DE3828886A1 - Einrichtung mit uebergitterstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit Über­ gitterstruktur gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 9 und insbesondere auf eine Halblei­ tereinrichtung mit Übergitterstruktur zur Funktionsverbes­ serung.

Es sind bereits verschiedene Sperrschicht-Halbleiterein­ richtungen nach dem Stand der Technik bekannt. Selbst wenn diese für eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit ausgelegt sind, verursachen ihre Basisstrukturen jedoch eine ungewünschte Einschränkung dieser Arbeitsgeschwindigkeit. Die Ursache dieser Einschränkung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 7A bis 7B und 8A bis 8B näher erläutert.

Fig. 7A zeigt einen Querschnitt durch eine konventionelle pn-Übergangsdiode, während Fig. 7B das herkömmliche Energie­ banddiagramm der Diode im thermischen Gleichgewicht zeigt. Die Diode nach Fig. 7A enthält einen p-Typ Halbleiterbe­ reich bzw. eine Schicht (1) und einen n-Typ Halbleiterbe­ reich bzw. eine Schicht (2), die über einen Halbleiterüber­ gang miteinander in Verbindung stehen. Der die beiden Schichten (1) und (2) trennende Leitfähigkeitstyp-Übergang kann in verschiedener Weise hergestellt werden, beispiels­ weise durch Diffusion von Dotierungselementen in einen oder in beide Halbleiter hinein, wodurch sich ein pn-Übergang zwischen den beiden Halbleiterschichten (1) und (2) ein­ stellt. Ist der Basishalbleiter GaAs, so können als p-Typ Dotierung Beryllium und als n-Typ Dotierung Silizium ver­ wendet werden. Bei natürlichen Halbleitern wie z. B. Silizi­ um und Germanium lassen sich Elemente der Gruppe III und der Gruppe IV jeweils als p-Typ und n-Typ Dotierungselemen­ te verwenden, wie dies allgemein bekannt ist. Entsprechend der Fig. 7A ist der Halbleiter (1) mit einer Anodenelektro­ de (A) verbunden, während der Halbleiter (2) in Verbindung mit einer Kathodenelektrode (K) steht.

Das Energiebanddiagramm nach Fig. 7B stellt die Diode in thermischem Gleichgewicht dar. In Übereinstimmung mit der herkömmlichen Bezeichnung repräsentieren E _c die Leitungs­ bandkante, E _v die Valenzbandkante und E _f den Fermi-Pegel. In der Fig. 7B ist weiterhin ein Energiepegel E _i in der Mitte zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband einge­ zeichnet, der den Fermi-Pegel für einen Fall angibt, bei dem kein Dotierungselement und kein elektrisches Feld vor­ handen sind. Die Majoritätsladungsträger im p-Typ Halblei­ ter (1) sind Löcher, während die Majoritätsladungsträger im n-Typ Halbleiter (2) Elektronen sind. Im Übergang der Halbleiter (1) und (2) bildet sich ein Verarmungsbereich aus, in welchem keine freien Ladungsträger vorhanden sind. Das im Verarmungsbereich vorhandene elektrische Feld stellt ein Gegengewicht zum Diffusionspotential dar, das einen Fluß von Ladungsträgern durch den Übergang bewirkt. Das Vorhandensein des elektrischen Feldes ist in Fig. 7B durch die abfallenden bzw. geneigten Bandkanten dargestellt, die sich dadurch ergeben, daß der Fermi-Pegel innerhalb der Dio­ de bei thermischem Gleichgewicht konstant ist. Ganz allge­ mein entsprechen die Bereiche (RA) und (RB) in Fig. 7B den Halbleitern (1) und (2), wobei der Verarmungsbereich an ihrem Übergang bis zu einem gewissen Ausmaß in jeden der beiden Halbleiter hineinreicht.

Wird eine positive Spannung an den Halbleiter (1) angelegt, so ist die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Die Höhe der Potentialbarriere, also die Höhe der Stufe in Fig. 7B, wird dadurch herabgesetzt. Die Verminderung der Potential­ barriere ergibt sich in Folge des Majoritätsladungsträger­ flusses durch den Übergang. Wird eine positive Spannung an den Halbleiter (2) angelegt, so wird die Diode in Sperrich­ tung vorgespannt. Das bedeutet, daß die Höhe der Barriere am Übergang ansteigt, so daß nur ein sehr kleiner Strom fließt. Dieses asymmetrische Verhalten der Halbleiterein­ richtung in Abhängigkeit der angelegten Spannungen läßt sich auch als Diodengleichrichter-Charakteristik bezeichnen, wie allgemein bekannt ist.

Die Fig. 8A zeigt einen Querschnitt durch einen konventio­ nellen, bipolaren npn-Transistor. Dagegen ist in Fig. 8B das konventionelle Energiebanddiagramm für den Transistor im thermischen Gleichgewicht dargestellt. Der Transistor nach Fig. 8A enthält einen zentralen bzw. mittleren p-Typ Halbleiter (1), der zwischen zwei n-Typ Halbleitern (2 a) und (2 b) liegt. Ein Potentialbarrierenübergang befindet sich zwischen dem Halbleiter (1) und dem Halbleiter (2 a), während ein anderer Potentialbarrierenübergang zwischen dem Halbleiter (1) und dem Halbleiter (2 b) vorhanden ist. Üb­ licherweise werden der Halbleiter (2 a) als Emitter, der Halbleiter (1) als Basis und Halbleiter (2 b) als Kollektor bezeichnet. Elektroden E, B und C sind jeweils mit den Halbleiterbereichen (2 a), (1) und (2 b) verbunden.

An jedem der beiden Übergänge des Transistors nach Fig. 8A bildet sich ein Verarmungsbereich. Liegt am Anschluß E Erd­ potential an, und werden positive Spannungen an die An­ schlüsse B und C gelegt, so ist der Übergang zwischen den Halbleitern (1) und (2 a) in Vorwärtsrichtung vorgespannt, während der Übergang zwischen den Halbleitern (1) und (2 b) in umgekehrter bzw. Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. In dieser Situation werden Elektronen, die die Majoritätsträ­ ger im Bereich (RE) bilden, vom Emitterbereich (RE) in den Ba­ sisbereich (RB) injiziert. Im Basisbereich (RB) stellen die Elektronen Minoritätsladungsträger dar und können mit Löchern rekombinieren. Sind jedoch die Dichte der p-Typ Dotierungselemente in der Basis und die Breite des Basis­ bereichs zwischen Emitter und Kollektor geeignet einge­ stellt, so erfolgt nur eine geringe Rekombination im Basis­ bereich (RB). In einem solchen Fall können die injizierten Elektronen schnell zum Kollektorbereich (RC) gelangen, und zwar unter Einfluß des elektrischen Feldes am umgekehrt vorgespannten Basis-Kollektor-Übergang. Es fließt daher ein Kollektorstrom I _c, der in weitem Umfang vom Basisstrom I _b abhängt. Der Kollektorstrom kann von einem Wert Null bis zu einem relativ großen Wert verändert werden, und zwar in Abhängigkeit des Basisstromes. Auf Grund dieser Veränderungsmöglichkeit kann daher der bipolare Transistor sowohl als Schalter als auch als Stromverstärkerr eingesetzt werden.

Bei der konventionellen pn-Übergangsdiode und beim zuletzt beschriebenen bipolaren Transistor dienen die Potentialbar­ rieren an den Übergängen zur Erzeugung gewünschter Betriebs­ funktionen. Ladungsträger fließen innerhalb der Halbleiter unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes oder aufgrund von Diffusionserscheinungen. Diese Ladungsträgerflüsse füh­ ren zu Kollisionen mit den Halbleiteratomen, zur Streuung der Ladungsträger und zur Rekombination von Löchern und Elektronen. Die genannten Streu- und Rekombinationsereig­ nisse begrenzen jedoch die Geschwindigkeit, mit der Ladungs­ träger, die durch einen Eingangsanschluß der Einrichtung in diese hineinfließen, ihren Ausgangsanschluß erreichen können. Diese Einschränkung begrenzt das Frequenzverhalten der beschriebenen Einrichtungen im Übergang. Die Rekombi­ nation der Ladungsträger begrenzt weiterhin andere funktio­ nelle Eigenschaften der Einrichtungen auf Pegel, die häu­ fig kleiner als gewünschte Pegel für viele Anwendungen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Übergangs­ Halbleitereinrichtung zu schaffen, die gegenüber herkömmli­ chen Einrichtungen dieser Art eine verbesserte Arbeitsge­ schwindigkeits-Charakteristik aufweist. Insbesondere soll erreicht werden, Ladungsträgerrekombinationen weiter zu senken, um auf diese Weise die Arbeitsgeschwindigkeit zu er­ höhen. Ziel der Erfindung ist es ferner, zur Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit in einem Halbleiter vom Übergangs­ typ eine Übergitterstruktur vorzusehen.

Lösungen der gestellten Aufgaben sind den kennzeichnenden Teilen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 9 zu ent­ nehmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen gekennzeichnet.

Eine Einrichtung nach der Erfindung enthält ein erstes zu­ sammengesetztes Halbleiter-Übergitter eines ersten Leitfä­ higkeitstyps und ein zweites zusammengesetztes Halbleiter- Übergitter eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der sich vom ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet. Beide Übergitter sind so miteinander verbunden, daß sich zwischen ihnen ein Übergang ausbildet. Die Dicke der Quantenwannenschichten und der Quantenbarrierenschichten in den jeweiligen Über­ gittern ist so gewählt, daß sie etwa gleich oder kleiner ist als die de Broglie-Wellenlänge für die interessierenden Ladungsträger, also die Löcher oder Elektronen. Auf Grund der geringen Dicke dieser Schichten tritt ein Resonanztun­ neleffekt auf, so daß die interessierenden Ladungsträger die Quantenbarrierenschichten mit hoher Wahrscheinlichkeit, hoher Geschwindigkeit und bei vernachlässigbarer Rekombina­ tion durchtunneln können. Wenigstens ein ähnlich aufgebau­ tes zusätzliches Übergitter kann mit der zuvor erwähnten Struktur verbunden werden, um einen zusätzlichen Übergang zwecks Bildung eines Bipolar-Transistors zu schaffen, der mit hoher Geschwindigkeit und mit praktisch keiner Ladungs­ trägerrekombination in seinem Basisbereich arbeiten kann. In allen Bereichen der Struktur liegen der oder die Über- gänge zwischen benachbarten Übergittern praktisch parallel zu der Ebene der Schichten innerhalb der Übergitter.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der auch den Stand der Technik enthaltenden Zeichnung näher erläutert. Es zei­ gen:

- Fig. 1 ein schematisches Querschnittdiagramm einer Diode nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

- Fig. 2A und 2B Energiebanddiagramme der unterschiedlich dostierten Bereiche der Diode nach Fig. 1 vor und nach deren Verbindung,

- Fig. 3 ein schematisches Querschnittsdiagramm eines Tran­ sistors nach der Erfindung,

- Fig. 4A und 4B Energiebanddiagramme der Struktur nach Fig. 3 in thermischem Gleichgewicht und bei Anlegen einer Vorspannung,

- Fig. 5A und 5B Energiebanddiagramme eines anderen Tran­ sistors nach der Erfindung im thermischen Gleichgewicht und unter Anlegung einer Vorspannung,

- Fig. 6A und 6B Querschnittsansichten einer Diode und eines Transistors nach der Erfindung zur Erläuterung ihres Herstellungsverfahrens,

- Fig. 7A und 7B schematische Querschnittsansichten einer konventionellen pn-Übergangsdiode und ihres Energieband­ diagrammes, sowie

- Fig. 8A und 8B schematische Querschnittsansichten eines konventionellen, bipolaren npn-Transistors mit dem zuge­ hörigen Energiebanddiagramm.

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen pn-Übergang zwischen zwei sogenannten Übergittern (superlattices) bei einer Resonanztunneldiode als Ausführungsbeispiel nach der Erfindung. Die Diode nach Fig. 1 enthält ein Übergitter (RA) vom p-Typ und ein Übergitter (RB) vom n-Typ. Beide Übergit­ ter sind vom sogenannten zusammengesetzten Typ und enthalten jeweils eine Mehrzahl von sich abwechselnden Quantenwannen­ schichten und Quantenbarrierenschichten mit unterschiedli­ chen Zusammensetzungen und verschiedenen Energiebandlücken. Wie bei allen neuen Strukturen nach der Erfindung liegen der oder bei einigen Ausführungsbeispielen die Übergänge im allgemeinen parallel zu den Schichten in den Übergittern. Mit anderen Worten weisen der oder die Übergänge und die Schichten eine gemeinsame Normalen-Richtung auf. Die Qan­ tenwannenschichten können aus GaAs hergestellt sein, wäh­ rend die Quantenbarrierenschichten z. B. aus Al _x Ga_1-x As be­ stehen können. Die Quantenwannenschichten haben eine schma­ lere Energiebandlücke als die Quantenbarrierenschichten. Auf Grund des GaAs- und des Al _x Ga_1-x As-Materials läßt sich die Größe der Differenz in den beiden Energiebandlücken durch den Anteil an Gallium einstellen, das durch Aluminium in den Barrierenschichten substituiert ist.

Die Übergitter (RA) und (RB) sind insgesamt analog aufge­ baut. Sie unterscheiden sich jedoch in den Dotierungstypen. Der Ausdruck Dotierungstyp bezeichnet die Natur des Dotie­ rungsmittels, mit dem die Quantenwannenschichten dotiert sind. Soll beispielsweise ein Übergitter vom p-Typ sein, so bedeutet das, daß die Quantenwannenschichten, z. B. die GaAs-Schichten, Dotierungsmittel vom p-Typ enthalten. Die Quantenbarrieren, z. B. Al _x Ga_1-x As, können dotiert oder nicht dotiert sein, wie gewünscht. Enthält ein p-Typ über­ gitter (RA) als Basis GaAs, so können alle Quantenwannen­ schichten im Übergitter (und die Quantenbarrierenschichten, falls dies gewünscht wird) Beryllium als Dotierungsmittel enthalten. Enthält ein n-Typ Übergitter (RB) als Basis GaAs, so können alle seine Quantenwannenschichten (und die Quan­ tenbarrierenschichten, falls dies gewünscht wird) mit Sili­ zium dotiert sein. Wannenschichten (3) und (5) der Übergit­ ter (RA) und (RB) können jeweils aus GaAs hergestellt sein. Barrierenschichten (4) und (6) der Übergitter (RA) und (RB) können jeweils aus Al _x Ga_1-x As und Al _y Ga_1-y bestehen. Wie noch im einzelnen im Zusammenhang mit den Fig. 6A und 6B erläutert wird, lassen sich die Übergitter mit Hilfe des MBE-Verfahrens (Molekularstrahl-Epitaxieverfahren) oder mit Hilfe des MOCVD-Verfahrens (Metal Organic Chemical Vapor De­ position Method) herstellen.

Die in den Fig. 2A und 2B gezeigten Energiebanddiagramme dienen zur Erleichterung des Betriebs der in Fig. 1 gezeig­ ten Diode. In diesen und anderen hier beschriebenen Dia­ grammen stellen die interessierenden Ladungsträger die Elek­ tronen dar, daß nur die Leitungsbandkanten gezeigt sind. Es lassen sich analoge Strukturen konstruieren, bei denen Löcher die interessierenden Ladungsträger sind, so daß nur die Valenzbandkanten wichtig sind. Werden dünne Schichten abwechselnd und mit unterschiedlichen Bandlücken in einem Übergitter zusammengestellt, so wird ein Potentialprofil nach dem sogenannten Kronig-Penney-Modell erhalten. In die­ sem zweidimensionalen Modell sind die Elektronen in einer Quantenwanne eingeschlossen, also in einer Quantenwannen­ schicht, die zwischen zwei Barrierenschichten liegt. Auf Grund des Einschlusses werden eine Anzahl diskreter Energie­ pegel E 1, E 2 . . . in den Quantenwannen erzeugt, wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist. Die in diesen Quantenwannen eingeschlossenen Elektronen haben eine Energie entsprechend der jeweiligen diskreten Energiepegel. Die Werte der dis­ kreten Energiepegel sind durch die Breite der Quantenwanne bestimmt, also durch die physikalische Dicke der Quanten­ wannenschichten und der Barrierenschichten.

Weisen die Quantenwannenschichten und die Barrierenschichten in einem Übergitter eine geeignete Dicke auf, so überlappen sich die Wellenfunktionen in benachbarten Wannen, so daß ein Bereich von Energien bzw. ein Energieunterband entsteht. In dieser Situation können Ladungsträger durch die Quantenbar­ rierenschichten zwischen den Quantenwannenschichten hin­ durchtunneln, und zwar bei diesen Unterbandenergien. Dieses Tunnelphänomen, das sich aufgrund der Bildung der Unterbän­ der ergibt, wird als sogenanntes Resonanztunneln bezeichnet. Dieses Resonanztunneln wird theoretisch gut verstanden und wurde bereits experimentell verifiziert. In diesem Zusammen­ hang wird beispielsweise auf Capasso et al., "Sequential Resonant Tunneling Through A Multiquantum Well Super­ lattice", Applied Physics Letters, 48(7), 478-480 (1986), verwiesen.

Werden in Übereinstimmung mit der Erfindung die Schicht­ dicken hinreichend dünn gewählt, z. B. nicht größer als die de Broglie-Wellenlänge für die interessierenden Ladungsträ­ ger, so wird im Material des Übergitters die Wahrschein­ lichkeit des Resonanzladungsträgertunnelns, hier des Elek­ tronentunnelns, durch die Barrieren bei konstanter Energie hindurch nahezu vollkommen bzw. Eins. Zusätzlich wird der Transmissionswirkungsgrad der Elektronen von einer zur an­ deren Wanne, also daß Maß der Elektronen beim Tunneln, ebenfalls vollkommen bzw. Eins. Diese Bedingungen existieren in beiden Übergittern (RA) und (RB).

Ganz allgemein können Teilchen Welleneigenschaften aufwei­ sen, während Energiewellen in einigen Fällen als teilchen­ ähnlich angesehen werden können. Der Welle-Teilchen-Dualis­ mus in der Quantenmechanik bedeutet, daß ein Ladungsträger mit einem Implus auch eine zugeordnete Wellenlänge aufweist, die die de Broglie-Wellenlänge ist. Für ein Teilchen im freien Raum ergibt sich diese Wellenlänge λ zu:

hierbei sind:

m₀ die Partikelrestmasse,
v die Partikelgeschwindigkeit,
h die Planck′sche Konstante und
c die Lichtgeschwindigkeit.

Ein Elektron im freien Raum mit einer Energie von einem Elektronenvolt weist eine de Broglie-Wellenlänge von etwa 1,2 Nanometern auf. In einem kristallinen Material, bei­ spielsweise in einem hochwertigen GaAs, besitzt die de Broglie-Wellenlänge für Elektronen mehrere Nanometer. Da­ her sind die Schichtdicken in Übergittern (RA) und (RB) nicht größer als mehrere Nanometer, wenn GaAs-Basismateria­ lien verwendet werden und die Elektronen die Tunnelladungs­ träger sind. Da die Masse von Löchern im allgemeinen grö­ ßer ist als diejenige der Elektronen, ist die de Broglie- Wellenlänge kürzer als diejenige für Elektronen. Einrich­ tungen nach der Erfindung, bei denen die Tunnelladungsträ­ ger die Löcher sind, erfordern daher sehr dünne Übergitter­ schichten.

Jedes der Übergitter (RA) und (RB) weist einen eigenen Fer­ mi-Pegel auf, der jeweils mit E _FP und E _FN bezeichnet ist. Da gemäß Fig. 2A kein Übergang zwischen den beiden Übergit­ tern (RA) und (RB) gebildet worden ist, sind die genannten Fermi-Pegel nicht aneinander angeglichen. Gemäß Fig. 2B werden die Übergitter (RA) und (RB) miteinander verbunden, so daß die entsprechenden Fermi-Pegel auf gleicher Höhe liegen, was bedeutet, daß der thermische Gleichgewichtszu­ stand erreicht ist. Die Fig. 2B zeigt auch den Fall, daß eine Vorwärtsvorspannung angelegt ist. Wie bei der konven­ tionellen pn-Diode sind die Energiebandkanten im Über­ gangsbereich geneigt, wodurch angezeigt wird, daß ein Ver­ armungsbereich vorhanden ist. Die Gegenwart des Verarmungs­ bereiches stört allerdings nicht die diskreten Energiepe­ gel und die Energieunterbänder in den Übergittern, da sich die Wellenfunktionen zwischen den Quantenwannen überlappen. Es ist allerdings in Fig. 2B zu erkennen, daß die Quanten­ wannenenergiepegel im Verarmungsbereich nicht mit denjeni­ gen in den Quantenwannen übereinstimmen, die sich in den (RA)- oder (RB)-Übergittern befinden.

Wird entsprechend der Fig. 2B eine geeignete Vorspannung an das Übergitter (RA) angelegt, so läßt sich ein Energie­ pegel in der Quantenwanne in der Nähe der Verarmungszone in Übereinstimmung mit einem Energiepegel in der nächsten Quantenwanne bringen, die näher an der Verarmungszone oder innerhalb der Verarmungszone liegt. Ein in das Übergitter (RA) injiziertes Leitungsbandelektron kann in diesem Fall durch Resonanztunneln durch die dazwischen liegende Quan­ tenbarriere hindurchtreten, und zwar ohne signifikanten Verlust und mit hoher Geschwindigkeit. In der Nachbarschaft der Verarmungszone kann ein Elektron, das eine benachbarte Quantenwanne erreicht, einen Energiezustand aufweisen, der größer ist als der Grundzustand in der Wanne. In einem sol­ chen Fall kann das Elektron Energie abgeben und auf den Grundzustand in der Empfangswanne zurückfallen. Der Prozeß kann sich mehrfach wiederholen, und zwar mit oder ohne Ener­ gieverlust, wenn ein Eintreten des Elektrons von einem stär­ ker angeregten Zustand in einen Grund- oder Zwischenzustand innerhalb der Empfangsquantenwanne fällt. Als Ergebnis des wiederholten Tunnelns von Quantenwanne zu Quantenwanne durchdringt ein Elektron die Verarmungszone. Das Nettoergeb­ nis bezüglich der vielen Elektronen, die die Verarmungszone durchtunneln, ergibt einen Stromfluß. Im dargestellten Pro­ zeß fließen Elektronen vom p-Typ Übergitter (RA) zum n-Typ Übergitter (RB). Beim Resonanztunneln mit dünnen Übergitter­ schichten nach der Erfindung sind Ladungsträgerkollisionen, Streuprozesse und Rekombinationen sehr selten, so daß nur ein kleiner Stromverlust auftritt, wenn Leitungsbandelek­ tronen vom Übergitter (RA) zum Übergitter (RB) fließen. Zu­ sätzlich fließt der Resonanztunnelstrom mit sehr großer Ge­ schwindigkeit, was bedeutet, daß die Diode nach der Erfin­ dung gegenüber konventionellen Dioden eine höhere Frequenz­ charakteristik aufweist.

Wird eine in Umkehr- bzw. Sperrichtung gepolte Vorspannung an die Diodenstruktur nach Fig. 1 und 2B gelegt, so vergrö­ ßert sich die Höhe der Potentialbarriere im Übergangsbe­ reich. Es werden daher keine Energiepegel in benachbarten Quantenwannen in der Nähe der Verarmungszone miteinander übereinstimmen. Daher werden keine Ladungsträger den Über­ gangsbereich durchtunneln, wobei nur ein sehr kleiner Strom in Sperrichtung fließt.

Die Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen bipolaren Transistor nach der Erfindung. Die Einrichtung nach Fig. 3 enthält ein n-Typ Übergitter (RC) als Emitter­ bereich, ein p-Typ Übergitter (RD) als Basisbereich und ein n-Typ Übergitter (RE) als Kollektorbereich. Die n-Typ Über­ gitter (RC) und (RE) können, wenn GaAs als Grundmaterial verwendet wird, als Dotierungselement vom n-Typ Silizium enthalten, wobei alternativ auch nur die Quantenwannen­ schichten mit Silizium dotiert sein können. In jeder Struk­ tur sind die Quantenwannenschichten (5) aus GaAs, während die Barrierenschichten (6) aus Al _y Ga_1-y As sind. In Überein­ stimmung mit der Erfindung sind die Dicken der sich abwech­ selnden und unterschiedliche Bandlücken aufweisenden Schich­ ten im Übergitter (RC) etwa gleich oder kleiner als die de Broglie-Wellenlänge der Elektronen, also bis zu mehreren Nanometern in GaAs-Grundmaterialien dick. Die Struktur des p-Typ Übergitters (RD) ist ähnlich wie die der Übergitter (RC) und (RE), mit der Ausnahme, daß ein unterschiedliches Dotierungsmittel vorhanden ist, beispielsweise Beryllium, wenn GaAs-Grundschichten zum Einsatz kommen. Sich abwech­ selnde GaAs- und Al _x Ga_1-x As-Schichten, die dieselben Dik­ kenkriterien wie für die Übergitter (RC) und (RE) erfüllen, werden zur Bildung des Übergitters (RD) verwendet. Ebenso wie die Struktur nach Fig. 1 läßt sich auch die Struktur nach Fig. 3 mit Hilfe des MBE-Verfahrens oder des MOCVD-Ver­ fahrens herstellen.

Die Fig. 4A und 4B zeigen Energiebanddiagramme für die Struktur nach Fig. 3 im thermischen Gleichgewicht und für den Fall, daß eine bestimmte Vorspannung angelegt ist. Die Fig. 4A zeigt Übergitter (RC) und (RE), die denselben Aufbau aufweisen, so daß ein symmetrisches Diagramm erhal­ ten wird. Auf Grund des Vorhandenseins zweier Übergänge er­ scheinen zwei Neigungen im Energiebanddiagramm. Es existie­ ren somit auch zwei Verarmungszonen aufgrund der beiden Übergänge.

Entsprechend der Fig. 4B wurde eine Vorwärtsvorspannung an den Basisbereich (RD) relativ zum Emitterbereich (RC) ge­ legt, so daß die Quantenwannenpegel im Emitterbereich (RC) mit denen im Basisbereich (RD) fluchten. Als Ergebnis die­ ser Ausrichtung können in den Emitterbereich (RC) injizier­ te Elektronen durch die Quantenbarrieren hindurchtunneln und den Basisbereich (RD) bei hoher Geschwindigkeit und ohne signifikante Rekombinationen durchsetzen. Elektronen, die den Verarmungsbereich zwischen dem Basisbereich und dem Kollektorbereich erreichen, durchtunneln wiederum die auf­ einander folgenden Quantenwannen, und gelangen somit schließlich zum Kollektorbereich (RE).

Beim Tunneln in den Kollektorbereich kann, wie in Fig. 4B zu erkennen ist, der Grundzustandsenergiepegel der Quanten­ wannen im Basisbereich (RD) mit einem angeregten Energie­ zustand in der nächsten Quantenwanne in Richtung des Kol­ lektorbereichs (RE) übereinstimmen. Tritt ein Elektron in die benachbarte Quantenwanne ein, so kann es Energie abge­ ben und auf den Grundzustand dieser Quantenwanne fallen. Dieser Grundzustand kann mit dem angeregten Zustand der nächsten benachbarten Quantenwanne übereinstimmen, so daß der oben beschriebene Vorgang erneut abläuft und das Reso­ nanztunneln wiederholt durchgeführt wird, wobei wenigstens einige Übergänge von Zwischenanregungszuständen zum Grund­ zustand erfolgen. Erreicht ein Elektron den Kollektorbereich (RE), so kann das Resonanztunneln durch benachbarte Quanten­ wannen ohne Energiezustandsänderung fortgesetzt werden.

Wie zuvor beschrieben, ist auch bei der Ausführungsform nach Fig. 4A das Resonanztunneln im wesentlichen frei von Kollisionen, Streuerscheinungen und Rekombinationen, so daß es mit hoher Geschwindigkeit ablaufen kann. Es gibt keine Aufladung oder Entladung eines kapazitätsähnlichen Verar­ mungsbereichs, was zu einer Verzögerung der Elektronenüber­ tragung und zu verstärkter Rekombination führen würde. Im Ergebnis kann die Struktur nach Fig. 3 mit sehr hoher Schaltgeschwindigkeit arbeiten. Die Ausbildung des Energie­ diagramms nach Fig. 4B erfordert eine geeignete Wahl der Vorspannung, die über den Emitter- und Basisbereich ange­ legt wird. Bei der Auswahl der geeigneten Vorspannung kommt es darauf an, daß wenigstens zwei Quantenpegel derselben Hö­ he zwischen dem Emitterbereich und dem Basisbereich existieren, um einen Resonanztunnelelektronenfluß zu emög­ lichen. Es ist nicht erforderlich, daß alle Energiepegel in den Quantenwannen der beiden Regionen miteinander überein­ stimmen, wie in Fig. 4B gezeigt ist, um das gewünschte Er­ gebnis zu erhalten.

Die Fig. 5A und 5B zeigen Energiebanddiagramme eines wei­ teren Ausführungsbeispiels einer Einrichtung nach der Er­ findung mit Resonanztunneleffekt am Beispiel eines bipolaren Transistors. Das Energiebanddiagramm nach Fig. 5A zeigt ein­ en Zustand im thermischen Gleichgewicht, während das Ener­ giebanddiagramm nach Fig. 5B einen Zustand zeigt, bei dem eine Vorwärtsvorspannung an die Struktur angelegt ist. Die Struktur nach den Fig. 5A und 5B ist dieselbe wie die in Fig. 4A und 4B gezeigte Struktur, mit der Ausnahme, daß der Emitterbereich nicht aus einem Übergitter hergestellt ist, sondern aus einem gleichförmigen kristallinen Halbleiter­ körper. Beispielsweise kann der Emitterbereich (RC) aus Al _z Ga_1-z As vom n-Typ hergestellt sein, wenn die Übergitter (RD) und (RE) als Basismaterialien GaAs verwenden.

Gemäß Fig. 5B ist eine in Rückwärts- bzw. Sperrichtung ge­ polte Vorspannung an den Emitterbereich (RC) relativ zum Basisbereich (RD) gelegt, so daß sein Leitungsband mit einem der diskreten Energiepegel in den Quantenwannen des Basisbe­ reichs (RD) übereinstimmt. Als Ergebnis dieser Übereinstim­ mung können Elektronen vom Emitterbereich in den Basisbe­ reich (RD) hineintunneln, wie oben beschrieben. Wie bereits im Zusammenhang mit der Fig. 4B diskutiert, laufen diese Elektronen durch den Übergang zwischen dem Basisbereich (RD) und dem Kollektorbereich (RE) hindurch, und zwar über nach­ folgend aufeinander ausgerichtete Energiepegel, wobei sie beim Übergang von angeregten Energiepegeln zum Grundzustand Energie abgeben. Beim Übergang von einem zum anderen Ener­ giezustand wird Energie emittiert, beispielsweise in Form von Phononen, wodurch sich die Temperatur der Einrichtung erhöht, oder in Form einer Emission von Licht, das jedoch nicht im Bereich des Lichtspektrums liegt, der durch das menschliche Auge wahrgenommen werden kann. Eine zusätzliche Vorspannung kann auch zwischen dem Basisbereich (RD) und dem Kollektorbereich (RE) liegen, um den Energieübergang der Elektronen durch die Verarmungszone zwischen dem Basis­ bereich und dem Kollektorbereich zu unterstützen. Entspre­ chend den Fig. 5A und 5B steht vorzugsweise eine Quanten­ barrierenschicht und nicht eine Quantenwannenschicht in direktem Kontakt mit dem Emitterbereich (RE).

Gemäß den dargestellten Ausführungsbeispielen enthalten Dio­ den und Transistoren die erwähnten Übergitterstrukturen. Die Erfindung kann aber auch auf Thyristoren angewendet wer­ den, die entweder npnp- oder pnpn-Strukturen aufweisen, oder auf sogenannte Heißelektronentransistoren, um dieselben vor­ teilhaften Effekte zu erzielen. In ähnlicher Weise kann auch ein bipolarer pnp-Transistor in Übereinstimmung mit der Er­ findung aufgebaut sein. In den oben genannten und ähnlichen Strukturen können statt der Elektronen auch Löcher die in­ teressierenden Ladungsträger sein und durch die Quanten­ barrieren zwischen den Quantenwannen im Valenzband hindurch­ tunneln. Die Erfindung kann auch bei einem Schaltungselement zum Einsatz kommen, das einen negativen differentiellen Widerstand aufgrund des Resonanztunneleffektes erzeugt.

Im vorangegangenen wurden Strukturen beschrieben, bei denen ein GaAs-Grundmaterial verwendet wurde, beispielsweise GaAs und AlGaAs. Übergitter aus dünnen Schichten können aber auch aus anderen elementaren und verbundenen Halbleitern hergestellt werden. Sich abwechselnde Schichten in einem Übergitter können z. B. aus InP und GaInP konstruiert sein. Gemischte Kristalle elementarer Halbleiter, wie z. B. Sili­ zium und Germanium, lassen sich ebenfalls zur Bildung von Übergittern heranziehen.

Die Fig. 6A und 6B zeigen jeweils Verfahren zur Herstellung einer Diode und eines Transistors mit der erfindungsgemäßen Struktur. Beide Strukturen weisen ein Substrat (10) auf, auf welchem sich eine Kontaktschicht (11) befindet. In Fig. 6A befindet sich ein Leitungs- und Metallkontakt (A) auf der Kontaktschicht (11), die eine Elektrode der Einrichtung dar­ stellt. Alternativ kann das Substrat (10) auch ein Halblei­ ter sein, z. B. GaAs, wobei das Substrat als eine der Elek­ troden der Einrichtung dienen kann. Das Übergitter (RA) wird mit Hilfe des Molekularstrahl-Epitaxieverfahrens oder mit Hilfe des Metal Organic Chemical Vapor Deposition-Verfahrens gebildet. Der Leitfähigkeitstyp des Übergitters (RA) wird durch Eindringen eines Dotierungselementes in das Quellen­ material bestimmt, das beim Niederschlagsprozeß verwendet wird. Die Quantenwannenschichten und Barrierenschichten wer­ den abwechselnd niedergeschlagen, und zwar jede mit einer gewünschten Dicke, bis eine gewünschte Anzahl von Schichten vorhanden ist. Nachdem alle das Übergitter (RA) bildenden Quantenwannenschichten und Barrierenschichten erzeugt wor­ den sind, wird die Dotierungsquelle gewechselt und ein Do­ tierungsmittel verwendet, das eine entgegengesetzte Leit­ fähigkeit erzeugt. Nach vorgenommenem Austausch werden die das Übergitter (RB) bildenden Quantenwannenschichten und Barrierenschichten abwechselnd niedergeschlagen, und zwar jeweils mit gewünschter Dicke, bis eine gewünschte Anzahl von Schichten vorhanden ist. Durch Einstellung des Nieder­ schlagsbereichs oder geeignetes Maskenätzen nach der Nie­ derschlagung läßt sich eine säulenartige Struktur formen, und zwar in Übereinstimmung mit Fig. 6A. Eine Kontaktschicht (12) aus Metall oder aus einer geeigneten Legierung mit einem oder mehreren metallischen Elementen wird auf die noch freie Oberfläche des Übergitters (RB) mit Hilfe einer konventio­ nellen Technik aufgebracht, z. B. durch Vakuumverdampfung. Anschließend wird ein Metalldraht (K) mit der Kontaktschicht (12) verbondet, um die Einrichtung zu vervollständigen.

Die in Fig. 6B gezeigte Einrichtung enthält drei Übergitter­ strukturen. Wie in Fig. 6A wird auch hier zunächst ein Sub­ strat (10) mit einem Kontaktfilm (11) beschichtet. Anschlie­ ßend werden Übergitter (RC) und (RD) erzeugt, und zwar mit Hilfe des MBE-Verfahrens oder des MOCVD-Verfahrens. Nach Bildung der Schichten des Übergitters (RC) werden das oder die Dotierungselemente dieser Schichten ausgetauscht und das mittlere Übergitter (RD) gebildet. Die Kontaktschicht (11) stellt eine Elektrode (E) der Einrichtung dar, um ein elektrisches Signal oder eine Vorspannung zum Übergitter (RC) zu liefern. Um die Kontaktierung des Übergitters (RD) zu vereinfachen, wird das Übergitter (RE) nur auf einem Teil der Oberfläche des Übergitters (RD) aufgebracht, wo­ bei das Übergitter (RE) in Fig. 6B an oberster Stelle liegt. Ein Kontakt (B) kann dann mit der noch frei liegen­ den Oberfläche des Übergitters (RD) verbunden werden, die nicht vom Übergitter (RE) bedeckt ist. Die Begrenzung der Fläche für die Schichten des Übergitters (RE) läßt sich leicht mit Hilfe der MBE-Technik einstellen. Die Fläche, auf die das Material mit Hilfe des Molekularstrahls aufge­ bracht werden soll, läßt sich durch Ablenkung des Strahls genau einstellen, so daß nur ein Teil der oberen Fläche des Übergitters (RD) vom Übergitter (RE) bedeckt wird. Nach­ dem das Übergitter (RE) aufgebracht worden ist, wird ein Kontakt (B) zum Übergitter (RD) an der oberen Fläche des Übergitters (RD) in Fig. 6B gebildet, die nicht vom Über­ gitter (RE) bedeckt ist. Anschließend wird eine Kontakt­ schicht (12) auf die obere Fläche des Übergitters (RE) in Fig. 6B aufgebracht, wobei die Kontaktschicht (12) mit einer Leitung (C) verbondet wird. Wie in Fig. 6A kann auch das Substrat (10) nach Fig. 6B als eine der Elektroden für die Einrichtung und Kontaktschicht (11) verwendet werden, wobei in einem solchen Fall der Kontakt (E) fortgelassen werden kann.

In ähnlicher Weise wie die Einrichtung nach Fig. 6B läßt sich auch die Einrichtung nach Fig. 5A herstellen, die drei Schichten und zwei Übergitterstrukturen enthält.

Claims (12)

1. Übergitterstruktur, gekennzeichnet durch

• - ein erstes zusammengesetzes Halbleiter-Übergitter (RA) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Mehrzahl von sich abwechselnden Quantenwannenschichten (3) und Quan­ tenbarrierenschichten (4) vorgewählter Dicke, und
• - ein zweites zusammengesetztes Halbleiter-Übergitter (RB) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der sich vom ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet, mit einer Mehrzahl von sich abwechselnden Quantenwannenschichten (5) und Quan­ tenbarrierenschichten (6) vorgewählter Dicke, wobei das erste und das zweite Übergitter (RA, RB) in Kontakt mit­ einander stehen und eine Potentialbarriere bilden, die generell parallel zu den Schichten (3-6) liegt, und wo­ bei die Dicken der Schichten (3, 4, 5, 6) nicht größer als etwa die der Broglie-Wellenlänge (2) der tunnelnden Ladungsträger im ersten und zweiten Übergitter (RA, RB) sind.

2. Übergitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tunnelnden Ladungs­ träger Elektronen sind.

3. Übergitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tunnelnden Ladungs­ träger Löcher sind.

4. Übergitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Übergitter (RA) Quantenwannenschichten (3) aus GaAs und Quantenbarrie­ renschichten (4) aus Al _x Ga_1-x As und das zweite Übergitter (RB) Quantenwannenschichten (5) aus GaAs und Quantenbarrie­ renschichten (6) aus Al _y Ga_1-y As enthält.

5. Übergitterstruktur nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch ein drittes zusammengesetztes Halbleiter-Übergitter (RC) des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Mehrzahl von sich abwechselnden Quantenwannen­ schichten (5) und Quantenbarrierenschichten (6) vorbestimm­ ter Dicke, wobei das zweite Übergitter (RD) und das dritte Übergitter (RC) in Kontakt gegenüber dem ersten Übergitter (RE) stehen, um eine zweite Potentialbarriere zu bilden, die generell parallel zu den Schichten (3-6) liegt, und wobei die Dicken der Schichten (5, 6) im dritten Übergitter (RC) nicht größer als etwa die de Broglie-Wellenlänge (2) der tunnelnden Ladungsträger im ersten, zweiten und dritten Übergitter sind.

6. Übergitterstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Übergitter (RE) Quantenwannenschichten (5) aus GaAs und Quantenbarrie­ renschichten (6) aus Al _x Ga_1-x As, das zweite Übergitter (RD) Quantenwannenschichten (3) aus GaAs und Quantenbarrieren­ schichten (4) aus Al _y Ga_1-y As und das dritte Übergitter (RC) Quantenwannenschichten (5) aus GaAs und Quantenbarrieren­ schichten (6) aus Al _z Ga_1-z As enthält.

7. Übergitterstruktur nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch einen relativ gleichförmigen Halbleiterkörper (RC) des ersten Leitfähigkeitstyps in Kon­ takt mit dem zweiten Übergitter (RD) gegenüber dem ersten Übergitter (RE) zwecks Bildung einer zweiten Potential­ barriere.

8. Übergitterstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Potential­ barriere zwischen dem Halbleiterkörper (RC) und einer Quan­ tenbarrierenschicht (4) des zweiten Übergitters (RD) liegt.

9. Übergitter, gekennzeichnet durch

• - ein erstes zusammengesetztes Halbleiter-Übergitter (RE) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Mehrzahl von sich abwechselnden Quantenwannenschichten (5) und Quan­ tenbarrierenschichten (6) vorgewählter Dicke,
• - ein zweites zusammengesetztes Halbleiter-Übergitter (RD) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der sich vom ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet, mit einer Mehrzahl von sich abwechselnden Quantenwannenschichten (3) und Quan­ tenbarrierenschichten (4) mit vorgewählter Dicke, und
• - ein drittes zusammengesetztes Halbleiter-Übergitter (RC) vom ersten Leitfähigkeitstyp mit einer Mehrzahl von sich abwechselnden Quantenwannenschichten (5) und Quanten­ barrierenschichten (6) vorgewählter Dicke, wobei das zweite Übergitter (RD) zwischen dem ersten und dritten Übergitter liegt und mit diesen in Kontakt steht, um eine erste Potentialbarriere zwischen dem ersten und zweiten Übergitter zu bilden, die generell parallel zu der Ebene der Schichten liegt, wobei das zweite und das dritte Über­ gitter eine zweite Potentialbarriere zwischen sich bil­ den, die generell parallel zu der Ebene der Schichten liegt, und wobei die Dicken der Schichten (3-6) nicht größer als etwa die de Broglie-Wellenlänge (2) der tun­ nelnden Ladungsträger im ersten, zweiten und dritten Übergitter sind.

10. Übergitter nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die tunnelnden Ladungsträ­ ger Elektronen sind.

11. Übergitter nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die tunnelnden Ladungsträ­ ger Löcher sind.

12. Übergitter nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das erste Übergitter (RE) Quantenwannenschichten (5) aus GaAs und Quantenbarrieren­ schichten (6) aus Al _x Ga_1-x As, das zweite Übergitter (RD) Quantenwannenschichten (3) aus GaAs und Quantenbarrieren­ schichten (4) aus Al _y Ga_1-y As und das dritte Übergitter (RC) Quantenwannenschichten (5) aus GaAs und Quantenbarrieren­ schichten (6) aus Al _z Ga_1-z As enthalten.