DE1564524B2

DE1564524B2 -

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Publication number: DE1564524B2
Application number: DE19661564524
Authority: DE
Priority date: 1965-04-15
Filing date: 1966-04-05
Publication date: 1970-11-12
Also published as: GB1134656A; DE1564524A1; US3355637A; NL6605087A; ES325504A1; JPS497390B1

Description

I 564 524

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Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor die relativen Lagen der unteren Bandgrenzen der mit einem Einkristallkörper aus Halbleitermaterial, Leitungsbänder im Isolator und dem Kanal einer längs dessen Oberfläche zwei einen Stromkanal be- Feldeffekttransistortriode gemäß einem Ausführungsgrenzenden Elektroden im Abstand voneinander ange- beispiel der Erfindung zeigt,

ordnet sind, und mit einer Steuerelektrode, die durch 5 F i g. 4 ein Energiebanddiagramm, das die relative

einen Isolator von dem Stromkanal getrennt ist. Lage der Energieniveaus in einem typischen Schnitt

Ein bekannter Typ von Feldeffekttransistoren mit durch die Steuerelektrode, den Isolator und den

isolierter Steuerelektrode enthält einen Einkristall- Kanal einer Feldeffekttransistortriode gemäß einem

körper aus einem Halbleitermaterial, an dessen Ober- Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, und

fläche zwei Elektroden angeordnet sind, die im Betrieb io F i g. 5 eine schematische Darstellung einer Reihe

als Quelle und Abfluß arbeiten und zwischen sich von Verfahrensschritten bei der Herstellung des in

einen Stromweg (Kanal) begrenzen, der längs der F i g. 1 dargestellten Bauelements.

Oberfläche des Einkristallkörpers verläuft. In nahem Die Erfindung wird an Hand von Feldeffekttransi-

Abstand von dem Kanal und von ihm durch eine stören des stromdrosselnden Typs (depletion type)

dünne Isolierschicht getrennt befindet sich eine 15 mit N-leitendem Kanal beschrieben, sie ist jedoch

Steuerelektrode. nicht hierauf beschränkt, sondern kann auch auf

Bei den bekannten Bauelementen dieser Art be- Transistoren des stromerhöhten Typs (enhancement

stand der Isolator aus einem gewöhnlich amorphen type) und Transistoren mit P-leitendem Kanal ange-

oder polykristallinen Material, in dem der mittlere wendet werden. Die folgenden Ausführungen gelten

Atomabstand erheblich verschieden vom Atomab- 20 ganz allgemein auch für Bauelemente mit P-leitendem

stand des Materials im Halbleiterkörper ist. Infolge Kanal mit der Ausnahme, daß die Polaritäten aller

der Verschiedenheit der Atomabstände treten an der angelegten Spannungen umzukehren sind.

Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper und dem Der in F i g. 1 dargestellte Transistor 21 enthält

Isolator Energiezustände auf, die die Arbeitsweise einen Einkristallkörper 23 aus einem Material mit

des Bauelementes ungünstig beeinflussen. 25 Bandlücke und hohem spezifischen Widerstand. Bei

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Oberfläche 22 des Körpers sind zwei Elektroden einem Feldeffekthalbleiterbauelement der eingangs 25, 27 angeordnet, die aus N-leitendem Halbleitergenannten Art störende Einflüsse der Grenzschicht material bestehen, längs der Oberfläche 22 im Abstand zwischen Isolator und Halbleiterkörper weitestgehend voneinander angeordnet sind und im Betrieb als zu beseitigen. 30 Quelle (Elektrode 25) und Abfluß (Elektrode 27)

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- arbeiten. Eine Schicht aus einem kristallinen Isolator löst, daß der Isolator aus einem Material besteht, 29, die entweder monokristallin oder polykristallin dessen Atomabstand das 0,9- bis l.lfache des Atom- sein kann und aus einem anderen Material mit Bandabstandes des Halbleitermaterials beträgt. lücke besteht, befindet sich auf einem Bereich 31 des

Außerdem ist die Leitfähigkeit des Isoliermaterials 35 Körpers 23, der zwischen den Elektroden 25, 27 liegt vorzugsweise kleiner als das 10~³-fache der Leitfähig- und den Kanal des Transistors bildet. Eine Steuerkeit des Kanalmaterials, die Bandlücke des Isolier- elektrode 33, die aus einem Metall oder einem gutmaterials soll vorzugsweise mindestens 1,1 eV be- leitendem Halbleitermaterial (ζ. Β. einem stark dotiertragen und vorzugsweise mindestens 0,4 eV größer ten Oberflächenteil des Isolators 29) bestehen kann, sein als die des Halbleitermaterials. 40 ruht auf dem Isolator 29, der die Steuerelektrcd; 33

Das Isoliermaterial ist bei einem derartigen Feld- vom Kanal 31 trennt. Die Steuerelektrode 33 kann

effekttransistor vorzugsweise ein Einkristall, der in sich über den ganzen Kanal 31 oder nur über einen

denselben Kristall eingewachsen oder aufgewachsen Teil des Kanals erstrecken. Dasselbe gilt auch für den

ist, der den Halbleiterkörper bildet. Eine solche mono- Isolator 29. Mit den Elektroden 25, 27 sind ohmsche

kristalline Struktur kann z. B. durch epitaktisches Auf- 45 Anschlüsse 35, 37 verbunden.

wachsen des Isolators auf einen monokristallinen Der Halbleiterkörper 23 und der Isolator 29 beKanal hergestellt werden. Man erreicht hierdurch stehen aus verschiedenen Materialien mit Bandlücke, weniger Ausschuß bei der Produktion und stabilere die hinsichtlich des Atomabstandes, der Leitfähigkeit Betriebseigenschaften. und der Größe der Bandlücke in einer bestimmten

Die Betriebseigenschaften der vorliegenden Feld- 50 Beziehung zueinander stehen.

effekttransistoren sind außerdem erheblich besser als Der Begriff »Halbleitermaterial« soll jedes eigendie der bekannten Bauelemente dieser Art. So ist z. B. leitende sowie störstellenleitende Element- und Verdas !//-Rauschen kleiner, und die Kennwerte ändern bindungshalbleitermaterial umfassen,
sich im Verlaufe der Zeit wesentlich weniger als bei Die oben gestellte Forderung hinsichtlich des Abden bekannten Bauelementen. Bei den vorliegenden 55 Standsverhältnisses beruht auf folgenden Überlegun-Bauelementen können auch die hohen Trägerbeweg- gen: Wenn die Abstände zwischen den Atomen der lichkeiten ausgenutzt werden, die gewisse Halbleiter- Materialien, die den Isolator 29 bzw. den Halbleitermaterialien aufweisen, ζ. B. Gallium-Arsenid. körper 23 bilden, nicht übereinstimmen, entstehen im

Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungs- Bereich der Grenzfläche zwischen diesen Materialien

beispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher er- 60 Oberflächenzustände, und zwar jeweils ein Zustand

läutert, es zeigt für jedes überschüssige Atom, das vorhanden ist. Der

F i g. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausfüh- Maximalwert der Abweichung der Atomabstände von

rungsform der Erfindung und einer zugehörigen etwa 10% ergibt sich dann aus der Forderung, daß die

Schaltungsanordnung, Zustandsdichte bei einem guten Feldeffekt-Bauelement

F i g. 2 eine perspektivische, idealisierte Schnittan- 65 kleiner als 10¹²/cm² sein soll. Der Atomabstand des

sieht zur Definition verschiedener Parameter, die bei Isoliermaterials soll also zwischen 0,9- und l,lmal so

der Erläuterung der Erfindung verwendet werden, groß sein wie der Atomabstand des Halbleitermaterials.

F i g. 3 ein idealisiertes Energiebanddiagramm, das Bei größeren Abweichungen ergibt sich eine zu hohe

Oberflächenzustandsdichte und ein entsprechend schlechtes Arbeiten des Bauelements.

Die Bedingungen hinsichtlich der Leitfähigkeit und der Bandlücken beruhen auf folgenden Überlegungen: Der Isolator 29 arbeitet als dielektrische Sperrschicht, so daß die Trägerströme durch den Isolator 29 zwischen der Steuerelektrode 33 und dem Kanal 31 im Vergleich zu den den Kanal durchfließenden Strömen vernachlässigbar sind. Zwischen der Steuerelektrode 33 und dem Kanal 31 kann wegen der relativ großen Dicke der Isolierschicht (etwa 1000 Angstrom oder mehr) nämlich nur ein vernachlässigbarer kleiner Tunnelstrom fließen. Auch die Eigenleitfähigkeit des Isolators und injizierte Ströme sind klein. Es sei als erstes die ohmsche Leitfähigkeit senkrecht zur Kanalebene durch den Isolator 29 hindurch mit der Leitfähigkeit des Feldeffektkanals, in dessen Ebene betrachtet, verglichen. Gemäß F i g. 2 ergibt sich für die Flächenstromdichte senkrecht zur Kanalebene ji pro Einheit der Kanalbreite

ji — q · tu

(Vg- V_g)-L 2t

wobei q die Elementarladung, rn die Zahl der Ladungsträger pro cm³ im Isolator, μι die Beweglichkeit der Ladungsträger im Isolator, Va die Spannung zwischen Quelle und Abfluß, V₉ die Spannung zwischen Quelle und Steuerelektrode, L die Kanallänge (F i g. 2) und t die Isolatordicke bedeuten und das Feld

(V_ä - V₉)

2t

als effektives Feld (V_g < 0) angenommen ist. Die Flächenstromdichte im Kanals bei Sättigung und Vg = O beträgt

Js-

ε με tL

wobei ε die Dielektrizitätskonstante des Isolators, μ₈ die Beweglichkeit der Ladungsträger im Halbleiter und Vp die Abschnürspannung (Pinch-off-Spannurig) gemäß der derzeitigen MOS-Theorie ist. Vergleicht man dies und fordert man, daß

Js

< 10-³,

so ergibt sich m < 10¹⁰cm~³ unter den folgenden Bedingungen: -^- = K)-¹; ε = 10; L = 2 · 10~³cm / = 10-⁵cm; V_d-Vg = 10V;a = 1O¹²Cm-² = Oberflächenladungsdichte des Kanals. Diese Forderung wird für einen Betrieb bei Raumtemperatur von jedem reinen Material erfüllt, dessen Bandlücke größer als 1,1 eV ist.

Um eine Abschätzung über die zur Verhinderung von Injektionsströmen erforderliche Potentialschwelle zu erhalten, sei die Leitungsbandsperrschicht betrachtet. Rechnet man die Oberflächendichte von 10¹²cm~² in eine Volumendichte von 10¹⁸cm~³ um, so erhält man für die Potentialschwelle den Wert φ > 0,4 eV, wenn die Ladungsträgerdichts auf der Isolatorseite der Sperrschicht kleiner als der oben verwendete Wert von 10¹⁰Cm^-3 ist, wie in F i g. 3 dargestellt ist. Da die Löcherdichte wesentlich geringer ist, kann die Potentialschwelle der Sperrschicht für Löcher entsprechend kleiner sein. Die an die Sperrschicht zu stellenden Bedingungen hängen wieder von der Temperatur ab und verringern sich exponentiell bei einem Betrieb mit niedrigen Temperaturen.

Unter Bezugnahme auf F i g. 4 ergibt sich das folgende ungefähre Bild für die Mindestbedingungen, die für einen Betrieb bei Raumtemperatur an den Isolator zu stellen sind:

«rf

+ 0,4 + 0,2 [eV],

d. h., daß die Bandlücke Egi_ns des Isolators etwa 0,6 eV größer als die Bandlücke Eg_cii des Halbleiters und mindestens 1,1 eV sein soll. Die Steuerelektrode 33 kann aus Metall oder einem Oberflächenteil des Isolators 29, der sehr stark dotiert ist, so daß das Fermi-Niveau nahe der Leitungsbandkante liegt, bestehen.

Es ist bemerkenswert, daß die Dielektrizitätskonstante des Isolators 29 größer ist als bei den bekannten Feldeffekttrioden, so daß der Isolator nicht so dünn zu sein braucht wie bisher. Bei den obigen Rechnungen wurden jedoch übliche Isolatordicken verwendet.

Bei dem vorliegenden Bauelement ist der Kanal 31 monokristallin, und der Isolator 29 kann ebenfalls ein Einkristall sein. Das neue Bauelement ist stabiler und läßt sich mit einem bemerkenswert kleinen Produktionsausschuß herstellen. Man kann epitaktisch gewachsene A-III-BV-Verbindungen und Elemente der Gruppe IV verwenden. So kann man beispielsweise einen GaP-Isolator auf einem GaAs-Kanal, einen GaP-Isolator auf einem Si-Kanal, einen GaAs-Isolator auf einem Ge-Kanal oder einen GaAs-Isolator auf einem InAs- oder InSb-Kanal verwenden und die Vorzüge der hohen Trägerbeweglichkeit in diesen Kanalmaterialien ausnutzen.

Das in F i g. 1 dargestellte Bauelement 21 kann in einer Schaltung 39 betrieben werden, welche eine die Quellenelektrode 35 mit Masse 43 verbindende Quellenleitung 41, einen Steuerlektrodenteil mit einer Steuerelektrodenleitung 45, die die Steuerelektrode 33 über eine Vorspannungsquelle 49 und eine mit dieser in Reihe geschaltete Signalquelle 47 mit Masse verbindet, und einen Abflußteil mit einer Abflußleitung 51, die die Abflußelektrode 37 über eine Abflußspannungsquelle 53 und einen mit dieser in Reihe geschalteten Widerstand 55 mit Masse verbindet, enthält. Das Ausgangssignal kann an Klemmen 57 parallel zum Arbeitswiderstand 55 abgenommen werden. An den Klemmen 57 steht ein verstärktes Abbild des von der Signalquelle 47 an die Steuerelektrode 33 gelieferten Signals zur Verfugung. Die in F i g. 1 eingezeichneten Polaritäten gelten für einen Transistor vom Drosselungstyp (edpletion type), der einen N-leitenden Kanal hat.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltung ist der Halbleiterkörper 23 des Bauelementes nicht beschaltet. Gewünschtenfalls kann der Halbleiterkörper 23 jedoch auch an einer Gleich- oder Wechselspannung liegen, um dem Bauelement ein zusätzliches Eingangssignal zuzuführen. Wenn der Halbleiterkörper dünn ist und einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand hat, kann an der der Steuerelektrode 33 gegenüberliegenden Seite eine nicht dargestellte Hilfssteuerelektrode angebracht werden, der ebenfalls ein zusätzliches Eingangssignal zugeführt werden kann.

Die beschriebenen Transistoren umfassen Bauelemente mit einem monokiistallinen Kanal 31, z. B. aus Silizium, Germanium, Gallium-Arsenid, der

direkt in einem Einkristallkörper oder epitaktisch auf einem monokristallinen Träger gebildet ist. Bei solchen monokristallinen Strukturen kann man den Isolator 29 epitaktisch aus der Dampfphase niederschlagen oder bei manchen Materialien in situ aufwachsen lassen. Der Isolator 29 kann polykristallin sein, er ist jedoch vorzugsweise monokristallin. Wie oben erläutert wurde, ist der Atomabstand im Isolator dem Atomabstand des Kanalmaterials angepaßt. Man läßt den Isolator 29 vorzugsweise direkt auf den Kanal 31 aufwachsen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann das Kanalmaterial auf dem Isolator niedergeschlagen werden und nicht, wie oben angegeben, der Isolator auf dem Kanal. Die beschriebenen Bauelemente lassen sich mit ähnlichen Verfahren herstellen, wie sie bei der Produktion bipolarer Transistoren und anderer elektronischer Festkörper-Bauelemente verwendet werden. Man kann mit einer Diffusion von Dotierungsstoffen arbeiten, und die Geometrie kann durch Maskierung und fotolithographische Präzisionsverfahren gesteuert werden.

In F i g. 5 ist die Herstellung eines Bauelements, das einen GaP-IsoIator auf einem GaAs-Kanal enthält, schematisch dargestellt. Man geht von einem Einkristallkörper 23 aus P-leitendem Gallium-Arsenid mit einem spezifischen Widerstand zwischen 10 und 50 Ohm-Zentimeter aus, wie in F i g. 5 A dargestellt ist. Als nächstes werden unter Anwendung bekannter Maskierverfahren N-leitende Verunreinigungen in beabstandete Bereiche im Körper 23 eindiffundiert, um die später als Quelle und Abfluß dienenden Elektroden 25, 27 zu bilden, wie F i g. 5 B zeigt. Man kann hierbei beispielsweise elementaren Schwefel in das Gallium-Arsenid eindiffundieren, indem ein maskierter Kristall etwa 15 Stunden bei etwa 1000⁰C in Schwefeldampf erhitzt wird. Als nächstes wird ein N-leitender Kanal 31 erzeugt, indem entsprechende Verunreinigungen in den Oberflächenbereich des Körpers 23 zwischen den Elektroden 25, 27 eindiffundiert werden. Hierzu wird der entsprechend maskierte Kristall beispielsweise für etwa 1 Stunde erneut in Schwefeldampf erhitzt. Die zweckmäßigste Erhitzungsdauer, Temperatur und Schwefeldampfkonzentration werden empirisch festgelegt.

Anschließend läßt man einen Isolator 29 aus reinem Gallium-Phosphid mit Hilfe eines Halogen- oder Oxyd-Transportverfahrens epitaktisch aufwachsen. Verwendet man beispielsweise ein Halogen-Transportverfahren, so kann ein dünner Galliumphosphidfilm durch einen Transport von einer reines Galliumphosphid enthaltenden Quelle zur Oberfläche des Halbleiterkörpers 29 bei einer Temperatur von etwa 700° C in einer Chloratmosphäre innerhalb einiger Minuten gebildet werden. Nach diesem Verfahrensschritt hat das Bauelement die in F i g. 5 D dargestellte Struktur und enthält eine etwa 1000 Angstrom dicke Gallium-Phosphid-Schicht 29.

Als nächstes wird die Steuerelektrode 33 auf dem Isolator 29 gebildet. Hierzu wird beispielsweise eine stark, bis zur Entartung dotierte Schicht 33 aus Galliumphosphid gezüchtet, z. B. unter Verwendung von stark mit Tellur dotiertem Galliumphosphid oder durch Zusatz eines Dotierungsstoffes, wie Schwefel, zu der aus Wasserstoff bestehenden Atmosphäre. Die Steuerelektrode 33 und der Isolator 29 werden dann abgedeckt und geätzt, um die Elektroden 25, 27 freizulegen. Anschließend werden durch Aufdampfen von Metall Kontakte 35, 37 auf den Elektroden 25 bzw. 27 gebildet. Während des gleichen Verfahrensschrittes kann auch auf die Steuerelektrode noch eine Metallschicht 38 aufgebracht werden. Das fertige Bauelement ist in F i g. 5 E dargestellt.

Claims

Patentansprüche:

1. Feldeffekttransistor mit einem Einkristallkörper aus Halbleitermaterial, längs dessen Oberfläche zwei einen Stromkanal begrenzende Elektroden im Abstand voneinander angeordnet sind, ι und mit einer Steuerelektrode, die durch einen \ Isolator von dem Stromkanal getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (29) aus einem Material besteht, dessen Atomabstand das 0,9- bis 1,If ache des Atomabstandes des Halbleitermaterials (23) beträgt.

2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit des Isolators (29) kleiner als das 10-³-fache der Leitfähigkeit des Halbleitermaterials (23) ist und daß die Bandlücke des Materials des Isolators (29) mindestens 1,1 eV beträgt und mindestens 0,4 eV größer ist als die Bandlücke des Halbleitermaterials (23).

3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (29) aus einem Einkristall besteht.

4. Feldeffekttransistor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator aus einer A-III-BV-Verbindung besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen