DE3917685A1

DE3917685A1 - Halbleiter-bauelement

Info

Publication number: DE3917685A1
Application number: DE19893917685
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof Dr Rer Nat Beneking
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH; Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1989-05-31
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1990-12-06
Also published as: DE3917685C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Von J.M. Shannon, Solid State Electronics 19, 537 (1976), wurden Bauelemente vorgeschlagen, welche mit Majoritäts- Ladungsträger-Barrieren arbeiten ("Camel-Dioden"). Die für einen Metall-Halbleiter-Übergang, beispiels weise für eine Metall-Halbleiter-Diode bestehende Barrierenhöhe Φ₀, wird durch eine an der Oberfläche des Bauelements angebrachte kontradotierte Schicht auf die Barrierenhöhe Φ₁ gebracht; gleichzeitig wird die Barriere dadurch in das Innere des Bauelements ver schoben (Fig. 1).

Diese Majoritäts-Ladungsträger-Bauelemente werden bei hohen Frequenzen eingesetzt (GHz-Bereich), da Diffu sionskapazitäten entfallen und die Zeitkonstanten weit gehend durch die dielektrische Relaxationszeit und RC- Zeitkonstanten bestimmt sind.

In einer Reihe von Anwendungsfällen spielen die Minori täts-Ladungsträger ebenfalls eine Rolle; dann ist der durch die kontradotierte Schicht erzwungene Potential verlauf (E ₂(x) in Fig. 1) jedoch ungünstig. Für Minoritäts Ladungsträger stellt der Potentialberg im Valenzband eine Senke dar, da diese hier die geringste potentielle Energie besitzen; sie sammeln sich somit im Potential minimum an und kompensieren damit die dort vorliegende Raumladung.

Dies hat ungewünschte Modifikation des Potentialver laufs zur Folge und beeinträchtigt außerdem die Funk tionsweise des Bauelements. Beispielsweise bei Dioden wird dadurch der Umschaltvorgang erheblich behindert, bei Fotodetektoren klingt der Strom nach einer Impulsan regung nur sehr langsam ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiter- Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem diese Nachteile vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Halbleiterschichten aus einem Materialsystem bestehen, bei dem die Materialzusammensetzung derart gewählt wird, daß der Bandabstand in den Halbleiterschichten in Richtung Oberfläche derart abnimmt, daß am Ort des Potentialmaximums für die Majoritäts-Ladungsträger im Leitungsband die Bildung eines korrespondierenden Potentialminimums für die Minoritäts-Ladungsträger im Valenzband vermieden wird.

Damit wird erreicht, daß für die Minoritäts-Ladungs träger im Valenzband kein Potentialminimum mehr besteht, der Abstand zwischen Valenzbandkante und Ferminiveau nimmt entweder kontinuierlich oder in kleinen Sprüngen zur Oberfläche des Bauelements hin ab. Dies führt dazu, daß für die Minoritäts-Ladungsträger eine Potential absenkung bis hin zur Oberfläche des Bauelements spürbar wird, so daß keinerlei Speichereffekte auftreten können.

Bezüglich der Materialwahl für die Halbleiterschichten des Bauelements stehen sämtliche Materialsysteme zur Auswahl, welche bei Variation des Bandabstands mit geringer Gitterabweichung aufeinander aufgewachsen werden können. Es können somit prinzipiell sämtliche bekannten Hetero-Systeme eingesetzt werden, die diesen Anforderungen entsprechen. Die Schichtenfolge kann dabei mittels programmgesteuerter Epitaxie aufgewachsen werden, wobei die Materialzusammensetzung so gewählt wird, daß der effektive Bandabstand zur Oberfläche des Bauelements hin verringert wird.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 näher beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 den Verlauf der potentiellen Energie E(x) bei einem konventionellen Majoritäts-Ladungsträger-Bauelement,

Fig. 2 den schematischen Aufbau eines Bauelements nach der Erfindung,

Fig. 3 den Verlauf der potentiellen Energie E(x) bei einem Bauelement nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist das eindimensionale Energieband-Schema E(x), d.h. die potentielle Energie als Funktion des Abstands x von der Oberfläche des Halbleiterkörpers dargestellt. Mit E _L ist dabei das niederste Leitungsband niveau bezeichnet, mit E _V das höchste Valenzbandniveau; E _F bezeichnet das Ferminiveau.

Bei einem Majoritäts-Ladungsträger-Bauelement (Poten tialverlauf E ₁(x)) besteht im Gegensatz zu einem Bauelement normaler Konfiguration (gestrichelter Poten tialverlauf E ₂(x)) im Leitungsband E _L eine um Φ₁-Φ₀ höhere Potentialbarriere.

Im Valenzband E _V entsteht durch die kontradotierte Oberflächenschicht ein Potentialberg E _min, der für die Minoritäts-Ladungsträger ein Potentialminimum darstellt.

Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Majoritäts-Ladungsträger-Bauelements nach der Erfindung befindet sich auf einer GaAs-Schicht 1 eine beispielsweise 500 nm dicke Schicht 2 aus dem ternären Materialsystem Ge_1-y (GaAs)_y, wobei die Zusammensetzung der Komponenten des ternären Systems von y=1 an der Grenze zur GaAs-Schicht 1 (Abstand x=500 nm) bis zu y=0 an der Oberfläche der Halbleiterschicht (Abstand x=0) variiert.

Die GaAs-Schicht 1 ist beispielsweise N-dotiert mit einer Konzentration von 10¹⁶ cm^-3, innerhalb des ter nären Materialsystems 2 befindet sich auf der N-dotierten GaAs-Schicht 1 zunächst eine P-dotierte Schicht 3 (Ab stand x=150 nm bis x=500 nm), anschließend eine mit ca. 2×10¹⁷ cm^-3 höher dotierte P⁺-Schicht 4, auf der direkt an der Oberfläche 6 eine dünne kontradotierte N⁺⁺-Schicht 5, mit einer Dotierung von beispielsweise 10¹⁸ cm^-3 und einer Dicke von 100 nm aufgebracht ist. Die Dicke der kontradotierten Schicht kann auch vor zugsweise weniger als 50 nm betragen.

In Fig. 3 ist das eindimensionale Energiebandschema E(x) für das Majoritäts-Ladungsträger-Bauelement aus Fig. 2 dargestellt.

Die Barrierenhöhe Φ₁, d.h. der Abstand vom Ferminiveau bis zum Maximum E _max des Leitungsbands E _L, beträgt hierbei 0,5 eV.

Im Valenzband E _V existiert kein Potentialminimum mehr, die Bandlücke, d.h. der Abstand zwischen Valenzband E _V und Leitungsband E _L, nimmt in Richtung Grenzfläche Halbleiter-Metall (x=0) ab.

An der Grenze zur GaAs-Schicht (x=500 nm) beträgt der Handabstand 1,4 eV, während er an der Oberfläche der Halbleiterschicht (x=0) nur noch 0,7 eV beträgt. Desgleichen nimmt auch der Abstand zwischen Valenzband kante E _V und Ferminiveau E _F in Richtung Halbleiter- Oberfläche 6 hin kontinuierlich ab.

Durch kontinuierliche Variation der Schichtzusammen setzung während des Abscheidevorgangs wird erreicht, daß die Bandlücke kontinuierlich abnimmt. Denkbar wäre auch, die Schichtenfolge abrupter zu ändern, so daß der Bandabstand jeweils in kleinen Sprüngen abnimmt.

Für die Majoritäts-Ladungsträger-Bauelemente nach der Erfindung können aber auch alle Materialsysteme einge setzt werden, die ohne Gitterverspannung aufeinander aufwachsen können, und deren Bandabstand sich in der gewünschten Weise ändert.

Beispielsweise kann das Grundmaterial aus Indium-Phos phid bestehen, wobei durch Übergang zum quarternären Material Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid und schließ lich zum ternären Material Gallium-Indium-Arsenid die gewünschte Abnahme der Bandlücke zur Oberfläche des Bauelements hin erreicht wird.

Claims

1. Halbleiter-Bauelement, bei dem auf einer Halbleiter- Substratschicht (1) mehrere Halbleiterschichten (2) angeordnet sind, von denen die Oberflächenschicht (5) zur Bildung einer Majoritäts-Ladungsträgerbarriere (Φ₁) kontradotiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichten (2) aus einem Materialsystem be stehen, bei dem die Materialzusammensetzung derart gewählt wird, daß der Bandabstand in den Halbleiter schichten (2) in Richtung Oberfläche (6) derart abnimmt, daß am Ort des Potentialmaximums (E _max) für die Majori täts-Ladungsträger im Leitungsband die Bildung eines korrespondierenden Potentialminimums (E _min) für die Minoritäts-Ladungsträger im Valenzband vermieden wird.

2. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Materialzusammensetzung der Halb leiterschichten (2) derart gewählt wird, daß der Ab stand zwischen Valenzband (E _V) und Ferminiveau (E _F) zur Oberfläche (6) des Bauelements hin abnimmt (Fig. 3).

3. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Valenzband (E _V) und Ferminiveau (E _F) kontinuierlich oder in kleinen Sprüngen abnimmt.

4. Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialsysteme aus Heterosystemen mit III-V-Halbleitermaterial mit ge ringer Gitterabweichung gebildet werden.

5. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß als Materialsystem Germanium-Gallium- Arsenid mit der Zusammensetzung Ge_1-y (GaAs)_y gewählt wird.

6. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß als Materialsystem Gallium-Indium- Arsenid-Phosphid gewählt wird.

7. Halbleiter-Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der kontradotierten Schicht weniger als 100 nm beträgt.

8. Halbleiter-Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der kontradotierten Schicht mehr als 8×10¹⁷ cm^-3 be trägt.

9. Halbleiter-Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem N- dotierten Substrat (1) Halbleiterschichten (2) aufge bracht sind, die aus einer P-dotierten Schicht (3), einer P⁺-dotierten Schicht (4) und einer kontradotierten N⁺-Oberflächenschicht (5) bestehen.

10. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Dicke der Halbleiterschichten (2) 500 nm und die Dicke der kontradotierten Oberflächen schicht (5) 100 nm beträgt.

11. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Bauele ments nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufwachsen der Halbleiter schichten (2) eine programmgesteuerte Epitaxie ver wendet wird.