WO1997005661A1 - Modulation-doped field-effect transistor with a composition-modulated barrier structure - Google Patents

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WO1997005661A1
WO1997005661A1 PCT/DE1996/001427 DE9601427W WO9705661A1 WO 1997005661 A1 WO1997005661 A1 WO 1997005661A1 DE 9601427 W DE9601427 W DE 9601427W WO 9705661 A1 WO9705661 A1 WO 9705661A1
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barrier layer
modulation
effect transistor
field effect
doped field
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PCT/DE1996/001427
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Inventor
Karl-Heinz Bachem
Lester F. Eastman
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/778Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7782Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET
    • H01L29/7783Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET using III-V semiconductor material

Definitions

  • the invention relates to a modulation-doped field effect transistor with a channel layer, on which a barrier layer is applied, which is lattice-matched to the crystal structure of the channel layer, which is composed of a mixed crystal structure and has a doping.
  • Modulation-doped field effect transistors are further developed field effect transistors whose conductive channel through which the source / drain current flows is undoped, whereas the barrier layer adjoining the channel layer has dopants in a characteristic manner.
  • the doping is placed in the barrier layer, for example, in atomically sharp planes, so-called delta doping, so that the banding pattern in the barrier layer can be influenced in a characteristic manner, which, as will be explained in more detail later, also results in the banding pattern in ⁇ is "bent" within the channel area in such a way that energetic conditions result in this area, which preferably lead to the formation of 2-dimensional electron gas densities.
  • a special technical quality feature of MODFET Components is the very high achievable 2-dimensional electron gas density in the current-carrying channel area.
  • the electron gas density that forms limits the maximum current in the component given the width of the component and thus the channel, which essentially determines the microwave power available at the output of the component.
  • an essential aspect of the development work on MODFET components is aimed at developing semiconductor structures which permit the formation of ever larger 2-dimensional electron gas densities in the current-carrying channel region.
  • a second, essential quality criterion of the components in question is the dielectric strength of the barrier structure lying between the control electrodes and the channel area.
  • the dielectric strength of the barrier structure determines the operating voltage level of the component, which as a second factor significantly influences the microwave power available on the component.
  • the compound GalnP has become known for use for the barrier structure. It has been shown that the advantageously modified MODFET has better noise behavior than its predecessor and, moreover, is easier to manufacture.
  • the epitaxial deposition of the barrier layer is considerably simplified.
  • aluminum-free structures with the gas-phase epitaxy which is particularly suitable for mass production with organometallic source materials are easier to produce in the industrial sector.
  • the combination of phosphidic and arsenid layers in one structure offers advantages in terms of production technology, especially since certain etching selectivities can be advantageously used in the structuring of the components.
  • the invention is based on the object of further developing a modulation-doped field effect transistor with a channel layer on which a barrier layer which is matched to the crystal structure of the channel layer and which is composed of a mixed crystal structure and has a doping is applied, so that on the one hand the electron density determining the performance increase of the component is increased and on the other hand the breakdown voltage between the channel and the control electrode connections, which is also important for the quality of the component, is optimized.
  • These optimizations should, if possible, be carried out in such a way that the element aluminum, which has the disadvantages mentioned, can be dispensed with.
  • the production of such an optimized component should also be suitable for production on an industrial scale without great technical effort, so that the pro- production costs can be kept as low as possible.
  • an undoped buffer layer is on a semi-insulating substrate layer 1
  • layers 1 and 2 consist of GaAs. Of course, alternative substrate materials can also be used.
  • a barrier structure 4 which consists of GalnP, is applied to the channel layer 3 in a lattice-adapted manner.
  • a doped barrier region 5 is provided within the barrier structure 4 and is, for example, offset with suitable doping atoms within an atomically sharp plane in accordance with a delta doping.
  • Contact layers 6 made of highly doped GaAs are also provided on the barrier structure 4, on which the ohmic contacts 7 are provided for the source and drain connections. In the center of the ohmic contacts 7, a control electrode 8 made of metal is placed directly on the barrier structure 4, via which the gate voltage can be applied.
  • FIG. 2 shows the associated band diagram for the known MODFET structure shown in FIG. 1.
  • the energetic see tape runs through the layers 2 to 6 described above.
  • the axis of abscissa X represents the cross-sectional line through the layer structure, the energy values of the associated band profiles are plotted on the ordinate.
  • a lowering of the conduction band edge energy within the channel layer is to be carried out in a known manner by a targeted increase in the doping within the barrier structure.
  • the reference symbol ED represents the local and energetic position of the donor state introduced in isolation in the barrier layer structure 4.
  • the characteristic course of the conduction band edge energy between the channel layer 3 and the barrier structure 4 is commonly referred to as conduction band edge discontinuity, the size and nature of which can be derived from the Maxwellian relationships.
  • Dopant concentration is increased within the doping introduced locally in the barrier layer 4.
  • FIG. 3 top representation, in which a diagram representation comparable to FIG. 2 is shown.
  • the different band energy profiles a, b and c correspond to different levels of doping within the barrier layer 4, where b represents the highest doping.
  • the curve a corresponds to a vanishingly small doping in the barrier 4 (see also the very thin line for the donor state). In this case, channel 3 is almost free of charge carriers. For the curves b and c there are higher dopings accepted.
  • the conduction band edge energy in the channel now touches the Fermi level, see curve b, or is below the Fermi level, see curve c within the channel layer.
  • Curve c shows the case of the highest possible electron concentration within the channel layer. This case arises when the minimum of the conduction band edge energy within the barrier layer 4 is only a few lOmeV above the Fermi level.
  • a further increase in the electron concentration within the channel layer by increasing the doping is not possible, especially since a further increase in the doping would not allow the conduction band edge energy within the barrier structure to be set at the Fermi level. Rather, the conduction band drops below the Fermini level, as a result of which an electron gas would likewise form in the barrier layer in the vicinity of the minimum.
  • the above considerations are now based on the usual assumption that the ratio of gallium and indium within the barrier structure layer is 50% in each case. This relationship can also be seen from the lower representation in FIG. 3, from which the composition factor x of GaxInl-xP is plotted in relation to the barrier thickness.
  • the lattice-matched GalnP barrier layer 4 in which the Ga content is equal to the In content, can be replaced by a so-called pseudomorphic GaAnP barrier layer with an increased Ga content.
  • the Ga content has been increased uniformly in the entire barrier layer 3 by more than 50% content.
  • the use of this measure leads to the problem that an increase in the Ga content changes the lattice structure of the GalnP barrier material in such a way that lattice-adapted growth of the barrier layer material increased in the Ga content is not possible without lattice dislocations over large layer thicknesses.
  • the GaAs buffer layer has a cubic lattice cell structure
  • the modified GalnP lattice has a tetragonal lattice cell structure.
  • a growth of larger layer thicknesses on the buffer layer material is therefore not possible without the formation of internal mechanical crystal stresses, which relax when certain mechanical limit stresses are exceeded, i.e. the crystal lattice assumes its original lattice constant, which ultimately results in an unusable component.
  • the maximum growth thickness up to which no relaxation processes occur is also referred to as the critical layer thickness.
  • barrier layer Thicknesses of approximately 20 nm may therefore only be raised slightly above 50%, so that internal stresses are avoided as far as possible in order to adapt the critical layer thickness to the desired layer thickness. Due to the only slight increase in the Ga content, the above-described effect of increasing the bandgap is only very slight.
  • a modulation-doped field effect transistor with a channel layer, on which a barrier layer, which is lattice-matched to the crystal structure of the channel layer, is applied, which is composed of a mixed crystal structure and has a doping, is further developed in that the ratio of the element composition of the mixed crystal is such It is location-dependent that the ratio has an extreme value at least at one point within the barrier layer.
  • the Ga content of the mixed crystal within the barrier layer is location-dependent and is greatest at least in one area.
  • the invention has been recognized that by specifically introducing gallium within the barrier layer preferably at the areas where the conduction band edge energy has a minimum value in the case of a uniform distribution in the mixed crystal between Ga and In, the benefit being greatest. This is usually the case at the points within the barrier layer where the highest dopant concentrations are.
  • composition-modulated MODFET Due to the location-dependent composition of the mixed crystal composition within the barrier layer, the term composition-modulated MODFET has been created for the abbreviated description of the component.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional representation through a GalnP / GalnAs / GaAs MODFETs
  • FIG. 3 shows a band diagram of a GalnP / GalnAs / GaAs MODFET with a non-location-dependent chemical composition in the GalnP barrier layer;
  • FIG. 4 shows a band diagram of a MODFET modified according to the invention with a location-dependent chemical composition in the GalnP barrier layer; 5 alternative embodiment of the composition-modulated MODFET according to the invention;
  • composition-modulated barrier layer according to the invention.
  • FIGS. 1 and 2 show the layer structure and the conduction band energy curves of a typical modulation-doped field effect transistor.
  • an enlargement of the conduction band discontinuity and thus the increase in the distance between the conduction band energy can are carried out according to the invention within the barrier layer and the Fermi energy, by changing the gallium content within the barrier structure depending on the location.
  • the gallium content assumes a proportion factor of 75% only at a single point, in a local minimum, the gallium content being lower in the other areas.
  • a local maximum of the gallium content x which is also referred to as the composition factor x, it can be achieved that the average gallium content within the barrier structure 4 is increased only slightly above 50%, so that in this way a relatively high critical layer thickness can be achieved.
  • the conduction band energy curves with different doping within the barrier structure 4 shows the conduction band energy curves with different doping within the barrier structure 4.
  • the courses correspond to the band energies of the upper illustration in FIG. 3.
  • the band curve a corresponds to the lowest doping within the barrier layer 4
  • the band curve d corresponds to that with the highest doping.
  • the reduction in the conduction band energy within the channel layer 3 below the fermi energy can be increased considerably with the measure according to the invention. In this way, the 2-dimensional electron gas density within the channel layer 3 can be increased and, on the other hand, the breakdown voltage behavior of the barrier layer can be improved.
  • the measure according to the invention i.e. A targeted, location-dependent introduction of gallium within the barrier structure 4 thus considerably increases the band gap and thus also the distance of the conduction band edge from the Fermi level in the barrier exactly where it brings the greatest benefit in terms of component physics.
  • the local increase in the band gap in the bypass of the doped barrier region also allows the electron concentration in channel 3 to be increased by increasing the doping in the barrier.
  • FIG. 6 and 7 show band diagrams with constant doping in each case with variable control electrode potential VI to V4. These curves show how the channel density changes depending on the control voltage.
  • Fig. 6 the band course is assumed within a barrier 4 with a constant chemical composition. It can be seen that when the control electrode potential is lowered, the conduction band edges are shifted in the direction of the Fermini level.
  • FIG. 7 shows how the conditions change when a composition-modulated barrier according to the invention with a gallium distribution within the barrier layer 4 according to FIG. 4, bottom illustration, is used. The arrow shown in FIG. 7 illustrates the amount by which the tax electrode potential and thus the channel density is to be increased.
  • composition-modulated barrier according to the invention can be seen, in particular, in the fact that with only a moderate increase in the average Ga content in the barrier, the conduction band edge energy of the barrier in the critical, doped region can be increased substantially more than with a general increase in the Gallium content over the entire barrier thickness is possible. With the composition-modulated barrier according to the invention, the "critical layer thickness" can thus also be used more effectively.
  • composition-modulated barrier according to the invention is not only suitable for increasing the maximum electron concentration in the channel, but can also be used with a corresponding refinement of the composition profile to increase the dielectric strength of the barrier structure.
  • the upper dashed line in FIG. 8 corresponds to a conduction band course for a strongly negative control electrode potential
  • the lower dashed line corresponds to the conduction band energy with a strongly positive control electrode potential
  • the band diagrams represent composition-modulated barriers according to a gallium distribution according to FIG. 4, lower representation.
  • the upper continuous curve shape corresponds to the energetic conditions with a strong negative control electrode potential
  • the lower band shape with strongly positive control electrode potential. It can be seen that the tunnel barriers for electrons are always smaller with a uniformly distributed barrier material composition than with composition-modulated barriers.
  • the associated composition profile of the gallium content within the barrier layer 4, which is shown in FIG. 10, has two maxima, the first maximum in the doped region of the barrier and the second maximum below the control electrode.
  • the first maximum contributes to increasing the electron density in the channel, whereas the second maximum increases the tunnel barrier at a favorable point.
  • the gallium concentrations of the maxima must be coordinated with one another if the mean gallium concentration is chosen to be constant. The highest possible electron density and dielectric strength cannot be set simultaneously when using GalnP as a barrier material.
  • FIG. 12 shows a further variant of the composition modulation within the barrier layer.
  • the band gap is only increased below the control electrode.
  • This barrier profile would be chosen if a high maximum electron density in the channel is not required, for example in the case of low-noise small signal amplifiers, but the leakage currents of the control electrode are to be reduced.

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Abstract

The invention concerns a modulation-doped field-effect transistor comprising a channel layer (3) to which is applied a barrier layer (4) adapted as concerns the lattice to the channel layer crystal structure. The barrier layer is composed of a mixed crystal structure and doping. In particular, the buffer layer (2) consists of GaAs, the channel layer (3) of GaInAs and the barrier layer (4) of GaxIn1-xP. The invention is characterized in that the ratio between the elements of the mixed crystal composition is site-dependent such that the ratio at at least one point within the barrier layer (4) has an extreme value. In particular, the Ga content x of the mixed crystal within the barrier layer (4) is site-dependent and comprises at least one region in which x has a maximum value.

Description

Modulationsdotierter Feldeffekttransistor mit kompositions- modulierter BarrierenstrukturModulation-doped field effect transistor with composition-modulated barrier structure
B e s c h r e i b u n gDescription
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf einen modulationsdotier¬ ten Feldeffekttransistor mit einer Kanalschicht, auf der eine, an die Kristallstruktur der Kanalschicht gitterangepaßte Barrierenschicht aufgebracht ist, die aus einer Mischkristallstruktur zusammengesetzt ist und eine'Dotierung aufweist.The invention relates to a modulation-doped field effect transistor with a channel layer, on which a barrier layer is applied, which is lattice-matched to the crystal structure of the channel layer, which is composed of a mixed crystal structure and has a doping.
Stand der TechnikState of the art
Modulationsdotierte Feldeffekttransistoren, kurz MODFET-Bauelemente genannt, sind weiterentwickelte Feldeffekttransistoren, deren leitfähiger Kanal, durch den der Source/Drain-Strom fließt, undotiert ist, wo¬ hingegen die an die Kanalschicht anschließende Barrie¬ renschicht in charakteristischer Weise Dotierstoffe aufweist. Die Dotierung wird in der Barrierenschicht beispielsweise in atomar scharfen Ebenen plaziert, soge¬ nannte Delta-Dotierung, so daß das Bänderschema in der Barrierenschicht in charakteristischer Weise beeinflußt werden kann, wodurch, wie an späterer Stelle noch genauer ausgeführt wird, ebenso das Bänderschema in¬ nerhalb des Kanalbereiches derart "verbogen" wird, so daß sich in diesem Bereich energetische Ver¬ hältnisse ergeben, die bevorzugt zur Ausbildung 2- dimensionaler Elektronengasdichten führen.Modulation-doped field effect transistors, called MODFET components for short, are further developed field effect transistors whose conductive channel through which the source / drain current flows is undoped, whereas the barrier layer adjoining the channel layer has dopants in a characteristic manner. The doping is placed in the barrier layer, for example, in atomically sharp planes, so-called delta doping, so that the banding pattern in the barrier layer can be influenced in a characteristic manner, which, as will be explained in more detail later, also results in the banding pattern in¬ is "bent" within the channel area in such a way that energetic conditions result in this area, which preferably lead to the formation of 2-dimensional electron gas densities.
Ein besonderes technisches Qualitätsmerkmal von MODFET- Bauelementen ist die sehr hohe erreichbare 2-dimensionale Elektronengasdichte im stromführenden Kanalbereich. Die sich ausbildende Elektronengasdichte begrenzt bei vor¬ gegebener Breite des Bauelementes und damit zusammen¬ hängend des Kanals den maximalen Strom im Bauelement, wodurch die am Ausgang des Bauelementes verfügbare Mikrowellenleistung wesentlich bestimmt wird. Aus die¬ sem Grunde ist ein wesentlicher Aspekt der Entwick¬ lungsarbeiten an MODFET-Bauelementen darauf gerichtet, Halbleiterstrukturen zu entwickeln, die die Ausbildung immer größerer 2-dimensionaler Elektronengasdichten im stromführenden Kanalbereich gestatten.A special technical quality feature of MODFET Components is the very high achievable 2-dimensional electron gas density in the current-carrying channel area. The electron gas density that forms limits the maximum current in the component given the width of the component and thus the channel, which essentially determines the microwave power available at the output of the component. For this reason, an essential aspect of the development work on MODFET components is aimed at developing semiconductor structures which permit the formation of ever larger 2-dimensional electron gas densities in the current-carrying channel region.
Neben dem vorgenannten Aspekt ist ein zweites, wesent¬ liches Qualitätskriterium der in Rede stehenden Bauele¬ mente die Spannungsfestigkeit der zwischen den Steuer¬ elektroden und dem Kanalbereich liegenden Barrieren¬ struktur. Durch die Spannungsfestigkeit der Barrieren¬ struktur wird das Betriebsspannungsniveau des Bauele¬ mentes bestimmt, das als zweiter Faktor die an dem Bauelement verfügbare Mikrowellenleistung wesentlich beeinflusst .In addition to the aforementioned aspect, a second, essential quality criterion of the components in question is the dielectric strength of the barrier structure lying between the control electrodes and the channel area. The dielectric strength of the barrier structure determines the operating voltage level of the component, which as a second factor significantly influences the microwave power available on the component.
Der derzeit weitverbreiteste MODFET ist der sogenannte AlGaAs/GalnAs/GaAs-MODFET. In den Artikeln von J. Dickmann und H. Däembkes, IEEE Tr.o.El.Dev. , Vol. 42, No. 1, Jan. 1995, S. 2-6 sowie von L. Jelloian, et al. , IEEE Elektrisch. Dev. Lett., Vol 15, No. 5, Mai 1994, S. 172-174, sind derartige MODFETs beschrieben. Dieses bekannte elektronische Bauelement weist in seiner Barrierenschicht jedoch mischkristall-gebundenes Aluminium auf, das als hochkorrosives Element die Her¬ stellung derartiger Schichten erheblich erschwert. So sind aluminiumhaltige Materialien bekanntermaßen nur schwer in guter Qualität zu züchten, was im in¬ dustriellen Maßstab jedoch nur unter Einsatz von auf¬ wendigen Molekularstrahlepitaxieanlagen möglich ist. Neben diesem, durch das Aluminium bedingten fertigungstechnischen Aufwand, führt die Gegenwart von Aluminium ferner zu Korrosionsproblemen an den elektrischen Kontaktbereichen des Bauelementes selbst.The currently most widespread MODFET is the so-called AlGaAs / GalnAs / GaAs-MODFET. In the articles by J. Dickmann and H. Däembkes, IEEE Tr.o.El.Dev. , Vol. 42, No. 1, Jan. 1995, pp. 2-6 and by L. Jelloian, et al. , IEEE Electrical. Dev. Lett., Vol 15, No. 5, May 1994, pp. 172-174, such MODFETs are described. However, this known electronic component has mixed-crystal-bound aluminum in its barrier layer, which, as a highly corrosive element, makes the manufacture of such layers considerably more difficult. As is well known, aluminum-containing materials are only difficult to breed in good quality, but what is only possible on an industrial scale using complex molecular beam epitaxy systems. In addition to this manufacturing-related complexity, the presence of aluminum also leads to corrosion problems on the electrical contact areas of the component itself.
Neben dem Mischkristall AlGaAs ist die Verbindung GalnP zur Verwendung für die Barrierenstruktur be¬ kanntgeworden. Es hat sich gezeigt, daß der vorteilhaft modifizierte MODFET ein besseres Rauschverhalten gegen¬ über seinem Vorgänger aufweist und überdies leichter zu fertigen ist. Durch Wegfall der Aluminium-Komponente ist die epitaktische Deposition der Barrierenschicht wesentlich vereinfacht. Insbesondere sind im großtechnischen Bereich aluminiumfreie Strukturen mit der für die Massenfabrikation besonders geeignete Gasphasenepitaxie mit metallorganischen Quellmaterialien leichter herstellbar. Außerdem bietet die Kombination von phosphidischen und arsenidischen Schichten in einer Struktur fertigungstechnische Vorte¬ ile, zumal bestimmte Ätzselektivitäten bei der Strukturierung der Bauelemente vorteilhaft ausgenutzt werden können.In addition to the mixed crystal AlGaAs, the compound GalnP has become known for use for the barrier structure. It has been shown that the advantageously modified MODFET has better noise behavior than its predecessor and, moreover, is easier to manufacture. By eliminating the aluminum component, the epitaxial deposition of the barrier layer is considerably simplified. In particular, aluminum-free structures with the gas-phase epitaxy which is particularly suitable for mass production with organometallic source materials are easier to produce in the industrial sector. In addition, the combination of phosphidic and arsenid layers in one structure offers advantages in terms of production technology, especially since certain etching selectivities can be advantageously used in the structuring of the components.
Der überaus große Vorteil, den man aus der fertigungstechnischen Seite bei der Herstellung der GalnP/GalnAs/GaAs-MODFET erzielen kann, muß jedoch mit dem nicht zu verachtenden Nachteil gegenübergestellt werden, nämlich die verglichen mit dem vorbeschriebenen AlGaAs/GalnAs/GaAs-MODFET erheblich kleineren Elektro¬ nengasdichten im Kanalbereich und zudem geringere elek¬ trische DurchbruchsspannungsVerhältnisse. Diese Nachte- ile sind materialspezifisch und resultieren letzt¬ endlich aus den kleineren sogenannten Lei¬ tungsbanddiskontinuitäten zwischen dem Bereich des Kanals und der Barrierenschicht. Der bisher einzige, bekanntgewordene Weg diese Nachteile zu beseitigen, geht auf den Erfinder dieser Anmeldung zurück und be¬ steht in der Substitution des Barrierenmaterials GalnP durch das quarternäre Mischkristall AlGalnP. Durch diese Manipulation wird zwar die angestrebte hohe Elek¬ tronendichte im Kanal erreicht, gleichwohl gehen auch die vorstehend aufgelisteten Vorteile einer aluminium¬ freien Struktur wieder verloren.The extremely big advantage that can be achieved from the manufacturing side in the production of the GalnP / GalnAs / GaAs-MODFET has to be contrasted with the not to be despised disadvantage, namely that compared to the above-described AlGaAs / GalnAs / GaAs-MODFET considerably smaller electron gas densities in the channel area and also lower electrical breakdown voltage ratios. This night ile are material-specific and ultimately result from the smaller so-called conduction band discontinuities between the area of the channel and the barrier layer. The only known way to eliminate these disadvantages so far goes back to the inventor of this application and consists in the substitution of the barrier material GalnP by the quaternary mixed crystal AlGalnP. Although this manipulation achieves the desired high electron density in the channel, the advantages of an aluminum-free structure listed above are also lost again.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen modula¬ tionsdotierten Feldeffekttransistor mit einer Kanal- schicht, auf der eine, an die Kristallstruktur der Kanalschicht angepaßte Barrierenschicht aufgebracht ist, die aus einer Mischkristallstruktur zusammenge¬ setzt ist und eine Dotierung aufweist, derart weiterzu¬ bilden, so daß zum einen die für die Leistungssteigerung des Bauelementes bestimmende Elektronendichte gestei¬ gert und zum anderen die ebenfalls für die Qualität des Bauelementes wichtige DurchbruchsSpannung zwischen dem Kanal und der Steuerelektrodenanschlüsse optimiert wird. Diese Optimierungen sollen möglichst in der Weise vorgenommen werden, so daß auf das mit den genannten Nachteilen behaftete Element Aluminium verzichtet werden kann. Insbesondere gilt es den an sich bekannten GalnP/GalnAs/GaAs-MODFET in der dargelegten Weise zu optimieren. Die Herstellung eines derartig optimierten Bauelementes soll darüber hinaus ohne großen technischen Aufwand für die Herstellung im industriellen Maßstab geeignet sein, so daß die Pro- duktionskosten möglichst gering gehalten werden können.The invention is based on the object of further developing a modulation-doped field effect transistor with a channel layer on which a barrier layer which is matched to the crystal structure of the channel layer and which is composed of a mixed crystal structure and has a doping is applied, so that on the one hand the electron density determining the performance increase of the component is increased and on the other hand the breakdown voltage between the channel and the control electrode connections, which is also important for the quality of the component, is optimized. These optimizations should, if possible, be carried out in such a way that the element aluminum, which has the disadvantages mentioned, can be dispensed with. In particular, it is important to optimize the known GalnP / GalnAs / GaAs MODFET in the manner described. The production of such an optimized component should also be suitable for production on an industrial scale without great technical effort, so that the pro- production costs can be kept as low as possible.
Der dieser Aufgabe zugrundeliegende Lösungsweg soll anhand eines den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht näher einschränkenden Beispiels beschrieben werden. Ausgehend von einem allgemeinen Aufbau eines MODFETs, wie er aus Fig. 1 hervorgeht, ist auf einer semiisolie¬ renden Substratschicht 1 eine undotierte PufferschichtThe solution on which this task is based is to be described on the basis of an example which does not restrict the general inventive concept in more detail. Starting from a general structure of a MODFET, as can be seen in FIG. 1, an undoped buffer layer is on a semi-insulating substrate layer 1
2 aufgebracht. Die Schichten 1 und 2 bestehen im be¬ schriebenen Beispiel aus GaAs. Selbstverständlich kön¬ nen auch alternative Substratmaterialien verwendet werden.2 applied. In the example described, layers 1 and 2 consist of GaAs. Of course, alternative substrate materials can also be used.
Die über der Pufferschicht 2 aufgebrachte KanalschichtThe channel layer applied over the buffer layer 2
3 ist in charakteristischer Weise bei den in Rede ste¬ henden MODFETs undotiert und besteht in diesem Beispiel aus GalnAs, das pseudomorph auf die GaAs-Pufferschicht 2 abgeschieden ist. Auf der Kanalschicht 3 ist gitter¬ angepaßt eine Barrierenstruktur 4 aufgetragen, die aus GalnP besteht. Innerhalb der Barrierenstruktur 4 ist ein dotierter Barrierenbereich 5 vorgesehen, der bei¬ spielsweise innerhalb einer atomar scharfen Ebene gemäß einer Delta-Dotierung mit geeigneten Dotieratomen ver¬ setzt ist . Auf der Barrierenstruktur 4 sind überdies Kontaktschichten 6 aus hochdotiertem GaAs vorgesehen, auf denen die ohmschen Kontakte 7 für die Source- und Drain-Anschlüsse vorgesehen sind. Mittig zu den ohm¬ schen Kontakten 7 ist eine aus Metall gefertigte Steu¬ erelektrode 8 direkt auf die Barrierenstruktur 4 pla¬ ziert, über die die Gatespannung angelegt werden kann.3 is characteristically undoped in the MODFETs in question and in this example consists of GalnAs which is pseudomorphically deposited on the GaAs buffer layer 2. A barrier structure 4, which consists of GalnP, is applied to the channel layer 3 in a lattice-adapted manner. A doped barrier region 5 is provided within the barrier structure 4 and is, for example, offset with suitable doping atoms within an atomically sharp plane in accordance with a delta doping. Contact layers 6 made of highly doped GaAs are also provided on the barrier structure 4, on which the ohmic contacts 7 are provided for the source and drain connections. In the center of the ohmic contacts 7, a control electrode 8 made of metal is placed directly on the barrier structure 4, via which the gate voltage can be applied.
Aus Fig. 2 geht das zugehörige Banddiagramm für die in Fig. 1 dargestellte, an sich bekannte MODFET-Struktur hervor. In dem Energie/Orts-Diagramm sind die energeti- sehen Bandverläufe durch die vorbeschriebenen Schichten 2 bis 6 dargestellt. Die Abszissenachse X stellt die Querschnittslinie durch die Schichtstruktur dar, an der Ordinate sind die Energiewerte der zugehörigen Bandver¬ läufe aufgetragen.FIG. 2 shows the associated band diagram for the known MODFET structure shown in FIG. 1. In the energy / location diagram, the energetic see tape runs through the layers 2 to 6 described above. The axis of abscissa X represents the cross-sectional line through the layer structure, the energy values of the associated band profiles are plotted on the ordinate.
Der durchgehende Graph EC entspricht dem Verlauf der unteren Leitungsbandkantenenergie als Funktion der Ortskoordinate für die Steuerelektrodenspannung VG = 0 V. Im Vergleich dazu ist mit EFH der Verlauf der Fermi- energie in den einzelnen Schichtabschnitten darge¬ stellt. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Lage der Ferminiveaus innerhalb der Pufferschicht 2 weitgehend unabhängig ist von dem angelegten Steuerelektrodenpo¬ tential, da dessen Influenzwirkung nur bis zum Kanal 3 durchgreift. Im Bereich der Steuerelektroden 6 ist zu sehen, wie sich die Fermienergie in Abhängigkeit unter¬ schiedlicher Steuerelektrodenpotentiale (VG = 0 V, bzw. VG V-. 0 V) ändert.The continuous graph EC corresponds to the course of the lower conduction band edge energy as a function of the position coordinate for the control electrode voltage VG = 0 V. In comparison, the course of the Fermi energy in the individual layer sections is shown with EFH. It is assumed here that the position of the Fermini levels within the buffer layer 2 is largely independent of the applied control electrode potential, since its influence only affects channel 3. In the area of the control electrodes 6 it can be seen how the Fermi energy changes as a function of different control electrode potentials (VG = 0 V or VG V-. 0 V).
Für die Ausbildung eines 2-dimensionalen Elektronengases ist es erforderlich, daß die Lei¬ tungsbandkantenenergie unterhalb der Fermienergie ab¬ sinkt, da diese die Energie des obersten besetzten Elektronenzustandes darstellt. Erst in dieser Bandkonstellation ist es möglich, daß die Elektronen in das Leitungsband übertreten können und auf diese Weise einen Stromfluß ermöglichen. Dieser charakteristische Bandverlauf ist in Fig. 2 in der Kanalschicht 3 darge¬ stellt. Ziel der gegenwärtigen Bestrebungen ist es nun, die Leitungsbandkantenenergie innerhalb der Kanalschicht möglichst weit unterhalb der Fermienergie abzusenken, so daß möglichst viele Elektronen in das Leitungsband gelangen können, um zu einer hohen 2- dimensionalen Elektronengasdichte beizutragen.For the formation of a 2-dimensional electron gas, it is necessary for the conduction band edge energy to drop below the Fermi energy, since this represents the energy of the uppermost occupied electron state. It is only in this band constellation that it is possible for the electrons to pass into the conduction band and thus allow current to flow. This characteristic band course is shown in FIG. 2 in the channel layer 3. The aim of the current efforts is now to lower the conduction band edge energy within the channel layer as far as possible below the Fermi energy so that as many electrons as possible can get into the conduction band in order to achieve a high to contribute dimensional electron gas density.
Eine Absenkung der Leitungsbandkantenenergie innerhalb der Kanalschicht ist in bekannter Weise durch eine gezielte Erhöhung der Dotierung innerhalb der Barrierenstruktur vorzunehmen. Mit dem Bezugszeichen ED ist die örtliche und energetische Lage des isoliert in der Barrierenschichtstruktur 4 eingebrachten Donatorzustandes dargestellt. Der charakteristische Verlauf der Leitungsbandkantenenergie zwischen der Kanalschicht 3 und der Barrierenstruktur 4 wird in üblicher Weise als Leitungsbandkantendiskontinuität bezeichnet, deren Größe und Beschaffenheit aus den maxwellschen Beziehungen ableitbar ist.A lowering of the conduction band edge energy within the channel layer is to be carried out in a known manner by a targeted increase in the doping within the barrier structure. The reference symbol ED represents the local and energetic position of the donor state introduced in isolation in the barrier layer structure 4. The characteristic course of the conduction band edge energy between the channel layer 3 and the barrier structure 4 is commonly referred to as conduction band edge discontinuity, the size and nature of which can be derived from the Maxwellian relationships.
Ferner hat sich gezeigt, daß die Absenkung der Lei¬ tungsbandkantenenergie innerhalb der Kanalschicht 3 dadurch vergrößern läßt, indem dieIt has also been shown that the lowering of the conduction band edge energy within the channel layer 3 can be increased by the
Dotierstoffkonzentration innerhalb der lokal in der Barrierenschicht 4 eingebrachten Dotierung erhöht wird. Dieser Zusammenhang geht insbesondere aus Fig. 3, obere Darstellung, hervor, in der eine mit Fig. 2 ver¬ gleichbare Diagrammdarstellung abgebildet ist. In diesem Diagramm sind lediglich die Lei¬ tungsbandkantenenergien der Puffer-, Kanal-, sowie Barrierenstrukturschicht dargestellt. Die unter¬ schiedlichen Bandenergieverläufe a, b und c entsprechen unterschiedlich hohen Dotierungen innerhalb der Barrierenschicht 4, wobei b die höchste Dotierung dar¬ stellt. Der Kurvenzug a entspricht einer verschwindend kleinen Dotierung in der Barriere 4 (siehe hierzu auch den sehr dünnen Strich für dem Donatorzustand) . Der Kanal 3 ist in diesem Fall fast ladungsträgerfrei. Für die Kurvenzüge b und c sind jeweils höhere Dotierungen angenommen. Die Leitungsbandkantenenergie im Kanal berührt jetzt das Ferminiveau, siehe hierzu Kurve b, bzw. sie ist unter das Ferminiveau abgesenkt, siehe hierzu Kurve c innerhalb der Kanalschicht. Die Kurve c zeigt den Fall höchstmöglicher Elektronenkonzentration innerhalb der Kanalschicht. Dieser Fall stellt sich ein, wenn das Minimum der Leitungsbandkantenenergie innerhalb der Barrierenschicht 4 nur noch wenige lOmeV über dem Ferminiveau liegt. Eine weitere Steigerung der Elektronenkonzentration innerhalb der Kanalschicht durch Erhöhung der Dotierung ist jedoch nicht möglich, zumal eine weitere Erhöhung der Dotierung das Minimum der Leitungsbandkantenenergie innerhalb der Barrierenstruktur nicht auf dem Ferminiveau aufsetzen lassen würde. Vielmehr senkt sich das Leitungsband unterhalb des Ferminiveaus, wodurch sich in der Umge¬ bung des Minimums ebenfalls ein Elektronengas in der Barrierenschicht ausbilden würde. Die Ausbildung eines weiteren Elektronengases neben dem innerhalb der Kanalschicht würde die Kapazität der Gate-Elektrode sehr stark erhöhen, zumal in diesem Falle beim Betrieb des MODFET-Bauelementes nicht nur die Kanalladung, sondern auch die innerhalb der Barrierenschicht ge¬ bildete parasitäre Ladung moduliert werden müßte. Hier¬ durch würde jedoch der MODFET sehr starke Lei¬ stungseinbußen erleiden.Dopant concentration is increased within the doping introduced locally in the barrier layer 4. This relationship can be seen in particular in FIG. 3, top representation, in which a diagram representation comparable to FIG. 2 is shown. In this diagram only the conduction band edge energies of the buffer, channel and barrier structure layers are shown. The different band energy profiles a, b and c correspond to different levels of doping within the barrier layer 4, where b represents the highest doping. The curve a corresponds to a vanishingly small doping in the barrier 4 (see also the very thin line for the donor state). In this case, channel 3 is almost free of charge carriers. For the curves b and c there are higher dopings accepted. The conduction band edge energy in the channel now touches the Fermi level, see curve b, or is below the Fermi level, see curve c within the channel layer. Curve c shows the case of the highest possible electron concentration within the channel layer. This case arises when the minimum of the conduction band edge energy within the barrier layer 4 is only a few lOmeV above the Fermi level. However, a further increase in the electron concentration within the channel layer by increasing the doping is not possible, especially since a further increase in the doping would not allow the conduction band edge energy within the barrier structure to be set at the Fermi level. Rather, the conduction band drops below the Fermini level, as a result of which an electron gas would likewise form in the barrier layer in the vicinity of the minimum. The formation of a further electron gas in addition to that within the channel layer would increase the capacitance of the gate electrode very much, especially since in this case not only the channel charge but also the parasitic charge formed within the barrier layer would have to be modulated when the MODFET component is operating . As a result, however, the MODFET would suffer a very great loss in performance.
Die vorstehenden Überlegungen basieren nun unter der üblichen Annahme, daß das Verhältnis von Gallium und Indium innerhalb der Barrierenstrukturschicht jeweils 50% beträgt. Dieser Zusammenhang ist auch aus der unte¬ ren Darstellung aus Fig. 3 zu entnehmen, aus der der Kompositionsfaktor x von GaxInl-xP in Relation zur Barrierendicke aufgetragen ist. Versuche haben gezeigt, daß man die gitterangepaßte GalnP-Barrierenschicht 4, bei der der Ga-Gehalt gleich dem In-Gehalt ist, durch eine sogenannte pseudomorphe GaAnP-Barrierenschicht mit erhöhtem Ga-Gehalt ersetzen kann. Hierbei ist der Ga-Gehalt gleichmäßig in der gesamten Barrierenschicht 3 um mehr als 50% Anteilsge¬ halt erhöht worden. Durch diese Manipulation vergrößert sich der Bandabstand, d.h. daß die gesamte Leitungs¬ bandenergie vom Ferminiveau wegverschoben wird,' wodurch zugleich die Leitungsbanddiskontinuität ebenfalls ver¬ größert wird. Die Ausbildung dieses Effektes ist jedoch nur sehr schwach.The above considerations are now based on the usual assumption that the ratio of gallium and indium within the barrier structure layer is 50% in each case. This relationship can also be seen from the lower representation in FIG. 3, from which the composition factor x of GaxInl-xP is plotted in relation to the barrier thickness. Experiments have shown that the lattice-matched GalnP barrier layer 4, in which the Ga content is equal to the In content, can be replaced by a so-called pseudomorphic GaAnP barrier layer with an increased Ga content. Here, the Ga content has been increased uniformly in the entire barrier layer 3 by more than 50% content. By this manipulation of the band gap is increased, which means that the whole band energy Leitungs¬ is shifted away from the Fermi level, 'whereby the conduction band discontinuity is also enlarges ver¬ at the same time. However, the formation of this effect is very weak.
Die Verwendung dieser Maßnahme führt jedoch zu dem Problem, daß eine Erhöhung des Ga-Gehaltes die Gitter¬ struktur des GalnP-Barrierenmaterials derart verändert, so daß gitterangepaßtes Aufwachsen der im Ga-Gehalt erhöhten Barrierenschichtmaterials nicht ohne Gitter¬ versetzungen über große Schichtdicken möglich ist. So weist die GaAs-Pufferschicht eine kubische Gitterzell¬ struktur auf, wohingegen das modifizierte GalnP-Gitter eine tetragonale Gitterzellenstruktur besitzt. Ein Aufwachsen größerer Schichtdicken auf das Puffer¬ schichtmaterial ist somit ohne die Ausbildung innerer mechanischer Kristallverspannungen nicht möglich, die bei Überschreiten gewisser mechansicher GrenzSpannungen relaxieren, d.h. das Kristallgitter nimmt seine ur¬ sprüngliche Gitterkonstante an, wodurch letzten Endes ein unbrauchbares Bauelement entsteht.However, the use of this measure leads to the problem that an increase in the Ga content changes the lattice structure of the GalnP barrier material in such a way that lattice-adapted growth of the barrier layer material increased in the Ga content is not possible without lattice dislocations over large layer thicknesses. For example, the GaAs buffer layer has a cubic lattice cell structure, whereas the modified GalnP lattice has a tetragonal lattice cell structure. A growth of larger layer thicknesses on the buffer layer material is therefore not possible without the formation of internal mechanical crystal stresses, which relax when certain mechanical limit stresses are exceeded, i.e. the crystal lattice assumes its original lattice constant, which ultimately results in an unusable component.
Die maximale Aufwachsdicke, bis zu der noch keine Re¬ laxationsprozesse eintreten wird auch als kritische Schichtdicke bezeichnet. Bei üblichen Barrierenschicht- dicken von ca. 20 nm darf daher der Ga-Gehalt nur schwach über 50% angehoben werden, so daß innere Ver¬ spannungen möglichst vermieden werden, um die kritische Schichtdicke auf die gewünschte Schichtmächtigkeit entsprechend anzupassen. Durch die nur geringe Erhöhung des Ga-Gehaltes ist somit der vorbeschriebene Effekt der Bandabstandsvergrößerung nur sehr gering.The maximum growth thickness up to which no relaxation processes occur is also referred to as the critical layer thickness. With usual barrier layer Thicknesses of approximately 20 nm may therefore only be raised slightly above 50%, so that internal stresses are avoided as far as possible in order to adapt the critical layer thickness to the desired layer thickness. Due to the only slight increase in the Ga content, the above-described effect of increasing the bandgap is only very slight.
Erfindungsgemäß ist nun erkannt worden, daß der Effekt der Erhöhung des Ga-Gehaltes innerhalb der Barrieren¬ schicht unter gleichzeitiger Erhöhung der kritischen Schichtdicke dadurch erzielt werden kann, indem der Ga- Gehalt nicht in der gesamten Barrierenschicht 4 gleich¬ mäßig erhöht wird, sondern nur an den Stellen, an denen ein maximaler Nutzeffekt erzielt werden soll.According to the invention, it has now been recognized that the effect of increasing the Ga content within the barrier layer while simultaneously increasing the critical layer thickness can be achieved by not increasing the Ga content uniformly in the entire barrier layer 4, but only at the points where maximum efficiency should be achieved.
Erfindungsgemäß ist daher ein modulationsdotierter Feldeffekttransistor mit einer Kanalschicht, auf der eine, an die Kristallstruktur der Kanalschicht gitter¬ angepaßte Barrierenschicht aufgebracht ist, die aus einer Mischkristallstruktur zusammengesetzt ist und eine Dotierung aufweist, dadurch weitergebildet, daß das Verhältnis der ElementZusammensetzung des Mischkri¬ stalls derart ortsabhängig ist, daß das Verhältnis wenigstens an einer Stelle innerhalb der Barrieren¬ schicht einen Extremwert aufweist. In dem, den Erfin¬ dungsgedanken nicht begrenzenden Beispiel eines GalnP/GalnAs/GaAs-MODFETs ist erfindungsgemäß der Ga- Gehalt des Mischkristalls innerhalb der Barrieren¬ schicht ortsabhängig und ist wenigstens in einem Be¬ reich am größten.According to the invention, therefore, a modulation-doped field effect transistor with a channel layer, on which a barrier layer, which is lattice-matched to the crystal structure of the channel layer, is applied, which is composed of a mixed crystal structure and has a doping, is further developed in that the ratio of the element composition of the mixed crystal is such It is location-dependent that the ratio has an extreme value at least at one point within the barrier layer. In the example of a GalnP / GalnAs / GaAs MODFET which does not limit the inventive concept, the Ga content of the mixed crystal within the barrier layer is location-dependent and is greatest at least in one area.
Es ist erfindungsgemäß erkannt worden, daß durch gezielte Einbringung von Gallium innerhalb der Barrieren- schicht vorzugsweise an den Bereichen, an denen die Leitungsbandkantenenergie im Falle einer Gleichvertei¬ lung im Mischkristall zwischen Ga und In einen Minimal- wert aufweist, der Nutzeffekt am größten ist. Dies ist in aller Regel an den Stellen innerhalb der Barrierenschicht der Fall, an denen sich die höchsten Dotierstoffkonzentrationen befinden.According to the invention, it has been recognized that by specifically introducing gallium within the barrier layer preferably at the areas where the conduction band edge energy has a minimum value in the case of a uniform distribution in the mixed crystal between Ga and In, the benefit being greatest. This is usually the case at the points within the barrier layer where the highest dopant concentrations are.
Durch die ortsabhängige Komposition der Mischkristallzusammensetzung innerhab der Barrieren¬ schicht ist zur abkürzenden Beschreibung des Bauelementes der Begriff Kompositionsmodulierter MODFET kreiert worden.Due to the location-dependent composition of the mixed crystal composition within the barrier layer, the term composition-modulated MODFET has been created for the abbreviated description of the component.
Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exem¬ plarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is described below by way of example with reference to the drawings, without restricting the general inventive concept. Show it:
Fig. 1 schematische Querschnittsdarstellung durch einen GalnP/GalnAs/GaAs-MODFETs;1 shows a schematic cross-sectional representation through a GalnP / GalnAs / GaAs MODFETs;
Fig. 2 zugehöriges Banddiagramm der Leitungsbandener¬ gien sowie Fermienergien in den beteiligten Schichten;2 associated band diagram of the conduction band energies and Fermie energies in the layers involved;
Fig. 3 Banddiagramm eines GalnP/GalnAs/GaAs-MODFETs mit nicht ortsabhängiger chemischer Zusam¬ mensetzung in der GalnP-Barrierenschicht;3 shows a band diagram of a GalnP / GalnAs / GaAs MODFET with a non-location-dependent chemical composition in the GalnP barrier layer;
Fig. 4 Banddiagramm eines erfindungsgemäß modifizier¬ ten MODFETs mit ortsabhängiger chemischer Zusammensetzung in der GalnP-Barrierenschicht; Fig. 5 alternative Ausführungsform des erfindungsge¬ mäß kompositionsmodulierten MODFETs;4 shows a band diagram of a MODFET modified according to the invention with a location-dependent chemical composition in the GalnP barrier layer; 5 alternative embodiment of the composition-modulated MODFET according to the invention;
Fig. 6 Darstellung von Banddiagrammen, gleicher Do¬ tierung und variablen Steuer¬ elektrodenpotential mit konstanter chemischer Komposition im Barrierenmaterial;6 representation of band diagrams, the same doping and variable control electrode potential with constant chemical composition in the barrier material;
Fig. 7 Banddiagramme, bei konstanter Dotierung und variablen Steuerelektrodenpotential mit kompositionsmodulierter Barrierenschicht;7 shows band diagrams with constant doping and variable control electrode potential with composition-modulated barrier layer;
Fig. '8 Banddiagramme zur Verdeutlichung der Unter¬ schiede der Tunnelbarrieren für Elektronen mit konventioneller Barrierenschicht und der kompositionsmodulierten Barrierenschicht;8 shows band diagrams to illustrate the differences between the tunnel barriers for electrons with a conventional barrier layer and the composition-modulated barrier layer;
Fig. 9 Banddiagramme mit vergrößerter Tunnelbarriere innerhalb der Barrierenschicht;9 shows band diagrams with an enlarged tunnel barrier within the barrier layer;
Fig. 10, 11 und 12 vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen kompositionsmodulierten Barrierenschicht.10, 11 and 12 advantageous embodiments of the composition-modulated barrier layer according to the invention.
Darstellung von AusführungsbeispielenRepresentation of exemplary embodiments
Fig. 1 und 2 stellen Schichtaufbau und Leitungsband¬ energieverläufe eines typischen modulationsdotierten Feldeffekttransistors dar. Wie bereits vorstehend an¬ hand der Fig. 3 und 4 näher ausgeführt, kann eine Ver¬ größerung der Leitungsbanddiskontinuität und somit die Vergrößerung des Abstandes zwischen der Leitungsband¬ energie innerhalb der Barrierenschicht und der Fermi¬ energie erfindungsgemäß derart vorgenommen werden, indem der Galliumgehalt innerhalb der Barrierenstruktur ortsabhängig verändert wird.1 and 2 show the layer structure and the conduction band energy curves of a typical modulation-doped field effect transistor. As already explained in more detail above with reference to FIGS. 3 and 4, an enlargement of the conduction band discontinuity and thus the increase in the distance between the conduction band energy can are carried out according to the invention within the barrier layer and the Fermi energy, by changing the gallium content within the barrier structure depending on the location.
So nimmt gemäß Fig. 4, untere Darstellung, der Galliumgehalt nur an einer einzigen Stelle, in einem lokalem Minimum, einen Anteilsfaktor von 75% an, wobei der Gallium-Gehalt in den übrigen Bereichen geringer ist. Durch die Ausbildung eines lokalen Maximums des Galliumgehaltes x, der auch als Kompositionsfaktor x bezeichnet wird, kann erreicht werden, daß der mittlere Galliumgehalt innerhalb der Barrierenstruktur 4 nur wenig über 50% erhöht wird, so daß auf diese Weise eine re¬ lativ hohe kritische Schichtdicke erreicht werden kann.According to FIG. 4, lower representation, the gallium content assumes a proportion factor of 75% only at a single point, in a local minimum, the gallium content being lower in the other areas. By forming a local maximum of the gallium content x, which is also referred to as the composition factor x, it can be achieved that the average gallium content within the barrier structure 4 is increased only slightly above 50%, so that in this way a relatively high critical layer thickness can be achieved.
In der oberen Darstellung der Fig. 4 sind die Lei¬ tungsbandenergie-Verläufe bei unterschiedlich starker Dotierung innerhalb der Barrierenstruktur 4 darge¬ stellt. Die Verläufe korrespondieren mit den Bandenergien der in Fig. 3 oberen Darstellung. Der Bandverlauf a entspricht der geringsten Dotierung in¬ nerhalb der Barrierenschicht 4, der Bandverlauf d ent¬ spricht dem mit der höchsten Dotierung. Neben der Ver¬ größerung des Abstandes zwischen dem Minimum der Lei¬ tungsbandenergie innerhalb der Barrierenschicht 4 und der Fermienergie (Bezugslinie) ist insbesondere darauf hinzuweisen, daß die Absenkung der Leitungsbandenergie innerhalb der Kanalschicht 3 unterhalb der Fermienergie mit der erfindungsgemäßen Maßnahme erheblich gesteigert werden kann. Auf diese Weise kann die 2-dimensionale Elektronengasdichte innerhalb der Kanalschicht 3 ver¬ größert und zum anderen das Durchbruchsspannungs-Ver¬ halten der Barrierenschicht verbessert werden.4 shows the conduction band energy curves with different doping within the barrier structure 4. The courses correspond to the band energies of the upper illustration in FIG. 3. The band curve a corresponds to the lowest doping within the barrier layer 4, the band curve d corresponds to that with the highest doping. In addition to the increase in the distance between the minimum of the conduction band energy within the barrier layer 4 and the fermi energy (reference line), it should be pointed out in particular that the reduction in the conduction band energy within the channel layer 3 below the fermi energy can be increased considerably with the measure according to the invention. In this way, the 2-dimensional electron gas density within the channel layer 3 can be increased and, on the other hand, the breakdown voltage behavior of the barrier layer can be improved.
In Fig. 5, untere Darstellung, ist eine verbesserte Komposition des Galliumgehaltes innerhalb der Barrie¬ renschicht 4 dargestellt. So ist die Ausbildung des lokalen Minimums mit einem Kompositionsfaktor von x gleich 75% noch schärfer als in der Darstellung gemäß Fig. 4, so daß der mittlere Galliumgehalt innerhalb der Bar¬ rierenschicht 4 geringer ist, wodurch die inneren mecha¬ nischen Spannungen innerhalb der Gitterstruktur weiter herabgesetzt werden können.5, lower representation, is an improved one Composition of the gallium content within the barrier layer 4 is shown. The formation of the local minimum with a composition factor of x equal to 75% is even sharper than in the illustration according to FIG. 4, so that the average gallium content within the barrier layer 4 is lower, as a result of which the internal mechanical stresses within the lattice structure can be further reduced.
Die erfindungsgemäße Maßnahme, d.h. eine gezielte, ortsabhängige Einbringung von Gallium innerhalb der Barrierenstruktur 4 vergrößert somit den Bandabstand beträchtlich und damit auch den Abstand der Leitungs¬ bandkante vom Ferminiveau in der Barriere genau dort, wo es bauelementphysikalisch den größten Nutzen bringt. Die lokale Erhöhung des Bandabstandes in der Umgehung des dotierten Barrierenbereiches erlaubt es überdies die Elektronenkonzentration im Kanal 3 durch Vergrößerung der Dotierung in der Barriere zu steigern.The measure according to the invention, i.e. A targeted, location-dependent introduction of gallium within the barrier structure 4 thus considerably increases the band gap and thus also the distance of the conduction band edge from the Fermi level in the barrier exactly where it brings the greatest benefit in terms of component physics. The local increase in the band gap in the bypass of the doped barrier region also allows the electron concentration in channel 3 to be increased by increasing the doping in the barrier.
Die Fig. 6 und 7 zeigen Banddiagramme bei jeweils kon¬ stanter Dotierung mit variablem Steuerelektrodenpoten¬ tial VI bis V4. Diese Kurven zeigen wie sich die Kanal¬ dichte in Abhängigkeit der Steuerspannung verändert. In Fig. 6 ist der Bandverlauf innerhalb einer Barriere 4 mit konstanter chemischer Zusammensetzung angenommen. Es zeigt sich, daß bei Erniedrigung des Steuerelektroden¬ potentials die Leitungsbandkanten in Richtung Fermini¬ veau verschoben werden. Fig. 7 zeigt wie sich die Ver¬ hältnisse ändern, wenn eine erfindungsgemäße komposi- tionsmodulierte Barriere mit einer Gallium-Verteilung innerhalb der Barrierenschicht 4 gemäß Fig. 4, untere Darstellung, verwendet wird. Der in Fig. 7 eingezeich¬ nete Pfeil verdeutlicht, um welchen Betrag das Steuer- elektrodenpotential und damit die Kanaldichte zu stei¬ gern ist.6 and 7 show band diagrams with constant doping in each case with variable control electrode potential VI to V4. These curves show how the channel density changes depending on the control voltage. In Fig. 6 the band course is assumed within a barrier 4 with a constant chemical composition. It can be seen that when the control electrode potential is lowered, the conduction band edges are shifted in the direction of the Fermini level. FIG. 7 shows how the conditions change when a composition-modulated barrier according to the invention with a gallium distribution within the barrier layer 4 according to FIG. 4, bottom illustration, is used. The arrow shown in FIG. 7 illustrates the amount by which the tax electrode potential and thus the channel density is to be increased.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen kompositionsmodulier¬ ten Barriere ist insbesondere darin zu sehen, daß bei nur mäßiger Erhöhung des mittleren Ga-Gehaltes in der Barriere, die Leitungsbandkantenenergie der Barriere im kritischen, dotierten Bereich wesentlich stärker erhöht werden kann, als dies bei einer pauschalen Anhebung des Galliumgehaltes über der gesamten Barrierendicke mög¬ lich ist. Mit der erfindungsgemäßen kompositionsmodu¬ lierten Barriere ist damit auch die "kritische Schicht- dicke" effektiver zu nutzen.The advantage of the composition-modulated barrier according to the invention can be seen, in particular, in the fact that with only a moderate increase in the average Ga content in the barrier, the conduction band edge energy of the barrier in the critical, doped region can be increased substantially more than with a general increase in the Gallium content over the entire barrier thickness is possible. With the composition-modulated barrier according to the invention, the "critical layer thickness" can thus also be used more effectively.
Wie bereits dargelegt ist die erfindungsgemäße komposi- tionsmodulierte Barriere nicht nur dazu geeignet, die maximale Elektronenkonzentration im Kanal zu steigern, sondern kann bei entsprechender Verfeinerung des Kompo¬ sitionsprofiles auch dazu benutzt werden, die Span¬ nungsfestigkeit der Barrierenstruktur zu erhöhen.As already explained, the composition-modulated barrier according to the invention is not only suitable for increasing the maximum electron concentration in the channel, but can also be used with a corresponding refinement of the composition profile to increase the dielectric strength of the barrier structure.
In Fig. 8 sind Banddiagramme für Barrieren mit homogener Verteilung von Gallium innerhalb der Barrierenschicht 4 (siehe gestrichelte Liniendarstellung) und für erfindungsgemäß kompositionsmodulierter Barrieren (siehe durchgezogene Linienverläufe) gegen¬ übergestellt.8 shows band diagrams for barriers with a homogeneous distribution of gallium within the barrier layer 4 (see dashed line representation) and for barriers according to the invention composition-modulated (see solid line courses).
Die obere gestrichelte Linie in Fig. 8 entspricht einem Leitungsbandverlauf für stark negatives Steuerelektro¬ denpotential, wohingegen die untere gestrichelte Linie der Leitungsbandenergie mit stark positiven Steuerelek¬ trodenpotential entspricht . Demgegenüber stehen die Banddiagramme für kompositionsmodulierte Barrieren gemäß einer Gallium-Verteilung nach Fig. 4, untere Darstellung. Auch hier entspricht der obere durchge¬ hende Kurvenverlauf den energetischen Verhältnissen mit einem starken negativen Steuerelektrodenpotential, der untere Bandverlauf mit stark positiven Steuer¬ elektrodenpotential. Es ist zu erkennen, daß die Tunnelbarrieren für Elektronen bei gleichverteilter BarrierenmaterialZusammensetzung immer kleiner sind, als bei kompositionsmodulierten Barrieren.The upper dashed line in FIG. 8 corresponds to a conduction band course for a strongly negative control electrode potential, whereas the lower dashed line corresponds to the conduction band energy with a strongly positive control electrode potential. In contrast, the band diagrams represent composition-modulated barriers according to a gallium distribution according to FIG. 4, lower representation. Here, too, the upper continuous curve shape corresponds to the energetic conditions with a strong negative control electrode potential, the lower band shape with strongly positive control electrode potential. It can be seen that the tunnel barriers for electrons are always smaller with a uniformly distributed barrier material composition than with composition-modulated barriers.
Dieser Effekt ist dadurch zu steigern, indem der Bandabstand in der Barriere unterhalb der Steuerelektroden noch einmal vergrößert wird. Dies ist in Fig. 9 dargestellt. Das zugehörige Kompositionspro¬ fil des Galliumgehaltes innerhalb der Barrierenschicht 4, das in Fig. 10 dargestellt ist, weist zwei Maxima auf, wobei das erste Maximum im dotierten Bereich der Barriere und das zweite Maximum unterhalb der Ste¬ uerelektrode liegt. Das erste Maximum trägt zur Er¬ höhung der Elektronendichte im Kanal bei, wohingegen das zweite Maximum die Tunnelbarriere an einer günstigen Stelle erhöht. Selbstverständlich muß bei konstant gewählter mittlerer Gallium-Konzentration die Gallium-Konzentrationen der Maxima aufeinander abge¬ stimmt werden. Höchstmögliche Elektronendichte und Spannungsfestigkeit sind bei Verwendung von GalnP als Barrierenmaterial nicht gleichzeitig einstellbar.This effect can be increased by increasing the band gap in the barrier below the control electrodes again. This is shown in Fig. 9. The associated composition profile of the gallium content within the barrier layer 4, which is shown in FIG. 10, has two maxima, the first maximum in the doped region of the barrier and the second maximum below the control electrode. The first maximum contributes to increasing the electron density in the channel, whereas the second maximum increases the tunnel barrier at a favorable point. Of course, the gallium concentrations of the maxima must be coordinated with one another if the mean gallium concentration is chosen to be constant. The highest possible electron density and dielectric strength cannot be set simultaneously when using GalnP as a barrier material.
Für die Erhöhung der Spannungsfestigkeit ist es von Vorteil im zweiten Maximum Aluminium beizumischen, was aus dem Kompositionsprofil gemäß Fig. 11 hervorgeht. Hier ist im undotierten Barrierenbereich 4 unterhalb der Steuerelektrode Aluminium beigemischt worden, zumal in diesem Bereich Aluminium am wenigsten störend ist (keine DX-Zentren) . Aus der Fig. 11 gehen die Kompositionsfaktoren x für Gallium und y für Aluminium hervor.To increase the dielectric strength, it is advantageous to add aluminum to the second maximum, which is evident from the composition profile according to FIG. 11. Here, aluminum has been added in the undoped barrier area 4 below the control electrode, especially since aluminum is the least disruptive in this area (no DX centers). 11 shows the composition factors x for gallium and y for aluminum.
Aus Fig. 12 geht eine weitere Variante der Komposi¬ tionsmodulation innerhalb der Barrierenschicht hervor. Hier ist der Bandabstand nur unterhalb der Steuerelek¬ trode erhöht. Dieses Barrierenprofil würde man wählen, wenn eine hohe maximale Elektronendichte im Kanal nicht erforderlich ist, beispielsweise bei rauscharmen Klein¬ signalverstärkern, aber die Leckströme der Ste¬ uerelektrode reduziert werden sollen. FIG. 12 shows a further variant of the composition modulation within the barrier layer. Here, the band gap is only increased below the control electrode. This barrier profile would be chosen if a high maximum electron density in the channel is not required, for example in the case of low-noise small signal amplifiers, but the leakage currents of the control electrode are to be reduced.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor mit einer Kanalschicht, auf der eine, an die Kristallstruktur der Kanalschicht gitterangepaßte Barrierenschicht aufgebracht ist, die aus einer Mischkristallstruktur zusammengesetzt ist und eine Dotierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Element- Zusammensetzung des Mischkristalls derart ortsabhängig ist, daß das Verhältnis wenigstens an einer Stelle innerhalb der Barrierenschicht einen Extremwert auf¬ weist .1. Modulation-doped field effect transistor with a channel layer on which a barrier layer applied to the crystal structure of the channel layer is applied, which is composed of a mixed crystal structure and has a doping, characterized in that the ratio of the element composition of the mixed crystal is so location-dependent that the ratio has an extreme value at least at one point within the barrier layer.
2. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor, der eine Pufferschicht aus GaAs, eine Kanalschicht aus GalnAs und eine Barrierenschicht aus GaxInl-xP aufweist, auf die zur elektrischen Ansteuerung Kontaktelektroden aufge¬ bracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ga-Gehalt x des Mischkristalls innerhalb der Barrierenschicht ortsabhängig ist und wenigstens einen Bereich aufweist, in dem x am größten ist.2. Modulation-doped field effect transistor, which has a buffer layer made of GaAs, a channel layer made of GalnAs and a barrier layer made of GaxInl-xP, to which contact electrodes are applied for electrical control, characterized in that the Ga content x of the mixed crystal within the barrier layer depends on the location and has at least one area where x is greatest.
3. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ga-Gehalt x innerhalb der Barrierenschicht ein lokales Maximum aufweist.3. Modulation-doped field effect transistor according to claim 2, characterized in that the Ga content x has a local maximum within the barrier layer.
4. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalschicht undotiert ist, 4. modulation-doped field effect transistor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the channel layer is undoped,
5. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, daurch gekennzeichnet, daß die Dotierung in der Barrierenschicht eine Deltadotierung bzw. Pulsdotierung ist.5. Modulation-doped field effect transistor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the doping in the barrier layer is delta doping or pulse doping.
6. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am lokalen Maximum' des Ga- Gehaltes x gleich 0,75 beträgt.6. Modulation-doped field effect transistor according to one of claims 3 to 4, characterized in that at the local maximum 'of the Ga content x is equal to 0.75.
7. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrierenschicht eine Dicke von etwa 20 nm aufweist.7. Modulation-doped field effect transistor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the barrier layer has a thickness of about 20 nm.
8. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ga-Gehalt an den Stellen in der Barrierenschicht maximal eingestellt ist, an denen die Leitungsbandkantenenergie im Falle einer Gleichverteilung im Mischkristall zwischen Ga und In mit x = 0,5 einen Minimalwert aufweist.8. Modulation-doped field effect transistor according to one of claims 2 to 7, characterized in that the Ga content is set to a maximum at the locations in the barrier layer at which the conduction band edge energy in the case of a uniform distribution in the mixed crystal between Ga and In with x = 0.5 has a minimum value.
9. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Elementverhältnis bzw. der Ga-Gehalt an den Stellen höchster Dotierung in der Barrierenschicht extrem ist.9. Modulation-doped field effect transistor according to one of claims 2 to 8, characterized in that the element ratio or the Ga content is extreme at the points of highest doping in the barrier layer.
10. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb einer Kontaktelekrodenfläche innerhalb der Barrierenschicht das Elemetverhältnis bzw. der Ga-Gehalt einen weiteren Extremwert aufweist.10. Modulation-doped field effect transistor according to one of claims 1 to 8, characterized in that below one Contact electrode area within the barrier layer, the element ratio or the Ga content has a further extreme value.
11. Modulationsdotierter Feldeffekttransistor nach Anspruch einem der Asnprüche 1 bis 10, daß unterhalb der Kontaktelektrodenfläche innerhalb der Barrierenschicht dem Mischkristall Aluminium-Atome zugesetzt sind. 11. Modulation-doped field effect transistor according to claim 1, wherein aluminum atoms are added to the mixed crystal below the contact electrode area within the barrier layer.
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