NL8500218A

NL8500218A - Halfgeleiderinrichting met tweedimensionaal ladingsdragergas.

Info

Publication number: NL8500218A
Application number: NL8500218A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1985-01-28
Filing date: 1985-01-28
Publication date: 1986-08-18
Also published as: DE3574434D1; JPS61177782A; JPH07123164B2; US4677457A; EP0191201A1; EP0191201B1

Description

* I 1 PHN 11.265 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Halfgeleiderinrichting met tweedimensionaal ladingsdragergas".

De uitvinding heeft betrekking cp een halfgeleider inrichting roet een halfgeleider lichaam bevattende een lagens truk tuur roet ten minste een hetero-overgang tussen een eerste halfgeleiderlaag met kleinere bandafstand en een tweede halfgeleiderlaag mat grotere bandafstand, 5 waarbij in de eerste halfgeleiderlaag nabij de hetero-overgang door diffusie van ladingsdragers vanuit de tweede halfgeleiderlaag in de eerste halfgeleiderlaag een nagenoeg tweedimensionaal ladingsdragergas wordt gevormd dat praktisch tot een binnen een mesavormig uitstekend deel van de lagenstruktuur gelegen gebied is beperkt, welk mesavormig deel een 10 zijwand heeft die althans gedeeltelijk vrij is van elektroden. Een dergelijke inrichting is bekend uit het boek van Nishizawa "Semiconductor Technologies", Tokyo 1982 p.258-271, in het bijzonder Figuur 19.13.

Daarin worden laterale HEMT (High Electron Mobility Transistor") inrichtingen beschreven waarbij nabij een hetero-overgang tussen een halfge-15 leider laag met kleinere bandafstand en een halfgeleiderlaag roet grotere bandaf stand, in de laag met kleinere bandafstand een tweedimensionaal elektronengas wordt gevormd. Dit kcrnt doordat onder invloed van de nabij de hetero-overgang optredende bandkrarming in het halfgeleidermateriaal roet de kleinere bandafstand op geringe afstand van de hetero-overgang een 20 elektrisch potentiaalmaximum, dat wil zeggen voor elektronen een energie-minimum, optreedt. Door diffusie van elektronen vanuit het materiaal met grotere bandafstand naar het materiaal met kleinere bandafstand ontstaat daar ter plaatse een elektronenwolk van zeer geringe dikte, dus praktisch tweedimensionaal. De daarin aanwezige elektronen hebben een 25 sterk verhoogde beweeglijkheid. Dit laatste is een gevolg van het feit, dat deze elektronen ruimtelijk gescheiden zijn van de donorionen waarvan zij afkoostig zijn. Het tweedimensionale elektronengas vormt in de hier beschreven HEMT-s trukturen het stroankanaal van aanvoerzone naar af voer zone; de elektronenconcentratie ervan kan worden geregeld met be-30 hulp van een tussen de aan- en afvoerelektroden op het kanaalgebied aangebrachte stuurelektrode.

Behalve voor de vervaardiging van laterale transistors waarbij de aan- en afvoerzones zich naast elkaar op de halfgeleiderplaat bevinden, 85 0 0 2 1 8 v * * PHN 11.265 2 kan een dergelijke lagenstruktuur ook in de vorm van een zogenaamde ballistische transistor worden toegepast. Een vertikale ballistische hetero-overgangs trans is tor is bijvoorbeeld beschreven in de gepubliceerde Europese octrooiaanvrage No. 0084393 A2. Daarbij bevindt zich een zeer dunne 5 eerste halfgeleiderlaag met kleinere bandafstand tussen een als afvoer-elektrode dienende tweede halfgeleiderlaag met grotere bandafstand en een als aanvoerelektrode dienende derde halfgeleiderlaag. In de dunne, eerste halfgeleiderlaag vormt zich het tweedimensionale elektronengas, dat als stuurelektrode fungeert en waarvan de potentiaal bepaald wordt door een 10 op de eerste halfgeleiderlaag aangebracht aansluitcontact. De ladingsdragers die zich van aanvoerelektrode naar afvoerelektrode bewegen steken praktisch zonder wisselwerking met het tweedimensionale elektronengas de eerste laag over. De stroon van aanvoerelektrode naar afvoerelektrode staat hier dus praktisch loodrecht op het tweedimensionale elektronengas, 15 en wordt geregeld door via het aansluitcontact de potentiaal van het elektronengas te variëren.

Het is in het algemeen gewenst, het actieve deel van de halfgeleider inrichting, waarbinnen zich het tweedimensionale ladingsdragergas bevindt te beperken tot een bepaald gebied, bijvoorbeeld tot het kanaal-20 gebied van een HEMT inrichting. Daartoe wordt in bekende inrichtingen dit gebied meestal beperkt tot een mesavoimig deel van de lagens truktuur. Bij bekende inrichtingen is deze mesa geheel door de eerste halfgeleiderlaag met kleinere bandafstand heen geëtst. Ofschoon hierdoor het tweedimensionale ladingsdragergas op effectieve wijze tot het gebied van de 25 mesa wordt beperkt, heeft een dergelijke struktuur belangrijke nadelen.

De eerste halfgeleiderlaag eindigt dan namelijk aan de zijwand van de mesa. Daardoor verkrijgt deze eerste halfgeleiderlaag een nieuw (rand) oppervlak met bijbehorende bandkrcraning. Tengevolge van de invangcentra ("traps") die zich altijd aan of nabij een dergelijk oppervlak bevinden zullen nabij 30 de rand van de mesa ladingsdragers uit het tweedimensionale ladingsdrager-gas verdwijnen, en zal daar ter plaatse de eerste halfgeleiderlaag met kleinere bandafstand haar geleidbaarheid grotendeels verliezen. Het is duidelijk dat dit nadelig is vooral in die gevallen waar het tweedimensionale ladingsdragergas de hoofdstroom van de inrichting moet voeren.

35 Wanneer de afmetingen van het mesavormig uitstekend deel van de lagen-struktuur zeer klein zijn, kan het geleidingsvermogen van de eerste halfgeleiderlaag met kleinere bandafstand zelfs nagenoeg tot nul worden gereduceerd doordat vrijwel alle ladingsdragers in de (rand) -oppervlaktelaag 85 0 0 2 1 8 PEN 11.265 3 i . J - zijn verdwenen.

De uitvinding beoogt onder meer, een half geleider inrichting van de beschreven soort te verschaffen met een nieuwe struktuur, waarin enerzijds het tweedimensionale ladingsdragergas wal praktisch beperkt wordt 5 tot het mesavormig uitstekende deel van de lagenstruktuur, anderzijds echter vermeden wordt dat ladingsdragers verdwijnen resp, ingevangen worden nabij de rand van de mesa.

Een halfgeleiderinrichting van de in de aanhef beschreven soort is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat althans ter plaatse van 10 rhet vrij liggend deel · de zijwand van het mesavormig deel zich tot binnen de tweede half gele ider laag met grotere bandafstand, doch niet tot aan de eerste halfgeleider laag met kleinere bandafstand uitstrekt.

De uitvinding berust aider meer op het inzicht, dat een effectieve beperking van het tweedimensionale ladingsdragergas tot de mesa 15 kan worden verkregen wanneer de mesa zich beperkt tot de tweede half geleider laag, dus niet tot in, of door de eerste half geleiderlaag heen, wordt geëtst. Het ontstaan van een nieuw randoppervlak van de eerste half geleiderlaag met bijbehorende invangcentra gepaard gaande met de hierboven beschreven nadelen wordt hierdoor vermeden, terwijl de inrich-20 ting voor het overige geheel op gebruikelijke wijze kan worden bedreven en ook alle verdere voordelen van bekende inrichtingen van deze soort behoudt.

Opgemerkt wordt, dat in deze aanvrage onder de zijwand van de • mesa wordt verstaan het niet evenwijdig aan de hetero-overgang en aan het 25 bovenvlak lopende randvlak van de mesa.

Het tweedimensionale ladingsdragergas kan uit elektronen of uit gaten bestaan, afhankelijk van de materialen en geleidingstypen van de genoemde halfgeleiderlagen. Aangezien in het algemeen de beweeglijkheid van elektronen groter is dan die van gaten zal, in het bijzonder voor 3Q toepassingen waarbij de stroomgeleiding geschiedt door het tweedimensionale ladingsdragergas, de half geleiderlaag net grotere bandafstand, die de ladingsdragers moet leveren, althans ten dele N-type geleidend zijn.

Daarbij dient ter plaatse van de hetero-overgang de onderkant van de ge-leidingsband in de eerste halfgeleiderlaag lager dan in de tweede halfge-35 leiderlaag en lager dan het Fermi-niveau te liggen, zodat zich in de eerste halfgeleiderlaag een energieminimum voor elektronen bevindt, en aldaar een tweedimensionaal elektronengas wordt gevormd. In de praktijk wordt daarbij bij voorkeur als materiaal voor de N-type geleidende tweede 8500218 5 PHN 11.265 4 < * half geleider laag met grotere bandaf stand gallium-aluminiumarsenide, en als materiaal voor de eerste halfgeleiderlaag met kleinere bandafstand galliumarsenide gekozen. Van deze materialen zijn de technologische en elektrische eigenschappen gunstig, en goed bekend. Echter, ook andere 5 halfgeleidermaterialen, hetzij andere III-V of II-VI- verbindingen of mengkristallen daarvan, hetzij elementaire halfgeleiders zoals bijvoorbeeld germanium of silicium kunnen voor êên of voor beide van- de .'.genoemde eerste en tweede halfgeleiderlagen worden toegepast.

Wanneer dit technologisch gezien (bijvoorbeeld bij gebruik van 10 halfgeleidermaterialen die gemakkelijker p- dan n-gedoteerd kunnen worden), of cm andere redenen de voorkeur verdient, kan een inrichting net een tweedimensionaal gatengas worden toegepast. Het deel van de tweede halfgeleiderlaag met grotere bandafstand dat de gaten levert is dan P-gelei-dend, terwijl ter plaatse van de hetero-overgang de bovenkant van de va-15 lentieband in de eerste halfgeleiderlaag hoger dan in de tweede halfgeleiderlaag en hoger dan het Fermi-niveau moet liggen, zodat zich in de eerste halfgeleiderlaag een "gatengas" kan vormen.

Wanneer de halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding een transistor is waarbij het tweedimensionale ladingsdragergas het stroomkanaal 20 vormt, heeft de tweede halfgeleiderlaag met grotere bandafstand met voordeel een zodanige dotering en dikte dat zij in de bedrij fstoestand praktisch geheel gedepleerd is. Daardoor verloopt de stroon van aanvoerelek-trcde naar afvoerelektrode geheel via het ladingsdragergas, dat in het algemeen uit ladingsdragers met grote beweeglijkheid bestaat.

25 Een verdere belangrijke voorkeursuitvoering is daardoor geken merkt, dat de tweede halfgeleiderlaag een samengestelde laag is, met tenminste een eerste deellaag die aan de hetero-overgang grenst en ongedoteerd is, en een daaraan grenzende gedoteerde tweede deellaag die de ladingsdragers voor het tweedimensionale ladingsdragergas levert, waar-30 bij de zijwand van de mesa zich ten hoogste tot aan de eerste deellaag uitstrekt. Deze eerste deellaag dient ertoe, on de activatorionen (donor— respectievelijk acceptor ionen) van de tweede deellaag verder van het tweedimensionale ladingsdragergas te verwijderen en zodoende de beweeglijkheid van de zich daarin bevindende ladingsdragers te vergroten.

35 Met de uitdrukking "ongedoteerd" wordt hier bedoeld: niet op zettelijk gedoteerd. Dit wil dus niet zeggen dat een ongedoteerde laag in het geheel geen donors of acceptors bevat.

De eerste halfgeleiderlaag met kleinere bandafstand zal in het 8500218 I · PHN 11.265 5 algemeen zijn aangehracht op een substraat. Hiertoe zal bij voorkeur een praktisch isolerend substraat uit bijvoorbeeld halfisolerend galliumar-senide worden gekozen, eventueel voorzien van een buff erlaag teneinde het epitaxiaal aangroeien van de lagenstruktuur zo veel mogelijk dislo-5 catievrij te doen plaatsvinden.

Wanneer de tweede halfgeleiderlaag met grotere bandafstand uit een moeilijk te contacteren materiaal bestaat zoals bijvoorbeeld gallium-aluminiumarsenide, kan het van voordeel zijn om althans ter plaatse van een aan te brengen contact de tweede halfgeleiderlaag te voorzien van 10 een hooggedoteerde contactlaag uit een ander halfgeleidermateriaal, bijvoorbeeld galliumarsenide.

De uitvinding is van bijzonder belang in halfgeleider inrichtingen waarbij , gerekend in een richting evenwijdig aan de hetero-overgang, de kleinste afmeting van het mesavormig deel van de lagenstruktuur klei-15 ner is dan 2^um. Bij dergelijke kleine afmetingen is, zoals eerder uiteengezet, het gevaar van eliminatie van het gehele tweedimensionale ladingsdragergas door invang van ladingsdragers bij de rand van de mesa het meest acuut, aangezien dan elk punt van de mesa dicht bij de rand gelegen is. Dit geldt in zeer sterke mate voor mesa's met afmetingen 20 kleiner dan 0,5^um, waar genoemde eliminatie bij inrichtingen van de bekende struktuur onder vrijwel alle omstandigheden zal optreden.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden en de tekening, waarin

Figuur 1 schematisch in bovenaanzicht een halfgeleiderinrich-25 ting volgens de uitvinding weergeeft,

Figuur 2a en 2b schematisch dwarsdoorsneden in de richtingen II-II en III-III tonen door een halfgeleiderinrichting met bekende struktuur en met een bovenaanzicht volgens Figuur 1,

Figuur 3a en 3b schematisch dwarsdoorsneden in de richtingen 30 II-II en III-III tonen door een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding en met een bovenaanzicht volgens Figuur 1,

Figuur 4 het verloop van de energiebandstruktuur toont in een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding,

Figuur 5 schematisch een bovenaanzicht toont van een andere 35 halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding en

Figuur 6 schematisch een dwarsdoorsnede toont van de halfgeleiderinrichting van Figuur 5 in de richting VI-VI.

De figuren zijn zuiver schematisch en niet op schaal getekend, $ R i) f\ ^ o O ^ -J -J _ J 0 PHN 11.265 6 waarbij in het bijzonder de afmetingen in de dikterichting overdreven zijn voorgesteld. In de dwarsdoorsneden zijn halfgeleidergebieden met hetzelfde geleidingstype in de regel in dezelfde richting gearceerd. Overeenkomstige delen zijn in de figuren in de regel met dezelfde verwijzings-5 cijfers aangeduid.

Figuur 1 geeft schematisch een bovenaanzicht van een halfgelei-derinrichting met een tweedimensionaal ladingsdragergas, in dit voorbeeld van het HEMT-("High Electron Mobility Transistor") type. In de figuren 2A en 3A zijn schematisch dwarsdoorsneden volgens de lijnen II-II en 10 III-III van Figuur 1 getekend zoals deze zich voordoen bij een ΗΕΜΓ-inrichting van het bekende type.

De inrichting heeft een halfgeleiderlichaam dat een lagenstruk-tuur bevat met een in dit voorbeeld qp een substraat 10 gelegen, eerste half geleiderlaag 1 met kleinere bandafstand en een tweede halfgeleider-15 laag 2(A,B) met grotere bandafstand. De eerste en tweede half geleiderlaag vormen waar zij aan elkaar grenzen een· hetero-overgang 3. Door diffusie van ladingsdragers vanuit de tweede half geleider laag 2 in de eerste half geleider laag 1 ontstaat, zoals hieronder aan de hand van Figuur 4 nader zal worden uiteengezet, in de eerste half geleider laag 1 nabij de 20 hetero-overgang 3 een wolk 4 van ladingsdragers waarvan de dikte zeer gering is ten opzichte van zijn oppervlak, zodat deze wolk als een nagenoeg tweedimensionaal ladingsdragergas kan worden beschouwd. Dit tweedimensionale ladingsdragergas 4 is in de getekende dwarsdoorsneden gestippeld aangegeven, en is praktisch tot een binnen een mesavormig uit-25 stekend deel 5 van de lagenstruktuur gelegen gebied beperkt. De cmtrek van het bovenvlak van dit mesavormig deel 5 is in Figuur 1 met een getrokken lijn aangegeven.

Qp de mesa 5 zijn aangebracht ohmse aan- en afvoerelektroden S en D, die gelegeerd zijn en via de legeringsgebieden 7 en 8 contact maken 30 met het tweedimensionale ladingsdragergas 4. Tussen de aan- en afvoerelektroden bevindt zich een stuurelektrode G die via een sperlaag (Schottky-overgang, pn-overgang of isolerende laag) met de tweede halfge-leiderlaag 2A, B is verbonden. De mesa 5 heeft een zijwand 6 die althans ten dele vrij is van elektroden.

35 In Figuur 4 is schematisch het verloop van de geleidings- en valentieband in de lagen 1, 2A en 2B van de beschreven lagenstruktuur weergegeven. Daarbij is bij wijze van voorbeeld aangenomen dat de laag 1 uit ongedoteerd, dat wil zeggen niet met opzet gedoteerd, gallium-arsenide

85 0 0 2 H

ΡΗΝ 11.265 7 η bestaat en dat de lagen 2A en ZB beide uit galliumraluminiumarsenide met de samenstelling A1Q ^Gao 7^ bestaan. De laag 2A is ongedoteerd, de laag 2B is N-type gedoteerd, met een siliciumdotering van bijvoor- 18 3 beeld 10 atanen per cm . De dikten van de lagen 1, 2A en 2B bedragen 5 respectievelijk 2^um, 20 nm en 40 m.

Zoals in Figuur 4 (getrokken lijnen) te zien is ligt ter plaatse van de hetero-overgang 3, tussen de lagen 1 en 2A, de onderkant (E ) van de geleidingsband in de laag 1 beneden de onderkant van de geleidingsband in de laag 2 en beneden het Fermi-niveau Ep. Daardoor kunnen elektronen 10 vanuit de laag 2A via de laag 2B in de laag 1 diffunderen, waar zij nabij de hetero-overgang 3 in energie toes tanden beneden Ep terecht kenen (in Figuur 4 gearceerd aangegeven) en daar het eerder genoemde tweedimensionale ladingsdragergas, in dit voorbeeld dus een elektronengas (4) vormen.

15 De donorionen in de laag 2B die de elektronen voor dit elektro nengas hebben geleverd zijn in Figuur 4 schematisch met "Np" aangeduid.

De ongedoteerde laag 2A dient ertoe, deze ionen neg verder van het elektronengas 4 te verwijderen en zo de elektronenbeweeglijkheid daarin te verhogen. Beslist noodzakelijk is deze laag 2A echter niet.

20 Bij de bekende inrichting, waarvan de dwarsdoorsneden in Figuur 2a en Fig. 3a zijn getekend strekt de zijwand 6 van het mesavormig deel 5 zich door de tweede halfgeleiderlaag 2(A,B) endoor de eerste halfgeleider laag 1 heen uit tot in het substraat 10. Op de plaatsen waar de aan-en afvcerelektreden (S,D,7,8) niet aanwezig zijn strekt het ladingsdra-25 gergas 4 zich uit tot aan de zijwand 6. Door kristalfouten, geadsorbeerde atomen enz. met bijbehorende invangcentra die nabij het oppervlak 6 aanwezig zijn, kunnen nabij dit oppervlak alle of bijna alle ladingsdragers van het ladingsdragergas 4 worden ingevangen, zodat voor de geleiding geen ladingsdragers meer beschikbaar zijn. Bij een zeer kleine doorsnede 30 van de mesa 5 kan het tweedimensionale ladingsdragergas 4 zodoende zelfs geheel verdwijnen.

Figuur 2b en Figuur 3b tonen schematisch eveneens dwarsdoorsneden volgens de lijnen II-II en III-III bij een gelijksoortige halfgelei-derinrichting, waarvan het bovenaanzicht eveneens door Figuur 1 wordt 35 weergegeven. In tegenstelling echter tot de figuren 2a en 3a stellen de figuren 2b en 3b dwarsdoorsneden van een inrichting volgens de uitvinding voor.

Volgens de uitvinding, zie Fig. 2b, strekt zich althans het van 85 0 0 1 1 g PHN 11.265 8 elektroden vrij liggende gedeelte van de zijwand 6 van het .mesavormig deel 5 van de lagenstruktuur tot binnen de tweede halfgeleiderlaag 2 net grotere bandafstand, doch niet tot aan de eerste halfgeleiderlaag 1 net kleinere bandafstand uit. Ofschoon in dit geval het tweedimensionale 5 ladingsdragergas 4 niet door de zijwand 6 met de daarmee verbonden in-vangcentra voor elektronen of gaten wordt gesneden wordt het ladingsdragergas toch praktisch tot het gebied van de mesa 5 beperkt. Buiten de mesa komt namelijk het oppervlak 6 zo dicht bij de hetero-overgang 3, dat de donorionen in de tweede halfgeleiderlaag 2A,B grotendeels zijn verdwe-10 nen, en mede door de optredende bandkronirting geen tweedimensionaal elektronengas ontstaat. Zie Figuur 4, waarin de gestippelde lijnen en E^. het verloop van de geleidings- en valentiebandkanten aangeven voor het geval dat de dikte van de laag 2B buiten de mesa 5 nul, of althans zeer gering is. Er is dan in de eerste halfgeleiderlaag 1 nabij de hetero-15 overgang 3 geen energieminimum voor de ladingsdragers aanwezig, en de vorming van een tweedimensionaal elektronengas blijft mede daardoor achterwege.

In het beschreven uitvoeringsvoorbeeld volgens Figuur 2b en 3b kan het substraat 10 bijvoorbeeld uit halfisolerend gallium-arsenide met 20 zeer hoge soortelijke weerstand bestaan, eventueel voorzien van een aangegroeide bufferlaag van galliumarsenide om het epitaktisch aangroeien van de verdere lagenstruktuur te vergemakkelijken. Daarop wordt aangegroeid een bijvoorbeeld 2^um dikke laag 1 van ongedoteerd galliumarsenide, gevolgd door een 20 nm dikke ongedoteerde laag 2A van Al Ga- _ As met 25 bijvoorbeeld x= 0,3, een N-type geleidende laag 2B van hetzelfde half ge- 18 leidermateriaal maar met een datering van bijvoorbeeld 10 Si-atomen 3 per cm en een dikte van bijvoorbeeld 40 nm, en daarop bij voorkeur nog een toplaag 11 van hooggedoteerd galliumarsenide waarop de aan- en afvoer-elektroden worden aangebracht, aangezien op Al Ga- As niet gemakkelijk

X I "“X

30 ohmse contacten kunnen worden aangebracht. Buiten de aan- en afvoerelek-troden kan de laag 11 verwijderd worden. Een s tuur elektrode G bevindt zich verder tussen de aan- en afvoerelektroden (S,D,7,8) en vormt met de laag 2B bijvoorbeeld een gelijkrichtend Schottky-contact, waarmee de geleidbaarheid van het tweedimensionale elektronengas wordt gestuurd. Een 35 aldus opgebouwde ΗΕΜΓ-inrichting kan zowel voor bedrijf in de verrijkings-als in de verarmingsmode worden uitgevoerd, op dezelfde wijze als in de eerder genoemde publikatie "Semiconductor Technologies" van Nishizawa in Section 19.3, blz. 265-266 voor bekende inrichtingen wordt beschreven.

85 0 0 2 1 8 Λ ΡΗΝ Π.265 9

Als materiaal voor de aan- en afvoerelektroden kan bijvoorbeeld Au-Ge/Au, als materiaal voor de stuurelektrode Ti/Vt/Aa. worden toegepast, maar ook andere metalen of legeringen kunnen worden gebruikt. Het oppervlak en de zijwand van de mesa kunnen buiten de elektroden desgewenst van een isola-5 tielaag worden voorzien.

Geschikte waarden voor de gekozen dikten zijn bijvoorbeeld voor de laag 1 : 1,5- 4,5^,um, voor de laag 2A: 5-40 nm (en x = 0,2 - 1) en voor de laag 2B een dikte van 30-60 nm, bij voorkeur zodanig dat de laag {2A, B) in bedrijf geheel gedepleerd is.

10 De figuren 5 en 6 tonen een andere uitvoeringsvorm van de half geleider inrichting volgens de uitvinding. Figuur 5 toont in bovenaanzicht, en Figuur 6 toont schematisch in dwarsdoorsnede volgens de lijn VI-VI een zogenaamde ballistische transistor.

Evenals de halfgeleiderinrichting volgens het eerder beschreven 15 voorbeeld bevat deze halfgeleiderinrichting een eerste halfgeleiderlaag 1 met kleinere bandaf stand en een daarmee een hetero-overgang 3 vormende tweede halfgeleiderlaag 2 met grotere bandaf stand. De laag 1 is in dit voorbeeld een ongedoteerde laag gallium-arsenide, met een dikte van bijvoorbeeld 50 nm. De laag 2 is een n-type laag gallium-aluminiumarsenide 18 20 met de samenstelling A1Q ^ Gag η een datering van bijvoorbeeld 10 Si-atonen per cm3 en een dikte van 100 nm. De laag 11 is een sterk N-gedoteerde contactlaag van gallium-arsenide. Deze contactlaag 11 is voorzien van een anodecontact A, de laag 1 is voorzien van een ringvormig stuurcontact G en het substraat is voorzien van een kathodecontact K. Het 25 substraat bestaat in dit voorbeeld uit een hooggedoteerde N-type geleidende laag 20 van gallium-arsenide met daarop een ongedoteerde laag 22 van gallium-aluminiumarsenide met een dikte van bijvoorbeeld 25 nm. Buiten de contacten is het halfgeleideroppervlak bedekt met een isolerende laag 21, bijvoorbeeld van siliciumoxide.

30 Ook hier vormt zich, eventueel onder invloed van het aangelegde veld tussen kathode en anode, in de laag 1 een tweedimensionaal elektronengas 4, waarvan de potentiaal met behulp van het stuurcontact G kan worden veranderd.

De laag 1 is voldoende dun om het raogelijk te maken, dat elektro-35 nen die onder invloed van het dwars op de laag 1 aangelegde veld tussen anode en kathode vanuit de laag 20 via de laag 22 in de laag 1 geïnjecteerd worden deze laag 1 praktisch zonder wisselwerking met andere deeltjes of phononen, d.w.z. "ballistisch", doorlopen. De laag 22 dient

85 0 0 :? ’ R

» PHN 11.265 10 ervoor om deze elektronen voldoende energie te geven om als "hete" elektronen de laag 1 te doorlopen. Het tweedimensionale elektronengas 4 dient -daarbij als stuurelektrode om de elektronenstroom van kathode naar anode te besturen, zoals onder meer in de eerder genoemde Europese octrooi-5 aanvrage EP 84393 van Aanvraagster is uiteengezet.

Het tweedimensionale elektronengas 4 is ook hier beperkt tot een gebied, gelegen binnen de mesavormige struktuur waarvan de rand met 5 is aangegeven. Ook hier bestaat het gevaar, dat de elektronen van het 2D-elektronengas 4 althans voor een deel door oppervlakte-effecten ver-10 dwijnen, wanneer de zijwand 6 van de mesa zich door de eerste halfgelei-derlaag 1 heen uitstrekt en zodoende een randvlak van deze laag gaat vormen. Volgens de uitvinding echter strekt de zijwand 6 (zie Figuur 6) zich niet uit tot in de laag 1, maar blijft de onderzijde van de mesa 5 op enige afstand van de hetero-overgang 3 waardoor het genoemde probleem 15 wordt vermeden.

De hier gegeven uitvoeringsvorm van een ballistische transistor is de eenvoudigste vorm en dient alleen om het nut van de uitvinding ook in dit geval te illustreren. In de praktijk zullen in ballistische transistors vaak nog meerdere lagen aanwezig zijn terwijl de laag 2 evenals 20 in het vorige voorbeeld uit meerdere lagen zou kunnen bestaan, onder meer om de elektronen van het 2D-elektronengas beter van de donorionen in de laag 2 te scheiden.

Het zal duidelijk zijn, dat de uitvinding niet beprkt is tot de gegeven uitvoeringsvoorbeelden doch dat zij kan worden toegepast in alle 25 gevallen, waarin het tweedimensionale ladingsdragergas in contact met het randoppervlak van een mesa door invang van ladingsdragers nabij dit oppervlak geheel of gedeeltelijk geëlimineerd zou kunnen worden. Verder kunnen in plaats van de materialen GaAs en Al^Ga^ _xAs die in de beschreven voorbeelden zijn toegepast andere halfgeleidermaterialen met onder-30 ling verschillende bandafstand worden toegepast. Hiervoor kanen onder meer in aanmerking andere III-V verbindingen en rtengkr is tallen daarvan, bijvoorbeeld InP, InAs, InSb, GaP, GaSb enz., II-VI verbindingen en meng-kristallen daarvan, bijvoorbeeld CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnO enz. of elementaire halfgeleiders zoals Ge en Si. Daarbij kan·het onder omstandig-35 heden voorkomen, dat in plaats van een tweedimensionaal elektronengas een tweedimensionaal gatengas wordt toegepast, waarbij in de beschreven inrichtingen N-geleidende lagen door P-geleidende lagen zullen worden vervangen onder gelijktijdige omkering van de aangelegde spanningen.

8 5 0 0 2

Claims

1. Halfgeleiderinrichting met een halfgeleiderlichaam bevattende een lagenstruktuur met ten minste een hetero-overgang tussen een eerste half geleiderlaag met kleinere bandafstand en een tweede halfgeleider laag met grotere bandaf stand, waarbij in de eerste halfgeleiderlaag nabij de 5 hetero-overgang door diffusie van ladingsdragers vanuit de tweede halfgeleiderlaag in de eerste halfgeleider laag een nagenoeg tweedimensionaal ladingsdragergas wordt gevormd dat praktisch tot een binnen een mesavor-mig uitstekend deel van de lagenstruktuur gelegen gebied is beperkt, welk mesavormig deel een zijwand heeft die althans gedeeltelijk vrij is 10 van elektroden, met het kenmerk, dat althans ter plaatse van dit vrij-liggende deel de zijwand van het mesavormig deel zich tot binnen de tweede half geleiderlaag met grotere bandaf stand, doch niet tot aan de eerste halfgeleiderlaag met kleinere bandaf stand uitstrekt.

2. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, 15 dat de tweede halfgeleiderlaag met grotere bandafstand althans ten dele N-type geleidend is, en ter plaatse van de hetero-overgang de onderkant van de geleidingsband in de eerste halfgeleiderlaag lager dan de onderkant van de geleidingsband in de tweede halfgeleiderlaag en lager dan het Fermi-niveau ligt, zodat in de eerste halfgeleiderlaag een tweedi-20 mensionaal elektronengas wordt gevormd.

3. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de tweede halfgeleiderlaag met grotere bandafstand uit N-type gallium-aluminiumarsenide, en de eerste halfgeleiderlaag met kleinere bandafstand uit galliumarsenide bestaat.

4. Halfgeleiderinrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de tweede halfgeleiderlaag met grotere bandafstand een samengestelde laag is bevattende ten minste een aan de hetero-overgang grenzende, ongedoteerde eerste deellaag en een daaraan grenzende gedoteerde tweede deellaag die de ladingsdragers van het tweedimensionale 30 ladingsdragergas levert.

5. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 4, met het kennerk, dat de zijwand van het mesavormig deel zich ten hoogste tot aan de ongedoteerde eerste deellaag uitstrekt.

6. Halfgeleiderinrichting volgens een der voorgaande conclusies, 35 waarbij het tweedimensionale ladingsdragergas het stroomkanaal van een transistor van het HEMT-type vormt, met het kenmerk dat de tweede halfgeleiderlaag met grotere bandafstand een zodanige doteringsconcentratie en dikte heeft dat zij in de bedrijfstoestand praktisch geheel gedepleerd S * n 0 ? 1 8 PHN 11.265 12 J · "·> is.

7. Halfgeleiderinrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de eerste half geleider laag met kleinere bandafstand is aangebracht op een substraat dat althans ten dele uit half isolerend 5 galliumarsenide bestaat.

8. Halfgeleiderinrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de tweede halfgeleiderlaag voorzien is van een hoog-gedoteerde contactlaag van een ander halfgeleidermateriaal.

9. Halfgeleiderinrichting volgens conclusies 3 en 8, net het ken-10 merk, dat de contactlaag bestaat uit galliumarsenide.

10. Halfgeleiderinrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de kleinste afmeting van het mesavormig deel van de lagenstruktuur in een richting evenwijdig aan de hetero-overgang kleiner is dan 2^um. 15 20 25 30 35 85 0 0 2 18