen epitaktischen Wachstumsvorgang mit Hilfe des MBE-Verfahrens (Molecular Beam Epitaxy-Verfahrens) oder mit Hilfe des MO-CVD-Verfahrens (MO-Chemical Vapour Deposition-Verfahrens). Die genannten drei Schichten 9, 2 und 3 liegen direkt aufeinander. Auf der AlxGa1_xAs-Schicht 3 vom η-Typ befinden sich eine Schottky-Gate-Elektrode 4, beispielsweise aus Ti/Pt/Au, eine Source-Elektrode 5 aus zum Beispiel AuGe/Ni sowie eine Drain-Elektrode 6 aus zum Beispiel AuGe/Ni. Unterhalb der Source-Elektrode 5 liegt eine Schicht 10 vom n+-Typ, die sich bis zur GaAs-Schicht 2 erstreckt, während unterhalb der Drain-Elektrode 6 eine Schicht 11 vom η -Typ liegt, die sich bis zur Al Ga, As-Schicht 9 erstreckt.
Beim Heteroübergang-FET nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt ein erster HeteroÜbergang 12 zwischen der A1 x Gai_x As-Schicnt 9 vom η-Typ und der GaAs-Schicht Im Bereich der GaAs-Schicht 2 und benachbart zum HeteroÜbergang 12 befindet sich eine erste zweidimensional Elektronengasschicht 13. Eine zweite zweidimensionala Elektronengasschicht 8 liegt dagegen im Bereich der GaAs-Schicht 2 benachbart zum zweiten HeteroÜbergang 7, der sich zwischen den Schichten 2 und 3 befindet. Diese zweidimensionalen Elektronengasschichten 8 und 13 erstrecken sich normalerweise über die gesamte Länge der HeteroÜbergänge 7 und 12. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind jedoch nicht benötigte Bereiche der zwei- dimensionalen Elektronengasschichten 8 und 13 durch implantierte Ionen, zum Beispiel H+-, B+-Ionen oder dergleichen beseitigt worden, so daß nur zweidimensionale Elektronengasschichten 8 und 13 in den erforderlichen Bereichen vorhanden sind, die unterhalb der Schottky-Gate-Elektrode 4 liegen und sich zu den Schichten 10 und 11 vom η -Typ hin erstrecken. Die zweidimensionalen
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Elektronengasschichten 8 und 13 überlappen sich daher in vertikaler Richtung bzw. in Richtung senkrecht zur Substratoberfläche nur im Bereich unterhalb der Schottky Gate-Elektrode 4, Um die zweidimensionalen Elektronengas schichten 8 und 13 bereichsweise zu beseitigen, kann zusätzlich zum oben erwähnten Ionenimplantationsverfahren ein Ätzverfahren angewendet werden.
Im Nachfolgenden wird anhand der Figur 5 und den weiteren Figuren die Wirkungsweise des Heteroübergang-FETs nach dem beschriebenen Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Wie anhand der Figur 6A zu erkennen ist, sind in einem Gleichgewichtszustand, in dem keine Spannung an die Schottky-Gate-Elektrode 4, die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 6 gelegt wird, die zweidimensionalen Elektronengasschichten 8 und 13 , die sich in den Bereichen der GaAs-Schicht 2 jeweils benachbart zu den HeteroÜbergängen 7 und 12 befinden, voneinander getrennt.
Liegt eine vorbestimmte Vorspannung zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode, so wird eine Gate-Spannung an die Schottky-Gate-Elektrode 4 gelegt, wie die Figur 6B zeigt. Ändert sich die Gate-Spannung, so wird dadurch die Konzentration η der zweidimensionalen Elektronengasschicht 8 an der Sourceseite gesteuert. Dabei wird die Anzahl der Elektronen, die von der zweidimensionalen Elektronengasschicht 8 zur zweidimensionalen Elektronengasschicht 13 wandern, moduliert. Die zweidimensionale Elektronengasschicht liegt an der Drainseite jenseits einer Potentialbarriere innerhalb der GaAs-Schicht 2, die sich zwischen den beiden zweidimensionalen Elektronengasschichten 8 5 und 13 befindet. Im vorliegenden Fall wandern die Elektronen in Richtung des Pfeils A, wie auch in
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Figur 5 zu erkennen ist. Durch den genannten Effekt läßt sich somit der Stromfluß zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode steuern. Wie anhand des vorliegenden Ausführungsbeispiels leicht erkannt werden kann, wird durch den Abstand zwischen den zweidimensionalen Elektronengasschichten 8 und 13, der im wesentlichen der Dicke der GaAs-Schicht 2 entspricht, eine effektive Gate-Länge definiert.
Der beschriebene Heteroübergang-FET besitzt eine Reihe von Vorteilen. So wird bei ihm die effektive Gate-Lange durch die Dicke der GaAs-Schicht 2 bestimmt, wie bereits oben beschrieben. Die Dicke der GaAs-Schicht 2 kann mit hoher Genauigkeit eingestellt werden, beispielsweise auf mehrere Angström oder mehrere zehn Angström, und zwar mit Hilfe des bereits erwähnten MBE-Verfahrens oder des xMO-CVD-Verfahrens. Im Vergleich zu einem konventionellen HEMT kann daher die Gate-Länge in einfacher Weise gekürzt werden, ohne daß Einschränkungen bei der planaren Musterungsgenauigkeit hingenommen werden müssen. Da die zweidimensionalen Elektronengasschichten 8 und 13 als Stromwege zwischen der Source-Elektrode und der Gate-Elektrode sowie zwischen der Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode wirken, liegt auch hier, wie bei einem konventionellen HEMT, eine hohe Elektronenbeweglichkeit vor. Darüber hinaus wandern Elektronen in der GaAs-Schicht 2 unterhalb der Schottky-Gate-Elektrode 4 in Richtung des Pfeils A, so daß ein Strom in der entgegengesetzten Richtung fließt. Der Strom pro Flächeneinheit, also die Stromdichte, ist daher im Vergleich zu einem konventionellen HEMT sehr hoch, da bei einem konventionellen HEMT der Stromfluß parallel zur GaAs-Schicht 2 erfolgt.
Durch das beschriebene Ausführungsbeispiel wird somit ein Hochgeschwindigkeits-FET mit HeteroÜbergang erhalten, der im Vergleich zu einem konventionellen HEMT ein verbessertes Betriebsverhalten aufweist.
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Wird die Dicke der GaAs-Schicht 2 gleich der mittleren freien Weglänge der Elektronen im GaAs gewählt, so läßt sich auch ein sogenannter ballistischer Betrieb durchführen.
5
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So läßt sich etwa die Source-Elektrode 5 auch als Drain-Elektrode verwenden, und umgekehrt, falls dies gewünscht ist. Wird die Source-Elektrode 5 als Drain-Elektrode verwendet, so kann, wie in Figur 7 dargestellt ist, die Anzahl der Elektronen, die von der zweidimensionalen Elektronengasschicht 13 an der Sourceseite zur Drainseite wandern, durch die Gate-Spannung moduliert werden.
Im zuletzt genannten Ausführungsbeispiel kann eine GaAs-Schicht vom p-Typ anstelle einer nicht dotierten GaAs-Schicht 2 verwendet werden. Darüber hinaus können das halbisolierende GaAs-Substrat 1, die GaAs-Schicht 2 und die Al Ga1 As-Schichten 3 und 9 vom η-Typ durch andere
X .L-"X
Typen halbleitender Substrate oder Schichten ersetzt werden. Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel stehen die Schichten 10 und 11 vom η -Typ mit den zweidimensionalen Elektronengasschichten 8 und 13 jeweils in Kontakt. Selbstverständlich können auch Legierungsschichten anstelle der Schichten 10 und 11 vom η -Typ verwendet werden, die mit den zweidimensionalen Elektronengasschichten 8 und 13 jeweils verbunden sind.
- Leerseite -

Claims (5)

  1. 3602652 TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER
    PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
    Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl. Ing. H. Steinmeister
    Dipl. Ing. F. E. Müller Artur-Ladebeck-Strasse
    Mauerkircherstrasse 45
    D-8000 MÜNCHEN 80 D-4800 BIELEFELD
    S86P001DEO0
    Ur/b 29. Januar 1986
    SONY CORPORATION 6-7-35 Kitashinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo, Japan
    Feldeffekttransistor mit HeteroÜbergang
    Priorität: 30. Januar 1985, Japan, Ser.No. 016042/85 (P)
    PATENTANSPRÜCHE
    /l. Feldeffekttransistor mit HeteroÜbergang, dadurch gekennzeichnet, daß
    - eine erste (9), eine zweite (2) und eine dritte (3) Halbleiterschicht, die der Reihe nach aufeinanderliegend angeordnet sind,
    - ein erster HeteroÜbergang (12) zwischen der ersten (9) und der zweiten (2) Halbleiterschicht,
    - ein zweiter HeteroÜbergang (7) zwischen der zweiten (2) und der dritten Halbleiterschicht (3),
    - eine erste zweidimensional Elektronengasschicht (13) innerhalb der zweiten Halbleiterschicht (2) benachbart zum ersten HeteroÜbergang (12) ,
    - eine zweite zweidimensionale Elektronengaschicht (8) innerhalb der zweiten Halbleiterschicht ( 2) benachbart
    TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER
    -2-
    zum zweiten HeteroÜbergang (7),
    - eine Gate-Elektrode (4), eine Source-Elektrode (5) und eine Drain-Elektrode (6) auf einer der ersten und dritten Halbleiterschichten (9, 3) vorhanden sind, daß
    - die erste zweidimensionale Elektronengasschicht (13)
    sich von einem mit der Gate-Elektrode (4) übereinstimmenden Bereich zur Drain-Elektrode (6) erstreckt und mit einem Ende praktisch mit der Drain-Elektrode (6) verbunden ist,
    - die zweite zweidimensionale Elektronengasschicht (8)
    sich von einem mit der Gate-Elektrode (4) übereinstimmenden Bereich zur Source-Elektrode (5) erstreckt und mit einem Ende praktisch mit der Source-Elektrode (5) verbunden ist, und daß
    - die Anzahl der Elektronen, die zwischen der ersten und zweiten zweidimensionalen Elektronengasschicht (13, 8) in einem mit der Gate-Elektrode (4) übereinstimmenden Bereich der zweiten Halbleiterschicht (2) wandern, durch eine an die Gate-Elektrode (4) anlegbare Spannung zur Steuerung eines Stromes zwischen der Source-Elektrode (5) und der Drain-Elektrode (6) modulierbar ist.
  2. 2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die erste (9), die zweite (2) und die dritte (3) Halbleiterschicht der Reihe nach auf einem Halbleitersubstrat (1) gebildet sind.
  3. 3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) ein GaAs-Substrat ist.
    TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTE?!
  4. 4. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (9) und die dritte (3) Halbleiterschicht Al Ga, .As-Schichten vom η-Typ und die zweite Halbleiterschicht (2) eine nichtdotierte GaAs-Schicht, eine GaAs-Schicht vom p-Typ oder eine TaAs-Schicht vom p-Typ sind.
  5. 5. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste (13) und die zweite (8) zweidimensional Elektronengasschicht nur unterhalb der Gate-Elektrode (4) überlappen.
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