DE3630282A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, deren elektrisches Verhalten durch einen Majoritätsladungs­ trägerstrom bestimmt wird.
In neuartigen Majoritäts­ träger-Bauelementen werden energetische Barrieren für Majoritätsträger dadurch erzeugt, daß in einem ein­ kristallinen Halbleitermaterial eine extrem dünne Schicht kontra-dotiert wird. So wird beispielsweise in ein n-leitfähiges Material mit einer Dotierung von 1014 Atomen/cm3 eine nur ca. 10 nm dicke Trennschicht extrem hoher p-Dotierung oberhalb 1019 Atomen/cm3 ein­ gebaut. Wegen der geringen Dicke der kontra-dotierten Schicht verbleiben dort nur Akzeptor-Rümpfe, während die beweglichen Löcher vollständig ausgeräumt sind. Eine derartige PDB-Diode wird beispielsweise in der Zeitschrift "Materials Letters, Vol. 1, No. 1, June 82, S. 22-25" beschrieben. Diese bekannte Diode hat im wesentlichen das Verhalten einer Schottky-Diode, jedoch gegenüber dieser den wesentlichen Vorteil, daß sie rauschärmer ist, da die Barriere im Halbleitervolumen und nicht an der Halbleiteroberfläche angeordnet ist.
In der Fig. 1a ist das Dotierungsprofil dieser bekann­ ten PDB-Diode dargestellt, die eine n⁺-i-p⁺-i-n⁺-Struk­ tur aufweist und deren elektrisches Verhalten durch den Majoritätsladungsträgerstrom bestimmt wird. Eine solche Diode hat dann Raumladungsverhältnisse, wie sie sich aus der Fig. 1b ergeben, sowie ein Energieband-Dia­ gramm gemäß der Fig. 1c. Der unsymmetrische Verlauf der Potentialverteilung ergibt sich daraus, daß die Trennschicht mit den Aktzeptor-Rümpfen unterschiedliche Abstände von den mit Donatoren versehenen Zonen auf­ weist.
Ferner ist aus der Zeitschrift "IEE Proc., Vol. 128, Pt. 1, No. 4, August 81, S. 134-140" eine Transistor- Konfiguration bekannt, bei der heiße Ladungsträger über eine Emissionsbarriere gesteuert in eine dünne Basis­ zone einfließen, wonach sie über eine daran anschlie­ ßende zweite Barriere abgesaugt werden. Die Barriere- Schichten werden auch bei diesem Transistor durch ex­ trem schmale, gegenüber dem Umgebungsmaterial kontra- dotierte Bereiche gebildet, die durch Diffusion oder Ionenimplantation erzeugt werden und die so schmal sind, daß in ihnen nur die Akzeptor-Rümpfe verbleiben. Die beiden Barrierenhöhen werden durch Potentialanle­ gung gegeneinander verändert, so daß bei genügend ge­ ringer Ausdehnung der Basisschicht heiße Elektronen die erste Potentialbarriere durchdringen und über die zweite Potentialbarriere abgesaugt werden.
Die Nachteile dieser bekannten Strukturen liegen darin, daß die Dotierungsübergänge an den Trennschichten sehr abrupt verlaufen müssen und die Trennschicht dabei nur sehr dünn sein darf. Die extrem hohe Dotierung führt zu Gitterverspannungen und zu Ausdiffusionen aus den Trenn­ schichten, so daß während der Lebensdauer der Bauele­ mente eine Veränderung der elektrischen Kenndaten auf­ tritt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung anzugeben, die die genannten Nach­ teile nicht aufweist, einfach herzustellen ist und sehr vorteilhaft als Diode oder Transistor mit einem durch die Majoritätsladungsträger bestimmten elektrischen Verhalten eingesetzt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in ein Halbleiter­ material bestimmten Bandabstandes eine extrem dünne Trennschicht aus einem anderen Halbleitermaterial mit höherem Bandabstand eingefügt ist. Die Trennschicht wird so dick gewählt, daß in ihr keine frei beweglichen Ladungsträger mehr vorhanden sind, so daß die Sperr­ schicht durch thermische Diffusion durchtunnelt wird. Die Barrierenhöhe wird durch die Materialauswahl und durch die Dotierung bestimmt, wobei die Trennschichten schwächer dotiert werden können wie bei bekannten An­ ordnungen, da sich eine wirksame Barriere allein durch den unterschiedlichen Bandabstand der benachbarten Materialien einstellt. Die Potentialverteilung kann außerdem dadurch variiert werden, daß die an die Trenn­ schicht angrenzenden Halbleitermaterialien mit geringem Bandabstand einen voneinander verschiedenen Bandabstand aufweisen.
Eine Transistorstruktur läßt sich dadurch herstellen, daß zwei Trennschichten aus Material höheren Bandab­ standes im Abstand voneinander in ein Halbleitermate­ rial mit geringerem Bandabstand eingefügt werden. Der Abstand zwischen den beiden Trennschichten muß dabei so gewählt werden, daß der Majoritätsladungsträgerstrom ohne zu hohen Energieverlust die Basiszone durchfließt und über die zweite Trennschicht vom Kollektor aufge­ nommen wird. Die Halbleiterschichten aus unterschied­ lichem Material werden vorzugsweise durch epitaktische Abscheidungsverfahren, insbesondere durch Molekular­ strahlepitaxie, erzeugt.
Die Erfindung wird nachstehend noch anhand zweier Aus­ führungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt die Fig. 2a ein Diodenbauelement mit den zugehörigen Ener­ gieverläufen in den Fig. 2b, 2c und 2d. Die Fig. 3a zeigt eine Transistorstruktur mit den zugehörigen Ener­ gieverläufen in den Fig. 3b und 3c.
In der Fig. 2a ist eine Halbleiteranordnung darge­ stellt, die aus zwei Halbleiterschichten 1 und 2 be­ steht, welche durch eine Trennschicht 3 voneinander getrennt sind. Das Halbleitermaterial der Schichten 1 und 2 hat einen kleinen Bandabstand im Verhältnis zu dem Material der Schicht 3. Beispielsweise bestehen die Schichten 1 und 2 aus Silizium und die Schicht 3 aus Gallium-Phosphid. In einem anderen Ausführungsbeispiel bestehen die Schichten 1 und 2 aus Gallium-Arsenid und die Trennschicht 3 aus Gallium-Aluminium-Arsenid oder Gallium-Indium-Phosphid. Die Schichten 1 und 2 können auch aus Indium-Phosphid bestehen, wenn die Trenn­ schicht 3 aus Gallium-Indium-Arsenid, Aluminium-In­ dium-Arsenid oder Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid be­ steht. Die Trennschicht 3 hat vorzugsweise eine Dicke von ca. 10-20 nm und kann den gleichen Leitungstyp wie die Schichten 1 und 2 oder den entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen. Zur Erzeugung einer Diode werden an die Schichten 1 und 2 ohmsche Anschlußelektroden 4 und 5 angebracht.
Die Energieverläufe Abhängigkeit von der Dotierung der Trennschicht, ergeben sich aus den Fig. 2b-2d. Bei dem Energieverlauf nach Fig. 2b ist die Trennschicht 3 schwach n-dotiert und die Schichten 1 und 2 sind gleich­ falls n-dotiert. Wie ersichtlich, bildet sich jedoch dann aufgrund des unterschiedlichen Bandabstandes der aneinander angrenzenden Materialien eine genügend hohe Barriere aus, um eine Diodenwirkung zu erzielen. Bei höherer n-Dotierung der Trennschicht und Beibehaltung der n-Dotierung der Schichten 1 und 2 sinkt gemäß Fig. 2c die Barrierenhöhe, so daß hier die Diodenwirkung reduziert wird. Wählt man eine Kontra-Dotierung der Trennschicht 3 im Verhältnis zu den angrenzenden Halb­ leiterschichten 1 und 2, so ergibt sich ein Energie­ verlauf gemäß Fig. 2d mit einer sehr hohen Barriere. Daraus ist ersichtlich, daß die elektrischen Kennwerte der Diode einmal durch die Auswahl der Materialien und zum anderen durch die Dotierung der Trennschicht im Verhältnis zu den angrenzenden Halbleiterschichten bestimmt werden kann.
Die Fig. 3a zeigt eine Transistorstruktur mit zwei Trennschichten 9 und 11. Bei einem geeigneten Ausfüh­ rungsbeispiel geht man von einem Siliziumsubstrat 6 aus, auf das eine n⁺-dotierte Silizium-Schicht 7 auf­ gebracht wird, die für den Anschluß des Kollektors dient. Die Kollektorschicht selbst wird aus der n-do­ tierten Siliziumschicht 8 gebildet. An diese Kollektor­ schicht 8 grenzt nun die erste Trennschicht 9 an, die beispielsweise 15 nm dick ist und aus Gallium-Phosphid besteht. Die Dotierung dieser Trennschicht beträgt beispielsweise 4 · 1018-4 · 1019 Atome/cm3, während der n-dotierte Kollektor 8 eine Dotierung von ca. 1017 Atomen/cm3 aufweist. An die Trennschicht 9 grenzt die Basiszone 10 an, die aus sehr stark dotiertem, n-lei­ tendem Silizium besteht und eine Störzellenkonzentra­ tion von beispielsweise 5 · 1020 Atomen/cm3 aufweist. Diese Basisschicht ist nur 20 nm dick, so daß die La­ dungsträger auf dem Weg vom Emitter zum Kollektor in der Basisschicht nur einen geringen Energieanteil ver­ lieren. An die Basisschicht 10 grenzt die zweite Trenn­ schicht 11 an, die wiederum p⁺-dotiert ist und aus Gallium-Phosphid besteht. Die Störzellenkonzentration liegt beispielsweise bei 1018-1019 Atomen/cm3 und die Dicke bei 10-15 nm. Auf diese Trennschicht 11 folgt der n-leitende Emitter 12 mit der Emitteranschluß­ schicht 13, an der Emitterkontakt 14 angebracht ist. Die Emitterschicht 12 weist eine n-Störzellenkonzen­ tration von ca. 3 · 1017 Atomen/cm3 auf und besteht wiederum, wie auch die Emitteranschlußschicht 13, aus Silizium. Die Halbleiteranordnung ist mesaförmig aus­ gebildet, so daß die dünne Basisschicht 10 an der Ober­ fläche mit einem Basisanschlußkontakt 16 versehen wer­ den kann. In gleicher Weise verbreitert sich die Halb­ leiteranordnung zum Substrat hin, so daß auch der Kol­ lektor mit einem Kollektoranschlußkontakt 15 leicht kontaktiert werden kann. Die Kontakte bestehen bei­ spielsweise aus Aluminium.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel besteht der Kol­ lektor aus Gallium-Arsenid und die erste Trennschicht 9 aus Gallium-Aluminium-Arsenid mit einem Aluminiumanteil von 0,3. Die Basisschicht 10 besteht aus Gallium-Arsenid mit einer sehr hohen Dotierung und einer geringen Dicke, an die die zweite Trennschicht 11 aus Gallium-Alumi­ nium-Arsenid angrenzt. Der Aluminiumanteil dieser zwei­ ten Trennschicht ist vorzugsweise größer als der der Schicht 9, so daß auf der Emitterseite eine höhere Barriere erzielt wird als auf der Kollektorseite. Bei­ spielsweise liegt der Aluminiumanteil der Schicht 11 bei 0,35. Der Emitter 12 besteht wiederum aus n-dotier­ ten Gallium-Arsenid. Die Trennschichten 9 und 11 aus Gallium-Aluminium-Arsenid sind auch bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel im Verhältnis zum umgebenden Halbleiter­ material aus Gallium-Arsenid kontra-dotiert. Der Ab­ stand zwischen den Trennschichten sollte möglichst gering gewählt werden und liegt zwischen 15 und ca. 60 nm.
Die Fig. 3a und 3c zeigen die Energieverläufe der Transistorstrukturen mit gleich hohen, durch die Trenn­ schichten verursachten Barrieren (Fig. 3b) und un­ gleich hohen Barrieren (Fig. 3c), wobei diese Ungleich­ heit durch unterschiedliche Wahl des Materials der Trennschichten und/oder durch unterschiedliche Dotie­ rung hervorgerufen wird. Die in der Fig. 3a darge­ stellte Transistorstruktur wird vorzugsweise durch Schichtabscheidung mit der Molekularstrahlepitaxie gewonnen.

Claims (14)

1. Halbleiteranordnung, deren elektrisches Verhalten durch einen Majoritätsladungsträgerstrom bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Halbleitermaterial (1, 2, 8, 10, 12) bestimmten Bandabstandes eine extrem dünne Trennschicht (3, 9, 11) aus einem anderen Halb­ leitermaterial mit höherem Bandabstand eingefügt ist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trennschicht (3, 9, 11) ca. 10- 20 nm dick ist.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die durch die Trennschicht (3, 9, 11) verursachte Barrierenhöhe durch die Wahl ihres Mate­ rials und durch ihre Dotierung bestimmt ist.
4. Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter­ material auf den beiden Seiten der Trennschicht (3, 9, 11) aus Material unterschiedlichen Bandabstands be­ steht.
5. Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Halb­ leitermaterial niederen Bandabstandes aus Silizium die Trennschicht (3, 9, 11) aus GaP besteht.
6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Halbleitermate­ rial niederen Bandabstandes aus GaAs die Trennschicht (3, 9, 11) aus GaAlAs oder GaInP besteht.
7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Halbleitermate­ rial niederen Bandabstandes aus InP die Trennschicht (3, 9, 11) aus GaInAs, AlInAs oder GaInAsP besteht.
8. Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als Diode, wobei jeweils an der Schicht (1, 2) aus Halb­ leitermaterial niederen Bandabstandes Ohmsche Anschluß­ kontakte (4, 5) angeordnet sind.
9. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand voneinander in das Halbleitermaterial (8, 10, 12) niederen Bandab­ standes zwei Trennschichten (9, 11) aus Halbleitermate­ rial höheren Bandabstandes eingefügt sind.
10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Trennschich­ ten (9, 11) ca. 15-60 nm beträgt.
11. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht (3, 9, 11) aus Material unterschiedlichen Bandabstandes und/ oder unterschiedlicher Dotierung zur Erzielung unter­ schiedlicher Barrierenhöhen besteht.
12. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 8- 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschichten (9, 11) gegenüber dem Halbleitermaterial niederen Bandab­ standes kontra-dotiert sind.
13. Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halb­ leiterschichten einkristallin und epitaktisch erzeugt sind.
14. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 8- 13, gekennzeichnet durch die Verwendung als Transistor, in dem die an die Trennschichten (9, 11) angrenzenden Halbleiterschichten (8, 10, 12) mit Ohmschen Anschluß­ kontakten (14, 15, 16) versehen sind.
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