DE1489038A1 - Unipolartransistor - Google Patents

Description

u-eSö.

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 31. Juli 1968 ei-sr

Anmelderin:

Amtliches Aktenzeichen:

Aktenz. der Anmelderin:

International Business Machines Corporation^ Armonk, N. Y. 10 504 P 14 89 038.1 (J 27 162 VIIIc/21g) Docket 10 691

Unipolartransistor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Unipolartransistor mit einer über einem pn-übergang angeordneten Stgtuerßlektrode.

Der Unipolar- oder Feldeffekttransistor ist eine Halbleitervorrichtung, bei welcher der Betriebsstrom von MajoritätsladTOgsirägern getragen wird. Es hajidelt sich hierbei um Träger, welche normalerweise im Überschuß vorliegen und für den Deitungsmechanismus verantwortlich sind. Solche Träger bestehen in einem η-leitenden Gebiet aus Elektronen und in einem ρ-leitenden Gebiet aus Deffektelektronen. Dies steht inj völligen Widerspruch mit den bekannteren Unipolartransistoren vom npn- od,er auch vom pnp-Typ^ bei denen die Leitungsmeoha^nismen weitgehend abhiäiigig sindψρη d<&£ BeweguoQg der Minoritätsträger, d.h. yqa denjenigen Trägern, welche bezüglich der in normalen Gebieten im Überfluß vorhandenen Träger das umgekehrte yorzeiqhen besitzen. In eiaer yon W. bekanntgewordenen Ausführungsform des Felde|fekttransistors ist eine Q und eine Senkenelektrode vorgesehen, die sich an den beiden Enden eines HaIbleiterkörpers gegenübersitehen und über die der Arbeitsstrom durch den Halbleiterkörper geleitet wird. Innerhalb des zwischen beiden Elektroden bestehenden

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leitenden Pfades befindet sich ein pn-übergang, welcher als Steuerorgan vermöge einer in Sperrichtung angelegten Spannung den in dem leitenden Kanal sich ausbildenden Strom zwischen Quelle und Senke steuert. Durch die Wirkung dieses als Steuerorgan wirkenden pn-Überganges wird die Dicke der" Verarmungsschicht, welche mit dem pn-übergang verknüpft ist, beeinflußt. Ist die sperrende Steuerelektrodenspannung genügend groß, so wird die Verarmungsschicht so dick, daß eine fast völlige Abschnürung des Arbeitjsstromes durch den Halbleiterkörper stattfindet. Es hat sich aber gezeigt, daß diese Anordnungen auch in verbesserten Ausführungen nur geringe Steilheiten aufweisen und daß eine völlige Unterbindung des Arbeits stromes nicht möglich ist, da hierzu beliebig hohe Feldstärken erforderlich wären.

Es wurden eine große Anzahl verschiedenartiger Strukturen, insbesondere auch pünnschichtstrukturen, von Unipolartransistoren bejsannt, bei dienen die Steuerelektrode teils isoliert, teils nicht isoliert ist. Bei diesen bisher bekannten Unipolartransistoren wurden teilweise auch epitaktisehe Aufdampfver.fahrqn sowie die verschiedensten Oxydschichten angewendet.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Unipolar,-;; transistor aufzuzeigen, bei dem der zu steuernde Strom sich in der Nähe der Oberfläche, bewegt und bei dem deshalb .die Steuerung durch äußere Felder erfolgen kann.

Der die genannte Forderung erfüllende Unipolartransistor ist dadurch gekennzeichnet, daß in einer Oberflächenseite einer ersten Halbleiterzone eines ersten Leitfähigkeitstyps zwei getrennte Zonen eines zweiten Leitfähigkeitstyps eingelassen sind, an denen je eine ohmsche Hauptelektrode angeordnet ist.

Neue sg

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daß der zwischen den beiden getrennten Zonen liegende Teil der ersten Zone mit einer einkristallinen Halbleiter schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps abgedeckt ist, die aus einem Halbleitermaterial mit einem breiteren verbotenen Band als das Halbleitermaterial der ersten Zone besteht und daß zur Sicherstellung einer Inversionsschicht unterhalb der einkristallinen Halbleiters chicht das Verhältnis der. Dotierungskonzentrationen auf beiden Seiten der Inversionsschicht festgelegt ist durch den Ausdruck

^NB ^KA ^EgB

wenn N. die Dotierungskonzentration der ersten Halbleiterzone mit dem Halbleitermaterial A, N_ diejenige der einkristallinen Halbleiterschicht mit dem Halbleitermaterial B, 4^E den Valenzbandunterschied und E . bzw. E die Bandabstände für die Halbleitermaterialien A und B bedeuten.

Es werden nun anhand der Figuren zwei Ausführungsbeispiele nach den Lehren der Erfindung erläutert. In den Figuren bedeuten:

Fig. IA einen Seitenriß eines Unipolartransistors;

Fig. IB die gleiche Vorrichtung in komplementärer Ausführung;

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Neue Anmeiüiingsüntenogen

Pig. 2A und 2B Energiebanddiagramme für die pn-Heterojunc-

. tion bei vorhandenen und nicht vorhandenen Steuerspannungen mit zugeordneten Ladungsverteilungskurven;

Fig. jj · eiⁿ Energiebanddiagramm für eine pn-Heterojunc-

tion zwischen einer Steuerelektrode und der Quelle sowie zwischen Steuerelektrode und Senke;

Fig. 4 ein Energiebanddiagramm für die Leitfähigkeits-

verhältnisse im Gebiete des Oberflächenhaft leitenden Pfades zwisohen Quelle und Senke bei angelegter Vorspannung.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von dem durch Shockley bekanntgewordenen Feldeffekttransistor darin, daß die Steuerung durch ein äußeres Feld durch Einwirkung auf das Oberflächenpotential des Halbleiters wirkt und beruht weiterhin darauf, daß der Leitfähigkeitstyp. · auf einem definierten Oberflächenhaften Gebiet des Halbleitergrundkörpers invertiert wird. Gehört so z.B. der Grundkörper des Halbleiters dem p-Leitfähigkeitstyp an, so ist die Leitfähigkeit auf dem entsprechenden Oberflächenhaften Gebiet vom η-Typ, über diese Oberflächenhafte leitende Inversionsschicht fließt der Arbeitsstrom, welcher in Übereinstimmung mit einem anzulegenden Signal so beeinflußt wird, daß eine Änderung der Leitfähigkeit des leitenden Kanals und damit eine Änderung dos zwischen Quelle und Senke fließenden Arbeitsstromes eintritt.

BAD ORIGINAL 909820/0466

Fig. 1A zeigt eine"Halbleitervorrichtung \, die den Halbleiterkörper 2 eines definierten Leitungstyps enthält. Der dargestellte Körper 2 besteht aus Germanium, welches durch Dotierung mit einem typischen Störstoff, z.B# Gallium, p-Leitfähigkeit aufweist. Auf der Oberseite des Halbleiterkörpers 2 befinden sich räumlich getrennte Bereiche J und h vom n-Leltfähigkeitstyp, die als Quelle und Senke für die Feldeffektvorrichtung 1 wirken. Die räumlich getrennten Bereiche J ^un<* ^ werden zweckmäßig durch Eindiffundieren eines n-Störstoffes, z.B. Arsen, in die Oberseite des Halbleiterkörpers 2 durch eine Maske hindurch erzeugt. Natürlich können auch andere bekannte Verfahren zur Herstellung dieser Bereiche verwendet worden, wie z.B. ein Verfahren aus der Dampfphase. Zwischen den Bereichen 3 und 4 entsteht ein fadenförmiges npn-Gebilde, das als das wesentliche Leitungsmedium dient.

Sin weiterer auf der genannten Oberseite des Körpers 2 angeordneter Bereich 5 besteht aus einem Halbleitermaterial, das einen anderen Bandabstand besitzt, als dies beim Material des Körpers 2 der Fall 1st. Der Bereich 5 besteht aus einem Material, das sich mit dem ■ Halbleitermaterial des Körpers 2 verträgt und das z.B. aus der Dampfphase epitaktisch auf den Körper 2 aufwachsbar ist. Im vorliegenden Beispiel wurde als Material für den Bereich 5 Galliumarsenid gewählt, dessen Gitterparameter so beschaffen sind, daß ein epitaktisches Aufwachsen auf den Germaniumkörper 2 möglich ist. Der Bereich 5 bildet somit eine einkristalline Erweiterung des Einkristallkörpers 2.

BAD ORtGiNAL 909 8 20/0466

IIWM« iiiimw···-»· ^- — - ^

Nach der Herstellung der oben beschriebenen einkristallinen Heterojunction werden ohmische Kontakte 6, 7 und 8 zu den Bereichen 3, 5 bzw. 4 hergestellt und an den Kontakton 6, 7 und 8 elektrische Leitungen 9, 10 und 11 befestigt. Mehrere variable Spannungsquellen V_Q, + V.. und - Vg sind schematisch dargestellt; sie sind an die elektrischen Leitungen 9, 10 bzw. 11 angeschlossen.

Der Bereich 5 aus Galliumarsenid, der epitaktisch auf die Oberseite des Körpers 2 so aufgewachsen ist, daß er Kontakt mit der Masse des p-lGitenden Körpers 2 und außerdem Kontakt mit den Bereichen von Quelle 3 und Senk© 4 hat, dient der Vorrichtung von Fig. 1A als Steuerelement.

Die durch eine gestrichelte Linie innerhalb des p-leitenden Körpers direkt unter dem Bereich 5 dargestellte Schicht wird dadurch erzeugt, daß sich der Bereich 5 aus Galliumarsenid in Kontakt mit P der p-.leitenden Masse des Germaniums befindet. Die Modulation der spezifischen Leitfähigkeit innerhalb dieser Inversionsschicht wird weiter unten erläutert. Die Tatsache, daß die spezifische Leitfähigkeit dieser Inversionsschicht durch das Anlegen eines Toroder Steuersignals verändert werden kann, gestattet eine Beeinflussung der Leitfähigkeit zwisohen Quelle und Senke.

BAD ORIGINAL

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Neue Anmeldiimpnterf

Wenn die Vorrichtung von Fig. 1A in der dargestellten Weise durch Anlegen der Spannungen V₀, + V- und - V₂ an die Kontakte 6, 7 und 8 vorgespannt ist, sind alle Sperrschichten zwischen dem Halbleitermaterial Germanium und dem damit vertraglichen Halbleitermaterial Galliumarsenid in Sperrichtung vorgespannt» Nahe der Trennfläche besitzt der npn-Faden eine solche Raumladungsverteilung, daß im n-leitenden Germanium Ladungsträger angehäuft sind und im p-leitenden Germanium eine Erschöpfungszone vorliegt. Da für das p-leitende Germanium ein etwas höheres Dotierungsniveau gewählt wird als für das Galliumarsenid* befindet sich der größte Teil des Raumladungsbereichs, der durch den in Kontakt mit dem Gebiet 2 stehenden Bereich 5 definierten pn-Heterοjunction in dem Germaniumbereich 2. '

In Fig. 1A bezeichnet das Symbol J^ die Grenzschicht, die durch den Quellenbereich 3 in Kontakt mit anderen Bereichen des Gebildes definiert ist. Man kann also J_1a als denjenigen Teil der Grenzschicht J- ansehen, der durch den Bereich > in Kontakt mit der P-leitenden Kasse des Halbleiterkörpers 2 festgelegt isti Ebenso stellt J*^ die Grenzschicht dar, die durch den Senkenbereich 4 in Kontakt mit den anderen Bereichen des Gebildes definiert ist, während J*_1a durch die Bereiche 4 und 2 festgelegt ist. Das Symbol Jg bezeichnet die Grenzschicht, die durch den Bereich 5 in Kontakt mit der p-leitenden Masse des Bereichs 2 definiert ist.J₁- bezeichnet den Kontakt zwischen dem Bereich und der Inversionsschicht 12, J₁ den Kontakt zwischen den Bereichen 3 und 5, während entsprechend J¹^ und J*-j_e Teile der Grenzschicht J¹- bedeuten.

BAD ORIGINAL

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Il \J M V Π

Nun sei die Wirkungsweise der Vorrichtung von Fig. 1A in Verbindung mit den Energiebanddiagrammen von Pig. 2A, 2B und j5 und 4 beschrieben. Wenn eine geeignete Vorspannung angelegt wird, wird die Inversionsschicht 12 in dom p-leitonden Germanium nahe der Trennfläche zwischen den Bereichen 5 und 2 verändert. Bei der Änderung dieser Inversionsschicht 12 wird der völlig ohmische Leitungskanal zwischen dem Quellenbereich J5 und dem Senkenbereich 4 verändert.

Die Leitfähigkeitseigenschaften in diesem Kanal sind durch Majoritätsladungsträger, in diesem Beispiel durch Elektronen bestimmt. Dies geht aus den Energiebanddiagrammen hervor. In Fig. .2A ist die Situation für die pn-Heterojunction J₂ zwischen dem Galliumarsenidberelch'5 und dem Germaniumbereich 2 dargestellt, wenn keine Vorspannung an der Steuerelektrode anliegt. Die zur Erzeugung der Inversionsschicht 12 erforderlichen relativen Dotierungskonzentrationen beiderseits der Heterojunction J₂ können wie folgt errechnet werden.

v_B0

2) ^AO = Vb
^VB0 ^KA^NA

2E

ΔΕ Ε

_L ■ -q q

BAD ORIGINAL

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"^:-'■■ Reue. A

-9- P 14 8^9 033. 1

worin V»_n die innere oder eingeprägte Spannung im Halbleiter A, VV_3n die eingeprägte Spannung im Halbleiter B, ^ E den Valenzbandunterschied, E . und E die Bandabstände für die Halbleiter A und B bezeichnen. Außerdem sind K^ und K~ die dielektrischen Konstanten für die Materialien A bzw. B \ rungspegel für die jeweiligen Halbleiter,

Konstanten für die Materialien A bzw. B und N_A und N_ß die Dotie-

Durch Kombination der vorstehenden Ausdrücke erhält man den endgültigen Ausdruck für die relative Dotierung.

Pur den hier betrachteten Fall eines Systems aus Germanium und Galliumarsenid, wobei Germanium dem Halbleiter A entspricht, ergibt dies ein Verhältnis von etwa 2 \ 1 bezüglich der Dotierungskonzentration. Für das genannte'System braucht man also zur Erzeugung der gewünschten Inversionsschicht das Verhältnis N_GeÄ "2iIr._aA_S' M

Die in Fig. 2B dargestellte Situation gilt,für dieaelbe Heterojunction wie in Fig. 2A, aber mit einer an die Steuerelektrode, den Bereich 5 der Vorrichtung von Fig. 1A, angelegten Vorspannung. Besonders aus dem zugehörigen Diagramm der Ladungsvertoilung oberhalb der Enorgiebahddarstellung in Fig. 2B ist zu ersehen, daß die Inversionsschicht 12 vergrößert und die Ladungsverteilung und damit dio Leitfähigkeit der Inversionsschicht 12 wesentlich verändert wird.

BADORiGlNAL

11 Is U Vr g^

-10- . P 14 «9 038.1

U89G38

Dies folgt aus dem bekannten Ausdruck für die spezifische Leitfähigkeit: 5"= n

rait n Ladungsträgerkonzentration

q Elementarladung u Beweglichkeit

Die Gesamtleitfähigkeit des Kanals ist gegeben durch G »flfqu /n d

Die Spannung V₁ in Fig. 2B stellt die Spannungsdifferenz zwischen dem Bereich 5, mit der Spannung + V- und der gleitenden Spannung des Bereichs 2 dar.

Die Erzeugung der Inversionsschicht 12 in der Vorrichtung 1A beruht auf der Eigenschaft der Heterojunction, eine Banddiskontinnität aufzuweisen. Betrachtet man in den Diagrammen von Fig. 2Λ und 2B den Kurvenverlauf von links nach rechts, so sieht man, daß das Fermi-Niveau zuerst nahe am Valenzband liegt, daß aber bei Annäherung an die Grenzfläche das Fe-rmi-Niveau zunächst in der Kitte zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband liegt und danach bereits unweit der Trennfläche sich dem Leitungsband anschmiegt. Das Energiebanddiagramm bei n-n-Heterojunction-Sperrschichten istin Fig. 3 dargestellt. Diese entsprechen den oben mit J« und Jj bezeichneten Gebieten zwischen Quelle und Steuerelektrode bzw. zwischen Senke und Steuerelektrode. Es wird wieder deutlich, daß es sich hierbei um eine gewöhnliche,' in Sperrichtung vorgespannte · Schottkysehe Sperrschicht handelt, bei der die Spannung V₀- die Spannungsdifferenz zwischen Quelle und Steuerelektrode ist. Die n-nHeterojünctions sind unter normalen Betriebsbedingungen immer in Sperrichtung vorgespannt. ■

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In Fig. 4 ist das Energiebanddiagramm für den Oberflächonkanal selbst dargestellt, d.h. für den vollständigen ohmischen Pfad vom Quellenbereich J durch die Inversionsschicht 12 des Leitungstyps η zum Senkenbereich 4, Natürlich besteht eine loichte Veränderung in den Niveaus der Valenz- und Leitungsbänder, weil die angelegte Vorspannung V_Q2 ^der Differenz zwischen V_Q v.nd -V₂ entspricht.

Die Beschreibung der Wirkungsweise der Vorrichtung von Fig» 1Λ beruht auf der Voraussetzung, daß sich zunächst eine sehr dünne In-Versionsschicht ohne angelegte Vorspannung ausbildet und daß diese dann durch das Anlegen einer Spannung +V- verstärkt wird. Die Vorrichtung nach der Erfindung kann aber durch entsprechende Wahl der relativen Dotierung in den verschiedenen Bereichen auch co aufgebaut werden, daß die Inversionsschicht beim Fehlen einer Vorspannung einen viel höheren Grad der Inversion aufweist. In diesem Falle wäre dann der Kanal zunächst viel stärker leitend, als es in Fig. 1A dargestellt ist. Ob nun die Inversionsschicht einen geringen oder einen hohen Inversionsgrad aufweist, in beiden Fällen kann die Vorrichtung entweder als Schalter oder als Verstärker betrieben werden, indem der Arbeitspunkt durch eine entsprechende Vorspannung der Steuerelektrode beeinflußt wird.

Obwohl die vorstehende Beschreibung auf eine Vorrichtung geir.ciß der Fig. 1Λ beschränkt wurde, in der Elektronen die Majoritätsladuncsträger sind, läßt sich auch eine Anordnung mit Defektelektronen als Kajoritätaladunßsträcer herstellen, wie in Fig. 1E gezeigt ist. Im Falle von Fig. 1B sind die verschiedenen Betrlebespannungen natürlich entsprechend abzuändern, damit die gewünschte

Verstäricerwirkune eintritt. 9 0 9 8 2 0 / 0 U 6 δ

■ '" ^v BAD ORIGINAL

Neue

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Obwohl der Beschreibung der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung auf ein Germaniumsubstrat aufgebrachtes Galliumarsenid zugrunde gelegt wurde, kann die Anordnung dieser Substanzen auch umgekehrt werden, d.h., dac Halbleitersubstrat kann aus Galliumarsenid beistehen, und nach Herstellung der räumlich getrennten Kontakte kenn eine epitaktische Schicht aus Germanium auf der Oberseite des Substrats hergestellt werden.

Im Vorstehenden wurde eine Halbleitervorrichtung mit eindeutigem Oberflächenkanal-Feldeffekt beschrieben, die in vorteilhafter- Weise die besonderen Eigenschaften von Heterojunction-Übergänsen ausnutzt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird kein Isolator bei dor Herstellung der Steuerelektrode benötigt und für den richtigen Betrieb sind nur mäßige' Steuerspannungen erforderlich. Außerdem kann die Vorrichtung nach der Erfindung auf einer Ebene angeordnet werden, was für die Anwendung in integrierten Schaltungen wichtig lizt. Da komplementäre Formen der Vorrichtung grundsätzlich roö-Tlich sind, künncn logische Operationen ohne die Verwendung zusätzlicher pacciver Eiereente ausgeführt werden. Dies ist eine wichtige Voraussetze-r-f, für eine zuverlässige integrierte Schaltungsanordnung. Da die Hctcrojunction ein einkristallines Ganzes ist, bestehen überdies nur vernachlässigbare schädliche Oberflächeneffekte,

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Claims (4)

- 13 - Docket IQ 691 PATENTANSPRÜCHE

1. " Unipolartransistor mit einer über einem pn-übergang angeordneten Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Oberflächenseite einer ersten Halbleiterzone eines ersten Leitfähigkeitstyps zwei getrennte Zonen eines zweiten Leitfähigkeitstyps eingelassen sind, an denen je eine ohms ehe Hauptelektrode angeordnet ist, daß der zwischen den beiden getrennten Zonen liegende Teil der ersten Zone (12) mit einer einkristallinen Halbleiterschicht (5) des zweiten Leitfähigkeitsty'ps abgedeckt ist, die aus einem Halbleitermaterial der ersten Zone, besteht und daß zur Sicherstellung einer Inversionsschicht .unterhalb der einkristallinen Halbleiters chicht (5) das Verhältnis der Dotierungskonzentrationen auf beiden Seiten der Inversionsschicht festgelegt ist durch den Ausdruck

^NB

wenn N die po£ie^ngskonzentration.der ersten Halbleiterzone mit dem Halbleitermaterial A, N_ diejenige der einkristallinen Halbleiterschicht (5) mit dem Halbleitermaterial B,£E den Valenzbandunterschied und E „ bzw. E „ die Bandabstände für die Halbleiter-

,.:$&y,'-. :, -^⁶... >■„;;. ■.,:...: i- · -·. ...,-■. .v.. .:·.-..■ ■ materialien A und B bedeuten.

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2. Unipolartransistor nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet/ daß der Grundkörper aus p-leitendem Germanium, die Elektroden zur Aufrechterhaltung des durch Majoritätsladungsträger getragenen Stromes aus η-leitendem Germanium und die den Strompfad abdeckende Schicht (5) aus η-leitendem Galliumarsenid bestehen und daß mindestens der Bereich aus Grundkörper und abdeckender Schicht (5) einkristallin ist.

3. Unipolartransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus η-leitendem Germanium, die Elektroden zur Aufrechterhaltung des durch Majoritätsladungsträger getragenen Stromes aus pleitendem Germanium und die den Strompfad abdeckende Schicht (5) aus p-leitendem Galliumarsenid bestehen und daß mindestens der Bereich aus Grundkörper und abdeckender Schicht (5) einkristallin ist.

4. Unipolartransistor nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Dotierungskonzentration für Germanium und Galliumarsenid festgelegt ist durch die Ungleichung:

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