DE4216030A1 - Elektronisches Bauelement mit wenigstens einem Stromkanal, der ein zweidimensionales Ladungsträgergas enthält - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement mit wenigstens einem, über ein Gate steuerbaren, ein zweidimensionales Ladungsträgergas enthaltenden Strom­ kanal.

Als Stand der Technik ist z. B. aus T. Mimura et al., Japanese Journal of Applied Physics, vol. 19 No. 5, S. 1225-1227 ein Feldeffekttransistor mit einem Hetero­ übergang auf der Basis GaAs/n-Al_xGa_1-xAs bekannt. Dabei wird das zweidimensionale Fermigas an dem Hetero-über­ gang von einem Gate gesteuert.

Des weiteren ist aus H. Daembkes et al., Appl. Phys. Lett. 52 (17), s. 1404-1406, ein MODFET (Modulation- Doped-Feldeffekttransistor) auf der Basis AlGaAs/GaAs mit einer Schichtstruktur bekannt, bei der unter einem Gate drei Quantentöpfe jeweils ein über das Gate steu­ erbares zweidimensionales Elektronengas bilden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Bauelement der ein­ gangs bezeichneten Art zu schaffen, bei dem in platz­ sparender Weise eine Komplementärtechnologie mikroelek­ tronischer Bauelemente realisiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektroni­ sches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge­ löst. Weitere zweckmäßige und/oder vorteilhafte Ausfüh­ rungsformen des erfindungsgemäßen Bauelementes finden sich in den sich auf den Anspruch 1 rückbeziehenden An­ sprüchen 2 bis 4.

Für digitale Schaltungen mit geringem Leistungsver­ brauch ist die gleichzeitige Verwendung von Bauelemen­ ten mit n- und p-leitenden Kanälen von großer Bedeu­ tung. Als Ladungsträger für das zweidimensionale Fermi­ gas können je nach Dotierung des halbleitenden Materials Elektronen (n) oder Löcher (p) zur Stromlei­ tung gewählt werden.

Das erfindungsgemäße Bauelement kann als Einzelbauele­ ment die Funktion einer CMOS-Schaltung ausüben. Dabei wird zumindest ein zweidimensionales Elektronengas mit einem zweidimensionalen Löchergas über ein einziges Gate gesteuert. Das Gate beeinflußt dabei die beiden zweidimensionalen Kanäle gegensinnig in der Art, daß eine Steuerspannung zwischen Gate und Substrat, soweit sie die Leitfähigkeit des zweidimensionalen Elektronen­ gas-Kanals erhöht, gleichzeitig die Leitfähigkeit des zweidimensionalen Löchergas-Kanals erniedrigt oder um­ gekehrt. Dabei ist für das Funktionieren des Bauelemen­ tes prinzipiell die Reihenfolge der komplementären zweidimensionalen Fermigasen unter dem Gate beliebig. Diese Reihenfolge richtet sich nach Kriterien, wie z. B. technologische Überlegungen oder Arbeitspunkteinstel­ lung des Bauelementes.

Die beiden zweidimensionalen, zueinander komplementären Fermigase oder ggf. eine Kombination von mehr als 2 je­ weils als Stromkanal vorgesehenen und zum Nachbar je­ weils komplementär gewählten Fermigase können z. B. durch geeignete Anordnungen von Hetero-Übergängen er­ zeugt werden. Es ist auch möglich, dazu Quantentöpfe oder Übergitter zu verwenden. Selbstverständlich kann auch eine Kombination der Möglichkeiten beim Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelementes gewählt werden.

Als Material zur Herstellung einer Schichtstruktur für das erfindungsgemäße Bauelement kann z. B. ein III-V- Verbindungshalbleiter mit verschiedener Bandlücke und jeweils einem Band-Offsett am Leitungsband und am va­ lenzband gewählt werden. Als Material könnte z. B. auch das System Si/Si_xGe_1-x gewählt werden.

Insofern das Bauelement als vertikaler, komplementärer MODFET (VCMODFET) oder als vertikaler Weichentransistor ausgebildet ist, handelt es sich hierbei um eine wei­ tere vorteilhafte Ausführungsform.

Das erfindungsgemäße Bauelement mit von einem Gate ge­ gensinnig gesteuerten Stromkanälen bietet die vorteil­ hafte Möglichkeit, einen Strom zwischen zwei oder ggf. mehreren Stromkanälen hin und her zu steuern. Eine dreidimensionale Integration solcher erfindungsgemäßen komplementären Bauelemente ist besonders interessant, weil deren Leistungsverbrauch sehr niedrig ist. Nur beim Umschalten von der einen Ruhestellung in die an­ dere fließt ein Strom. Die damit verringerte Wärmeer­ zeugung erlaubt eine hohe Integrationsdichte der Schal­ tung.

Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Figuren nä­ her erläutert:

Fig. 1 schematische Darstellung des erfindungsge­ mäßen Bauelementes;

Fig. 2a Schichtfolge eines erfindungsgemäßen Bau­ elementes auf der Basis InP/GaInAs mit über dem gleichen Gate steuerbaren, zu­ einander komplementären Stromkanälen, bei denen das zweidimensionale Elektronen- bzw. Löchergas durch Hetero-übergänge ge­ bildet sind;

Fig. 2b elektronisches Bänderdiagramm zur Schich­ tenfolge des in der Fig. 2a dargestell­ ten erfindungsgemäßen Bauelementes;

Fig. 3a erfindungsgemäßes Bauelement mit jeweils einen Quantentopf zur Bildung des zweidi­ mensionalen Fermigases (2 DLG bzw. 2 DEG);

Fig. 3b Bänderdiagramm zum erfindungsgemäßen Bau­ element der Fig. 3a;

Fig. 4 Kontaktierung der Schichtenfolge des er­ findungsgemäßen Bauelementes;

Fig. 5 äußere Beschaltung der Schichtenfolge des erfindungsgemäßen Bauelementes als VCMODFET;

Fig. 6 äußere Beschaltung des erfindungsgemäßen VCMODFET als Weichentransistor.

In der Fig. 1 ist eine Prinzipanordnung des erfin­ dungsgemäßen Bauelementes dargestellt. Aus geeignetem halbleitendem Material ist auf einem Substrat 1 eine Schichtenfolge hergestellt, so daß zunächst ein zweidi­ mensionales Elektronengas 2 (2DEG) und darüber in einer weiteren Schichtenfolge ein zweidimensionales Löchergas 3 (2DLG) gebildet werden. Auf der gesamten Schichten­ folge befindet sich ein gemeinsames, beide Ladungsträ­ gergase steuerndes Gate 4 (z. B. ein Schottky-Gate).

Durch Anlegen einer Steuerspannung zwischen Gate 4 und Substrat 1 werden beide zweidimensionalen Kanäle 2 und 3 gegensinnig beeinflußt. Es ist selbstverständlich auch denkbar, die beiden zueinander komplementären zweidimensionalen Gase in umgekehrter Reihenfolge zu der Darstellung in der Fig. 1 zwischen Gate 4 und Sub­ strat 1 anzuordnen. Desweiteren ist es vorstellbar diese Gesamtschichtenfolge mit weiteren, zweidimensio­ nale Ladungsträgergase bildenden Schichten zu Vielfach­ systemen zu kombinieren.

Als Beispiel einer möglichen Schichtenfolge des erfin­ dungsgemäßen Bauelementes ist in der Fig. 2a eine Schichtenfolge auf der Basis InP/GaInAs gezeigt.

Auf einem Substrat 21 aus InP ist zunächst eine Schicht 22 aus n-dotiertem InP aufgebracht. Eine auf dieser Schicht aufgebrachte Schicht 23 aus GaInAs (intrinsch -i- oder schwach n⁻- oder schwach p⁻dotiert) bildet durch diesen Hetero-Übergang ein zwei­ dimensionales Elektronengas (2DEG). Mit einer weiteren, auf der letzteren aufgebrachten Schicht 24 aus p-do­ tiertem InP wird ein weiterer, die Funktion eines zwei­ dimensionalen Löchergases erzeugender Hetero-Übergang gebildet. Die Schichtenfolge wird mit einer intrinsi­ schen InP-Schicht 25 sowie einem Gate 26 abgeschlossen.

In der Fig. 2b ist das elektronische Bänderdiagramm zu der Schichtenfolge aus der Fig. 2a dargestellt. Die von den halbleitenden Schichten 23 und 22 bzw. 24 und 23 gebildeten Hetero-Übergänge ergeben im Bänderdia­ gramm um das Fermeniveau E^F herum das zweidimensionale Elektronengas bzw. das zweidimensionale Löchergas als komplementär zueinander aufgebauten Stromkanäle, die über das Gate 26 gesteuert werden.

In entsprechender Weise zeigt die Fig. 3a eine Schich­ tenfolge für das erfindungsgemäße Bauelement, bei dem in der Halbleiterstruktur Quantentöpfe zur Erzeugung der zweidimensionalen Ladungsträgergase gebildet sind. Auf einem Substrat 31 aus InP sind nacheinander Schich­ ten 32-37 aus n-dotiertem InP, intrinsischem GaInAs, intrinsischem InP, intrinsischem GaInAs, p-dotiertem InP und intrinsischem InP aufgebracht. Die Schichten­ folge wird mit einem Gate 38 abgeschlossen.

In der Fig. 3b ist das Bänderdiagramm der Schichten­ folge aus Fig. 3a dargestellt. Die Schichtenfolge bil­ det im Bereich der Schicht 33 bzw. der Schicht 35 Quan­ tentöpfe aus, die in dieser Schichtenfolge ein zweidi­ mensionales Elektronengas bzw. zweidimensionales Lö­ chergas erzeugen.

In der Fig. 4 ist eine mögliche Kontaktierung der Schichtenfolge des erfindungsgemäßen Bauelementes dar­ gestellt. Schließlich zeigen die Fig. 5 und 6 eine äußere Beschaltung der Schichtenfolge des erfindungsge­ mäßen Bauelementes als vertikal komplementärer MODFET bzw. als Weichentransistor.

Soweit beim in der Fig. 4 gezeigten Bauelement mit oben liegendem Löchergas eine positive Eingangsspannung Ue zwischen Gate und Source angelegt wird, wird der obere Kanal an Löchern verarmt, sein Widerstand steigt. Zugleich wird der untere Kanal an Elektronen angerei­ chert, so daß sein Widerstand fällt. Damit fällt die Ausgangsspannung Ua. Entsprechend steigt die Ausgangs­ spannung bei Erniedrigung der Eingangsspannung.

Das Konzept bedeutet einen Schritt in Richtung auf dreidimensionale Integration. Dies ist bei Schaltungen mit komplementären Bauelementen besonders interessant, weil deren Leistungsverbrauch sehr gering ist: In Ruhe­ stellung, d. h. bei UG < 0 oder UG < 0, fließt kein Strom zwischen K1 und K2. Nur bei Ug = 0, d. h. beim Einschalten zwischen den beiden Ruhestellungen (+ und -) fließt Strom. Wegen der geringen Wärmeerzeugung ist deshalb eine hohe Integrationsdichte möglich (Fig. 7).

Claims (4)

1. Elektronisches Bauelement mit wenigstens einem, über einem Gate steuerbaren, ein zweidimensionales Ladungsträgergas enthaltenden Stromkanal, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer, ein zweidimensionales Ladungsträgergas mit zum ersten komplimentären Ladungsträgern enthaltender Stromkanal vorgesehen ist, wobei auch der Strom des weiteren über den Gate des ersten Kanals steuerbar ist.

2. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung wenigstens einer der beiden, vom gleichen Gate gesteuerten Stromkanäle eine Halbleiter-Heterostruktur, ein Quantentopf oder ein Halbleiter-Übergitter oder eine Kombination dieser Strukturen vorgesehen ist.

3. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bauelement ein Modulation-Doped-Feldeffekttransistor (MODFET) oder ein Weichentransistor vorgesehen ist.

4. Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung wenigstens einer der Stromkanäle eine Struktur aus III-V-Verbindungshalbleitermaterialien mit verschiedener Bandlücke und mit jeweils einem Band-Offsett sowohl am Leitungsband als auch am valenzband vorgesehen ist.