DE3686944T2 - Halbleiteranordnung. - Google Patents

Halbleiteranordnung.

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Description

    Technisches Gebiet:
  • Die Vorliegende Erfindung betrifft Halbleitervorrichtungen, spezieller eine Halbleitervorrichtung mit einem Bipolartransistor mit Heteroübergang (HBT = Heterojunction Bipolar Transistor).
    • Stand der Technik:
  • Ein Bipolartransistor mit Heteroübergang (abgekürzt "HBT") ist ein Transistor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Basis/Emitter-Übergang dadurch ausgebildet wird, daß ein Emitter aus einem Halbleiter hergestellt wird, dessen Bandlücke breiter ist als die in der Basis, wodurch die Menge an Minoritätsladungsträgern verringert wird, die von der Basis in den Emitter injiziert werden. Dadurch kann der Injektionswirkungsgrad von Majoritätsladungsträgern vom Emitter in die Basis verbessert werden und die Fremdstoffkonzentration der Basis kann erhöht werden, so daß ein Transistor mit hoher Stromverstärkung und niedrigem Basiswiderstand realisiert ist. Ein einen Heteroübergang aus Gax-1AlxAs-GaAs aufweisender HBT, findet sich z. B. in der folgenden Literaturstelle: Proceedings of the 12th Conf on Solid State Devices, 1980, Seite 1.
  • Die Fig. 1(a) und 1(b) zeigen die Querschnittstruktur bzw. den Betriebsbereich eines HBT vom npn-Typ. Dieser Transistor besteht aus einem Emitter 1 aus n-Ga0,7Al0,3As, einer Basis 2 aus einer p-GaAs-Schicht und einem Kollektor aus einer n-GaAs-Schicht 3 und einer n&spplus;-GaAs-Schicht 4. Die Bandlücke 5 von Ga0,7Al0,3 As ist 1,79 eV, was etwa 0,37 eV breiter ist als die Bandlücke 6 von GaAs. Von der Differenz verteilen sich etwa 0,05 eV auf das Valenzband, und durch diese Komponente (mit ΔEv angezeigt) 7 wird das Energieniveau des Emitters abgesenkt, um den Löcher-Basisstrom IB 8 zu unterdrücken.
  • Darüber hinaus erhält die Bandlücke an einer Heterogrenzfläche auf der Seite des Leitungsbandes einen (mit ΔEc angezeigten) Sprung 9 von 0,32 eV.
  • Wenn mit IE der Emitterstrom 10 bezeichnet wird, kann die Stromverstärkung hFE wie folgt ausgedrückt werden:
  • hFE = IE/IB
  • α LE ND ve/WB NA vh e ΔEv/kT (1)
  • wobei ND die Ladungsträgerdichte im Emitter, NA die Ladungsträgerdichte in der Basis, ve die Driftgeschwindigkeit eines Elektrons, vh die Driftgeschwindigkeit eines Lochs, LE die Diffusionslänge eines Lochs im Emitter, WB die Breite der Basis, k die Boltzmannkonstante und T die Temperatur bezeichnen.
  • Im allgemeinen ist bei einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik ND näherungsweise 7·10¹&sup7; cm&supmin;³, NA ist näherungsweise 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ zum Zweck des Erniedrigens des Basiswiderstandes, und WB ist näherungsweise 100 nm (1000 Å) wegen der Verarmungsschichten an der Grenzfläche zwischen der Basis und dem Emitter und der Grenzfläche zwischen der Basis und dem Kollektor. Dadurch war die Stromverstärkung auf etwa 100 begrenzt.
  • Ein pnp-Bipolartransistor mit Heteroübergang unterscheidet sich in der Bandstruktur von einem solchen vom npn-Typ, und die Querschnittsstruktur bzw. die Bandstruktur des Betriebsbereichs eines solchen sind in den Fig. 2(a) bzw. 2(b) dargestellt. Dieser Transistor besteht aus einem Emitter 11 aus p-Ga0,7Al0,3As, einer Basis 12 aus einer n-GaAs-Schicht und einem Kollektor aus einer p-GaAs-Schicht 13 und einer p&spplus;&spplus;- GaAs-Schicht 14. Der pnp-Bipolartransistor mit Heteroübergang unterscheidet sich von dem vom npn-Typ dadurch, daß ein Sprung (ΔEc) 15 in der Bandlücke auf der Seite des Valenzbandes auftritt. Darüber hinaus ist im Leitungsband das Energieniveau der Basis um ΔEv 16 abgesenkt, um den Elektronen-Basisstrom IB 18 zu unterdrücken. Wenn der Emitterstrom mit IE bezeichnet wird, kann die Stromverstärkung hFE im Fall des p-n-p-Typs wie folgt ausgedrückt werden:
  • hFE = IE/IB
  • α LE ÑA vh/WB ÑD ve e ΔEc/kT (2)
  • wobei ND die Ladungsträgerdichte in der Basis und NA die Ladungsträgerdichte des Emitters bezeichnen.
  • Der große Unterschied gegenüber dem Wert hFE des npn-HBT liegt darin, daß sich der Exponent von ΔEv auf ΔEc ändert.
  • Obwohl ΔEv 0,05 eV ist, ist ΔEc 0,32 eV und ist etwa sechs mal größer, so daß der Wert hFE bei Raumtemperatur mindestens etwa 10000-fach vergrößert werden kann. Bei dieser Struktur bleibt jedoch der Minimalwert für die Basisbreite auf näherungsweise 50 nm beschränkt. Da der Diffusionskoeffizient eines Lochs daher klein im Vergleich zu demjenigen eines Elektrons ist, ist die Übergangszeitspanne im Basisbereich lang und demgemäß war es nicht möglich, die Grenzfrequenz fT zu erhöhen. Dies ist der Grund dafür, weswegen pnp-Bipolartransistoren mit Heteroübergang nicht hergestellt wurden.
  • Bei den Bipolartransistoren mit Heteroübergang mit den oben beschriebenen npn- und pnp-Strukturen ist das gleichzeitige Erzielen der zwei Gegenstände des Verringerns der Basisbreite und des Erniedrigens des Widerstands des Basisbereichs im Prinzip unmöglich, da die Basisbreite und der Widerstand des Basisbereichs in im wesentlichen umgekehrt proportionaler Beziehung stehen.
  • In "Physics of Semiconductor Devices" (Wiley, New York, 1981, Seiten 558-565) ist ein Transistor mit Tunnelbasis diskutiert, der einen Emitter und einen Kollektor, die beide aus p-GaAsSb bestehen und eine n-GaInAs-Basis aufweist. Der Betrieb dieses Typs von Transistor basiert auf dem Tunneleffekt, was eine dünne Basisschicht (5 nm) und eine hohe Fremdstoffdichte im Basisbereich erfordert. Jedoch sind die Schichtstruktur und das entsprechende Energiebanddiagramm ziemlich verschieden von denjenigen eines HBT.
  • "IEEE Electron Device Letters" (EDL-6, April 1985, Seiten 178-180) offenbart einen Induktionsbasistransistor mit heißen Elektronen, bei dem ein zweidimensionales Elektronengas als Basisschicht verwendet wird, was es erlaubt, diese Schicht mit einer Dicke von nur 10 nm auszubilden, ohne daß eine Einbuße beim Schichtleitwert auftritt. Der Transistor weist einen n&spplus;-Emitter, eine undotierte Emitterbarriere, eine undotierte Quantentrogbasis, eine undotierte Kollektorbarriere und einen n&spplus;-dotierten Kollektor auf.
    • Zusammenfassung der Erfindung:
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben festgestellten Nachteile der Bipolartransistoren mit Heteroübergang aus dem Stand der Technik zu überwinden und einen Bipolartransistor mit Heteroübergang anzugeben, der eine hohe Stromverstärkung hFE und Grenzfrequenz fT und einen niedrigen Basiswiderstand aufweist.
  • Die Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung werden unter Verwendung eines Falls veranschaulicht, bei dem ein AlxGa1-xAs/GaAs-Heteroübergang verwendet wird.
  • Der npn-HBT aus dem Stand der Technik ist so aufgebaut, daß die Verarmungsschicht auf der Kollektorseite und die Verarmungsschicht auf der Emitterseite nicht in Berührung mit der Basisschicht kommen, wodurch es ermöglicht wird, eine ausreichende Kollektordurchbruchspannung zu erzielen, und die Breite der Basisschicht kann nicht kleiner eingestellt werden als näherungsweise 50 nm, da das Absenken des Basiswiderstands beabsichtigt ist. Andererseits beträgt beim bekannten pnp-HBT ΔEc 0,32 eV und ist bei Raumtemperatur vergleichsweise hoch, so daß der Wert hFE vergrößert werden kann, wie durch Gleichung (2) angezeigt. Da jedoch die Driftgeschwindigkeit von Löchern im Basisbereich niedrig ist, wird die Basisübertragungszeit zu lang und die Betriebsgeschwindigkeit kann nicht hoch eingestellt werden.
  • Die vorliegende Erfindung gibt einen HBT (HBT mit Heteroübergangsbasis) mit neuer Struktur an, bei dem in einem pnp- HBT der Basisbereich durch eine zweidimensionale Elektronengasschicht ersetzt ist, die einen AlxGa1-xAs/GaAs-Hetero- Übergang verwendet, wobei hFE auf hohem Wert gehalten wird (z. B. 10000), wodurch es möglich wird, die Basisschicht bis zur Dicke ( 10 nm) des zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) zu verringern und im wesentlichen die Übergangszeit von Löchern im Basisbereich zu vernachlässigen, und bei dem das zweidimensionale Elektronengas hoher Beweglichkeit verwendet wird, wodurch es möglich wird, den Widerstand der Basis zu erniedrigen und den HBT mit hoher Geschwindigkeit zu betreiben.
  • Nachfolgend werden das Betriebsprinzip und die Verdienste der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit Diagrammen zur Querschnittsstruktur und zur Bandstruktur (Fig. 3(a) und 3(b)) des erfindungsgemäßen 2DEG-HBT (HBT mit p-AlxGa1-xAs/ n-AlxGa1-xAs/undotiertes GaAs/p-GaAs) beschrieben.
  • Ein Kollektorbereich 23 besteht aus zwei Schichten, nämlich einer p&spplus;-GaAs-Schicht 31 und einer undotierten (im wesentlichen p&supmin;-)GaAs-Schicht 32. Ein Basisbereich 24 ist ein zweidimensionales Elektronengas, das an der Grenzschicht des Heteroübergangs zwischen der undotierten (p&supmin;-)GaAs-Schicht 32 und einer n-AlxGa1-xAs-Schicht (x: etwa 0,3) wie auch einer n&spplus;-AlxGa1-xAs-Schicht 34 ausgebildet ist. Die Emitterschicht ist eine p&spplus;-AlxGa1-xAs-Schicht 35. Die Übergangszeitspanne τ von Löchern im Basisbereich weist die Beziehung auf:
  • τ = WB²/DB.
  • Hierbei bezeichnet WB die Basisbreite und DB den Diffusionskoeffizienten der Löcher, die Minoritätsladungsträger darstellen.
  • Da beim pnp-HBT der Diffusionskoeffizient DB proportional zur Löcherbeweglichkeit uh gemäß der Einsteinbeziehung (DB α uh ) ist, ist er etwa zwei Größenordnungen kleiner als der Diffusionskoeffizient von Elektronen. Infolgedessen war es unmöglich, τ klein zu machen.
  • Da sich WB auf τ jedoch quadratisch auswirkt, kann die Basisübergangszeit τ, die einen begrenzenden Faktor zum Erhöhen der Betriebsgeschwindigkeit bildet, durch sehr kleines Ausgestalten von WB gleich groß gemacht werden wie andere Faktoren oder kleiner.
  • Wenn die zweidimensionale Elektronengasschicht als Basis verwendet wird, wie bei der Erfindung, wird die Dicke der zweidimensionalen Elektronengasschicht die Basisbreite, und es kann eine Basisbreite WB 24 (10-15 nm) realisiert werden, die etwa ein Fünftel oder weniger ist im Vergleich zur Basisbreite bei einem Typ vom Stand der Technik.
  • Andererseits nimmt der Widerstand des Basisbereichs aufgrund der Verringerung der Basisbreite WB bei einem gewöhnlichen HBT zu. Im Hinblick darauf wird zum Niedrighalten des Widerstandes das zweidimensionale Elektronengas 26 an der Grenzfläche (Heteroübergang) zwischen dem Kollektorbereich und dem Basisbereich ausgebildet. Da dieses zweidimensionale Elektronengas 26 mit hoher Dichte (1·10¹² cm&supmin;²) in der undotierten GaAs-Schicht hoher Beweglichkeit auf der Kollektorseite unterhalb eines Ferminiveaus 25 ausgebildet ist, wird es möglich, den Basiswiderstand zu verringern.
  • Hinsichtlich der Stromverstärkung hFE gilt auch im Fall der vorliegenden Erfindung die folgende Beziehung wie bei einem HBT aus dem Stand der Technik:
  • hFE α eΔEc/kT
  • Daher können sowohl ein hoher Wert von hFE als auch ein hoher Wert von fT als auch ein niedriger Basiswiderstand realisiert werden.
  • Oben wurde die vorliegende Erfindung hinsichtlich der Verbesserung der Betriebsgeschwindigkeit eines HBT beschrieben, wobei ein npn-HBT mit Heteroübergangbasis als Beispiel verwendet wurde. Jedoch muß die Erfindung materialmäßig nicht auf das AlxGa1-xAs/GaAs-System beschränkt sein, und sie ist auch auf den Fall des npn-Typs anwendbar. Als Beispiel wird die Verwendung eines AlxGa1-xAs(0 ≤ x ≤ 1)/Ge-Systems beschrieben, mit dem beabsichtigt wird, die Betriebsgeschwindigkeit eines npn-HBT zu verbessern.
  • Die Fig. 4(a) und 4(b) zeigen einen Strukturquerschnitt bzw. ein Bandstrukturdiagramm eines npn-HBT mit Heteroübergangsbasis. Ein Kollektorbereich besteht aus einer n&spplus;-Ge-Schicht 36 und einer undotierten Ge-Schicht 37 und ein Basisbereich ist ein zweidimensionales Löchergas, das an der Heteroüberganggrenzfläche einer p&supmin;-AlxGa1-xAs(0 ≤ x ≤ 1)-Schicht 38 und einer p&spplus;-AlxGa1-xAs(0 ≤ x ≤ 1)-Schicht 39 ausgebildet ist. Die Emitterschicht besteht aus einer n&spplus;-AlxGa1-xAs(0 ≤ x ≤ 1)-Schicht 40. Im Prinzip kann dieser Typ als derselbe angesehen werden wie der oben beschriebene pnp-Typ. Hierbei wird jedoch das zweidimensionale Löchergas 37 statt des zweidimensionalen Elektronengases 36 ausgebildet.
  • Wie beim pnp-Typ weist die Übergangszeit für Elektronen im Basisbereich die folgende Beziehung auf:
  • τ α WB²/DB.
  • Im Fall des npn-Typs sind jedoch die Minoritätsladungsträger Elektronen, so daß der Diffusionskoeffizient DB proportional zur Beweglichkeit der Elektronen ist. Wenn Ge für die Basis verwendet wird, ist dadurch DB groß und durch Verringern der Basisbreite kann die Auswirkung der Übergangszeit im Basisbereich auf die Verbesserung der Betriebsgeschwindigkeit völlig vernachlässigt werden. Daneben kann der Basiswiderstand wie beim pnp-Typ durch Verwenden eines zweidimensionalen Löchergases hoher Dichte mit einer Schichtkonzentration von etwa 3·10² cm&supmin;² auf einen niedrigen Wert gedrückt werden. Darüber hinaus ist die Stromverstärkung hFE mit ΔEv 15 wie beim Stand der Technik wie folgt verknüpft:
  • hFE α eΔEv/kT
  • Dadurch kann eine Erhöhung der Stromverstärkung für den Fall erzielt werden, daß ΔEv (0,7) groß ist, wie beim AlxGa1-xAs/ Ge-System.
  • Oben wurden die Fälle beschrieben, gemäß denen ein einziger zweidimensionaler Träger (zweidimensionales Elektronengas oder zweidimensionales Löchergas), der am einzigen Heteroübergang auftritt, als Basis verwendet wird. Jedoch muß der HBT nicht immer mit einem einzelnen Heteroübergang ausgebildet sein, sondern dasselbe gilt für ein System mit einer Mehrfachheterostruktur mit zwei oder mehr Heteroübergängen.
  • Als Struktur, die die Stromverstärkung hFE noch weiter erhöht, ist in der Emitterschicht 35 in Fig. 3 die Bandlücke auf der Seite der Emitterelektrode erhöht, anders gesagt ist die Energielücke ΔEc des Leitungsbandes auf der Seite der Emitterelektrode größer, wodurch hFE noch größer gemacht werden kann.
  • Der Zweck der vorliegenden Erfindung kann wie folgt zusammengefaßt werden:
  • (1) Verringerung der Größe des Basisbereichs ist möglich und die Übergangszeit von Minoritätsladungsträgern im Basisbereich ist verkürzt, so daß erhöhte Betriebsgeschwindigkeit erzielt werden kann.
  • (2) Ein zweidimensionaler Träger hoher Dichte (zweidimensionales Elektronengas oder zweidimensionales Löchergas) ist an einer Grenzfläche an der Kollektorseite als Basisbereich ausgebildet, wodurch der Widerstand des Basisbereichs niedrig wird und erhöhte Betriebsgeschwindigkeit erzielt werden kann.
  • (3) Dieser zweidimensionale Träger ist an der vorgenannten Heteroüberganggrenzfläche in solcher Weise ausgebildet, daß dann, wenn ein Heteroübergang aus einem ersten Halbleiter und einem zweiten Halbleiter gebildet ist, wobei der zweite Halbleiter kleinere Elektronenaffinität aufweist als der erste Halbleiter, der zweite Halbleiter mit einem n-Fremdstoff dotiert wird, bzw. dann, wenn der zweite Halbleiter betreffend die Summe zwischen der Elektronenaffinität und der Energiebandlücke einen größeren Wert aufweist als der erste Halbleiter, der erstere mit einem p-Fremdstoff dotiert ist.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • Fig. 1 ist ein Diagramm, das einen Strukturquerschnitt und eine Bandstruktur eines Bipolartransistors mit Heteroübergang aus dem Stand der Technik zeigt.
  • Fig. 2 ist ein Diagramm, das einen Strukturquerschnitt und eine Bandstruktur eines Bipolartransistors mit Heteroübergang aus dem Stand der Technik zeigt.
  • Fig. 3 ist ein Diagramm, das einen Strukturquerschnitt und eine Bandstruktur eines erfindungsgemäßen Bipolartransistors mit Heteroübergang zeigt.
  • Fig. 4 ist ein Diagramm, das einen Strukturquerschnitt und eine Bandstruktur eines erfindungsgemäßen Bipolartransistors mit Heteroübergang zeigt.
  • Fig. 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 9 ist ein Diagramm, das eine Bandstruktur für den Fall zeigt, daß ein Basisbereich in eine Übergitterstruktur des Beispiels 4 der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.
  • Fig. 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel 6 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel 7 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel 8 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel 9 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel 10 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 16 ist ein Diagramm, das eine Inverterstruktur aus dem Stand der Technik zeigt.
  • Fig. 17 ist ein Diagramm, das ein Beispiel 11 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 18 ist ein Diagramm, das Symbole für Elemente ausdrückt, wie sie beim Beispiel 11 der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • Fig. 19 ist ein Diagramm, das grundlegende Inverterschaltungen beim Beispiel 11 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 20 ist ein Diagramm, das grundlegende Inverterschaltungen beim Beispiel 11 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 21 ist ein Diagramm, das Gateschaltungen im Beispiel 11 der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • Beste Art zum Ausführen der Erfindung: Beispiel 1:
  • Ein pnp-HBT, der den Heteroübergang zwischen AlxGa1-xAs und GaAs verwendet wird als erstes beschrieben.
  • Die grundsätzlichen Schritte eines Beispiels für den Fall des Anordnens eines Kollektors auf einer hinteren Oberfläche sind in den Fig. 5(a) und 5(b) dargestellt.
  • Auf einem p&spplus;-GaAs-Substrat (Konzentration: 2·10¹&sup9; cm&supmin;³) 51, das Ge als p-Dotierung verwendet, wurden die folgenden Schichten epitaktisch aufeinanderfolgend [Fig. 5(a)] unter Verwendung eines MBE(molecular-beam epitaxy)-Geräts und unter der Bedingung einer Substrattemperatur von 650ºC aufgewachsen: eine p&spplus;-GaAs-Schicht (Konzentration: 1·10¹&sup9; cm&supmin;³, Dicke: 500 nm) 52, unter Verwendung von Be als p-Dotierung; eine p&supmin;-GaAs-Schicht (Konzentration: 1·10¹&sup5; cm&supmin;³, Dicke: 300 nm) 53; eine undotierte AlxGa1-xAs-Schicht (x = 0,35, wobei x für gewöhnlich von etwa 0,1 bis 0,45 gewählt wird, Dicke: 5 nm) 54; eine n&spplus;-AlxGa1-xAs-Schicht (x = 0,3, Konzentration: 5·10¹&sup8; cm&supmin;³, Dicke: 15 nm) 55, unter Verwendung von Si als n-Dotierung; eine p&spplus;-AlxGa1-xAs-Schicht (Konzentration: 2·10¹&sup9; cm&supmin;³, Dicke: 300 nm) 56, unter Verwendung von Be als p-Dotierung. Die p&spplus;-GaAs-Schicht 57 wird ausgebildet, um das Ausbilden eines ohmschen Kontakts zu einem Herausführungsmetall zu erleichtern, und sie ist für den Transistorbetrieb nicht wesentlich.
  • Die undotierte AlGaAs-Schicht 54 ist eingefügt, um zu verhindern, daß sich die Beweglichkeit eines zweidimensionalen Elektronengases an einer Heterogrenzschicht verschlechtert.
  • Anschließend wurde zum Anbringen eines Basisherausführungsbereichs 59 ein Muster unter Verwendung eines herkömmlichen Photolithographieprozesses ausgebildet und nur die p&spplus;-GaAs- Schicht 57 und die p&spplus;-AlxGa1-xAs-Schicht 56 wurden durch chemisches Ätzen mit einem Kontaktloch ausgebildet. Für Zwischenschichttrennung wurde ein SiO&sub2;-Film 58 (300 nm) durch CVD ausgebildet und danach durch einen Photolithographieprozeß geätzt. Au/Ni/AuGe wurden in den Basisherausführungsbereich 59 eingedampft und dann durch Glühen bei 450ºC für fünf Minuten in einen ohmschen Kontakt umgewandelt. Weiterhin wurde Au/Cr durch ein ähnliches Verfahren in einen Emitterherausführungsbereich 60 eingedampft. Daneben wurde Au/Cr als Kollektorherausführungsbereich 61 auf die Rückseite aufgedampft. Sie wurden durch Glühen bei 300ºC für zehn Minuten [Fig. 5(b)] in einen ohmschen Kontakt umgewandelt. Eine Isolierung wurde durch Mesaätzen im letzten Schritt ausgeführt.
  • Obwohl beim vorliegenden Beispiel Kristallwachstum unter Verwendung Be als p-Dotierstoff ausgeführt wurde, sind selbstverständlich auch Mg oder Ge verwendbar.
  • Dank der obigen Schritte wurde eine hohe Leistung mit einem Wert hFE von 1000 und einer Grenzfrequenz fT von 30 GHz mit einer Vorrichtung erzielt, bei der die Größe des Emitterbereichs 1,6·5 um² betrug.
  • Obwohl das vorliegende Beispiel den Fall der Verwendung der p&spplus;-AlxGa1-xAs-Schicht 56 veranschaulichte, kann diese Schicht für den Betrieb eines Bipolartransistors entbehrt werden, oder sie kann durch eine p&spplus;-GaAs-Schicht ersetzt werden. Bei dieser Gelegenheit wird beim Ausbilden der Basis die GaAs-Schicht selektiv geätzt und mit den Gasen CCl&sub2;F&sub2;/He entfernt, um die n&spplus;-AlGaAs-Schicht 55 freizulegen und ein Basiselektrodenmetall wird aufgedampft und abgehoben, wodurch ebenfalls der Basisbereich ausgebildet werden kann.
    • Beispiel 2:
  • Die Hauptschritte eines Beispiels für den Fall eines planaren HBT, der mit einem Kollektorherausführungsbereich auf der Frontfläche versehen ist, sind in den Fig. 6(a) und 6(b) dargestellt. Da das vorliegende Beispiel so ziemlich dasselbe wie das Beispiel 1 ist, mit Ausnahme des Substrats, der Kristallspezifikationen einer Emitterschicht, der Ausbildung des Kollektorherausführungsbereichs und der Ausbildung eines Basisherausführungsbereichs werden nur diese unterschiedlichen Teile aufgeklärt.
  • Das verwendete Substrat war ein halbisolierendes GaAs-Substrat 62 und die Spezifikationen für das Kristallwachstum von einer p&spplus;-GaAs-Schicht 52 bis zu einer n&spplus;-AlxGa1-xAs- Schicht 55 waren dieselben wie beim Beispiel 1.
  • Die Emitterschicht wurde kontinuierlich durch MBE auf die Basisschicht 55 aufgewachsen. Eine p&spplus;AlxGa1-xAs-Schicht (Konzentration: 5·10¹&sup8; cm&supmin;³, Dicke: 100 nm) 63 und eine p&spplus;-GaAs-Schicht (Konzentration: 5·10¹&sup8; cm&supmin;³, Dicke: 400 nm) 64 unterschieden sich von Beispiel 1 nur in den Dicken und den Dotiermengen der jeweiligen Schichten.
  • Anschließend wurde unter Verwendung eines herkömmlichen Photolithographieprozesses ein Muster für den Kollektorherausführungsbereich 65 ausgebildet. Hierbei wurde die p&spplus;-GaAs-Schicht 64 durch selektives Ätzen von GaAs unter Verwendung eines Trockenprozesses entfernt. Ein Kollektorherausführungsbereich 65 vom p&spplus;-Typ wurde durch Ionenimplantation und Glühen ausgebildet. Diese Ionenimplantation wurde so ausgeführt, daß die Maximaltiefe, bis zu der implantierte Ionen vorhanden sind, im wesentlichen mit der Tiefe (400 nm) der Kollektorschicht 52 übereinstimmt, wobei es wichtig ist, die Basisschicht 55 in den p-Typ zu invertieren. Im Fall des Verwendens von Mg&spplus; als p-Fremdstoff, wird eine Implantationsenergie von etwa 300 keV und eine Dosis von 5· 10¹³ cm&supmin;² eingestellt. Neben Mg kann auch Be gut verwendet werden. In diesem Fall muß die Implantationsenergie auf etwa 100 keV eingestellt werden. Danach wurde ein Glühen zum Aktivieren der implantierten Ionen ausgeführt. Die Bedingungen beim Glühen waren 800ºC und 20 Minuten.
  • Nachfolgend wurde das Implantieren von Ionen vom n-Typ zum Ausbilden des Basisherausführungsbereichs 66 ähnlich wie beim Prozeß zum Ausbilden des Kollektorherausführungsbereichs 65 vorgenommen. Bei dieser Gelegenheit wurde die Ionenimplantation so ausgeführt, daß die maximale Tiefe implantierter Ionen etwa 115 nm wird. Im Fall des Verwendens von Si&spplus; als n-Fremdstoff, war die Implantationsenergie etwa 130 keV und die Dosis war 1·10¹&sup4; cm&supmin;².
  • Danach wurde zum Abtrennen einer Emitterelektrode 61 vom Basisherausführungsbereich 66 Ionenimplantation zum Ausbilden einer beschädigten Schicht 67 ausgeführt.
  • Diese Ionenimplantation soll die parasitäre Kapazität verringern, die wegen des Ausbildens der beschädigten Schicht 67 auftritt.
  • Demgemäß kann die Implantationstiefe eine solche sein, daß sich Schäden durch die Ionenimplantation bis zu einer Verarmungsschicht auf der Emitterseite erstrecken. Die Dicke der Verarmungsschicht beträgt bei der vorgenannten Emitterkonzentration einige nm, so daß die Tiefe der beschädigten Schicht etwa 400 nm sein kann. Als Ionenarten können beliebige verwendet werden, so lange der Diffusionskoeffizient derselben im Kristall klein ist, und von C&spplus;, O&spplus;, Ar&spplus;, usw., die im allgemeinen oft genutzt werden, kann jedes beliebige verwendet werden. Diese Ionenimplantation wird so ausgeführt, daß ein Betriebsbereich umgeben wird. Als Dosis und Implantationsenergie im Fall des Verwendens von C&spplus; sind etwa 1·10¹³ cm&supmin;² und 1200 keV jeweils am geeignetsten.
  • Danach wurde Ionenimplantation ausgeführt, um den Betriebsbereich vom Kollektorherausführungsbereich 65 abzutrennen. Der entsprechende ionenimplantierte Bereich 68 ist im Fall der Abtrennung des Basisherausführungsbereichs 66 ähnlich und dieselben Arten von Ionen können verwendet werden. Die Tiefe muß die Unterseite der Basisschicht 55 erreichen, und im Fall der Verwendung von C&spplus; wird die Ionenimplantation bei Bedingungen von 300 keV und 1·10¹³ cm&supmin;² ausgeführt.
  • Schließlich wurden Elektroden auf der Oberfläche des Bauelements unter Verwendung eines Abhebeprozesses ausgebildet. Zu diesem Zweck wurde SiO&sub2;(300 nm) auf der Oberfläche des Elements durch CVD ausgebildet. Zunächst wurde die Basiselektrode 70 auf der durch Ionenimplantation in den n-Typ umgewandelten GaAs-Schicht im Basisherausführungsbereich 66 ausgebildet. Als Material für die Elektrode wurde ein Mehrschichtmetall von Au/Ni/AuGe verwendet. Nach Ausbildung eines Musters durch den Abhebeprozeß wurde ein ohmscher Kontakt durch Glühen bei 450ºC für 5 Minuten hergestellt.
  • Anschließend wurden die Emitterelektrode 71 und die Kollektorelektrode 72 jeweils auf der p-GaAs-Schicht eines Emitterbereichs und auf der p-AlxGa1-xAs-Schicht des Kollektorherausführungsbereichs 65 ausgebildet. Au/Cr wurde als Elektrodenmaterial verwendet. Glühbedingungen zum Ausbilden ohmscher Kontakte waren 300ºC und 10 Minuten.
  • Ferner wurde ein ionenimplantierter Bereich 69, der bis zum Substrat 62 reicht, zur Isolierung ausgebildet. Ebenso wie im vorstehenden ist dieser Bereich ähnlich dem Fall der Abtrennung des Basisherausführungsbereichs 66, und dieselbe Art von Ionen kann verwendet werden. Im Fall des Verwendens vom C&spplus; wird Ionenimplantation unter Bedingungen von 350 keV und 2·10¹³ cm&supmin;² ausgeführt.
  • Wie insoweit beschrieben, kann gemäß dem vorliegenden Beispiel ein planarer Bipolartransistor mit Heteroübergang hergestellt werden, wodurch eine höhere Integrationsdichte möglich wird. Daneben ist der Betriebsbereich vom Basisherausführungsbereich und vom Kollektorherausführungsbereich abgetrennt, so daß ein Bauelement mit kleiner parasitärer Kapazität ausgebildet werden kann, das einer schnellen Betriebsweise fähig ist.
  • Nun wird das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 7(a) und 7(b) beschrieben. Während Beispiel 1 den Fall eines npn-Bipolartransistors mit Heteroübergang veranschaulichte, veranschaulicht das vorliegende Beispiel den Fall des npn-Typs.
  • Demgemäß sind, obwohl sich die Kristallspezifikationen und die Metalle zum ohmschen Kontaktieren mit einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor unterscheiden, Verfahren zum Herausführen des Emitters, der Basis und des Kollektors dieselben, und unten stehend werden nur die unterschiedlichen Punkte erläutert.
  • Auf einem n&spplus;-GaAs-Substrat (Konzentration: 2·10¹&sup8; cm&supmin;³) 73, unter Verwendung von Si als n-Dotierstoff, wurden die folgenden Schichten epitaktisch aufeinanderfolgend unter Verwendung einer MBE-Vorrichtung aufgewachsen: Eine n&spplus;-GaAs- Schicht (Si-Konzentration: 2·10¹&sup8; cm&supmin;³, Dicke: 500 nm) 74; eine n&supmin;-GaAs-Schicht (Si-Konzentration: 2·10¹&sup4; cm&supmin;³, Dicke: 300 nm) 75; eine undotierte AlxGa1-xAs-Schicht (Dicke: 5 nm) 76; eine p&spplus;AlxGa1-xAs-Schicht (Be-Konzentration: 1· 10¹&sup8; cm&supmin;³, Dicke: 15 nm) 77; eine n&spplus;-AlxGa1-xAs-Schicht (Si-Konzentration: 1·10¹&sup8; cm&supmin;³, Dicke: 300 nm) 78 und eine n&spplus;-GaAs-Schicht (Si-Konzentration: 1·10¹&sup8; cm&supmin;³, Dicke: 200 nm) 79.
  • Ohmsche Kontakte wurden zunächst für ein Emitterherausführungsmetall 80 und ein Kollektorherausführungsmetall 81 unter Verwendung von Au/Ni/AuGe ausgebildet. Die Materialien Au/Ni/AuGe wurden bei 450ºC für 5 Minuten geglüht. Danach wurde für ein Basisherausführungsmetall 82 Au/Cr aufgedampft und geglüht, um einen ohmschen Kontakt herzustellen. Die Materialien Au/Cr wurden bei Bedingungen von 300ºC und 10 Minuten geglüht. Im Hinblick darauf muß die Reihenfolge der Schritte für die jeweiligen ohmschen Kontakte des Emitters, der Basis und des Kollektors bestimmt werden, wobei der Feuerfestigkeit der verwendeten Metalle Beachtung geschenkt werden muß.
  • Herstellen eines npn-Heteroübergang-Bipolartransistors des vorliegenden Beispiels als planarer Typ wie beim Beispiel 2 ist auf solche Weise möglich, daß die Implantierungsionen für den Kollektor- und den Basisherausführungsbereich und die Energiepegel und die Dosiswerte derselben in geeignete Werte umgeändert werden, wobei die Umkehr des p- und des n-Typs berücksichtigt werden.
    • Beispiel 4:
  • Nun wird Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 8(a)-8(b) beschrieben. Obwohl das Beispiel 1 dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine einzige Heterostruktur im Basisbereich des pnp-Bipolartransistors mit Heteroübergang aufweist, ist das vorliegende Beispiel dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Heterostrukturen aufweist, um den Widerstand des Basisbereichs noch niedriger zu machen. Der Unterschied gegenüber Beispiel 1 besteht lediglich in diesem Basisbereich und nur die unterschiedlichen Punkte werden erklärt.
  • Beim Kristallwachstum folgten auf die p&supmin;-GaAs-Schicht 53 die folgenden Schichten: eine n&spplus;-AlxGa1-xAs-Schicht (Si-Konzentration: 2·10¹&sup8; cm&supmin;³, Dicke: 15 nm) 83; eine undotierte AlxGa1-xAs-Schicht (Dicke: 5 nm) 84 und eine undotierte GaAs-Schicht (Dicke: 20 nm) 85. Der Bereich der undotierten AlxGa1-xAs-Schicht (Dicke: 5 nm) 54 und der darüber waren dieselben wie bei Beispiel 1 [Fig. 8(c)]. Die Fig. 8(a) und 8(b) zeigen die Querschnittsstruktur bzw. die Bandstruktur des Bipolartransistors des vorliegenden Beispiels mit Doppelheteroübergangbasis. Die Basisherausführung aus dem Basisbereich war dieselbe wie beim Beispiel 1, dahingehend, daß ein Muster unter Verwendung eines Photolithographieprozesses hergestellt wurde, woraufhin ein Kontaktloch ausgebildet wurde. Jedoch wurde der Basiszuleitungsbereich durch Ionenimplantation und Glühen hergestellt [Fig. 8(d)]. Im Fall von Si-Ionen beträgt die Implantationsenergie etwa 50 keV und die Dosis ist näherungsweise 1·10¹³ cm&supmin;². Wenn ein Lampenglühverfahren verwendet wird, sind die Glühbedingungen 900ºC und 30 Sekunden. Dieser Zuleitungsabschnitt ist wirkungsvoll, um zu verhindern, daß sich die Beweglichkeit des zweidimensionalen Elektronengases der Basis verschlechtert.
  • Die anschließenden Schritte waren dieselben wie beim Beispiel 1. Der Bipolartransistor des vorliegenden Beispiels mit Doppelheteroübergang kann auf den planaren Typ und den npn-Typ wie beim zweiten und dritten Beispiel dadurch angewendet werden, daß die Punkte beachtet werden, für die Anmerkungen in bezug auf den Basisbereich beim vorliegenden Beispiel erfolgten.
  • Obwohl beim vorliegenden Beispiel der Basisbereich mit den zwei Heterostrukturen ausgebildet wurde, kann er auch in eine Übergitterstruktur umgewandelt werden, wie in Fig. 9 dargestellt. Genauer gesagt, wurden AlxGa1-xAs(x 0,3)-Filme 91 mit einer Dicke von jeweils 8 nm und mit 2·10¹&sup8; cm&supmin;³ Si, und undotierte GaAs-Filme 92 mit jeweils 5 nm Dicke periodisch angeordnet, wie in Fig. 9 dargestellt. Bei einer solchen Basisstruktur nimmt die Basisbreite zu, jedoch besteht der Effekt, daß sich der Basiswiderstand erniedrigt.
    • Beispiel 5:
  • Obwohl die bisher beschriebenen Beispiele sich auf HBTs unter Verwendung von Heteroübergängen zwischen AlxGa1-xAs und GaAs bezogen, sind die zu verwendenden Materialien nicht notwendigerweise hierauf beschränkt. Beim vorliegenden Beispiel wird ein Fall erläutert, der einen Heteroübergang zwischen AlxGa1-xAs (0 ≤ x ≤ 1) und Ge verwendet.
  • Die Fig. 10(a) und 10(b) veranschaulichen die Hauptschritte eines npn-HBT, für den ein Al-Anteilsverhältnis von AlGaAs von x = 0 gilt, anders gesagt, der aus GaAs und Ge besteht. Die Hauptschritte sind denjenigen des Beispiels 3 ähnlich, mit der Ausnahme, daß das Kristallwachstum und das ohmsche Metall für Ge verschieden sind. Demgemäß werden nur die unterschiedlichen Teile erläutert. Auf einem n&spplus;-Ge-Substrat (Konzentration: 2·10¹&sup8; cm&supmin;³) 93, das Phosphor P als n-Dotierstoff verwendet, wurden die folgenden Schichten aufeinanderfolgend durch ein Epitaxiewachstumsverfahren mit einer MBE-Vorrichtung aufgewachst: eine n&spplus;-Ge-Schicht (P-Konzentration: 2·10¹&sup8; cm&supmin;³, Dicke: 500 nm) 94; eine n&supmin;-Ge- Schicht (P-Konzentration: 2·10¹&sup4; cm&supmin;³, Dicke: 300 nm) 95, eine undotierte Ge-Schicht (Dicke: 5 nm) 96; eine p&spplus;-Ge- Schicht (B-Konzentration: 1·10¹&sup8; cm³, Dicke: 15 nm) 97, eine n&spplus;-Ga1-xAs-Schicht (Si-Konzentration: 1·10¹&sup8; cm&supmin;³, Dicke: 300 nm) 98 und eine n&spplus;-GaAs-Schicht (Si-Konzentration: 1·10¹&sup8; cm&supmin;³, Dicke: 200 nm) 99.
  • Ein Kontaktloch zum Ausbilden eines Basisherausführungsbereichs wurde wie beim Beispiel 3 hergestellt, woraufhin SiO&sub2; 58 abgeschieden wurde. Emitterherausführungsmetalle Au/Ni/ AuGe 100 zum Ausbilden des ohmschen Kontakts der Emitterschicht, n&spplus;-GaAs 99 wurden aufgedampft und bei 450ºC für 5 Minuten geglüht. Anschließend wurde ein Kontaktloch für einen Basisherausführungsbereich auf ähnliche Weise hergestellt. Danach wurden ein ohmsches Kontaktmetall 102 für die Basisschicht und ein ohmsches Kontaktmetall 101 für die Kollektorschicht aufgedampft und bei 200ºC für 10 Minuten geglüht. Dann wurde der Prozeß zum Ausbilden des npn-HBT mit Heteroübergangbasis aus AlxGa1-xAs/Ge beendet.
    • Beispiel 6:
  • Ein Beispiel der vorliegenden Erfindung vom pnp-Typ, das die Stromverstärkung Hfe auf einen hohen Wert einstellen kann, ist in den Fig. 11(a) und 11(b) dargestellt.
  • Der Bereich der nH+-AlxGa1-xAs-Schicht 55 und der p&spplus;-AlxGa1-xAs-Schicht 56 im Beispiel 1 wurde in AlGaAs- Schichten umgewandelt, die Al-Anteilsverhältnisse aufweisen, wie sie in Fig. 11(b) angezeigt sind. Die anderen Herstellschritte waren dieselben wie beim Beispiel 1.
  • Das Anteilsverhältnis x der p-AlxGa1-xAs-Schicht 56' ist auf der Seite der Emitterelektrode größer eingestellt, wie in Fig. 11(b) dargestellt, wodurch hFE weiter erhöht werden kann. Die n&spplus;-AlxGa1-xAs-Schicht 55' wurde mit x = 0,2 hergestellt. Dies dient hauptsächlich zum Verbessern der Kristallqualität von AlGaAs. Obwohl beim Beispiel das Al-Anteilsverhältnis x der p&spplus;AlxGa1-xAs-Schicht 56' sich geradlinig änderte [Fig. 11(b)], ist dies nicht immer erforderlich, sondern das Al-Anteilsverhältnis kann auf der Seite des n&spplus;-AlGaAs 55' größer sein als auf der Seite der Emitterelektrode (p&spplus;-AlGaAs 57).
  • Bei der vorliegenden Erfindung ist es auch in [Beispiel 5] betreffend den npn-Typ wirkungsvoll, daß die Stromverstärkung dadurch erhöht wird, daß das Al-Anteilsverhältnis von AlxGa1-xAs der Emitterschicht in dieser Weise verändert wird. Diese Maßnahme ist auch auf ein anderes System mit Heteroübergang anwendbar. Im Fall des npn-Typs muß jedoch die Energielücke des Valenzbands auf der Seite der Emitterelektrode breiter sein, anders als im Fall von Beispiel 6. Die Situation der Bandlücken in diesem Fall ist in Fig. 11(c) dargestellt. Wie aus der Figur erkennbar, ist die Emitterschicht 22 so ausgebildet, daß sie eine breitere Bandlücke auf der Emitterseite in bezug auf das Material der Basisschicht 199 aufweist, um Löcher zweidimensional zu speichern.
  • Obwohl die obigen Beispiele in bezug auf Halbleiterbauelemente erläutert wurden, die im AlxGa1-xAsGaAs-System und im AlxGa1-xAs-Ge-System ausgebildet sind, sind auch Materialien geeignet, die andere Heteroübergänge ausbilden.
  • Z.B. sind AlGa1-yAs-AlxGa1-x-AsGaAs-AlGaAsP, InP-InGaAsP, InP-InGaAs, InAs-GaAsSb, CdTe-InSb und GaSb-InAs möglich.
  • Nachfolgend werden Beispiele 7 bis 10 Strukturen bipolarer Transistoren mit Heteroübergang klarstellen, die jeweils einen zweidimensionalen Träger für die Basisschicht verwendet, was insbesondere ultrahohe Geschwindigkeit bei niedrigen : Temperaturen von oder unter 77 K realisiert.
    • Beispiel 7:
  • Experimentell ist bekannt, daß eine zweidimensionale Elektronengasschicht, die an der Grenzfläche eines einzigen Heteroübergangs gespeichert ist, der von n-AlGaAs und undotiertem GaAs festgelegt wird, eine sehr hohe Beweglichkeit (etwa 117,000 cm²/v·s) bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs (77 K) aufweist (siehe z. B. Japanese Journal of Applied Physics, 20 (1981) L455). Im System derart hoher Beweglichkeit beträgt der Flächenwiderstand ρs2DEG der zweidimensionalen Elektronengasschicht näherungsweise 100 Ohm/, was 1/40 des Basisflächenwiderstandes eines npn-GaAs/AlGaAs- HBT des Standes der Technik ist. D.h., daß dann, wenn die zweidimensionale Elektronengasschicht bei 77 K als Basisschicht verwendet wird, ein HBT mit einem Basiswiderstand realisiert werden kann, der näherungsweise 1/40 dessen eines HBT aus dem Stand der Technik ist.
  • Darüber hinaus kann mit einer Struktur, bei der durch Verwendung eines AlGaAs/GaAs-Übergitters [siehe z. B. die Literaturstelle "Japanese Journal of Applied Physics", 20 (1983) L627], bei der nur eine GaAs-Schicht dotiert ist, derselbe Effekt wie bei einer AlGaAs-Emitterschicht erzielt werden, die frei von einem Ausfrieren der Ladungsträger ist und die mit einem Fremdstoff dotiert ist.
  • D.h., daß im HBT dann, wenn ein AlGaAs/GaAs-Übergitter, in dem GaAs mit dem Fremdstoff dotiert ist und AlGaAs mit keinem Fremdstoff dotiert ist, als Emitterschicht statt der mit dem Fremdstoff dotierten AlGaAs-Emitterschicht verwendet wird, ein Ausfrieren von Ladungsträgern bei 77 K kaum auftritt.
  • Wenn die obigen zwei Gesichtspunkte berücksichtigt wurden, verfügt die Emitterschicht (und die Basisschicht) über die Übergitterstruktur, und das zweidimensionale Elektronengas wurde für die Basisschicht verwendet.
  • Die Fig. 12(a)-12(d) veranschaulichen eine Halbleiterstruktur (Fig. 12(a)) und deren Bandstrukturen (b), (c) und (d) zum Erläutern des Betriebsprinzips eines npn-Transistors beim vorliegenden Beispiel.
  • Die Fig. 12(a) und 12(b) zeigen eine Querschnittsansicht (a) der Hauptbereiche des Transistors bzw. ein entsprechendes Energiebanddiagramm (b), und die Fig. 12(c) und 12(d) zeigen zusätzliche Banddiagramme.
  • Ein Bezugszeichen 31 bezeichnet eine Kollektorschicht aus p-GaAS mit einem Fremdstoffanteil von 10¹&sup9;cm&supmin;³, im allgemeinen mit Be oder Mg als p-Fremdstoff. Ein Bezugszeichen 32 bezeichnet eine p&supmin;-(näherungsweise 10¹&sup5; cm&supmin;³)-GaAs-Schicht, deren Dicke im allgemeinen etwa 300 nm ist. Der Punkt der vorliegenden Erfindung liegt in einer n-AlGaAs/GaAs-Übergitterschicht 33' und einer p-AlGaAs/GaAs-Übergitterschicht 35'. Hier soll die n-Übergitterschicht 33' eine Übergitterstruktur bedeuten, bei der in den n-Typ dotiertes GaAs 332 und AlGaAs-Schichten 331, die nicht absichtlich mit irgend einem Fremdstoff dotiert sind, oder AlGaAs-Schichten 331, die im allgemeinen einen Dotieranteil von 10¹&sup5; cm&supmin;³ oder weniger aufweisen abwechselnd aufeinander gestapelt.
  • Normalerweise ist das Mischungsverhältnis x von Al oft zwischen 0,15 und 0,45 eingestellt. Das Energiebanddiagramm ist in Fig. 12(d) dargestellt. Normalerweise ist es möglich, die dicke der GaAs-Schicht 332 oder der AlGaAs-Schicht 331 in einem weiten Bereich von 0,5 nm-10 nm zu variieren. Es ist auch wichtig, daß die Kollektorseite der n-Übergitterschicht 33' durch die AlGaAs-Schicht 331 gebildet wird.
  • Andererseits zeigt die p-Übergitterschicht 35' eine Übergitterstruktur, bei der, wie dies in Fig. 12(c) dargestellt ist, in den p-Typ dotiertes GaAs 352 und AlGaAs-Schicht 351, die nicht absichtlich mit einem Fremdstoff dotiert sind, oder AlGaAs-Schichten 351, die im allgemeinen einen Dotieranteil von 10¹&sup5; cm&supmin;³ oder weniger aufweisen abwechselnd übereinander gestapelt sind. Auch in diesem Fall beträgt die Dicke der GaAs-Schicht 352 oder der AlGaAs-Schicht 351 normalerweise 0,5 nm-10 nm.
  • In diesem Fall ist es auch möglich, die Stromverstärkung hFE auf solche Weise zu erhöhen, daß das Mischungsverhältnis von Al in einer AlGaAs-Schicht 351, die vom n-Übergitter weiter entfernt ist, größer eingestellt wird.
  • Der wichtigste Grund zum Einführen derartiger Übergitterstrukturen ist der, daß dann, wenn die Fremdstoffe vom p-Typ und n-Typ geeignet gewählt werden, die Donator- und Akzeptorniveaus der Fremdstoffe im GaAs flach sind, so daß kein Ausfrieren von Ladungsträgern bei einer niedrigen Temperatur von näherungsweise 77 K auftritt.
  • Der Begriff "Übergitter" bedeutet hier ein Übergitter, über das sich die Ladungsträger insgesamt ausbreiten, d. h., daß ein trogförmiges Potential, das durch AlGaAs/GaAs errichtet wird, nicht auf der GaAs-Seite lokalisiert ist.
  • Beim vorliegenden Beispiel wird ein zweidimensionales Elektronengas 19 an der Grenzschicht des Heteroübergangs zwischen der n-Übergitterschicht 33' und der p&supmin;-Kollektorschicht 32 als Basisschicht verwendet. Wie aus dem in Fig. 12(e) dargestellten Banddiagramm ersichtlich, ist es jedoch auch zulässig, eine n-AlGaAs/GaAs-Übergitterschicht 133 und eine undotierte GaAs-Schicht 132 auf der p-GaAs-Schicht 32 auszubilden und ferner eine n-AlGaAs/GaAs-Übergitterschicht 33' auszubilden.
  • Wenn zwei oder mehr zweidimensionale Elektronengasschichten 1 19, 19' auf diese Weise ausgebildet werden, kann der Basiswiderstand auf die Hälfte verringert werden.
  • Zum Zweck des Verkürzens der Übergangszeit von Löchern in der Basis am pn-Übergang zwischen der p-Übergitterschicht 35' und der n-Übergitterschicht 33' ist die n-Übergitterschicht 33' verarmt, mit Ausnahme des Teils des zweidimensionalen Elektronengases, und auch die p-Übergitterschicht 35' ist teilweise verarmt. Es ist üblich, daß verhindert wird, daß ein neutraler Bereich, in dem Ladungsträger existieren, im n-Übergitter ausgebildet wird.
  • Da der Sprung ΔEc 9 der Energieniveaus der Leitungsbänder der p&supmin;-GaAs-Schicht 32, in der das zweidimensionale Elektronengas, das die Basisschicht ist, vorhanden ist, und der n-AlGaAs/GaAs-Übergitterschicht 33' eine Größe von 300 meV (Differenz zwischen den Elektronenaffinitäten des Übergitters und des GaAs) aufweist, nimmt die hohe Stromverstärkung hFE noch weiter zu. Darüber hinaus wird, da das zweidimensionale Elektronengas eine sehr kleine Dicke von näherungsweise 10 nm aufweist, die Übergangszeit der Löcher in der Basis vernachlässigbar, und es kann die Beschränkung betreffend die Basisübergangszeit beseitigt werden, wegen der der pnp-HBT aus dem Stand der Technik eine extrem niedrige Betriebsgeschwindigkeit aufweist.
    • Beispiel 8:
  • Ein Beispiel, das zweidimensionale Löcher als Basisschicht verwendet, wird unter Bezugnahme auf die Fig. 13(a) und 13(b) beschrieben.
  • Fig. 13(a) zeigt die Querschnittsstruktur der Hauptbereiche eines neuen HBTs, während Fig. 13(b) ein zugehöriges Energiebanddiagramm ist. Auf einer Kollektorschicht 41 aus n&spplus;- GaAs, das Si mit näherungsweise 5·10¹&sup9; cm&supmin;³ enthält, sind eine Kollektorschicht 42' aus n-Ge, das Antimon Sb mit etwa 10¹&sup4; cm&supmin;³ enthält und eine Dicke von etwa 300 nm aufweist, GaAs 43, das Be mit 5·10¹&sup8; cm&supmin;³ enthält und eine Dicke von näherungsweise 20 nm aufweist, und ein n-AlGaAs/GaAs-Übergitter 45 mit näherungsweise 300 nm ausbildet, das eine Emitterschicht ist. Hier liegt der Fremdstoffdotierpegel des n-Übergitters in der Größenordnung 2·10¹&sup8; cm&supmin;³.
  • Was GaAs und Ge hinsichtlich der Diskontinuität ΔEv 7' der Valenzbandlücken derselben betrifft, werden einige freie Elektronen in der p-GaAs-Schicht 43 auf der Ge-Seite 43 gespeichert, um ein zweidimensionales Löchergas 29' zu bilden. Bei Raumtemperatur weist die zweidimensionale Löchergasschicht eine Beweglichkeit von näherungsweise 3,000 cm²/v·s und eine Flächenkonzentration von näherungsweise 2·10¹² cm&supmin;² auf.
  • Indessen werden einige der freien Löcher der p-GaAs-Schicht 43 in das n-Übergitter 45 übertragen, um ein Raumladungsschichtgas zu bilden.
  • Bei der niedrigen Temperatur von 77 K steigt die Beweglichkeit des zweidimensionalen Löchergases bis auf 50,000 cm²/v·s und der Flächenwiderstand wird näherungsweise 20 Ohm/, um einen sehr niedrigen Basiswiderstand zu realisieren.
  • Dieses, das zweidimensionale Löchergas als Basisschicht verwendende Ausführungsbeispiel kann bei 77 K selbst dann schnell betrieben werden, wenn das n-Übergitter 45 durch n-GaAs ersetzt wird.
  • Durch Verwenden mehrerer zweidimensionaler Löchergasschichten für die im vorigen beschriebene Basis kann der Basiswiderstand weiter verringert werden.
    • Beispiel 9:
  • Die Hauptherstellschritte für eine Vorrichtung im Fall des Ausbildens einer Kollektorschicht auf der Rückseite eines Substrats sind in Fig. 14 dargestellt.
  • Auf einem p&spplus;-GaAs-Substrat (Konzentration: 2·10¹&sup9; cm&supmin;³) 30, die Ge als p-Dotierstoff verwendet, wurden die folgenden Schichten durch MBE (molecular-beam epitaxy) bei einer Substrattemperatur von 650ºC abgeschieden: eine p&spplus;-GaAs- Schicht (Konzentration: 1·10¹&sup9; cm&supmin;³, Dicke: 500 nm) 31 unter Verwendung von Be als p-Dotierstoff, eine undotierte GaAs-Schicht (was zu p&supmin;-Typ von 10¹&sup5; cm&supmin;³ führt) 32 mit einer Dicke von 300 nm; ein n-AlGaAs/GaAs-Übergitter 33' mit einer Dicke von 20 nm [5 nm dickes AlxGa1-xAs/5 nm dickes n-GaAs/2,5 nm dickes undotiertes AlxGa1-xAs/2,5 nm dickes n-GaAs/2,5 nm dickes undotiertes AlxGa1-xAs; Al-Mischungsverhältnis x von 0,3, Si-Fremdstoffkonzentration von 4·10¹&sup7; cm&supmin;³]; ein p-AlGaAs/GaAs-Übergitter 35' mit einer Dicke von 200 nm [das Übergitter weist 40 Schichten aus 2,5 nm dickem, undotiertem AlxGa1-xAs/2,5 nm dickem p-GaAs auf; x 0,3, Be-Konzentration von näherungsweise 1·10¹&sup9; cm&supmin;³] und eine p-GaAs-Schicht 36', die Be mit 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ enthält und eine Dicke von 200 nm aufweist [Fig. 14(a)].
  • Anschließend wurde eine SiO&sub2;-Schicht 58 auf der gesamten Oberfläche mit einer Dicke von 300 nm durch CVD ausgebildet, die p-GaAs-Schicht 36' und die p-Übergitterschicht 35' wurden durch Ätzen entfernt, und eine Basiselektrode 59 wurde unter Verwendung eines herkömmlichen Photolithographieprozesses ausgebildet. AuGe/Ni/Au wurden für die Basiselektrode 59 verwendet. Nachfolgend wurden sie in H&sub2;-Atmosphäre bei 450ºC für 3 Minuten geglüht. Ebenfalls wurden Cr/Au auf die gesamte Rückfläche für die Kollektorelektrode 61 aufgedampft, und Cr/Au wurden auf der p-GaAs-Schicht 36' für eine Emitterelektrode 60 abgeschieden.
  • Durch Legierungsbildung bei 300ºC für 10 Minuten wurden ohmsche Kontakte ausgebildet [Fig. 14(b)].
  • Im nächsten Schritt wurde ein Mesaätzvorgang zum Abtrennen ausgeführt.
  • Beim vorliegenden Beispiel war das Al-Mischungsverhältnis x des AlGaAs des p-Übergitters 35' 0,3 und gleichförmig. In diesem Zusammenhang kann die Stromverstärkung hFE auch dadurch erhöht werden, daß dem Al-Mischungsverhältnis ein Gradient verliehen wird, bei dem dieses Verhältnis auf der Seite des n-Übergitters 0,2 und auf der Seite des p-GaAs 36 0,4 ist.
  • Wie bei planaren HBTs üblich, ist es auch möglich, eine Epitaxieschicht auf einem halbisolierenden GaAs-Substrat aus zubilden, um eine planare Kollektorelektrode herzustellen.
    • Beispiel 10:
  • Ein Beispiel für den Fall des Verwendens eines zweidimensionalen Löchergases als Basisschicht ist in den Fig. 15(a) und 15(b) dargestellt.
  • Auf einem n-GaAs-Substrat 170, das Si mit einem Anteil von 2·10¹&sup8; cm&supmin;³ enthielt, wurde eine n&spplus;-GaAs-Schicht 171 mit Si mit einem Anteil von 2·10¹&sup8; cm&supmin;³ als Kollektorschicht mit einer Dicke von 500 nm unter Verwendung von MBE ausgebildet. Anschließend wurde eine GaAs-Schicht 172 mit Si mit einem Anteil von 1·10¹&sup4; cm&supmin;³ mit 300 nm ausgebildet.
  • Nachfolgend wurden ein p-AlGaAs/GaAs-Übergitter 173 mit 20 nm ä5 nm dickes, undotiertes AlxGa1-xAs/2,5 nm dickes p- GaAs/2,5 nm dickes, undotiertes AlxGa1-xAs/2,5 nm dickes p-GaAs/2,5 nm dickes, undotiertes AlxGa1-xAs/2,5 nm dickes p-GaAs/2,5 nm dickes, undotiertes AlxGa1-xAs; mit x 0,45, wobei das p-GaAs Be als p-Fremdstoff mit 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ enthält] und eine GaAs-Schicht 174 ausgebilde, die Si mit 1· 10¹&sup4; cm&supmin;³ enthält und eine Dicke von 5 nm aufweist. Danach wurde ein p-AlGaAs/GaAs-Übergitter 175 ähnlich zum obigen Übergitter 173 mit 30 nm ausgebildet (Übergitter mit sechs Schichten aus 2,5 nm dickem, undotiertem AlxGa1-xAs/ 2,5 nm dickes p-GaAs; mit x 0,45, wobei das p-GaAs Be als p-Fremdstoff mit 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ aufweist). Ferner wurde ein n-AlGaAs/GaAs-Übergitter 176 mit 200 nm ausgebildet (Übergitter aus 20 undotierten Lagen aus 5 nm dickem AlxGa1-xAs/ 5 nm dickem n-GaAs; mit x 0,4, wobei das n-GaAs Si mit 3· 10¹&sup8; cm&supmin;³ enthält). Ferner wurde zum Vereinfachen der Ausbildung eines ohmschen Kontakts eine n&spplus;-GaAs-Schicht 117 (mit dem Fremdstoff Si mit dem 3·10¹&sup8; cm&supmin;³) mit 200 nm ausgebildet [Fig. 15(a)].
  • Nachdem ein SiO&sub2;-Film 158 auf der gesamten Vorderseite durch CVD mit 300 nm aufgebracht wurde, wurden AuGe/Ni/Au für eine Kollektorelektrode 167 auf die Rückseite im Vakuum aufgedampft und AuGe/Ni/Au wurden für eine Emitterelektrode 168 aufgedampft, die durch die Verwendung herkömmlicher Lithographie mit der n&spplus;-GaAs-Schicht 177 in Verbindung steht. Anschließend wurde eine Legierungsbildung bei 400ºC für 3 Minuten in H&sub2;-Atmosphäre ausgeführt, um ohmsche Kontakte zu erhalten.
  • Nachfolgend wurden die n&spplus;-GaAs-Schicht 177 und das n-Übergitter 176 durch Ätzen entfernt und eine Basiselektrode 169 wurde mit einen herkömmlichen Verfahren ausgebildet. Für die Basiselektrode wurde Cr/Au verwendet, und dieses wurde für 10 Minuten auf 300ºC erhitzt, um eine Legierungsbildung auszuführen.
  • Obwohl die obigen Beispiel 7-10 für das AlGaAs/GaAs-Heteroübergangssystem erläutert wurden, ist die Erfindung auch auf andere Heteroübergangssysteme anwendbar.
  • Z.B. existieren InP/InGaAsP, GaAs/AlGaAsP, InP/InGaAs, InAs/GaAsSb, CbTe/InSb und GaSb/InAs.
  • Bei jedem der Beispiele 7-10 wurde ein Bipolartransistor mit Heteroübergang, der mindestens einen zweidimensionalen Träger als Basisschicht verwendet, unter Verwendung eines Halbleiters ausgebildet, der ein flaches Fremdstoffniveau (Donator oder Akzeptor) ausbildet, und unter Verwendung einer Übergitterstruktur, in der nur der Halbleiter, der das flache Fremdstoffniveau ausbildet, mit einem Fremdstoff dotiert ist. Es wurde dadurch möglich, zu verhindern, daß die Ladungsträger bei der niedrigen Temperatur von 77 K ausgefroren werden, und einen niedrigen Basiswiderstand zu erzielen, der etwa 1/40 des Basiswiderstandes beim HBT aus dem Stand der Technik ist, dank der hohen Beweglichkeit des zweidimensionalen Trägers bei 77 K.
    • Beispiel 11:
  • Wie oben festgestellt, weist der das zweidimensionale Elektronengas verwendende Bipolartransistor die Merkmale auf, daß (1) der Basiswiderstand etwa zu 1/5 des Wertes beim Stand der Technik gemacht werden kann (bei 77 K bis zu 1/50), daß (2), da die Dicke der Basisschicht (die Dicke des zweidimensionalen Elektronengases) näherungsweise 10 nm ist, die Basisübergangszeit für Minoritätsladungsträger in der Praxis vernachlässigbar ist und daß (3), da ΔEc bei Raumtemperatur größer ausgebildet werden kann als im Fall von GaAs/AlGaAs, eine hohe Stromverstärkung erwartet werden kann.
  • Die Basisschicht muß nicht immer ein einziger Heteroübergang sein, sondern zweidimensionale Träger können ebenso als Basisschicht verwendet werden, und die Konzentration des zweidimensionalen Trägers kann gut dadurch erhöht werden, daß eine Quantentrogstruktur verwendet wird. Zum Zweck des Ausführens von Hochgeschwindigkeitsbetrieb bei 77 K unterliegt eine Halbleiterschicht, die ein tiefes 50 meV) Fremdstoffniveau ausbildet, keinem Ausfrieren der Ladungsträger, dank der Verwendung einer Übergitterstruktur, in der nur ein Halbleiter mit flachem Fremdstoffniveau mit einem Fremdstoff dotiert wird, so daß HBT-Betrieb bei 77 K möglich wird. Der oben beschriebene Transistor sollte allgemein als "Hetero- Bipolartransistor, der ein zweidimensionales Elektronenoder Löchergas verwendet" bezeichnet werden.
  • Mit dem oben festgestellten Heteroübergangssystems ist jedoch auch ein Betrieb als Feldeffekttransistor dadurch zugelassen, daß die zweidimensionale Elektronengasschicht parallel zur Grenzfläche des Heteroübergangs betrieben wird. Genauer gesagt, kann der obige Transistor dann, wenn er mit Source- und Drainelektroden, die ohmsch mit der zweidimensionalen Elektronengasschicht verbunden sind, und einer Gateelektrode zum Steuern der Ladungsträgerkonzentration der zweidimensionalen Elektronengasschicht ausgebildet wird, auch als sogenannter selektiv dotierter Heteroübergangs-FET betrieben werden. In diesem Fall kann die Kollektorschicht als Substratvorspannungselektrode über eine Kollektorelektrode verwendet werden, falls ausgebildet.
  • D.h., daß mindestens ein Bipolartransistor, der den zweidimensionalen Träger (oder eine Inversionsschicht oder eine Anreicherungsschicht) als Basisschicht verwendet, und mindestens ein Feldeffekttransistor, der ihn als aktive Schicht verwendet, innerhalb desselben Substrats ausgebildet werden können.
  • Das vorliegende Beispiel ist ein Fall, bei dem, mit dem vorstehend angemerkten Merkmal, das erfindungsgemäße Bauelement für eine großintegrierte Schaltung (LSI) geeignet ist.
  • Als Grundschaltung, die die LSI (large-scale integrated circuit) bildet, wird ohne jede Änderung eine Grundschaltung verwendet, wie sie bei einem bipolaren Silizium(Si)-Transistor verwendet wird. Wie es sich z. B. in der Literaturstelle "GaAs Integrated Circuit Symposium", 1983, IEEE, Seite 170, findet, ist es bekannte Vorgehensweise, einen Inverter (eine Grund-Halbleiterschaltung, die ein Eingangspotential invertiert und das invertierte Potential als Ausgangspotential liefert) mit Widerstandslast zu verwenden. Die Anordnung des HBT-Inverters und Beispiele für die Betriebscharakteristik desselben sind in den Fig. 16(a) und 16(b) dargestellt. In Fig. 16(a) zeigt Q&sub1; einen npn-HBT, RB den Eingangswiderstand für die Basis und RC einen Lastwiderstand an. Die Beziehung zwischen dem Kollektorstrom IC und der Emitter/Kollektor-Spannung VCE des oben angegeben HBT-Inverters mit Emitterschaltung ist in Fig. 16(b) dargestellt, mit dem Basisstrom IB als Parameter für die statischen Kennlinien. RC in der Figur zeigt den Lastwiderstand an. Wie oben beschrieben, müssen im Fall des Aufbaus eines IC unter Verwendung des HBT Widerstände neben dem Transistor ausgebildet werden, so daß der Herstellprozeß langwierig wird. Der große Bereich, wie er von Widerständen eingenommen wird, ist ebenfalls ein schwerwiegendes Problem beim Aufbauen des IC.
  • Beim vorliegenden Beispiel wurde daher der Lastwiderstand durch einen Feldeffekttransistor unter Verwendung einer zweidimensionalen Elektronengasschicht als Kanal (2DEG-FET) ausgebildet, der auf demselben Substrat ausgebildet wurde wie der Bipolartransistor mit Heteroübergang unter Verwendung des zweidimensionalen Elektronengases als Ladungsträger (2DEG-HBT). Der Lastwiderstand ist bei einer niedrigeren Source/Drain-Spannung gesättigt, da die Ladungsträgermobilität höher ist, so daß der 2DEG-FET als nahezu ideale Last wirkt. Darüber hinaus wurden die oben angegebenen Schwierigkeiten überwunden.
  • Fig. 17 veranschaulicht Querschnittsansichten, die das vorliegende Beispiele darstellen, wobei Fig. 17(a) den Laminierungszustand von Halbleiterfilmen und Fig. 17(b) den ausgebildeten Zustand eines FET/Bipolar-Transistors zeigt. Fig. 18 veranschaulicht Diagramme, die Verfahren zum Herstellen erfindungsgemäßer Halbleiterbauelemente darstellen, und die Fig. 19-21 sind Diagramme, die Beispiele erfindungsgemäßer Halbleiterbauelemente darstellen.
  • Gemäß Fig. 17(a) wurden p&spplus;-GaAs 141, undotiertes GaAs (oder solches hoher Reinheit) 142, undotiertes AlGaAs (hoher Reinheit) 143', n-AlGaAs 143, p&spplus;-AlGaAs 154 und p&spplus;-GaAs 146 epitaktisch unter Verwendung einer Kristallwachstumstechnologie mit Steuerbarkeit des Atomanteils auf ein halbisolierendes GaAs-Substrat 140 aufgewachsen, wie z. B. durch MBE (molecular-beam epitaxy) oder MOCVD (organometallic chemical vapor deposition). Danach wurde durch reaktives Ionenätzen (RIE), das eine Gasmischung aus CCl&sub2;F&sub2; und He verwendete, die laminierte Struktur teilweise bis zum halbisolierenden Substrat 140 abgeätzt, um einen FET-Bereich (A) und einen Bipolartransistorbereich (B) voneinander zu trennen. Zum Zweck der Abtrennung wird ein Teil der laminierten Struktur manchmal bis zum Inneren des Substrats abgeätzt. Nachfolgend wurden unter Verwendung herkömmlicher Lithographietechniken und Elektronenausbildungstechniken der selektiv dotierte Heteroübergangs-FET (A) und der Bipolartransistor (B) mit zweidimensionalem Elektronengas auf demselben Substrat ausgebildet, wie in Fig. 17(b) dargestellt. Eine zweidimensionale Elektronengasschicht 159 wurde auf der GaAs-Seite der Grenzschicht des Heteroübergangs zwischen dem AlGaAs 143' und dem undotierten GaAs 142 ausgebildet, und sie wies eine Dicke von etwa 10 nm auf. In der Figur bezeichnen Bezugszeichen 121 und 122 Source- und Drainelektroden, die in ohmschem Kontakt mit dem zweidimensionalen Elektronengas gehalten werden, und ein Bezugszeichen 123 bezeichnet eine Gateelektrode. Beim Beispiel sind die Gateelektrode 123 des FET (A) und die Emitterelektrode 125 des Bipolartransistors (B) ohmsche Elektroden, die auf der p-GaAs-Schicht 146 ausgebildet sind, und es besteht der Vorzug, daß sie beim Herstellprozeß gleichzeitig ausgebildet werden können. Jedoch ist dies nicht wesentlich, sondern Elektroden jedes Typs, der das zweidimensionale Elektronengas 159 kontrollieren kann, kann verwendet werden. Z.B. kann eine Gateelektrode gut dadurch hergestellt werden, daß sowohl das p-GaAs 146 als auch das p-AlGaAs 145 entfernt werden und ein Schottkygatemetall auf dem n-AlGaAs 143 abgeschieden wird. Indessen sind die Elektroden des Bipolartransistors (B) eine Basiselektrode 124 in ohmschem Kontakt mit dem zweidimensionalen Elektronengas 159 (diese Elektrode kann gleichzeitig mit der Source- und Drainelektrode des FET ausgebildet werden), eine Kollektorelektrode 126 in ohmschem Kontakt mit dem p&spplus;-GaAs 141 und die Emitterelektrode 126 in ohmschem Kontakt mit der obersten Schicht des p-GaAs 146. Wenn eine Steuerelektrode auf der p-GaAs-Schicht 141 unter der aktiven Schicht des selektiv dotierten Heteroübergangs-FET (A) vorgesehen wird, kann sie auch als Grundvorspannungselektrode verwendet werden, wie sie bei einem Si-MOSFET realisiert wurde. Im Fall des Verwendens des FET (A) ist die p-GaAl-Schicht 141 (die Kollektorschicht des Bipolartransistors (B) im Fall des Herstellens durch epitaktisches Wachstum) nicht immer erforderlich, und sie kann manchmal einen schlechten Einfluß ausüben, wie das Auftreten parasitärer Kapazitäten beim Betrieb des FET. In diesem Fall ist es möglich, eine solche Maßnahme zu ergreifen, die dem Zweck genügt, daß eine der Kollektorschicht entsprechende p-GaAs-Schicht innerhalb eines ausgewählten Teils des Substrats ausgebildet wird und daß die p-GaAs-Schicht 141 im FET-Bereich (A) überhaupt nicht ausgebildet wird oder nur in einem Teil unterhalb der Gateelektrode 123 ausgebildet wird.
  • Beim vorliegenden Beispiel wurde der zweidimensionale Träger, wie er in der identischen, durch identisches Epitaxiewachstum gebildeten Heteroübergangsschicht gespeichert ist, als aktive Schicht des Feldeffekttransistors (A) einerseits und als Basisschicht des Bipolartransistors (B) andererseits verwendet. Dies ist jedoch nicht immer erforderlich, sondern es können gut mehrere Heteroübergänge ausgebildet werden, um in verschiedenen Schichten gespeicherte zweidimensionale Träger als aktive Schicht eines Feldeffekttransistors und als Basisschicht eines Bipolartransistors zu verwenden.
  • Obwohl im obigen der Fall der des Verwendens der zweidimensionalen Elektronengasschicht beschrieben wurde, kann auch gut eine zweidimensionale Löchergasschicht verwendet werden. Was das vorliegende Beispiel betrifft, das die zweidimensionalen Träger sowohl für die Basisschicht des Bipolartransistors als auch für die aktive Schicht des Feldeffekttransistors verwendet, bestehen im allgemein die Kombinationen, wie sie in Tabelle 1 aufgelistet sind:
    • Tabelle 1 Kombination einer aktiven Schicht und einer Basisschicht FET Bipolar
  • 2DEG 2DEG
  • 2DHG 2DHG
  • 2DEG 2DHG
  • 2DHG 2DEG
  • (Hinweis) 2DEG = zweidimensionales Elektronengas
  • 2DHG = zweidimensionales Löchergas
  • In den Fig. 18(a) und 18(b) sind Transistorsymbole für den Fall des Verwendens des zweidimensionalen Trägers (oder einer ähnlichen Schicht) für den oben beschriebenen Bipolartransistor dargestellt. (a) entspricht dem Fall des Verwendens der zweidimensionalen Elektronenschicht als Basisschicht, während (b) dem Fall des Verwendens der zweidimensionalen Löchergasschicht entspricht. Buchstaben E, B und C in den Figuren zeigen einen Emitter, eine Basis bzw. einen Kollektor an. Darüber hinaus sind Transistorsymbole für den Fall des Verwendens des zweidimensionalen Trägers für den Feldeffekttransistor in den Fig. 18(c), 18(d), 18(e) und 18(f) dargestellt. Dieser Fall ist ebenfalls in den Fall des Verwendens der zweidimensionalen Elektronenschicht ((c), (e)) und den Fall des Verwendens der zweidimensionalen Löcherschicht ((d), (f)) unterteilt. Wie bei herkömmlichen FETs werden die erfindungsgemäßen FETs in solche mit Verarmungsbetriebsart, bei denen eine Kanalschicht bei einer Gatespannung von 0 V offen ist ((c), (d)) und eine Anreicherungsbetriebsart unterteilt, in der eine Kanalschicht bei dieser Spannung sperrt. Buchstaben S, G und D in den Figuren zeigen eine Source-, Gate- bzw. Drainelektrode an, und eine Substratvorspannelektrode B ist weggelassen, wenn sie nicht verwendet wird.
  • Nachfolgend wird der Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit verschiedenen Beispielen von Anwendungen beschrieben.
  • Die Fig. 19(a)-19(d) veranschaulichen grundlegende Inverterschaltungen, von denen jede den Bipolartransistor und den Feldeffekttransistor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Ein Symbol RB in den Zeichnungen bezeichnet einen in Reihe zu einer Basis liegenden Widerstand, der zur Stromstabilisierung vorgesehen ist. Ebenso wie im Fall herkömmlicher Schaltungen kann beim Vorhandensein der Widerstände RB eine RTL (Resistor Transistor Logic) unter Verwendung der in Fig. 19 dargestellten Inverter aufgebaut werden, und bei Fehlen der Widerstände RB kann eine DCTL (Direct Coupled Transistor Logic) unter Verwendung der Inverter gebildet werden.
  • Der Vorteil der Verwendung des Verarmungs-Feldeffekttransistors (D-FET) als Last des Bipolartransistors, wie oben angegeben, ist ausgehend von der Schaltungsfunktion des Inverters zu verstehen, wie in Fig. 19(a) dargestellt. Durch geeignetes Auswählen der Abmessungen des Bipolartransistors und des Feldeffekttransistors zeigt sich eine vorteilhafte Invertercharakteristik und die Verzögerungszeit des Schaltungssystems kann stark verkürzt werden. Der Grund, weswegen die Verzögerungszeit des Schaltungssystems verbessert werden kann, ist beinahe derselbe wie im Fall des Verwendens einer D-FET-Last bei einer Feldeffekttransistorschaltung aus dem Stand der Technik. Im Fall des Bipolartransistors des vorliegenden Beispiels, der den zweidimensionalen Träger als Basisschicht verwendet, ist jedoch der Effekt des Ansammelns von Minoritätsladungsträgern in einem Sättigungsbereich viel kleiner als beim herkömmlichen Bipolartransistor, was zum Aufbauen einer Schaltung sehr vorteilhaft ist.
  • Darüber hinaus können Speicherzellen unter Verwendung der oben angegebenen grundlegenden Inverterschaltungen aufgebaut werden.
  • Nachfolgend werden grundlegende Inverterschaltungen im Fall der Anordnung als CML (Current Mode Logic) oder ECL (Emitter Coupled Logic) mit den Halbleiterbauelementen des vorliegenden Beispiels in Fig. 20 dargestellt. Wie aus den veranschaulichten Beispielen von Anwendungen erkennbar, ist der grundlegende CML-Inverter dadurch aufgebaut, daß die grundlegenden Inverter kombiniert sind, wie sie in den vorstehenden Anwendungsbeispielen dargestellt sind. Mit einem solchen CML-Inverter kann der Basiswiderstand abgesenkt werden. Im Fall des Verwendens des GaAs/AlGaAs-Heteroübergangs wird daher die Verzögerungszeit auf 1/2-1/3 derjenigen eines CML- Inverters mit Widerstandslast bei Raumtemperatur verringert, und auf 1/3-1/4 bei 77 K.
  • Beispiel für Anwendungen im Fall des Verwendens der Halbleiterbauelemente des vorigen Beispiels für Gatterschaltungen in TTL (Transistor Transistor Logic) werden durch Fig. 21 veranschaulicht. Neben diesen Anwendungsbeispielen ist es auch möglich, die Betriebsgeschwindigkeit einer Schaltung, die einen Bipolartransistor aus dem Stand der Technik verwendet, in solcher Weise zu erhöhen, daß der Teil mit dem Lastwiderstand durch den erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor ersetzt wird, bei dem der zweidimensionale Träger für die aktive Schicht verwendet wird.
  • Wie oben festgestellt, wurden beim Halbleiterbauelement gemäß dem vorliegenden Beispiel mindestens ein selektiv dotierter Heteroübergang-Feldeffekttransistors, in dem ein zweidimensionaler, an der Grenzfläche des Heteroübergangs des Halbleiters auf einem Substrat ausgebildeter Ladungsträger als aktive Schicht eines Feldeffekttransistors verwendet wird, und mindestens ein Heteroübergang-Bipolartransistor, in dem der zweidimensionale Ladungsträger als Basisschicht des Bipolartransistors verwendet wird, auf dem Substrat ausgebildet und mit diesem verbunden, wodurch ein n- Kanal-FET und ein pnp-Bipolartransistor leicht auf demselben Substrat ausgebildet werden konnten, und es konnten Vorteile bei Ausbilden von Schaltungen erzielt werden.
  • Besonders bei einer ECL(Emitter Coupled Logic)-Schaltung konnte ein FET unter Verwendung eines zweidimensionalen Ladungsträgers als Lastwiderstand verwendet werden, so daß eine um das Doppelte höhere Betriebsgeschwindigkeit als beim Stand der Technik erzielt werden konnte. Darüber hinaus konnte durch Absenken der Temperatur auf 77 K eine Betriebsgeschwindigkeit erzielt werden, die das 3-4fache derjenigen beim Stand der Technik ist.
    • Industrielle Anwendbarkeit:
  • Bisher war es bei einem Heteroübergang-Bipolartransistor (HBT), der einen Heteroübergang von Gax-1AlxAs/GaAs verwendet, schwierig, gleichzeitig die zwei Gegenstände des Verringerns der Basisbreite und des Erniedrigens des Widerstandes eines Basisbereichs zu erzielen.
  • Eine Verbesserung in der Funktion des HBT selbst führt zu verbesserter Funktion einer Schaltung, die den HBT verwendet, und dies ist derzeit wichtig, wo ein Arithmetik- oder Speicherbauelement höherer Leistungsfähigkeit benötigt wird.
  • Die vorliegende Erfindung beseitigt die obige Schwierigkeit, die die Leistungsfähigkeit eines HBT behindert und gibt einen HBT höherer Leistungsfähigkeit an und ermöglicht es auch, einen Feldeffekttransistor und den HBT auf demselben Epitaxiesubstrat auszubilden, was für integrierte Schaltungen nützlich ist und einen sehr großen industriellen Wert aufweist.

Claims (11)

1. Halbleitereinrichtung mit einem Bipolartransistor, der umfaßt:
einen Emitterbereich (35) eines ersten Leitfähigkeitstyps,
einen Kollektorbereich (23) des ersten Leitfähigkeitstyps, einen zwischen den Emitter- und Kollektorbereichen angeordneten Basisbereich (33, 34, 35), der einen ersten Bereich (32, 24) aus einem im wesentlichen undotierten ersten Verbundhalbleiter und einen zweiten Bereich (33, 34) aus einem zweiten Verbundhalbleiter eines zu dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitentyps aufweist, wobei der erste und der zweite Bereich einen Heteroübergang bilden, so daß in dem ersten Verbundhalbleiterbereich (32, 24) eine zweidimensionale Trägergasschicht (26) des zweiten Leitfähigkeitstyps indoziert wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Verbundhalbleiter GaAs und der zweite Verbundhalbleiter GaAlAs ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ, der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-Typ und die zweidimensionale Trägergasschicht eine zweidimensionale Elektronengasschicht ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Bereich einen p -Leitfähigkeitstyps aufweist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Breite der zweidimensionalen Trägergasschicht im Bereich von 10 nm bis 15 nm liegt.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweidimensionale Trägergasschicht in dem ersten Bereich (32 oder 24) durch einen Energieunterschied zwischen den Bandkanten Strukturen des ersten Verbundhalbleiters (32 oder 24) und dem zweiten Verbundhalbleiter (33, 34) bewirkt wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Basisbereich mit Ausnahme des Teils der zweidimensionalen Trägergasschicht verarmt ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Basisbereich mit zwei Hetero-Strukturen gebildet ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Basis-, Kollektor- und Emitterbereiche ein Superlattis umfaßt, das aus einem dritten Verbundhalbleiter, dessen Donnatorenoder Akzeptoren-Pegel nicht höher ist als die der Temperatur 77 K entsprechende thermische Energie, und einem vierten Verbundhalbleiter aufgebaut ist, der nicht Störstoff-Dotiert ist und eine geringere Elektronenaffinität oder eine größere Summe aus Elektronenaffinität und Bandabstand aufweist als der dritte Verbundhalbleiter.
10. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei Elektroden für die Basis (70), den Kollektor (72) und, den Emitter (71) auf der gleichen Oberfläche vorgesehen und: die Basis- und Kollektorbereiche (54; 55) mit den jeweiligen Elektroden (72; 70) verbindende Leiterteile (65; 66) durch Ionenimplantation durch die Schichtstruktur gebildet und von dem Transistorbereich elektrisch getrennt sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 1 mit einem Feldeffekttransistor (A), dessen Kanalbereich einen ersten Bereich (142) aus einem im wesentlichen undotierten ersten Verbundhalbleiter und einen zweiten Bereich (143, 143') aus einem zweiten Verbundhalbleiter des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, so daß in dem ersten Verbundhalbleiterbereich (142) eine zweidimensionale Trägergasschicht (159) des zweiten Leitfähigkeitstyps in doziert wird.
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