DE3802065C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Übergitterhalbleitereinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruches 2.
Fig. 1 zeigt eine schematische Anordnung einer resonanten, tunnelnden, bipolaren Halbleitereinrichtung, die zum Beispiel in IEEE IEDM Technical Digest, 1986, Seite 282 und in IEEE IEDM Technical Digest, 1986, Seite 286 offenbart ist. In Fig. 1 weist die resonante, tunnelnde, bipolare Halbleitereinrichtung ein n-Typ-GaAs-Halbleitersubstrat 6 b, eine auf dem GaAs-Sub­ strat 6 b gebildete p-Typ-GaAs-Halbleiterschicht 3 b, eine auf der p-Typ-Halbleiterschicht 3 b gebildete erste AlAs-Übergitter­ schicht 4 b, einen auf der Übergitterschicht 4 b gebildete GaAs- Übergitterschicht 5 b, eine auf der Übergitterschicht 5 b gebil­ dete zweite AlAs-Übergitterschicht 4 b′, eine auf der Übergit­ terschicht 4 b′ gebildete p-Typ-GaAs-Halbleiterschicht 3 b′ und eine auf der Halbleiterschicht 3 b′ gebildete n-Typ-AlGaAs-Halb­ leiterschicht 2 b′ auf. Bei dieser Anordnung definiert die GaAs-Übergitterschicht 5 b einen Topfbereich, der einen Quanten­ topf (quantum well) bildet, und die auf der oberen und unteren Oberfläche der Übergitterschicht 5 b gebildeten AlAs-Übergitter­ schichten 4 b und 4 b′ dienen als Barrierenbereiche. Jede von der GaAs-Übergitterschicht 5 b und den AlAs-Übergitterschichten 4 b und 4 b′ weist eine Dicke von einigen nm auf, und sie bilden eine Übergitterstruktur mit einem Heteroübergang. Bei dieser Anordnung ist die n-Typ-AlGaAs-Halbleiterschicht 2 b′ mit einer Emitterelektrode E verbunden, die p-Typ-GaAs-Halb­ leiterschicht 3 b ist mit einer Basiselektrode B verbunden, und das n-Typ-GaAs-Halbleitersubstrat 6 b ist mit einer Kollektor­ elektrode C verbunden.
Fig. 2 ist ein Diagramm, das eine Struktur einer anderen Über­ gitterhalbleitereinrichtung zeigt, das heißt, es zeigt schematisch eine Querschnittsanordnung einer resonanten Tunneleinrichtung (Diode), die amorphes Silizium verwendet. In Fig. 2 weist die resonante Tunneldiode ein n-Typ-Siliziumhalbleitersubstrat 6 c, eine auf dem Halbleitersubstrat 6 c gebildete, amorphe Silizium­ schicht (im folgenden als eine a-Si:H-Schicht bezeichnet) 3 c mit eingeführten p-Typ-Verunreinigungen wie Phosphor, eine auf der a-Si:H-Schicht gebildete, amorphe Si3N4:H-Übergitterschicht 4 c, eine auf der Übergitterschicht 4 c gebildete a-Si:H-Über­ gitterschicht 5 c mit eingeführten p-Typ-Verunreinigungen, eine auf der Übergitterschicht 5 c gebildete a-Si3N4:H-Übergitter­ schicht 4 c′ und eine auf der Übergitterschicht 4 c′ gebildete a-Si:H-Schicht 3 c′ mit eingeführten p-Typ-Verunreinigungen auf. Die p-Typ-a-Si:H-Schicht 3 c′ ist mit einer Anodenelektrode A verbunden, und das n-Typ-Siliziumhalbleitersubstrat 6 c ist mit einer Kathodenelektrode K verbunden. In dieser Anordnung defi­ niert die a-Si:H-Übergitterschicht 5 c mit eingeführten p-Typ- Verunreinigungen einen Topfbereich, und die auf der oberen und unteren Oberfläche davon gebildeten a-Si3N4:H-Übergitterschich­ ten 4 c und 4 c′ definieren einen Barrierenbereich. Jede der Übergitterschichten 4 c, 4 c′ und 5 c weist eine Dicke von einigen nm auf, und sie bilden eine Übergitterquanten­ topfstruktur.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, weist diese Übergitter­ halbleitereinrichtung mit einer Übergitterstruktur eine planare Struktur auf, die durch sequentielles Übereinander­ schichten von Schichten auf der Oberfläche eines Halbleiter­ substrates gebildet ist. Die übereinandergeschichteten Schich­ ten liegen längsseitig aufeinander. Im folgenden wird die prinzipielle Funktionsweise einer resonanten Tunnel­ einrichtung beschrieben, die eine der Übergitterhalbleitereinrich­ tungen ist.
In Fig. 3 ist als Bei­ spiel ein Potentialdiagramm einer Diode gezeigt, die eine der resonanten Tunneleinrichtungen darstellt. Wenn eine Halbleiter­ schicht (ein Topfbereich) mit einer Dicke in der Größenordnung der de-Broglie-Wellenlänge eines Elektrons (ungefähr einige Nanometer) und einer schmalen Bandlücke zwischen Halbleiter­ schichten (Barrierenbereiche) gefügt ist, von denen jede fast die gleiche Dicke und eine breite Bandlücke aufweist, und wenn weitere Halbleiterschichten, von denen jede eine schmale Band­ lücke aufweist, auf den entgegengesetzten Seiten der Barrieren­ schichten vorgesehen sind, wird eine wie in Fig. 3A gezeigte Energiebandstruktur erreicht. Genauer gesagt, der Boden des Bandes in dem Topfbereich ist niedriger als der in den Barrie­ renbereichen auf beiden Seiten, so daß eine Topfstruktur ge­ bildet ist. In einem solchen Zustand sind die Energieniveaus in dem zwischen den Barrieren eingefügten Topfbereich quanti­ siert, so daß die Elektronen stark durch die diskreten Quantenniveaus gebunden sind. Mit anderen Worten, obwohl in dem Topfbereich die Elektronen als freie Elektronen in zwei-dimensionale Rich­ tungen betrachtet werden können, können die Elektronen nur diskontinuier­ liche Energieniveaus in Richtung der Tiefe eines Topfes annehmen.
In einem solchen Zustand wird eine Spannung zwischen einer Anode und einer Kathode, wie sie in Fig. 3B gezeigt sind, an­ gelegt. Wenn das Potential an der Kathode gleich einem Quanten­ niveau E 1 des Topfes (V = V RT 1) wird, wird der resonante Tun­ neleffekt erzeugt, so daß die Elektronen durch die Barrieren­ schichten tunneln können. Jetzt ist die Tunnelwahrscheinlichkeit der Elektronen ungefähr 1.
Darauffolgend wird die Spannung zwischen der Anode und der Kathode erhöht. Wenn der Boden des Leitungsbandes der Kathode ein Niveau zwischen den Quantenniveaus E 1 und E 2, die in der Topfregion gebildet sind, erreicht, wie es in Fig. 3C gezeigt ist, nimmt die Tunnelwahrscheinlichkeit der Elektronen ab, so daß der durch den Tofpbereich fließende Strom verringert wird. Ein sogenannter negativer (differentieller) Widerstand ist er­ zeugt.
Fig. 3D ist ein Diagramm, daß die Beziehung zwischen der zwi­ schen der Anode und der Kathode angelegten Spannung V und des dazwischen fließenden Stromes I zeigt. Wie in Fig. 3D gezeigt ist, weist in der resonanten Tunneleinrichtung der Wert des zwischen der Anode und der Kathode fließenden Stromes einen Berg und ein Tal auf, wenn die dazwischen angelegte Spannung erhöht wird. Das Phänomen, daß ein negativer (differentieller) Widerstand aufgrund eines derartigen resonanten Tunneleffektes erzeugt wird, ist von L. Esaki u. a. in IBM Res. Note, RC-2418, 1969 und IBM J. Res. Develop., 1970, Seite 61 erstmals beschrieben worden.
In den Fig. 4 bis 7 sind bekannte Anwendungen eines derartigen resonanten Tunneleffektes dargestellt.
Fig. 4 ist ein Diagramm, daß das Verhältnis zwischen einer Span­ nung V EB , die zwischen einer Basis und einem Emitter angelegt ist, und einem Kollektorstrom Ic in einem einzelnen resonanten, bipolaren Tunneltransistor zeigt. Eine einzelne Übergitterhalb­ leitereinrichtung kann eine Flip-Flop-Schaltung durch Benutzung eines Wellenberges und eines Wellentales der Ic-V EB -Charakte­ ristik bilden. Falls zusätzlich der resonante, bipo­ lare Tunneltransistor als ein Transistor in einer Schaltungs­ anordnung, wie sie in Fig. 5A gezeigt ist, benutzt wird, wie­ derholt die Charakteristik der Ausgangsspannung Vout periodisch einen Wellenberg und ein Wellental als Reaktion auf die Ein­ gangsspannung Vin, wie es in Fig. 5B gezeigt ist, wenn der Wert der an die Basis B des resonanten, bipolaren Tunneltransistors A angelegten Eingangsspannung Vin verändert wird, so daß eine Spannungsübertragungsschaltung durch einen einzelnen Transistor gebildet werden kann. Wenn weiterhin Spannungen V 1 bis Vn pa­ rallel an eine Basis B eines resonanten, bipolaren Transistors A angelegt werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, wird die Aus­ gangsspannung Vout periodisch als Reaktion auf die an den Ein­ gang (der Basis) angelegten Spannung des bipolaren Transistors A verändert. Wenn daher die Eingangsspannungen V 1 bis Vn als binäre Code-Eingänge von "1" bis "0" benutzt werden, können Paritätsbits "1" und "0" in Übereinstimmung mit dem binären Code-Eingang erzeugt werden. Als Resultat kann eine einzelne Übergitterhalbleitereinrichtung einen Paritätsbitgenerator bil­ den. Zusätzlich wird in der in Fig. 7A gezeigten Schaltungs­ struktur der Kollektorstrom Ic periodisch in Abhängigkeit von der Spannung V CE verändert, die zwischen einem Kollektor C und einem Emitter E des resonanten, bipolaren Tunneltransistors A angelegt ist, so daß die Spannung V CE zwischen dem Kollektor C und dem Emitter E auf einen von mehreren Werten von 1 bis 3 als Reaktion auf den Wert der Eingangsspannung Vin eingeschränkt wird (Siehe Fig. 7B). Als Resultat kann eine einzelne Halbleitereinrich­ tung eine mehrwertige Speicherschaltung bilden. Die oben be­ schriebenen Schaltungsstrukturen und Charakteristiken, wie sie in den Fig. 4 bis 7 gezeigt sind, sind zum Beispiel im Journal of Applied Physics, Band 58, 1985, Seite 1366 be­ schrieben.
Wie im vorhergehenden beschrieben ist, kann bei der Übergitter­ halbleitereinrichtung eine einzelne Halbleitereinrichtung ver­ schiedene Schaltungsfunktionen durchführen. Da jedoch die Struktur von einem planaren Typ ist, in dem die Halbleiter­ schichten parallel auf der Oberfläche eines Halbleitersubstra­ tes übereinandergeschichtet sind, wird die Fläche der Übergitter­ halbleitereinrichtung deutlich verringert, so daß der dadurch fließende Strom deutlich verringert wird in einer in hohem Maße integrierten Schaltung, wie in einem 64 M DRAM, der mit Signalleitungen einer Breite kleiner als 0,1 µm gebildet ist, und dann erscheint ein negatives (differentiel­ les) Widerstandsphänomen nicht deutlich. Selbst wenn ein Wel­ lenberg und ein Wellental in der Stromcharakteristik aufgrund des resonanten Tunneleffektes erscheint, ist die Differenz zwi­ schen dem Berg und dem Tal so klein, daß die Funktion des Schaltens nicht ausreichend durchgeführt werden kann, und folg­ lich kann eine Fehlfunktion des Schaltens auftreten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Übergitterhalbleitereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die in der Lage ist, verschiedene Funktionen auszuführen, wie eine Hochgeschwindigkeitsschalttätigkeit, eine logische Tätigkeit auf Daten, die eine Mehrzahl von Werten annehmen können und eine optische Kommunikation, selbst in einer Schal­ tung hohen Integrationsgrades, die durch Verarbeiten in einer sehr feinen Struktur, zum Beispiel in einem 64 M oder mehr DRAM, einer Einrichtung für eine ASIC (anwenderspezifischer IC), AI (künstliche Intelligenz), einem lichtempfangenden Element oder ähnlichem erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße Übergitterhalbleitereinrichtung; durch die diese Aufgabe gelöst wird, ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 2.
Bevorzugte Ausbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 7 gekennzeichnet.
Da die Übergitterhalbleitereinrichtung alternativ eine Grabenstruktur oder eine konvexe Struktur benutzt, kann die Fläche in den Seitenwandabschnitten ausreichend genutzt werden. Daher kann die Abnahme der benutzten Oberfläche der Einrichtung ausreichend ausgeglichen werden, selbst wenn die benutzte Oberfläche bei einer sehr feinen Strukturverarbeitung verringert wird.
Daher nimmt die Fläche eines Tunnelbereiches der Einrichtung nicht ab, wodurch ein ausreichender Stromfluß ermöglicht ist. Folglich können die gewünschten Tätigkeitscharakteristiken er­ zielt werden, ohne daß die negative (differentielle) Charak­ teristik aufgrund des resonanten Tunneleffektes zerstört wird.
Wenn weiterhin der Verbindungskontaktbereich der Übergitterhalbleitereinrichtung auf der Oberfläche des Halb­ leitersubstrates in einem Bereich gebildet ist, der ein anderer als der Grabenbereich oder der konvexe Bereich ist, kann das Auftreten eines Leckes, eines Kurzschlusses oder ähnlichem und die Abnahme in der Durchbruchsspannung verhindert werden, so daß eine Übergitterhalbleitereinrichtung mit einer hohen Zu­ verlässigkeit erzielt werden kann.
Aus der GB 21 43 083 A ist bereits eine Halbleiterstruktur mit Heteroübergängen bekannt, die an der Bodenwand und an den Seitenwänden einer grabenartigen Vertiefung angeordnet sind, die in einem ausgesparten Bereich eines Halbleitersubstrates gebildet sind, jedoch ist der dadurch erzielte Flächengewinn nicht Ziel dieser Halbleiterstruktur.
Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigt
Fig. 1 eine schematische Quer­ schnittsstruktur eines Beispiels einer Über­ gitterhalbleitereinrichtung nach dem Stand der Technik in ihm ist schematisch eine Querschnittsstruktur eines resonanten, bipolaren Tunneltransistors dargestellt;
Fig. 2 eine schematische Quer­ schnittsstruktur einer anderen resonanten, tunnelnden Übergitterhalbleitereinrichtung nach dem Stand der Technik nämlich, einer resonanten Tunneldiode;
Fig. 3A bis 3D schematisch die Funktionsweise einer resonanten Tunneldiode nach dem Stand der Technik; es sind das Energiebandprofil eines Leitungsbandes und die Strom-Spannungs-Charakteristik der re­ sonanten Tunneldiode dargestellt;
Fig. 4 die Strom-Spannungs-Charak­ teristik einer Schaltung, die eine Übergitterhalbleitereinrichtung nach dem Stand der Technik be­ nutzt, es ist die Abhängigkeit des Kollek­ torstromes Ic von der Spannung V EB zwischen Emitter und einer Basis dargestellt, wenn der resonante, bipolare Tunneltransistor einen Flip-Flop bildet;
Fig. 5A und 5B ein anderes Beispiel einer Schal­ tung unter Benutzung einer Übergitter­ halbleitereinrichtung nach dem Stand der Technik; es ist eine Spannungsmodulationsschaltung und das Verhältnis zwischen der Eingangsspan­ nung Vin und der Ausgangsspannung Vout zu die­ sem Zeitpunkt dargestellt;
Fig. 6 ein Beispiel eines Paritätsbitgenerators in einem Binär­ code unter Benutzung einer Übergitterhalbleitereinrichtung nach dem Stand der Technik;
Fig. 7A und 7B schematisch eine Schaltungs­ anordnung und das Verhältnis zwischen Kollek­ torstrom Ic und Spannung V CE zwischen einem Kollektor und einem Emitter, wenn ein Speicher für Daten, die eine Mehrzahl von Werten annehmen können, durch einen resonanten, bipo­ laren Tunneltransistor nach dem Stand der Technik gebildet ist;
Fig. 8 eine schematische Quer­ schnittsstruktur einer Aus­ führungsform der Erfindung einer Übergitterhalbleitereinrich­ tung, bei der ein Grabenbereich in einem Halbleitersubstrat gebildet sind;
Fig. 9A bis 9D schematisch das Herstellungs­ verfahren einer erfindungsgemäßen Ausführungs­ form einer Übergitterhalbleitereinrichtung mit einem Grabenbereich;
Fig. 10A und 10B ein Beispiel einer Anlage eines Kontaktbereiches zum Vorsehen von einem elektrischen Kontakt in einer Übergitterhalb­ leitereinrichtung mit einem Grabenbereich, wobei Fig. 10A eine Draufsicht davon und Fig. 10B einen Quer­ schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 10A darstellen;
Fig. 11A und 11B ein anderes Beispiel der An­ lage eines Kontaktbereiches in einer Übergitterhalb­ leitereinrichtung mit einem Grabenbereich, wobei Fig. 11A eine ebene Anordnung, und Fig. 11B schematisch einen Querschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 11A darstellen;
Fig. 12A bis 12C ein Beispiel einer weiteren Anlage eines Kontaktbereiches in einer Über­ gitterhalbleitereinrichtung mit einen Grabenbereich, wobei Fig. 12A eine Draufsicht, Fig. 12B einen Querschnitt entlang der Linie D-D in Fig. 12A und Fig. 12C schematisch einen Querschnitt entlang der Linie C-C in Fig. 12A darstellen;
Fig. 13A und 13B schematisch ein Beispiel eines Energiebandprofiles in einer erfindungs­ gemäßen Ausführungsform eines resonanten, bi­ polaren Tunneltransistors, wobei in Fig. 13B schematisch das Verhältnis zwischen Kollektorstrom Ic und Spannung V EB zwischen einem Emitter und einer Basis in dem in Fig. 13A gezeigten resonanten, bipolaren Tunneltransistor dargestellt ist;
Fig. 14 einen schematischen Quer­ schnitt einer anderen Ausfüh­ rungsform der Erfindung, wobei die Er­ findung auf eine Lawinenlaufzeitdiode vom Vielfachquantentopftyp angewandt ist, wobei in Fig. 14B schematisch das Energie­ bandprofil in der in Fig. 14A gezeigten La­ winenlaufzeitdiode dargestellt ist; und
Fig. 15 einen schematischen Quer­ schnitt einer weiteren erfindungs­ gemäßen Ausführungsform einer Übergitterhalb­ leitereinrichtung, wobei ein konvexer Bereich auf der Oberfläche eines Halb­ leitersubstrates vorgesehen ist.
Bezugnehmend nun auf die Fig. 8 bis 13 wird eine Ausfüh­ rungsform der Erfindung beschrieben.
Fig. 8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Struktur einer Übergitterhalbleitereinrichtung zeigt, wo ein Grabenbereich, ausgehend von der Oberfläche im Halbleitersubstrat, gebildet ist. In Fig. 8 ist ein Grabenbereich 20 in der Oberfläche eines GaAs-Halbleitersub­ strates 1 a zum Kompensieren der Abnahme der durch die Einrich­ tung belegten Fläche gebildet. Eine Übergitterstruktur ist auf dem Bodenabschnitt und den Seitenwandabschnitten des Grabenbe­ reiches 20 gebildet, und zwar in Form eines einzelnen resonanten, bipolaren Tunneltransistors. In Fig. 8 wird eine als ein Emitterbereich dienende n-Typ-AlGaAs-Schicht 2 a zuerst auf dem Bodenabschnitt und den Seitenwandabschnitten des Grabenbereiches 20 gebildet, und eine p-Typ-GaAs-Schicht 3 a, eine AlAs-Über­ gitterschicht (Barrierenschicht) 4 a, eine GaAs-Übergitter­ schicht (Topfschicht) 5 a, eine AlAs-Übergitterschicht (eine Barrierenschicht) 4 a′, eine p-Typ-GaAs-Schicht 3 a′ und eine n-Typ-GaAs-Schicht 6 a werden nacheinander auf der Emitter­ schicht 2 a gebildet. Die p-Typ-GaAs-Schichten 3 a und 3 a′ de­ finieren einen Basisbereich, und die n-Typ-GaAs-Schicht 6 a de­ finiert eine Kollektorschicht. Zusätzlich weist die GaAs-Über­ gitterschicht 5 a, die als Topfbereich dient, eine Dicke auf, die praktisch gleich oder kleiner als die de-Broglie-Wellen­ länge eines Elektrons ist (ungefähr einige Nanometer), und auch jede der AlAs-Übergitterschichten (Barrierenschichten) 4 a und 4 a′ auf der jeweiligen Seite der Topfschicht (Übergitter­ schicht) 5 a weist eine Dicke auf, die praktisch gleich oder kleiner als die de-Broglie-Wellenlänge eines Elektrons ist, und eine breitere Bandlücke als die der Topfschicht (verglichen mit der Übergitterschicht 5 a, die die Topfschicht bildet). Bei einer solchen Anordnung kann die gesamte Übergitter­ schicht eine ausreichend große Fläche haben, selbst wenn die Fläche parallel in der Oberfläche der Übergitterhalbleitereinrichtung, so wie sie in dem oberen Abschnitt in Fig. 8 gezeigt ist, fein gemustert und verringert ist, da eine Übergitterstruktur sowohl in den Seiten­ wandabschnitten des Grabenbereiches 20 als auch auf dem Boden­ abschnitt des Grabenbereiches 20 gebildet ist, so daß eine Übergitterhalbleitereinrichtung erzielt wird, die eine aus­ reichende negative (differentielle) Widerstandscharakteristik zeigt.
Fig. 9A bis 9D sind Diagramme, die schematisch das Herstel­ lungsverfahren der Übergitterhalbleitereinrichtung zeigen, die die in Fig. 8 gezeigte Grabenstruktur aufweist. Bezugnehmend nun auf die Fig. 9A bis 9D wird eine Beschreibung für ein Herstellungsverfahren für die beschriebene Ausführungs­ form der Übergitterhalbleitereinrichtung gegeben.
Wie in Fig. 9A gezeigt ist, wird ein Hochtemperaturoxidfilm 21 in einem vorbestimmten Bereich auf einem GaAs-Substrat 1 b (Halbleitersubstrat) gebildet, und eine Abdeckung (resist) 7 a mit einer vorbestimmten Form wird auf dem Hochtemperaturoxid­ film 21 so gebildet, daß das Halbleitersubstrat 1 b in einem Bereich, der nicht der Graben werden soll, mit der Abdeckung 7 a bedeckt ist.
In Fig. 9B wird das Halbleitersubstrat 1 b geätzt unter Benut­ zung der Abdeckung 7 a als Maske durch Trockenätzung zum Bilden des Grabens 20 mit einer vorbestimmten Tiefe. Dann werden der Hochtemperaturoxidfilm 21 und die Abdeckung 7 a entfernt.
In Fig. 9C wird eine Abdeckung (resist) 7 b auf dem Halbleiter­ substrat 1 b in einem Bereich, der nicht der Grabenbereich 20 ist, gebildet, Schichten, von denen jede eine vorbestimmte Dicke und eine vorbestimmte Komponente aufweisen, werden nach­ einander gebildet unter Benutzung der Abdeckung 7 b als Maske durch konventionelle MBE (Molekularstrahlepitaxie), MOCVD (metall-organische chemische Dampfabscheidung) oder ähnliches, und die in Fig. 8 gezeigte Übergitterstruktur wird auf dem Bodenabschnitt und den Seitenwänden des Grabens 20 gebildet. Somit kann eine Halbleitereinrichtung mit einer Übergitterstruktur mit einer ausreichenden Fläche erzielt werden.
Nachdem die Übergitterstruktur 8 in dem Grabenbereich 20 ge­ bildet ist, muß ein elektrischer Kontakt für jede Schicht (ein Emitter, eine Basis und ein Kollektor), die in der Übergitter­ schicht enthalten sind, vorgesehen werden unter Benutzung einer Aluminium-(Al)-Zwischenverbindung oder ähnlichem. Da jedoch die ebene Fläche sehr klein ist, ist es sehr schwierig, alle Kontakte in dem Grabenbereich 20 zu bilden. Wenn in einem solchen Fall die Übergitterstruktur so geformt ist, daß eine Schicht, an die ein elektrischer Kontakt angelegt werden soll, sich zu der Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 b erstreckt, kann ein elektrischer Kontakt auf der Oberfläche eines Halb­ leitersubstrates in einem Bereich, der nicht der Grabenbereich 20 ist, vorgesehen werden. Somit kann das Auftreten von einem Leck und einer Abnahme der Durchbruchsspannung verhindert wer­ den, die durch einen Kontakt eines Kontaktbereiches mit einer benachbarten Schicht verursacht werden, was auftreten könnte, wenn der Kontaktbereich in dem Grabenbereich gebildet würde. Wenn zusätzlich ein elektrischer Kontakt auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates vorgesehen ist, kann eine Begrenzung der Form einer Schicht, die unter der Schicht liegt, die mit dem elektrischen Kontakt ver­ sorgt werden soll, ausgeschaltet werden. Nachfolgend werden Beispiele eines solchen elektrischen Kontaktes beschrieben.
Fig. 10A und 10B sind Diagramme, die ein Beispiel eines Ver­ fahrens zum Vorsehen eines elektrischen Kontaktes in der Über­ gitterhalbleitereinrichtung mit der Grabenstruktur zeigen, wobei Fig. 10A eine Draufsicht davon ist, und Fig. 10B schematisch einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 10A zeigt. Zur einfachen Darstellung ist nur ein Minimum von Schichten in Fig. 10B gezeigt. Wie in Fig. 10A und 10B gezeigt ist, ist der Grabenbereich 20 in einer n⁺-Schicht (eine n-Typ-Verunreinigungsstörstellenschicht mit einer hohen Konzentration) 50 gebildet, die in dem Halbleiter­ substrat 1 b gebildet ist, und die n⁺-Schicht 50 ist mit einem Kontaktbereich zum Herstellen einer Verbindung mit einer Emit­ terelektrode E versehen. Eine Basisschicht 3 a′ ist so gebildet, daß sie sich von dem Grabenbereich 20 zu der Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 b bzw. der n⁺-Diffusionsschicht 50 er­ streckt, und ein Kontaktbereich zum Vorsehen eines elektrischen Kontaktes zu einer Basiselektrode B auf der Oberfläche der n⁺-Schicht 50 wird gebildet. Ein mit einer Kollektor­ elektrode C zu verbindender Kontaktbereich wird in dem Graben­ bereich 20 gebildet. Bei dieser Anordnung kann der Abstand zwi­ schen den Elektroden erhöht werden, und die Fläche einer Schicht, zu der ein Kontakt vorgesehen werden soll, kann aus­ reichend erhöht werden im Vergleich mit dem Fall, in dem ein Basiskontakt­ bereich, ein Emitterkontaktbereich und ein Kollektorkontakt­ bereich auf dem Grabenbereich 20 gebildet sind, so daß das Auftreten eines Lecks oder ähnlichem zwischen dem Kontaktbereich und einer benachbarten Schicht verhindert werden kann.
Fig. 11A und 11B sind Diagramme, die ein anderes Beispiel einer Struktur einer Übergitterhalbleitereinrichtung mit Grabenbe­ reichen gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zei­ gen, wobei Fig. 11A eine Draufsicht davon zeigt, und Fig. 11B schematisch einen Querschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 11A zeigt. In Fig. 11B ist nur ein Minimum von Schichten gezeigt. Wie in Fig. 11A und 11B gezeigt ist, ist ein Kontaktbereich zum Ver­ binden der Emitterelektrode E mit einer Emitterschicht 2 a in einer n⁺-Schicht 50 vorgesehen, und eine Basisschicht 3 a′ und eine Kollektorschicht 6 a sind so gebildet, daß sie sich von einem Grabenbereich 20 zu der Oberfläche eines Halbleitersub­ strates 1 b erstrecken, so daß ein Kontaktbereich zum Verbinden der Basisschicht 3 a′ mit einer Basiselektrode B und ein Kon­ taktbereich zum Verbinden der Kollektorschicht 6 a mit einer Kollektorelektrode C auf der Oberfläche des Halbleitersub­ strates 1 b gebildet sind.
Fig. 12A, 12B und 12C sind Diagramme, die die eine Übergitterhalbleitereinrichtung mit Grabenstrukturen entspre­ chend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen, wobei Fig. 12A eine Draufsicht davon, Fig. 12B einen Querschnitt entlang der Linie D-D in Fig. 12A, und Fig. 12C einen Querschnitt entlang einer Linie C-C in Fig. 12A darstellen. Wie in Fig. 12A bis 12C gezeigt ist, ist eine Kollektorelektrodenschicht 6 a so gebildet, daß sie sich von einem Grabenbereich 20 bis zu der n⁺-Diffusionsschicht 50 erstreckt und zwar in die Richtung, die senkrecht eine Linie schneidet, die einen Kon­ taktbereich für eine Emitterelektrode E mit einem Kontaktbe­ reich für eine Basiselektrode B verbindet. Ferner ist ein Kontaktbe­ reich zum Verbinden der Kollektorschicht 6 a mit einer Kollek­ torelektrode C ist auf der Oberfläche des Halbleitersubstra­ tes 1 b gebildet. Andererseits sind ein Kontaktbereich zum elektrischen Verbinden der Emitterelektrode E mit einer Emit­ terschicht 2 a und ein Kontaktbereich zum Verbinden einer Basis­ schicht 3 a′ mit einer Basiselektrode B auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 b gebildet in einem Bereich, der sich in die Richtung nach rechts und links von dem Grabenbereich 20 erstreckt, wie es in Fig. 12A gezeigt ist.
Bei einer solchen Anlage des Kontaktes kann eine Übergitterhalb­ leitereinrichtung, in der ein Leck, ein Kurzschluß oder ähn­ liches niemals auftritt und in der die Durchbruchsspannung niemals abnimmt, noch sicherer erzielt werden.
Jetzt folgt die Beschreibung der Funktionsweise eines resonanten, bipolaren Tunneltransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und dessen Anwendung. Fig. 13A ist ein Diagramm, das ein Bei­ spiel der Potentialenergieverteilung des resonanten, bipolaren Tunneltransistors mit einer npn-Struktur zeigt, und Fig. 13B ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Kollektorstromes Ic von der Spannung V EB zwischen einem Emit­ ter und einer Basis in dem resonanten, bipolaren Tunneltransistor zeigt. In dem resonanten, bipolaren Tunneltransistor von der npn-Struktur mit einer Übergitterstruktur, wie sie in Fig. 13A gezeigt ist, ist ein Quantentopf in einem p-Typ-Basisbe­ reich gebildet. Zusätzlich tritt eine Bandverbiegung in dem Quantentopfbereich auf. Diese wird durch den Effekt des Dotie­ rens mit Verunreinigungen bewirkt. Wie eingangs beschrieben, sind in einer Topfschicht die Energieniveaus gequantelt. In diesem Zustand wird die Spannung V EB zwischen einem Emitter und einer Basis allmählich erhöht. Wenn ein Leitungsband Ec in dem Emitter­ bereich und ein Quantenniveau in dem Quantentopfbereich mit­ einander übereinstimmen, wird der resonante Tunneleffekt er­ zeugt, so daß die Tunnelwahrscheinlichkeit der Elektronen un­ gefähr 1 beträgt.
Wenn weiterhin die Spannung V EB zwischen dem Emitter und der Basis erhöht wird, ist die Tunnelwahrscheinlichkeit von Elektronen kleiner als 1, so daß der negative (differentielle) Widerstandseffekt erzeugt wird. Falls der resonante Tunneleffekt erzeugt wird, fließen Elektronen von dem Emitterbereich zu einem Kollektorbereich durch das reso­ nante Tunnelphänomen, so daß der Kollektorstrom Ic bei der Spannung den Maximalwert hat.
Wenn die SpannungV EB weiterhin erhöht wird, wird der reso­ nante Tunneleffekt nicht mehr erzeugt, so daß der Wert des von dem Emitterbereich zu dem Kollektorbereich fließenden Stromes erniedrigt wird, und der negative (differentielle) Widerstands­ effekt wird erzeugt. Zusätzlich wird der Kollektorstrom Ic er­ niedrigt, so daß ein Talbereich (der Minimalwert) auftaucht.
Dadurch, daß bei dem beschriebenen resonanten Tunneltransistor ein Grabenbereich vorgesehen ist und eine Über­ gitterstruktur in dem Grabenbereich gebildet ist, können die Flächen der Seitenwandabschnitte in dem Grabenbereich als Fläche für die Übergitterstruktur benutzt werden, selbst wenn die obere Fläche des Grabenbereiches durch ein sehr feines Strukturverfahren verringert wird. Als Resultat kann das Ver­ ringern der Fläche der Übergitterstruktur, wie es bei den eingangs beschriebenen bekannten Übergitterstrukturen der Fall ist, ausgeschlossen wer­ den, so daß eine ausreichende Schalteigenschaft erzielt werden kann, da ein großer Unterschied zwischen dem Wellenberg und dem Wellental des Kollektorstromes Ic ereicht werden kann, wie es durch die durchgezogene Linie in Fig. 13B dargestellt ist. Die gestrichelte Linie gibt den Kollektorstrom bei einem resonanten Tunneltransistor mit den eingangs beschriebenen bekannten Übergitterstrukturen an.
Daher kann eine Schaltungseinrichtung mit den Eigenschaften, wie sie in Fig. 4 bis 7 gezeigt sind, erzielt werden, selbst bei sehr feiner Strukturverarbeitung, so daß eine Übergitter­ halbleitereinrichtung erzielt werden kann, die sicher arbeitet, ohne daß sie durch die Abnahme der Fläche bei dem sehr feinen Strukturverarbeiten beeinträch­ tigt wird.
Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform die Struktur und der Betrieb einer resonanten, bipolaren Tunneleinrichtung beschrieben wurden, kann die Erfindung auch auf eine resonante Tunneldiode angewandt werden.
Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform die resonante Tunneleinrichtung mit einer Übergitterstruktur beschrieben wurde, die einen GaAs-Heteroübergang aufweist, kann die Über­ gitterstruktur auch dadurch hergestellt werden, indem ein Silizium­ halbleitersubstrat oder amorphes Silizium benutzt wird. Falls eine Übergitterhalbleitereinrichtung unter Benutzung von amorphem Silizium aufgebaut wird, ist es notwendig, daß das Halbleitersubstrat 1 a ein Siliziumsubstrat ist, die Emitter­ schicht 2 a eine a-Si:H-Schicht ist, in die n-Typ-Verunreini­ gungen eingeführt sind, die Basisschichten 3 a und 3 a′ a-Si:H- Übergitterschichten sind, in die p-Typ-Verunreinigungen einge­ führt sind, die Barrierenschicht 4 a eine a-Si X N Y :H-Übergitter­ schicht ist, die Quantentopf-(Topfbereich)-Schicht 5 a eine a-Si:H-Übergitterschicht ist, in die p-Typ-Verunreinigungen eingeführt sind, und die Kollektorschicht 6 a eine a-Si:H- Schicht ist, in die n-Typ-Verunreinigungen eingeführt sind.
Die Erfindung kann auch auf eine Vielfach-Quantentopfstruktur (MQW) angewandt werden, die bei einer Lawinenlaufzeitfotodiode (APD) oder ähnlichem angewandt wird. Bezugnehmend auf Fig. 14A und 14B wird jetzt eine solche Lawinenlaufzeitfotodiode beschrieben.
Fig. 14A zeigt schematisch einer Querschnittanordnung einer Lawinenlaufzeit­ fotodiode mit Übergitterstruktur. In Fig. 14A ist ein Grabenbereich 20 auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrates 1 c gebildet, eine Vielfach-Quantentopfschicht 10 mit Übergitterschichten ist in dem Bodenabschnitt und dem Seitenwandabschnitt des Grabenbe­ reiches 20 gebildet und eine n⁺-Typ-Kollektorschicht 6 d ist auf der Vielfach-Quantentopfschicht 10 gebildet. Ein p⁺-Typ- Verunreinigungsdiffusionsbereich 9 ist auf dem umlaufenden Ab­ schnitt des Grabenbereiches 20 gebildet, wo ein Fotodetektor­ bereich gebildet ist. Als ein Verfahren zum Herstellen der in Fig. 14A gezeigten Lawinenlaufzeitfotodiode wird der Graben­ bereich 20 auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 c durch Trockenätzen oder ähnliches gebildet, die Fotodetektorschicht 9 mit einer p⁺-Typ-Diffusionsschicht wird durch Implantieren und Diffundieren von p-Typ-Verunreinigungen mit einer hohen Konzentration gebildet, die Vielfach-Quantentopfstruktur 10 wird durch sequentielles Aufeinanderlegen von Übergitterschich­ ten, von denen jede eine vorbestimmte Komponente und Dicke auf­ weist, auf der Bodenoberfläche und den Seitenwänden des Graben­ bereiches 20 durch konventionelle MBE-, MOCVD-Verfahren oder ähnliches gebildet, und die n⁺-Typ-Kollektorschicht 6 d wird gebildet. Als ein Resultat kann eine Lawinenlaufzeitfotodiode mit einer Vielfach-Quantentopfstruktur erzielt werden, die auch auf sehr feine Strukturverarbeitung angewandt werden kann.
Fig. 14B ist ein Diagramm, das schematisch das Potentialener­ gieprofil der Lawinenlaufzeitdiode mit einer Vielfach- Quantentopfstruktur und das Prinzip des Betriebes davon zeigt. In diesem Fall ist eine sogenannte PIN-Typ-Lawinenlaufzeitdiode gebildet, Elektronen sind stark in jedem Quantentopfbereich gebunden, und der re­ sonante Tunneleffekt wird nicht erzeugt. Wenn Licht hv mit mehr Energie als die Energielücke der Fotodetektorschicht 9 auf die p⁺-Typ-Fotodetektorschicht 9 trifft, werden Elektronen- Lochpaare in der Fotodetektorschicht 9 erzeugt, so daß Elek­ tronen in das Leitungsband der Fotodetektorschicht 9 angeregt werden, die ausreichend heiße Elektronen sein sollen, und sich zu dem ursprünglichen Quantentopfbereich bewegen. Stark ge­ bundene Elektronen gibt es in dem Quantentopfbereich. Von der Fotodetektorschicht 9 fließende Elektronen regen jedoch ge­ bundene Elektronen in dem Quantentopfbereich durch Kollision so an, daß sie einen benachbarten Quantentopfbereich hinter einer Barriere des Quantentopfbereiches erreichen. Die Ionisation durch Kol­ lision der gebundenen Elektronen in jedem Quantentopfbereich wird jedesmal wiederholt, wenn Elektronen in einen neuen Quantentopf­ bereich fließen.
Durch den Elektronenmultiplikationseffekt ist eine beträchtliche Anzahl von Elektronen erzeugt, wenn Elektronen die n⁺-Schicht 6 d erreichen. Wenn Koeffizienten α und β der Ionisation von Elektronen und Löchern die Bedingung α/β < 1 oder α/β < 1 erfüllen, kann das Rauschen (Dunkelstrom oder ähnliches) begrenzt werden. Diese für die Rauschreduzierung notwendige Bedingung wird er­ füllt, indem eine Banddiskontinuität Δ Ec in dem Leitungsband und eine Bandkontinuität Δ Ev auf einen geeigneten Wert ge­ setzt werden. Wenn daher eine geeignete Bandstruktur einer Über­ gitterstruktur durch Einführen von Verunreinigungen gebildet ist, kann niedriges Rauschen erzielt werden.
Die beschriebene Lawinenlaufzeitfotodiode mit niedrigem Rauschen kann durch sehr feines Strukturverar­ beiten gebildet werden. Sie weist ein ausreichendes Ausgangssignal in der reduzierten Fläche, die durch sehr feines Strukturverarbeiten gebildet ist, auf und kann zufriedenstellend in einer integrierten Schaltungseinrichtung funktionieren.
Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform Übergitter­ schichten mit verschiedenen Energielücken aufeinandergeschich­ tet sind, kann weiterhin eine Übergitterstruktur wie eine NIPI-Struktur, die durch geeignete Dotierungsmodulation in Übergitterschichten mit identischen Bandabständen erzielt wird, den gleichen Effekt wie die oben beschriebene Ausführungsform haben.
Anstelle der beiden oben beschriebenen Ausführungsformen vorhandenen Grabenbereichs kann, wie in Fig. 15 gezeigt ist, ein kon­ vexer Abschnitt 30 auf der Oberfläche eines Halbleitersub­ strates 1 a gebildet werden, und eine Übergitterstruktur kann unter Benutzung des oberen Oberflächenabschnittes und der Sei­ tenoberflächenabschnitte des konvexen Abschnittes 30 ge­ bildet werden, in welchem Fall eine Übergitterhalbleiteranlage erzielt werden kann, die in der Lage ist, ausreichend die Abnahme in der Fläche einer Struktur auszugleichen, die durch sehr feines Strukturverarbeiten gebildet ist. Der konvexe Abschnitt 30 kann auf die gleiche Weise wie der Grabenbereich gebildet werden. In einer Struktur, wie sie in Fig. 15 gezeigt ist, kann das Auftreten von einem Leck und des Verringerns der Durch­ bruchsspannung verhindert werden, wenn ein Kontaktbereich zum Vorsehen eines elektrischen Kontaktes zu jeder Schicht auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates in einem Bereich gebildet ist, der nicht der konvexe Bereich ist.
Wie im vorhergehenden beschrieben ist, ist eine Übergitterstruktur in einer Übergitterhalbleitereinrich­ tung in dem Bodenoberflächenabschnitt und den Seitenabschnitten eines Grabenbereiches auf der Oberfläche eines Halbleitersub­ strates oder auf dem oberen Oberflächenbereich und dem Seiten­ wandbereich eines konvexen Abschnittes auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates gebildet. Das Problem der Abnahme der Fläche kann ausreichend gelöst werden durch die Gegenwart des Seitenwandabschnittes des Grabenabschnittes oder des Sei­ tenwandabschnittes eines konvexen Abschnittes, selbst wenn die durch die Übergitterhalbleitereinrichtung belegte Fläche ver­ ringert wird in einer Struktur, die durch sehr feines Struktur­ verarbeiten oder ähnliches gebildet ist. Somit ist eine dadurch erzeugte Übergitterhalbleitereinrichtung in der Lage, mit aus­ reichender Genauigkeit tätig zu sein, selbst wenn die Übergit­ terhalbleitereinrichtung in einer integrierten Halbleiterschal­ tungseinrichtung benutzt ist, die durch sehr feines Struktur­ verarbeiten erzeugt ist, welches sonst die Eigenschaften der Übergitterhalbleitereinrichtung verschlechtern würde. Da zu­ sätzlich ein Kontaktbereich zum Vorsehen von elektrischem Kon­ takt zu der Übergitterhalbleitereinrichtung auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates in einem Bereich gebildet ist, der nicht der Grabenbereich oder der vorstehende Bereich ist, be­ rührt eine Elektrode niemals den anderen Bereich in dem Kon­ taktbereich, ein Leck oder ähnliches tritt niemals in dem Kon­ taktbereich auf, und die Durchbruchsspannung wird niemals ver­ ringert, so daß eine Übergitterhalbleitereinrichtung mit hoher Zuverlässigkeit erreicht werden kann, die an sehr feines Struk­ turverarbeiten anpaßbar ist.

Claims (7)

1. Übergitterhalbleitereinrichtung mit einem Halbleitersubstrat (1 a, 1 b) mit einer Oberfläche, einem Grabenbereich (20) mit einem Bodenabschnitt und Seitenabschnitten, der ausgehend von der Oberfläche im Halbleitersubstrat (1 a, 1 b) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übergitterstruktur (4 a, 5 a, 4a′) auf dem Bodenabschnitt und dem Seitenabschnitten des Grabenbereichs (20) gebildet ist.
2. Übergitterhalbleitereinrichtung mit einem Halbleitersubstrat (1 a, 1 b) mit einer Oberfläche, einem konvexen Bereich (30) mit einem oberen Abschnitt und Seitenabschnitten, der auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates (1 a, 1 b) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übergitterstruktur (4 a, 5 a) auf dem oberen Abschnitt und den Seitenabschnitten des konvexen Bereiches (30) gebildet ist.
3. Übergitterhalbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergitterstruktur (4 a, 5 a) wenigstens drei Übergitterschichten (4 a, 4 b, 4 a′) aufweist, von denen jede eine unterschiedliche Energiebandanordnung aufweist, und die sequentiell aufeinandergeschichtet sind, wobei jede von den Übergitterschichten (4 a, 5 a, 4 a′) eine Dicke aufweist, die gleich oder kleiner als die de-Broglie-Wellenlänge eines Elektrons ist.
4. Übergitterhalbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Kontaktbereich (B, C, E) zum Vorsehen von elektrischem Kontakt mit der Übergitterschicht (4 a, 5 a), wobei der Kontaktbereich (B, C, E) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates (1 a, 1 b) in einem Bereich gebildet ist, der nicht der Grabenbereich bzw. der konvexe Bereich ist.
5. Übergitterhalbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergitterhalbleitereinrichtung eine resonante Tunneldiode aufweist.
6. Übergitterhalbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergitterhalbleitereinrichtung einen resonanten Tunneltransistor aufweist.
7. Übergitterhalbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergitterhalbleitereinrichtung eine Lawinenlaufzeitfotodiode mit einer Vielfach-Quantentopf­ anordnung aufweist.
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