DE2804568A1 - Schnelles, transistoraehnliches halbleiterbauelement - Google Patents

Description

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Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

gg/bm

Schnelles, transistorähnliches Halbleiterbauelement

Die Erfindung betrifft ein schnelles, transistorähnliches Halbleiterbauelement, das zwischen einer Emitterzone und einer Kollektorzone eines ersten Leitungstyps eine Basiszone des entgegengesetzten zweiten Leitungstyps aufweist und dessen vorherrschender Leitungsmechanismus darin besteht, daß Ladungsträger durch Durchtunneln der Basiszone von der Emitterzone in die Kollektorzone transportiert werden.

Die Funktion konventioneller Transistoren beruht auf dem Prinzip des Ladungsträgertransports von der Emitterzone in die Kollektorzone, wobei die Ladungsträger in die Basiszone injiziert werden und dann in die Kollektorzone diffundieren. Die injizierten Ladungsträger sind in der Basiszone Minoritäts-Ladungsträger. Im Falle einer p-dotierten Basiszone sind die injizierten Ladungsträger also Elektronen und in einer η-leitenden Basiszone Löcher. Die Minoritäts-Ladungsträger müssen bei diesen konventionellen Transistoren die Basiszone in ihrer ganzen Dicke durchqueren und werden dann vom Kollektor eingesammelt. Der Ladungsträgertransport erfolgt durch : Diffusion und durch Driften. Die Diffusion erfolgt relativ ; langsam und ist temperaturabhängig, sie ist im allgemeinen bei höheren Temperaturen schneller als bei niedrigeren Temperaturen. Die Laufzeit der Ladungsträger in der Basiszone be- i grenzt die Frequenzen, mit denen diese Transistoren in Verstärkern, Oszillatoren oder Speicherelementen betrieben werden können. Der in der Basiszone auftretende Speichereffekt für 'die Minoritäts-Ladungsträger wirkt sich ungünstig auf die Eigenschaften der Transistoren aus, wenn sie als Schalter benutzt werden.

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Das Frequenzverhalten konventioneller Transistoren wird durch den äquivalenten Basiswiderstand beeinflußt. Dieser Widerstand ergibt sich aus dem spezifischen Widerstand des Halbleitermaterials, der Dicke und der Querschnittsfläche der Basiszone. Es wurden bereits verschiedene Versuche unternommen, den Basiswiderstand und die Dicke der Basiszone zu verringern. Beispielsweise hat man die Basiszone hoch dotiert, um den spezifischen Widerstand zu verringern, diese Maßnahme kann jedoch zu einer unerwünschten Erniedrigung der Lebensdauer der Minoritäts-Ladungsträger führen, was eine Erniedrigung des Transport-Faktors und damit zu einer Erniedrigung des Wirkungsgrades des Transistors führt. Außerdem muß der Dotierungspegel der Emitterzone höher sein als der der Basiszone, um die Transistorfunktion sicherzustellen. Dies führt zu einer Erhöhung der Emitterkapazität und damit zu einer Verschlechterung des Frequenzverhaltens des Transistors. Bei konventionellen, Homo-Übergänge verwendenden Transistoren können zwischen Emitter-Basis- und Kollektorzone keine Unstetigkeiten der Bandkanten auftreten. Die Emitterzone muß also immer höher dotiert sein als die Basiszone, um sicherzustellen, daß die Anzahl der von der Emitterzone in die Basiszone injizierten Ladungsträger größer ist als die Anzahl der von der Basiszone in die Emitterzone rückinjizierten Ladungsträger.

Neben der Modifikation der Geometrie und der Dotierung der einzelnen Transistorzonen, um zu höheren Frequenzen zu gelangen, hat man auch bereits versucht, die Diffusion als primären Leitungsmechanismus zu vermeiden. Transistorstrukturen, bei idenen keine Minoritäts-Ladungsträgerdiffusion in der Basiszone ausgenutzt wird, sind beispielsweise in den US-Patentschriften 3 225 272 und 3 358 158 beschrieben. In der in der ersten Patentschrift beschriebenen Anordnung sind zwei Tunnelübergänge zwischen stark-dotierten Halbleitermaterialien vorjgesehen, wobei der Abstand zwischen den übergängen ausreichend

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klein gewählt ist, so daß ein Tunnel-Strom von der Emitterzone über die Basiszone zur Kollektorzone fließen kann. Es handelt sich also um eine Triode mit drei stark-dotierten Zonen. Die Funktionstuchtigke.it einer derartigen Anordnung ist in Frage zu stellen, da das Bänder-Modell Energiezustände für Elektronen in der Basiszone zeigt. Das bedeutet, daß Elektronen in der Basiszone verbleiben und dort mit Löchern rekombinieren und nicht die Kollektorzone erreichen.

Dessen ungeachtet ist bei der in der US-Patentschrift 3 225 272 beschriebenen Anordnung ein großer inverser Strom zwischen Emitter und Basis festzustellen. Außerdem ist die Emitterkapazität groß, da die Raumladungszone auf der hochdotierten Seite des Emitters des Basis-Emitter-Überganges sehr klein ist. Die Anordnung weist einen hohen Injektionsstrom auf, der den Tunnel-Effekt begrenzt. Die feststellbare hohe Rückinjektion bewirkt eine kleine Verstärkung des Bauelementes. Kollektorseitig ist die hohe Dotierung der Basis- und der Kollektorzone zu bemängeln. Es ist eine hohe Kollektorkapazität festzustellen. Die Durchbruchspannung des Basis-Kollektor-Übergangs ist extrem niedrig.

In der US-Patentschrift 3 358 158 ist eine Struktur beschrieben, bei der der Kollektor entv/eder entartet oder nicht entartet dotiert ist. Ist der Kollektor entartet dotiert, so sind die bereits im Zusammenhang mit dem in der ersten US-Patentschrift beschriebenen Transistor auftretenden Probleme festzustellen. Für den Fall, daß der Kollektor nicht entartet dotiert ist, so ist das Problem der niedrigen Durchbruchsspannung des Basis-Kollektor-Überganges nur teilweise gelöst. Es würde in der Kollektorzone eine relativ dicke Raumladungszone auftreten, durch die die Ladungsträger tunneln müssen. Der Tunnel-Strom könnte entweder völlig verhindert oder entgegengesetzt erhöht werden, wenn eine Kollektorspannung an-

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- 7 gelegt wird.

Die bekannten, auf dem Tunnel-Effekt beruhenden Transistoren weisen demnach noch viele der Nachteile auf, die konventionelle Transistoren ebenfalls aufweisen.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein transistorähnliches, Hochfrequenz-Halbleiterbauelement, bei dem der vorherrschende Leitungsmechanismus auf dem Tunnel-Effekt beruht, anzugeben, das gegenüber konventionellen Transistoren und gegenüber den bereits bekannten Tunnel-Transistoren vorteilhafte Eigenschaften aufweist.

Zu diesen vorteilhaften Eigenschaften zählen ein hoher Eingangs- und Ausgangswiderstand, geringe Leckströme, obwohl aufgrund einer hohen Dotierung der Basiszone dort nur ein geringer spezifischer Widerstand herrscht, minimale Elektronen-Löcher-Rekombination in Basis-Emitter- und Kollektorzone, vernachlässigbarer Basisstrom infolge der geringen Rekombination in der Basiszone und in der Emitterzone und infolge des geringen von der Basiszone in die Emitterzone rückinjizierten Stromes, hoher Wirkungsgrad des Ladungsträgertransportes vom Emitter zum Kollektor, keine Minoritäts-Ladungsträgerspeicherung in der Basiszone und sehr geringe Emitter- und Kollektorkapazität. Diese verbesserten Eigenschaften lassen sich in konventioneller Technik reproduzierbar herstellen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen niedergelegt.

Zusammengefaßt ist das Halbleiterbauelement folgendermaßen zu beschreiben.

Es besteht aus drei Halbleiterzonen, von denen zwei einem ersten Leitungstyp und die dritte, die zwischen diesen beiden

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ersten Zonen angeordnet ist, dem zweiten entgegengesetzten Leitungstyp angehören. Man erhält also ein transistorähnliches Halbleiterbauelement, dessen Zonen als Emitter-Basis- und Kollektorzone zu bezeichnen sind. Wie bei einem konventionellen Transistor werden Ladungen von der Emitterzone in die Kollektorzone transportiert. Abhängig vom gewählten Leitungstyp dieser Zone erhält man entweder npn- oder pnp-Strukturen. Sowohl der Basis-Emitter-Übergang als auch der Basis-Kollektor-Übergang sind Hetero-übergänge, also material-verschiedene Halbleiterübergänge. Die Materialien für die Emitter- und Kollektorzone können gleich oder unterschiedlich sein, sie sind aber auf jeden Fall unterschiedlich vom Material der Basiszone. Das Material für die Emitterzone kann im Hinblick auf einen großen Bandabstand gewählt werden, dies ist aber nicht unbedingt notwendig.

Ein Merkmal des Halbleiterbauelements besteht darin, daß die Dicke der Basiszone so gewählt ist, daß ein ausreichender Tunnelstrom zwischen Emitterzone und Kollektorzone auftreten kann. Typisch wird die Dicke der Basiszone bei 100 S oder weniger liegen. Der vorherrschende Leitungsmechanismus bei einem derartigen Halbleiterbauelement besteht im Tunneln von Ladungsträgern von der Emitterzone zur Kollektorzone. Die Dicken der Emitter- und Kollektorζonen sind unkritisch und können beispielsweise in der Größenordnung von 1000 A liegen.

Ein weiteres wesentliches Merkmal besteht nun darin, daß die Bandabstände der Emitter- und Kollektorzone in Bezug auf den Bandabstand der Basiszone in gleicher Richtung verschoben sind und dabei mit dem Bandabstand der Basiszone überlappen. D.h. also, das Valenzband und das Leitungsband der Emitterzone und der Kollektorzone sind in gleicher Richtung gegenüber dem Valenzband und dem Leitungsband der Basiszone verschoben. Diese Verschiebung ist wichtig, da dadurch eine [Leitungsbandkanten-Unstetigkeit ΔΕ entsteht, die eine

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Potentialbarriere gegen einen Ladungstransport von der Emitterzone in die Basiszone bildet. Aufgrund dieser Barriere können Ladungen nur zxaa. Kollektor tunneln. Gleichzeitig wird eine Valenzband-Unstetigkeit ΔΕ gebildet, durch die die Basiszone von der Emitterzone und der Kollektorzone isoliert wird. Das bedeutet/ daß Majoritäts-Ladungsträger in der Basiszone in einer Potentialmulde eingefangen werden und damit nicht in die Emitter- oder Kollektorzone gelangen können, wo sie mit den entgegengesetzten Ladungen rekombinieren könnten. Beide Unstetigkeiten ΔΕ und ΔΕ liegen in gleicher Richtung im Bändermodell.

Die Basiszone ist stark dotiert, was bedeutet, daß der Basiswiderstand niedrig ist. Die mit bekannten Transistoren verbundenen Probleme werden jedoch vermieden, da die Basiszone hier stärker dotiert ist als die Emitterzone (und auch stärker dotiert als die Kollektorzone). Bei Verwendung von p-dotiertem GaSbAs für die Emitter- und Kollektorzone und n-dotiertem InGaAs für die Basiszone kann der Dotierungspegel der

19 3 Basiszone bei spiel sv/ei se etwa 10 cm und der Dotierungspegel der Emitter- und Kollektorzone beispielsweise etwa 10 bis

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10 cm betragen.

Da das Tunneln der vorherrschende Leitungsmechanismus für den Ladungstransport von der Emitterzone zur Kollektorzone ist, ist die Elektronen-Löcher-Rekombination in der Basiszone extrem gering. Außerdem ist die Basiszone niemals verarmt, da ihr Dotierungspegel über dem der Emitter- und der Kollektorzone liegt. Das bedeutet, daß die Raumladungszone im Bereich des Emitter-Basis-Überganges sehr breit ist und in erster Linie auf der EmitterSeite des Überganges angeordnet ist. Eine Folge davon ist, daß die Emitterkapazität C sehr gering ist. Die Raumladungszone im Bereich des Basis-Kollektor-Überganges liegt in erster Linie auf der Kollektorseite und ist sehr groß.

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Damit ist auch die Kollektorkapazität C sehr gering. Die Basis-Kollektor-Spannung V, kann sehr hoch sein, ohne daß

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die Gefahr eines Durchbruches an diesem Übergang auftreten würde.

Da die Emitter- und Kollektorzonen niedriger dotiert sind als die Basiszone und selbst nicht hoch dotiert sind, ist die Beschaffenheit des Emitter-Basis-Überganges und des Basis-Kollektor-Überganges besser als bei den bekannten, auf den Tunnel-Effekt beruhenden Halbleiterelementen, bei denen insgesamt eine höhere Dotierung erforderlich ist. Diese niedrigen Dotierungen wirken sich auch vorteilhaft auf das Herstellungsverfahren aus. Die Eigenschaften der verschiedenen HeteroÜbergänge sind leicht einstellbar, indem die Zusammensetzung der für die Halbleiterzonen verwendeten Materialien variiert wird. Wie noch dargestellt wird, sind insbesondere Halbleiterverbindungen vorteilhaft anwendbar, da die Zusammensetzung dieser Verbindungen leicht veränderbar und damit die Bandkanten-Unstetigkeiten einstellbar sind. Außerdem läßt sich dadurch die Gitterangleichung erreichen.

Wie im einzelnen anschließend noch dargestellt, weist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement hohe Eingangs- und Ausgangswiderstände auf und zeichnet sich durch minimale Leckströme aus, obgleich der spezifische Widerstand der Basiszone sehr klein ist. Aufgrund des ausgenutzten Leitungsmechanismus sind Minoritäts-Ladungsspeichereffekte und Laufzeitprobleme in der Basiszone nicht feststellbar, so daß sich extrem gute Hochfrequenzeigenschaften der Transistoren ergeben. Außerdem ist der Übertragungskoeffizient α für den Transport der Ladungen zwischen Emitterzone und Kollektorzone etwa gleich Eins.

Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Halbleiterbauelemente lassen sich extrem gleichförmige Schichten mit extrem homogenen

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abrupten Grenzschichten erzielen. Das bedeutet, daß sich
gleichzeitig mit Vorreproduzierbarkeit viele derartige Bauelemente in integrierter Form herstellen lassen, die die
gleichen Charakteristiken aufweisen. Durch Herstellung von Schichten mit guter Gitteranpassung werden Grenzschichtzustände und die damit verbundenen Probleme weitgehend vermieden.

Als besonders geeignete Verfahren zur Bildung der Emitter-Basis- und Kollektorzonen erweisen sich im allgemeinen die Epitaxie und im besonderen die MolekularStrahlenepitaxie.
Mit Hilfe der Molekularstrahlenepitaxie lassen sich ultradünne, definierte Vielschicht-Heterostrukturen hoher Qualität herstellen. Die Molekularstrahlenepitaxie in Ultrahochvakuum liefert atomar glatte Flächen und extrem scharfe Übergänge an der Grenze zwischen gittermäßig angeglichenen Verbindungshalbleitern, wobei kaum Defekte feststellbar sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fign. 1A zwei Arten von Bändermodellen von Hetero-übergängen, und 1B wobei das konventionelle Bändermodell gemäß Fig. 1A für erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente unbrauchbar ist, während das Bändermodell gemäß
Fig. 1B im Rahmen der Erfindung brauchbar ist,

Fign. 1C zusammengesetzte Bändermodelle erfindungsgemäßer und 1D Halbleiterbauelemente,

Fig. 2A ein erfindungsgemäßes npn-Halbleiterbauelement

mit angelegten Betriebsspannungen, ·

Fig. 2B das Bändermodell des in Fig. 2A gezeigten Bauelements ,
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Fig. 3Λ ein erfindungsgemäßes pnp-Bauelement mit angelegten Betriebsspannungen,

Fig. 3B das Bändermodell des Halbleiterbauelements gemäß Fig. 3A,

Fig. 4 eine Darstellung der Zusammenhänge zwischen Gitterkonstante und elektronischer Energie in Abhängigkeit von der Zusammensetzung zweier Halbleiterverbindungen, die zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements geeignet sind.

Fig. 5 die schematische Ansicht eines planaren erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,

Fign. 6A geeignete Verfahrensschritte zur Herstellung eines bis 6E erfindungsgemäßen Bauelements,

Fign. 7Λ eine weitere Folge von Verfahrensschritten zur bis 7F Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ,

Fig. 8 die schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements mit geerdetem Emitter und

Fign. 9 Kennlinien des erfindungsgemäßen Halbleiterbau- und 10 elements gemäß Fig. 3 und zwar den Verlauf des Emitterstromes E in Abhängigkeit von der Basis-Emitter-Spannung V, und den Verlauf des Kollektorstromes I (I = I ) in Abhängigkeit von der Kollektor-Emitter-Spannung V für drei Werte von

C6

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Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement besteht also aus einer Hetero-übergänge aufweisenden Struktur mit extrem

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dünner Basiszone, über die Ladungsträger tunneln und damit den Ladungstransport zwischen Emitter und Kollektor bewirken. Die Ausgangscharakteristik eines solchen Bauelementes entspricht einem Transistor mit einer sehr hohen Ausgangsimpedanz. Der Basisstrom ist im Vergleich zu üblichen Transistoren vernachlässigbar, bei denen der Basisstrom aufgrund der inversen Injektion von Ladungen von der Basis in den Emitter und aufgrund von Löcher-Elektronen-Rekombination in der Basiszone mitbestimmt wird. Das bedeutet aber auch, daß das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement eine hohe Eingangsimpedanz aufweist. Die Ausgangscharakteristik entspricht im wesentlichen der eines Feldeffekttransistors, da der Kollektorstrom in Abhängigkeit von der Kollektorspannung im wesentlichen von der Emitter-Basis-Spannung und nicht vom Emitterstrom I bestimmt wird.

Es seien nunmehr die Fign. 1A bis 1D, 2A, 2B, 3A und 3B näher betrachtet. Die dort gezeigten Bändermodelle betreffen ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit Hetero-Übergängen und einem Leitungsmechanismus, basierend auf dem Tunnel-Effekt durch eine extrem dünne Basiszone. Es v/erden Ladungsträger in der Basiszone durch eine Potentialmulde eingefangen, so daß Leckströme zum Emitter und zum Kollektor extrem kleingehalten werden. An der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien können im Energieschema scharfe Unstetigkeiten auftreten. HeteroStrukturen aus mindestens zwei Halbleitern weisen solche ünstetigkeiten auf. Fig. 1A zeigt eine Art der ünstetigkeit. Dabei ist der Bandabstand E des Halbleiters 1 ausgerichtet auf den Bandabstand E „ des

gz

Halbleiters 2. D.h. also, das Leitungsband CB und das Valenzband VB des Halbleiters 2 liegen innerhalb des Bandabstandes des Halbleiters 1.

anschließend noch gezeigt wird, ist das in Fig. 1A gezeigte Bändermodell nicht geeignet für ein erfindungsgemäßes Bau-

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element. Ein erfindungsgemäßes Bauelement benötigt ein Bändermodell, wie es in Fig. 1B dargestellt ist.

Das in Fig. 1B gezeigte Bändermodell ist der Bandabstand E ₁ des Halbleiters 1 gegenüber den Bandabstand F, des Halbleiters 2 in einer Richtung verschoben, wobei noch eine teilweise Überlappung stattfindet. Leitungsband und Valenzband des Halbleiters 2 sind also gegenüber dem Leitungsband und dem Valenzband des Halbleiters 1 versetzt, das Leitungsband CB des Halbleiters 2 liegt aber innerhalb des Bandabstandes des Halbleiters 1. Erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente verwenden Halbleitermaterialien, bei denen entweder die Leitungsbandkante CB oder die Valenzbandkante VB (aber nicht beide) des einen Halbleitermaterials in den Bandabstand des angrenzenden anderen Halbleitermaterials fallen. HeteroStrukturen mit derartig überlappenden Bändermodellen und damit verbundenen Bandkanten-Unstetigkeiten sind beispielsweise in dem Buch von Milnes and Frencht unter dem Titel "Heterojunctions and Metal-Semiconductor Junctions" auf Seite 11 beschrieben.

Die Fign. 1C und 1D zeigen das Bändermodell einer kompletten erfindungsgemäßen Struktur. Diese Strukturen setzen sich aus drei Zonen zusammen, die als Emitter e, Basis B und Kollektor C bezeichnet sind. Die sich ergebenden Unstetigkeiten in den Bandkanten sind angegeben, wobei dieselben Bezeichnungen wie in den Fign. 1A und 1B gewählt sind. Die Bandabstände für Emitter, Basis und Kollektor sind dementsprechend mit E ,

E , und E bezeichnet,
gb gc

Die Energiebänder der Emitter- und Kollektorzone sind also in der gleichen Richtung in Bezug auf das Energieband der Basis verschoben. Im Beispiel der Fig. 1C sind die beiden Energiebänder von Emitter- und Kollektorzone nach oben und in Fig. 1D entsprechend nach unten versetzt. Bei beiden Bändermodellen ist die Überlappung der Energiebänder der Emitterzone und

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Kollektorzone mit dem Energieband der Basiszone festzustellen. Die Größe der Überlappung hängt von den für die Emitter-Basis- und Kollektorzone verwendeten Halbleitermaterialien ab.

Diese Bändermodelle zeigen zwei wesentliche Merkmale. Im Beispiel der Fig. 1D müssen Elektronen im Leitungsband der Emitterzone, die wegen der Leitungsband-Unstetigkeit ΔΕ vorhandene Energiebarriere überwinden, um in die Kollektorzone zu gelangen. Da die Basiszone ausreichend dünn gewählt ist, (etwa 100 Ä oder weniger), besteht die Wahrscheinlichkeit, daß ein ausreichender thermionischer Tunnelstrom zwischen Emitterzone und Kollektorzone schließt. Die Energiebarriere Δε ist so hoch, daß thermische Energien (bei Betriebstemperaturen wie beispielsweise Raumtemperatur) nicht in der Lage sind, Ladungsträger (Elektronen in das Leitungsband der Emitterzone zu bringen und zwar zu Energiestufen, die höher sind als die Bandkante des Leitungsbandes in der Basiszone). Auf diese Weise ist der angestrebte Leitungsmechanismus sichergestellt.

Das Bänderraodell gemäß Fig. 1D (und auch das gemäß Fig. 1C) gewährleistet, daß Majoritäts-Ladungsträger in der Basiszone nicht invers in die Emitterzone oder in die Kollektorzone injiziert v/erden. Beispielsweise verhindert die ünstetigkeit Δε in Fig. 1D, daß Löcher in der Basiszone über den Emitter-Basis-tibergang in die Emitterzone gelangen. Die Basiszone ist also von der Emitterzone und der Kollektorzone effektiv isoliert, so daß Leckströme von der Basiszone zu der Emitteroder Kollektorzone im wesentlichen nicht auftreten können.

Aufgrund der Unstetigkeiten Δε und Δε herrscht der Tunnelstrom I_T vor und die Wahrscheinlichkeit eines injizierten

Löcherstromes I. oder Elektronenstromes I ist außerordentlich h e

gering. Bei Raumtemperaturen beispielsweise, lassen sich bei geeigneter Wahl der Materialien Verhältnisse erreichen, ent-

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- 16 sprechend I_h/I_e/I_T = 1/1/1O⁴.

Wegen dieses ruinierenden Leitungsmechanismus werden durch Minoritäts-Ladungsträger Speicherung und Laufzeiten in der Basiszone bedingte dagegenverlaufende Effekte vermieden. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements als Schalter oder Verstärker erreicht man demzufolge extrem gute Hochfrequenzeigenschaften. Der dem Ladungstransport zwischen Emitter und Kollektor definierende übertragungskoeffizient α erreicht nahezu den Wert Eins. Da die Ladungsträger momentan durch die Basiszone tunneln, ist die Löcher-Elektronen-Rekombination weitgehend ausgeschaltet. Es ist nahezu kein Basisstrom festzustellen, da die Löcher-Elektronen-Rekombination in der Basiszone und die inverse Injektion von Majoritäts-Ladungsträgern aus der Basiszone in die Emitterzone minimal ist.

Das Halbleiterbauelement ist in seinen Eigenschaften im wesentlichen unabhängig von der Betriebstemperatur und steht damit im Gegensatz zu normalen Transistoren, deren Leitungsmechanismus auf dem Prinzip der Diffusion von Ladungsträgern basiert. Bei relativ niedrigen Temperaturen kann jedoch eine etwas höhere Emittervorspannung erforderlich sein, um die erforderliche Energie für das Durchtunneln der Basiszone sicherzustellen.

Es sei nunmehr auf das in Fig. 2A in der Schaltung gezeigte erfindungsgemäße Halbleiterbauelement und das zugehörige Bändermodell gemäß Fig. 2B Bezug genommen. Das Bauelement weist eine η-dotierte Emitterzone 20, eine p-dotierte Basiszone 22 und eine η-dotierte Kollektorzone 24 auf. Die Spannung V , stand dem Emitter-Basis-Übergang 26 in Durchlaßrichtung vor. Der Basis-Kollektor-Übergang 28 wird über die Spannung V ,in Sperrichtung betrieben. Eine Signalquelle 30 dient dazu, in bekannter Weise die Emitter-Basis-Spannung zu modulieren.

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Fig. 2B zeigt das Bändermodell des Halbleiterbauelements gemäß Fig. 2A, wenn die angegebenen Spannungen angelegt sind. Die Leitungs- und Valenzbänder von Emitterzone und Kollektorzone sind in bezug auf das Leitungs- und Valenzband der Basiszone nach unten verschoben. Der Emitter-Basis-Übergang ist in Durchlaßrichtung und der Basis-Kollektor-Übergang 28 in Sperrichtung betrieben. Elektronen im Leitungsband der Emitterzone 20 sind durch dunkle Punkte 30 angedeutet. Die die Energiepegel im Leitungsband der Kollektorzone füllenden Elektronen sind durch die dunklen Punkte 32 gekennzeichnet. Löcher in der Basiszone 22 sind durch helle Punkte 34 angedeutet .

Beim Betrieb der npn-Struktur tunneln Elektronen 30 im Leitungsband der Emitterzone durch die Basiszone, wenn sie eine Energie aufweisen, die mindestens so groß ist, wie sie dem Pegel 36 entspricht. Der Tunnel-Effekt ist durch den Pfeil angedeutet. Elektronen in der Emitterzone können nicht leicht Energiepegel über der Lextungsbandkante der Basiszone erreichen, und müssen daher, wenn überhaupt, zur Kollektorzone tunneln. Die durch die Basiszone tunnelnden Elektronen werden mit Hilfe des Kollektorfeldes und über den hohen Sperrwiderstand des Basis-Kollektor-Überganges gesammelt. Die obersten Energien des Valenzbandes in der Emitter- und Kollektorzone liegen ausreichend unterhalb der höchsten Energie des Valenzbandes in der Basiszone. Diese Potentialmulde (ΔΕ ) für die Löcher 34 in der Basiszone verhindert, daß diese Löcher in die Emitter- oder Kollektorzone gelangen und dort mit Elektronen rekombinieren.

Bei höheren Temperaturen haben weniger Elektronen den Energiepegel 36 als bei Raumtemperatur. Deshalb ist die Spannung V , bei niedrigen Temperaturen leicht anzuheben, um, falls erforderlich, den angestrebten Strompegel aufrechtzuerhalten. Die Raumladungszone des Emitter-Basis-Überganges liegt in erster

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Linie auf der Emitterseite dieses Überganges. Die Abbiegung des Leitungsbandes in der Emitterzone von einem Pegel 36 zum flachverlaufenden Pegel, erfolgt bei einer Strecke χ . Da diese Strecke groß ist, ist die Emitterkapazität C (proportional 1/x ) sehr klein. Die große Emitterkapazität bekannter Transistorstrukturen ist im Gegensatz dazu verhältnismäßig groß, da die Strecke X infolge der hohen Dotierung der Emitterzone sehr klein ist.

In entsprechender Weise hat die Raumladungszone auf der Kollektorseite des Basis-Kollektor-Überganges eine große Länge X . Daher ist auch die Kollektorkapazität C (proportional 1/x ) sehr klein.

Die effektive Weite d, der Basiszone entspricht etwa der physikalischen Weite der Basiszone selbst, da die Raumladungszone innerhalb der Basiszone sehr klein ist. Die physikalische Weite der Basiszone liegt im allgemeinen nicht über 100 A, so daß ein ausreichender Tunnel-Effekt auftreten kann. Praktisch ist die Dicke der Emitter- und der Kollektorzone unkritisch, sie kann in der Größenordnung von 1000 A liegen.

Nach der Erfahrung wird man Emitter- und Kollektorzone nicht so dünn machen, daß es schwierig wird, sie zu kontaktieren. Diese Zonen müssen aber dicker sein als die Dicke der in ihnen gebildeten Verarmungszone. Würde die Dicke dieser Zonen jedoch zu groß gewählt, so können zu große Laufzeiten auftreten. Im Gegensatz zu bekannten Transistorstrukturen ist der Dotierungspegel der Kollektorzone bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung geringer als der der Basiszone. Dadurch bedingt, erhält man eine niedrigere Kapazität C . Es ist unwahrscheinlieh, daß ein Ladungsträgerfluß von der Basiszone zur Kollektorzone erfolgt, und das Durchbruchsverhalten des in Sperrichtung betriebenen Basis-Kollektor-Überganges ist verbessert.

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2 8 Ü 4 5^f j

Es seien nunmehr die Fign. 3A und 3B betrachtet. Fig. 3A zeigt eine erfindungsgemäße pnp-Struktur mit geeigneten Vorspannungen. Fig. 3B zeigt das zugehörige Bändermodell. Die Struktur setzt sich aus einer p-dotierten Emitterzone 40, einer η-dotierten Basiszone 42 und einer p-dotierten Kollektorzone 44 zusammen. Der Emitter-Basis-übergang 46 ist über eine Spannung V , in Durchlaßrichtung vorgespannt. Der Basis-Kollektor -Über gang 48 ist durch eine Spannung V , in Sperrichtung betrieben. Über eine Signalquelle 50 wird in bekannter Weise die Spannung am Emitter-Basis-übergang moduliert.

Im Bändermodell nach Fig. 3B ist zu erkennen, daß die Energiebänder der Emitterzone und der Kollektorzone gegenüber dem Energieband der Basiszone nach oben verschoben sind. Löcher im oberen Pegel des Valenzbandes der Emitterzone 40 sind durch helle Punkte 52 angedeutet. Entsprechend sind Löcher im oberen Bereich des Valenzbandes der Kollektor 24 durch helle Punkte 54 gekennzeichnet. Der Emitter-Basis-übergang 46 ist wie bereits ausgeführt in Durchlaßrichtung und der Basis-Kollektor-Übergang 48 in Sperrichtung vorgespannt. Aus den in Verbindung mit der Struktur gemäß Fig. 2A angegebenen Gründen weist auch die Struktur gemäß Fig. 3A extrem niedrige Emitter- und Kollektorkapazitäten C bzw. C auf.

Im Betrieb bewirkt das über die Signalquelle 50 an den in Durchlaßrichtung vorgespannten Basis-Emitter-Übergang 46 abgelegte Signal, daß Löcher 52 in der Emitterzone durch die Basiszone 42 tunneln und von der Kollektorzone 44 eingesammelt werden. Das Tunneln ist durch einen Pfeil 56 angedeutet und tritt ein, wenn die Löcher 52 einen Energiepegel 58 erreichen. Wegen der Potentialmulde für Elektronen (angedeutet durch dunkle Punkte 60) in der Basiszone, können diese Elektronen nicht leicht zur Emitter- oder Kollektorzone gelangen. Bei ' niedrigen Betriebstemperaturen kann die Spannung V , leicht ■ angehoben werden, um, fals erwünscht oder erforderlich, hohe

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Kollektorstrompegel aufrechtzuerhalten. Die Basiszone ist stärker dotiert als die Emitter- und Kollektorzone, um sicherzustellen, daß in ihr im Betrieb keine Verarmung eintreten kann. Damit wird die Steuermöglichkeit des Stromflusses zwischen Emitterzone und Basiszone durch an die Basiszone angelegte Signale sichergestellt.

Da die Basiszone stärker dotiert ist als die Emitter- und Kollektorzone, liegt die Raumladungszone im Bereich des Basis-Emitter-Überganges in erster Linie auf der Emitterseite des Überganges. Entsprechend liegt die Raumladungszone des Basis-Kollektor-Überganges im wesentlichen auf der Kollektorseite. Die hohe Dotierung der Basiszone bewirkt wiederum, daß der spezifische Widerstand dieser Zone sehr gering ist. Da die Emitter- und Kollektorzone nur niedrig dotiert sind, erhält man wiederum vorteilhafte Eigenschaften des Basis-Emitter-Überganges und des Basis-Kollektor-Überganges. Dies steht wiederum im Gegensatz zu bekannten Transistorstrukturen, die eine höhere Dotierung der Emitterzone gegenüber der Basiszone benötigen, um die Transistorfunktion zu erzielen.

Auch die hier betrachtete Struktur weist die bereits im Zusammenhang mit den Fign. 2A und 2B beschriebenen Vorteile der niedrigen Emitterkapazität C und der niedrigen Kollektorkapazität C auf. An die Kollektorzone kann eine sehr hohe Spannung angelegt werden, ohne daß die Gefahr eines Durchbruches des Basis-Kollektor-Überganges zu befürchten wäre. Bezüglich der für erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente verwendbaren Halbleitermaterialien, sei beispielsweise auf die Fig. 4 verwiesen. Beispielsweise ist für eine p-dotierte Emitterzone und eine p-dotierte Kollektorzone eine Halbleiterverbindung entsprechend GaSb₁_ _rAs und für eine n-dotierte Basiszone eine Halbleiterverbindung entsprechend In_1- Ga As verwendbar. In Fig. 4 ist die Gitterkonstante und die elektro-

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nische Energie dieser beiden Verbindungen aufgezeichnet.

Im einzelnen ist die Gitterkonstante und die elektronische Energie der beiden Materialien in Abhängigkeit von χ und y aufgezeichnet. Bezeichnet ist die Leitungsbandenergie von In₁ Ga As mit E ₁, die Valenzbandenergie dieser Verbindung rait E ₁ , die Leitungsbandenergie von GaSb₁ _ As mit E „ und die Valenzbandenergie dieses Materials mit E₃. Für jeden Wert von χ oder y ergibt der vertikale Abstand zwischen den

Kurven E _Λ und E _Λ den Bandabstand von In₁ Ga As. Der Abel vT 1-χ χ

stand der Kurven E „ und E „ entspricht dem Bandabstand von GaSb_1- As . Die Energieskala bezieht sich auf Vakuumpegel.

Die Darstellung der Fig. kann dazu benutzt werden, um geeignete erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente zu entwickeln. Man wählt beispielsweise einen bestimmten Wert von χ und erhält eine bestimmte Zusammensetzung von In_1- Ga As. Bei diesem Wert von χ ergibt sich dann der Bandabstand der Basiszone eines pnp-Elementes aus den Kurven E ₁ und E ₁. Außerdem läßt sich die Gitterkonstante ablesen. Bei gleichbleibender Gitterkonstante kann man nun in horizontaler Richtung für GaSb. As

1-y y

den geeigneten Parameter y ermitteln.

Wie noch im Zusammenhang mit einem Herstellungsverfahren beschrieben wird, werden die Halbleiterbauelemente aus epitaktischen Halbleiterschichten, die Hetero-übergänge bilden, Aufgebaut. Unter zu Hilfenahme der Fig. 4 erhält man ein brauchbares Halbleiterbauelement durch Wahl von χ = y = 0,5 j^is 0,6. Damit erhält man eine nahezu völlige Gitteranpassung.

tür χ = y = 0,5 ist ΔΕ = ΔΕ =0,5 eV. Für χ = y = 0,6 ist

I C ν

ΔΕ = ΔΕ = 0,4 eV. Die physikalische Dicke der Basiszone jLiegt nich über 100 A. Befinden sich somit die Löcher in der Emitterzone auf einem Energiepegel 58 (Fig. 3B), so tunneln sie mit großer Wahrscheinlichkeit bei Raumtemperatur durch die Basiszone. Angaben über die Dotierungspegel sind in

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- 22 der Beschreibung bereits enthalten.

Hergestellt werden können derartige Strukturen mit HeteroÜbergängen, durch Molekularstrahlepitaxie. Der Einsatz ternärer Verbindungen gestattet neben der Einstellung der Überlappung der Randabstände gleichzeitig die Einhaltung optimaler Gitteranpassung durch geeignete Festlegung der Zusammensetzungen der Verbindungen. Auf diese Weise erhält man gleichmäßige, abrupte Grenzübergänge, die keine störenden Defekte auf v/ei sen.

Sn ist in InGaAs-Verbindungen ein Donator und kann in Abhängigkeit vom Verhältnis Sb/As in GaSb._ As -Verbindungen sowohl ein Donator als auch ein Acceptor sein. Ist y > 0,2, so ist Sn ein Donator, während für y < 0,1 Sn ein Acceptor ist.

Zwischen y = 0/1 und 0,2 liefern entsprechende Prozesse das, was unter Kompensation verstanden wird. Zn und Mg bilden in GaSbAs-Verbindungen ebenfalls Acceptoren. Auf (100)-Flächen von GaSbAs, InAs und GaAs lassen sich bei Temperaturen zwischen 450 und 600 °C dünne Schichten < Molekularstrahlenepitaxie herstellen.

sehen 450 und 600 C dünne Schichten dieser Verbindungen durch

Andere brauchbare Verbindungen schließen Si-GaP ein. Beispielsweise sind III-V, II-VI und IV-VI Verbindungen oder Kombinationen davon verv/endbar. Im Gegensatz zu quartären Verbindungen lassen sich nur mit wenigen ternären Verbindungen die geforderten Bandabstands-Konfigurationen verwirklichen.

Im Bestreben, hinsichtlich der Eingangs- und Ausgangscharakteristiken optimale Halbleiterbauelemente zu erzielen, läßt den Grenzflächen zwischen den einzelnen Zonen besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Die Molekularstrahlenepitaxie hat sich in dieser Hinsicht als besonders vorteilhaftes Herstel-

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lungsverfahren für die einzelnen Halbleiterzonen erwiesen. Ebenfalls wichtig ist eine gute Gitteranpassung zwischen den einzelnen Materialien, da mechanische Spannungen zwischen diesen zu Versetzungen und anderen Fehlern führen, die Grenzflächenzustände erzeugen. Grenzflächenzustände können zu einer Verminderung des zwischen Emitterzone und Kollektorzone fließenden Stromes führen, da dort Ladungsträger eingefangen werden. Die Gitterfehlanpassung sollte nicht über 2,5 % liegen.

Die Molekularstrahlenepitaxie ist dafür bekannt, scharfe Hetero-Obergänge zu liefern. Diese Technik ist beispielsweise in folgenden Veröffentlichungen eingehend beschrieben:

1. L. L. Chang et al, "The Growth of GaAs-GaAlAs Superlattice", J. Vac. Sei. Technol., Vol. 10, Nr. 1,

2. L. L. Chang et al, "Structures Grown by Molecular Beam Epitaxy", J. Vac. Sei. Technol., Vol. 1O₇ Nr. 5, September /Oktober 1973, Seite 655,

3. L. Esaki et al "Semiconductor Superfine Structures by Computer-Controlled Molecular Beam Epitaxy", Thin Solid Films, 36 (1976), Seiten 285 bis 298,

4. G. A. Sai-Halasz et al, Applied Physics Letters, 30, : 15. Juni 1977, Seite 651,

;5. U.S. 3 626 257. I

'Die Molekularstrahlenepitaxie ist ein Aufdampfprozeß mit ,zeitlich konstanter Dampfdichte. Da es sich um einen Niederjtemperaturprozeß handelt, wird eine Diffusion zwischen den ^einzelnen Zonen weitgehend verhindert, so.daß an der Grenz- j (fläche zwischen zwei aufeinanderfolgenden Halbleitermaterialien keine abgestuften Zusammensetzungen auftreten. Man erhält somit¹ abrupte Energieband-ünstetigkeiten. Der physikalische Prozeß j liefert scharfe übergänge, was bei anderen Halbleiterprozessen,! (wie beispielsweise bei der Epitaxie aus der flüssigen Phase

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nicht in dem Maße ausgeprägt ist.

Ein typischer Verfahrensablauf zur Herstellung von Heterofibergängen ist ira folgenden beschrieben. Ausgegangen wird beispielsweise von einei.i p-dotierten GaSb-Substrat mit einem Dotierungspegel von etwa 10 cn . Aufgebracht wird ein honoepitaktiocher Film in einer Dicke von etwa 1000 £, um die Oberfläche des GaSb-Substrates zu glätten. Anschließeid wird eine Kollektorzone aus p-dotiertem GaSb₁ As aufaebracht,

ι -y y

die Störstellenkonzentration beträgt etwa 5 · 10 cm . Auch die Basiszone wird durch Molekularstrahlenepitaxie gebildet und besteht aus n-dotierto-n In_1- Ca As nit einer Störstellen-

konzentration von 10 bis 10 c:u . Anschließend wird eine v/eitere Schicht aus GaSb₁ ^As epitaktisch aufgebracht, die die I>itterzone bildet. Die abschließende Oberfläche ist extren glatt. Oliinscha Kontakte können durch Legieren von Au-Ge an die einzelnen Zonen angebracht werden.

In dieser Technik lassen sich vorzugsweise auch eine Vielzahl von derartigen Halbleiterbauelementen in integrierter Technik gleichzeitig verwirklichen. Dabei ist von Vorteil, daß die Dicken der Basiszonen seitlicher Bauelemente gleichbleibend sina, wodurch sich die gleichen Tunnel-Wahrscheinlichkeiten ergeben. Das Auftreten extrem gleichmäßiger Zonen verhindert auch das Durchbrennen von Teilen einer tunnelnden Zone aufgrund zu hoher Ströme. Grenzflächenzustände werden weitgehend verhindert, so daß eine störende Rekombination zwischen Löchern^ und elektronen nicht feststellbar ist. Durch geeignete Einstellung der Zusammensetzung der Verbindungshalbleiter (x und yj) erreicht man die gewünschten Barrierenhöhen zwischen Emitterzone und Basiszone und zwischen Basiszone und Kollektorzone. I Dabei kann die Potentialmulde zum Einfangen von Majoritäts- j Ladungsträgern in der Basiszone unterschiedlich von der für j das Tunneln erforderlichen Barriere sein (d.h., ΔΕ und ΔΕ

c ν

können verschiedene Höhen haben). Auch dies erreicht man durch

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geeignete Einstellung der Zusammensetzung der Verbindungshalbleiter.

Es seien nunmehr die Fign. 6E und 7A bis 7F näher betrachtet.

Fig. 5 zeigt eine transistorähnliche pnp~Struktur, die als monolithische Struktur auf einem Substrat 61 hergestellt wird. In der Schnittansicht gemäß Fig. 5B erkennt man die Kollektorzone 62, die Basiszone 64 und die Emitterzone 66. über Kontaktierungszonen 68 erfolgt der elektrische Anschluß der Basiszone 64, die zwischen der Emitterzone und der Kollektorzone eingebettet ist. Die Kontaktierungszone 68 weist eine Dotierung n/ auf, die geringer ist als die Dotierung n, der Basiszone. Die Isolation zwischen Basis- und Kollektorzone ergibt sich dadurch, daß der pn-übergang 70 zwischen den Kontaktierungszonen 68 und der Kollektorzone 62 in Sperrichtung vorgespannt wird. Eine geeignete Dotierung für die Kontaktierungszone 68

17 —3

ist n' = 10 cm .Um einen Stromfluß zwischen der Emitterb

zone 66 und der Kontaktierungszone 68 weitgehend zu verhindern, sollte die Dotierung n," so gering wie möglich sein. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß ein ausreichender Strom durch die Basiszone 64 tunnelt. Bei zu geringer Dotierung n/ steigt der Basiswiderstand r, an. Selbstverständlich könnte die Kontaktzone 68 auch als hochleitende Zone, beispielsweise als metallische Zone ausgebildet werden, wenn sie von der Emitter- und Kollektorzone elektrisch isoliert werden kann.

Ringförmige Leiterzüge 74 und 76 bilden die Ohmschen Kontakte zur Kollektorzone 62 und zur Basiszone 68. über einen Leiterzug 78 wird der Ohmsche Kontakt zur Emitterzone 66 hergestellt. Die elektrische Isolation zwischen den einzelnen , Leiterzügen besteht aus Isolationsschichten 79. Die Pfeile deuten den durch Tunneln von Ladungsträgern bewirkten Stromfluß von der Emitterzone zur Kollektorzone an. !

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2 8 O 4 5 G J

Im betrachteten Beispiel bestehen die Emitterzone 66 und die Kollektorzone 62 aus ^-dotiertem GaSb_1-7As^ und die Basiszone 64 aus η -dotiertem In_1- Ga As. Die Kontaktzonen 68 bestehen aus η-dotiertem In_1- Ga As. Als Substrat 61 ist halbisolierendes GaAs verwendet.

Aus den Fign. 6A bis 6E ergibt sich der Verfahrensablauf zur Herstellung eines einzelnen erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements. Die einzelnen Verfahrensschritte selbst sind in der Halbleitertechnik üblich und bestehen beispielsweise aus chemischen Ätzprozessen und Wiederaufwachsprozessen. Fig. 6A zeigt eine Kollektorzone 82, die mittels itolekularstrahlenepitaxie auf ein nicht dargestelltes Substrat aufgebracht ist. Die Dicke dieser Zone beträgt etwa 1000 A. Auf die Kollektorzone ist wiederum durch itolekularstrahlenepitaxie eine Basiszone aufgebracht. In derselben Weise ist auf die Basiszone eine Emitterzone 86 aufgebracht. Man erhält also die dargestellte Struktur von Hetero-übergängen mit den bereits beschriebenen Eigenschaften. Die Basiszone wird beim Aufbringen dotiert, um die angestrebte hohe Störstellenkonzentration sicherzustellen. Auf diese Struktur wird, wie in Fig. 6B dargestellt, eine Ätzmaske 88 aufgebracht, die den Bereich abdeckt, der beim nachfolgenden Ätzprozeß nicht abgetragen v/erden soll. Während des nachfolgenden Ätzprozesses werden Teile der Zonen 82, 84 und 86 entfernt, was durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Nach dem Ätzprozess erhält man die Struktur gemäß Fig. 6C. Im anschließenden Prozeßschritt wird Halbleitermaterial 90 aufgebracht, das die Dotierung n/ aufweist. Dieses Halbleitermaterial bildet die Kontaktzone zur Basiszone. Die Dotierung dieser Kontaktzone ist geringer als die der Basiszone 84 und vorzugsweise auch geringer als die der Emitter- und Kollektorzone.

Im Bereich der oberen Fläche der Emitterzone 86 wird das Halb- ι leitermaterial 90 entfernt, so daß die Emitterzone kontaktiert

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werden kann. Anschließend werden Ohitische Kontakte an die einzelnen Zonen angebracht, nämlich der Kontakt 92 zur Emitterzone, der Kontakt 94 zur Basiskontaktzone und der Kontakt 96 zur Kollektorzone.

Anstelle eines Einzelelementes, wie es in den Fign. 6 dargestellt ist, eignet sich das beschriebene Verfahren auch zur Herstellung einer Vielzahl solcher Elemente auf einem gemeinsamen Halbleiterplättchen.

In den Fign. 7A bis 7F ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Einzelelementes unter Vervrendung konventioneller Prozeßschritte wiedergegeben. Auf einem nicht dargestellten Substrat wird, wie Fig. 7A zeigt, zunächst eine Kollektorzone 100 und darauf eine Basiszone 102 aufgebracht. Die Basiszone wird, wie in Fig. 7B dargestellt, teilweise durch Ätzen entfernt, so daß lediglich eine dünne Schicht in der Mitte der Struktur erhalten bleibt. Nach geeigneter Maskierung mit einer Maske 105 wird eine η'-dotierte Schicht 104 aufgebracht. Dies ist in Fig. 7C gezeigt. Nach Entfernung der Maske 105 erhält man die Struktur gemäß Fig. 7C. Im nachfolgenden Verfahrensschritt wird eine als Emitterzone zu verwendende Halbleiterschicht 106 aufgebracht. Diese Schicht bedeckt zunächst die ganze Oberfläche der Schichten 102 und 104. In einem nachfolgenden Ätzprozeß werden Teile dieser Schicht abgeätzt, so daß die Halbleiterschicht 104 an den äußeren Rändern freigelegt wird. Schließlich werden der Kontakt 108 an der Emitterzone, der Kontakt 110 an der Basiskontaktzone 104 und der Kontakt 112 an der Kollektorzone aufgebracht .

Die Ausgangscharakteristiken eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements werden anhand der Fign. 8 und 10 kurz beschrieben.

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Die Fig. 8 zeigt eine pnp-Struktur mit einer Emitterzone 114, einer Basiszone 116 und einer Kollektorzone 118. Der Emitteranschluß liegt an Hasse, während an die Basiszone und die Kollektorzone geeignete Spannungen V, bzw. V angelegt sind. Vom Masseanschluß fließt ein Strom I zur Emitterzone 114.

Der Kollektorstrom I fließt von der Kollektorzone 118 zu einem

Ausgang.

Aus der Fig. 9 ist der Zusammenhang zwischen dem Emitterstrom I und der Spannung V, zu ersehen. Die Fig. 10 liefert Aussagen über die Ausgangscharakteristik der Struktur, nämlich den Zusammenhang zwischen dem Kollektorstrom I und der Kollektor-Emitter-Spannung V für drei Vierte der Basis-

Cc

Emitter-Spannung V, .

Wie die Fig. 9 zeigt, steigt der Emitterstrom I mit steigender Basis-Emitter-Spannung V, an, bis zu V, = V, _. Es fließt praktisch kein Basisstrom I, , da in der Basiszone keine Rekombination und keine inverse Injektion von Elektronen von der Basiszone in die Emitterzone stattfindet.

Fig. 10 zeigt, daß sich der Kollektorstrom I nicht in Abhängigkeit von der Kollektor-Emitter-Spannung V ändert. Das bedeutet, daß die Ausgangsimpedanz der Struktur außerordentlich hoch ist. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Transistoren, bei denen I in Abhängigkeit von V für verschiedene Werte des Emitter stromes I aufgezeichnet \7ird, ist im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement in Fig. 10 der Strom I in Abhängigkeit von V für verschiedene

c ce

Werte von V, aufgezeichnet. Da praktisch kein Basisstrom I, fließt, ist die Ausgangscharakteristik des erfindungsgemäßen Bauelementes der eines Feldeffekttransistors ähnlich. Die Ausgangscharakteristik wird gesteuert von der Emitter-Basis-Spannung V, und nicht vom Emitterstrom I .

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Insgesamt gesehen weist das beschriebene Halbleiterbauelement Eigenschaften auf, die bisher bekannte Transistorstrukturen nicht besitzen.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   . ■' Schnelles, transistorähnliches Halbleiterbauelement, das zwischen einer Emitterzone und einer Kollektorzone eines ersten Leitungstyps eine Basiszone des entgegengesetzten zweiten Leitungstyps aufweist und dessen vorherrschender Leitungsmechanismus darin besteht, daß Ladungsträger durch Durchtunneln der Basiszone von der Emitterzone in die Kollektorzone transportiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Kollektor-Übergang und der Basis-Emitter-Übergang HeteroÜbergänge sind, daß die Bandabstände der Emitter- und Kollektorzone in gleicher Richtung gegenüber dem Bandabstand der Basiszone versetzt sind, jedoch diesen noch teilweise überlappen, und daß die Basiszone im Hinblick auf den Tunnel-Effekt ausreichend dünn gewählt ist.

   2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Leitungsbandkante oder die Valenzbandkante der Basiszone innerhalb des Bandabstandes der Emitterzone liegt oder mit deren Leitungsbandkante oder Valenzbandkante zusammenfällt, so daß sich eine Leitungsband-Unstetigkeit und eine Valenzband-Unstetigkeit zwischen Basis- und Emitterzone ergibt.

   ■3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ■ gekennzeichnet, daß die Bandkantenunstetigkeit zwischen der Basiszone und der Emitterzone und die Bandkantenunstetigkeit zwischen der Basiszone und der Kollektorzone so groß sind, daß Minoritäts-Ladungsträger daran gehindert werden, von der Basiszone in die Emitter- und Kollektorzone zu gelangen.

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   4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bandkantenunstetigkeiten ungleich sind.

   5. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone höher dotiert ist als die Emitter- und/oder die Kollektorzone.

   6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der Basiszone mindestens

   18 "i

   10 Atome/ein beträgt.

   7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch

   gekennzeichnet, daß die Emitterzone und die Kollektor-

   16 17 zone einen Dotierungspegel von etwa 10 bis 10 / Atome/cm auf v/eisen.

   8. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone eine Dicke von nicht mehr als 100 A aufweist.

   9. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterfehlanpassung zwischen den Zonen nicht größer als etwa 2,5 % ist.

   10. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandkantenunstetigkeit zwischen Basis- und Emitterzone mindestens etwa 0,3 eV beträgt.

   11. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandkantenunstetigkeit zwischen Basis- und Kollektorzone mindestens etwa 0,3 eV beträgt.

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   12. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen aus Epitaxieschichten mit abrupten Grenzflächen zwischen ihnen bestehen.

   13. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter- und Kollektorzone aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen.

   14. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterzonen aus Verbindungshalbleitermaterial bestehen.

   15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungshalbleitermaterialien ternäre Verbindungen sind.

   16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone aus einer Verbindung von InGaAs und Emitter- und Kollektorzone aus einer Verbindung von GaSbAs bestehen.

   17. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone aus einer Verbindung von InAs und Emitter- und Kollektorzone aus einer Verbindung von GaSb bestehen.

   18. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermaterialien der Zonen aus Si und GaP bestehen.

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