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Dokumentenidentifikation DE60024376T2 03.08.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001083608
Titel Feldeffekt-Halbleiteranordnung
Anmelder Murata Manufacturing Co., Ltd., Nagaokakyo, Kyoto, JP
Erfinder Inai, Makoto, Nagaokakyo-shi, Kyoto-fu 617-8555, JP;
Sasaki, Hidehiko, Nagaokakyo-shi, Kyoto-fu 617-8555, JP
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Lorenz Seidler Gossel, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60024376
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.09.2000
EP-Aktenzeichen 001197797
EP-Offenlegungsdatum 14.03.2001
EP date of grant 30.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.08.2006
IPC-Hauptklasse H01L 29/80(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01L 29/812(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK 1. Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Feldeffekt-Halbleiterbauelemente, und sie betrifft insbesondere ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit einer Heteroübergangsstruktur wie etwa einer DCHFET-Struktur.

2. Beschreibung des verwandten Stands der Technik

Bisher wurde als Transistorbauelemente, die im Bereich von Mikrowellen bis Millimeterwellen arbeiten, ein Feldeffekttransistor mit einer Heteroübergangsstruktur verwendet (im weiteren als ein Heteroübergangs-FET bezeichnet). Gemäß dotierten Strukturen können die Heteroübergangs-FETs grob klassifiziert werden in HEMTs (high-electron-mobility-transistors – Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit) unter Verwendung einer modulationsdotierten Struktur und DCHFETs (dopedchannel heterojunction FETs – FETs mit dotiertem Kanalheteroübergang) unter Verwendung einer kanaldotierten Struktur. In dieser Verbindung wird letzterer DCHFET auch als ein DMT, ein MISFET, ein HIGFET und dergleichen bezeichnet.

1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Halbleiterstruktur eines herkömmlichen HEMT zeigt. Bei einem HEMT 1 ist eine Pufferschicht 3 auf einem halbisolierenden Galliumarsenid-(GaAs)-Substrat 2 ausgebildet, eine Kanalschicht 4 aus undotiertem Indiumgalliumarsenid (InGaAs) ist auf der Pufferschicht 3 ausgebildet, und eine Barrierenschicht 5 ist auf der Kanalschicht 4 ausgebildet. Die Barrierenschicht 5 in 1 ist eine doppelschichtige Struktur aus einer Aluminiumgalliumarsenid-(AlGaAs)-Schicht vom n-Typ 5a (eine elektronenliefernde Schicht) und einer undotierten AlGaAs-Schicht 5b. Die Barrierenschicht 5 kann jedoch eine mehrschichtige Struktur sein, die beispielsweise aus einer undotierten AlGaAs-Schicht, einer AlGaAs-Schicht vom n-Typ und einer undotierten AlGaAs-Schicht besteht, oder sie kann lediglich eine AlGaAs-Schicht vom n-Typ sein. Um gute ohmsche Kontakte mit einer Sourceelektrode 8 und einer Drainelektrode 9 auszubilden, ist an der Barrierenschicht 5 eine Kontaktschicht 6 aus GaAs vom n-Typ ausgebildet. Auf der oberen Oberfläche der Kontaktschicht 6 sind die Drainelektrode 9 und die Sourceelektrode 8 ausgebildet und werden durch Wärmebehandlung in ohmschen Kontakt mit der Kontaktschicht 6 gebracht.

Zwischen der Sourceelektrode 8 und der Drainelektrode 9 ist die Kontaktschicht 6 geätzt, um darin eine Vertiefung auszubilden, damit die Barrierenschicht 5 freigelegt wird. Die Vertiefung wird ausgebildet durch selektives Entfernen der Kontaktschicht 6 durch Ätzen unter Verwendung eines Ätzmittels, das AlGaAs nicht ätzt, aber GaAs ätzt, und durch Abschließen des Ätzens an der Barrierenschicht 5 aus AlGaAs. Eine Gateelektrode 10 ist auf der oberen Oberfläche der Barrierenschicht 5, von der Kontaktschicht 6 in einer Vertiefung 7 freigelegt, ausgebildet und steht in Schottky-Kontakt mit der Barrierenschicht 5. Zusätzlich ist die Oberfläche des HEMT 1 mit einer Schutzschicht 11 aus SiN (Siliziumnitrid) bedeckt.

Bei der oben beschriebenen HEMT-Struktur bewegen sich Elektronen in der n-Barrierenschicht 5 über den Heteroübergang zwischen dem AlGaAs und dem InGaAs zu der Seite der Kanalschicht 4, die hinsichtlich Energie niedriger liegt. Die so von der Barrierenschicht 5 an die stark gereinigte Kanalschicht 4 gelieferten Elektronen (zweidimensionales Elektronengas) können driften, ohne von Donatoren in der Barrierenschicht 5 gestreut zu werden, so daß die Elektronen eine hohe Beweglichkeit aufweisen. Das heißt, die Kanalschicht 4 fungiert als Kanal, in dem Elektronen fließen, und die Barrierenschicht 5 fungiert als eine liefernde Quelle für das Liefern von Elektronen an die Kanalschicht 4, wodurch, wenn zwischen der Sourceelektrode 8 und der Drainelektrode 9 eine Potentialdifferenz angelegt wird, in der Kanalschicht 4 ein Drainstrom fließt.

2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine laminierte Struktur eines herkömmlichen DMT zeigt. Bei einem DMT 21 wie in der Figur gezeigt, ist eine Pufferschicht 23 auf einem GaAs-Substrat 22 ausgebildet, eine Kanalschicht 24 aus n-InGaAs ist auf der Pufferschicht 23 ausgebildet, und eine Barrierenschicht 25 ist auf der Kanalschicht 24 ausgebildet. Die Barrierenschicht 25 in der DMT-Struktur ist aus einer undotierten AlGaAs-Schicht ausgebildet. Zur Ausbildung guter ohmscher Kontakte mit einer Drainelektrode 29 und einer Sourceelektrode 28 ist auf der Barrierenschicht 25 eine Kontaktschicht 26 aus n-GaAs ausgebildet. Auf der oberen Oberfläche der Kontaktschicht 26 sind die Drainelektrode 29 und die Sourceelektrode 28 ausgebildet und werden durch Wärmebehandlung in ohmschen Kontakt mit der Kontaktschicht 26 gebracht.

Zwischen der Sourceelektrode 28 und der Drainelektrode 29 ist die Kontaktschicht 26 selektiv geätzt, um darin eine Vertiefung auszubilden, um die Barrierenschicht 25 freizulegen. Eine Gateelektrode 30 ist an der oberen Oberfläche der Barrierenschicht 25, von der Kontaktschicht 26 in einer Vertiefung 27 freigelegt, ausgebildet und steht in Schottky-Kontakt mit der Barrierenschicht 25. Außerdem ist die Oberfläche des DMT 21 mit einer Schutzschicht 31 aus SiN bedeckt.

Bei der oben beschriebenen DMT-Struktur werden in dem Zustand, in dem keine Spannung an die Gateelektrode 30 angelegt ist, Elektronen in der n-Kanalschicht 24 gespeichert, und wenn eine Potentialdifferenz zwischen der Sourceelektrode 28 und der Drainelektrode 29 in diesem Zustand angelegt wird, bewegen sich Elektronen als Träger von der Sourceelektrode 28 zur Drainelektrode 29, so daß ein Drainstrom fließt.

Bei dem HEMT 1 wie oben beschrieben ist an der Übergangsfläche zwischen der Kanalschicht 4 und der Barrierenschicht 5 die Kombination davon eine undotierte Schicht bzw. eine n-Schicht, und an der Übergangsfläche zwischen der Kontaktschicht 6 und der Barrierenschicht 5 ist die Kombination davon eine n-Schicht bzw. eine undotierte Schicht, so daß jede Übergangsfläche einen aniso-Heteroübergang aufweist. Zusätzlich ist bei dem oben beschriebenen DMT 21 an der Übergangsfläche zwischen der Kanalschicht 24 und der Barrierenschicht 25 die Kanalschicht 24 eine n-Schicht und die Barrierenschicht 25 eine undotierte Schicht, und an der Übergangsfläche zwischen der Kontaktschicht 26 und der Barrierenschicht 25 ist die Kontaktschicht 26 eine n-Schicht und die Barrierenschicht 25 eine undotierte Schicht, so daß jede Übergangsfläche einen aniso-Heteroübergang aufweist. Wie oben beschrieben weist bei dem herkömmlichen Heteroübergangs-FET mindestens eine der Übergangsflächen zwischen der Kanalschicht und der Barrierenschicht und zwischen der Barrierenschicht und der Kontaktschicht einen aniso-Heteroübergang auf.

Ein aniso-Heteroübergang ist ein Übergang, der aus Halbleitern mit Leitungstypen ausgebildet ist, die voneinander verschieden sind, oder ein Übergang, der aus Materialien mit elektrischen Konduktanzen ausgebildet ist, die signifikant voneinander verschieden sind. Beispielsweise können erwähnt werden: ein Übergang, der aus einem n-Halbleiter und einem p-Halbleiter ausgebildet ist, ein Übergang, der aus einem n-Halbleiter und einem undotierten Halbleiter ausgebildet ist, ein Übergang, der aus einem p-Halbleiter und einem undotierten Halbleiter ausgebildet ist, und ein Übergang, der aus einer stark dotierten Schicht (n+, p+) und einer schwach dotierten Schicht (n, p) ausgebildet ist. In diesem Zusammenhang ist ein Heteroübergang ein Übergang, der aus Materialien mit physikalischen Charakteristiken ausgebildet ist, die voneinander verschieden sind, beispielsweise Elektronenaffinität und Bandlücke. Außerdem werden Heteroübergänge außer aniso-Heteroübergänge als iso-Heteroübergänge bezeichnet.

3A und 3B zeigen jeweils die Energiebandstruktur des Leitungsbands in der Nähe des aniso-Heteroübergangs bei thermischem Gleichgewicht. 3A zeigt den Energiepegel an der Heteroübergangsfläche, die aus einer n-GaAs-Schicht 36 (oder n-InGaAs) und einer undotierten AlGaAs-Schicht 37 ausgebildet ist. Außerdem zeigt 3B den Energiepegel an der Heteroübergangsfläche, die ausgebildet ist aus undotiertem GaAs 38 (oder undotiertem InGaAs) und einer n-AlGaAs-Schicht 39, bei der die Leitungstypen in der oberen Schicht und der unteren Schicht in 3 vertauscht sind.

Wenn der Heteroübergang zwischen einer Barrierenschicht und einer Halbleiterschicht in Kontakt damit ein Paar vom aniso-Leitungstyp ist, ist der Boden des Leitungsbands auf einer Seite des Fermi-Niveaus EP lokalisiert, und die Verteilung der Verarmungsschicht ist ebenfalls auf der Seite der undotierten Schicht lokalisiert. Beispielsweise ist bei dem in 3A gezeigten Beispiel, das heißt, wenn der aus der n-GaAs-Schicht 36 (oder n-InGaAs) und der undotierten AlGaAs-Schicht 37 ausgebildete aniso-Heteroübergang betrachtet wird, da die undotierte Schicht aus AlGaAs mit einer kleineren Elektronenaffinität besteht, die an der Heteroübergangsfläche ausgebildete Barrierenhöhe HB (Energiebarriere über dem Fermi-Niveau EF) höher, so daß der Widerstand durch den Heteroübergang erhöht ist. Wenn außerdem, wie in 3B gezeigt, die undotierte Schicht aus GaAs (oder undotiertem InGaAs) mit einer kleineren Elektronenaffinität ähnlich der in der n-AlGaAs-Schicht 39/der undotierten GaAs-Schicht 38 (oder undotiertem InGaAs) besteht, ist die Breite WV der auf der Seite der n-AlGaAs-Schicht 39 ausgebildeten Verarmungsschicht erhöht, und auch in diesem Fall ist der Widerstand durch den Heteroübergang erhöht.

Folglich ist bei dem aniso-Übergang zwischen der Kontaktschicht 6 (n-GaAs) und der Barrierenschicht 5 (undotiertes AlGaAs) in dem HEMT 1 mit einer herkömmlichen Struktur die Barrierenhöhe auf der Seite der Barrierenschicht vergrößert (siehe 3A). Außerdem ist bei dem aniso-Übergang zwischen der Barrierenschicht 5 (n-AlGaAs) und der Kanalschicht 4 (undotiertes InGaAs) in dem herkömmlichen HEMT 1 der Widerstand in der undotierten Kanalschicht erhöht, während die Breite der in der Barrierenschicht erzeugten Verarmungsschicht vergrößert ist (siehe 3B). Dementsprechend ist der Reihenwiderstand zwischen dem Source- und Draingebiet und dem Kanalgebiet unter der Gateelektrode erhöht.

Außerdem sind bei dem herkömmlichen DMT 21 in dem aniso-Übergang zwischen der Kontaktschicht 26 (n-GaAs) und der Barrierenschicht 25 (undotiertes AlGaAs) und auch in dem aniso-Übergang zwischen der Kanalschicht 24 (n-InGaAs) und der Barrierenschicht 25 (undotiertes AlGaAs), da die Barrierenschicht 25 eine undotierte Schicht ist, Bandlückendifferenzen im Leitungsband fast über dem Fermi-Niveau verteilt und die Barrierenschicht ist vergrößert (siehe 3A), was zu einer Zunahme des Reihenwiderstands führt, der größer ist als der in der HEMT-Struktur.

Wenn die Barrierenhöhe im thermischen Gleichgewicht hoch ist, ist das Ausmaß der Zunahme und Abnahme bei der Barrierenhöhe größer, wenn die angelegte Spannung erhöht und reduziert wird, und infolgedessen gibt es Probleme insofern, als Phänomene wie etwa Drainstromknick (siehe 6A) erzeugt werden, bei denen eine Drainstrom bei einer bestimmten Spannung abrupt erhöht ist.

IEEE Transactions On Electron Devices, Band 37, Nr. 10, Oktober 1990, Seiten 2171 bis 2175 (Ruden et al.) beschreibt ein Halbleiterfeldeffektbauelement, das eine n-InGaAs-Kanalschicht und eine undotierte GaAs-Kontaktschicht umfaßt. zwischen diesen Schichten befindet sich eine undotierte AlGaAs-Schicht.

Aus den Extended Abstracts of the 1998 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 1998), Hiroshima, JP, 7.–10. September 1998, Seiten 328, 329 (Inai et al.) ist ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement bekannt, das eine aus n-GaAs ausgebildete Kontaktschicht, eine aus n-InGaAs ausgebildete Kanalschicht und eine Halbleiterstruktur zwischen diesen Schichten mit einer dazwischenliegenden n-AlGaAs-Deckschicht, einer i-AlGaAs-Schicht und einer n-GaAs-Bodenschicht umfaßt.

Ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist aus dem Japanese Journal of Applied Physics, Supplements, Extended Abstracts of the 1991 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 1991), Yokohama, JP, 27.–29. August 1991, Seiten 353 bis 355 (Sawada et al.) bekannt.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Zur Lösung der oben beschriebenen Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Reduzierung des Reihenwiderstands durch eine Halbleiterschicht zwischen einer mit einer ohmschen Elektrode versehenen Kontaktschicht und einer Kanalschicht in einem Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit einem Heteroübergang.

Diese Aufgabe wird mit einem Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Es wird bevorzugt, daß beide Materialien für die Kanalschicht und die Halbleiterstruktur an der Übergangsfläche dazwischen aus stark n-dotierten Schichten ausgebildet sind und daß beide Materialien für die Kontaktschicht und die Halbleiterstruktur an der Übergangsfläche dazwischen aus stark dotierten n-Schichten ausgebildet sind. Weiterhin weisen beide Materialien für die Kanalschicht als auch die Halbleiterstruktur an der Übergangsfläche dazwischen bevorzugt Dotierstoffkonzentrationen von 1 × 1018 cm–3 oder mehr auf, und beide Materialien für die Kontaktschicht als auch die Halbleiterstruktur an der Übergangsfläche dazwischen weisen bevorzugt eine Dotierstoffkonzentration von 1 × 1019 cm–3 oder mehr auf.

Die laminierte Halbleiterstruktur weist bevorzugt eine Elektronenaffinität auf, die kleiner ist als die der Kanalschicht und der Kontaktschicht. Gemäß einer spezifischen Ausführungsform besteht die Halbleiterst aus AlGaAs, und die Kanalschicht besteht aus InGaAs.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit einem niedrigen Reihenwiderstand realisiert werden, da der Widerstand durch den Heteroübergangsabschnitt zwischen der Kanalschicht und der Halbleiterschicht darauf reduziert werden kann und der Widerstand durch den Heteroübergangsabschnitt zwischen der Kontaktschicht und der Halbleiterschicht darunter ebenfalls reduziert werden kann. Da außerdem die Höhe der Schottky-Barriere im thermischen Gleichgewicht reduziert werden kann, können Phänomene wie etwa Zunahmen und Abnahmen beim Strom in Abhängigkeit von der angelegten Spannung (Drainstromknick) unterdrückt werden. Dementsprechend kann ein Bauelement mit Bauelementcharakteristiken hergestellt werden, bei dem der maximale Drainstrom und die wechselseitige Konduktanz verbessert sind und der Ein-Widerstand reduziert ist.

Zum Zweck des Veranschaulichens der Erfindung werden in den Zeichnungen mehrere Formen gezeigt, die gegenwärtig bevorzugt werden, wobei sich jedoch versteht, daß die Erfindung nicht auf die präzisen Anordnungen und Instrumentalitäten, die gezeigt sind, beschränkt wird, sondern nur durch die beigefügten Ansprüche.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Erfindung, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Struktur eines herkömmlichen HEMT zeigt.

2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Struktur eines herkömmlichen DMT zeigt.

3A und 3B sind Ansichten, die jeweils die Energiebandstruktur im Leitungsband in der Nähe eines aniso-Heteroübergangs im thermischen Gleichgewicht zeigen.

4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Heteroübergangs-FET gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

5A und 5B sind Ansichten, die jeweils die Energiebandstruktur im Leitungsband zwischen einer Barrierenschicht und einer Kontaktschicht im thermischen Gleichgewicht zeigen.

6A ist eine graphische Darstellung, die die Strom-Spannungs-Charakteristiken eines HEMT gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und

6B ist eine graphische Darstellung, die die Strom-Spannungs-Charakteristiken eines DMT eines herkömmlichen Beispiels zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Kanalschicht, eine Kontaktschicht, eine Halbleiterstruktur mit einer Elektronenaffinität, die von der der Kanalschicht und der Kontaktschicht verschieden ist und die dazwischen vorgesehen ist, auf der Kontaktschicht vorgesehene ohmsche Elektroden und eine auf der Halbleiterstruktur vorgesehene Schottky-Elektrode, wobei die Übergangsfläche zwischen der Kanalschicht und der Halbleiterschicht und die Übergangsfläche zwischen der Kontaktschicht und der Halbleiterstruktur iso-Heteroübergänge sind.

Ein iso-Heteroübergang ist ein anderer Heteroübergang als ein aniso-Heteroübergang. Der aniso-Heteroübergang ist wie oben beschrieben ein Übergang, der aus Halbleitern mit Leitungsarten ausgebildet ist, die voneinander verschieden sind, oder ein Übergang, der aus Materialien mit elektrischen Konduktanzen ausgebildet ist, die voneinander signifikant verschieden sind. Übergänge zwischen einem n-Halbleiter und einem p-Halbleiter, einem n-Halbleiter und einem undotierten Halbleiter, einem p-Halbleiter und einem undotierten Halbleiter und einer stark dotierten Halbleiterschicht (n+, p+) und einer schwach dotierten Halbleiterschicht (n, p) können als Beispiele angesehen werden. Als typische Beispiele für aniso-Heteroübergänge gibt es n-AlGaAs/i-GaAs, n-AlGaAs/i-InGaAs, n-InGaP/i-GaAs, n-InGaP/i-InGaAs, n-InAlAs/i-InGaAs, n-GaAs/i-InGaAs und dergleichen als n-Halbleitermaterialien mit geringen Elektronenaffinitäten. Als n-Halbleitermaterialien mit großen Elektronenaffinitäten sind i-AlGaAs/n-GaAs, i-AlGaAs/n-InGaAs, i-InGaP/n-GaAs, i-InGaP/n-InGaAs, i-InAlAs/n-InGaAs, i-GaAs/n-InGaAs und dergleichen aniso-Heteroübergänge.

Da ein iso-Heteroübergang ein anderer Heteroübergang als ein aniso-Heteroübergang ist, ist der iso-Heteroübergang ein Übergang, der aus Halbleitern mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp und elektrischen Konduktanzen von Materialien davon ausgebildet ist, die voneinander nicht signifikant verschieden sind. Zusätzlich gibt es als typische Beispiele für iso-Heteroübergänge n-AlGaAs/n-GaAs, n-AlGaAs/n-InGaAs, n-InGaP/n-GaAs, n-InGaP/n-InGaAs, n-InAlAs/n-InGaAs, n-GaAs/n-InGaAs (die Differenz bei der elektrischen Konduktanz davon wird als nicht signifikant angesehen) und dergleichen. Zudem sind auch n/n+, n/n, p/p+ und p/p ebenfalls iso-Heteroübergänge.

Ähnlich wie bei dem Feldeffekt-Halbleiterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn die Übergangsfläche, die aus einer Kanalschicht und einer zwischen der Kanalschicht und einer Kontaktschicht vorgesehenen Halbleiterstruktur ausgebildet ist, und die Übergangsfläche, die aus der Kontaktschicht und der zwischen der Kanalschicht und der Kontaktschicht vorgesehenen Halbleiterstruktur ausgebildet ist, beide iso-Heteroübergänge sind, die aus Materialien mit voneinander verschiedenen Elektronenaffinitäten ausgebildet sind, verschiebt sich der Boden des Leitungsbands in jeder Heteroübergangsfläche bezüglich des Fermi-Niveaus nicht signifikant nach oben oder nach unten, und deshalb kann der widerstand durch den Heteroübergangsabschnitt von der Kontaktschicht zu der Kanalschicht unter der Gateelektrode verringert werden. Ohne die Funktion der Barrierenschicht zu beeinträchtigen, kann dementsprechend die Reihenwiderstandskomponente in dem Feldeffekt-Halbleiterbauelement verringert werden.

Wenn beide Materialien für die Kanalschicht und die Halbleiterstruktur an der Übergangsfläche dazwischen aus stark n-dotierten Schichten ausgebildet sind und beide Materialien für die Kontaktschicht und die Halbleiterstruktur an der Übergangsfläche dazwischen aus stark n-dotierten Schichten ausgebildet sind, kann insbesondere die Trägerbeweglichkeit erhöht werden und ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement kann erhalten werden, das in einem Hochfrequenzbereich verwendet werden kann.

Zusätzlich kann bei dem Feldeffekt-Halbleiterbauelement der vorliegenden Erfindung beispielsweise InGaAs für die Kanalschicht und AlGaAs für die zwischen der Kanalschicht und der Kontaktschicht vorgesehene Halbleiterstruktur verwendet werden. Jedoch besteht die Halbleiterstruktur bevorzugt aus einem einzelnen Material mit einer Elektronenaffinität, die kleiner ist als die der Kanalschicht und der Kontaktschicht.

Da eine Barrierenhöhe und eine effektive Barrierendicke eines iso-Heteroübergangs in erster Linie durch Unterschiede bei der Dotierstoffkonzentration und einer Elektronenaffinität von den Übergang bildenden Materialien bestimmt werden, kann zudem die ganze Wiederstandskomponente reduziert werden, wenn die Dotierstoffkonzentrationen an der Übergangsfläche von beiden Materialien, die die Kanalschicht und die Halbleiterstruktur bilden, auf 1 × 1018 cm–3 oder mehr eingestellt sind und die Dotierstoffkonzentrationen an der Übergangsfläche beider Materialien, die die Kontaktschicht und die Halbleiterstruktur bilden, auf 1 × 1018 cm–3 oder mehr eingestellt sind.

Im folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher erläutert.

Erste Ausführungsform

4 ist eine schematische Querschnittsansicht der Struktur eines Heteroübergangs-DMT 41 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dem DMT 41 sind durch epitaxiales Aufwachsen unter Verwendung von Molekularstrahlepitaxie (MBE), metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) oder dergleichen auf einem halbisolierenden GaAs-Substrat 42 eine Pufferschicht 43, eine Kanalschicht 44, die 10 nm dick ist und aus n-InGaAs besteht (die Dotierstoffkonzentration beträgt 2 × 1018 cm–3), eine Barrierenschicht 45 und eine Kontaktschicht 46, die 50 nm dick ist und aus n+-GaAs besteht (die Dotierstoffkonzentration beträgt 5 × 1018 cm–3) in der oben erwähnten Reihenfolge ausgebildet. Die Barrierenschicht 45 besteht von dem Boden davon aus einer 10 nm dicken n-AlGaAs-Schicht 45a (die Dotierstoffkonzentration beträgt 3 × 1018 cm–3), einem 10 nm dicken undotierten AlGaAs-Film 45b und einer 10 nm dicken n-AlGaAs-Schicht 45c (die Dotierstoffkonzentration beträgt 3 × 1018 cm–3).

Ohmsche Elektroden, die als eine Sourceelektrode 48 und eine Drainelektrode 49 verwendet werden, sind auf der Kontaktschicht 46 ausgebildet. Die Kontaktschicht 46 zwischen der Sourceelektrode 48 und der Drainelektrode 49 wird durch Ätzen entfernt, um eine Vertiefung auszubilden. Nachdem eine Gateelektrode 50 auf der n-AlGaAs-Schicht 45c ausgebildet ist, die von der Kontaktschicht 46 in einer Vertiefung 47 freigelegt ist, wird der Boden der Gateelektrode durch thermische Diffusion in Kontakt mit der undotierten AlGaAs-Schicht 45b gebracht, um damit einen Schottky-Kontakt auszubilden. Als Ergebnis wird der untere Abschnitt der Gateelektrode 50 in der n-AlGaAs-Schicht 45c vergraben. wenn in diesem Zusammenhang die Gateelektrode 50 nach dem Ätzen der Kontaktschicht 46 zum Ausbilden einer Vertiefung in der n-AlGaAs-Barrierenschicht 45c vergraben ist, kann ein Teil der n-AlGaAs-Barrierenschicht 45c durch anisotropes Ätzen entfernt werden und danach kann die Gateelektrode 50 direkt auf einem Bereich ausgebildet werden, bei dem die undotierte AlGaAs-Schicht 45b freiliegt. Der Heteroübergangs-FET 41 wird schließlich mit einer Isolierschicht 51 aus SiN oder dergleichen geschützt.

Der Heteroübergang zwischen der Barrierenschicht 45 und der Kontaktschicht 46 ist ein iso-Heteroübergang aus n-AlGaAs und n+-GaAs, und die Kanalschicht 44 und die Barrierenschicht 45 bilden ebenfalls einen iso-Heteroübergang aus n-InGaAs und n-AlGaAs.

Da die Kanalschicht und die Barrierenschicht so lange funktionieren können, wie zwischen den Materialien dafür eine Differenz bei der Elektronenaffinität vorliegt, kann zusätzlich zu der oben erwähnten Kombination ein durch eine Kombination aus InGaAs und InGaP mit dem gleichen Leitungstyp oder dergleichen ausgebildeter iso-Heteroübergang verwendet werden. Anstelle von n-InGaAs kann zusätzlich n-GaAs für die Kanalschicht 44 verwendet werden. Zudem kann eine doppeltdotierte Struktur mit einer stark dotierten Schicht als einer Elektronen liefernden Schicht, die unter der Kanalschicht 44 vorgesehen ist, verwendet werden.

Die laminierte Struktur der Barrierenschicht 45 besteht aus einem einzelnen Material (Homoübergang) ähnlich dem AlGaAs in der Ausführungsform.

Bei der Ausführungsform ist die Barrierenschicht 45 mit einer Elektronenaffinität, die von der der Kanalschicht 44 und der Kontaktschicht 46 verschieden ist, dazwischen ausgebildet, die Übergangsfläche zwischen der Kanalschicht 44 und der Barrierenschicht 45 ist ein iso-Heteroübergang und die Übergangsfläche zwischen der Kontaktschicht 46 und der Barrierenschicht 45 ist ebenfalls ein iso-Heteroübergang. Wenn wie oben beschrieben beide Heteroübergangsflächen zwischen der Kanalschicht 44 und der Barrierenschicht 45 und zwischen der Kontaktschicht 46 und der Barrierenschicht 45 Übergänge vom iso-Leitungstyp sind, wie in der Energiebandstruktur in 5 gezeigt (der Fall des n-GaAs und des n-AlGaAs ist in 5 gezeigt und der Fall des n-InGaAs und des n-AlGaAs ist ebenfalls dazu ähnlich), ist der Boden des Leitungsbands in dem Heteroübergangsgebiet auf einem etwa gleichwertigen Niveau davon über und unter dem Fermi-Niveau positioniert. Folglich sind die Barrierenhöhe HB bezüglich der Elektronen zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht der Barrierenschicht 45 und die Breite einer Verarmungsschicht (effektive Barrierendicke) WV verringert, so daß der Widerstand durch den Heteroübergang von der Kontaktschicht 46 zu der Kanalschicht 44 unter der Gateelektrode 50, das heißt die Reihenwiderstandskomponente in dem Heteroübergangs-FET 41, reduziert werden kann, ohne die Funktion der Barrierenschicht 45 zu beeinträchtigen.

Da die Barrierenhöhe HB und die effektive Barrierendicke WV des iso-Heteroübergangs wie oben beschrieben in erster Linie durch die Differenz bei der Dotierstoffkonzentration und die Differenz bei einer Elektronenaffinität von den Übergang bildenden Materialien bestimmt werden, betragen zur Reduzierung der ganzen Wiederstandskomponente die Dotierstoffkonzentrationen der Kanalschicht 44, der Barrierenschicht 45 und der Kontaktschicht 46 bevorzugt 1 × 1018 cm–3 oder mehr.

6A ist eine graphische Darstellung, die die Strom-Spannungscharakteristiken der Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ähnlich der in 4 gezeigten zeigen. 6B ist eine graphische Darstellung, die die Strom-Spannungs-Charakteristiken eines herkömmlichen DMT mit einer Struktur zeigt, die ähnlich der ist, die in 2 gezeigt ist. Beide graphischen Darstellungen zeigen die Änderungen beim Drainstrom gegenüber der Drainspannung. Ein Drainstromknick wurde in den in 6B gezeigten Strom-Spannungs-Charakteristiken beobachtet, die aus dem herkömmlichen Beispiel erhalten wurde, und andererseits versteht sich aus den Strom-Spannungs-Charakteristiken, die in 6A gezeigt werden, die von dem Beispiel der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, daß kein Knick beobachtet wird und ein starker Strom erhalten werden kann.

Wenngleich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung offenbart worden sind, werden innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche verschiedene Modi zum Ausführen der hier offenbarten Prinzipien in Betracht gezogen.


Anspruch[de]
  1. Feldeffekt-Halbleiterbauelement, umfassend:

    eine Kanalschicht (44);

    eine Kontaktschicht (46);

    eine Halbleiterstruktur (45) mit einer Elektronenaffinität, die von der der Kanalschicht (44) und der Kontaktschicht (46) verschieden ist, die zwischen der Kanalschicht und der Kontaktschicht ausgebildet ist, wobei die Halbleiterstruktur einen ersten Übergang zwischen der Halbleiterstruktur (45) und der Kanalschicht (44) und einen zweiten Übergang zwischen der Halbleiterstruktur (45) und der Kontaktschicht aufweist;

    eine an der Kontaktschicht (46) ausgebildete ohmsche Elektrode (48, 49) und

    eine an der Halbleiterstruktur (45) ausgebildete Schottky-Elektrode (50);

    wobei die Kanalschicht (44) und die Halbleiterstruktur (45) am ersten Übergang jeweils aus dotierten Halbleiterschichten (44, 45a) vom gleichen Leitfähigkeitstyp ausgebildet sind;

    und die Kontaktschicht (46) und die Halbleiterstruktur (45) an dem zweiten Übergang jeweils aus dotierten Halbleiterschichten (45c, 46) mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp ausgebildet sind; wobei

    die Halbleiterstruktur (45) zwischen der Kontaktschicht (46) und der Kanalschicht (44) aus einem einzelnen Material besteht;

    dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstruktur (45) aus den Halbleiterschichten mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp (45a, 45c) der Halbleiterstruktur (45) und einer undotierten Halbleiterschicht (45b) besteht, die zwischen den Halbleiterschichten des gleichen Leitfähigkeitstyps (45a, 45c) angeordnet ist,

    wobei die Schottky-Elektrode (50) an der undotierten Halbleiterschicht (45b) angeordnet ist.
  2. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalschicht (44) und die Halbleiterstruktur (45) am ersten Übergang jeweils aus n-dotierten Schichten und die Kontaktschicht (46) und die Halbleiterstruktur (45) am zweiten Übergang jeweils aus n-dotierten Schichten ausgebildet sind.
  3. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalschicht (44) und die Halbleiterstruktur (45) am ersten Übergang jeweils eine Dotierstoffkonzentration von 1 × 1018 cm–3 oder mehr und die Kontaktschicht (46) und die Halbleiterstruktur (45) am zweiten Übergang jeweils eine Dotierstoffkonzentration von 1 × 1018 cm–3 oder mehr aufweisen.
  4. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalschicht (44) aus InGaAs besteht.
  5. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstruktur (45) eine Elektronenaffinität aufweist, die kleiner ist als die der Kanalschicht (44) und der Kontaktschicht (46).
  6. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstruktur (45) aus AlGaAs besteht.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
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