DE3728524C2 - Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung sind Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauteile, ins­ besondere Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT), Feld­ effekttransistoren mit zweidimensionalen Elektronengaskanälen (DET-FET) oder Metallhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MES-FET), wie Feldeffekttran­ sistoren mit Schottky-Gate, und dergleichen, mit einem GaAs-Substrat und einer auf dem Substrat ausgebildeten III/V-Verbindungshalbleiter-Schicht mit hohem Widerstand, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Bei Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauteilen der oben beschriebenen Art, verwendet man häufig eine Halbleiterverbindung aus Elementen der Gruppen III und V, wie Al_xGa_1-xAs oder In_yGa_1-yAs worin x und y Werte von weniger als 1 besitzen und den Wert 0 annehmen können. Diese Verbindungshalbleiter wer­ den in großem Umfang verwendet, da sie eine hohe Elektronenbeweglichkeit aufweisen und ohne weiteres Halbleiterschichten mit ausgezeichneten Kris­ talleigenschaften ergeben. Die Grundplatte oder das Substrat, auf der bzw. dem der III/V-Verbindungshalbleiter mit Hilfe eines chemischen Gasphasen-Ab­ scheidungsverfahrens abgeschieden wird, kann ein GaAs-Einkristallsubstrat sein, welches eine (100)-Kristallfläche als Hauptoberfläche aufweist. Der III/V-Verbindungshalbleiter des AlGaAs-Systems oder des InGaAs-Systems wird dann mit Hilfe eines Epitaxieprozesses erzeugt, beispielsweise mit Hilfe eines metall- organische Verbindungen verwendenden chemischen Gasphasen-Ab­ scheidungsverfahren (MOCVD (metal organic vapor deposition method)).

Bei der Herstellung der oben erwähnten Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbau­ teile ist es erforderlich, das Einbringen von restlichen Verunreinigungen, wie Kohlenstoff, Silicium oder dergleichen in die III/V-Verbindungshalbleiter-Schicht möglichst weitgehend zu verhindern. Weiterhin ist es notwendig, daß die III/V-Verbindungshalbleiter-Schicht im Hinblick auf die Steigerung der Be­ triebsgeschwindigkeit und des Rauschniveaus ausgezeichnete Kristalleigen­ schaften besitzt. Wenn jedoch eine Schicht aus einem Verbindungshalbleiter des AlGaAs-Systems unter Verwendung von beispielsweise Trimethylalumi­ nium als Ausgangsmaterial des metallorganische Verbindungen verwendenden chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfahrens auf dem (100)-Substrat abge­ schieden wird, stellt die Kohlenstoff-Verunreinigung ein sehr schwieriges Pro­ blem dar. Diese Verunreinigung verhindert die Verbesserung der Eigenschalten, wie die Steigerung der Betriebsgeschwindigkeit und die Verminderung des Rau­ schens des Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauteils. Wenngleich Halbleiter­ bauteile mit einem (100)-Substrat und einer (111)A-Oberfläche in dem "Journal of Crystal Growth", Vol. 68 (1984), Seiten 148 bis 156, diskutiert werden, sind diese Bauteile aufgrund ihrer Kristalleigenschaften noch nicht zufrie­ denstellend.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, verbesserte Hoch­ geschwindigkeits-Halbleiterbauteile mit geringem Rauschverhalten anzuge­ ben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe eines Hochgeschwindig­ keits-Halbleiterbauteils gelöst, welches ein GaAs-Substrat und eine auf dem Substrat mit Hilfe eines metallorganische Verbindungen verwendenden chemi­ schen Gasphasen-Abscheidungsverfahrens ausgebildete III/V-Verbindungs­ halbleiter-Schicht aufweist, wobei das GaAs-Substrat eine Hauptoberfläche in der (311)B-Orientierung aufweist, auf welche die III/V-Verbindungshalbleiter-Schicht abgeschieden worden ist. Bei einer besonders bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung umfaßt das Halbleiterbauteil eine Halbleiterschicht, in der das Verhältnis von Element der Gruppe V zu Element der Gruppe III in dem Verbindungshalbleiter-Schicht weniger als 100 : 1 beträgt. Die Halbleiter-Schicht kann mit Hilfe einer an sich gut bekannten Gasphasen-Abscheidungs­ methode unter Verwendung von metallorganischen Verbindungen erzeugt wer­ den.

Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Kurvendarstellung, die die Beziehung zwischen dem V/III-Verhältnis und der Trägerkonzentration;

Fig. 2 und 3 Photolumineszenzspektren von Halbleiter-Schichten, die mit Hilfe eines metallorganische Verbindungen verwendenden chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfahrens auf einem (311)B-Substrat bzw. einem (100)-Substrat abgeschieden worden sind; und

Fig. 4 eine Schnittansicht, die schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauteils wiedergibt.

Erfindungsgemäß wird auf einem GaAs-Substrat. dessen Hauptoberfläche in der (311)B-Fläche verläuft, d. h. welches eine (311)As-Orientierung besitzt, mit Hilfe eines metallorganische Verbindungen verwendenden chemischen Gas­ phasen-Abscheidungsverfahrens eine III/V-Verbindungshalbleiter-Schicht ab­ geschieden.

Bei dem an sich bekannten chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfahren unter Verwendung von metallorganischen Verbindungen, werden Elemente der Gruppe III, wie Al, Ga und In, ausgehend von gasförmigen metallorganischen Verbindungen, wie Trimethylaluminium (TMA), Trimethylgallium (TMG), Tri­ methylindium (TMI), Triethylaluminium (TEA), Triethylgallium (TEG), Tri­ ethylindium (TEI) oder dergleichen abgeschieden. Die Elemente der Gruppe V umfassen Arsen oder Phosphor, die in Form der Hydride, wie Arsin (AsH₃), oder Phosphin (PH₃) eingesetzt werden. Diese Materialien werden in dem ge­ wünschten Verhältnis zwischen dem Material der Gruppe V und dem Material der Gruppe III, welches als V/III-Verhältnis bezeichnet wird, in einen Reaktor eingeführt. In dem Reaktor liegt das oben erwähnte Substrat mit der (311)B-Orienuerung mit einer vorbestimmten Substrattemperatur vor, worauf durch thermische Zersetzung des Gases die III/V-Verbindungshalbleiter-Schicht epi­ taxial auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden wird.

Erfindungsgemäß ist es möglich, das Eindringen von Verunreinigungen, na­ mentlich Kohlenstoff, welcher einen Akzeptor bilden kann, in wirksamer Wei­ se aus dem Arbeitsbereich zu verhindern. Weiterhin ist es möglich, das Vorhan­ densein von Donor-Verunreinigungen, wie Silicium, im Arbeitsbereich zu ver­ hindern, indem das V/III-Verhältnis gering gehalten wird. In dieser Weise kann man ein Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauteil mit hoher Trägerbeweglich­ keit und ausgezeichneten Kristalleigenschaften erzeugen, welches eine hohe Be­ triebsgeschwindigkeit und ein geringes Rauschniveau aufweist.

Die Fig. 1 verdeutlicht die Beziehung zwischen der Trägerkonzentration oder der Konzentration von Kohlenstoff als Akzeptor, und einer gemischten Konzen­ tration von Silicium als Donor in Beziehung zu dem V/III-Verhältnis. In die­ sem Fall wurden die Messungen an einer Al_0,33Ga_0,67As-Verbindungshalblei­ ter-Schicht durchgeführt, die unter Verwendung von Trimethylaluminium, Trimethylgallium und Arsin als Ausgangsmaterialgase nach dem metallorga­ nische Verbindungen verwendenden chemischen Gasphasen-Abscheidungsver­ fahren bei einer Substrattemperatur von 800°C auf einem GaAs-Substrat abge­ schieden worden ist. In der Fig. 1 verdeutlichen die ausgefüllten dreieckigen Punkte jene Ergebnisse, bei denen die oben angesprochene AlGaAs-Verbin­ dungshalbleiter-Schicht nach der Lehre der Erfindung mit Hilfe eines metall­ organische Verbindungen verwendenden chemischen Gasphasen-Abschei­ dungsverfahrens auf einem (311)B-GaAs-Einkristallsubstrat abgeschieden worden ist, wobei die Schichten jeweils n-Eigenschaiten besitzen. Selbst wenn in diesem Fall das V/III-Verhältnis vermindert wird, zeigt die Halbleiter­ schicht keine p-Eigenschalten. Die in der Fig. 1 mit ausgefüllten und nichtaus­ gefüllten Kreisen gekennzeichneten Kurven stehen für Trägerkonzentrationen in Abhängigkeit von dem V/III-Verhältnis, die ermittelt wurden, wenn eine ähnliche Halbleiter-Schicht mit Hilfe des metallorganische Verbindungen ver­ wendenden chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfahrens auf einem her­ kömmlichen (100)-GaAs-Substrat abgeschieden worden ist. Die nichtausgefüll­ ten kreisförmigen Punkte stehen für p-Eigenschalten, während die ausgefüllten kreisförmigen Punkte für n-Eigenschaften stehen. Weiterhin geben in der Fig. 1 die ausgefüllten und nichtausgefüllten quadratischen Punkte jene Ergebnisse der Trägerkonzentration in Abhängigkeit von dem V/III-Verhältnis wieder für den Fall, daß eine ähnliche Halbleiter-Schicht mit Hilfe des metallorganische Verbindungen verwendenden chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfahrens auf einem GaAs-Substrat mit (311)A-Orientierung abgeschieden worden ist. Die nichtausgefüllten quadratischen Punkte stehen für das p-Verhalten, während die ausgefüllten quadratischen Punkte n-Eigenschaften wiedergeben. Wenn die V/III Verbindungshalbleiter-Schichten mit Hilfe des metallorganische Verbin­ dungen verwendenden chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfahrens auf dem bekannten (100)-Substrat und dem (311)A-Substrat abgeschieden werden und das V/III-Verhältnis klein gehalten wird, beginnt die Halbleiterschicht p-Eigenschaften anzunehmen. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß Kohlen­ stoff sich in die Ga-Bereiche einmischt und als Akzeptor wirkt. Wenn anderer­ seits das V/Ill-Verhältnis groß gehalten wird, kann sich ein Donor, wie Sili­ cium oder dergleichen in jene Bereiche einmischen, wodurch die Trägerkonzen­ tration gesteigert wird.

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, ergibt sich dann, wenn eine Halbleiterschicht mit Hilfe eines metallorganische Verbindungen verwendenden chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfahrens nach der Lehre des Standes der Technik auf das (100)-Substrat abgeschieden wird und das V/III-Verhältnis im Bereich von etwa 80 bis 120 liegt, sich ein Übergang vom p-Typ zum n-Typ ergibt. Im Ge­ gensatz dazu ergibt sich erfindungsgemäß dann, wenn die Halbleiterschicht mit Hilfe des gleichen Gasphasen-Abscheidungsverfahrens auf einem (311)B-Substrat abgeschieden wird, auch dann, wenn das V/III-Verhältnis ausreichend Halbleiterschicht mit hohem Widerstand. Wenn demzufolge das V/III-Verhält­ nis ausreichend gering gehalten wird, beispielsweise weniger als 100 beträgt, können die Mengen an beiden Verunreinigungen aus dem Donor-Material und dem Akzeptor-Material vermindert werden, so daß man eine Halbleiterschicht mit niedriger Trägerkonzentration und hohem Widerstand, d. h. mit den Eigen­ schaften erhält, die für ein Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauteil erforder­ lich sind.

Die Fig. 2 und 3 zeigen bei 4^°K gemessene Photolumineszenzspektren einer undotierten Halbleiterschicht des Typs Al_xGa_1-xAs, worin x einen Wert von 0,33 aufweist, welche nach dem metallorganische Verbindungen verwendenden chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfahren auf einem (311)B-Substrat ab­ geschieden worden ist und einer undotierten Halbleiterschicht aus dem gleichen Material, die nach der gleichen Methode auf einem herkömmlichen (100)-Substrat abgeschieden worden ist. In diesem Fall beträgt das V/III-Verhältnis 135.

In den Fig. 2 und 3 beobachtet man rechts in Richtung auf die größeren Wel­ lenlängen hin eine Bande b, was darauf hinweist, daß die Bande durch den Übergang des restlichen Donors auf den Kohlenstoffakzeptor verursacht wor­ den ist. Die Bande a auf der linken Seite, d. h. auf der Seite kurzer Wellenlängen steht für eine Anregungs-Bande mit einer Halbwertbreite von 6,516 meV, die sich aufgrund der Tatsache ergibt, daß der Kohlenstoffakzeptor durch den rest­ lichen Donor gebunden ist. Es ist erkennbar, daß der erfindungsgemäße Halb­ leiter durch restlichen Kohlenstoff weniger beeinflußt wird und überlegene Kri­ stalleigenschaften im Vergleich zu einer Halbleiterschicht aufweist, die in her­ kömmlicher Weise auf dem (100)-Substrat abgeschieden worden ist.

Aufgrund von Untersuchungen der Erfinder hat sich gezeigt, daß die Kohlen­ stoffverunreinigung in der (311)B-Oberfläche am geringsten ist und in folgender Reihenfolge zunehmend ansteigt: (111)B-Oberfläche, (100)-Oberfläche, (111)A-Oberfläche und (311)A-Oberfläche.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil kann in Form verschiedenartiger Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauteile vorliegen, wie FET (Feldeffekttran­ sistoren), beispielsweise HEMT, 2 DEG-FET und TEG-FET, wobei man einen zweidimensionalen (Elektronen und Elektronenlöcher) Trägergaskanal ver­ wendet, oder für verschiedenartige Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauteile, wie NES-FETs und dergleichen.

Im folgenden sei eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Fig. 4 näher erläutert, nämlich ein Feldeffekttransistor mit zweidimensiona­ lem Elektronengaskanal.

Wie in der Fig. 4 dargestellt ist, umfaßt diese Halbleiterbauteil ein halb-isolie­ rendes Einkristallsubstrat aus GaAs, mit einer Hauptoberfläche 1a in der (311)B-Orientierung, die auch als (311)As-Oberfläche bezeichnet wird. Auf der Hauptoberfläche 1a des Substrats sind nacheinander eine erste Halbleiter­ schicht 2 aus einer undotierten GaAs-Schicht mit einer Dicke von beispielswei­ se 500 nm (5000 Å), eine zweite Halbleiterschicht 3 aus beispielsweise undotier­ tem Al_xGa_1-xAs (worin x einen Wert von 0,33 besitzt), mit einer Dicke von 10 nm (100 Å), eine dritte Halbleiterschicht 4 aus Al_xGa_1-xAs (worin x den Wert 0,33 besitzt), worin eine Siliciumverunreinigung des n-Typs als Dotierung vor­ handen ist, und eine vierte Siliciumschicht 5 aus einem ähnlichen GaAs-Mate­ rial des m-Typs aufgebracht werden unter Anwendung eines metallorganische Verbindungen verwendenden chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfah­ rens, bei dem die Zuführung der Materialgase gesteuert wird. In diesem Fall werden als Materialgase Trimethylaluminium (TMA), Trimetyhlgallium (TMG) und Arsin (AsH₃) verwendet. Ein Teil der vierten Halbleiterschicht 5 wird durch Ätzen entfernt, um einen Teil der dritten Halbleiterschicht freizulegen. Auf den freigelegten Bereich wird eine Gate-Elektrode abgeschieden, beispiels­ weise eine Schottky-Gate-Elektrode. Anschließend werden eine Source-Elek­ trode 7 und eine Drain-Elektrode 8 auf Bereichen der vierten Halbleiterschicht 5 ausgebildet, die sich zu beiden Seiten der Gate-Elektrode 6 befinden. Aufgrund dieser Anordnung ist es möglich, einen Feldeffekttransistor zu bilden, indem an einer Grenzfläche zwischen der ersten Halbleiterschicht 2 und der zweiten Halbleiterschicht 3 durch eine zweidimensionale Elektronengasschicht 9 ein Kanal gebildet ist.

Bei dem beschriebenen Feldeffekttransistor werden die undotierten ersten und zweiten Halbleiterschichten 2 und 3, zwischen denen der Arbeitsbereich oder die zwei-dimensionale Elektronengasschicht 9 gebildet wird, mit Hilfe des chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfahrens unter Verwendung von me­ tallorganischen Verbindungen unter Anwendung von V/III-Verhältnissen von beispielsweise etwa 30 : 1 ausgebildet, so daß die ersten und zweiten Halbleiter­ schichten 2 und 3 in Form von Schichten ausgebildet werden können, in denen die Trägerkonzentration ausreichend niedrig ist, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben worden ist. Dadurch werden die restlichen Verunreini­ gungen vermindert und eine Beeinträchtigung der Kristalleigenschaften ver­ hindert, so daß sich eine hohe Elektronenbeweglichkeit und eine Steigerung des Rauschabstandes ergeben. In dieser Weise erhält man ein Hochgeschwindig­ keits-Halbleiterbauteil mit guten Eigenschaften.

Wenngleich bei der oben beschriebenen Ausführungsform das Aluminium­ galliumarsenid-System beschrieben worden ist, läßt sich die erfindungsge­ mäße Lehre auch auf Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauteile anwenden, de­ ren Halbleiterschicht aus Indiumgalliumarsenid besteht und mit Hilfe des me­ tallorganische Verbindungen verwendenden chemischen Gasphasen-Abschei­ dungsverfahrens erzeugt worden ist.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform eines Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauteils beschränkt, sondern kann verschie­ denartige Halbleiterbauteile umfassen. So kann die Erfindung auf den soge­ nannten umgekehrten HEMT angewandt werden, bei dem die GaAs-Schicht auf der AlGaAs-Schicht abgeschieden ist. Das Problem der Kristalleigenschaften der Aluminium enthaltenden AlGaAs-Schicht in der Unterschicht kann gelöst werden, so daß die Eigenschaften der GaAs-Schicht verbessert werden können. In dieser Weise wird es möglich, den Kanal mit der zweidimensionalen Elektro­ nengasschicht mit hoher Beweglichkeit zu bilden.

Neben dem FET, der mit einer zweidimensionalen Elektrongasschicht ausge­ bildet worden ist, ist es möglich, die Eigenschaften eines Feldeffekttransistors zu verbessern, der durch eine zwei-dimensionale Lochgasschicht gebildet wor­ den ist.

Wie oben bereits ausgeführt wurde, kann bei den erfindungsgemäßen Hochge­ schwindigkeits-Halbleiterbauteilen die Beweglichkeitsgeschwindigkeit des Trägers gesteigert werden, so daß das Halbleiterbauteil bei ausgezeichneten Kri­ stalleigenschaften hervorragende Betriebsbereiche aufweist. Demzufolge wird es möglich, Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauteile zu bilden, die ausgezeich­ nete Eigenschaften aufweisen, wie hohe Betriebsgeschwindigkeit und geringes Rauschverhalten.

Claims (8)

1. Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauteil mit einem GaAs-Substrat und einer auf dem Substrat ausgebildeten III/V-Verbindungshalbleiter-Schicht mit hohem Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht auf einer (311)B-Oberfläche des Substrats ausgebildet ist.

2. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die III/V-Halbleiterverbindung der Formal Al_xGa_1-xAs entspricht, worin x einen Wert von weniger als 1 besitzt.

3. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die III/V-Halbleiterverbindung der Formal In_yGa_1-yAs entspricht, worin y einen Wert von weniger als 1 besitzt.

4. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ hältnis von Element der Gruppe V zu Element der Gruppe III in dem Verbin­ dungshalbleiter weniger als 100 : 1 beträgt.

5. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht mit Hilfe eines metallorganische Verbindungen verwenden­ den chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfahrens gebildet worden ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbau­ teils, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Hilfe eines metallorganische Ver­ bindungen verwendenden chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfahrens eine 111 /V-Verbindungshalbleiterschicht mit hohem Widerstand auf einer (311)B-Oberfläche eines GaAs-Substrats abscheidet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als III/V-Ver­ bindung eine Verbindung der Formel Al_xGa_1-xAs, worin x einen Wert von weni­ ger als 1 besitzt, verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als III/V-Ver­ bindung eine Verbindung der Formel In_yGa_1-yAs, worin y einen Wert von weni­ ger als 1 besitzt, verwendet wird.