DE2913068A1

DE2913068A1 - Heterostruktur-halbleiterkoerper und verwendung hierfuer

Info

Publication number: DE2913068A1
Application number: DE19792913068
Authority: DE
Inventors: Gerhart Dipl Phys D Abstreiter; Albrecht Ing Grad Fischer; Klaus Dipl Chem Dr Ploog
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1979-04-02
Filing date: 1979-04-02
Publication date: 1980-10-23
Also published as: JPS55132074A; US4755857A; JPS6342864B2; DE2913068C2

Description

10541 Dr.ν.B. GI 594

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der

Wissenschaften e.V. Bunsenstraße 10, 3400 Göttingen

Heterostruktur-Halbleiterkörper und Verwendung hierfür

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heterostruktur-Halbleiterkörper gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung Verwendungen für solche Halbleiterkörper.

Es sind Hochfrequenz-Feldeffekttransistoren (MES-FET), die ein Halbleitersubstrat aus Galliumarsenid GaAs enthalten, auf dem sich eine dünne

17 -3 (ca 0,5 pm dicke) epitaktische, relativ stark (ungefähr 1 χ 10 cm ) mit Donatoren dotierte Galliumarsenidschicht befindet, die als Kanal zwischen einem Source- und einem Drain-Kontakt bilden, die an ihr angebracht sind. Die Steuerelektrode (Gate) besteht aus einem Schottky-Kontakt, der am Kanal angebracht ist und dessen Widerstand durch Trägerverarmung zu steuern gestattet. Solche MES-FET und andere Anwendungen von Heterostruktur-Halbleiterkbrpernifctet/z.B. aus der Zeitschrift "Journal of the Electrochemical Society" Dezember 1978 Seiten 478C bis 499 C bekannt.

Es sind auch Feldeffekttransistoren dieses Typs bekannt, bei denen die den Kanal bildende dotierte Schicht durch Ionenimplantation in hochohmigem GaAs hergestellt wurde.

Die Grenzfrequenz von Halbleiterbauelementen der oben erwähnten Art ist im wesentlichen durch die Beweglichkeit bzw. Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger und die Kanallänge bestimmt. Bei vorgegebener Geometrie

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-δι st es daher wünschenswert, eine möglichst hohe Trägerbeweglichkeit zu erreichen. Es ist daher auch bekannt, anstelle von Galliumarsenid andere Verbindungshalbleiter zu verwenden, wie InP oder Ga In« P As, zu verwenden,

x * λ y χ "* Jr

die eine höhere Trägerbeweglichkeit als GaAs haben.

Unabhängig von der Art des verwendeten Halbleitermaterials ist bei den bekannten Halbleiterbauelementen der oben erwähnten Art die Beweglichkeit ·"" der Ladungsträger durch die große Zahl von Verunreinigungen bzw. geladenen Störstellen im stromführenden Kanal begrenzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Weg zur Erhöhung der Trägerbeweglichkeit anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Bei dem Heterostruktur-Halbleiterkörper gemäß der Erfindung wird eine höhere Beweglichkeit der Ladungsträger dadurch erreicht, daß diese aus dem relativ stark dotierten Halbleitermaterial mit dem größeren Bandabstand ""■*> in das reine Halbleitermaterial mit dem kleineren Bandabstand abwandern können. Da das letzterwähnte Material reiner ist, wird die Beweglichkeit der Träger in ihm auch nicht so stark durch die geladenen Störstellen and andere Verunreinigungen begrenzt, wie in der dotierten "aktiven" Schicht.

Die Heterostruktur-Halbleiterkörper qemäß der Erfindung eignen sich insbesondere für Halbleiterbauelemente, wie optoelektronische Bauelemente und Feldeffekt-Haibleitereinrichtungen, Hochfrequenz-Bauelemente, z.B. Mikrowellen-Feldeffekttransistoren, als Basis für integrierte Schaltungen, einschließlich integrierte opto-elektronische Schaltungen, u.a.m.

Im folgenden werden Ausführunqsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

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BAD ORIGINAL

Es zeigen:

Fig. 1 ein Energiediagramm in einem Heterostruktur-Halbleiterkörper gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im vorspannungsfreien Zustand/

Fig. 2 weitere Energiediagramme von Heterostruktur-Haibleiterkörpern gemäß Ausführungsformen der Erfindung und

Fig.3 eine geschnittene perspektivische Ansicht eines Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistors gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung.

Der Heterostuktur-Halbleiterkörper gemäß der Erfindung enthält zwei verschiedene Halbleitermaterialien A bzw. B mit verschieden großen Bandllicken. Das Halbleitermaterial A hat den größeren Bandabstand und ist stark dotiert. Das Halbleitermaterial B mit dem Kleineren Bandabstand ist schwächer oder nicht dotiert, wesentlich ist vor allem, daß die Verunreinigungskonzentration im Halbleitermaterial mit dem kleineren Bandabstand um mindestens eine Zehnerpotenz kleiner ist als die im Halbleitermaterial mit dem größeren Bandabstand.

Bei entsprechender Wahl der Halbleitermaterialien und des oder der Dotierungsstoffe ist es möglich, daß die Dotierniveaus (also die Niveaus der Donatoren bzw. Akzeptoren) energetisch ungünstiger liegen als das Leitungsband (im Fall von Donatoren) bzw. Valenzband (im Falle von Akzeptoren) des zweiten Halbleitermaterials B.

Im Falle von Donatoren liegen also die Donatorniveaus im Halbleitermaterial A energetisch über dem Leitungsband im Halbleitermaterial B. Dadurch werden Elektronen von den Donatoren abgegeben und wandern in das benachbarte Halbleitermaterial B. Dadurch stellt sich eine Bandverbiegung ein, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, und das Halbleitermaterial A verarmt angrenzend an eine Übergangszone 10 zwischen den beiden Halbleitermaterialien, während sich im Halbleitermaterial B die Ladungsträger angrenzend an die Übergangszone 10 ansammeln.

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KCi.'..: · :...=c.MT I

Fig.l zeigt einen für diese Verhältnisse typischen Verlauf für das Valenz- und Leitungsband in den beiden Halbleitermaterialien A und B für den Fall, daß das Halbleitermaterial A aus Al Ga, As und das Halbleitermaterial B aus reinem GaAs bestehen und das Halbleitermaterial A mit Germanium und/ oder Silicium dotiert ist.

Wenn das Material A mit Akzeptoren p-dotiert ist, so ergibt sich anstelle der Anreicherungsschicht eine Elektronen - Inversionsschicht. Für Akzeptoren und Löcher kann das Verhalten in analoger Weise beschrieben werden.

Fig 2 zeigt den Verlauf des Leitungs- und Valenzbandes LB bzw. VB von vier verschiedenen HeteroStrukturen (schematisch) bestehend aus Material A (stark dotiert) mit großem Bandabstand und Material B (schwach dotiert) mit kleinem Bandabstand. Er ist die Fermienergie. Ist die Ladungsträgerart (Majoritätsladungsträger) in beiden Materialien gleich (n- bzw. p-Typ), so stellt sich in Material B eine Anreicherungsschicht der Majoritätsladungsträger (Elektronen bzw. Löcher) ein. Haben die Ladungsträger in den beiden Materialen verschiedene Vorzeichen, ergibt sich eine Inversionsschicht. Das Verhalten hängt jedoch von der Diskontinuität der Bänder an der Grenzfläche ab. Im System Al Ga₁ As/GaAs wird ^ 80% des Unterschieds im Bandabstand der beiden Materialen im Leitungsband ausgeglichen. Es eignet sich daher für Anordnungen mit Elektronenanreicherungs- und Elektroneninversionsschichten im GaAs. Für entsprecheode Kanäle mit Löchern eignen sich Materialen mit einem grossen Sprung im Valenzband. GaAs/Ge ist z.B. soldi ein System. Dabei wandern die Löcher des p-dotierten Materials A (in diesem Falle GaAs) in das Material B mit kleinerem Bandabstand (z.B. Ge). Im Falle von p-Ge erhält man eine Löcheranreicherungsschicht, für n-Ge eine Löcherinversionsschicht.

In allen Fällen besteht der wesentliche Vorteil darin, daß die Ladungsträger vom Material A in das Material B wandern und dadurch räumlich von den Akzeptoren bzw. Donatoren im Material A getrennt sind. Die sich im Material B an der Übergagszone 10 oder Grenzfläche befindenden Ladungsträger bilden einen quasi-zweidimensionalen Kanal 11 ähnlich wie eine Inversionsschicht in einem Silizium-MOS-Transistor. Vom stark dotierten Material A

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ist der die Ladungsträger enthaltende Kanal Π durch die sich gleichzeitig im Material A aufbauende Verarmungsschicht 12 elektrisch isoliert.

Wesentliche Voraussetzungen für die Ausbildung eines Kanals, der Ladungsträger mit hohen Beweglichkeiten enthält, sind dabei, daß der übergang vom einen Halbleitermaterial auf das andere Halbleitermaterial und der Dotierungssprung sehr scharf sind, möglichst nur wenige, vorteilhafterweise höchstens zehn Atomlagen, und daß die Grenzflächen-Zustandsdichte wesentlich kleiner als die Dichte der transferierten, also vom Material A in das Material B übergegangenen Ladungsträger ist. Die Grenzfläche oder Übergangszone selbst sollte so weitgehend wie möglich atomar eben sein, so daß keine Grenzflächenrauhigkeiten vorhanden sind, die durch Streuung der Ladungsträger den durch das reinere Material erreichten Gewinn an Beweglichkeit wieder aufzehren.

Der Unterschied in der Dotierung bzw. Verunreinigungskonzentration des reineren Halbleitermaterial kleineren Bandabstandes und der des dotierten Halbleitermaterials mit dem größeren Bandabstand braucht nur etwa eine Zehnerpotenz betragen, um den gewünschten Effekt zu erzielen, letzterer ist selbstverständlich umso ausgeprägter, je größer die Differenz bzw. je reiner das Halbleitermaterial mit dem kleineren Bandabstand ist. Das Material A mit dem

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größeren Bandabstand enthält vorteil hafterweise z.B. 5Ί0 bis 5*10 Ladungsträger bzw. ionisierbare Störstellen eines vorgegebenen Leitungstyps pro Kubikzentimeter. Ein typischer Viert ist 5*10 cm"-. Das Material B ist, wenn es aus einem Verbindungshalbleiter besteht, nie extrem rein, typische Verun-

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reinigungskonzentrationenen sind hier 5"10 bis 1*10 Restverunreinigungen

3
pro cm .

Der Halbleiterkörper kann zusätzlich zu den beiden erwähnten Schichten noch ein Substrat enthalten, das ggf. durch einen Teil des Halbleitermaterial s mit dem größeren Bandabstand gebildet sein kann. Das Material B mit dem kleineren Bandabstand bildet jedoch immer eine Art von Oberflächenschicht, die auf der einen Seite von einer Schicht aus dem dotierten Halbleitermaterial A und auf der anderen Seite von Luft und/oder Metall kontakten und/ oder einer Schutz- oder Passivierungsschicht begrenzt ist. Die Schicht aus dem

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Halbleiterniaterial B kann ggf. dünner sein, als die aktive zweite Schicht aus dem dotierten Halbleitermaterial A.

In Fig. 3 ist ein Mikrowellen-Feldeffekttransistor dargestellt, der unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers hergestellt worden ist. Der Mikrov/ellentransistor 16 arbeitet ähnlich wie ein herkömmlicher Schottky-Gate-MESFET. Er enthält ein Substrat 13 aus GaAs, auf dem sich eine η-leitende Schicht 20 aus Aluminium-Gallium-Arsenid Al Ga, As so-

Λ Ι Λ

wie eine Schicht 22 aus hochreinem Galliumarsenid befindet, die aneine Oberfläche 24 des Halbleiterkörpers angrenzt. In die Galliumarsenidschicht 22 sind zwei n⁺ -Zonen 26, 28 eindiffundiert, die als Source bzw. Drain dienen und mit einem entsprechenden Metall kontakt 30 bzw. 32 kontaktiert sind. Auf der Oberfläche 24 der Galliumarsenidschicht 22 befindet sich ferner eine Gate-Elektrode 34, die mit der Galüumarsenidschicht 22 einen Schottky-Kontakt bildet. Auf der Schicht 22 kann sich noch eine nicht dargestellte Schutz- oder Passivierungsschicht, z.B. aus Oxid oder Nitrid befinden.

Die Dicke der Galliumarsenidschicht 22 ist vorteilhafterweise so gewählt, daß die durch den Schottky-Kontakt erzeugte Verarmungsschicht bei der Vorspannung V=O bis zu dem sich an der Grenzfläche 36 zwischen den Schichten 20 und 22 ausbildenden Anreicherungs- bzw. Inversionskanal reicht, der Kanal selbst aber noch offen, also leitfähig ist. Legt man dann an die Gate-Elektrode 34 eine den Schottky-Kontakt in Rückwärtsrichtung vorspannende Spannung, so werden die Ladungsträger an der Grenzfläche 36 abgebaut, bis der Kanal schließlich gesperrt ist. Da keine Verarunungszone aufgebaut werden muß, um den Kanal zu sperren, und da die Ladungsträger eine hohe Beweglichkeit

-12 haben, kann das Sperren des Kanals äußerst schnell, etwa innerhalb von 10 Sekunden, bewirkt werden.

Die Halbleiterkörper gemäß der Erfindung lassen sich beispielsweise mit Hilfe von Molekularstrahl-Epitaxie oder chemischer Gasphasen-Epitaxie aus metallorganischen Verbindungen herstelllen. Eine bevorzugte Material kombination ist GaAs - Al Ga₁ As. Der Bandabstand im Aluminium-Gallium-Arsenid

Λ 1 X

ist größer als im Galliumarsenid. Als Dotierungsstoff, der ein scharfes Dotierprofil zu erzielen gestattet, eignet sich z.B. Germanium oder Silizium.

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x kann Werte zwischen etwa 0,10 bis 0,37 haben. Die Konzentration des Si oder Ge im Al Ga, As kann zwischen etwa 5"10¹⁶ bis 5Ί0¹⁸ cm³ betragen.

Andere geeignete Materialkombinationen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

TABELLE

Material A (2.Schicht 2) Germanium ^Gai-A^As

Dotierungsstoff	Material B
Akzeptoren Donatoren	(1. Schicht 4) GaAs GaAs
Akzeptoren	GaAs

Bei Verwendung des Halbleiterkörpers gem. der Erfindung in einem Halbleiterbauelement sind mindestens zwei Kontakte vorgesehen. Z.B. kann ein Kontakt an jeder Schicht angebracht sein. Ferner können mehrere Kontakte an der ersten Schicht aus dem Halbleitermaterial B angebracht sein, z.B. ohmsche Kontakte und/oder Schottky-Kontakte. Auch das Substrat kann einen Anschluß aufweisen. Die Kontakte können auch aus dotierten Zonen bestehen.

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Leerseite

Claims

Heterostruktur-Halbleiterkörper und Verwendung hierfür Patentansprüche

1. Heterostruktur-Halbleiterkörper mit zwei durch eine Obergangszone getrennten epitaktischen Schichten aus unterschiedlichen,kristall inen Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandabständen und unterschiedlichen Verunreinigungskonzentrationen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (4), die aus dem Halbleitermaterial (B) mit dem kleineren Bandabstand besteht, eine Oberflächenschicht auf der zweiten Schicht (2), die aus dem Halbleitermaterial (A) mit dem größeren Bandabstand besteht und dotiert ist, bildet, von dieser zweiten Schicht durch eine abrupte Übergangszone (10) getrennt ist und eine Verunreinigungskonzentration hat, die um mindestens eine Zehnerpotenz kleiner ist als die der zweiten Schicht, und daß die Halbleiter- und Dotierungsmaterialien so gewählt sind, daß die Dotierniveaus in der zweiten Schicht energetisch ungünstiger liegen als das ihnen benachbarte Energieband der ersten Schicht und freie Ladungsträger aus der dotierten zweiten Schicht in einen angrenzenden Bereich der ersten Schicht abwandern.

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ORIGINAL INSPECTED

L₂. ;- - ■—*

2. Halbleiterkörper nach Anspruch 1, dadurch g e -

kennzei chnet, daß das Halbleitermaterial der dotierten zwei-

1fi 18

ten Schicht zwischen 5 χ 10 und 5x10

Ladungsträger pro Kubikzentimeter enthält.

1fi 18

ten Schicht zwischen 5 χ 10 und 5 χ 10 ionisierbare Störstellen bzw.

3. Halbleiterkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge

kennzeichnet, daß das Halbleitermaterial der ersten Schicht

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5 χ 10 bis 1 x 10 Rest-Verunreinigungen pro cm enthält.

4. Halbleiterkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Übergangszone (10) und der der ersten Schicht (4) benachbarten Oberfläche des Halbleiterkörpers kleiner ist als der Abstand zwischen der Übergangszone (10) und der der zweiten Schicht (2) benachbarten Oberfläche des Halbleiterkörpers.

5. Halbleiterkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht auf der der Übergangszone (10) abgewandten Seite zumindest teilweise an Luft oder eine dielektrische Schicht angrenzt.

6. Halbleiterkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet ,daß die beiden Schichten aus verschiedenen Verbindungen bestehen.

7. Halbleiterkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, (
besteht.

daß die erste Schicht aus GaAs und die zweite Schicht aus Ga₁ Al As

8. Halbleiterkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmaterial Si und/oder Ge ist.

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9. Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet ,daß das Halbleitermaterial der ersten Schicht GaAs ist.

10. Halbleiterkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial der zweiten Schicht aus Germanium besteht.

11. Halbleiterkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial der zweiten Schicht GaAs_vSb, ist.

12. Halbleiterkörper nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht mit Akzeptoren dotiert ist.

13. Halbleiterkörper nach Anspruch 9,.dadurch .gekennzeichnet, daß die zweite Schicht als Halbleitermaterial Ga₁ In As enthält.

14. Halbleiterkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht mit Donatoren dotiert ist.

15. Halbleiterkörper nach einem der vorangeheneden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schichtjdünner ist als die zweite.

16.Halbleiterkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Obergangszone eine in atomarer Größenordnung liegende Rauhigkeit hat.

17. Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangszone eben ist.

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18. Halbleiterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Übergangszone (10) nur wenige, höchstens zehn Atomlagen beträgt.

19. Verwendung des Halbleiterkörpers nach einem der vorangehenden Ansprüche für ein Halbleiterbauelement, bei dem die an der Übergangszone (10) entstehende Anreicherungs- oder Inversionsschicht zur Stromleitung dient.

20. Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement ist und die Anreicherungs- oder Inversionsschicht (11) als steuerbarer Kanal dient.

21. Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (22) aus dem reinen Halbleitermaterial mindestens zwei dotierte Zonen (26,28) enthält, die einen steuerbaren Kanal begrenzen.

22. Verwendung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (22) aus dem reinen Halbleitermaterial mit mindestens einer Elektrode (34) versehen ist» die mit dieser Schicht einen Schottky-Kontakt bildet.

23. Verwendung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht (22) aus dem reinen Halbleitermaterial und der Schottky-Kontakt so gewählt sind, daß die entstehende Verarmungszone bis zu der Anreicherungs- oder Inversionsschicht (38) reicht, einen Stromfluß durch diese Schicht jedoch noch zuläßt.

24. Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzei chnet, daß er mit mindestens zwei, vorzugsweise ohmschen Anschlüssen versehen ist, von denen einer an der ersten Schicht und ein zweiter an der ersten oder der zweiten Schicht angebracht ist.

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