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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das
Material einer Gatterelektrode einer Feldeffekt-
Halbleitervorrichtung (im folgenden als "FET" bezeichnet),
und insbesondere auf eine Schottky-Gatterelektrodenstruktur
eines GaAs-FET.
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Ein Pellet bzw. eine Tablette eines herkömmlichen GaAs-FET,
beispielsweise eines GaAs-Schottky-Gatter-
Feldeffekttransistors (im folgenden als "MESFET" bezeichnet),
besitzt einen Querschnitt, wie er in Fig. 8 dargestellt ist.
Eine Al-Schicht 4 mit einer Dicke von etwa 2 nm ist mit Hilfe
eines Bedampfungs- oder Sputterverfahrens auf der Oberfläche
eines N-leitenden Störatombereichs 2 niedriger Konzentration
(ein Kanalbereich vom Typ N&supmin;) aufgebracht, der in einem
halbisolierenden GaAs-Substrat 1 ausgebildet ist, und ein
Film 5 aus W (Wolfram) ist dann auf der Al-Schicht 4 durch
ein Aufdampf- oder Sputterverfahren aufgebracht, wodurch eine
Gatterelektrode geschaffen wird. Das Bezugszeichen 3
bezeichnet Source- und Drainbereiche, die so ausgebildet
sind, daß das Substrat 1 einer Wärmebehandlung unterzogen
wird, nachdem gewünschte Fremdatome durch lonenimplantation
in das Substrat 1 durch ein Selbstjustierverfahren
eingebracht worden sind, unter Benutzung der Gatterelektrode
als Maske. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet Source- und
Drainelektroden, die im Ohm'schen Kontakt mit den N&spplus;-
leitenden Source- und Drainbereichen 3 stehen.
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Dabei ist es erforderlich, daß die Gatterelektrode aus einem
Material gebildet wird, das die elektrischen Eigenschaften
eines Schottky-Zonenübergangs nicht verschlechtert, auch
nicht bei einer Hochtemperaturwärmebehandlung, die nach der
lonenimplantation durchgeführt wird. Feuerfeste Verbindungen
auf Metallbasis werden also als Gatterelektrodenmaterialien
verwendet. Als wärmebeständige Gatterelektrodenmaterialien
sind Materialien, wie etwa WSix, WNx, TiW, TiWNx und
dergleichen allgemein bekannt.
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Die herkömmlichen feuerfesten Elektrodenmaterialien weisen
eine schlechte Adhäsion bzw. Haftung am GaAs-Substrat auf.
Die auf diesen Materialien gebildete Gatterelektrode kann
sich abschälen, nachdem die implantierte Schicht durch die
wärmebehandlung aktiviert worden ist. Auch kann die
Elektrodenschicht durch eine innere Spannung des Materials
selber abgeschält werden, falls die Dicke der
Elektrodenschicht vergrößert ist, um einen niedrigeren
Widerstand zu erzielen. Es ist daher schwierig, einen
niedrigen Widerstand der Elektrodenschicht durch Verdicken
derselben zu erzielen, wobei der Grenzwert der
Wärmewiderstandstemperatur für die Schottky-Kenngrößen etwa
800ºC beträgt.
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Wie oben beschrieben, ist es unerläßlich, daß die
Gatterelektrode eines GaAs-FET aus einem Material gebildet
wird, das die Schottky-Kennwerte (beispielsweise die
Schottky-Zonenübergangshöhe ΦB, den Idealitäts- bzw.
Idealzustandsfaktor, wie etwa der n-Wert etc.) während des
Herstellungsprozesses nicht durch die
Hochtemperaturwärmebehandlung verschlechtert. Auch muß die
Gatterelektrode aus einem Material hergestellt werden, das
eine physikalisch starke Haftung am GaAs-Substrat aufweist.
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Bei den bekannten Halbleitervorrichtungen schält sich die
Gatterelektrode jedoch oft ab, so daß die Schottky-Kennwerte
aufgrund der Wärmebehandlung (etwa 800ºC), beispielsweise zum
Aktivieren der Source- und Drainbereiche, verschlechtert
werden, wobei die Wärmebehandlung durchgeführt wird, nachdem
die Gatterelektrode gebildet worden ist.
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Eine die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruchs 1
aufweisende Vorrichtung ist in der Druckschrift IEEE Electron
Device Letters, Bd. EDL-7, Nr. 3, März 1986, S. 185-187
dargestellt. Weiter ist es aus der Druckschrift FR-A-
2 550 889 bekannt, eine Lage bzw. Schicht aus Ti unter der
Gatterelektrode zu verwenden, jedoch nicht in Verbindung mit
einem feuerfesten Film der in der vorliegenden Anmeldung
beschriebenen Art.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung
einer GaAs-Feldeffekt-Halbleitervorrichtung mit einer
Gatterelektrode, deren Haftung am GaAs-Substrat deutlich
verstärkt ist.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung
einer GaAs-Feldeffekt-Halbleitervorrichtung mit einer
Gatterelektrode, die die elektrischen Eigenschaften eines
Schottky-Zonenübergangs nicht verschlechtert, auch nicht bei
einer gegebenen Hochtemperaturwärmebehandlung, und die weiter
ausgezeichnete Wärmewiderstandseigenschaften aufweist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein GaAs-
Feldeffekttransistor geschaffen, der aufweist: ein GaAs-
Halbleitersubstrat mit einem darin angebrachten Kanalbereich,
und eine Schottky-Gatterelektrodenstruktur, die auf dem
Kanalbereich angeordnet ist, wobei die Schottky-
Gatterelektrodenstruktur einen Ti-Film, der auf dem GaAs
Substra: angebracht ist und daran haftet, und einen
feuerfesten Elektrodenfilm umfaßt, der auf dem Ti-Film
angebracht ist und aus einem Material zusammengesetzt ist,
das unter den Materialien W, Mo, Cr, Ta, Nb, V, Hf, Zr,
Nitriden dieser Metalle, Siliziden dieser Metalle, Karbiden
dieser Metalle, Ti-W-Legierungen, WSixNy, TiNx und TiSix
gewählt ist, wobei x und y positive Zahlen sind, die
Dezimalzahlen einschließen, wobei der Ti-Film eine Dicke
zwischen 2 nm bis 25 nm besitzt.
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Die Gatterelektrode kann eine Mehrschicht-Gatterelektrode
sein, bei der ein Abschnitt eines Verdrahtungselektrodenfilms
für einen Bondierungsfleck auf der oben beschriebenen
Zweischichtstruktur vorgesehen ist.
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Die Haftung des feuerfesten Materials am GaAs-Substrat wird
gesteigert, und die Wärmewiderstandseigenschaften der
Schottky-Kennwerte werden verbessert.
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Aufgrund der experimentellen Ergebnisse steigt die Haftkraft
des Gatterelektrodenfilms deutlich an, und der
Gatterelektrodenfilm schält sich nicht ab, wenn ein Ti-
Dünnfilm mit einer Dicke von beispielsweise etwa 2 nm
zwischen dem GaAs-Substrat und dem feuerfesten
Gatterelektrodenfilm angebracht wird. Falls die Dicke des Ti-
Films vergrößert wird, nimmt die Haftung des
Gatterelektrodenfilms allmählich ab. Aber auch in diesem
Falle schält sich der Gatterelektrodenfilm während des
Herstellungsprozesses kaum ab, so daß eine ausreichende
Haftkraft erzielt werden kann.
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Die elektrischen Kennwerte eines Schottky-Zonenübergangs
zwischen der Gatterelektrode und dem GaAs-Substrat werden
durch eine Hochtemperaturwärmebehandlung (beispielsweise
zwischen 800ºC bis 850ºC) verschlechtert, was weitgehend von
der Dicke des Ti-Films abhängt, der zwischen dem
Gatterelektrodenfilm und dem Substrat eingefügt ist. Gemäß
den Ergebnissen von Experimenten, die später beschrieben
werden, wird ein Idealitätsfaktor, beispielsweise der n-Wert
einer I-V-Kennlinie des Schottky-Zonenübergangs, sowie eine
Schottky-Übergangshöhe ΦB, durch die Wärmebehandlung
deutlich verschlechtert, wenn die Dicke des Ti-Films 25 mm
überschreitet.
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Mit anderen Worten nimmt die Haftkraft der Gatterelektrode am
Substrat deutlich zu, wenn der Ti-Dünnfilm zwischen das GaAs-
Substrat und den feuerfesten Gatterelektrodenfilm eingefügt
wird. Die Dicke des Ti-Films wird jedoch durch den
Verschlechterungsgrad der Schottky-Kennwerte begrenzt. Es ist
wünschenswert, wenn die Dicke des Ti-Films 25 nm oder weniger
beträgt. Bevorzugte feuerfeste Materialien sind Metalle oder
Verbindungen, wie etwa W, WNx, WSix, WSixNy, WCx, Mo, MoNx,
MoSix, MoCx, Ta, TaNx, TaSix, Zr, ZrNx, Hf, HfNx, TiNx,
TiSix, Cr, Nb, NbNx, V und VNx.
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Die neuen und besonderen Merkmale der Erfindung werden in den
Ansprüchen präzisiert, die der vorliegenden Anmeldung
beigefügt sind. Die Erfindung selber kann jedoch in
Verbindung mit weiteren Zielen und Vorteilen derselben am
besten unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung und
die beigefügten Zeichnungen verstanden werden.
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer
Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2A-2F zeigen Querschnittsansichten zur Veranschaulichung
der Herstellungsschritte der in Fig. 1
dargestellten Halbleitervorrichtung;
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Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Dicke des Ti-Films
und der Zugfestigkeit der Halbleitervorrichtung
gemäß der Erfindung;
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Fig. 4 und 5 zeigen jeweils entsprechend die Abhängigkeit des n-
Wertes und der Schottky-Übergangshöhe ΦB zur Dicke
des Ti-Films;
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Fig. 6 zeigt ein Beispiel der statischen Kennlinien eines
MESFET der Erfindung;
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Fig. 7 zeigt die Diodenkennlinie des Schottky-
Zonenübergangs des in Fig. 6 dargestellten MESFET;
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Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen
Halbleitervorrichtung.
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht des GaAs-MESFET gemäß der
vorliegenden Erfindung. Die Bezugszeichen, die in Fig. 8
verwendet worden sind, bezeichnen die gleichen
Strukturelemente. Das Bezugszeichen 15 bezeichnet eine
Gatterelektrode, bestehend aus einem Ti-Film 14, der eine
Dicke von 6 nm besitzt und am N-leitenden Kanalbereich 2 des
GaAs-Halbleitersubstrats 1 angefügt ist, und einem WNx-Film
15 mit einer Dicke von 200 nm, der auf den Ti-Film 14
laminiert bzw. geschichtet ist. Die Bezugszeichen 3a und 3b
bezeichnen jeweils entsprechend N&spplus;-leitende Drain- und
Sourcebereiche, während die Bezugszeichen 6a und 6b
Drainund Sourceelektroden bezeichnen, die in Ohm'schem Kontakt mit
den Drain- und Sourcebereichen 3a und 3b stehen; und das
Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Film aus Siliziumnitrid
(SiNx).
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Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung des MESFET der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 2(a) bis
2(f) und Fig. 1 beschrieben. Als erstes wird, wie in Fig.
2(a) dargestellt, eine N&supmin;-leitender Kanalbereich 2 mit
niedriger Störatomkonzentration in einem gewünschten Bereich
des halbisolierenden GaAs-Substrats 1 gebildet, und zwar
unter Anwendung einer ²&sup9;Si&spplus;-Ionenimplantationstechnik. Dann
werden, wie in Fig. 2(b) dargestellt, beispielsweise ein Ti-
Film 14a mit einer Dicke von 6 nm und ein WNX-Film isa mit
einer Dicke von 200 nm nacheinander durch ein übliches
Sputterverfahren auf dem Substrat aufgebracht, wodurch eine
Gatterelektrode geschaffen wird. In dem in Fig. 2(c)
dargestellten Schritt wird ein Fotolackmuster 7a für die
Gateelektrode auf dem WNx-Film 15a durch ein
fotolithografisches Verfahren gebildet. Unter Benutzung des
Fotolackmusters 7a als Maske wird die sich ergebende Struktur
einem RIE (reaktives lonenätzen) (CF&sub4; + O&sub2;) in senkrechter
Richtung unterzogen, wodurch die Gatterelektrode gebildet
wird, welche aus den beiden Filmen, also dem Ti-Film 14 und
dem WNx-Film 15, besteht. Danach werden unter Benutzung der
Gatterelektrode 15 und einer Fotolackschicht 7b als Masken,
wie-in Fig. 2(d) dargestellt, beispielsweise ²&sup9;Si&spplus;-Ionen in
Richtung der Pfeile 9 implantiert, und zwar mit einer
Beschleunigungsspannung von 120 kev und einer Dosis von
3.0 x 10¹³ cm&supmin;², wodurch die N-leitenden Drain- und
Sourcebereiche 3a und 3b hoher Störatomkonzentration in
selbstjustierender Weise gebildet werden. Anschließend
werden, wie in Fig. 2(e) dargestellt, Plasma-SiNx-Filme 8
(Siliziumnitridfilme), von denen jeder eine Dicke von etwa
300 nm besitzt, auf Haupt- und Gegenoberflächen des Substrats
1 (Wafer) aufgebracht. Unter Benutzung der Plasma-SiNx-Filme
8 als Glühschutzfilme werden die Drain- und Sourcebereiche 3a
und 3b einer Aktivierungswärmebehandlung während 15 Minuten
bei 800ºC unterzogen. In dem in Fig. 2(f) dargestellten
Schritt wird ein Fenstermuster 7c einer Fotolackschicht über
gegebenen Bereichen (Source und Drain) durch eine
fotolithografisches Verfahren gebildet, und dann wird das
Substrat einem CDE-Prozeß (chemisches Trockenätzen)
unterzogen, um freigelegte SiNx-Filme 8 von den
Substratoberflächen zu entfernen. Auf der freigelegten
Hauptoberfläche des Substrats 1 wird ein Elektrodenmetallfilm
6 aus, beispielsweise, Ni (30 nm Dicke)/AuGe (200 nm)
aufgebracht. Schließlich werden die nicht benötigten
Abschnitte des Ni/AuGE durch eine Abhebetechnik beseitigt,
und die sich ergebende Struktur wird während 2 Minuten einer
Legierungsbildungsbehandlung bei 440ºC unterzogen, wodurch
der in Fig. 1 dargestellte MESFET erhalten wird.
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Die nachfolgenden Experimente wurden durchgeführt, um die
Wirkungen des Ti-Films in Bezug auf das Abschälen der
Gatterelektode zu untersuchen. Feldeffekttransistoren mit der
Struktur WNx (200 nm)/GaAs, bei denen WNx nur als
Gatterelektrodenmaterial benutzt wurde, und
Feldeffekttransistoren der Struktur WNx (200 nm)Ti (6
nm)/GaAs der obigen Ausführungsform wurden mit Hilfe des oben
beschriebenen Prozesses hergestellt und verglichen. Es
stellte sich heraus, daß bei den erstgenannten FETS, bei
denen kein Ti benutzt wurde, die Gatterelektroden sich
während des Herstellungsprozesses oft abschälten und eine nur
geringe Haftung an den WNx-Substraten aufwiesen. Demgegenüber
waren bei den letztgenannten FETS der Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung keine Elektrodengatter von den
Substraten abgeschält, und sie besaßen eine sehr starke
Haftung.
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Um die Haftung quantitativ zu überprüfen, wurde weiter die
Zugfestigkeit der Gatterelektroden gemessen. Im einzelnen
wurde eine flache Ziehlehre mit Hilfe eines Klebers an der
Hauptoberfläche einer Gatterelektrode befestigt, und eine
Zugkraft wurde auf das andere Ende der Lehre gegenüber der
flachen Haftoberfläche ausgeübt. Auf diese Weise wurde die
Zugfestigkeit (kg/cm²) der Gatterelektrode zur gleichen Zeit,
in der sich die Gatterelektrode vom Substrat abschälte,
gemessen. Fig. 3 zeigt die Ergebnisse dieses Experiments. Die
Abszisse bezeichnet die Ti-Filmdicke (nm), und die Ordinate
bezeichnet die Zugfestigkeit (kg/cm²). Der Wert "O" der Ti-
Filmdicke bezieht sich auf den WNX (200 nm)/GaAs-FET, während
sich die anderen Werte der Ti-Filmdicken auf eine Struktur
von vier FETS aus WNX (200 nm)/Ti (2, 6, 10, 50 nm)/GaAs
beziehen. In Fig. 3 bezeichnet das Symbol die
durchschnittliche Zugfestigkeit im Falle von mehreren zehn
Proben, während die das Symbol durchquerenden senkrechten
Linien Fluktuationen der Zugfestigkeit anzeigen. Aufgrund
dieses Experimentes wurde gefunden, daß die Benutzung des Ti-
Films die Zugfestigkeit um etwa das dreifache steigerte und
die Haftung deutlich vergrößerte. Die Vergrößerung der Dicke
des Ti-Flms verringert graduell die durchschnittliche
Zugfestigkeit, aber sie zeigt eine im wesentlichen konstante,
ausgezeichnete Haftung.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen Beispiele von Experimenten, die in
Verbindung mit den Abhängigkeiten des Idealitätsfaktors, dem
n-Wert des Schottky-Zonenübergangs und der Schottky-
Übergangshöhe ΦB von der Dicke des Ti-Films durchgeführt
wurden, nachdem die MESFETS mit der Struktur WNX (200 mm)/Ti
(t nm)GaAs einer Hochtemperaturwärmebehandlung unterzogen
worden waren. In Fig. 4 bezeichnet die Abszisse die Dicke des
Ti-Films (nm), während die Ordinate den n-Wert bezeichnet. In
Fig. 5 bezeichnet die Abszisse die Dicke (nm) des Ti-Films,
während die Ordinate die Übergangshöhe ΦB bezeichnet. Die
Experimente wurden in Bezug auf sechs Fälle durchgeführt, bei
denen die Ti-Filmdicke t jeweils 0 nm, 6 nm, 10 nm, 20 nm, 30
nm und 50 nm betrug. In jedem der Fälle wurde während 15
Minuten ein Aktivierungsprozeß für implantierte Ionen bei
800ºC durchgeführt (angezeigt durch die durchgezogenen Linien
und das Symbol ), und sie wurden während 15 Minuten bei
850ºC durchgeführt (angegebenen durch die gestrichelten
Linien und das Symbol e).
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In Fig. 4 kann der n-Wert aus der erhaltenen Strom-Spannungs-
Kennlinie ermittelt werden, wenn an den Schottky-
Zonenübergang eine Vorwärtsvorspannung angelegt wird. Je
näher der n-Wert an 1 liegt, umso besser ist dies. In Fig. 4,
bei der die Wärmebehandlungstemperatur 800ºC beträgt, steigt
der n-Wert an, wenn die Dicke t des Ti-Films 30 nm oder 50 nm
beträgt. Der wünschenswerte n-Wert (etwa 1,05) tritt auf,
wenn die Dicke t den Wert 6, 10 oder 20 (nm) aufweist. Wenn
die Dicke t den Wert 0 besitzt, d.h., wenn ausschließlich WNx
benutzt wird, hat der n-Wert die Größe 1.3 und ist daher
nicht ganz erwünscht. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur
850ºC beträgt, hat der n-Wert die Tendenz, anzusteigen. Wenn
aber die Dicke t den Wert 6, 10 oder 20 (nm) aufweist, ist
die Verschlechterung des n-Wertes vernachlässigbar.
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Wenn eine Metallschicht als Gatterelektrode verwendet wird,
ist es allgemein wünschenswert, daß die in Fig. 5
dargestellte Schottky-Übergangshöhe ΦB groß ist. Wenn die
Wärmebehandlungstemperatur 800ºC beträgt, nimmt gemäß Fig. 5
die Höhe ΦB ab, wenn die Dicke des Ti-Films 30 nm oder 50 nm
beträgt. Wenn die Dicke t den Wert 6, 10 oder 20 nm aufweist,
ist die Höhe ΦB die erwünschte (0.70 bis 0.73 V). Wenn die
Dicke t den Wert 0 aufweist, d.h., wenn der Ti-Film nicht
vorhanden ist, hat die Höhe ΦB den Wert 0.59 V und nimmt
leicht ab. Wenn die Wärmebehandlung bei 850ºC stattfindet,
nimmt die Höhe ΦB allgemein ab. Wenn aber die Dicke t den
Wert 6, 10 oder 20 nm aufweist, ist die Höhe ΦB
zufriedenstellend.
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Aus den in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Ergebnissen der
Experimente geht hervor, daß die wünschbare Dicke des Ti-
Films zwischen 2 nm und 25 nm betrug.
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Fig. 6 zeigt die statische Kennlinie (ID - VDS-Kennlinie des
Vg-Parameters) eines MESFET mit einer Struktur, bestehend aus
WNX (200 nm)/Ti (10nm)/GaAs, die eine Gatterlänge Lg = 2 µm
und eine Gatterbreite Wg = 18 µm besitzt. Der k-Wert je
Gatterbreite von 10 µm beträgt 1.25 mA/V², so daß die
gewünschte Kennlinie erhalten wird.
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Fig. 7 zeigt die Spannungs-/Stromkennlinie der Schottky-
Zonenübergangsdiode, wenn an die Gatterelektrode des in Fig.
6 dargestellten FET eine Vorwärtsvorspannung und eine
Rückwärtsvorspannung angelegt wird. In Fig. 7 bezeichnet die
Abszisse die an die Anode (Gatterelektrode) der Diode
angelegte Vorspannung V, wobei der positive Wert die
Vorwärtsvorspannung VF, der negative Wert die
Rückwärtsvorspannung VR und das Symbol VB die
Durchbruchsspannung bezeichnet. Die Ordinate bezeichnet den
durch den Zonenübergang fließenden Strom IF. Es stellte sich
heraus, daß eine hervorragende Diodenkennlinie erhalten
wurde.
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Die Gatterelektrode mit der obigen Struktur kann durch Ätzen
unter Verwendung von Fluorsystemgasen leicht hergestellt
werden. Die Verarbeitbarkeit dieser Gatterelektrode ist also
besser als diejenige der herkömmlichen Struktur, die eine Al-
Schicht aufweist.
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Bei der obigen Ausführungsform wurde WNX als feuerfestes
Material verwendet. Bei Verwendung anderer, oben erwähnter
feuerfester Materialien werden ähnliche ausgezeichnete und
vorteilhafte Wirkungen erzielt. Wenngleich sich die obige
Ausführungsform auf den MESFET bezog, ist die Erfindung
natürlich auch bei anderen GaAs-FETs mit einer ähnlichen
Schottky-Gatterstruktur anwendbar, wie etwa bei einem HEMT
(Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit)
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Wie oben beschrieben, wird beim GaAs-FET der vorliegenden
Erfindung die Haftung der Gatterelektrode am Substrat
verstärkt, wenn ein Ti-Film zwischen ein feuerfestes
Schottky-Elektrodenmaterial und ein GaAs-Substrat eingefügt
wird. Darüber hinaus kann selbst im Falle, daß die
Gatterelektrode einer vorbestimmten
Hochtemperaturwärmebehandlung unterzogen wird, eine
Gatterelektrode erhalten werden, die sowohl gute elektrische
Eigenschaften des Schottky-Zonenübergangs aufweist, als auch
eine hohe Wärmefestigkeit.
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Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen dem besseren
Verständnis und sollen deren Umfang nicht beschränken.