DE2804568C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein schnelles, transistorähnliches Hochfrequenz- Halbleiterbauelement, dessen transistorähnlicher Aufbau einen Halbleiterkörper, der eine Emitterzone und eine Kollektorzone eines ersten Leitungstyps und zwischen diesen zwei Halbleiterzonen eine Basiszone des entgegengesetzten, zweiten Leitungstyps enthält, und Elektroden an diesen drei Halbleiterzonen aufweist und dessen vorherrschender Leitungsmechanismus darin besteht, daß Ladungsträger durch Durchtunneln der Basiszone von der Emitterzone in die Kollektorzone transportiert werden, wofür die Basiszone ausreichend dünn gewählt ist.

Ein derartiges Halbleiterbauelement ist aus der US-PS 32 25 272 bekannt.

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 n-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 begrenzt 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.

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 denen keine Minoritäts-Ladungsträgerdiffusion in der Basiszone ausgenutzt wird, sind beispielsweise in der eingangs genannten US-PS 32 25 272 und in der US-PS 33 58 158 beschrieben. In der in der ersten Patentschrift beschriebenen Anordnung sind zwei Tunnel- Übergänge zwischen stark-dotierten Halbleitermaterialien vorgesehen, wobei der Abstand zwischen den Übergängen ausreichend 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 Funktionstüchtigkeit einer derartigen Anordnung ist in Frage zu stellen, da das Bänder-Modell Energiezustände für Elektroden 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 32 25 272 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 33 58 158 ist eine Struktur beschrieben, bei der der Kollektor entweder 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 Raumentladungszone auftreten, durch die die Ladungsträger tunneln müssen. Der Tunnel-Strom könnte entweder völlig verhindert oder entgegengesetzt erhöht werden, wenn eine Kollektorspannung angelegt wird.

Eine auf dem Tunnel-Effekt von Majoritätsladungsträgern beruhende Wirkungsweise zeigt auch eine aus der US-PS 32 09 215 bekannte Struktur. Dabei werden die Eigenschaften von Heteroübergängen ausgenutzt. Eine Optimierung der Bandabstände der einzelnen Zonen ist bei dieser bekannten Struktur nicht vorgenommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, 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 einen hohen Eingangs- und Ausgangswiderstand, geringe Leckströme und einen vernachlässigbaren Basisstrom aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Halbleiterbauelemente lassen sich extrem gleichförmige Schichten mit extrem homogenen abrupten Grenzschichten erzielen. Das bedeutet, daß sich gleichzeitig mit guter Reproduzierbarkeit 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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1A und 1B zwei Arten von Bändermodellen von Hetero-Übergängen,

Fig. 1C und 1D Bändermodelle erfindungsgemäßer Halbleiterbauelemente,

Fig. 2A ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen npn-Halbleiterbauelement mit angelegten Betriebsspannungen,

Fig. 2B das Bändermodell des in Fig. 2A gezeigten Bauelements,

Fig. 3A ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen 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. 5A und 5B die schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines planaren erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,

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

Fig. 7A bis 7F eine weitere Folge von Verfahrensschritten zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,

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

Fig. 9 und 10 Kennlinien des Halbleiterbauelements gemäß Fig. 8 und zwar den Verlauf des Emitterstromes E _e in Abhängigkeit von der Basis- Emitter-Spannung V _be und den Verlauf des Kollektorstromes I _c (I _c =I _e ) in Abhängigkeit von der Kollektor-Emitter-Spannung V _ce für drei Werte von V _be .

Es seien nunmehr die Fig. 1A bis 1D, 2A, 2B, 3A und 3B näher betrachtet. Die dort gezeigten Bändermodelle betreffen Halbleiterbauelemente mit Hetero-Übergängen und einem Leitungsmechanismus, basierend auf dem Tunnel- Effekt durch eine extrem dünne Basiszone. Es werden 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 Unstetigkeiten auf. Fig. 1A zeigt eine Art der Unstetigkeit. Dabei ist der Bandabstand E _g1 des Halbleiters 1 ausgerichtet auf den Bandabstand E _g2 des Halbleiters 2. D. h. also, das Leitungsband CB und das Valenzband VB des Halbleiters 2 liegen innerhalb des Bandabstandes des Halbleiters 1.

Das in Fig. 1B gezeigte Bändermodell ist der Bandabstand E _{g 1} des Halbleiters 1 gegenüber dem Bandabstand E _{g 2} 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. 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. Diese 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.

Die Fig. 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 Fig. 1A und 1B gewählt sind. Die Bandabstände für Emitter, Basis und Kollektor sind dementsprechend mit E _ge , E _gb und E _gc bezeichnet.

Die Energiebänder der Emitter- und Kollektorzone sind also in der gleichen Richtung in Bezug auf das Energieband der Basiszone 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 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 Eigenschaften. Im Beispiel der Fig. 1D müssen Elektronen im Leitungsband der Emitterzone, die wegen der Leitungsband-Unstetigkeit Δ E _c vorhandene Energiebarriere überwinden, um in die Kollektorzone zu gelangen. Da die Basiszone ausreichend dünn gewählt ist, (etwa 10 nm oder weniger), besteht die Wahrscheinlichkeit, daß ein ausreichender thermionischer Tunnelstrom zwischen Emitterzone und Kollektorzone fließt. Die Energiebarriere Δ E _c 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 Bändermodell 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 werden. Beispielsweise verhindert die Unstetigkeit Δ E _v in Fig. 1D, daß Lächer in der Basiszone über den Emitter- Basis-Übergang in die Emitterzone gelangen. Die Basiszone ist also von der Emitterzone und der Kollektorzone effektiv isoliert, so daß Leckströme von der Basiszone zu der Emitter- oder Kollektorzone im wesentlichen nicht auftreten können.

Aufgrund der Unstetigkeiten Δ E _c und Δ E _v herrscht der Tunnelstrom I _T vor und die Wahrscheinlichkeit eines injizierten Löcherstromes I _h oder Elektronenstromes I _e ist außerordentlich gering. Bei Raumtemperaturen beispielsweise, lassen sich bei geeigneter Wahl der Materialien Verhältnisse erreichen, entsprechend I _h /I _e /I _T =1/1/10⁴.

Wegen dieser dominierenden 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 augenblicklich 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 Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements und des zugehörigen Bändermodells gemäß Fig. 2B Bezug genommen. Das Bauelement weist eine n-dotierte Emitterzone 20, eine p-dotierte Basiszone 22 und eine n-dotierte Kollektorzone 24 auf. Durch die Spannung V _eb wird der Emitter-Basis-Übergang 26 in Durchlaßrichtung betrieben. Der Basis-Kollektor-Übergang 28 wird über die Spannung V _cb in Sperrichtung betrieben. Eine Signalquelle 30 dient dazu, in bekannter Weise die Emitter-Basis-Spannung zu modulieren.

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 unter verschoben. Der Emitter-Basis-Übergang 26 ist in Durchlaßrichtung und der Basis-Kollektor-Übergang 28 in Sperrichtung betrieben. Elektronen im Leitungsband der Emitterzone 20 sind durch dunkle Punkte 30, die die Energiepegel im Leitungsband der Kollektorzone füllenden Elektronen sind durch die dunklen Punkte 32 angedeutet. 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 38 angedeutet. Elektronen in der Emitterzone können nicht leicht Energiepegel über der Leitungsbandkante 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 (Δ E _v ) 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 Raumtempertur. Deshalb ist die Spannung V _eb bei niedrigen Temperaturen leicht anzuheben, um, falls erforderlich, den angestrebten Strompegel aufrechtzuerhalten. Die Raumladungszone des Emitter-Basis-Überganges liegt in erster Linie auf der Emitterseite dieses Überganges. Die Abbiegung des Leitungsbandes in der Emitterzone von einem Pegel 36 zum flachverlaufenden Pegel, erfolgt bei einer Strecke x _e . Da diese Strecke groß ist, ist die Emitterkapazität C _e (proportional 1/x _e ) sehr klein. Die große Emitterkapazität bekannter Transistorstrukturen ist im Gegensatz dazu verhältnismäßig groß, da die Strecke X _e 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 _c . Daher ist auch die Kollektorkapazität C _c (proportional 1/x _c ) sehr klein.

Die effektive Weite d _b 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 10 nm, so daß ein ausreichender Tunnel-Effekt auftreten kann. Praktisch ist die Dicke der Emitter- und der Kollektorzone unkritisch, sie kann in der Größenordnung von 100 nm 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 _c . Es ist unwahrscheinlich, daß ein Ladungsträgerfluß von der Basiszone zur Kollektorzone erfolgt, und das Durchbruchsverhalten des in Sperrichtung betriebenen Basis-Kollektor-Überganges ist verbessert.

Es seien nunmehr die Fig. 3A und 3B betrachtet. Fig. 3A zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen pnp-Struktur mit geeigneten Vorspannungen. Fig. 3B zeigt das zugehörige Bändermodell. Die Struktur setzt sich aus einer p-dotierten Emitterzone 40, einer n-dotierten Basiszone 42 und einer p-dotierten Kollektorzone 44 zusammen. Der Emitter-Basis-Übergang 46 ist über eine Spannung V _eb in Durchlaßrichtung vorgespannt. Der Basis- Kollektor-Übergang 48 ist durch eine Spannung V _cb 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, Löcher im oberen Bereich des Valenzbandes der Kollektorzone 24 durch helle Punkte 54 angedeutet. 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 _e bzw. C _c auf.

Im Betrieb bewirkt das über die Signalquelle 50 an den in Durchlaßrichtung vorgespannten Basis-Emitter-Übergang 46 angelegte 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 _eb leicht angehoben werden, um falls erwünscht oder erforderlich, hohe Kollektorstrompegel aufrechterhalten. 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 Fig. 2A und 2B beschriebenen Vorteile der niedrigen Emitterkapazität C _e und der niedrigen Kollektorkapazität C _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 GaSb_1-y As _y und für eine n-dotierte Basiszone eine Halbleiterverbindung entsprechend In_1-x Ga _x As verwendbar. In Fig. 4 ist die Gitterkonstante und die elektronische Energie dieser beiden Verbindungen aufgezeichnet.

Im einzelnen ist die Gitterkonstante und die elektronische Energie der beiden Materialien in Abhängigkeit von x und y aufgezeichnet. Bezeichnet ist die Leitungsbandenenergie von In_1-x Ga _x As mit E _{c 1}, die Valenzbandenenergie dieser Verbindung mit E _{v 1}, die Leitungsbandenergie von GaSb_1-y As _y mit E _{v 2} und die Valenzbandenergie dieses Materials mit E _{v 2}. Für jeden Wert von x oder y ergibt der vertikale Abstand zwischen den Kurven E _{c 1} und E _{v 1} den Bandabstand von In_1-x Ga _x As. Der Abstand der Kurven E _{c 2} und E _{v 2} entspricht dem Bandabstand von GaSb_1-y As _y . 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 x und erhält eine bestimmte Zusammensetzung von In_1-x Ga _x As. Bei diesem Wert von x ergibt sich dann der Bandabstand der Basiszone eines pnp-Elementes aus den Kurven E _{c 1} und E _{v 1}. Außerdem läßt sich die Gitterkonstante ablesen. Bei gleichbleibender Gitterkonstante kann man nun in horizontaler Richtung für GaSb_1-y As _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 x=y=0,5 bis 0,6. Damit erhält man eine nahezu völlige Gitteranpassung. Für x=y=0,5 ist Δ E _c =Δ E _v =0,5 eV. Für x=y=0,6 ist Δ E _c =Δ E _v =0,4 eV. Die physikalische Dicke der Basiszone liegt nicht über 10 nm. 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 der Beschreibung des Verfahrens enthalten.

Hergestellt werden können derartige Strukturen mit Hetero- Übergängen, durch Molekularstrahlenepitaxie. Der Einsatz ternärer Verbindungen gestattet neben der Einstellung der Überlappung der Bandabstände gleichzeitig die Einhaltung optimaler Gitteranpassung durch geeignete Festlegung der Zusammensetzungen der Verbindungen. Auf diese Weise erhält man gleichmäßige, abrupte Grenzübergänge, die keine störenden Defekte aufweisen.

Sn ist in InGaAs-Verbindungen ein Donator und kann in Abhängigkeit vom Verhältnis Sb/As in GaSb_1-y As _y -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 dieser Verbindungen durch Molekularstrahlenepitaxie herstellen.

Andere brauchbare Verbindungen schließen Si-GaP ein. Beispielsweise sind III-V, II-VI und IV-VI Verbindungen oder Kombinationen davon verwendbar. 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, muß den Grenzflächen zwischen den einzelnen Zonen besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Die Molekularstrahlenepitaxie hat sich in dieser Hinsicht als besonders vorteilhaftes Herstellungsverfahren 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-Übergänge 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. Sci. Technol., 1973, Vol. 10, Nr. 1, S. 11,
• 2. L. L. Chang et al, "Structures Grown by Molecular Beam Epitaxy", J. Vac. Sci. Technol., Vol. 10, 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, "A New Semiconductor Superlattice", Applied Physics Letters, 30, Nr. 12, 15. Juni 1977, Seite 651,
• 5. U. S. 36 26 257.

Die Molekularstrahlenepitaxie ist ein Aufdampfprozeß mit zeitlich konstanter Dampfdichte. Da es sich um einen Niedertemperaturprozeß handelt, wird eine Diffusion zwischen den einzelnen Zonen weitgehend verhindert, so daß an der Grenzfläche zwischen zwei aufeinanderfolgenden Halbleitermaterialien keine abgestuften Zusammensetzungen auftreten. Man erhält somit abrupte Energieband-Unstetigkeiten. Der physikalische Prozeß liefert scharfe Übergänge, was bei anderen Halbleiterprozessen, wie beispielsweise bei der Epitaxie aus der flüssigen Phase nicht in dem Maße ausgeprägt ist.

Ein typischer Verfahrensablauf zur Herstellung von Hetero- Übergängen ist im folgenden beschrieben. Ausgegangen wird beispielsweise von einem p-dotierten GaSb-Substrat mit einem Dotierungspegel von etwa 10¹⁷ cm^-3. Aufgebracht wird ein homoepitaktischer Film in einer Dichte von etwa 100 nm, um die Oberfläche des GaSb-Substrates zu glätten. Anschließend wird eine Kollektorzone aus p-dotiertem GaSb_1-y As _y aufgebracht, die Störstellenkonzentration beträgt etwa 5 · 10¹⁶ cm^-3. Auch die Basiszone wird durch Molekularstrahlenepitaxie gebildet und besteht aus n-dotiertem In_1-x Ga _x As mit einer Störstellenkonzentration von 10¹³ bis 10¹⁹ cm^-3. Anschließend wird eine weitere Schicht aus GaSb_1-y As _y epitaktisch aufgebracht, die die Emitterzone bildet. Die abschließende Oberfläche ist extrem glatt. Ohmsche 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 sämtlicher Bauelemente gleichbleibend sind, 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 y) erreicht man die gewünschten Barrierenhöhen zwischen Emitterzone und Basiszone und zwischen Basiszone und Kollektorzone. Dabei kann die Potentialmulde zum Einfangen von Majoritäts- Ladungsträgern in der Basiszone unterschiedlich von der für das Tunneln erforderlichen Barriere sein (d. h., Δ E _c und Δ E _c können verschiedene Höhen haben). Auch dies erreicht man durch geeignete Einstellung der Zusammensetzung der Verbindungshalbleiter.

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′ _b auf, die geringer ist als die Dotierung n⁺ _b 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 ist n′ _b =10¹⁷ cm^-3. Um einen Stromfluß zwischen der Emitterzone 66 und der Kontaktierungszone 68 weitgehend zu verhindern, sollte die Dotierung n′ _b so gering wie möglich sein. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß ein ausreichender Strom durch die Basiszone 64 tunnelt. Bei zu geringer Dotierung n′ _b steigt der Basiswiderstand r _b 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 80 deuten den durch Tunneln von Ladungsträgern bewirkten Stromfluß von der Emitterzone zur Kollektorzone an.

Im betrachteten Beispiel bestehen die Emitterzonen 66 und die Kollektorzone 62 aus p-dotiertem GaSb_1-y As _y und die Basiszone 64 aus n⁺-dotiertem In_1-x Ga _x As. Die Kontaktzone 68 besteht aus n-dotiertem In_1-x Ga _x As. Als Substrat 61 ist halbisolierendes GaAs verwendet.

Aus den Fig. 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 Aufwachsprozessen. Fig. 6A zeigt eine Kollektorzone 82, die mittels Molekularstrahlenepitaxie auf ein nicht dargestelltes Substrat aufgebracht ist. Die Dicke dieser Zone beträgt etwa 100 nm. Auf der Kollektorzone ist wiederum durch Molekularstrahlenepitaxie eine Basiszone 84 aufgebracht. In derselben Weise ist auf die Basiszone eine Emitterzone 86 aufgebracht. Man erhält also die dargestellt 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 werden 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 _b 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 Halbleitermaterial 90 entfernt, so daß die Emitterzone kontaktiert werden kann. Anschließend werden Ohmsche 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 Fig. 6A-6E dargestellt ist, eignet sich das beschriebene Verfahren auch zur Herstellung einer Vielzahl solcher Elemente auf einem gemeinsamen Halbleiterplättchen.

In den Fig. 7A bis 7F ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Einzelelementes unter Verwendung 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 n′ _b -dotierte Schicht 104 aufgebracht. Dies ist in Fig. 7C gezeigt. Nach Entfernung der Maske 105 erhält man die Struktur gemäß Fig. 7D. 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 Fig. 8 bis 10 kurz beschrieben.

Die Fig. 8 zeigt eine pnp-Struktur mit einer Emitterzone 114, einer Basiszone 116 und einer Kollektorzone 118. Der Emitteranschluß liegt an Masse, während an die Basiszone und die Kollektorzone geeignete Spannungen V _be bzw. V _ce angelegt sind. Vom Masseanschluß fließt ein Strom I _e zur Emitterzone 114. Der Kollektorstrom I _c fließt von der Kollektorzone 118 zu einem Ausgang.

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

Wie die Fig. 9 zeigt, steigt der Emitterstrom I _e mit steigender Basis-Emitter-Spannung V _be an, bis zu V _be =V _{be 3}. Es fließt praktisch kein Basisstrom I _b , 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 _c nicht in Abhängigkeit von der Kollektor-Emitter-Spannung V _ce ändert. Das bedeutet, daß die Ausgangsimpedanz der Struktur außerordentlich hoch ist. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Transistoren, bei denen I _c in Abhängigkeit von V _ce für verschiedene Werte des Emitterstromes I _e aufgezeichnet wird, ist im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement in Fig. 10 der Strom I _c in Abhängigkeit von V _ce für verschiedene Werte von V _be aufgezeichnet. Da praktisch kein Basisstrom I _b fließt, ist die Ausgangscharakteristik des erfindungsgemäßen Bauelementes der eines Feldeffekttransistors ähnlich. Die Ausgangscharakteristik wird gesteuert von der Emitter-Basis- Spannung V _be und nicht vom Emitterstrom I _e .

Claims (18)

1. Hochfrequenz-Halbleiterbauelement, dessen transistorähnlicher Aufbau einen Halbleiterkörper, der eine Emitterzone (20, 40, 66, 86, 106, 114) und eine Kollektorzone (24, 44, 62, 82, 100, 118) eines ersten Leitungstyps und zwischen diesen zwei Halbleiterzonen eine Basiszone (22, 42, 64, 84, 102, 116) des entgegengesetzten, zweiten Leitungstyps enthält, und Elektroden an diesen drei Halbleiterzonen aufweist und dessen vorherrschender Leitungsmechanismus darin besteht, daß Ladungsträger durch Durchtunneln der Basiszone von der Emitterzone in die Kollektorzone transportiert werden, wofür die Basiszone ausreichend dünn gewählt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Kollektorübergang (28, 48) und der Basis- Emitter-Übergang (26, 46) Heteroübergänge sind und daß die Bandabstände der Emitter- und der Kollektorzone in gleicher Richtung gegenüber dem Bandabstand der Basiszone versetzt sind, jedoch diesen noch teilweise überlappen.

2. Halbleiterbauelemente 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. Halbleiterbauelemente 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.

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

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

6. Halbleiterbauelemente nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration der Basiszone mindestens 10¹⁸ Atome/cm³ beträgt.

7. Halbleiterbauelemente nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone und die Kollektorzone eine Dotierungskonzentration von 10¹⁶ bis 10¹⁷ Atome/cm³ aufweisen.

8. Halbleiterbauelemente nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone eine Dicke von nicht mehr als 10 nm aufweist.

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

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

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

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

13. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter- und die 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 die Emitter- und die Kollektorzone aus einer Verbindung von GaSbAs bestehen.

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

18. Halbleiterbauelemente nach den Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterzonen aus den Halbleitermaterialien Si und GaP bestehen.