DE3724012A1 - Strukturierter halbleiterkoerper - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen strukturierten Halbleiterkör
per nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar zur Herstellung
von elektronischen oder optoelektronischen integrierten
Schaltungen aus III/V-Halbleitermaterialien oder Si-,
SiGe-Materialien auf Si- oder III/V-Halbleitersubstraten.
In der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 37 20 304.5
ist die Herstellung passiver dreidimensional angeordneter
Halbeiterbauelemente aus III/V-Halbleiterverbindungen
beschrieben, die in Serie und parallel schaltbar sind.
Derzeitige Herstellungverfahren von integrierten Schaltun
gen beschränken sich jedoch hauptsächlich auf zweidimen
sionale, d. h. in einer Ebene, angeordneten Halbleiterbau
elemente. Die zweidimensionalen integrierten Schaltungen
haben den Nachteil, daß sie einen großen Flächenbedarf und
dadurch lange Verbindungen zwischen den Halbleiterbauele
menten und eine lange Laufzeit der Ladungsträger erfordern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
gattungsgemäßen strukturierten Halbleiterkörper anzugeben,
der insbesondere für schnelle elektronische und optoelek
tronische integrierte Schaltungen geeignet ist und bei
einer zuverlässigen und kostengünstigen Herstellung eine
hohe packungsdichte von optoelektronischen und elektroni
schen Bauelementen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil
hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den
Unteransprüchen zu entnehmen.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß dreidimensional
angeordnete III/V-Halbleiterbauelemente mit Si- und Si/SiGe-
Bauelementen monolithisch integriert werden können.
Voraussetzung für derartig komplexe, integrierte Schaltun
gen sind geeignete Epitaxieverfahren, insbesondere die
MBE(molecular beam epitaxy), die CVD (chemical vapor
deposition) und die MOCVD (metal organic vapor deposition).
Damit können Halbleiterschichtenfolgen
aufgewachsen werden, die aus GaAs-, Inp oder Si-Schichten
sowie dazu kompatiblen Halbleiterschichten aus GaAsInP,
InAlAs oder SiGe bestehen. Dadurch ist es möglich, daß
z.B. GaAs-Schichten auf kostengünstigen Si-Substraten
aufgewachsen werden oder daß im gleichen Epitaxieprozeß
halbisolierende Zwischenschichten, vorzugsweise aus InP
oder GaAs, und leitende Halbleiterschichten aus z.B.
InAlAs oder GaAsInP abgeschieden werden.
Außerdem ist von Vorteil, daß bei der Herstellung von
dreidimensionelen Schaltungen die Maskierungen und Bauele
mentverbindungen in kostengünstiger und technisch vorteil
hafterweise vereinfacht werden und sich dadurch die Lauf
zeiten der Ladungsträger verkürzen.
Beim Aufbau dreidimensionaler Schaltkreise sind die Halb
leiterbauelemente vertikal zur Halbleiterschichtenfolge
angeordnet. In Fig. 1 ist eine Halbleiterschichtenfolge
dargestellt, die aus Teilschichtenfolgen T 1, T 2,...T m
besteht. Die Teilschichtenfolgen T 1, T 2,...T m sind aus
drei leitenden Halbleiterschichten 2 ma, 2 mb, 2 mc mit m
1, 2... und einer halbisolierenden Zwischenschicht 2 m + 1
aufgebaut sind. Die leitenden Halbleiterschichten 2 ma, 2 mb
2 mc (m = 1, 2 ...) sind in den folgenden Ausführungsbei
spielen derart dotiert, daß sie eine npn-Struktur besit
zen. In den Teilschichtenfolgen T 1, T 2,...T m sind aktive
und/oder passive Halbleiterbauelemente herstellbar.
Die Erfindung ist nicht auf die npn-Struktur der Teil
schichtenfolgen beschränkt, sondern die leitenden Halblei
terschichten 2 ma, 2 mb, 2 mc können auch eine pnp-Struktur
aufweisen. Außerdem können für eine ausschließlich aus
dreidimensional angeordneten Dioden und/oder Sperrschicht
kapazitäten aufgebaute Schaltung die Teilschichtenfolgen
lediglich aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleiter
schichten und einer halbisolierenden Zwischenschicht
bestehen.
Weiterhin können die Teilschichtenfolgen aus mehr als
drei leitenden Halbleiterschichten aufgebaut werden, so daß
beispielsweise die Teilschichtenfolgen eine n++n⁺pn⁻n++-
oder p++pnn++-Struktur besitzen.
Die halbisolierenden Zwischenschichten dienen zur elektri
schen Isolierung der leitenden Halbleiterschichten der
Teilschichtenfolgen.
Durch die Kontaktierung der leitenden Halbleiterschichten
der Schichtenfolge über Kontaktwannen wird eine vorteil
hafte planare Bauweise von dreidimensional angeordneten
Bauelementen erreicht. In der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung P 37 20 305 ist die Kontaktie
rung von mehrschichtigen Halbleiterbauelementen über
entsprechende Kontaktwannen beschrieben. Sind aus techno
logischen Gründen Kontaktwannen nicht herstellbar, so
können die dreidimensional angeordneten Bauelemente in
Mesabauweise hergestellt werden oder durch eine Kombina
tion aus partieller Mesaätzung und partieller, flacher
Implantation bzw. Diffusion können die entsprechenden
Halbleiterschichten der Bauelemente kontaktiert werden.
Eine Planarisierung derartig strukturierter Halbleiterkör
per erfolgt dann durch Auffüllen der Atzgräben mit Polyimid
oder Fließglasern.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen
näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den Halbleiterschichtaufbau des
strukturierten Halbleiterkörpers.
Fig. 2 zeigt den Aufbau einer beispielhaften
Halbleiterschichtenfolge, deren leitende
Halbleiterschichten über getrennt angeord
nete Kontaktwannen kontaktiert werden.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Ersatzschaltbilder für mögliche
Parallel- und Reihenschaltungen von Dioden,
die aus einer Halbleiterschichtenfolge
gemäß Fig. 2 herstellbar sind.
Fig. 5 zeigt das Ersatzschaltbild einer Differenz
verstärkerstufe 52, 53 mit nachfolgendem
Emitterfolger 54.
Fig. 6 zeigt den Aufbau und die Kontaktierung einer
Halbleiterschichtenfolge zur Herstellungeiner
dreidimensionalen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5.
Fig. 7 zeigt eine Aufsicht auf eine Schaltungsan
ordnung gemäß Fig. 5.
In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen besteht der
strukturierte Halbleiterkörper aus einem Substrat 1, aus
z.B. halbisolierendem InP oder halbisolierendem GaAs oder
aber leitenden InP, GaAs oder Si auf dem eine erste Halb
leiterschicht 1 a aufgebracht ist. Die erste Halbleiter
schicht 1 a hat verschiedene Funktionen in Bezug auf das
Substrat 1 und die darauf aufgewachsene Halbeiterschich
tenfolge:
- a) Ist das Substrat 1 leitend und besteht die erste Halbleiterschicht 1 a aus z.B. halbisolierendem InP, so hat die erste Halbleiterschicht 1 a die Funktion einer Isolatorschicht. Die Inp-Schicht ist z.B. Fe-dotiert und besitzt eine Schichtdicke von 100 nm bis 2 µm.
- b) Besitzen Substrat 1, z.B. Si, und die Halbleiter schicht 2 a, z.B. Si0,5Ge0,5, eine unterschiedliche Gitterstruktur, so dient die erste Halbleiterschicht 1 a, z.B. Si0,7Ge0,3, als Anpassungsschicht.
- c) Besitzt das Substrat 1 Kristalldefekte, so wirkt die erste Halbleiterschicht 1 a als Pufferschicht.
- d) Ist die erste Halbleiterschicht 1 a als Übergitter aus z.B. fehlangepaßten InP/GaP-Schichten aufgebaut, so wirkt dieses Übergitter sowohl als Pufferschicht als auch als Anpassungsschicht. Das Übergitter gleicht mechanische Spannungen aus, die zwischen fehlangepaß ten Substraten und der Halbleiterschichtenfolge auftreten.
Auf die erste Halbleiterschicht 1 a ist beispielsweise eine
erste Teilschichtenfolge T 1 aus
- - einer n⁻-dotierten Halbleiterschicht 2 a aus GaInAs mit einer Ladungsträgerkonzentration von ungefähr 1016cm-3 und einer Schichtdicke von etwa 0,1 µm,
- - einer p⁺-dotierten Halbleiterschicht 2 b aus GaInAsp mit einer Ladungsträgerkonzentration von ungefähr 1018cm-3 und einer Schichtdicke von etwa 50 nm,
- - einer n⁺-dotierten Halbleiterschicht 2 c aus Inp mit einer Ladungsträgerkonzentration von ungefähr 1018cm-3 und einer Schichtdicke von etwa 0,1 µm, und
- - einer halbisolierenden Zwischenschicht 3 aus Fe dotiertem oder undotiertem InP mit einem spezifi schen Widerstand von mehr als 103 Ω cm und einer Schichtdicke von 50 nm bis 500 nm,
aufgewachsen.
Der in den Ausführungsbeispielen angegebene strukturierte
Halbleiterkörper besteht aus je drei übereinander angeord
neten Teilschichtenfolgen T 1, T 2, T 3, derart, daß
- a) die Teilschichtenfolgen T 1, T 2, T 3, den gleichen Aufbau besitzen, so daß eine periodische Halbleiter struktur entsteht, oder
- b) sich die Teilschichtenfolgen T 1, T 2, T 3 in mindestens einer Halbleiterschicht bezüglich des Halbleitermate rials und/oder der Dotierung und/oder der Schicht abmessung unterscheiden, so daß eine aperiodische Struktur entsteht.
Die Teilschichtenfolgen T 1, T 2, T 3 besitzen jeweils eine
npn-Struktur.
Die Halbleitermaterialien der Teilschichtenfolgen sind
nicht auf die für die Teilschichtenfolge T 1 angegebenen
III/V-Halbleiterverbindungen beschränkt. Weitere Kombina
tionen von III/V-Halbleiterverbindungen, z.B. GaAlAsSb mit
binären, ternären oder quaternären Varianten, oder aber
Si-, SiGe-Schichten können für den Aufbau der Teilschich
tenfolgen verwendet werden.
Die leitenden Halbleiterschichten besitzen Schichtdicken
von etwa 20 nm bis 500 nm und Ladungsträgerkonzentrationen
von ungefähr 1014 bis 5×1018 cm-3.
In den Ausführungsbeispielen ist der strukturierte Halb
leiterkörper aus lediglich drei Teilschichtenfolgen aufge
baut, so daß der prinzipielle Aufbau dreidimensionaler
Schaltkreise in einfacher und übersichtlicher Weise dar
stellbar ist.
Im Ausführungsbeispiel 1 gemäß Fig. 2 sind die leitenden
Halbleiterschichten der Teilschichtenfolgen T 1, T 2, T 3
über getrennt angeordneten Kontaktwannen kontaktierbar.
Die n-leitenden Halbleiterschichten 2 a, 2 c, 4 a, 4 c, 6 a, 6 c
der Teilschichtenfolgen T 1, T 2, T 3 werden über die n-do
tierten Kontaktwannen 14, 12, 16, 18, 10, 8 und die p-lei
tenden Halbleiterschichten 2 b, 4 b, 6 b werden über die
p-dotierten Kontaktwannen 13, 17, 9 kontaktiert. Die
elektrischen Anschlüsse 20 bis 28 der Kontaktwannen sind
planar auf die halbisolierende Halbleiterschicht 7 aufge
bracht. Es sind sperrfreie metallische Kontakte aus z.B.
AuGe oder AuZn. Die Kontaktwannen werden beispielsweise
erzeugt durch Ionen-Implantation oder Diffusion. Im Falle
von III/V-Halbleiterschichten wird beispielsweise Zn
diffundiert oder Sb oder B implantiert. Im Falle von Si-,
SiGe-Schichten wird z.B. As diffundiert.
Die Dotierkonzentrationen der Kontaktwannen betragen etwa
zwischen 1017 bis 1019cm-3.
In den Teilschichtenfolgen T 1, T 2, T 3 sind Bipolar-,
Heterobipolartransistoren, p/n-Dioden, Kapazitäten und
Widerstände herstellbar, die in verschiedener Weise ver
schaltbar sind.
Beispielsweise ist eine Reihenschaltung von Dioden gemäß
dem Ersatzschaltbild in Fig. 3 möglich, da Einzeldioden
abgegriffen werden können. Zur Herstellung der Reihen
schaltung ist z.B. der n-Kontakt 22 der Diode D 3 mit dem
p-Kontakt 27 der Diode D 2, sowie der n-Kontakt 28 der
Diode D 2 mit dem p-Kontakt 24 der Diode D 1 verbunden. Die
äußeren Anschlüsse der Reihenschaltung liegen auf dem
p-Kontakt 21 der Diode D 3 und dem n-Kontakt 25 der Diode
D 1.
In Fig. 4 ist das Ersatzschaltbild für eine mögliche
Parallelschaltung von drei Dioden D 1, D 2, D 3 abgebildet,
die in einer Halbleiterschichtenfolge gemäß Fig. 2 drei
dimensional angeordnet sind. Die p-Kontakte 24, 27, 21 der
Dioden D 1, D 2, D 3 sind miteinander verbunden und die
Eingänge liegen beispielsweise an den n-Kontakten 25, 28,
22. Eine derartige Schaltung von Dioden kann z.B. als
NAND-Gatter mit drei Eingängen in der Digitaltechnik
verwendet werden.
Die elektrische Isolierung der dreidimensional angeordneten
Bauelemente gemäß Fig. 2 erfolgt über Separationswannen
11, 15, 19. Diese Separationswannen 11, 15, 19 werden
entweder durch Implantation und/oder Diffusion mit z.B.
mit Protonen oder durch geeignete Ätztechniken und
anschließendem Auffüllen mit z.B. Polyimid hergestellt.
Die Separationswannen 11, 15, 19 besitzen einen spezifi
schen Widerstand von mehr als 103 Ω cm.
Die Schichtdicken der leitenden Halbleiterschichten sind
so dünn gewählt (ca. 0,1 µm), daß die auftretenden para
sitären p/n-Übergänge zwischen den Kontaktwannen und die
damit verbundenen Leckströme vernachlässigbar sind. Eine
Isolierung der n- und p-dotierten Kontaktwannen innerhalb
einer Teilschichtenfolge durch Separationswannen ist
deshalb meist nicht erforderlich.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist der Aufbau und die
Kontaktierung einer Halbleiterschichtenfolge des erfin
dungsgemäßen Halbleiterkörpers angegeben, aus der drei
dimensional angeordnete Transistoren einer Verstärkerstufe
52, 53 und eines Emitterfolgers 54 herstellbar sind. In
Fig. 5 ist das Ersatzschaltbild dieser Differenzverstär
kerstufe 52, 53 mit nachfolgendem Emitterfolger 54 ange
geben.
Die im Ersatzschaltbild (Fig. 5) angegebenen Bezugszeichen
entsprechen denjenigen in Fig. 6. Zu den Transistoren 52,
53, 54 gehören die Basis-Halbleiterschichten 2 b, 4 b, 6 b,
die Kollektor-Halbleiterschichten 2 a, 4 c, 6 c, sowie die
Emitter-Halbleiterschichten 2 c, 4 a, 6 a. Diese in der
dargestellten Form (Fig. 6) übereinanderliegenden Halb
leiterschichten sind über entsprechend mehrfach dotierte
Kontaktwannen 29 bis 37 kontaktiert. Die Herstellung von
derartigen mehrfach-dotierten Kontaktwannen und Separa
tionswannen ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen
Patentanmeldung P 37 20 305.3 für Mehrschicht-Halbleiter
bauelemente beschrieben. Die Kontaktwannen 29 bis 37
besitzen an der Oberfläche des Halbleiterkörpers angebrach
te metallische Kontakte 44 bis 50. Die Isolierung der
elektrischen Kontakte und/oder Bauelemente erfolgt über
Separationswannen 15, 38 bis 43.
Die im Ersatzschaltbild (Fig. 5) eingezeichneten Wider
stände sind über die Kontaktwannen 32, 36, 37 und die
Transistorschichten einstellbar durch Wahl der Dotierung
und Dimensionierung der Kontaktwannen und Halbleiterschich
ten. Die Widerstände können aber auch extern in die
Schaltung integriert werden, wobei jedoch weitere elektri
sche Anschlüsse zur Kontaktierung erforderlich sind.
Im Ersatzschaltbild gemäß Fig. 5 sind außer den elektri
schen Kontakten 44 bis 50 die Zuleitungen zu den Halblei
terschichten über die Kontaktwannen 29 bis 37 angegeben.
Die Verbindung zwischen dem Basiskontakt 49 und dem Kollek
torkontakt 46 des Emitterfolgers 54 erfolgt auf der Ober
fläche des Halbleiterkörpers z.B. über eine elektrische
Leiterbahn 51.
Da bei einer derartigen dreidimensionalen Schaltung eine
Vielzahl von Halbleiterschichten zu kontaktieren sind, ist
es zweckmäßig, die zugehörigen beispielsweise streifenför
migen Kontakte in zueinander senkrecht liegenden Rich
tungen anzuordnen. In Fig. 7 ist eine Aufsicht auf den
strukturierten Halbleiterkörper gemäß Fig. 6 dargestellt
mit einer derartigen Kontaktanordnung. Die Schnitte AA′
bzw. BB′ der Halbleiterschichtenfolge gemäß Fig. 6 sind in
Fig. 7 senkrecht zueinander angeordnet.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs
beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere Halb
leiterschaltungen anwendbar.
Claims (10)
1. Strukturierter Halbleiterkörper, bestehend aus einer
auf einem Halbleitersubstrat epitaktisch aufgewachsenen
Halbleiterschichtenfolge, zur Herstellung dreidimensiona
ler Halbleiterschaltungen, dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Halbleiterschichtenfolge mindestens zwei aufeinander aufgewachsene Teilschichtenfolgen (T 1, T 2) enthält, und
- - daß jede Teilschichtenfolge aus mindestens zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten (2 a, 2 b) und einer halbisolierenden Zwischenschicht (3) besteht (Fig. 1).
2. Strukturierter Halbleiterkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Teilschichtenfolge (T 1,
T₂,...T m ) der Halbleiterschichtenfolge mindestens eine
entsprechende Halbleiterschicht (2 c, 4 c,...2 mc) besitzt,
die bezüglich ihrer Halbleitermaterialien, Dotierung und
Schichtabmessung gleich ist.
3. Strukturierter Halbleiterkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichtenfolge
aus unterschiedlich aufgebauten Teilschichtenfolgen (T 1,
T 2,...T m ) besteht, derart, daß sich die Halbleiterschichten
(2 a, 2 b, 2 c, 3) jeder Teilschichtenfolge in ihren Halblei
termaterialien, Dotierungen und Schichtenabmessungen
unterscheiden.
4. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- - daß in mindestens zwei Teilschichtenfolgen (T 1, T 2) die Halbleiterschichten entsprechend den herzustel lenden aktiven und/oder passiven Bauelementen ausge bildet sind, und
- - daß die Teilschichtenfolgen (T 1, T 2,...T m ) derart aufgebaut sind, daß die darin ausgebildeten akti ven und/oder passiven Bauelemente zu dreidimensiona len Schaltungen integrierbar sind.
5. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die akti
ven Bauelemente als Dioden, Bipolar- oder Heterobipolar
transistoren ausgebildet sind.
6. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die passi
ven Bauelemente als Widerstände und Kapazitäten ausgebil
det sind.
7. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halb
leiterschichtenfolge aus III/V-Halbleiterverbindungen
besteht.
8. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der An
sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halb
leiterschichtenfolge aus Si- und SiGe-Schichten zusammen
gesetzt ist.
9. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
Halbleitersubstrat (1) und der Halbleiterschichtenfolge
eine erste Halbleiterschicht (1 a) aufgebracht ist, die als
Puffer- und/oder Anpassungsschicht ausgebildet ist.
10. Strukturierter Halbleiterkörper nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon
taktierung der in der Halbleiterschichtenfolge dreidimen
sional angeordneten Bauelemente über dotierte kontakt
wannen erfolgt, die senkrecht zu den Halbleiterschichten
eingebracht sind.
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ID=6331984
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873724012 Withdrawn DE3724012A1 (de) | 1987-07-21 | 1987-07-21 | Strukturierter halbleiterkoerper |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3724012A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5338692A (en) * | 1989-04-27 | 1994-08-16 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung Der Wissenschaften E.V. | Method of generating active semiconductor structures by means of starting structures which have a 2D charge carrier layer parallel to the surface |
US5385865A (en) * | 1990-04-26 | 1995-01-31 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung Der Wissenschaften | Method of generating active semiconductor structures by means of starting structures which have a 2D charge carrier layer parallel to the surface |
-
1987
- 1987-07-21 DE DE19873724012 patent/DE3724012A1/de not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5338692A (en) * | 1989-04-27 | 1994-08-16 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung Der Wissenschaften E.V. | Method of generating active semiconductor structures by means of starting structures which have a 2D charge carrier layer parallel to the surface |
US5396089A (en) * | 1989-04-27 | 1995-03-07 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung Der Wissenschaften | Method of generating active semiconductor structures by means of starting structures which have a 2D charge carrier layer parallel to the surface |
US5385865A (en) * | 1990-04-26 | 1995-01-31 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung Der Wissenschaften | Method of generating active semiconductor structures by means of starting structures which have a 2D charge carrier layer parallel to the surface |
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