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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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1. Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Feldeffekt-Halbleiterbauelemente, und sie betrifft
insbesondere ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit einer Heteroübergangsstruktur
wie etwa einer DCHFET-Struktur.
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2. Beschreibung des verwandten
Stands der Technik
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Bisher
wurde als Transistorbauelemente, die im Bereich von Mikrowellen
bis Millimeterwellen arbeiten, ein Feldeffekttransistor mit einer
Heteroübergangsstruktur
verwendet (im weiteren als ein Heteroübergangs-FET bezeichnet). Gemäß dotierten
Strukturen können
die Heteroübergangs-FETs
grob klassifiziert werden in HEMTs (high-electron-mobility-transistors – Transistoren
mit hoher Elektronenbeweglichkeit) unter Verwendung einer modulationsdotierten
Struktur und DCHFETs (dopedchannel heterojunction FETs – FETs mit
dotiertem Kanalheteroübergang)
unter Verwendung einer kanaldotierten Struktur. In dieser Verbindung
wird letzterer DCHFET auch als ein DMT, ein MISFET, ein HIGFET und
dergleichen bezeichnet.
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die eine Halbleiterstruktur
eines herkömmlichen
HEMT zeigt. Bei einem HEMT 1 ist eine Pufferschicht 3 auf
einem halbisolierenden Galliumarsenid-(GaAs)-Substrat 2 ausgebildet,
eine Kanalschicht 4 aus undotiertem Indiumgalliumarsenid
(InGaAs) ist auf der Pufferschicht 3 ausgebildet, und eine
Barrierenschicht 5 ist auf der Kanalschicht 4 ausgebildet. Die
Barrierenschicht 5 in 1 ist eine
doppelschichtige Struktur aus einer Aluminiumgalliumarsenid-(AlGaAs)-Schicht
vom n-Typ 5a (eine elektronenliefernde Schicht) und einer
undotierten AlGaAs-Schicht 5b. Die Barrierenschicht 5 kann
jedoch eine mehrschichtige Struktur sein, die beispielsweise aus
einer undotierten AlGaAs-Schicht, einer AlGaAs-Schicht vom n-Typ
und einer undotierten AlGaAs-Schicht besteht, oder sie kann lediglich
eine AlGaAs-Schicht vom n-Typ sein. Um gute ohmsche Kontakte mit
einer Sourceelektrode 8 und einer Drainelektrode 9 auszubilden,
ist an der Barrierenschicht 5 eine Kontaktschicht 6 aus
GaAs vom n-Typ ausgebildet. Auf der oberen Oberfläche der
Kontaktschicht 6 sind die Drainelektrode 9 und
die Sourceelektrode 8 ausgebildet und werden durch Wärmebehandlung in
ohmschen Kontakt mit der Kontaktschicht 6 gebracht.
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Zwischen
der Sourceelektrode 8 und der Drainelektrode 9 ist
die Kontaktschicht 6 geätzt,
um darin eine Vertiefung auszubilden, damit die Barrierenschicht 5 freigelegt
wird. Die Vertiefung wird ausgebildet durch selektives Entfernen
der Kontaktschicht 6 durch Ätzen unter Verwendung eines Ätzmittels,
das AlGaAs nicht ätzt,
aber GaAs ätzt,
und durch Abschließen
des Ätzens
an der Barrierenschicht 5 aus AlGaAs. Eine Gateelektrode 10 ist
auf der oberen Oberfläche
der Barrierenschicht 5, von der Kontaktschicht 6 in
einer Vertiefung 7 freigelegt, ausgebildet und steht in
Schottky-Kontakt mit der Barrierenschicht 5. Zusätzlich ist
die Oberfläche
des HEMT 1 mit einer Schutzschicht 11 aus SiN
(Siliziumnitrid) bedeckt.
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Bei
der oben beschriebenen HEMT-Struktur bewegen sich Elektronen in
der n-Barrierenschicht 5 über den Heteroübergang
zwischen dem AlGaAs und dem InGaAs zu der Seite der Kanalschicht 4,
die hinsichtlich Energie niedriger liegt. Die so von der Barrierenschicht 5 an
die stark gereinigte Kanalschicht 4 gelieferten Elektronen
(zweidimensionales Elektronengas) können driften, ohne von Donatoren in
der Barrierenschicht 5 gestreut zu werden, so daß die Elektronen
eine hohe Beweglichkeit aufweisen. Das heißt, die Kanalschicht 4 fungiert
als Kanal, in dem Elektronen fließen, und die Barrierenschicht 5 fungiert
als eine liefernde Quelle für
das Liefern von Elektronen an die Kanalschicht 4, wodurch,
wenn zwischen der Sourceelektrode 8 und der Drainelektrode 9 eine
Potentialdifferenz angelegt wird, in der Kanalschicht 4 ein
Drainstrom fließt.
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die eine laminierte Struktur
eines herkömmlichen
DMT zeigt. Bei einem DMT 21 wie in der Figur gezeigt, ist
eine Pufferschicht 23 auf einem GaAs-Substrat 22 ausgebildet,
eine Kanalschicht 24 aus n-InGaAs ist auf der Pufferschicht 23 ausgebildet,
und eine Barrierenschicht 25 ist auf der Kanalschicht 24 ausgebildet.
Die Barrierenschicht 25 in der DMT-Struktur ist aus einer
undotierten AlGaAs-Schicht ausgebildet. Zur Ausbildung guter ohmscher
Kontakte mit einer Drainelektrode 29 und einer Sourceelektrode 28 ist
auf der Barrierenschicht 25 eine Kontaktschicht 26 aus
n-GaAs ausgebildet. Auf der oberen Oberfläche der Kontaktschicht 26 sind
die Drainelektrode 29 und die Sourceelektrode 28 ausgebildet
und werden durch Wärmebehandlung
in ohmschen Kontakt mit der Kontaktschicht 26 gebracht.
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Zwischen
der Sourceelektrode 28 und der Drainelektrode 29 ist
die Kontaktschicht 26 selektiv geätzt, um darin eine Vertiefung
auszubilden, um die Barrierenschicht 25 freizulegen. Eine
Gateelektrode 30 ist an der oberen Oberfläche der
Barrierenschicht 25, von der Kontaktschicht 26 in
einer Vertiefung 27 freigelegt, ausgebildet und steht in
Schottky-Kontakt mit der Barrierenschicht 25. Außerdem ist
die Oberfläche
des DMT 21 mit einer Schutzschicht 31 aus SiN
bedeckt.
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Bei
der oben beschriebenen DMT-Struktur werden in dem Zustand, in dem
keine Spannung an die Gateelektrode 30 angelegt ist, Elektronen
in der n-Kanalschicht 24 gespeichert, und wenn eine Potentialdifferenz
zwischen der Sourceelektrode 28 und der Drainelektrode 29 in
diesem Zustand angelegt wird, bewegen sich Elektronen als Träger von
der Sourceelektrode 28 zur Drainelektrode 29,
so daß ein Drainstrom
fließt.
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Bei
dem HEMT 1 wie oben beschrieben ist an der Übergangsfläche zwischen
der Kanalschicht 4 und der Barrierenschicht 5 die
Kombination davon eine undotierte Schicht bzw. eine n-Schicht, und
an der Übergangsfläche zwischen
der Kontaktschicht 6 und der Barrierenschicht 5 ist
die Kombination davon eine n-Schicht
bzw. eine undotierte Schicht, so daß jede Übergangsfläche einen aniso-Heteroübergang aufweist.
Zusätzlich
ist bei dem oben beschriebenen DMT 21 an der Übergangsfläche zwischen
der Kanalschicht 24 und der Barrierenschicht 25 die
Kanalschicht 24 eine n-Schicht und die Barrierenschicht 25 eine
undotierte Schicht, und an der Übergangsfläche zwischen
der Kontaktschicht 26 und der Barrierenschicht 25 ist
die Kontaktschicht 26 eine n-Schicht und die Barrierenschicht 25 eine
undotierte Schicht, so daß jede Übergangsfläche einen
aniso-Heteroübergang
aufweist. Wie oben beschrieben weist bei dem herkömmlichen
Heteroübergangs-FET
mindestens eine der Übergangsflächen zwischen
der Kanalschicht und der Barrierenschicht und zwischen der Barrierenschicht
und der Kontaktschicht einen aniso-Heteroübergang auf.
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Ein
aniso-Heteroübergang
ist ein Übergang, der
aus Halbleitern mit Leitungstypen ausgebildet ist, die voneinander
verschieden sind, oder ein Übergang,
der aus Materialien mit elektrischen Konduktanzen ausgebildet ist,
die signifikant voneinander verschieden sind. Beispielsweise können erwähnt werden:
ein Übergang,
der aus einem n-Halbleiter und einem p-Halbleiter ausgebildet ist,
ein Übergang, der
aus einem n-Halbleiter
und einem undotierten Halbleiter ausgebildet ist, ein Übergang,
der aus einem p-Halbleiter und einem undotierten Halbleiter ausgebildet
ist, und ein Übergang,
der aus einer stark dotierten Schicht (n+,
p+) und einer schwach dotierten Schicht
(n–,
p–)
ausgebildet ist. In diesem Zusammenhang ist ein Heteroübergang
ein Übergang,
der aus Materialien mit physikalischen Charakteristiken ausgebildet
ist, die voneinander verschieden sind, beispielsweise Elektronenaffinität und Bandlücke. Außerdem werden
Heteroübergänge außer aniso-Heteroübergänge als
iso-Heteroübergänge bezeichnet.
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3A und 3B zeigen
jeweils die Energiebandstruktur des Leitungsbands in der Nähe des aniso-Heteroübergangs
bei thermischem Gleichgewicht. 3A zeigt
den Energiepegel an der Heteroübergangsfläche, die
aus einer n-GaAs-Schicht 36 (oder n-InGaAs) und einer undotierten
AlGaAs-Schicht 37 ausgebildet ist. Außerdem zeigt 3B den
Energiepegel an der Heteroübergangsfläche, die
ausgebildet ist aus undotiertem GaAs 38 (oder undotiertem
InGaAs) und einer n-AlGaAs-Schicht 39, bei der die Leitungstypen
in der oberen Schicht und der unteren Schicht in 3 vertauscht
sind.
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Wenn
der Heteroübergang
zwischen einer Barrierenschicht und einer Halbleiterschicht in Kontakt
damit ein Paar vom aniso-Leitungstyp ist, ist der Boden des Leitungsbands
auf einer Seite des Fermi-Niveaus EP lokalisiert,
und die Verteilung der Verarmungsschicht ist ebenfalls auf der Seite
der undotierten Schicht lokalisiert. Beispielsweise ist bei dem in 3A gezeigten
Beispiel, das heißt,
wenn der aus der n-GaAs-Schicht 36 (oder
n-InGaAs) und der undotierten AlGaAs-Schicht 37 ausgebildete aniso-Heteroübergang
betrachtet wird, da die undotierte Schicht aus AlGaAs mit einer
kleineren Elektronenaffinität
besteht, die an der Heteroübergangsfläche ausgebildete
Barrierenhöhe
HB (Energiebarriere über dem Fermi-Niveau EF) höher,
so daß der
Widerstand durch den Heteroübergang
erhöht
ist. Wenn außerdem,
wie in 3B gezeigt, die undotierte Schicht aus
GaAs (oder undotiertem InGaAs) mit einer kleineren Elektronenaffinität ähnlich der
in der n-AlGaAs-Schicht 39/der
undotierten GaAs-Schicht 38 (oder undotiertem InGaAs) besteht,
ist die Breite WV der auf der Seite der
n-AlGaAs-Schicht 39 ausgebildeten Verarmungsschicht erhöht, und
auch in diesem Fall ist der Widerstand durch den Heteroübergang
erhöht.
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Folglich
ist bei dem aniso-Übergang
zwischen der Kontaktschicht 6 (n-GaAs) und der Barrierenschicht 5 (undotiertes
AlGaAs) in dem HEMT 1 mit einer herkömmlichen Struktur die Barrierenhöhe auf der
Seite der Barrierenschicht vergrößert (siehe 3A).
Außerdem
ist bei dem aniso-Übergang
zwischen der Barrierenschicht 5 (n-AlGaAs) und der Kanalschicht 4 (undotiertes
InGaAs) in dem herkömmlichen
HEMT 1 der Widerstand in der undotierten Kanalschicht erhöht, während die
Breite der in der Barrierenschicht erzeugten Verarmungsschicht vergrößert ist
(siehe 3B). Dementsprechend ist der Reihenwiderstand
zwischen dem Source- und
Draingebiet und dem Kanalgebiet unter der Gateelektrode erhöht.
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Außerdem sind
bei dem herkömmlichen DMT 21 in
dem aniso-Übergang
zwischen der Kontaktschicht 26 (n-GaAs) und der Barrierenschicht 25 (undotiertes
AlGaAs) und auch in dem aniso-Übergang
zwischen der Kanalschicht 24 (n-InGaAs) und der Barrierenschicht 25 (undotiertes
AlGaAs), da die Barrierenschicht 25 eine undotierte Schicht
ist, Bandlückendifferenzen
im Leitungsband fast über
dem Fermi-Niveau verteilt und die Barrierenschicht ist vergrößert (siehe 3A),
was zu einer Zunahme des Reihenwiderstands führt, der größer ist als der in der HEMT-Struktur.
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Wenn
die Barrierenhöhe
im thermischen Gleichgewicht hoch ist, ist das Ausmaß der Zunahme und
Abnahme bei der Barrierenhöhe
größer, wenn die
angelegte Spannung erhöht
und reduziert wird, und infolgedessen gibt es Probleme insofern,
als Phänomene
wie etwa Drainstromknick (siehe 6A) erzeugt
werden, bei denen eine Drainstrom bei einer bestimmten Spannung
abrupt erhöht
ist.
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IEEE
Transactions On Electron Devices, Band 37, Nr. 10, Oktober 1990,
Seiten 2171 bis 2175 (Ruden et al.) beschreibt ein Halbleiterfeldeffektbauelement,
das eine n-InGaAs-Kanalschicht und eine undotierte GaAs-Kontaktschicht umfaßt. zwischen diesen
Schichten befindet sich eine undotierte AlGaAs-Schicht.
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Aus
den Extended Abstracts of the 1998 International Conference on Solid
State Devices and Materials (SSDM 1998), Hiroshima, JP, 7.–10. September
1998, Seiten 328, 329 (Inai et al.) ist ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement
bekannt, das eine aus n-GaAs ausgebildete Kontaktschicht, eine aus
n-InGaAs ausgebildete Kanalschicht und eine Halbleiterstruktur zwischen
diesen Schichten mit einer dazwischenliegenden n-AlGaAs-Deckschicht,
einer i-AlGaAs-Schicht und einer n-GaAs-Bodenschicht umfaßt.
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Ein
Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Anspruch 1 ist aus dem Japanese Journal of Applied Physics,
Supplements, Extended Abstracts of the 1991 International Conference
on Solid State Devices and Materials (SSDM 1991), Yokohama, JP,
27.–29.
August 1991, Seiten 353 bis 355 (Sawada et al.) bekannt.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Zur
Lösung
der oben beschriebenen Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung in der Reduzierung des Reihenwiderstands durch eine Halbleiterschicht
zwischen einer mit einer ohmschen Elektrode versehenen Kontaktschicht
und einer Kanalschicht in einem Feldeffekt-Halbleiterbauelement
mit einem Heteroübergang.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit den Merkmalen
von Anspruch 1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
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Es
wird bevorzugt, daß beide
Materialien für die
Kanalschicht und die Halbleiterstruktur an der Übergangsfläche dazwischen aus stark n-dotierten Schichten
ausgebildet sind und daß beide
Materialien für
die Kontaktschicht und die Halbleiterstruktur an der Übergangsfläche dazwischen
aus stark dotierten n-Schichten
ausgebildet sind. Weiterhin weisen beide Materialien für die Kanalschicht
als auch die Halbleiterstruktur an der Übergangsfläche dazwischen bevorzugt Dotierstoffkonzentrationen
von 1 × 1018 cm–3 oder mehr auf, und
beide Materialien für
die Kontaktschicht als auch die Halbleiterstruktur an der Übergangsfläche dazwischen
weisen bevorzugt eine Dotierstoffkonzentration von 1 × 1019 cm–3 oder mehr auf.
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Die
laminierte Halbleiterstruktur weist bevorzugt eine Elektronenaffinität auf, die
kleiner ist als die der Kanalschicht und der Kontaktschicht. Gemäß einer
spezifischen Ausführungsform
besteht die Halbleiterst aus AlGaAs, und die Kanalschicht besteht
aus InGaAs.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement
mit einem niedrigen Reihenwiderstand realisiert werden, da der Widerstand
durch den Heteroübergangsabschnitt
zwischen der Kanalschicht und der Halbleiterschicht darauf reduziert
werden kann und der Widerstand durch den Heteroübergangsabschnitt zwischen
der Kontaktschicht und der Halbleiterschicht darunter ebenfalls
reduziert werden kann. Da außerdem
die Höhe
der Schottky-Barriere im thermischen Gleichgewicht reduziert werden
kann, können
Phänomene wie
etwa Zunahmen und Abnahmen beim Strom in Abhängigkeit von der angelegten
Spannung (Drainstromknick) unterdrückt werden. Dementsprechend kann
ein Bauelement mit Bauelementcharakteristiken hergestellt werden,
bei dem der maximale Drainstrom und die wechselseitige Konduktanz
verbessert sind und der Ein-Widerstand reduziert ist.
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Zum
Zweck des Veranschaulichens der Erfindung werden in den Zeichnungen
mehrere Formen gezeigt, die gegenwärtig bevorzugt werden, wobei sich
jedoch versteht, daß die
Erfindung nicht auf die präzisen
Anordnungen und Instrumentalitäten,
die gezeigt sind, beschränkt
wird, sondern nur durch die beigefügten Ansprüche.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung der Erfindung, die sich auf die beiliegenden
Zeichnungen bezieht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die die Struktur eines herkömmlichen
HEMT zeigt.
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die die Struktur eines herkömmlichen
DMT zeigt.
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3A und 3B sind
Ansichten, die jeweils die Energiebandstruktur im Leitungsband in
der Nähe
eines aniso-Heteroübergangs
im thermischen Gleichgewicht zeigen.
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4 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die einen Heteroübergangs-FET
gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5A und 5B sind
Ansichten, die jeweils die Energiebandstruktur im Leitungsband zwischen einer
Barrierenschicht und einer Kontaktschicht im thermischen Gleichgewicht
zeigen.
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6A ist
eine graphische Darstellung, die die Strom-Spannungs-Charakteristiken eines HEMT gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, und
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6B ist
eine graphische Darstellung, die die Strom-Spannungs-Charakteristiken eines DMT eines
herkömmlichen
Beispiels zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein
Feldeffekt-Halbleiterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung
umfaßt
eine Kanalschicht, eine Kontaktschicht, eine Halbleiterstruktur mit
einer Elektronenaffinität,
die von der der Kanalschicht und der Kontaktschicht verschieden
ist und die dazwischen vorgesehen ist, auf der Kontaktschicht vorgesehene
ohmsche Elektroden und eine auf der Halbleiterstruktur vorgesehene
Schottky-Elektrode, wobei die Übergangsfläche zwischen der
Kanalschicht und der Halbleiterschicht und die Übergangsfläche zwischen der Kontaktschicht
und der Halbleiterstruktur iso-Heteroübergänge sind.
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Ein
iso-Heteroübergang
ist ein anderer Heteroübergang
als ein aniso-Heteroübergang.
Der aniso-Heteroübergang
ist wie oben beschrieben ein Übergang,
der aus Halbleitern mit Leitungsarten ausgebildet ist, die voneinander
verschieden sind, oder ein Übergang,
der aus Materialien mit elektrischen Konduktanzen ausgebildet ist,
die voneinander signifikant verschieden sind. Übergänge zwischen einem n-Halbleiter
und einem p-Halbleiter, einem n-Halbleiter und einem undotierten
Halbleiter, einem p-Halbleiter und einem undotierten Halbleiter
und einer stark dotierten Halbleiterschicht (n+,
p+) und einer schwach dotierten Halbleiterschicht
(n–,
p–)
können als
Beispiele angesehen werden. Als typische Beispiele für aniso-Heteroübergänge gibt
es n-AlGaAs/i-GaAs,
n-AlGaAs/i-InGaAs, n-InGaP/i-GaAs, n-InGaP/i-InGaAs, n-InAlAs/i-InGaAs, n-GaAs/i-InGaAs
und dergleichen als n-Halbleitermaterialien mit geringen Elektronenaffinitäten. Als
n-Halbleitermaterialien mit großen
Elektronenaffinitäten
sind i-AlGaAs/n-GaAs, i-AlGaAs/n-InGaAs,
i-InGaP/n-GaAs, i-InGaP/n-InGaAs, i-InAlAs/n-InGaAs, i-GaAs/n-InGaAs und
dergleichen aniso- Heteroübergänge.
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Da
ein iso-Heteroübergang
ein anderer Heteroübergang
als ein aniso-Heteroübergang
ist, ist der iso-Heteroübergang
ein Übergang,
der aus Halbleitern mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp und elektrischen
Konduktanzen von Materialien davon ausgebildet ist, die voneinander
nicht signifikant verschieden sind. Zusätzlich gibt es als typische
Beispiele für iso-Heteroübergänge n-AlGaAs/n-GaAs,
n-AlGaAs/n-InGaAs, n-InGaP/n-GaAs,
n-InGaP/n-InGaAs, n-InAlAs/n-InGaAs, n-GaAs/n-InGaAs (die Differenz bei der
elektrischen Konduktanz davon wird als nicht signifikant angesehen)
und dergleichen. Zudem sind auch n/n+, n/n–,
p/p+ und p/p– ebenfalls
iso-Heteroübergänge.
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Ähnlich wie
bei dem Feldeffekt-Halbleiterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn
die Übergangsfläche, die
aus einer Kanalschicht und einer zwischen der Kanalschicht und einer
Kontaktschicht vorgesehenen Halbleiterstruktur ausgebildet ist,
und die Übergangsfläche, die
aus der Kontaktschicht und der zwischen der Kanalschicht und der
Kontaktschicht vorgesehenen Halbleiterstruktur ausgebildet ist,
beide iso-Heteroübergänge sind,
die aus Materialien mit voneinander verschiedenen Elektronenaffinitäten ausgebildet
sind, verschiebt sich der Boden des Leitungsbands in jeder Heteroübergangsfläche bezüglich des
Fermi-Niveaus nicht signifikant nach oben oder nach unten, und deshalb
kann der widerstand durch den Heteroübergangsabschnitt von der Kontaktschicht
zu der Kanalschicht unter der Gateelektrode verringert werden. Ohne
die Funktion der Barrierenschicht zu beeinträchtigen, kann dementsprechend
die Reihenwiderstandskomponente in dem Feldeffekt-Halbleiterbauelement
verringert werden.
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Wenn
beide Materialien für
die Kanalschicht und die Halbleiterstruktur an der Übergangsfläche dazwischen
aus stark n-dotierten Schichten ausgebildet sind und beide Materialien
für die
Kontaktschicht und die Halbleiterstruktur an der Übergangsfläche dazwischen
aus stark n-dotierten Schichten ausgebildet sind, kann insbesondere
die Trägerbeweglichkeit
erhöht
werden und ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement kann erhalten werden,
das in einem Hochfrequenzbereich verwendet werden kann.
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Zusätzlich kann
bei dem Feldeffekt-Halbleiterbauelement der vorliegenden Erfindung
beispielsweise InGaAs für
die Kanalschicht und AlGaAs für die
zwischen der Kanalschicht und der Kontaktschicht vorgesehene Halbleiterstruktur
verwendet werden. Jedoch besteht die Halbleiterstruktur bevorzugt
aus einem einzelnen Material mit einer Elektronenaffinität, die kleiner
ist als die der Kanalschicht und der Kontaktschicht.
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Da
eine Barrierenhöhe
und eine effektive Barrierendicke eines iso-Heteroübergangs
in erster Linie durch Unterschiede bei der Dotierstoffkonzentration
und einer Elektronenaffinität
von den Übergang
bildenden Materialien bestimmt werden, kann zudem die ganze Wiederstandskomponente
reduziert werden, wenn die Dotierstoffkonzentrationen an der Übergangsfläche von
beiden Materialien, die die Kanalschicht und die Halbleiterstruktur
bilden, auf 1 × 1018 cm–3 oder mehr eingestellt
sind und die Dotierstoffkonzentrationen an der Übergangsfläche beider Materialien, die
die Kontaktschicht und die Halbleiterstruktur bilden, auf 1 × 1018 cm–3 oder mehr eingestellt sind.
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Im
folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher
erläutert.
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Erste Ausführungsform
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4 ist
eine schematische Querschnittsansicht der Struktur eines Heteroübergangs-DMT 41 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei dem DMT 41 sind durch epitaxiales
Aufwachsen unter Verwendung von Molekularstrahlepitaxie (MBE), metallorganische
chemische Dampfabscheidung (MOCVD) oder dergleichen auf einem halbisolierenden
GaAs-Substrat 42 eine Pufferschicht 43, eine Kanalschicht 44,
die 10 nm dick ist und aus n-InGaAs besteht (die Dotierstoffkonzentration
beträgt
2 × 1018 cm–3), eine Barrierenschicht 45 und
eine Kontaktschicht 46, die 50 nm dick ist und aus n+-GaAs besteht (die Dotierstoffkonzentration
beträgt 5 × 1018 cm–3) in der oben erwähnten Reihenfolge ausgebildet.
Die Barrierenschicht 45 besteht von dem Boden davon aus
einer 10 nm dicken n-AlGaAs-Schicht 45a (die Dotierstoffkonzentration
beträgt 3 × 1018 cm–3), einem 10 nm dicken
undotierten AlGaAs-Film 45b und einer 10 nm dicken n-AlGaAs-Schicht 45c (die
Dotierstoffkonzentration beträgt 3 × 1018 cm–3).
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Ohmsche
Elektroden, die als eine Sourceelektrode 48 und eine Drainelektrode 49 verwendet werden,
sind auf der Kontaktschicht 46 ausgebildet. Die Kontaktschicht 46 zwischen
der Sourceelektrode 48 und der Drainelektrode 49 wird
durch Ätzen
entfernt, um eine Vertiefung auszubilden. Nachdem eine Gateelektrode 50 auf
der n-AlGaAs-Schicht 45c ausgebildet
ist, die von der Kontaktschicht 46 in einer Vertiefung 47 freigelegt
ist, wird der Boden der Gateelektrode durch thermische Diffusion
in Kontakt mit der undotierten AlGaAs-Schicht 45b gebracht,
um damit einen Schottky-Kontakt auszubilden. Als Ergebnis wird der
untere Abschnitt der Gateelektrode 50 in der n-AlGaAs-Schicht 45c vergraben.
wenn in diesem Zusammenhang die Gateelektrode 50 nach dem Ätzen der
Kontaktschicht 46 zum Ausbilden einer Vertiefung in der
n-AlGaAs-Barrierenschicht 45c vergraben ist, kann ein Teil
der n-AlGaAs-Barrierenschicht 45c durch
anisotropes Ätzen
entfernt werden und danach kann die Gateelektrode 50 direkt
auf einem Bereich ausgebildet werden, bei dem die undotierte AlGaAs-Schicht 45b freiliegt.
Der Heteroübergangs-FET 41 wird
schließlich
mit einer Isolierschicht 51 aus SiN oder dergleichen geschützt.
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Der
Heteroübergang
zwischen der Barrierenschicht 45 und der Kontaktschicht 46 ist
ein iso-Heteroübergang
aus n-AlGaAs und
n+-GaAs, und die Kanalschicht 44 und
die Barrierenschicht 45 bilden ebenfalls einen iso-Heteroübergang
aus n-InGaAs und n-AlGaAs.
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Da
die Kanalschicht und die Barrierenschicht so lange funktionieren
können,
wie zwischen den Materialien dafür
eine Differenz bei der Elektronenaffinität vorliegt, kann zusätzlich zu
der oben erwähnten Kombination
ein durch eine Kombination aus InGaAs und InGaP mit dem gleichen
Leitungstyp oder dergleichen ausgebildeter iso-Heteroübergang
verwendet werden. Anstelle von n-InGaAs kann zusätzlich n-GaAs für die Kanalschicht 44 verwendet
werden. Zudem kann eine doppeltdotierte Struktur mit einer stark
dotierten Schicht als einer Elektronen liefernden Schicht, die unter
der Kanalschicht 44 vorgesehen ist, verwendet werden.
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Die
laminierte Struktur der Barrierenschicht 45 besteht aus
einem einzelnen Material (Homoübergang) ähnlich dem
AlGaAs in der Ausführungsform.
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Bei
der Ausführungsform
ist die Barrierenschicht 45 mit einer Elektronenaffinität, die von
der der Kanalschicht 44 und der Kontaktschicht 46 verschieden
ist, dazwischen ausgebildet, die Übergangsfläche zwischen der Kanalschicht 44 und
der Barrierenschicht 45 ist ein iso-Heteroübergang
und die Übergangsfläche zwischen
der Kontaktschicht 46 und der Barrierenschicht 45 ist
ebenfalls ein iso-Heteroübergang.
Wenn wie oben beschrieben beide Heteroübergangsflächen zwischen der Kanalschicht 44 und
der Barrierenschicht 45 und zwischen der Kontaktschicht 46 und
der Barrierenschicht 45 Übergänge vom iso-Leitungstyp sind,
wie in der Energiebandstruktur in 5 gezeigt
(der Fall des n- GaAs und
des n-AlGaAs ist in 5 gezeigt und der Fall des n-InGaAs
und des n-AlGaAs ist ebenfalls dazu ähnlich), ist der Boden des
Leitungsbands in dem Heteroübergangsgebiet
auf einem etwa gleichwertigen Niveau davon über und unter dem Fermi-Niveau
positioniert. Folglich sind die Barrierenhöhe HB bezüglich der
Elektronen zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht der
Barrierenschicht 45 und die Breite einer Verarmungsschicht
(effektive Barrierendicke) WV verringert,
so daß der
Widerstand durch den Heteroübergang
von der Kontaktschicht 46 zu der Kanalschicht 44 unter
der Gateelektrode 50, das heißt die Reihenwiderstandskomponente
in dem Heteroübergangs-FET 41,
reduziert werden kann, ohne die Funktion der Barrierenschicht 45 zu
beeinträchtigen.
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Da
die Barrierenhöhe
HB und die effektive Barrierendicke WV des iso-Heteroübergangs wie oben beschrieben
in erster Linie durch die Differenz bei der Dotierstoffkonzentration
und die Differenz bei einer Elektronenaffinität von den Übergang bildenden Materialien
bestimmt werden, betragen zur Reduzierung der ganzen Wiederstandskomponente
die Dotierstoffkonzentrationen der Kanalschicht 44, der Barrierenschicht 45 und
der Kontaktschicht 46 bevorzugt 1 × 1018 cm–3 oder
mehr.
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6A ist
eine graphische Darstellung, die die Strom-Spannungscharakteristiken der Struktur gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ähnlich
der in 4 gezeigten zeigen. 6B ist
eine graphische Darstellung, die die Strom-Spannungs-Charakteristiken
eines herkömmlichen
DMT mit einer Struktur zeigt, die ähnlich der ist, die in 2 gezeigt
ist. Beide graphischen Darstellungen zeigen die Änderungen beim Drainstrom gegenüber der
Drainspannung. Ein Drainstromknick wurde in den in 6B gezeigten
Strom-Spannungs-Charakteristiken
beobachtet, die aus dem herkömmlichen
Beispiel erhalten wurde, und andererseits versteht sich aus den
Strom-Spannungs-Charakteristiken, die in 6A gezeigt
werden, die von dem Beispiel der vorliegenden Erfindung erhalten wurde,
daß kein
Knick beobachtet wird und ein starker Strom erhalten werden kann.
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Wenngleich
bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung offenbart worden sind, werden innerhalb des Schutzbereichs
der folgenden Ansprüche verschiedene
Modi zum Ausführen
der hier offenbarten Prinzipien in Betracht gezogen.