DE3620686C2 - Strukturierter Halbleiterkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen strukturierten Halbleiter­ körper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Strukturierte Halbleiterkörper der oben genannten Art finden in digitalen Schaltungen, in analogen Hochfrequenz­ schaltungen, in der Leistungselektronik und in optoelek­ tronischen Schaltungen Anwendung.

Aus der DE-OS 23 63 577 ist eine Kombination aus einem bipolaren Transistor und einem Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekt-Transistor (MOSFET) bekannt. Dort ist auf einem Saphir- oder Spinellsubstrat eine Si-Schicht aufgebracht. Die einzelnen Bereiche des Feldeffekt-Transistors (FET) und des bipolaren Transistors sind so angeordnet, daß der Kollektorbereich auf dem Basisbereich angebracht ist und der Drainanschluß des FET identisch mit der Basis des bipolaren Transistors ist. Die auf dem Basisbereich ange­ ordnete Elektrode stellt zusammen mit der Oberfläche des Basisbereiches einen Schottky-Kontakt dar, der als Kollek­ tor dient.

Aus der DE-OS 30 24 166 und der DE-OS 30 39 009 sind Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren bekannt, die eine Kombination mit bipolaren Transistoren erlauben.

Aus der EP 144 242 A2 ist ein strukturierter Halbleiterkörper be­ kannt, bei welchem auf ein halbisolierendes Substrat eine Hete­ rostruktur-Halbleiterschichtenfolge aufgewachsen ist. In dieser Halbleiterschichtenfolge sind durch Grabenätzung elektrisch ge­ geneinander isoliert ein Heterostruktur-Feldeffekttransistor und ein Hetero-Bipolartransistor realisiert.

Heterostruktur-Halbleiterkörper für elektronische Bauelemente sind auch aus der DE-OS 29 13 068 bekannt. In der nicht vorveröf­ fentlichten Patentanmeldung DE 35 42 482 ist ein modulationsdo­ tierter Feldeffekt-Transistor (MODFET) beschrieben, der eine He­ terostruktur aus einer modulationsdotierten SiGe-Schicht sowie einer undotierten Si-Schicht sowie einer undotierten Si-Schicht besitzt.

Aus der US-PS 4 591 889 sind Halbleiterbauelemente mit Hete­ rostrukturen, die ein Halbleiter-Supergitter enthalten, bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungs­ gemäßen Halbleiterkörper anzugeben, der die Vorteile von FET's mit den hohen Stromtreibereigenschaften der bipola­ ren Transistoren kombiniert, eine nahezu beliebige Ver­ drahtung verschiedener elektronischer Bauelemente ermög­ licht und kostengünstig ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die Verwendung von Heterostruktur-Halbleiterkörpern für die in Patentanspruch 1 beschriebene Anordnung hat den Vorteil, daß der modulationsdotierte Feldeffekt-Transistor (MODFET) und der Heterobipolartransistor (HBT) unabhängig voneinander auf einem Substrat angeordnet sind. Außerdem ist es möglich, verschiedene Kombinationen von elektroni­ schen Bauelementen auf einem Substrat anzuordnen, so daß nicht nur eine äußerst schnelle Schaltung möglich ist, sondern auch Substratfläche eingespart werden kann, so daß eine sehr große Packungsdichte möglich ist.

Ferner besitzen die III/V-Heterostruktur-Halbleiterkörper hohe Beweglichkeiten der Ladungsträger, die mit Hilfe der Si-Technik nicht erreicht werden können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher erläutert.

Die Fig. 1a, 1b, 1c und 2 zeigen Querschnitte durch strukturierte Halbleiter­ körper.

In Fig. 1a, 1b, 1c sind Kombinationen eines MODFET 14 mit einem HBT 15 dargestellt.

In Fig. 2 sind eine Diode 16, ein Kondensator 17 und ein Widerstand 18 auf einem Substrat aufgebracht.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanord­ nung gemäß den Fig. 1a, 1b und 1c.

In den Ausführungsbeispielen sind auf einem hochohmigen halbisolierenden GaAs-Substrat 1 mindestens zwei epitak­ tische Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Bandab­ ständen und unterschiedlichen Verunreinigungskonzentra­ tionen aufgebracht, so daß eine Heterostruktur-Schichten­ folge entsteht. Die erste n^--dotierte GaAs-Schicht 2 besitzt einen kleineren Bandabstand als die zweite Halb­ leiterschicht, die aus einer undotieren Al_xGa_1-xAs-Schicht 3a und einer n-dotierten Al_xGa_1-xAs-Schicht 3 besteht. Die dritte n⁺-dotierte GaAs-Schicht 4 hat einen kleineren Bandabstand als die zweite Halbleiterschicht. Das Halb­ leitermaterial 3 mit dem größeren Bandabstand enthält vorteilhafterweise z. B. 0,5-3 . 10¹⁸ Ladungsträger bzw. ionisierte Störstellen eines vorgegebenen Leitungstyps pro cm³ und hat eine Schichtdicke d₂ von 0,03 µm. Das Halblei­ termaterial mit dem kleineren Bandabstand enthält Verun­ reinigungskonzentrationen von 0,1-3 . 10¹⁶ Ladungsträger pro cm³ für die n^--GaAs-Schicht 2 und mehr als 1 . 10¹⁸ Ladungsträger pro cm³ für die n⁺-GaAs-Schicht 4. Die Schichtdicke d₁ der n^--GaAs-Schicht 2 beträgt 0,3-3 µm und die n⁺-GaAs-Schicht 4 hat eine Schichtdicke d₃ von 0,01-0,2 µm. Dotierungsmaterialien sind z. B. Si und/oder Ge. Das verwendete Dotierungsverfahren ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 34 42 460.1 beschrieben.

Die Halbleiter- und Dotierungsmaterialien sind so gewählt, daß die Dotierniveaus in der zweiten Schicht 3 energetisch ungünstiger liegen als das ihnen benachbarte Energieband der ersten Schicht 2 und somit freie Ladungsträger aus der dotierten zweiten Schicht 3 in den angrenzenden Bereich der ersten Schicht 2 abwandern können. Dadurch bildet sich ein steuerbarer n-leitender Kanal.

Um einen abrupten Heteroübergang und damit einen störenden Leitungsbandsprung beim Übergang von der Halbleiterschicht 3 nach 4 zu vermeiden, kann der Al_x-Anteil in der Halblei­ terschicht 3 kontinuierlich geringer werden und im Grenz­ bereich zur Halbleiterschicht 4 gegen Null gehen (X→0).

Die Oberfläche des strukturierten Halbleiterkörpers wird mit den in der Halbleitertechnik geläufigen Verfahren metallisiert und so strukturiert, daß der Source- 5, Gate- 6 und Drain-Anschluß 7 des MODFET in einer Ebene ange­ bracht ist.

Der in Fig. 1a dargestellte Heterobipolartransistor (HBT) besitzt einen n-leitenden Emitterbereich (Schicht 3a, 3 und 4) sowie einen p-implantierten Basisbereich 12, der senkrecht zur dritten und zweiten Halbleiterschicht 4 bzw. 3 und parallel zur ersten Halbleiterschicht 2 verläuft und der entgegengesetzt zur MODFET-Schicht leitend ist. Der Kollektoranschluß 10 ist stufenförmig unterhalb des Emitter- 8 und Basisanschlusses 9 auf dem n^--leitenden Kollektorbereich (Schicht 2) angeordnet. Emitter- 8 und Basisanschluß 9 befinden sich auf gleicher Ebene wie die elektrischen Anschlüsse des MODFET.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Kombination aus FET und HBT ist in Fig. 1b dargestellt. Der Kollektoran­ schluß 10 liegt auf gleicher Höhe mit den anderen elektri­ schen Anschlüssen. Eine n⁺-dotierte, implantierte Kontakt­ schicht 13 verläuft senkrecht zu den Halbleiterschichten 3 und 4 und reicht bis in die Halbleiterschicht 2. Die Kontaktschicht 13 ist begrenzt durch die Isolierschichten 11a, die senkrecht zu den Halbleiterschichten 3 und 4 verlaufen. Die Isolierschichten 11a werden z. B. durch Ionenimplantation erzeugt.

Um den Kollektor niederohmig zu kontaktieren, wird eine n⁺-dotierte Kontaktschicht 13a durch selektive Diffusion oder Implantation vor dem epitaktischen Aufwachsen der Halbleiterschichten auf dem halbisolierenden Substrat 1 aufgebracht und entweder wie in Fig. 1a oder Fig. 1b mit dem Kollektoranschluß 10 verbunden. Fig. 1c zeigt einen Halbleiterkörper mit vergrabener n⁺-dotierter Kontakt­ schicht 13a und einem Kollektoranschluß gemäß Fig. 1a.

MODFET und HBT sind durch eine elektrisch isolierende Schicht 11 getrennt, die senkrecht zu den Halbleiter­ schichten 2 bis 4 angeordnet ist, und die bis in das Substrat 1 reicht. Diese elektrisch isolierende Schicht wird z. B. durch Ionenimplantation, z. B. mit Protonen mit einer Energie von ungefähr 200-500 keV, erzeugt und hat eine Breite b von 1-100 µm. Eine weitere Ausführungsform der Schicht 11 ist durch Ätzen eines geeigneten Isoliergrabens sowie gegebenenfalls Auffüllen mit einem geeigneten Isola­ tormaterial möglich. Da sich die Protonen gut fokussieren lassen, ist die Schicht 11 gut abgrenzbar.

Die beschriebenen strukturierten Halbleiterkörper sind Kombinationen aus einem Halbleiterbauelement (MODFET) mit einem Stromfluß parallel zur Halbleiterschichtenfolge und einem Halbleiterbauelement (HBT) mit einem Stromfluß senkrecht zur Halbleiterschichtenfolge. Diese strukturier­ ten Halbleiterkörper haben den Vorteil, daß MODFET und HBT zunächst elektrisch unabhängig sind, jedoch durch externe Verdrahtung eine Verknüpfung des hochohmigen, schnell­ schaltenden MODFET und mit dem, mit guten Stromtreiber­ eigenschaften ausgestattetem HBT möglich ist. In Fig. 3 ist beispielsweise eine Schaltanordnung für eine Kombina­ tion aus MODFET und HBT dargestellt. Die Metallkontakte in Fig. 3 sind alle an der Oberfläche angebracht und die Verdrahtung kann somit extern erfolgen.

Weiterhin ist es möglich in der Halbleiterschichtenfolge zusätzliche elektronische Bauelemente, z. B. Dioden, Kon­ densatoren sowie Widerstände, zu erzeugen und diese extern entsprechend der herzustellenden Schaltanordnung zu ver­ drahten.

Fig. 2 zeigt, daß sich durch Verdrahten von Kathoden- 19 und Anodenanschluß 20 eine Diode 16 ergibt.

Einen Kondensator 17 erhält man z. B. dadurch, daß in der dritten Halbleiterschicht 4 eine elektrisch isolierende Schicht 11c erzeugt wird z. B. durch Protonenimplantation. Auf diese Schicht 11c wird ein erster Metallkontakt 21 aufgebracht. Ein weiterer Metallkontakt 22 ist mit der Halbleiterschicht 4 verbunden. Die Kapazität des Kondensa­ tors 17 ist durch die Wahl der geometrischen Abmessungen der isolierenden Schicht 11c einstellbar.

Ein Widerstand 18 ist durch zwei Metallkontakte 23 oder 24 auf der dritten Halbleiterschicht 4 herstellbar. Durch Wahl des Abstandes der Metallkontakte und/oder durch Änderung der Leitfähigkeit der Halbleiterschicht sind unterschiedliche Widerstandswerte einstellbar.

Die jeweiligen Bauelemente in Fig. 2 sind durch isolieren­ de Schichten 11b getrennt, die senkrecht zur Halbleiter­ schichtenfolge verlaufen und bis in das Substrat 1 rei­ chen. Diese isolierenden Schichten 11b werden vorzugsweise durch Protonenbeschuß erzeugt.

Die strukturierten Halbleiterkörper gemäß der Erfindung lassen sich beispielsweise mit Hilfe von Molekularstrahl- Epitaxie oder chemischer Gasphasen-Epitaxie aus metallor­ ganischen Verbindungen herstellen. Außer der in den Aus­ führungsbeispielen angegebenen Materialkombination GaAs/- Al_xGa_1-xAs auf GaAs-Substrat sind weitere Halbleiter­ materialien zur Herstellung der beschriebenen Halbleiter­ körper geeignet:

InP/GaInPAs oder InGaAsP/InAlAs auf GaAs- oder InP-Sub­ strat. Durch Hetero-Epitaxie können die oben aufgeführten Halbleitermaterialien über Gitterfehlanpassung auch auf Si-Substrat aufgebracht werden. Weiterhin ist das Mate­ rialsystem SiGe/Si auf Siliziumsubstrat geeignet.

Auf dem halbisolierenden Substrat 1 kann auch eine Halb­ leiterschichtenfolge aufgebracht werden, die mindestens ein Supergitter enthält. Beispielsweise wird die AlGaAs- Schicht 3 durch ein Supergitter mit mindestens zwei vor­ zugsweise binären Halbleitermaterialien mit unterschiedli­ chem Bandabstand, wie z. B. GaAs/AlAs, ersetzt. Die Dotie­ rung des Supergitters kann auf ein Halbleitermaterial beschränkt sein (selektive Dotierung). Da hauptsächlich die Ladungsträger in der Nähe des Heteroüberganges (<10 nm) zum Ladungstransfer beitragen, kann die Dotierung auf den Teilbereich des Supergitters nahe dem Heteroüber­ gang begrenzt werden. Das Supergitter ist, entsprechend den verschiedenen Materialkombinationen, aus denen der strukturierte Halbleiterkörper besteht, aus III/V- und/- oder aus Si/SiGe-Halbleitermaterialien aufgebaut.

Die Verwendung von Supergittern beim Aufbau von struktu­ rierten Halbleiterkörpern verbessert die Material- und damit auch die Bauelementeigenschaften.

Claims (9)

1. Strukturierter Halbleiterkörper, bestehend aus einem halb­ isolierenden Substrat, auf welchem eine Heterostruktur-Halb­ leiterschichtenfolge aufgebracht ist, in welcher ein Hetero­ struktur-Feldeffekttransistor und von diesem elektrisch iso­ liert ein Hetero-Bipolartransistor realisiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht des Hetero-Bipolartran­ sistors als eine implantierte Halbleiterschicht eines zweiten Leitungstyps in einer Halbleiterschicht eines ersten Leitungs­ typs der Heterostruktur-Halbleiterschichtenfolge ausgebildet ist.

2. Strukturierter Halbleiterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor und der Bipolar­ transistor durch eine im wesentlichen senkrecht zur Halbleiter­ schichtenfolge verlaufende isolierende, durch Ionenimplan­ tation entstandene Schicht gegeneinander elektrisch isoliert sind.

3. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der vorhergeh­ enden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die elektrischen Anschlüsse des Feldeffekt-Transistors (14) und des Heterobipolartransistors (15) auf einer Oberfläche angeordnet sind.

4. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das halbiso­ lierende Substrat (1) sowie die darauf aufgebrachte Halbleiter­ schichtenfolge aus III/V-Halbleitermaterialien bestehen und daß zumindest der Feldeffekt-Transistor (14) als modulationsdotierter Feldeffekt-Transistor ausgebildet ist.

5. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das halb­ isolierende Substrat (1) aus GaAs besteht und daß darauf eine Halbleiterschichtenfolge aus einer n^--GaAs-Schicht (2), einer undotierten AlGaAs-Schicht (3a), einer n- AlGaAs-Schicht (3) sowie einer n⁺-GaAs-Schicht (4) aufge­ wachsen ist.

6. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Halbleiterschichtenfolge mindestens ein von einem Tran­ sistor verschiedenes Bauelement vorhanden ist (Fig. 2).

7. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse eines jeden Bauelementes an der Oberfläche angebracht sind und daß eine äußere Verdrahtung der Bauelemente möglich ist entsprechend einer herzustel­ lenden Schaltungsanordnung.

8. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichtenfolge sowie deren Dotierung durch ein Molekularstrahl-Epitaxie-Verfahren und/oder ein chemisches metallorganisches Gasphasen-Epitaxie-Verfahren erzeugbar sind.

9. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem halbisolierenden Substrat (1) eine Halbleiterschichten­ folge vorhanden ist, die mindestens ein Halbleiter-Super­ gitter enthält, aus dem mindestens ein Halbleiterbauele­ ment herstellbar ist.