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Die Erfindung betrifft einen Quantentopf-Transistor mit
resonantem Tunneleffekt, der einen geringen Basisstrom und
eine hohe Stromverstärkung in dem Ultrahochfrequenzbereich
(mehrere zehn Gigahertz) aufweist.
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Bei einer Halbleitervorrichtung ist ein Quantentopf durch
eine Struktur mit zweifacher Barriere oder zweifachem
Heteroübergang - und somit innerhalb des Körpers der
Vorrichtung - gebildet, bei der die Schicht des Topfes sehr dünn
ist, 1 bis 20 nm, und ein kleines verbotenes Band aufweist,
und die beiden Barriereschichten weisen ein breites
verbotenes Band auf. Die Ladungsträger, z.B. die
Leitungselektronen, erfahren eine potentielle Energie in Topfform. Der
günstigste Energiezustand ist der, bei dem die Elektronen in
dem Topf sind. Die Dicke der Schicht des Topfes selbst ist
hinreichend dünn, damit Quantenphänomene auftreten, woher
die Bezeichnung "Quantentopf" stammt.
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Es steht fest, daß das Filtern eines Elektronenflusses durch
Quantentopf-Strukturen zwischen zwei ohmschen Kontakten zu
in hohem Maße nichtlinearen Strom-Spannungs-Charakteristika
führt. Das eindrucksvollste Beispiel ist das der Diode mit
doppelter Barriere und resonantem Tunneleffekt, die bei
Umgebungstemperatur einen negativen differentiellen Widerstand
aufweist. Das Bereitstellen eines aktiven, nichtlinearen
Elements geringer Ansprechzeit ist bei den analogen
Ultrahochfrequenz-Anwendungen und bei den sehr schnellen
Mehrzustands-Logikanwendungen interessant.
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Während die den Resonanzeffekten zugrundeliegenden
konstruktiven Interferenzeffekte durch eine einfache Diode
eingesetzt werden können, ist eine dritte Steuerelektrode ein
vorteilhaftes Element für die Entwicklung der Anwendungen.
Es scheint bevorzugt zu sein, daß die Steuerung unmittelbar
in dem Topf erfolgt: In diesem Fall kann man erwarten, daß
ein Bauteil verwirklicht wird, bei dem die physischen
Phänomene quasi Momentanphänomene sind und der äußerst
Spannungsempfindlich ist.
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Es sind mehrere Arten von Quantentopf-Transistoren bekannt,
von denen bestimmte eine Trägerinjektion durch einen
resonanten Tunneleffekt enthalten. Bei diesen Transistoren ist
die den Quantentopf bildende Halbleitermaterialschicht
seitlich, d.h. in der Ebene des Wachstums des Materials, nicht
begrenzt, und diese Schicht erstreckt sich unter den
seitlichen Basismetallisierungen, wenn die Struktur vertikal ist.
Die durch den Tunneleffekt von dem Emitter durch die erste
Barriere und die Basis injizierten Ladungsträger werden nur
gesammelt, wenn ihre Energie ausreichend ist, um die zweite
Barriere des Quantentopfes auf dem Niveau des Kollektors zu
überschreiten: Die anderen Ladungsträger werden in der Basis
thermalisiert, und sie verlieren Energie.
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Während somit bestimmte energetische Elektronen die Barriere
zu dem Kollektor durchqueren können, verbleiben andere
weniger energiereiche Elektronen in dem Topf, da sie die
zweite Barriere nicht überschreiten können, und sie fließen
seitlich zu der Basismetallisation, wobei sie den Basistrom
erhöhen und die Stromverstärkung des Transistors verringern.
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Andererseits wird von M.A. Reed u.a. in Physical Review
Letters, Bd. 60, Nr. 6 (1988), Seiten 535 - 537, eine
Quantentopf-Diode mit resonantem Tunneleffekt offenbart, wobei eine
Quantentopf-Säule verwendet wird, dessen seitliche
Querschnittsverminderung durch einen Verarmungseffekt erhalten
wird.
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Die Erfindung besteht darin, zu verhindern, daß in einem
Transistor mit resonantem Tunneleffekt Elektronen das
Energieniveau in der Basis ändern können, um einen Transistor
mit kleinem Basisstrom, großer Stromverstärkung und hoher
Grenzfrequenz bereitzustellen. Dieses Ziel wird dadurch
erreicht,
daß die seitlichen Abmessungen der den Quantentopf
bildenden Halbleitermaterialschichten so begrenzt werden,
daß dort die Phänomene einer seitlichen Quantelung
hervorgerufen werden, die senkrecht zu der Wachstumsebene der
Schichten bereits vorliegen. Es stellt sich nun heraus, daß
die Energieniveaus, bekannt unter der Bezeichnung
Unterbänder, sich durch Quantelung in diskrete Zustände unterteilen:
Die Relaxationen zwischen diskreten Zuständen sind weniger
leicht möglich als die Relaxationen zwischen Unterbändern,
da sich ein Elektron bei dem Aussenden eines Phonons nur
erhohlen kann, wenn die Energie dieses Phonons gleich der
Energie zwischen zwei Zuständen ist. Da die Elektronen in
dem Quantentopf sich nicht erholen können, wird ihre Energie
ausreichend, um die zweite Barriere des Topfes zu dem
Kollektor zu überschreiten, wodurch der Basisstrom verringert
und die Stromverstärkung des Transistors erhöht wird.
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Die Verringerung der seitlichen Abmessungen des
Quantentopfes stellt keine einfache geometrische Maßnahme im Sinne
einer Verdichtung der integrierten Schaltungen dar. Es ist
eine physische Maßnahme, die das Auftreten von
Quantenphänomenen mit sich bringt und einen Teil der Schichten des
Quantentopfes in einem Quantenkasten einschließt, in dem die
Bewegung der Träger in den drei Ausdehnungsrichtungen - und
nicht nur in der Richtung der Dicke des Topfes - gequantelt
wird.
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Genauer betrifft die Erfindung einen Quantentopf-Transistor
mit resonantem Tunneleffekt gemäß dem Anspruch 1.
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Die Erfindung ergibt sich deutlicher aus der folgenden
detaillierteren Beschreibung eines Anwendungsbeispiels in
Verbindung mit den beigefügten Figuren; in diesen zeigen:
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Fig. 1 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines
Transistors mit resonantem Tunneleffekt gemäß dem bekannten Stand
der Technik,
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Fig. 2 ein Schaubild der Energiebänder eines Quantentopfes,
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Fig. 3 ein Schaubild der Energiezustände in Abhängigkeit von
der Parallelbewegung in einem Quantentopf,
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Fig. 4 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines
Quantentopf-Transistors gemäß der Erfindung.
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Fig. 1 dient dazu, nochmals kurz an die Struktur eines
Quantentopf-Transistors zu erinnern, was das spätere Verständnis
der Erfindung erleichtert. Aufgrund der Abmessungen des
Quantentopfes ist diese Struktur zwangsläufig vertikale und
die Dicken sind durch die Wachstumszeiten der Schichten aus
Halbleitermaterial bestimmt.
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Bei einem Quantentopf-Transistor, der von einem Substrat 1
getragen wird, wird der Stromdurchgang von einer
Emitterelektrode 2 (als Source) zu einer Kollektorelektrode 3 (oder
Drain) durch eine Gruppe von dünnen Schichten 4+5+6
gesteuert, die den Quantentopf bilden, der selbst durch die
Basiselektrode 7 (oder Gate) gesteuert wird, die allgemein
um einen Mesa 8 angeordnet ist, der die
Emittermetallisierung 2 trägt. Eine Zone 9 trennt den Quantentopf von den
Metallisierungen 2 und 7. Es versteht sich, daß die Schichten
1,9 und 8 selbst Unterschichten mit abgestufter Dotierung,
Plättung und Kontaktabgriffen ... usw. enthalten können, die
nicht dargestellt sind, da sie für das Verständnis nicht
erforderlich sind.
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Gemäß dem bekannten Stand der Technik ist der Quantentopf
4+5+6 in der Ebene der Schichten seitlich nicht begrenzt,
d.h. daß ein bekannter Quantentopf je nach dem Stand der
Technik beim Maskieren nutzbare Seitenabmessungen von
wenigstens gleich 1 oder 2 Mikrometer besitzt, was viel ist.
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Die Materialien dieses Transistors sind vorzugsweise die
Materialien der Gruppe III - V, wie GaAs, AlGa As, InP...
usw., und die zentrale Schicht 4 des Topfes besitzt ein
verbotenes
Band, das schmaler als die der Barriereschichten 5
und 6 ist und nach einigen Vorschlägen des bekannten Standes
der Technik auch schmaler als jenes der Emitterzonen 8 + 9
und der Kollektorzone 1 ist, die Zonen mit einem breiten
verbotenen Band sind.
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Wird eine Abmessung wenigstens in einer Struktur kleiner als
die De-Broglie-Wellenlänge, so treten Quantenphänomene auf.
In einem Quantentopf erfahren die Elektronen aufgrund des
schmalen verbotenen Bandes der Schicht 4 von einer Dicke
kleiner als 20 nm eine potentielle Energie in Topfform, und
ihr günstigster Energiezustand ist der, bei dem sie in dem
Topf sind. Da die Wellenfunktion nur gering in die
Barrierematerialien 5 und 6 eindringen kann - aufgrund des
Tunneleffekts der Quantenmechanik - kann man als erste Annäherung
annehmen, daß sich die Wellenfunktion der Elektronen bei den
beiden Schnittstellen des Topfes aufhebt. Die
Wellenfunktionen als Lösungen der Schrödinger-Gleichung für die Bewegung
senkrecht zu den Schichten sind nun diskret und gequantelt.
Und da die Energie der Elektronenniveaus mit den
Wellenfunktionen verknüpft ist, ist auch die der Bewegung in
Wachstumsrichtung senkrecht zu den Schichten entsprechende
Energie gequantelt.
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Die Bewegung der Elektronen parallel zu den Schichten - d.h.
seitlich in dem Transistor - wird von dieser Quantelung
nicht beeinflußt. Dies ist eine zweidimensionale Bewegung
von freien Teilchen mit zwei Freiheitsgraden.
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Dies ergibt sich deutlicher anhand der Figur 2, die die
Leitungsbandstruktur eines beerdigten Quantentopf-Transistors
mit resonantem Tunneleffekt zeigt. Um die Materialschichten
der Vorrichtung zu markieren, wurden in dem Schaubild die
Bezugszeichen der Figur 1 übernommen. Die Achse z gibt die
Wachstumsachse der Schichten an.
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Die beiden Barrieren 5 und 6 sind im Vergleich zu dem
Material der Emitter- und Kollektorzonen 9 und 1 - z.B. GaAs -
aus einem Halbleitermaterial mit breitem verbotenem Band -
z.B. AlGaAs - gebildet. Das Material des Topfes 4 - z.B.
InGaAs - besitzt ein verbotenes Band, das schmaler ist als
die der anderen Materialien. Der Topf ist hinreichend tief
und breit - 5 bis 20 nm entlang der Achse z -, damit das
Grundenergieniveau E&sub0; unter dem Leitungsband BC des Emitters
liegt.
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Durch die Wahl der Breite des Topfes ist es möglich,
Elektronen in einem als gebunden bezeichneten Zustand streng auf
das Grundniveau E&sub0; zu begrenzen.
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Mittels eines ohmschen Kontaktes an der Basis, der ein
Elektronenreservoir bildet, ist es möglich, die
Oberflächendichte nS von in dem Topf eingefangenen Ladungen zu variieren.
Unter der Wirkung der Spannung VBE zwischen Basis und
Emitter verändert man nämlich den Abstand zwischen dem
Fermi-Niveau EFE in dem Emitter und dem Fermi-Niveau EFB in
der Basis. In dem Maße, wie eine auf dem Grundniveau E&sub0;
eingefangene Ladung unmittelbar an die Differenz EFB - E&sub0;
gebunden ist, moduliert man durch VBE die Oberflächendichte
nS, was auf die Bandkrümmung in dem Topf und damit auf die
Lage des angeregten Niveaus E&sub1;, wodurch das Leiten
sichergestellt wird, in bezug auf die besetzten Emitterzustände
zurückwirkt, die - bei 10 - in erster Annäherung unter dem
Fermi-Niveau EFE des Emitters liegen. Die relative Änderung
zwischen dem festen EFE und E&sub1;, das sich auf gleichem Niveau
geändert hat, ermöglicht es, den Tunnelstrom zwischen dem
Emitter und dem Kollektor zu modulieren, der in Fig. 2 durch
ein Elektron e&supmin;, das die beiden Barrieren 5 und 6
durchquert, symbolisch dargestellt ist.
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Tatsächlich erholt sich ein nicht vernachlässigbarer Teil
von in den Topf injizierten Trägern in einer sehr kurzen
Zeit zu dem Grundniveau E&sub0; hin. Sie sind also auf dem
Grundniveau E&sub0; eingefangen, wobei sie den Betrieb des
Transistors stören, da der daraus resultierende
Emitter-Basis-Strom die Stromverstärkung des Transistors herabsetzt.
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Es ist bekannt, daß es ein Nachteil der Heterostruktur-
Transistoren ist, bei Umgebungstemperatur ein schlechtes
Leistungsvermögen zu besitzen: Da die Barrierehöhen ΔEc
gering sind (300 meV) im Vergleich zu den Schottky-Barrieren
(600-800 meV), oder MOS-Schnittstellen (3eV) oder auch Höhen
verbotener Bänder im Silicium oder GaAs, folgt, daß die
Verlustströme sehr groß sind.
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Die Erholungszeiten zwischen dem angeregten Niveau E&sub1; und
dem Grundniveau E&sub0; sind völlig mit der Lebensdauer infolge
des Tunneleffekts des quasi gebundenen Zustands E&sub1;
vergleichbar. Die relative Leichtigkeit, mit der sich die
Träger von E&sub1; zu E&sub0; erholen, wird anhand der Fig. 3
verständlich, die die Energiezustände E in Abhängigkeit von der
Bewegung K// der Elektronen parallel zu den Oberflächen des
Quantentopfes - d.h. seitlich, bei einem Transistor - zeigt.
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Bei einem Quantentopf unbegrenzten Potentials, der durch
flächenmäßig nicht begrenzte Schichten gebildet ist, erzeugt
die freie Bewegung der Elektronen in den beiden Richtungen
parallel zu den Barrieren ein Kontinuum von Zuständen der
Energieunterbänder: Ein Elektron kann leicht ein optisches
Phonon mit einer Energie von ω&sub1;&sub0; ( = Planck-Konstante/2π,
ω = Winkelgeschwindigkeit) aussenden, um zu den Zuständen
niedriger Energien überzugehen und sich von dem quasi
gebundenen Niveau des Bandes E&sub1; in Richtung auf das gebundene
Niveau des Bandes E&sub0; zu erholen. Diese Relaxation ist
möglich, da der Topf in den beiden Richtungen parallel zu den
Barrieren nicht gequantelt ist, es existieren nur
Energiebänder wie E&sub0; und E&sub1;, und die Energie eines Phonons
entspricht der zwischen zwei Bändern.
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Dies trifft nicht mehr auf einen Quantenkasten-Transistor
gemäß der Erfindung zu, bei dem die Schichten des
Quantentopfes seitlich auf Abmessungen begrenzt sind, die kleiner
als die De-Broglie-Wellenlänge ist. Der Verlust der
Freiheitsgrade in den anderen Richtungen als der
Wachstumsrichtung der Schichten zeigt sich als Quantelung in diskrekte
Zustände in der seitlichen Richtung mit dem Auftreten
diskreter Energieniveaus. Ist der Abstand zwischen den beiden
Niveaus verschieden von der Energie eines Phonons, so ist es
nicht möglich, Übergänge zwischen diesen beiden Niveaus
festzustellen: Es gibt also weniger in dem Topf eingefangene
Elektronen, wobei der Basisstrom geringer und die
Stromverstärkung höher ist.
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Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung eines Quantenkasten-
Transistors gemäß der Erfindung. Dieser Transistor enthält,
getragen von einem Substrat 11 aus einem dotierten Material
III-V wie GaAs eine Mehrzahl von Schichten, deren Wachstum
(Richtung z) sorgfältig gesteuert wird:
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- einen nicht dotierten oder gering dotierten Abstandshalter
12 mit einer Dicke von 30 bis 50 nm aus GaAs vom Typ n,
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- eine nicht dotierte erste Barriere 13 mit einer Dicke von
2nm aus AlxGa1-xAs,
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- einen nicht dotierten Quantentopf 14 mit einer Dicke von
10 nm aus Gay In1-y As, mit y = 0,85,
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- eine zweite Barriere 15 gleich der ersten Barriere,
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- einen Abstandshalter 16 gleich dem Abstandshalter 12,
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- einen Emitter-Mesa 17 aus GaAs, n&spplus;-dotiert, eventuell
durch ein planares Dotieren durch eine Si-Ionenimplantation
im Verlauf des Aufwachsens,
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- einen Kollektorkontakt 18 aus n&spplus;-dotiertem GaAs auf der
Rückseite des Substrats.
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Durch bekannte Techniken, die hier nicht im einzelnen
erläutert zu werden brauchen, wird ein Mesa in die Schichten 16
und 17 des Emitterkontaktes geätzt, und dieser Mesa besitzt
eine seitliche Abmessung parallel zu den Ebenen der
Schichten
zwischen 20 und 50 nm. Auf diesen Mesa wird eine
Emittermetallisierung 19 aufgebracht, und auf den
Kollektorkontakt 18 wird eine Kollektormetallisierung 20 aufgebracht. Am
Fuß des Mesa wird eine Basismetallisierung 21 aufgebracht,
die nicht legiert und von geringer Tiefe ist, damit der
Quantentopf 14 nicht kurzgeschlossen wird: Der Basiskontakt
21 ist in einem Abstand von dem Mesa 16 + 17 vorgesehen, der
in der Größenordnung der Dicke der Schichten 13+14+15 liegt
und bei dem gewählten Beispiel bei 14 nm liegen soll. Die
seitliche Einschließung der Elektronen in der Schicht 14
zwischen den beiden Barrieren 13 und 15 wird durch das
Potential der freien Oberfläche zwischen dem Mesa und dem
Kontakt 21 erhalten.
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Werden Spannungen an die Metallisierungen 19 und 21
angelegt, so wird am Fuß des Mesa eine Austrittszone 22 erzeugt,
die einen Teil des Quantentopfes 14 in einem "Quantenkasten"
einschließt, dessen seitliche Abmessungen parallel zu den
Ebenen der Schichten kleiner als die De-Broglie-Wellenlänge
sind.
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Konkret hängt der Abstand zwischen dem Energieniveau E&sub0; und
dem Energieniveau E&sub1; von den Seitenabmessungen des Kastens,
d.h. der Öffnung des Potentials ab, das die Elektronen
seitlich einschließt: Diese Öffnung liegt bei einer
Phononenenergie von 36 meV in der Größenordnung von 20 nm. Mit
Barrieren aus AlGa As mit einer Dicke von 1,7 nm und einem Topf
aus Ga1-yIny As (y = 0,85) mit einer Höhe von 10 nm erhält
man eine Absenkung des Bodens des Topfes um 150 meV
gegenüber der Unterseite des Leitungsbandes: Bei einem Topf mit
einer Höhe von 10 nm ist diese Versetzung ausreichend, um
das Grundniveau E&sub0; genau zu lokalisieren und die Übergänge
zwischen E&sub1; und E&sub0; unmöglich zu machen, da der Abstand
zwischen diesen beiden Niveaus größer als ω&sub1;&sub0; ist.
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Die geringen Abmessungen eines Transistors gemäß der
Erfindung gebieten es, daß seine Struktur vertikal ist: Dies ist
das einzige in Betracht zu ziehende Mittel, um solche
Abstände wie 1,7 nm sehr genau zu erhalten. Dies bringt es
jedoch mit sich, daß der ohmsche Basiskontakt 21, der
unmittelbar auf die Barriere 15 des Quantentopfes aufgebracht
ist, geringfügig diffundiert ist, damit die Basis- und
Kollektorschichten nicht kurzgeschlossen werden.
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Gemäß dem zuvor dargelegten Funktionsprinzip wird der
Transistoreffekt dadurch erhalten, daß die in dem Topf
eingefangene Raumladung moduliert wird, was durch die Wirkung der
Raumladung eine Veränderung der Lage des Niveaus E&sub1; mit sich
bringt.
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Der erfindungsgemäße Quantentopf-Transistor wird bei der
schnellen Elektronik angewandt, da seine Betriebsfrequenzen
200 GHz erreichen können.